JP7159543B2 - 蓄電装置 - Google Patents
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Description
近年、蓄電素子及び蓄電装置のさらなる容量の増大が求められている。蓄電素子の容量を増大すると、一つの蓄電素子が過熱状態となったときにその蓄電素子から放出されるエネルギー及び熱も非常に大きい。蓄電素子間の空気層や仕切部材の厚みを増せば、断熱性を高めることができるが、それらの手法では、蓄電装置としてのエネルギー密度が低下する。そのため、エネルギー密度を低下させることなく蓄電素子間の過熱状態の連鎖を防止できる新しい対策が求められている。
また、液体は伝熱部に内蔵されているので、気化した後、伝熱部内で液化し、蓄電素子の冷却に再利用され、蓄電素子は効率良く冷却される。
(第1実施形態)
図1は第1実施形態に係る蓄電素子1の斜視図である。以下、蓄電素子1がリチウムイオン二次電池である場合を説明するが、蓄電素子1はリチウムイオン二次電池には限定されない。
蓄電素子1は、蓋板2及びケース本体3を有するケース11、正極端子4、負極端子8、ガスケット6,10、破裂弁20、集電体及び電極体(不図示)を備える。
ガスケット6は例えばポリフェニレンサルファイド(PPS)又はポリプロピレン(PP)等の合成樹脂製である。正極端子4は、ガスケット6により板部の内面、及び軸部を覆われ、絶縁された状態で、蓋板2を貫通するように設けられている。
電極体は、正極板と負極板とをセパレータを介して扁平状に巻回して得られる巻回タイプであってもよい。
電極体は、充放電に伴う膨れ(ケース11のような金属ケース、ラミネート構造のパウチケース等の外装体の膨れ)が少ない、積層タイプがより好ましい。外装体の膨れが少ないので、通常使用時に外装体が伝熱部31を圧迫することを抑制できる。
正極活物質層に用いられる正極活物質、又は負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質又は負極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。
蓄電装置100は、複数の蓄電素子1と、蓄電素子1を冷却する冷却部30と、蓄電素子1及び冷却部30を収納するケース40とを備える。図2においては、蓄電素子1が3個収納されているが、蓄電素子1の数は3個に限定されない。
ケース40は箱状をなし、例えば合成樹脂等の絶縁性の材料からなる。ケース40は蓄電素子1及び冷却部30を所定の位置に配置し、これらを衝撃から保護する。ケース40には、外部からの電気を充電し、外部へ電気を放電するための外部電極端子(不図示)が設けられている。
図3に示すように、冷却部30は、板状の伝熱部31と、伝熱部31を連結する連結部32,33と、内圧開放弁34とを備える。2個の伝熱部31は、隣接する蓄電素子1の長側面間に介在し、2個の伝熱部31は両端の蓄電素子1の外側の長側面に当接する。ここで、長側面とは、図1における蓄電素子1の底面の長辺から上に延びるように設けられており、側面のうちで最も大きな面積を有する側面をいう。一方の外側の伝熱部31の上面には内圧開放弁34が設けられている。伝熱部31の数は蓄電素子1の数に対応して設けられてもよい。伝熱部31は蓄電素子1間に介在し、さらに両端の蓄電素子1の外側の長側面に当接するように設けられる。
外側の伝熱部31は省略することができる。例えば蓄電素子1の数が5個である場合、蓄電素子1間に4個の伝熱部31を配置し、4個の伝熱部31を連結部32,33により連結する。外側の蓄電素子1の長側面はケース40の側面に当接させる。外側の伝熱部31を設ける方が冷却効率はより良好である。
内圧開放弁34は円状の溝であり、図4に示すように、溝の底部の厚みが他の部分の厚みより薄い。内圧開放弁34は切削加工、プレス加工等により形成される。内圧開放弁34を切削加工により形成する場合、3次元NC等の曲面を切削できる装置が用いられる。内圧開放弁34をプレス加工により形成する場合、突起を有する金型により刻印を押すように形成される。
液体の収容量は、伝熱部31、及び連結部32,33の内容積、蓄電素子1の想定される発熱温度、液体が気化したときの体積等に基づいて、伝熱部31が破損しないように設定する。
隣接する伝熱部31の長側面の一端の下部は、連結部33により連結されている。連結部33は中空であり、連結する伝熱部31内の液体が連結部33内を通流するように構成されている。
即ち、隣接する伝熱部31、連結部32、及び連結部33は、内部空間が連通している。
冷却部30には、液体として水Wが収容されており、中央の蓄電素子1が発熱したとする。
発熱した蓄電素子1から両側の伝熱部31,31に熱が伝導され、伝熱部31内の水Wが蒸発する(図5A)。水Wが蒸発するときの気化熱は大きく、吸熱反応により蓄電素子1は急速に冷却される。発熱した蓄電素子1の両側の伝熱部31内の水Wの量は、蒸発によって減る。
蓄電素子1の冷却の構造は簡単であり、程度が低い発熱が生じたときにも蓄電素子1を冷却できる。
また、液体は伝熱部31に内蔵されているので、気化した後、伝熱部31内で液化し、蓄電素子1の冷却に再利用され、蓄電素子1を効率良く冷却する。
従って、液体は蓄電素子1の冷却に再利用され、蓄電素子1は効率良く冷却される。
また、一つの蓄電素子1における、一方の伝熱部31に接触する長側面と、他方の伝熱部31に接触する長側面との間の温度差が低減し、蓄電素子1間の温度差が低減する。そして、気体及び液体の循環により、複数の蓄電素子1間の温度差を減じて効率良く冷却することができる。異常ではない、程度が低い発熱が生じた場合においても、伝熱部31により、蓄電素子1からの熱が良好に放熱され、蓄電素子1間の温度差が低減される。
なお、冷却部30の構造は、図3の構造に限定されない。4つの伝熱部31の長手方向の各一端の上部及び下部を、それぞれ角筒が貫通するようにして、連結部を設けてもよい。
図6は、第2実施形態に係る冷却部35の斜視図である。図中、図3と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。
冷却部35は、4つの伝熱部31と、冷却プレート36とを備える。
冷却部35は、4つの伝熱部31が連結部32,33により連結されている第1実施形態と異なり、4つの伝熱部31の端面31aが冷却プレート36に当接している。伝熱部31には、第1実施形態と同様に、液体として例えば水が収容されている。
伝熱部31と冷却プレート36とは、内部空間が連通されていてもよいし、内部空間が連通されていなくてもよい。
中央の蓄電素子1が発熱した場合、第1実施形態と同様に、蓄電素子1に当接する伝熱部31内の水が蓄電素子1から気化熱を奪って蒸発し、蓄電素子1が急冷される。この伝熱部31内の水量は減る。生じた水蒸気は冷却プレート36を介して他の伝熱部31へ流れ、凝縮により生じた水が、水量が減じた伝熱部31へ流れる。水はまた吸熱して蓄電素子1を冷却し、生じた水蒸気が上述のように循環する。冷却プレート36は、当接している蓄電素子1の側面も冷却する。
従って、液体は蓄電素子1の冷却に再利用され、蓄電素子1を効率良く冷却する。
また、一つの蓄電素子1の一方の長側面と他方の長側面との間の温度差が低減し、蓄電素子1間の温度差が低減する。そして、気体及び液体の循環により、複数の蓄電素子1間の温度差を減じて効率良く冷却することができる。異常ではない、程度が低い発熱が生じた場合においても、伝熱部31により、蓄電素子1からの熱が良好に放熱され、蓄電素子1間の温度差が低減される。
図8は、第3実施形態に係る冷却部37の斜視図である。図中、図3と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。
第3実施形態の冷却部37は、第1実施形態の冷却部30の4つの伝熱部31の底面31bが冷却プレート38に当接した構成を有する。伝熱部31には、第1実施形態と同様に、液体として、例えば水が収容されている。
伝熱部31と冷却プレート38とは、内部空間が連通されていない。冷却プレート38は冷却装置(不図示)により冷却するように構成してもよい。
図9は、第4実施形態に係る冷却部39の斜視図である。図中、図3と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施形態においては、各伝熱部31の上面の中央部に内圧開放弁34が設けられている。
この蓄電素子1の熱により、隣接する伝熱部31の内圧開放弁34が開放する。図10においては、隣接する2つの伝熱部31の内圧開放弁34が開放した場合を示す。
内圧開放弁34から蒸気が噴出し、このときの気化熱により蓄電素子1が冷却される。
伝熱部31は連結部32,33により連結されているので、内圧開放弁34が開放していない伝熱部31内の液体が常に供給され、蓄電素子1の冷却が継続される。
この液体の量が、合計で一つの蓄電素子1を冷却できる量であれば、エネルギー密度の減少を最小限に抑えて、過熱状態の連鎖を効率よく抑制できる。
第1実施形態乃至第3実施形態において、蓄電素子1がリチウムイオン二次電池である場合につき説明しているが、蓄電素子1はリチウムイオン二次電池には限定されない。蓄電素子1は、有機溶剤を有する他の二次電池であってもよいし、一次電池であってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。
本発明に係る蓄電装置は、車両用の動力源として特に好適に利用することができる。また、本発明に係る蓄電装置は、蓄電システム(大規模蓄電システム、家庭用小規模蓄電システム)、太陽光や風力等の自然エネルギーと組わせた分散電源システム、鉄道向け電源システム、無人搬送車(AGV)向け電源システムといった産業用途にも好適に利用することができる。
2 蓋板
3 ケース本体
4 正極端子
8 負極端子
6、10 ガスケット
11 ケース
20 破裂弁
30、35、37、39 冷却部
31 伝熱部
32、33 連結部
34 内圧開放弁
36、38 冷却プレート
40 ケース
100 蓄電装置
Claims (4)
- 複数の蓄電素子と、
前記蓄電素子を冷却する冷却部とを備え、
前記冷却部は、液体を内蔵し、少なくとも前記蓄電素子間に配置され、前記蓄電素子に接触して、前記液体の気化熱により前記蓄電素子を冷却する伝熱部を有し、
前記伝熱部内に内蔵される前記液体が気化して生じた気体が前記伝熱部内で液化して液体となり、前記液体の気化熱により前記蓄電素子を冷却し、
前記冷却部は、該冷却部の内圧が所定の圧力を超えた場合に、前記内圧を開放する内圧開放弁を有し、
前記内圧開放弁は、前記冷却部において前記蓄電素子に設けられる破裂弁と同じ方向を向くよう配置されていることを特徴とする蓄電装置。 - 内部空間が連通するように複数の前記伝熱部を連結する連結部を有することを特徴とする請求項1に記載の蓄電装置。
- 前記蓄電素子それぞれが直方体状に形成され、
前記冷却部は、前記蓄電素子それぞれの前記伝熱部が当接する長側面とは異なる面に接触して、前記複数の蓄電素子を冷却する冷却プレートを備え、
前記冷却部は、前記冷却プレートと前記伝熱部との間で熱が伝導可能に構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄電装置。 - 前記冷却プレートと前記伝熱部とは、前記液体、又は該液体が気化した気体が循環できるように一体化されていることを特徴とする請求項3に記載の蓄電装置。
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