JP6106959B2

JP6106959B2 - 二次電池の冷却装置及び二次電池の冷却方法

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Publication number: JP6106959B2
Application number: JP2012131694A
Authority: JP
Inventors: 直樹馬場; 真永岡; 井上　尊夫; 尊夫井上; 奥田　匠昭; 匠昭奥田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: JP2013257961A

Description

本発明は、二次電池の冷却装置及び二次電池の冷却方法に関する。

リチウム二次電池等の二次電池の充放電の際、不良電池の存在や充電装置の故障による誤作動によって電池に通常以上の電流が供給されて過充電状態に陥る場合や、内部短絡によって正極と負極との間に短絡電流が流れる場合等が想定される。かかる過充電等の際には、電池反応が急速に進行して、自己発熱を起こし、電池の温度が上昇することがあり得る。特に、二次電池の温度がある温度を超えると、二次電池の自己発熱により二次電池の温度が急激に上昇する場合がある。

例えば、特許文献１では、過充電状態によるリチウム二次電池の急激な温度上昇を防止するために、リチウム二次電池の温度計測値の時間に対する微分値を用いて、二次電池の充放電を停止させる技術が開示されている。

また、例えば、特許文献２では、二次電池の温度上昇を防止することを目的とするものではないが、充電時における充電データを記録し、充電時に予め記録した前回の充電データを読み取り、所定の閾値との比較により充電禁止を判定する充電制御方法が開示されている。

特開平１０−９２４７６号公報特開２００９−１０６１４７号公報

しかし、特許文献１の技術では、過充電状態による二次電池の急激な温度上昇に対して有効な方法であって、それ以外の要因で二次電池の急激な温度上昇を予測することまではできない。また、従来の二次電池の充電制御では、二次電池の急激な温度上昇を抑えることはできても、上昇した温度を下げることはできない。そのため、二次電池の温度を下げて、二次電池の安全性を確保する新たな方法が求められる。

そこで、本発明の目的は、二次電池の急激な温度上昇を抑制すると共に、上昇した二次電池の温度を下げて、二次電池の安全性を確保することができる二次電池の冷却装置及び冷却方法を提供する。

本発明の二次電池の冷却装置は、二次電池の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度を時間で二階微分し、温度二階微分値を求める二階微分値演算手段と、前記二次電池の温度が所定値以上で、且つ前記二階微分値演算手段により求められた前記温度二階微分値が既定値を超える際又は前記二階微分値演算手段により求められた前記温度二階微分値が負から正へ転じる際に、前記二次電池を冷却処理する二次電池冷却手段と、を備える。

また、本発明の二次電池の冷却方法は、二次電池の温度を検出する温度検出ステップと、前記温度検出ステップで検出された温度を時間で二階微分し、温度二階微分値を求める二階微分値演算ステップと、前記二次電池の温度が所定値以上で、且つ前記二階微分値演算ステップで求められた前記温度二階微分値が所定値を超える際又は前記二階微分値演算ステップで求められた前記温度二階微分値が負から正へ転じる際に、前記二次電池を冷却処理する二次電池冷却ステップと、を備える。

本発明によれば、二次電池の急激な温度上昇を抑制すると共に、上昇した二次電池の温度を下げて、二次電池の安全性を確保することができる。

本実施形態に係る二次電池の冷却装置を備える二次電池システムの構成の一例を示す模式図である。本実施形態の二次電池の冷却装置の動作を説明するためのフローチャートである。本実施形態の二次電池の冷却装置の動作を説明するためのフローチャートである。二次電池の自己発熱による温度上昇をシミュレーションするために使用したモデル図である。加熱経過時間と電池缶壁温度のシミュレーション結果を示す図である。図５に示す電池缶壁温度を時間で二階微分した温度二階微分値を示す図である。加熱経過時間と冷却処理した電池缶壁温度のシミュレーション結果を示す図である。二次電池の自己発熱による温度上昇を回避する冷却処理試験に使用した装置を示す図である。加熱経過時間と冷却処理した電池缶壁温度の結果を示す図である。

過充電状態等によって引き起こされる二次電池の自己発熱による急激な温度上昇は、二次電池の温度が上昇して、二次電池の温度二階微分値が負から正に転じた時、或いは予め設定した規定値を超えた時から、ある程度の時間が経過した後に生じることを本発明者らは見出した。したがって、以下の実施形態で説明するように、二次電池の温度が上昇して、二次電池の温度二階微分値が負から正に転じた時、或いは予め設定した規定値を超えた時に、二次電池を十分に冷却すれば、急激な温度上昇を抑制することができる。以下に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る二次電池の冷却装置を備える二次電池システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示す二次電池システム１は、二次電池１０、二次電池の冷却装置１２を備える。二次電池１０は、例えばリチウムイオン二次電池等、種々の二次電池である。本実施形態の二次電池の冷却装置１２は、温度検出部１４、冷却部１６、制御部１８を備えている。

温度検出部１４は、二次電池１０の温度を検出するものであり、例えば、センサ、熱電対等である。温度検出部１４の設置箇所は、電池内部が望ましいが、設置が困難であるため、二次電池１０の周壁に設置すればよい。温度検出部１４は制御部１８に電気的に接続されており、温度検出部１４により検出された二次電池１０の温度データが、制御部１８に出力される。

制御部１８は、電池温度記憶部２０と、二階微分値演算部２２と、二階微分値記憶部２４と、データ処理／指令部２６と、を備える。電池温度記憶部２０は、温度検出部１４により検出された二次電池１０の温度データを随時記憶するものである。そして、記憶した温度データは、電池温度記憶部２０から二階微分値演算部２２及びデータ処理／指令部２６に出力される。二階微分値演算部２２は、入力されてくる二次電池１０の温度データを時間で二階微分した温度二階微分値（ｄ^２Ｔ／ｄｔ^２）を求めるものである。そして、求めた温度二階微分値は、二階微分値演算部２２から二階微分値記憶部２４に出力される。二階微分値記憶部２４は、入力されている温度二階微分値を随時記憶するものである。そして、記憶した温度二階微分値は、データ処理／指令部２６に出力される。データ処理／指令部２６は、二次電池１０の温度データが所定値以上であるか否か、及び二階微分値演算部２２に演算指令を出すと共に、演算された温度二階微分値が負から正に転じたか否かを判定し、二次電池１０の温度データが所定値以上であって、且つ温度二階微分値が負から正に転じた場合に、冷却部１６に、二次電池１０の冷却処理指令を出力する。

また、データ処理／指令部２６は、入力された二次電池１０の温度データが所定値以上であるか否か、及び入力されてくる温度二階微分値が既定値を超えたか否かを判定し、二次電池１０の温度データが所定値以上であって、且つ温度二階微分値が既定値を超えた場合に、冷却部１６に、二次電池１０の冷却処理指令を出力するものであってもよい。二次電池１０の温度が高温になればなるほど、二次電池１０の温度二階微分値が負から正に転じた時から二次電池１０の自己発熱による急激な温度上昇が起こるまでの時間は短くなるため、冷却処理指令を出力するまでに許容される時間も短くなる場合がある。したがって、二次電池１０の急激な温度上昇が起こるまでに、二次電池１０を十分に冷却することができる時間を確保できるような温度二階微分値の既定値を設定し、その既定値を超えた時に、二次電池１０の冷却処理を実行するようにしてもよい。ここで、温度二階微分値の既定値は、その既定値を超えた後に二次電池１０の急激な温度上昇が起こる値であり、予め、シミュレーションや実験等によってその既定値を設定し、データ処理／指令部２６に記憶させておくことが望ましい。

また、データ処理／指令部２６に予め記憶される二次電池１０の温度の所定値は、適宜設定されるものであるが、二次電池１０の性能劣化が顕著となる温度とすることが好ましく、予めシミュレーションや実験等によりその所定値を設定し、データ処理／指令部２６に記憶させておくことが望ましい。なお、リチウムイオン二次電池であれば、所定値は、例えば、６０℃に設定することが好ましい。

冷却部１６は、二次電池１０の温度データが所定値以上であって、且つ温度二階微分値が負から正に転じた場合、或いは二次電池１０の温度データが所定値以上であって、且つ温度二階微分値が既定値を超えた場合の条件を満たした時に、二次電池１０の冷却処理を行うものである。ここで、本実施形態の冷却部１６による二次電池１０の冷却処理とは、上記条件を満たした場合に、冷却部１６が稼働し、二次電池１０を冷却する場合だけでなく、上記条件を満たした場合に、冷却部１６によりこれまで冷却していた二次電池１０の冷却率より高い冷却率で二次電池１０を冷却する場合も含まれる。例えば、二次電池１０の温度が所定値以上（例えば６０℃以上）であっても、温度二階微分値が負のままであれば、通常時に設定される冷却率で二次電池１０を冷却する（冷却していなくてもよい）。温度二階微分値が負値となる温度上昇であれば、冷却部１６による冷却率が二次電池１０の自己発熱率より高いため（或いは、急激な温度上昇が起こり得る状態には至っていないため）、冷却率を増加（或いは冷却を開始）する必要はない。しかし、二次電池１０の温度が所定値以上であって、温度二階微分値が負から正に転じる温度上昇が生じると、二次電池１０の自己発熱率が増大したことに起因し、急激な温度上昇が起こり得る状態となっているため、冷却率を必要量増加（或いは必要量の冷却率で冷却を開始）して、二次電池１０を冷却する。上記条件を満たした時の冷却部１６による二次電池１０の冷却率（単位時間当たりに低下する二次電池１０の温度）は、二次電池１０の急激な温度上昇を抑制する観点から、上記条件を満たした時の二次電池１０の自己発熱率より高い値にすることが望ましく、シミュレーションや実験等により、予め求めておくことが望ましい。

本実施形態の冷却部１６は、ファンにより送風して二次電池１０を冷却する空冷方式や冷却媒体を二次電池１０に循環して熱を外部に移送する液冷方式等が挙げられる。

以下に、本実施形態の冷却装置の動作を説明する。

図２及び３は、本実施形態の二次電池の冷却装置の動作を説明するためのフローチャートである。図２に示すように、ステップＳ１０では、温度検出部１４によって二次電池１０の温度が検出される。ステップＳ１２では、データ処理／指令部２６により、温度検出部１４によって検出された温度データが、所定値以上であるか否かが判定される。温度検出部１４によって検出された温度データが所定値以上である場合には、ステップＳ１４に進み、温度データが所定値未満である場合には、ステップＳ１０に戻る。ステップＳ１４では、時間が計測されると共に、温度検出部１４によって検出された温度データを時間で二階微分した温度二階微分値が、二階微分値演算部２２によって求められる。そして、ステップＳ１６では、データ処理／指令部２６により、二階微分値演算部２２によって求められた温度二階微分値が負から正に転じたか否かが判定される。温度二階微分値が負から正に転じた際（ｄ^２Ｔ／ｄｔ^２＜０，ｄ^２Ｔ／ｄｔ^２＞０）には、ステップＳ１８に進み、温度二階微分値が負から正に転じていない場合には、ステップＳ１４に戻る。ステップＳ１８では、データ処理／指令部２６から冷却部１６へ二次電池１０の冷却処理指令が送信され、冷却部１６により、前述した二次電池１０の冷却処理が行われる。図３に示すフローチャートでは、ステップＳ２６において、データ処理／指令部２６により、二階微分値演算部２２によって求められた温度二階微分値が既定値を超えているか否かが判定され、超えている場合には、冷却部１６により、前述した二次電池１０の冷却処理が行われる（ステップＳ２８）こと以外は、図２に示すフローチャートと同様である。

図２及び３に示すように、本実施形態の二次電池の冷却装置１２の動作では、温度二階微分値の計算負荷を避ける等の観点から、温度検出部１４によって検出された温度データが所定値以上である場合（ステップＳ１２）には、ステップＳ１４に進み、温度検出部１４によって検出された温度データを時間で二階微分した温度二階微分値が、二階微分値演算部２２によって求められる。しかし、必ずしもこれに制限されるものではなく、二次電池１０の温度検出と共に、二次電池１０の温度を時間で二階微分した温度二階微分値を求め、データ処理／指令部２６において、温度検出部１４によって検出された温度データが、所定値以上であるか否か、及び二階微分値演算部２２によって求められた温度二階微分値が負から正に転じたか否か（或いは温度二階微分値が既定値を超えたか否か）を判定してもよい。そして、温度検出部１４によって検出された温度データが所定値以上であり、温度二階微分値が負から正に転じた際（温度二階微分値が既定値を超えた際）には、データ処理／指令部２６から冷却部１６に二次電池１０の冷却処理指令が送信され、冷却部１６により、前述した二次電池１０の冷却処理が行われる。本実施形態における冷却部１６の冷却停止タイミングは、所定時間経過後、又は二次電池１０の温度が所定温度以下になった時等である。また、冷却停止後、二次電池１０の温度が上昇するような場合には、再度、冷却部１６による二次電池１０の冷却処理を実施することが望ましい。また、温度二階微分値が負から正に転じた際（温度二階微分値が既定値を超えた際）に、充放電を行っている場合には、冷却部１６の冷却処理と共に、充放電の停止も行うことが望ましい。

以上のような二次電池１０の冷却方法によって、急激な温度上昇と共に電流の流れを遮断するＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子や電流遮断装置（ＣＩＤ：ｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｒｒｕｐｔｄｅｖｉｃｅ）等の安全性保障デバイスが作動する前に、二次電池１０の自己発熱による急激な温度上昇を抑制することができる。更に、二次電池１０の温度を低下させ、二次電池１０の充放電を停止させることもできるため、より二次電池１０の安全性を確保することが可能となる。

本実施形態に係る二次電池の冷却装置及び冷却方法は、携帯型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、携帯電話機等のモバイル電子機器、電気自動車、ハイブリッドカー等の車両等に搭載される二次電池の冷却に利用される。

以下、実施例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

＜二次電池の自己発熱による温度上昇のシミュレーション＞
図４は、二次電池の自己発熱による温度上昇をシミュレーションするために使用したモデル図である。図４に示すように、φ２５ｍｍの円筒孔２８を有する筐体３０の上下にヒータ３２を設置し、筐体３０の円筒孔２８内にφ１８ｍｍの二次電池１０を設置した。シミュレーションでは、ヒータ３２による加熱温度を１３０℃、１３５℃、１３８℃、１４０℃、１４５℃、１５０℃、１６０℃に設定した。このような条件の下、加熱経過時間における電池缶壁温度をシミュレーションし、また、電池缶壁温度を時間で二階微分した温度二階微分値を求めた。その結果を、図５及び６に示す。図５の電池缶壁温度は、図４に示す点Ｂ，Ｄの２つの測定点の平均値とした。

本シミュレーション結果では、図５に示すように、ヒータ加熱壁面の温度が１４０℃以上になると、二次電池１０の自己発熱による急激な温度上昇が起こった。図５に示す枠Ａ_１〜Ａ_４は、図６に示す枠Ｂ_１〜Ｂ_４（温度二階微分値が負から正に転じる変曲点）に対応しているが、電池缶壁温度が高くなるほど、温度二階微分値が負から正に転じる変曲点が低温側に移った。そして、ヒータ加熱壁面の温度が高くなるほど、温度二階微分値が負から正に転じる変曲点から二次電池１０の自己発熱による急激な温度上昇が起こるまでの時間が短くなった。

＜実施例１：二次電池の自己発熱による温度上昇を回避する冷却処理シミュレーション＞
図４に示すモデルを用いて、ヒータ３２による加熱温度を１４５℃に設定して、二次電池１０を加熱しながら、電池缶壁温度を時間で二階微分した温度二階微分値を求めていき、温度二階微分値が負から正に転じる変曲点において、４２Ｌ／ｍｉｎ（２５℃）の送風量で空気を筐体３０の円筒孔２８に送風し、二次電池１０を冷却するシミュレーションを行った。図７は、加熱経過時間と冷却処理した電池缶壁温度のシミュレーション結果を示す図である。なお、図７には、実際に、φ２５ｍｍの円筒孔２８を有する筐体３０の上下にヒータ３２を設置し、筐体３０の円筒孔２８内にφ１８ｍｍの二次電池１０を設置して、ヒータ３２による加熱温度を１４５℃に設定して、二次電池１０を加熱した時の、電池缶壁温度の実測値も示す。

温度二階微分値が負から正に転じる変曲点（図７に示す枠Ｃ）において、４２Ｌ／ｍｉｎ（２５℃）の送風量で空気を筐体３０の円筒孔２８に送風し、二次電池１０を冷却するシミュレーションを行った結果、図７に示すように、二次電池１０の自己発熱による急激な温度上昇に至ることなく、二次電池１０が冷却され、電池缶壁温度が低下するという結果が得られた。

＜実施例２：二次電池の自己発熱による温度上昇を回避する冷却処理試験＞
図８は、二次電池の自己発熱による温度上昇を回避する冷却処理試験に使用した装置を示す図である。図８に示すように、実施例２では、実際に、φ２５ｍｍの円筒孔２８を有する筐体３０の上下にヒータ３２を設置し、筐体３０の円筒孔２８内にφ１８ｍｍの二次電池１０を設置した。また、冷却配管３４の一端を円筒孔２８に接続し、冷却配管３４の他端をマスフローコントローラ３６に接続した。実施例２の冷却処理試験では、ヒータ３２による加熱温度を１４５℃に設定して、二次電池１０を加熱しながら、電池缶壁温度を時間で二階微分した温度二階微分値を求めていき、温度二階微分値が負から正に転じる変曲点において、マスフローコントローラ３６において４２Ｌ／ｍｉｎ（２５℃）の送風量に調整した空気を筐体３０の円筒孔２８に送風し、二次電池１０の冷却を行った。図９に加熱経過時間と冷却処理した電池缶壁温度の結果をまとめた。図９の電池缶壁温度は、図８に示す点Ｂ，Ｄの２つの測定点の平均値とした。

図９に示すように、温度二階微分値が負から正に転じる変曲点（図９に示す枠Ｄ）において、４２Ｌ／ｍｉｎ（２５℃）の送風量で空気を筐体３０の円筒孔２８に送風し、二次電池１０を冷却した結果、図７に示すシミュレーション結果と同様に、二次電池１０の自己発熱による急激な温度上昇に至ることなく、二次電池１０が冷却され、電池缶壁温度が低下した。

１二次電池システム、１０二次電池、１２二次電池の冷却装置、１４温度検出部、１６冷却部、１８制御部、２０電池温度記憶部、２２二階微分値演算部、２４二階微分値記憶部、２６データ処理／指令部、２８円筒孔、３０筐体、３２ヒータ、３４冷却配管、３６マスフローコントローラ。

Claims

二次電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度を時間で二階微分し、温度二階微分値を求める二階微分値演算手段と、
前記二次電池の温度が所定値以上で、且つ前記二階微分値演算手段により求められた前記温度二階微分値が既定値を超える際又は前記二階微分値演算手段により求められた前記温度二階微分値が負から正へ転じる際に、前記二次電池を冷却処理する二次電池冷却手段と、を備えることを特徴とする二次電池の冷却装置。
二次電池の温度を検出する温度検出ステップと、
前記温度検出ステップで検出された温度を時間で二階微分し、温度二階微分値を求める二階微分値演算ステップと、
前記二次電池の温度が所定値以上で、且つ前記二階微分値演算ステップで求められた前記温度二階微分値が所定値を超える際又は前記二階微分値演算ステップで求められた前記温度二階微分値が負から正へ転じる際に、前記二次電池を冷却処理する二次電池冷却ステップと、を備えることを特徴とする二次電池の冷却方法。