(57)【要約】      （修正有）【課題】二次電池モジュールを構成する複数個の二次電池の温度が部分的に高くなることを防止することにより電池寿命のばらつきを抑制する方法を提供する。【解決手段】複数個の二次電池１０２と、冷媒を冷媒流路に流すことにより複数個の二次電池１０２を冷却する冷却機構と、を備えた二次電池モジュール１０１において、冷却機構は、複数個の二次電池１０２のうち温度が高いものに低温度の冷媒が熱的に接触するように冷媒流路の切り替えを可能とする。【選択図】図５Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の二次電池と、冷媒を冷媒流路に流すことにより前記複数個の二次電池を冷却する冷却機構と、を備え、
前記冷却機構は、前記複数個の二次電池のうち温度が高いものに低温度の前記冷媒が熱的に接触するように前記冷媒流路の切り替えを可能とした構成を有することを特徴とする二次電池モジュール。
【請求項２】
前記切り替えは、一定時間ごとに行うことを特徴とする請求項１記載の二次電池モジュール。
【請求項３】
前記切り替えは、前記複数個の二次電池のうち最も高い温度と最も低い温度との差が所定の閾値（温度差の閾値）を超えたときに行うことを特徴とする請求項１記載の二次電池モジュール。
【請求項４】
前記切り替えは、前記複数の位置で測定している前記冷媒の温度のうち最も高い温度と最も低い温度との差が所定の閾値（温度差の閾値）を超えたときに行うことを特徴とする請求項１記載の二次電池モジュール。
【請求項５】
前記切り替えは、前記差が所定の閾値を超えたときに前記差と時間との積の算出を開始し、前記積の積算値が所定の閾値（積算値の閾値）を超えたときに行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の二次電池モジュール。
【請求項６】
前記最も高い温度及び前記最も低い温度のうち高い方の温度に基いて前記閾値を決定することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
【請求項７】
前記二次電池の充電状態に基いて前記閾値を決定することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
【請求項８】
前記冷却機構は、３か所以上の冷媒流出入口を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
【請求項９】
前記冷媒は、気体又は液体であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
【請求項１０】
前記冷却機構は、冷媒循環型であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
【請求項１１】
前記冷却機構は、前記冷媒を排出する構成である開放型であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
【請求項１２】
前記冷却機構は、前記冷媒が前記二次電池に直接接触する構成を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
【請求項１３】
前記冷却機構は、前記二次電池に接触する熱交換面を有し、前記二次電池と前記冷媒とは前記熱交換面を介して熱交換することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の二次電池モジュール。
【請求項１４】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の二次電池モジュールを複数個備え、前記冷媒を前記冷媒流路に流すことにより前記複数個の二次電池モジュールを冷却する冷却機構を有し、
前記冷却機構は、前記複数個の二次電池モジュールのうち温度が高いものに低温度の前記冷媒が熱的に接触するように前記冷媒流路の切り替えを可能とした構成を有することを特徴とする二次電池パック。
【請求項１５】
複数個の二次電池と、冷媒を冷媒流路に流すことにより前記複数個の二次電池を冷却する冷却機構と、を備え、
前記冷却機構は、複数の前記冷媒流路を有し、それぞれの前記冷媒流路が前記二次電池と熱的に接触し、前記複数の冷媒流路を流れる前記冷媒が対向流となっていることを特徴とする二次電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車、電力貯蔵、電力負荷平準化等に用いるのに好適な二次電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池（以下、「リチウムイオン電池」ともいう。また、単に「電池」ともいう。）は、高エネルギー密度化及び高出力密度化が可能な電池として、電子機器、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などに広く利用されている。また、近年、環境負荷の小さいクリーンエネルギーとして注目される風力発電や太陽光発電などの出力安定化及び負荷平準化のための用途としても期待されている。  
【０００３】
電気自動車や電力安定化などの用途では、扱う電力量が大きいため、多数の電池が必要になる。このとき、リチウムイオン電池は、単電池（セル）を複数組み合わせた二次電池モジュールとしてシステムの中に組み込まれる。  
【０００４】
リチウムイオン電池は、充放電を行うと、電池内部の各部材の電気抵抗等により自己発熱することが知られている。自己発熱による温度上昇は、電池の劣化を早め、電池モジュールの寿命を短くするため、リチウムイオン電池を適切に冷却する必要がある。実際の二次電池モジュールには、空気、水などの冷却媒体をモジュール中に流し、電池を冷却する冷却機構が設けられる。
【０００５】
特許文献１には、冷媒である空気の流入口を分割することで、電池間の温度バラツキを抑制する手法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、吸気側から離れるに従って、複数の蓄電素子で構成された蓄電素子列の間隔が徐々に狭くなるように蓄電素子列を配置する手法が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、充電開始と同時に冷却制御が実施され、充電が完了した後に、循環経路内の空気が逆方向に循環するようにファンを制御する技術が開示されている。
【０００８】
非特許文献１には、６個の単電池を接続した二次電池モジュールにおいて、冷媒である空気の吸入側にある電池と排出側にある電池との間に、数℃程度の温度差が生じることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−５４０２３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３２２０６号公報
【特許文献３】特開２０１２−２４３６８４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】田口義晃  他、RTRI Report Vol. 22, No. 9, Sep. 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
二次電池モジュール内の電池温度のバラツキは、長期的には電池寿命のバラツキにつながる。二次電池モジュール内の電池は電気的に接続されているため、二次電池モジュールの寿命は、たとえそれ以外の電池が健全であっても、最も早く劣化した電池の寿命により決定される。このため、温度バラツキによる電池寿命のバラツキは、二次電池モジュールの交換回数の増加によるコスト上昇や、システム稼働率の低下などを招くおそれがある。  
【００１２】
このような二次電池モジュールにおける電池温度のバラツキを抑制するため、様々な手法が提案されているが、いずれも十分ではない。
【００１３】
特許文献１に記載の方法では、二次電池モジュール内の中程で分割された冷媒が再び合流するため、完全に温度分布を無くすことは困難である。  
【００１４】
また、特許文献２に記載の方法では、二次電池モジュール内の蓄電素子をある程度間隔を開けて配置する必要があり、モジュール体積当たりの電気容量が低下するという課題がある。  
【００１５】
特許文献３には、二次電池の充放電中に冷媒の流れを双方向化する手法は開示されていない。このため、リチウムイオン電池の充電あるいは放電中は、上流側から下流側に向かって温度が高くなると考えられる。したがって、長期的な電池寿命のバラツキを抑制するのは難しいと考えられる。  
【００１６】
本発明の目的は、二次電池モジュールを構成する複数個の二次電池の温度が部分的に高くなることを防止し、電池寿命のばらつきを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、複数個の二次電池と、冷媒を冷媒流路に流すことにより複数個の二次電池を冷却する冷却機構と、を備えた二次電池モジュールにおいて、冷却機構は、複数個の二次電池のうち温度が高いものに低温度の冷媒が熱的に接触するように冷媒流路の切り替えを可能とした構成を有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、複数個の二次電池と、冷媒を冷媒流路に流すことにより複数個の二次電池を冷却する冷却機構と、を備えた二次電池モジュールにおいて、冷却機構は、複数の冷媒流路を有し、それぞれの冷媒流路が二次電池と熱的に接触し、複数の冷媒流路を流れる冷媒が対向流となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、二次電池モジュールを構成する複数個の二次電池における温度差を低減し、電池寿命のばらつきを抑制することができる。  
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】従来の二次電池モジュールの例を示す模式斜視図である。
【図１Ｂ】従来の二次電池モジュールの他の例を示す模式斜視図である。
【図１Ｃ】従来の二次電池モジュールの温度分布を示すグラフである。
【図２Ａ】第一の実施形態の二次電池モジュールを示す模式斜視図である。
【図２Ｂ】第一の実施形態の二次電池モジュールの冷却機構を示す模式断面図である。
【図３Ａ】第一の実施形態の開放型冷媒経路を示す模式構成図である。
【図３Ｂ】第一の実施形態の循環型冷媒経路を示す模式構成図である。
【図４Ａ】第一の実施形態の開放型冷媒経路を示す模式構成図である。
【図４Ｂ】第一の実施形態の循環型冷媒経路を示す模式構成図である。
【図５Ａ】第二の実施形態の二次電池モジュールの制御モード１を示す模式斜視図である。
【図５Ｂ】第二の実施形態の二次電池モジュールの制御モード１における温度分布を示すグラフである。
【図５Ｃ】第二の実施形態の二次電池モジュールの制御モード２を示す模式斜視図である。
【図５Ｄ】第二の実施形態の二次電池モジュールの制御モード２における温度分布を示すグラフである。
【図６Ａ】第二の実施形態の開放型冷媒経路の制御モード１を示す模式構成図である。
【図６Ｂ】第二の実施形態の開放型冷媒経路の制御モード２を示す模式構成図である。
【図７Ａ】第二の実施形態の循環型冷媒経路の制御モード１を示す模式構成図である。
【図７Ｂ】第二の実施形態の循環型冷媒経路の制御モード２を示す模式構成図である。
【図８Ａ】第三の実施形態の二次電池モジュールにおける温度分布を示すグラフである。
【図８Ｂ】第三の実施形態の二次電池モジュールにおける温度分布を示すグラフである。
【図９】第三の実施形態の二次電池モジュールにおける冷媒流制御アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１０】第四の実施形態の二次電池モジュールにおける冷媒流制御アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１１】第四の実施形態の二次電池モジュールにおける冷媒流制御アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図１２Ａ】第五の実施形態の二次電池モジュールの外観を示す模式斜視図である。
【図１２Ｂ】第五の実施形態の二次電池モジュールの内部構造を示す模式斜視図である。
【図１３Ａ】第五の実施形態の循環型冷媒経路の制御モード１を示す模式構成図である。
【図１３Ｂ】第五の実施形態の循環型冷媒経路の制御モード２を示す模式構成図である。
【図１３Ｃ】第五の実施形態の循環型冷媒経路の制御モード３を示す模式構成図である。
【図１４Ａ】第五の実施形態の二次電池モジュールにおける温度分布を示すグラフである。
【図１４Ｂ】第五の実施形態の二次電池モジュールにおける温度分布を示すグラフである。
【図１４Ｃ】第五の実施形態の二次電池モジュールにおける温度分布を示すグラフである。
【図１４Ｄ】第五の実施形態の二次電池モジュールにおける温度分布を示すグラフである。
【図１４Ｅ】第五の実施形態の二次電池モジュールにおける温度分布を示すグラフである。
【図１４Ｆ】第五の実施形態の二次電池モジュールにおける温度分布を示すグラフである。
【図１５】第六の実施形態の二次電池パックを示す模式斜視図である。
【図１６Ａ】第七の実施形態の二次電池モジュールを示す模式斜視図である。
【図１６Ｂ】第七の実施形態の循環型冷媒経路を示す模式構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
システムの規模が大きくなり、使用される二次電池の数が増えると、二次電池モジュールにおける電池間の温度バラツキが大きな課題となる。従来例として、図１Ａ及び図１Ｂに示すような冷却機構を備える二次電池モジュールを考える。
【００２２】
図１Ａは、二次電池モジュール内に直接冷媒を流すタイプを示したものである。冷媒としては空気などが用いられる。図中の矢印は、冷媒の流れの向きを表す。
【００２３】
本図においては、二次電池モジュール１０１の内部に単電池１０２、１０２’が設置されている。単電池１０２は、５個が冷媒の流れに対して直交する方向に並べられている。それぞれの単電池１０２の間には、隙間が設けられ、その隙間に冷媒が流れるようになっている。単電池１０２’の場合も同様である。単電池１０２の５個は、二次電池モジュール１０１の冷媒流入側（図中のＰ１側）に配置されている。単電池１０２’の５個は、二次電池モジュール１０１の冷媒排出側（図中のＰ２側）に配置されている。
【００２４】
単電池１０２は、冷媒が最初に接触するため、十分に冷却される。これに対して、単電池１０２’は、先にＰ１側の電池１０２に接触し温度が上昇した冷媒が接触することになるため、冷却機能が低下する。
【００２５】
図１Ｂは、冷媒が流れる冷却機構に接するように二次電池モジュールが配置されるタイプを示したものである。本図は分解図である。冷媒としては、空気や水などが用いられる。なお、図中の矢印は、冷媒の流れの向きを表す。
【００２６】
本図においても、図１Ａの場合と同様に、二次電池モジュール１０１の内部に単電池１０２、１０２’が設置されている。
【００２７】
図１Ｂの場合、冷媒は、二次電池モジュール１０１に接する冷却機構１０３を流れるようになっている。冷却機構１０３における冷媒流入口はＰ１側であり、冷媒排出口はＰ２側である。
【００２８】
図１Ａ及び図１Ｂともに、単電池１０２は、冷媒が初めに熱交換をするＰ１側であるため、十分に冷却される。これに対して、単電池１０２’は、Ｐ１側の電池１０２と熱交換をして温度が上昇した冷媒と熱交換をすることになるため、冷却が不十分となる傾向がある。
【００２９】
図１Ｃは、図１Ａ及び図１Ｂの二次電池モジュールの温度分布を示すグラフである。
【００３０】
横軸は冷媒流路の上流から下流にかけての位置を、縦軸は各位置における温度を示している。ここで、Ｔ１、Ｔ２はそれぞれ、図１Ａ及び図１Ｂに示す位置Ｐ１、Ｐ２における温度を表している。
【００３１】
図１Ｃに示すように、二次電池モジュール１０１の温度分布としては、Ｐ１側が低く、Ｐ２側が高くなる。これは、非特許文献１の開示内容に対応する。
【００３２】
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００３３】
本明細書においては、二次電池の例として非水系のリチウムイオン二次電池を用いて説明しているが、本発明の思想は、リチウムイオン二次電池に限定されるものではなく、充電及び放電を繰り返す二次電池一般に生じる発熱に伴う温度変化を低減し、電池の寿命を延ばすことを目的とするものである。よって、二次電池に封入された液の変質、電池容器等の膨張収縮その他の温度変化による悪影響を低減するための発明である。したがって、二次電池の種類は、特に限定されるものではなく、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等にも適用可能である。
【００３４】
本発明の二次電池モジュールは、複数個の二次電池と、冷媒を冷媒流路に流すことにより複数個の二次電池を冷却する冷却機構と、後述の制御を行う制御部と、を備えている。
【００３５】
《第一の実施形態》
第一の実施形態について図２Ａ〜図４Ｂを用いて説明する。
【００３６】
図２Ａは、二次電池モジュールを模式的に示したものである。
【００３７】
本図に示す二次電池モジュール１０１は、図１Ｂに示すものと同様の構成である。本図においては、冷却機構１０３’の内部構造が異なり、冷媒流路が分割されている。そして、隣り合う冷媒流路を流れる冷媒の流れの方向が互いに反対向きになっている。本図においても、冷媒が流れる冷却機構１０３’は、二次電池モジュール１０１に接するように配置されている。
【００３８】
図２Ｂは、冷却機構１０３’の断面図である。
【００３９】
本図に示すように、冷却機構１０３’は、第一の冷媒経路１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄと第二の冷媒経路１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄとを有する。第一の冷媒経路１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄにおける冷媒は、二次電池モジュール１０１の一方端（図中のＰ１側）から、他方端（図中のＰ２側）に向かって流れる。一方、第二の冷媒経路１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄにおける冷媒は、二次電池モジュール１０１の他方端（図中のＰ２側）から一方端（図中のＰ１側）に向かって流れる。言い換えると、第一の冷媒経路１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄと第二の冷媒経路１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄとは、対向流になっている。
【００４０】
このように、電池の充放電中に、冷媒を一方端から他方端へ、および他方端から一方端へ流すことで、二次電池モジュール１０１内の温度分布を均一にすることができる。  
【００４１】
冷却機構１０３’に流れる冷媒の温度が均一化されるように、第一の冷媒経路１０４および第二の冷媒経路１０５は適度な数に分割され、かつ分割されたそれぞれの経路が交互に配置される。二次電池モジュールの規模や使用する電池の形態によって、冷媒経路の分割数は適宜調整可能である。また、煩雑になるため図示は省略するが、第一の冷媒経路１０４および第二の冷媒経路１０５は、二次電池モジュール１０１と接触する箇所の前後で適宜一本化され、冷媒を流入および流出する外部冷却経路に接続される。  
【００４２】
続いて、第一の冷媒経路１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ及び第二の冷媒経路１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄに外部経路から冷媒を流すための具体的な構成について説明する。
【００４３】
図３Ａ及び３Ｂは、冷却機構が完全に独立した二つの冷媒経路を有する例を示したものである。これらの図においては、外部冷媒経路１０６ａと外部冷媒経路１０６ｂとがそれぞれ、第一の冷媒経路１０４、第二の冷媒経路１０５に接続されている。
【００４４】
図３Ａは、外部冷媒経路１０６ａ、１０６ｂが開放型の場合であり、冷媒が空気などの場合に好適である。一方、図３Ｂは、外部冷媒経路１０６ａ、１０６ｂが循環型の場合を示し、冷媒が水などの場合に好適である。  
【００４５】
図３Ａにおいては、ファン１０７ａにより吸入された冷媒は、矢印で示す方向に外部冷媒経路１０６ａを流れるようになっている。冷媒は、第一の冷却機構１０４をＰ１からＰ２に向かって通過した後、外部に排出される。同様に、ファン１０７ｂにより吸入された冷媒は、矢印で示す方向に外部冷媒経路１０６ｂを流れるようになっている。冷媒は、第二の冷却機構１０５をＰ２からＰ１に向かって通過した後、外部に排出される。すなわち、冷媒の流路が開放型である。  
【００４６】
図３Ｂにおいては、冷却機１０８ａにより送出された冷媒は、矢印で示す方向に外部冷媒経路１０６ａを流れ、第一の冷媒経路１０４をＰ１からＰ２に向かって通過した後、冷却機１０８ａに還流するようになっている。すなわち、冷媒循環型である。冷却機１０８ａは、熱交換機能などにより冷媒を冷却する機能と、モータなどにより冷媒を流動させる機能とを備えている。
【００４７】
冷却機１０８ｂも冷却機１０８ａと同様の機能を有する。冷却機１０８ｂにより送出された冷媒は、矢印で示す方向に外部冷媒経路１０６ｂを流れ、第二の冷媒経路１０５をＰ２からＰ１に向かって通過した後、冷却機１０８ｂに還流するようになっている。  
【００４８】
上述のように、開放型、循環型いずれの場合においても、二次電池モジュール１０１内を、一方端から他方端へ、および他方端から一方端へ冷媒が流れる機能（対向流）が実現できる。  
【００４９】
図４Ａ及び４Ｂは、外部冷媒経路１０６を適切に分岐させることにより、ファンや冷却機などの冷媒吸引部の数を低減することが可能な構成を示したものである。  
【００５０】
図４Ａにおいては、ファン１０７により吸引された冷媒は、分岐点１０９ａにおいて外部冷媒経路１０６ａと外部冷媒経路１０６ｂとに分配される。外部冷媒経路１０６ａを流れる冷媒は、第一の冷媒経路１０４をＰ１からＰ２に向かって通過した後、分岐点１０９ｂにおいて外部冷媒経路１０６ｂから流れてきた冷媒と合流する。同様に、外部冷媒経路１０６ｂに分岐された冷媒は、矢印で示す方向に外部冷媒経路１０６ｂを流れ、第二の冷媒経路１０５をＰ２からＰ１に向かって通過した後、分岐点１０９ｂにおいて外部冷媒経路１０６ａから流れてきた冷媒と合流する。分岐点１０９ｂにおいて合流した冷媒は、その後、外部に排出される。  
【００５１】
図４Ｂにおいては、冷却機１０８により送出された冷媒は、分岐点１０９ａにおいて外部冷媒経路１０６ａと外部冷媒経路１０６ｂとに分配される。外部冷媒経路１０６ａを流れる冷媒は、第一の冷媒経路１０４をＰ１からＰ２に向かって通過した後、分岐点１０９ｂにおいて外部冷媒経路１０６ｂから流れてきた冷媒と合流する。同様に、外部冷媒経路１０６ｂを流れる冷媒は、第二の冷媒経路１０５をＰ２からＰ１に向かって通過した後、分岐点１０９ｂにおいて外部冷媒経路１０６ａから流れてきた冷媒と合流する。分岐点１０９ｂにおいて合流した冷媒は、その後、冷却機１０８に流入する。冷却機１０８で冷却された冷媒は、再び同じ経路を循環する。  
【００５２】
上述のように、開放型、循環型いずれの場合においても、外部冷媒経路を適切に分岐することで、二次電池モジュール１０１内を、一方端から他方端へ、および他方端から一方端へ冷媒が流れる機能を実現できる。  
【００５３】
以上のような手法を用いることで、簡易な構成で二次電池モジュール内の電池を均一に冷却することが可能となる。  
【００５４】
なお、外部冷媒経路におけるファンの位置は、本実施形態で示した位置に限るものではない。また、必要に応じて、二次電池モジュールのＰ１側、Ｐ２側、あるいは両方にファンを配置してもよい。  
【００５５】
《第二の実施形態》
第二の実施形態について図５Ａ〜図７Ｂを用いて説明する。なお、図示していないが、二次電池モジュールは、制御部を有する。
【００５６】
図５Ａは、二次電池モジュールを模式的に示したものである。
【００５７】
本図に示す二次電池モジュール１０１は、図１Ａに示すものと同様の構成である。本図においては、二次電池モジュール１０１の内部に直接冷媒を流す構成となっている。電池の充放電中のある時点においては、冷媒は、二次電池モジュール１０１の一方端（図中のＰ１側）から他方端（図中のＰ２側）に向かって流れる。この状態を制御モード１とする。
【００５８】
図５Ｂは、この制御モード１における二次電池モジュール１０１内の温度分布を示したものである。本図においては、Ｐ１側の温度が低く、Ｐ２側の温度が高くなっている。  
【００５９】
図５Ｃは、制御モード１の状態である時間が経過した後、冷媒が二次電池モジュール１０１のＰ２側からＰ１側に向かって流れるように冷媒流の向きを切り替えた状態（制御モード２）を示したものである。
【００６０】
図５Ｄは、制御モード２に切り替わって十分時間が経過した状態における二次電池モジュール１０１内の温度分布を示したものである。本図においては、Ｐ１側の温度が高く、Ｐ２側の温度が低くなっている。  
【００６１】
このように、二次電池モジュール内を流れる冷媒の向きを一定時間ごとに、一方端から他方端へ、他方端から一方端へと切り替えることで、電池がある温度になっている平均的な時間を均一化することができる。これにより、二次電池モジュール内の電池の寿命バラツキを抑制することが可能となる。制御モードを切り替える時間は、システムの規模や稼働時間に合わせて適宜調節可能である。  
【００６２】
続いて、本実施形態の二次電池モジュール１０１における冷媒流方向の切り替えを実現する外部冷媒経路の具体的な構成について説明する。  
【００６３】
図６Ａは、前述の制御モード１の状態を示したものである。本図は、開放型である。
【００６４】
本図においては、冷媒は、ファン１０７により二次電池モジュール１０１に向かって送出され、矢印で示す方向に外部冷媒経路１０６を流れ、二次電池モジュール１０１内をＰ１からＰ２に向かって流れた後、外部に排出される。
【００６５】
図６Ｂは、前述の制御モード２の状態を示したものである。
【００６６】
本図においては、冷媒は、ファン１０７により吸引され、矢印で示す方向に外部冷媒経路１０６を流れ、二次電池モジュール１０１内をＰ２からＰ１に向かって流れた後、外部に排出される。制御モード１と制御モード２との切り替えには、例えば、ファン１０７を逆回転させればよい。  
【００６７】
このような構成にすることで、二次電池モジュール１０１内を流れる冷媒の方向を切り替えることが可能となる。また、外部冷媒経路におけるファン１０７の位置は、本実施形態で示した位置に限るものではない。また、必要に応じて、二次電池モジュールのＰ１側、Ｐ２側の両方にファンを設けてもよい。  
【００６８】
図７Ａ及び７Ｂは、循環型外部冷媒経路を用いた構成を示したものである。
【００６９】
図７Ａは、前述の制御モード１の状態を示したものである。
【００７０】
本図においては、冷却機１０８から送出された冷媒は、分岐点１０９ａ、開閉弁１１０ａ、分岐点１０９ｂを順次通過し、二次電池モジュール１０１内をＰ１からＰ２に向かって流れる。その後、分岐点１０９ｃ、開閉弁１１０ｄ、分岐点１０９ｄを順次通過し、冷却機１０８に還流する。冷媒は、冷却機１０８において冷却された後、再び前述の経路で冷却経路内を循環する。  
【００７１】
図７Ｂは、前述の制御モード２の状態を示したものである。
【００７２】
本図においては、冷却機１０８から送出された冷媒は、分岐点１０９ａ、開閉弁１１０ｂ、分岐点１０９ｃを順次通過し、二次電池モジュール１０１内をＰ２からＰ１に向かって流れる。その後、分岐点１０９ｂ、開閉弁１１０ｃ、分岐点１０９ｄを順次通過し、冷却機１０８に還流する。冷媒は、冷却機１０８において冷却された後、再び前述の経路で冷却経路内を循環する。  
【００７３】
このような構成にすることで、二次電池モジュール１０１内を流れる冷媒の方向を切り替えることが可能となる。なお、図７Ａ及び７Ｂでは、便宜的に開閉弁の開状態を白塗りで、閉状態を網掛けで表している。  
【００７４】
図６Ａ及び６Ｂ又は図７Ａ及び７Ｂに示すいずれの場合においても、二次電池モジュール内を流れる冷媒の向きを一定時間ごとに、一方端から他方端へ、また他方端から一方端へと切り替えることで、電池がある温度になっている平均的な時間を均一化することができる。  
【００７５】
《第三の実施形態》
第三の実施形態については、図７Ａ〜図９を用いて、モジュール内の温度分布に基づき制御モードを切り替える手法を説明する。  
【００７６】
まず、制御モード１にある状態を想定する。
【００７７】
図７Ａに示すように、冷却機１０８から送出された冷媒は、分岐点１０９ａ、開閉弁１１０ａ、分岐点１０９ｂを順次通過し、二次電池モジュール１０１内をＰ１からＰ２に向かって流れる。その後、分岐点１０９ｃ、開閉弁１１０ｄ、分岐点１０９ｄを順次通過し、冷却機１０８に還流する。冷却機１０８において冷却された後、再び前述の経路で冷却経路内を循環する。  
【００７８】
このとき、二次電池モジュール１０１のＰ１に設けられた温度モニタにより測定した温度をＴ１、二次電池モジュール１０１のＰ２に設けられた温度モニタにより測定した温度をＴ２とする。なお、簡単のため、温度モニタの図示は省略する。  
【００７９】
図８Ａは、二次電池モジュール１０１内の温度分布を示したものである。
【００８０】
本図に示すように、Ｐ１側の温度が低く、Ｐ２側の温度が高くなっている。この状態において、Ｔ１とＴ２との差の絶対値が、予め設定した閾値を超えた場合に、制御モード２の状態になるように、開閉弁１１０の開閉状態を切り替える。
【００８１】
制御モード２では、冷媒が二次電池モジュール１０１内をＰ２からＰ１に向かって流れるため、Ｐ２側にある電池を効率よく冷却できる。  
【００８２】
続いて、制御モード２にある状態を想定する。
【００８３】
図７Ｂに示すように、冷却機１０８から送出された冷媒は、分岐点１０９ａ、開閉弁１１０ｂ、分岐点１０９ｃを順次通過し、二次電池モジュール１０１内をＰ２からＰ１に向かって流れる。その後、分岐点１０９ｂ、開閉弁１１０ｃ、分岐点１０９ｄを順次通過し、冷却機１０８に還流する。冷却機１０８において冷却された後、再び前述の経路で冷却経路内を循環する。  
【００８４】
図８Ｂは、二次電池モジュール１０１内の温度分布を示したものである。
【００８５】
本図に示すように、Ｐ１側の温度が高く、Ｐ２側の温度が低くなっている。この状態において、Ｔ１とＴ２との差の絶対値が、予め設定した閾値を超えた場合に、制御モード１の状態になるように、開閉弁１１０の開閉状態を切り替える。制御モード１では、冷媒が二次電池モジュール１０１内をＰ１側からＰ２側に向かって流れるため、Ｐ１側にある電池を効率よく冷却できる。  
【００８６】
このように、制御モード１又は制御モード２の状態において、一方端および他方端における温度をモニタし、その温度の差が所定の閾値を超えた場合に、制御モードを切り換えることにより、二次電池モジュールを構成する電池が、ある温度になっている平均的な時間を均一化することができる。  
【００８７】
本実施形態では、図７Ａ及び７Ｂの循環型経路を用いて説明したが、図６Ａ及び６Ｂに示す開放型経路でも同様な制御が可能であることは、第二の実施例の記述から容易に推測できる。  
【００８８】
図９は、前述の冷媒流方向の制御を実現する制御アルゴリズムを示したものである。
【００８９】
本図に示すステップＡ１０において、Ｐ１の温度Ｔ１を検出する。続いて、ステップＡ２０においてＰ２の温度Ｔ２を検出する。ステップＡ３０においてＴ１とＴ２との差の絶対値を算出し、ステップＡ４０において、Ｔ１とＴ２との差の絶対値を所定の閾値と比較する。ここにおいて、Ｔ１とＴ２との差の絶対値が閾値より大きければステップＡ１００に進み、現在の制御モードとは異なる制御モードへ切り替える指令を出す。一方、温度差の絶対値が所定の閾値より小さければ、ステップＡ１０へ戻り、再び同様のステップを繰り返す。このような制御アルゴリズムにより、前述の制御機能が実現される。
【００９０】
《第四の実施形態》
第四の実施形態については、図１０及び図１１を用いて、更に精密に電池の劣化状態を管理するための制御アルゴリズムを説明する。
【００９１】
図１０は、二次電池モジュールにおける冷媒流制御アルゴリズムの例を示すフローチャートである。  
【００９２】
本図においては、ステップＡ５０〜Ａ６０が図９とは異なる。
【００９３】
本図においては、ステップＡ１０で温度Ｔ１を検出し、続いてステップＡ２０で温度Ｔ２を検出する。ステップＡ３０でＴ１とＴ２との差の絶対値を算出し、ステップＡ４０で温度差の絶対値を所定の閾値１と比較する。ここにおいて、温度差の絶対値が閾値１より大きければステップＡ５０に進む。一方、温度差の絶対値が所定の閾値より小さい場合は、ステップＡ１０へ戻り、再び同様のステップを繰り返す。  
【００９４】
ステップＡ５０においては、温度差の絶対値｜Ｔ１−Ｔ２｜と、ある単位時間ｔとの積を算出し、この値を随時積算してゆく（図中、｜Ｔ１−Ｔ２｜ｉ、ｔｉ）。ステップＡ６０において、この積算値Ｓｎと所定の閾値２を比較する。このとき、Ｓｎが所定の閾値２より小さければ、ステップＡ５５で繰り返し数ｉを増やし、ステップＡ５０に戻り、温度差の絶対値｜Ｔ１−Ｔ２｜とある単位時間ｔとの積の積算を継続してゆく。何度かこのステップを繰り返し、積算値Ｓｎが所定の閾値２を超えたら、ステップＡ１００に進み、制御モードを切り替える指令を出す。このように、温度差の絶対値｜Ｔ１−Ｔ２｜と、その状態における時間との積の積算値を算出し、所定の閾値と比較することで、より精密に二次電池モジュール内の電池の劣化状態を制御することが可能となる。  
【００９５】
図１１は、二次電池モジュールにおける冷媒流制御アルゴリズムを示すフローチャートである。  
【００９６】
本図においては、必要に応じて、所定の閾値１を変更するステップを追加している（ステップＡ３５）。
【００９７】
ステップＡ１０で温度Ｔ１を検出し、続いてステップＡ２０で温度Ｔ２を検出する。ステップＡ３０でＴ１とＴ２との差の絶対値を算出する。ステップＡ３５において、Ｔ１又はＴ２のいずれか高い方の温度に基づき、閾値１を変更する。  
【００９８】
例えば、Ｔ１とＴ２との温度差が１０℃であっても、Ｔ１の温度が２０℃でＴ２の温度が３０℃の場合と、Ｔ１の温度が５０℃でＴ２の温度が６０℃の場合とでは、状況が大きく異なる。前者の場合、Ｐ１にある電池及びＰ２にある電池の劣化の進行度合いに大きな差はないが、後者の場合、Ｐ１にある電池とＰ２にある電池とは劣化の進行度合いに大きな差が生じることが予想される。これは、ある温度を超えるとリチウムイオン電池の劣化が加速度的に進行するためである。  
【００９９】
このため、Ｔ１又はＴ２のいずれか高い方の温度が、電池劣化が加速度的に進行する領域にある場合には、閾値１をより小さな値にし、冷媒流方向の切り替え頻度を増やす必要がある。一方で、Ｔ１又はＴ２のいずれか高い方の温度が、電池劣化があまり進行しない領域にある場合には、不要な切り替え制御の回数を減らすために、閾値１をある程度大きな値にすればよい。  
【０１００】
ステップＡ４０では、このようにＴ１又はＴ２のいずれか高い方の温度に応じて決定した閾値１を、温度差の絶対値｜Ｔ１−Ｔ２｜と比較する。それ以降のステップについては、図１０と同様であるため省略する。  
【０１０１】
本実施例では、Ｔ１又はＴ２のいずれか高い方の温度に基づき、閾値１を決定するとしたが、電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）に基づいて閾値１を決定してもよい。これは、温度と同様に、特定のＳＯＣ領域では、温度と相まって電池劣化が加速度的に進行する可能性があるためである。  
【０１０２】
《第五の実施形態》
第五の実施形態について図１２Ａ〜図１４Ｆを用いて説明する。
【０１０３】
図１２Ａは、二次電池モジュールの外観図であり、図１２Ｂは、同じ二次電池モジュールの透視図である。
【０１０４】
二次電池モジュール１０１は、複数の単電池１０２（リチウムイオン二次電池）と、モジュール内部に直接冷媒を流す冷却機構とを備えている。
【０１０５】
図１２Ａに示すように、二次電池モジュール１０１は、第一の冷媒流出入口１１１ａと、第二の冷媒流出入口１１１ｂと、第三の冷媒流出入口１１１ｃとを備えている。図１２Ａでは明示されていないが、第三の冷媒流出入口１１１ｃは、第一の冷媒流出入口１１１ａと相対する位置に設けられており、また、第二の冷媒流出入口１１１ｂは、第一の冷媒流出入口１１１ａと第三の冷媒流出入口１１１ｃとの間に設けられている。図１２Ｂに示すように、第一の冷媒流出入口１１１ａに対応する位置をＰ１、第二の冷媒流出入口１１１ｂに対応する位置をＰ２、第三の冷媒流出入口１１１ｃに対応する位置をＰ３とする。  
【０１０６】
図１３Ａ〜１３Ｃは、図１２Ａ及び１２Ｂに示す二次電池モジュール１０１に冷媒を流す時の各制御モードを説明する図である。
【０１０７】
図１３Ａにおいて、冷却機１０８から送出された冷媒は、分岐点１０９ａ、開閉弁１１０ａ、分岐点１０９ｂ、分岐点１０９ｃ、開閉弁１１０ｅ、分岐点１０９ｄを順次通過し、二次電池モジュール１０１内をＰ１からＰ３に向かって流れる。その後、分岐点１０９ｅ、分岐点１０９ｆ、開閉弁１１０ｄ、分岐点１０９ｇを順次通過し、冷却機１０８に流入する。冷却機１０８において冷却された後、再び前述の経路で冷却経路内を循環する。この状態を本実施形態における制御モード１とする。  
【０１０８】
図１３Ｂにおいて、冷却機１０８から送出された冷媒は、分岐点１０９ａ、開閉弁１１０ｂ、分岐点１０９ｆ、分岐点１０９ｅを順次通過し、二次電池モジュール１０１内をＰ３からＰ１に向かって流れる。その後、分岐点１０９ｄ、開閉弁１１０ｅ、分岐点１０９ｃ、分岐点１０９ｂ、開閉弁１１０ｃ、分岐点１０９ｇを順次通過し、冷却機１０８に流入する。冷却機１０８において冷却された後、再び前述の経路で冷却経路内を循環する。この状態を本実施形態における制御モード２とする。  
【０１０９】
図１３Ｃにおいて、冷却機１０８から送出された冷媒は、分岐点１０９ａ、開閉弁１１０ａ、分岐点１０９ｂ、分岐点１０９ｃ、開閉弁１１０ｆを順次通過し、二次電池モジュール１０１内をＰ２からＰ１、およびＰ２からＰ３に向かって流れる。Ｐ２からＰ１に向かって流れた冷媒は、分岐点１０９ｄ、開閉弁１１０ｇを順次通過して、分岐点１０９ｅにおいてＰ２からＰ３に向かって流れた冷媒と合流する。分岐点１０９ｅにおいて合流した冷媒は、その後、分岐点１０９ｆ、開閉弁１１０ｄ、分岐点１０９ｇを順次通過し、冷却機１０８に流入する。冷却機１０８において冷却された後、再び前述の経路で冷却経路内を循環する。この状態を本実施形態における制御モード３とする。  
【０１１０】
このように、制御モード３を追加することで、二次電池モジュール１０１中を流れる冷媒の向きを、一方端から他方端へ、他方端から一方端へだけでなく、中央部から一方端および他方端へ、とすることができる。なお、図１３Ａ〜１３Ｃでは、便宜的に開閉弁の開状態を白塗りで、閉状態を網掛けで表した。  
【０１１１】
二次電池モジュールが大型になると、中央部が最も高温になる可能性があるため、電池寿命のバラツキを抑制するためには、制御モード３のように、二次電池モジュールの中央部を優先的に冷却する制御モードが必要になる。  
【０１１２】
図１４Ａ〜１４Ｆは、本実施形態の二次電池モジュールにおいて想定される温度状態を示したものである。横軸は図１２Ｂにおける位置を、縦軸はその位置における温度をとっている。
【０１１３】
図１４Ａ及び１４Ｃに示すように、Ｐ３における温度Ｔ３が最も高く、かつ、最低温度であるＴ１又はＴ２のいずれかとの差が所定の閾値を超えた場合には、制御モード２に移行するように開閉弁１１０ａ〜１１０ｇの制御を行う。
【０１１４】
また、図１４Ｂ及び１４Ｄに示すように、Ｐ２における温度Ｔ２が最も高く、かつ、最低温度であるＴ１又はＴ３のいずれかとの差が所定の閾値を超えた場合には、制御モード３に移行するように開閉弁１１０ａ〜１１０ｇの制御を行う。
【０１１５】
さらに、図１４Ｅ及び１４Ｆに示すように、Ｐ１における温度Ｔ１が最も高く、かつ、最低温度であるＴ２又はＴ３のいずれかとの差が所定の閾値を超えた場合には、制御モード１に移行するように開閉弁１１０ａ〜１１０ｇの制御を行う。  
【０１１６】
表１は、上記の各状態をまとめて示したものである。表中の「高」、「中」、「低」はそれぞれ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を比較したときの相対的な最高温度、中間温度、最低温度を表す。  
【０１１７】
【表１】
2015082353.tif 000003
【０１１８】
本実施形態では、循環型冷媒経路に関して説明したが、第一の実施形態の説明から、開放型冷媒経路の場合も容易に推測できる。また、本実施形態は、二次電池モジュール内の温度分布に応じて制御モードを切り替える手法を説明したが、第二の実施形態で説明したように、一定時間ごとに制御モードを切り替えるように制御してもよい。また、第四の実施形態で説明したように、必要に応じて所定の閾値を決定してもよい。  
【０１１９】
本実施形態では、三つの冷媒流出入口を備える二次電池モジュールを説明したが、冷媒流出入口数の上限はこれに限るものではない。システムの規模などに応じて、適宜増やすことが可能である。冷媒流出入口が四つ以上になっても、適切な制御モードを増やすことで、充放電中の自己発熱による温度バラツキを低減し、モジュール内の電池の寿命バラツキを抑制するという本発明の目的は同様に達成される。  
【０１２０】
《第六の実施形態》
図１５は、大型の電池セットを示したものである。
【０１２１】
本図においては、複数個のリチウムイオン二次電池（単電池１０２）をまとめた二次電池モジュール１０１（二次電池群）を複数個配置して二次電池パック５００を構成している。
【０１２２】
このように、充放電素子の基本単位が単電池から電池モジュールに変わっても、電池パック５００の内部を流れる冷媒の方向を、一方端から他方端へ、および他方端から一方端へとすることで、第一の実施形態〜第四の実施形態と同様に、電池寿命のバラツキを抑制することが可能である。また、電池パックにおける冷媒の流出入口が三つ以上になった場合でも、第五の実施形態と同様に、電池寿命のバラツキを抑制することが可能である。  
【０１２３】
《第七の実施形態》
図１６Ａは、多数の冷媒流出入口を有する二次電池モジュールを示したものである。
【０１２４】
図１６Ｂは、図１６Ａに接続された外部冷媒経路等を示したものである。
【０１２５】
図１６Ａに示すように、二次電池モジュール１０１は、ｎか所の冷媒流出入口１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、…、１１１ｎを備えている。このうち、第一の冷媒流出入口１１１ａ及び第二の冷媒流出入口１１１ｂは、二次電池モジュール１０１の側面部に設けられている。一方、冷媒流出入口１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、…、１１１ｎは、二次電池モジュール１０１の上面部に設けられている。
【０１２６】
第一の冷媒流出入口１１１ａに対応する位置をＰ１、第二の冷媒流出入口１１１ｂに対応する位置をＰ２とし、各位置に温度センサを設けている。同様に、位置Ｐ３、Ｐ４、…、Ｐ（ｎ−１）、Ｐ（ｎ）にも温度センサを設けている。
【０１２７】
図１６Ｂに示すように、第一の冷媒流出入口１１１ａに対応する位置をＰ１、第二の冷媒流出入口１１１ｂに対応する位置をＰｎとしている。Ｐ１とＰｎとの間には、冷媒流出入口への配管が設けてあり、それぞれの配管に開閉弁１１０ｇ、１１０ｈ、１１０ｉ、１１０ｊが設けてある。本図においては、開閉弁１１０ｊのみが開となっている。
【０１２８】
なお、二次電池モジュール１０１周辺以外の構成は、図１３Ａに示すものと同様であるため、説明を省略する。
【０１２９】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【０１３０】
１０１：二次電池モジュール、１０２、１０２’：単電池、１０３、１０３’：冷却機構、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ：第一の冷媒経路、１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ：第二の冷媒経路、１０６、１０６ａ、１０６ｂ：外部冷媒経路、１０７、１０７ａ、１０７ｂ：ファン、１０８、１０８ａ、１０８ｂ：冷却機、１０９：分岐点、１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ：開閉弁、１１１、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ：冷媒流出入口、５００：電池パック。
【図１Ａ】
2015082353.tif 000004
【図１Ｂ】
2015082353.tif 000005
【図１Ｃ】
2015082353.tif 000006
【図２Ａ】
2015082353.tif 000007
【図２Ｂ】
2015082353.tif 000008
【図３Ａ】
2015082353.tif 000009
【図３Ｂ】
2015082353.tif 000010
【図４Ａ】
2015082353.tif 000011
【図４Ｂ】
2015082353.tif 000012
【図５Ａ】
2015082353.tif 000013
【図５Ｂ】
2015082353.tif 000014
【図５Ｃ】
2015082353.tif 000015
【図５Ｄ】
2015082353.tif 000016
【図６Ａ】
2015082353.tif 000017
【図６Ｂ】
2015082353.tif 000018
【図７Ａ】
2015082353.tif 000019
【図７Ｂ】
2015082353.tif 000020
【図８Ａ】
2015082353.tif 000021
【図８Ｂ】
2015082353.tif 000022
【図９】
2015082353.tif 000023
【図１０】
2015082353.tif 000024
【図１１】
2015082353.tif 000025
【図１２Ａ】
2015082353.tif 000026
【図１２Ｂ】
2015082353.tif 000027
【図１３Ａ】
2015082353.tif 000028
【図１３Ｂ】
2015082353.tif 000029
【図１３Ｃ】
2015082353.tif 000030
【図１４Ａ】
2015082353.tif 000031
【図１４Ｂ】
2015082353.tif 000032
【図１４Ｃ】
2015082353.tif 000033
【図１４Ｄ】
2015082353.tif 000034
【図１４Ｅ】
2015082353.tif 000035
【図１４Ｆ】
2015082353.tif 000036
【図１５】
2015082353.tif 000037
【図１６Ａ】
2015082353.tif 000038
【図１６Ｂ】
2015082353.tif 000039