(57)【要約】【課題】単位体積あたりのエネルギー密度が大きい電池モジュール等を提供する。【解決手段】円筒状のナトリウム二次電池１０Ａを保温容器３０内に複数配置した際に形成される隙間に、ナトリウム二次電池１０Ａよりも小径のナトリウム二次電池２０Ａを複数配置して電池モジュールを構成するようにした。円筒状のナトリウム二次電池１０Ａを保温容器３０内に複数配置すると、必然的に隙間が形成されることとなるが、この隙間に小径のナトリウム二次電池２０Ａを複数配置することによって、保温容器３０の寸法を変更せずに電池モジュール全体としての総電池容量を増やすことができ、電池モジュール全体としての単位体積あたりのエネルギー密度を大幅に向上させることができる。【選択図】      図７
2004355861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて第１の電気制御系統を形成する第１の電池群と、
複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて、前記第１の電池群とは異なる第２の電気制御系統を形成する第２の電池群と、
前記第１の電池群および前記第２の電池群を収容する容器と、
を備えたことを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
前記第１の電池群に属する前記二次電池および前記第２の電池群に属する前記二次電池は、３００〜５００℃の温度範囲で作動する高温型二次電池であることを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
容器内に所定の間隔をおいて収容される、円筒状の複数の電池から構成される第１の電池群と、
前記第１の電池群を収容した状態で前記容器内に形成される隙間に配置される、前記第１の電池群に属する電池よりも小径の複数の電池から構成される第２の電池群と、
を備えたことを特徴とする電池モジュール。
【請求項４】
前記第１の電池群は常用時に作動するように制御されるとともに、前記第２の電池群は非常時に作動するように制御されることを特徴とする請求項３に記載の電池モジュール。
【請求項５】
前記第２の電池群に属する前記小径の電池は、前記第１の電池群に属する前記電池と互い違いに配置されることを特徴とする請求項３に記載の電池モジュール。
【請求項６】
複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて第１の電気制御系統を形成する第１の電池群と、
複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて、前記第１の電池群とは異なる第２の電気制御系統を形成する第２の電池群と、
前記第１の電気制御系統と前記第２の電気制御系統を制御し、前記第１の電池群と前記第２の電池群とを独立して充電または放電させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記第１の電池群を充電させているときに前記第２の電池群を放電させ、かつ前記第１の電池群を放電させているときに前記第２の電池群を充電させるように制御を行うことを特徴とする請求項６に記載の電池システム。
【請求項８】
前記第１の電池群と前記第２の電池群は同一の容器に収容され、かつ、前記第１の電池群と前記第２の電池群の吸熱および発熱反応によって、前記容器内の温度が一定の範囲に保たれることを特徴とする請求項６に記載の電池システム。
【請求項９】
放電時に負荷に対して給電を行う常用の二次電池と、
一定以上の充電状態が維持され、前記常用の二次電池が前記負荷に対して給電を行うことができないときに前記負荷に対する給電を行う非常用の二次電池と、
前記常用の二次電池が前記負荷に対して給電を行うことができないことを検知したときに、前記非常用の二次電池からの給電を開始させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記常用の二次電池の復旧を検知したときに、前記常用の二次電池から前記負荷への給電を再開させることを特徴とする請求項９に記載の電池システム。
【請求項１１】
前記非常用の二次電池の径は、前記常用の二次電池の径よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の電池システム。
【請求項１２】
複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて第１の電気制御系統を形成する第１の電池群と、
複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて、前記第１の電池群とは異なる第２の電気制御系統を形成する第２の電池群と、
前記第１の電気制御系統と前記第２の電気制御系統を制御することにより、前記第１の電池群と前記第２の電池群にそれぞれ異なる機能をもたせる制御手段と、
を備えたことを特徴とする電池システム。
【請求項１３】
前記第１の電池群および前記第２の電池群を収容する容器をさらに備え、前記第１の電池群および前記第２の電池群のいずれか一方は、前記容器内の温度を調整することを特徴とする請求項１２に記載の電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電池を容器内に収容した電池モジュールに関し、特に、電力貯蔵装置としての用途に好適な電池モジュールおよびその電池モジュールを用いた電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、外部電源から得た電気的エネルギーを化学的エネルギーの形に変化して蓄え、必要に応じて、再び起電力として取り出す蓄電池（二次電池）が様々な用途で用いられている。特に、大容量の電力を貯蔵可能な二次電池として、ナトリウム二次電池等の高温型二次電池が注目されている。高温型二次電池は、無機活物質または無機電解質のいずれかが溶融状態となって作動する二次電池であり、３００〜５００℃という高温で作動する。このような高い温度を保つために、１個又は複数個の二次電池は保温容器に収納されて、電池モジュールとして使用される。高温型二次電池のなかでも、ナトリウム二次電池はエネルギー効率が大きいことから、電力貯蔵装置や電気自動車などへの利用が期待されている。
【０００３】
ところで、商用電源の停電や瞬断等によるコンピュータのシステムダウンや重要な機械の停止を防ぐために、ＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ；無停電電源装置）が広く用いられており、二次電池をＵＰＳ用として用いる試みもなされている。また、二次電池を燃料電池とともに使用するという併合発電システムも提案されている（特開２００１−２２９９３０号公報参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２２９９３０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
二次電池は、エネルギー効率が大きく、大容量の充放電に適している。しかしながら、よりエネルギー密度が大きい電池モジュールが求められているとともに、さらなる信頼性の向上も望まれる。
また、上述のように二次電池の様々な用途が検討されつつあるが、さらなる用途の展開も期待される。
そこで本発明は、従来よりも単位体積あたりのエネルギー密度が大きい電池モジュールを提供することを課題とする。また、このような電池モジュールを用いて、高出力かつ高容量で、信頼性、利便性に優れた電池システムに関する技術を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために、様々な検討を行った。その結果、１つの電池モジュールに複数の電気制御系統をもたせることが、電池モジュールの用途を更に多様化する上で極めて有効であることを知見した。すなわち、本発明は、複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて第１の電気制御系統を形成する第１の電池群と、複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて、第１の電池群とは異なる第２の電気制御系統を形成する第２の電池群と、第１の電池群および第２の電池群を収容する容器とを備えたことを特徴とする電池モジュールを提供する。ここで、第１の電池群に属する二次電池および第２の電池群に属する二次電池としては、３００〜５００℃の温度範囲で作動する高温型二次電池を用いることができる。
【０００７】
また、本発明者は、従来よりも単位体積あたりのエネルギー密度が大きい電池モジュールを達成するためには、容器内に形成される隙間を有効活用することが効果的であることに着目した。すなわち、本発明は、容器内に所定の間隔をおいて収容される、円筒状の複数の電池から構成される第１の電池群と、第１の電池群を収容した状態で容器内に形成される隙間に配置される、第１の電池群に属する電池よりも小径の複数の電池から構成される第２の電池群とを備えたことを特徴とする電池モジュールを提供する。円筒状の電池を容器内に複数配置すると、必然的に隙間が形成されることとなるが、この隙間に小径の電池を複数配置するようにすれば、容器の寸法を変更せずに電池モジュール全体としての総電池容量を増やすことができ、電池モジュール全体としての単位体積あたりのエネルギー密度を大幅に向上させることができる。
上述した本発明に係る電池モジュールにおいて、第１の電池群は常用時に作動するように制御されるとともに、第２の電池群は非常時に作動するように制御される構成とすることができる。１つの電池モジュールに、常用時に作動する電池群と、非常時に作動する電池群をそれぞれ設けることで、電池モジュールとしての信頼性および利便性を高めることができる。また、第２の電池群に属する小径の電池を容器内に配置する際には、第１の電池群に属する電池と第２の電池群に属する電池が互い違いになるように配置することが好ましい。これにより、電池モジュール内の総電池容量をより一層増すことができる。
【０００８】
さらに本発明は、第１の電池群と第２の電池群とを独立して制御することが可能な電池システムを提供する。すなわち、本発明に係る電池システムは、複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて第１の電気制御系統を形成する第１の電池群と、複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて、第１の電池群とは異なる第２の電気制御系統を形成する第２の電池群と、第１の電気制御系統と第２の電気制御系統を制御し、第１の電池群と第２の電池群とを独立して充電または放電させる制御手段とを備える。ここで、制御手段は、第１の電池群を充電させているときに第２の電池群を放電させ、かつ第１の電池群を放電させているときに第２の電池群を充電させるように制御を行うことができる。さらに、本発明に係る電池システムにおいて、上述した第１の電池群と第２の電池群を同一の容器に収容し、かつ、第１の電池群と第２の電池群の吸熱および発熱反応によって、容器内の温度が一定の範囲に保たれるようにすることができる。つまり、電池は充電される際には吸熱し、逆に放電する際には発熱（放熱）するが、一方の電池群が発熱中の場合に他方の電池群を吸熱させるという制御を行うことによって、ヒータ等の加熱手段に頼ることなく容器内の温度を一定の範囲に保つことが可能となるのである。
【０００９】
また本発明は、放電時に負荷に対して給電を行う常用の二次電池と、一定以上の充電状態が維持され、常用の二次電池が負荷に対して給電を行うことができないときに負荷に対する給電を行う非常用の二次電池と、常用の二次電池が負荷に対して給電を行うことができないことを検知したときに、非常用の二次電池からの給電を開始させる制御手段とを備えたことを特徴とする電池システムを提供する。ここで、常用の二次電池が負荷に対して給電を行うことができないときとしては、電池システム内で瞬断が生じた場合や、常用の二次電池の残容量が少なくなった場合等が挙げられる。本発明に係る電池システムによれば、非常用の二次電池が一定以上の充電状態が維持された状態で待機しているため、常に一定以上の放電容量を確保できる。また、本発明に係る電池システムにおいて、制御手段が常用の二次電池の復旧を検知したときに、常用の二次電池から負荷への給電を再開させるようにすることができる。さらに、本発明に係る電池システムにおいて、非常用の二次電池の径を、常用の二次電池の径よりも小さくすれば、非常時にのみ作動する二次電池に大きなスペースを割く必要がなくなる。
【００１０】
さらにまた、本発明は、複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて第１の電気制御系統を形成する第１の電池群と、複数の二次電池から構成され、当該二次電池同士が互いに電気的に接続されて、第１の電池群とは異なる第２の電気制御系統を形成する第２の電池群と、第１の電気制御系統と第２の電気制御系統を制御することにより、第１の電池群と第２の電池群にそれぞれ異なる機能をもたせる制御手段とを備えたことを特徴とする電池システムを提供する。例えば、第１の電池群を常用バッテリとして機能させ、一方、第２の電池群をＵＰＳ用として機能させるようにすることができる。また、第１の電池群および第２の電池群を収容する容器をさらに備え、第１の電池群および第２の電池群のいずれか一方を、もっぱら容器内の温度を調整するために用いるようにしてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における電池システムの構成を示す図である。
図１に示すように、第１の実施形態における電池システムは、二次電池モジュール（電池モジュール）１００、二次電池モジュール１００内の第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２の充放電を制御する制御部４００を備えて構成されている。二次電池モジュール１００内の第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２は、制御部（制御手段）４００を介して電力供給手段３００と接続されている。また、負荷５００は、制御部４００を介して、二次電池モジュール１００から給電を受けるようになっている。
【００１３】
第１の電池群Ｇ１は、複数のナトリウム二次電池（二次電池、高温型二次電池）１０から構成される。一方、第２の電池群Ｇ２は、複数のナトリウム二次電池（二次電池、高温型二次電池）２０から構成される。第１の実施形態では、第１の電池群Ｇ１に属するナトリウム二次電池１０の径と、第２の電池群Ｇ２に属するナトリウム二次電池２０の径とを等しくし、かつ、第１の電池群Ｇ１の総電池数と第２の電池群Ｇ２の総電池数を等しくすることにより、第１の電池群Ｇ１の総電池容量と第２の電池群Ｇ２の総電池容量を等しく設定している。
詳しくは後述するが、本実施の形態では、制御部４００は第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２の充放電を独立して制御する。つまり、第１の電池群Ｇ１と第２の電池群Ｇ２とでは、その電気制御系統が相違している。制御部４００は、第１の電池群Ｇ１が充電されるように電力供給手段３００との接続をオンとするとともに、第２の電池群Ｇ２に対しては電力供給手段３００との接続をオフとなるように制御することができる。また、第１の電池群Ｇ１と負荷５００との接続をオンにして給電させるとともに、第２の電池群Ｇ２と負荷５００との接続はオフとして、第１の電池群Ｇ１のみから負荷５００に対する給電を行わせることができる。このように、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２の接続オン，接続オフを独立して行えるように、制御部４００は、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２それぞれについて接続オンと接続オフを切り替えるスイッチを保持している。本発明では、このことを第１の電池群Ｇ１と第２の電池群Ｇ２の電気制御系統が相違すると称する。１つの二次電池モジュール１００内に電気制御系統が異なる２つの電池群を設けることで、二次電池モジュール１００全体としての充放電のパターンのバリエーションを増やすことができる。
【００１４】
なお、電力供給手段３００としては、商用電源、発電機等を用いることができる。電力供給手段３００と負荷５００との接続の可否は、上述の通り制御部４００によって判断される。電力供給手段３００と第１の電池群Ｇ１との接続がオンになると、第１の電池群Ｇ１には電力が貯蔵、つまり第１の電池群Ｇ１は充電される。同様に、電力供給手段３００と第２の電池群Ｇ２との接続がオンになると、第２の電池群Ｇ２は充電される。以下、電力供給手段３００と第１の電池群Ｇ１（第２の電池群Ｇ２）との接続がオンになった状態を「充電モード」、負荷５００と第１の電池群Ｇ１（第２の電池群Ｇ２）との接続がオンになった状態を「放電モード」と称する。また、負荷５００と第１の電池群Ｇ１（第２の電池群Ｇ２）との接続がオンになり、かつ負荷５００に対する電力の供給が確実に行われている状態を、「給電」と称する。また、充電モードから放電モードへの切替、放電モードから充電モードへの切替を、総称して適宜、「モードの切替」と称する。
【００１５】
図２（ａ）は、第１の実施形態における二次電池モジュール１００の構造を示す断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、第１の実施形態における二次電池モジュール１００は、複数のナトリウム二次電池１０から構成される第１の電池群Ｇ１、複数のナトリウム二次電池２０から構成される第２の電池群Ｇ２、そして第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２を収容する保温容器（容器）３０を備えて構成されている。ここで、ナトリウム二次電池１０同士はブスバ６０Ａで連結されており、一方、ナトリウム二次電池２０同士はブスバ６０Ｂで連結されている。そして、ブスバ６０Ａおよびブスバ６０Ｂは、上述した制御部４００とそれぞれ接続されている。つまり、ブスバ６０Ａ，ブスバ６０Ｂおよび制御部４００を介して、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２は負荷５００と接続されている。
【００１６】
保温容器３０は、容器本体３１と蓋３２とから構成される。保温容器３０内に収容されるナトリウム二次電池１０およびナトリウム二次電池２０は、３００〜４００℃という高温で作動するものであるから、保温容器３０を二重容器で構成して二重容器内部を真空引きしたり、断熱材を充填したりすることによって、保温容器３０の断熱性が高められている。なお、保温容器３０内には、防火用のために乾燥砂等の絶縁材４０が充填されている。乾燥砂としては、例えばシリカまたはアルミナを主体とするものを用いることができる。
【００１７】
次に、ナトリウム二次電池１０およびナトリウム二次電池２０の構成を図３に示す。なお、第１の実施形態において、ナトリウム二次電池１０とナトリウム二次電池２０は同一の構成を有している。
図３は、ナトリウム二次電池１０（ナトリウム二次電池２０）の内部構造を示す概略図である。正極端子を兼ねる有底円筒状の外筒容器５１内には、例えばβ”−アルミナの固体電解質からなる有底円筒状の隔壁５２が配置されている。この隔壁５２の内側に負極室、隔壁５２の外側に正極室がそれぞれ形成されている。隔壁５２の内側には、ナトリウムからなる負極活物質５３が充填されており、上述した負極室を形成している。一方、隔壁５２の外側には、正極活物質５５が充填されており、上述した正極室を形成している。また、正極活物質５５が充填された正極室には、多孔質電極５４が配設されており、多孔質電極５４には正極活物質５５が含浸されている。ここで、正極活物質５５としては、例えば硫黄、多硫化ナトリウム、セレン、テルル、金属ハロゲン化物などを用いることができる。また、外筒容器５１の開口部には、負極端子５６を備えた円板状蓋体５７が、ドーナツ状の絶縁体５８を介装した状態で、ボルト５９および金具７０によって取り付けられる。なお、円板状蓋体５７には、下部にナトリウム流出孔７１ａを有する安全管兼ウイック７１が取り付けられている。
【００１８】
図４は、上述した構成を有するナトリウム二次電池１０（ナトリウム二次電池２０）の作動原理を示す図であり、ここでは正極活物質５５として硫黄を用いた場合について説明する。
図４に示すように、放電時は、負極室のナトリウムからなる負極活物質５３がナトリウムイオン（Ｎａ＋  ）と電子（ｅ−  ）に分離する。そして、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）は、隔壁５２を通過して隔壁５２外側の正極室に入り、硫黄からなる正極活物質５５及びセル外部を回ってきた電子（ｅ−  ）と結合して、多硫化ナトリウム（Ｎａ２  Ｓｘ）を生成する。一方、充電時は、正極室の多硫化ナトリウム（Ｎａ２  Ｓｘ）がナトリウムイオン（Ｎａ＋  ）と電子（ｅ−  ）及び硫黄（Ｓ）に分離し、ナトリウムイオン（Ｎａ＋  ）は隔壁５２を通過して隔壁５２内側の負極室に入り、セル外部を回ってきた電子（ｅ−  ）と結合してナトリウム（Ｎａ）になるのである。
【００１９】
ところで、第１の実施形態における電池システムは、制御部４００が第１の電池群Ｇ１と第２の電池群Ｇ２とを独立して充放電させることを特徴とする。以下、制御部４００の処理の流れを図５を用いて説明する。
【００２０】
図５は、制御部４００が行う、第１の電池群Ｇ１と第２の電池群Ｇ２についての充電モード，放電モードの適用処理の手順を示すものである。なお、制御部４００は、負荷５００からの給電要求を受けたときにこの処理を開始し、給電停止要求がなされるまで処理は継続される。また、第２の電池群Ｇ２の充電容量は問わないが、第１の電池群Ｇ１は予め満充電に近い状態に充電されていることを前提としている。
【００２１】
まずステップＳ１０１において、制御部４００は、第１の電池群Ｇ１を放電モードとし、負荷５００に対する給電を行わせる。一方、第２の電池群Ｇ２を充電モードに制御する。
続くステップＳ１０２では、制御部４００により、第１の電池群Ｇ１の容量が予め定められた規定容量ｘ１以上であるか否かが判定される。ここで規定容量ｘ１以上であると判定されると、ステップＳ１０１に戻り、引き続き、第１の電池群Ｇ１は放電モードに、第２の電池群Ｇ２は充電モードに制御される。
一方、ステップＳ１０２において、第１の電池群Ｇ１の容量が予め定められた規定容量ｘ１を下回っていると判定されると、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では、制御部４００は充放電モードを切り替え、第１の電池群Ｇ１を充電モードとし、第２の電池群Ｇ２を放電モードに制御する。これにより、負荷５００に対する給電は第２の電池群Ｇ２から行われるようになる。
【００２２】
続くステップＳ１０４では、制御部４００により、第２の電池群Ｇ２の容量が予め定められた規定容量ｘ２以上であるか否かが判定される。ここで規定容量ｘ２以上であると判定されると、ステップＳ１０３に戻り、引き続き、第２の電池群Ｇ２は放電モードに、第１の電池群Ｇ１は充電モードに制御される。
一方、ステップＳ１０４において、第２の電池群Ｇ２の容量が予め定められた規定容量ｘ２を下回っていると判定されると、ステップＳ１０１に戻る。つまり、制御部４００は、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２充放電モードを切り替えて、第１の電池群Ｇ１を放電モードとし、第２の電池群Ｇ２を充電モードに制御する。これにより、負荷５００に対する給電は再び第１の電池群Ｇ１から行われるようになる。
【００２３】
以上説明の通り、第１の実施形態に係る電池システムでは、制御部４００は、第１の電池群Ｇ１が充電モードのときは、第２の電池群Ｇ２が放電モードになるように制御する。逆に、第１の電池群Ｇ１が放電モードのときは、第２の電池群Ｇ２が充電モードになるように制御する。第１の電池群Ｇ１における電池容量と、第２の電池群Ｇ２における電池容量を等しくし、かつこのような制御を行うことにより、二次電池モジュール１００内を加熱する加熱体（図示せず）に頼ることなく、二次電池モジュール１００内の温度をある一定幅の温度に保つことが可能となる。すなわち、第１の電池群Ｇ１と第２の電池群Ｇ２は、ともに放電時に発熱（放熱）し、一方、充電時には吸熱するようになっている。よって、第１の電池群Ｇ１と第２の電池群Ｇ２が同時に充電モードになるような場合、または第１の電池群Ｇ１と第２の電池群Ｇ２が同時に放電モードになるような場合には、二次電池モジュール１００全体としての温度の変動が大きくなり、好ましくない。これに対し、第１の実施形態における電池システムでは、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２のいずれかが放電モードのときには他方を充電モードとするようにしている。これにより、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２のいずれかが放熱しているときに、他方の電池群が吸熱するようになるため、二次電池モジュール１００全体としての温度の変動を小さくすることが可能となる。すなわち、第１の実施形態における電池システムでは、第１の電池群Ｇ１と第２の電池群Ｇ２の吸熱および発熱反応によって、保温容器３０内の温度が一定の範囲に保たれるため、電池システムの利便性が向上する。
【００２４】
＜第２の実施形態＞
図６は、第２の実施形態における電池システムの構成を示す図である。第２の実施形態に係る電池システムでは、第１の電池群Ｇ１に属するナトリウム二次電池（二次電池、高温型二次電池）１０Ａの径と第２の電池群Ｇ２に属するナトリウム二次電池（二次電池、高温型二次電池）２０Ａの径が異なる二次電池モジュール（電池モジュール）２００を用いる。なお、第１の実施形態と同一部分については、同一の符号を付し、適宜、説明を割愛する。
【００２５】
図６に示すように、第２の実施形態における電池システムは、二次電池モジュール２００、二次電池モジュール２００内の第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２の充放電を制御する制御部（制御手段）４００Ａ、二次電池モジュール２００内に配置されたヒータ等の加熱体６００、二次電池モジュール２００内の温度を検出する温度検出部７００を備えて構成されている。二次電池モジュール２００内の第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２は、制御部４００Ａを介して電力供給手段３００と接続される。また、負荷５００は、制御部４００Ａを介して、二次電池モジュール２００から給電を受けるようになっている。
【００２６】
加熱体６００は、制御部４００Ａを介して電力供給手段３００と電気的に接続されており、必要に応じて二次電池モジュール２００内を加熱する。
温度検出部７００は、二次電池モジュール２００内に配置された熱電対７０１と、この熱電対７０１に接続され二次電池モジュール２００内の温度の変動を監視する温度モニタ装置（図示せず）を備えている。そして、温度検出部７００は、温度モニタ装置による温度測定結果を適時、制御部４００Ａに出力する。
【００２７】
図７（ａ）は、第２の実施形態における二次電池モジュール２００の構造を示す断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図７（ａ）および（ｂ）に示すように、第２の実施形態における二次電池モジュール２００は、第１の電池群Ｇ１に属するナトリウム二次電池１０Ａの方が、第２の電池群Ｇ２に属するナトリウム二次電池２０Ａの径よりも大きくなっている。ここで、ナトリウム二次電池１０Ａ（ナトリウム二次電池２０Ａ）は、３００〜４００℃という高温で作動するものであるが、温度が２８０℃以下まで低下すると熱歪みが生じる。この熱歪みに対する強度を保つため、ナトリウム二次電池１０Ａ（ナトリウム二次電池２０Ａ）は円筒状の形をしている。
【００２８】
また、上述のように外筒容器５１が正極端子として機能するため、ナトリウム二次電池１０Ａを保温容器（容器）３０内に配置する際には、ある程度の間隔をあけて配置する必要もある。よって、同一の径を有するナトリウム二次電池１０Ａを、保温容器３０内に複数個配置すると、必ず隙間（デッド・スペース）が生じてしまう。本発明は、互いに径が異なる２種類のナトリウム二次電池１０Ａ，２０Ａを用いることにより、必然的に生じるデッド・スペースを最小限のものとすることを提案する。すなわち、ナトリウム二次電池１０Ａを保温容器３０内に配置して生じたデッド・スペースを埋めるようにして、ナトリウム二次電池１０Ａよりも小径のナトリウム二次電池２０Ａを配置するのである。これにより、二次電池モジュール２００全体の総電池容量を増加させることができる。よって、本実施の形態における二次電池モジュール２００によれば、保温容器３０の寸法を何ら大きくすることなく、二次電池モジュール２００全体としての単位体積あたりのエネルギー密度を大幅に向上させることができる。
【００２９】
ここで、図７（ｂ）に示したように、ナトリウム二次電池１０Ａを保温容器３０内に配置して生じた隙間（デッド・スペース）を最小限とするには、ナトリウム二次電池１０Ａと、ナトリウム二次電池２０Ａとを互い違いに配置することが好ましい。
【００３０】
また、保温容器３０内のスペースを最大限活用するには、大径のナトリウム二次電池１０Ａの径および小径のナトリウム二次電池２０Ａの径の組合せが重要である。保温容器３０の面積が１１５０×１３５５ｍｍであり、ナトリウム二次電池１０Ａの径を従来と同じく９５ｍｍとしたとする。この場合には、小径のナトリウム二次電池２０Ａの径を２０〜３０ｍｍ程度とすることが有効である。このように、従来生じていた保温容器３０内のデッド・スペースに小径のナトリウム二次電池２０Ａを配置することによって、二次電池モジュール２００全体としての単位体積あたりのエネルギー密度を、従来より６％向上させることができる。
【００３１】
図８は、制御部４００Ａが二次電池モジュール２００に充放電を行わせながら、二次電池モジュール２００の内部を一定幅の温度に制御する際の処理の流れを示すものである。
まずステップＳ２０１において、温度検出部７００は、二次電池モジュール２００内の温度を測定し、その測定結果を制御部４００Ａに出力する。
続くステップＳ２０２において、制御部４００Ａは、二次電池モジュール２００内の温度が所定の範囲内か否かを判定する。この判定は、温度検出部７００からの温度測定結果と、制御部４００Ａがその内部に保持している標準温度幅とから判定される。ここで、標準温度幅とは、二次電池モジュール２００が作動しやすい温度幅を意味し、本実施の形態では標準温度幅が３５０〜４００℃に設定されているものとする。
ステップＳ２０２において温度が所定範囲内、つまり３５０〜４００℃の範囲内であると判定されると、ステップＳ２０１に戻る。一方、ステップＳ２０２において温度が所定範囲内、つまり３５０〜４００℃の範囲内ではないと判定されると、ステップＳ２０３に進む。
【００３２】
ステップＳ２０３では、制御部４００Ａは、ずれ量許容値に基づき、ずれ量が大きいか否かを判定する。ここで、制御部４００Ａが保持する標準温度幅が３５０〜４００℃であるとともに、ずれ量許容値が例えば３０℃であったとする。この場合に、温度検出部７００がステップＳ２０１で測定した温度が例えば２５０℃であったとすると、そのずれ量は３５０℃−２５０℃＝１００℃と算出される。そして、この１００℃というずれ量は、ずれ量許容値（３０℃）よりも大きいから、この場合にはずれ量大と判定され、ステップＳ２０４に進む。
ステップＳ２０４では、制御部４００Ａは加熱体６００を作動させて、二次電池モジュール２００内の温度を上昇させる。
【００３３】
一方、温度検出部７００がステップＳ２０１で測定した温度が例えば３３０℃であったとすると、そのずれ量は３５０℃−３３０℃＝２０℃と算出される。そして、この２０℃というずれ量は、ずれ量許容値（３０℃）よりも小さいから、この場合にはずれ量小と判定され、ステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２０５では、制御部４００Ａは、第１の電池群Ｇ１または第２の電池群Ｇ２の充放電モードを切り替えることにより、二次電池モジュール２００内の温度が２０℃以上高くなるように制御する。上述のように、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２は、放電モードのときには発熱（放熱）する。よって、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２のいずれかが、充電モードであるならば、そのモードを放電モードに切り替えて発熱（放熱）させるのである。もしくは、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２の両方がすでに、放電モードであるならば、いずれか一方の放電容量を大きくすることにより、二次電池モジュール２００内の温度を上昇させればよい。
【００３４】
第２の実施形態における電池システムは、温度検出部７００からの温度測定結果を考慮しつつ、制御部４００Ａが第１の電池群Ｇ１と第２の電池群Ｇ２とを独立して制御する。よって、第１の電池群Ｇ１に属するナトリウム二次電池１０Ａの径と第２の電池群Ｇ２に属するナトリウム二次電池２０Ａの径が異なり、各電池群の総電池容量が相違する場合においても、二次電池モジュール２００全体としての温度の変動を小さくすることが可能となる。
また、温度検出部７００からの温度測定結果に基づき、ずれ量が大きいと判定されたときには、制御部４００Ａは加熱体６００を作動させて二次電池モジュール２００内の温度を制御するようにしたため、二次電池モジュール２００内の温度をすみやかに所定幅内の温度に復旧させることができる。
【００３５】
ここで、二次電池モジュール２００に代えて、図９に示す二次電池モジュール２００Ａを用い、複数のナトリウム二次電池２０Ａから構成される第２の電池群Ｇ２を、専ら温度調整用に用いるようにしてもよい。図９に示す二次電池モジュール２００Ａでは、保温容器３０の中央部に大径のナトリウム二次電池１０Ａから構成される第１の電池群Ｇ１を配置し、一方、保温容器３０の周縁に小径のナトリウム二次電池２０Ａから構成される第２の電池群Ｇ２を配置している。保温容器３０内部の熱は内から外へ移動するため、保温容器３０の周縁に温度調整用の第２の電池群Ｇ２を配置することにより、保温容器３０内の温度保持を効率よく行うことができる。
【００３６】
より具体的には、二次電池モジュール２００Ａ内の温度が低い場合には、第２の電池群Ｇ２を放熱（放電）させて二次電池モジュール２００Ａ内の温度を上昇させる。逆に、二次電池モジュール２００Ａ内の温度が高い場合には、第２の電池群Ｇ２を吸熱（充電）させて二次電池モジュール２００Ａ内の温度を低下させるのである。こうして、第２の電池群Ｇ２によって二次電池モジュール２００Ａ内の温度を所定幅内に保つように制御しつつ、かつ第１の電池群Ｇ１を電力源として用いることにより、二次電池モジュール２００Ａ全体として安定した出力を維持することが可能となる。
【００３７】
なお、第２の実施形態では、温度幅の基準値と測定値とのずれ量が大きい場合（測定値が温度幅の基準値を下回っている場合）には、加熱体６００を作動させることにより、二次電池モジュール２００内の温度を上昇させる例を示した。これと同様に、温度幅の基準値と測定値とのずれ量が大きく、かつ測定値が温度幅の基準値を上回っている場合には、冷却用ファン等により二次電池モジュール２００内の温度調整を速やかに行うことが好ましい。
【００３８】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態では、第１の電池群Ｇ１に属する二次電池と第２の電池群Ｇ２に属する二次電池に、それぞれ別の機能をもたせるようにした例を説明する。
図１０は、第３の実施形態における電池システムの構成を示す図である。なお、第１および第２の実施形態と同一部分については、同一の符号を付してある。
【００３９】
図１０に示すように、第３の実施形態における電池システムは、二次電池モジュール２００、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２の充放電モードおよび充放電容量を制御する制御部（制御手段）４００Ｂを備えて構成されている。二次電池モジュール２００内の第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２は、制御部４００Ｂを介して電力供給手段３００と接続される。また、負荷５００は、制御部４００Ｂを介して、二次電池モジュール２００から給電を受けるようになっている。ここで、第１の電池群Ｇ１に属するナトリウム二次電池１０Ａの本数は５本、第２の電池群Ｇ２に属するナトリウム二次電池２０Ａの本数は６本となっているが、ナトリウム二次電池１０Ａの方がナトリウム二次電池２０Ａよりもその径が大きく、１本あたりの電池容量も大きくなっている。よって、第１の電池群Ｇ１の総電池容量は、第２の電池群Ｇ２の総電池容量よりも大きい。第３の実施形態では、大容量の第１の電池群Ｇ１を常用のバッテリとして機能させ、第２の電池群Ｇ２については非常用のバッテリとして機能させる。つまり、第３の実施形態における二次電池モジュール２００は、常用の大容量バッテリとしての機能と非常用のバッテリとして機能を兼備している。
【００４０】
さて、第３の実施形態における制御部４００Ｂは負荷５００に対する給電状態を監視する給電状態監視部８００をさらに備えている。給電状態監視部８００は、二次電池モジュール２００から負荷５００への給電状態を常時監視している。
【００４１】
図１１は、給電状態監視部８００が非常時を検知した場合に行う処理の流れを示すものである。なお、この処理は、制御部４００Ｂと共同して行われるものである。また、第１の電池群Ｇ１および第２の電池群Ｇ２が予め満充電に近い状態に充電されていることを前提としている。
【００４２】
まずステップＳ３０１において、制御部４００Ｂは、負荷５００からの給電要求を受けて、第１の電池群Ｇ１から負荷５００に対する給電を行うように制御する。
続くステップＳ３０２では、制御部４００Ｂは、第２の電池群Ｇ２が満充電状態か否かを判定する。ここで、第２の電池群Ｇ２が満充電状態ではないと判定されるとステップＳ３０３に進み、制御部４００Ａは第２の電池群Ｇ２を充電モードに制御する。ステップＳ３０３において第２の電池群Ｇ２が充電モードに制御された後は、再びステップＳ３０２に戻り、第２の電池群Ｇ２が満充電状態か否かが判定されることとなる。つまり、ステップＳ３０２およびステップＳ３０３を通じて、第２の電池群Ｇ２は常時、満充電状態で維持される。
一方、ステップＳ３０２において、第２の電池群Ｇ２が満充電状態であると判定されると、ステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、給電状態監視部８００は、非常時であるか否かを判定する。ここで非常時とは、瞬断等により、負荷５００に対する給電が途絶えたような場合を指す。なお、電力供給手段３００が作動しており、かつ第１の電池群Ｇ１が放電しているにも拘わらず、負荷５００に対する給電がなされない場合には、瞬断と判定される。ステップＳ３０４において非常時であると判定されると、給電状態監視部８００はその旨を制御部４００Ｂに通知し、ステップＳ３０５に進む。
【００４３】
ステップＳ３０５では、制御部４００Ｂが第２の電池群Ｇ２と負荷５００とを電気的に接続し、第２の電池群Ｇ２から負荷５００に対して給電が行われるように制御する。この処理は、給電状態監視部８００が非常時を検知した後、ただちに行われる。
続くステップＳ３０６では、非常時が解消されたかどうか、つまり、第１の電池群Ｇ１と負荷５００に対する給電が復旧したかどうかが給電状態監視部８００により判定される。ステップＳ３０６において復旧していないと判定されると、ステップＳ３０５に戻る。
一方、ステップＳ３０６において復旧したと判定されると、ステップＳ３０１に戻り、第１の電池群Ｇ１からの給電を再開する。なお、第１の電池群Ｇ１からの給電の再開に伴い、第２の電池群Ｇ２からの給電は停止される。
【００４４】
ステップＳ３０４において、非常時ではないと判定されると、ステップＳ３０７に進む。ステップＳ３０７では、制御部４００Ｂにより、第１の電池群Ｇ１の容量が予め定められた規定容量ｘ３以上であるか否かが判定される。ここで規定容量ｘ３以上であると判定されると、ステップＳ３０１に戻り、引き続き、第１の電池群Ｇ１から負荷５００に対する給電が行われる。
ステップＳ３０７において、規定容量ｘ３未満と判定されると、ステップＳ３０８に進む。ステップＳ３０８では、制御部４００Ｂは、第２の電池群Ｇ２から負荷５００に対して給電が行われるように制御するとともに、第１の電池群Ｇ１から負荷５００に対する給電を停止する。続くステップＳ３０９では、制御部４００Ｂは残容量が少なくなってきた第１の電池群Ｇ１を充電モードに制御し、ステップＳ３１０に進む。ステップＳ３１０では、制御部４００Ｂにより第１の電池群Ｇ１の充電が完了したかどうか、つまり第１の電池群Ｇ１が満充電状態に達したか否かが判定される。ここで満充電状態に達したと判定されると、ステップＳ３０１に戻り、第１の電池群Ｇ１から負荷５００に対する給電が開始される。なお、この給電の開始に伴い、第２の電池群Ｇ２からの負荷５００に対する給電は停止される。一方、ステップＳ３１０において満充電状態に達していないと判定されると、ステップＳ３０９に戻り、満充電状態に達するまで第１の電池群Ｇ１は充電モードに制御される。
【００４５】
以上説明の通り、第３の実施形態における電池システムでは、第１の電池群Ｇ１が常用の大容量バッテリとして機能し、一方、第２の電池群Ｇ２が非常用バッテリとして機能することを特徴とする。より具体的には、第２の電池群Ｇ２は、通常は負荷５００に対する給電を行わず、瞬断等の非常時、または第１の電池群Ｇ１の残容量が少なくなった場合、すなわち第１の電池群Ｇ１からの給電ができないときにのみ、負荷５００に対する給電を行うのである。通常時は、第２の電池群Ｇ２を満充電の状態に制御するとともに、非常時（第１の電池群Ｇ１の残容量が少なくなった場合を含む）に第２の電池群Ｇ２からの給電を開始させることによって、電池システムの信頼性および利便性を向上させることができる。また、ＵＰＳ用等の非常用バッテリは、常時用いられるものではない。よって、非常用バッテリに大きなスペースを割くことは二次電池モジュール２００の小型化およびコスト面等から好ましくない。ところが、本実施の形態では上述のように、非常用バッテリとして用いられる第２の電池群Ｇ２に属する電池径を、常用バッテリとして用いられる第１の電池群Ｇ１に属する電池径よりも小さくしている。よって、非常用バッテリに大きなスペースを割くことなく、１つの二次電池モジュール２００に、常用の大容量のバッテリとしての機能と非常用のバッテリとしての機能を兼備させることが可能となる。
【００４６】
さらに、第３の実施形態における電池システムでは、非常用バッテリとして機能する第２の電池群Ｇ２のために温度制御を行う必要がない。なぜなら、第２の電池群Ｇ２は、常用バッテリとして機能する第１の電池群Ｇ１と共に同一の二次電池モジュール２００内に配置されており、第１の電池群Ｇ１のために温度制御を行うことによって、第２の電池群Ｇ２も、３００〜４００℃という第１の電池群Ｇ１の作動温度に保持されることとなるからである。
【００４７】
なお、第３の実施形態では、第２の電池群Ｇ２を満充電の状態に維持した状態として待機させ、非常時に給電を開始させる例を示したが、満充電の状態に限らず、一定以上の充電容量を保持した状態で制御するようにしてもよい。
また、上記の実施形態では、高温型二次電池として３００〜４００℃の温度範囲で作動するナトリウム二次電池１０Ａ，２０Ａを用いる場合を例にして説明したが、ナトリウム二次電池１０Ａ，２０Ａに限らず、３００〜５００℃の温度範囲で作動する他の高温型二次電池（リチウム電池等）を用いて二次電池モジュール１００，２００，２００Ａを構成することも可能である。また、高温型二次電池に限らず、他の二次電池を用いてもよいことはもちろんである。
さらにまた、二次電池モジュール２００内の単位体積あたりのエネルギー密度を高めるために、互いに径の異なる電池を配置して電池モジュールを構成するという本発明の技術的思想は、二次電池モジュールに限らず、一次電池を収容した電池モジュールに対しても、極めて有効である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来よりも体積あたりのエネルギー密度が大きい二次電池モジュールを提供することができる。また、高出力かつ高容量で、信頼性、利便性に優れた電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における電池システムの構成を示す図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態における二次電池モジュールの構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】ナトリウム二次電池の内部構造を示す概略図である。
【図４】ナトリウム二次電池の作動原理を示す図である。
【図５】制御部が行う、第１の電池群と第２の電池群についての充電モード，放電モードの適用処理の手順を示す図である。
【図６】第２の実施形態における電池システムの構成を示す図である。
【図７】（ａ）は、第２の実施形態における二次電池モジュールの構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図８】制御部が二次電池モジュールに充放電を行わせながら、二次電池モジュールの内部を一定幅の温度に制御する際の処理の流れを示すものである。
【図９】大径の二次電池を取り囲むようにして小径の二次電池を配置した二次電池モジュールを示す図である。
【図１０】第３の実施形態における電池システムの構成例を示す図である。
【図１１】給電状態監視部の処理の流れを示すものである。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，２０，２０Ａ…ナトリウム二次電池（二次電池、高温型二次電池）、３０…保温容器（容器）、４０…絶縁材、６０Ａ，６０Ｂ…ブスバ、１００，２００，３００…二次電池モジュール（電池モジュール）、３００…電力供給手段、４００，４００Ａ，４００Ｂ…制御部（制御手段）、５００…負荷、６００…加熱体、７００…温度検出部、８００…給電状態監視部、Ｇ１…第１の電池群、Ｇ２…第２の電池群
【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】
2004355861.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004355861.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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