(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池である複数個の単位電池を電気的に接続した組電池であって、
前記単位電池は、複数の単電池と、単一の樹脂電槽とを備え、前記複数の単電池は、隔壁で隔てられ互いに電気的に接続されており、かつ、前記電槽内に収納され、各単電池は極板群と電解液を含み、前記電槽は、内圧に応じて作動する１個の安全弁とを備えており、
前記安全弁の作動圧は、前記組電池の均等充電時における前記電槽の最大内圧よりも低く、且つ前記組電池の均等充電前後における重量変化が、電池容量１Ａｈ当たりに換算して０．０１５ｇ以下となるように設定されていることを特徴とする組電池。
【請求項２】
前記電槽内の電解液量が、１．３〜８．０ｇ／Ａｈである請求項１に記載の組電池。
【請求項３】
前記安全弁の作動圧が、２０〜６０℃の温度条件下で、０．３〜０．８ＭＰａとなるように設定されている請求項１または２に記載の組電池。
【請求項４】
自動車の走行駆動電源として使用される請求項１〜３のいずれかに記載の組電池。
【請求項５】
前記安全弁の作動圧と、前記組電池の均等充電時における前記電槽の最大内圧との差が、２０〜６０℃の温度条件下において、０．２〜０．５ＭＰａである請求項１〜４のいずれかに記載の組電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大容量二次電池は、例えば自動車用または据置用など、高エネルギー、高出力を要求される各種用途に適用されている。特に最近では、電気自動車（ＰＥＶ）や、エンジンと電動機とを備えたいわゆるハイブリッド車両（ＨＥＶ）において、電動機を駆動する際の主電源としても利用され、地球環境保護およびエネルギー資源の有効利用の要求が増大するなかで、今後の需要が大いに期待される。
【０００３】
ＰＥＶやＨＥＶの走行駆動電源として使用される大容量二次電池としては、複数の単電池を含む単位電池を、更に複数接続して構成した組電池が使用される。単位電池は、単電池の数に対応した複数の極板群を、電解液とともに、電槽内に収納して構成されている。電槽の開口部は電槽蓋で閉じられており、この電槽蓋には、電槽内圧が過度に上昇した場合に電槽内のガスを放出するための安全弁が設けられている。
【０００４】
特に、ＨＥＶ用として使用される組電池の場合、車両走行の通常時においては、ＳＯＣ（state of charge）が３０〜７５％の範囲内で充放電が繰り返し行われる。走行時間の経過につれて、個々の単位電池間にＳＯＣのばらつきが生じた場合には、これを解消するため、使用期間中に定期的に、ＳＯＣが１００〜１２０％となる均等充電を行う必要がある。しかし、均等充電時においても電槽の内圧が上昇する場合があった。均等充電時の内圧上昇の度毎に安全弁が開いた場合には、ガスの放出とともに電解液が排出され、電池の特性に悪影響を及ぼすことが懸念された。そこで、従来の組電池においては、図５に示すように、安全弁の作動圧が、この均等充電時における最大電槽内圧よりも高くなるように、０．９５〜１．０５ＭＰａ程度に設定されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示すように、高温条件下では、均等充電時の内圧が電槽耐圧よりも高くなる場合がある。しかしながら、従来の組電池は、このような高温条件下において、均等充電時の内圧上昇を抑制する手段を有していないため、電槽の変形を招くおそれがあった。
【０００６】
この問題を解決する方法としては、電槽の厚みを大きくすることによって、電槽の耐圧を向上させることが考えられる。しかし、電槽の厚みを大きくすると放熱性が低下するため、電池温度が上昇し易くなるという悪循環を生じる。加えて、電池サイズが大きくなる、コストが高くなるなどの問題も生じる。
【０００７】
本発明は、電槽厚みの増大を招くことなく、電槽強度に対する信頼性を向上させた組電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、均等充電時に安全弁が作動して電解液が排出される量と、安全弁の作動圧設定値との関係を鋭意調べた結果、安全弁の作動圧の設定値をある一定の範囲にすれば、電解液の排出量が一定レベル以下に抑えられ、電池の特性に著しい影響を及ぼさないことを見出した。
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明の第１の組電池は、二次電池である複数個の単位電池を電気的に接続した組電池であって、前記単位電池が、極板群および電解液と、これらを収納する電槽と、前記電槽の内圧に応じて作動する安全弁とを備えており、均等充電時の電槽の最大内圧以下で少なくとも１つの前記単位電池において前記安全弁が開くように、前記安全弁の作動圧が設定されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成にしたことにより、均等充電時に、均等充電時の電槽の最大内圧に達した時または達する前に、少なくとも１つの安全弁が開弁し、電槽の内圧の上昇が抑制される。また、安全弁の作動圧を、高温条件下においても、電槽の耐圧よりも低く設定することが可能となる。そのため、電槽厚みの増大を招くことなく、電槽強度に対する信頼性を向上させることができる。
【００１１】
前記第１の組電池においては、組電池の均等充電前後における重量変化が、電池容量１Ａｈ当たりに換算して０．０１５ｇ以下となるように、前記安全弁の作動圧が設定されていることが好ましい。この好ましい例によれば、電槽強度に対する信頼性を向上させ、尚且つ、均等充電による電解液減少に伴った電池特性の過度の低下を抑制することができる。なお、「均等充電前後における重量変化」とは、１回の均等充電についての重量変化を意味する。
【００１２】
また、前記第１の組電池においては、前記安全弁の作動圧が、２０〜６０℃の温度条件下で０．３〜０．８ＭＰａとなるように設定されていることが好ましい。
【００１３】
次に、本発明の第２の組電池は、二次電池である複数個の単位電池を電気的に接続した組電池であって、前記単位電池が、極板群および電解液と、これらを収納する電槽と、前記電槽の内圧に応じて作動する安全弁とを備えており、前記電槽内の電解液量が１．３〜８．０ｇ／Ａｈであり、且つ、前記安全弁の作動圧が２０〜６０℃の温度条件下で０．３〜０．８ＭＰａであることを特徴とする。
【００１４】
このような構成にしたことにより、安全弁の作動圧を高温条件下においても、電槽の耐圧よりも低く設定することが可能となり、電槽厚みの増大を招くことなく、電槽強度に対する信頼性を向上させることができる。尚且つ、十分な電解液量が維持されているため、電池特性の過度の低下を抑制することができる。
【００１５】
本発明の第１および第２の組電池は、高温条件下における電槽強度に対する信頼性が高いため、特に、自動車の走行駆動電源として使用されるのに好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る組電池は、ニッケル・水素二次電池などの二次電池である複数個の単位電池が、互いに電気的に接続された構造を有している。なお、単位電池の個数については、特に限定するものではなく、所望の電池容量などに応じて適宜決定することができる。
【００１７】
図２は、単位電池の構造の一例を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は、それぞれ単位電池の平面図および正面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ’方向の断面図である。
【００１８】
単位電池１０は、電槽２内に複数の単電池１を収納し、これらを互いに電気的に接続した構造を有している。なお、単電池１の個数については、特に限定するものではなく、所望の電池容量などに応じて適宜決定することができる。
【００１９】
単電池１は、それぞれ、極板群３を備えている。極板群３においては、複数の正極板３ａと複数の負極板３ｂとが、セパレータ３ｃを介して交互に積層している。また、正極板３ａ同士および負極板３ｂ同士は、それぞれ、正極集電板４および負極集電板５によって電気的に接続されている。
【００２０】
正極板３ａとしては、例えば、多孔質基板に水酸化ニッケルを担持させたものが使用される。負極板３ｂとしては、例えば、多孔質基板にＡＢ5型またはＡＢ2型（ここで、Ａは典型金属元素であり、Ｂは遷移金属元素である。）の水素吸蔵合金を担持させたものが使用される。また、セパレータ３ｃとしては、例えば、多孔質膜、不織布、織布などを使用され、その材質としては、例えば、ポリオレフィン、ポリアミドなどが使用される。
【００２１】
電極群３は、電解液とともに電槽２に収納されている。電解液としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ性水溶液が使用される。
【００２２】
電槽２内において、複数の単電池１は互いに隔壁２ａで隔てられている。単電池１同士の接続は、例えば、互いに隣接する単電池の正極集電体４と負極集電板５とを、隔壁２ａに設けた接続孔を通して接続することにより実施される。また、単位電池の一方の端部に配置された単電池の正極集電板４は、正極外部端子６と電気的に接続され、他方の端部に配置された単電池の負極集電体５は、負極外部端子７と電気的に接続されている。
【００２３】
電槽２としては、例えば、ポリプロピレンなどの樹脂を使用することができる。電槽２の形状は特に限定されるものではなく、例えば、角形などの形状が挙げられる。また、電槽２の外面には、放熱性を向上させるため、リブが形成されていることが好ましい。
【００２４】
電槽２の耐圧は、温度条件により変化するが、室温（２５℃）において、例えば１．２ＭＰａ以上である。また、６０℃の条件下においても、例えば０．７ＭＰａ以上である。
【００２５】
電槽２の開口部は電槽蓋８で閉じられている。この電槽蓋８は、電槽の内圧に応じて作動する安全弁９を備えている。安全弁９は復帰式であれば、その構造について、特に限定されるものではない。
【００２６】
安全弁９は、例えば、図４に示すように、電槽蓋に接合された弁座１１と、弁座１１上に配置された弾性弁体１２と、弾性弁体１２上に配置された蓋１３とを備えた構造とすることができる。弁座１１の底面には、電槽内部と連通する通気孔１１ａが形成されている。また、弾性弁体１２は、位置規制のためのリング１４を備えている。これにより、弾性弁体１２は、弁座１１の通気孔１１ａを塞いで、電槽を気密状態とするような位置に配置される。また、蓋１３には、排気孔１３ａが形成されている。
【００２７】
安全弁９の動作について説明する。まず、電槽の内圧が上昇して安全弁の作動圧を超えると、弾性弁体１２が圧縮される。これにより、電槽内の気密状態が解かれ、電槽内のガスが排気孔１３ａから排気される。また、排気によって電槽の内圧が低下して安全弁の作動圧を下回ると、弾性弁体１２が圧縮前の状態に戻る。これにより、電槽内が再び気密状態となり、排気が停止する。
【００２８】
安全弁の作動圧は、通常、組電池を構成する全ての単位電池において同じ圧力に設定される。図１は、本発明の組電池における安全弁の作動圧と電槽耐圧との関係の一例を示す図である。
【００２９】
図１の一点鎖線は、安全弁を作動させない状態で均等充電を実施したときの、電槽内圧が最大となる単位電池における最大内圧（以下、「均等充電時の最大内圧」という。）の一例を示している。
【００３０】
均等充電は、組電池の使用中に、各単位電池のＳＯＣのばらつきが一定値以上となった場合に、このばらつきを低減するために実施される充電である。この均等充電は、各単位電池のＳＯＣが１００％以上となるような条件で実施されることがある。そして過充電となった場合には、各単位電池において電槽内圧の上昇を生じさせる。
【００３１】
均等充電を安全弁が作動しない状態で実施すると、電槽内圧が最大となる単位電池においては、その電槽内圧の最大値が、例えば０．８〜０．９ＭＰａに達する。すなわち、均等充電時の最大内圧は、例えば０．８〜０．９ＭＰａである。
【００３２】
本発明の組電池において、安全弁の作動圧は、この均等充電時の最大内圧に達した時または達する前でも開弁するように設定されており、図１に示す例では、均等充電時の最大内圧よりも低くなるように設定されている。
【００３３】
安全弁の作動圧と、均等充電時の最大内圧との差は、温度条件によって変化するが、少なくとも２０〜６０℃の温度条件下において、例えば、０．２〜０．５ＭＰａである。
【００３４】
このように、本発明の組電池においては、安全弁の作動圧が均等充電時の最大内圧よりも低く設定されるため、均等充電時の最大内圧に達した時または達する前には、少なくとも１つの単位電池において安全弁が開き、電槽内の物質が外部に放出されることがある。
【００３５】
安全弁の作動圧の下限は、例えば、均等充電時に外部に放出される可能性がある物質の量、すなわち、均等充電前後における電池重量の減少量で規定することができる。具体的には、前記減少量が、電池容量１Ａｈ当たり、例えば０．０１５ｇ以下となるように設定される。なお、前記減少量の下限は、特に限定するものではなく、０ｇを超える値である。
【００３６】
以上のことから、安全弁の作動圧は、２０〜６０℃の温度範囲において、例えば０．３〜０．８ＭＰａ、好ましくは０．４〜０．６ＭＰａとなるように設定される。また、６０〜８５℃の温度範囲において、例えば０．４５〜０．６５ＭＰａとなるように設定される。
【００３７】
本発明の組電池によれば、安全弁の作動圧を均等充電時の最大内圧よりも低くすることにより、高温条件下においても、安全弁の作動圧を電槽耐圧よりも低く設定することができる。具体的には、安全弁の作動圧を、例えば７０℃以下、好ましくは８５℃以下の温度範囲において、電槽耐圧よりも低くなるように設定することができる。その結果、高温条件下においても電槽強度の信頼性を向上させることができる。
【００３８】
そのため、本発明の組電池は、高温条件下における電槽強度の信頼性が特に問題となる用途、すなわち組電池を多数の単位電池で構成する必要のある用途に好適である。具体的には、自動車の走行駆動電源としての用途に好適である。
【００３９】
自動車の走行駆動電源として使用される場合、本発明の組電池は、例えば２０〜５０個の単位電池で構成される。この単位電池は、例えば２〜１０個、好ましくは４〜８個の単電池で構成される。
【００４０】
また、自動車の走行駆動電源として使用される場合、本発明の組電池のエネルギー密度は、好ましくは７．５〜８．５Ｗｈ／Ｋｇに設定される。また、出力密度は、好ましくは５００〜６００Ｗ／Ｋｇに設定される。また、電池容量は、単電池１個当たり、例えば６．５〜７．２Ａｈである。
【００４１】
【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、均等充電時に、均等充電時の電槽の最大内圧に達する時または達する前に、少なくとも１つの安全弁が開弁し、電槽の内圧の上昇が抑制される。そのため、電槽厚みの増大を招くことなく、電槽強度に対する信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の組電池における安全弁の作動圧と電槽耐圧との関係の一例を示す図である。
【図２】  本発明の組電池を構成する単位電池の一例を示す平面図及び正面図である。
【図３】  本発明の組電池を構成する単位電池の一例を示す断面図である。
【図４】  安全弁の構造の一例を示す断面図である。
【図５】  従来の組電池における安全弁の作動圧と電槽耐圧との関係の一例を示す図である。
【符号の説明】
１          単電池
２          電槽
３          極板群
４、５      集電板
６、７      外部端子
８          電槽蓋
９          安全弁
１０        単位電池
【図１】
0005047412.tif 000002
【図２】
0005047412.tif 000003
【図３】
0005047412.tif 000004
【図４】
0005047412.tif 000005
【図５】
0005047412.tif 000006