JP2009289613A

JP2009289613A - 組電池

Info

Publication number: JP2009289613A
Application number: JP2008141300A
Authority: JP
Inventors: Tomomasa Mochizuki; 智匡望月; Isao Suzuki; 鈴木　　勲; Shun Ito; 瞬伊藤
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: JP5309696B2

Abstract

【課題】組電池を保存中に、端子間の短絡を防止し、暗電流が流れなくすることにより、保存中の電池容量の減少や電池電圧の低下を抑制することが可能な組電池を提供する。
【解決手段】端子に第１接続部を備えた多数の単電池１０と、前記第１接続部と接続可能な第２接続部を備えた接続部材１６とからなる組電池において、組電池使用時には、すべての単電池が直列、並列または直列と並列が混合した状態で接続されるように前記接続部材で接続し、組電池不使用時にはすべての単電池と前記接続部材とが切り離されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、多数の単電池からなる組電池に関するものである。

近年、二酸化炭素その他有害物質による地球温暖化が大きな問題となり、ガソリン車の代替品として、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の開発が急速に進んでいる。ＥＶやＨＥＶの電源としては、二次電池や固体高分子形燃料電池等の使用が検討され、その中では二次電池が有望視されている。

市販されている二次電池の放電電圧は、単電池の場合、ニッケル−水素蓄電池で約１．１Ｖ、ニッケル−カドミウム蓄電池で約１．２Ｖ、鉛蓄電池で約２．０Ｖ、リチウムイオン電池やポリマー電解質電池等の非水電解質電池では約２．０〜４．０Ｖである。

一方、ＥＶやＨＥＶのモータ駆動の電源には、１００Ｖ以上の高い電圧が必要である。そこで、ＥＶやＨＥＶの電源として二次電池を用いる場合、単電池を多数直列に接続した組電池とし、電圧を高くしなければならない。なお、単電池の容量によっては、単電池を複数個並列に接続し、それを直列に接続するという、直列と並列とを混合した状態で用いることもありうる。

このような組電池は、ＥＶやＨＥＶだけではなく、高電圧が必要とされるあらゆる電源に利用することができ、単電池を直列に接続する数を変えることによって、目的の電圧に設定することができる。

特許文献１には、非水電解質二次電池を用いた組電池において、各電池の端子のボルト部に接続部材が取り付けられ、ナットなどで締め付けられて、各電池の接続が行われることが開示されている。

また、特許文献２には、リチウム二次電池を用いた組電池において、単電池間の接続に接続体を用い、この接続体の一方の電極端子挿通孔に一方の単電池の正極端子を挿通し、他方の電極端子挿通孔に他方の単電池の負極端子を挿通した状態で、接続体取り付けナットで固定する技術が開示されている。

さらに、特許文献３には、リチウム二次電池を用いた組電池において、複数の単電池をネジ式のような単電池に設けられた外部端子どうしの接続でおこなってユニットとし、この複数のユニットを、ユニット接続治具とナットとを用いて直列に接続する技術が開示されている。
特開２００４−２０００２４号公報特開２０００−１３８０４５号公報特開２０００−０９０９６７号公報

従来の組電池は、特許文献１〜３に記載されているように、各単電池間の接続は、接続体とナットなどが用いられ、組電池が組み立てられた後には、各単電池間は接続された状態で保持され、各単電池間の接続は簡単にはずすことができなかった。

ところが、一般に、組電池には保護回路や各種制御回路などが接続されている。特に、単電池に非水電解質二次電池を用いた場合、非水電解質二次電池は電圧が高く、しかも電解液に可燃性の有機溶媒が使用されているため、安全性確保のため、各種保護回路が必須である。これらの保護回路は、単電池の容量が３Ａｈ以上となった場合に、特に重要である。

各単電池間が接続された状態で組電池を保管した場合、組電池の外部端子間には常時高い電圧がかかっており、何らかの原因で外部短絡が起こると、大きな電流が流れ、危険なだけではなく、組電池が損傷を受け、使用できなくなるという問題があった。

また、各単電池間が接続された状態の組電池において、保護回路等が接続されていると、電池を使用していない場合でも、暗電流が流れ、電池が少しずつ放電し、容量が減少し、電圧も低下するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、組電池を保存中に、端子間の短絡を防止し、暗電流が流れなくすることにより、保存中の電池容量の減少や電池電圧の低下を抑制することが可能な組電池を提供することにある。

請求項１の発明は、端子に第１接続部を備えた多数の単電池と、前記第１接続部と接続可能な第２接続部を備えた接続部材とからなる組電池において、組電池使用時には、すべての単電池が直列、並列または直列と並列が混合した状態で接続されるように前記接続部材で接続し、組電池不使用時にはすべての単電池と前記接続部材とが切り離されていることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、上記組電池において、接続部材が、少なくとも３個以上の単電池を同時に接続することが可能であることを特徴とする。

本発明の請求項１の組電池は、使用時にはすべての単電池が直列、並列または直列と並列が混合した状態で接続されるが、不使用時にはすべての単電池と接続部材とが切り離されて、各単電池の端子はどこにも接続されない。そのため、組電池不使用時に、端子の短絡の危険がなく、また、暗電流も流れないため、電池の容量減少や電圧低下の原因は電池特有の自己放電によるものに限られるため、従来の組電池に見られた電池の容量減少や電圧低下を抑制することができるものである。

また、請求項２の組電池では、少なくとも３個以上の単電池を同時に接続することが可能な接続部材を用いることにより、多数の単電池を、短時間に、同時に、接続または分離が可能となり、作業時間を大幅に短縮することができる。

本発明は、端子に第１接続部を備えた多数の単電池と、前記第１接続部と接続可能な第２接続部を備えた接続部材とからなる組電池において、組電池使用時には、すべての単電池が直列、並列または直列と並列が混合した状態で接続されるように前記接続部材で接続し、組電池不使用時にはすべての単電池と前記接続部材とが切り離されていることを特徴とするものである。

また、本発明は、上記組電池において、接続部材が、少なくとも３個以上の単電池を同時に接続することが可能であることを特徴とするものである。

本発明の第一実施形態は、組電池の各単電池間を差し込み方式で接続するものである。本発明の第一実施形態を、図１〜図４に基づいて説明する。図１は単電池の外観斜視図であり、図１において、１は非水電解質二次電池、２は電池容器、３は電池ケース、４は電池蓋、５は正極端子、６は負極端子、７は絶縁体、８は電解液注液口、９は安全弁である。

図１に示した単電池としては非水電解質二次電池を用いた。この非水電解質二次電池１は、例えば金属により長円筒状に形成された電池容器２の内部に、巻回型の発電要素（図示せず）が収容されている。

電池容器２は、有底の長円筒容器状に形成された金属製の電池ケース３と、略長円盤状に形成されてこの電池ケース３の開放口を封止する金属製の電池蓋４とで構成されている。電池ケース３の内部には、発電要素が収容されている。そして、電池ケース３の開放口は、電池蓋４が溶接されることにより密閉されている。

電池蓋４には、導電性材料からなる正極端子５および負極端子６が貫通して固定されている。これらの端子５、６は、電池蓋４に設けられた二つの貫通孔に挿通されており、セラミックス製の絶縁体７により電池蓋４に対して絶縁状態で支持されている。なお、電池蓋４には、電解液注液口８および安全弁９が設けられている。電解液注液口８は、電池を組み立て、電解液を注液した後、封口される。また、安全弁は、電池蓋４に設けられた貫通孔を金属製の薄膜で覆うことにより形成されている。

図２は、単電池の正極端子５および負極端子６の拡大図であり、端子の形状は、電池内部から電池外部につながる円筒状部分１１と、その上部に設けられた接続部１２とから構成されている。接続部１２は、上端部分が開いた一対の金属板からなる。接続部１２の材質としては、導電性の金属を用いる。なお、接続部１２の材質は、円筒状部分１１の材質と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

図３は接続部材を示す。接続部材は、絶縁材料からなる支持板１３に、必要な個数のＵ字状突起１４を、例えばネジ１５で取りつけられたものである。ここでは、Ｕ字状突起１４を３個取りつけた例を示す。

図４は、単電池に接続部材を接続して組電池にした状態を示す図である。図４において、１０は単電池、１３は支持板、１４は字状突起、１６は接続部材、１７は組電池正極端子、１８は組電池負極端子である。図４では、単電池４個を直列に接続して組電池とする例を示す。図４に示した組電池において、各単電池１０は、図の左側に正極端子、右側に負極端子がくるように配列されており、左端の単電池Ｎｏ．１の正極端子は、組電池正極端子１７を介して機器と接続され、右端の単電池Ｎｏ．４の負極端子は、組電池負極端子１８を介して機器と接続されている。なお、単電池Ｎｏ．１の正極端子と組電池正極端子１７、および単電池Ｎｏ．４の負極端子と組電池負極端子１８とは、使用時も不使用時も、常に接続されているものとする。

そして、組電池の使用時には、図４に示すように、単電池１０に接続部材１６を接続して、４個の単電池間を直列に接続し、組電池不使用時には、各単電池１０から接続部材１６を切り離し、単電池間の電気的接続を切断する。このように、接続部材を用いることにより、多数（ここでは４個）の単電池間の接続および切断を、簡単な操作で、短時間におこなうことができるものである。

本発明の第二実施形態は、組電池の各単電池間をスイッチ方式で接続するものである。本発明の第二実施形態を、図５、図６および図７に基づいて説明する。第二実施形態においても、単電池は図１に示した第一実施形態で用いたものと同じ非水電解質二次電池を用いた。図５は、第二実施形態の単電池の正極端子５および負極端子６の拡大図を示し、端子の形状は、電池内部から電池外部につながる円筒状部分２１と、その上部に設けられた板状の接続部２２とから構成されている。接続部２２の材質としては、導電性の金属を用いる。なお、接続部２２の材質は、円筒状部分２１の材質と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

図６は、単電池に接続部材をスイッチ方式で接続して組電池にした状態を示す図であり、図７は単電池間の接続を切断した状態を示す図である。図６および図７において、１０は単電池、５は単電池の正極端子、６は単電池の負極端子、１７は組電池正極端子、１８は組電池負極端子、２３はスイッチ方式の接続部材、２４は可動接続部、２５は可動接続部の回転軸、２６はばねである。

図６では、単電池４個を直列に接続して組電池とする例を示す。図６に示した組電池において、各単電池１０は、図の左側に正極端子、右側に負極端子がくるように配列されており、左端の単電池Ｎｏ．１の正極端子は、組電池正極端子１７を介して機器と接続され、右端の単電池Ｎｏ．４の負極端子は、組電池負極端子１８を介して機器と接続されている。なお、単電池Ｎｏ．１の正極端子と組電池正極端子１７、および単電池Ｎｏ．４の負極端子と組電池負極端子１８とは、使用時も不使用時も、常に接続されているものとする。

そして、組電池の使用時には、図６に示すように、隣接する単電池の正極端子５と負極端子６とが、可動接続部２４によって接続されるように、接続部材２３の位置を調節して、４個の単電池間を直列に接続する。一方、組電池不使用時には、図７に示すように、接続部材２３を図６の位置から左方向に移動して図７の位置に移動させ、各単電池１０から可動接続部２４を切り離し、単電池間の電気的接続を切断する。

このように、第二実施形態においても、スイッチ方式の接続部材を用いることにより、多数（ここでは４個）の単電池間の接続および切断を、簡単な操作で、短時間におこなうことができるものである。

なお、単電池の電極端子と接続部材の形状は、第一実施形態や第二実施形態に例示した形状に限定されるものではなく、単電池間の電気的な接続と切り離しが容易にできる形状であれば、どのような形状のものを用いてもよい。

また、本発明の組電池に用いる単電池は非水電解質二次電池に限定されるものではなく、鉛蓄電池やニッケル−水素電池などの、あらゆる電池を用いることが可能である。さらに、単電池の形状も長円筒型に限らず、円筒型や角型電池など、あらゆる形状の電池を用いた組電池に利用することができる。

［実施例１、２および比較例１］
［実施例１］
（１）正極板の作製
正極活物質にはスピネル型リチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）とコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）とを、重量比１：１で混合したものを用いた。この正極活物質と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）と、導電剤としてのアセチレンブラック（ＡＢ）とを、重量比９４：４：２で混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を加えて、正極合剤ペーストを調製した。このペーストを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔からなる集電体の両面に均一に塗布し、乾燥、プレスした後に裁断して、帯状の正極板を作製した。

（２）負極板の作製
活物質としてのカーボンと、結着剤としてのＰＶｄＦとを９０：１０の配合比で混合し、ＮＭＰを加えて、負極合剤ペーストを調製した。このペーストを、厚さ１６μｍの銅箔からなる集電体の両面に均一に塗布し、上記正極板と同様の方法により、帯状の負極板を作製した。

（３）電解液の調製
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とメチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）を２：１：２の割合に混合した混合溶媒に、１ｍｏｌ／Ｌの六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を溶解した非水電解液を調製した。

（４）単電池の作製
正極板、セパレータ、負極板、セパレータの順に積層したものを巻回して、長円筒型発電要素を作製した。なお、セパレータとしては、厚み１５μｍの微多孔性ポリエチレンと厚み１０μｍの微多孔性ポリプロピレンとを積層したものを用いた。

この長円筒型発電要素を、アルミニウム製の電池ケース内に収納した。次いで、電池蓋に取りつけられた正極端子および負極端子に、正極リードおよび負極リードを介して、発電要素の正極および負極を接続した。その後、レーザー溶接によって電池蓋を電池ケースに取りつけた。最後に、電解液を、封口板に開けた注液口から注液した後、この注液口をレーザー溶接封口によって塞いだ。

この実施例１の電池では、正極端子および負極端子の形状は、図２に示した第一実施形態と同じとした。

なお、得られた電池の外観は、図１に示したのと同じであり、この電池の設計容量は、４．０Ａｈであり、電池の大きさは、幅６５ｍｍ、厚さ１１．３ｍｍ、高さ１１５ｍｍとした。
（５）組電池の作製
得られた単電池４個を、互いの正極端子と負極端子とが隣接するように並べ、電池の底部で固定して、実施例１の組電池Ａとした。なお、冷却用の空気が電池間を流れるように、隣接する電池間に５ｍｍの間隔を設けた。

そして、図３に示したのと同じ形状の、差し込み方式の接続部材を用意し、組電池を使用する直前に、図４に示したように、組電池の端子に差し込み方式の接続部材を差し込み、４個の単電池を直列に接続した。また、組電池を使用しない時には、差し込み方式の接続部材を外し、各単電池が開路状態となるようにした。

［実施例２］
単電池の正極端子および負極端子の形状を、図５に示した第二実施形態と同じとしたこと以外は実施例１と同様にして、実施例２の組電池Ｂとした。そして、図６および図７に示したのと同じ形状の、スイッチ方式の接続部材を用いて、実施例１の場合と同様に、単電池間の接続および切断をおこなった。

［比較例１］
実施例１で用いたのと同じ単電池４個を、隣接する正極端子と負極端子間を、導体で接続し、接続部をナットで締め付けて固定し、簡単には切断できないようにしたこと以外は実施例１と同様にして、比較例１の組電池Ｃとした。

［短絡試験］
実施例１、実施例２および比較例１の組電池Ａ、ＢおよびＣについて、組電池の正極端子と負極端子を、直径６ｍｍの銅線でつないで故意に短絡させた場合の、組電池の状態を観察した。その結果を表１にまとめた。

表１の結果から、比較例１の電池Ｃでは、組電池を構成する各単電池が直列につながっているため、短絡により、端子部が溶ける現象が見られた。また、実施例１の電池Ａおよび実施例２の電池Ｂでも、接続部材で各単電池を直列につないだ状態の場合は、比較例１と同様に、短絡により、端子部が溶ける現象が見られた。

一方、実施例１の電池Ａおよび実施例２の電池Ｂで、接続部材をはずして、各単電池を開路状態にした場合には、電池の短絡は起こらないため、組電池に変化はみられなかった。このように、電池を使用しない場合に、接続部材を外すことで、端子間の短絡が起こった場合の組電池の損傷を防止することができることがわかった。

［保存試験］
実施例１、実施例２および比較例１の組電池Ａ、ＢおよびＣについて、４Ａ定電流で４．２Ｖまで、さらに４．２Ｖ定電圧で、合計３時間充電した電池を、２５℃の恒温槽中で３０日間保存し、保存前後の組電池の電圧を測定し、電圧低下を求めた。その結果を表２にまとめた。

表２の結果から、組電池を構成する各単電池が直列につながっている場合の電圧低下は１０ｍＶ以上になったのに対し、実施例１の電池Ａおよび実施例２の電池Ｂで、接続部材をはずして保存した場合の電圧低下は２ｍＶ程度で、非常に小さいことがわかった。

このように、各単電池間が接続された状態の組電池では、接続されている保護回路等に暗電流が流れ、電池の容量が減少し、電圧も低下するが、本発明のように、電池を使用しない場合に接続部材を外すことで、電池の容量低下や電圧低下を抑制できることがわかった。

なお、上記実施例では、４個の単電池を直列に接続する場合について説明したが、単電池の個数は、用途に応じて選択することができ、また、単電池間の接続は、直列に限らず、並列や直列と並列の併用など、用途に応じた接続を選択することができる。

また、接続部材は、組電池にひとつとは限らず、接続と切断が簡単におこなうことができるように、接続部材の数を増やしても良い。例えば、単電池１００個で構成される組電池の場合、接続部材を２個にして、単電池５０個ずつ接続・切断してもよいし、あるいは、接続部材を４個にして、単電池２５個ずつ接続・切断することも可能である。

単電池の外観斜視図。差し込み方式の単電池の端子部分の拡大図。差し込み方式の接続部材を示す図。組電池に接続部材を接続した状態を示す図。スイッチ方式の単電池の端子部分の拡大図。単電池に接続部材をスイッチ方式で接続して組電池にした状態を示す図。単電池間の接続を切断した状態を示す図。

符号の説明

１非水電解質二次電池
２電池容器
５正極端子
６負極端子
１０単電池
１１電池端子の円筒状部分
１２電池端子の上部に設けられた接続部
１３支持板
１４Ｕ字状突起
１６、２３接続部材
１７組電池正極端子
１８組電池負極端子
２４可動接続部

Claims

端子に第１接続部を備えた多数の単電池と、前記第１接続部と接続可能な第２接続部を備えた接続部材とからなる組電池において、組電池使用時には、すべての単電池が直列、並列または直列と並列が混合した状態で接続されるように前記接続部材で接続し、組電池不使用時にはすべての単電池と前記接続部材とが切り離されていることを特徴とする組電池。
前記接続部材が、少なくとも３個以上の単電池を同時に接続することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の組電池。