JP3397854B2 - 組電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複数個の蓄電池を導電接
続して用いる組電池に関し、モニターを付けた電池が、
他の電池より早期に放電終了するよう構成したものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から用いられている蓄電池には、ニ
ッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池を始めとする
アルカリ蓄電池、鉛蓄電池、また高エネルギー密度が注
目されるリチウム蓄電池等がある。この種の蓄電池は通
常複数を直列、並列に接続して組電池を構成することに
よって、種々の携帯機器に用いられている。これら組電
池の電池容量が搭載された機器の動作時間を決定するの
は、その機器や組電池の構成本数に応じて各組電池の放
電時の終止電圧が設定されている。例えばアルカリ蓄電
池の場合には次の式で表される。 直列の組数が６本までの場合 → ［組電池の終止電圧］（Ｖ）＝［単電池直列数］×１．０ （式１） 直列の組数が７本以上の場合 → ［組電池の終止電圧］（Ｖ）＝｛［単電池直列数］−１｝×１．２ （式２）

【０００３】機器においてこの終止電圧が設定されてい
ない場合もしくはその設定値が不適切の場合、組電池を
構成する蓄電池は過放電される。さらに容量の低い電池
は各電池の容量のばらつきによりその他の電池の残存容
量により強制的に放電され転極することがある。この過
放電に伴う転極という現象が繰り返されると電池の性能
劣化を引き起こし同時にその組電池の性能が劣化する。
この現象は鉛蓄電池やリチウム蓄電池においては特に深
刻な問題となる。従って過放電や転極といった現象を回
避するためにも（式１）や（式２）のように、用いる蓄
電池の特性に応じて各電池が適正な放電終止電圧を保て
るように配慮する必要があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題点】ところが最近の機器
の高機能化や用途の拡大により、組電池の終止電圧が適
切に設定された機器においても、過放電や転極現象によ
ると考えられる組電池の性能劣化が生じるようになっ
た。この原因は機器に内蔵された種々の電子回路が影響
していると考えられる。機器の使用により組電池の容量
が尽きて終止電圧を示すと、その機器は動作停止となり
過放電はされないはずであった。ところが機器によって
は動作停止後にも各種情報のメモリーや操作待機のため
の電子回路の保持電流・漏洩電流が微小ではあるが流れ
ており放置される間に過放電されてしまう。このとき組
電池中の容量の低い電池は他の電池の残存容量により強
制的に放電され転極してしまう。

【０００５】このようにして過放電による転極現象が繰
り返されると徐々に電池の性能劣化を引き起こし同時に
組電池の性能も劣化する。これは個々の単電池に期待さ
れる本来の性能に対して著しく低い場合がある。すなわ
ち機器の動作時間が短くなるとか使用できた回数が少な
いといった組電池自体の信頼性が低下することを意味す
る。

【０００６】このような過放電に伴う転極現象による組
電池の信頼性の低下は組電池を構成する単電池の数が多
いほど、特に直列接続の数が多いほど顕著になるためそ
の損害は甚だしい。またこの過放電に伴う転極現象を機
器側で回避することは複雑な制御を必要とし機器の価格
上昇等の問題点を招くばかりであった。本発明はこのよ
うな問題点を考慮してなされたもので、種々の用途の機
器に対応しかつ単電池本来の性能を忠実に再現できる組
電池を提供することを目的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明は、複数個の蓄
電池を導電接続して構成する組電池において、単電池の
配列や組電池の構造により決定される、充電制御用のセ
ンサ−類および／または安全素子の配置位置に、複数の
蓄電池中から選別された容量の低い蓄電池または正極の
重量が小さい蓄電池を配置することを特徴としている。
好ましくは前記センサ−類および／または安全素子の配
置位置に配置される蓄電池を、製造された複数の蓄電池
を正規分布により容量選別した容量の小さい蓄電池群、
または正規分布により重量選別した正極の重量の小さい
蓄電池群から求め、残された位置に配置する蓄電池を、
前記正規分布により容量選別した容量の大きい蓄電池
群、または正規分布により重量選別した正極の重量の大
きい蓄電池群から求めることを特徴としている。

【０００８】

【作用】一般に通信機器、ＯＡ機器、ＡＶ機器などの携
帯機器に用いられる組電池を構成する場合には、複数の
単電池以外に安全性のためとか回路を保護する目的で、
サーモスタット・ヒューズ・ポリスイッチ等の安全素子
が組み込まれる。また急速充電をするための充電制御方
法の一つに、電池の温度を検出するためにサーミスタ等
のセンサーが組み込まれる場合がある。このようなセン
サー類や安全素子は単電池の配列や組電池の構造により
設置位置がほぼ決まるが、大抵最も温度の上がり安い位
置に備え付けるよう配慮する。従って個々の単電池の性
能ばらつきには配慮していないため、先に述べた過放電
現象はまぬがれない。

【０００９】そこで本発明による組電池によれば、単電
池の配列や組電池の構造により決定されるセンサー類や
安全素子が配置される位置に、予め容量の低い蓄電池、
または正極重量の小さい蓄電池に配置する。すると容量
の低い蓄電池または正極重量の小さい蓄電池は、その充
電時に最も早く充電が完了し電池の温度上昇が最も早く
起こるので、電池の電圧検出による充電制御または電池
の温度上昇を検出する充電制御等により組電池を充電す
る際、各蓄電池の充電量が上述した容量の低い電池、ま
たは正極重量が小さい電池でそれぞれ規制され、且つ同
じ量だけ充電される。従ってこの後放電する場合に各電
池の放電容量は個々の電池本来の持つ容量によらず同じ
放電量となる。このため組電池故の過放電現象が起きた
場合にも各電池の放電容量が揃っているので、過放電に
伴う転極を受ける電池は無いことになる。結局、組電池
の放電性能等の信頼性は、センサー類の設置位置に配置
された容量の低い電池または正極重量の小さい電池の性
能に依存することになり、組電池故の過放電に伴う転極
現象による信頼性の低下を回避することができる。つま
り単電池本来の性能を再現する信頼性の高い組電池の提
供が可能となる。

【００１０】次に、本発明のポイントとなる電池容量、
正極の重量による選別について説明する。電池の容量、
正極の重量の測定値がほぼ正規分布を示すと仮定する。
次にそれらの値を大きい群Ｌと小さい群Ｓに分けるある
境界値Ｐを決める。このとき小さい群Ｓから選んだ電池
の容量、正極の重量は大きい群Ｌより選んだ電池の容
量、正極の重量より必ず小さいと言うことができる。一
方この正規分布曲線下の面積は境界値Ｐにより、大きい
群の面積Ａ_L と小さい群の面積Ａ_S に二分することがで
きる。これにより次の式が成立する。 Ａ_L ：Ａ_S ＝［群Ｌの個数］：［群Ｓの個数］ （式３） すなわちある境界値Ｐによって二分した面積比によって
二つの群の個数の比を決定できることがわかる。逆に言
えば二つの群の個数の比を指定することによってある境
界値Ｐを決定できる。

【００１１】図１に規準正規分布の模式図を示した。規
準正規分布曲線下の全面積は１に等しいが、図１上の斜
線で示されるｚ＝０からｚの正値までの曲線下の部分の
面積と変数ｚの関係表が統計学的に求められている。そ
の関係表を用いて二分したい面積比に対する変数ｚの値
を求める。本発明の場合は概ね次の関係が成立する。 ［容量または重量の小さい群Ｓの個数］＜［容量または
重量の大きい群Ｌの個数］、すなわち［境界値Ｐ］＜
［平均値Ｘ］ 従って変数ｚは負の値を示す。全面積はｚ＝０を軸とし
て対称性があることから容量または重量の小さい群Ｓの
個数の比率に対応するｚと、そのときの境界値Ｐが次の
式で求められる。 ［ｚに対応する関係表中の面積］ ＝０．５−［容量または重量の小さい群Ｓの個数の比率］ （式４） ［境界値Ｐ］＝［平均値Ｘ］−ｚ×［標準偏差Ｓ］ （式５） この様にすれば種々の組電池の仕様に合わせてその電池
の構成本数と、センサー類や安全素子の数に応じて最適
な個数比に電池を選別することができるため非常に生産
効率の高い組電池の製造が可能となる。

【００１２】

【実施例】以下、実施例１により本発明を詳細に説明す
る。本発明による実施例１として、携帯用液晶テレビに
用いられる８本直列組電池の場合を詳細に説明する。公
知のＡＡサイズで公称容量８００ｍＡｈのニッケルカド
ミウム電池を組立て、初充放電した後に終止電圧１．０
Ｖまで完全放電をして、各電池の電池容量を測定した。
このとき無作為に１００個の電池容量の値を抜き出して
それらの容量の平均値Ｘと標準偏差Ｓを求めた。本発明
の組電池の仕様は充電制御のための温度センサーが一箇
所、安全素子として復帰型のサーモスタットを一箇所備
え付ける。

【００１３】そこで前記二箇所に容量の最も小さい電池
を配置するには、［容量の小さい群Ｓ］：［容量の大き
い群Ｌ］＝２：６の比に、製造する電池を容量選別すれ
ば良い。そこで容量の小さい群Ｓの割合が２５％、すな
わち０．２５を（式４）に代入し面積０．２５に対応す
る変数ｚの値を関係表により求めた。その関係表中で最
も近い値に対応する変数ｚは０．６７であった。このｚ
の値を（式５）に代入して境界値Ｐを求めた。この境界
値Ｐを用いて電池全数を容量がＰ値未満の容量の小さい
群Ｓと、Ｐ値以上の容量の大きい群Ｌの二群に選別し
た。組電池の温度センサーとサーモスタットの位置に容
量の小さい群Ｓから任意に選んだ電池２本を配置し、残
りの位置に容量の大きい群Ｌから任意に選んだ電池６本
を配置して、本発明による組電池Ａを作製した。

【００１４】一方本発明品の比較例１として、組電池の
温度センサーとサーモスタットの位置に、容量の大きい
群Ｌから任意に選んだ電池２本を配置し、残りの位置に
は容量の小さい群Ｓと容量の大きい群Ｌの両群から任意
に選んだ電池６本を配置して、比較例１の組電池Ｂを作
製した。

【００１５】これらの組電池を充電条件（電流１Ｃ、−
ΔＶ検出もしくは温度検出の充電制御）、放電条件（定
抵抗１０ｏｈｍ接続３時間）、休止時間（充電後・放電
後それぞれ１時間）のサイクル評価にかけた。このサイ
クル評価の放電条件は機器に適切な終止電圧が設定され
ていないことを想定した過放電現象を再現し、組電池を
構成する電池に容量ばらつきがある場合には、少なくと
も一本は必ず転極する電池が存在する過酷な条件であ
る。サイクル数に対して組電池の端子電圧が８．４Ｖに
なるまでの持続時間の維持率を図２に示した。ちなみ
に、この８．４Ｖという組電池の端子電圧は（式２）よ
り８本直列の場合の望ましい終止電圧を用いた。組電池
Ｂは組電池Ａに比べて維持率の減少が早期に生じた。こ
の組電池Ｂを放電状態でサイクル評価を終了した後電池
一本ずつに切り離して、各電池の開路電圧とその後の完
全充放電による放電時間の結果を表１に示した。

【００１６】

【表１】

【００１７】次に、実施例２により本発明の他の実施例
を詳細に説明する。本発明による実施例２として、携帯
用液晶テレビに用いられる８本直列組電池の場合を詳細
に説明する。公知のＡＡサイズで公称容量８００ｍＡｈ
のニッケルカドミウム電池に用いる正極の重量を測定し
た。このとき無作為に１００個の正極重量の値を抜き出
して１００個の重量の平均値Ｘと標準偏差Ｓを求めた。
本発明の組電池の仕様は充電制御のための温度センサー
が一箇所、安全素子として復帰型のサーモスタットを一
箇所設置する。

【００１８】そこで前記二箇所に正極の重量が最も小さ
い電池を配置するには正極を、［重量の小さい群Ｓ］：
［重量の大きい群Ｌ］＝２：６の比に重量選別すれば良
い。そこで重量の小さい群Ｓの割合が２５％、すなわち
０．２５を（式４）に代入し面積０．２５に対応する変
数ｚの値を関係表により求めた。その関係表中で最も近
い値に対応する変数ｚは０．６７であった。このｚの値
を（式５）に代入して境界値Ｐを求めた。この境界値Ｐ
を用いて正極全数を容量がＰ値未満の重量の小さい群Ｓ
と、Ｐ値以上の重量の大きい群Ｌの二群に選別した。こ
の二群を製造ロットを別々にして、それぞれ公知のＡＡ
サイズで公称容量１１００ｍＡｈのＮｉ／ＭＨ電池を組
立て、所定の初充放電をした。次に組電池の温度センサ
ーとサーモスタットの位置に、正極の重量の小さい群Ｓ
から任意に選んだ電池２本を配置し、残りの位置に正極
の重量の大きい群Ｌから任意に選んだ電池６本を配置し
て、本発明による組電池Ｃを作製した。

【００１９】一方本発明品の比較例２として、組電池の
温度センサーとサーモスタットの位置に正極の重量の大
きい群Ｌから任意に選んだ電池２本を配置し、残りの位
置には正極の重量の小さい群Ｓと重量の大きい群Ｌの両
群から任意に選んだ電池６本を配置して、比較例２の組
電池Ｄを作製した。

【００２０】これらの組電池を充電条件（電流１Ｃ、−
ΔＶ検出もしくは温度検出の充電制御）、放電条件（定
抵抗１０ｏｈｍ接続３時間）、休止時間（充電後・放電
後それぞれ１時間）のサイクル評価にかけた。このサイ
クル評価の放電条件は機器に適切な終止電圧が設定され
ていないことを想定した過放電現象を再現し、組電池を
構成する電池に容量ばらつきがある場合には少なくとも
一本は必ず転極する電池が存在する過酷な条件である。
サイクル数に対して組電池の端子電圧が８．４Ｖになる
までの持続時間の維持率を図３に示した。ちなみに、こ
の８．４Ｖという組電池の端子電圧は（式２）より８本
直列の場合の望ましい終止電圧を用いた。組電池Ｄは組
電池Ｃに比べて維持率の減少が早期に生じた。この組電
池Ｄを放電状態でサイクル評価を終了した後電池一本ず
つに切り離して各電池の開路電圧とその後の放電時間確
認の結果を表２に示した。

【００２１】

【表２】

【００２２】表１より組電池での放電直後において、開
路電圧が低く放電持続時間が著しく低下した電池がある
ことがわかった。これらの電池は転極されたことにより
性能が劣化したと考えられる。組電池Ｂは充電制御が容
量の大きい電池に依存したため、この電池より容量の低
い電池がその他の容量の大きい電池の残存容量によって
転極させられてしまったと考えられる。組電池Ａは充電
制御が容量の最も低い電池に依存し、各電池の充電され
る量が同じとなることにより放電容量が等しくなり、過
放電に伴う転極を回避できたと考えられ、単電池本来の
性能を再現していると考えられる。

【００２３】また、表２より組電池での放電直後におい
て、開路電圧が低く放電持続時間が著しく低下した電池
があることがわかった。これらの電池は転極されたこと
により性能が劣化したと考えられる。組電池Ｂは充電制
御が正極重量の大きい電池すなわち容量の大きい電池に
依存したため、この電池より正極重量の小さい電池がそ
の他の容量の残っていた電池により転極させられてしま
ったと考えられる。組電池Ａは充電制御が正極の重量の
最も低い電池に依存し、各電池の充電される量が同じと
なることにより放電容量が等しくなり、過放電に伴う転
極を回避できたと考えられ、単電池本来の性能を再現し
たと考えられる。

【００２４】なお本発明はニッケルカドミウム電池に限
らず、ニッケル水素電池等のアルカリ蓄電池はもちろん
のこと、鉛蓄電池やリチウム蓄電池等の蓄電池全般にお
いても同様の効果が得られることは容易に予測できる。
特に高容量化が進むほど蓄電池の容量ばらつきは大きく
なる傾向にあるため過放電に伴う転極現象はより深刻と
なり、本発明による効果はより大きなものとなることも
容易に予測できる。

【００２５】

【発明の効果】このように本発明によれば、種々の機器
ごとの仕様に応じることなく、組電池故の過放電に伴う
転極現象による組電池の信頼性の低下を防ぎ、単電池本
来の性能を再現することができるため、信頼性が高く工
業的価値の高い組電池を供給することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】蓄電池の規準正規分布曲線の模式図である。

【図２】組電池Ａ，Ｂの持続時間維持率のサイクル変化
図である。

【図３】組電池Ｃ，Ｄの持続時間維持率のサイクル変化
図である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個の蓄電池を導電接続して構成する
   組電池において、 単電池の配列や組電池の構造により決定される充電制御
   用のセンサー類および／または安全素子の配置位置に、
   複数の蓄電池中から選別した容量の低い蓄電池または正
   極の重量が小さい蓄電池を配置すると共に、残された位
   置には上記選別から漏れた蓄電池を配置してなることを
   特徴とする組電池。
2. 【請求項２】 前記センサ−類および／または安全素子
   の配置位置に配置される蓄電池は、製造された複数の蓄
   電池を正規分布により容量選別した容量の小さい蓄電池
   群、または正規分布により重量選別した正極の重量の小
   さい蓄電池群から求められるものであって、 残された位置に配置する蓄電池を、前記正規分布により
   容量選別した容量の大きい蓄電池群、または正規分布に
   より重量選別した正極の重量の大きい蓄電池群から求め
   ることを特徴とする請求項１記載の組電池。