(57)【要約】【課題】電池パック装置において、効率の良い加熱・保温性能を提供し、また、そのための温度制御方法を提供する。【解決手段】この電池パック装置１００は、複数の電池を集合させて成る組電池によって構成される電池パック６０と、電池パック６０の外面に沿って面状に設けられ、当該面状の外縁寄りに位置する外側発熱体７１及び、外側発熱体７１より内側にある内側発熱体７２が、互いに独立して通電可能であるヒータ７０（加熱装置）とを備えている。電池パック６０の温度が下限値より低いときは、外側発熱体７１及び内側発熱体７２の双方に通電し、電池パック６０の温度が上限値より高いときは、外側発熱体７１のみに通電する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池を集合させて成る組電池によって構成される電池パックと、
前記電池パックの外面に沿って面状に設けられ、当該面状の外縁寄りに位置する外側発熱体及び、当該外側発熱体より内側にある内側発熱体が、互いに独立して通電可能である加熱装置と、
を備えている電池パック装置。
【請求項２】
前記外側発熱体の発熱密度が、前記内側発熱体の発熱密度より高い請求項１に記載の電池パック装置。
【請求項３】
前記電池パックの温度を検知する温度センサ、及び、当該温度センサの出力に基づいて前記加熱装置への通電を制御する制御装置と、を備え、
前記電池パックの温度が下限値より低いときは、前記制御装置は前記外側発熱体及び前記内側発熱体の双方に通電し、前記電池パックの温度が上限値より高いときは、前記制御装置は前記外側発熱体のみに通電する、請求項１又は請求項２に記載の電池パック装置。
【請求項４】
前記電池は、溶融塩を電解質とする溶融塩電池である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電池パック装置。
【請求項５】
複数の電池を集合させて成る組電池によって構成される電池パックと、前記電池パックの外面に沿って面状に設けられ、当該面状の外縁寄りに位置する外側発熱体及び、当該外側発熱体より内側にある内側発熱体が、互いに独立して通電可能である加熱装置とを備えている電池パック装置の温度制御方法であって、
前記電池パックの温度が下限値より低いときは、前記外側発熱体及び前記内側発熱体の双方に通電し、
前記電池パックの温度が上限値より高いときは、前記外側発熱体のみに通電する、
電池パック装置の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池を集合させて成る組電池によって構成される電池パックに、加熱・保温の機能も含めた電池パック装置及びその温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー密度に優れた二次電池として、例えば、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池が知られているが、近年、高いエネルギー密度に加えて、不燃性という強力な利点を持つ二次電池として、溶融塩を電解質とする溶融塩電池が注目されている（特許文献１及び非特許文献１参照。）。また、溶融塩電池は、不燃性に加えて、稼働温度領域が広いことから、多数の電池を密集して組電池を構成することに適し、そのため、コンパクトな組電池を構成することができる。
【０００３】
従って、溶融塩電池を集合させて成る組電池は、中規模電力網や家庭等での電力貯蔵用途の他、ハイブリッド車（ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）用として期待されている。溶融塩電池の稼働温度領域は例えば５７℃〜１９０℃であるが、電気的特性の安定、電池のサイクル寿命、電極部分の温度耐久性等の観点から、より好適な温度は、現時点では例えば９０度付近と考えられている。このような温度を得るためには、ヒータが使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６７６４４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「ＳＥＩ  ＷＯＲＬＤ」２０１１年３月号（ＶＯＬ．４０２）、住友電気工業株式会社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、電力を外部に供給する源である電池に対して、外部から若しくは電池自身から加熱のための電力を提供することは、その分、全体的な発電効率を低下させることになる。従って、できるだけ効率よく加熱・保温できることが好ましい。
【０００７】
かかる課題に鑑み、本発明は、複数の電池を集合させて成る組電池によって構成される電池パックに加熱・保温の機能を備えた電池パック装置に関して、効率の良い加熱・保温性能を提供し、また、そのための温度制御方法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】
【０００８】
本発明の電池パック装置は、複数の電池を集合させて成る組電池によって構成される電池パックと、前記電池パックの外面に沿って面状に設けられ、当該面状の外縁寄りに位置する外側発熱体及び、当該外側発熱体より内側にある内側発熱体が、互いに独立して通電可能である加熱装置とを備えている。
【０００９】
また、本発明は、複数の電池を集合させて成る組電池によって構成される電池パックと、前記電池パックの外面に沿って面状に設けられ、当該面状の外縁寄りに位置する外側発熱体及び、当該外側発熱体より内側にある内側発熱体が、互いに独立して通電可能である加熱装置とを備えている電池パック装置の温度制御方法であって、前記電池パックの温度が下限値より低いときは、前記外側発熱体及び前記内側発熱体の双方に通電し、前記電池パックの温度が上限値より高いときは、前記外側発熱体のみに通電するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、効率の良い加熱・保温性能を有する電池パック装置及びその温度制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。
【図２】溶融塩電池本体（電池としての本体部分）の積層構造を簡略に示す横断面図である。
【図３】溶融塩電池本体が電池容器に収容された場合の、１つのセルの外観の概略を示す斜視図である。
【図４】電池パック装置の一例を示す斜視図である。
【図５】ヒータの平面図である。
【図６】ヒータに対する通電制御の電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
【００１３】
（１）この電池パック装置は、複数の電池を集合させて成る組電池によって構成される電池パックと、前記電池パックの外面に沿って面状に設けられ、当該面状の外縁寄りに位置する外側発熱体及び、当該外側発熱体より内側にある内側発熱体が、互いに独立して通電可能である加熱装置と、を備えている。
【００１４】
上記のように構成された電池パック装置では、電池パックを加熱又は保温するにあたって、加熱装置の外側発熱体及び内側発熱体を使い分けることができる。昇温したい場合は、外側発熱体及び内側発熱体へ共に通電すればよい。一方、保温したい場合には、外側発熱体のみ通電すれば、放熱しやすい電池パックの外面の外端からの熱の放散を外側発熱体の発熱により抑制し、電池パックの内側に熱をとどめることができる。従って、内側発熱体の電力消費を抑制しつつ、優れた保温効果を得ることができる。
【００１５】
（２）また、（１）の電池パック装置において、前記外側発熱体の発熱密度が、前記内側発熱体の発熱密度より高いことが好ましい。
この場合、電池パックの外面のうち、外側発熱体に対向する熱が逃げやすい外端近傍を、内側発熱体に対向する外面よりも、より強く加熱することができる。従って、外端近傍では熱の損失の大きさを補填するように発熱量が与えられ、電池パック全体として、温度分布を、より均一化することができる。
【００１６】
（３）また、（１）又は（２）の電池パック装置において、前記電池パックの温度を検知する温度センサ、及び、当該温度センサの出力に基づいて前記加熱装置への通電を制御する制御装置と、を備え、前記電池パックの温度が下限値より低いときは、前記制御装置は前記外側発熱体及び前記内側発熱体の双方に通電し、前記電池パックの温度が上限値より高いときは、前記制御装置は前記外側発熱体のみに通電する、という構成であってもよい。
この場合、外側発熱体及び内側発熱体の双方に通電する昇温モードと、外側発熱体のみに通電する保温モードとを温度センサに基づいて自動的に使い分けることができる。適時な保温モードの使用により、電力消費を節減することができる。
【００１７】
（４）また、（１）〜（３）のいずれかの電池パック装置において、前記電池は、溶融塩を電解質とする溶融塩電池であってもよい。
溶融塩電池を動作させるには電解質を溶融させる必要があり、かつ、安定した動作をさせるためには、例えば９０℃程度の温度に維持することが好ましい。当該電池パック装置は、かかる温度の維持に好適である。
【００１８】
（５）また、異なる視点からは、複数の電池を集合させて成る組電池によって構成される電池パックと、前記電池パックの外面に沿って面状に設けられ、当該面状の外縁寄りに位置する外側発熱体及び、当該外側発熱体より内側にある内側発熱体が、互いに独立して通電可能である加熱装置とを備えている電池パック装置の温度制御方法であって、前記電池パックの温度が下限値より低いときは、前記外側発熱体及び前記内側発熱体の双方に通電し、前記電池パックの温度が上限値より高いときは、前記外側発熱体のみに通電する、という温度制御方法である。
【００１９】
上記のような電池パック装置の温度制御方法では、電池パックを昇温したい場合は、外側発熱体及び内側発熱体共に通電し、保温したい場合には、外側発熱体のみ通電することで、電池パックの外面の外端から外側への熱の放散を抑制し、外面の内側に熱をとどめることができる。従って、内側発熱体の電力消費を抑制しつつ、優れた保温効果を得ることができる。
【００２０】
［実施形態の詳細］
《溶融塩電池の基本構造》
図１は、溶融塩電池における発電要素の基本構造を原理的に示す略図である。図において、発電要素は、正極１、負極２及びそれらの間に介在するセパレータ３を備えている。正極１は、正極集電体１ａと、正極材１ｂとによって構成されている。負極２は、負極集電体２ａと、負極材２ｂとによって構成されている。
【００２１】
正極集電体１ａの素材は、例えば、アルミニウム不織布（線径１００μｍ、気孔率８０％）である。正極材１ｂは、正極活物質としての例えばＮａＣｒＯ２と、アセチレンブラックと、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）と、Ｎ−メチル−２−ピロリドンとを、質量比８５：１０：５：１００の割合で混練したものである。そして、このように混練したものを、アルミニウム不織布の正極集電体１ａに充填し、乾燥後に、１００ＭＰａにてプレスし、正極１の厚みが約１ｍｍとなるように形成される。
一方、負極２においては、アルミニウム製の負極集電体２ａ上に、負極活物質としての例えば錫を含むＳｎ−Ｎａ合金が、メッキにより形成される。
【００２２】
正極１及び負極２の間に介在するセパレータ３は、ガラスの不織布（厚さ２００μｍ）又はポリオレフィンシート（厚さ５０μｍ）に電解質としての溶融塩を含浸させたものである。この溶融塩は、例えば、ＮａＦＳＡ５６ｍｏｌ％と、ＫＦＳＡ（カリウム  ビスフルオロスルフォニルアミド）４４ｍｏｌ％との混合物であり、融点は５７℃である。融点以上の温度では、溶融塩は溶融し、高濃度のイオンが溶解した電解液となって、正極１及び負極２に触れている。また、この溶融塩は不燃性である。この溶融塩電池の稼働温度領域は５７℃〜１９０℃であり、特に好ましい温度領域は、９０℃付近である。
【００２３】
なお、上述した各部の材質・成分や数値は好適な一例であるが、これらに限定されるものではない。
例えば、溶融塩としては、上記の他、ＮａＦＳＡと、ＬｉＦＳＡ、ＫＦＳＡ、ＲｂＦＳＡ又はＣｓＦＳＡとの混合物も好適である。また、有機カチオン等よりなる他の塩を混合する場合もあり、一般には、溶融塩は、（ａ）ＮａＦＳＡを含む混合物、（ｂ）ＮａＴＦＳＡを含む混合物、（ｃ）ＮａＦＴＡを含む混合物、が適する。また、（ａ）〜（ｃ）のうち２以上を混合することも可能である。これらの場合、各混合物の溶融塩は、比較的低融点となるので、少ない加熱で高濃度のイオンが溶解した状態を実現し、溶融塩電池を作動させることができる。
【００２４】
また、上記の例では、２０℃程度の常温で電解液が固化している溶融塩電池について説明したが、これ以外にも、例えばＮａＦＳＡとＰｙ１３ＦＳＡ（Ｎ−メチル−Ｎ−プロピルピロリジニウムＦＳＡ）との混合物は、５７℃よりも融点が低温で、例えば２０度程度の常温でも溶融状態である電解液／電解質として、適用可能である。但し、この場合でも、特に好ましい温度領域まで昇温させることは必要である。
【００２５】
《溶融塩電池の具体的構造》
次に、より具体的な溶融塩電池の発電要素の構成について説明する。図２は、溶融塩電池本体（電池としての本体部分）１０の積層構造を簡略に示す横断面図である。
図２において、複数（図示しているのは６個）の矩形平板状の負極２と、袋状のセパレータ３に各々収容された複数（図示しているのは５個）の矩形平板状の正極１とが、互いに対向して図２の上下方向すなわち積層方向に重ね合わせられ、積層構造を成している。
【００２６】
セパレータ３は、隣り合う正極１と負極２との間に介在しており、言い換えれば、セパレータ３を介して、正極１及び負極２が交互に積層されていることになる。実際に積層する数は、例えば、正極１が２０個、負極２が２１個、セパレータ３は「袋」としては２０袋であるが、正極１・負極２間に介在する個数としては４０個である。なお、セパレータ３は、袋状に限定されず、分離した４０個であってもよい。
【００２７】
なお、図２では、セパレータ３と負極２とが互いに離れているように描いているが、溶融塩電池の完成時には互いに密着する。正極１も、当然に、セパレータ３に密着している。また、正極１の縦方向及び横方向それぞれの寸法は、デンドライトの発生を防止するために、負極２の縦方向及び横方向の寸法より小さくしてあり、正極１の外縁が、セパレータ３を介して負極２の周縁部に対向するようになっている。
【００２８】
《セルの一形態》
上記のように構成された溶融塩電池本体１０は、例えばアルミニウム合金製で直方体状の電池容器に収容することにより、物理的な１セルを成す。
図３は、溶融塩電池本体１０が電池容器１１ｘに収容された場合の、１つのセル（溶融塩電池）２０の外観の概略を示す斜視図である。なお、図２における正極１及び負極２のそれぞれからは、電池容器１１ｘとの電気的絶縁を保ちつつ、端子１ｔ及び２ｔが電池容器１１ｘの外部へ引き出される。端子１ｔ及び２ｔは、電池容器１１ｘを密封する蓋１１ａに設けられる。なお、蓋１１ａには、端子１ｔ，２ｔの他、内部の気圧が過度に上昇したときに放圧するための安全弁が設けられるが、ここでは図示は省略する。このようなセル２０を複数個並べることにより、組電池を構成することができる。
【００２９】
《電池パック装置》
図４は、電池パック装置１００の一例を示す斜視図である。
図において、セル２０を複数個（この例では８個）、隣り合わせに集合させて成る組電池３０は、直方体状の外箱となる組電池容器４０に収容され、１つの電池モジュール５０を構成する。図示の組電池容器４０は、天板の蓋を取り外した状態を示している。組電池容器４０の材質は、例えばアルミニウム合金である。
【００３０】
図４において、互いに直交する図示の３方向をＸ，Ｙ，Ｚとする。すなわち、組電池容器４０を平面視した長方形の短辺方向がＸ方向、長辺方向がＺ方向、高さ方向がＹ方向である。電池モジュール５０は、例えば、Ｘ方向に互いに密接して複数個（この例では４個）並べられ、電池モジュール５０の集合体である電池パック６０を構成する。なお、さらに多くの電池モジュール５０を並べて、電池パック６０を構成することができるが、ここでは一例として４個としているに過ぎない。逆に、電池パック６０の最小単位は１個であり、この場合は、電池モジュールと電池パックとが同じ概念となる。
【００３１】
電池パック６０の底面には、加熱装置としての面状のヒータ７０が設けられる。ヒータ７０は、電池パック６０の底面に、密着して取り付けられる。すなわち、電池パック装置１００とは、電池パック６０と、加熱装置としてのヒータ７０とを備えたものである。
【００３２】
図５は、ヒータ７０の平面図である。ヒータ７０は、耐熱絶縁体（例えばポリイミド）中に、発熱体（抵抗）を包み込んだものである。発熱体は２つに分かれており、面状を成す全体形状の外縁寄りに位置する矩形の枠状の形状をした外側発熱体７１と、それよりも内側にある長方形の内側発熱体７２とによって構成されている。外側発熱体７１及び内側発熱体７２にはそれぞれ、通電のためのリード線７３及び７４が設けられている。これら外側発熱体７１及び内側発熱体７２は、互いに独立して通電可能である。発熱密度（単位面積あたりの発熱量）は、内側発熱体７２よりも外側発熱体７１の方が大きい。
【００３３】
《温度制御方法》
図６は、ヒータ７０に対する通電制御の電気回路図である。電源９０に対して、スイッチＳＷ１を介して、外側発熱体７１が接続されている。また、電源９０に対して、スイッチＳＷ２を介して、内側発熱体７２が接続されている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、制御部８１によってオン又はオフに制御される。電池パック６０には温度センサ８２が設けられており、その出力が制御部８１に入力される。なお、温度センサ８２は複数箇所で温度検知をするために複数個設けられる場合もあるが、ここでは最も簡略な例を示している。制御部８１、及び、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、温度センサ８２の出力に基づいて、ヒータ７０への通電を制御する制御装置８０を構成している。
【００３４】
上記の制御装置８０は、温度センサ８２の出力に基づいて、電池パック６０の温度が下限値（Ｔ１）より低く、適温（例えば９０℃程度）に達していないときは、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を共にオンの状態として（昇温モード）、外側発熱体７１及び内側発熱体７２に通電する。これにより、ヒータ７０は、外側発熱体７１及び内側発熱体７２共に通電され、発熱する。従って、電池パック６０の温度が上昇する。発熱密度に関して、内側発熱体７２よりも外側発熱体７１の方が大きいため、電池パック６０の底面のうち、外側発熱体７１に対向する、熱が逃げやすい外端近傍を、内側発熱体７２に対向する電池パック６０の底面よりも、より強く加熱することができる。従って、外端近傍では、熱の損失の大きさを補填するように発熱量が与えられる。その結果、電池パック６０全体としての温度分布を、より均一化することができる。
【００３５】
また、温度センサ８２の出力に基づいて、電池パック６０の温度が適温以上の予め設定した上限値（Ｔ２）を超えると、制御部８１はスイッチＳＷ２をオフにして、スイッチＳＷ１のみをオンの状態とする（保温モード）。従って、図５における外側発熱体７１のみが発熱する。この場合、放熱しやすい電池パック６０の外面の外端からの熱の放散を外側発熱体７１の発熱により抑制し、底面の内側及び電池パック６０の内側に熱をとどめることができる。すなわち、内側発熱体７２の電力消費を抑制しつつ、優れた保温効果を得ることができる。なお、温度Ｔ２は、温度Ｔ１より若干高く設定することが、制御のハンチングを防止するためには好ましい。
【００３６】
以上のように、当該電池パック装置１００若しくはその温度制御方法によれば、電池パック６０を加熱又は保温するにあたって、ヒータ７０の外側発熱体７１及び内側発熱体７２を使い分けることができる。昇温したい場合は、外側発熱体７１及び内側発熱体７２共に通電する。一方、保温したい場合には、外側発熱体７１のみ通電すれば、電池パック６０の底面の外端からの熱の放散を抑制し、内側に熱をとどめることができる。従って、内側発熱体７２の電力消費を抑制しつつ、優れた保温効果を得ることができる。また、昇温モード／保温モードの選択は、温度センサ８２に基づいて自動的に行うことができる。適時な保温モードの使用により、電力消費を節減することができる。
【００３７】
また、溶融塩電池を動作させるには電解質を溶融させる必要があり、かつ、安定した動作をさせるためには、例えば９０℃程度の温度に維持することが好ましい。従って、当該電池パック装置１００は、かかる温度の維持に好適である。
ただし、適用可能な電池は溶融塩電池に限定されるものではない。例えば、リチウムイオン電池は基本的には常温で動作するが、例えば、気温が−２０℃を下回るような寒冷地で安定して使用するには加熱・保温が必要となる場合もある。このような場合にも上記の電池パック装置１００は適用可能である。
【００３８】
《その他》
なお、上記実施形態では、電池パック６０の底面に沿ってヒータ７０を設ける例を示したが、底面以外の「外面」に設けることもできる。例えば、電池パック６０の外側面に沿って同様なヒータ７０を設けることも可能である。但し、電池パック６０の上面は熱伝導の効率の点で不適である。
また、上記実施形態では、外側発熱体７１及び内側発熱体７２がそれぞれ１個である例を示したが、それらの少なくとも一方が、複数に分かれて存在していてもよい。
【００３９】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４０】
１  正極
１ａ  正極集電体
１ｂ  正極材
１ｔ、２ｔ  端子
２  負極
２ａ  負極集電体
２ｂ  負極材
３  セパレータ
１０  溶融塩電池本体
１１ａ  蓋
１１ｘ  電池容器
２０  セル（溶融塩電池）
３０  組電池
４０  組電池容器
５０  電池モジュール
６０  電池パック
７０  ヒータ（加熱装置）
７１  外側発熱体
７２  内側発熱体
７３，７４  リード線
８０  制御装置
８１  制御部
８２  温度センサ
９０  電源
１００  電池パック装置
ＳＷ１，ＳＷ２  スイッチ
【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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