(57)【要約】【課題】複数の電池セルを用いた電池システムにおいて、冷却効果の均一化に貢献することができ、電池セルの経年劣化を抑制して長寿命化に貢献することができる電池システムを提供する。【解決手段】本発明は、複数の電池セル１０が配列して構成された電池モジュール２０と、電池セル１０に接するようにして配されて内部に冷媒が流通する冷媒流路２を有し、流入する液相の冷媒を蒸発させる蒸発部３と、蒸発部３から流出する冷媒を圧縮する圧縮機４と、圧縮機４で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器５と、凝縮器５で凝縮された冷媒を膨張させて蒸発部３に供給する膨張弁６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルが配列して構成された電池モジュールと、
該電池モジュールの電池セルに接するようにして配され、内部に冷媒が流通する冷媒流路を有し、流入する液相の冷媒を蒸発させる蒸発部と、
蒸発部から流出する冷媒を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、
凝縮器で凝縮された冷媒を膨張させて蒸発部に供給する膨張弁と、
を備えることを特徴とする電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電池システムにおいて、
前記冷媒には、揮発性絶縁流体が用いられている
ことを特徴とする電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の電池システムにおいて、
前記蒸発部から前記圧縮機へと流入する冷媒と、前記凝縮器から前記膨張弁に流入するする冷媒と、の間に熱交換器を配置し、
前記蒸発部では、液相から二相流までの範囲で冷媒を加熱し、
前記熱交換器では、前記蒸発部から流入する二相流の冷媒を気相にまで加熱する
ことを特徴とする電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の電池システムにおいて、
前記蒸発部は、
複数の前記冷媒流路を形成した本体部と、
前記本体部と一体に設けられて前記冷媒流路と連通する冷媒の流入部及び流出部と、
を備えることを特徴とする電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の電池システムにおいて、
前記蒸発部は、
前記複数の電池セルのうち、隣接する前記電池セルの間に配置されるとともに、その両方の対向する壁面に密着して配置している
ことを特徴とする電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の二次電池を有する電池群と、この電池群を収容したケースと、を備え、電池群の周囲に冷却空気を流すことによって電池群の各二次電池を冷却してシステムの温度上昇を抑制するように構成した電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１９２２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した電池システムにあっては、二次電池の蓄放電時の電流を大きくした場合、二次電池の発熱量も大きくなるため、上述した空調機やファン等を用いた空冷方式では冷却不足になる虞れがあった。この際、冷却空気の流れに対して下流側に位置する二次電池には、上流側に位置する二次電池を冷却した後の温度が上昇した空気によって冷却するため、上流側に配置された二次電池と下流側に配置された二次電池とで冷却効果に偏りができてしまい、下流側に配置された二次電池が早期に劣化する要因となってしまうなどの問題も生じていた。
【０００５】
そこで、本発明は、複数の電池セルを用いた電池システムにおいて、冷却効果の均一化に貢献することができ、電池セルの経年劣化を抑制して長寿命化に貢献することができる電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を提案している。
本発明の電池システムは、複数の電池セルが配列して構成された電池モジュールと、該電池モジュールの電池セルに接するようにして配され、内部に冷媒が流通する冷媒流路を有し、流入する液相の冷媒を蒸発させる蒸発部と、蒸発部から流出する冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された冷媒を膨張させて蒸発部に供給する膨張弁とを備えることを特徴としている。
【０００７】
この構成よれば、気体の冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で冷却して圧力が高い液体をつくり、膨張弁で圧力を下げ、蒸発部で低温で気化させ、その気化熱で電池セルとで熱交換することにより、蒸発部の蒸発過程時における冷媒は等温となるため、冷却性能が低下することなく電池セルの冷却効果の均一化に貢献することができうえ、電池セルの経年劣化を抑制して長寿命化に貢献することができる。
【０００８】
また、本発明の電池システムでは、前記冷媒には揮発性絶縁流体を用いることにより、環境汚染をもたらすことがない。
【０００９】
また、本発明の電池システムは、前記蒸発部から前記圧縮機へと流入する冷媒と、前記凝縮器から前記膨張弁に流入するする冷媒と、の間に熱交換器を配置し、前記蒸発部では、液相から二相流までの範囲で冷媒を加熱し、前記熱交換器では、前記蒸発部から流入する二相流の冷媒を気相にまで加熱することを特徴としている。
【００１０】
この構成によれば、多数の電池モジュールを配置した大型な電池システムを構築することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の電池システムでは、前記蒸発部は、複数の前記冷媒流路を形成した本体部と、前記本体部と一体に設けられて前記冷媒流路と連通する冷媒の流入部及び流出部と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
この構成によれば、簡素で安価な蒸発部を構成することができる。
【００１３】
しかも、本発明の電池システムでは、前記蒸発部は、前記複数の電池セルのうち、隣接する前記電池セルの間に配置されるとともに、その両方の対向する壁面に密着して配置していることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、蒸発部に電池セルが密着していることから、電池セルを効率良く冷却することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電池システムによれば、複数の二次電池を用いた電池システムにおいて、冷却効果の均一化に貢献することができ、二次電池の経年劣化を抑制して長寿命化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電池システムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電池システムに適用される電池セルの一部を破断した斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電池システムに適用される電池モジュールの平面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電池システムに適用される蒸発部の一例を示し、（Ａ）は蒸発部の側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る電池システムにおける冷却サイクルのグラフ図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る変形例の電池システムのブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る変形例の電池システムにおける冷却サイクルのグラフ図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る変形例の電池システムの説明図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る変形例の電池システムにおける蒸発部の配置例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の一実施形態に係る電池システムについて、図面を参照して説明する。  
図１は本発明の一実施形態に係る電池システムのブロック図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明の電池システム１は、複数の二次電池（以下、「電池セル」と称する）１０が配列して構成された電池モジュール２０と、電池セル１０に接するようにして配されて内部に冷媒が流通する冷媒流路２を有し、流入する液相の冷媒を蒸発させる蒸発部３と、蒸発部３から流出する冷媒を圧縮する圧縮機４と、圧縮機４で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器５と、凝縮器５で凝縮された冷媒を膨張させて蒸発部３に供給する膨張弁６と、を備える。
【００１９】
なお、電池システム１で用いられる冷媒としては、ＶＤＦ（Ｖａｐｏｒｉｚａｂｌｅ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｌｕｉｄ：揮発性絶縁流体）を用いており、具体的には代替フロン系冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ）を用いている。
【００２０】
［電池セル１０の構成］
図２は、電池セル１０の一部を破断した斜視図である。図２に示すように、電池セル１０は、内部に電解液を貯留する電池容器１１を備えている。電池セル１０は、例えば、リチウムイオン二次電池である。電池容器１１は、例えば、アルミニウム製の中空容器である。本例の電池容器１１は、外形が略角柱状（略直方体状）である。電池容器１１は、開口部を有する筒状体１１ａと、筒状体１１ａの開口部を塞ぐ蓋１１ｂとからなっている。
【００２１】
蓋１１ｂに、電極端子１２、１３及び電解液の注入口１４が設けられている。例えば、電極端子１２が正極端子であり、電極端子１３が負極端子である。電池容器１１の内部に、電極１５，１６及びセパレータ１７が収容されている。
【００２２】
電極１５，１６は、導体箔や導体薄板などのシート状の集電体（導体）を母材とし、母材の表面に電解液の種類に応じた電極活物質のコーティングがなされたものである。電極１５は、例えば、正極板であり、アルミニウム製の母材の表面にリチウム含有のフッ化鉄からなる電極活物質（正極活物質）を含有する正極活物質層が形成されている。電極１６は、例えば、負極板であり、電解液と接触する部分がグラファイトからなる。
【００２３】
電極１５は、電極１６と対向して配置されている。電極１５，１６は、互いに対向する方向に繰り返し配置されている。電極１５，１６の間にセパレータ１７が設けられており、電極１５，１６が互いに接触しないようになっている。セパレータ１７は、例えば、多孔質の樹脂フィルムなどの絶縁材料からなる。なお、図２においては、説明の便宜上、セパレータ１７の肉厚を電極１５，１６の肉厚よりも薄く図示しているが、実際の肉厚関係を示すものではない。
【００２４】
電極１５における電極端子１２側の端部には、電極タブ１５ａが形成されている。繰返し配置された複数の電極１５の電極タブ１５ａが一括して、電極端子１２と電気的に接続されている。電極１６における電極端子１３側の端部には、電極タブ１６ａが形成されている。繰返し配置された複数の電極１６の電極タブ１６ａが一括して、電極端子１３と電気的に接続されている。
【００２５】
電池容器１１の内部には、電解液が電極１５，１６と接触するように貯留される。リチウムイオン二次電池の電解液としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸ジエチル、炭酸メチルエチル、炭酸プロピレンなどの有機溶媒に、六フッ化リン酸リチウムや四フッ化ホウ酸リチウムなどのリチウム塩を溶解した溶液などが挙げられる。また、電池セル１０が、ナトリウム二次電池の場合、ナトリウム二次電池の電解液としては、例えば、有機溶媒に過塩素酸ナトリウムなどのナトリウム塩を溶解した溶液などが挙げられる。
【００２６】
［電池モジュール２０の構成］
図３は、電池モジュール２０の平面図である。なお、この図３では、隣接する２つ（一対）の電池セル１０を４組（４列）に配列した場合で説明する。また、以下の説明では、この配列状態を１つの電池セルユニットと称する。
【００２７】
図３に示すように、電池モジュール２０は、１つの電池セルユニットの両側面に位置する一対の拘束板２１，２１と、一対の拘束板２１，２１により１つの電池セルユニットを保持するシャフト部材２２，２２と、を備えている。
【００２８】
一対の拘束板２１，２１は、耐熱性に高く、ある程度の剛性を有する金属板（例えば、アルミ）等が用いられている。シャフト部材２２，２２は、拘束板２１，２１と同等又は別の金属等から円柱又は角柱体に構成されている。シャフト部材２２，２２は、その両端面に雌ネジ孔が形成されており、ボルト等によって拘束板２１，２１の四隅付近に固定される。シャフト部材２２，２２は、その長さによって一対の拘束板２１，２１の対向間隔を規定する。したがって、シャフト部材２２，２２の長さは、一対の拘束板２１，２１によって保持する１つの電池セルユニットによって決定する。
【００２９】
［蒸発部３の構成］
図４は、蒸発部３の一例を示し、図４（Ａ）は電池セル１０を配置した状態の蒸発部３の側面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図３に示したように、蒸発部３は一対の電池セル１０の各列の間に密着状態で配置している。なお、図３では、蒸発部３は、拘束板２１と電池セル１０との間には配置していないが、この拘束板２１と電池セル１０との間にも密着状態で配置することができる。
【００３０】
熱交換機能としての蒸発部３は、冷媒を蒸発・気化させる。蒸発部３は、図４（Ａ）に示すように、側面視において矩形（長方形）の本体部３ａと、この本体部３ａの対向する二辺に逆向き三角形状の流入部３ｂ及び流出部３ｃと、を一体に備えている。蒸発部３には、図４（Ｂ）に示すように、複数の冷媒流路２が形成されている。この冷媒流路２は、流入部３ｂ及び流出部３ｃに連通しており、流入部３ｂから本体部３ａの内部を経由して流出部３ｃへと冷媒が通過するように構成されている。なお、蒸発部３は、アルミダイカスト等によって一体又は半割の合わせ構造体で構成することができ、簡素で安価な蒸発部３とすることができる。
【００３１】
圧縮機４、凝縮器５、膨張弁６は、公知のものを用いているため、ここでの詳細な説明は省略するが、以下の機能を備えている。圧縮機４は気体の冷媒を高温高圧に圧縮する。熱交換機能としての凝縮器５は空気（図１の白抜き矢印参照）により冷媒を液化する。膨張弁６は液体の冷媒を絞りって減圧するとともに冷媒の循環量を調整する機能を具備している。
【００３２】
上記の構成において、本発明の電池システム１では、図５に示すように、蒸発部３、圧縮機４、凝縮器５、膨張弁６、蒸発部３の経路で気液二相の冷媒による蒸気圧縮冷却サイクルを構成している。なお、図５に示す丸付数字は、図１における丸付数字の経路に対応する。
【００３３】
具体的には、凝縮器５で凝縮する際に液体となった冷媒を熱交換して冷却用の気体とする。その気体は、膨張弁６を通過した後、蒸発部３の冷媒流路２を通過する際に電池セル１０を熱交換により冷却（蒸発部３の冷媒を加熱）し、この電池セル１０との熱交換することで蒸発する。この際、蒸発部３は電池セル１０に密着していることから、冷却効率を確保することができる。さらに、蒸発部３の冷媒流路２を通過する際に高温となった冷媒は、再び凝縮器５で凝縮して液体となった冷媒を熱交換する。
【００３４】
本実施の形態では、気体の冷媒を圧縮機４で圧縮し、凝縮器５で冷却して圧力が高い液体をつくり、膨張弁６で圧力を下げ、蒸発部３で低温で気化させ、その気化熱で電池セル１０とで熱交換する。これにより、蒸発部３による蒸発過程時の冷媒は等温となるため、冷却性能が低下することなく、電池セル１０の冷却効果の均一化に貢献することができうえ、電池セル１０の経年劣化を抑制して長寿命化に貢献することができる。しかも、蒸発過程時の潜熱を利用した冷却とすることが可能となり、冷却性能を高く維持することができる。
【００３５】
また、冷媒の必要流量を低く抑えることができるため、冷媒を循環させるための気体液化ヒートポンプ（又は膨張弁６）や電源（共に図示せず）の小型化・省電力化に貢献することができる。
【００３６】
さらに、冷却媒体が循環経路の途中で漏れたとしても、電源等は別途の配置とすることができるため、漏電の危険性を回避することができる。また、簡素な循環経路であることと、電池セル１０の容量等に応じた冷媒流路２の設計が容易であること、さらに、冷媒に揮発性絶縁流体（ＶＤＦ）を用いていること等により、冷媒が凍結してしまうことを抑制することができる。これにより、例えば、殺菌処理やフィルター交換といった各部のメンテナンスを不要もしく低減することができる。
【００３７】
〔変形例〕
ところで、上記実施の形態では、電池セル１０を冷却した後の熱交換器として凝縮器５を用いたが、例えば、図６及び図７に示すように、蒸発部３から圧縮機４へと流入する冷媒と、凝縮器５から膨張弁６に流入するする冷媒と、の間に熱交換器７を配置し、この熱交換器７で、蒸発部３から流入する二相流の冷媒を気相にまで加熱するようにしてもよい。この場合の冷却経路としては、蒸発部３、熱交換器７、圧縮機４、凝縮器５、熱交換器７、膨張弁６、蒸発部３の経路で気液二相の冷媒による蒸気圧縮冷却サイクルとなる。
【００３８】
また、このような熱交換器７を用いることにより、図８に示すように、多数の電池モジュール２０を配置した大型な電池システム１を構築することが可能となる。図８に示した電池システム１では、図示括弧付数字で示すように、２３台の電池モジュール２０を棚段式に配置した筐体８を備え、その下段に圧縮機４、凝縮器５、膨張弁６、熱交換器７を配置している。なお、上述した気体液化ヒートポンプや電源（或いは電気制御機器９）は、筐体８の下段に配置することができる。なお、図８において、黒塗りの太矢印は電池モジュール２０単位での冷却経路を示し、冷媒配管等によって前段の流出部３ｃと後段の流入部３ｂとが接続される。
【００３９】
この際、例えば、図９に示すように、前段の電池モジュール２０における蒸発部３と後段の電池モジュール２０における蒸発部３とで、向きを逆に配置すれば、同一の蒸発部３を流用することができるうえ、冷媒配管の配管経路を短く簡素とすることができ、冷却効率の低下を損なうことを抑制することができる。
【００４０】
なお、上記実施の形態（変形例を含）では、電池モジュール２０では、電池セル１０をを一対四列で配置したものを例示したが、一列中の電池セル１０の個数及び列数は特に限定されるものではなく、電池システム１の所望の全体出力等に応じて任意である。
【００４１】
また、変形例で示した電池モジュール２０の個数や棚段配置、全体の冷却経路においてに任意である。例えば、下段から上段まで電池モジュール２０を冷却した後、隣接する段の上段から下段までを冷却するなど、電池モジュール２０の個数や棚段配置に応じて変更等が可能となる。
【符号の説明】
【００４２】
１…電池システム
２…冷媒流路
３…蒸発部
４…圧縮機
５…凝縮器
６…膨張弁
７…熱交換器
１０…電池セル（二次電池）
２０…電池モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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