JP6527728B2

JP6527728B2 - 二次電池セルを用いた蓄電装置における放熱機構

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Publication number: JP6527728B2
Application number: JP2015055684A
Authority: JP
Inventors: 聖子林
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2019-06-05
Anticipated expiration: 2035-03-19
Also published as: JP2016177924A

Description

本発明は、多数の二次電池セルを用いた蓄電装置において電池セルの充放電の際に発熱する電池セル間の温度差を低減させる放熱機構に関する。

地球環境への配慮や、震災時における電力供給の問題を背景として、エネルギーマネジメントへの関心が高まっている。このエネルギーマネジメントに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、電力供給の安定化、サーバ装置の非常用電源等に用いられ、エネルギーマネジメントにおいて幅広い用途及び役割が期待されている。

この蓄電装置では多数の二次電池セル（以下「電池セル」という）を直並列に接続し、必要に応じて充電および放電を行うものであるが、この充電および放電により電池セルは発熱することになる。電池セルは高温域で寿命が短くなるまたは充放電ができなくなるといった特性の劣化が見られるため、安定して電池特性を発揮できる方策が求められている。
このような方策の一つとして、以下の特許文献に示すような、電池セルの冷却機構が提案されている。この冷却機構では電池セル群を所定の間隔を隔てて多段に配列し、その配列方向に沿って空気を通流させる筐体の最上流位置にダミーの電池ユニットなどからなる乱流促進体を設けて、筐体内に導入する空気の流れを乱すことが提案されている。

特開平１１−３２９５１８号公報

しかし、上記従来の冷却機構では電池セル等を所定の間隔を隔てて配列するとともに最上流位置にダミーの電池ユニットなどからなる乱流促進体を設ける必要があるため、多数の二次電池セルを高密度に配列することはできなかった。

そこで、本発明は上記のような従来の問題点を解決して、筐体内に電池セルを高密度に配列するとともに電池セルの充放電に伴う発熱の温度差を低減させることができる放熱機構を提供することにある。

前述した課題を解決する本発明は、蓄電装置によって充放電される筒型の電池セル群をその各電池セルの軸方向が平行となるように隣接して筐体内に列設し、前記筐体には前記電池セル群の軸方向と直交する方向に冷媒を流通させる通路を設け、前記冷媒の前記通路の少なくとも下流側に位置する前記電池セル群の周面にその周面形状に沿って接するとともにこれらの電池セル群の前記周面を覆う放熱部材を設け、前記放熱部材の前記電池セル群と接する面と反対側の面を平坦面とし、前記平坦面と前記筐体の内面との間に前記冷媒が流通する前記通路を画成し、前記通路を前記筐体の下流側に向かうに従い狭幅にしてなることを特徴とする電池セルの蓄電装置における放熱機構である。

本発明の放熱機構によれば、多数の電池セルが密に配設された場合であっても、充放電の際に電池セル群の少なくとも一部の電池セル群の温度上昇を抑制することによって電池セル間での温度差を減少させ、電池セル間で充放電特性に個体差が生ずるのを低減させることができる。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明の第１実施形態における放熱機構を示す斜視図である。本発明の第１実施形態における放熱機構を示す側断面図である。本発明の第１実施形態における放熱部材の形状を示す側面図である。本発明の第１実施形態における放熱機構の評価を説明するために用いた電池セル配列を示す図である。本発明の第２実施形態における放熱機構を示す斜視図である。本発明の第２実施形態における放熱機構を示す側断面図である。

＝＝第１の実施形態＝＝
以下、図１〜図２を参照して、本実施形態に係る電池セルを用いた蓄電装置における放熱機構の一例を示す。

図１は、本発明の第1実施例に係る蓄電装置における放熱機構１をその天板を取り除いた状態で上方から見たときの斜視図であり、図２は、蓄電装置における放熱機構の側断面図である。尚、図中において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、各図面の中で、各部材の位置関係を明確にするために方向を示すものであり、Ｘ軸は左右方向、Ｙ軸は前後方向、Z軸は上下方向と定義する。

本実施形態に係る放熱機構１は矩形の筐体２を有し、筐体２は底板２ａ、側板２ｂ、２ｃおよび天板２ｄ(図２参照)からなっており、筐体の図１における左側板に空気などの冷媒の流入口３が設けられ、筐体の右側板には冷媒の流出口４が設けられ(図２参照)、その流出口には排気用ファン５が取り付けられている。排気ファン５を駆動すると空気などの冷媒が流入口３から筐体内に入り、その内部を流通して流出口４から排気される。筐体の内部左方には充放電制御装置６が収納され、その右方の筐体部分には電池収納空間７が設けられている。電池収納空間７は左右に延長し前後方向に平行な仕切板８で画成されている。前端側と後端側にはそれぞれ１枚の仕切板８が配置されており、前後方向に二つの電池収納空間７が隣接して画成されている位置については前後方向に２枚の仕切板８が配置されている。すなわち１２枚の仕切板８によって全部で６個の電池収納空間７が画成されている。各電池収納空間７の前後方向の幅は電池セル９の軸方向の長さと同等となっている。そして、各電池収納空間７には電池セル９の軸方向を前後方向として筒状の側面を左右方向に密着して直線状に配列された電池セル９群が上下２段に配列されている。下段の電池セル群は筐体１の底板２ａから上方に所定の間隔を置いて電池収納空間７内に保持されている。この保持機構としては、例えば、各仕切板８の前後にその下端から若干（約1〜1.5ｃｍ）離れた上方部分に前後幅が数ミリ程度の鍔部(図示せず)を左右方向全長に亘って設け、この相対向する鍔部で下段の電池セル９の両端部を支えるようにすればよい。

また、上記の冷媒の流入口２と流出口３は前後の仕切板８によって仕切られた各電池収納空間７の延長線上の左右の側壁に形成されている。なお、好ましくは筐体および仕切板は亜鉛メッキ鋼板により形成される。

この実施例に係る電池セル９は、例えば、円筒形状のニッケル水素二次電池により構成される。ニッケル水素二次電池は、円筒形状の外装缶内に、帯状の正極板、セパレータ及び負極板が渦巻状に巻かれて、電解液とともに収容されている。そして、外装缶の長手方向の両端に正極端子と負極端子が取り付けられて構成されている。そして、筐体内に収納された多数の二次電池セル９は、夫々の正極端子と負極端子が電路（図示せず）に接続され、充放電制御装置６により充放電が制御される。尚、充放電制御装置６は、多数の電池セルに接続された電路を開閉する充放電制御回路を有し、電池セル９を放電させて当該電路に接続された電力負荷に電力を供給したり、当該電路に接続された電源から電力の供給を受けて多数の電池セルを充電させる周知の制御装置である。

そして、上記の構成の筐体１に第２図に示すように天板２ｄを取り付けた状態では、上下２段に配設された電池セル群の上面と筐体１の天板との間及び電池セル群の下面と筐体１の底板２ａとの間に、図２に示すように間隙Ｓ１，Ｓ２が形成されている。

上記のように筐体内の電池収納空間内７に多数の電池セル９を配置した状態で、排気ファン５を駆動して筐体１の流入口３側から流出口４に向けて空気などの冷媒を送気すると、冷媒は各電池セルの軸方向と直交する方向に流通し、上流側の電池セルは冷気により充分に冷却されるが、下流側の電池セルは冷気が上流側の排熱により温められるため冷却能力が落ちてしまい、上流側の電池セルと下流側のそれとでは大きな温度差が生じやすく、これにより電池セル間の寿命にばらつきを生じさせることになる。

そしてまた、隣接する電池セル間の空隙、特に湾曲する曲面同士が隣接することにより形成される空隙は、電池セルが冷気と接触する表面積を増加させる一方で、多数の電池セルを筐体内に密に配設した構造においては、乱流や滞留を生じさせ、これが冷気の流れを阻害し、放熱効果を悪化させる原因になると考えられる。

そこで、本発明では電池収納空間７内に収納された電池セル群の表面に密着してそれらを覆う放熱部材１０を設け、それと同時に、放熱部材１０の設置位置および冷気の乱流や停滞を防止する機構を採用した。

本発明の第１実施例では図１および図２に示したように電池収納空間内に収納された下流側の半分の電池セル９群の上面および下面を覆うように放熱部材１０を取り付けた。電池セルの上面に取付ける放熱部材の断面形状は図３に示すように、その底部は連接して配列された円筒形電池セルの上面形状に密着するように円弧状の湾曲面１０ａが連続して形成され、またその上方部は右方に行くに従い肉厚が増大する一方で上面１０ｂは平滑面となっている。なお、電池収納空間７内に収納された下方の電池セル群の下面に取り付けられる放熱部材１０は図３に示したものを上下方向に対称としたものである。

上記のように筐体内の電池収納空間７内に電池セルを配置して放熱部材１０を取り付けた後に筐体の天板２ｄを取り付けた本発明における第１実施例の放熱機構は図２に示されているよう、上下の放熱部材の平滑面１０ｂと筐体の天板１ｄおよび底板１ａとの間にはそれぞれ上下対称となる空隙部Ｓ１，Ｓ２が形成され、その空隙部の上下の方向の幅は右方の流出口４に行くに従って狭くなっている。

本発明の第１実施例の放熱機構１によれば、筺体の右端に設けた排気用ファン５を駆動すると空気からなる冷媒が筐体の流入口３から筐体内に入り電池収納空間７に配置された電池セル群の上下部と筐体の上底板とのそれぞれの間に形成された上下２つの空隙通路Ｓ１、Ｓ２を通って筐体の右端の流出口４に至る流路が形成される。この際、流路の下流側にある電池セル群の内部で発生した熱は放熱部材１０の高伝導率によって流路中に放出されることになる。また、上下の放熱部材１０と筐体の天板２ｄおよび底板２ａとの間にそれぞれ形成された冷媒の上下方向の流路Ｓ１，Ｓ２が筐体の流出口４に向けて徐々に狭くなるため、流出口に向けて流速が増大することにより放熱部材１０の放熱効果を上げることができる。

電池セル群の放熱部材１０としては、例えば、銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い材料により構成される。そして、放熱を優先させる場合は熱伝導率が非常に高い材料である銅を用い、軽量化を優先させる場合は比重が小さい材料であるアルミニウムを用いるのが望ましい。

（評価）
本実施形態に係る放熱構造の放熱効果を評価するために、筐体２内に多数の電池セル９を配列しただけで放熱部材を使用しない場合（以下「従来例」と称す）と、放熱部材として単なる平板の放熱部材を用いた場合（以下、「比較例」という）と、本発明の第一実施例に従った放熱部材１０を使用した場合（以下「実施例」という）の電池セルの表面の温度変化を調べた。具体的には、第２図および図４に示したように、筐体２内に電池セル９を１８個左右方向に密接して並列に列設し、図４に示すように上段の電池セルのうち最上流側に位置する電池セルを電池１とし、そこから下流側に５個、１１個、１７個離れた電池をそれぞれ電池２、電池３、電池４として、全ての電池セルの充放電を開始してから定常状態に至ったときの上記電池１〜４の表面温度を測定した。

放熱部材は下流側（右側）の９個の電池セルの上下の表面に第１実施例のごとく配設した。この計測に用いた放熱機構の各部は、以下の寸法で設計されている。具体的には、筐体は、Ｘ方向の長さ４６０ｍｍ、Ｙ方向の長さ４４５ｍｍ、Ｚ方向の長さ５３．５ｍｍ、各壁面は厚さ３ｍｍの亜鉛メッキ鋼板で構成され、電池セルは、軸方向の長さ６９ｍｍ、直径１７．８ｍｍのニッケル水素電池で構成し、放熱部材は、上流側（図３に示すｂ部分）を厚さ１ｍｍ、下流側（ａ部分）は厚さ２．６ｍｍの銅板で構成し、流出口のファンは２０ｍｍ角吸気ファン（１０００ｒｐｍ）とした。

表１に、環境温度５０℃において測定した上記電池１〜電池４の表面温度を示す。

表１から、放熱部材を配設しない従来例の場合、冷媒としての空気が流通する方向の最上流側に配設された電池セル１と最下流側に配設され電池セル４との間で１１．２℃もの温度差が生じ、上流側と下流側の電池セルの充放電特性に大きな個体差が生じている。また、本実施形態に係る放熱部材を用いた場合は、従来例および比較例の場合に比して、上流側と下流側との電池セルの温度差がより平滑化されることが理解できる。これは、本実施形態の場合には、放熱部材の放熱効果に加えて、冷媒としての空気が電池セル表面と筐体の天板および底板との間の空隙Ｓ１，Ｓ２において乱流や滞留することがなくなるとともに、下流側に向かうほど流速が増して放熱効果が向上するためと考えられる。尚、本実施形態に係る放熱部材が上流側と下流側との温度差を平滑化できる度合は、平板状の放熱部材に比して０．５℃程度であるが、充放電は繰り返し長時間に亘って行われるため、この程度の温度差であっても十分な効果は期待できる。

以上、本実施形態に係る放熱機構によれば、空気等の冷媒通路の下流側における放熱効果を高め、電池セルの上流側と下流側との温度差を低減させることができる。そのため、電池セルの充放電特性に比較的大きな個体差が生じることを防止することができる。

＝＝＝第２の実施形態＝＝＝
図５は本発明の第２実施形態に係る放熱機構の天板を取り外して内部構造を上方から見たときの斜視図、図６は第２実施形態に係る放熱機構の内部構造を示す断面図である。

第２実施形態は、電池セルの上下表面の全体を覆うように、放熱部材を配設した点で第１の実施形態と相違する。その他の構成については、第１の実施形態と同様の構成であるため、第１実施形態と同一部材については同一の参照番号を付して説明は省略する。
第２実施形態における放熱部材１０ａは、図５および図６に示したよう、筐体内の電池収納空間に配設された全ての電池セル群の上面および下面を冷媒が流通する通路の上流端から下流端に至るまで覆うように設けられている。そして、その肉厚は上記上流端から下流端に向けて漸次大きくなっている。これにより、冷媒が流通する通路Ｓ１及びＳ２の間隙は上流端から下流端に向けて漸次狭くなっている。

（評価）
第２実施形態に係る放熱部材の放熱効果を評価するために、電池セルの表面の温度変化を第１実施例と同様に測定した。なお、第２実施例と比較するサンプルは、放熱部材を用いない従来例と、比較例としては均一な厚さの平坦な放熱部材を全ての電池セル群の上下面に配設した構成とした。

表２から、本実施形態に係る放熱部材を配設した場合、放熱部材を設けない場合（従来例）や、平板状の放熱部材を配設した場合に（比較例）比して、電池セルの表面の温度差がより平滑化されることが理解できる。

以上、本実施形態に係る放熱機構によれば、第１の実施形態と同様に、下流側における放熱効果を高め、電池セルの上流側と下流側との温度差を低減することができる。また、その温度差の低減の度合いとしては第２実施例の方が優れていると言える。

＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
上記実施例では、放熱部材を空気などの冷媒が流通する通路の中央から下流側に位置する電池セル群に対して設けた場合(第１実施例)と、全ての電池セル群に対して設けた場合(第２実施例)について説明したが、本発明はこれに限られず、放熱部材を電池セル群の中央より離れた下流側のみに配置するようにしてもよいし、またはこの放熱部剤を電池セル群の下流側から中央を越えて上流側に一部入り込む位置まで延長して設けても、電池セル群の温度差を低減させることができる。

また、上記各実施形態では、冷媒として空気を用いたが、他の気体を用いてもよいし、筐体内に冷媒を流通させる手段としては吸引ファンに代えて送風ファンを用いてもよい。

１…放電機構
２…筐体
３…流入口
４…流出口
５…排気ファン
６…充放電制御装置
９…電池セル
１０…放熱部材
１０ａ…放熱部材の湾曲面
１０ｂ…放熱部材の平坦面

Claims

蓄電装置によって充放電される筒型の電池セル群をその各電池セルの軸方向が平行となるように隣接して筐体内に列設し、
前記筐体には前記電池セル群の軸方向と直交する方向に冷媒を流通させる通路を設け、
前記冷媒の前記通路の少なくとも下流側に位置する前記電池セル群の周面にその周面形状に沿って接するとともにこれらの電池セル群の前記周面を覆う放熱部材を設け、
前記放熱部材の前記電池セル群と接する面と反対側の面を平坦面とし、前記平坦面と前記筐体の内面との間に前記冷媒が流通する前記通路を画成し、
前記通路を前記筐体の下流側に向かうに従い狭幅にしてなることを特徴とする電池セルの蓄電装置における放熱機構であって、
前記放熱部材の肉厚が前記冷媒の前記通路の上流側から下流側に向けて前記冷媒の前記通路方向に徐々に肉厚となるように形成されてなることを特徴とする、放熱機構。
前記放熱部材が前記電池セル群の中間よりも前記下流側に位置する電池セルの周面に接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の電池セルの蓄電装置における放熱機構。
前記放熱部材が前記電池セル群の全ての電池セルの周面に接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の電池セルの蓄電装置における放熱機構。
前記電池セル群が前記筐体内に前記電池セルの軸方向と直交する方向に２列に密接して配置され、各列の電池セル群の前記筐体の内面と対向する側周面に前記放熱部材を設けてなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に係る電池セルの蓄電装置における放熱機構。