JP5846812B2

JP5846812B2 - 蓄電池システム

Info

Publication number: JP5846812B2
Application number: JP2011191725A
Authority: JP
Inventors: 室園　幹男; 幹男室園; 武司日比野; 昭大野; 祥逸中野; 由一加護
Original assignee: 株式会社クリーンベンチャー２１
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: JP2013054884A

Description

本発明は、蓄電池、充電器、およびインバータを同一容器内に収納した蓄電池システムに関するものであり、特に複数の角型の素電池から構成された蓄電池を電池室に配置し、素電池間に冷却通路を設け蓄電池を冷却する構成とした蓄電池システムに関するものである。

近年、東日本大震災などによるエネルギー問題の高まりから、事業所や各家庭における非常用電源として蓄電池システムの必要性が高まっている。
蓄電池システムは、蓄電池、充電器、およびインバータなどから構成され、これらをひとつの容器に収納し非常用電源などに使用されている。そのような蓄電池システムで所要の出力を得るためには、複数の大容量の素電池を接続して構成する必要がある。

蓄電池は充放電にともなって、電極反応による反応熱や、ジュール熱が発生する。したがって、各々の素電池が発熱すると、これら素電池を組み合わせた蓄電池は高温化し、これを収納する容器内の温度は上昇する。さらに、大電流で蓄電池を充放電した場合には、素電池間の接続抵抗が大きく、さらに複数個を接続すれば抵抗値は積算されて大きくなり発熱量が増加する。夏場など気温が３５〜４０℃になれば容器内の温度は６０℃以上になることもある。このため蓄電池の充放電効率は低下し、また寿命特性も低下してしまう。さらに高温になると電池容器の封口のシーラントや、電極に使われているバインダーなどの有機構成物質が劣化したり、素電池の内圧が上昇し、膨張、破裂する懸念もある。そこで、これら蓄電池を効率良く冷却して高温に至らないようにする必要がある。

冷却構造としては、容器内に複数の電池を相互間に適当な通路を形成する状態で配置し、容器の一端から冷却風を送入し、容器の他端に排出することで、容器内に形成された通路を流れる冷却風によって各電池を冷却するようにしたものがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。しかし、この方法では電池表面に端の電池から順に冷却風を送るだけで、排気場所に近い電池では冷却風の温度が上がり、電池を均等に冷却することはできない。

また、容器内に配置された蓄電池を、容器の背面部に設けたファンを駆動することで正面部の通気孔から容器外部の空気を容器内に流入し、容器部内を冷却風として流して排出させることにより、蓄電池の側面部から中心部と両端の端子部の熱をともに冷却し放出するようにしたものがある（例えば、特許文献３、図２参照。）。しかし、この方法では、蓄電池の側面部から冷却風を流すので、通気口に近い蓄電池が良く冷却されるが、蓄電池全体のの冷却は十分に行えない。

また、ニッケル水素蓄電池の素電池を直列に配置して一体的に拘束バンドで結束することで蓄電池を構成し、これを機器配置容器の下部に形成された電源配置空間に上部と下部に冷却風路を設けて配設するものがある。そして、下部の冷却風路の一端には送風ファンが配設され、ここから冷却風を導入し、上部の冷却風路の一端に配設された排気グリルから排出する構成としたものである（例えば、特許文献４、図２参照）。しかし、この方法では、下部に配設された送風ファンから冷却風が強制的に導入されても、冷却風路を通過する過程で風圧が著しく低下するので、排気グリルからの排気は十分に行えず、効率良く蓄電池の冷却を行うことはできない。

特開２００１−３１９６９７号公報特開２００４−０１４４２１号公報特開２００７−０７３２２２号公報特開２００４−１１９０８９号公報

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、蓄電池システムの内部の蓄電池を効率良く冷却し、容器内の高温化した空気と外気との循環を十分に行って電池温度の上昇を抑えて蓄電池の充放電効率を向上し、寿命特性の良い蓄電池システムを提供することを目的とする。

本発明の蓄電池システムは、少なくとも蓄電池、充電器、およびインバータを収納し、かつ排気口を有する容器、前記容器内において前記蓄電池を収容する電池室、ならびに前記電池室の上部に設けられた排気ファンを具備し、前記蓄電池は、複数の角型の素電池を相互間に縦方向の空隙を有するように横方向に配列して構成され、かつ前記蓄電池の上部には前記空隙と連通する空間部を有するように前記電池室に収容されており、前記電池室の底部には、前記空隙に連通する開口部を有し、前記素電池の表面のうち、他の前記素電池と相対向する側面の面積が、他の前記素電池と相対向しない側面の面積よりも大きく、前記電池室の開口部が、前記空隙に対向する位置に、前記空隙を前記開口部から見た形状とほぼ同形状に形成されていることを特徴とするものである。

この蓄電池システムでは、電池室の上部に設けられた排気ファンにより、素電池の周りの高温となった空気が強制的に排気され、これにより電池室の底部に設けた素電池相互間の空隙に連通する開口部から外気が取り込まれる。このため、電池室内に収納されている各素電池の側面には、素電池の底部から上部に向かって、冷却用の外気が均等に流れることとなる。こうして各素電池は、取り込まれた外気により冷却される。この電池室から容器内に排気された高温の空気は、容器に取り付けられた排気口を通って容器外へと排出される。

前記電池室の開口部は、前記空隙に対向する部分に形成されていることが好ましい。蓄電池の上部に配置するファンの吸引力により、開口部から入り電池室底部から流れる冷風は、開口部が空隙に対向する部分に形成されている場合、素電池と素電池の間の空隙を最も速やかに通過するため、冷却効果が大きくなる。

前記電池室の開口部は、前記空隙に対向する部分に空隙部分とほぼ同形状に形成されていることがより好ましい。角型の素電池を用いた場合、素電池間の隙間をできるだけ狭く構成して蓄電池の容積効率を高くする。このため、素電池間の隙間は狭く、冷風が流れにくいため冷却が困難である。しかし、素電池間の縦方向の空隙に対向する電池室の底部に空隙部分とほぼ同形状に開口部を設けることにより、素電池間を空気が一層速やかに通過することができ、素電池の側面をより効果的に冷却することができる。

電池室底部の開口部の形状は、素電池間の空隙に対応してスリット状に形成することが好ましく、このスリットの幅は素電池間の空隙の幅の１〜５倍にすると冷却効果が大きくなる。空隙部分は狭いのでこれより開口部を狭くすると素電池の側面部に冷風が十分当たらず、冷却効果が下がる。スリットの幅を空隙の幅の５倍超にすると、冷風の移動速度が遅くなり、冷却効果が下がる。

前記電池室に設けた排気ファンは、前記蓄電池の上部中央部に対向する天板部に配置されていることが好ましい。複数の素電池を配列して構成した蓄電池では、中央部の素電池が最も高温になりやすく、外側に向かうほど低温となる。このため蓄電池の中央部が蓄熱されやすく、充電効率が低下しやすい。排気ファンを蓄電池の中央部に対向させて設けることにより、中央部を中心に空気が速やかに流れることとなり、冷却効果が大きくなる。

前記電池室の底部と蓄電池底面の間には、空間部を有することが好ましい。底部に空間部を設けることにより、蓄電池の底部も十分に冷却することができる。

前記蓄電池はニッケル水素蓄電池であることが好ましい。ニッケル水素蓄電池は、クリーンで高容量な上、長期信頼性に優れ、安全性に優れた蓄電池である。このため蓄電池システムには最適の蓄電池であると言える。しかし、負極活物質として用いられている水素吸蔵合金は、この材料の特徴として、高温になると充電時に吸蔵した水素を放出するため、充電効率が低下するという傾向がある。また、正極活物質である水酸化ニッケルも高温下では充電効率が低くなる。このため、複数の素電池を接続して蓄電池を構成する場合は、効率良く冷却し、高温にならないようにする必要がある。本発明は、そのような点に十分配慮した好ましい蓄電池システムを提供する。

本発明によれば、電池室の上部に取り付けられている排気ファンにより、電池室の上部および素電池間の空隙の高温となった空気が強制的に排気される。これと同時に、電池室の底部に設けた開口部から、これと連通する素電池相互間の空隙に強制的に冷却用の外気が取り込まれ、各素電池の側面に沿って、素電池の底部から上部に向かって外気が吸い上げられる。こうして各素電池はその側面を流れる空気により効果的に冷却される。

このように、蓄電池の底部から上部に向かって素電池の側面を冷却用外気が効率良く流通することで、複数個の素電池が配列して構成された蓄電池でも蓄電池全体が十分冷却でき、素電池間での温度差も小さくなる。また、素電池間の接続抵抗により高温となった空気も上部に排気ファンを設けることにより効率良く排気することができる。この電池室から容器内に排気された高温の空気は、容器に取り付けられた排気口を通って容器外へと排出される。
このため、本発明により、充放電効率が低下することなく、寿命特性の良い蓄電池システムを提供することができる。

本発明の一実施形態における蓄電池システムの容器の主要部を示す分解斜視図である。同容器の前面板の正面図である。同容器の背面板の正面図である。同容器の電池室に配置される蓄電池の斜視図である。同電池室の平面図である。同電池室の縦断面図である。同電池室を含む容器の底面図である。本発明の一実施形態における蓄電池システムの概略構成を示すブロック図である。

本発明の蓄電池システムの一実施の形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１Ａ〜図１Ｃにおいて、１は蓄電池システムであり、その容器６は、底板２、逆Ｕ字状の蓋板３、前面板４、および背面板５から構成されている。この容器６の内部には、底面を開口した箱形の容器を組み合わせることにより電池室７が設けられている。この電池室７の天板上にはインバータ３１が天板との間に隙間を持って載置されている。また、電池室７の側面には充電器３２が設置されている。インバータ３１と充電器３２とは、電池室７の充電器側の側面板を延長した仕切り板８により隔離されている。

電池室７に配置される蓄電池１０は、図２に示すように、角型の素電池１１を複数個、図示の例では１０個を素電池相互間に縦方向の空隙１６を有するように、横方向に配列して構成したものである。蓄電池１０は、この例では１００Ａｈのニッケル水素蓄電池であり、素電池の電圧は１．２Ｖであるから、蓄電池システム１の出力電圧は１２Ｖとなる。素電池１１は、縦長で、相対向する２つの主表面の面積を大きくし、その主表面に冷却空気を接触させるように配列して蓄電池１０を構成している。すなわち、素電池の前記主表面には、図３Ｂに示すように、一方にはリブ１５ａを、また他方にはリブ１５ｂを設け、隣接する素電池同士はリブ１５ａとリブ１５ｂとがつき合わさって素電池間に空隙１６が形成されるように設計されている。リブ１５ａと１５ｂとは、一方の端面に設けた凸部が他方の端面に設けた凹部に嵌合するようにするのが好ましい。

上記のように組み合わせた複数の素電池１１は、樹脂のバンド１４により一体に結合されている。各素電池は、上面に正極端子および負極端子を備えており、隣接する素電池の正極端子と負極端子は相互に接続体により結合されて、直列に接続されている。前記の接続体および接続体に接続された端子は、絶縁性のカバー１２により覆われている。一方の端部の素電池の正極端子１３ａおよび他方の端部の素電池の負極端子１３ｂがそれぞれ蓄電池１０の正極端子および負極端子となる。

蓄電池１０は、電池室７内の台座２１上に設置され、電池室の上下に空隙１６と連通する空間部２２および２３が形成される。電池室７の天板部には、電池１０のほぼ中央部に相当する部分に排気ファン２０が設けられている。また、電池室７の底部には、蓄電池１０の各空隙１６に対応してその空隙部と同形状のスリット状の開口部２４が設けられている。

電池室の排気ファン２０を駆動すると、容器底部の吸気口となる開口部２４から外部の空気が導入されて、電池室７内に冷却風が生じ、空間部２２を経て素電池間の空隙１６を下から上へと通り抜け、空間部２３から排気ファン２０により強制的に電池室７の外に排気される。こうして蓄電池１０の各素電池１１を冷却することができる。電池室７の外に出た空気は背面板５の排気口１９からシステム外へ放出される。電池室７の底部に設けた開口部２４を各空隙１６と対向する位置に、その空隙部と同じ形状のスリット状とすることにより、より効率的に冷却空気を通すことができ、冷却効果が高まる。

素電池間の空隙１６の幅をＷ、電池室底部の開口部２４のスリット幅をＷ１とした場合、Ｗ１／Ｗは１から５の範囲が好ましい。Ｗ１／Ｗが１未満であると素電池間の空隙は非常に小さいため空気の流れがスムーズに進まない。また、Ｗ１／Ｗが５を超えると空気の流れが遅くなり冷却効果が低くなる。
電池室７の空隙部の容積をＹとし、排気ファンによる空気の単位時間当たりの排気量をＹ１／ｍｉｎとすると、Ｙ１／Ｙは１以上とすることが好ましい。開口部から入った空気を１分以内に電池室から排気することにより、蓄電池が高温に晒され続けることが防止できる。

容器６を構成する前面板４は、後述する出力端子３４、表示器４４、表示器４４に表示する情報を切り替える切替スイッチ４５などを有する。背面板５は、排気口１９、後述する出力端子３５、充電用端子３７および４１などを有する。

次に、図４に示すブロック図により、この実施形態に係る蓄電池システムの概略構成を説明する。蓄電池１０には、インバータ３１、充電器３２、および制御部３３が接続されており、制御部３３により、蓄電池１０と充電器３２の間の接続がＯＮ／ＯＦＦに切替えられる。蓄電池１０の出力はインバータ３１で交流に変換されて、出力端子３４、３５から外部へ供給される。一方、蓄電池１０を充電するときは、通常は、充電用端子３７を商用電源に接続する電源コード３６に接続する。また、充電用端子４１を太陽電池４０に接続すれば、太陽電池４０の電力で蓄電池１０を充電することができる。

本実施の形態では太陽電池は最大出力電流１８Ａ、最大出力電圧１５．７Ｖの太陽電池を用いた。蓄電池の充電は充電器３２の中で、蓄電池の電圧により電流を制御しているが、温度によって電圧を補正し、多段階に充電電流値を制御することで蓄電池に負荷をかけることなく十分に充電ができるようにしている。

蓄電池１０には、温度センサ２５およびサーモスタット２６が取り付けられており、温度センサ２５の出力は制御部３３に入力される。充電器３２と充電用端子３７との間にはタイマー３８およびリレー接点３９が接続されている。蓄電池１０と充電用端子４１との間には逆流防止用ダイオード４２およびリレー接点４３が接続されている。充電器３２の電池温度が５５℃以上になれば温度センサ２５が感知し、電池異常として制御部３３によりリレー接点３９、４３を切り充電を停止する。電池温度が設定温度以下、本実施の形態では３０℃に戻ると温度センサ２５が感知し、制御部３３によりリレー接点３９、４３がつながり充電が開始される。

この蓄電池システムは、通常時は、電源コード３６を商用電源に接続し、商用電源から充電器３２に電力が供給される。充電器３２は供給された電力を直流に変換して蓄電池１０を充電する。充電器３２のＯＮ−ＯＦＦは２４時間タイマー３８により、夜間の電気料金の安い時間に充電されるように設定されている。一方、災害などにより商用電源からの充電が不可能になれば、充電用端子４１は太陽電池４０に接続され、逆流防止ダイオード４２を通って蓄電池１０に充電される。

蓄電池１０は容器６の電池室７に収納され、蓄電池１０を電源として排気ファン２０が作動し排気することにより、電池室７の底部の開口部２４から吸気される冷却空気が空隙１６を流れることにより冷却される。排気ファン２０は、蓄電池１０に取り付けられたサーモスタット２６が電池温度を測定し、２５℃以上になるとスイッチがＯＮとなり作動する。蓄電池１０の電圧、電流、および温度は制御部３３により監視され、リレー接点３９、４３により充電が制御される。制御部３３は、蓄電池１０の電流、電圧および温度の情報から、充電を制御するとともに、蓄電池１０の放電可能時間、残存容量、使用電力、電池電圧、電池温度などを表示器(液晶パネル) ４４に表示する。表示する情報は切替スイッチ４５により切り替えることができる。充電された蓄電池１０の電力は、インバータ３１を経て出力端子３４および／または３５から交流電力として取り出すことができる。蓄電池の放電管理はインバータ３１の制御機能により行う。

なお、上記の実施の形態では、容器６の底部と、電池室７の底部を共通としたが、容器の底部とは別に電池室が底部を有していてもよい。この時、電池室の底部には、素電池間の空隙に連通する開口部を設けるが、容器の底部の吸気口は、前記の開口部の形状に合わせる必要はない。また、蓄電池を載せる台座２１は、素電池を配列した方向に伸びる棒状にすることにより、結束した素電池がずれるのを防ぐことができる。蓄電池の底部を電池室の底部にじかに接するように配置しても、電池室の底部に、素電池間の空隙と対応する開口部間を設ける構成でも冷却効果は得られる。また、上記実施の形態では、容器に外気を取り込むための吸気口は電池室底部の開口部と兼ねた構成としたが、容器の吸気口を電池室の開口部の近辺に設けるのが好ましい。

本実施の形態では、排気ファンは電池室天板の中央部に設置したが、電池室上部であればよく、電池室の側面の蓄電池より上部に設置することもできる。
また、電池室の排気ファンは、容器の排気口と離れた場所にあっても、容器の排気口と対向する場所にあってもよい。さらに、排気ファンから容器の排気口へダクト管でつなげると電池室から排出された高温の空気が容器内部にとどまることなく排出でき、効率良く冷却空気を通すことができる。

本実施の形態では、蓄電池としてニッケル水素蓄電池を用いたが、リチウム二次電池、ニッケルカドミウム蓄電池、鉛蓄電池などの他の蓄電池を用いても良い。特に、リチウム二次電池では良好な効果が得られる。リチウム二次電池は、有機電解液を用いるため内部インピーダンスが高く、発熱しやすい。さらに、蓄電池の安全性の面から、高温で作動させることは避ける必要がある。本発明の電源システムに用いれば、電池室内を効率良く冷却することができので、安全性が向上される。

また、本実施の形態では、電池室に蓄電池を１つ設置したものを用いたが、電池室内には、直列および／または並列に接続した複数の蓄電池を配置することも可能である。また、電池室を複数個設置することも可能であり、これにより高出力の大型の蓄電池システムを構成することができる。

本発明により、電源システムの充放電効率を向上することができ、また寿命特性を向上することができる。これにより、高性能の電源システムを事業所および家庭での非常時に備えて提供することが可能となる。

１蓄電池システム
６容器
７電池室
１０蓄電池
１１素電池
１６空隙
１９排気口
２０排気ファン
２４開口部
３１インバータ
３２充電器
３４、３５出力端子
３７、４１充電用端子

Claims

少なくとも蓄電池、充電器、およびインバータを収納し、かつ排気口を有する容器、前記容器内において前記蓄電池を収容する電池室、ならびに前記電池室の上部に設けられた排気ファンを具備し、前記蓄電池は、複数の角型の素電池を相互間に縦方向の空隙を有するように横方向に配列して構成され、かつ前記電池室の上部には前記空隙と連通する空間部を有するように前記電池室に収容されており、前記電池室の底部には、前記空隙に連通する開口部を有し、前記素電池の表面のうち、他の前記素電池と相対向する側面の面積が、他の前記素電池と相対向しない側面の面積よりも大きく、前記電池室の開口部が、前記空隙に対向する位置に、前記空隙を前記開口部から見た形状とほぼ同形状に形成されていることを特徴とする蓄電池システム。
前記排気ファンが、前記蓄電池の上部中央部に対向する電池室の天板部に配置された請求項１に記載の蓄電池システム。
前記電池室の底部と前記蓄電池の底面との間に空間部を有する請求項１または２に記載の蓄電池システム。
前記蓄電池がニッケル水素蓄電池である請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電池システム。
前記空隙の幅Ｗに対する前記開口部の幅Ｗ１の比：Ｗ１／Ｗが、１から５の範囲である請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄電池システム。