JP5796160B2

JP5796160B2 - 蓄電システム

Info

Publication number: JP5796160B2
Application number: JP2011084280A
Authority: JP
Inventors: 知昌青木; 黒崎　敏彦; 敏彦黒崎; 琢磨飯田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: JP2012221646A

Description

本発明は、蓄電装置を備えた蓄電システムに関する。

従来の蓄電システムにおいて、給湯用の水を加熱するヒートポンプユニットと、加熱された水を貯えるタンクと、電力を蓄電しヒートポンプユニットや家庭内の各負荷へ電力を供給する蓄電装置とを備えたものが知られている。このような蓄電システムに使用される蓄電装置の充放電効率は、蓄電装置自体の温度に大きく依存する。特に、屋外に設置される蓄電システムにおいては、蓄電装置の温度は気温により変化する。そのため、効率的に充放電を行うことを目的として、タンク内に貯えられた水の熱量を利用して蓄電装置を加熱し、充放電効率の良い温度範囲に蓄電装置の温度を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−７９５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された蓄電システムは、蓄電装置内に収容される電池が内部短絡等により発熱し、異常過熱状態になった場合の安全対策はなされておらず、安全面の問題を有していた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、安全性が向上した蓄電装置を備えた蓄電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る蓄電システムは、水を貯えるタンクと、充放電を行う蓄電装置と、少なくとも一部が前記蓄電装置の内部に配置されるとともに前記タンク内の水を流通させる流路と、前記流路を流れる水と前記蓄電装置との間で熱交換を行うことにより前記蓄電装置の温度を調節する温度調節手段と、を備えた蓄電システムであって、前記蓄電装置は、筐体と、前記筐体内に収容される複数の電池モジュールとを備え、複数の素電池と、前記複数の素電池を収容するケースと、前記ケースの一側面に設けられ、素電池から発生したガスを前記筐体の内部であって前記ケースの外部へ上向きに排出する排出口とを前記電池モジュールに設け、前記筐体内に設けられる複数の流路プレートおよび前記流路プレート同士を連通接続する接続管路により前記流路の少なくとも一部を構成し、前記電池モジュールの上部に積層されるように前記電池モジュールと交互に前記流路プレートを配置し、前記流路プレートの前記排出口から排出されるガスが直接当たる部分に、前記ガスが直接当たることにより開口される異常時給水手段を設け、前記異常時給水手段により前記排出口から排出されるガスにより前記流路プレートを開口し、前記流路プレートに流れる水を前記開口より前記流路プレートの外部へ流出させて前記蓄電装置の内部に供給することを特徴とする。

本構成によれば、蓄電装置内の電池が異常過熱状態になったとき、蓄電装置内に給水を行うことで水が電池を直接冷却して温度を下げることができ、蓄電装置の安全性を向上させることができる。

本発明によれば、蓄電システムに備えた蓄電装置の安全性を向上することができる。

本発明の実施の形態１における蓄電システムの構成図本発明の実施の形態１における蓄電システムの部分構成図本発明の実施の形態１における蓄電装置を構成する素電池の断面図本発明の実施の形態１における蓄電装置を構成する電池モジュールの構成図本発明の実施の形態１における（ａ）蓄電装置の構成図、（ｂ）流路プレートの構成図、（ｃ）蓄電装置の部分断面図本発明の実施の形態１における（ａ）流路プレートの別の例を説明する構成図、（ｂ）（ａ）の部分拡大図本発明の実施の形態１における（ａ）第１の蓄電池用流路の別の例を説明する構成図、（ｂ）（ａ）部分拡大図本発明の実施の形態１におけるホルダの別の例を説明する構成図本発明の別の実施形態における蓄電システムの構成図本発明の別の実施形態における蓄電システムの構成図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における蓄電システムの構成図である。ヒートポンプユニット２は、自然冷媒であるＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクルを有しており、大気から熱を収集したＣＯ２冷媒を高温・高圧に圧縮し、水と熱交換を行うことで水を加熱する。また、タンク３は、ヒートポンプユニット２により加熱された水を貯える容器である。蓄電装置４は、リチウムイオン二次電池などの電池（以下、素電池ともいう）の集合体が筐体内に収容されているものである。この蓄電装置４は、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーから得られる電力や各電力会社から供給される電力を蓄えるとともに、ヒートポンプユニット２等の蓄電システム１００内の各負荷や家庭内のエアコン、冷蔵庫等の各負荷へ電力を供給する。上記蓄電システム１００を構成する要素は、筐体１の中に収容され設置される。ここでタンク３は、主に家庭において使用され、加熱した水を貯えてその水を台所や浴室等に供給する給湯用のタンクを兼用することもできる。

本発明の蓄電システムは、蓄電装置４の温度調節手段と、異常時給水手段を有することを特徴とする。温度調節手段としては、例えば水などの流体と蓄電装置４との間で熱交換を行って蓄電装置４の温度を調節する流路を備えている。また異常時給水手段は、蓄電装置４が異常状態にあるとき、上記流路に流れる水を蓄電装置４内に供給する。

まず、温度調節手段である蓄電システム内に形成される流路について、図１を参照して説明する。図１における矢印は、水の流れる方向を示している。タンク３には、タンク３の下部からヒートポンプユニット２を通ってタンク３の上部へ接続される流体加熱流路５が設けられている。この流体加熱流路５によって、タンク３の下部から出た水は、ヒートポンプユニット２で加熱され、その後、タンク３の上部からタンク３内に戻る。したがって、常にタンク３の中には高温の水が蓄えられる。

さらに、流体加熱流路５とは別に、タンク３の上部から蓄電装置４を通って流体加熱流路５と連通接続する蓄電池用流路６が設けられている。蓄電池用流路６は、その途中で、蓄電装置４内に水を流通させ、蓄電装置４を加熱する。

切替弁７は、蓄電池用流路６にタンク３の水を流すか停止するかを切り替えるものである。切替弁７により、蓄電池用流路６に水が流れるよう切り替えられると、タンク３内の水は、ポンプ８の駆動により、蓄電池用流路６を流れた後、切替弁７で流体加熱流路５へ流入し、ポンプ８、ヒートポンプユニット２を通り、再びタンク３内に戻る。したがって、タンク３からの高温の水が蓄電装置４に流れることで蓄電装置４が加熱される。なお、タンク３の下部から流出する流体加熱流路５、およびタンク３の上部から流出する蓄電池用流路６の両方の流路に並行して水を流すことも可能である。

温度センサ９は、蓄電装置４の温度を検知するものである。ここで、温度センサ９の取
り付け位置は限定されるものではなく、各電池モジュールに取り付けても良く、また各素電池に取り付けられていても良い。

冷却手段１０は、蓄電装置４を冷却するものであり、ファン等を用いることができる。また、蓄電池用流路６において、蓄電装置４より上流側に、水道水等から低温の水を蓄電池用流路６に流通させる弁を設け、蓄電装置４の冷却が必要であるときに弁を切り替えて、蓄電装置４を冷却してもよい。

次に、蓄電装置４の温度調節制御について説明する。

図２は、本実施の形態における蓄電システム１００の部分構成図である。図２に示すように、制御手段１１は、温度センサ９、記憶手段１２に記憶された情報および蓄電装置４の充放電を制御する充放電制御部１３からの信号に基づき、ポンプ８、切替弁７、冷却手段１０を制御するものである。なお、制御手段１１は、充放電制御部１３や、その他の制御手段と兼用することも可能である。

以下、蓄電装置４の温度調節制御方法の一例ついて説明する。蓄電装置４が充放電を行っているときは、温度センサ９により検知した蓄電装置４の温度が、電池のサイクル特性に適した温度である目標使用温度（例えば４５度）よりも低い場合、まず切替弁７によりタンク３の水が蓄電池用流路６を流れるようにし、ポンプ８を駆動させてタンク３に貯えられた高温（例えば８０度）の水を蓄電池用流路６に流す。これにより、蓄電池用流路６内の水が有する熱量が蓄電装置４に移動し、蓄電装置４が加熱される。温度センサ９が目標使用温度以上の温度を検知すると、ポンプ８の駆動を停止し、切替弁７を流体加熱流路５側に切り替え、蓄電装置４の加熱を終了する。一方、蓄電装置４が充放電を行っていないときは、温度センサ９が検知した蓄電装置４の温度が、電池の保存特性に適した温度である目標保存温度（例えば、１０度）よりも高い場合、温度調節手段の冷却手段１０を駆動し、蓄電装置４の温度を下げる。温度センサ９が目標保存温度よりも低い温度を検知すると、冷却手段１０の駆動を停止し、蓄電装置４の冷却を終了する。このように制御することにより、電池の状態に基づいて、それぞれに適した温度で充放電および保存を行うことができるため、蓄電装置４の寿命劣化を低減することができる。

次に、蓄電装置４の構成について説明する。

図３は、本実施の形態における蓄電装置４を構成する素電池４ａの断面図である。図２に示すように、素電池４ａは、電池ケース１５の開口部がガスケット１６を介して封口板１７で封止されている。電池ケース１５内には、正極板１９と負極板１８とがセパレータ２０を介して捲回されて構成された電極群２１が、非水電解質と共に収容されている。正極板１９は、正極リード２２を介して正極端子を兼ねる封口板１７に接続されている。また、負極板１８は、負極リード２３を介して、負極端子を兼ねる電池ケース１５の底部に接続されている。封口板１７には、開放部１７ａが形成されおり、素電池４ａが異常状態となり高温のガスが発生したとき、ガスが、開放部１７ａから電池ケース１５外へ排出される。なお、本実施の形態における素電池４ａの種類はリチウムイオン電池に限定されず、例えばニッケル水素電池等の二次電池を使用することができる。また、円筒形電池に限らず、角形電池であってもよい。

図４は、本実施の形態における蓄電装置４を構成する電池モジュール２４の断面図である。図３に示すように、電池モジュール２４は、複数の素電池４ａが配列されてケース２５に収容されている。それぞれの素電池４ａは、電気的に並列接続された状態で、ホルダ２６に形成された収容部２７に収容されている。

複数の素電池４ａの正極端子を兼ねる封口板１７側には、平板２８が配設されており、これにより、ケース２５と平板２８との間に排気室２９が区画されている。平板２８には、各素電池４ａの正極端子（封口板１７）が挿入される貫通孔３０が設けられており、素電池４ａの開放部１７ａから排出されたガスは、排気室２９を経由して、ケース２５の一側面に設けられた排出口３１から、ケース２５の外に排出される。排出口３１には、ガスの排出方向を上向きへ規制するダクト３２が設けられている。

図５は、本実施の形態における（ａ）蓄電装置４の構成図、（ｂ）流路プレート６ａの構成図、（ｃ）蓄電装置４の部分断面図である。

図５（ａ）に示すように、蓄電装置４は、複数の電池モジュール２４と充放電制御部１３が積層され筐体３４の内部に収容されている。フレーム３３は、中空構造の枠体が直方体状に枠組みされ、複数の電池モジュール２４と流路プレート６ａを交互に積層した状態で固定している。複数の電池モジュール２４は、電気的に直列に接続されている。なお、電池モジュール２４等の固定方法は特に制限されないが、例えば、電池モジュール２４等側に固定用のタブを設け、これをフレーム３３に設けた連結部とボルト等で固定してもよい。筐体３４は、蓄電装置４の外枠である。

図５（ｂ）に示す流路プレート６ａは、樹脂部材で形成されており、電池モジュール２４の一側面に配置された複数の接続管路６ｂは、下側の流路プレート出口６ｄと上側の流路プレート入口６ｃとの間をそれぞれ連通接続している。このように蓄電装置４内に配置された流路プレート６ａと接続管路６ｂで、蓄電池用流路６の一部を構成している。

次に、蓄電池用流路６内の水の流れを説明する。

タンク３から出て蓄電池用流路６を流通し蓄電装置４内に流入した水は、まず一番下に設けられた流路プレート入口６ｃから流路プレート６ａ内に入り、図５（ｂ）の矢印に示すようにジグザグ状に流路プレート６ａ内を流れ、流路プレート出口６ｄまで流れる。次に、接続管路６ｂを流れて一つ上に配置された流路プレート入口６ｃに到達すると、その流路プレート６ａ内を流れる。一番上に設けられた流路プレート６ａまで順に流れると、さらに蓄電池用流路６を通って蓄電装置４の外へ流れていく。このように蓄電池用流路６を構成する流路プレート６ａを水が流通することにより、蓄電池用流路６内の水と蓄電装置４との間で熱量の移動が行われ、蓄電装置４の温度を調節することができる。なお、流路プレート６ａの流路パターンは、図５（ｂ）に示したものに限らず、単純に流路プレート入口６ｃから流路プレート出口６ｄまで流れるようにしたり、より複雑なパターンにしたりすることも可能である。

次に、素電池４ａが内部短絡の発生等により発熱して蓄電装置４が異常状態（例えば３００度以上）になった場合の異常時給水手段について、図５（ｃ）を用いて説明する。図５（ｃ）中の矢印は、素電池４ａ内で発生した高温のガスの流れを示している。流路プレート６ａは、それぞれの真下に配置された電池モジュール２４に備えられたダクト３２によって排出方向を上向きに規制された排出口３１からの排出ガスが直接当たる位置に、他の部分よりも樹脂の肉厚を薄く形成した薄肉部３５を有している。薄肉部３５は、タンク３内の水が流通しても破れて開口することはないが、素電池４ａが異常状態となり高温のガスが多量に発生して排出口３１から排出された場合、その高温のガスにより樹脂が溶解し、開口するようになっている。これにより、流路プレート６ａ内を流れている水がその開口部から蓄電装置の筐体３４内に供給されるため、水が素電池４ａと接触し、直接冷却することができる。

以上のような構成にすることで、本実施の形態における蓄電システム１００は、電池が
異常状態になったとき、蓄電池用流路６の一部を開口させて蓄電池用流路６内の水を蓄電装置の筐体３４内へ供給することで、水が素電池４ａと接触して素電池４ａを冷却し、素電池４ａの温度を低下させることで蓄電装置４を安全な状態にすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図６（ａ）および（ｂ）に、本発明の実施の形態に係る流路プレート６ａの別の例を示す。図６の流路プレート６ａは、金属パイプ等の金属部材で形成され、排出口３１からの排出ガスが直接当たる部分に切り欠け部３６を設けるようにしてもよい。切り欠け部３６は、蓄電池用流路６内を水が流通しても開口することはないが、素電池４ａが異常状態となり多量の高温ガスが発生した場合に、切り欠け部３６にそのガスが当たり圧力がかかることで切り欠けが開くように構成される。これにより、蓄電装置４が異常状態となった場合、水を蓄電装置の筐体３４内に供給することができ、蓄電装置４の温度を低下させることができる。また他の方法として、少なくとも排出ガスが直接当たる部分を薄肉の樹脂部材で形成し、高温のガスが当たると溶解し開口する構成としてもよい。

また、本実施の形態では、樹脂部材の蓄電池用流路６を別部材として設けているが、図７の（ａ）および（ｂ）に示すように、フレーム３３で蓄電池用流路６の一部を構成してもよい。すなわち、フレーム３３の中空部内に水を流通させ、フレームの上枠部３７の排出口３１から排出される高温ガスが当たる部分に、切り欠け部３８を設けてもよい。このような構成において、切り欠け部３８は、フレームの上枠部３７内を水が流通しても開口することはないが、素電池４ａが異常状態となり多量の高温ガスが発生し排出された場合に、切り欠け部３８にそのガスが当たり圧力がかかることで切り欠けが開くように構成する。なお、本構成において開口する構成は限定されない。すなわち、少なくとも排出ガスが直接当たる部分を薄肉の樹脂部材で形成し、高温のガスが当たると溶解し開口する構成としてもよいし、樹脂部分に温度ヒューズ等の発熱手段を設け、蓄電装置４内の一部の素電池４ａが異常状態となった場合に、発熱手段を発熱させて樹脂部分を溶解して開口する構成としてもよい。これにより、水を蓄電装置の筐体３４内に供給することができ、蓄電装置４の温度を低下させることができる。

図８に、本実施の形態における電池モジュール２４のホルダ２６の別の例を示す。図８に示すように、ホルダ２６で蓄電池用流路６の一部を構成してもよい。すなわち、ホルダ２６を中空状の樹脂部材で形成し、収容部２７に収容する素電池４ａの回りに沿って中空内を水が通るように構成する。これにより、素電池４ａが高温になった場合、ホルダ２６の素電池４ａの周りの樹脂部分が溶解して開口しホルダ２６内の水が流出するため、素電池４ａを直接冷却し、蓄電装置４の温度を下げることができる。本構成においても、ホルダ２６に温度ヒューズ等の発熱手段を設け、蓄電装置４内の一部の素電池４ａが異常状態となった場合に、発熱手段を発熱させて樹脂部分を溶解して開口する構成としても、本実
施の形態と同様の効果を奏することができる。

また、図９に、本発明の別の実施形態における蓄電システム１０１を説明する。図９に示すように、蓄電池用流路６用のポンプ３９をポンプ８とは別に蓄電装置４より上流側に設け、さらに蓄電池用流路６の蓄電装置４より下流側に水の流通を停止するバルブ４０を設けることで、蓄電装置４が異常状態になった場合、ポンプ３９による蓄電池用流路６内の流通を行うとともに、バルブ４０を閉めることで蓄電装置４からの水の流出のみを停止する構成にしてもよい。このような構成にすることで、蓄電装置４へは水が流入する一方で、蓄電装置４外へは水が流出しないため、蓄電池用流路６内の水圧が上がり、薄肉部３５や切り欠け部３６は内側から圧力がかかることにより開口し、蓄電池用流路６内の水を蓄電装置の筐体３４に供給して、蓄電装置４を冷却することができる。この場合、薄肉部３５や切り欠け部３６は、排出口３１からの排出ガスが直接当たる位置に限らず、他の部分に設けても同様の効果を奏することができ、設計の自由度が向上する。なお、排出口３１からの排出ガスが直接当たる位置に薄肉部３５や切り欠け部３６を設けた場合は、内側と外側の両方から圧力がかかるため、より開口しやすい構成となる。蓄電池用流路６内の水圧を上げる方法は、他にタンク３から流出する水量を増加させて水圧を上げる等、様々な方法を用いることができる。蓄電装置４が異常状態であることを検知する方法としては、上記と同様である。

また、本実施の形態におけるタンク内の水の加熱手段としてＣＯ２冷媒のヒートポンプユニットを用いて説明したが、フロン等他の冷媒を用いたヒートポンプユニットや、都市ガスやＬＰＧ等を燃料として発電し発電時に発生する排熱にて水を加熱する燃料電池システム、太陽光発熱システム等の種々の加熱手段を用いることができる。

また、上記実施の形態において蓄電システムの外枠に筐体１を設置したが、それに限定されるものではない。すなわち、筐体１内に収容されていなくてもよく、図１０の本発明の別の実施形態における蓄電システム１０２の構成図に示すように、蓄電装置４、冷却手段１０等を一つの蓄電ユニット４１として筐体１と別体に構成することもできる。

また、本実施の形態において、蓄電装置４には、充放電制御部１３を含んだ構成で説明したが、蓄電装置４とは別途に充放電制御部１３を設けてもよい。

本発明にかかる蓄電システムは、主に屋外で使用される蓄電システムに有用である。

１筐体
２ヒートポンプユニット
３タンク
４蓄電装置
４ａ素電池
５流体加熱流路
６蓄電池用流路
６ａ流路プレート
６ｂ接続管路
６ｃ流路プレート入口
６ｄ流路プレート出口
７切替弁
８、３９ポンプ
９温度センサ
１０冷却手段
１１制御手段
１２記憶手段
１３充放電制御部
１４温度調節手段
１５電池ケース
１６ガスケット
１７封口板
１７ａ開放部
１８負極板
１９正極板
２０セパレータ
２１電極群
２２正極リード
２３負極リード
２４電池モジュール
２５ケース
２６ホルダ
２７収容部
２８平板
２９排気室
３０貫通孔
３１排出口
３２ダクト
３３フレーム
３４筐体
３５薄肉部
３６、３８切り欠け部
３７上枠部
４０バルブ
４１蓄電ユニット
１００、１０１、１０２蓄電システム

Claims

水を貯えるタンクと、充放電を行う蓄電装置と、少なくとも一部が前記蓄電装置の内部に配置されるとともに前記タンク内の水を流通させる流路と、前記流路を流れる水と前記蓄電装置との間で熱交換を行うことにより前記蓄電装置の温度を調節する温度調節手段と、を備えた蓄電システムであって、
前記蓄電装置は、筐体と、前記筐体内に収容される複数の電池モジュールとを備え、
前記電池モジュールは、複数の素電池と、前記複数の素電池を収容するケースと、前記ケースの一側面に設けられ、素電池から発生したガスを前記筐体の内部であって前記ケースの外部へ上向きに排出する排出口とを有し、
前記流路の少なくとも一部は、前記筐体内に設けられる複数の流路プレートおよび前記流路プレート同士を連通接続する接続管路により構成され、
前記流路プレートは、前記電池モジュールの上部に積層されるように前記電池モジュールと交互に配置され、
前記流路プレートは、前記排出口から排出されるガスが直接当たる部分に、前記ガスが直接当たることにより開口される異常時給水手段を有し、
前記異常時給水手段は、前記排出口から排出されるガスにより前記流路プレートを開口し、前記流路プレートに流れる水を前記開口より前記流路プレートの外部へ流出させて前記蓄電装置の内部に供給することを特徴とする蓄電システム。
前記流路プレートは樹脂部材で構成され、前記排出口から排出されるガスが直接当たる部分は、前記流路プレートの他の部分よりも前記樹脂部材の厚みを薄く形成されたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
前記流路プレートは金属部材で構成され、前記排出口から排出されるガスが直接当たる部分に切り欠け部を有することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
前記流路プレートは、少なくとも一部が樹脂部材で形成されるとともに前記樹脂部材に発熱手段を有し、前記蓄電装置が異常状態であるとき、前記発熱手段を発熱させて前記流路プレートの前記樹脂部材を溶解することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
前記流路は、前記蓄電装置より下流側に、前記蓄電装置を通過した水の流通を停止する停止手段を有し、前記蓄電装置が異常状態であるとき、前記温度調節手段により水の流通を行うとともに、前記停止手段により前記蓄電装置を通過した水の流通を停止することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電システム。