JP2023080658A - 電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】本開示は、冷媒と電池セルの電極周辺の部材との接触を回避しつつ、電池セルの外部端子を介した放熱性を向上させることができ、隣り合う電池セルの外部端子間の電気的接続を容易にすることが可能な電池システム提供する。【解決手段】本開示の電池システム１００は、複数の電池セル１と、それら複数の電池セルの隣り合う電池セル１の外部端子１４の間を接続し、中空構造を有する導電性の複数のバスバー２と、それら複数のバスバー２の間に設けられ、電気絶縁性を有する複数の絶縁管５と、複数のバスバー２の内部および複数の絶縁管５の内部に形成され、複数のバスバー２を冷却する電気絶縁性の冷媒Ｒを循環させる冷媒通路３と、を備える。【選択図】図１
Description
本開示は、電池システムに関する。
従来から複数のバッテリセルを備えたバッテリパックが知られている。たとえば、下記特許文献１の請求項１および７、図２等に記載されたバッテリパックは、ケース内に収納された複数のバッテリセルを有している。バッテリセルは、直方体状に形成されている。ケースには、絶縁性冷却液としてハイドロフルオロエーテルが充填されている。また、バッテリセルは、電極側がケースの底部側に位置するように配置されている。
また、リチウム二次電池の冷却を速やかに進めるようにしたリチウム二次電池の冷却システムが知られている。たとえば、下記特許文献２の請求項５および６、図１から３等に記載されたリチウム二次電池の冷却システムは、リチウム二次電池の電極端子に固定される伝導性連結具と、その連結具に連結され、内部には冷媒が流通する冷媒管とを備えている。伝導性連結具は、ボディーと、そのボディーの一側に形成され電極端子に接続固定される固定部と、上記ボディーの他側に形成され、冷媒管が連結される連結部とを備えている。
上記特許文献１に記載された従来のバッテリパックは、複数のバッテリセルの電極側をケースの底部側に位置するように配置することで、各々のバッテリセルの電極がケースに充填された絶縁性冷却液としてのハイドロフルオロエーテルに浸漬される。そのため、バッテリセルの電極周辺の部材と絶縁性冷却液とが接触して、予期しない副反応が発生するおそれがある。
上記特許文献２に記載された従来のリチウム二次電池の冷却システムは、各々のリチウム二次電池の電極端子から冷媒管へ、伝導性連結具のボディーを介して放熱することができる。しかしながら、伝導性連結具のボディーは、各々のリチウム二次電池の直方体形状の電極端子の側面の一部と、冷媒管の外周面の下端とに連結され、冷媒管の径方向に延びる細長い棒状の部材であるため、断面積が小さく放熱性に課題がある。
また、上記従来のリチウム二次電池の冷却システムでは、伝導性連結具は隣り合うリチウム二次電池の電極端子間を電気的に接続しておらず、電極端子間を電気的に接続するバスバーの構成が不明である。そのため、伝導性連結具のボディーの一側に形成されて各々のリチウム二次電池の電極端子に連結される固定部の構成によっては、隣り合うリチウム二次電池の電極端子間の電気的な接続が困難になるおそれがある。
本開示は、冷媒と電池セルの電極端子周辺の部材との接触を回避しつつ、電池セルの外部端子を介した放熱性を向上させることができ、隣り合う電池セルの外部端子間の電気的接続を容易にすることが可能な電池システム提供する。
本開示の一態様は、複数の電池セルと、前記複数の電池セルの隣り合う電池セルの外部端子の間を接続し、中空構造を有する導電性の複数のバスバーと、前記複数のバスバーの間に設けられ、電気絶縁性を有する複数の絶縁管と、前記複数のバスバーの内部および前記複数の絶縁管の内部に形成され、前記複数のバスバーを冷却する電気絶縁性の冷媒を循環させる冷媒通路と、を備える電池システムである。
本開示の上記一態様によれば、冷媒と電池セルの外部端子周辺の部材との接触を回避しつつ、電池セルの外部端子を介した放熱性を向上させることができ、隣り合う電池セルの外部端子間の電気的接続を容易にすることが可能な電池システム提供することができる。
以下、図面を参照して本開示に係る電池システムの実施形態を説明する。
［実施形態１］
図１は、本開示に係る電池システムの実施形態１の一部を切断した側面図である。図２は、図１に示す電池システム１００の一部を切断した平面図である。図３は、図１に示す電池システム１００の一つの電池セル１の斜視図である。なお、図１の断面は、図２のI－I線に沿う断面であり、図２の断面は、図１のII－II線に沿う断面である。扁平な直方体形状の電池セル１の厚さ方向、幅方向および高さ方向にそれぞれ平行なＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる直交座標系を、各図に示す。
図１は、本開示に係る電池システムの実施形態１の一部を切断した側面図である。図２は、図１に示す電池システム１００の一部を切断した平面図である。図３は、図１に示す電池システム１００の一つの電池セル１の斜視図である。なお、図１の断面は、図２のI－I線に沿う断面であり、図２の断面は、図１のII－II線に沿う断面である。扁平な直方体形状の電池セル１の厚さ方向、幅方向および高さ方向にそれぞれ平行なＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる直交座標系を、各図に示す。
本実施形態の電池システム１００は、複数の電池セル１と、それら複数の電池セル１の隣り合う電池セル１の外部端子１４の間を接続する導電性の複数のバスバー２と、それら複数のバスバー２を冷却する電気絶縁性の冷媒Ｒを循環させる冷媒通路３と、を備える。また、本実施形態の電池システム１００は、たとえば、冷媒通路３に接続された熱交換器４をさらに備えている。
詳細については後述するが、本実施形態の電池システム１００は、次の構成を最大の特徴としている。冷媒通路３は、複数のバスバー２の各々のバスバー２を貫通するバスバー通路２１と、電気絶縁性の絶縁管５の内部に形成されて複数のバスバー２の隣り合うバスバー２のバスバー通路２１を連結する絶縁通路５１と、を含む。以下、本実施形態の電池システム１００の各部を詳細に説明する。
電池セル１は、たとえば、角型のリチウムイオン二次電池である。なお、電池セル１の種類は、リチウムイオン二次電池に限定されず、たとえば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、または、ニッケルカドミウム電池であってもよい。電池セル１は、たとえば、図３に示すように、扁平な直方体形状の電池容器１０を備えている。
電池容器１０は、たとえば、アルミニウム合金などの金属製であり、有底角筒状の電池缶１１と、電池缶１１の上端の開口部を封止する電池蓋１２とにより構成されている。図示を省略するが、電池容器１０の内部には、帯状の正電極と帯状の負電極とを帯状のセパレータを介して重ねて巻回した電極群、この電極群の両端で正電極と負電極にそれぞれ接続された一対の集電板、電気絶縁部材、および電解液などが収容されている。
電池容器１０は、厚さ方向（Ｘ軸方向）両側の一対の広側面１０ｗ、幅方向（Ｙ軸方向）両側の一対の狭側面１０ｎ、高さ方向（Ｚ軸方向）の下端の底面１０ｂ、および高さ方向の上端の上面１０ｔを有している。これら電池容器１０の各面のうち、広側面１０ｗが最大の面積を有している。電池容器１０の上面１０ｔには、電池容器１０の幅方向の両端に、一対の絶縁部材１３を介して一対の外部端子１４が配置され、一対の外部端子１４の間に、開裂弁１５および注液口１６が設けられている。
一対の外部端子１４のうち、一方の外部端子１４は、集電板を介して正電極に接続された正極の外部端子１４Ｐであり、他方の外部端子１４は、集電板を介して負電極に接続された負極の外部端子１４Ｎである。開裂弁１５は、電池容器１０の内部の圧力が異常に上昇したときに開裂して、電池セル１の安全性を確保する。注液口１６は、電池容器１０の内部に電解液を注入するのに用いられ、注液栓１７によって封止されている。
図２に示すように、複数の電池セル１は、隣り合う一方の電池セル１の正極の外部端子１４Ｐと、他方の電池セル１の負極の外部端子１４Ｎとが、電池セル１の厚さ方向（Ｘ軸方向）に隣接するように、交互に反転させて配置されている。さらに、隣り合う一方の電池セル１の正極の外部端子１４Ｐと、他方の電池セル１の負極の外部端子１４Ｎとを、バスバー２によって、順次、接続していくことで、複数の電池セル１が直列に接続される。
直列に接続された複数の電池セル１において、配列方向（Ｘ軸方向）の一端の電池セル１の正極の外部端子１４Ｐと、配列方向の他端の電池セル１の負極の外部端子１４Ｎには、それぞれ、端部バスバー２Ｅが接続されている。これらの端部バスバー２Ｅは、複数のバスバー２によって直列に接続された複数の電池セル１である電池群の外部端子として機能するバスバーである。
バスバー２は、前述のように、複数の電池セル１の隣り合う電池セル１の外部端子１４の間を接続し、中空構造を有する導電性の部材である。より具体的には、バスバー２および端部バスバー２Ｅは、良好な導電性および熱伝導性を有する金属製の管状の部材である。バスバー２および端部バスバー２Ｅの材料としては、たとえば、銅、アルミニウム、ニッケルなどを用いることができる。
本実施形態において、バスバー２および端部バスバー２Ｅの断面形状は、たとえば、長方形である。バスバー２および端部バスバー２Ｅの幅は、たとえば、電池セル１の外部端子１４の幅におおむね等しい。バスバー２および端部バスバー２Ｅは、たとえば、レーザ溶接によって電池セル１の外部端子１４の上面に接合され、外部端子１４に接続されている。
バスバー通路２１は、バスバー２および端部バスバー２Ｅのそれぞれに設けられた中空部である。バスバー通路２１は、バスバー２および端部バスバー２Ｅのそれぞれの長手方向の一端と他端に開口を有し、バスバー２および端部バスバー２Ｅをそれぞれ貫通している。本実施形態において、バスバー通路２１の断面形状は、バスバー２および端部バスバー２Ｅと同様に、長方形である。
絶縁管５は、たとえば、電気絶縁性を有する樹脂材料によって製作された電気絶縁性のチューブである。絶縁通路５１は、絶縁管５に設けられた中空部であり、絶縁管５の一端と他端に開口部を有し、絶縁管５を貫通している。本実施形態において、絶縁管５および絶縁通路５１の断面形状は、バスバー２およびバスバー通路２１の断面形状と同様に、長方形である。
絶縁管５は、電池セル１の配列方向（Ｘ軸方向）において隣り合うバスバー２の間に配置され、それらのバスバー２のバスバー通路２１を、絶縁通路５１によって接続している。また、絶縁管５は、たとえば、熱交換器４の一対の冷媒出口４３の一方と、熱交換器４から最も近いバスバー２のバスバー通路２１とを接続している。さらに、絶縁管５は、たとえば、熱交換器４の一対の冷媒出口４３のもう一方と、熱交換器４から最も近い端部バスバー２Ｅのバスバー通路２１とを接続している。
また、絶縁管５は、たとえば、熱交換器４の一対の冷媒入口４１の一方と、熱交換器４から最も離れたバスバー２のバスバー通路２１とを接続している。さらに、絶縁管５は、たとえば、熱交換器４の一対の冷媒入口４１のもう一方と、熱交換器４から最も離れた端部バスバー２Ｅのバスバー通路２１とを接続している。
冷媒通路３は、複数のバスバー２および端部バスバー２Ｅを冷却する電気絶縁性の冷媒Ｒを循環させる通路である。冷媒Ｒの大気圧における沸点は、たとえば、０℃から５５℃まで範囲内である。冷媒Ｒとしては、たとえば、ハイドロフルオロエーテルなどのフッ素系溶剤を使用することができる。冷媒通路３の内圧は、たとえば、大気圧よりも低い圧力に減圧することも可能である。
冷媒通路３は、たとえば、複数のバスバー２および端部バスバー２Ｅの複数のバスバー通路２１と、複数の絶縁管５の複数の絶縁通路５１とによって構成されている。冷媒通路３の内部には、複数のバスバー２および端部バスバー２Ｅを冷却する冷媒Ｒが封入されている。冷媒通路３は、たとえば、熱交換器４に接続され、熱交換器４と複数のバスバー２および端部バスバー２Ｅとの間で冷媒Ｒを循環させる。
冷媒通路３は、たとえば、第１冷媒通路３１と、第２冷媒通路３２と、第３冷媒通路３３とを有している。第１冷媒通路３１は、熱交換器４の冷媒出口４３に接続されて水平方向に沿って延びている。第２冷媒通路３２は、第１冷媒通路３１から鉛直方向に沿って上方へ延びている。第３冷媒通路３３は、第２冷媒通路３２の上端に連結されて水平方向に沿って延び、熱交換器４の冷媒入口４１に接続されている。
冷媒Ｒは、たとえば、第１冷媒通路３１の全体を満たし、第２冷媒通路３２の上端よりも下方に液面を有している。なお、冷媒Ｒは、たとえば、第１冷媒通路３１を部分的に満たし、第１冷媒通路３１内に液面を有していてもよい。
熱交換器４は、たとえば、バスバー通路２１を含む第１冷媒通路３１よりも上方に配置されている。熱交換器４は、たとえば、冷媒入口４１と、放熱部４２と、冷媒出口４３とを有している。
熱交換器４は、たとえば、図２に示すように、放熱部４２の上端部に、電池セル１の幅方向（Ｙ軸方向）に離隔した一対の冷媒入口４１を有している。また、熱交換器４は、たとえば、放熱部４２の下端に、電池セル１の幅方向に離隔した一対の冷媒出口４３を有している。一対の冷媒出口４３は、一対の冷媒通路３の始端に連結され、一対の冷媒入口４１は、一対の冷媒通路３の終端に連結される。
放熱部４２は、冷媒入口４１から導入された冷媒Ｒを下方へ通過させながら、冷媒Ｒの熱を外気へ放熱する。より具体的には、放熱部４２は、水平方向に沿って往復するように蛇行しながら鉛直方向の下方へ冷媒Ｒを導く蛇行流路４２ａを有している。また、放熱部４２は、たとえば、複数の放熱フィンを含むヒートシンク４２ｂを有している。
以下、本実施形態の電池システム１００の作用を説明する。
本実施形態の電池システム１００は、たとえば、複数のバスバー２によって直列に接続された複数の電池セル１を含む電池群に対し、電池群の外部端子として機能する一対の端部バスバー２Ｅを介して、外部の発電機などから電力を供給することができる。これにより、電池システム１００の複数の電池セル１を充電することができる。
また、電池システム１００は、充電された複数の電池セル１から、一対の端部バスバー２Ｅを介して、外部のモータなどの機器へ電力を供給することができる。電池システム１００では、充放電によって温度が上昇する複数の電池セル１の温度を適切な温度範囲に維持して各々の電池セル１の劣化を抑制するために、各々の電池セル１を均一に冷却することが重要になる。
本実施形態の電池システム１００は、前述のように、複数の電池セル１と、複数のバスバー２と、複数の絶縁管５と、冷媒通路３と、を備えている。複数のバスバー２の各々のバスバー２は、複数の電池セル１の隣り合う電池セル１の外部端子１４の間を接続し、中空構造を有する導電性の部材である。複数の絶縁管５の各々の絶縁管５は、複数のバスバー２の隣り合うバスバー２の間に設けられ、電気絶縁性を有している。冷媒通路３は、複数のバスバー２の内部および複数の絶縁管５の内部に形成され、それら複数のバスバー２を冷却する電気絶縁性の冷媒Ｒを循環させる。より詳細には、冷媒通路３は、複数のバスバー２の各々のバスバー２を貫通するバスバー通路２１と、電気絶縁性の絶縁管５の内部に形成されて複数のバスバー２の隣り合うバスバー２のバスバー通路２１を連結する絶縁通路５１と、を含む。
このような構成により、本実施形態の電池システム１００は、前記特許文献１に記載されたバッテリパックとは異なり、冷媒Ｒを冷媒通路３に封入して、各々の電池セル１の外部端子１４の周辺部材と冷媒Ｒとの接触を回避することができる。したがって、本実施形態の電池システム１００によれば、冷媒Ｒと各々の電池セル１の外部端子１４の周辺部材との接触による予期しない副反応の発生を防止することができる。また、本実施形態の電池システム１００によれば、冷媒Ｒを冷媒通路３に循環させることで、上記従来のバッテリパックと比較して、複数の電池セル１の冷却に必要な冷媒Ｒの量を低減することができ、冷媒Ｒのコストを削減することが可能になる。
また、本実施形態の電池システム１００は、上記の構成により、各々のバスバー２の内部のバスバー通路２１を循環する冷媒Ｒによって各々のバスバー２を冷却し、各々のバスバー２によって各々の電池セル１の外部端子１４を冷却することができる。さらに、各々のバスバー２は、前記特許文献２に記載された従来のリチウム二次電池の冷却システムにおける伝導性連結具と比較して、電池セル１の外部端子１４に対する接合面積を大きくすることができる。したがって、本実施形態の電池システム１００は、上記従来の冷却システムよりも、各々の電池セル１の外部端子１４を介した放熱性を向上させることができる。
さらに、上記従来の冷却システムでは、冷媒によって冷却された冷媒管によってリチウム二次電池の電極端子を直接的に冷却するのではなく、冷媒管によって冷却された導電性連結具を介して間接的に電極端子を冷却している。これに対し、本実施形態の電池システム１００では、上記の構成により、バスバー２を貫通するバスバー通路２１内の冷媒Ｒによって冷却されたバスバー２が、電池セル１の外部端子１４を直接的に冷却する。したがって、本実施形態の電池システム１００は、上記従来の冷却システムよりも、各々の電池セル１の外部端子１４を介した放熱性を向上させ、各々の外部端子１４の劣化を抑制し、耐用期間を長期化することができる。
加えて、上記従来の冷却システムでは、リチウム二次電池の電極端子を冷却する伝導性連結具および冷媒管とは別に、バスバーを電極端子に接合する必要がある。これに対し、本実施形態の電池システム１００では、上記の構成により、各々のバスバー２を冷却する冷媒を循環させる冷媒通路３が、各々のバスバー２を貫通するバスバー通路２１を含んでいる。そのため、複数のバスバー２のバスバー通路２１と、複数の絶縁管５の絶縁通路５１とによって冷媒通路３を構成するのと同時に、複数の電池セル１の隣り合う電池セル１の外部端子１４の間をバスバー２によって電気的に接続することができる。したがって、本実施形態の電池システム１００によれば、隣り合う電池セル１の外部端子１４間の電気的接続を、上記従来の冷却システムよりも容易に行うことが可能になる。
また、本実施形態の電池システム１００は、冷媒通路３に接続された熱交換器４をさらに備えている。熱交換器４は、冷媒入口４１と、放熱部４２と、冷媒出口４３とを有している。冷媒入口４１は、冷媒通路３の終端に連結される。放熱部４２は、冷媒入口４１から導入された冷媒Ｒを下方へ通過させながら、冷媒Ｒの熱を外気へ放熱する。冷媒出口４３は、放熱部４２の下端に設けられて冷媒通路３の始端に連結される。
このような構成により、本実施形態の電池システム１００において、複数のバスバー２を介して電池セル１を冷却して温度が上昇した冷媒Ｒは、冷媒通路３の終端から熱交換器４の冷媒入口４１に導入される。冷媒入口４１に導入された冷媒Ｒは、放熱部４２を下方へ通過しながら、放熱部４２を介して外気へ放熱することで温度が低下する。温度が低下した冷媒Ｒは、重力の作用によって放熱部４２の下端から冷媒通路３の始端へ導入され、各々のバスバー２を介して各々の電池セル１を冷却する。したがって、本実施形態の電池システム１００によれば、冷媒通路３に冷媒Ｒを循環させるためのポンプが不要になり、信頼性の向上と電力消費量の削減が可能になる。
また、本実施形態の電池システム１００において、冷媒通路３は、第１冷媒通路３１と、第２冷媒通路３２と、第３冷媒通路３３とを有する。第１冷媒通路３１は、熱交換器４の冷媒出口４３に接続されて水平方向に沿って延びる。第２冷媒通路３２は、第１冷媒通路３１から鉛直方向に沿って上方へ延びる。第３冷媒通路３３は、第２冷媒通路３２の上端に連結され、水平方向に沿って延びて、熱交換器４の冷媒入口４１に接続される。
このような構成により、本実施形態の電池システム１００は、第１冷媒通路３１内の冷媒Ｒによって複数のバスバー２を介して複数の電池セル１を効率よく同時に冷却することができる。また、第１冷媒通路３１内で温度が上昇した冷媒Ｒは、第１冷媒通路３１から鉛直方向に沿って上方に延びる第２冷媒通路３２へ移動する。これにより、第１冷媒通路３１内の冷媒Ｒの突沸に伴う冷媒Ｒの逆流や異常な温度上昇が防止され、電池セル１の冷却効率が低下するのを防止できる。
また、本実施形態の電池システム１００において、熱交換器４は、冷媒通路３の第１冷媒通路３１よりも上方に配置されている。このような構成により、本実施形態の電池システム１００は、冷媒通路３と熱交換器４との間で、重力の作用によって冷媒Ｒをより効率よく循環させることができる。
また、本実施形態の電池システム１００において、冷媒Ｒの大気圧における沸点は、０℃から５５℃まで範囲内である。このような構成により、バスバー２を介して電池セル１の外部端子１４を冷却した冷媒通路３内の液体の冷媒Ｒの少なくとも一部が沸騰して、蒸発する。この冷媒Ｒの気化熱によって、電池セル１の冷却効率をより向上させることができる。また、冷媒Ｒの沸点よりも高い温度の電池セル１を優先的に冷却して、複数の電池セル１の温度を均一にすることができる。また、冷媒Ｒによる沸騰冷却方式を採用することで、空冷方式や水冷方式よりも電池セル１の冷却効率を向上させることができる。
また、冷媒通路３で電池セル１を冷却して蒸発して気化した冷媒Ｒは、放熱部４２内で冷却されることで凝縮して液体に戻る。放熱部４２内で液体に戻った冷媒Ｒは、重力の作用によって放熱部４２内を下方へ流れながら冷却され、冷媒出口４３から冷媒通路３へ導入される。したがって、冷媒通路３と熱交換器４との間で冷媒Ｒをより効率よく循環させることができる。
また、本実施形態の電池システム１００において、冷媒Ｒは、ハイドロフルオロエーテルである。これにより、冷媒Ｒの大気圧における沸点を、０℃から５５℃まで範囲内、より具体的には、約５４℃程度にすることができる。また、冷媒Ｒに必要な電気絶縁性を十分に確保することが可能になる。
また、本実施形態の電池システム１００において、冷媒通路３の内圧が、大気圧よりも低い場合には、冷媒Ｒの沸点をより低下させることができる。したがって、電池セル１の特性に応じて冷媒Ｒの沸点を最適化し、冷媒Ｒによるバスバー２を介した電池セル１の冷却効率をより向上させることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、冷媒Ｒと電池セル１の外部端子１４周辺の部材との接触を回避しつつ、電池セル１の外部端子１４を介した放熱性を向上させることができ、隣り合う電池セル１の外部端子１４間の電気的接続を容易にすることが可能な電池システム１００を提供することができる。
［実施形態２］
以下、図４から図６を参照して、本開示に係る電池システムの実施形態２を説明する。図４は、本開示に係る電池システムの実施形態２の一部を切断した側面図である。図５は、図４に示す電池システム１００Ａの一部を切断した平面図である。図６は、図４に示す電池システム１００Ａのブロック図である。
以下、図４から図６を参照して、本開示に係る電池システムの実施形態２を説明する。図４は、本開示に係る電池システムの実施形態２の一部を切断した側面図である。図５は、図４に示す電池システム１００Ａの一部を切断した平面図である。図６は、図４に示す電池システム１００Ａのブロック図である。
なお、図４の断面は、図５のIV－IV線に沿う断面であり、図５の断面は、図４のV－V線に沿う断面である。また、図４では、Ｙ軸負方向側に位置するバスバー２Ａを含む第１冷媒通路３１と、第２冷媒通路３２と、第３冷媒通路３３とを断面で示し、Ｙ軸正方向側に位置するこれらの構成の図示を省略している。
本実施形態の電池システム１００Ａは、たとえば、以下の構成が前述の実施形態１の電池システム１００と異なっている。本実施形態の電池システム１００Ａは、流量センサ７と、温度センサ８と、制御装置９とを、さらに備えている。また、本実施形態の電池システム１００Ａにおいて、冷媒通路３Ａの断面形状は円形である。また、バスバー２Ａは、分岐部２２を有し、板状部材６を介して電池セル１の外部端子１４に接続されている。
また、本実施形態の電池システム１００Ａは、たとえば、冷媒通路３Ａを構成する電池セル１の幅方向（Ｙ軸方向）両側の第１冷媒通路３１が、電池セル１の配列方向（Ｘ軸方向）における熱交換器４と反対側の端部で絶縁管５によって接続されている。本実施形態の電池システム１００Ａのその他の構成は、前述の実施形態１の電池システム１００と同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の電池システム１００Ａでは、前述のように、冷媒通路３Ａの断面形状が円形であることから、バスバー２Ａおよび絶縁管５の断面形状も円形になっており、熱交換器４の冷媒入口４１および冷媒出口４３の形状も円形になっている。バスバー２Ａおよび板状部材６の材質は、実施形態１のバスバー２および端部バスバー２Ｅと同様である。
バスバー２Ａは、たとえば、直管状の部分の中央部から直角に分岐する分岐部２２を有するＴ字型の形状を有している。各々のバスバー２Ａの分岐部２２は、たとえば、電池セル１の外部端子１４と反対方向の上方を向くように配置されている。各々の分岐部２２の上端には、鉛直方向に沿って延びる絶縁管５の下端が接続されている。
各々のバスバー２Ａの分岐部２２に接続されて鉛直方向に沿って延びる各々の絶縁管５の上端は、水平方向に延びる絶縁管５に接続されている。これら複数のバスバー２Ａの分岐部２２を貫通するバスバー通路２１と、複数の絶縁管５の絶縁通路５１とによって、第１冷媒通路３１から鉛直方向に沿って上方へ延びる複数の第２冷媒通路３２が形成されている。
すなわち、冷媒通路３Ａは、熱交換器４の冷媒出口４３に接続されて水平方向に沿って延びる第１冷媒通路３１と、熱交換器４の冷媒入口４１に接続されて水平方向に沿って延びる第３冷媒通路３３との間に、鉛直方向に沿って延びる複数の第２冷媒通路３２を有している。
流量センサ７は、冷媒通路３Ａの第３冷媒通路３３を流れる冷媒Ｒの流量を検出する。より具体的には、流量センサ７は、たとえば、複数の第２冷媒通路３２と熱交換器４の冷媒入口４１との間の第３冷媒通路３３に取り付けられ、電池セル１を冷却することで温度が上昇して蒸発した冷媒Ｒの蒸気の流量を検出する。流量センサ７は、検出した冷媒Ｒの流量を制御装置９へ出力する。
温度センサ８は、複数の電池セル１の少なくとも一つの電池セル１の温度を検出する。温度センサ８は、たとえば、図５に示すように、厚さ方向に並んだ複数の電池セル１のうち、中央部に配置された一つの電池セル１の上面１０ｔに取り付けられている。なお、温度センサ８は、各々の電池セル１に取り付けられていてもよい。温度センサ８は、検出した電池セル１の温度を制御装置９へ出力する。
制御装置９は、たとえば、一つ以上のマイクロコントローラによって構成され、電気的に接続された複数の電池セル１である組電池を制御する。制御装置９は、たとえば、図６に示すように、沸騰検知部９１と、負荷制限部９２と、充放電制御部９３と、を有している。これら制御装置９の各部は、たとえば、制御装置９のメモリに記憶されたプログラムを制御装置９の中央処理装置（ＣＰＵ）によって実行することで実現される制御装置９の機能を表している。
沸騰検知部９１は、流量センサ７によって検出された冷媒Ｒの流量と、温度センサ８によって検出された少なくとも一つの電池セル１の温度とに基づいて冷媒Ｒの遷移沸騰を検知する。より具体的には、沸騰検知部９１は、たとえば、検出された冷媒Ｒの流量および電池セル１の温度が、あらかじめメモリに記憶された遷移沸騰条件を満たす場合に、冷媒Ｒの遷移沸騰を検知する。なお、沸騰検知部９１は、検知された冷媒Ｒの流量と電池セル１の温度のいずれか一方を用いて、冷媒Ｒの遷移沸騰を検知してもよい。
負荷制限部９２は、沸騰検知部９１によって冷媒Ｒの遷移沸騰が検知されたときに、複数の電池セル１を含む組電池の電力負荷を制限するための上限電力を算出する。充放電制御部９３は、負荷制限部９２によって算出された上限電力に基づいて複数の電池セル１の充放電を制御する。
以下、本実施形態の電池システム１００Ａの作用を説明する。
本実施形態の電池システム１００Ａにおいて、冷媒通路３Ａは、熱交換器４の冷媒出口４３に接続されて水平方向に沿って延びる第１冷媒通路３１から鉛直方向に沿って上方へ延びる複数の第２冷媒通路３２を有している。また、複数の第２冷媒通路３２の各々の上端は、熱交換器４の冷媒入口４１に接続されて水平方向に沿って延びる第３冷媒通路３３に接続されている。
このような構成により、第１冷媒通路３１内で沸騰して気化した冷媒Ｒを、複数の第２冷媒通路３２を介して第３冷媒通路３３へ逃がし、第３冷媒通路３３を通して熱交換器４の冷媒入口４１に導入して、熱交換器４の放熱部４２で凝縮させることができる。したがって、本実施形態の電池システム１００Ａによれば、冷媒通路３Ａにおける冷媒Ｒの循環を促進させ、電池セル１の外部端子１４を介した放熱性を向上させることができる。
また、本実施形態の電池システム１００Ａにおいて、各々のバスバー２Ａは、板状部材６を介して電池セル１の外部端子１４に接続されている。このような構成により、本実施形態の電池システム１００Ａは、電池セル１の外部端子１４に対するバスバー２Ａの接合を容易にすることができ、隣り合う電池セル１の外部端子１４間の電気的接続を容易にすることが可能になる。
また、本実施形態の電池システム１００Ａは、第３冷媒通路３３を流れる冷媒Ｒの流量を検出する流量センサ７と、複数の電池セル１の少なくとも一つの電池セル１の温度を検出する温度センサ８と、複数の電池セル１を制御する制御装置９と、をさらに備えている。制御装置９は、沸騰検知部９１と、負荷制限部９２と、充放電制御部９３とを有している。沸騰検知部９１は、流量センサ７によって検出された冷媒Ｒの流量と、温度センサ８によって検出された少なくとも一つの電池セル１の温度とに基づいて冷媒Ｒの遷移沸騰を検知する。負荷制限部９２は、沸騰検知部９１によって冷媒Ｒの遷移沸騰が検知されたときに複数の電池セル１の電力負荷を制限するための上限電力を算出する。充放電制御部９３は、負荷制限部９２によって算出された上限電力に基づいて複数の電池セル１の充放電を制御する。
このような構成により、本実施形態の電池システム１００Ａは、制御装置９の沸騰検知部９１によって冷媒Ｒの遷移沸騰を検知した場合に、複数の電池セル１の電力負荷を制限することで、冷媒Ｒの核沸騰を維持することができる。したがって、本実施形態の電池システム１００Ａによれば、冷媒Ｒの沸騰による電池セル１の外部端子１４を介した放熱性を向上させることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、冷媒Ｒと電池セル１の外部端子１４の周辺の部材との接触を回避しつつ、電池セル１の電池セル１を介した放熱性を向上させることができ、隣り合う電池セル１の外部端子１４間の電気的接続を容易にすることが可能な電池システム１００Ａを提供することができる。
［実施形態３］
以下、図７および図８を参照して、本開示に係る電池システムの実施形態３を説明する。図７は、本開示に係る電池システムの実施形態３の一部を切断した側面図である。図８は、図７に示す電池システム１００Ｂのブロック図である。
以下、図７および図８を参照して、本開示に係る電池システムの実施形態３を説明する。図７は、本開示に係る電池システムの実施形態３の一部を切断した側面図である。図８は、図７に示す電池システム１００Ｂのブロック図である。
本実施形態の電池システム１００Ｂは、たとえば、以下の構成が、前述の実施形態２の電池システム１００Ａと異なっている。電池システム１００Ｂは、熱交換器４の放熱部４２の外表面に冷却液Ｌを供給する冷却液通路Ｔ１と、その冷却液通路Ｔ１を開閉する電磁弁Ｖとを備えている。また、本実施形態の電池システム１００Ｂは、制御装置９が電磁弁制御部９４を有している。また、本実施形態の電池システム１００Ｂは、筐体Ｃをさらに備えている。本実施形態の電池システム１００Ｂのその他の構成は、前述の実施形態２の電池システム１００Ａと同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
冷却液通路Ｔ１は、たとえば、冷却液Ｌが貯留された冷却液タンクＴに接続され、冷却液タンクＴから熱交換器４の放熱部４２の外表面へ冷却液Ｌを供給する冷却液供給管である。冷却液通路Ｔ１は、たとえば、放熱部４２のヒートシンク４２ｂの上方に配置され、冷却液タンクＴから鉛直方向に沿って下方に延び、先端の開口部がヒートシンク４２ｂの近傍に位置している。冷却液Ｌとしては、たとえば、水を用いることができる。
電磁弁Ｖは、たとえば、冷却液タンクＴと熱交換器４との間の冷却液通路Ｔ１の途中に設けられている。電磁弁Ｖは、たとえば、冷却液通路Ｔ１を開閉する弁体と、その弁体を駆動させる駆動部と、を備えている。電磁弁Ｖは、制御装置９によって制御された駆動部が弁体を駆動させることで、冷却液通路Ｔ１を開閉する。
制御装置９は、沸騰検知部９１と、沸騰検知部９１によって冷媒Ｒの遷移沸騰が検知されたときに電磁弁Ｖを開く電磁弁制御部９４と、を有している。なお、制御装置９は、図６に示す実施形態２の電池システム１００Ａと同様に、負荷制限部９２および充放電制御部９３を有し、複数の電池セル１を含む組電池を制御するようにしてもよい。
筐体Ｃは、複数の電池セル１、複数のバスバー２Ａ、および冷媒通路３Ａを収容している。より詳細には、筐体Ｃは、複数の電池セル１、複数のバスバー２Ａ、および冷媒通路３Ａとともに、複数の絶縁管５および熱交換器４を収容する直方体形状に設けられ、断熱材を含んでいる。より具体的には、筐体Ｃは、たとえば、金属製または樹脂製の本体部の内表面と外表面の少なくとも一方に接合された断熱材を有している。また、筐体Ｃは、たとえば、放熱部４２のヒートシンク４２ｂを外部に露出させる開口部Ｃ１を有している。
以下、本実施形態の電池システム１００Ｂの作用を説明する。
本実施形態の電池システム１００Ｂは、前述のように、流量センサ７と、温度センサ８と、冷却液通路Ｔ１と、電磁弁Ｖと、制御装置９と、を備えている。流量センサ７は、冷媒通路３Ａの第３冷媒通路３３を流れる冷媒Ｒの流量を検出する。温度センサ８は、複数の電池セル１の少なくとも一つの電池セル１の温度を検出する。冷却液通路Ｔ１は、熱交換器４の放熱部４２の外表面へ冷却液Ｌを供給する。電磁弁Ｖは、冷却液通路Ｔ１を開閉する。電磁弁Ｖを制御する制御装置９は、沸騰検知部９１と、電磁弁制御部９４とを有している。沸騰検知部９１は、流量センサ７によって検出された冷媒Ｒの流量と、温度センサ８によって検出された少なくとも一つの電池セル１の温度とに基づいて冷媒Ｒの遷移沸騰を検知する。電磁弁制御部９４は、沸騰検知部９１によって冷媒Ｒの遷移沸騰が検知されたときに電磁弁Ｖを開く。
このような構成により、本実施形態の電池システム１００Ｂは、制御装置９の沸騰検知部９１によって冷媒Ｒの遷移沸騰を検知した場合に、電磁弁Ｖを開いて冷却液通路Ｔ１から熱交換器４の放熱部４２の外表面へ冷却液Ｌを供給することができる。その結果、放熱部４２による冷媒Ｒの冷却性能が向上し、冷媒Ｒの核沸騰を維持することができる。したがって、本実施形態の電池システム１００Ｂによれば、前述の実施形態２の電池システム１００Ａと同様に、冷媒Ｒの沸騰による電池セル１の外部端子１４を介した放熱性を向上させることができる。また、冷却液Ｌとして水を用いることで、蒸発した冷却液Ｌによる環境に対する影響をなくすことができる。
また、本実施形態の電池システム１００Ｂは、筐体Ｃを備えている。筐体Ｃは、断熱材を含み、複数の電池セル１、複数のバスバー２Ａ、および冷媒通路３Ａを収容する。このような構成により、たとえば、電池システム１００Ｂが車両に搭載され、その車両が駐車して電池システム１００Ｂが休止している夜間においても、冷媒Ｒの温度が極端に低下することを防止して、各々の電池セル１におけるリチウムの析出を防止できる。また、車両の暖機運転を不要にすることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、冷媒Ｒと電池セル１の外部端子１４の周辺の部材との接触を回避しつつ、電池セル１の外部端子１４を介した放熱性を向上させることができ、隣り合う電池セル１の外部端子１４間の電気的接続を容易にすることが可能な電池システム１００Ｂを提供することができる。
以上、図面を用いて本開示に係る電池システムの実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。
１ 電池セル
１４ 外部端子
２ バスバー
２Ａ バスバー
２Ｅ 端部バスバー（バスバー）
２１ バスバー通路
３ 冷媒通路
３Ａ 冷媒通路
３１ 第１冷媒通路
３２ 第２冷媒通路
３３ 第３冷媒通路
４ 熱交換器
４１ 冷媒入口
４２ 放熱部
４３ 冷媒出口
５ 絶縁管
５１ 絶縁通路
７ 流量センサ
８ 温度センサ
９ 制御装置
９１ 沸騰検知部
９２ 負荷制限部
９３ 充放電制御部
９４ 電磁弁制御部
１００ 電池システム
１００Ａ 電池システム
１００Ｂ 電池システム
Ｃ 筐体
Ｒ 冷媒
Ｔ１ 冷却液通路
Ｖ 電磁弁
１４ 外部端子
２ バスバー
２Ａ バスバー
２Ｅ 端部バスバー（バスバー）
２１ バスバー通路
３ 冷媒通路
３Ａ 冷媒通路
３１ 第１冷媒通路
３２ 第２冷媒通路
３３ 第３冷媒通路
４ 熱交換器
４１ 冷媒入口
４２ 放熱部
４３ 冷媒出口
５ 絶縁管
５１ 絶縁通路
７ 流量センサ
８ 温度センサ
９ 制御装置
９１ 沸騰検知部
９２ 負荷制限部
９３ 充放電制御部
９４ 電磁弁制御部
１００ 電池システム
１００Ａ 電池システム
１００Ｂ 電池システム
Ｃ 筐体
Ｒ 冷媒
Ｔ１ 冷却液通路
Ｖ 電磁弁
Claims (10)
- 複数の電池セルと、
前記複数の電池セルの隣り合う電池セルの外部端子の間を接続し、中空構造を有する導電性の複数のバスバーと、
前記複数のバスバーの間に設けられ、電気絶縁性を有する複数の絶縁管と、
前記複数のバスバーの内部および前記複数の絶縁管の内部に形成され、前記複数のバスバーを冷却する電気絶縁性の冷媒を循環させる冷媒通路と、を備えることを特徴とする電池システム。 - 前記冷媒通路に接続された熱交換器をさらに備え、
前記熱交換器は、前記冷媒通路の終端に連結される冷媒入口と、該冷媒入口から導入された前記冷媒を下方へ通過させながら前記冷媒の熱を外気へ放熱する放熱部と、該放熱部の下端に設けられて前記冷媒通路の始端に連結される冷媒出口と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電池システム。 - 前記冷媒通路は、前記冷媒出口に接続されて水平方向に沿って延びる第１冷媒通路と、該第１冷媒通路から鉛直方向に沿って上方へ延びる第２冷媒通路と、該第２冷媒通路の上端に連結されて水平方向に沿って延びて前記冷媒入口に接続される第３冷媒通路と、を有することを特徴とする請求項２に記載の電池システム。
- 前記第３冷媒通路を流れる前記冷媒の流量を検出する流量センサと、前記複数の電池セルの少なくとも一つの電池セルの温度を検出する温度センサと、前記複数の電池セルを制御する制御装置と、をさらに備え、
前記制御装置は、
前記流量センサによって検出された前記冷媒の流量と、前記温度センサによって検出された前記少なくとも一つの電池セルの温度とに基づいて前記冷媒の遷移沸騰を検知する沸騰検知部と、
前記沸騰検知部によって前記冷媒の遷移沸騰が検知されたときに前記複数の電池セルの電力負荷を制限するための上限電力を算出する負荷制限部と、
前記負荷制限部によって算出された上限電力に基づいて前記複数の電池セルの充放電を制御する充放電制御部と、
を有することを特徴とする請求項３に記載の電池システム。 - 前記第３冷媒通路を流れる前記冷媒の流量を検出する流量センサと、前記複数の電池セルの少なくとも一つの電池セルの温度を検出する温度センサと、前記熱交換器の前記放熱部の外表面へ冷却液を供給する冷却液通路と、該冷却液通路を開閉する電磁弁と、該電磁弁を制御する制御装置と、をさらに備え、
前記制御装置は、
前記流量センサによって検出された前記冷媒の流量と、前記温度センサによって検出された前記少なくとも一つの電池セルの温度とに基づいて前記冷媒の遷移沸騰を検知する沸騰検知部と、
前記沸騰検知部によって前記冷媒の遷移沸騰が検知されたときに前記電磁弁を開く電磁弁制御部と、
を有することを特徴とする請求項３に記載の電池システム。 - 前記熱交換器は、前記第１冷媒通路よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電池システム。
- 前記冷媒の大気圧における沸点は、０℃から５５℃まで範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
- 前記冷媒は、ハイドロフルオロエーテルであることを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
- 前記冷媒通路の内圧は、大気圧よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
- 断熱材を含み、前記複数の電池セル、前記複数のバスバー、および前記冷媒通路を収容する筐体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電池システム。
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