(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂製の電槽を有する単位電池を複数積層する工程と、
積層された前記単位電池を拘束するために２つのエンドプレートを準備する工程と、
前記単位電池の個数、前記単位電池の圧縮率、前記電槽の剛性を変化させて前記電槽の膨張限界を超える不可逆的な変形が前記電槽に生じないように複数の単位電池のＦ−Ｓ曲線のつりあい位置Ｐを設定する工程と、
前記電槽の膨張限界を超える不可逆的な変形が前記電槽に生じないような最大の拘束力である閾値を前記つりあい位置Ｐに基いて決定し、前記閾値以下の力で前記単位電池を拘束する拘束力を決定する工程と、
前記単位電池を拘束後に、前記電槽が前記拘束力により圧縮された状態となるように、前記拘束力で複数の単位電池を前記２つのエンドプレートにより拘束する工程とを有し、
それぞれの単位電池の前記Ｆ−Ｓ曲線は、前記単位電池に加えられた荷重Ｆと、前記単位電池の幅Ｓとの関係を示し、
前記つりあい位置Ｐは、複数の前記単位電池のＦ−Ｓ曲線の交点であって、複数の前記単位電池の荷重が一致している組電池の製造方法。
【請求項２】
積層された複数の単位電池を２つのエンドプレートにより拘束する際の拘束力を決定する組電池における拘束力の設計方法において、
前記単位電池の個数、前記単位電池の圧縮率、前記単位電池の電槽の剛性を変化させて前記電槽の膨張限界を超える不可逆的な変形が前記電槽に生じないように複数の単位電池のＦ−Ｓ曲線のつりあい位置Ｐを設定し、前記電槽の膨張限界を超える不可逆的な変形が前記電槽に生じないような最大の拘束力である閾値を決定し、前記閾値以下の大きさの拘束力を決定し、
それぞれの単位電池の前記Ｆ−Ｓ曲線は、前記単位電池に加えられた荷重Ｆと、前記単位電池の幅Ｓとの関係を示し、
前記つりあい位置Ｐは、複数の前記単位電池のＦ−Ｓ曲線の交点であって、複数の前記単位電池の荷重が一致している組電池における拘束力の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の単電池を備える組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高容量、高電圧を必要とする機器にも二次電池が多く使われるようになっている。これらの機器には、多数の二次電池を直列または並列に接続した組電池が用いられている。このような組電池としては、複数の極板群を１つの電槽の内部に収納するモノブロック方式の組電池と、複数の単電池（二次電池）をエンドプレートや拘束バンドを用いて拘束して１つの組電池を構成する拘束方式の組電池とがある。モノブロック方式は、極板群が１０個程度までであれば体積効率がよく有効な方法であるが、それ以上の個数の極板群を用いて組電池とする場合には冷却効率が悪くなるという問題がある。
【０００３】
一方、拘束方式では、電槽にリブなどの凸部を形成したり電槽間にスペーサを配置したりすることによって、冷却効率を高めることができる。また、単電池の１つに不具合が発生した場合でも、問題となる単電池のみを交換すればよく、作業効率などの点で優れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の拘束方式を用いた組電池では、１つの単電池の電槽が膨張すると、この膨張によって発生した荷重を周囲の正常な単電池が受けることになり、電槽が不可逆的に変形してしまうおそれがあった。特に、電槽の側面のうち極板群が配置されている部分の側面に凸部が形成されていない場合には、極板群の膨張による電槽の膨張が進みやすく、電槽が特に不可逆的に変形する恐れがあるという問題があった。
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、電槽の所定以上の不可逆的な変形を抑制できる組電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の組電池の製造方法は、樹脂製の電槽を有する単位電池を複数積層する工程と、積層された前記単位電池を拘束するために２つのエンドプレートを準備する工程と、前記単位電池の個数、前記単位電池の圧縮率、前記電槽の剛性を変化させて前記電槽の膨張限界を超える不可逆的な変形が前記電槽に生じないように複数の単位電池のＦ−Ｓ曲線のつりあい位置Ｐを設定する工程と、前記電槽の膨張限界を超える不可逆的な変形が前記電槽に生じないような最大の拘束力である閾値を前記つりあい位置Ｐに基いて決定し、前記閾値以下の力で前記単位電池を拘束する拘束力を決定する工程と、前記単位電池を拘束後に、前記電槽が前記拘束力により圧縮された状態となるように、前記拘束力で複数の単位電池を前記２つのエンドプレートにより拘束する工程とを有し、それぞれの単位電池の前記Ｆ−Ｓ曲線は、前記単位電池に加えられた荷重Ｆと、前記単位電池の幅Ｓとの関係を示し、前記つりあい位置Ｐは、複数の前記単位電池のＦ−Ｓ曲線の交点であって、複数の前記単位電池の荷重が一致している。上記組電池によれば、電槽の所定以上の不可逆的な変形を抑制できる組電池が製造できる。
【０００７】
また、上記目的を達成するため、本発明の組電池における拘束力の設計方法は、積層された複数の単位電池を２つのエンドプレートにより拘束する際の拘束力を決定する組電池における拘束力の設計方法において、前記単位電池の個数、前記単位電池の圧縮率、前記単位電池の電槽の剛性を変化させて前記電槽の膨張限界を超える不可逆的な変形が前記電槽に生じないように複数の単位電池のＦ−Ｓ曲線のつりあい位置Ｐを設定し、前記電槽の膨張限界を超える不可逆的な変形が前記電槽に生じないような最大の拘束力である閾値を決定し、前記閾値以下の大きさの拘束力を決定し、それぞれの単位電池の前記Ｆ−Ｓ曲線は、前記単位電池に加えられた荷重Ｆと、前記単位電池の幅Ｓとの関係を示し、前記つりあい位置Ｐは、複数の前記単位電池のＦ−Ｓ曲線の交点であって、複数の前記単位電池の荷重が一致している。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【０００９】
本発明の組電池について一例の組電池１０を図１に示す。図１を参照して、組電池１０は、積層された複数の単位電池２０と、単位電池２０の積層方向の両端に配置された２枚のエンドプレート１１と、２枚のエンドプレート１１を接続するように配置された拘束バンド１２とを備える。
【００１０】
エンドプレート１１は、たとえば、ステンレス、ニッケルメッキした鉄などの金属製の板である。拘束バンド１２は、同材質の板材、棒材などからなる。
【００１１】
単位電池２０の斜視図を図２に示す。図２を参照して、単位電池２０は、蓋２１で封口された一体電槽２２と、一体電槽２２に配置された電極端子２３と、蓋２１に配置された安全弁２４とを備える。
【００１２】
蓋２１および一体電槽２２は、ＰＰ、ＰＰＥ、またはＡＢＳなどの樹脂からなる。
【００１３】
一体電槽２２は、側面のうち面積が最も大きい側面２２ａに、一定間隔で配置された複数のリブ２５を備える。このリブ２５は、図３で示す単電池の隔壁３１に対応する位置に形成されており、各リブ２５は、側面２２ａからの高さが略等しい。また、蓋２１および一体電槽２２は、側面２２ａ上であって、蓋２１と一体電槽２２との境界部分に、複数の凸部２６を備える。また、一体電槽２２は、側面２２ａに、複数の凸部２７を備える。リブ２５、凸部２６および２７は、組電池１０において、隣接する単位電池２０と接触する凸部である。リブ２５、凸部２６および２７（特に、リブ２５）は、組電池１０において、エンドプレート１１によって与えられる荷重を隣接する単位電池２０に伝達する手段として機能する。また、リブ２５、凸部２６および２７は、隣接する単位電池２０間に空間を形成することによって、単位電池２０の冷却を容易にする手段として機能する。
【００１４】
一体電槽２２の側面２２ａに平行な方向における組電池１０の断面図を図３に示す。単位電池２０は、一体電槽２２内に、複数の隔壁３１によって隔てられた複数の電槽３２を備える。リブ２５は、隔壁３１に対応する位置に形成されている。電槽３２内には、極板群３３と電解液（図示せず）とが配置されており、各電槽３２が単電池を構成する。なお、隔壁３１は、一体電槽２２の底面から、蓋２１近傍まで形成されている。
【００１５】
図３の線Ａ−Ａ部分における極板群３３の断面図を、図４に示す。図４を参照して、極板群３３は、セパレータ３４を挟んで交互に積層された複数の正極板３５と複数の負極板３６とを備える。図４のように、極板群３３は、側面２２ａと平行な方向に正極板３５と負極板３６とが配置されている。すなわち、極板群３３では、側面２２ａに対して垂直な方向に正極板３５と負極板３６とが積層されている。正極板３５および負極板３６には、それぞれ、一般の二次電池に用いられる正極板および負極板を用いることができる。具体的には、たとえば、水酸化ニッケルを含む正極板や水素吸蔵合金を含む負極板を用いることができる。
【００１６】
以上のように、組電池１０においては、複数の単位電池２０が、隣接する単位電池２０と側面２２ａを対向させるように積層され、エンドプレート１１および拘束バンド１２によって拘束・固定される。エンドプレート１１は、積層された単位電池２０の両端に配置されると共に拘束バンド１２によって拘束される。単位電池２０は、正極板３５と負極板３６とが積層されている方向と等しい方向に積層される。
【００１７】
電池は過充電、過放電の際に内圧が上昇する。複数個の電池が同時に内圧が上昇する場合、その荷重は打ち消し合って電池は初期の拘束寸法を維持する。ところが複数個の電池のうち数個のみ内圧が上昇した場合は内圧が上昇した電池のみが膨張し、他の内圧が上昇していない電池が圧縮されることで膨張側の電池はさらに膨張する。また、一体電槽２２には膨張限界があり、この限界を超える膨張が発生すると、一体電槽２２に所定以上の不可逆的な変形が生じることになる。一体電槽２２の膨張に影響を与える要因として、拘束される単位電池２０の個数、単位電池２０の圧縮率、および一体電槽２２の剛性、電池内圧がある。電池内圧は電池性能面からの決定要因が大きいため電池膨張の制御因子として扱うことは困難である。よって残りの３つの因子で電池膨張を限界以下となるように制御する必要がある。以下拘束される単位電池２０の個数、単位電池２０の圧縮率、および一体電槽２２の剛性を変化させる影響について、順に説明する。
【００１８】
まず、単位電池２０の個数を変化させることによる影響について説明する。図５（ａ）に、１個の単位電池２０を２枚のエンドプレート１１で挟んだ場合を模式的に示す。ここでは、拘束前の単位電池２０の幅Ｓ（側面２２ａに形成されたリブ２５の最も高い部分と、反対側の側面２２ａに形成されたリブ２５の最も高い部分との距離）が、１９．８ｍｍである場合を説明する。このときの、単位電池２０に加えられる荷重Ｆと、単位電池２０の幅Ｓとの関係（以下、荷重Ｆと幅Ｓとの関係を表す曲線をＦ−Ｓ曲線という場合がある）について図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）に示すように、荷重Ｆを変化させると幅Ｓが変化する。
【００１９】
図６（ａ）に、単位電池２０ａと単位電池２０ｂとを２枚のエンドプレート１１で挟んだ場合を模式的に示す。単位電池２０ａと単位電池２０ｂとは、単位電池２０と同様の単位電池である。ここで、拘束前の単位電池２０ａの幅Ｓが１９．６５ｍｍであり、拘束前の単位電池２０ｂの幅Ｓが１９．８ｍｍである。図６（ａ）では、２枚のエンドプレート１１間の距離が３９ｍｍになるように単位電池２０ａおよび２０ｂを拘束している。このとき、拘束された単位電池２０ａおよび２０ｂのそれぞれの幅Ｓがどうなるかについては、両者のＦ−Ｓ曲線を用いて求めることができる。単位電池２０ａのＦ−Ｓ曲線と単位電池２０ｂのＦ−Ｓ曲線とをそれぞれ、図６（ｂ）中の線（ａ）（ｂ）で表す。図６（ｂ）では、単位電池２０ａの幅Ｓと単位電池２０ｂとの幅Ｓとの合計が３９ｍｍ（１９．５ｍｍ×２）となるように、単位電池２０ａと単位電池２０ｂとでＦ−Ｓ曲線の横軸を反転させている。図６（ｂ）で、単位電池２０ａと単位電池２０ｂのＦ−Ｓ曲線が交わった部分が、両者の単位電池の荷重が一致するつりあい位置Ｐ（２本のＦ−Ｓ曲線の交差点）である。図６（ｂ）から、拘束後は、単位電池２０ａの幅Ｓが１９．４ｍｍとなり、単位電池２０ｂの幅Ｓが１９．６ｍｍとなることがわかる。ここで、単位電池２０の幅Ｓが一体電槽２２の所定以上の不可逆的な変形の限界を超えて大きくなると、一体電槽２２が所定以上の不可逆的な変形が発生してしまうことになる。このため、幅Ｓが一体電槽２２の所定以上の不可逆的な変形の限界を超えないような位置につりあい位置Ｐがくるようにすることによって、一体電槽２２の所定以上の不可逆的な変形を防止できる。そして、つりあい位置Ｐは、拘束力を変化させることによって、その位置を変化させることができる。以上のように、組電池１０では、一体電槽２２が所定以上の不可逆的な変形を生じないような閾値以下の拘束力で各電池が拘束される。
【００２０】
図７（ａ）に、単位電池２０ｃと単位電池２０ｄと単位電池２０ｅとを２枚のエンドプレート１１で挟んだ場合を模式的に示す。単位電池２０ｃ〜２０ｅは、単位電池２０と同様の単位電池である。ここで、拘束前の単位電池２０ｃおよび２０ｄの幅Ｓは１９．６５ｍｍであり、拘束前の単位電池２０ｅの幅が１９．８ｍｍである。図７（ａ）では、２枚のエンドプレート１１間の距離が５８．５ｍｍ（１９．５ｍｍ×３）になるように単位電池２０ｃ〜２０ｅを拘束している。この場合、単位電池２０ｃと単位電池２０ｄとは、同じだけ圧縮される。このため、単位電池２０ｃと単位電池２０ｄとを合計した仮想の単位電池２０ｃｄのＦ−Ｓ曲線は、単位電池２０ｃのＦ−Ｓ曲線の横軸を倍にした曲線となる。単位電池２０ｃ、仮想の単位電池２０ｃｄおよび単位電池２０ｅのＦ−Ｓ曲線を、それぞれ、図７（ｂ）中の線（ｃ）および（ｄ）、線（ｃｄ）、および線（ｅ）に示す。図７（ｂ）から明らかなように、つりあい位置Ｐにおける単位電池２０ｅ（他の単位電池よりも幅Ｓが大きい単位電池であり、以下、膨張側電池という場合がある）の幅Ｓは、拘束される単位電池２０が２個の場合に比べて大きくなる。このように、拘束電池数を変化させることによって、つりあい位置Ｐにおける膨張側電池の膨張率を変化させることができる。たとえば、拘束電池の個数を減らすことによって、つりあい位置Ｐにおける膨張電池の幅Ｓを小さくすることができ、これによって、一体電槽２２に所定以上の不可逆的な変形が生じることを防止できる。
【００２１】
次に、電池の圧縮率を変化させることによる影響について説明する。図６で説明した単位電池２０ａおよび２０ｂのＦ−Ｓ曲線を図８（ａ）に示す。図８（ａ）中、単位電池２０ａの初期のＦ−Ｓ曲線を線（ａ−１）に、電池の圧縮率を増大させたときのＦ−Ｓ曲線を線（ａ−２）に、電池の圧縮率をさらに増大させたときのＦ−Ｓ曲線を線（ａ−３）に示す。また、単位電池２０ｂのＦ−Ｓ曲線を、図８（ａ）中の線（ｂ）で示す。図８（ａ）のように、電池の圧縮率を変化させることによってＦ−Ｓ曲線の傾きを変化させることができる。すなわち、拘束される単位電池２０の圧縮率を変化させることによって、つりあい位置Ｐにおける単位電池２０の幅Ｓを変化させることができる。なお、拘束される単位電池２０の数が３個以上である場合にも、同様に単位電池２０の圧縮率を変化させることによって、Ｆ−Ｓ曲線の傾きを変化させることができる。この場合の、拘束される単位電池が３個である場合のＦ−Ｓ曲線を、図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）中、線（ｃｄ−１）は、図７で説明した仮想の単位電池２０ｃｄの初期のＦ−Ｓ曲線であり、単位電池２０ｃｄが圧縮されるにしたがって、線（ｃｄ−２）、線（ｃｄ−３）へと変化する。
【００２２】
次に、一体電槽２２の剛性を変化させることによる影響について説明する。単位電池２０に加わる荷重は、極板群３３からの荷重と一体電槽２２からの荷重とに分けられる。各荷重とＦ−Ｓ曲線との関係を図９に模式的に示す。ここで、電池の設計によって極板群のＦ−Ｓ特性を変化させることは困難であるが、一体電槽２２からの荷重はコントロール可能である。そして、一体電槽２２の剛性を変化させる方法としては、隔壁３１の高さ（電槽３２の底から蓋２１方向への高さ）や、隔壁３１の厚さや、一体電槽２２の材料（一体電槽２２のヤング率）を変化させることなどが挙げられる。そして、一体電槽２２の剛性を変化させることによって、つりあい位置Ｐにおける単位電池の幅Ｓを変化させることができる。たとえば、一体電槽２２の剛性を高くすると、Ｆ−Ｓ曲線の傾きが大きくなり、つりあい位置Ｐにおける膨張側電池の幅Ｓが小さくなる。
【００２３】
本発明の組電池１０は、上記要素を考慮して一体電槽２２に所定以上の不可逆的な変形が生じない最大の拘束力（閾値Ａ）を求め、閾値Ａ以下の拘束力で単位電池２０を拘束している。したがって、本発明の組電池１０では、一体電槽２２に所定以上の不可逆的な変形が生じることを防止できる。
【００２４】
なお、別の見方によれば、本発明は、組電池の設計方法（製造方法）に関する。すなわち、本発明の組電池の設計方法は、拘束される単位電池のＦ−Ｓ曲線から、つりあい位置Ｐにおける単位電池の幅Ｓが一体電槽の所定以上の不可逆的な変形の限界を超えないように、拘束力、２枚のエンドプレート間の距離、単位電池の個数、単位電池の圧縮率、および一体電槽の剛性を変化させる設計方法である。
【００２５】
なお、上記実施形態では、拘束される電池が、複数の単電池（極板群を１つだけ備える電池）を備える単位電池である場合について説明したが、拘束される電池が単電池であってもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の組電池によれば、電槽の所定以上の不可逆的な変形が生じることを防止できる組電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の組電池について一例を示す斜視図である。
【図２】  本発明の組電池に用いられる単位電池について一例を示す斜視図である。
【図３】  図２の単位電池の一部断面図である。
【図４】  図２の単位電池の一部断面図である。
【図５】  本発明の拘束方法を説明する模式図である。
【図６】  本発明の拘束方法を説明する他の模式図である。
【図７】  本発明の拘束方法を説明する他の模式図である。
【図８】  本発明の拘束方法を説明するその他の模式図である。
【図９】  本発明の拘束方法を説明するその他の模式図である。
【符号の説明】
１０  組電池
１１  エンドプレート
１２  拘束バンド
２０  単位電池
２１  蓋
２２  一体電槽（電槽）
２３  電極端子
２４  安全弁
２５  リブ
２６、２７  凸部
３１  隔壁
３２  電槽
３３  極板群
３５  正極板
３６  負極板
【図１】
0004700783.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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