JP6341828B2 - 蓄電モジュールを組み合わせた蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電モジュールを組み合わせて高電圧化、大容量化した、特に鉄道車両用二次電池システムに適した蓄電装置に関するものである。

リチウムイオン電池などの高出力密度の蓄電セルを複数個備える二次電池システムは、産業用途に広く用いられている。特に近年では車両用の蓄電システムとして、高電圧化、大容量化された二次電池システムが普及し始めている。
この二次電池システムは、鉄道車両の分野においても、ディーゼルエンジンで駆動される発電機と二次電池システムを組み合わせて、モータに電力を供給するハイブリッド鉄道車両や、電気車に搭載して、回生負荷が無いときにその回生電力を二次電池に吸収する電車システム、さらに、架線レス化を目的に、駅間は二次電池システムを電源として走行し、駅で二次電池システムへの充電を行う、電車線と二次電池システムのハイブリッド電車などの用途として、省エネルギー化を図るため広く利用されている。

鉄道車両用の二次電池システムでは、通常７５０〜１５００Ｖの電圧、数十〜数百ｋＷｈの大容量が必要となる。一方、蓄電セルの保守点検の容易性、安全性、輸送性などを考慮すると、蓄電セルは数個〜数十個単位でモジュール化されていることが望ましい。さらに、安全性の観点から、冷却性能と絶縁をともに確保し上で、艤装スペースの制約条件等を考慮して、小型化、低コスト化することも強く求められている。

本技術分野の背景技術として、特許文献１には、鉄道車両に搭載する蓄電装置箱の構成例として、高い冷却性能と、高い絶縁性能を有した蓄電装置箱の構成例が示されている。
特許文献１に記載の構成例として、図８に蓄電装置箱の断面構造を示す。
図８において、２０は蓄電装置箱、２１は蓄電セル、２２は冷却ファン、２３ａ、２３ｂは絶縁材、２４はヒートシンク、２５ａ、２５ｂは側板である。図８の例では蓄電モジュールを鉛直方向に４段実装している。側板２５ａ、２５ｂは冷却風の風壁になっており、冷却風は図８に示すようにヒートシンク２４を通るようにして、蓄電セル２１を冷却するようにしている。また蓄電モジュール同士の間、蓄電装置箱と蓄電モジュールの間には絶縁材２３ａ、２３ｂが設けられている。この構成により、絶縁性能を確保しつつ、高い冷却性能を有する蓄電装置を実現している。

一方、冷却性能の確保には、蓄電セルの温度均一化にも配慮が必要である。例えば、蓄電モジュール内の蓄電セル間、あるいは、蓄電モジュール間の蓄電セルの温度にばらつきが生じると、高温となった蓄電セルは劣化が進み、容量が低下する。蓄電セルの容量低下により、充電あるいは放電可能な容量が小さくなる。
このため、温度ばらつきによって高温となって、劣化が進んだ蓄電セルあるいは蓄電モジュールが直列に接続され、充放電電流が流れると、劣化した蓄電セルのみ過充電あるいは過放電状態になる。過充電あるいは過放電状態が繰り返されると、その蓄電セルあるいは蓄電モジュールはさらに劣化が進んでいく。劣化が進むと、蓄電セルの機能が基準を満たさなくなったり、短絡故障が起きるなどして、鉄道車両のシステムに組み込まれるような場合では、システム故障となることから、結果としてシステム全体の寿命が縮まることになる。

このようなことを防ぐために、蓄電セル間や蓄電モジュール間の温度均一化を図りながら冷却することが望ましい。この蓄電モジュールの温度差を低減するための構成として、特許文献２では、冷却ファンのオン、オフによって鉛直方向に積まれた蓄電セルの温度差を低減する構成が示されている。すなわち、温度差がある値以下では、冷却ファンを停止させ、下側よりも上側の温度が上がるように動作し、温度差がある値以上になると、冷却ファンを動作させて、上側のセルの温度が下がるように動作することで、蓄電セルの温度均一化を図っている。

特開２０１１−１８７２７５号公報 特開２００７−０９５４８２号公報

しかしながら、これらの特許文献に示されたシステムには、以下の課題がある。
特許文献１に記載の構成例では、蓄電セルをヒートシンクにより間接的に冷却しているため、冷却効率をより向上させることが課題となる。加えて、ヒートシンクが必要なことや、絶縁材が蓄電モジュールごとに実装されており、冷却性能や絶縁性能が確保できていても機器が大型化するという課題がある。また、蓄電モジュールを多段積みとする場合には、縦方向の寸法が大型化し、鉄道車両の床下に艤装できなくなる。さらに、蓄電装置箱にモジュールを収納して、ユニット単位で冷却を行う場合、蓄電モジュールの上段側の温度が高くなり、蓄電モジュール間の温度ばらつきと電流ばらつきが拡大していってしまう。

特許文献２に記載の構成例では、蓄電セルの温度差をなくすことができるが、鉄道車両の用途などでは、充放電電流が大きく、通常の使用状態では、蓄電セルの温度が常に高温状態となり、連続使用などで全体の温度が上昇した状態では、ファンが連続的に動作する必要があるため、特許文献２に示されるような使い方ができず、ファンによる連続的な冷却と蓄電セルの温度差抑制をすることができない。

そこで、本発明は、蓄電セルの温度差の均一化を図った上での高い冷却性能と、絶縁性能と、艤装スペース確保のための小型化の３つを両立させることを目的としている。

上記した３つの課題を同時に解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の蓄電装置においては、複数の蓄電セルの直列接続、並列接続、あるいは、直列接続と並列接続を組み合わせ、所定の電位とした蓄電モジュールと、絶縁材と、冷却ユニットとを備え、前記蓄電モジュールは、蓄電セルの胴体部周辺に沿って冷却風路を有するケース内に前記蓄電セルを配列したものであり、前記蓄電モジュールを複数組み合わせて直列接続するとともに、前記ケースのそれぞれに設けた冷却風取入口に、前記冷却ユニットからの冷却風が直接導入されるよう配列し、前記蓄電モジュールと、前記蓄電モジュール及び前記冷却ユニットを収納する蓄電装置箱との間に絶縁材を設けるとともに、各蓄電モジュールと、前記冷却ユニットとの間に絶縁材を介して一体ユニットとした。

このように、蓄電モジュールを一体ユニット単位で絶縁し、冷却ユニットを備えることで、小型化が実現でき、特に縦方向の寸法を小さくすることができるため、鉄道車両に搭載する蓄電システムの構造として有効である。
また、高い冷却性能を確保しつつ、蓄電セルあるいは蓄電モジュール間の温度差を小さくすることができ、さらに、必要最小限の絶縁材で絶縁性能を確保できるので、必要な冷却性能および絶縁性能と小型化を同時に実現することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、実施例１に関わる蓄電装置の構造例を示す図である。 図２は、実施例１に関わる蓄電装置の断面構造の一例を示す図である。 図３は、実施例１に関わる蓄電モジュールの回路接続例を示す図である。 図４は、実施例１に関わる蓄電モジュールの一体ユニットの構造例を示す図である。 図５は、実施例１に関わる蓄電モジュールの内部構造例を示す図である。 図６は、実施例２に関わる蓄電装置の構造例を示す図である。 図７は、実施例３に関わる蓄電装置の構造例を示す図である。 図８は、従来の蓄電装置の構造例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に関わる蓄電装置の構造例を示す図である。
図１において、１は、後述するように、複数の蓄電セルを組み合わせてケース内に配列することで構成される蓄電モジュール、７は冷却ファンユニット、１４ａは冷却ファンユニット７に設置される冷却ファン、６は蓄電モジュール１と冷却ファンユニット７を収納する蓄電装置箱、２は蓄電モジュール１と冷却ファンユニット７間の絶縁材、３ａ、３ｂは蓄電モジュール１と蓄電装置箱６間の絶縁材、９は蓄電装置箱と蓄電モジュールを接続するためのフレーム、１５は冷却ファンを接続するためのフレームである。
また、１６は蓄電モジュール１、冷却ファンユニット７、絶縁材２、そして、絶縁材３ａ、３ｂを一体化して固定した一体ユニットである。

図２は、蓄電装置を図１のＡ方向からみた断面図であり、点線矢印は冷却ファンによる冷却風の流れの例を示している。８は一体ユニット１６を搭載するためのフレームの一例であり、蓄電装置箱６を連結、固定する構造はこの限りではない。
なお、図１では、冷却ユニットとして、ファンを搭載した冷却ファンユニットの例を示しているが、ダクト等によって外部からの冷却風を取り入れるユニットであってもよい。

以下では、実施例１の特徴となる点について、鉛直方向に回路接続した蓄電モジュールを一例として、実装、絶縁、冷却の３つの観点について順に説明する。
まず、鉛直方向の蓄電モジュールの回路接続に対応する実装について説明する。図３は、蓄電回路の接続例を示している。

図３において、１０は蓄電セル、点線枠で囲った１ａ〜１ｒは、蓄電セル１０を複数個接続して、一つのケースにまとめた蓄電モジュールを示す。図１における、蓄電モジュール１ａ〜１ｄと対応するものが、図３に示す蓄電モジュール１ａ〜１ｄに対応している。

図１において、蓄電装置箱６内の蓄電モジュールの鉛直方向の実装は、１ａ〜１ｄのように蓄電モジュール同士を直列接続し、鉛直方向に搭載するようにする。図１では、１ａ〜１ｄの蓄電モジュールを実装する例を示しているが、図３に示す１ｅ〜１ｈ、１ｉ〜１ｍ、１ｎ〜１ｒの蓄電モジュールも同様に鉛直方向に実装するようにする。図１、図３では４直列４並列の例を示しているが、直列、並列の列数はこの限りでなく、２直列以上の複数直列の蓄電モジュールを、蓄電モジュールの直列数だけ鉛直方向に積載し、並列数分だけ同様の形で設けた構成とする。

例えば、図４において、仮に鉛直方向に蓄電モジュール１ａ、１ｅ、１ｉ、１ｎを並列接続することで、これらの蓄電モジュールを組合せて鉛直方向に実装した場合、各並列接続間で流れる電流がアンバランスになる。
これは、鉛直方向に実装されている蓄電モジュールは、冷却風によって冷却され、蓄電モジュール間の温度ばらつきが無くなるように動作するが、蓄電装置箱６内では、暖かい空気が上段側に、そして、冷たい空気が下段側に分布するようになる。これにより、上段側の蓄電モジュール１ａの温度が下段側の蓄電モジュール１ｎよりも温度が高くなる。リチウムイオン電池などの蓄電セルは、温度が高いほど内部抵抗が低下するため、上段側の蓄電モジュール１ａの抵抗が下段側に対し小さくなり、蓄電モジュール１ｎよりも蓄電モジュール１ａのほうが多くの電流が流れることになる。

蓄電モジュール１ａと１ｎの電流値が異なることは、図３に示す蓄電モジュール１ａと１ｎの間に電流アンバランスが発生したことであり、並列接続間でアンバランスになることを意味する。蓄電モジュール１ａは温度が上昇して、抵抗が下がることで電流が大きくなり、より温度上昇が助長され、劣化しやすくなるという悪循環になる。

これに対し、本実施例では、先に示したように、蓄電モジュール同士を直列接続して鉛直方向に搭載することで、各蓄電モジュールを流れる電流が均一となり、このような問題を防ぐことができる。
ただし、蓄電モジュール同士を直列接続すると、総合的な出力電圧は、各蓄電モジュールの出力電圧と、蓄電モジュール数の積となるため、各蓄電モジュールにおける複数の蓄電セルの接続に際し、直列と並列を組み合わせ、各蓄電モジュールの出力電圧を所定の電位に調整する。

次に絶縁について説明する。図８に示す従来構成では、前述のように、絶縁材２３ａ、２３ｂが各モジュール間、あるいは蓄電装置箱２０と蓄電モジュールの間に挿入されている。これは、蓄電装置箱２０、あるいは蓄電装置箱２０と同電位のヒートシンク２４に対し電気的絶縁をとるためである。
一方、図１では、後述する冷却方式により冷却性能を確保しているため、ヒートシンクは実装しておらず、ヒートシンクとの絶縁は不要である。また蓄電モジュールのフレーム電位を、直列接続された蓄電モジュールの組合せ単位で同電位とすることにより、蓄電モジュール単位での絶縁が不要となる。このため、直列接続された蓄電モジュールの組合せ単位で絶縁すればよく、絶縁材の数量を減らし、コンパクト化することができる。

具体的には、図１では、蓄電モジュール１ａ〜１ｄを組合せ単位として、フレーム９上に固定させ、この組合せ単位を、蓄電装置箱６に支えるためのフレーム８との間で絶縁材３ａを挿入して、電気的絶縁を確保する。また、冷却ファンユニット７は低圧回路と接続されるため、絶縁材２によって絶縁を確保する。なお、蓄電モジュールの組合せ単位と冷却ファンユニットとの絶縁をとるために、図１では絶縁材を挿入しているが、絶縁距離を確保した方式としてもよい。
ただし、従来例のように冷却ファンユニット７と蓄電モジュールの間に間隙があると、冷却効率が悪くなるため、図１に示すように絶縁材２によって冷却ファンユニット７と蓄電モジュール間を絶縁させ、冷却風ができるだけ外部に漏れずに蓄電モジュール内の蓄電セルに送風されるようにした構成が望ましい。また、蓄電モジュール１ａ、フレーム９、絶縁材２、３ａ、３ｂ、そして、冷却ファンユニット７を一体化して、一体ユニット１６としている。

最後に冷却について説明する。図５は蓄電モジュール１の内部構造を示した図である。
図５において、１０は蓄電セル、１１は電極接続線、１２ａ、１２ｂは、蓄電モジュール１のケースに設けた風壁、１３ａ、１３ｂは冷却風路を示す。図５（ａ）に、図１におけるＡ方向を示した蓄電モジュールの構成を示す。

冷却ファンユニット７の冷却ファン１４ａは、蓄電モジュール単位毎に設けられ、図５（ａ）の点線矢印に沿って冷却風が流れることで、蓄電セル１０を冷却する。蓄電モジュール単位毎に冷却ファンを設けることによって、蓄電モジュール単位でファンをオンオフしたり、風量を調整することができ、蓄電モジュール間の温度差を低減させることができる。また、冷却ファンが複数あるため、一台あるいは、数台の冷却ファンが故障した場合でも、他の冷却ファンにより冷却することができるため、冗長性を向上できる。

図５（ｂ）は図５（ａ）においてＡ方向からみた図、図５（ｃ）は図５（ｂ）におけるＢ方向からみた図である。
風壁１２ａは蓄電モジュール１の内部に、直線的に並んだ蓄電セル１０の列の電極接続部に沿って設けたものである。風壁１２ｂは、複数の蓄電セルの列間に設けたものであり、風壁１２ａ、１２ｂは、蓄電モジュール１の長手方向（図５（ａ）における左右方向）において、冷却風入口端から出口端に到るまで、冷却風を遮断する。

この風壁１２ａ、１２ｂにより、冷却風が冷却風路１３ａおよび１３ｂに集中し、蓄電セル１０の胴体部に直接冷却風が集中的に送風されることとなる。
蓄電セルはセルの胴体部が最も発熱するため、冷却風をセルの胴体部に集中させることで、取り入れる外気温との温度差が大きくなり、冷却効率を向上することが可能となる。さらに、この構造によれば、風壁１２ａによって、電極面１１には風が当たらないため、電極部の汚損を防止でき、電極汚損による絶縁劣化や導電性の低下を防ぐ効果もある。
なお、図１、図５では冷却風の向きが冷却ファンにより吸気する向きとしているが、冷却ファンから冷却風を排気し、蓄電モジュールに送る構成でもよい。また、冷却ファンの風量を、温度が高くなる上段側で大きくすることで、更なる温度均一化を図るようにしてもよい。

以上に示した、実装、絶縁、冷却の観点で特徴を有する蓄電モジュールを組み合わせて蓄電装置を構成することで、高い冷却性能を確保しつつ、蓄電セルあるいは蓄電モジュール間の温度差を小さくでき、また、必要最小限で絶縁性能を確保でき、必要な冷却性能および絶縁性能と小型化を同時に実現することができる。

［実施例２］
図６は、本発明の実施例２に関わる蓄電装置の構成例を示す図である。実施例１との構成の違いは、冷却ファンユニット７の冷却ファンを１台の構成（冷却ファン１４ａのみ）としていることである。これにより、ファン台数を減らすことができ、ファンへの配線数も減すことができるため、経済的である。その際、ファンから導入あるいは吸引される冷却風が、各蓄電モジュールに均等に分配されるよう、ファンと各蓄電モジュールの間に分配ダクトを設けたり、蓄電モジュールの冷却風取入口の面積を下方から上方に向けて順次大きくすることにより、さらに温度の均一化を図ることが可能となる。

［実施例３］
図７は、本発明の実施例３の蓄電装置の構成例を示す図である。実施例１との構成の違いは、蓄電モジュールの水平方向左右にも絶縁材３ｃを有した構成としている。これによって一体ユニット１６間のスペースを縮小でき、更に小型化した蓄電装置箱を実現できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１、１１１・・・蓄電モジュール、２・・・対冷却ファン間の絶縁材、
３ａ、３ｂ、３ｃ・・・対蓄電装置箱間の絶縁材、５、２・・・冷却ファン、
６・・・蓄電装置箱、７・・・冷却ファンユニット、
８・・・蓄電モジュールを搭載するためのフレーム、
９・・・蓄電装置箱と蓄電モジュールを接続するためのフレーム、
１０・・・蓄電セル、１１・・・電極接続線、１２ａ、１２ｂ・・・風壁、
１３ａ、１３ｂ・・・冷却風路、１４ａ、１４ｂ・・・冷却ファン、
１５・・・冷却ファンを搭載するためのフレーム、１６・・・一体ユニット

Claims (6)

1. 複数の蓄電セルの直列接続、並列接続、あるいは、直列接続と並列接続を組み合わせ、所定の電位とした蓄電モジュールと、絶縁材と、冷却ユニットとを備え、
   前記蓄電モジュールは、蓄電セルの胴体部周辺に沿って冷却風路を有するケース内に前記蓄電セルを配列したものであり、
   前記蓄電モジュールを複数組み合わせて直列接続するとともに、前記ケースのそれぞれに設けた冷却風取入口に、前記冷却ユニットからの冷却風が直接導入されるよう配列し、前記蓄電モジュールと、前記蓄電モジュール及び前記冷却ユニットを収納する蓄電装置箱との間に絶縁材を設けるとともに、各蓄電モジュールと、前記冷却ユニットとの間に絶縁材を介して一体ユニットとしたことを特徴とする蓄電装置。
2. 請求項１に記載の蓄電装置において、
   前記一体ユニットを、鉛直方向、水平方向、あるいは鉛直方向と水平方向を組み合わせて積層したことを特徴とする蓄電装置。
3. 請求項１または２に記載の蓄電装置において、
   前記冷却ユニットは、各蓄電モジュール毎に設けた冷却ファンユニットであることを特徴とする蓄電装置。
4. 請求項３に記載の蓄電装置において、
   前記冷却ファンユニットは、前記蓄電モジュールのうち、上段側のファン風量が下段側ファン風量より大きく設定されていることを特徴とする蓄電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電装置において、
   前記蓄電モジュール内部に、前記冷却ユニットからの冷却風に沿って直線的に配列された蓄電セルの列における電極接続部位置に対応して、風壁を設けたことを特徴とする蓄電装置。
6. 請求項４に記載の蓄電装置において、
   前記蓄電セルが複数列設けられ、各列間に、前記冷却ユニットからの冷却風に沿って、
   風壁を設けたことを特徴とする蓄電装置。

Images