JP6198041B2

JP6198041B2 - 蓄電装置の放熱構造

Info

Publication number: JP6198041B2
Application number: JP2013112157A
Authority: JP
Inventors: 聖子林; 知也原田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2033-05-28
Also published as: JP2014232598A

Description

本発明は、二次電池を利用した蓄電装置の放熱構造に関するものである。

近年、地球環境への配慮、さらには大地震をきっかけとする電力供給問題などが背景となって、エネルギーマネージメントへの関心が高まっている。このエネルギーマネージメントにおいて、不可欠であるのが蓄電装置である。

この蓄電装置は、余剰電力のピークシフト、太陽光や風力という天候に左右されやすい自然エネルギーの電力平準化、さらにはサーバの非常用電源など幅広い用途がある。また、蓄電装置は、複数の二次電池を直並列により接続し、必要に応じて充電および放電を行うもので、二次電池が充電および放電を行う際に発熱する。

ところで、上記蓄電装置においては、蓄電装置の小型化を考慮し、多数本の円柱状の二次電池を高密度で配置する必要がある。一方、充電時および放電時には、当該二次電池が発熱し高温になる。この二次電池は、高温域で寿命が短くなったり、また充電効率の低下や放電ができなくなったりと特性の劣化が生じるため、安定して電池特性を発揮できる蓄電装置が求められている。

そこで、図５〜図６に示すように、蓄電装置に用いられる従来のケース１００は、当該ケース１００内に、円柱状の二次電池２０が互いの軸線を平行に複数配列されて収納されているとともに、当該軸線に直交した配列方向の両端部側の側壁４０に側部開口部３０が形成され、かつ当該側部開口部３０の一方側に吸引ファン５０が設けられ他方側が空気流入口とされている。なお、この従来のケース１００は、二次電池２０の軸線に直交した上記配列方向に延在する仕切り板８０を間に介して複数列の二次電池２０が配置されている。

この従来のケース１００は、側部開口部３０の一方側に設けられた吸引ファン５０の作動によって、当該ケース１００内の空気が吸引されるとともに、他方側の側部開口部３０の空気流入口から外気が流入し、さらに流入した空気が吸引ファン５０の吸引により外部に排出される。これにより、充電時または放電時に発熱した二次電池２０は、上記空気流入口から流入される冷たい空気によって冷却されることになる。

しかし、上記従来の放熱構造においては、吸引ファン５０の吸引によって、上記空気流入口から流入された冷たい空気は、二次電池２０の配列方向に沿って上流側から下流側に流通され、発熱した二次電池２０により熱せられて冷却効率が低下する。このため、図７（ａ）の発明者が行った熱解析結果に示すように、上記配列方向において二次電池２０の温度差が生じてしまう。

なお、図７（ａ）の熱解析結果は、横幅寸法４６ｃｍ、高さ寸法３．６ｃｍのケース内に、直径１７．８ｍｍの二次電池１８本を互いの軸線を平行に配列して、当該ケース内の二次電池に一定発熱を加えて、ｔの方向に吸い込み速度秒速１ｍ／ｓｅｃを与えたときの定常時の温度分布を計算し、２次元で解析を行ったものである。また、環境温度は２５℃である。

そこで、下記特許文献１においては、電池ユニットの周囲をその配列方向に沿った冷媒の通流路として、当該通流路の最上流側に配置された上記電池ユニットの上流位置に乱流促進体を設けて、熱伝達係数を上げ冷却能力の向上を図っている。

特許平１１−３２９５１８号公報

ところが、上記従来の蓄電装置にあっては、冷媒が流れる上記配列方向に対して、二次電池の本数が少ない場合には有効であるが、筐体型蓄電装置においては、二次電池の本数も多く、冷媒が上記配列方向に沿って流れる過程において、発熱した上記二次電池により熱せられてしまい、冷却能力が落ちることになる。
特に、二次電池が円柱形状の場合、二次電池間の熱伝導性が悪いため、この傾向が顕著に現れる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、蓄電装置内のケース内に収納された二次電池の温度上昇を抑制するとともに、配列方向において二次電池の温度差を最小にすることが可能な蓄電装置の放熱構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ケース内に円柱状の二次電池が互いの軸線を平行に複数配列されて収納されるとともに、上記ケースが複数段積層された蓄電装置において、上記ケースは、上記二次電池の上記軸線に直交した配列方向の両端部側の側壁に側部開口部が形成され、かつ上記配列方向の中央部分に位置する天板に中央開口部が形成されているとともに、複数の上記ケースが互いの天板と底板との間に間隔を形成して積層されることにより上記天板と底板との間に上記中央開口部に連通する排気部が形成され、この排気部の上記側壁側の両端部に開口部が形成されるとともに、各々の上記開口部に吸引手段が設けられることにより上記側部開口部が空気流入口とされていることを特徴するものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記ケースは、上記二次電池が当該二次電池の軸線に直交した上記配列方向に延在する複数の仕切り板を間に介して複数列収納されているとともに、各列ごとに上記側部開口部および上記中央開口部が形成されていることを特徴とするものである。

請求項１〜２に記載の本発明によれば、空気流入口から流入した空気が、上記吸引手段を介して上記配列方向に沿って外部に排出される際に、当該配列方向に形成される流路の距離が、従来に比べて約半分の距離になるため、上記蓄電装置の充電時および放電時に発熱した上記二次電池によって、上記空気が熱せられた場合でも、当該空気が高温になる前に外部に排出させることができる。これにより、上記配列方向に沿って流れる上記空気の冷却効率の低下が抑制されて、上記二次電池を効率良く放熱することができるとともに、上記配列方向において上記二次電池の温度差を最小にすることができる。さらには、各々の上記二次電池の寿命および充電効率の差が生じてしまうことが抑えられて、装置自体の特性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、上記二次電池の本数が増えて、複数列収納されていた場合でも、各列ごとに上記空気流入口から流入した空気が、上記蓄電装置の充電時および放電時に発熱した上記二次電池によって高温に熱せられる前に、従来に比べて約半分の距離の上記流路に沿って外部に排出させることができる。この結果、上記配列方向に沿って流れる上記空気の冷却効率の低下が抑制されて、上記二次電池を効率良く放熱することができるとともに、上記配列方向において上記二次電池の温度差を最小にすることができる。さらには、各々の上記二次電池の寿命および充電効率の差が生じてしまうことが抑えられて、装置自体の特性を向上させることができる。

本発明の一実施形態の蓄電装置に用いられるケースを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の断面斜視図である。本発明の一実施形態の蓄電装置に用いられる天板を外した状態のケースの斜視図である。本発明の一実施形態の蓄電装置に用いられるケースの空気の流れを示す概略図である。本発明の一実施形態の変形例の蓄電装置に用いられるケースの空気の流れを示す概略図である。従来の蓄電装置に用いられるケースを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の断面斜視図である。従来の蓄電装置に用いられる天板を外した状態のケースの斜視図である。発熱を加えた二次電池の熱解析結果を示し、（ａ）は図５および図６の従来の構造の温度分布、（ｂ）は本発明の構造による温度分布である。

図１〜図３は、本発明に係る蓄電装置の放熱構造の一実施形態を示すもので、この蓄電装置に用いられるケース１は、二次電池２が互いの軸線を平行に複数配列されて収納されているとともに、この二次電池２の上記配列方向の両端部の側壁８に側部開口部３と、当該配列方向の中央部分の底板９に中央開口部４が形成され、かつ当該中央開口部４に吸引ファン（吸引手段）５が設けられたものである。

ここで、二次電池２は、円柱状をなし、上記軸線に直交した配列方向の中央部分に隙間６が形成されて複数配列されているとともに、当該二次電池２が積層（図では２層）されて、ケース１内に収納されている。

また、ケース１は、例えば、合金などにより方形状に形成され、蓋部が天板１０をなしている。そして、ケース１内には、二次電池２の軸線に直交した上記配列方向に延在する仕切り板７が等間隔に複数枚（図では７枚）設けられている。この仕切り板７は、二次電池２の上記配列方向の長さ寸法とほぼ同一の長さ寸法に形成されているとともに、ケース１の側壁８の高さ寸法ともほぼ同一の高さ寸法に形成されている。

そして、互いの軸線を平行に複数配列された二次電池２が、仕切り板７を間に介して複数列（図では６列）収納されている。さらに、各列ごとに収納された各々の二次電池２の上記軸線に直交した上記配列方向の両端部側の側壁８に側部開口部３が形成されている。

この側部開口部３は、吸引ファン５の吸引により外気を取り込む空気流入口をなしている。また、側部開口部３は、外部からの異物の侵入を防止するために、長方形の開口部が側壁８の高さ方向に間隔をおいて複数（図では３つ）形成されている。

さらに、各列ごとに収納された各々の二次電池２の上記配列方向の中央部分の隙間６に位置する底板９に中央開口部４が形成されている。この中央開口部４は、略四角形に開口されているとともに、当該中央開口部４に吸引ファン５が設けられている。

そして、ケース１が、例えば、図３に示すように、複数段（図では４段）積層されるとともに、複数の二次電池２が直並列に接続されて、上記蓄電装置内に配設されることになる。

上記構成からなる蓄電装置の放熱構造を用いて、充電時または放電時に発熱した二次電池２を放熱させるには、まず、上記蓄電装置のケース１に収納された二次電池２を充電または放電する。これにより、二次電池２が発熱し、例えば、その発熱をセンサーなどにより感知することにより、ケース１の底板９の中央開口部４に設けられた吸引ファン５を作動させる。

次いで、吸引ファン５の作動により、図３に示すように、底板９の中央開口部４から空気が吸引されるとともに、ケース１の側壁８の側部開口部３の各々の空気流入口から外気が流入する。この流入した空気は、二次電池２の配列方向に沿って流通し、発熱した当該二次電池２を冷却しながら、吸引ファン５が設けられた中央開口部４から排出される。

この際、上記空気が吸引ファン５を介して排出される中央開口部４は、当該二次電池２の上記配列方向の中央部分に形成されているため、当該中央開口部４を間にして、上記配列方向に沿って２方向の流路が形成される。この流路の各々の距離は、従来の二次電池２の配列方向に沿って形成される流路の約半分の距離であるため、各々の上記空気流入口から流入した上記空気が、二次電池２により熱せられて高温になる前に、中央開口部４から外部に排出されることになる。

したがって、二次電池２の上記配列方向においては、上記空気流入口から流入した上記空気と、発熱した二次電池２とに設定された温度差が生じるため、冷却効率の低下が抑制されて、二次電池２を冷却することができる。この結果、上記配列方向において二次電池２の温度差を最小にすることができる。

ここで、図７（ｂ）の発明者が行った計算に基づき、二次電池２の放熱効果について説明する。
なお、図７（ｂ）の熱解析結果は、横幅寸法４６ｃｍ、高さ寸法３．６ｃｍのケース内に、直径１７．８ｍｍの二次電池１８本を互いの軸線を平行に配列して、当該ケース内の当該二次電池に一定発熱を加えて、ｔの方向に吸い込み速度秒速１ｍ／ｓｅｃを与えたときの定常時の温度分布を計算し、２次元で解析を行ったものである。また、環境温度は２５℃である。

図７（ｂ）の熱解析結果に示すように、二次電池２の上記配列方向の中央部分の隙間から吸引することにより、流入した空気は冷却効率の低下が抑制されて、当該中央部分から排出されるため、上記配列方向において二次電池２の温度差が最小になることが判明した。
したがたって、本願発明の蓄電装置の放熱構造を用いることにより、上記配列方向において二次電池２の温度差が最小になることは明らかである。

また、図４に示すように、本発明に係る蓄電装置の放熱構造の一実施形態の変形例においては、二次電池２の上記配列方向の中央部分に位置するケース１の天板１０に、中央開口部４が形成されているとともに、この中央開口部４の上部に、ケース１の側壁８側が開口された排気部１１が設けられ、かつ当該排気部１１の上記開口部に吸引ファン５が各々設けられている。

この変形例は、上記開口部に設けられた吸引ファン５により吸引することにより、側壁８の側部開口部３の空気流入口から空気が流入する。この流入した当該空気は、二次電池２の配列方向に沿って流通し、中央開口部４から排気部１１を介して吸引ファン５が設けられた各々の上記開口部から外部に排出されることになる。

したがって、この変形例においても、上記一実施形態と同様に、二次電池２の上記配列方向においては、上記空気流入口から流入した上記空気と、発熱した二次電池２とに設定された温度差が生じるため、冷却効率の低下が抑制されて、二次電池２を冷却することができる。この結果、上記配列方向において二次電池２の温度差を最小にすることができる。

以上の構成からなる蓄電装置の放熱構造によれば、空気流入口から流入した空気が、吸引ファン５を介して上記配列方向に沿って外部に排出される際に、当該配列方向に形成される流路の距離が、従来に比べて約半分の距離になるため、上記蓄電装置の充電時および放電時に発熱した二次電池２によって、上記空気が熱せられた場合でも、当該空気が高温になる前に外部に排出させることができる。これにより、上記配列方向に沿って流れる上記空気の冷却効率の低下が抑制されて、二次電池２を効率良く放熱することができるとともに、上記配列方向において二次電池２の温度差を最小にすることができる。さらには、各々の二次電池２の寿命および充電効率の差が生じてしまうことが抑えられて、装置自体の特性を向上させることができる。

また、二次電池２の本数が増えて、複数列収納されていた場合でも、各列ごとに上記空気流入口から流入した空気が、上記蓄電装置の充電時および放電時に発熱した二次電池２によって高温に熱せられる前に、従来に比べて約半分の距離の上記流路に沿って外部に排出させることができる。この結果、上記配列方向に沿って流れる上記空気の冷却効率の低下が抑制されて、二次電池２を効率良く放熱することができるとともに、上記配列方向において二次電池２の温度差を最小にすることができる。さらには、各々の二次電池２の寿命および充電効率の差が生じてしまうことが抑えられて、装置自体の特性を向上させることができる。

さらに、二次電池２が、当該二次電池２の上記軸線に直交した配列方向の中央部分に隙間６が形成されて複数配列され、ケース１内に収納されていることにより、吸引ファン５により吸引された空気が、隙間６の空間において対流を生じるため、二次電池２の放熱効率を促進させることができる。

二次電池を利用した蓄電装置に利用することができる。

１ケース
２二次電池
３側部開口部
４中央開口部
５ファン（吸引手段）
６隙間
７仕切り板
８側壁
９底板
１０天板

Claims

ケース内に円柱状の二次電池が互いの軸線を平行に複数配列されて収納されるとともに、上記ケースが複数段積層された蓄電装置において、
上記ケースは、上記二次電池の上記軸線に直交した配列方向の両端部側の側壁に側部開口部が形成され、かつ上記配列方向の中央部分に位置する天板に中央開口部が形成されているとともに、複数の上記ケースが互いの天板と底板との間に間隔を形成して積層されることにより上記天板と底板との間に上記中央開口部に連通する排気部が形成され、この排気部の上記側壁側の両端部に開口部が形成されるとともに、各々の上記開口部に吸引手段が設けられることにより上記側部開口部が空気流入口とされていることを特徴する蓄電装置の放熱構造。
上記ケースは、上記二次電池が当該二次電池の軸線に直交した上記配列方向に延在する複数の仕切り板を間に介して複数列収納されているとともに、各列ごとに上記側部開口部および上記中央開口部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置の放熱構造。