JP2004303456A

JP2004303456A - 組電池

Info

Publication number: JP2004303456A
Application number: JP2003091926A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kasuga; 秀夫春日
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池のサイクル寿命を向上させる。
【解決手段】３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池の配置構造上最も放熱性の悪い位置（例えば、図１の７番の位置）に配置された電池の内部抵抗を、他のいずれの電池より１５％以上低くする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池に関し、詳しくはサイクル特性の向上を目的とした組電池の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高電圧且つ大電流を必要とする電気工具等の駆動電源として、ニッケル−カドミウム蓄電池に代表されるアルカリ二次電池や、リチウム二次電池等の二次電池を複数直列及び／又は並列につないでなる組電池が広く利用されている。
【０００３】
このような組電池は、通常、同一の電池性能を有する電池を用いて作製される。なぜなら、電池性能にばらつきがあると、充放電によって電流を流すときに、電池性能の差によって、一部の電池が過放電されたり、過充電されたりするので、組電池全体としての充放電サイクル特性が悪くなり、電池寿命が早く尽きてしまうからである。
【０００４】
上記のように、同一の電池性能を有する電池を複数直列につないでなる組電池は、充放電時に大電流が流れるため、電池の内部抵抗によって発熱する発熱量が大きい。この発熱は、電池外装体から電池外へと放熱されるのであるが、図１の７番の電池のように、他の電池と最も多く接触している電池は、他の電池からの放熱によって当該電池周囲の温度が高い状態となる。このため、当該電池の放熱性が悪くなり、電池温度が上昇するので、充電効率が低下する。このような組電池を充電すると、他の電池が満充電されても、当該電池は満充電されない。その後、放電を行うと、当該電池は満充電されていないので、当該電池は過放電されることとなる。したがって、充放電サイクルを繰り返し行うと、当該電池は他の電池よりも電池性能の劣化が早くなる。この結果、当該電池の発熱量が大きくなり、組電池を構成する他の電池に悪影響を及ぼして、組電池全体としての電池寿命を短くしてしまうという問題があった。
【０００５】
上記問題を解決するため、空冷ファンを設けることや、単電池の間隔を大きくして放熱性を向上させる試みがなされている。しかし、これらの方法は組電池の体積を大きくしてしまうとともに、各電池の温度差の改善が十分ではないという課題を有している。
【０００６】
他方、電池温度の上昇を検出する感温素子を配置し、感温素子が配置された部分を断熱性材料で覆う技術や、集合電池の上下両面にプリント配線板を電気的、機械的に接続し、機械的強度の大きい集合電池を得る技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
実開昭６２−２００２５０号公報
【特許文献２】
特公昭５０−１１０７１号公報
【０００８】
しかしながら、上記技術によっても各電池の温度差を十分に改善できないため、組電池全体としてのサイクル寿命が短くなるという課題を有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記課題を解決するため、発明者が鋭意研究を重ねた結果、同一の電池性能を有する電池を用いて組電池を作製するという従来の技術常識に反して、組電池を構成する単電池の配置構造上最も放熱性が悪く、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置される電池（単電池）の性能を敢えて変化させることによって、サイクル寿命の長い組電池が得られるということを見いだした。
【００１０】
本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、サイクル寿命の長い組電池を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、第一の態様の本発明は、３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池であって、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置された電池の内部抵抗が、他のいずれの電池よりも１５％以上低いことを特徴とする。
【００１２】
上記の構成では、配置構造上最も放熱性が悪く、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に、他のいずれの電池より内部抵抗が１５％以上低い電池を配置しているため、当該電池の充電時における電池発熱量が減少する。その結果、充電時において他の電池との温度差が小さくなるので、全ての電池が均等に充電され、組電池全体としての電池寿命が長くなる。
【００１３】
上記の目的を達成するため、第二の態様の本発明は、３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池であって、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置された電池の電池容量が、他のいずれの電池よりも１０％以上高いことを特徴とする。
【００１４】
上記の構成では、配置構造上最も放熱性が悪く、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に、他のいずれの電池より電池容量が１０％以上高い電池を配置しているため、当該電池が他の電池よりも温度が上昇し、充電効率が低下して充電時に満充電されていない状態となっても、放電時に当該位置に配置された電池は過放電されない。その結果、過放電による電池の発熱や劣化が抑制される。したがって、組電池全体としての電池寿命が長くなる。
【００１５】
上記の目的を達成するため、第三の態様の本発明は、３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池であって、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置された電池の高温充電効率が、他のいずれの電池よりも１０％以上高いことを特徴とする。
【００１６】
上記の構成では、配置構造上最も放熱性が悪く、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に、他のいずれの電池より高温充電効率が１０％以上高い電池を配置しているため、当該電池が発熱しても、他の電池との充電効率の差が小さくなる。その結果、全ての電池が均等に充電されるので、組電池全体としての電池寿命が長くなる。
【００１７】
ここで、電池の高温充電効率とは、２５℃条件下及び４０℃条件下で１Ｉｔで充電し、ピーク電圧より１０ｍＶ下がったところで充電を終了し、３時間休止した後、２５℃条件下、１Ｉｔで電圧が０．８Ｖになるまで放電した場合における、下記の式より算出される値である。
高温充電効率（％）＝４０℃充電時放電容量÷２５℃充電時放電容量×１００
【００１８】
上記の目的を達成するため、第四の態様の本発明は、３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池であって、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置された電池の内部抵抗が他のいずれの電池よりも１５％以上低く、電池容量が１０％以上高く、高温充電効率が１０％以上高いことを特徴とする。
【００１９】
上記構成によると、上述した第一〜第三の態様の本発明の長所を全て満たしているため、さらに組電池全体としての電池寿命が長くなる。
【００２０】
ここで、組電池の配置構造上最も放熱性が悪く、充放電時の電池温度が最も高くなる位置について説明する。
同じ電池性能を有する電池を直列につないだ場合、各電池には同一の電流が流れ、しかも同一の内部抵抗であるため、全ての電池の発熱量が等しくなり、発熱した熱は電池外装体表面から電池外部に放熱されることになる。ここにおいて、他の電池と最も多く実質的に接触している電池は、他の電池からの放熱によって周囲の温度が他の電池の周囲よりも高い状況にあるため、この位置に配置された電池は、最も放熱性が悪くなる。この結果、充放電時の電池温度が最も高くなる。つまり、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置された電池とは、単電池の配置構造上最も放熱性が悪い位置に配置された電池をいい、この電池は最も多くの他の電池と実質的に接触している電池を意味する。
ここで、実質的に接触とは、直接接触している場合はもちろんのこと、組電池を収容する組電池ケース内において、各電池間にわずかに隙間があるような場合や、放熱板等の薄い部材を介して他の電池と接触しているような場合も含まれる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例に基づいて説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することができる。
【００２２】
（実施例１）
まず、図１に基づいて、実施例１に係る電池の全体像を説明する。図１は円筒型のニッケル−水素蓄電池（単電池）が８個直列につながれてなる組電池である。
【００２３】
公知の方法により、同一の電池性能を有するニッケル−水素蓄電池（単電池）を７個作製した。作製した電池の公称容量は３Ａｈであった。
【００２４】
導電性の高い集電体を用いることにより、上記の電池よりも内部抵抗が１５％低く、その他の性能は同一の電池を１個作製した。
【００２５】
単電池の電池性能の同一性は、下記の試験により確認した。
【００２６】
（単電池の内部抵抗値の測定）
１ｋＨｚの交流内部抵抗値を測定した。
【００２７】
（単電池の電池容量の測定）
２５℃条件下、０．１Ｉｔ（３００ｍＡ）で１６時間充電後、１時間放置した後、０．２Ｉｔ（６００ｍＡ）で電圧が１．０Ｖになるまで放電し、その放電容量を測定した。
【００２８】
（単電池の高温充電効率の測定）
２５℃条件下及び４０℃条件下で１Ｉｔ（３Ａ）で充電し、ピーク電圧より１０ｍＶ下がったところで充電を終了し、３時間休止した後２５℃条件下で１Ｉｔ（３Ａ）で電圧が０．８Ｖになるまで放電し、高温充電効率を下記の式より求めた。
高温充電効率（％）＝４０℃充電時放電容量÷２５℃充電時放電容量×１００
【００２９】
上記で作製した内部抵抗が１５％低い電池を図１の７番の位置に配置し、その他７個の電池と図１に示すように直列につなぐことにより、実施例１に係る組電池を作製した。
【００３０】
（実施例２）
公知の方法により、同一の電池性能を有するニッケル−水素蓄電池（単電池）を７個作製し、活物質充填密度を高くすることにより、他の単電池よりも電池容量が１０％大きく、その他の性能は同一の電池を１個作製し、当該電池を図１の７番の位置に配置し、その他の電池は上記実施例１と同様に直列につないで、実施例２に係る組電池を作製した。
【００３１】
（実施例３）
公知の方法により、同一の電池性能を有するニッケル−水素蓄電池（単電池）を７個作製し、高温充電効率を向上させる公知の添加剤を添加することにより、他の電池よりも高温充電効率が１０％高く、その他の性能は同一の電池を１個作製し、当該電池を図１の７番の位置に配置し、その他の電池は上記実施例１と同様に直列につないで、実施例３に係る組電池を作製した。
【００３２】
（比較例１）
内部抵抗、電池容量、高温充電効率が全て同一な８個の電池を作製し、図１に示すように直列につないで、比較例１に係る組電池を作製した。
【００３３】
上記で作製した各組電池のサイクル寿命を下記試験法によって測定し、その結果を下記表１に示す。サイクル寿命は、電池容量が１回目の放電容量の６０％以下となったサイクル回数と定義した。
【００３４】
（サイクル特性試験）
１１Ｉｔ（３Ａ）で組電池電圧がピーク電圧より２０ｍＶ下がるまで充電。
２一時間休止。
３５Ｉｔ（１５Ａ）で組電池電圧が４．８Ｖになるまで放電。
４一時間休止。その後１に戻る。
【００３５】
【表１】

上記数値は、比較例１のサイクル寿命を１００とした相対値である。
【００３６】
上記表１から、電池の配置構造上最も放熱性が悪く、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に、他の電池より内部抵抗が１５％低い電池を配してなる実施例１と、他の電池より電池容量が１０％高い電池を配してなる実施例２と、他の電池より高温充電効率が１０％高い電池を配してなる実施例３とは、組電池を構成する単電池の性能が均一である比較例１よりも５％以上サイクル寿命が長くなっていることがわかる。
【００３７】
このことは次のように考えられる。実施例１では、配置構造上最も放熱性が悪く、充放電時の電池温度が最も高くなる位置（図１の７番の位置）に、他の電池より内部抵抗が１５％低い電池を配置しているため、当該位置に配置された電池の発熱量が減少する。その結果、充電時において他の電池との温度差が小さくなり、全ての電池がほぼ均等に充電されるので、組電池全体としての電池寿命が長くなる。
なお、通常、電池の製造工程上、内部抵抗のバラツキとして１０％程度は生じるが、本発明では、１５％という明らかに性能の異なる電池を配置するものである。
【００３８】
実施例２では、配置構造上最も放熱性が悪く、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に、他の電池より電池容量が１０％高い電池を配置している。このため、当該位置に配置された電池が他の電池よりも温度が上昇して充電効率が低下しても、当該位置に配置された電池は高容量であるので過放電されない。その結果、過放電による電池の発熱や劣化が抑制され、組電池全体としての電池寿命が長くなる。
なお、通常、電池の製造工程上、電池容量のバラツキとして５％程度は生じるが、本発明では、１０％という明らかに性能の異なる電池を配置するものである。
【００３９】
実施例３では、配置構造上最も放熱性が悪く、充放電時の電池温度が最も高くなる位置に、他の電池より高温充電効率が１０％高い電池を配置しているため、当該電池が発熱しても、他の電池よりも高い高温充電効率によって他の電池との充電効率の差が小さいので、全ての電池が均等に充電される。したがって、組電池全体としての電池寿命が長くなる。
なお、通常、電池の製造工程上、高温充電効率のバラツキとして５％程度は生じるが、本発明では、１０％という明らかに性能の異なる電池を配置するものである。
【００４０】
他方、比較例１では、電池特性がすべて均一な電池を用いて組電池を作製したため、組電池の構造上放熱性の悪い位置（図１の７番の位置）に配置された電池は、他の電池より高温となり、充電効率が低下する。このため、他の電池が満充電されても、当該電池は満充電されていない。その後、放電を行うと、当該電池は満充電されていないので、過放電されることとなる。したがって、他の電池よりも電池性能の劣化が早くなる。この結果、充放電サイクルを繰り返し行うと、当該電池の発熱量が大きくなり、周囲の電池に悪影響を及ぼして、組電池全体としての電池寿命を短くする。
【００４１】
尚、上記実施例では円筒型のニッケル−水素蓄電池を用いて組電池を作製したが、本発明は円筒型のニッケル−水素蓄電池に限定するものではなく、角型、ボタン型、プレート型等の他の形状の電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池等の他のアルカリ二次電池や、リチウム二次電池等の他の二次電池にも適用しうることは当然のことである。
【００４２】
また、上記実施例では、第一〜第三の態様の本発明を適用して組電池を作製したが、第四の態様の本発明や、第一の態様と第二の態様との組み合わせ、第一の態様と第三の態様との組み合わせ、第二の態様と第三の態様との組み合わせであってもサイクル寿命の長い組電池が得られる。
【００４３】
また、上記実施例では８個の電池を直列につないで組電池を作製したが、図２に示すように直列と並列とを組み合わせてつないだ場合においても、組電池の構造上充放電時の電池温度が最も高くなる位置（図２の７番の位置）に配置された電池に第一〜第四の態様の本発明を適用すればよい。
【００４４】
また、図３に示すように、組電池の構造上放熱性の最も悪い位置が２個以上ある場合には、各々の位置を充放電時の電池温度が最も高くなる位置として（図３の６番と８番の位置に）第一〜第四の態様の本発明を適用すればよい。
【００４５】
また、上記実施例では単電池８個で組電池を構成したが、単電池３個以上からなる組電池であれば、本発明を適用することができる。
【００４６】
【発明の効果】
上記の結果から明らかなように、本発明は、組電池の構造上放熱性の悪い位置に配置された電池の内部抵抗、電池容量や高温充電効率を変化させることにより、組電池のサイクル寿命を長くすることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、円筒形ニッケル−水素蓄電池を８個用いた組電池の平面図である。
【図２】本発明の変形例を示す平面図である。
【図３】本発明の他の変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
１０１単電池
１０２正極リード
１０３負極リード
１０４電極連結リード

Claims

３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池であって、
充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置された電池の内部抵抗が、他のいずれの電池よりも１５％以上低いことを特徴とする組電池。
３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池であって、
充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置された電池の電池容量が、他のいずれの電池よりも１０％以上高いことを特徴とする組電池。
３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池であって、
充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置された電池の高温充電効率が、他のいずれの電池よりも１０％以上高い電池を配置してなる組電池。
３個以上の同種の二次電池を直列及び／又は並列につないでなる組電池であって、
充放電時の電池温度が最も高くなる位置に配置された電池が、他のいずれの電池よりも内部抵抗が１５％以上低く、電池容量が１０％以上高く、高温充電効率が１０％以上高いことを特徴とする組電池。