JP5409561B2 - 二次電池モジュールおよび車両 - Google Patents
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Description
本発明は、複数の電池セルを備える二次電池モジュール、および、その二次電池モジュールを備えた車両に関する。
リチウムイオン二次電池は、出力密度が高い為に従来からパソコンや携帯電話等の小型機器に用いられてきた。近年、リチウムイオン二次電池はHEV(ハイブリッド自動車)やEV(電気自動車)に用いられ始めており、また、さらに出力の大きい建設機械等の重機に搭載する試みも進められている。更に、太陽光発電や風力発電等の出力の不安定な発電設備の電力平準化用蓄電池としての用途を期待されている。これらの用途に用いる場合、単電池(電池セル)を複数組み合わせた組電池、即ち、モジュールとして電力供給システムの中に組み込むことになる。
これらの用途に用いるモジュールは、その容量が数kWから数百kWを超えるものまである。容量が大きくなるほど電池セルが多くなって、電池セル自体の体積が大きくなるとともに、充放電時に発生する熱の増大に伴う放熱用内部空間を広く取る必要が生じ、モジュールの大型化を招く。そのため、高密度な電池セル実装を実現してモジュールの小型化を図るために、放熱効率が高く、モジュール内セルの温度分布を抑えたコンパクトなモジュール構造が必要とされる。
複数の電池セルを組み合わせた従来の二次電池モジュールとしては、特許文献1や特許文献2に記載のようなものがある。特許文献1に記載の技術では、筐体内に横置きされた円筒形セルが複数段設けられていて、その筐体の天板および底板に冷却空気流通用の穴が形成されている。筐体内の電池セルは、対流により底板から天板方向に流れる空気との熱交換によって自然冷却される。また、特許文献2に記載の技術では、角形の電池セルと冷却板とを交互に並べてモジュールとしている。そして、冷却板内に冷却液を流すことによって電池セルを冷却するようにしている。
しかしながら、上述した特許文献1,2に記載の技術では、モジュール内に設けられた複数の電池セルの位置によって冷却効果が異なる。すなわち、特許文献1では、冷却空気自体の温度がセルを通過する度に高くなり、また、特許文献2においても、冷却板内部を流れる冷却媒体の温度は下流になるほど高くなるため、いずれの場合も下流側で冷却効果が落ちる。その結果、電池セルの配置場所によって電池温度が異なり、電池性能のばらつきや電池劣化のばらつきを招き易くなる。さらには、冷却効率の悪い場所の電池セルの温度が許容温度を超えてしまうおそれがある。
本発明に係る二次電池モジュールは、複数の電池セルと、電池セルの周面に設けられ、冷却液供給源から供給された気化用冷却液を保持するとともに気化させる冷却液気化層と、電池セルの温度を検出する温度センサと、温度センサの検出対象電池セルの冷却液気化層に、気化用冷却液が供給されたか否かを検出する液検出センサと、温度センサおよび液検出センサの検出値に基づいて、冷却液供給源から冷却液気化層への気化用冷却液の供給および停止を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
本発明による車両は、上述の二次電池モジュールと、二次電池モジュールに気化用冷却液を供給する冷却液供給源と、を備えたことを特徴とする。
本発明による車両は、上述の二次電池モジュールと、二次電池モジュールに気化用冷却液を供給する冷却液供給源と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、二次電池モジュールに設けられた複数の電池セルに関して、温度の均一化を図ることができる。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第1の実施形態−
図1〜3は、二次電池モジュールの概略構成を示す図である。図1は、電池セル1が横置きに収納された筐体2を、電池セル1の軸方向に沿って断面した図であり、図2は図1のA−A断面図、図3は図1のB−B断面図である。本実施の形態の二次電池モジュールは、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、建設機械等の重機などの電源として搭載される。また、太陽光発電や風力発電等の出力の不安定な発電設備の電力平準化用蓄電池としても用いられる。
−第1の実施形態−
図1〜3は、二次電池モジュールの概略構成を示す図である。図1は、電池セル1が横置きに収納された筐体2を、電池セル1の軸方向に沿って断面した図であり、図2は図1のA−A断面図、図3は図1のB−B断面図である。本実施の形態の二次電池モジュールは、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、建設機械等の重機などの電源として搭載される。また、太陽光発電や風力発電等の出力の不安定な発電設備の電力平準化用蓄電池としても用いられる。
二次電池モジュールは、筐体2内に設けられた複数の電池セル1と、気化用冷却液を供給するための配管6および開閉弁5と、冷却液の供給および停止を制御する制御部7とを備えている。配管6は、開閉弁5を介して冷却液供給タンク4に接続されている。冷却液供給タンク4に設けられた開閉弁8は、例えば、冷却液供給タンク4内の冷却液3を交換するような場合に、冷却液3を冷却液供給タンク4から抜き取るためのドレイン用の弁である。本実施の形態では、気化用冷却液3として、水道水等の水を用いている。
電池セル1は、例えばリチウムイオン電池が用いられ、円筒状のケースの両端に電極端子13が設けられている。筐体2内には、横向き(水平)に配置された12本の電池セル1が、天地方向が3列、水平方向が4列となるように配置されている。すなわち、一列4本のセル電池1が上下に3段形成されている。なお、図1は二次電池モジュールの一例を示したものであり、電池セル1の総数や横列および縦列の本数については、図示したものに限定されない。筐体2内には、一対の支持板23が所定間隔を設けて垂直に立設されている。各支持板23には、各電池セル1が挿入される孔23aが12個形成されている(図3参照)。
図1に示すように、各電池セル1は、一方の端部を一方の支持板23の穴23a(図3参照)に挿入するとともに、他方の端部を他方の支持板23の孔23aに挿入することによって支持されている。筐体2の天板21および底板22には、空気を流通させるための複数の流通孔21a,22aが形成されている。冷却空気100は、底板22に形成された流通孔22aから筐体2内に入り、セル電池1との間で熱交換した後、天板21に形成された流通孔21aから筐体外へと排出される。
各セル電池1の周面には、冷却液3を保持するとともに気化させるための冷却液気化層9が、周面を囲むように密着して設けられている。冷却液気化層9と電池周面との間には、電池セル1の温度を検出するための温度センサ10が、電池周面に密着するように設けられている。また、冷却液気化層9の下部外周面には冷却液3が冷却液気化層9に供給されたか否かを検出するための液検出センサ11が設けられている。液検出センサ11には、例えば、周知の漏水センサ等(例えば、特開平10−198373号公報参照)が用いられる。冷却液3が冷却液気化層9の下部まで達し、その冷却液3を液検出センサ11が検出すると、液検出センサ11から制御部7へと検出信号が出力される。
なお、図1に示すように、冷却液気化層9は、電池セル1の外周の、一対の支持板23で挟まれた領域に設けられており、電極端子13が支持板23の外側の領域に来るように各電池セル1は支持されている。そのため、冷却液3が冷却液気化層9から染み出したとしても、電極端子13に達することがない。すなわち、支持板23は、冷却液3が電池セル1の電極端子へと漏れ出るのを防止するための遮蔽板としても機能している。なお、電池セル1の周面に絶縁性の被覆材が設けられる場合には、その被覆材の上面に冷却液気化層9が設けられる。
冷却液気化層9としては、例えば、ガーゼやフェルト等の織布や不織布、金属メッシュ、セラミックスやプラスチックで形成された多孔質部材など、保水性を有するものであれば種々の材料を用いることができる。冷却液気化層9に冷却液3が保持されることにより、電池セル1の表面に冷却液3の液膜が形成される。特に、金属メッシュのように高熱伝導性の材料を用いることで、冷却液気化層9に保持された冷却液3の気化をより効果的行わせることができる。
第1の実施の形態では、配管6を介した冷却液3の供給は、上段に配置された4つの電池セル1に対して行われる。上段の電池セル1に設けられた冷却液気化層9と、中段に配置された電池セル1の冷却液気化層9との間には、冷却液3を上段側から中段側へと伝達する伝達部材91が、上下の冷却液気化層9に接触するように配置されている。本実施の形態では、伝達部材91も冷却液気化層9と同一の材料で形成されているが、冷却液3を伝達することができるものであれば、例えば、多孔質ではなく板状部材でもかまわない。伝達部材91は、中段の電池セル1の冷却液気化層9と下段の電池セル1の冷却液気化層9との間にも設けられている。
図4は、図2に示した縦一列の電池セル1を示したものである。ここでは、上段の電池セルを符号1aで示し、中段の電池セルを符号1bで示し、下段の電池セルを符号1cで示す。図4(a)は開閉弁5が閉じた状態を示しており、上段、中段および下段のいずれの電池セル1a〜1cの冷却液気化層9も冷却液3が供給されていない状態、すなわち、冷却液気化層9が乾いた状態となっている。
図4(a)の状態から図4(b)に示すように開閉弁5を開くと、配管6を介して冷却液3が上段の電池セル1aの冷却液気化層9に供給される。冷却液3は、重力や毛管現象などにより冷却液気化層9の上部から下部へと伝わる。図4(b)では、ハッチングを施した領域に冷却液3が供給されていることを示している。図4(b)に示すように冷却液3が冷却液気化層9の下部まで伝わると、液検出センサ11が冷却液3を検出し、検出信号が図1に示す制御部7に送信される。
例えば、この検出信号により開閉弁5を閉じると、図4(b)に示すように上段の電池セル1aの冷却液気化層9のみに冷却液3が供給された状態となる。実際には、重力や毛管現象などの影響により、冷却液気化層9に接触している伝達部材91にも、冷却液気化層9の冷却液3の一部が伝わることになる。冷却液気化層9に保持された冷却液3が気化すると、電池セル1aから気化熱が奪われ、電池セル1aの温度が低下する。冷却液気化層9に保持されていた冷却液3が気化により減少し、冷却液気化層9が図4(a)に示すような乾いた状態になると、液検出センサ11の検出信号がオフとなる。
上段の電池セル1aの温度だけが上限温度を超えている場合には、図4(b)に示すような状態で開閉弁5が閉じられる。しかし、中段の電池セル1bの温度も上限温度を超えている場合には、電池セル1aの液検出センサ11が冷却液3を検出しても開閉弁5は閉じられず、さらに冷却液3が供給される。その結果、冷却液3は伝達部91を介して中段の電池セル1bの冷却液気化層9へと伝達され、図4(c)に示すように電池セル1bの冷却液気化層9の上側から下側へと冷却液3が伝えられる。そして、電池セル1bの液検出センサ11が冷却液3を検出すると、検出信号が制御部7へ送信され、開閉弁5が閉じられる。
ここで、開閉弁の制御に用いられる上限温度は、電池セル1の許容上限温度に基づいて決定されるものである。リチウムイオン電池の場合には、50℃程度が許容上限温度とされているが、上限温度はこの許容上限温度に安全度等を考慮して決定される。また、電池セル1の許容上限温度は、電池セル1の種類によっても異なる。
第1の実施の形態では、図1に示すように筐体2の天板21および底板22に流通孔21a,22aを設けて、空気の自然対流による自然冷却により電池セル1を冷却するような筐体構造になっている。すなわち、電池セル1で暖められた空気が天板21の流通孔21aから筐体外へ流出すると、底板22の流通孔22aから筐体外の空気が筐体2内へ流入する。筐体2内へ流入した空気は筐体2内を上昇しながら電池セル1と熱交換し、電池セル1を冷却するとともに空気自身の温度は次第に上昇する。
このような自然冷却の場合、一般的に、空気の流れの上流側にある電池セル1ほどより効果的に冷却され、より上段側にある電池セル1ほど電池温度が高めとなり易い。そこで、第1の実施の形態では、電池温度の最も高くなる上段の電池セル1aの冷却液気化層9に冷却液3を供給し、伝達部材91を利用して上段側から下段側へと冷却液3を伝えるような構成とした。
次いで、制御部7によって行われる冷却液3の制御動作、すなわち開閉弁5の開閉動作の一例について、図5のフローチャートを参照して説明する。まず、図5のステップS100において開閉弁5を閉状態とし、冷却液3が供給されない状態とする。なお、制御部7の電源がオフ状態においては、すなわち初期状態では開閉弁5は閉状態とされている。制御開始直後の状態(開閉弁5が閉じた状態)では、図4(a)に示すように、上・中・下のいずれの段の冷却液気化層9にも冷却液3が保持されていないので、気化熱による冷却は機能しておらず、冷却空気100による自然冷却状態となっている。
ステップS102では、下段の電池セル1cに設けられた温度センサ10の検出温度T3が上限温度T0を超えているか否かを判定する。上述したように、図1に示す電池セル1の配置構成では、上段側の電池セル1ほど温度が高くなる傾向となるので、下段の電池セル1cの温度が上限温度T0を超えている場合には、一般的に中段および上段の電池セル1b,1aも上限温度T0を超えることになる。
なお、図1に示す構成では、各段の電池セル1の全てに温度センサ10が設けられているが、必ずしも各段の全てに設ける必要はなく、各段において少なくとも一つの電池セル1に温度センサ10を設けるようにすれば良い。その場合、最も温度が高くなり易い位置に設けられた電池セル1、例えば、筐体中央付近に配置される電池セル1に温度センサ10を設けるのが好ましい。液検出センサ11についても同様であり、例えば、温度センサ10が設けられている電池セル1に対して液検出センサ11を配置するようにしても良い。
本実施の形態では、全ての電池セル1に温度センサ10および液検出センサ11が設けられているので、ステップS102では、下段の電池セル1に設けられた温度センサ10のいずれか一つの検出温度が上限温度T0を超えた場合に、YESと判定される。ステップS102でT3>T0と判定されると、ステップS108へ進んで開閉弁5を開状態に切り換える。その結果、図4(b)や図4(c)に示すように上段の電池セル1aの冷却液気化層9に冷却液3が供給される。
ステップS108で開閉弁5を開いたならば、ステップS110へ進んで下段の電池セル1cの液検出センサ11からの検出信号を受信したか否かを判定する。すなわち、ステップS110では、上限温度T0を超えている電池セル1と同一段に設けられた複数の液検出センサ11のいずれかが冷却液3を検出した場合、または、上限温度T0を超えている電池セル1cの液検出センサ11が冷却液3を検出した場合に、YESと判定する。ステップS110でYESと判定されると、すなわち、下段の電池セル1cの冷却液気化層9まで冷却液3が供給されると、ステップS100に戻って開閉弁5を閉じる。一方、ステップS110でNOと判定されると、ステップS102へ戻る。
一方、ステップS102でNOと判定された場合には、ステップS104へ進んで、中段の電池セル1bに設けられた温度センサ10の検出温度T2が上限温度T0を超えているか否かを判定する。ステップS104でYESと判定されると、ステップS108へ進んで開閉弁5を開く。その後ステップS110へ進んで、中段の電池セル1bの液検出センサ11により冷却液3が検出されたか否かを判定し、検出した場合にはステップS100へ戻って開閉弁5を閉じ、検出されない場合にはステップS102へ戻る。ステップS104でYESと判定されてステップS108,S110と進んだ場合には、図4(c)に示すように上段および中段の電池セル1a,1bの冷却液気化層9に冷却液3が供給されることになる。
ステップS104でNOと判定された場合には、ステップS106へ進んで、上段の電池セル1aに設けられた温度センサ10の検出温度T1が上限温度T0を超えているか否かを判定する。ステップS106でYESと判定されると、ステップS108へ進んで開閉弁5を開く。その後ステップS110へ進んで、上段の電池セル1aの液検出センサ11により冷却液3が検出されたか否かを判定し、検出した場合にはステップS100へ戻って開閉弁5を閉じ、検出されない場合にはステップS102へ戻る。ステップS106でYESと判定されてステップS108,S110と進んだ場合には、図4(b)に示すように上段の電池セル1aの冷却液気化層9のみに冷却液3が供給されることになる。
上述のように、ステップS102,S104およびS106でYESと判定されてステップS108で開閉弁5を開いた場合、上限温度T0を超えた電池セル1と同一段に設けられた液検出センサ11が冷却液3を検出した時点で開閉弁5が閉じられる。しかし、液検出センサ11が冷却液3を検出する前であっても、上限温度T0を超えていた電池セル1の温度がT0以下となった時点で、ステップS102〜S104の全てにおいてNOと判定され、ステップS100において開閉弁5が閉じられることになる。その後、いずれかの電池セル1の温度が上限温度T0を超えると、再び開閉弁5が開かれて冷却液3が供給され、気化熱を利用した冷却が再開されることになる。
上述したように、第1の実施の形態では図1のような気化熱を利用した冷却構成を備えており、図5に示すように、上限温度T0を超えた電池セル1に対して気化冷却を追加することができる。その結果、冷却風100の冷却に加えて、冷却液3の気化熱を利用した冷却を行うことができる。上述したように、冷却風100の温度は下流側ほど(図1の構成の場合には上段ほど)高くなるので、冷却液3の気化による冷却効果は上段側ほど大きくなる。すなわち、気化冷却効果は、電池温度の高い電池セル1に対してより大きく作用することになる。そのため、気化冷却を行うことによって、複数の電池セル1の間の温度をより均一に維持することが可能となる。また、高温環境下で二次電池モジュールを使用した場合、空気温度が高くなるほど気化量が増加して気化冷却能力が向上するので、環境温度の影響を抑える効果がある。そのため、本実施の形態の二次電池モジュールは、炎天下で作業を行う建設機械等での使用に適している。
−第2の実施形態−
図6は、二次電池モジュールの第2の実施の形態を示す図である。図6は、第1の実施の形態の図2に対応する図であって、伝達部材91を削除するとともに、配管6a,6bおよび開閉弁5a,5bを追加した点が第1の実施の形態と異なる。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
図6は、二次電池モジュールの第2の実施の形態を示す図である。図6は、第1の実施の形態の図2に対応する図であって、伝達部材91を削除するとともに、配管6a,6bおよび開閉弁5a,5bを追加した点が第1の実施の形態と異なる。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
上述した第1の実施の形態では、中段および下段の電池セル1b,1cの冷却液気化層9に冷却液3を供給する場合、伝達部材91を介してより上段側の冷却液気化層9から冷却液3を導くような構成とした。一方、第2の実施の形態では、伝達部材91に代えて配管6a,6bおよび開閉弁5a,5bを追加し、それらを介して中段および下段の電池セル1b,1cの冷却液気化層9に冷却液3を直接供給するようにした。すなわち、上段の電池セル1aの冷却液気化層9に冷却液3を供給する場合には、開閉弁5a,5bを閉じるとともに開閉弁5を開く。中段の電池セル1bの冷却液気化層9に冷却液3を供給する場合には、開閉弁5bを閉じるとともに開閉弁5,5aを開く。下段の電池セル1cの冷却液気化層9に冷却液3を供給する場合には、全ての開閉弁5,5a,5bを開く。
図7は、冷却液3を供給する場合の開閉弁5,5a,5bの制御動作の一例を示すフローチャートである。図7のステップS200では、開閉弁5,5a,5bを閉にして冷却液3が供給されない状態とする。なお、気化熱を利用した電池冷却を開始する前の初期状態では、開閉弁5,5a,5bは全て閉じた状態となっている。
ステップS202では、下段の電池セル1cに設けられた温度センサ10の検出温度T3が上限温度T0を超えているか否かを判定する。なお、図6に示す構成では、全ての電池セル1に温度センサ10および液検出センサ11が設けられているので、ステップS202では、下段の電池セル1cに設けられた温度センサ10のいずれか一つが上限温度T0を超えた場合に、YESと判定されるものとする。ステップS202でT3>T0と判定されると、ステップS208へ進んで開閉弁5,5a,5bを開状態に切り換える。その結果、配管6,6a,6bを介して上段、中段および下段の電池セル1a,1b,1cの各冷却液気化層9に冷却液3が供給される。
ステップS208で開閉弁5,5a,5bを開いたならば、ステップS214へ進んで下段の電池セル1cの液検出センサ11からの検出信号を受信したか否かを判定する。すなわち、ステップS114では、下段の電池セル1cに設けられた液検出センサ11のいずれかが冷却液3を検出した場合、または、上限温度T0を超えている電池セル1cの液検出センサ11が冷却液3を検出した場合に、YESと判定する。下段の電池セル1cの冷却液気化層9まで冷却液3が供給されステップS214でYESと判定されると、ステップS200に戻って開閉弁5,5a,5bを閉じる。一方、ステップS214でNOと判定されると、ステップS202へ戻る。
ステップS202でNOと判定されてステップS204へ進んだ場合には、ステップS204において、中段の電池セル1bに設けられた温度センサ10の検出温度T2が上限温度T0を超えているか否かを判定する。ステップS204でYESと判定されるとステップS210へ進み、開閉弁5,5aを開くとともに開閉弁5bを閉じる。その結果、配管6,6aを介して、上段および中段の電池セル1a,1bの冷却液気化層9に冷却液3が供給されることになる。ステップS210の処理が終了したら、ステップS214へ進んで、中段の電池セル1bの液検出センサ11により冷却液3が検出されたか否かを判定する。ステップS214で検出された(YES)と判定されると、ステップS200へ戻って開閉弁5,5a,5bを閉じ、一方、検出されないと判定されるとステップS202へ戻る。
ステップS204でNOと判定された場合には、ステップS206へ進んで、上段の電池セル1aに設けられた温度センサ10の検出温度T1が上限温度T0を超えているか否かを判定する。ステップS206でYESと判定されるとステップS212へ進み、開閉弁5を開くとともに開閉弁5a,5bを閉じる。その結果、上段の電池セル1aの冷却液気化層9にのみ、冷却液3が供給されることになる。その後、ステップS214に進んで、上段の電池セル1aの液検出センサ11により冷却液3が検出されたか否かを判定し、検出した場合にはステップS200へ戻って開閉弁5,5a,5bを閉じ、検出されない場合にはステップS202へ戻る。
上述した第1の実施の形態では、各段の間に設けた伝達部材91を介してより下側の段に冷却液3を供給するようにした。そのため、例えば、2段目(中段)の液検出センサ11が冷却液3を検出して開閉弁5を閉じた場合でも、伝達部材91を介して下段の電池セル1cの冷却液気化層9に冷却液3が浸透する懸念があった。しかし、第2の実施の形態では、配管6a,6bを介して中段および下段の電池セル1b,1cの冷却液気化層9に冷却液3を直接供給するようにしたので、気化冷却が必要ない段の冷却液気化層9に冷却液3が流出してしまうのを完全に防止することができる。それにより、冷却液流出によって、気化冷却が必要な電池セル1における気化冷却性能の低下を防止することができる。
ただし、配管6の引き回しや開閉弁5a,5bの追加によるコストアップおよび大型化が懸念されるので、第1の実施の形態の構成と第2の実施の形態の構成とのいずれを選択するかは、二次電池モジュールの規模や使用環境等を考慮して決める必要がある。第1の実施の形態の構成は環境温度の安定している電力貯蔵用などに適しており、第2の実施形態の構成は、例えば環境温度の変動の激しい建設機械等の重機用などに適している。
(変形例1)
図8は第2の実施の形態の第1変形例を示す図である。この変形例においては、配管6を3つの配管61〜63に分岐させ、分岐した配管61〜63に個別に開閉弁51,52,53を設けた。配管61は上段に設けられた電池セル1aの各冷却液気化層9に冷却液3を供給し、配管62は中段に設けられた電池セル1bの各冷却液気化層9に冷却液3を供給し、配管63は下段に設けられた電池セル1cの各冷却液気化層9に冷却液3を供給する。このような構成とすることにより、冷却液3の供給を、上段、中段および下段の段毎に独立して制御することができる。
図8は第2の実施の形態の第1変形例を示す図である。この変形例においては、配管6を3つの配管61〜63に分岐させ、分岐した配管61〜63に個別に開閉弁51,52,53を設けた。配管61は上段に設けられた電池セル1aの各冷却液気化層9に冷却液3を供給し、配管62は中段に設けられた電池セル1bの各冷却液気化層9に冷却液3を供給し、配管63は下段に設けられた電池セル1cの各冷却液気化層9に冷却液3を供給する。このような構成とすることにより、冷却液3の供給を、上段、中段および下段の段毎に独立して制御することができる。
(変形例2)
図9は第2の変形例を示す図であって、冷却風が筐体2の側面方向から供給される場合の構成を示す。例えば、二次電池モジュールが電気自動車等の車両に搭載される場合、走行風が冷却風として用いられる場合が多い。また、車両用に限らず、冷却ファンを用いて図9のように冷却風を強制的に供給する場合もある。このような場合、冷却風が筐体2の左右方向に流れるため、上下方向に並んだ電池セル1をグループ単位として冷却液3の供給制御を行うのが好ましい。
図9は第2の変形例を示す図であって、冷却風が筐体2の側面方向から供給される場合の構成を示す。例えば、二次電池モジュールが電気自動車等の車両に搭載される場合、走行風が冷却風として用いられる場合が多い。また、車両用に限らず、冷却ファンを用いて図9のように冷却風を強制的に供給する場合もある。このような場合、冷却風が筐体2の左右方向に流れるため、上下方向に並んだ電池セル1をグループ単位として冷却液3の供給制御を行うのが好ましい。
図9に示す例では、図示右側(流れの上流側)から1列目、2列目、3列目、4列目と区分する。そして、1列目の各電池セル1の冷却液気化層9には配管61を介して冷却液3が供給される。冷却液3の供給、停止は開閉弁51の開閉により制御される。同様に2列目には配管62および開閉弁52が設けられ、3列目には配管63および開閉弁53が設けられ、4列目には配管624および開閉弁54が設けられている。
冷却風による冷却性能は、冷却風の下流側ほど条件が悪く、同一列の電池セル間においては同一条件であると考えることができる。図9に示すような構成とすることにより、走行風の流れの上流側から下流側にかけて設けられた冷却条件の異なる列の電池セル1に対して、冷却液3の供給を個別に行うことができ、それぞれの列の冷却条件に応じた気化冷却を行うことができる。その結果、複数のセル電池1の温度をより均一に保つことができる。
なお、図9の構成の場合、各列の3つの電池セル1は冷却風の流れの方向に関して同一位置に配置されているので、冷却液3を供給する場合には、3つの電池セル1の全てに冷却液3が供給されるような構成とする。そのため、液検出センサ11は、最も下側にある電池セル1のみの設けるだけで良い。
(変形例3)
図10は第3の変形例を示す図であり、図6に示す構成から下段の電池セル1cに対する冷却液気化層9を省略するとともに、関連する配管6bおよび開閉弁5bを除去したものである。例えば、電力貯蔵用等のように使用環境温度が安定している場合には、冷却風100の温度も安定しており、上流側の電池セル1においては、冷却空気による冷却だけで、上述した所定の上限温度よりも電池温度を低く保つことができるだけの冷却性能を確保できる場合が多い。そのような場合には、図10に示すように、その上流側の電池セル1cに対する気化冷却機構を省略することができる。
図10は第3の変形例を示す図であり、図6に示す構成から下段の電池セル1cに対する冷却液気化層9を省略するとともに、関連する配管6bおよび開閉弁5bを除去したものである。例えば、電力貯蔵用等のように使用環境温度が安定している場合には、冷却風100の温度も安定しており、上流側の電池セル1においては、冷却空気による冷却だけで、上述した所定の上限温度よりも電池温度を低く保つことができるだけの冷却性能を確保できる場合が多い。そのような場合には、図10に示すように、その上流側の電池セル1cに対する気化冷却機構を省略することができる。
また、車載用の場合においても、図9に示すように、走行風を冷却風として積極的に利用する場合には、上流側の列においては、冷却風による冷却で十分な冷却性能を得ることが可能となる。例えば、図9の1列目や2列目の電池セル1の温度を、冷却風により上限温度以下に維持できる場合には、1列目や2列目の気化冷却機構(冷却液気化層9、配管、開閉弁など)を省略することができる。寧ろ、このような場合には、冷却液気化層9が冷却風による冷却に対して阻害要因となるので、冷却液気化層9を設けないほうが好ましい。
図11は、図9に示す二次電池モジュールを電気自動車等の車両に搭載した場合を示す図である。車両200が図示左方向に走行すると、冷却風100が二次電池モジュールの筐体2に流れ込む。なお、図11では図1に示した制御部7の図示を省略した。
なお、上述した実施の形態では、冷却液3の供給を制御するために開閉弁を用いたが、流量制御弁を用いても良い。この場合、温度センサ10および液検出センサ11の検出信号に基づいて、流量制御弁による冷却液3の流量制御量を制御する。
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
1,1a〜1c:電池セル、2:筐体、3:冷却液、4:冷却液供給タンク、5,5a,5b,51〜53:開閉弁、6,6a,6b,61〜63:配管、21:天板、22:底板、21a,22a:流通孔、23:支持板、9:冷却液気化層、10:温度センサ、11:液検出センサ、91:伝達部
Claims (7)
- 複数の電池セルと、
前記電池セルの周面に設けられ、冷却液供給源から供給された気化用冷却液を保持するとともに気化させる冷却液気化層と、
前記電池セルの温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出対象電池セルの前記冷却液気化層に、前記気化用冷却液が供給されたか否かを検出する液検出センサと、
前記温度センサおよび前記液検出センサの検出値に基づいて、前記冷却液供給源から前記冷却液気化層への前記気化用冷却液の供給および停止を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする二次電池モジュール。 - 請求項1に記載の二次電池モジュールにおいて、
前記制御部は、前記温度センサの検出温度が所定温度を超えた場合に前記冷却液気化層へ前記気化用冷却液を供給し、前記温度センサの検出温度が所定温度以下の場合、または、前記液検出センサが前記気化用冷却液を検出した場合には、前記冷却液気化層への前記気化用冷却液の供給を停止することを特徴とする二次電池モジュール。 - 請求項1または2に記載の二次電池モジュールにおいて、
前記冷却液気化層が設けられた電池セルが鉛直方向に並ぶように配置され、前記鉛直方向に冷却空気が流れるように構成された筐体と、
前記鉛直方向に隣接して配置された一対の電池セルの間に介在し、鉛直方向上側の電池セルの前記冷却液気化層から鉛直方向下側の電池セルの前記冷却液気化層へと前記気化用冷却液を伝達する冷却液伝達部材とを備え、
前記冷却液供給源からの気化用冷却液が、前記鉛直方向に並んだ複数段の電池セルの内、最も上側の電池セルの前記冷却液気化層に供給される構成としたことを特徴とする二次電池モジュール。 - 請求項1または2に記載の二次電池モジュールにおいて、
前記複数の電池セルは、冷却空気の流れに直交する方向に並んだ2以上の前記電池セルで構成される複数のセル群を備え、
前記複数のセル群は、前記冷却空気の流れの方向に沿って配置され、
前記制御部は、前記気化用冷却液の供給および停止の制御を前記電池セル群毎に行うことを特徴とする二次電池モジュール。 - 請求項4に記載の二次電池モジュールにおいて、
前記複数のセル群の内、前記構成する電池セルの温度が冷却空気による冷却時に前記所定温度以上となるセル群に対してのみ、前記冷却気化層を設けたことを特徴とする二次電池モジュール。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の二次電池モジュールにおいて、
前記電池セルを支持するとともに、前記冷却液気化層に保持された気化用冷却液が前記冷却液気化層から前記電池セルの電極端子へと移動するのを防止する、遮蔽板を設けたことを特徴とする二次電池モジュール。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の二次電池モジュールと、
前記二次電池モジュールに前記気化用冷却液を供給する冷却液供給源と、を備えた車両。
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