JP2017037743A - 蓄電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材を用いて蓄電池を保温するに際し、蓄熱材から熱を吸収・放出するために不必要な熱抵抗を低減することができる蓄電池システムを提供する。
【解決手段】蓄電池システムは、ある相転移温度で固相と固相との間を潜熱の吸収、放出を伴って可逆的に相転移する蓄熱材によって構成された固体蓄熱部２０を備える。固体蓄熱部２０は、蓄電池１０の温度が相転移温度に達した際に、固相−固相間状態相転移を起こすことにより、蓄電池１０の温度を相転移温度に維持する役割を果たす。これにより、固体蓄熱部２０が相転移を発生させても固体の状態が維持されるので、固体蓄熱部２０の形状を維持するための容器が不要になる。したがって、固体蓄熱部２０が蓄電池１０から潜熱を吸収する際の容器等の外壁の熱抵抗を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、充放電可能な蓄電池を備えた蓄電池システムに関する。

従来より、潜熱蓄熱材が内包された被覆型粒子を含有する蓄熱シートが、例えば特許文献１で提案されている。この蓄熱シートは、潜熱蓄熱材が液相から固相、固相から液相に状態間相転移を起こす際に、熱を吸収したり放出したりする性質を利用することで対象物の温度を維持するものである。被覆型粒子は、液相に相変化した潜熱蓄熱材の形状を維持するためのカプセル状の容器の役割を果たしている。

特開２００９−１４０７８６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、潜熱蓄熱材が固相から液相に相転移したときの潜熱蓄熱材の形状を維持するために容器が必要になるので、被覆型粒子における熱の出し入れ時に容器が熱抵抗になってしまう。

ここで、蓄電池は、充放電に応じた発熱や太陽熱による温度上昇等で電解液が劣化し、寿命が短縮することが知られている。このため、上述の蓄熱シートを用いて蓄電池の温度の上昇を抑制することが考えられる。しかし、熱抵抗による損失によって蓄熱シートの保温効果が充分に得られないという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、蓄熱材を用いて蓄電池を保温するに際し、蓄熱材から熱を吸収・放出するために不必要な熱抵抗を低減することができる蓄電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、充放電可能な蓄電池（１０）を備えている。また、ある相転移温度で固相と固相との間を潜熱の吸収、放出を伴って可逆的に相転移する蓄熱材によって構成されており、蓄電池の温度が相転移温度に達した際に固相−固相間状態相転移を起こすことにより、蓄電池の温度を相転移温度に維持する固体蓄熱部（２０）を備えていることを特徴とする。

これによると、固体蓄熱部が相転移を発生させても固体の状態が維持されるので、固体蓄熱部の形状を維持するための容器が不要になる。したがって、固体蓄熱部が蓄電池から潜熱を吸収する際の容器等の外壁の熱抵抗を低減することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る蓄電池システムの構成図である。 蓄電池システムに対する外部からの流入熱量を説明するための図である。 固定蓄熱部による蓄電池の温度変化を説明するための図である。 蓄電池の最高温度が３５℃、固体蓄熱部の体積が０．４Ｌの場合の蓄電池の温度変化を示した図である。 蓄電池の最高温度が３５℃、固体蓄熱部の体積が１．５Ｌの場合の蓄電池の温度変化を示した図である。 蓄電池の最高温度が４０℃、固体蓄熱部の体積が１．５Ｌの場合の蓄電池の温度変化を示した図である。 蓄電池の最高温度が４０℃、固体蓄熱部の体積が３．０Ｌの場合の蓄電池の温度変化を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る蓄電池システムの構成図である。 本発明の第３実施形態に係る蓄電池システムの構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る蓄電池システムは、例えばハイブリッド車等の電気自動車に搭載される駆動源である。また、蓄電池システムは、モータジェネレータ等の負荷を駆動するための電源や電子機器の電源等にも用いられる。

図１に示されるように、蓄電池システムは、蓄電池１０及び固体蓄熱部２０を備えて構成されている。蓄電池１０は、充放電可能な二次電池である。蓄電池１０は、車両に搭載されるものである。

具体的には、蓄電池１０は、リチウムイオン電池等の複数の電池セルと、複数の電池セルを収容するケースと、を有している。ケースの外形は例えば直方体である。ケースは金属材料や樹脂材料等により構成されている。複数の電池セルは直列に接続されることで１つの電池を構成している。電池セルは、板状やブロック状等のものが採用される。

固体蓄熱部２０は、蓄電池１０の温度が相転移温度に達した際に、蓄電池１０の温度を一定に維持する役割を果たす。固体蓄熱部２０は、ある相転移温度で固相と固相との間を潜熱の吸収、放出を伴って可逆的に相転移する蓄熱材によって構成されている。つまり、固体蓄熱部２０は、固体の状態を維持しつつ、固相−固相間状態相転移を起こす。

固体蓄熱部２０は、板状に構成されている。また、固体蓄熱部２０は、蓄電池１０に直接接している。これによると、固体蓄熱部２０と蓄電池１０とで直接潜熱のやりとりができるので、固体蓄熱部２０による蓄電池１０の保温効果を充分に得ることができる。

なお、本実施形態では、固体蓄熱部２０は蓄電池１０の一側面と同じサイズに構成されている。すなわち、固体蓄熱部２０は蓄電池１０の一側面の全体に接触している。固体蓄熱部２０と蓄電池１０とを直接接触させる方法として、グリースを用いる方法や、固体蓄熱部２０と蓄電池１０とを互いに押し付けるケースを用いる方法等がある。

蓄熱材は、バナジウムを含んで構成されている。例えば、蓄熱材として二酸化バナジウム（ＶＯ_２）が採用される。固体蓄熱部２０の相転移温度は、二酸化バナジウムに添加物が加えられることで所望の温度に設定されている。相転移温度は例えば３０℃に設定されている。

次に、蓄電池１０及び固体蓄熱部２０の熱平衡モデルについて説明する。図２に示されるように、蓄電池１０は、車両の熱や太陽熱等の外部からの流入熱量（Ｑ_{ｉｎｐｕｔ}）によって温度が上昇する。なお、図２では、流入熱量を図示するために固体蓄熱部２０を蓄電池１０の一側面よりも小さいサイズに描いている。

ここで、蓄電池システムの全体熱容量をＣ、蓄電池システムの全体重量をｍ、蓄電池システムの温度上昇をΔＴ、固体蓄熱部２０の重量をｍ_ＶＯ２、潜熱量をΔＨとすると、蓄電池システムの熱平衡モデルは以下の数１で表される。
（数１）
∫Ｑ_{ｉｎｐｕｔ}ｄｔ＝Ｃｍ（ΔＴ）＋ΔＨ
また、１ｋｇ当たりの潜熱量をΔｈとすると、潜熱量ΔＨは以下の数２で表される。
（数２）
ΔＨ＝ｍ_ＶＯ２（Δｈ）
数１は、ある時間までの積算の流入熱量Ｑ_{ｉｎｐｕｔ}は温度上昇ΔＴと固体蓄熱部２０の固相−固相間状態相転移における潜熱ΔＨで消費されることを示している。言い換えると、蓄電池システムの温度上昇ΔＴが潜熱ΔＨによって消費されることで蓄電池システムの温度が一定に保たれる。

具体的には、図３に示されるように、蓄電池システムの温度が相転移温度（Ｔ_ＭＩ）に達する前の第１領域では、蓄電池１０への流入熱量は全て蓄電池システムの温度上昇に使われる。したがって、蓄電池１０の温度は上昇し続ける。

この後の第２領域では、蓄電池１０の温度が相転移温度に達した際に蓄電池１０と固体蓄熱部２０との間で潜熱に基づく固相−固相間状態相転移を起こす。すなわち、固体蓄熱部２０は、蓄電池１０から潜熱を吸収する。これにより、ΔＨ＝∫Ｑ_{ｉｎｐｕｔ}ｄｔに達するまで蓄電池１０の温度は相転移温度を維持する。

発明者らは、蓄電池１０のみの場合と固体蓄熱部２０を搭載した場合との蓄電池１０の温度変化を調べた。その結果を図４〜図７に示す。図４〜図７は、時刻に対する蓄電池１０の温度変化を示している。また、図４及び図５は蓄電池１０の最高温度が３５℃に達する場合を示し、図６及び図７は蓄電池１０の最高温度が４０℃に達する場合を示している。

まず、蓄電池１０のみの場合、蓄電池１０の温度は６時頃から上昇し、１３時〜１４時頃に最高温度に達し、１４時以降は下降していく。そして、蓄電池１０に固体蓄熱部２０が備えられた構成では、８時以降から蓄電池１０の温度上昇が抑制されていることがわかる。

具体的には、図４に示されるように、固体蓄熱部２０が０．４Ｌの場合、蓄電池１０の温度は相転移温度を超えるが、蓄電池１０のみの場合よりも温度が抑えられた。一方、図５に示されるように、固体蓄熱部２０が１．５Ｌの場合、蓄電池１０の温度は相転移温度を超えずに相転移温度に維持された。

同様に、図６に示されるように、固体蓄熱部２０が１．５Ｌの場合、蓄電池１０の温度は相転移温度を超えるが、蓄電池１０のみの場合よりも温度が抑えられた。一方、図７に示されるように、固体蓄熱部２０が３．０Ｌの場合、蓄電池１０の温度は相転移温度を超えずに相転移温度に維持された。

このように、蓄電池１０のみではなく固体蓄熱部２０を備えた構成とすることで、蓄電池１０の最高温度が抑制される。さらに、固体蓄熱部２０の体積を増やすことで固体蓄熱部２０が蓄電池１０から吸収する潜熱量が増えるので、蓄電池１０の保温効果が向上する。

以上説明したように、本実施形態では、固相−固相間状態相転移を起こす固体蓄熱部２０を蓄電池１０に搭載した構成が特徴となっている。これにより、固体蓄熱部２０は固体の状態を維持した状態で相転移を起こすので、固体蓄熱部２０の形状を維持するための容器を不要にすることができる。このため、蓄電池１０と固体蓄熱部２０との間で潜熱をやりとりする際の容器等の外壁の熱抵抗を低減することができる。

特に、蓄電池１０の充放電に応じた発熱や、太陽熱による夏季の温度上昇等により、蓄電池１０内で電解液が劣化して寿命が短縮することを抑制することができる。言い換えると、ヒーターや冷却装置等の保温装置を用いずに蓄電池１０の温度の変化を緩和させることで、蓄電池１０の寿命を長くすることができる。

また、ハイブリッド車等のように独立の蓄電池１０が搭載された車両では、エンジン停車時に保温装置が稼働しないために蓄電池１０の温度変化に対応できない。しかし、本実施形態に係る固体蓄熱部２０は、エンジン停車時でも保温装置を用いずに高い効果を得ることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図８に示されるように、固体蓄熱部２０は、蓄電池１０を囲んでいる。具体的には、固体蓄熱部２０は、筒状に構成されていると共に、蓄電池１０のケースの４側面全体を囲んでいる。つまり、蓄電池１０のケースの両端面は固体蓄熱部２０から露出している。

これによると、固体蓄熱部２０が蓄電池１０の多方向から潜熱を吸収できるので、固体蓄熱部２０による蓄電池１０の保温効果を充分に得ることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図９に示されるように、蓄電池システムは、蓄電池１０、固体蓄熱部２０、及び流路部３０を備えて構成されている。

流路部３０は、蓄電池１０と固体蓄熱部２０との間に熱媒体を循環させることで熱媒体を介して蓄電池１０と固体蓄熱部２０とを熱交換させる流路を構成するものである。そして、蓄電池１０と流路部３０の内壁面との間の空間に熱媒体が流れるようになっている。

すなわち、本実施形態では、蓄電池１０と固体蓄熱部２０とは離間して配置されている。熱媒体は例えばガスや水である。上述のように、固体蓄熱部２０は固体であるので、水のような液体に対して取扱いが容易であるというメリットがある。また、蓄電池１０と固体蓄熱部２０とを別々に配置できるので、車両のスペースを有効活用できるというメリットがある。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された蓄電池システムの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、蓄電池１０は車両に搭載される場合に限られず、蓄電池１０は定置用のものでも良い。もちろん、蓄電池１０の外形は上述のように直方体に限られず、他の外形が採用されることもある。

第２実施形態では、固体蓄熱部２０は蓄電池１０を囲む筒状に構成されていたが、蓄電池１０の全体を囲んでいても良い。なお、蓄電池１０から電源を取り出すためのコネクタ等は固体蓄熱部２０から露出される。

１０ 蓄電池
２０ 固体蓄熱部

Claims (6)

1. 充放電可能な蓄電池（１０）と、
   ある相転移温度で固相と固相との間を潜熱の吸収、放出を伴って可逆的に相転移する蓄熱材によって構成されており、前記蓄電池の温度が前記相転移温度に達した際に固相−固相間状態相転移を起こすことにより、前記蓄電池の温度を前記相転移温度に維持する固体蓄熱部（２０）と、
   を備えていることを特徴とする蓄電池システム。
2. 前記固体蓄熱部は、前記蓄電池に直接接していることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池システム。
3. 前記固体蓄熱部は、前記蓄電池を囲んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池システム。
4. 前記蓄電池と前記固体蓄熱部との間に熱媒体を循環させることで前記熱媒体を介して前記蓄電池と前記固体蓄熱部とを熱交換させるための流路部（３０）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池システム。
5. 蓄熱材は、バナジウムを含んで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蓄電池システム。
6. 前記蓄電池は、車両に搭載されるものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蓄電池システム。

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