JP7209949B2 - 冷却材及びこれを用いた蓄電パック - Google Patents
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Description
本出願は、2017年12月8日出願の日本出願第2017-236187号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
電池パック内の各単電池セルからの熱を逃がす方法としては、例えば、特許文献2(特開2012-155858号公報)には、各単電池セルに、電池セルの内部の電解液と、電池セルの外部に設けられた冷却システムとを接続する熱伝導部材(電熱板)を設けることが開示されている。
また、特許文献3(特開2010-211963号公報)には、蓄電素子の外面と接触し、蓄電素子からの熱を受けて蒸発可能な液状の冷媒を吸収した吸収シートを有する蓄電装置が開示されている。
冷媒と、多孔質で平板状の断熱材と、前記冷媒及び前記断熱材を密閉状態で封入する封入体と、を有し、
前記断熱材は、単位面積当たりの熱伝導率が300W/(K・m2)以下であり、かつ、厚みが0.5mm以上、10.0mm以下であり、
前記封入体は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含むシート部材からなる。
複数の蓄電モジュールを備えた蓄電パックであって、
前記蓄電モジュールは複数の蓄電セルを有し、
少なくとも、前記複数の蓄電セルの間に、本開示の冷却材を有する。
複数の蓄電モジュールを備えた蓄電パックであって、
前記蓄電モジュールは複数の蓄電セルを有し、
少なくとも、前記複数の蓄電モジュールの間に、本開示の冷却材を有する。
従来の放熱手段は、通常の使用状態において効率よく熱を逃がすため、熱伝導率が高い金属製の材料によって構成されている。
しかしながら冷却材として熱伝導率が高い材料を用いていると、仮に、電池パック内において何らかの理由によって単電池セルが異常な発熱を起こすと、その熱は熱伝導部材を通じてすぐに隣接する単電池セルに伝わってしまう。
本開示によれば、平時においては蓄電セルや蓄電モジュール等の発熱体を冷却する冷却性を発揮し、発熱体が異常な発熱を起こした場合にはその熱が隣接する部材に伝わり難くする断熱性を発揮することが可能な冷却材を提供することができる。
更に、本開示によれば、平時においては蓄電パック内の蓄電セル又は蓄電モジュールが冷却され、蓄電パック内の一部の蓄電セル又は蓄電モジュールが異常な発熱を起こした場合にはその熱が付近の蓄電セル又は蓄電モジュールに伝わり難い蓄電パックを提供することができる。
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
(1)本開示の一実施形態に係る冷却材は、冷媒と、多孔質で平板状の断熱材と、前記冷媒及び前記断熱材を密閉状態で封入する封入体と、を有する。前記断熱材は、単位面積当たりの熱伝導率が300W/(K・m2)以下であり、かつ、厚みが0.5mm以上、10.0mm以下である。
上記(1)に記載の冷却材によれば、平時においては蓄電セルや蓄電モジュール等の発熱体を冷却する冷却性を発揮し、発熱体が異常な発熱を起こした場合にはその熱が隣接する部材に伝わり難くする断熱性を発揮することが可能な冷却材を提供することができる。
なお、本開示において「単位面積当たりの熱伝導率(W/(K・m2))」とは、材料固有の熱伝導率(W/(K・m))をその材料の厚みで割ったものをいうものとする。
(3)上記(1)又は上記(2)に記載の冷却材は、前記断熱材の、単位面積当たりの熱伝導率が60W/(K・m2)以下であることが好ましい。
上記(2)又は上記(3)に記載の冷却材によれば、蓄電セルや蓄電モジュール等の発熱体が異常な発熱を起こした場合に、より優れた断熱性を発揮することが可能な冷却材を提供することができる。
(5)上記(1)から上記(4)のいずれか一項に記載の冷却材は、前記断熱材の厚みが0.5mm以上、2.0mm以下であることが好ましい。
上記(4)又は上記(5)に記載の冷却材によれば、蓄電セルや蓄電モジュール等の発熱体が異常な発熱を起こした場合に、より優れた断熱性を発揮することが可能であり、かつ、蓄電パックの小型化に寄与する冷却材を提供することができる。
上記(6)に記載の冷却材によれば、冷媒の保持量が多く、平時においてより高い冷却性能を発揮することが可能な冷却材を提供することができる。
(9)本開示の別の実施形態に係る蓄電パックは、複数の蓄電モジュールを備えた蓄電パックであって、前記蓄電モジュールは複数の蓄電セルを有し、少なくとも、前記複数の蓄電モジュールの間に、上記(1)から上記(7)のいずれか一項に記載の冷却材を有する、蓄電パック、である。
上記(8)又は上記(9)に記載の蓄電パックによれば、平時においては蓄電パック内の蓄電セル又は蓄電モジュールが冷却され、蓄電パック内の一部の蓄電セル又は蓄電モジュールが異常な発熱を起こした場合にはその熱が付近の蓄電セル又は蓄電モジュールに伝わり難い蓄電パックを提供することができる。
上記(9)に記載の蓄電パックによれば、エネルギー密度が高い有機電解液を有する蓄電パックであって、蓄電セルや蓄電モジュール等の発熱体が異常な発熱を起こした場合であっても、冷却材が断熱性を発揮して他の正常な発熱体に熱が伝わり難くすることが可能な蓄電パックを提供することができる。また、蓄電パック内の一部の蓄電セル又は蓄電モジュールが発火したとしても、隣接する蓄電セル又は蓄電モジュールへ延焼するまでの時間を遅くすることが可能な蓄電パックを提供することができる。
本開示の実施形態に係る冷却材及びこれを用いた蓄電パックの具体例を、以下に、より詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図1に本開示の実施形態に係る冷却材の一例の概略図を示す。図1に示すように、本開示の実施形態に係る冷却材10は、冷媒12と、多孔質で平板状の断熱材11と、封入体13と、を有する。封入体13は、冷媒12及び断熱材11を密閉状態で封入するものである。また、断熱材11は、単位面積当たりの熱伝導率が300W/(K・m2)以下であり、厚みが0.5mm以上、10.0mm以下である。
[非特許文献1]
「自動車部品-ワイヤハーネスコネクタ試験方法及び一般性能要件」、JASO 自動車規格、公益社団法人自動車技術会、JASO D616:2011
(冷媒)
冷媒12は、液体と気体とに状態が変化するものである。冷媒12は、例えば、パーフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロケトン、フッ素不活性液体等のフッ素系有機溶媒、水、メタノール、エタノール等のアルコールからなる群から選ばれる1つ、又は複数を用いることができる。冷媒12は、絶縁性を有していてもよく、また、導電性を有していてもよい。封入体13の内部に封入される冷媒12の量は、必要に応じて適宜に選択できる。
断熱材11は平板状であり、典型的には略長方形をなしている。断熱材11は、冷媒12を吸収可能なように多孔質の材料によって形成されていればよい。断熱材11として用いることが可能な材料としては、繊維状に加工した材料を織物あるいは不織布としたものや、粒子を焼結したもの等が挙げられる。断熱材11を構成する材料としては、天然繊維でもよく、また、合成樹脂からなる合成繊維であってもよく、また、天然繊維と合成繊維の双方を用いたものであってもよい。
ガラスウールとしては、例えば、ガラス繊維をまとめて綿状にしたものや、ガラス繊維をバインダーと混合して成形したもの等が挙げられる。厚みの安定性やガラス繊維の脱落防止などの観点から、ガラスウールはバインダーを用いてシート状に成形したものが好ましい。ガラスウールは密度が大きいほど断熱性が高くなるため、密度が大きいガラスウールを用いることが好ましい。ガラスウールの密度は1.5kg/m3以上であることが好ましく、2kg/m3以上であることがより好ましく、2.2kg/m3以上であることが更に好ましい。
マイクロビーズ多孔体としては、例えば、1μmから10μm程度の球状の粒子を焼結して、シート状に成形したものが挙げられる。マイクロビーズ多孔体の材質としては、ポリアミドイミド、ポリイミド等の高分子やガラス等が挙げられる。
不織布としては、例えば、繊維シート、ウェブ(繊維だけで構成された薄い膜状のシート)、又はバット(毛布状の繊維)等が挙げられる。
[非特許文献2]
松村英樹、松島和男、「リチウムイオン電池の安全性評価試験における発生事象について」、交通安全環境研究所フォーラム講演概要集、交通安全環境研究所、2012年、pp.135-138
[非特許文献3]
北野真也、他4名、「LiCoO2正極を用いたリチウムイオン電池の過充電状態における発熱挙動」、GS Yuasa Technical Report、株式会社GSユアサ、2005年12月、第2巻、第2号、pp.18-24
本開示の実施形態に係る冷却材は蓄電セルや蓄電モジュール等の発熱体同士の間に配置して用いられるものであるため、エネルギー密度を高くするためには出力に関与しない冷却材の厚みはなるべく薄い方が好ましい。冷却材10の厚みを薄くするためには、断熱材11も薄いものであることが好ましい。
通常は発熱体が平板状であるため、発熱体の主面の大きさと同程度か、これよりも僅かに大きい主面を有する冷却材とすればよい。
封入体13は、例えば略長方形状をなす2つのシート部材を、接着、溶着、溶接等の公知の手法により液密に接合して形成されたものである。各シート部材は、金属製シートの両面に合成樹脂製のフィルムが積層されてなることが好ましい。封入体13は、例えば、前記シート部材における合成樹脂製のフィルムが積層された面同士を重ね合わせて熱融着することで形成される。
金属製シートを構成する金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等を挙げることができ、必要に応じて任意の金属を選択できる。
合成樹脂製のフィルムを構成する合成樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ナイロン6、ナイロン6,6等のポリアミド等を挙げることができ、必要に応じて任意の合成樹脂を選択できる。
蓄電パックは、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載され、モータ等の負荷に電力を供給するものである。
本開示の実施形態に係る蓄電パックの一例においては、複数の蓄電モジュールを備え、前記蓄電モジュールは複数の蓄電セルを有しており、少なくとも、前記複数の蓄電セルの間に、前述の本開示の実施形態に係る冷却材が配置されていればよい。
また、蓄電パック内において、各蓄電モジュールの間に冷却材10が配置されていてもよいし、配置されていなくてもよい。非常時における断熱性を向上させる観点からは、各蓄電モジュールの間にも冷却材10が配置されている方が好ましい。
蓄電セル21としては、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等の二次電池を用いてもよく、また、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタを用いてもよく、必要に応じて任意の種類を適宜に選択できる。蓄電セルが電解液として有機電解液を有する場合には、異常発熱により発火する虞があるため、蓄電パックは、蓄電セル間や蓄電モジュール間に本開示の実施形態に係る冷却材を備えることが好ましい。
封入体として三方が熱融着されたアルミラミネートシートを、冷媒としてフッ素系有機溶媒を用意した。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が300W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが10.0mmであり、密度が2.3kg/m3のガラスウールNo.1を用意した。ガラスウールNo.1は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
封入体内に、冷媒とガラスウールNo.1を収容して、冷却材No.1を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が300W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが5.0mmであり、密度が3.5kg/m3のガラスウールNo.2を用意した。ガラスウールNo.2は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.2を用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.2を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が300W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが0.5mmであり、密度が10kg/m3のガラスウールNo.3を用意した。ガラスウールNo.3は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.3を用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.3を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が100W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが10.0mmであり、密度が5.2kg/m3のガラスウールNo.4を用意した。ガラスウールNo.4は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.4を用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.4を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が100W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが5.0mmであり、密度が7.6kg/m3のガラスウールNo.5を用意した。ガラスウールNo.5は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.5を用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.5を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が100W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが0.5mmであり、密度が15kg/m3のガラスウールNo.6を用意した。ガラスウールNo.6は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.6を用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.6を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が60W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが10.0mmであり、密度が7.6kg/m3のガラスウールNo.7を用意した。ガラスウールNo.7は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.7を用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.7を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が60W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが5.0mmであり、密度が14.2kg/m3のガラスウールNo.8を用意した。ガラスウールNo.8は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.8を用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.8を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が60W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが2.0mmであり、密度が17kg/m3のガラスウールNo.9を用意した。ガラスウールNo.9は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.9を用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.9を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が60W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが0.5mmであり、密度が24kg/m3のガラスウールNo.10を用意した。ガラスウールNo.10は、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.10を用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.10を得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が400W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが1.0mmであり、密度が3.5kg/m3のガラスウールNo.Aを用意した。ガラスウールNo.Aは、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.Aを用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.Aを得た。
断熱材として、単位面積当たりの熱伝導率が300W/(K・m2)であり、主面の大きさが5cm×5cm、厚みが15.0mmであり、密度が1.7kg/m3のガラスウールNo.Bを用意した。ガラスウールNo.Bは、ガラス繊維をポリビニルアルコール(バインダー)と混合して成形したものを用いた。
実施例1において、ガラスウールNo.1の替わりにガラスウールNo.Bを用いた以外は実施例1と同様にして冷却材No.Bを得た。
冷却材No.1~冷却材No.10及び冷却材No.A、冷却材No.Bを用いて断熱性の評価を行なった。
断熱性の評価は図3に示すように、ホットプレート31に冷却材30をオートグラフ37によって接触させることにより行なった。対流の影響を排除するため、ホットプレート31等はチャンバー36内に配置し、チャンバー36内はスクラバー38によって脱気した。図4にチャンバー36内の拡大図を示す。チャンバー36内においては、予め450℃に調節したホットプレート31上に、各冷却材30、厚みが2mmのアルミニウム板33、熱電対32、厚みが1mmのアルミナ板34、金属ブロック35を配置し、経過時間による温度変化を計測した。金属ブロック35は、冷却材30が膨れることによってホットプレート31との接触不良が生じることを防止するためのものであり、5cm×5cm当たり1.1kgの荷重がかかるようにした。
各冷却材について、計測開始から40秒後の温度及び70秒後の温度を表1に表す。
表1より、本開示の実施形態に係る冷却材No.1~冷却材No.3は、450℃の発熱体(ホットプレート)に接触してから40秒以上、200℃以下の状態を保つことができ、冷却材No.4~冷却材No.10は70秒以上、200℃以下の状態を保つことができることが示された。
11 断熱材
12 冷媒
13 封入体
20 蓄電モジュール
21 蓄電セル
22 電極
30 冷却材
31 ホットプレート
32 熱電対
33 アルミニウム板
34 アルミナ板
35 金属ブロック
36 チャンバー
37 オートグラフ
38 スクラバー
Claims (10)
- 冷媒と、多孔質で平板状の断熱材と、前記冷媒及び前記断熱材を密閉状態で封入する封入体と、を有し、
前記断熱材は、単位面積当たりの熱伝導率が300W/(K・m2)以下であり、かつ、厚みが0.5mm以上、10.0mm以下であり、
前記封入体は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含むシート部材からなる、
冷却材。 - 前記断熱材は、単位面積当たりの熱伝導率が100W/(K・m2)以下である、請求項1に記載の冷却材。
- 前記断熱材は、単位面積当たりの熱伝導率が60W/(K・m2)以下である、請求項1又は請求項2に記載の冷却材。
- 前記断熱材は、厚みが0.5mm以上、5.0mm以下である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の冷却材。
- 前記断熱材は、厚みが0.5mm以上、2.0mm以下である、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の冷却材。
- 前記断熱材は、ガラスウール、マイクロビーズ多孔体、又は不織布である、
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の冷却材。 - 前記断熱材は、ガラスウールであり、
前記冷媒は、フッ素系有機溶媒であり、
前記封入体は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含むシート部材からなる、
請求項1に記載の冷却材。 - 複数の蓄電モジュールを備えた蓄電パックであって、
前記蓄電モジュールは複数の蓄電セルを有し、
少なくとも、前記複数の蓄電セルの間に、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の冷却材を有する、蓄電パック。 - 複数の蓄電モジュールを備えた蓄電パックであって、
前記蓄電モジュールは複数の蓄電セルを有し、
少なくとも、前記複数の蓄電モジュールの間に、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の冷却材を有する、蓄電パック。 - 前記蓄電セルは、電解液として有機電解液を有する、請求項8又は請求項9に記載の蓄電パック。
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