JP6131897B2

JP6131897B2 - 電池装置

Info

Publication number: JP6131897B2
Application number: JP2014068569A
Authority: JP
Inventors: 芳昭川上; 邦彦新井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP2015191798A

Description

本発明は、電池装置に関し、詳しくは、複数の電池セルを間隔をもって配列した電池装置に関する。

従来、この種の電池装置としては、リチウムイオン二次電池として構成された複数の電池を間隔をもって配列し、冷却剤を充填したタンクから各電池の電池間に配管すると共に配管の開口端部に熱溶融剤を用いて封止して熱溶融部としたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、複数の電池のうちのいずれかの電池が異常過熱すると、その電池と隣接する電池との間に配管された開口端部の熱溶融部が熱により溶融し、タンクに充填されている冷却剤を溶融した熱溶融部から供給する。これにより、異常過熱した電池を強制的に冷却し、異常過熱が隣接する電池へ連鎖するのを抑止している。

特開２００８−２５１２６３号公報

しかしながら、上述の電池装置では、冷却剤を充填したタンクと配管とが必要となるから、装置が大型化すると共に複雑化してしまう。電池装置には、電池セルを冷却する冷却装置を備えるものもあるため、こうした冷却装置の冷媒を電池セル間に配管すると共にその開口端部を熱溶融剤で封止して熱溶融部とし、電池セルが異常過熱したときには、冷却装置の冷媒を熱溶融部から供給することも考えられるが、電池セルが異常過熱して熱溶融部が溶融すると、溶融した熱溶融部から冷却装置の冷媒の全てが供給されてしまうため、冷却装置を作動させることができなくなり、電池セルの冷却後に電池装置を機能させることができなくなってしまう。

本発明の電池装置は、異常過熱した電池セルを冷却した後でも電池セルの冷却に用いた冷媒を用いる装置やシステム等を通常に機能させることを主目的とする。

本発明の電池装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電池装置は、
複数の電池セルを間隔をもって配列した電池装置であって、
前記複数の電池セルの近傍に冷媒が流通する冷媒流路を配設すると共に、前記冷媒流路に取り付けられて所定温度以上に至ったときに開口して冷媒を隣接する電池セル間に供給すると共に前記所定温度未満に至ったときに閉口して冷媒の供給を停止する冷媒供給停止手段を備える、
ことを特徴とする。

この本発明の電池装置では、複数の電池セルの近傍に冷媒が流通する冷媒流路を配設し、所定温度以上に至ったときに開口して冷媒を隣接する電池セル間に供給すると共に所定温度未満に至ったときに閉口して冷媒の供給を停止する冷媒供給停止手段を冷媒流路に取り付ける。この装置では、複数の電池セルのいずれかが異常過熱して冷媒供給停止手段が所定温度以上に至ると、開口して冷却流路を流通する冷媒を電池セル間に供給し、異常過熱した電池セルを冷却する。これにより、異常過熱が隣接する電池へ連鎖するのを抑制することができる。そして、異常過熱した電池セルが冷却されて冷媒供給停止手段が所定温度未満に至ると、閉口して冷媒の供給が停止される。このとき、冷却流路からの全ての冷媒が電池セルの冷却に供給される前に冷媒供給停止手段が所定温度未満に至れば、冷却流路を本来のものとして機能させることができる。

こうした本発明の電池装置において、前記冷媒流路は冷凍サイクルにおいて低温低圧とした冷媒を流通する流路であるものとすることもできる。こうすれば、電池セルの冷却をより有効に行なうことができる。また、冷却供給停止手段としては、冷媒流路に形成された供給孔に取り付けられたサーモバルブを用いることもできる。

また、本発明の電池装置において、前記冷却供給停止手段は、オリフィスを介して冷媒を供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、オリフィスにより冷媒は断熱膨張して更に低温になるから、電池セルの冷却をより効果的に行なうことができる。

さらに、本発明の電池装置において、絶縁性と伝熱性を有する絶縁伝熱部材を介して前記複数の電池セルに接触するように配置され、冷媒の供給を受けて前記複数の電池セルを冷却する冷却器を備え、前記冷媒流路は、前記冷却器内に形成された冷媒の流路である、ものとすることもできる。即ち、通常時には、絶縁伝熱部材を介して複数の電池セルに接触する冷却器により熱伝導によって複数の電池セルを冷却し、複数の電池セルのいずれかが異常過熱したときには、冷却器内の冷媒流路に流通する冷媒を電池セル間に供給して異常過熱した電池セルを冷却するのである。こうすれば、冷却器内の冷媒流路に冷媒供給停止手段を取り付けるだけでよいから、装置の大型化や複雑化を回避することができる。

本発明の電池装置において、前記電池装置は車載用の装置であり、前記冷媒流路は乗員室の空調を行なう空調装置に用いられる冷凍サイクルの冷媒を流通する流路である、ものとすることもできる。即ち、自動車などの車両には乗員室の空調のために空調装置を備えるものが多いため、空調装置に用いられる冷凍サイクルの冷媒を用いて異常過熱した電池セルを冷却するのである。こうすれば、通常持には空冷により複数の電池セルを冷却する装置でも異常過熱した電池セルを冷却するためだけの冷媒を設ける必要がない。

本発明の第１実施例の電池装置２０の構成の概略を示す構成図である。サーモバルブ４０ａを含む近傍を拡大して示す拡大説明図である。本発明の第２実施例の電池装置１２０の構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の第１実施例の電池装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電池装置２０は、図示するように、間隔をもって配列された複数の電池セル２２ａ〜２２ｆと、複数の電池セル２２ａ〜２２ｆを冷却する冷却システム３０と、複数の電池セル２２ａ〜２２ｆおよび冷却システム３０を構成する冷却器３４を収納するケース２４と、を備え、例えば自動車の駆動源としてのモータに電力を供給する電力源として車載される。

複数の電池セル２２ａ〜２２ｆは、例えばリチウムイオン二次電池として構成された単位セルを複数直列接続してセル容器に収納されており、図示しないバスバーにより直列または並列に接続されている。

冷却システム３０は、冷媒を加圧するコンプレッサ３１と、加圧された冷媒を冷却して液化するコンデンサ３２と、液化した冷媒を断熱膨張させて低圧低温の気体または噴霧状態とする膨張弁３３と、低圧低温の気体または噴霧状の冷媒を用いて複数の電池セル２２ａ〜２２ｆを冷却する冷却器３４とを冷媒が循環する周知の冷凍サイクルとして構成されている。冷媒としては、例えばＲ１３４ａ（1,1,1,2-Tetrafluoroethane）が用いられている。

冷却器３４は、絶縁性と伝熱性とを有する材料（例えば、シリコンコンパウンド）により板状に形成された絶縁伝熱部材２６を介して複数の電池セル２２ａ〜２２ｆの側面に接触しており、冷却器３４内に流通する冷媒が絶縁伝熱部材２６を介して伝熱する複数の電池セル２２ａ〜２２ｆからの熱を吸熱して複数の電池セル２２ａ〜２２ｆを冷却する。

冷却器３４の複数の電池セル２２ａ〜２２ｆの各電池セル間には、冷却器３４に流通する冷媒を各電池セル間に供給するサーモバルブ４０ａ〜４０ｅが取り付けられている。図２は、電池セル２２ａと電池セル２２ｂとの間に取り付けられたサーモバルブ４０ａを含む近傍を拡大して示す拡大説明図である。サーモバルブ４０ａは、冷却器３４内の冷媒流路３６を形成する外壁３５に形成された供給孔３７ａに取り付けられており、供給孔３７ａに連通する連通孔４１ａと、この連通孔４１ａを開口および閉口する可動弁４２ａと、可動弁４２ａを閉口側に付勢するバネ４３ａと、熱膨張により可動弁４２ａを開口側に付勢する感温体（例えば、ＷＡＸ：パラフィンワックス）が充填された感温部４４ａとにより構成されており、１５０℃〜２００℃程度で開口するように調整されている。サーモバルブ４０ａの端部（図中下側）には、伝熱性を有する材料によりサーモバルブ４０ａの連通孔４１ａに連通するオリフィス孔５１ａが形成されたオリフィス部材５０ａが取り付けられており、サーモバルブ４０ａが開口したときに冷却器３４からの冷媒をオリフィス孔５１ａにより断熱膨張させて電池セル間に供給する。電池セル２２ａと電池セル２２ｂとの間以外の電池セル２２ｂ〜２２ｆの各電池セル間に取り付けられたサーモバルブ４０ｂ〜４０ｅおよびオリフィス部材５０ｂ〜５０ｅもサーモバルブ４０ａおよびオリフィス部材５０ａと同様に構成されている。

次に、こうして構成された第１実施例の電池装置２０の動作について説明する。通常は、複数の電池セル２２ａ〜２２ｆは、図示しない制御装置により適温（例えば、４０℃〜７０℃など）となるように冷却システム２０が制御されている。複数の電池セル２２ａ〜２２ｆのいずれかが異常過熱した場合として、電池セル２２ｂが異常過熱したときを考える。異常過熱した電池セル２２ｂの近傍のサーモバルブ４０ａ，４０ｂの一方（例えば、サーモバルブ４０ａと想定する。）が開口温度として設定された温度以上に至ると、サーモバルブ４０ａが開口し、冷却器３４内の冷媒流路３６に流通する冷媒が供給孔３７ａおよび連通孔４１ａを介してオリフィス孔５１ａから電池セル間に供給される。冷媒は、冷凍サイクルにより充分低温とされており、更にオリフィス孔５１ａで断熱膨張することにより更に低温となるため、異常過熱した電池セル２２ｂは急速に冷却される。このため、電池セル２２ｂの異常過熱が隣接する電池セル２２ａや電池セル２２ｃに連鎖するのが抑制される。電池セル２２ｂが冷却されると、サーモバルブ４０ａの感温部４４ａの温度も下がり、サーモバルブ４０ａが閉口し、通常状態に戻る。このとき、冷却器３４から全ての冷媒が電池セル２２ｂの冷却のために供給されている場合を除いて、冷媒の流通量が低下するものの、冷却システム３０は通常どおり機能する。

以上説明した第１実施例の電池装置２０では、複数の電池セル２２ａ〜２２ｆに絶縁伝熱部材２６を介して接触するように配置した冷却システム３０の冷却器３４の各電池セル間に冷媒流路３６に連通する供給孔３７ａ〜３７ｅを形成し、供給孔３７ａ〜３７ｅに１５０℃〜２００℃程度で開口するように調整したサーモバルブ４０ａ〜４０ｅを取り付けることにより、複数の電池セル２２ａ〜２２ｆのいずれかが異常過熱したときには、異常過熱した電池セル近傍に取り付けられたサーモバルブが開口して冷却器３４内の冷媒流路３６に流通する冷媒を異常過熱した電池セル側に供給して異常過熱した電池セルを迅速に冷却する。これにより、異常過熱が隣接する電池セルに連鎖するのを抑制することができる。そして、異常過熱した電池セルが冷却されると、サーモバルブが閉口するから、冷却器３４から全ての冷媒が異常過熱した電池セルの冷却のために供給されている場合を除いて、冷媒の流通量が低下するものの、冷却システム３０を通常どおり機能させることができる。

第１実施例の電池装置２０では、冷凍サイクルにより冷媒を低圧低温とする冷却システム３０における低圧低温とした冷媒の流路としての冷却器３４内の冷媒流路３６に流通する冷媒をサーモバルブ４０ａ〜４０ｅを介して電池セル間に供給するものとしたが、冷凍サイクルを用いない冷却システムにおける冷媒をサーモバルブ４０ａ〜４０ｅを介して電池セル間に供給するものとしてもよい。

第１実施例の電池装置２０では、冷却器３４にサーモバルブ４０ａ〜４０ｅとオリフィス部材５０ａ〜５０ｅとを取り付けるものとしたが、冷却器３４にはサーモバルブ４０ａ〜４０ｅだけを取り付け、オリフィス部材５０ａ〜５０ｅを取り付けないものとしても構わない。なお、オリフィス部材５０ａ〜５０ｅを取り付けない場合、サーモバルブ４０ａ〜４０ｅとして供給側の開口部の口径が小さいものを用いれば、サーモバルブ４０ａ〜４０ｅにオリフィス機能を持たせることができる。

第１実施例の電池装置２０では、自動車などの車両に車載されるものとして説明したが、車載されない電池装置としても構わない。

次に、第２実施例の電池装置１２０について説明する。図３は、本発明の第２実施例の電池装置１２０の構成の概略を示す構成図である。第２実施例の電池装置１２０は、自動車などの車両に搭載され、図示するように、間隔をもって配列された複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆと、複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆを収納するケース１２４と、乗員室を空気調和する空調装置１５０から分岐して冷媒を流通する冷媒流通管１３０と、を備える。

ケース１２４には、図中左上に配置され図示しないファンから送風される空気を導入する空気導入口１２６と、図中右下に配置されケース内の空気を排出する吸気排出口１２８とが形成されており、空気導入口１２６から導入された空気が複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆの各電池セル間に流れて空気排出口１２８から排出することにより、複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆを冷却している。

空調装置１５０は、冷媒として例えばＲ１３４ａ（1,1,1,2-Tetrafluoroethane）を用いる周知の冷凍サイクルを有する装置として構成されており、冷媒を加圧するコンプレッサ１５１と、加圧された冷媒を冷却して液化するコンデンサ１５２と、液化した冷媒を断熱膨張させて低圧低温の気体または噴霧状態とする膨張弁１５３と、低圧低温の気体または噴霧状の冷媒との熱交換により図示しないファンにより乗員室に送風される空気を冷却するエバポレータ１５４と、を備える。

空調装置１５０の循環流路を形成する配管のうち膨張弁１５３とエバポレータ１５４との間の配管１５５には、冷媒流通管１３０に連絡する連絡管１３２が分岐しており、冷媒流通管１３０からの連絡管１３４が連絡管１３２の下流側で合流している。したがって、冷媒流通管１３０には、膨張弁１５３で断熱膨張により低圧低温になった気体または噴霧状の冷媒が流通することになる。

冷媒流通管１３０は、ケース１２４の複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆの上方中央を貫通するように配設されており、複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆの各電池セル間の上方には、サーモバルブ１４０ａ〜１４０ｅおよびオリフィス部材１５０ａ〜１５０ｅが取り付けられている。サーモバルブ１４０ａ〜１４０ｅおよびオリフィス部材１５０ａ〜１５０ｅは第１実施例で説明したサーモバルブ４０ａ〜４０ｅおよびオリフィス部材５０ａ〜５０ｅと同一の構造をしている。

次に、こうして構成された第２実施例の電池装置１２０の動作について説明する。通常は、複数の電池セル２２ａ〜２２ｆは、図示しないファンにより送風されて空気導入口１２６から導入される空気により冷却されて適温（例えば、４０℃〜７０℃など）とされる。複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆのいずれかが異常過熱した場合として、電池セル１２２ｂが異常過熱したときを考える。異常過熱した電池セル１２２ｂの近傍のサーモバルブ１４０ａ，１４０ｂの一方（例えば、サーモバルブ１４０ａと想定する。）が開口温度として設定された温度以上に至ると、サーモバルブ１４０ａが開口し、冷媒流通管１３０に流通する冷媒が電池セル間に供給されて異常過熱した電池セル１２２ｂを冷却する。電池セル１２２ｂが冷却されると、サーモバルブ４０ａが閉口し、通常状態に戻る。このとき、冷媒流通管１３０から全ての冷媒が電池セル１２２ｂの冷却のために供給されている場合を除いて、冷媒の流通量が低下するものの、空調装置１５０は通常どおり機能する。

以上説明した第２実施例の電池装置１２０では、複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆの上方中央に冷媒流通管１３０を配設して冷媒流通管１３０に乗員室を空調する空調装置１５０に用いる冷凍サイクルの膨張弁１５３により低圧低温とされた冷媒を供給し、冷媒流通管１３０の複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆの各電池セル間にサーモバルブ１４０ａ〜１４０ｅを取り付けることにより、複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆのいずれかが異常過熱したときには、異常過熱した電池セル近傍に取り付けられたサーモバルブが開口して冷媒流通管１３０に流通する冷媒を異常過熱した電池セル側に供給して異常過熱した電池セルを迅速に冷却することができる。これにより、異常過熱が隣接する電池セルに連鎖するのを抑制することができる。そして、異常過熱した電池セルが冷却されると、サーモバルブが閉口するから、冷媒流通管１３０から全ての冷媒が異常過熱した電池セルの冷却のために供給されている場合を除いて、冷媒の流通量が低下するものの、空調装置１５０を通常どおり機能させることができる。もとより、通常持には空冷により複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆを冷却する第２実施例の電池装置１２０でも、異常過熱した電池セルを冷却するためだけの冷媒を設ける必要はない。

第２実施例の電池装置１２０では、冷媒流通管１３０にサーモバルブ１４０ａ〜１４０ｅとオリフィス部材１５０ａ〜１５０ｅとを取り付けるものとしたが、冷媒流通管１３０にはサーモバルブ１４０ａ〜１４０ｅだけを取り付け、オリフィス部材１５０ａ〜１５０ｅを取り付けないものとしても構わない。なお、オリフィス部材１５０ａ〜１５０ｅを取り付けない場合、サーモバルブ１４０ａ〜１４０ｅとして供給側の開口部の口径が小さいものを用いれば、サーモバルブ１４０ａ〜１４０ｅにオリフィス機能を持たせることができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、複数の電池セル２２ａ〜２２ｆや複数の電池セル１２２ａ〜１２２ｆが「複数の電池セル」に相当し、冷却器３４内の冷媒流路３６や冷媒流通管１３０が「冷媒流路」に相当し、サーモバルブ４０ａ〜４０ｅやサーモバルブ１４０ａ〜１４０ｅが「冷媒供給停止手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電池装置の製造産業などに利用可能である。

２０，１２０電池装置、２２ａ〜２２ｆ，１２２ａ〜１２２ｆ電池セル、２４，１２４ケース、２６絶縁伝熱部材、３０冷却システム、３１，１３１コンプレッサ、３２，１３２コンデンサ、３３，１３３膨張弁、３４冷却器、３５外壁、３６冷媒流路、３７ａ〜３７ｅ供給孔、４０ａ〜４０ｅ，１４０ａ〜１４０ｂサーモバルブ、４１ａ連通孔、４２ａ可動弁、４３ａバネ、４４ａ感温部、５０ａ〜５０ｅオリフィス部材、５１ａオリフィス孔、１２６空気導入口、１２８空気排出口、１３０冷媒流通管、１３２，１３４連絡管、１５４エバポレータ、１５５配管。

Claims

複数の電池セルを間隔をもって配列した電池装置であって、
前記複数の電池セルの近傍に冷媒が流通する冷媒流路を配設すると共に、前記冷媒流路に取り付けられて所定温度以上に至ったときに開口して冷媒を隣接する電池セル間に供給すると共に前記所定温度未満に至ったときに閉口して冷媒の供給を停止する冷媒供給停止手段を備え、
前記冷媒供給停止手段は、オリフィスを介して冷媒を供給する手段である、
電池装置。
請求項１記載の電池装置であって、
前記冷媒流路は、冷凍サイクルにおいて低温低圧とした冷媒を流通する流路である、
電池装置。
請求項１または２記載の電池装置であって、
前記冷媒供給停止手段は、前記冷媒流路に形成された供給孔に取り付けられたサーモバルブを有する手段である、
電池装置。
請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の電池装置であって、
絶縁性と伝熱性を有する絶縁伝熱部材を介して前記複数の電池セルに接触するように配置され、冷媒の供給を受けて前記複数の電池セルを冷却する冷却器を備え、
前記冷媒流路は、前記冷却器内に形成された冷媒の流路である、
電池装置。
請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の電池装置であって、
前記電池装置は、車載用の装置であり、
前記冷媒流路は、乗員室の空調を行なう空調装置に用いられる冷凍サイクルの冷媒を流通する流路である、
電池装置。