JP6071344B2

JP6071344B2 - 二次電池の冷却方法

Info

Publication number: JP6071344B2
Application number: JP2012193768A
Authority: JP
Inventors: 池田　敬一; 敬一池田; 裕一郎松井; 功典鎌浦
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: JP2014049402A

Description

本発明は、二次電池の冷却に関し、詳しくは、電力貯蔵システムを構成する二次電池の冷却方法に関する。

近年、環境への配慮から、充放電可能な二次電池を搭載した自動車や電車などの車両が開発されている。車両に二次電池を搭載した場合は、ブレーキ時に生じる回生電力を二次電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、車両のエネルギー効率を高めることができる。

また、最近、サステーナブル社会への転換の要請に伴い、風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーを利用した分散型電源への期待が高まってきている。このような自然エネルギーを利用した分散型電源は出力変動が大きく、連系する電力系統の電圧変動や周波数変動を引き起こし、電力系統につながる負荷に悪影響を及ぼす恐れがある。この対策として、二次電池を用いた電力貯蔵装置が利用されている。

例えば特許文献１には、電力貯蔵装置を併設した分散型電源システムが開示されていて、分散電源の出力変動速度が所定範囲を超えないように抑制することによって、電源品質の改善を図る技術が開示されている。また、例えば特許文献２には、電力貯蔵装置を積極的に活用して、電力需要のピークカットを行い、電力需給の調整を行う技術が開示されている。

このような二次電池において、使用により電池温度が上昇すると、電池効率が悪くなるばかりでなく、電池寿命に悪影響を及ぼすことが知られている。このため、二次電池の冷却方法としてこれまで種々の方法が提案されている。例えば、特許文献３には、自動車に搭載されている電池をエアコンで冷却する際に、予め定められた電池温度に基づいてエアコンの運転方法を切り替える車両用電池の冷却装置が開示されている。また、特許文献４には、充電式電気掃除機に搭載されている電池を掃除機からの排気で冷却する際に、電池電圧が低下して、かつ、電池温度がある温度以上であれば、掃除機の出力を落とすことで電池温度の上昇を抑制する掃除機が開示されている。さらに、特許文献５には、装置外部からの冷気を利用して電池の冷却を行なう無停電電源装置が開示されている。

また、特許文献６には、冷却ファンにより車両に搭載の二次電池を冷却する方法が開示されている。また、特許文献７には、電池の劣化の状態を計測する装置と、車両速度計と、電池電流計等から電池の発熱量を推定して、電池の冷却を行なう装置が開示されている。

特開２００８−２９５２０８号公報特開２００８−３０６８３２号公報特開２００８−１３２８５５号公報特開２００５−１３７５５２号公報特開２０００−２３２７９２号公報特開２００７−０８０７２７号公報特開２００７−０４８４８５号公報

特許文献４、特許文献５および特許文献６の電池の冷却方法は、外気を利用して電池の冷却を図るもので、冷却装置自体の運転には大きな動力を必要としない。しかし、外気の温度が低くなかったり、電池の発熱量が大きいと、十分な冷却効果が得られずに、電池の温度を下げることができない。冷凍機等を用いて低い温度の外気を電池に供給すれば、電池の温度を下げることは可能となるが、冷凍機の運転には大きな動力を必要とする。

また、特許文献３の冷却方法は、エアコンを使用している。エアコンの使用には大きな動力を必要とし、省エネの観点から必ずしも望ましいとはいえない。更に、特許文献７の冷却方法は、冷却を行なうために多数の計測器や装置を必要とし、複雑で高価な装置となる。

二次電池を無作為に冷却することは、電気の無駄使いになり、運転コストの増加につながる。そのため、特許文献３および特許文献４の方法では、ある電池温度以上で冷却方法を変更するなど一定の工夫がなされている。しかし、この場合、温度の設定値は固定であり、電池の最高温度の大きさに応じて、冷却装置を動作させるものではない。このような従来の方法では、無作為に冷却装置を動作させ、または冷却装置を運転する電池温度を常に固定値としているため、過度に電池を冷却し、ひいては運転コスト増加につながる。

そこで、本発明では、電池温度の大きさに応じて、冷却装置を動作させる設定温度を変更することとした。これにより、従来の方法より効率的に電池の冷却を行うことができるため、無駄な電気の使用を抑制して、運転コスト負担の低減を図った。

前記した目的を達成するために、本発明に係る二次電池の冷却方法は、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和により、二次電池を冷却するための冷却装置の運転を開始するまたは運転を停止するまたは冷却能力を調整する設定温度を定める（請求項１）。

この手順によれば、二次電池の温度上昇の最大値の予想値と二次電池が運転される日の最高温度の予想値の和の値を用いて、冷却装置の設定温度を定める。二次電池の温度上昇は、本発明の冷却方法を実行中に起こるものであるので、その最大値は予想値となる。冷却装置の設定温度は、冷却装置を運転／停止する温度であってもよいし、冷却装置の冷却能力を調整するものであってもよい。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、冷却装置の設定温度が、冷却装置の運転を開始する温度が停止する温度より高いヒステリシス特性を有しており、電池温度が冷却装置の運転を開始する温度より高いときに冷却装置を運転し、電池温度が冷却装置の運転を停止する温度より低いときに冷却装置の運転を停止することが好ましい（請求項２）。

この手順によれば、ヒステリシス特性を有しているので、安定した運転／停止を行うことができる。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和が、前記冷却装置の運転を開始する設定温度より低いとき冷却装置の冷却能力を０％とし、二次電池の重故障設定温度より高いとき冷却装置の冷却能力を１００％として、冷却装置を運転することが好ましい（請求項３）。

この手順によれば、冷却能力が０％の運転は、例えば、送風のみの運転である。冷凍機の運転は行なわず、取り入れた空気を循環させる運転である。冷却能力が１００％の運転は、例えば、その冷却装置の全能力での運転である。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、二次電池の温度が、軽故障設定温度以上になると、警報を発生し、重故障設定温度以上になると、二次電池の運転停止を行うことが好ましい（請求項４）。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和が、軽故障設定温度より高いときは、冷却装置の設定温度の変更を行わないことが好ましい（請求項５）。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和が、軽故障設定温度より小さく、かつ、
軽故障設定温度から外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和を減じた値が、重故障設定温度と軽故障設定温度の差より大きいとき、冷却装置の運運転を開始するまたは停止または冷却能力を調整する設定温度を重故障設定温度と軽故障設定温度の差だけ加算し、そうでないときは、冷却装置の運転を開始するまたは運転を停止するまたは冷却能力を調整する設定温度を軽故障設定温度から外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和を減じた値だけ加算することが好ましい（請求項６）。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、一日の所定の時刻において、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値の計算を行なうことが好ましい（請求項７）。ここで、当日とは二次電池が運転される日をいう。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、外気温度を計測して、その最大値を発生日付と共に記録する第一のステップを有し、当日の最高気温の予想値の計算に際して、前記第一のステップにおいて記録された前年以前の同じ月日の前後複数日の最高気温の最大値を用い、かつ、二次電池の温度を計測して、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値を記録する第二のステップを有し、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値の計算に際して、前記第二のステップにおいて記録された外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値を用いることが好ましい（請求項８）。

従来の方法に比べて、より効率的に電池の冷却を行うことができるため、無駄な電力の使用を抑制して、利用者のコスト低減につながる。利用用途としては、二次電池を利用した負荷平準化を行う電力貯蔵装置など、一定のパターンで充放電を行う電力貯蔵装置への適用が見込まれる。

本発明の実施形態に係る機器構成を説明するための概略立面図である。実施例１に係る冷却方法を説明するためのフローチャートである。実施例１に係る冷却装置の節電制御のイメージ図である。実施例１に係る冷却方法を実行したときの試験結果を示すグラフである。実施例２に係る冷却方法を説明するためのフローチャートである。実施例２に係る冷却装置の節電制御のイメージ図である。実施例２に係る冷却装置の冷却能力を定める方法を説明するためのグラフである。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づき説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

本実施形態の二次電池は、電力貯蔵装置に用いられるものである。詳しくは、電力貯蔵装置は、使用電力のピークカットを行うことにより、電力の平準化を行なうことを目的として設けられたものである。二次電池は使用により温度が上昇するので、冷却装置（例えば、エアコン、空調機）を用いて、二次電池の冷却を図る。

本実施形態の二次電池の冷却方法の説明に先立ち、機器の構成について、図１を用いて説明する。二次電池（以下、電池３）は、単一のセルでは出力電圧が１．２Ｖと低いので、複数のセルを直列に接続してモジュール化して使用する。更に大きな電圧を必要とするときはモジュールを直列に接続して組電池５を構成して使用される。使用する電池３の数は、平準化する電力系統の電圧により定まる。本実施例においては１０セルを直列に接続してモジュール化した上で、４８台のモジュールを直列に接続して組電池５を構成した。

電池盤１には、組電池５、冷却装置運転制御装置９および冷却装置７が収納されている。冷却装置７は外気を取り入れて冷却して電池盤１内に供給する機能を有している。冷却装置運転制御装置９は、設定温度に応じて冷却装置７の運転／停止を行う。冷却装置運転制御装置９は冷却装置７の冷却能力を調整することも可能になっており、極めて低い負荷から高い負荷での運転が可能となっている。冷却装置７はエアコンとして知られている。

電池盤１の隣には充放電コントローラ盤２が配置されている。充放電コントローラ盤２には、電池監視装置８が収納されている。電池監視装置８は、本発明に係る二次電池の冷却を行なうために、冷却装置運転制御装置９に信号を送る。電池監視装置８は、電池３の状態を監視して必要に応じて、電池３の運転停止を行う。具体的には、ある電池３の温度が軽故障設定温度（ＴＡ）を越えると警報を発し、重故障設定温度（ＴＴ）を越えると図示せぬ遮断機を操作して組電池５を負荷から遮断する。なお、軽故障設定温度および重故障設定温度は、二次電池の種類や環境により異なるが、後述する実施例においては、例えば軽故障設定温度を３５℃、重故障設定温度を４０℃に設定している。

各電池３には、熱電対からなる温度センサー４が取付けられている。電池盤１には熱電対からなる外気温度センサー６が取付けられている。温度センサー４や、外気温度センサー６からの温度信号は電池監視装置８に送られて記録される。

図２に示すフローチャートを用いて、本発明の実施例１に係る二次電池の冷却方法を説明する。「開始」は、電池の冷却方法の手順のスタートポイントであり、深夜の２４時過ぎに開始される。ステップ１０において（以下、ステップをＳと略す）、電池３の温度上昇の最大値を予想する。以下、この予想値を以下（ａ）と記載する。具体的には、常時、温度センサー４からの電池３の温度と、外気温度センサー６からの外気温度の差を記録すると共に、その最大値を保持しておく。季節ごと若しくは月ごとに温度上昇の最大値を記録しておいてもよい。記録された過去の温度上昇の最大値を予想値（ａ）とする。

次に、Ｓ１１において、当日の最高気温の予想を行なう。この予想値を以下（ｂ）と記載する。最高気温の予想は、過去の同月同日前後の最高気温を参考にして定める。例えば、当日が２０１２年６月２５であれば、２０１１年６月２３日から２７日までの５日間の最大値を最高気温の予想値として採用する。このような最高気温の記録は電池監視装置８にデータ収集され記録された値を利用する。昨年の最高気温を使用するか、過去数年分の最高気温を使用するかは選択可能になっている。

次に、Ｓ１２において、軽故障までの温度尤度（ｃ）を計算する。温度尤度（ｃ）は、軽故障設定温度から電池３の最大温度上昇度の予想値（ａ）と当日の最高気温の予想値（ｂ）との和を差し引いて求める。

次に、Ｓ１３において、Ｓ１２で求めた温度尤度（ｃ）が負もしくはゼロであれば、冷却装置７の設定値の変更は行われない。温度尤度（ｃ）が正であれば、Ｓ１４に進む。

Ｓ１４において、温度尤度（ｃ）が重故障設定温度と軽故障設定温度の差より大きいときは、Ｓ１５に進み、そうでないときは、Ｓ１６に進む。Ｓ１５とＳ１６において、冷却装置７の設定温度の変更が行われる。

Ｓ１５において、基本冷却装置ＯＮ設定温度および基本冷却装置ＯＦＦ設定温度（ＴＯＦＦ）に、それぞれ、重故障設定温度と軽故障設定温度の差が加算され、冷却装置ＯＮ設定温度（ＴＯＮ）および冷却装置ＯＦＦ設定温度（ＴＯＦＦ）が求められる。ここに、基本冷却装置ＯＮ設定温度とは、設定温度の補正を行なわない場合における、冷却装置７の運転開始をする電池温度である。基本冷却装置ＯＦＦ設定温度とは、設定温度の補正を行なわない場合における、冷却装置７の運転停止を行う電池温度である。本実施例において、基本冷却装置ＯＮ設定温度は３０℃とし、基本冷却装置ＯＦＦ設定温度は２５℃として、５℃のヒステリシスを持たせた。

Ｓ１６において、基本冷却装置ＯＮ設定温度および基本冷却装置ＯＦＦ設定温度に、それぞれ、温度尤度（ｃ）が加算され、冷却装置ＯＮ設定温度（ＴＯＮ）および冷却装置ＯＦＦ設定温度（ＴＯＦＦ）が求められる。以上のステップにより、冷却装置７の温度設定が終了する。これ以降は、Ｓ１７からＳ２２が、その日の深夜の２４時まで繰返し実行される。深夜の２４時になれば（Ｓ１７、Ｓ２１）、「開始」に戻り、次の日の最大温度上昇度の予想値（ａ）と最高気温の予想値（ｂ）が計算されることになる。

Ｓ１８において、電池３の温度が冷却装置ＯＮ設定温度以上となれば、冷却装置７は運転され（Ｓ１９）、電池３の温度が冷却装置ＯＦＦ設定温度以下となれば（Ｓ２０）、冷却装置７は運転停止される（Ｓ２２）。

図３は、本実施例の冷却方法において、電池温度に応じた冷却装置の節電制御のイメージ図である。左から（甲）、（乙）、（丙）と３つの場合について図示してある。中央の（乙）は、想定される電池の温度が余り高くない場合であって、軽故障設定温度と想定電池温度の差（図３のＢ'で示す）が、基本冷却装置ＯＮ温度に加えられて、冷却装置の運転開始温度となる。冷却装置は遅れて運転開始される。しかし、左端の（甲）に示すように、軽故障設定温度と想定電池温度の差（図３のＢで示す）が大きい場合は、Ｂの代わりに重故障設定温度（ＴＴ）と軽故障設定温度（ＴＡ）の差（図３のＡで示す）が基本冷却装置ＯＮ温度に加えられて、冷却装置の運転開始温度となる。この結果、冷却装置の運転は行なわれない。右端の（丙）は、想定される電池温度が高い場合であって、この場合、通常通り、冷却装置は基本冷却装置設定温度にて運転開始される。

本実施例に係る冷却方法を実行したときの試験結果を図４を用いて説明する。このときの重故障設定温度（ＴＴ）を４０℃、軽故障設定温度（ＴＡ）を３５℃とし、基本冷却装置ＯＮ設定温度（ＴＯＮ）を３０℃、基本冷却装置ＯＦＦ設定温度（ＴＯＦＦ）を２５℃とした。また、試験日における、電池３の最大温度上昇の予想値（ａ）を８℃、最高気温の予想値（ｂ）を２５℃とした。計算式（ｃ）＝ＴＡ−（ａ）−（ｂ）より、温度尤度（ｃ）は２℃となる。

２０１２年６月２５日における電池温度の推移状況のグラフを図４に示す。２４時を過ぎると電池温度が自然放熱により低下する。６時に電力貯蔵装置が運転されて、二次電池が充電を開始すると電池温度は上昇する。電池温度は、基本冷却装置ＯＮ設定温度（ＴＯＮ）の３０℃を越えるが（図のＡ点）、温度尤度（ｃ）が２℃あるので冷却装置は運転されない。充電が終了すると電池温度は自然放熱により低下する。１３時に電力の需要が高まり、二次電池が放電を開始すると電池温度は上昇する。電池温度がＢ点（３２℃）に達すると冷却装置は運転を開始する。電池の最高温度は、軽故障設定温度まで２℃の尤度をもって収まっている。この試験結果によれば、冷却装置が運転を開始する時点を、従来より遅くすることができ、その分、冷却装置の消費電力の節約をすることができた。

図５に示すフローチャートを用いて、本発明の実施例２に係る二次電池の冷却方法を説明する。実施例１と共通する「開始」、Ｓ４０およびＳ４１については説明を省略する。Ｓ４２において、当日の最高電池温度の予測値（ｃ）を計算する。最高電池温度の予測値（ｃ）は、電池３の最大温度上昇度の予想値（ａ）と当日の最高気温の予想値（ｂ）との和から求める。

次に、Ｓ４３において、最高電池温度の予測値（ｃ）が基本冷却装置ＯＮ設定温度より小さいときはＳ４３に進み、そうでないときは、Ｓ４４に進む。Ｓ４４において、最高電池温度の予測値（ｃ）が重故障設定温度（ＴＴ）より小さいときはＳ４６に進み、そうでないときは、Ｓ４５に進む。

Ｓ４６において、冷却装置７の出力が０〜１００％となるように冷却能力の設定値を調節する。冷却装置７の出力が０〜１００％の範囲でいずれの値とするかは、最高電池温度の予測値（ｃ）と重故障設定温度（ＴＴ）との差により定める。この定め方の例を図７に示す。図７（ａ）は、最高電池温度の予測値（ｃ）と重故障設定温度（ＴＴ）との差に比例して、冷却能力を定める例である。図７（ｂ）のように段階的に冷却能力を定めてもよいし、図７（ｃ）のようにヒステリシスを設けてもよい。

Ｓ４５では、冷却装置７の冷却能力を１００％に設定する。Ｓ４７では、冷却装置７の冷却能力を０％に設定する。冷却能力が０％というのは、例えば、冷凍機（図示せず）が運転されずに送風機のみの運転である。

Ｓ４５〜Ｓ４７において、冷却装置７の出力の設定値が決定されると、以降、Ｓ４８〜Ｓ５５が繰返し実行される。もっとも、Ｓ４８およびＳ５４において、時刻が２４時と判断されたときは、「開始」に戻り、翌日の処理が始まる。

時刻が２４時でないときは、Ｓ４９において、電池温度（Ｔ）が基本冷却装置ＯＮ設定温度と比較され、電池温度（Ｔ）が基本冷却装置ＯＮ設定温度より大きいときは、冷却装置７を運転する（Ｓ５０）。このとき冷却装置の出力はＳ４５〜Ｓ４７において定めた値となる。

Ｓ５１において、電池温度（Ｔ）が軽故障設定温度（ＴＡ）より大きくなると、冷却装置の出力はＳ４５〜Ｓ４７において定めた値に関わらず、１００％となる（Ｓ５２）。冷却装置７を１００％出力で運転中に、電池温度（Ｔ）が基本冷却装置ＯＦＦ設定温度より小さくなれば（Ｓ５３）、冷却装置７の運転を停止する（Ｓ５５）。

図６は、本実施例の冷却方法において、電池温度に応じた冷却装置の節電制御のイメージ図である。左から（甲）、（乙）、（丙）と３つの場合について図示してある。左端の（甲）は、想定される電池の温度が余り高くなく、冷却装置の運転は行なわれない（０％出力運転）。右端の（丙）は、想定される電池温度が重故障設定（ＴＴ）に近く、冷却装置は１００％出力で運転される。中央の（乙）は、想定される電池温度が基本冷却装置ＯＮ設定温度と重故障設定温度（ＴＴ）の間にある場合で、冷却装置７は０〜１００％出力で運転される。

本発明に係る二次電池の冷却方法は、ピークカットを行ない、電力の平準化を行なう電力貯蔵装置に好適に用いることができる。

１電池盤
２充放電コントローラ盤
３電池
４温度センサー
５組電池
６外気温度センサー
７冷却装置
８電池監視装置
９冷却装置運転制御装置

Claims

外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和により、二次電池を冷却するための冷却装置の運転を開始するまたは運転を停止するまたは冷却能力を調整する設定温度を定める、二次電池の冷却方法。
冷却装置の設定温度が、冷却装置の運転を開始する温度が停止する温度より高いヒステリシス特性を有しており、電池温度が冷却装置の運転を開始する温度より高いときに冷却装置を運転し、電池温度が冷却装置の運転を停止する温度より低いときに冷却装置の運転を停止する、請求項１に記載の二次電池の冷却方法。
外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和が、前記冷却装置の運転を開始する設定温度より低いとき冷却装置の冷却能力を０％とし、二次電池の重故障設定温度より高いとき冷却装置の冷却能力を１００％として、冷却装置を運転する、請求項１に記載の二次電池の冷却方法。
二次電池の温度が、軽故障設定温度以上になると、警報を発生し、重故障設定温度以上になると、二次電池の運転停止を行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の二次電池の冷却方法。
外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和が、軽故障設定温度より高いときは、冷却装置の設定温度の変更を行わない、請求項１〜４のいずれか一項に記載の二次電池の冷却方法。
外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和が、軽故障設定温度より小さく、かつ、
軽故障設定温度から外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和を減じた値が、重故障設定温度と軽故障設定温度の差より大きいとき、冷却装置の運転を開始するまたは停止または冷却能力を調整する設定温度を重故障設定温度と軽故障設定温度の差だけ加算し、そうでないときは、冷却装置の運転を開始するまたは運転を停止するまたは冷却能力を調整する設定温度を軽故障設定温度から外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値との和を減じた値だけ加算する、請求項１に記載の二次電池の冷却方法。
一日の所定の時刻において、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値と当日の最高気温の予想値の計算を行なう、請求項１〜６のいずれか一項に記載の二次電池の冷却方法。
外気温度を計測して、その最大値を発生日付と共に記録する第一のステップを有し、当日の最高気温の予想値の計算に際して、前記第一のステップにおいて記録された前年以前の同じ月日の前後複数日の最高気温の最大値を用い、かつ、
二次電池の温度を計測して、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値を記録する第二のステップを有し、外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値の予想値の計算に際して、前記第二のステップにおいて記録された外気温度に対する二次電池の温度上昇の最大値を用いる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の二次電池の冷却方法。