JP3960063B2 - 蓄電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のセルが一体化されたモノブロックタイプの蓄電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車では、省エネルギーの要求の高まりとともに、高電圧化や電気エネルギーとガソリンとを併用するハイブリッド化が進められている。高電圧化することでワイヤーハーネスや電気部品を軽量化できる。ハイブリッドシステムは、電気エネルギーによりガソリンエンジンをアシストするため、省エネルギー、低公害化が達成できる。
【０００３】
これらの用途に用いられる蓄電池に対しては、より小型軽量化が求められており、そのひとつの解決手段として、高電圧化した蓄電池が検討されている。従来の蓄電池は６セル、１２Ｖ蓄電池が主流であったが、高電圧蓄電池として１８セル、３６Ｖ蓄電池が使用されるようになってきた。
【０００４】
蓄電池は充・放電において、反応熱および抵抗損失に起因して発熱する。特に３６Ｖのようなセル数の多い蓄電池の場合、１セル単位当たりの蓄電池比表面積比が小さくなってくるため、放熱し難くなり蓄電池内温度が上昇し易い。温度が高い状態で蓄電池が使用されると、自動車用のように定電圧充電が適用されている場合、充電過電圧が低くなり、電流が増加する。充電電流が増加すると蓄電池の劣化の主要因である正極格子の腐食が起こりやすくなり、蓄電池の劣化が早くなると共に過充電による電解液の減少が促進される。
【０００５】
また、多くのセルが一体化されているとセル間の放熱条件が異なるためセル間の温度ばらつきが大きくなり、それに伴ってセル間の充電電圧がばらつく。自動車用蓄電池のように定電圧充電で充電される場合、充電制御が困難になり、概して過充電になり易い。
このため蓄電池の発熱を抑制しつつ、セル間の温度ばらつきを低減することが求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
複数のセルが一体化されたモノブロックタイプの蓄電池の発熱を抑制し、セル間の温度ばらつきを低減することが本発明の課題である。その方策の一つとしてセル間に間隙を設け、電槽セルの放熱を促進させる方式が既に特開2001-332224で提案されている。
【０００７】
図１はセル間に間隙を設けた蓄電池の一例を示す斜視図で、１は電槽、２は蓋、３ａ、３ｂは端子、４ａ、４ｂはセル間に設けられた間隙をそれぞれ示す。図１に示すように間隙が蓄電池側面や底面に対してしか開口していないのでセルの放熱を促進するあるいは冷却するための空気の循環が十分でなく、蓄電池の発熱の抑制およびセル間の温度ばらつきの低減効果が十分に得られない。
【０００８】
本発明はこのような欠点を除去し、発熱が抑制され、セル間の温度ばらつきが低減された蓄電池を提供するものである。
【０００９】
【問題を解決するための手段】
本発明は、上記問題を解決するものであって、請求項１によれば、複数のセルが一体化されたモノブロックタイプの蓄電池において、セル室間に間隙を形成し、該間隙が前記蓄電池の蓋上面に設けた開口部に連通していると共に、蓄電池容積をＶ（ｃｍ^３）とし、蓄電池が外気に接する部分の全表面積をＳ（ｃｍ^２）としたときに、
Ｓ／Ｖ≧０．３６
の関係が成立していることを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、セル間に設けた間隙が電槽の蓋上面を設けた開口部に連通しているので、電槽の側部あるいは下部の開口部から流入した空気が上部より排出される自然対流によりセルの熱放散が効率的に行われ、蓄電池の発熱の抑制に効果的に作用してセル間の温度ばらつきも低減できる。
【００１１】
基本的には、電槽に間隙を設けることによって蓄電池の表面積を大きくすれば外部空気との接触面が増え冷却効率は向上するが、寸法や電槽強度などの制約を受ける問題が発生する。発明者は、蓄電池容積Ｖ（ｃｍ^３）と外気に接する部分の表面積Ｓ（ｃｍ^２）との関係が、Ｓ／Ｖ≧０．３６になるように間隙および蓋上面の開口部の個数および寸法を決定することによって、効果的に蓄電池の発熱を抑制しセル間の温度ばらつきも低減できることを見出した。
【００１２】
また、前記間隙にセル室間を接続するリブを配してもよい。
【００１３】
セル間がリブにより接続されている構造なので蓄電池の冷却効果を低減させることなく、蓄電池の強度を得ることが可能である。従来の単なる間隙形状では、蓄電池自体の強度が低下し、外的応力により破壊しやすくなり、また蓄電池の充・放電に伴う膨張・収縮応力によって、内部変形が起こるといった問題が発生し実用化が難しかったが、本発明によればこのような問題を回避できる。
【００１４】
さらに、前記蓄電池の電槽の底面部に突起を設けてもよい。
【００１５】
この突起を設けることによって電槽底面部に間隙ができ、空気が電槽下部から流入し上部に抜ける自然対流がさらに促進され、冷却効果がより一層増す利点を有している。
【００１６】
さらに、前記蓄電池の蓋上面の開口部に、吸気または排気機構を設けてもよい。
【００１７】
吸気または排気機構により間隙内で熱せられた空気をより効率的に排出でき、冷却効率は飛躍的に向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
【実施例】
実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１９】
図２は本発明の実施例１を示す斜視図である。１は電槽、２は蓋、３ａ、３ｂは端子、４ａ、４ｂは長側面に形成されている間隙、４ｃは電槽短側面に形成されている間隙、５ａ、５ｂは電槽の蓋上面に設けた開口部をそれぞれ示す。間隙４ａ、４ｂおよび４Ｃは、蓋上面に設けた開口部５ａ、５ｂと連通している。
【００２０】
図３は本発明の実施例１を示す上面図（ａ）、側面図（長側面）（ｂ）、下面図（ｃ）および側面図（短側面）（ｄ）をそれぞれ示す。６はセル間を接続するリブ、７はセル室をそれぞれ示す。他の構成部材は図２と同じ番号を付記する。
【００２１】
図４は図３で示す実施例１の間隙内の空気の流れを模式的に示すＡ−Ａ断面図で、８はエレメント、９はセル間接続部をそれぞれ示し、図内の矢印は空気の流れを示す。他の構成部材は図２と同じ番号を付記する。
【００２２】
矢印が示すように間隙４ａ、４ｂあるいは４ｃから浸入した空気は、セル内部の熱を奪った後、蓄電池の蓋上面の開口部５ａおよび５ｂから排出する。このような空気の流れが発生することで、蓄電池の発熱は効率的に抑制され、セル間の温度ばらつきを低減できることを具体的に示している。
【００２３】
図５は、実施例２を示す（ａ）は側面図（長側面）、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図（短側面）で、４ａ、４ｂは間隙、５ａ、５ｂは電槽の上面に設けた開口部をそれぞれ示す。右側の開口部５ａは上面中央に１個所穴が開いており、左側の開口部５ｂは２個所に穴が開いている。左右の開口部で形状が異なるのは、セル間接続部を避けるためである。これは、セル間接続部は隣接セルと接している必要があるため、間隙を設けることができない理由によるものである。他の構成部材は図２と同じ番号を付記する。
【００２４】
図６は電槽底面部に突起を設けた実施例３を示す（ａ）は側面図（長側面）、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図（短側面）で、１０は電槽底面部に設けた突起を示す。他の構成部材は図２と同じ番号を付記する。
【００２５】
これらの図が示すように、突起により電槽底面部が空気と接する事ができると共に電槽底面部を経由する空気の流れも発生させることができるため、冷却効率は一層向上する。
【００２６】
図７は、蓄電池の蓋上面の開口部にファンを取り付けた実施例４を示すもので、１１ａおよび１１ｂはファンをそれぞれ示す。他の構成部材は図２と同じ番号を付記する。
【００２７】
図に示すように、蓄電池の蓋上面の開口部５ａ、５ｂにファン１１ａおよび１１ｂを設けることで、間隙内部を流れる空気の流速が向上するために、冷却効率をさらに向上させることができる。例えば、開口部に吸気ファンを取り付け強制的に開口部から間隙内部の空気を吸い出すことで優れた冷却効果が得られる。
【００２８】
逆にこの部分から空気を流入させても同様の効果が得られる。
【００２９】
次に、本発明の効果を具体的に示すために、公称電圧３６Ｖ、公称容量２０Ａｈの制御弁式（シール式）鉛蓄電池について表１に示す内容の試験用蓄電池を製作した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
Ｎｏ．１は、間隙を有していない従来の蓄電池で、寸法は、横幅２６０ｍｍ、奥行き１７０ｍｍ、高さ２００ｍｍで、蓄電池容積Ｖは８８４０ｃｍ^３、底面を除いた蓄電池表面積Ｓは２１６２ｃｍ^２で、Ｓ／Ｖ＝０．２４となる。
【００３２】
Ｎｏ．２は、セル間に間隙は有しているものの電槽の蓋上面に開口部を有していない従来の蓄電池である。間隙は、幅１０ｍｍ、高さ１５０ｍｍで２個所に設けた。蓄電池寸法は、横幅２８０ｍｍ、奥行き１７０ｍｍ、高さ２００ｍｍで、蓄電池容積Ｖは９０７０ｃｍ^３、底面を除いた電池表面積Ｓは３１１６ｃｍ^２で、Ｓ／Ｖ＝０．３４となる。
【００３３】
Ｎｏ．３は、Ｎｏ．２と同様の間隙部を設け、電槽の蓋上面に設けた開口部２個と連通させた構造とした実施例２で示すものである。これら開口部の寸法は、右側が８０ｍｍ×１０ｍｍ、左側は２個で４０ｍｍ×１０ｍｍ×２である。蓄電池寸法は、横幅２８０ｍｍ、奥行き１７０ｍｍ、高さ２００ｍｍで、蓄電池容積Ｖは８９９０ｃｍ^３、底面を除いた電池表面積Ｓは３２７６ｃｍ^２で、Ｓ／Ｖ＝０．３６となる。
【００３４】
Ｎｏ．４は、Ｎｏ．３の比較用として作製したもので長側面に設けた間隙は、Ｎｏ．３では２個所であるがＮｏ．４では１個所である。蓄電池寸法は、横幅２７０ｍｍ、奥行き１７０ｍｍ、高さ２００ｍｍで、Ｓ／Ｖ＝０．２８となる
Ｎｏ．５は、Ｎｏ．３の蓄電池の短側面方向にも間隙を設けた実施例１で示すものである。開口部は、蓄電池上面中央に８０ｍｍ×１０ｍｍの大きさのものを２個所設けた。蓄電池寸法は、横幅２８０ｍｍ、奥行き１８０ｍｍ、高さ２００ｍｍで、蓄電池容積Ｖは９０３０ｃｍ^３、底面を除き、間隙部内を含めた蓄電池表面積Ｓは３９６４ｃｍ^２で、Ｓ／Ｖ＝０．４４となる。
【００３５】
Ｎｏ．６は、Ｎｏ．５の蓄電池の底面に突起を設けた実施例３で示すものである。突起は、直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの半球形状のものを２４個所設けた。この突起により電槽底面部が浮いた状態となり、底面部にも空気が流通可能で、底面部からも冷却できる。蓄電池寸法は、横幅２８０ｍｍ、奥行き１７０ｍｍ、高さ２０５ｍｍで、蓄電池容積Ｖは９０４３ｃｍ^３、底面を含めた蓄電池表面積Ｓは４４４９ｃｍ^２で、Ｓ／Ｖ＝０．４９となる。
【００３６】
Ｎｏ．７は、Ｎｏ．５の蓄電池の開口部にファンを取り付けた実施例４に示すものである。ファンは、上方に空気を流出させるもので、流速１ｍ^３／ｍｉｎである。
【００３７】
これらの蓄電池について充・放電試験を実施し、その時の発熱挙動およびセル間の温度ばらつきを調査した。試験条件を以下に示す。
[試験条件]
放電：１００Ａ×３０秒
充電：４５Ｖ（最大電流１００Ａ）×４０秒
試験温度：２５℃恒温室内
試験期間：約２時間
蓄電池内の１８セルすべてに温度センサを取り付け、その温度をモニターした。２時間経過後の蓄電池内最高温度、最低温度、温度ばらつき（最高温度−最低温度）を表２に示す。
【００３８】
【表２】

【００３９】
最高、最低温度が低いほど、温度ばらつきが小さいほど、蓄電池の冷却特性が優れていることを示している。蓄電池温度による劣化特性から考慮して、蓄電池温度は６０℃以下、温度ばらつきは１０℃以下とすることが望ましい。
【００４０】
Ｎｏ．１の間隙を有していない蓄電池では、中央付近のセルが最高温度を示し、その値も９５℃と非常に高かった。端部のセルで最低温度を示し、温度ばらつきは２３℃と大きく、上記規準を満足しなかった。
【００４１】
Ｎｏ．２は上面開口部を設けない間隙を設けた蓄電池であるが、最高温度、ばらつきともＮｏ．１に比べて差は小さく、冷却効果はみられなかった。これは、間隙を設けても空気の対流がないため冷却効果が得られなかったといえる。
【００４２】
Ｎｏ．３は、Ｎｏ．１，２と比べると最高温度５４℃、温度ばらつきが９℃と冷却効果が大きいことがわかる。蓋上部に開口部を設けたことによる空気の対流の効果が現れており、上記規準を満足している。
【００４３】
Ｎｏ．４は、Ｎｏ．３と比べると間隙が少ないために最高温度や温度ばらつきが大きく、規準を満足しなかった。Ｓ／Ｖについていえば、Ｎｏ．３は０．３６であるのに対して、Ｎｏ．４は０．２８で、Ｓ／Ｖを０．３６以上にする必要があることが理解できる。
【００４４】
Ｎｏ．５は、短側面側にも間隙を設けたことで、最高温度５２℃、温度ばらつきが７℃となり、Ｎｏ．３より最高温度やばらつきが低減している。
【００４５】
Ｎｏ．６は、電槽底部に突起を設けて、底面からも冷却を行っているためにＮｏ．５に比べて最高温度を８℃低減できた。
【００４６】
Ｎｏ．７は強制冷却を行ったもので、最高温度は３４℃、ばらつきは３℃で試験品の中では最も優れていた。
【００４７】
なお、実施例では電槽の長側面あるいは短側面に形成した間隙は、各外側面に開口した構造のものを示しているが、必ずしもその必要はなく、形成された間隙が電槽の蓋上面に設けた開口部と連通すると共に、蓄電池容積をＶ（ｃｍ^３）とし、蓄電池が外気に接する部分の全表面積をＳ（ｃｍ^２）としたときに、
Ｓ／Ｖ≧０．３６
の関係が維持されておれば同様の効果が得られる。
【００４８】
以上詳述したように、本発明品のセル間に設けた間隙を蓋上面に設けた開口部と連通させることにより空気の対流が効率よく行われ、蓄電池の発熱抑制効果が優れ、セル間の温度ばらつきを低減することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、複数のセルが一体化されたモノブロックタイプの蓄電池において、セル室間に間隙を形成し、前記間隙が電槽の蓋上面に設けた開口部に連通している構造にすると共に、蓄電池容積をＶ（ｃｍ^３）とし、蓄電池が外気に接する部分の全表面積をＳ（ｃｍ^２）としたときに、
Ｓ／Ｖ≧０．３６
の関係を維持することによって、電槽寸法や電槽強度などの制約を受けることなく、空気の対流による冷却が効果的に行え、蓄電池の発熱を抑制でき、セル間の温度ばらつきを低減することができる。さらに、前記セル室間を複数のリブで接続した構造にすることにより電槽の強度を低下させることなく蓄電池の発熱を抑制できセル間の温度ばらつきも低減できる。
【００５０】
また、電槽底面部に突起を設けることあるいは蓋上面に設けた開口部に吸気または排気機構を設けることにより、空気の対流をさらに促進させ、蓄電池の発熱の抑制およびセル間の温度ばらつきの低減を飛躍的に向上させることができる。
【００５１】
以上のように本発明によれば、複数のセルが一体化されたモノブロックタイプの蓄電池の発熱の抑制およびセル間の温度ばらつきの低減を非常に効率よく達成でき、その工業的効果が大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】セル間に間隙を設けた従来蓄電池の一例
【図２】本発明蓄電池の実施例１の斜視図
【図３】本発明蓄電池の実施例１を示す上面図（ａ）、側面図（長側面）（ｂ）、下面図（ｃ）および（ｄ）側面図（短側面）
【図４】本発明実施例１の空気の流れを示す模式断面図
【図５】本発明の実施例２を示す上面図（ａ）、側面図（長側面）（ｂ）、下面図（ｃ）および（ｄ）側面図（短側面）
【図６】電槽の底面部に突起を設けた本発明の実施例３を示す側面図（長側面）（ａ）、下面図（ｂ）、側面図（短側面）（ｃ）
【図７】蓄電池の蓋上面開口部にファンを取り付けた実施例４を示す断面図
【符号の説明】
１ 電槽
２ 蓋
３ａ、３ｂ 端子
４ａ，４ｂ 電槽長側面に形成された間隙、 ４ｃ は電槽短側面に形成された間隙
５ａ、５ｂ 電槽の蓋上面に設けた開口部
６ セル室間を接続するリブ
７ セル室
８ エレメント
９ セル間接続部
１０ 電槽の底面部に設けた突起
１１ａ、１１ｂ 蓄電池の蓋上面の開口部に設けたファン

Claims (1)

1. 複数のセルが一体化されたモノブロックタイプの蓄電池において、セル室間に間隙を形成し、該間隙が前記蓄電池の蓋上面に設けた開口部に連通していると共に、蓄電池容積をＶ（ｃｍ^３）とし、蓄電池が外気に接する部分の全表面積をＳ（ｃｍ^２）としたときに、
   Ｓ／Ｖ≧０．３６
   の関係が成立していることを特徴とする蓄電池。

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