JPS59177869A - 蓄電池 - Google Patents

蓄電池

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JPS59177869A
JPS59177869A JP59050792A JP5079284A JPS59177869A JP S59177869 A JPS59177869 A JP S59177869A JP 59050792 A JP59050792 A JP 59050792A JP 5079284 A JP5079284 A JP 5079284A JP S59177869 A JPS59177869 A JP S59177869A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は蓄電池に関する。殊に本発明は、内部抵抗値が
温度と共に変化する複数の電気化学的蓄電セルからなり
、セルを複数の群に相互接続して各群を複数のセルで構
成すると共に、これらの群を並列接続して蓄電池を形成
してなる蓄電池に関するものである。
本発明は蓄電池を形成する１０個程度の複数のセルによ
り実用に供することもできるが、本発明による蓄電池は
一般に少なくとも２０個のセルを有すると考えられる。
本発明の２つの顕著な用途は、５０〜２００個のセルよ
りなる蓄電池が典型であるような電力推進車用、並びに
数万個以上のセルからなる蓄電池が可能であるような負
荷レベルの発電所用である。
１０個もしくはそれ以上の複数のセルからなる蓄電池を
実際に取扱う際、これらのセルは典型的には使用、保守
、交換などの容易さのため並びに効率的な収容およびそ
の絶縁を与えるため多かれ少なかれ規則的に配列して配
置される。このような配列において、特に電動推進車ま
たは発′載所負荷レベルにつき予想される大型のセル配
列を用いる場合、これらセルの熱管理が重要な問題とな
る。
修理、交換、点検などを行なうため、しばしば多数のセ
ルはほぼ二次元配列として配置され、すなわちセルの層
は一般にせいぜい２・個以下のセルの厚さであり、一般
的にセル１個の厚さの層であって、この層は複数のセル
を並列配置して構成される。
さらに、熱’Ｗ’ｆＭの問題は高温セル、たとえばナト
リウム硫黄セル、或いはβ−アルミナまたはナシコン固
体電解質もしくは溶融塩の液体電解質を用いるセルをそ
れぞれ単独でまたは組合せて使用する場合に悪化する。
二次元配列の場合、配列の外周部が効率的に断熱された
としても配列の外周部におけるセルは、この配列の中心
近傍におけるセルよりも配列の使用に際し著しい低温度
を有し得る。
さらに、部品の大量生産、標準化および交換可能性の理
由で、大型のセル配列は典型的には、同一の規格（部品
の寸法、形状、性質など）にしたがって製造される点で
、少なくともほぼ同一のセルを使用する。
この種の配列からなる蓄電池において、ランダムに相互
接続されるセルは群を形成しくこれらの群は直列、並列
または直列／並列で接続される）、これら群の構成はセ
ルの熱管理とは無関係な理由で選択されるので、使用に
際し重大かつ予想外の問題を引き起こすことがある。た
とえば、１群のセルがこれに対し並列接続された他のほ
ぼ同一の群（配列の外周部またはその近傍に位置する）
よりも熱いセル（たとえば配列の中心またはその近傍に
配置する）からなる場合、これらのより熱いセルの群は
より冷たいセルの群とは実質的に異なる内部抵抗値を有
する。これは、内部循環電流をもたらし、すなわち蓄電
池における内部電流ループをもたらし、これらは極めて
望ましくないものである。
さらに、より冷たい高温セルは、より熱いほぼ同一のセ
ルよりも高い内部抵抗値を示す傾向があるので、これら
のより熱いセルの群は使用に際しこれに対し並列接続さ
れたより冷たいセルの群よりも大きい電流が流れる。よ
り冷たいセルの抵抗加熱は促進されず、したがってより
冷たい群のセルとより熱い群のセルとの間の望ましくな
い温度差が維持され或いは一層悪化する傾向がある。こ
れは、最適操作につき比較的狭い温度範囲を有する高温
セルを大型配列に使用する場合には重大な問題となる。
この場合、蓄電池は所定の操作温度、すなイつぢ前記最
適範囲内の温度を有するが、使用に際しより熱い群が内
部冷却を必要とする一方、最適操作温度範囲内に維持す
るには同時に、より冷たい群が外部加熱を必要とすると
いう状態さえ生ずる。
本発明は、温度管理の上記問題が少なくとも減少する蓄
電池を供給することを目的とする。
したがって、本発明は、内部抵抗値が温度と共に変化す
る複数の相互接続されたほぼ同一の電気化学的蓄電セル
からなり、これらセルを複数の群に相互接続して各群を
複数のセルで・溝成し、これらセルの少なくとも幾つか
を直列に接続すると共に前記群を並列に接続し、使用に
際し蓄電池はそのセルの少なくとも幾つかが互いに異な
る温度となるような温度輪郭を有し、かつ各群のセルを
使用に際し各群が他の各群とほぼ同じ内部抵抗値を有す
るように位置せしめかつ相互接続してなる蓄電池を提供
する。
換言すれば、この蓄電池は全体として直列／並列に相互
接続された複数のセルからなり、それぞれ複数のセルか
らなる２つもしくはそれ以上のセル群を並列接続すると
共に、各群のセルの少なくとも幾つかを直列に接続する
。各群のセルは次いで直列に接続することができ、或い
は直列／並列に接続することもできる。各群のセルを直
列／並列に接続する場合、この群はサブＷ’ｔｌ池と見
なすことができ、本発明はこれにも同等に応用する。こ
とができ、直列／並列群のセルを全体として蓄電池のセ
ルと同様に配列しかつ接続することができる。
本発明によれば、（蓄電池の形状、その所定操作温度、
その温度輪郭、群の個数および各群におけるセルの個数
などの物理的制約を考えて）個々のセルおよびその相互
接続をできるだけ、蓄電池の所定操作温度における操作
の際に各群が同じ内部抵抗値を有するように配列すべき
ことが重要である。
蓄′電池の温度輪郭により、この蓄電池はその所定操作
温度にある場合、種々異なる温度の各セルを有する。製
造、交換、保守および標準化の理由で、セルの各群は他
の各群におけるのと少な（ともほぼ同数のセルを備える
のが便利である。蓄電池の所定操作温度にてほぼ同し内
部抵抗値を各群が有するためには、セルの各群は好まし
くは任意の他の群と同じ個数のセルを有し、したがって
各群における少なくとも幾つかのセルは使用に際し異な
る温度を有する。本発明の特に好適な具体例において、
各群は好ましくは使用の際の特定温度において任意の他
の群と同数のセルを有する。
特定温度において任意の他の群におけるのと正確に同数
のセルを各群が有するそれぞれ正確な均等物は、便利か
つ有利な蓄電池設計であるが、全ての群につき各群がほ
ぼ同じ内部抵抗値を有するように充分近似させれば１、
このような均等性は必須ではない。
ここでも群間の幾何学的類似性および標準化の理由で、
それぞれの群において使用に際し特定温度を有する各セ
ルをそれが含まれている群を構成するシリーズにおいて
同じ位置にするのが好適である。同様に、種々の温度の
セルを正確に同じ順序で相互接続して、各群がこの群の
一端部から他端部までセルのシリーズに治って同じかも
しくは極めて類似した温度輪郭を有するようにすること
は必らずしも必要でないが、ここでもこの配置番は蓄電
池設計を容易にする。
たとえば、特に好適な具体例において、各群は任意の他
の各群と正確に同数の特定温度のセルを有し、かつ各群
において使用に際し特定温度のセルはその群のシリーズ
に涜って任意の他の群におけると同じ位置を占める。実
際上、これはたとえば１個もしくはそれ以上の幾何学的
平面により熱的に同等な群に容易に分割しつるようにセ
ルを蓄電池内に配置して行なうことができ°、各群は同
り文のセルを有すると共に各群のセルは熱的に同等な位
置のセルがそれらの構成する群において直列に接続され
るように接続され、各セルは他の群のそれぞれにおける
熱的に同等なセルと同じ位置をシリーズで占める。熱的
に同等な群のそれぞれが他の群とほぼ同じ幾何学形状を
有する場合、各群（こおける幾何学的に同等な位置のセ
ルは一般Ｏこ熱的にも同等な位置である。
本発明によればさらに、蓄電池の設計並びにセル位置の
選択および蓄電池におけるそれらの相互接続を交換、保
守、基準化などの目的で容易化させるため、蓄電池のセ
ルを実質的に二次元配列で配置することができ、この場
合配列は典型的には２個以下のセルの厚さのセルｊ錯で
構成される。この配列は偏平とすることができ、配列に
対し垂直な少なくとも１つの幾何学的平面により前記群
に分割しうるような輪郭を有することができ、各群は任
意の他の群と同じ幾何学的セル配列を有し、使用に際し
ほぼ同温度を有するセルは各群においてほぼ同じ幾何学
的位置を占める。
配列が実質的に二次元である場合、セルの充填配列はこ
れらセルが幾何学的に正常な最密充填配列として配置さ
れるようなものとすることができる。問題とする種類の
セルは、便利には実用上しばしば長形かつ円筒状才たは
断面プリズム状である。この種のセルに関し、本発明は
蓄電池における１つもしくはそれ以上の二次元配列もし
くは層として最密充填されたセルの並列充填配置を考え
る。この充填は正方形もしくは矩形断面のセルについて
は立体的最密充填とすることができ、或いは円形、六角
形もしくは等辺三角形の断面を有するセルについては六
角形最密充填が好適である。
任意特定の充填配置もしくは配列、たとえば六角形最密
充填もしくは立体最密充填であるものについては、群の
規定に関しかつ群におけるセルの相互接続に関し、配列
に対し垂直方向に見て（すなわち、その一方の側部もし
くは縁部からでない）配列の輪郭が正多角形（等辺三角
形が１つの特定例であり、また円が他の特定例である）
であれば簡単化することができる。したがって、最密充
填の場合、セル自身は配列に対し垂直方向で見た輪郭に
おいて正多角形さすることができる。
これらの場合、蓄電池は、配列に対し垂直（すなわち配
列の多角形輪郭の中心Ｉ’ｌｌ　線に対し平行）な複数
の平面により対応数の帯域に容易に分割することができ
（セルの各群の１つにつき帯域の個数は列の多角形輪郭
における辺の個数と同じであり、またはそれに比例する
）、前記平面は円周方向に同距離離間した配置で配列の
中心軸線から半径方向に延在して、この配列を平面図に
おいて複数の同一セグメントに分割し、かくして各群の
セルはこれらセグメントの１つに位置する。
このような配置は、本発明による群におけるセルの相互
接続を容易化させ、その際中心軸線に最も近いセルから
出発し、順次に半径方向外方へたとえばジグザグ経路で
配列の外周部まで進行する。
好ましくは、各セルはすぐ隣りのセルに接続される。中
心軸線から出発しかつ半径方向外方へ進めば各セルをす
ぐ隣りのセルへ接読するのが容易となり、さらにセルの
相互接続は簡単な幾何学的に支配される順序にしたがっ
て行なうことができ、セルの各群が同数のセルを同温度
で備えるべきであるという本発明の要件を極めて容易に
満たすことができる。この点において、配列における正
多角形のセル配列については中央セルが典型的には最も
熱くなり、かつセル温度が典型的には配列の中心から半
径方向外方向へ順次に低下し、配列の中心軸線から同じ
半径距離にある全てのセルは配列の外周部が均一に絶縁
されていれば少なくともほぼ同温度であることに留意す
べきである。
以下、本発明による蓄電池の種々の配列を図示する添付
図面を参照して、本発明を実施例につき説明する。
第１図には立体的最密充填方式で配置された同一の円筒
状セル１１の配列を有する蓄電池１０が示されており、
この蓄電池は長形の矩形輪郭を有する。これらのセルは
、隔離ハウジング１４内に封入されたそれぞれ８個のセ
ルからなる３つの列１２として配置される。第１図に示
したセルの配列は１個のセル厚さの偏平なセル層の形態
であり、すなわち積層もしくは重畳関係では上下にセル
が充填もしくは配置されていない。これらのセルは、蓄
電池の長手側部をその中間点において切断する平面１６
により、それぞれ１２個のセルよりなる２つの群に分割
される。面１６はセル１１を２つの群１８および２０に
分割し、それぞれの群１８゜２０はリード線２２により
示されるように直列に接続され、リード線２２は一方の
蓄電池端子２４から他方の端子２５まで延在する。換言
すれば、各群１８．２０のセルは直列に接続され、＃１
８は群２０に対し並列に接続される。
蓄電池１０はセル１１の中央列１２の中間点において温
度が最大となりかつこの温度がそこからハウソング１４
により規定される蓄電池の外周方向に低下するような温
度輪郭を有することに基づき、各セル１１間の相互接読
は各群１８．２０が同数のセル１１を含み、かつ各群に
おける各セルが幾何学的かつ熱的に同等な位置において
他の群における対応セルを有するような接続であり、そ
れぞれ熱的に同等なセルはその群を構成するセルのシリ
ーズに沿って同じ位置で接続されることに注目される。
これらの熱的に同等なセルの内部抵抗値は実質的に同じ
であって、各群１８．２０は実質的に同じ内部抵抗値を
有するようにすべきである。
各群のセルを接続する正確な順序は臨界的でないが、各
セルをその最も近い隣接したセルに結線して、使用する
配線の長さを減少させることが認められる。さらに、使
用に際し各セルはそこを同じ電流が通過するので、外側
のより冷たいセルはより高い内部抵抗値を有して一層大
きく加熱され、　　１これは群におけるセル間の温度勾
配を減少させる傾向があり、さらに全体として蓄電池の
温度輪郭を平坦化する傾向を示すことに注目すべきであ
る。
第１Ｂ図は第１Ａ図のセルの回路図を示しており、第１
Ａ図におけると同じ部品を示すため同じ参照数字を使用
する。
第２Ｂ図を参照して、第２Ａ図および第２Ｂ図は等辺三
角形の形態のセル配列を平面図において有する蓄電池を
示している。第２Ｃ図および第２Ｄ図は正方形の輪郭を
示している。第２Ｅ図および２Ｆ図は正五角形である輪
郭を有する蓄電池を示している。第２Ｆ図および２Ｆ図
は正六角形の輪郭を有する蓄電池を示している。
ｉＺＡ図において、蓄電池の輪郭は、蓄電池セル配列の
中実軸線２８から円周方向に同距１碓離隔した関係で放
射方向に延在する切断面２６により３つの帯域に分割さ
れて示されている。３つの熱的かつ幾何学的に同等な帯
域３０が、かくして配７１Ｊ内に画成される。第２Ｂ図
においては、３つのそれぞれ異なる熱的に同等な帯域３
０が示されており、これらも同様に配列の中心軸線で切
断する３つの面２６により画成される。Ｊ２Ａ図および
鍔２Ｂ図における面２６の位置および帯域３０の形状は
、単に示しうる２つの簡単な例にすぎず、異なる形状の
帯域３０を単に面２６の位置を円周方向にずらすだけで
設けうろことが判るであろう。
さらに、面２６は必らずしも偏平である必要はなく図面
に示すように線２６を直線でなく湾曲させるように曲線
とすることもでき、ただしそれぞれ中心軸線２８から蓄
電池輪郭の外周部まで外方向へ延在する３つの同一の帯
域３０を画成するものとする。
第２Ｃ図乃至２Ｂ図の場合、第２Ａ図および２Ｂ図にお
けると同じ参照数字を使用して同じ特徴を示す。ここで
も、それぞれの場合、多角形の各形状につき面２６の２
つの簡単な配置が示され、問題とする蓄電池配列の平面
輪郭を、問題とする多角形の辺の数に等しい複数の帯域
に分割する。
各帯域は、任意の他の領域とほぼ熱的および幾何学的に
藺等であり、各帯域は中心軸線２８から多角形の周辺方
向へ外方に延在する。
各配置は全体として蓄電池につき直列に接続された複数
のセル群からなるように設けられ、これらの群山体は並
列に接続され、直列接続された群もしくはセル連鎖の個
数は問題とする多角形の辺の数に等しい。
次に第３図を参照して第２Ｃ図の状態を一層詳細に示し
、この場合蓄電池は全体として参照記号１０で示され、
セル１１の配列を構成する。セル１１は平面図において
正方形を示し、立体的最密充填配置において面２６は蓄
電池輪郭を４つの同じセル１１の群３１に分割する。群
３１における特定のセル１１につき幾何学的、すなわち
熱的に同等な位置（たとえば同じ方法で陰影をつけたセ
ルにより示す）には他の群３１のそれぞれにセル１１が
存在する。かくして、蓄電池１０はセル１１の４つの群
３１を有し、各群３１のセル１１は直列に接続され、か
つこれらの群１２自身は並列に接続される。各群のセル
１１は、群３１が実質的に同じ内部抵抗値を有して温度
輪郭が全体として蓄電池１０に存在するように接続すべ
きである。
正確な接続順序はここでも臨界的でなく、ただし群３１
は同じ内部抵抗値を有すべきであり、実用的観点からこ
の要件は各群がそのセルを他の群におけるセルと正確に
同じ順序で接続することにより極めて容易に満たされ、
たとえば軸線２８の近傍の中心から出発してジグザグ経
路で外方に延在し、これを群３１におけるリード線２２
で示す。
以下余白 第１図におけると同様に、第３図に示したセルの配列も
実質的に二次元であって単一の偏平セル層からなり、こ
の点において第２図の配列と同様であると考えられる。
さらに、各群３１はその全てのセル１１を単一のシリー
ズもしくは順序で接続する必要はないが、そのセルを所
望の並列／ｉＮ列配置で接続しうろことが判かるであろ
う。しかしながら、この場合本発明によれば、各群３１
はサブ蓄電池とみなされ、したがって単に本発明の同じ
特徴にしたがい全体として蓄電池セル１０のように扱か
われる。
第４図を参照すれば、円形もしくは正六角形端面を有す
るセルは図示したように六角形の最密充填配列に最も効
率的に充填されうろことが判かるであろう。これは問題
とするセル？ごつき最密充填密度をもたらし、容易に絶
縁され好適な温度輪郭を有しかつ全体として好適な熱特
性を有する蓄電池をもたらす。さらに、この種のセル配
列を有する蓄電池は、物理的強度に関し少なくとも大略
の蜂巣構造を有する。
第４Ａ図には１６個の六角形セルを葉形の六角形最密充
填配置として示し、第４Ｂ図は２０個のこの種のセルを
ほぼ正方形配置で配列する可能性を示している。第４Ｃ
図および４Ｂ図は六角形セルではなく円形の同じ充填配
置を示しており、各場合におけるセルは参照記号１１で
示されている。
第５Ａ図においては、円形もしくは六角形（ここでは円
形セルが示されている）とじつる７個のセルが、電気絶
縁したハウジング３４により互いに保持された７個のセ
ルよりなる単位もしくはサブ群３２として充填されてい
る。第５Ｂ図には六角形セルの同等な配置が示され、こ
こではハウジング３４が省略されておりかつ電気接続３
６が示され、群３２のセル１１は互いに並列接続されて
いる。
第５Ｃ図においては１９個のセルよりなる群３８が互い
に接続され、これらのセルは六角形であり、たとえば雲
母であってもよいハウジング３４により群として互いに
保持して示されている。
第５Ｄ図において、参照数字４０は外周の円形断熱ハウ
ジング４２を設けかつ六角形対称を示す内部セル配置を
有する本発明の蓄電池を示している。セル１１の６つの
群３１が、ハウジング４２により包囲されて示されてい
る。群３１のセル１工に対する＋）　、＋＋　ｈｌ線２
２の２つの可能なジグザグ接続が示されている。セル１
１の群３１のそれぞれが全体として同じ内部抵抗値を有
する限り、任意適当な順序の接続を使用しうろことが判
るモあろうが、実用目的にはセルの各群における同じ順
序を使用するのが便利であろう。群３１は並列に接続さ
れて蓄電池４０を形成する。さらに、第５Ｄ図に示され
たセル１１は原理的には六角形でも円形でもよく、或い
は実際上セルの六角形群により置換することができ、直
列、並列または直列／並列に接続することができ、たと
えばフイ固のセルからなる六角形群をｇｓＡ図もしくＣ
ま第５Ｂ図に示すように配置したり、或いは１９個のセ
ルよりなる六角形群を第５Ｃ図に示すように配置するこ
ともできる。
第５Ｄ図において（第６Ａ、７，８Ａおよび１０図と同
様）、中央セル空間４５は電気接続月番こ開放されてい
る。
第６Ａ図および６Ｂ図にはｇ５Ａ、５Ｂおよび５Ｄ図に
示されたと同様な配置が示され、同じ音５品について同
じ参照数字が使用される。しかしながら、第６Ｂ図には
ノ１ウジング３４に封入された第５Ａ図の円形セルの代
りに六角形セル１１力Ｓ示されている。さらに、第５Ｄ
図にはセルの６個の群３１のそれぞれを１４個のセルか
ら構成して示したが、第６Ａ図にはこれら群のそれぞれ
が１０個のセル１１から構成される装置を示す。こｔｌ
、らセルのそれぞれを第６Ｂ図に示したようにフイ固の
セルよりなる群で交換すれば、第６Ａ図の蓄電池４０は
４２０個のセルから構成すること力Ｓできる。
第７図において、第５Ｄ図および６Ａ１図をこおけるの
と同様な蓄電池における回路図が示される。
蓄電池は参照数字４０で示され、かつ群のそれぞれは参
照数字３１で示され、７個の並列接続された個々のセル
１１よりなる複数のサブ群３２で）３考成される（第５
Ａ、５Ｂおよび６Ｂ図参照）。サブ群３２は図示したよ
うに直列接続される。
個々のセルが破損した場合に過充電および；Ｍ　力に電
に関連する問題を最小化するため、各サブ群３２の間の
同等な位置に各群３１を互し）に相互接続する導線４４
を設けることができる。これらの導線４４は、さらに蓄
電池４０における内部循環電流の問題を最小化させるよ
う作用し、また＠プーブ右羊３２を個々のセル１１によ
り交換する場所ζこ使用することもできる。
第８Ａ図には第６Ａ図とほぼ同様な配置を示し、同じ部
品につき同じ参照数字を使用するが、ただしセル１１の
各群３１は第６Ａ図に示したように１０個ではなく６個
のセル１１から構成する。これは、本発明の要件を満た
す種々の充填配置に関し本発明の多能性を示している。
さらζこ、第８Ｂ図を参照すれば、第６Ｂ図の７個のセ
ルよりなるサブ群の代りに、その形状がたとえば第８Ｂ
図に示した４個のセルを含む大角形ではなくほぼ菱形の
形状であるような群４６をサブ群が構成しうることが示
される。
第９図には第８Ｂ図の概念が示されており、これは六角
形最密充填配置における六角形セルを使用した矩形の蓄
電池配置を形成している。図示した蓄電池４８はセル１
１の４つの群３１を有し、各群３１は最密充填の六角形
配置における六角形セル１１からなり、各群３１はその
セルを群３１の全体形状がほぼ矩形となるようにかつ群
３１が互いに蓄電池４８の全体形状をほぼ矩形にするよ
うに嵌合すべく充填されている。’Ｊ−１２２により群
３１のセル１１を直列に接続するための２つの可能な方
法が示されている。
第１０図は第５Ｄ、６Ａおよび８Ａ図と同様なさらに他
のセル配置を示しているが、この場合各群３１は４２個
のセル１１を含む。約２ボルトの操作電圧を有するセル
１１および並列接続された群３１により、各群３１およ
び蓄電池４ｏの電圧は全体として約８４ボルトとなり、
これは約８０ボルトの操作電圧を有する多くの電動車に
適している。
第１０図を参照して、六角形もしくは円形上ルζこ形状
が対応する蓄電池の中央開口部４５は電気リードを受は
入れるのに便利であり、かつセル配置は多数の円筒状も
しくは六角形セルを円筒状絶縁ハウジング４２内にでき
るだけ、無駄な空間のないように充填する効果的方法を
与えることに注目すべきである。しかしながら、この小
さい未充填の空間を、たとえば４６で示したように電気
加熱制御部、熱電対、熱管理装置、電気接続部、安全装
置たとえば繊維マットなどのような物品に対し効果的に
使用することができる。
さらに、これらセルの配置は、より高い内部抵抗値を有
する蓄電池の外周近傍におけるより冷たいセルを通過す
るのき同じ電流が蓄電池の中心部における熱いセルを通
過する際、蓄電池に右ける温度勾配を最小化するように
作用することに注目すべきである。かくして、セルがよ
り高い内部抵抗値を有しかつ蓄電池の温度勾配を平坦化
させるような蓄電池の外周部においてまたはその近傍に
おいて、より多量の熱がセル１個当りに発生する。
さらに、蓄電池の形状は、蓄電池の全表面積を最小化さ
せて熱損失を最小化するように作用する。
第１１図には第１０図の蓄電池の側断面図ρＳ示され、
第１０図の絶縁４２に対する便利な箱型配置を示してい
る。中央開口部４５が示され（図面を簡略化するため拡
大図で示す）、電気リード線２２をそこに貫通させる。
絶縁部４２は、使用の際に便利なように上部セクション
４２．１とそれが嵌合する下部セクション４２．２とに
分割して示され、蓄電池内部への通路を与える。
第１２Ａ図および第１２Ｂ図には、第１２Ａ図のセル１
１が円形断面として示される一方、第１２Ｂ図のセル１
１が六角形断面で示されている。実際上、固体電解質を
含むセルがしばしば使用され、典型的な固体電解質はβ
アルミナもしくはナシフンである。しばしば第１２Ａ図
におけるような円形断面が好適であり、βアルミナおよ
びナシコンをチューブ状に容易に加工することができる
。しかしながら、固体電解質の外側に陰極を備えるこの
種のセルに関し、第１２Ｂ図にしたがって有効な六角形
外部形状を構成することが完全に可能であり、性能止金
くまたは殆んど悪影響を与えない。
実施例 本発明の特徴を以下の実施例を参照して説明し、この実
施例は第１３図および第１４図を参照して本発明による
蓄電池と、従来のように接続するがその他は同様な対照
として使用した蓄電池との間で行なった比較試験を説明
する。
本発明による蓄電池を第１３Ａ図および第１３Ｂ図に示
し、比較を第１３Ｃ図および第１３Ｄ図に示す。第１３
Ａ−１３Ｄ図に示したセルの配列は第１図および第３　
図の配列と同様であり、特記しない限り第１図および第
３図に諸けると同様な２４１３図における部品を示すた
め同じ参照数字をイブ用する。
すなわち、第１３図において蓄電池は参照記号１０で示
し、それぞれ立体的最密充填配置における正方形輪郭の
複数の同一セル１１からなる配列を構成し、この蓄電池
は矩形の輪郭を有する。全体としての蓄電池には絶縁部
を設ける（図示しないが、たとえば第１図における参照
記号１４を参照することができる）。蓄゛亀池の配列は
二次元であり、セル１個の厚さのセル１１の偏平層から
構成される。
２Ｋ　１３　Ａ図において参照記号２８にて切断する２
つの面２６を示し、この面は蓄電池輪郭を６個のセル１
１からなる４つの群３１に分割する。群３１は互いに形
状が同一であり、それぞれセルの％を構成し、２つの切
断面２６の間に位１虚する。
第３図におけると同様に、群３１における任意特定のセ
ル１１については幾何学的および熱的に同等な位置に他
の群のそれぞれにおける同等なセル１１が存在する。た
とえば、セル１１．１は互いに同等であり、またセル１
１．２も互いに同等である（陰影により示す）。
ｇｌａＡ図におけるセル１１の４つの群３１は並列に接
続され、各群のセル１１は直列に接続される（第１３Ｂ
図をも参照）。各群におけるセルは、幾何学的および熱
的に各群のそれぞれにおけると同じ順序で接続され、し
たがって群における各セルはそれが一部を構成している
シリーズにおいて他の群における幾何学的および熱的ｉ
こ同等なセルと同じ位置を占める。シリーズの順序を第
１３Ａ図に群の最も内側のコーナーセルからこの群の最
も外側のコーナーセルまでジグザグ型として示し、これ
は全体として蓄電池輪郭に対しほぼ半径方向外方へ進行
する。
蓄電池端子を参照記号２４および２５でそれぞれ示し、
セルを相互接続するリード線を参照記号２２で示す。
第１３Ｃ図および１３Ｄ図においてセルは第１３Ａ図お
よび第１３Ｂ図と同一であり、蓄電池を形成する配列の
輪郭および幾何学的配置も同一であり、さらに絶縁も同
じである。唯一の差は、図示したようにセルを直列に接
続されたセルの４つの線状列に相互接続することであり
、これらの列（マ並列に接続される。かくして２つの同
等な外ＩＢ列と２つの内部列とが存在し、これらは幾何
学的および熱的に外側の列とは相違するが互いに均等で
ある。外側の列によると同様に封入される内側の列は使
用に際し平均して外側の列のセルよりも高い温度を有す
るセルを含む。
３５０℃の定格操作温度を有するナトリウム／硫黄高温
度セルとしてのセル１１を用いて実験を行なった。第１
３Ａ図および第１３Ｃ図に示した蓄電池をこれらのセル
から組立て、３５０℃まで加熱し、そしてこの温度で２
〜４時間浸漬して熱平衡に到達させた。次いで、これら
をそれぞれ一定の抵抗値により約４０アンＲアで放電さ
せた。
第１３Ａ図の群３１のそれぞれ、およびｇｉ、ａｃ図の
セルの列のそれぞれを流過する電流を１０分間間隔で測
定し、これらをそれぞれ第１３Ａ図および第１３Ｃ図の
蓄電池につきそれぞれ第１４Ａ図および第１４Ｂ図に時
間に対するプロットとして示した。
第１４Ａ図および第１４Ｂ図のプロットに関し、電流の
絶対値（約１０アンペア）は示されていないが、各群と
列との電流の間の差は示されていることに注目すべきで
ある。さらに、第１４Ｂ図において、２つの外側列に対
するプロットを参照記号Ｘで示し、かつ２つの内側列に
対するプロットを参照記号Ｙで示すことに注目すべきで
ある。
第１４Ａ図および第１４Ｂ図から直ちに判るように、第
１４Ａ図における電流の広がりは第１４Ｂ図におけるそ
れよりも実質的に小さく、試験の開始時における０、６
アンペアから終末時における１、５アンペアまで変化し
、これは第１４Ｂ図における開始時の３．６アンはアお
よび終末時における３、０アンペアと比較される。１ｌ
ｄＡ図における各群３１に対するプロット間には実質的
な相違が見られず、これらは全て同等に挙動する。しか
しながら、第１４Ｂ図において、２つの外側列Ｘは同様
に挙動するように見えるが、２つの内側列Ｙとは異なり
、これらの内側列は互いに同様に挙動し、これらの列Ｙ
はより低い温度およびより高い内部抵抗値を有する列Ｘ
よりも熱くかつより高い電流（より低い内部抵抗値）を
有する。
蓄電池におけるセルの並列接続した成る群が第１３Ｃ図
におけるセルの内側列の場合と同様に他のものよりも低
い内部抵抗値を有しかつ実質的により急速に放電する場
合、これらはより遅く放電する群が実質的に使用されな
い能力を有する段階で充分に放電されて蓄電池の全体的
な有効能力を全体として減少させ、かつ早期の再充電を
必要とさせる。さら屹、放！（または充電）が何らかの
理由で中断されれば、セルの各群は全体として異なる充
電状態となる。これは、蓄電池における望ましくない電
流ループおよび内部循環電流をもたらす。何故なら、よ
り高度に充電された群は、平衡に達するまで低い充電状
態を有する群を充電するよう作用するからである。これ
らの内部電流は、熱損失としてエネルギーを損失させか
つ蓄電池の非効率的使用を伴なう能力ロスをもたらす。
他方、全ての群が実質的に同じ内部抵抗値を有しかつ実
質的に同じ速度で放電する場合、上記の問題は著しく減
少され、かつ全体として強力に防止することができる。
さらに、第１３Ａ図および第１３Ｂ図はそれぞれ僅か６
個のセルを有する４つの群に分割された２４個のセルと
いう比較的少数の複数セルに関する本発明を説明してい
ることに注目すべきである。
たとえば、測子および何方というセルをシリーズで含む
群からなる測子というセルを含む大型の配列については
、個々のセルとセル群との間の差が均一となる傾向を有
し、第１４Ａ図に示したよりもずっと緊密な広がりが予
想されることが判るであろう。これに対し、本発明によ
塵ずに任意の群で接続した、成るセルが他のセルよりも
熱いようなセルを用いる場合、＠１４Ｂ図に示したもの
ｌこ比較して極めて大型の配列につき改善が期待されな
い。
本発明は、内部電流ループが最小化され、全てのセルを
同じ速度で放電することができ、かつ個々のセルの過充
電または過放電を最小化しつる蓄電池におけるセルの配
置を提供する。特に、本発明は、内部セル抵抗値がセル
温度により著しく影響を受ける高温Ｍ電池、たとえばβ
アルミナまたはナシコン固体電解質を含むナトリウム硫
黄セルにつき特に適している。極めて高い実用的な充填
密度が与えられて小さい外部表面積をもたらし、それに
より蓄電池内の熱損失および熱勾配を減少させる。低価
格が得られると共に、高い容積エネルギ密度と簡単な構
造とが得られる。
最後に、群における個々のセルをどのような特定順序で
接続するかということは原則として問題でないが、好都
合にはすぐ隣りのセルを互いに接続してこれらヤシ間の
電圧差を低く保つことによ第７図は本発明による蓄′Ｅ
Ｅ池の略回路図であり、第８Ａおよび８Ｂ図は本発明に
よる蓄電池のセルに対するさらに他の六角形最密充填−
配列図であり、 第９図は本発明による蓄電池用のセルのさらに他のセル
配列図であり、 第１０図は本発明による六角形最密充填セルからなる蓄
電池セル配列の平面図であり、第１１図は本発明による
蓄電池のｉｉｂ線断面図であり、 第１２Ａおよび１２Ｂ図は本発明ζこよる蓄電池に使用
するためのセルの端面図であり、ｚｘ　ａＡ図は比較試
験に使用する本発明によるセルの比較的小さい配列から
なる蓄電池の第３図と同様な図であり、 第１３Ｂ図は第１３Ａ図の蓄電池の回路図であり、 第１３Ｃ図は第１３Ａ図の配列と同様であるが、この第
１３Ａ図の蓄電池と比較するための対照として使用する
、常法で蓄電池に接続したセルを示す配列図であり、 第１３Ｄ図は第１３Ｃ図の蓄電池の回路図であり、 第１４Ａ図は第１３Ａ図の蓄電池における放電のための
電流対時間のプロット図であり、第１４Ｂ図は第１３Ｃ
図の蓄電池における放電の同様なプロット図である。
１０・・・・・・蓄電池、　　　　　１１・・・・・・
セル、１４・・・・・・ハウジング、　　　１６・・・
・・・面、１８．２０・・・・・・群、　　　　　２２
・・・・・・リート線、２４．２５・・・・・・端子。
Ｆｌ（ｉ、　２　ＣＦＩＧ、　２　Ｄ ＦＩＧ、２Ｇ　　　　　　　　　　ＦＩＧ、　２Ｈ０ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、６Ａ ＦＩＧ、　　５Ｃ ＦＩＧ、１１ ＦＩＧ、　＋２Ａ　　　　　　　　ＦＩＧ、１２　Ｂ１
０ ＦＩＧ　　１３ｃ ＦＩＧ　　１３Ａ ′／１０ ＦＩＧ　　１３Ｂ ＩＧ１３Ｄ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）　　内部抵抗値が温度と共に変化する複数の相互
    接続されたほぼ同一の電気化学的蓄電セルからなり、こ
    れらセルを複数の群に相互接続して各群を複数のセルで
    構成し、これらセルの少なくとも幾つかを直列に接続す
    ると共に前記群を並列に接続し、使用に際し蓄電池はそ
    のセルの少なくとも幾つかが互いに異なる温度となるよ
    うな温度輪郭を有し、かつ各群のセルを使用に際し各群
    が他の各群とほぼ同じ内部抵抗値を有するように位置せ
    しめかつ相互接続してなる蓄電池。
  2. （２）セルの各群が他の群と同じ個数のセルを備え、使
    用に際し各群におけるセルの少なくとも幾つかが異なる
    温度を有する、特許請求の範囲第１項記載の蓄電池。
  3. （３）各群が、使用の際の特定温度において、任意の他
    の群と同じ個数のセルを備える、特許請求の範囲第２項
    記載の蓄電池。
  4. （４）使用に際し特定温度を有する各セルが、これが含
    まれる群を構成するシリーズにおいて同じ位置を占める
    。特許請求の範囲第３項記載の蓄電池。
  5. （５）電池のセルを実質的に二次元配列として配置し、
    この配列は２個以下のセルの厚さのセル層から構成する
    、特許請求の範囲第４項記載の蓄電池。
  6. （６）配列が偏平であり、かつこの配列に対し垂直な少
    なくとも１つの幾何学的平面により群に分割しうる輪郭
    を有し、各群が任意の他の群とほぼ同じ幾何学的なセル
    の配置を有し、使用に際しほぼ同じ温度を有するセルが
    各群において同じ幾何学的位置を占める、特許請求の範
    囲第５項記載の蓄電池。
  7. （７）セルを幾何学上規則的な最密充填配列として配置
    してなる、特許請求の範囲第６項記載の蓄電池。
  8. （８）配列に対し垂直方向に見た輪郭として、各セルが
    正多面体である、特許請求の範囲第７項記載の蓄電池。
  9. （９）各セルをすぐ隣りのセルに接続してなる、特許請
    求の範囲第７項または第８項記載の蓄電池。 α０）実質的に本明細書及び図面に記載された蓄電池。
JP5079284A 1983-03-16 1984-03-15 蓄電池 Expired - Lifetime JPH065631B2 (ja)

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ZA83/1837 1983-03-16
ZA831837 1983-03-16

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