JP2006114315A - 制御弁式鉛蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】温度バラツキにより発生するセル間のＳＯＣバラツキとこれに起因する寿命低下を抑制できる制御弁式鉛蓄電池を提供する。
【解決手段】少なくとも３個以上のセル室４が一列に配置された電槽２内に極板群を収納した制御弁式鉛蓄電池において、前記電槽のセル列方向と直交する側面に電槽と一体成型され、かつ密閉された空間部６を設ける。好ましくは、空間部の内圧を大気圧よりも減圧状態とする、もしくは発泡ウレタン等の断熱部材８を空間部に配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は制御弁式鉛蓄電池の電槽構造に関するものである。

地球温度化抑止や省エネルギーのために、最近の自動車は排気ガス削減と燃費向上を目的とした簡易ハイブリッドシステムやアイドルストップシステムが検討されている。これらのシステムに用いられる鉛蓄電池は、ＳＯＣがほぼ１００％の状態で用いられる始動用鉛蓄電池と比較して、回生入力を効率よく受け入れ、かつ、アシスト動力を提供する必要上、より深い充放電での寿命特性が重視される。

したがって、始動用鉛蓄電池では主流であった液式鉛蓄電池にかわって、サイクル寿命特性において優位性のある、制御弁式鉛蓄電池が用いられつつある。

従来の制御弁式鉛蓄電池を簡易ハイブリッドシステムや、アイドルストップシステムを搭載した車両に用いた場合、前記したような、回生充電や、アシスト動力を発生するモーターへの電力供給のため、大電流の充放電が高頻度に繰り返される。

したがって、３個以上のセル室が一列状態で配置された制御弁式鉛蓄電池の場合、列端の２セルとこれら列端の２セル間に配置された中央部のセルとの間に温度差が生じる。温度の高いセルと低いセルは、その充電効率やセル内部での負極板における酸素ガス吸収能力が異なる。

その結果、充放電の繰り返しによって、セル毎の充電状態（ＳＯＣ）のアンバランスが拡大し、中央部のセルか過充電となって劣化を加速し、その結果、電池全体が短寿命となる課題がある。

また、同一電池内に温度の高いセルと低いセルがあると、充電電圧制御や、入出力制限等、電池温度をパラメータとして制御弁式鉛蓄電池を制御する際、制御の基準となる温度が定まらないという課題もある。

こうした課題を解決する手段として、特許文献１には、電槽の端セルの外壁のみを肉厚に形成したり、外壁に発泡材等の断熱層を形成したりすることで、端セルの過度の冷却を抑制し、端セルと端セル間に配置された中央部のセルとの温度差の拡大を抑制することが示されている。
特開２００３−１９７２７８号公報

しかしながら、特許文献１に示されたように、電槽の端側面のみ肉厚に形成した場合、端のセルは電池内部で直接端側面に接し、端のセルで発生した熱は、この端側面を通じて電池外部へ熱伝導するため、セル間の温度バラツキは依然として発生していた。

また、断熱部材を電槽外壁に装着する場合、セル間の温度バラツキが小さくなるという効果はあるものの、断熱材が圧縮、振動、衝撃（落下）あるいは、電槽外壁面の変形等の外部要因によって破壊・破損したり、電池から脱落することにより、その機能が故障するという課題があった。

特に、車両用に用いられる電池は、車両に堅牢に固定され、緊圧された状態で、車両走行時の振動、衝撃に絶えずさらされる。また、制御弁式鉛蓄電池では、電池内の減圧や充放電による極板の膨張のため、電槽外壁が変形することがあるため、上記したような断熱材の破壊・破損や脱落の危険性は他の電池よりも深刻な課題であった。

前記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、少なくとも３個以上のセル室が一列に配置された電槽内に極板群を収納した制御弁式鉛蓄電池において、前記電槽のセル列方向と直交する側面に電槽と一体成型され、密閉された空間部を有することを特徴とする制御弁式鉛蓄電池を示すものである。

このような本発明の構成により、密閉された空間部が断熱部として作用するため、端セルと中央セルの温度バラツキを抑制する。また、従来のように、断熱部を電池外に装着することがないため、断熱部を装着する工程が不要となる他、衝撃や振動等により断熱部が電池から脱落することが本質的に発生し得ない。

そして、この断熱された空間部によって、放熱による端セルの過度の冷却が抑制され、セル間の温度がより均一となるため、大電流の充放電が高頻度に繰り返されてもセル間のＳＯＣバラツキの拡大と、これによる電池の短寿命を抑制する。

さらに本発明の請求項２に係る発明は、請求項１の制御弁式鉛蓄電池において、空間部に断熱部材を配置したことを特徴とするものである。このような構成により、前記した効果に加えて、空間部の強度が増加し、空間部の変形を抑制することができる。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項１の制御弁式鉛蓄電池において、前記空間部を大気圧に対して減圧状態としたことを特徴とするものである。これにより、空間部による断熱効果をより顕著に得ることができる。

また、本発明の請求項４に係る発明は、請求項１、２もしくは３の制御弁式鉛蓄電池において、前記空間部において、前記空間部を区画する前記セル室列の端セル室との区画壁と、この区画壁に対向する外壁との間に梁状の補強部材を設けたことを特徴とするものである。このような構成により、空間部の強度はさらに増加し、空間部の変形を抑制できる。

図５に示したように、従来の制御弁式鉛蓄電池の電槽２０においては、電池内圧が減圧したり、セルを構成する極板が変形する等により、特に両端セル室２１ａの電槽外壁２２が破線で示したような電池内側や外側方向に変形する場合があった。このような変形により各セル室２１に収納されたセルに加わる群圧にバラツキが生じ、寿命低下の要因の一つとなっていた。本発明では、梁状の補強部材１１により、端セル室４ａ，４ｆと空間部６を区画する区画壁９の変形を抑制することができる。その結果、各セルに加わる群圧が均圧化されるため、群圧バラツキによって発生する寿命低下を抑制することができる。

また、特に空間部６を減圧した場合、区画壁の変形は大きくなる傾向があるため、梁状の補強部材１１を併用して用いることが好ましい。

前記した本発明の構成によれば、制御弁式鉛蓄電池の両端のセルは断熱空間を介して電池外部に熱伝導するため、両端セルからの放熱が抑制されてセル間の温度バラツキを抑制することができる。これにより、温度バラツキにより発生していたセル間のＳＯＣバラツキとこれによる寿命低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の実施の形態による制御弁式鉛蓄電池１の断面を示す図である。なお、図１には蓄電池セルやこれらセル間に形成するセル間接続部は示していないが、これら各部の構造は、従来の周知の構造を適宜選択して用いることができる。本発明において、電槽２は隔壁３により、３以上のセル室４に列状に区画されている。電槽２のセル列方向と直交する側面５に電槽２と一体成型された空間部６を有している。なお、電槽樹脂材として、従来からのポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂やＰＰＯ樹脂を用いることができる。

セル室４にセル（図示せず）を収納し、セル間接続部（図示せず）を形成した後、電槽２の開口部に蓋７を接合する。電槽２と蓋７とを接合することにより、空間部６は電池外部から密閉された空間となる。

このような本発明の構成により、列状に配置されたセル室４の両端に位置する端セル室４ａに断熱部として作用する空間部６が配置されるため、端セル室４ａ，４ｆに収納されたセルの過冷却が抑制され、端セル室４ａ−端セル室４ｆ間に配置された中央セル室４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅに収納されたセルとの温度バラツキが抑制できる。これにより、温度バラツキにより発生していた、セルのＳＯＣバラツキとこれによる短寿命の発生を抑制することができる。また、空間部６を大気圧に対して減圧状態とすることにより、空間部６による断熱効果をさらに顕著に得ることができる。

また、断熱のための空間部が電槽２と一体成型されているため、従来のように、断熱材を装着する工程が不要となる他、衝撃や振動等により断熱部が電池から脱落することが本質的に発生し得ない。

なお、図ではセル室個数が６の場合を示したが、両端セル室とこれら両端セル室間に配置された中央セル室が存在する場合に本発明の課題が発生するため、本発明は、このような構成、すなわち、セル室個数が３以上であって、これらセル室が列状に配置された制御弁式鉛蓄電池に適用すべきであることは言うまでもない。

本発明のさらに好ましい形態として、図２に示したように、空間部６に断熱部材８を配置することができる。これは、空間部６に発泡ウレタン樹脂を充填し、発泡固化することにより得ることができる。このような構成により、前記した効果に加えて、空間部の強度、特に圧縮強度が増加し、制御弁式鉛蓄電池１を緊迫固定した場合においても、空間部６の変形を抑制することができる。

本発明の他の好ましい形態として、図３に示した電槽を用いることができる。図３は電槽２のその上面の開口部方向からの形状を示す図である。空間部６において、空間部６と端セル室４ａ，４ｆとを区画する区画壁９と、この区画壁９に対向する外壁１０との間に梁状の補強部材１１を設ける。このような構成により、空間部６の強度はさらに増加し、空間部６の変形を抑制できる。

図５に示したような、従来の電槽制御弁式鉛蓄電池おいては、電池内圧の減圧により、電槽２０の両端セル室２１ａに位置する電槽外壁２２が、破線で示したような、電池内側方向に変形する場合がある。図３に示した本発明の構成によれば、梁状の補強部材１１により、端セル室４ａ，４ｆと空間部６を区画する区画壁９の変形を抑制することができる。

区画壁９の変形が抑制されることにより、各セル室４に収納されたセルへの群圧のバラツキが抑制され、さらにすぐれた寿命特性を有した制御弁式鉛蓄電池を得ることができる。また、前記したような、空間部６を減圧した構成を用いる場合、区画壁９の変形はより、顕著となるため、補強部材１１を用いることが、より好ましい。

なお、図３の梁状の補強部材１１を設けた構造において、空間部６に発泡ウレタン等の断熱部材８を配置することももちろん、本発明の効果を得る上で好ましい。また、図３では補強部材１１を用いた例を示したが、複数本設けることも可能であることは言うまでもない。

以下、実施例により、本発明の効果を説明する。

本発明例および比較例による、１２Ｖ６０Ａｈの制御弁式鉛蓄電池を作成した。なお、電槽材料はポリプロピレン−ポリエチレンコポリマーを用いた。

１）比較例の電池Ａ１
比較例の電池Ａ１は図５に示した電槽２０を用い、定法により得た制御弁式鉛蓄電池である。電槽外壁２２の厚みは２．０ｍｍ、セル室２１を区画する隔壁２３の厚みは１．０ｍｍである。

２）比較例の電池Ａ２
比較例の電池Ａ２は図５に示した電槽２０を用い、定法により得た制御弁式鉛蓄電池である。電槽外壁２２の厚みは４．０ｍｍ、セル室２１を区画する隔壁２３の厚みは１．０ｍｍである。

３）比較例の電池Ａ３
比較例の電池Ａ３は図５に示した電槽２０を用い、定法により得た制御弁式鉛蓄電池である。電槽外壁２２の厚みは２．０ｍｍ、セル室２１を区画する隔壁２３の厚みは１．０ｍｍである。そして電槽外壁２２外面の全面にわたって厚さ２．０ｍｍの発泡ウレタン板を接着した。

４）本発明例の電池Ｂ
本発明例の電池Ｂは図１に示した電槽２を用い、以降は定法により得た制御弁式鉛蓄電池である。外壁１０の厚みは２．０ｍｍ、隔壁３の厚みは１．０ｍｍである。なお、区画壁９の厚みは２．０ｍｍであり、空間部６の幅寸法（図１における寸法Ａ）は１０．０ｍｍである。

５）本発明例の電池Ｃ
本発明例の電池Ｃは図２に示したように、図１の電槽２の空間部６に発泡ウレタン樹脂を注入し、発泡固化したものを用い、以降は定法により得た制御弁式鉛蓄電池である。外壁１０の厚みは２．０ｍｍ、隔壁３の厚みは１．０ｍｍである。なお、区画壁９の厚みは２．０ｍｍであり、空間部６の幅寸法（図２における寸法Ａ）は１０．０ｍｍである。

６）本発明例の電池Ｄ
本発明例の電池Ｄは図３に示したように、電槽２の空間部６において、区画壁９と外壁１０との間に梁状の補強部材１１を設けたものを用い、以降は定法により得た制御弁式鉛蓄電池である。外壁１０の厚みは２．０ｍｍ、隔壁３の厚みは１．０ｍｍである。なお、区画壁９の厚みは２．０ｍｍであり、空間部６の幅寸法（図３における寸法Ａ）は１０．０ｍｍである。また、補強部材１１の厚み（図３における寸法Ｂ）は、５．０ｍｍである。

７）本発明例の電池Ｅ
本発明例の電池Ｅは前記の本発明例の電池Ｄにおいて、空間部６に発泡ウレタン樹脂を注入し、発泡固化したものとした。

８）本発明例の電池Ｆ
本発明例の電池Ｆは前記の本発明例の電池Ｂにおいて、空間部６中の空気を排気し、内圧を１００ｍｍＨｇとしたものである。

９）本発明例の電池Ｇ
本発明例の電池Ｇは前記の本発明例の電池Ｄにおいて、空間部６中の空気を排気し、内圧を１００ｍｍＨｇとしたものである。

上述の比較例の電池Ａ１〜Ａ３、本発明例の電池Ｂ〜Ｇについて、以下に示す充放電条件で寿命試験を行い、各電池の寿命サイクル数と、各電池のセル毎の温度を計測した。

寿命試験条件（試験温度：２５℃）
１．放電：３００Ａ×０．９秒
２．休止：１８秒
３．充電１：２７０Ａ×２秒
４．充電２：１８０Ａ×４秒
５．充電３： ８０Ａ×４秒
６．充電４： ４５Ａ×２３秒
上記の放電、休止および充電１〜４で構成される充放電サイクルを行い、放電終止電圧が７．２Ｖまで低下した時点を寿命サイクル数とした。

表１に寿命試験中における各電池の各セルの温度計測結果を示した。なお、セル位置特定のため、図４に示したように、正極端子３０に対応した端セルをａ、負極端子３１に対応した端セルをｆとし、その間のセルを正極端子側から負極端子側に向かってそれぞれ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅとしている。なお、図４において、本発明例に存在する空間部６は省略している。温度データは寿命試験開始から６時間が経過し、各セルの温度が一定となった時点のものを採用した。

表１から明らかなように、本発明例の電池Ｂ〜Ｇは、比較例の電池Ａ１〜Ａ３に比較してセル間の温度バラツキが抑制できていることがわかる。比較例の電池Ａ３は、他の比較例の電池に比較して温度バラツキが抑制されているが、本発明のような顕著な効果は有していない。また、本発明例では、空間部６に発泡部材を配置したり、空間部６を減圧状態とした電池Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｇは特に優れた温度バラツキ抑制効果があった。

次に、これら各電池の寿命試験結果を表２に示す。

表２に示した結果から、本発明例の電池Ｂ〜Ｇは、比較例の電池Ａに比較し、良好な寿命特性を有していることがわかる。比較例の電池Ａ１〜Ａ３では両端セル以外のセル（ｂ〜ｅ）で過充電による劣化が認められる一方で、両端セル（ａ，ｆ）は充電不足状態となっていた。一方、本発明例の電池Ｂ〜Ｇでは、セル間で劣化状態に顕著な差はなかった。

比較例の電池Ａ１〜Ａ３では、セル間の温度バラツキにより、その充電状態にバラツキが生じ、比較的短いサイクル数で寿命劣化に到った。その中でも比較例の電池Ａ３は、比較例の電池Ａ１およびＡ２に比較して良好な寿命特性を有しているものの、電槽外壁に接着した発泡ウレタン板が電槽外壁の変形により一部亀裂が生じ、電槽外壁から発泡ウレタンが脱落していた。一方、本発明例の電池では、比較例の電池Ａ３で発生したような、現象は起こりえず、寿命試験中連続して、セル間の温度バラツキが抑制されているため、良好な寿命特性を得ることができたと推測できる。

本発明例の電池の中でも、特に、温度バラツキを抑制できた電池Ｃ，Ｅ，Ｆ，Ｇについては電池ＢおよびＤに比較してより良好な寿命特性を有していた。これは空間部を減圧状態あるいは断熱部材を配置することにより、温度バラツキが抑制されたため、セル毎のＳＯＣバラツキがより抑制され、寿命特性の低下が抑制できたことによると推測できる。

さらに、空間部６に補強部材１１を設けた電池は、設けない電池に比較して良好な寿命特性を有している。これは、電池Ｂと電池Ｄ、電池Ｃと電池Ｅおよび電池Ｆと電池Ｇの寿命特性の比較から明らかである。これは、制御弁式鉛蓄電池においては、セル室内が減圧したり、セルを構成する極板が膨張するため、本発明例においては区画壁９、比較例においては電槽外壁２２が変形するが、本発明例では補強部材１１を設けることにより、区画壁９の変形が抑制され、セルに加わる群圧がより均等となるため、良好な寿命特性を得ることができる。

本発明によれば、３個以上のセル室を列状に配置した制御弁式鉛蓄電池において、セル間の温度バラツキとこれによる寿命低下を抑制できることから、大電流で充放電される、ハイブリッド車両用途に特に好適である。

本発明の実施形態による制御弁式鉛蓄電池の断面を示す図 本発明の他の実施形態による制御弁式鉛蓄電池の断面を示す図 本発明の他の実施形態による制御弁式鉛蓄電池の電槽の上面を示す図 電池におけるセル位置を表す符合とセル位置との関係を示す図 従来の制御弁式鉛蓄電池の電槽の上面を示す図

符号の説明

１ 制御弁式鉛蓄電池
２ 電槽
３ 隔壁
４ セル室
４ａ，４ｆ 端セル室
４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ 中央セル室
５ （セル列方向と直交する）側面
６ 空間部
７ 蓋
８ 断熱部材
９ 区画壁
１０ 外壁
１１ 補強部材
２０ （従来の）電槽
２１ セル室
２１ａ 両端セル室
２２ 電槽外壁
２３ 隔壁
３０ 正極端子
３１ 負極端子
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ セル

Claims (4)

1. 少なくとも３個以上のセル室が一列に配置された電槽内に極板群を収納した制御弁式鉛蓄電池において、前記電槽のセル列方向と直交する側面に電槽と一体成型され、かつ密閉された空間部を有することを特徴とする制御弁式鉛蓄電池。
2. 前記空間部に断熱部材を配置したことを特徴とする請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池。
3. 前記空間部を大気圧に対して減圧状態としたことを特徴とする請求項１記載の制御弁式鉛蓄電池。
4. 前記空間部において、前記空間部を区画する前記セル室列の端セル室との区画壁と、この区画壁に対向する外壁との間に梁状の補強部材を設けたことを特徴とする請求項１、２もしくは３に記載の制御弁式鉛蓄電池。