JP5433791B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置に関し、特に、強制冷却が必要とされる蓄電装置に関する。

車両用または電力貯蔵用の電源装置としての蓄電装置は、複数の二次電池を充放電して使用される。このような蓄電装置では、二次電池への充放電が大電流で行われ、発熱により高温に上昇するため、強制冷却をする必要がある、
強制冷却は、ファンまたはポンプなどにより、気体または液体の冷却剤を各二次電池の表面に接触された冷却流路に供給して行う。
使用環境の温度差や冷却流路の配設位置による二次電池の冷却効果を調整して、二次電池の温度差をできるだけ小さくし、かつ、電力消費の低減を図るために、気体による冷却手段と液体による冷却手段の両方を備え、いずれか一方の冷却手段のみを運転する状態と、両方の冷却手段を運転する状態とを切換えることを可能とした蓄電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−００９８８８号公報

特許文献１に開示された装置では、長期間使用して旧くなった二次電池を、新しい二次電池に交換した場合の、新しい二次電池の性能の劣化に関する配慮がなされていない。詳細は後述するが、新しい二次電池は、内部抵抗が小さく充電電流が大きいので、発熱量が大きくなり、二次電池の温度がより高温に上昇する。このため、交換した二次電池を、非交換の旧い二次電池と共に使用すると、性能の劣化が加速される。

本発明の第１の態様による蓄電装置は、それぞれが少なくとも１つの二次電池素子を含む複数の電池構造体と、各電池構造体を冷却するための第１の冷却路と、複数の電池構造体の中の少なくとも１つを冷却するための第２の冷却路と、第１の冷却路を介して各電池構造体に冷却剤を供給し、かつ、電池構造体が交換された後、所定の時間内において、第２の冷却路を介して電池構造体に冷却剤を供給する冷却剤供給手段とを備える。
本発明の第２の態様による蓄電装置は、請求項１に記載の蓄電装置において、冷却剤供給手段は、各電池構造体の温度を検出する温度センサと、電池構造体の温度を所定の時間間隔で検出し、電池構造体の温度変化に基づいて、交換された電池構造体であるか否かを判断する電池交換判断手段を含む。
本発明の第３の態様による蓄電装置は、請求項２に記載の蓄電装置において、電池交換判断手段は、交換された電池構造体の温度変化特性を記憶した記憶部と、各電池構造体の温度変化特性を算出する算出手段と、記憶部に記憶した温度変化特性と算出手段により算出された温度変化特性とを比較して交換された電池構造体を判別する判別手段とを含む。
本発明の第４の態様による蓄電装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電装置において、冷却剤供給手段は、少なくとも第２の冷却路の流路を開閉する開閉弁を有し、開閉弁の開閉を制御する制御手段を含む。
本発明の第５の態様による蓄電装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蓄電装置において、冷却剤供給手段は、第２の冷却路を介して、所定の時間、電池構造体に冷却剤を供給した後、第２の冷却路の流路を閉塞する過冷却防止手段を含む。
本発明の第６の態様による蓄電装置は、請求項１に記載の蓄電装置において、冷却剤供給手段は、電池構造体の温度により変形して、少なくとも第２の冷却路の流路を開閉する形状記憶合金から構成される開閉部材を含む。
本発明の第７の態様による蓄電装置は、請求項１に記載の蓄電装置において、すべての電池構造体が設置される設置手段を有し、第２の冷却路を介して冷却剤が供給される電池構造体は、設置手段の所定の位置に設置される。
本発明の第８の態様による蓄電装置は、請求項６または７に記載の蓄電装置において、冷却剤供給手段は、第２の冷却路を介して、所定の時間、電池構造体に冷却剤を供給した後、第２の冷却路の流路を閉塞する過冷却防止手段を含む。
本発明の第９の態様による蓄電装置は、請求項１に記載の蓄電装置において、二次電池素子は、リチウムイオン二次電池素子である。

本発明によれば、交換された電池構造体のみを第２の冷却路を介して供給される冷却剤により冷却することが可能となり、交換された電池構造体の性能の劣化を抑制することができる。

本発明に係る蓄電装置の実施形態１の概念を示す構成図。 図１に示された蓄電構造体の冷却機構を説明するための拡大斜視図。 電池構造体を充電している状態における電池構造体の発熱量を説明するための図。 電池構造体への充電が完了した後、蓄電装置の電池モジュール間に発生する横流電流を説明するための図。 図１に図示された冷却系統の開閉弁の開閉状態を示す図。 充電中における新・旧電池構造体の温度上昇の相違を説明するための図。 本発明に係る蓄電装置の実施形態２の概念を示す構成図。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図７に示された流路開閉機構の動作を説明するための断面図。 本発明に係る蓄電装置の実施形態３の概念を示す構成図。 図９に図示された冷却系統の流路開閉機構の開閉状態を示す図。 電池構造体の他の実施形態を示す断面図。

［実施形態１］
以下、本発明に係る蓄電装置の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の蓄電装置１の概念を示す構成図である。
蓄電装置１は、複数の電池モジュール（電池構造体）１０を備えている。図１においては、電池モジュール１０は４個のみが図示されているが、蓄電装置１は、さらに、多数の蓄電モジュール１０を備えていてもよい。蓄電装置１は、限定する訳ではないが、主に、鉄道車両用または電力貯蔵用として使用される。この用途における蓄電装置は、大電力を得ることが可能であり、高価なものである。このため、長期間に亘り使用するために、使用して旧くなり、性能が劣化して使用に耐えられなくなった旧い電池モジュール１０を新しい電池モジュール１０に交換して使用する。

蓄電装置１は、図示はしないが、ケース等の容器または所定の空間広さの電池設置室内に設置される。電池モジュール１０は、図１では一段に配列されているが、複数段に配列してもよい。蓄電装置１は、冷却剤が異なる２種類の冷却系を有する。第１の冷却系は、大気等の気体を各電池モジュール１０に供給する気体冷却系３０である。気体冷却系３０は、配管３１と、２つの送風用ファン３２とを備えている。配管３１の一部は、各電池モジュール１０の表面に接触している。送風用ファン３２は、それぞれ、大気を取り込む取込口３３と、電池モジュール１０と熱交換して温度が上昇した空気を吐き出す吐出口３４を有する。

第２の冷却系は液体を冷却剤とする液体冷却系４０である。液体冷却系４０は、冷却液を各電池モジュール１０に強制供給するポンプ４１と、電池モジュール１０と熱交換をして高温となった冷却液を放熱するためのラジエータ４２とを備えている。ラジエータ４２は、放熱フィン４２ａと冷却用ファン４２ｂで構成される。液体冷却系４０の配管４５は、冷却流路Ａと冷却流路Ｂに分岐している。冷却流路Ａと各電池モジュール１０との間には流路を開閉するための開閉弁４６Ａが設けられている。冷却流路Ｂと各電池モジュール１０との間には流路を開閉するための開閉弁４６Ｂが設けられている。開閉弁４６Ａおよび４６Ｂは、それぞれ、コントローラ２０から送信される信号により開閉可能とされ、冷却剤の流量を調整することができるようになっている。冷却流路Ａに接続される各配管４５Ａおよび冷却流路Ｂに接続される各配管４５Ｂは、それぞれ、その一部が電池モジュール１０の表面に接触している。

各電池モジュール１０には、電池モジュール１０の温度を検出する温度センサ２５が取り付けられている。
コントローラ２０には、各温度センサ２５から温度の検出値が入力される。コントローラ２０は、所定のタイミングで、各温度センサ２５で検出された温度を、メモリ部２４に記憶させる。コントローラ２０は、送風用ファン３２、ラジエータ４２を構成する冷却用ファン４２ｂおよびポンプ４１を制御して所望の回転数で回転させ、また停止させる。コントローラ２０は、アクチュエータ２１Ａに指令を送り、各開閉弁４６Ａを所望の開度に開きまたは閉塞する。また、コントローラ２０は、アクチュエータ２１Ｂに指令を送り、各開閉弁４６Ｂを所望の開度に開きまたは閉塞する。

コントローラ２０は、計時部２２および新しい電池モジュール１０であるか否を判断する電池交換判断部２３を有している。電池交換判断部２３の詳細は後述するが、予め、新しい電池モジュール１０または使用して内部抵抗が増大した電池モジュール１０の少なくとも一方について、充電中または放電中における温度変化情報が保持されている。そして、充電中または放電中において、２つの計測時点における各電池モジュールの温度を温度センサ２５により検出し、演算により、その温度変化を算出する。そして、予め保持されている温度変化情報と対比して、新しい電池モジュール１０であるか否かを判断する。

図２は、１つの電池モジュール１０と、この電池モジュール１０を冷却する配管とを拡大した斜視図である。
電池モジュール１０は、例えば、リチウムイオン二次電池セル等からなる複数の二次電池素子１１から構成される。各二次電池素子１１は、図示はしないが、正極シートの両面に正極活物質が塗布された正極電極と、負極シートの両面に負極活物質が塗布された負極電極とをセパレータを介在して積層して形成した扁平状の発電要素を、容器内に収容し、この容器内に非水電解液を注入して構成されている。電池モジュール１０は、このような二次電池素子を導電シートあるいは隔離シートを介して積層した積層体または捲回した捲回体が、外装容器内に収容されたものである。

電池モジュール１０の表面には、第１の冷却系３０の配管３１の一部が接触している。また、電池モジュール１０の表面には、第２の冷却系４０の冷却流路Ａの各配管４５Ａおよび冷却流路Ｂの各配管４５Ｂの一部が接触している。従って、各電池モジュール１０は、配管内を冷却剤が流通すると、冷却剤との間で熱交換がなされ、発熱により上昇した温度が低下する。

図３は、電池構造体を充電している状態において、長時間の使用により性能が劣化した電池モジュール（以下、「旧い電池モジュール」という。）と新しい電池モジュールとでは発熱量が異なることを説明するための模式的な図である。図３を参照して、充電時における旧い電池モジュール１０と新しい電池モジュール１０ａとの発熱量の差について説明する。旧い電池モジュール１０は、長時間の使用により、電解液および内部導電部材が劣化し、抵抗値が増大する。これに対し、殆ど使用していない新しい電池モジュール１０ａでは、電池容量が大きく、旧い電池モジュール１０よりも抵抗値が低い。従って、図３に図示されるように、これらの電池モジュール１０を並列に接続して定電流充電を行うと、抵抗値が小さい新しい電池モジュール１０ａの平均充電電流の方が、旧い電池モジュール１０の平均充電電流より大きくなる。

ここで、電池モジュール１０の発熱量をＱ、充電電流をＩ、電池モジュール１０の内部抵抗をＲ、電流印加時間をｔとすると、（数１）の関係となる。
[数１] Ｑ∝Ｉ²Ｒｔ
つまり、電池モジュール１０の発熱量は、内部抵抗Ｒに比例すると共に、充電電流の２乗に比例して増大する。このため、旧くなって性能が劣化した旧い電池モジュール１０を新しい電池モジュール１０ａと交換した後、新しい電池モジュール１０ａを、旧い電池モジュール１と同一の冷却効果の冷却を行うと、新しい電池モジュール１０ａは、旧い電池モジュール１０よりも高温となって性能の劣化が加速される。

図４は、電池モジュール１０への充電が完了した後において、蓄電装置の電池モジュール１０間に発生する横流電流を説明するための図である。
新しい電池モジュール１０ａは、充電後の電圧が高くなるため、蓄電装置１を使用しない状態、換言すれば、保管状態において、新しい電池モジュール１０ａから旧い電池モジュール１０に向かう横流電流が発生する。このため、この横流電流によっても新しい電池モジュール１０ａは発熱し、一層、電池モジュール１０ａの温度が高温となり、電池モジュール１０ａの劣化が加速される。そこで、本実施形態における蓄電装置１では、劣化により交換した旧い電池モジュール１０を新しい電池モジュール１０ａに交換した場合、交換した新しい電池モジュール１０ａの冷却を、旧い電池モジュール１０よりも大きくするように構成されている。
以下、図１に図示された蓄電装置１の動作について説明する。

図１において、右端側の電池モジュールが旧い電池モジュールと交換された新しい電池モジュール１０ａとする。
すべての電池モジュール１０が交換されずに、ほぼ同様な劣化状態で使用が継続されている状態では、コントローラ２０は、第１冷却系３０の送風用ファン３２に駆動指令を行い、各電池モジュール１０は、常時、冷却用ファン３２により配管３１を介して送風される冷却風により冷却されている。
また、コントローラ２０は、第２の冷却系４０の冷却流路Ａに接続されているすべての開閉弁４６Ａを所望の開度に開く指令をアクチュエータ２１Ａに行う。これにより、ポンプ４１から吐出される冷却液が各開閉弁４６Ａを介して電池モジュール１０に供給され、各電池モジュール１０は冷却液によっても冷却されている。

さらに、コントローラ２０は、第２の冷却系４０の冷却流路Ｂに接続されているすべての開閉弁４６Ｂを閉塞する指令をアクチュエータ２１Ｂに行う。このため、ポンプ４１からり吐出される冷却液が各開閉弁４６Ｂを通過することはなく、各電池モジュール１０は、冷却流路Ｂを流通する冷却液によっては冷却されない。この状態で、コントローラ２０には、温度センサ２５から各電池モジュール１０の温度の検出値が送られている。コントローラ２０は、各温度センサ２５の検出値に基づいて、各開閉弁４６Ａの開度を調整する。以上が、電池モジュール１０を交換する前の温度制御である。

ここで、右端の電池モジュール１０の劣化が著しく、使用に耐えられなくなり、新しい電池モジュール１０ａと交換し、定電流充電を開始したとする。蓄電装置１に新しい電池モジュール１０ａが装着されたことは、充電開始後、しばらくするとコントローラ２０において認識される。この理由は、上述した如く、新しい電池モジュール１０ａは、充電時に旧い電池モジュール１０よりも温度が高温になるため、コントローラ２０は、温度センサ２５から送られる電池モジュール１０の温度の検出値に基づいて、電池モジュール１０ａが新しい電池モジュールであることを判別することができるからである。

電池モジュール１０ａが新しい電池モジュールであることを判別すると、コントローラ２０は、電池モジュール１０ａに対応する開閉弁４６Ｂを開く指令をアクチュエータ２１Ｂに行う。このとき、電池モジュール１０ａに対応する開閉弁４６Ｂ以外の開閉弁４６Ｂは閉じた状態のままにしておく。これにより、第２の冷却系４０の冷却流路Ｂから開閉弁４６Ｂを介して冷却液が電池モジュール１０ａに供給される。すなわち、電池モジュール１０ａのみに、配管３１、配管４５Ａおよび配管４５Ｂを流通する冷却剤が供給される。図１に図示された開閉弁４５Ａおよび４５Ｂは、この充電状態における開閉状態を示している。このように、電池モジュール１０ａに対する冷却能力は、配管３１および配管４５Ａを流通する冷却剤によって冷却される非交換の電池モジュール１０よりも大きくなり、新しい電池モジュール１０ａが発熱により急激に劣化するのを抑制することができる。

図５は、通常冷却と強化冷却の場合における各開閉弁の開閉状態を図表化したものであり、上記の説明を一覧にしたものである。ここで、強化冷却とは、旧い電池モジュール１０に換えて、新しい電池モジュール１０ａを装着した場合の冷却のことである。

上述したように、電池モジュール交換時の充電制御は、蓄電装置を菱洋状態として行い、充電完了後、蓄電装置を使用状態にする。充電完了後において、新しい電池モジュール１０ａは、非交換の電池モジュール１０より内部抵抗が小さく、発熱量が大きい。従って、新しい電池モジュール１０ａの冷却を非交換の電池モジュール１０の冷却よりも大きくする冷却制御は、蓄電モジュール交換後、所定の時間、継続する。また、蓄電装置１を使用しない状態、つまり保管状態では、新しい電池モジュール１０ａから非交換の電池モジュール１０に流れる横流電流により、新しい電池モジュール１０ａの発熱量が大きくなるので、保管状態においても、新しい電池モジュール１０ａの冷却を非交換の電池モジュール１０に冷却よりも大きくする。保管状態における蓄電装置１の冷却が強過ぎるときは、新しい電池モジュール１０ａのみを冷却するようにしてもよい。このときは、送風用ファン３２の駆動を停止し、また開閉弁４６Ａもすべて閉じるようにすればよい。

新しい電池モジュール１０ａに対しても、旧い電池モジュール１０と同じ強さの冷却を行う従来の冷却方法では、新しい電池モジュール１０ａが、旧い電池モジュール１０よりも高温となり、性能の劣化が著しくなり、短時間で旧い電池モジュール１０と同じ性能に劣化してしまう。
つまり、従来の冷却方法では、折角、新しい電池モジュール１０ａに交換したにも拘らず、新しい電池モジュール１０ａの本来の寿命を十分活かすことなく、短い時間で非交換の電池モジュール１０と同様な性能に低下させていたのである。
これに対し、本実施形態の蓄電装置１によれば、新しく交換した電池モジュール１０ａの持続時間を十分に長くすることができる、という効果が得られる。

ところで、長期間使用して旧くなった電池モジュール１０は、内部抵抗が次第に増大するため、発熱量が新たに交換した電池モジュール１０ａと同等になることがある。
図６は、充放電電流と温度をパラメータとして、新しい電池モジュールと旧い電池モジュールとを対比するための図である。
交換した新しい電池モジュール１０ａの抵抗は、蓄電装置１内の電池モジュール１０の抵抗の平均値より小さいことから、充放電時には電流値が蓄電装置１内の電池モジュール１０の平均値より大きくなる。一方、劣化した旧い電池モジュール１０の抵抗は、蓄電装置１内の電池モジュール１０の抵抗の平均値より大きいことから、充放電時の電流値は蓄電装置１内の電池モジュール１０の平均値より小さくなる。

上述した如く、電池の発熱量Ｑは、抵抗Ｒに比例し、電流Ｉの２乗に比例する。
劣化に伴う抵抗上昇が常識の範囲内（寿命判定抵抗上昇率以下）であれば、充電または放電をした際に、電流が大きい電池モジュール１０ほど発熱量の変化が大きくなる。つまり、新しい電池モジュール１０ａの発熱量の上昇の割合は、旧い電池モジュール１０の発熱量の上昇の割合よりも大きい。このことを利用し、充電状態または放電状態において、異なる２つの時間における電池モジュール１０の温度を計測し、その２点間での温度変化を比較することにより、抵抗上昇に伴う発熱か、それとも電流増大による発熱かのいずれかを判定することができる。

そこで、本実施形態では、コントローラ２０は、新しい電池モジュール１０ａであるか否かを判断する電池交換判断部２３を有する。電池交換判断部２３には、予め、充電中または放電中における新しい蓄電モジュール１０ａの温度変化情報が保持されている。そして、充電中または放電中のある時間における各電池モジュール１０の温度を、温度センサ２５により検出し、その検出値をメモリ部２４に記憶する。また、充電中または放電中の異なる時間における各電池モジュール１０の温度を、温度センサ２５により検出し、その検出値をメモリ部２４に記憶する。次に、電池交換判断部２３において、各電池モジュール１０の所定の時間に対する温度変化の傾きを演算により算出し、算出された電池モジュール１０の所定の時間に対する温度変化の傾きを、予め保持された新しい蓄電モジュール１０ａの温度変化情報と対比することにより、新しい電池モジュール１０ａであるか否かが判別される。ここで、温度変化情報は、時間変化率そのもの、あるいは、時間変化率を算出するに必要な温度情報である。

このようにして、新しい電池モジュール１０ａと判断された電池モジュールのみ、非交換の電池モジュール１０よりも強い冷却、つまり強化冷却が行われる。このため、旧い電池モジュール１０に対して強化冷却が行われることを防ぐことができる。電池交換判断部２３には、新しい電池モジュール１０ａの温度変化情報のみでなく、旧い電池モジュール１０の温度変化情報を保持しておくようにしてもよい。また、電池交換判断部２３には、２点間だけの温度変化情報でなく、新しい電池モジュール１０ａまたは旧い電池モジュール１０の多数の計測点における温度履歴テーブルを保持させておき、温度センサ２５による温度の検出結果を、この温度履歴テーブルと照合して新しい電池モジュール１０ａであるか否か判断するようにしてもよい。

電池モジュール１０は、冷却し過ぎると、性能が低下する。新しい電池モジュール１０ａも、次第に劣化して内部抵抗が増大し、発熱量が漸減するので、新しい電池モジュール１０ａを何時までも強く冷却すると、性能の劣化を加速することになる。
そこで、本実施形態では、新しい電池モジュール１０ａに対応する開閉弁４６Ｂを開いた強化冷却を所定時間行った後、コントローラ２０からアクチュエータ２１Ｂに指令を行い、新しい電池モジュール１０ａに対応する開閉弁４６Ｂを閉塞する。これ以降は、交換した新しい電池モジュール１０ａも、非交換の電池モジュール１０と同様に通常冷却が行われる。

上述した如く、実施形態によれば、下記の効果を奏することができる。
（１）交換して装着した新しい電池モジュール１０ａのみを、非交換の電池モジュール１０よりも強い強化冷却を行うので、新しい電池モジュール１０ａの劣化を抑制し、かつ、非交換の電池モジュール１０の性能を維持することができる。
（２）新旧電池モジュールの温度変化率の相違に着目し、充電中または放電中に、各電池モジュール１０の所定の時間に対する温度変化を演算し、新しい電池モジュール１０ａであるか否か判別するので、非交換の電池モジュール１０の温度が上昇しても強化冷却が行われることがなく、非交換の電池モジュール１０の性能が低下することがない。
（３）新しい電池モジュール１０ａを所定の時間強化冷却した後は、通常冷却に戻すので、新しい電池モジュール１０ａを過冷却することがなく、新しい電池モジュール１０ａが過冷却により性能低下することがない。

また、本実施形態の場合には、説明は省略したが、電池モジュール１０毎に、その温度を検出する温度センサ２５が装着されているので、各電池モジュール１０の温度の検出値に基づいて、開閉弁４６Ａの開度を調整して、適切な強さの冷却を行うことが可能である。

なお、上記実施の形態において、蓄電装置１は、気体の冷却剤を用いる第１の冷却系３０と、液体の冷却剤を用いる第２の冷却系４０を備えている。しかし、蓄電装置１は、一方の冷却系だけを備えるものとすることもできる。また、上記実施の形態において、第２の冷却系４０の冷却流路Ａには開閉弁４５Ａが備えられている。しかし、開閉弁４５Ａを備えていない蓄電装置１とすることもできる。この場合、電池モジュール１０の冷却の強弱の調整は、第１の冷却系３０の送風ファン３２および第２の冷却系４０のポンプ４１の回転数を調整したり、駆動・停止を制御したりすることによって行うことができる。

上記実施の形態において、蓄電装置１は、交換された新しい電池モジュール１０ａであるか否かを判断する電池交換判断部２３を備えている。しかし、電池交換判断部２３を備えていない蓄電装置１とすることもできる。この一例を説明する。
新しく交換された電池モジュール１０ａは、所定時間の強制冷却を一度行った後は、再度、強制冷却を行うことはない。所定時間の強制冷却により、新しい電池モジュール１０ａはある程度性能が劣化しており、強制冷却を再度行うと、過冷却となって性能を低下するからである。

そこで、コントローラ２０に各電池モジュール１０のステータスフラグを設け、強化冷却を一度行った電池モジュール１０ａに対しては、フラグに１を入力する。そして、交換した電池モジュール１０ａが旧くなって、新しい電池モジュールと交換する際に、スイッチ部材を操作してステータスフラグのリセットを行う。冷却のプログラムを、ステータスフラグが「０」のとき強制冷却が実行され、ステータスフラグが「１」のときは強制冷却が実行されないようにしておく。このようにすれば、電池交換判断部２３を備えていなくても、交換した新しい電池モジュール１０ａの過冷却を防止することができる。
しかしながら、上記実施の形態において説明した電池交換判断部２３を備えている蓄電装置１によれば、スイッチによるリセット操作のし忘れがないので、信頼性を向上することができるという効果がある。

なお、上記実施の形態において、通常冷却においては、各電池モジュール１０は、冷却流路Ａによってのみ冷却され、冷却流路Ｂによっては冷却されないとして説明した。しかしながら、通常状態において、各電池モジュール１０を、冷却流路Ｂにより、すなわち、各開閉弁４６Ｂを僅かに開いて冷却するようにしてもよい。要は、通常冷却においては、開閉弁４６Ａと開閉弁４６Ｂを流通する冷却剤による合計冷却効果が必要な冷却効果となるようにし、強化冷却において、開閉弁４６Ｂを、強化冷却に必要な冷却効果が得られる開度に開くようにすればよい。

［実施形態２］
図７は、本発明に係る蓄電装置の実施形態２を示す。
実施形態２の蓄電装置１Ａが実施形態１の蓄電装置１と異なる点は下記の通りである。
（１）開閉弁４６Ｂおよびアクチュエータ２１Ｂを備えておらず、代わりに開閉機構５０を備えている。
（２）開閉弁４６Ａおよびアクチュエータ２１Ａを備えておらず、代わりに手動の開閉弁４７を備えている。
（３）コントローラ２０Ａは、電池交換判断部２３を有しておらず、計時部２２のみを有している。
以下、実施形態２の蓄電装置１Ａについて説明する。
なお、上記以外は実施形態１の構成を同様であり、対応する部材に同一の参照番号を付してその説明を省略する。

図８（Ａ）〜（Ｃ）は、開閉機構５０の構造および動作を説明するための断面図である。
開閉機構５０は、ボックス状のケース５１と、ケース５１内に収容された一対の開閉部材５２を備えている。また、開閉機構５０は、押圧部材５３、ばね５４およびソレノイド５５を備えている。押圧部材５３、ばね５４およびソレノイド５５は、ケース５１を中央にしてその両側に配置されている。

ケース５１は、金属等の熱伝導性が良好な材料により形成されており、図示はしないが、電池モジュール１０の表面に密着して取り付けられている。電池モジュール１０を収容する外装ケースに熱伝導性フィンを設け、この熱伝導性フィンにケース５１を接触させるようにしてもよい。ケース５１の上下には、配管４５に接続される開口部５１ａが形成されている。また、相対向する一対の側面には、押圧部材５３の押圧部５３ａを挿通する開口部５１ｂが形成されている。ケース５１には、上部および下部の内面に、内方に向かって突き出す段部５１ｃが形成されている。配管４５に連通する開口部５１ａは、段部５１ｃの中央を貫通して延出されている。
ケース５１内に収容されている一対の開閉部材５２は、それぞれ、形状記憶合金により形成されており、温度が変態点以下の低い状態では、半円筒形状を有し、温度が変体点以上の高い状態では、後述する図８（Ｂ）に図示される如く、ほぼ平坦形状に回復する。

温度が低い状態では、図８（Ａ）に図示される如く、一対の開閉部材５２は、それぞれ、周縁部をケース５１の側面内側に密着した状態で、中央部が相手方の中央部に当接された状態となる。この状態では、配管４５の流路が閉塞される。
温度が高い状態では、図８（Ｂ）に図示されるよう如く、各開閉部材５２は、ほぼ平坦状に形状を変える。この状態において、上下の配管４５は連通し流路が開く。

押圧部材５３は、開閉部材５２のほぼ中央部に当接する押圧部５３ａと、押圧部５３ａより幅広い台部５３ｂを有する。ばね５４は圧縮ばねであり、常時、押圧部材５３の台部５３ｂを開閉部材５２側に向けて付勢している。ソレノイド５５は、常時は、プランジャ５５ａが突き出しており、押圧部材５３の台部５３ｂの前面に当接している。つまり、ばね５４により開閉部材５２側に向けて付勢されている押圧部材５３の移動を、ソレノイド５５のプランジャ５５ａが規制している。

したがって、ソレノイド５５が駆動され、プランジャ５５ａが引込むと、押圧部材５３は、ばね５４の付勢力により開閉部材５２側に移動する。押圧部材５３の押圧部５３ａは、ケース５１の開口部５１ｂ内を挿通して開閉部材５２のほぼ中央部を押圧する。押圧部材５３の押圧部５３ａによる押圧力は、開閉部材５２の原形への回復力よりも大きく、開閉部材５２に伝わる温度が変体点以上であっても、開閉部材５２は変形される。開閉部材５２の周縁部は、段部５１ｃの周縁部に当接して、変形を規制される。このため、ソレノイド５５が駆動され、押圧部材５３の押圧部５３ａがばね５４の付勢力により開閉部材５２の中央部を押圧すると、図８（Ｃ）に図示される如く、開閉部材５２の中央部が内方に屈曲され、配管４５の流路が閉塞される。
次に、実施形態２における電池モジュールの冷却動作について説明する。

蓄電装置１Ａの電池モジュール１０がすべて交換されない状態では、開閉機構５０はすべて、図８（Ｃ）に図示される如く、冷却流路Ｂが閉塞された状態である。冷却流路Ａに接続された開閉弁４７は、手動により適切な開度に調整されている。この状態では、すべての電池モジュール１０は、第１の冷却系３０の配管３１を流通する冷却風および第２の冷却系４０の冷却流路Ａを流通する冷却液により冷却されている。

ここで、右端の電池モジュール１０が使用限界に達した場合、使用限界に達した電池モジュール１０を脱着し、新しい電池モジュール１０ａを装着する。新しい電池モジュール１０ａを装着したら、押圧部材５３を、図８（Ｃ）に示された位置からばね５４を圧縮する方向に戻し、押圧部材５３の台部５３ｂの前面に、ソレノイド５５のプランジャ５５ａを当接させる。これにより、新しい電池モジュール１０ａに取り付けられた開閉機構５０は、図８（Ａ）に図示された状態となる。

この状態で定電流充電を開始し、開始後所定時間経過すると、新しい電池モジュール１０ａの温度だけが開閉部材５２の変態点以上に達する。このため、新しい電池モジュール１０ａに取り付けられた開閉機構５０の開閉部材５２が、図８（Ｂ）に図示された、ほぼ平坦形状に回復する。従って、新しい電池モジュール１０ａは、第２の冷却系４０の冷却流路Ｂを流通する冷却液によっても冷却される。非交換の電池モジュール１０は、温度が変態点に達していないため、図８（Ａ）に図示された流路が閉塞された状態のままである。
図７に図示された開閉機構５０は、この充電状態を示している。

すなわち、新しい電池モジュール１０ａのみが強化冷却され、非交換の電池モジュール１０は通常冷却される。これにより、新しい電池モジュール１０ａの熱劣化の加速が抑止され、また、非交換の電池モジュール１０の過冷却による性能の低下も生じることはない。

充電開始後、所定時間経過すると、コントローラ２０Ａは、ソレノイド５５に駆動信号を送り、プランジャ５５ａを引込める。ばね５４により付勢されている押圧部材５３に移動を規制しているプランジャ５５ａが変位するため、一対の押圧部材５３の各押圧部５３ａが、原形に復元されている開閉部材５２のほぼ中央部を押圧し、図８（Ｃ）に図示された状態となる。これにより、冷却流路Ｂが閉塞され、交換された新しい電池モジュール１０ａについても、非交換の電池モジュール１０と同様に通常冷却が行われる。

実施形態１において記載したが、長期間使用して旧くなった電池モジュール１０は、内部抵抗が増大して充放電中における温度が、新しい電池モジュール１０ａと同様に高くなることもある。しかし、実施形態２においては、新しい電池モジュール１０ａを装着し、所定時間、充電を行った後、開閉機構５０が図８（Ｃ）の状態になると、以降、人手により押圧部材５３を退位位置に戻さない限り、冷却流路が開くことはない。従って、旧くなった電池モジュール１０を過冷却するようなことはない。

実施形態２に示す蓄電装置１Ａにおいては、下記の効果を奏する。
（１）交換して装着した新しい電池モジュール１０ａのみを、非交換の電池モジュール１０よりも強い強化冷却を行うので、新しい電池モジュール１０ａの劣化を抑制し、かつ、非交換の電池モジュール１０の性能を維持することができる。
（２）新しい電池モジュール１０ａを所定時間、強化冷却した後は、押圧部材５３により、開閉部材５２を変形して、強化冷却の流路を閉塞するように構成した。この状態は、人手により押圧部材５３を退位位置に戻さない限り維持されるので、非交換の電池モジュール１０の温度が上昇しても強化冷却が行われることがなく、非交換の電池モジュール１０の性能が低下することがない。
（３）新しい電池モジュール１０ａを所定の時間強化冷却した後は、通常冷却に戻すので、新しい電池モジュール１０ａを過冷却することがなく、新しい電池モジュール１０ａが過冷却により性能低下することがない。

上記（１）〜（３）の効果は、実施形態１の場合の効果と対応する。但し、効果の（２）に関しては、実施形態１では、コントローラ２０の制御により行われるが、実施形態２においては、作業者の操作により行う必要がある。しかし、実施形態１では、コントローラ２０の制御により開閉する開閉弁４５Ａ、４５Ｂを備えるため高価となるが、実施形態２では、このような高価な開閉弁４５Ａ、４５Ｂを必要としないので、安価な装置にすることができる。

なお、上記説明において、図８（Ａ）および（Ｃ）に示された状態では、開閉部材５２により冷却流路が閉塞されるとした。しかし、開閉部材５２が半円筒形状に変形された状態において、冷却流路が完全に閉塞されず、冷却剤が僅かに流通するようにしてもよい。
要は、通常冷却においては、開閉弁４７と開閉機構５０を流通する冷却剤による合計冷却効果が必要な冷却効果となるようにし、強化冷却において、図８（Ｂ）に示された開閉機構５０が開いた状態で、強化冷却に必要な冷却効果が得られればよい。

［実施形態３］
図９は、本発明に係る蓄電装置の実施形態３を示す。
実施形態３の蓄電装置１Ｂが実施形態１の蓄電装置１と相違する点は下記の通りである。
（１）開閉弁４６Ｂおよびアクチュエータ２１Ｂは、１つの蓄電モジュールのみに対応して設けられており、他の蓄電モジュールに対応しては、電動式、手動式を問わず、一切、開閉弁は備えていない。
（２）開閉弁４６Ａおよびアクチュエータ２１Ａを備えておらず、換わりに手動の開閉弁４７を備えている。
（３）コントローラ２０Ａは、電池交換判断部２３を有しておらず、計時部２２のみを有している。
（４）各電池モジュール１０の温度を検出する温度センサを備えていない。

実施形態３の蓄電装置１Ｂは、旧くなって交換が必要となった電池モジュール１０が、どの位置に設置されている場合であっても、蓄電装置１Ｂの同一の位置、すなわち、開閉弁４６Ｂが設けられている位置に装着するものである。
以下、実施形態３の蓄蓄電装置１Ｂの操作および動作について説明する。

蓄電装置１Ｂの電池モジュール１０がすべて交換されない状態では、すべての電池モジュール１０は、第１の冷却系３０の配管３１を流通する冷却風および第２の冷却系４０の冷却流路Ａを流通する冷却液により冷却されている。この場合、配管４５Ｂは各電池モジュール１０に一体的に取り付けられている。

ここで、例えば、左端から２番目に設置されている電池モジュール１０の性能が劣化し、新しい電池モジュール１０ａと交換する必要が生じたとする。
先ず、左端から２番目に設置されている電池モジュール１０を蓄電装置１Ｂから取り出す。次に、開閉弁４６Ｂが設けられている位置、すなわち、右端の位置に設置されている電池モジュール１０を、取り出した電池モジュール１０の位置、すなわち、左端から２番目の位置に移動する。この後、新しい電池モジュール１０ａを右端の位置に装着する。電池モジュール１０ａには、配管４５Ｂが一体的に取り付けられており、この配管４５Ｂの入出口を開閉弁４６Ｂに位置合わせして取り付ける。
このように、開閉弁４６Ｂが設けられている位置に設置されている電池モジュール１０を、交換が必要となった電池モジュール１０を取り出した位置に移動して、新しい電池モジュール１０ａを、常に、開閉弁４６Ｂが設けられている位置に装着する。

充電を開始する際、コントローラ２０Ｂは、アクチュエータ２１Ｂに指令を出し、開閉弁４６Ｂを開いておく。これにより、交換された新しい電池モジュール１０ａのみが強化冷却される。図９に図示された蓄電装置１Ｂは、この充電中における開閉弁の開閉状態を示している。充電を開始して所定時間経過した後、コントローラ２０Ｂはアクチュエータ２５Ｂを介して開閉弁４６Ｂを閉塞する。これにより、新しい電池モジュール１０ａは、充電後に過冷却されることはない。

図１０は、実施形態３として示す蓄電装置１Ｂの開閉弁の開閉状態を示す。図１０において、冷却流路Ａの「開」状態は、手動によるものである。
実施形態３においても、実施形態１の効果（１）〜（３）と同様な効果を奏することができる。

なお、実施形態３において、開閉弁４６Ｂを、実施形態２に示す形状記憶合金で形成された開閉部材５２を有する開閉機構５０に置き換えてもよい。
また、開閉弁４７を、開閉弁４６Ｂと同様の電動式の開閉弁に置き換えてもよい。この場合には、コントローラ２０Ｂに、実施形態１に示された電池交換判断部２３を設けることもできる。
実施形態３において、床面にローラまたはスライド部材を配設し、この上に蓄電モジュール１０を搭載するようにしてもよい。このようにすれば、蓄電モジュール１０を交換する際、蓄電モジュール１０の移動が容易となる。

図１１は、電池モジュールの変形例を示す断面図である。
図２に図示された電池モジュール１０は、複数の扁平状の二次電池素子１１により構成されているものである。これに対し、図１１に図示された電池モジュール１０’は、複数の円筒形二次電池素子１２をケース部材１４に収納して構成されている。円筒形二次電池素子１２は、図示はしないが、正極シートの両面に正極活物質が塗布された正極電極と、負極シートの両面に負極活物質が塗布された負極電極とをセパレータを介在して積層し、軸芯の周囲に捲回して円筒形状に形成したものである。各円筒形二次電池１２とケース部材１４との間の空間には、伝熱促進剤１３が充填されている。

伝熱促進剤１３は、充放電時における円筒形二次電池素子１２とケース部材１４間の熱伝導を促進するためのものであり、ゲル状または液状の材料で形成することができる。
また、電池モジュール１０’のケース部材１４には、表面に冷却剤の流路となる冷却路３７が形成されている。冷却路３７には、上記した配管３１または４５が接続される。

以上説明した各実施形態では、各電池モジュールの冷却は、各電池モジュールの表面に接触する配管を介して行うものであった。しかし、電池モジュールを冷却する冷却路として、配管を用いない構造としてもよい。例えば、複数の電池モジュールを収容する装置本体と各電池モジュールとの間に、冷却剤が流通する空間を形成し、この空間を冷却路としてもよい。

以上説明した各実施形態では、冷却路は、複数の二次電池素子１１により構成される電池モジュール１０を単位として形成されているものであった。しかし、冷却路は、１つの二次電池素子１１を単位として形成するようにしてもよい。この場合、図２を参照して説明すると、各配管３０、４５Ａ、４５Ｂを、電池モジュール１０を構成する二次電池素子１１間に配設してもよい。また、二次電池素子１１を、電池モジュール１０を構成すること無く独立して配置し、各二次電池素子１１の表面に配管３０、４５Ａ、４５Ｂを接触させて配設するようにしてもよい。

また、電池モジュールを構成する二次電池素子１１は、リチウムイオン電池に限られるものではなく、ニッケル水素電池、ニッケル・カドミウム電池等のような他の二次電池素子とすることも可能である。

その他、本発明の蓄電装置は、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して構成することが可能であり、要は、それぞれが少なくとも１つの二次電池素子を含む複数の電池構造体と、各電池構造体を冷却するための第１の冷却路と、複数の電池構造体の中の少なくとも１つを冷却するための第２の冷却路と、第１の冷却路を介して各電池構造体に冷却剤を供給し、かつ、電池構造体が交換された後、所定の時間内において、第２の冷却路を介して電池構造体に冷却剤を供給する冷却剤供給手段とを備えるものであればよい。

１ 蓄電装置、
１０、１０’ 蓄電モジュール、
１０ａ 新しい蓄電モジュール、
１１ 二次電池素子、
２０、２０Ａ、２０Ｂ コントローラ、
３０ 第１の冷却系、
４０ 第２の冷却系、
４５Ａ、４５Ｂ 開閉弁、
５０ 開閉機構、

Claims (9)

1. それぞれが少なくとも１つの二次電池素子を含む複数の電池構造体と、
   前記各電池構造体を冷却するための第１の冷却路と、
   前記複数の電池構造体の中の少なくとも１つを冷却するための第２の冷却路と、
   前記第１の冷却路を介して前記各電池構造体に冷却剤を供給し、かつ、前記電池構造体が交換された後、所定の時間内において、前記第２の冷却路を介して前記電池構造体に冷却剤を供給する冷却剤供給手段とを備える蓄電装置。
2. 請求項１に記載の蓄電装置において、前記冷却剤供給手段は、前記各電池構造体の温度を検出する温度センサと、前記電池構造体の温度を所定の時間間隔で検出し、前記電池構造体の温度変化に基づいて、交換された電池構造体であるか否かを判断する電池交換判断手段を含む蓄電装置。
3. 請求項２に記載の蓄電装置において、前記電池交換判断手段は、交換された電池構造体の温度変化特性を記憶した記憶部と、各電池構造体の温度変化特性を算出する算出手段と、前記記憶部に記憶した温度変化特性と前記算出手段により算出された温度変化特性とを比較して交換された電池構造体を判別する判別手段とを含む蓄電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電装置において、前記冷却剤供給手段は、少なくとも前記第２の冷却路の流路を開閉する開閉弁を有し、前記開閉弁の開閉を制御する制御手段を含む蓄電装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蓄電装置において、前記冷却剤供給手段は、前記第２の冷却路を介して、所定の時間、前記電池構造体に冷却剤を供給した後、前記第２の冷却路の流路を閉塞する過冷却防止手段を含む蓄電装置。
6. 請求項１に記載の蓄電装置において、前記冷却剤供給手段は、前記電池構造体の温度により変形して、少なくとも前記第２の冷却路の流路を開閉する形状記憶合金から構成される開閉部材を含む蓄電装置。
7. 請求項１に記載の蓄電装置において、前記すべての電池構造体が設置される設置手段を有し、前記第２の冷却路を介して前記冷却剤が供給される前記電池構造体は、前記設置手段の所定の位置に設置される蓄電装置。
8. 請求項６または７に記載の蓄電装置において、前記冷却剤供給手段は、前記第２の冷却路を介して、所定の時間、前記電池構造体に冷却剤を供給した後、前記第２の冷却路の流路を閉塞する過冷却防止手段を含む蓄電装置。
9. 請求項１に記載の蓄電装置において、前記二次電池素子は、リチウムイオン二次電池素子である蓄電装置。
   
   

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