JP5981881B2 - 蓄電池システム - Google Patents
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Description
近年、風力発電や太陽光発電等の自然エネルギーが注目され、それに併設するサイクル用の制御弁式鉛蓄電池の需要が増加している。この用途に使用される蓄電池システム(組電池とも言う)は、複数個の制御弁式鉛蓄電池を収納する蓄電池収納箱を備え、各蓄電池を直列又は並列に接続することによって構成されている(例えば、特許文献1参照)。
また、サイクル用の制御弁式鉛蓄電池の場合、寿命要因の1つである正極活物質の軟化現象を抑制するために極板積層方向に極板群を圧迫する力(群圧)を高める設計が一般的であり、上記リブは群圧による電槽の膨らみを抑制する効果がある。しかし、上記リブは、蓄電池と仕切り板との間に空間(空気層)を形成し、この空間の熱伝導率の低さから放熱性を悪化させたり、放熱量の偏りを招いたりする原因となる。特に放熱量の偏りは、特定の蓄電池11に悪影響を及ぼし、結果的に蓄電池システムの特性に悪影響を及ぼすおそれが生じる。
この構成では、蓄電池の電槽の極板積層方向と直交する面にはリブが形成されるため、極板積層方向に作用する群圧による蓄電池の変形を抑えることができる。しかも、蓄電池の電槽の極板積層方向と平行方向の面には、リブが形成されず、電槽と仕切り板の側板とが面接触可能となるので、個々の蓄電池の熱を仕切り板に効率良く伝えて放熱させることができる。これによって、群圧による蓄電池の変形防止と蓄電池の均熱化とを両立することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る蓄電池収納箱を備える蓄電池システム(組電池)を示す図である。
蓄電池システム10は、風力発電や太陽光発電の発電システムに用いられる産業用の組電池であり、複数の蓄電池(単電池に相当)11を横並びで収納する複数の蓄電池収納箱22を備えている。これら蓄電池収納箱22は、多段に積み上げられ、上下段に隣接する前記蓄電池収納箱22の下段の上部のフレーム26と上段の下部のフレーム27との4隅が、ボルト及びナットからなる連結部材(不図示)で各々連結されている。
本実施形態では、蓄電池収納箱22を4段とし、各蓄電池収納箱22に5個の蓄電池11が収納されており、合計20個の蓄電池11を組込み直列に接続した組電池を構成している。但し、この構成に限らず、蓄電池収納箱22の段数や蓄電池11の収納数は適宜に変更可能である。なお、各蓄電池収納箱22は同じ構成である。
前記蓄電池システム10は、非常用電源や自家発電装置の起動等の災害時のバックアップ等にも好適であり、用途は限定されない。
蓄電池収納箱22は、底板23と、底板23の上方に間隔を空けて配置される上板24と、底板23と上板24の左右端部間をつなぐ左右一対の側板25とを備え、前面が開口する前面開口収納部22A(図2)を有する箱形状(背面は閉口)に形成されている。この蓄電池収納箱22を構成する各板23〜25は、鉄やステンレス鋼等の金属板で製作されている。
図1及び図3に示すように、上板24の上面には、前後に間隔を空けて一対の金属製の上フレーム26が溶接接続され、底板23の下面にも、前後に間隔を空けて一対の金属製の下フレーム27が溶接接続されている。これら上下のフレーム26、27は、上板24及び底板23の左右に張り出し、この張り出した部分に、上下の蓄電池収納箱22を連結するための連結部材(不図示)を通す貫通孔が形成されている。
また、下段の蓄電池収納箱22の上フレーム26の上には、上段の蓄電池収納箱22の下フレーム27が載置される。このため、上下の蓄電池収納箱22の間には、空間部22Kが形成され、この空間部22Kは、上下の蓄電池収納箱22間を左右に連続するので、蓄電池収納箱22の外空間に連通する。
蓄電池11は、蓄電池収納箱22に装填されて、端子15等が取り付けられた電槽蓋13を、蓄電池収納箱22の前方に向け、且つ、蓄電池収納箱22よりも前方に出た状態とされる。このようにして蓄電池11を装填した後、蓄電池収納箱22の前部に押さえ板(止め金具とも称する)31が固定される。
なお、押さえ板31は底板23と上板24とに固定する例を示したが、底板23(上板24)の左右に差し渡るように設けても良い。
なお、本実施形態では、図1及び図2に示すように、接続板33を銅板で形成し、蓄電池11を直列に接続した場合を示している。接続板33は、銅板に限らず、他の金属板や配線といった他の導体を用いることも可能である。
蓄電池11は、正極板と負極板とを微細ガラス繊維を主体としたマット状セパレータを介して交互に積層し、同極性同士の極板の耳部を溶接によって接続することにより極板群(不図示)を構成し、この極板群を電槽12に収納し、この電槽12に、開口部を有する電槽蓋13を溶着或いは接着剤で接着し、開口部から電解液を注液して電槽化成を行い、開口部に制御弁15Cを覆い被せて製造されている。
電槽12は、一端が開口する有底箱形状を有し、ABSやPP等の合成樹脂が用いられ、射出成型によって作製される。より具体的には、電槽12は、互いに対向する一対の短辺と一対の長辺とから構成される長方形断面に形成されており、短辺側の側面(以下、短辺側側面と言う)12Aが、極板群を挟んで互いに対向する一対の側面(側壁)に相当し、リブ12Rを備えるリブ付き側面(リブ付き側壁)に形成されている。また、長辺側の側面(以下、長辺側側面と言う)12Bは、リブを備えないリブ無し側面(リブ無し側壁)に形成されている。
極板を圧迫する力(以下、群圧)は、極板の積層方向と直交する面に作用するため、一対の短辺側側面12Aを各々外側に膨出させる力として作用する。
本構成では、一対の短辺側側面12Aにリブ12Rを形成しているため、リブ12Rを形成しない場合と較べて、短辺側側面12Aの強度が向上している。このため、群圧による短辺側側面12Aの変形を抑え、群圧による蓄電池11全体の変形を抑えることができる。なお、一対の短辺側側面12Aに設けられるリブ12Rの本数や間隔等の設け方は同じである。
このように、リブ12Rを短辺側側面12Aの長手方向に沿って延ばしたため、長手方向の曲げ強度を向上することができる。一般に長手方向は短手方向よりも曲がりやすいため、上記リブ12Rを設けたことによって、長手方向の曲がりを効果的に抑制し、群圧による短辺側側面12Aの変形を効果的に抑えることができる。
さらに、リブ12Rを複数本設けているため、これによっても、短辺側側面12Aを曲げにくくし、群圧による変形をより抑えることが可能である。
このため、寿命要因の1つである正極活物質の軟化現象を抑制するために群圧を高く設計する場合、リブ12Rの本数や幅を増やせば良い。また、電槽12の材料に、PPのような安価ではあるが、比較的強度が弱い材料を用いた場合にも、リブ12Rの本数や幅を増やすことによって、適正な曲げ強度に容易に調整することができる。
なお、リブ12Rの本数や幅を増やすと、蓄電池11の重量増や材料増によるコスト増大を招いてしまうことがある。これを回避するためには、必要とされる強度に応じてリブ12Rの本数や幅等を適宜調整すれば良い。また、リブ12Rの高さ調整やリブ12Rの形状変更によっても強度が変わるので、これらを適宜に組み合わせて、必要とされる強度に調整すれば良い。
また、これらのリブ12Rは、短辺側側面12Aの長手方向一杯に延び、かつ、互いに間隔を空けて短辺側側面12Aの短手方向に渡って複数形成されるため、これによっても、蓄電池11を安定して載置させることが可能になる。
なお、電槽蓋13は、電槽12と同様の材料を用いて製作され、つまり、ABSやPP等の合成樹脂を用いて射出成型によって作製されている。
本実施形態では、上述したように、電槽12の長辺側側面12Bを平坦面とし、この長辺側側面12Bを仕切り板(仕切り部材)41に当接させることによって、蓄電池11と仕切り板41との接触面積を広く確保し、蓄電池11の熱を仕切り板41を介して効率良く放熱させるようにしている。
図5は、一段分の蓄電池収納箱22を示す図である。なお、図5では、説明の便宜上、押さえ板31を外し、その他収納箱の詳細を省略した状態を示している。
仕切り板41は、蓄電池11の収納空間を左右に仕切って隣り合う蓄電池11間に配置され、上板24及び底板23に溶接接続されている。なお、図5の例では、横並びに配置される蓄電池11が5個であるため、仕切り板41は4個設けられている。
仕切り板41は、熱伝導性が高い材料を用いれば良く、蓄電池収納箱22と同じ金属板でも良いし、銅、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の様々な金属材やプラスチック、樹脂等を用いることが可能である。また、仕切り板41の作製方法は、溶接等で接続する接続方法でも良いし、押出成形法、ダイキャスト成形法、ブロー成形法等の成形方法を適用しても良い。
上記隙間S及び上下の開口部KA,KBによって、仕切り板41の側板42に沿うとともに上下に貫通する貫通孔である空洞部41Aが形成される。これによって、仕切り板41は上下に空気が流通自在に構成される。
この連結体43は、熱伝導性が高い材料で形成されるため、左右の側板42間に温度差がある場合は、高温側から低温側へと迅速に熱移動させる伝熱部材として機能する。これによって、左右の側板42に接する蓄電池11同士の温度のばらつきを抑制すること、つまり、均熱化を図ることができる。また、蓄電池11の熱は、左右の側板42及び連結体43に伝わるので、これらが上板24や底板23に熱を伝える架橋部、及び、仕切り板41内の空洞部41Aに向けて放熱する放熱部としても機能する。
これら仕切り板41は、この仕切り板41の左右の側板42が、隣り合う蓄電池11の長辺側側面12Bと各々密着する間隔で配置されている。これにより、個々の蓄電池11と仕切り板41とを面接触させることができ、蓄電池11と仕切り板41との接触面積を広く確保することできる。
この図7に示すように、長辺側側面12Bとリブ12Xと仕切り板41との間には、熱伝導率が低い空気層(空間)RAが形成されてしまう。このため、蓄電池11からの熱が仕切り板41へ伝わりにくく、放熱量が制限されてしまう。しかも、リブ12Xと仕切り板41との接触面積は小さいため、両隣の蓄電池11に温度差があっても高温側から低温側へと迅速に熱移動せず、個々の蓄電池11の温度ばらつきを抑制することも難しくなる。
従って、全ての蓄電池11の温度上昇を効率良く抑制し、個々の蓄電池11の均熱化を図ることが可能になる。
しかも、この仕切り板41は、上板24と底板23との間を架橋するので、蓄電池収納箱22を補強する補強部材としても機能する。さらに、仕切り板41は、蓄電池収納箱22の左右一対の側板25間の蓄電池11の間に介挿されるので、地震等で外部から大きな力が加わった場合に蓄電池11のずれを抑えるずれ抑制部材としても機能する。
また、本構成では、仕切り板41を上板24及び底板23に溶接接続する場合を説明したが、これに限らず、ボルト等の接続等でも良い。要は、仕切り板41を上板24や底板23に接触させ、蓄電池11からの熱を上板24や底板23に伝えやすくしておけば良い。
なお、仕切り板41に空洞部41Aを有するものであれば、仕切り板41は必ずしも上板24及び底板23と溶接等により接続されていなくても良い。
より具体的には、スリット51は、同図3に示すように、前後方向に長い長方形の孔形状であって、その幅(左右長)WSが、仕切り板41の上下の開口部KA,KBの幅WAよりも狭く、かつ、その前後長LSが、仕切り板41の前後長LAよりも短い形状に形成されている。このため、仕切り板41の位置が左右や前後に多少ずれたとしても、各スリット51を、仕切り板41の上下に貫通する空洞部41Aに連通させることができる。また、仕切り板41の位置が左右や前後に多少ずれたとしても、仕切り板41が上板24及び底板23に接触するので、上板24及び底板23に熱を伝えやすくすることができる。
この通風路55は、上下に延びるとともに上下に貫通するので、蓄電池11の発熱による熱が仕切り板41を介して通風路55内の空気に伝わり、煙突効果により底板23のスリット51から冷気が吸い上げられ、通風路55内で温められた空気を上板24のスリット51から放出させることができる。これによって、熱による上昇気流を生じさせ、対流による通気を促すことができる。
二段重ねの場合でも、各蓄電池収納箱22の仕切り板41とスリット51とによって、横並びの蓄電池11間を上下に延びるとともに上下に貫通する通風路55が形成される。このため、最下段の底板23のスリット51から冷気が吸い上げられ、通風路55内で温められた空気が最上段の上板24のスリット51から円滑に排出される。
周知のように、煙突効果(上昇気流の原理で排気を上方に導く効果)は、煙突が長いほど効果が高まるので、蓄電池システム10として実際に使用できる態様(図1参照)に組み上げた場合の方が一層効率的な放熱が期待できる。
仕切り板41に、上下、及び/又は、前後に貫通する空洞部41Aを設けた場合には、図10に例示するように、蓄電池収納箱22に、空洞部41Aと連通する上下、及び/又は、前後に連通する孔であるスリットを設けることが好ましい。
図10の例では、押さえ板31に、前方開口スリット31Aを設け、不図示の背面板に空洞部41Aと連通するスリット(不図示)を設けた場合を示している。前後に空気を通気させることによっても、個々の蓄電池11の温度上昇を効率良く抑え、個々の蓄電池11の温度のばらつきを抑えることが可能になる。
また、仕切り板41の厚さを大きくすれば、蓄電池システム10として占有する体積が大きくなるため、スペースファクターとしては不利になる。従って、効果とスペースファクターとの兼ね合いで、10mm〜60mmが望ましく、更には、10mm〜30mmがより望ましい。
また、仕切り板41の空洞部41Aの幅は、全て同じでも良いし、一部の仕切り板41のみ空洞部41Aの幅を変えても良い。なお、スリット51、31A等のスリットの幅や空洞部41Aの幅は仕切り板41の厚さより狭く形成したほうが放熱の観点から好ましい。
複数段の蓄電池収納箱22の上下段ともに、仕切り板41の一部を空洞部41A有り、残りを空洞部41A無しとする揚合には、蓄電池収納箱22は、該空洞部41Aに連通する上下面、及び/又は、前後面のみにスリットを設けても良いし、空洞部41Aの有無に関わらず、仕切り板41に当接する位置の上下面、及び/又は、前後面の全てにスリットを設けても良い。
仕切り板41は、単体の部品として用意して、蓄電池11を組込む作業の際に個々の蓄電池11間に配置しても良いし、予め、蓄電池収納箱22と一体となる様に組み合わせた製品としても良い。また、最初から蓄電池11を仕切ることが可能な板を備えた構造とした蓄電池収納箱22を用いても良い。
また、蓄電池11、仕切り板41及び蓄電池収納箱22のいずれも工業製品であることから、表面の凹凸や歪み、蓄電池11の質量に伴う撓みなどがあるため、蓄電池11と仕切り板41との間には、僅かながら隙間が生じることがある。更に、蓄電池11の電槽12には、成形用の抜きテーパーが付いている場合がある。従って、蓄電池11と仕切り板41とは当接していることが好ましいが、実用上、蓄電池11と仕切り板41との間には数mmの隙間があっても良い。隙間の幅としては、0mm〜5mmの範囲が望ましく、更には、0mm〜2mmがより望ましい。前記範囲とすることで、個々の蓄電池11の熱を仕切り板41に効率良く伝えて放熱させることができる。
図11は、比較例1の制御弁式鉛蓄電池11Xの外観図であり、図12は、比較例1の制御弁式鉛蓄電池11Xを収納した蓄電池収納箱22Xの外観図である。なお、図11及び図12には、上述した構成と同様のものは同一の符号を付して示している。
図11に示すように、この制御弁式鉛蓄電池11X(以下、蓄電池11Xと言う)は、電槽12の全ての側面(短辺側側面12A、長辺側側面12B)にリブ12Rが形成されている。それ以外は、上述した蓄電池11と同様である。
図12に示すように、蓄電池収納箱22Xは、仕切り板41に空洞部41A(図6参照)が形成されず、かつ、上板24及び底板23にスリット51(図5参照)が形成されていない点を除いて、上述した蓄電池収納箱22と同様である。なお、前記仕切り板41の厚さは2.5mmとした。また、前記電槽12と前記仕切り板41の側面とは面接触している。
その際、個々の蓄電池11Xの負極端子15Bに熱電対を取り付け、個々の電池温度の推移を観察した。
<実施例1>
<実施例2>
<実施例3>
<実施例4>
<実施例5>
<実施例6>
<実施例7>
<実施例8>
<実施例9>
なお、「電槽リブの有無」については、電槽12の全ての側面(短辺側側面12A、長辺側側面12B)にリブ12Rが形成されているものを「有」、電槽12の長辺側側面12Bにリブが形成されていないものを「無」とした。
また、最大上昇電池温度は、評価中の最高電池温度と評価前の電池温度との差である。また、最大電池間温度差は、蓄電池11、11Xが最高温度に到達した際の電池65個中の最高電池温度と最低電池温度との差である。
また、電槽12の極板積層方向と直交する面(短辺側側面12A)にリブ12Rが形成された実施例1乃至9は、電槽12の全ての側面にリブ12Rを設けた比較例1と同様に電槽12の変形を抑制することが可能であることを確認することができた。
なお、実施例1乃至3と実施例4乃至9を比べると、スリット51および空洞部41Aを有する実施例4乃至9の方が、最大上昇電池温度が更に抑制されていることが分かる。このことから、スリット51及び空洞部41Aが温度上昇の抑制に寄与していることを確認することができた。また、最大上昇電池温度を抑制することで最大電池間温度差を抑制することが可能であり、個々の蓄電池11の温度ばらつきもより低減できることを確認することができた。
また、実施例6乃至8をみると、仕切り板41の厚さは同じでもスリット幅および空洞部幅が小さい実施例7乃至8は、実施例6と比較して最大上昇電池温度および最大電池間温度差がわずかながら上昇している。これは空気を対流させるための空間が小さくなったためであると考えられる。
また、空洞部41Aが仕切り板41の側板42に沿って設けられるので、蓄電池11から側板42に伝わった熱で空気の対流を促進させやすく、効率良く排熱することができる。
また、空洞部41Aが連通する孔であるスリット51、31Aが蓄電池収納箱22に設けられるので、空洞部41Aとスリットとにより空気を通気させることができ、この通気により、より効率良く排熱することができる。
また、電槽12の極板積層方向と平行な面であるとともに、互いに対向する一対の長辺側側面12Bは、平坦面に形成されるので、作製し易い。また、一対の短辺側側面12A間を最短距離で架橋するので、短辺側側面12A同士の連結強度を確保し易くなる。
また、リブ12Rは、極板積層方向と直交する面である短辺側側面12Aの長手方向に沿って延出するので、群圧による短辺側側面12Aの変形をリブ12Rによって効率良く抑えることができる。
例えば、仕切り板41と蓄電池11とを交互に配置する場合を説明したが、これに限らない。また、蓄電池11が制御弁式鉛蓄電池の場合を説明したが、制御弁式鉛蓄電池以外の蓄電池の場合に本発明を適用しても良い。
11 蓄電池
12 電槽
12A 短辺側側面(極板積層方向と直交する面)
12B 長辺側側面(極板積層方向に平行な面)
12R リブ
22 蓄電池収納箱
23 底板
24 上板
25 側板(電池収納箱の側板)
31A,51 スリット(孔)
41 仕切り板(仕切り部材)
41A 空洞部(貫通孔)
42 側板(仕切り板の側板)
43 連結体
55 通風路
Claims (3)
- 蓄電池収納箱に複数個の蓄電池を組込み接続し、個々の蓄電池の間には仕切り板が配置されている蓄電池システムであって、
前記蓄電池の電槽の極板積層方向と直交する面にはリブが形成され、平行方向の面にはリブが形成されず、前記電槽と前記仕切り板の側板とが面接触可能となるように配置したことを特徴とする蓄電池システム。 - 前記仕切り板が空気の対流を可能とする空洞部を備えることを特徴とする請求項1に記載の蓄電池システム。
- 前記蓄電池収納箱には、前記仕切り板の前記空洞部に連通するスリットが設けられることを特徴とする請求項2に記載の蓄電池システム。
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