JP2017147128A - 電池モジュール、および、電池システム - Google Patents

電池モジュール、および、電池システム Download PDF

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Abstract

【課題】大型化を抑制しつつ迅速に消火を行うことが可能な電池モジュール、および、電池システムを提供する。【解決手段】電池モジュール1は、異常時に内部の流体を外部に逃がす安全弁を有した単電池2と、冷媒を流す冷却配管11を有し、前記冷媒により前記単電池2を冷却する冷却部3と、前記冷却配管11に接続されて内部に前記冷媒が流れるとともに、異常時に前記安全弁から噴出する流体と接触することにより破損する材質で形成され、前記安全弁から噴出する流体と接触可能な位置で、且つ、前記破損により漏れ出る前記冷媒が前記安全弁に到達可能となる位置に配置された消火用配管13と、を備える。【選択図】図1

Description

この発明は、電池モジュール、および、電池システムに関する。
鉛電池やニッケルカドミウム電池のような水系電解質を用い他電池に比べ、リチウム二次電池のような非水電解質を用いた電池はエネルギー密度が高く、長寿命であることから、パーソナルコンピュータや携帯通信機器などの小型電子機器から電気自動車などの移動体、さらには各種産業用定置型蓄電システムの電源システムとして広く用いられていることは周知の事実である。
一方で、非水電解質を用いた二次電池等の電池は電解質に有機溶媒を用いるため、内部短絡などの異常が発生した場合、熱暴走と呼ばれる異常発熱が生じ、時に発火を伴う可能性がある。特に、移動体や産業用定置型蓄電システムのようにシステムの規模が大きくなると、単電池の容量(サイズ)が大きくなり、かつ単電池の個数も多くなる。そのため、このような用途においては、消火を行う設備を設けるなどの安全対策が望まれる。
また、リチウムイオン電池の運用においては電池温度を適正に管理する必要がある。電池温度には設置環境の温度の他、充放電によるジュール熱が影響する。過度に電池温度が上昇した場合、電池の性能劣化が促進されるだけでなく、安全対策からも電池温度の適正な管理が望まれる。従って、上述したような用途においては、過度な温度上昇を防ぐために冷却設備を備える場合がある。
しかしながら、消火設備や冷却設備などの付帯設備を設けると、エネルギー密度の高い電池を用いているにも関わらず、電池システム全体が大型化してしまい、結果的に高エネルギー密度を用いる利点が損なわれかねないため、これらの付帯設備は極力コンパクトなものにすることが望ましい。
そこで、特許文献1においては、冷却水を電池パック内に充満させて消火させる技術が記載されている。さらに、特許文献1には、冷却液循環路に対して外部の消火装置を接続可能とすることで、消火剤を電池パック内に注入する技術が記載されている。これら特許文献1に記載の技術によれば、電池の冷却設備が消火設備を兼ねるため、システム全体の大型化を抑制することが可能となる。
特開2013−136266号公報
特許文献1に記載の電池パックは、複数の単電池の何れかに異常が発生した場合に、全ての単電池が冷却水や消火剤に浸される。つまり、電池パックが冷却水や消火剤に完全に浸漬された状態になるまで時間が掛かる。言い換えれば、異常の発生した箇所が、冷却水や消火剤が電池パックへ流入する箇所から離れている場合には、これら冷却水や消火剤が異常の発生した箇所に到達するまでに時間が掛かってしまう可能性が有る。電池パックにおいて、異常を発生する単電池は不特定(どの単電池でも起こり得る)であるため、消火に要する時間が異常発生を起こす単電池のパック内での位置によって異なることは、消火設備の有効性の観点で問題である。このことは、電池システムの規模が大きくなるほど深刻になる。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、大型化を抑制しつつ、異常が発生した単電池に対して迅速に消火及び冷却を行うことが可能な電池モジュール、および、電池システムを提供することを目的とする。
この発明の第一態様によれば、電池システムを構成する電池モジュール(複数の単電池をまとめて一つの単位電池にしたもの)は、異常時に内部の流体を外部に逃がす安全弁を有した単電池と、水等の冷媒を流す冷却配管を有し、前記冷媒により前記単電池を冷却する冷却部と、前記冷却配管に接続されて内部に前記冷媒が流れるとともに、異常時に前記安全弁から噴出する流体(高温のガス)や火炎と接触することにより破損する材質で形成され、前記安全弁から噴出する流体と接触可能な位置で、且つ、前記破損により噴出する前記冷媒が前記安全弁に到達可能となる位置に配置された消火用配管と、を備える。
このように構成することで、異常時に安全弁から流体や火炎が外部に噴出した際に、この流体や火炎を消火用配管に接触させることができる。さらに、安全弁から噴出した流体や火炎によって消火用配管を破損させることができる。さらに、冷却配管から消火用配管に流れ込んだ冷媒を消火用配管の破損個所から噴出させて、この噴出した冷媒を、安全弁に到達させることができる。これにより、異常が発生した電池の安全弁に対して冷媒を到達させることができる。
その結果、新たな消火設備を必要とせず電池モジュールの大型化を抑制することができるとともに、異常が発生した単電池の消火及び冷却を迅速に行うことが可能となる。
この発明の第二態様によれば、電池モジュールは、第一態様における冷媒が、フッ素系流体であってもよい。
このようにすることで、電池を冷却する冷媒によって安定した消火を行うことができる。
この発明の第三態様によれば、電池システムは、第一又は第二態様の電池モジュールと、前記冷却部の冷却配管に冷媒を供給する供給部と、前記供給部による冷媒の供給量を制御する制御部と、を備える。
このように構成することで、電池モジュールの単電池が異常となった場合に、例えば、供給部による冷媒の供給量を増加させるなどの制御を行い、冷媒の供給量を増加させて迅速な消火を行うことができる。
この発明の第四態様によれば、電池システムは、第三態様において、前記電池モジュールの温度を検出する温度検出部と、前記冷媒の供給状態を検出する冷媒検出部と、を備え、制御部が、前記電池モジュールの温度が第一の閾値以上となり、且つ、前記供給部からの冷媒の供給圧が第二の閾値以下になった場合に、前記供給部の出力を上昇させるようにしてもよい。
このように構成することで、電池モジュールの温度が上昇し、且つ、供給部からの供給圧が低下した場合に、供給部の出力を上昇させて冷媒の供給量を増加させることができる。すなわち、単電池に異常が発生して電池モジュールの温度が上昇し、且つ、安全弁からの流体や火炎の噴出により消火用配管が破損して冷媒が漏れ出して供給圧が低下している状態となって初めて冷媒の供給量を増加させることができる。そのため、常時、異常発生した単電池の消火及び冷却に適した供給量で供給部を作動させる場合よりも、システム全体のエネルギー消費を低減させることができる。
この発明の第五態様によれば、電池システムは、第四態様において、互いの冷却部が並列に接続された複数の前記電池モジュールを備え、複数の前記冷却部のうち、一部の前記冷却部にのみ前記冷媒を供給可能にする選択切替部を備え、前記制御部は、複数の前記電池モジュールのうち少なくとも一つの電池モジュールの電池の温度が第一の閾値以上となり、且つ、前記供給部からの冷媒の供給圧が第二の閾値以下になった場合に、前記温度が第一の閾値以上となった電池を有する前記電池モジュールの前記冷却部にのみ冷媒が供給されるように前記選択切替部を切り替えるようにしてもよい。
このように構成することで、選択切替部によって、複数の電池モジュールのうち消火及び冷却が必要な電池モジュールに対して冷媒の供給を集中させることができる。そのため、効率よく冷媒による消火及び冷却を行うことが可能となる。
この発明の第六態様によれば、電池システムは、第五態様において、冷媒圧送用の流体を前記冷却配管に供給する圧送用流体供給部と、前記供給部を迂回するように形成されたバイパス配管と、前記冷媒が前記バイパス配管に流れるように前記冷媒の流路を切り替え可能な流路切替部と、を備え、前記制御部が、前記電池モジュールの温度が第一の閾値以上となり、且つ、前記供給部からの冷媒の供給圧が第二の閾値以下になった場合に、前記冷媒が前記供給部を迂回して前記バイパス配管を流れるように前記選択切替部を切り替えるとともに前記圧送用流体供給部を作動させるようにしてもよい。
このように構成することで、電池モジュールの温度が第一の閾値以上となり、且つ、供給部からの冷媒の供給圧が第二の閾値以下になった場合に、バイパス配管を経由して冷媒が供給部を迂回可能になり、圧送用流体供給部による流体の圧送が可能になる。
そのため、消火用配管の破損個所に供給する冷媒の流量を迅速に増加することができるとともに、供給部による冷媒の圧送能力を上げる必要がないため供給部の大型化を抑制できる。
この発明の第七態様によれば、電池システムは、第六態様における冷媒圧送用の前記流体が、不活性ガス、又は、ガス系消火設備に用いられるような消火性能を持つガスであってもよい。
このように構成することで、不活性ガスや消火ガスにより冷媒を圧送しつつ、冷媒が全て系外に漏出した後も、異常の発生した電池に対して不活性ガスや消火ガスを吹き付けることができる。そのため、冷媒による冷却消火に引き続き、不活性ガスによる窒息消火や消火ガスによる抑制消火を行うことができる。
上記電池モジュール、および、電池システムによれば、消火設備や冷却設備の大型化を抑制しつつ迅速に消火を行うことができる。
この発明の第一実施形態における電池モジュールの概略構成を示す斜視図である。 図1の電池モジュールを電池の厚さ方向から見た図である。 この発明の第一実施形態における電池モジュールを一方の端子側から見た側面図である。 この発明の第一実施形態における消火用配管による消火及び冷却動作を示す概念図であって、(a)は通常時、(b)は異常発生時を示している。 この発明の第一実施形態の変形例における消火本体部を示す図である。 この発明の第二実施形態における電池システムの概略構成を示す図である。 この発明の第二実施形態における電池システムの制御処理を示すフローチャートである。 この発明の第二実施形態の変形例における電池システムの概略構成を示す図である。 この発明の第二実施形態の変形例における電池システムの制御処理を示すフローチャートである。 この発明の第三実施形態における電池システムの概略構成を示す図である。 この発明の第三実施形態の変形例における電池システムの概略構成図である。
(第一実施形態)
次に、この発明の第一実施形態を図面に基づき説明する。
図1は、この発明の第一実施形態における電池モジュールの概略構成を示す斜視図である。
図1に示すように、電池モジュール1は、単電池2と、冷却部3と、CMU(セルモニタリングユニット)5と、を主に備えている。なお、図1では、冷却部3が単電池2の側方に配置しているが、この実施形態における電池モジュール1は、通常、冷却部3が単電池2の下方に位置する姿勢で設置される。
単電池2は、エネルギー密度が高く、有機溶剤を電解質として用いた蓄電池である。この第一実施形態における電池は、例えば、リチウム二次電池である。この単電池2は、正極体と負極体とがセパレータを介して絶縁された状態で積層された電極積層体(何れも図示せず)が、電解液に浸漬された状態で金属製などのケース2a内に収容されている。この第一実施形態における単電池2は、その厚さD方向(図1中、矢印で示す方向)に複数積層されている。
これら単電池2には、その厚さD方向に広がる側面のうち、互いに反対方向を向く一対の側面2s(図1中、一方の側面2sのみ示す)にそれぞれ2つずつ電極7が形成されている。この第一実施形態における単電池2は、2つのプラス電極7aが同一の側面2sに配置され、2つのマイナス電極7bが同一の側面2sに形成されている。2つのプラス電極7aは、側面2sの面内において互いに十分に離れて配置され、同様に、2つのマイナス電極7bも、側面2sの面内において互いに十分に離れて配置されている。これら複数の単電池2の各電極7は、バスバーB(図2参照)によって、それぞれ並列又は直列に接続され、実質的に一つの蓄電池として用いられる。
図2は、図1の電池モジュールを単電池の厚さ方向から見た図である。なお、電池モジュール1において、単電池2のプラス電極7aが配置される側と、単電池2のマイナス電極7bが配置される側とにおける、単電池2の外部の構成は電極の極性の違いだけである。そのため、以下の説明においては、特に必要な場合を除き、プラス電極7aが配置される側についてのみ説明してマイナス電極7bが配置される側の説明は省略する。
図2に示すように、単電池2は、安全弁8を備えている。この第一実施形態における単電池2は、2つのプラス電極7aの間と、2つのマイナス電極7bの間とに、それぞれ安全弁8を備えている。安全弁8は、単電池2のケース内圧とケース外部の大気圧との差圧が所定以上になると開放する。つまり、これら安全弁8は、ケース内圧が異常上昇した時(異常時)に開放して、ケース内部の高温の流体をケース外部に逃がす。この安全弁8から放出される流体は、火炎を伴う場合もある。
図3は、この発明の第一実施形態における電池モジュールを一方の端子側から見た側面図である。なお、図3において、CMU5の図示については図示都合上の理由で省略している。
冷却部3は、冷媒を用いて単電池2を冷却する。図3に示すように、この冷却部3は、コールドプレート(冷却配管)11と、伝熱板12と、消火用配管13と、を主に備えている。
コールドプレート11は、内部に冷媒流路14が形成された板状に形成されている。この第一実施形態におけるコールドプレート11は、伝熱性の高いアルミニウム等の金属で形成されている。さらに、このコールドプレート11は、電極7が配置される2つの側面2sの間に位置する側面2saに沿って設置されている。コールドプレート11は、厚さD方向に積層された全ての単電池2の側面2saを覆っている。
図1に示すように、コールドプレート11に形成された冷媒流路14は、複数の単電池2の積層方向における第一端部11aから第二端部11bに向かって蛇行するように形成されている。より具体的には、コールドプレート11の冷媒流路14は、単電池2の表裏面と平行に延びる直線状に形成された複数の直線部14aと、隣り合う直線部14a同士を繋ぐ曲線部14bとを備え、これら直線部14aと曲線部14bとによって蛇行する一本の冷媒流路14が形成されている。最も第一端部11aの近くに配置される直線部14aと、最も第二端部11bの近くに配置される直線部14aとは、それぞれ冷媒の入口と出口となる接続部15をそれぞれ有している。
図3に示すように、伝熱板12は、その少なくとも一部が、隣り合う単電池2の間に配置される板状に形成されている。これら伝熱板12は、隣り合う電池2が対向する表面2suおよび裏面2sbとコールドプレート11との間の伝熱を行う。伝熱板12は、単電池2の表面2suおよび裏面2sbに接する本体部12aと、コールドプレート11の内面11iおよび電池2の側面2sa側に回り込むように形成された伝熱部12bとを備えている。つまり、単電池2の表面2su及び裏面2sbは、伝熱部12bと本体部12aとを介してコールドプレート11に流れる冷媒により冷却可能となっている。
消火用配管13は、コールドプレート11の接続部15に接続されている。この消火用配管13は、コールドプレート11の冷媒流路を流れる冷媒の少なくとも一部が、その内部流路に流れるようになっている。この第一実施形態における消火用配管13には、コールドプレート11を流れた冷媒の全てが流れるようになっている。
消火用配管13は、安全弁8と対向する位置に配置される二つの消火本体部16を備えている。二つの消火本体部16のうちの一方の消火本体部16は、図3に示す側面視で、複数の単電池2のプラス電極7a側の側面2sに配置された全ての安全弁8と重なる位置を通るように形成されている。言い換えれば、消火本体部16は、単電池2の配列方向に直線状に延びている。なお、図3中、図示を省略しているが、二つの消火本体部16のうち他方の消火本体部16も、複数の単電池2のマイナス電極7b側の側面2sに配置された全ての安全弁8と重なる位置を通るように形成されている。
消火用配管13は、単電池2の異常時に安全弁8から噴出する流体と接触することにより破損する材質で形成されている。この第一実施形態における消火用配管13は、安全弁8から噴出する高温の流体が接触することで、その温度上昇により溶損する材質で形成されている。ここで、消火用配管13が、温度上昇により溶ける場合について説明したが、例えば、安全弁8から噴出する流体と接することで化学反応により溶ける材質としても良い。さらに、消火用配管13は、上述した温度上昇及び化学反応の両方で溶ける材質であっても良い。これら温度上昇及び化学反応により溶ける材質としては、樹脂を例示できる。なお、消火用配管13は、安全弁8から噴出する流体と接触する位置のみ、この流体と接触することにより破損する材質で形成するようにしても良い。
上述した冷媒としては、水などの不燃性の液体を用いることができる。さらに、冷媒としては、フッ素系の不活性流体を用いることもできる。フッ素系の不活性流体としては、例えば、フロリナート(登録商標;3M社製)やノベック(登録商標;3M社製)を用いることができる。特にフッ素系の不活性液体を用いる場合には、電気的な絶縁性が高いため、漏電や感電を抑制できる点で有利となる。
図2に示すように、消火用配管13の消火本体部16は、安全弁8から噴出する流体と接触可能な位置で、且つ、破損により消火本体部16から漏れ出る冷媒が安全弁8に到達可能な位置に配置されている。言い換えれば、消火本体部16と、側面2sの安全弁8との距離L1は、安全弁8から噴出する流体が接触可能な範囲内で、且つ、消火本体部16から漏れ出る冷媒が安全弁8に到達可能な範囲内となっている。この実施形態における距離L1は、全て一定とされている。
CMU(温度検出部)5は、電池モジュール1の各単電池2の状態を監視する。このCMU5は、基板17と、基板17上に実装される電池保護回路(図示せず)と、を備えている。CMU5は、各単電池2に対して一つずつ設けられている。CMU5は、電池保護回路によって各単電池2の温度や端子間電圧などを計測して、この計測結果の情報を、上位系であるBMU(バッテリマネジメントユニット)等に出力する。ここで、各単電池2の温度は、電池保護回路のサーミスタ等で計測することができる。
基板17は、電池モジュール1の側面2sと平行で、且つ、電池モジュール1を構成する単電池2の側面2sを覆うように形成されている。この基板17は、単電池2の側面2sから離間して配置されている。この基板17は、上述した消火用配管13の消火本体部16を基板17に固定するための配管支持部18を有している。この配管支持部18は、基板17から単電池2の側面2sに向かって突出している。
なお、消火本体部16を基板17に固定する方法は、配管支持部18によるものに限られない。例えば、消火本体部16を基板17に対して、結束バンド等を用いて固定するようにしても良い。また、基板17に消火本体部16を固定する場合について説明したが、消火本体部16を支持する専用の支持部材(図示せず)を用いて消火本体部16を設置するようにしても良い。
図4は、この発明の第一実施形態における消火用配管による消火動作を示す概念図であって、(a)は通常時、(b)は異常発生時を示している。なお、図4においては、電極7を省略している。
図4(a)に示すように、電池モジュール1の何れの単電池2にも異常が発生していない状態、すなわち通常時には、コールドプレート11を流れた冷媒が、順次、消火用配管13に流れ込み、消火本体部16によってそれぞれ安全弁8と対向する位置を流れる。
例えば、図4(b)に示すように、電池モジュール1の単電池2の一つに異常が発生した場合、単電池2が上昇し、単電池2のケース内圧が上昇する。すると、安全弁8が開き、安全弁8から単電池2の内部の高温流体が噴出する。ここで、高温流体としては、過熱によりケース2aの内部で発生する高温のガスが例示できる。なお、この高温のガスは、火炎を伴う場合があり、図4(b)では火炎を伴う場合を例示している。
この安全弁8から噴出した高温流体は、安全弁8に対向する消火用配管13の消火本体部16に接触する。すると、消火本体部16は、高温流体の熱によって溶融し、消火本体部16の内部流路の密閉状態が破れる。すなわち、消火本体部16が溶損し、この溶損した部分から、消火本体部16を流れる冷媒が漏出する(図4中、破線矢印で示す)。この冷媒は、安全弁8を含む範囲に漏出し、高温のガスが火炎を伴う場合には、この高温のガスに冷媒が触れることで冷却消火される。
したがって、上述した第一実施形態によれば、異常時に安全弁8から高温のガスが外部に噴出した際に、この高温のガスを消火用配管13の消火本体部16に接触させることができる。さらに、安全弁8から噴出した高温のガスによって消火用配管13の消火本体部16を破損させることができる。これにより、コールドプレート11から消火用配管13に流れ込んだ冷媒を消火用配管13の破損個所から漏出させて、この漏出した冷媒を、異常が発生した単電池2の安全弁8に到達させることができる。
その結果、新たな消火設備を設ける場合と比較して、電池モジュール1の大型化を抑制することができるとともに、異常が発生した単電池2の消火及び冷却を迅速に行うことが可能となる。
さらに、フッ素系流体を冷媒として用いることで、単電池2を冷却する冷媒により安定した消火を行うことができる。
(第一実施形態の変形例)
上述した第一実施形態においては、消火本体部16の断面形状が円形の場合を例示した。しかし、消火本体部16の断面形状は円形に限られない。
図5は、この発明の第一実施形態の変形例における消火本体部を示す図である。
例えば、消火用配管13の消火本体部16の断面形状を、安全弁8を完全に覆うことが可能な断面形状としても良い。安全弁8を完全に覆うことが可能な断面形状としては、図5に示すように、単電池2の側面2sに沿って広がる偏平な長方形状(角型配管)とすることができる。
ここで、例えば、消火本体部16の幅寸法D1が、安全弁8の幅寸法D2以上の寸法で形成され、且つ、幅方向における安全弁8の中心と、消火本体部16の中心とが一致すれば、少なくとも安全弁8を完全に覆うことができる。なお、図5の一例においては、消火本体部16の断面形状が長方形状の場合を例示したが、例えば、長方形以外の多角形状や、楕円形状なども採用できる。
したがって、この変形例によれば、消火本体部16が安全弁8から噴出した流体によって破損した場合に、単電池2に対してより広い範囲に冷媒をまき散らすことができる。
その結果、より確実に、安全弁8から噴出する流体に、冷媒を接触させることができる。
(第二実施形態)
次に、この発明の第二実施形態を図面に基づき説明する。この第二実施形態は、上述した第一実施形態の電池モジュールを備える電池システムの実施形態である。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図6は、この発明の第二実施形態における電池システムの概略構成を示す図である。
図6に示すように、電池システム30は、電池室31と、冷媒センサ32と、リザーブタンク33と、熱交換器34と、循環ポンプ(供給部)35と、BMU(バッテリマネジメントユニット;制御部)36と、電池温度管理部(制御部)37と、循環配管38と、を備えている。第一実施形態で説明した冷却部3と、リザーブタンク33と、熱交換器34と、循環ポンプ35とは、循環配管38により直列に接続されている。循環配管38は、冷却部3から排出された冷媒を再度冷却部3に戻す流路を形成する。
電池室31は、上述した第一実施形態と同じ構成の電池モジュール1を収容する。この電池室31としては、例えば、ISO(International Organization for Standardization)規格のコンテナなどを用いることができる。図6においては、一つの電池室31に一つの電池モジュール1を収容する場合について例示しているが、一つの電池室31に複数の電池モジュール1を収容するようにしても良い。
冷媒センサ(冷媒検出部)32は、冷媒の供給状態として、冷媒の圧力と流量との少なくとも一方を検出する。この冷媒センサ32は、例えば、その検出結果を電池温度管理部37へ出力する。この第二実施形態における冷媒センサ32は、冷却部3とリザーブタンク33との間に設置されている。
リザーブタンク33は、余剰な冷媒を貯留する。リザーブタンク33は、例えば、循環配管38を流れる冷媒全体の量が減少した場合になどに、循環配管38に対して貯留している冷媒を送り込む。
熱交換器34は、例えば、ラジエター等であって、循環配管38を流れる冷媒と外気との間で熱交換させて冷媒を冷却する。この冷却された冷媒は、循環ポンプ35に供給される。
循環ポンプ35は、循環配管38の冷媒を電池モジュール1の冷却部3に向けて圧送する。言い換えれば、循環ポンプ35は、循環配管38を介して冷媒が循環するように、冷媒を昇圧する。この循環ポンプ35は、例えば、電池温度管理部37によってその駆動制御が行われる。
BMU36は、CMU(温度検出部)5から入力される単電池2の状態(例えば、端子間電圧や温度)に関する情報に基づいて、電池モジュール1の監視を行う。具体的には、電池モジュール1の充放電状態を監視して、単電池2の劣化を抑制する冷却制御等を行う。さらに、BMU36は、単電池2の端子間電圧や温度など、電池の状態に関する情報を、電池温度管理部37に出力する。
電池温度管理部37は、冷媒センサ32の検出結果、および、BMU36より入力された単電池2の状態に関する情報に基づいて、単電池2に異常が発生しているか否かを判定する。電池モジュール1の単電池2の温度が予め設定された閾値(第一の閾値)以上となり、且つ、循環ポンプ35からの冷媒の供給圧が予め設定された閾値(第二の閾値)以下になった場合に、単電池2に異常が発生したと判定する。
電池温度管理部37は、単電池2に異常が発生していないと判定した場合には、例えば、単電池2の劣化を抑制するために、単電池2の温度が閾値を超えないように循環ポンプ35のフィードバック制御を行う。一方で、電池温度管理部37は、単電池2に異常が発生していると判定した場合には、例えば、冷媒流量(又は、冷媒圧力)を通常時よりも増加させるなどの異常時における循環ポンプ35の運転制御を行う。この実施形態における異常時の冷媒流量(又は、冷媒圧力)としては、例えば、循環ポンプ35で出力可能な最大流量(又は、最大圧力)が例示できる。なお、この第二実施形態においては、BMU36と電池温度管理部37とを個別に設ける場合についてしたが、これらBMU36と電池温度管理部37とを一体化して設けても良い。
次に、電池温度管理部37の制御処理について図面を参照しながら説明する。
図7は、この発明の第二実施形態における電池システムの制御処理を示すフローチャートである。
図7に示すように、電池温度管理部37は、まず、冷媒センサ32の検出結果である冷媒の状態情報を取得する(ステップS01)。ここで、冷媒センサ32から所得する冷媒の状態情報は、冷媒圧力と冷媒流量との少なくとも一方の情報を含む。
次に、電池温度管理部37は、BMU36から単電池2の状態情報を取得する。ここで、BMU36から取得する単電池2の状態情報は、少なくとも単電池2の温度の情報を含む。
なお、この実施形態の制御処理においては、冷媒の状態情報を取得した後に電池の状態情報を取得する場合について説明した。しかし、これらの情報を取得する順番は、上記順番に限られない。また、これらの情報は、並行して取得するようにしても良い。
電池温度管理部37は、単電池2の状態情報と、冷媒の状態情報とに基づいて、単電池2に異常が発生しているか否かを判定する(ステップS03)。
ここで、第一実施形態で説明したように、単電池2が異常状態となり、温度が上昇して安全弁8が開放すると、消火用配管13が破損する。この破損によって消火用配管13から冷媒が漏出する。すると、電池モジュール1の下流側において、循環ポンプ35から供給される冷媒の冷媒圧力および冷媒流量が低下する。これら冷媒圧力および冷媒流量の低下は、上述した冷媒センサ32によって検出される。つまり、電池温度管理部37は、冷媒センサ32の検出結果と、冷媒圧力および冷媒流量についての閾値(第二の閾値)とを比較することで冷媒圧力および冷媒流量の低下を判定し、これにより単電池2が異常状態か否かを判定することができる。
さらに、電池温度管理部37は、上述した冷媒の状態に加えて、BMU36により取得した少なくとも単電池2の温度情報に基づいて、単電池2に異常が発生しているか否かを判定する。ここで、安全弁8から高温の流体が噴出するような場合、単電池2の温度が通常よりも高い値となる。そのため、冷媒圧力や冷媒流量に加えて、BMU36により取得した電池温度を、電池温度の閾値(第一の閾値)と比較して異常判定する。このようにすることで、冷媒センサ32の検出結果にのみ基づいて異常を判定する場合と比較して、誤判定のリスクを低減できる。なお、電池温度管理部37において、上述した冷媒圧力、冷媒流量、および、電池温度に加えて、単電池2の端子間電圧が低下したことを異常判定のパラメータとして加えても良い。
次いで、電池温度管理部37は、単電池2に異常が発生したと判定した場合(ステップS03でYes)、異常時の冷媒流量で循環ポンプ35を駆動制御する。すなわち、電池温度管理部37は、循環ポンプ35を最大出力で駆動させて、消火用配管13の消火本体部16から漏出する冷媒量を増加させ、異常が発生した単電池2に対して短時間に大量の冷媒を供給する(ステップS04)。
一方で、電池温度管理部37は、単電池2に異常が発生していないと判定した場合(ステップS03でNo)、予め設定された通常時の冷媒流量となるように、循環ポンプ35を駆動制御する。すなわち、循環ポンプ35は、単電池2の温度が、劣化抑制のための温度閾値以上とならないように、単電池2の温度を監視しながら冷媒を循環させる(ステップS05)。
したがって、上述した第二実施形態によれば、電池モジュール1の複数の単電池2うち何れかの単電池2が異常となった場合、より具体的には、単電池2の異常に伴って消火用配管13が破損した場合に、循環ポンプ35によって冷媒の供給量を増加させることができる。そのため、冷媒の供給量を増加させて迅速な消火を行うことができ、単電池2の異常によるシステム全体の被害を最小限に抑えることができる。
さらに、電池モジュール1の単電池2の温度が上昇し、且つ、循環ポンプ35からの冷媒の供給圧が低下した場合に、循環ポンプ35の出力を上昇させて冷媒の供給量を増加させることができる。すなわち、単電池2に異常が発生して電池モジュール1の温度が上昇し、且つ、安全弁8からの流体の噴出により消火用配管13が破損して冷媒が漏れ出して供給圧が低下している状態となって初めて冷媒の供給量を増加させることができる。そのため、常時、消火に適した供給量で循環ポンプ35を作動させる場合よりも、システム全体のエネルギー消費を低減させることができる。
(第二実施形態の変形例)
次に、この発明の第二実施形態の変形例を図面に基づき説明する。この第二実施形態の変形例は、電池モジュール1が複数設けられるとともに、これら複数の電池モジュール1を冷却する各冷却部3が並列に接続されている点でのみ相違する。したがって、第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明する。
図8は、この発明の第二実施形態の変形例における電池システムの概略構成を示す図である。
図8に示すように、この第二実施形態の変形例における電池システム130は、電池室31の内部に複数(n個)の電池モジュール1を備えている。これら電池モジュール1は、それぞれ冷却部3を有している。
循環配管138は、冷却部3へ冷媒を循環させる冷媒流路を形成する。この循環配管138は、電池室31の内部でそれぞれの電池モジュール1の冷却部3へ冷媒を分配する分岐配管138aを備えている。冷却部3は、これら分岐配管138aの途中にそれぞれ設けられている。
電池システム130は、更に、複数の分岐開閉弁Va,Vbを備えている。これら分岐開閉弁Va,Vbは、分岐配管138aの途中に設置されている。より具体的には、分岐開閉弁Vaは、電池モジュール1の上流側の分岐配管138aの途中に設置され、分岐開閉弁Vbは、電池モジュール1の下流側の分岐配管138aの途中に設置されている。これら分岐開閉弁Va,Vbは、例えば、電池温度管理部37とBMU36との少なくとも一方により制御される。分岐開閉弁Va,Vbは、同一の分岐配管138aに設置されているもの同士の開閉状態が同じ開閉状態になるように制御される。なお、分岐開閉弁Va,Vbは、異常が発生していない通常時には、常時開放状態とされている。上述した分岐開閉弁Va,Vbおよび分岐配管138aによってこの発明の選択切替部が構成される。
次に、上述した第二実施形態の変形例における電池システムの制御処理について図面を参照しながら説明する。この制御処理は、電池温度管理部37とBMU36との少なくとも一方により行われるが、この変形例の説明においては、電池温度管理部37が行う場合を例示する。
図9は、この発明の第二実施形態の変形例における電池システムの制御処理を示すフローチャートである。なお、この制御処理の説明においては、図7のフローチャートと同じ処理に同一符号を付し、重複する部分についての詳細説明を省略する。
まず、電池温度管理部37は、第二実施形態と同様に、冷媒の状態情報を取得し(ステップS01)、単電池2の状態情報を取得する(ステップS02)。さらに、単電池2に異常が発生したか否かを判定する(ステップS03)。
次いで、単電池2に異常が発生していると判定された場合(ステップS03でYes)、電池温度管理部37は、異常が発生している単電池2すなわち、温度が閾値以上となった単電池2を備える電池モジュール1の冷却部3にのみ冷媒が供給されるように、その他の電池モジュール1へ冷媒を供給する分岐配管138aの分岐開閉弁Va,Vbを閉塞する。
さらに、電池温度管理部37は、異常時の冷媒流量で循環ポンプ35を駆動制御する。すなわち、電池温度管理部37は、循環ポンプ35を最大出力で駆動させて、消火用配管13から漏出する冷媒量を増加させ、異常が発生した単電池2を備えた電池モジュール1に対して短時間に大量の冷媒を供給する(ステップS04)。
一方で、単電池2に異常が発生していないと判定された場合、電池温度管理部37は、全ての電池モジュール1に対して均等に冷媒が供給されるように、全ての分岐開閉弁Va,Vbを開放状態に維持しつつ(ステップS12)、通常時の冷媒流量で循環ポンプ35を駆動制御する(ステップS05)。
したがって、第二実施形態の変形例によれば、複数の電池モジュール1のうち消火が必要な電池モジュール1に対して冷媒の供給を集中させることができる。そのため、迅速、且つ、効率よく冷媒による消火を行うことが可能となる。
(第三実施形態)
次に、この発明の第三実施形態における電池システムを図面に基づき説明する。この第三実施形態は、上述した第二実施形態に対して、異常発生時に冷媒を供給するための構成が相違する。そのため、第一、第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
図10は、この発明の第三実施形態における電池システムの概略構成を示す図である。
図10に示すように、電池システム40は、電池室31と、冷媒センサ32と、リザーブタンク33と、熱交換器34と、循環ポンプ35と、循環配管38と、BMU(バッテリマネジメントユニット;制御部)41と、電池温度管理部(制御部)42と、バイパス配管43と、第一開閉弁44と、第二開閉弁45と、第三開閉弁46と、圧送用流体供給配管47と、第四開閉弁48と、圧送用流体供給部49と、を備えている。
電池室31は、上述した第二実施形態の電池室と同様の構成であって、第一実施形態で説明した電池モジュール1を収容する。
冷媒センサ32は、冷媒の圧力や流量を検出する。この冷媒センサ32は、例えば、その検出結果をBMU41および電池温度管理部42へそれぞれ出力する。この第三実施形態における冷媒センサ32も、第二実施形態と同様に、冷却部3とリザーブタンク33との間に設置されている。
リザーブタンク33は、第二実施形態と同様であり、余剰な冷媒を貯留する。このリザーブタンク33は、循環配管38を流れる冷媒量が減少した場合に、貯留している冷媒を循環配管38に対して送り込む。
熱交換器34は、循環配管38を流れる冷媒と外気との間で熱交換させて冷媒を冷却する。この冷却された冷媒は、循環ポンプ35に供給される。
循環ポンプ35は、冷媒を電池モジュール1の冷却部3に向けて圧送する。この循環ポンプ35は、電池温度管理部42によってその駆動制御が行われる。
BMU41は、CMU5から入力される単電池2の状態(例えば、端子間電圧や温度)に関する情報に基づいて、電池モジュール1の監視を行う。具体的には、電池モジュール1の充放電状態を監視して、単電池2の劣化を抑制する制御等を行う。さらに、BMU41は、単電池2の端子間電圧や温度など、電池の状態に関する情報を、電池温度管理部42に出力する。
BMU41は、更に、CMU5から入力される単電池2の状態に関する情報や、冷媒センサ32から入力される冷媒の状態に関する情報に基づいて、単電池2に異常が発生したか否かを判定する。より具体的には、BMU41は、単電池2の安全弁8から高温流体が噴出して、消火用配管13が破損したか否かを判定する。この判定の結果、異常が発生したと判定された場合には、詳細を後述する第一開閉弁44、第二開閉弁45を閉塞するとともに、第三開閉弁46を開放する制御を行う。これにより、循環配管38に流れる冷媒は、全て熱交換器34と循環ポンプ35とを迂回する状態となる。さらに、BMU41は、常時閉塞されている第四開閉弁48を開放する制御を行う。これにより、圧送用流体供給配管47を介して圧送用流体供給部49と循環配管38とが連通される。
電池温度管理部42は、主に循環ポンプ35の駆動制御を行う。この電池温度管理部42は、冷媒センサ32の検出結果、および、BMU41より入力された単電池2の状態に関する情報に基づいて、単電池2に異常が発生しているか否かを判定する。なお、この実施形態においては、BMU41により単電池2の異常判定を行っているため、このBMU41の判定結果の情報を用いるようにしても良い。
電池温度管理部42は、単電池2に異常が発生していると判定された場合に、循環ポンプ35を停止させる。一方で、単電池2に異常が発生していないと判定された場合には、上述した第二実施形態と同様に、通常時の駆動制御として、単電池2の劣化を抑制するべく単電池2の温度を閾値よりも小さく維持するように循環ポンプ35のフィードバック制御を行う。
バイパス配管43は、熱交換器34と循環ポンプ35とを迂回する冷媒流路を形成する。より具体的には、バイパス配管43は、循環配管38に対してリザーブタンク33の下流側で分岐接続されるとともに、循環配管38に対して循環ポンプ35の下流側で合流接続されている。すなわち、バイパス配管43は、熱交換器34と循環ポンプ35とを介さずに、冷媒を電池モジュール1に循環可能な冷媒流路を形成する。
第一開閉弁44は、バイパス配管43が分岐接続される位置よりも熱交換器34に近い循環配管38の途中に設置されている。この第一開閉弁44は、リザーブタンク33から熱交換器34へ流れる冷媒の流路を開閉する。第一開閉弁44は、BMU41の制御指令に従って開閉動作を行い、通常時は開放状態とされている。また、この第一開閉弁44は、単電池2に異常が発生したとBMU41で判定された場合に閉塞される。
第二開閉弁45は、バイパス配管43が合流接続される位置よりも循環ポンプ35に近い循環配管38の途中に設置されている。この第二開閉弁45は、循環ポンプ35から電池モジュール1へ流れる冷媒の流路を開閉する。第二開閉弁45は、BMU41の制御指令に従って開閉動作を行い、第一開閉弁44と同様に通常時は開放状態とされている。また、この第二開閉弁45は、単電池2に異常が発生したとBMU41で判定された場合に閉塞される。
第三開閉弁46は、バイパス配管43の途中に設置されている。この第三開閉弁46は、バイパス配管43により形成される冷媒流路の開閉を行う。第三開閉弁46は、BMU41の制御指令に従って開閉動作を行い、通常時は閉塞状態とされている。また、この第三開閉弁46は、単電池2に異常が発生したとBMU41で判定された場合に開放される。
なお、上述した第一開閉弁44、第二開閉弁45、および、第三開閉弁46によって、この発明の流路切替部が構成されている。
圧送用流体供給配管47は、循環配管38に合流接続されている。この圧送用流体供給配管47は、圧送用流体供給部49と循環配管38とを連通可能に接続している。この圧送用流体供給配管47を介して圧送用流体供給部49から供給される冷媒圧送用の高圧ガス(流体)が循環配管38に供給可能とされている。
第四開閉弁48は、圧送用流体供給配管47の途中に設置されている。この第四開閉弁48は、圧送用流体供給配管47により形成されるガス流路の開閉を行う。第四開閉弁48は、BMU41の制御指令に従って開閉動作を行い、通常時は閉塞状態とされている。また、この第四開閉弁48は、単電池2に異常が発生したとBMU41で判定された場合に開放される。
圧送用流体供給部49は、冷媒圧送用の高圧ガス(流体)を圧送用流体供給配管47を介して循環配管38に供給する。この実施形態における圧送用流体供給部49は、ガスボンベである。この圧送用流体供給部49には、冷媒圧送用の高圧ガスが充填されている。この冷媒圧送用の高圧ガスは、単電池2に異常が発生したとBMU41で判定されて第四開閉弁48が開放されると、循環配管38に流入する。循環配管38に冷媒圧送用の高圧ガスが流れ込むと、循環配管38の内部に存在する冷媒が冷媒圧送用の高圧ガスによって押されて、循環ポンプ35により循環配管38を循環するときよりも高い流速で、消火用配管13の破損箇所に向かって流れる。
この際、冷媒圧送用のガスは、循環配管38と圧送用流体供給配管47との合流点を基準にして、循環配管38の内部に存在する冷媒を、冷媒センサ32側と、リザーブタンク33側との両方に向かって押し、通常時の冷媒の流れ方向において、消火用配管13の破損個所の上流側と下流側との両方から冷媒が供給されて、これら冷媒が破損個所から漏出することとなる。なお、上述した通り、単電池2に異常が発生したと判定された場合、圧送用流体供給部49からリザーブタンク33側に存在する冷媒は、熱交換器34と循環配管38とを迂回して上記破損個所へと円滑に供給される。
ここで、冷媒圧送用の高圧ガスとしては、酸素を含まないガスを用いる。このようにすることで、火炎を伴う場合に、循環系内の冷媒が全て消火用配管13の破損箇所から漏出した後に、この破損個所から冷媒圧送用のガスを安全弁8に向けて吹き付けて、例えば、燃焼に必要な酸素が不足するいわゆる窒息消火をすることができる。さらに、冷媒圧送用の高圧ガスとして、例えば、不活性ガスや、消火ガスを用いることもできる。不活性ガスとしては、炭酸ガスや窒素ガスを用いることができる。不活性ガスを用いた場合は、より安定的に消火を行うことができる。また、消火ガスとしては、ガス系消火設備に用いられるような消火性能を持つガスを用いることができる。消火性能を持つガスとしては、ハロゲン化物であるハロン等を用いることができる。このような消火ガスを用いた場合は、窒息状態よりも更に積極的な抑制消火を行うことができ、消火効果を高めることができる。
したがって、上述した第三実施形態によれば、単電池2に異常が発生した場合に、バイパス配管43を経由して冷媒が循環ポンプ35を迂回可能になり、圧送用流体供給部49から供給される高圧ガスによって冷媒の圧送が可能になる。そのため、消火用配管13の破損箇所へ供給する冷媒量を迅速に増加することができる。さらに、単電池2に異常が発生した際に、循環ポンプ35による冷媒の圧送能力を上げる必要がないため、循環ポンプ35の大型化を抑制できる。
(第三実施形態の変形例)
図11は、この発明の第三実施形態の変形例における電池システムの概略構成図である。
上述した第三実施形態の説明においては、電池室31に一つの電池モジュール1を設置する場合について説明した。しかし、第二実施形態の変形例と同様に、電池室31に複数の電池モジュール1を設置することもできる。図11に示すように、この場合、第二実施形態の変形例と同様に、冷却部3へ冷媒を循環させる循環配管138に、電池モジュール1毎の分岐配管138aを設け、分岐配管138aのそれぞれに分岐開閉弁Va,Vbを設置する。
これら分岐開閉弁Va,Vbは、第二実施形態の変形例と同様に、電池温度管理部37とBMU36との少なくとも一方により制御される。すなわち、分岐開閉弁Va,Vbは、単電池2が異常状態と判定された電池モジュール1に対して冷媒の供給が集中するように、異常と判定されていない電池モジュール1への冷媒の供給を遮断する。
この第三実施形態の変形例によれば、圧送用流体供給部49の冷媒圧送用のガスによって冷媒を迅速に流すことができるとともに、異常が発生した電池モジュール1に冷媒の供給を集中させて、異常が発生した電池モジュール1へ供給される冷媒流量を増大させることができる。
この発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した第二、第三実施形態の各変形例においては、電池モジュール1に冷媒を供給する冷媒用の配管によって、電池室31に収容される複数の電池モジュール1が並列に接続される場合を説明した。しかし、この並列接続に限られず、例えば、電池モジュール1に冷媒を供給する冷媒流路によって、複数の電池モジュール1を直列に接続するようにしても良い。
さらに、上述した各実施形態においては、循環配管38,138に対して、冷却部3、冷媒センサ32、リザーブタンク33、熱交換器34、および、循環ポンプ35の順で配置される場合について説明した。しかし、冷媒センサ32、リザーブタンク33、および、熱交換器34の配置は上述した各実施形態の配置に限られない。
さらに、各実施形態においては、電池モジュール1がコンテナなどの電池室31に収容される場合を一例に説明した。しかし、電池モジュール1の設置場所は電池室31に限られるものではない。
また、冷媒の状態情報と、電池の状態情報との両方に基づいて異常判定を行う場合について説明したが、冷媒の状態情報のみを用いて異常判定を行うようにしても良い。
さらに、電池モジュール1において単電池2が積層される個数は、図1に示すものに限られない。また、消火用配管13がコールドプレート11の下流側に配置される場合について説明したが、コールドプレート11の上流側に配置されても良く、さらに、コールドプレート11の上流側と下流側との両方に配置されても良い。
さらに、上述した各実施形態においては、単電池2としてリチウム二次電池を例示したが、リチウム電池に限られない。更に、単電池2は、二次電池にも限られない。
1…電池モジュール 2…単電池 2a…ケース 2s…側面 2sa…側面 2su…表面 2sb…裏面 3…冷却部 5…CMU 7…電極 7a…プラス電極 7b…マイナス電極 8…安全弁 11…コールドプレート 11a…第一端部 11b…第二端部 11i…内面 12…伝熱板 12a…本体部 12b…伝熱部 13…消火用配管 14…冷媒流路 14a…直線部 14b…曲線部 15…接続部 16…消火本体部 17…基板 18…配管支持部 30…電池システム 31…電池室 32…冷媒センサ 33…リザーブタンク 34…熱交換器 35…循環ポンプ 36…BMU 37…電池温度管理部 38…循環配管 40…電池システム 41…BMU 42…電池温度管理部 43…バイパス配管 44…第一開閉弁 45…第二開閉弁 46…第三開閉弁 47…圧送用流体供給配管 48…第四開閉弁 49…圧送用流体供給部 130…電池システム 138…循環配管 138a…分岐配管 140…電池システム Va,Vb…分岐開閉弁

Claims (7)

  1. 異常時に内部の流体を外部に逃がす安全弁を有した単電池と、
    冷媒を流す冷却配管を有し、前記冷媒により前記単電池を冷却する冷却部と、
    前記冷却配管に接続されて内部に前記冷媒が流れるとともに、異常時に前記安全弁から噴出する流体と接触することにより破損する材質で形成され、前記安全弁から噴出する流体と接触可能な位置で、且つ、前記破損により噴出する前記冷媒が前記安全弁に到達可能となる位置に配置された消火用配管と、を備える電池モジュール。
  2. 前記冷媒は、フッ素系流体である請求項1に記載の電池モジュール。
  3. 請求項1又は2に記載の電池モジュールと、前記冷却部の冷却配管に冷媒を供給する供給部と、前記供給部による冷媒の供給量を制御する制御部と、を備える電池システム。
  4. 前記電池モジュールの温度を検出する温度検出部と、
    前記冷媒の供給状態を検出する冷媒検出部と、を備え、
    前記制御部は、前記電池モジュールの温度が第一の閾値以上となり、且つ、前記供給部からの冷媒の供給圧が第二の閾値以下になった場合に、前記供給部の出力を上昇させる請求項3に記載の電池システム。
  5. 互いの冷却部が並列に接続された複数の前記電池モジュールを備え、
    複数の前記冷却部のうち、一部の前記冷却部にのみ前記冷媒を供給可能にする選択切替部を備え、
    前記制御部は、
    複数の前記電池モジュールのうち少なくとも一つの電池モジュールの単電池の温度が第一の閾値以上となり、且つ、前記供給部からの冷媒の供給圧が第二の閾値以下になった場合に、前記温度が第一の閾値以上となった単電池を有する前記電池モジュールの前記冷却部にのみ冷媒が供給されるように前記選択切替部を切り替える請求項4に記載の電池システム。
  6. 冷媒圧送用の流体を前記冷却配管に供給する圧送用流体供給部と、
    前記供給部を迂回するように形成されたバイパス配管と、
    前記冷媒が前記バイパス配管に流れるように前記冷媒の流路を切り替え可能な流路切替部と、を備え、
    前記制御部は、前記電池モジュールの温度が第一の閾値以上となり、且つ、前記供給部からの冷媒の供給圧が第二の閾値以下になった場合に、前記冷媒が前記供給部を迂回して前記バイパス配管を流れるように前記選択切替部を切り替えるとともに前記圧送用流体供給部を作動させる請求項5に記載の電池システム。
  7. 冷媒圧送用の前記流体は、不活性ガス、又は、消火ガスである請求項6に記載の電池システム。
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