(57)【要約】【課題】万が一に電解液の漏液が生じても、発熱の上昇を持続させることなく、発熱を確実に抑制し、安全に対する信頼性の高い高電圧組電池を設計できるようにする。【解決手段】互いに隣接し合う電池セル間での導通距離とその電圧差の相関関係式に基づき、電池セル間の電圧差の最大値を決定し、隣接し合う電池セル間の導通距離を、前記相関データにおける前記最大電圧差に対応する距離に設定し、電池セルの組の中で、電圧差が最大になる電池セルの組の電圧差が前記最大値以下になるように、前記導通距離に設定された各電池セルが互い違いに隣接し合う配列で直列に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ電池からなる電池セルを複数個直列に接続してなる組電池において、
互いに隣接し合う電池セル間での導通距離とその電圧差の相関関係式に基づき、電池セル間の電圧差の最大値を決定し、
隣接し合う電池セル間の導通距離を、前記相関データにおける前記最大電圧差に対応する距離に設定し、
電池セルの組の中で、電圧差が最大になる電池セルの組の電圧差が前記最大値以下になるように、前記導通距離に設定された各電池セルが互い違いに隣接し合う配列で直列に接続したことを特徴とする組電池。
【請求項２】
前記各電池セルにおいて絶縁被覆で覆われていない電池底面等の導電箇所の露出面積を調整することにより、前記電池セル間導通距離を設定することを特徴とする請求項１に記載の組電池。
【請求項３】
電池セル間の導通距離と電位差の相関関係式は、セル間電圧差（ｙ）、セル間導通距離（ｘ）として、一般式
ｙ＝Ａｅｂｘ
と表されることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
【請求項４】
前記相関関係式は、電池セル間に電解液が介在したときの発熱温度に応じて求められ、発熱温度がより安全なレベルにある相関関係式を用いることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
【請求項５】
アルカリ電池からなる電池セルを複数個直列に接続してなる組電池の配列方法において、
互いに隣接し合う電池セル間での導通距離とその電圧差の相関関係式を求める工程と、
前記相関関係式に基づき、電池セル間の電圧差の最大値を決定するとともに、隣接し合う電池セル間の導通距離を、前記相関データにおける前記最大電圧差に対応する距離に設定する工程と、
電池セルの組の中で、電圧差が最大になる電池セルの組の電圧差が前記最大値以下になるように、前記導通距離を設定した各電池セルを違いに隣接し合う配列で直列に接続する工程と、
からなることを特徴とする組電池の配列方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動式自転車などの電源として用いられる、ニッケル・水素電池、ニッケル・カドニウム電池などのアルカリ電池からなる組電池に係り、特に、電解液の液漏れによる発熱を低く抑えられるようにバッテリセルを配列した組電池およびその配列方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池からなる電池セルを直列につないだ組電池は、電動式自転車、ハイブリッド車をはじめとして、さまざまな用途に広く利用されている。近年では、バッテリの高電圧化、高容量化による高密度化が急速に進んでいる。  
従来の組電池には、安全性を高める為に電池セル間に仕切りをする等さまざまな改良が行われている。但し、密閉ケースの重量、部品点数の増加、密閉ケース自体の製作コストが高くなるなどの欠点がある。また、組電池およびその密閉ケースは、多くの場合、限られたスペースという制約の下で電池セル配列の設計をしなければならない。
【０００３】
とりわけ、電動式自転車では、バッテリの設置スペースが限られることから、高密度で電池セルを配列することが行われている。例えば、引用文献１では、複数の電池セルの周面が相互に接触した状態で複数列配列し、バッテリ配列の各凹部に他列の電池セルが落ち込んだ状態で、全体として角柱状に配列したバッテリが記載されている。
【０００４】
特許文献２では、同じく電動自動車に用いるバッテリのコンパクト化を図るために、電池セルを互いに接触させて複数列の俵状に配列することが記載されている。  
また、特許文献３では、３つの電池セルを一列に配列したものを複数列に束ねたバッテリが記載されている。
【０００５】
このように、従来の組電池では、バッテリの設置スペースをできるだけ小さくするため、個々の電池セルが互いに接触し合うように密に配列されている。従来の組電池の設計では、生産性、組立の効率性や、配線の取り回りしの合理性を重視した設計を行っているのが普通であるが、近年、組電池には、高電圧化が要請され、それに伴い安全性の確保がますます重要になっている。  
【特許文献１】特許第３０５６６４０号公報
【特許文献２】特開平９−２２６３８２号公報
【特許文献３】特開平５−３３０４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、図６は、従来の３０個の電池セルからなる組電池の配列を示す。この図６において、一つ一つの電池セルを番号で区別すると、電池セルは１番から３０番の順で直列に接続されている。１番の電池セルには、プラスの接続端子が取り付けられ、３０番の電池セルにはマイナスの接続端子が取り付けられている。
【０００７】
この組電池では、隣合う電池セルに着目して電圧差をみてみると、電池セルの配列位置によって、電位差はまちまちである。例えば、１１番の電池セルでは、隣接するセルのうち、１７番のセルの間の電圧差が大きくなっている。この場合、６個のセルが間に直列につながっていることになるので、６×１．５Ｖ＝９Ｖである。
【０００８】
また、３番の電池セルについてみると、２７番の電池セルと隣接しているが、このセル間には、２４個セルがあるので、２４×１．５＝３６Ｖもの電圧差がある。  
このような電圧差は、セルの配列の仕方、セルの個数によって、また、同じ配列でもセルの位置によってさまざまである。
【０００９】
図７は、隣接するセル間の電圧差が３３Ｖで、セル間の導通距離が５mmの場合に、電解液が漏れたときの発熱の様子を試験した結果を示す。
【００１０】
この図７からわかるように、電解液の漏れが一定量に達して短絡すると、異常な発熱を起こし、最悪の場合、発火に至る。
【００１１】
実際の組電池においても、電池セルを絶縁被覆するなどして、安全面において十分な設計をしている。しかし、電解液を有するアルカリ二次電池においては、充電器のユーザによる異常な取り扱いなどに起因して、電解液が漏液する現象がまれに発生することがある。
【００１２】
電解液の漏液が発生した場合に、その漏液発生部位が安全性に大きく関係してくる。つまり、図６の例で示したように、隣り合うセル間の電圧差が小さい部分に漏液が生じたのであれば、発熱を抑えられるが、万一、隣り合うセル間の電圧差が大きい部位に漏液が生じてしまうと、最悪のケースでは、異常発熱が起きて絶縁紙、絶縁被覆が燃焼し、さらには、電池セルの容器やセル内部に着火して金属火災に至る虞がある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、万が一に電解液の漏液が生じても、発熱の上昇を持続させることなく、発熱を確実に抑制し、安全に対する信頼性の高い高電圧組電池を設計できるようにした組電池およびその配列方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するために、本発明は、アルカリ電池からなる電池セルを複数個直列に接続してなる組電池において、互いに隣接し合う電池セル間での導通距離とその電圧差の相関関係式に基づき、電池セル間の電圧差の最大値を決定し、隣接し合う電池セル間の導通距離を、前記相関データにおける前記最大電圧差に対応する距離に設定し、電池セルの組の中で、電圧差が最大になる電池セルの組の電圧差が前記最大値以下になるように、前記導通距離に設定された各電池セルが違いに隣接し合う配列で直列に接続したことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明は、アルカリ電池からなる電池セルを複数個直列に接続してなる組電池の配列方法において、互いに隣接し合う電池セル間での導通距離とその電圧差の相関関係式を求める工程と、前記相関関係式に基づき、電池セル間の電圧差の最大値を決定するとともに、隣接し合う電池セル間の導通距離を、前記相関データにおける前記最大電圧差に対応する距離に設定する工程と、電池セルの組の中で、電圧差が最大になる電池セルの組の電圧差が前記最大値以下になるように、前記導通距離を設定した各電池セルを互い違いに隣接し合う配列で直列に接続する工程と、からなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、万が一に電解液の漏液が生じても、発熱の上昇を持続させることなく、発熱を確実に抑制し、安全に対する信頼性の高い高電圧組電池を設計することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明による組電池の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドニウム電池などのアルカリ電池からなる電池セルを３０個用いた組電池に本発明を適用した例を示す。
【００１８】
この図１において、一つ一つの電池セルについて１番から３０番までの番号を付して区別すると、電池セルは１番から３０番の順で直列に接続されている。各電池セルは、隣接の電池セルとほぼ接触し合った配列になっている。組電池全体としてみると、この図１の電池配列では、５個で一列をなし、各列の電池セルは隣の列の電池セルと互い違いになって全体として矩形に配列している。
【００１９】
１番の電池セルには、プラスの接続端子が取り付けられ、３０番の電池セルにはマイナスの接続端子が取り付けられている。そして、１番の電池セルと３０番の電池セルは、できるだけ近い位置にあり、これにより、プラスの接続端子とマイナスの接続端子がなるべく近くに位置することで、ハーネスの配線を無駄なく容易に行えるようになっている。
【００２０】
このような電池セルの配列では、隣合う電池セルに着目して電圧差をみてみると、電池セルの配列位置によって、電位差はまちまちである。例えば、８番の電池セルでは、隣接するセルのうち、１２番のセルの間の電圧差は、その間の４つ分のセルの電圧差があるので、４×１．５Ｖ＝６Ｖである。同様に、８番と１４番のセルの間では、６個分のセルの電圧差があるので、９Ｖである。
【００２１】
この電池セルの配列では、隣り合うセル間の電圧差が最も大きいのは、１番と１７番の電池セルである。この１番と１７番のセル間では、セル１６個分の電圧差、すなわち、１６×１．５Ｖ＝２４Ｖの電圧差がある。
【００２２】
この組電池では、隣合うセルの電圧差は、セルの位置によって異なっているが、最大でも２４Ｖ以下になるように配列されている。すなわち、図１の配列では、１番の電池セルと１７番の電池セルの間の電圧差２４Ｖが最も大きくなっている。逆にいえば、他の隣り合う電池セルのどの組み合わせをとっても、その電圧差は２４Ｖを越えることはない。
【００２３】
また、この組電池において隣り合う電池セルでは、図２に示すように、導通距離Ｄが設定されている。各電池セルでは、熱収縮樹脂を材料とする絶縁被覆１０で覆われている。正負の電極側の端面は、熱収縮後、円形に成形されることで、金属露出面１１になっている。隣り合う電池セルにあっては、導通距離Ｄは、図２に示すように、金属露出面１１の外縁と外縁の距離と定義される。このように隣り合う電池セル間の導通距離Ｄにあっては、導通距離Ｄを変える場合には、導電箇所の露出面積すなわち切除する金属露出面１１の大きさを調整すればよいことになる。導通距離Ｄを小さく取ろうとする場合には、金属露出面１１の面積を増やすために半径を大きくし（図２（ａ））、導通距離Ｄを大きく取るには、金属露出面１１の面積を減らすために半径を小さくすればよい（図２（ｂ））。この実施形態による組電池では、１．５Ｖの標準的な電池セルで、後述するように１０mmの導通距離が設定されている。
【００２４】
次に、電池セル間の電圧差の決定、並びに導通距離の決定について説明する。
【００２５】
図３は、隣り合う電池セル間に電解液を介在させた場合の発熱特性を示すグラフである。横軸には導通距離を取り、電池セル間の電圧差が１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖのそれぞれの場合について、発熱温度を測定した。図３からわかるように、電池セル間の導通距離が同じでも、電位差が大きいと発熱量も大きく、電位差が小さいと発熱量も小さい。また、同じ電位差であっても、導通距離が小さければ発熱量が大きく、導通距離が大きれば、発熱量は小さいという相関関係にある。
【００２６】
次に、図４は、発熱を一定のレベルにした場合での、互いに隣接し合う電池セル間での導通距離とその電圧差の相関関係を示す。この図４において、発熱の大きさ、すなわち安全性レベルの違いによって、曲線Ａと曲線Ｂというように、相関関係が異なっている。曲線Ａは、隣り合う電池セルにあって、電解液が介在した場合の発熱温度が１２５〜１５０℃の範囲で導通距離と電圧差の相関関係を示し、曲線Ｂは、発熱温度が１００〜１２５℃の範囲での導通距離と電圧差の相関関係を示す。
【００２７】
本発明者の研究によれば、電池セル間の導通距離と電位差の相関関係式は、セル間電圧差（ｙ）、セル間導通距離（ｘ）として、一般式  
ｙ＝Ａｅｂｘ
で近似的に表すことができることがわかった。ここで、具体的に  
曲線Ａは、ｙ＝２３ｅ０．０２ｘ 
曲線Ｂは、ｙ＝２０ｅ０．０２ｘ 
である。
【００２８】
本実施形態の組電池では、組電池の設計に際して、電池セル間の電圧差の最大値と、導通距離を決定するにあたり、図４の相関関係を基準に採用している。具体的には、３０個の電池セルで電圧差の最大値を２４Ｖと決定したとすると、曲線Ａの安全レベルでは、電池セルの導通距離は、５mmとなり、より安全性の高い曲線Ｂでは、導通距離は、１０mm程度が好ましいことがわかる。
【００２９】
そこで、この実施形態では、より安全性を高めるために、電池セル間の導通距離を１０mmとし、図２に示すように、金属露出面１１の半径を調整し、この導通距離Ｄが１０mmになるように絶縁被覆１０を被せている。  
最終的には、図１に示したような配列で、３０個の電池セルを接続することにより、組電池を設計通りに組み立てることができる。
【００３０】
本実施形態による組電池によれば、以下のように、電解液が漏洩したときの発熱を抑制し、安全性を確保することができる。
【００３１】
この組電池では、図４に示した直線Ｂの相関特性に基づいて、隣り合うセル間での電圧が最大でも２４Ｖ、セル間の導通距離を１０mmに設定したことにより、万が一にも、電解液が漏洩し、図１において最も電圧差の大きい１番の電池セルと１７番の電池セルが電解液で液絡するという最悪の場合でも、発熱温度は、曲線Ｂの範囲である１００〜１２５℃に抑えられることが予想される。
【００３２】
ここで、図５は、実際に実施形態の組電池に液絡試験を行った結果を示す。図５では、左側の縦軸に液絡部での温度を示し、右側の縦軸の介在する電解液量を示す。試験開始後から、液絡によって発熱が生じ、時間の経過によって漏れた電解液の量が増大する。ところが、温度の上昇は、１２０℃前後で頭打ちになっており、図４の相関関係グラフの想定値内であることがわかる。
【００３３】
このように電解液の量が増えて、電圧差が最大となっているセル間が液絡されたときでも発熱が抑制されるので、それ以上の発熱や、発煙、発火に至るのを確実に防ぐことができ、安全性の高い組電池になることがわかる。
【００３４】
なお、この実施形態では、図４の相関関係式として、曲線Ａと直線Ｂの２種類を例に挙げて説明したが、相関関係式は、電池セル間に電解液が介在したときの発熱温度との関係で、さらに、安全性の高い電池の相関関係式も実験的に求められるので、その相関関係式で最大電圧差、導通距離を設定すれば、さらに発熱温度をより安全なレベルにすることも可能である。
【００３５】
以上、本発明について、好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明では、セル間での最大電圧を決めた後の各セルの配列の仕方は、様々な配列があり、図１の配列に限られるものではないことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態による組電池の配列例を示す図。
【図２】隣り合う電池セル間の導通距離を説明する図。
【図３】隣り合う電池セル間に電解液が介在した場合の発熱特性を示すグラフ。
【図４】発熱を一定レベルにした場合の隣り合う電池セル間での導通距離と電圧差の相関関係を示すグラフ。
【図５】実施形態の組電池に液絡試験を行った試験結果を示すグラフ。
【図６】従来の組電池における電池セルの配列例を示す図。
【図７】従来の組電池で、電解液が漏れたときの発熱の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３７】
１０  絶縁被覆
１１  金属露出面
Ｄ  導通距離
【図１】
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【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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