JP5843183B2 - 電池システム - Google Patents

Description

本発明は、空気電池や燃料電池等の電池システムに関する。

従来、この種の電池システムに関連する技術として、「予備電池」とした名称において特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された予備電池は、電気化学電池システムで使用する乾燥コンポーネント構造であり、複数の乾燥コンポーネントを含み、正極と負極とを含み、その乾燥コンポーネント構造の一端に凝縮電解液の貯槽を有を有している。

上記の構造においては、液体が凝縮電解液の貯槽に加えられ、電解液が電解液流動管理構造を通して前記乾燥コンポーネントに導入され、それによって前記正極と負極間の電気化学反応を起させるものである。

日本国特表２００５−５２７０６９号公報

しかしながら、上記した特許文献１に開示されている予備電池では、電解液流動管理構造によって１つ若しくはそれ以上の電池の自動的活性化を可能にするものであるが、必要な乾燥コンポーネントのみを活性化することができないものである。

そこで本発明は、必要以上の発電用ガスの送給を抑えることにより、その送給に係る消費電力を抑制し、これによる電池の消耗を抑えることができる電池システムの提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、複数の電池を有してなる電池カートリッジと、この電池カートリッジを本体に複数装着自在にした電池システムにおいて、上記複数の電池カートリッジのうち、発電に供する一又は二以上の電池カートリッジを特定する電池特定手段と、特定された一又は二以上の電池カートリッジに向けて発電用ガスを送給させる発電用ガス特定手段とを有している。

この構成においては、特定した電池カートリッジにのみに必要な発電用ガスを送給できる一方、特定しない電池カートリッジへの発電用ガスの送給をしないので、その送給に係る消費電力を抑制し、これによる電池の消耗を抑えられる。

本発明によれば、発電用ガスの送給に係る消費電力を抑制し、これによる電池の消耗を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る電池システムの概略構成を示すブロック図である。 同上の電池システムの一部をなす本体の斜視図である。 同上の電池システムの一部をなす電池カートリッジと発電用ガスの流通状態を示す斜視図である。 同上の電池システム起動時の動作を示すフローチャートである。 三つの電池カートリッジのうちの二つの電池カートリッジを特定したときを模式的に示す斜視図である。 三つの電池カートリッジのうちの一つの電池カートリッジを特定したときを模式的に示す斜視図である。 第二の例に係るカートリッジボックスの概略構成を示す側面断面図である。 三つのカートリッジのうちの二つのカートリッジを特定したときを模式的に示す斜視図である。 三つのカートリッジのうちの一つのカートリッジを特定したときを模式的に示す斜視図である。 第三の例に係るカートリッジボックスの概略構成を示す斜視図である。 搭載車両の走行に伴って発電用ガスをカートリッジに送給する場合を示すフローチャートである。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電池システムの概略構成を示すブロック図、図２は、その電池システムの一部をなす本体の斜視図である。また、図３は、電池システムの一部をなす電池カートリッジと発電用ガスの流通状態を示す斜視図である。

本発明の一実施形態に係る電池システムＡは、電解液Ｗを貯留する電解液タンク５、第一の例に係る本体（以下、「カートリッジボックス」という。）Ｂ１、電池カートリッジＤ及びコントロールユニットＣを主要の構成としている。
「電解液Ｗ」は、例えばＫＯＨや塩化物を主成分とした水溶液又は非水溶液である。

電池カートリッジ（以下、単に「カートリッジ」という。）Ｄは、複数の空気電池６０を、これらの間に空気流路α（図３参照）を区画形成するようにして一定の間隔をおいて配列されているとともに、これの一端部に上記したバスバー２０に連結接続するための接続部を設けたものである。

本実施形態において示す空気電池６０は金属空気電池であり、方形の枠体内に、液密通気膜、正極層、電解液層及び負極材（いずれも図示しない）を積層させて構成したものであり、互いに直列又は並列に接続されている。

カートリッジボックスＢ１は、カートリッジＤを着脱自在なバスバー２０等を筐体１０内に配設したものである。
筐体１０は、長方形の底板１１の四つの辺縁に側板１２〜１５を立設するとともに、それら側板１２〜１５上に上板１６を配設した直方体形のものである。

上板１６には、上記カートリッジＤを着脱するためのカートリッジ用着脱スロット（以下、単に「スロット」という。）１６ａ〜１６ｃ（図２参照）が所要の間隔にして開設されている。

筐体１０の側壁１５には、図２に示す送給経路切替え装置Ｅが配設されている。
本実施形態において示す送給経路切替え装置Ｅは、特定されたカートリッジＤのみに発電用ガスが送給されるようにガス送給経路を切り替えるためのものであり、発電用ガスの送給経路α（図３参照）上であってカートリッジＤの送給方向上流側に配設している。換言すると、カートリッジボックスＢ１の送給方向上流側に配設している。
本実施形態において示す「発電用ガス」は空気である。

この送給経路切替え装置Ｅは、上記側壁１５の三つのカートリッジＤにそれぞれ対向する位置に形成された縦長の開口１５Ａ〜１５Ｃと、これらの各開口１５Ａ〜１５Ｃを閉じる位置（ａ）と開く位置（ｂ）との間で開閉移動自在な開閉シャッタ２１Ａ〜２１Ｃと、これらの開閉シャッタ２１Ａ〜２１Ｃをそれぞれ互いに独立して開閉駆動する開閉駆動部２２Ａ〜２２Ｃとをケース２３内に配設したものである。

開閉駆動部２２Ａ〜２２Ｃは、コントロールユニットＣの出力側に接続されて、互いに独立して駆動されるようになっている。換言すると、開閉シャッタ２１Ａ〜２１Ｃを互いに独立して開閉できるようにしている。

上記したケース２３の側壁２３ａには、発電用ガスである空気をケース２３内に導入するための空気供給パイプ３０が接続されている。
また、筐体１０の側壁１３には、その筐体１０内を流通した空気を排出するための空気排出パイプ３１が接続されている。

空気供給パイプ３０には、空気の供給方向α上流側から下流側にかけて、塵等を除去するためのフィルタ３２、空気を圧送するためのブロワー３３、温度センサＳＮ１、圧力検知センサＳＮ２、及び開閉バルブ３４が順次配設されている。

ブロワー３３と開閉バルブ３４とは、コントロールユニットＣの出力側に接続されて適宜駆動されるようになっているとともに、温度センサＳＮ１と圧力検知センサＳＮ２は、その入力側に接続され、検知した温度データ、圧力データがコントロールユニットＣに入力されるようになっている。

一方、空気排出パイプ３１には、空気の排出方向上流側から下流側にかけて、温度センサＳＮ３、圧力検知センサＳＮ４及び開閉バルブ３５が順次配設されている。
開閉バルブ３５は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて適宜開閉駆動されるようになっているとともに、温度センサＳＮ３と圧力検知センサＳＮ４はその入力側に接続されている。

上記した空気供給管パイプ３０と空気排出パイプ３１には、その空気供給パイプ３０の開閉バルブ３４の上流側の位置と、空気排出パイプ３１の開閉バルブ３５の下流側の位置との間に両端部を連結した迂回用パイプ４０が連結されており、その迂回用パイプ４０には開閉バルブ４１が配設されている。
開閉バルブ４１は、上記したものと同様にコントロールユニットＣの出力側に接続されて適宜開閉駆動されるようになっている。

バスバー２０は、これに装着接続されたカートリッジＤからの電力を外部に取り出すためのものであり、基板２０ａの装着面に、三つのカートリッジＤをそれぞれ着脱自在に電気的に接続するための三つのカートリッジ装着部（図示しない）を突設したものである。
このバスバー２０は、図１に示すように、筐体１０の底板１１上に配設固定されている。
筐体１０内は、各カートリッジＤ毎の空間に仕切るための仕切部材２０ｂ，２０ｂが立設されている。

ところで、上記した電解液タンク５と、バスバー２０に接続された各カートリッジＤとの間には、その電解液タンク５に貯留されている電解液Ｗを、それら各カートリッジＤに送給するための電解液送給パイプ６が連結されているとともに、その電解液送給パイプ６には、開閉バルブ７と圧力センサＳＮ５とが配設されている。
圧力センサＳＮ５は、コントロールユニットＤの入力側に接続されているとともに、開閉バルブ７は、その出力側に接続されて適宜開閉駆動されるようになっている。

上記したバスバー２０には、カートリッジＤの出力電流を測定するための電流計７０、出力電圧を測定するための電圧計７１、接続部７２、ＰＭ７３、降圧を行なわせるためのＤＣ‐ＤＣコンバータ７４、１４ボルトバッテリ７５、降圧を行なわせるためのＤＣ‐ＤＣコンバータ７６、接続部７６、メインバッテリであるリチウムイオン電池７８及びドライブモータインバータ７９が接続されている。

ところで、コントロールユニットＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路等からなるものであり、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。

（１）複数のカートリッジＤのうち、発電に供する一又は二以上のカートリッジＤを特定する機能。この機能を「電池特定手段Ｃ１」という。
発電に供する一又は二以上のカートリッジＤを特定するための条件は、リチウムイオン電池７８の残量、現在位置及び給電ステーションまでの距離と時間に基づいて、発電に供するカートリッジＤの数を決定している。

（２）特定された一又は二以上のカートリッジＤに向けて発電用ガスを送給させる機能。この機能を「発電用ガス送給手段Ｃ２」という。
本実施形態においては、ブロワー３３を駆動することによって発電用ガスを送給している。
また、本実施形態においては、発電用ガスの送給量は一の電池毎に一定量になっており、従って、特定された電池の数に応じて一定量ずつ増減しているが、これに限るものではなく、

（３）特定した一又は二以上のカートリッジＤのみに発電用ガスを送給するための送給経路を確立する機能。この機能を「ガス送給経路確立手段Ｃ３」という。
具体的には、特定した一又は二以上のカートリッジＤに対応する開閉シャッタ２１Ａ〜２１Ｃを開閉することにより、送給経路を確立している。

（４）送給される発電用ガスの圧力損失が、予め設定された閾値以上か否かを判定する機能。この機能を「ガス圧力損失判定手段Ｃ４」という。
本実施形態においては、空気供給パイプ３０に配置されている圧力センサＳＮ２によって測定された発電用ガスの圧力に基づいて判定している。
送給される発電用ガスの圧力損失が、予め設定された閾値未満であると判定されたときには、電解液の注入を行わないで処理を終了する。

（５）発電用ガスの圧力損失が予め設定された閾値以上であると判定したときに、電解液の注入を行う機能。この機能を「電解液注入手段Ｃ５」という。
電解液の注入は、電解液送給パイプ６に配置した開閉バルブ７を開駆動することにより行っている。
このように、電解液Ｗの注入を行う前に、発電用ガスの流通系統のエラーチェックやカートリッジＤを使用する際の温度，圧力等を制御することができるようになる。

（６）発電用ガスの圧力損失が予め設定された閾値未満であると判定したときに、電解液の注入を停止する電解液の注入を停止する機能。この機能を「電解液注入停止手段Ｃ６」という。

次に、本電池システムの動作について、図４を参照して説明する。図４は、システム起動時の動作を示すフローチャート、図５は、三つのカートリッジのうちの二つのカートリッジを特定したときを模式的に示す斜視図、図６は、三つのカートリッジのうちの一つのカートリッジを特定したときを模式的に示す斜視図である。

メインバッテリ７８の残容量が所定の値以下になると、電池の稼働指示が外部からコントロールユニットＣに入力され、次の各ステップが実行される。
ステップ１：図４において「Ｓ１」と表記する。以下、ステップ２以下においても同様に表記する。電池の稼働指示を受けたか否かを判定し、当該稼働指示を受けたと判定されれば、ステップ２に進む。

ステップ２：稼働する空気電池を特定する。すなわち、複数の電池カートリッジＤのうち、図５又は６に示すように、発電に供する一又は二以上のカートリッジＤを特定するとともに、特定されたカートリッジＤの数に応じた発電用ガスの送給量を決定する。
ステップ３：送給経路切替え装置Ｅを作動させて、特定されたカートリッジＤに発電用ガスが送給されるように送給経路を切り替える。

ステップ４：ブロワー３３を駆動して加圧（与圧）を開始するとともに、空気供給パイプ３０、空気排出パイプ３１に配設した開閉バルブ３５を開駆動し、バイパスバルブ４１を閉駆動する。これにより、発電用ガスの送給が開始される。
空気の送給を開始するときに、バイパスバルブ４１を開いているので、空気の送給経路におけるゴミ等を外部に排出することができる。

ステップ５：送給される発電用ガスの圧力損失が、予め設定された閾値以上か否かを判定する。ここで、送給される発電用ガスの圧力損失が予め設定された閾値以上であると判定されればステップ７に進み、そうでなければステップ６に進む。
ステップ６：電解液の注入を開始する。
ステップ７：電解液の注入を行わず、電池の作動を停止する。

図７は、第二の例に係るカートリッジボックスＢ２の概略構成を示す側面断面図、図８は、三つのカートリッジのうちの二つのカートリッジを特定したときを模式的に示す斜視図、図９は、三つのカートリッジのうちの一つのカートリッジを特定したときを模式的に示す斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

第二の例に係るカートリッジボックスＢ２は、他例に係る送給経路切替え装置Ｅ２を設けたものである。
送給経路切替え装置Ｅ２は、上述したものと同じく、カートリッジＤに至る発電用ガスの流通経路αに配設したものである。
この送給経路切替え装置Ｅ２は、上記した三つの各カートリッジＤの高さ方向の全域（反応領域全体）に空気を拡散するための三つのガスディフューザ８０をカートリッジボックスＢ２に固設したものである。これにより、ガスディフューザをカートリッジＤ側に配設しなくてもよいので、小型化を図ることができる。

このようなガスディフューザ８０を設けることにより、各カートリッジＤの反応領域全体に空気を拡散できるので、発電効率を向上させることができる。本例においても、図８または９に示すように、特定された一又は二以上のカートリッジＤのみに発電用ガスが送給されるように、ガス送給経路を切り替えるための機能を有していることは勿論である。

図１０は、第三の例に係るカートリッジボックスＢ３の概略構成を示す斜視図である。
第三の例に係るカートリッジボックスＢ３は、別例に係る三つの送給経路切替え装置Ｅ３を、カートリッジＤから排出された発電用ガスの流通経路にそれぞれ配設したものである。
本実施形態において示す送給経路切替え装置Ｅ３は、各流通経路に配設した開閉バルブ９０〜９２であり、これらの開閉バルブ９０〜９２は、コントロールユニット００の出力側に接続されて適宜開閉駆動されるようになっている。

この構成においては、開閉バルブ９０〜９２のいずれかを閉駆動することにより、他の開かれている開閉駆動バルブ９０〜９２に対応するカートリッジＤにのみ空気を送給することができる。図１０においては、開閉駆動バルブ９０，９１を閉駆動した様子を示している。

図１１は、搭載車両の走行に伴って発電用ガスをカートリッジに送給する場合におけるフローチャートである。
この場合、コントロールユニットＣは、次の機能を有している。
（７）上記電池システムＡを搭載している車両が走行しているか否かを判定する機能。この機能を「走行判定手段Ｃ７」という。
この場合、車体の一部に風速計を設けており、その風速計で取得した風速データに基づいて、当該車両が走行しているか否かを判定する。

（８）搭載車両が走行していると判定されたとき、搭載車両の走行に伴う発電用ガス（空気）の流入量と、必要な発電用ガスの送給量よりも大きいか否かを判定する機能。この機能を「ガス送給量判定手段Ｃ８」という。

（９）搭載車両の走行に伴う発電用ガスの流入量が、必要な発電用ガスの送給量よりも多いと判定されたときには、搭載車両の走行に伴う発電用ガスを流入させるように空気流入経路を切り替える機能。この機能を「流入経路切替え手段Ｃ９」という。
すなわち、本電池システムＡを車両に搭載している場合、走行に伴ってカートリッジＤに流入する発電用ガスの送給量が、特定したカートリッジＤに必要な発電用ガス以上であると判定されれば、ブロワー３３の駆動をしない。これにより、発電用ガスの送給に係る消費電力を抑制することができる。
この場合、上記空気供給パイプ３０の他に、搭載車両の走行に伴う発電用ガスを流入させるための空気流入パイプ（空気流入経路）を設けておき、例えば送給経路切替え装置Ｅ１等により切り替えるようにする。

上記したメインバッテリ７８の残容量が所定の値以下になると、空気電池の稼働指示が外部からコントロールユニットＣに入力され、次の各ステップが実行される。
ステップ１：図１１において「Ｓａ１」と表記する。以下、ステップ２以下においても同様に表記する。空気電池の稼働指示を受けたか否かを判定し、当該稼働指示を受けたと判定されれば、ステップ２に進む。

ステップ２：稼働する空気電池を特定する。すなわち、複数のカートリッジＤのうち、発電に供する一又は二以上のカートリッジＤを特定するとともに、特定されたカートリッジＤの数に応じた発電用ガスの送給量を決定する。
ステップ３：搭載車両が走行しているか否かを判定を行う。ここで、搭載車両が走行していると判定されれば、ステップ４に進み、そうでなければステップ６に進む。

ステップ４：搭載車両の走行に伴う発電用ガスの流入量と、必要な発電用ガスの送給量から発電用ガスを送給するか否かを判定する。ここで、搭載車両の走行に伴う発電用ガスの流入量が、必要な発電用ガスの送給量以上であれば、ステップ５に進み、そうでなければステップ６に進む。

ステップ５：空気の送給を開始させる。
ステップ６：送給経路送給切替え装置を作動させて、特定されたカートリッジＤに発電用ガスが送給されるように送給経路を切り替える。

以上の構成からなる電池システムによれば、次の効果を得ることができる。
・必要以上の発電用ガスの送給を抑えることにより、その送給に係る消費電力を抑制し、これによる電池の消耗を抑えることができる。
・車両の走行に伴って流入する空気を利用することにより、ブロワー等を駆動する必要がないので、空気の送給に係る消費電力をさらに抑制することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、電池として金属空気電池を例として説明したが、これに限るものではなく、例えば燃料電池を採用できることは勿論である。
・上述した実施形態においては、互いに同じ容量の三つの空気電池を採用した例について説明したが、互いに異なる容量からなる三つの空気電池を組み合わせて採用することができる。

６０ 電池（金属空気電池）
８０ ガスディフューザ
Ａ 電池システム
Ｂ１ 本体
Ｃ１ 電池特定手段
Ｃ２ 発電用ガス送給手段
Ｃ３ ガス送給経路確立手段
Ｃ４ ガス圧力損失判定手段
Ｃ５ 電解液注入手段
Ｃ６ 電解液注入停止手段
Ｃ７ 走行判定手段
Ｃ８ ガス送給量判定手段
Ｃ９ 流入経路切替え手段
Ｄ 空気電池カートリッジ
Ｅ１〜Ｅ３ 送給経路切替え装置

Claims (8)

1. 複数の電池を有してなる電池カートリッジと、この電池カートリッジを本体に複数装着自在にした電池システムにおいて、
   上記複数の電池カートリッジのうち、発電に供する一又は二以上の電池カートリッジを特定する電池特定手段と、
   特定された一又は二以上の電池カートリッジに向けて発電用ガスを送給させる発電用ガス送給手段と、
   特定された電池カートリッジのみに発電用ガスが送給されるようにガス送給経路を切り替えるための送給経路切替え装置を有しており、
   その送給経路切替え装置により、特定された電池カートリッジのみに発電用ガスを送給するための送給経路を確立させるガス送給経路確立手段を有していることを特徴とする電池システム。
2. 送給経路切替え装置を、電池カートリッジに至る発電用ガスの流通経路に配設している請求項１に記載の電池システム。
3. 送給経路切替え装置を、電池カートリッジから排出された発電用ガスの流通経路に配設している請求項１に記載の電池システム。
4. 送給経路切替え装置は、発電用ガスを電池の反応領域全体に向けて拡散させるためのガスディフューザを有している請求項１又は３に記載の電池システム。
5. ガスディフューザーは、電池カートリッジを装着する本体に固設されている請求項４に記載の記載の電池システム。
6. 電解液を電池カートリッジに注入する電解液注入手段と、
   予め設定された閾値以上の発電用ガスの圧力損失があるか否かを判定するガス圧力損失判定手段と、
   発電用ガスの圧力損失が予め設定された閾値未満であると判定したときには、電解液注入手段による電解液の注入を停止する電解液注入停止手段とを有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の電池システム。
7. 電池が、空気電池又は燃料電池である請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の電池システムが車載用のものであり、
   上記電池システムを搭載している車両が走行しているか否かを判定する走行判定手段と、
   搭載車両が走行していると判定されたとき、搭載車両の走行に伴う発電用ガスの流入量と、必要な発電用ガスの送給量よりも大きいか否かを判定するガス送給量判定手段と、搭載車両の走行に伴う発電用ガスの流入量が、必要な発電用ガスの送給量よりも多いと判定されたときには、搭載車両の走行に伴う発電用ガスを流入させるように流入経路を切り替える流入経路切替え手段とを有していることを特徴とする電池システム。

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