JP2007059145A - 組電池の設計方法、製造方法、及び組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 単電池を直列接続した組電池において、繰り返し内圧の上昇が生じた場合でも、電池の破壊を生じにくい組電池、組電池の設計方法、あるいは組電池の製造方法を提供する。
【解決手段】 組電池２０は、第１安全弁機構１５を有する１つの第１単電池１と、第２安全弁機構２５を有する９つの第２単電池２Ａ〜２Ｉとを直列に接続した組電池である。第１単電池１の第１安全弁機構１５の第１作動圧ＲＰ１ｓは、第２単電池２Ａ〜２Ｉの第２安全弁機構２５の第２作動圧ＲＰ２ｓａ〜ＲＰ２ｓｉよりも小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、個々に安全弁を備えた単電池を複数直列に接続してなる組電池の設計方法、製造方法及び組電池に関する。

単電池を複数備える組電池において、個々の単電池にそれぞれ安全弁を設け、この単電池を直列に接続して組電池としたものが知られている（特許文献１参照）。このような組電池では、過放電や過充電などによって電池の内圧が異常上昇した場合には、安全弁が開弁して内部のガスを放出し、電池の破壊（電池ケース等の破裂）を防止している。なお、単電池を直列接続をした組電池では、過充電などの異常時には、通常、直列接続されたいずれの単電池についても電池の内圧上昇が起こる。

特開平１１−３３９７４７号公報（図２参照）

しかしながら、組電池においては、各単電池に取り付けされている安全弁の作動圧が同一というわけではない。安全弁の各部品の材質、寸法等のばらつきに起因して、その作動圧にもばらつきが生じるためである。従って、１つの組電池の中に、同じ構成の安全弁を用いているにも拘わらず、安全弁の作動圧が相対的に高い単電池、逆に作動圧が相対的に低い単電池が存在することとなる。さらに、多数の組電池を見た場合、単電池の組み合わせによっては、安全弁の作動圧が相対的に高い単電池ばかりが集まって構成された組電池や、逆に、安全弁の作動圧が相対的に低い単電池ばかりが集まって構成された組電池なども存在しうる。

組電池あるいは組電池に接続する回路に異常がある場合の中には、繰り返し内圧が異常上昇する場合もありうる。しかるに、安全弁の作動圧が相対的に低い単電池は、安全弁が開弁して内圧を低下させることができるが、安全弁の作動圧が相対的に高い単電池では、なかなか安全弁が開弁しないため、電池ケースに大きな内圧（ストレス）が掛かり、電池ケースが疲労しやすい。このため、繰り返し内圧の異常上昇が起こると、ついには電池ケースが疲労破壊する可能性がある。
従って、単電池を直列接続をした組電池において、安全弁の作動圧が相対的に高い単電池を含む組電池について、あるいは、安全弁の作動圧が相対的に高い単電池ばかりが集まって構成された組電池について、特に、考慮が必要となる。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、単電池を直列接続した組電池において、繰り返し内圧の上昇が生じた場合でも、電池の破壊を生じにくい組電池、組電池の設計方法、あるいは組電池の製造方法を提供することを目的とする。

その解決手段は、複数の単電池を直列に接続した組電池の設計方法であって、第１作動圧で開弁する復帰型の第１安全弁機構を有する第１単電池であって、上記第１作動圧のばらつきの範囲が、第１下限圧力から第１上限圧力までの第１範囲である上記第１安全弁機構を有する上記第１単電池少なくとも１つと、第２作動圧で開弁する復帰型の第２安全弁機構を有する第２単電池であって、上記第２作動圧のばらつきの範囲が、第２下限圧力から上記第１上限圧力よりも高い第２上限圧力までの第２範囲である上記第２安全弁機構を有する上記第２単電池残余の数と、を組み合わせて上記組電池とする組電池の設計方法である。

本発明の組電池の設計方法では、複数の単電池として、少なくとも１つの第１単電池と、残余の数の第２単電池とを用いることとする。このうち、第１単電池に用いる復帰型の第１安全弁機構では、第１作動圧のばらつきが第１範囲であり、第２単電池に用いる復帰型の第２安全弁機構では、第２作動圧のばらつきが第２下限圧力から第１上限圧力よりも高い第２上限圧力までの第２範囲である。このように作動圧を設定した第１安全弁機構を有する第１単電池、及び第２安全弁機構を有する第２単電池からなる組電池では、各単電池は直列に接続されているので、組電池を過充電した場合などには、いずれの単電池の内圧も上昇する。

この場合において、最も好ましくないケースとして、組電池に含まれる第２単電池の第２作動圧がいずれも第１上限圧力より高い場合（例えばいずれも第２上限圧力である場合）を考える。この場合でも、本発明のように設計した組電池では、１または複数の第１単電池いずれもが第１上限圧力以下の第１作動圧で開弁する。
なお、複数の第２単電池の中に、第１上限圧力よりも低い第２作動圧を持つものが存在する場合には、そのような第２単電池も比較的低い第２作動圧で開弁することとなる。

ところで、単電池は、安全弁が開弁すると、内部のガスや電解液が放出され電池容量が低下する。従って、何度も開弁すると、ついには単電池として機能しなくなり、この単電池が直列に接続されている組電池全体も機能しなくなる。
従って、本発明の設計方法による組電池では、繰り返し内圧の異常上昇が起こると、第１上限圧力以下の作動圧（第１，第２作動圧）で開弁する第１単電池または第２単電池が徐々に単電池としての機能を失うので、ついには組電池全体の機能を失わせることができる。この場合において、第１単電池の第１上限圧力を適切に設定することにより、組電池の機能を失わせる時期や条件のうち、最も遅れる場合の時期や最も機能を失わせ難い条件を決めることができる。かくして、この設計方法により、各第２単電池の第２作動圧の組み合わせがどのような場合でも、第２単電池が疲労により破壊する前に、安全に組電池を機能停止させ、もって、第２単電池の破壊による不具合を防止可能に設定することができる。

なお、復帰型の安全弁機構とは、電池の内圧が作動圧よりも低くなった場合には、再び電池ケースを気密に保持することができるように構成された安全弁機構であり、公知の構造を採用することができる。例えば、金属バネやゴム状弾性体等を用いて、弁体を弾性的に付勢してこの弁体で排気孔を塞ぎ、内圧の上昇により排気孔からの排気可能とすると共に、可逆的に弁体を移動可能に保持したものが挙げられる。
また、単電池としては、内圧の上昇による電池の破壊（電池ケースの破裂等）などの不具合が生じる可能性のある電池であればいずれにも適用できるが、例えば、ニッケル水素電池などのアルカリ電池や、鉛電池などの酸電池、リチウムイオン電池などの有機電解液系電池が挙げられる。

また、上記組電池の設計方法であって、前記第１範囲を前記第２範囲より低くする組電池の設計方法とすると良い。

この組電池の設計方法によれば、各単電池の内圧が上昇すると、いずれの第２単電池の第２安全弁装置よりも先に、第１単電池の第１安全弁装置を開弁させることができる。従って、第１安全弁装置の第１範囲の設定によって、組電池の機能を失わせる時期や条件を設定することができる。

また、上記いずれかに記載の組電池の設計方法であって、前記第１安全弁機構と第２安全弁機構とでは、前記第１範囲のレンジが前記第２範囲のレンジより小さくされてなる組電池の設計方法とすると良い。

本発明の組電池の設計方法では、第１安全弁機構と第２安全弁機構とでは、第１範囲のレンジ（第１上限圧力と第１下限圧力との差）が第２範囲のレンジ（第２上限圧力と第２下限圧力との差）より小さくされてなる。つまり、第１安全弁機構の方が、第２安全弁機構よりも作動圧の精度が高くされている。
このような組電池では、第２範囲のレンジの大きさに拘わらず、少なくとも第１単電池が狙いの内圧に近い第１範囲内でいずれも開弁する。従って、組電池全体の機能を失わせる時期や条件のうち、この第１単電池の第１作動圧で決まる、最も遅くなる場合の時期や最も機能を失わせ難い条件を、精度良く決めることができる。かくして、高い第２作動圧を有する第２安全弁機構を有する第２単電池の破壊による不具合を適切に防止することができる。

さらに、上記いずれかに記載の組電池の設計方法であって、前記第１安全弁機構は、金属バネ材を用いて弁部材を付勢し、上記金属バネ材の付勢力によって前記第１作動圧が決定される機構であり、前記第２安全弁機構は、上記金属バネ材を用いることなく、ゴム状弾性体を用いて弁部材を付勢しまたはゴム状弾性体からなる弾性体弁部材を含み、上記ゴム状弾性体の付勢力によって前記第２作動圧が決定される機構である組電池の設計方法とすると良い。

本発明の組電池の設計方法では、第１安全弁機構としては、金属バネ材を用いて弁部材を付勢する構成のものを用いる。このため、作動圧の精度が高く、つまり第１下限圧力から第１上限圧力までの第１範囲のレンジを比較的小さくすることができる。また、作動圧の経時変化も比較的小さい。但し、この第１安全弁機構は複雑となりがちであるため、比較的高価となる。また、金属バネ材等を収容するスペースを必要とするので、第１安全弁機構の体格が大きくなりがちである。
一方、第２安全弁機構としては、金属バネ材を用いず、ゴム状弾性体を用いて弁部材を付勢する構成、またはゴム状弾性体自身を弾性体弁部材として用いる構成のものを用いる。このため、作動圧の精度は比較的低い、つまり第２下限圧力から第２上限圧力までの第２範囲のレンジが比較的大きくなる。また、作動圧の経時変化も比較的大きい。但し、機構を単純としやすいため、第２安全弁機構は比較的安価としうる。また、金属バネ材等を収容するスペースが不要で、単純な機構で済むので、第２安全弁機構の体格は比較的小さくできる。

本発明の組電池の設計方法では、このような２種類の安全弁機構を用いた第１，第２単電池を組み合わせているので、全ての単電池に第１安全弁機構を用いた場合に比して安価となる上、組電池全体の体格も小さくできる。一方、全ての単電池に第２安全弁機構を用いた場合に比して、確実に第１上限圧力以下の内圧で安全弁機構を作動させることができ、ひいては、適切に組電池全体の機能を失わせ、電池の破壊を防止できる。
なお、特に、第１単電池を１つ、第２単電池を残余の数とする組み合わせが、最も安価で体格も小さくなり好ましい。

他の解決手段は、複数の単電池を直列に接続した組電池の製造方法であって、第１作動圧で開弁する復帰型の第１安全弁機構を有する第１単電池であって、上記第１作動圧のばらつきの範囲が、第１下限圧力から第１上限圧力までの第１範囲である上記第１安全弁機構を有する上記第１単電池少なくとも１つと、第２作動圧で開弁する復帰型の第２安全弁機構を有する第２単電池であって、上記第２作動圧のばらつきの範囲が、第２下限圧力から上記第１上限圧力よりも高い第２上限圧力までの第２範囲である上記第２安全弁機構を有する上記第２単電池残余の数と、を組み合わせて上記組電池とする組電池の製造方法である。

本発明の組電池の製造方法では、複数の単電池として、１または複数の第１単電池と、残余の数の第２単電池とを組み合わせる。このうち、第１単電池に用いる復帰型の第１安全弁機構では、第１作動圧のばらつきが第１範囲であり、第２単電池に用いる復帰型の第２安全弁機構では、第２作動圧のばらつきが第２下限圧力から第１上限圧力よりも高い第２上限圧力までの第２範囲である。このように各々の作動圧を設定した、第１安全弁機構を有する第１単電池、及び第２安全弁機構を有する第２単電池からなるように組み合わせて製造された組電池では、各単電池は直列に接続されているので、組電池を過充電した場合などには、いずれの単電池の内圧も上昇する。

この場合において、最も好ましくないケースとして、組電池に含まれる第２単電池の第２作動圧がいずれも第１上限圧力より高い場合（例えばいずれも第２上限圧力である場合）を考える。この場合でも、本発明の製造方法で製造した組電池では、少なくとも１つの第１単電池いずれもが第１上限圧力以下の第１作動圧で開弁する。
なお、複数の第２単電池の中に、第１上限圧力よりも低い第２作動圧を持つものが存在する場合には、そのような第２単電池も比較的低い第２作動圧で開弁することとなる。

ところで、単電池は、安全弁装置が開弁すると、内部のガスや電解液が放出され電池容量が低下する。従って、何度も開弁すると、ついには単電池として機能しなくなり、この単電池が直列に接続されている組電池全体も機能しなくなる。
従って、本発明の製造方法による組電池では、繰り返し内圧の異常上昇が起こると、第１上限圧力以下の作動圧（第１，第２作動圧）で開弁する第１単電池または第２単電池が徐々に単電池としての機能を失うので、ついには、組電池全体の機能を失わせることができる。この場合において、第１単電池の第１上限圧力により、組電池の機能を失わせる時期のうち、最も遅れる場合の時期や最も機能を失わせ難い条件を決めることができる。かくして、この製造方法により、各第２単電池の第２作動圧の組み合わせがどのような場合でも、第２単電池が疲労により破壊する前に、安全に組電池を機能停止させ、第２単電池の破壊による不具合を防止することができる。

また、上記組電池の製造方法であって、前記第１安全弁機構と第２安全弁機構とでは、前記第１範囲が前記第２範囲より低くされてなる組電池の製造方法とすると良い。

この組電池の製造方法によれば、製造された組電池において、各単電池の内圧が上昇すると、いずれの第２単電池の第２安全弁装置よりも先に、第１単電池の第１安全弁装置を開弁させることができる。従って、第１安全弁装置の第１範囲の設定によって、組電池の機能を失わせる条件を設定することができる。

また、上記いずれかに記載の組電池の製造方法であって、前記第１安全弁機構と第２安全弁機構とでは、前記第１範囲のレンジが前記第２範囲のレンジより小さくされてなる組電池の製造方法とすると良い。

本発明の組電池の製造方法では、第１安全弁機構と第２安全弁機構とでは、第１範囲のレンジが第２範囲のレンジより小さくされてなる。つまり、第１安全弁機構の方が、第２安全弁機構よりも作動圧の精度が高くされている。
このようにして製造した組電池では、第２範囲のレンジの大きさに拘わらず、少なくとも第１単電池が狙いの内圧に近い第１範囲内でいずれも開弁する。従って、組電池全体の機能を失わせる時期や条件のうち、この第１単電池の第１作動圧で決まる終期や条件を、精度良く決めることができる。かくして、高い第２作動圧を有する第２安全弁機構を有する第２単電池の破壊による不具合を適切に防止することができる。

さらに、上記いずれかに記載の組電池の製造方法であって、金属バネ材を用いて弁部材を付勢し、上記金属バネ材の付勢力によって前記第１作動圧が決定される機構であり、上記第２安全弁機構は、上記金属バネ材を用いることなく、ゴム状弾性体を用いて弁部材を付勢しまたはゴム状弾性体からなる弾性体弁部材を含み、上記ゴム状弾性体の付勢力によって前記第２作動圧が決定される機構である組電池の製造方法とすると良い。

本発明の組電池の製造方法では、第１安全弁機構としては、金属バネ材を用いて弁部材を付勢する構成のものを用いる。このため、第１作動圧の精度を高く、つまり第１下限圧力から第１上限圧力までの第１範囲のレンジを比較的小さくすることができる。また、第１作動圧の経時変化も比較的小さい。但し、この第１安全弁機構は複雑となりがちであるため、比較的高価となる。また、金属バネ材等を収容するスペースを必要とするので、第１安全弁機構の体格が大きくなりがちである。
一方、第２安全弁機構としては、金属バネ材を用いず、ゴム状弾性体を用いて弁部材を付勢する構成、またはゴム状弾性体自身を弾性体弁部材として用いる構成のものを用いる。このため、第２作動圧の精度は比較的低い、つまり第２下限圧力から第２上限圧力までの第２範囲のレンジが比較的大きくなる。また、第２作動圧の経時変化も比較的大きい。但し、機構を単純としやすいため、第２安全弁機構は比較的安価としうる。また、金属バネ材等を収容するスペースが不要で、単純な機構で済むので、第２安全弁機構の体格は比較的小さくできる。

本発明の組電池の製造方法では、このような２種類の安全弁機構を用いた第１，第２単電池を組み合わせているので、全ての単電池に第１安全弁機構を用いた場合に比して安価となる上、組電池全体の体格も小さくできる。一方、全ての単電池に第２安全弁機構を用いた場合に比して、確実に第１上限圧力以下の内圧で安全弁機構を作動させることができ、ひいては、適切に組電池全体の機能を失わせ、電池の破壊を防止できる。
なお、特に、第１単電池を１つ、第２単電池を残余の数とする組み合わせが、最も安価で体格も小さくなり好ましい。

さらに他の解決手段は、複数の単電池を直列に接続した組電池であって、第１作動圧で開弁する復帰型の第１安全弁機構を有する少なくとも１つの第１単電池、及び、第２作動圧で開弁する復帰型の第２安全弁機構を有する残余の第２単電池からなり、上記第１安全弁機構は、金属バネ材を用いて弁部材を付勢し、上記金属バネ材の付勢力によって上記第１作動圧が決定される第１安全弁機構であり、上記第２安全弁機構は、上記金属バネ材を用いることなく、ゴム状弾性体を用いて弁部材を付勢しまたはゴム状弾性体からなる弾性体弁部材を含み、上記ゴム状弾性体の付勢力によって、上記第２作動圧が決定される第２安全弁機構であり、上記組電池に含まれる第１単電池の上記第１作動圧のうちの最小値である第１最小作動圧と、上記組電池に含まれる第２単電池の上記第２作動圧のうちの最小値である第２最小作動圧とを比較したとき、上記第２最小作動圧よりも上記第１最小作動圧のほうが低い組電池である。

本発明の組電池は、第１安全弁機構を有する第１単電池、及び、第２安全弁機構を有する第２単電池を備える。このうち、第１安全弁機構は、金属バネ材を用いて弁部材を付勢する構成となっているので、第１作動圧の精度が高い。つまり実際の第１作動圧を狙いの作動圧に近い値とすることができる。また、第１作動圧の経時変化も少ない。但し、機構は複雑となりがちであるため、第１安全弁機構は比較的高価になりがちである。

一方、第２安全弁機構は、金属バネ材を用いず、ゴム状弾性体を用いて弁部材を付勢する構成、またはゴム状弾性体自身を弾性体弁部材として用いる構成となっている。このため、第２作動圧の精度は比較的低い、つまり実際の第２作動圧が狙いの作動圧から離れた値となる場合も有りうる。また、第２作動圧の経時変化も比較的大きい。但し、機構を単純としやすいため、第２安全弁機構は比較的安価としうる。このように、第２安全弁機構を有する第２単電池では、第２作動圧のばらつきが大きい。
従って、第２単電池のみを用いて組電池を構成した場合、組電池に含まれるいずれの第２単電池の第２作動圧も、狙い値よりもかなり大きな値となってしまう場合があり得る。

これに対し、本発明の組電池では、各単電池の内圧が上昇すると、いずれの第２単電池の第２安全弁装置よりも先に、第１単電池のうち少なくとも第１最小作動圧にかかる第１単電池の第１安全弁装置が開弁する。かくして、第１単電池の第１最小作動圧により、組電池の機能を失わせる時期や条件を決めることができる。
しかも、第１最小作動圧は比較的精度が高いので、組電池の機能を失わせる時期や条件を適切に設定することができる。

また、上記組電池であって、前記第１単電池を１つ有する組電池とすると良い。

上述したように、第２安全弁機構に比して、第１安全弁機構は機構が複雑になり、高価になりがちである。本発明の組電池では、第１安全弁機構を有する第１単電池を１つとし、第２単電池を残余としているので、第１単電池を２ヶ以上有する場合に比して比較的安価である。
しかも、第１単電池を有しているので、繰り返し内圧の異常上昇が起こると、第１単電池が第１最大作動圧以下で開弁してガスや電解液を放出するので、この第１単電池が確実かつ早期に性能低下する。かくして、第２単電池のうち、第２作動圧が第２最大作動圧となっているものなど、第１最大圧力より高い第２作動圧を有する第２安全弁機構を有するものが、繰り返し内圧上昇に伴う疲労によって破壊する前に、組電池を機能停止させ、第２単電池の破壊による不具合を防止することができる。

さらに、上記いずれかに記載の組電池であって、前記第２安全弁機構は前記第１安全弁機構よりも小さくされてなる組電池とすると良い。

本発明の組電池では、第２安全弁機構を第１安全弁機構よりも小さくされている。従って、本発明の組電池では、第２安全弁機構を有する第２単電池を用いた分だけ、組電池の全体の大きさも小さくすることができる。つまり、組電池の体格の減少（専有体積の減少）を図ることができる。あるいは、ガス排気路部材や他の部材を第２単電池の周囲に配置しやすくなる。

（実施例１）
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施例にかかる組電池１０は、図１に示すように、１つの第１単電池１と、９つの第２単電池２（２Ａ，２Ｂ，…，２Ｉ）の合計１０ヶの単電池からなり、各単電池が、図示しない端子によって互いに直列に接続されたニッケル水素電池の組電池であり、以下の設計方法により設計され、以下の構成を有するものとして製造されている。

このうち、第１単電池１では、正極、セパレータ、及び負極からなり電解液を含ませた電池要素１３が、金属からなる直方体形状の電池ケース１４内に収納されている。さらにこの電池ケース１４の図中上方には、復帰型の第１安全弁機構１５が形成されている。具体的には、電池ケース１４の上部に弁孔１４Ａが設けられており、この弁孔１４Ａの外側周囲をなす座面１４Ｂに当接し弁孔１４Ａを塞ぐように、ゴムからなる弁部材１６が配置されている。この弁部材１６は、押え板１７を介して金属つるまきバネ１８によって、座面１４Ｂに向けて付勢されて密着している。安全弁キャップ１９は、これらを覆うようにして、キャップ取付面でもある座面１４Ｂに固着され、金属つるまきバネ１８等を保持している。

第１単電池１の第１安全弁機構１５は、ガスによって金属つるまきバネ１８の付勢力に抗して弁部材１６が押し上げられて、電池ケース１４内のガスを外部に放出するように、構成されている。このような構造となっているため、第１安全弁機構１５は、第１単電池１の内圧Ｐが、第１下限圧力Ｐ１Ｌ〜第１上限圧力Ｐ１Ｕまでのばらつきの範囲（第１範囲）内の第１作動圧Ｐ１ｓ（Ｐ１Ｌ≦Ｐ１ｓ≦Ｐ１Ｕ）以上となると、開弁する。

一方、第２単電池２（２Ａ〜２Ｉ）は、いずれも、第１単電池１と同じ、正極、セパレータ、及び負極からなり電解液を含ませた電池要素１３が、電池ケース１４と同じ、金属からなる直方体形状の電池ケース２４内に収納されている。さらにこの電池ケース２４の図中上方にも、復帰型の第２安全弁機構２５が形成されている。具体的には、電池ケース２４の上部に弁孔２４Ａが設けられており、この弁孔２４Ａの外側周囲をなす座面２４Ｂに当接し弁孔２４Ａを塞ぐように、ゴムからなるゴム弁部材２６が配置されている。このゴム弁部材２６は、キャップ取付面でもある座面２４Ｂに固着された安全弁キャップ２９で覆われ、自身の弾性により、所定の付勢力で座面２４Ｂに密着している。

第２単電池２（２Ａ〜２Ｉ）の第２安全弁機構２５は、ガスによってゴム弁部材２６が自身の付勢力に抗して押し上げられて、電池ケース２４内のガスを外部に放出するように構成されている。第２安全弁機構２５は、内圧Ｐが、第２下限圧力Ｐ２Ｌ〜第２上限圧力Ｐ２Ｕまでのばらつきの範囲（第２範囲）内の第２作動圧Ｐ２ｓ（Ｐ２ｓａ，Ｐ２ｓｂ，…，Ｐ２ｓｉ）以上となると、それぞれ開弁する（但し、Ｐ２Ｌ≦Ｐ２ｓａ，Ｐ２ｓｂ，…，Ｐ２ｓｉ≦Ｐ２Ｕ）。

この第２単電池２は、前述したように座面２４Ｂへゴム弁部材２６が密着する付勢力を、自身の弾性によって得ているため、金属つるまきバネ１８を用いている第１単電池１に比して、第２作動圧Ｐ２ｓの精度が低い。具体的には、第１範囲と第２範囲とを比較すると、第１範囲のレンジは、第２範囲のレンジよりも小さい。つまり、Ｐ１Ｕ−Ｐ１Ｌ＜Ｐ２Ｕ−Ｐ２Ｌである。

第２単電池２の第２安全弁機構２５では、ゴム弁部材２６自身の弾性力を利用するため、寸法公差や材料のロット間変動などによるゴム弁部材２６の弾性の変動が比較的大きくなるほか、常時、ゴム弁部材２６に押圧力が掛かっているために、ゴム弁部材２６にいわゆるヘタリが生じて弾性が経時的に低下するなど、経時的にも弾性力が比較的大きく変動するため、第２作動圧Ｐ２ｓが大きく変動する場合があるからである。
また、本実施例においては、第１単電池１の第１上限圧力Ｐ１Ｕと第２単電池２の第２上限圧力Ｐ２Ｕとを比較すると、第１上限圧力Ｐ１Ｕの方が小さくなるように、第１，第２安全弁機構１５，２５が設定されている（Ｐ１Ｕ＜Ｐ２Ｕ）。

第１単電池１及び第２単電池２（２Ａ〜２Ｉ）は、以上のような構造及び特性を有している。この第１単電池１を１つと、第２単電池２（２Ａ〜２Ｉ）を９つ選択し、これらを直列に接続することにより、組電池１０が製造される。

ところで、この組電池１０は、これを過充電あるいは過放電した場合など、異常駆動した場合には、各単電池１，２Ａ〜２Ｉが直列に接続されているため、いずれの電池についても一斉に内圧が上昇する。このような内圧の上昇によって、電池ケース１４，２４は、変形し、各所に機械的応力を受ける。内圧が繰り返し上昇した場合には、繰り返し機械的応力を受けることになる。この機械的応力は、内圧の大きさが大きくなるほど大きくなるため、内圧が極端に大きくなった場合や、多数回繰り返して応力を受けた場合には、電池ケース１４，２４が破損する虞がある。そこで、第１，第２単電池１，２において内圧が極端に大きくなることがないように、それぞれ第１，第２安全弁機構１５，２５を設けている。

しかしながら、前述のように、第１安全弁機構１５及び第２安全弁機構２５共に、常に決まった第１作動圧Ｐ１ｓや第２作動圧Ｐ２ｓが得られる訳ではなく、第１作動圧Ｐ１ｓは、第１下限圧力Ｐ１Ｌ〜第１上限圧力Ｐ１Ｕまでのばらつきの範囲（第１範囲）内のいずれかの値となる。また、第２作動圧Ｐ２ｓも、それぞれ第２下限圧力Ｐ２Ｌ〜第２上限圧力Ｐ２Ｕまでのばらつきの範囲（第２範囲）内のいずれかの値となる。

従って、第２単電池２の組み合わせによっては、最も好ましくない場合である以下の場合、即ち、第２単電池２Ａ〜２Ｉにおける各々の第２安全弁機構２５の第２作動圧Ｐ２ｓａ，Ｐ２ｓｂ，…，Ｐ２ｓｉが、いずれも第２上限圧力Ｐ２Ｕに等しくなる場合もあり得る。この場合には、内圧が上昇しても第２安全弁機構２５が相対的に開弁し難いので、電池ケース２４に掛かる内圧が高くなり大きく変形し、疲労が蓄積して電池ケース２４の破壊に至る可能性が高くなるからである。
以下では、第２単電池２の組み合わせが上述のようになった組電池１０について、繰り返し内圧を上昇させた場合について考察する。この場合、過充電等により、内圧が異常上昇しても、各第２単電池２は、内圧Ｐが第２上限圧力Ｐ２Ｕ（Ｐ＝Ｐ２ｓａ、…、Ｐ２ｓｉ＝Ｐ２Ｕ）となるまでいずれも開弁しないこととなる。前述したように、内圧が大きくなると受ける機械的応力も大きくなり、電池ケース２４の各所に蓄積される疲労が大きくなるので、繰り返し内圧が上昇すると、比較的早期に電池ケース２４の破損を生じる虞がある。

しかるに、本実施例の組電池１０では、９ヶの第２単電池２のほかに、第１単電池１を備えている。この第１単電池１は、前述したように、第１作動圧Ｐ１ｓが、第１下限圧力Ｐ１Ｌ〜第１上限圧力Ｐ１Ｕまでのばらつきの範囲（第１範囲）内とされている。しかも、第１単電池１の第１上限圧力Ｐ１Ｕと第２単電池２の第２上限圧力Ｐ２Ｕとを比較すると、第１上限圧力Ｐ１Ｕの方が小さくなるように設定されている（Ｐ１ｓ≦Ｐ１Ｕ＜Ｐ２Ｕ）。このため、内圧の異常上昇が起きて、第１単電池１でも同様に内圧Ｐが上昇した場合、この第１単電池１では、内圧Ｐが第２上限圧力Ｐ２Ｕよりも低い第１作動圧Ｐ１ｓとなった時点で開弁する。つまり、第２単電池２Ａ等に先立って開弁する。なお、内圧上昇の程度によっては、各第２単電池２Ａ等の第２安全弁機構２５も開弁する場合があり得る。しかし、そうであっても、開弁の頻度や、開弁によって放出されるガスや電解液の量は、第２単電池２Ａ等より多くなる。

ところで、単電池は、安全弁が開弁して内部のガスや電解液が放出されると、電池容量が低下する。従って、何度も開弁すると、ついには単電池として機能しなくなる。すると、この単電池が直列に接続されている組電池全体も機能しなくなる。
つまり、この組電池１０は、第１上限圧力Ｐ１Ｕ以下の第１作動圧Ｐ１ｓで開弁する第１安全弁機構１５を有する第１単電池１を含むので、過充電等の異常駆動を繰り返す等により、各単電池１，２Ａ〜２Ｉの内圧が繰り返し上昇すると、少なくとも第１単電池１についてみれば、その第１安全弁機構１５が第１作動圧Ｐ１ｓで作動して、ガスや電解液の放出を繰り返す。

このため、各第２単電池２よりも先に、第１単電池１の電池容量が低下し、単電池としての機能を失う。すると、他の単電池（第２単電池２Ａ等）の電池容量が未だ残存していても、組電池１０全体としても機能を失う。さすれば、もはや第２単電池２Ａ等に過充電することも不能となり、第２単電池２Ａ等について内圧が上昇することもない。
かくして、第１上限圧力Ｐ１Ｕより高い第２作動圧Ｐ２ｓ（Ｐ２ｓａ，…，Ｐ２ｓｉ）を有する第２安全弁機構２５を有する第２単電池の電池ケース２４が、疲労により破壊する前に、安全に組電池１０を機能停止させ、第２単電池２Ａ等の破壊による不具合を防止するように設定できる。
なお、以上では、第２単電池２Ａ〜２Ｉにおける各々の第２安全弁機構２５の第２作動圧Ｐ２ｓａ，Ｐ２ｓｂ，…，Ｐ２ｓｉが、いずれも第２上限圧力Ｐ２Ｕに等しくなる場合について考察した。

しかし、複数の第２単電池２Ａ等の中に、第１上限圧力Ｐ１Ｕよりも低い第２作動圧Ｐ２ｓを持つ第２単電池２が存在する場合もありうる。例えば、第２単電池２Ａの第２作動圧Ｐ２ｓａが、第１上限圧力Ｐ１Ｕよりも小さい（Ｐ２ｓａ＜Ｐ１Ｕ）であったとする。この場合には、第１単電池１のみならず、このような低い第２作動圧を有する第２単電池２（上記例では２Ａ）も開弁する。従って、第１単電池１及び低い第２作動圧を持つ第２単電池２（上記例では２Ａ）は、他の高い第２作動圧を有する第２単電池２（上記例では２Ｂ〜２Ｉ）よりも先に、単電池として機能低下を生じ、ついには、第１単電池１及び低い第２作動圧を持つ第２単電池２（上記例では２Ａ）のいずれかが単電池としての機能を失う。
従って、この場合でも、組電池１０全体としてその機能を失わせ、第１上限圧力Ｐ１Ｕより高い第２作動圧Ｐ２ｓを有する第２安全弁機構２５を有する第２単電池２（上記例では２Ｂ〜２Ｉ）が疲労により破壊する前に、安全に組電池１０を機能停止させ、もって、第２単電池２（上記例では２Ｂ〜２Ｉ）の破壊による不具合を防止することができる。

上述の場合、第１作動圧Ｐ１ｓを有する第１単電池１と、比較的低い第２作動圧を有する第２単電池２（上記例では２Ａ）とでは、より作動圧の低い方の単電池が、先に機能を失うこととなる。第２単電池２（上記例では２Ａ）の第２作動圧Ｐ２ｓ（上記例ではＰ２ｓａ）が、第１単電池１の第１作動圧Ｐ１ｓよりも低い場合には、第１単電池１よりも先に、これよりも低い第２作動圧を持つ第２単電池２（上記例では２Ａ）の機能が失われる。このように、各組電池１０における第２単電池２の第２作動圧Ｐ２ｓの組み合わせにより、個々の組電池１０についてみれば、第１単電池１を用いたことの利点が見出せない場合も有りうる。

しかし、安全弁機構２５の第２作動圧Ｐ２ｓが、それぞれ第２下限圧力Ｐ２Ｌ〜第２上限圧力Ｐ２Ｕまでのばらつきの範囲（第２範囲）に拡がっている第２単電池２Ａ等を組み合わせて用いる場合には、本実施例のように、第１単電池１を組み合わせた組電池とするのが適切である。第２単電池２の第２作動圧Ｐ２ｓの組み合わせがどのような場合であっても、第１単電池１では、内圧が第１上限圧力Ｐ１Ｕ以下の第１作動圧Ｐ１ｓとなると第１安全弁機構１５が開弁する。従って、組電池１０について過充電など異常駆動が繰り返し行われても、遅くとも、第１単電池１が単電池としての機能を失うまでの期間で、組電池１０の機能を失わせることができる。つまり、複数の単電池の一部に、第１単電池１を用いる設計とすることで、第２単電池２のどのような組み合わせであっても、第２単電池２が疲労により破壊する前に、確実に組電池１０を機能停止させるように設定することができる。

特に本実施例では、第１単電池１の第１安全弁機構１５において金属つるまきバネ１８を用いることで、第２安全弁機構２５における第２作動圧Ｐ２ｓのばらつきのレンジよりも、第１安全弁機構１５の第１作動圧Ｐ１ｓのばらつきのレンジを小さくしている。従って、一部の単電池が機能を失うことによって組電池１０全体の機能を失わせる時期や条件のうち、この第１単電池の第１作動圧で決まる最も遅くなる場合の時期や最も機能を失わせ難い条件を、精度良く決めることができる。

さらに、組電池１０において、第１作動圧Ｐ１ｓのばらつきの範囲（第１範囲）を、第２作動圧Ｐ２ｓのばらつきの範囲（第２範囲）より低くする、つまり、第１上限圧力Ｐ１Ｕを第２下限圧力Ｐ２Ｌよりも低く設定（Ｐ１Ｕ＜Ｐ２Ｌ）しておくと良い。
このように設定した第１単電池１及び第２単電池２を用いた組電池１０では、第２単電池２の第２作動圧Ｐ２ｓの組み合わせに拘わらず、組電池１０について過充電など異常駆動が繰り返し行われれば、第１単電池１が最も早く開弁する。従って、この第１単電池１がその機能を失うまでの期間や条件で、組電池１０の機能を失わせる期間や条件を決定できる。

さらに、本実施例１の組電池１０では、第２単電池２に比して、比較的高価になる第１単電池１を１つのみ用いているので、第１単電池を複数用いた場合よりも組電池１０全体として安価とすることができる。
また、第２安全弁機構２５に比して体格の大きな第１安全弁機構１５を備える第１単電池１を、１つだけ用いているので、第１単電池を複数用いた場合よりも組電池１０全体の体格をも小さくすることができる。

（実施例２）
上記実施例１では、組電池１０の設計方法、及び製造方法について説明した。これに対し、本実施例２では、現実に製造された組電池２０について説明する。この組電池２０は、実施例１の組電池１０と同一の構成を有し、現実に製造された組電池である（図１参照）。
組電池２０を現実に製造した場合、個々の現実の組電池２０においては、各単電池の安全弁機構における作動圧は、ばらつきの範囲で考察するものではなく、現実に測定できるものである。以下では、組電池２０における第１単電池１の第１作動圧をＲＰ１ｓとし、第２単電池２（２Ａ〜２Ｉ）の第２作動圧をＲＰ２ｓ（ＲＰ２ｓａ〜ＲＰ２ｓｉ）とし、９つの第２作動圧のうち最小値を第２最小作動圧ＲＰ２ｓｍｉｎとする。

本実施例２に係る組電池２０では、これに含まれる第１単電池１の第１作動圧ＲＰ１ｓと、組電池２０に含まれる第２単電池２Ａ〜２Ｉの第２作動圧ＲＰ２ｓａ〜ＲＰ２ｓｉのうちの最小値である第２最小作動圧ＲＰ２ｓｍｉｎとを比較したとき、第２最小作動圧ＲＰ２ｓｍｉｎよりも第１作動圧ＲＰ１ｓのほうが低い関係となっている（ＲＰ１ｓ＜ＲＰ２ｓｍｉｎ）。なお、組電池２０においては、第１単電池１を１つしか有していないので、第１作動圧のうちの最小値である第１最小作動圧ＲＰ１ｓｍｉｎは、第１作動圧ＲＰ１ｓに一致する。

本実施例２の組電池２０は、第１安全弁機構１５を有する第１単電池１、及び、第２安全弁機構２５を有する第２単電池２を備える。このうち、第１安全弁機構１５は、金属つるまきバネ材１８を用いて弁部材１６を付勢する構成となっているので、第１作動圧ＲＰ１ｓの精度が高い。また第１作動圧ＲＰ１ｓの経時変化も少ない。
一方、第２安全弁機構２５は、ゴム状弾性体自身をゴム弁部材２６として用いる構成となっている。このため、第２作動圧ＲＰ２ｓａ〜ＲＰ２ｓｉの精度はいずれも比較的低い。
従って、組電池２０に含まれる第２単電池２Ａ〜２Ｉの第２作動圧ＲＰ２ｓａ〜ＲＰ２ｓｉがいずれも、狙い値よりもかなり大きな値となってしまう場合があり得る。

これに対し、本実施例２の組電池２０では、第１単電池１を備えており、各単電池の内圧が上昇すると、いずれの第２単電池２Ａ〜２Ｉの第２安全弁装置２５よりも先に、第１単電池１の第１安全弁装置１５が開弁する。かくして、この組電池２０では、第１単電池１の第１作動圧ＲＰ１ｓ（第１最小作動圧ＲＰ１ｓｍｉｎ）により、組電池２０の機能が失われる時期や条件が決定される。
しかも、第１作動圧ＲＰ１ｓは比較的その精度が高いので、組電池２０の機能を失われる時期や条件を適切に設定することができる。

さらに、本実施例２の組電池２０では、第２単電池２に比して、比較的高価になる第１単電池１を１つのみ用いているので、第１単電池を複数用いた場合よりも組電池２０全体として安価である。
また、第２安全弁機構２５に比して体格の大きな第１安全弁機構１５を備える第１単電池１を、１つだけ用いているので、第１単電池を複数用いた場合よりも組電池２０全体の体格をも小さくなっている。

本実施例２の組電池２０は、使用する第１単電池１の第１作動圧ＲＰ１ｓ及び第２単電池２の第２作動圧ＲＰ２ｓを測定しておき、ＲＰ１ｓ＜ＲＰ２ｓとなる１つの第１単電池１と９つの第２単電池を選択し、これらを組み合わせて組電池２０とすることで得られる。
また、第１単電池１の第１作動圧ＲＰ１ｓのばらつきの範囲の第１上限圧力ＲＰ１ｓｍａｘが、第２単電池２の第２作動圧ＲＰ２ｓのばらつきの範囲の第２下限圧力ＲＰ２ｓｍｉｎよりも小さいという関係とした第１単電池の集合と第２単電池の集合とを用意する。そして、これらから１つの第１単電池１と９つの第２単電池を選択し、これらを組み合わせて組電池２０とすることもできる。

以上において、本発明を実施例１，２に即して説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、前述の実施例では、第１単電池１を１つのみ用いたが、２つ以上の第１単電池を用いることもできる。但し、第１単電池１は、比較的高価であり体格も大きいので、実施例１のように１つのみ用いるのが、安価で小体積とできる点で有利である。

実施例に係る組電池の概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１０ 組電池
１，２，２Ａ，２Ｂ，２Ｉ 単電池
１ 第１単電池
２ 第２単電池
１３ 電池要素
１４，２４ 電池ケース
１４Ａ，２４Ａ 弁孔
１４Ｂ，２４Ｂ 座面（キャップ取付面）
１５ 第１安全弁機構
１６ 弁部材
１７ 押え板
１８ 金属つるまきバネ
１９ 安全弁キャップ
２５ 第２安全弁機構
２６ ゴム弁部材（弾性体弁部材）
２９ 安全弁キャップ

Claims (11)

1. 複数の単電池を直列に接続した組電池の設計方法であって、
   第１作動圧で開弁する復帰型の第１安全弁機構を有する第１単電池であって、
   上記第１作動圧のばらつきの範囲が、第１下限圧力から第１上限圧力までの第１範囲である上記第１安全弁機構を有する上記第１単電池少なくとも１つと、
   第２作動圧で開弁する復帰型の第２安全弁機構を有する第２単電池であって、
   上記第２作動圧のばらつきの範囲が、第２下限圧力から上記第１上限圧力よりも高い第２上限圧力までの第２範囲である上記第２安全弁機構を有する上記第２単電池残余の数と、を組み合わせて上記組電池とする
   組電池の設計方法。
2. 請求項１に記載の組電池の設計方法であって、
   前記第１範囲を前記第２範囲より低くする
   組電池の設計方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の組電池の設計方法であって、
   前記第１安全弁機構と第２安全弁機構とでは、
   前記第１範囲のレンジが前記第２範囲のレンジより小さくされてなる
   組電池の設計方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の組電池の設計方法であって、
   前記第１安全弁機構は、
   金属バネ材を用いて弁部材を付勢し、上記金属バネ材の付勢力によって前記第１作動圧が決定される機構であり、
   前記第２安全弁機構は、
   上記金属バネ材を用いることなく、ゴム状弾性体を用いて弁部材を付勢しまたはゴム状弾性体からなる弾性体弁部材を含み、上記ゴム状弾性体の付勢力によって前記第２作動圧が決定される機構である
   組電池の設計方法。
5. 複数の単電池を直列に接続した組電池の製造方法であって、
   第１作動圧で開弁する復帰型の第１安全弁機構を有する第１単電池であって、
   上記第１作動圧のばらつきの範囲が、第１下限圧力から第１上限圧力までの第１範囲である上記第１安全弁機構を有する上記第１単電池少なくとも１つと、
   第２作動圧で開弁する復帰型の第２安全弁機構を有する第２単電池であって、
   上記第２作動圧のばらつきの範囲が、第２下限圧力から上記第１上限圧力よりも高い第２上限圧力までの第２範囲である上記第２安全弁機構を有する上記第２単電池残余の数と、を組み合わせて上記組電池とする
   組電池の製造方法。
6. 請求項５に記載の組電池の製造方法であって、
   前記第１安全弁機構と第２安全弁機構とでは、
   前記第１範囲が前記第２範囲より低くされてなる
   組電池の製造方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の組電池の製造方法であって、
   前記第１安全弁機構と第２安全弁機構とでは、
   前記第１範囲のレンジが前記第２範囲のレンジより小さくされてなる
   組電池の製造方法。
8. 請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の組電池の製造方法であって、
   金属バネ材を用いて弁部材を付勢し、上記金属バネ材の付勢力によって前記第１作動圧が決定される機構であり、
   上記第２安全弁機構は、
   上記金属バネ材を用いることなく、ゴム状弾性体を用いて弁部材を付勢しまたはゴム状弾性体からなる弾性体弁部材を含み、上記ゴム状弾性体の付勢力によって前記第２作動圧が決定される機構である
   組電池の製造方法。
9. 複数の単電池を直列に接続した組電池であって、
   第１作動圧で開弁する復帰型の第１安全弁機構を有する少なくとも１つの第１単電池、及び、
   第２作動圧で開弁する復帰型の第２安全弁機構を有する残余の第２単電池からなり、
   上記第１安全弁機構は、
   金属バネ材を用いて弁部材を付勢し、上記金属バネ材の付勢力によって上記第１作動圧が決定される第１安全弁機構であり、
   上記第２安全弁機構は、
   上記金属バネ材を用いることなく、ゴム状弾性体を用いて弁部材を付勢しまたはゴム状弾性体からなる弾性体弁部材を含み、上記ゴム状弾性体の付勢力によって、上記第２作動圧が決定される第２安全弁機構であり、
   上記組電池に含まれる第１単電池の上記第１作動圧のうちの最小値である第１最小作動圧と、上記組電池に含まれる第２単電池の上記第２作動圧のうちの最小値である第２最小作動圧とを比較したとき、上記第２最小作動圧よりも上記第１最小作動圧のほうが低い
   組電池。
10. 請求項９に記載の組電池であって、
    前記第１単電池を１つ有する
    組電池。
11. 請求項９または請求項１０に記載の組電池であって、
    前記第２安全弁機構は前記第１安全弁機構よりも小さくされてなる
    組電池。

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