JP3355958B2 - 組電池の冷却方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、蓄電池を組み合わせた
組電池の冷却方法に関するものである。
組電池の冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】密閉形アルカリ蓄電池は、ニカド電池お
よびニッケル・水素蓄電池で代表され、エネルギー密度
が高く、信頼性に優れていることからポータブル機器
（ビデオカメラ、ラップトップコンピュータ、携帯電話
等）の電源として数多く使用されている。これらの単電
池は、ケースが金属製で、形状が円筒または角型で、容
量は０．５〜３Ａｈ程度で、小型の密閉形アルカリ蓄電
池である。実使用においては、数個から十数個の単電池
を樹脂ケースやチュ−ブの中に収納して使用するのが一
般的である。これらの小型の密閉形アルカリ蓄電池は、
電池容量が０．５〜３Ａｈ程度であるため、充放電時に
おける単電池当たりの発熱量は少ない。したがって、樹
脂ケースやチュ−ブの中に収納して使用した場合、発熱
と放熱のバランスが適切に行われていたため、電池の温
度上昇に関する顕著な問題は起こらなかった。
よびニッケル・水素蓄電池で代表され、エネルギー密度
が高く、信頼性に優れていることからポータブル機器
（ビデオカメラ、ラップトップコンピュータ、携帯電話
等）の電源として数多く使用されている。これらの単電
池は、ケースが金属製で、形状が円筒または角型で、容
量は０．５〜３Ａｈ程度で、小型の密閉形アルカリ蓄電
池である。実使用においては、数個から十数個の単電池
を樹脂ケースやチュ−ブの中に収納して使用するのが一
般的である。これらの小型の密閉形アルカリ蓄電池は、
電池容量が０．５〜３Ａｈ程度であるため、充放電時に
おける単電池当たりの発熱量は少ない。したがって、樹
脂ケースやチュ−ブの中に収納して使用した場合、発熱
と放熱のバランスが適切に行われていたため、電池の温
度上昇に関する顕著な問題は起こらなかった。
【０００３】また、アルカリ蓄電池の電極群は充放電の
繰返しにより膨脹するが、ケースは金属性の円筒形であ
るため、電極群の膨脹によるケースの変形等の顕著な課
題はなかった。角型の場合も小型であるため、ケース等
に特別な工夫は必要とされなかった。
繰返しにより膨脹するが、ケースは金属性の円筒形であ
るため、電極群の膨脹によるケースの変形等の顕著な課
題はなかった。角型の場合も小型であるため、ケース等
に特別な工夫は必要とされなかった。
【０００４】しかし、最近になって、家電製品から電気
自動車等の移動用電源に至るまでエネルギー密度が高い
高信頼性の中・大型電池（中型電池は容量１０〜１００
Ａｈ、大型電池は容量１００Ａｈ以上と定義する。使用
個数はいずれも数個から数百個と定義する。）が強く要
望されている。中・大型電池としては、開放形のニカド
電池や鉛蓄電池がエネルギー貯蔵用やＵＰＳ用等に用い
られているが、使用期間での注液等のメンテナンスの繁
雑さがある。したがって、家電製品から電気自動車に至
る移動用電源としては、電池のメンテナンスフリー化す
なわち密閉化が必要である。以上のように、家電製品か
ら電気自動車に至る移動用電源としてアルカリ蓄電池を
用いる場合、電池の密閉化と中・大型化を同時に行う必
要がある。すなわち、単電池の密閉化を図りつつ、単電
池の電気容量の増大と電池電圧を増加するために多数の
単電池を直列に接続することが必要である。
自動車等の移動用電源に至るまでエネルギー密度が高い
高信頼性の中・大型電池（中型電池は容量１０〜１００
Ａｈ、大型電池は容量１００Ａｈ以上と定義する。使用
個数はいずれも数個から数百個と定義する。）が強く要
望されている。中・大型電池としては、開放形のニカド
電池や鉛蓄電池がエネルギー貯蔵用やＵＰＳ用等に用い
られているが、使用期間での注液等のメンテナンスの繁
雑さがある。したがって、家電製品から電気自動車に至
る移動用電源としては、電池のメンテナンスフリー化す
なわち密閉化が必要である。以上のように、家電製品か
ら電気自動車に至る移動用電源としてアルカリ蓄電池を
用いる場合、電池の密閉化と中・大型化を同時に行う必
要がある。すなわち、単電池の密閉化を図りつつ、単電
池の電気容量の増大と電池電圧を増加するために多数の
単電池を直列に接続することが必要である。
【０００５】電池は、充放電にともなって電極反応によ
る反応熱やジュ−ル熱が発生する。単電池の電気容量の
増大および密閉化により発生する熱量が増加し、電池外
部への放熱が遅れ、発生した熱が電池内部に蓄熱される
結果、小型電池よりも電池内部の温度が上昇する。ま
た、このような大容量の単電池を直列に接続した単位電
池や単位電池を直列に接続した組電池は、数十セルから
数百セルを隣接するように配置されため、この熱をどの
ように外部へ放出するかが問題となっていた。このよう
な問題を解決するために、特開平３ー２９１８６７号公
報では、正極と負極と電解液とによって構成され、充電
時に発熱を伴う単蓄電池を多数個配列したシステムにお
いて、各単電池間に空気が流通する空間を設ける蓄電池
システムの放熱装置が提案されている。
る反応熱やジュ−ル熱が発生する。単電池の電気容量の
増大および密閉化により発生する熱量が増加し、電池外
部への放熱が遅れ、発生した熱が電池内部に蓄熱される
結果、小型電池よりも電池内部の温度が上昇する。ま
た、このような大容量の単電池を直列に接続した単位電
池や単位電池を直列に接続した組電池は、数十セルから
数百セルを隣接するように配置されため、この熱をどの
ように外部へ放出するかが問題となっていた。このよう
な問題を解決するために、特開平３ー２９１８６７号公
報では、正極と負極と電解液とによって構成され、充電
時に発熱を伴う単蓄電池を多数個配列したシステムにお
いて、各単電池間に空気が流通する空間を設ける蓄電池
システムの放熱装置が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、自動車
用に代表される移動用の電池は、車載スペースが少な
く、多くの電池を搭載するためには電池を２段に積む必
要がある。単純に２段に積んだ場合、冷却用の空気の流
れは上から下または下から上となり、先の電池から取り
除かれた熱を持った暖かい空気が後の電池に流れ、後の
電池の冷却能力が下がる。先の電池を後の電池とに冷却
能力の差が生じると、電池温度の差により充電効率に差
がでてしまい、電池容量がばらついてしまう。
用に代表される移動用の電池は、車載スペースが少な
く、多くの電池を搭載するためには電池を２段に積む必
要がある。単純に２段に積んだ場合、冷却用の空気の流
れは上から下または下から上となり、先の電池から取り
除かれた熱を持った暖かい空気が後の電池に流れ、後の
電池の冷却能力が下がる。先の電池を後の電池とに冷却
能力の差が生じると、電池温度の差により充電効率に差
がでてしまい、電池容量がばらついてしまう。
【０００７】電池容量がばらつくと、容量の少ない電池
においては放電末期に過放電となってしまい、発熱量が
急激に増大するといった危険な状況になる。また、この
ような充放電の繰り返しによって、サイクル寿命も短く
なるといったことが予測される。
においては放電末期に過放電となってしまい、発熱量が
急激に増大するといった危険な状況になる。また、この
ような充放電の繰り返しによって、サイクル寿命も短く
なるといったことが予測される。
【０００８】本発明はこのような課題を解決するもので
あり、このような電池間における温度のばらつきを押さ
え、電池性能バラツキのない優れた組電池の冷却方法を
提供するものである。
あり、このような電池間における温度のばらつきを押さ
え、電池性能バラツキのない優れた組電池の冷却方法を
提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は、冷媒は連続的に電槽のリブを設けた面と
接触せず、極柱を備えた面に対向する面から極柱を有す
る面に向けて冷媒を流す構成である。
めに本発明は、冷媒は連続的に電槽のリブを設けた面と
接触せず、極柱を備えた面に対向する面から極柱を有す
る面に向けて冷媒を流す構成である。
【００１０】本願発明は上記構成により、電池内で発生
した熱を電池外部に効率良く放出することができ、電池
毎の温度差を少なくすることができる。よって、各電池
の容量バラツキを防止することができ、サイクル寿命特
性に優れた組電池を提供することができる。
した熱を電池外部に効率良く放出することができ、電池
毎の温度差を少なくすることができる。よって、各電池
の容量バラツキを防止することができ、サイクル寿命特
性に優れた組電池を提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。図１に本発明で用い
た密閉式アルカリ蓄電池の単電池と、図２に単位電池の
構造を図に示す。
いて図面を参照しながら説明する。図１に本発明で用い
た密閉式アルカリ蓄電池の単電池と、図２に単位電池の
構造を図に示す。
【００１２】電極群１は次のように作成した。正極板は
活物質である水酸化ニッケル粉末を発泡状ニッケル多孔
体に充填し、所定の寸法に圧延・切断し、極板１枚当た
りの容量が１０Ａｈのニッケル正極を作成した。次に、
負極板は電気化学的に水素の吸蔵・放出が可能なＭｍＮ
ｉ3.6Ｃｏ0.7Ｍｎ0.4Ａｌ0.4の組成を有する水素吸蔵合
金粉末を結着剤とともにパンチングメタルに塗着し、所
定の寸法に圧延・切断し、極板１枚当たりの容量が１３
Ａｈの水素吸蔵合金負極を作成した。
活物質である水酸化ニッケル粉末を発泡状ニッケル多孔
体に充填し、所定の寸法に圧延・切断し、極板１枚当た
りの容量が１０Ａｈのニッケル正極を作成した。次に、
負極板は電気化学的に水素の吸蔵・放出が可能なＭｍＮ
ｉ3.6Ｃｏ0.7Ｍｎ0.4Ａｌ0.4の組成を有する水素吸蔵合
金粉末を結着剤とともにパンチングメタルに塗着し、所
定の寸法に圧延・切断し、極板１枚当たりの容量が１３
Ａｈの水素吸蔵合金負極を作成した。
【００１３】これらの正・負極板をそれぞれ袋状のセパ
レータで包み、セパレータで包まれた正極板１０枚と負
極板１１枚とを交互に組合せ、電極群１を作成した。な
お、電極群１は電槽２の内寸に対して約８５〜１００％
の厚みを有するように作成した。この電極群１に極柱で
ある銅とニッケルで構成された正極端子５と負極端子６
を接続し、ポリプロピレン製の電槽２に挿入した。次
に、アルカリ電解液を１８０ｃｍ3を注液した。そし
て、この電槽２の開口部を、安全弁５（作動圧力２〜３
ｋｇ／ｃｍ2）を備えた蓋６により密閉し、単電池７を
作成した。
レータで包み、セパレータで包まれた正極板１０枚と負
極板１１枚とを交互に組合せ、電極群１を作成した。な
お、電極群１は電槽２の内寸に対して約８５〜１００％
の厚みを有するように作成した。この電極群１に極柱で
ある銅とニッケルで構成された正極端子５と負極端子６
を接続し、ポリプロピレン製の電槽２に挿入した。次
に、アルカリ電解液を１８０ｃｍ3を注液した。そし
て、この電槽２の開口部を、安全弁５（作動圧力２〜３
ｋｇ／ｃｍ2）を備えた蓋６により密閉し、単電池７を
作成した。
【００１４】電槽２は外側に上下方向に冷媒を流すため
の多数の凸部８と凹部９を設けた構造である。凸部８の
高さは１．５ｍｍである。なお、単電池７は初充放電
（充電＝１０Ａ×１５時間、放電＝２０Ａで１．０Ｖま
で）を行い、電極群１を膨脹させることにより電極群１
の最外部が電槽２と接する状態とした。この単電池７は
正極で電池容量が規制され、電池容量は１００Ａｈであ
る。
の多数の凸部８と凹部９を設けた構造である。凸部８の
高さは１．５ｍｍである。なお、単電池７は初充放電
（充電＝１０Ａ×１５時間、放電＝２０Ａで１．０Ｖま
で）を行い、電極群１を膨脹させることにより電極群１
の最外部が電槽２と接する状態とした。この単電池７は
正極で電池容量が規制され、電池容量は１００Ａｈであ
る。
【００１５】このように作成した単電池７を１０個直列
に接続し、図２に示したような単位電池１２を作成し
た。この単位電池１２は、単電池７の電槽２の外側に設
けた凸部８どうしが接し、凹部９により単電池７の間に
上下方向の空間１１を設けた構造となっている。単位電
池１０はアルミニウム製の板１２と鉄製のバンド１３に
より両端の単電池７を集合方向に拘束した構成となって
いる。なお、電池電圧は１２Ｖである。
に接続し、図２に示したような単位電池１２を作成し
た。この単位電池１２は、単電池７の電槽２の外側に設
けた凸部８どうしが接し、凹部９により単電池７の間に
上下方向の空間１１を設けた構造となっている。単位電
池１０はアルミニウム製の板１２と鉄製のバンド１３に
より両端の単電池７を集合方向に拘束した構成となって
いる。なお、電池電圧は１２Ｖである。
【００１６】
【実施例】この単位電池を二つを用い２段に積む際の冷
却方法について比較例を含め、次の３種類を比較した。
なお、各図において冷媒の流れる方向を矢印を用いて表
した。（本実施例）図３のように電池を横に向け、端子
を同一の向きにし、冷媒が極柱の設けられた面に向かっ
て流れるようにする。（比較例１）図４のように電池を
縦の状態のまま、冷媒が連続して単位電池を冷却するよ
うにする。（比較例２）図５のように電槽表面の凸部の
方向を横向きのものを用い、同様の電池を作製し、電池
は縦方向のまま、冷媒が単電池を横切るようにする。
却方法について比較例を含め、次の３種類を比較した。
なお、各図において冷媒の流れる方向を矢印を用いて表
した。（本実施例）図３のように電池を横に向け、端子
を同一の向きにし、冷媒が極柱の設けられた面に向かっ
て流れるようにする。（比較例１）図４のように電池を
縦の状態のまま、冷媒が連続して単位電池を冷却するよ
うにする。（比較例２）図５のように電槽表面の凸部の
方向を横向きのものを用い、同様の電池を作製し、電池
は縦方向のまま、冷媒が単電池を横切るようにする。
【００１７】本発明と比較例１、２の３種の構成を二つ
の単位電池を用いてサイクル寿命試験を行った。試験
は、１０Ａで１２時間充電後、１時間放置し、２０Ａで
２０Ｖまで放電した。単位電池の放電容量の計算は、電
池電圧が２０Ｖまでの放電時間を用いて計算した。充電
時には、単位電池の単電池間およびアルミニウム製の板
と単電池間のそれぞれの空間部分に図の矢印の向きにフ
ァンにより送風を行った。空間部分１３を通過する空気
の風速は平均２．０ｍ／ｓｅｃとした。環境温度は２０
℃とした。試験結果を図６に示した。
の単位電池を用いてサイクル寿命試験を行った。試験
は、１０Ａで１２時間充電後、１時間放置し、２０Ａで
２０Ｖまで放電した。単位電池の放電容量の計算は、電
池電圧が２０Ｖまでの放電時間を用いて計算した。充電
時には、単位電池の単電池間およびアルミニウム製の板
と単電池間のそれぞれの空間部分に図の矢印の向きにフ
ァンにより送風を行った。空間部分１３を通過する空気
の風速は平均２．０ｍ／ｓｅｃとした。環境温度は２０
℃とした。試験結果を図６に示した。
【００１８】図６から明らかなように、寿命試験の結
果、比較例１の単位電池の容量が先に低下し、さらに比
較例２の単位電池の容量が低下した。本発明の単位電池
は最も長寿命であった。これは、まず比較例１の単位電
池は下方からの冷却風が下部の単位電池を冷却し、その
熱をもったまま上部の単位電池の各単電池間を通る。よ
って上部の電池はあまり冷却されず、その結果二つの単
位電池間で温度がばらついてしまう。この温度ばらつき
により、充電効率に差をきたし、放電容量が異なる。上
部の単位電池は過放電に至り、負極の合金の腐食が進
み、単寿命になった。次に比較例２は上下の温度差はな
くなり単電池間のばらつきはなくなるが、左右での温度
差が生じる。これにより極板内部における充電効率に差
が生じ、極板内部の反応が不均一になることにより、充
電時局部的に過充電になったり、放電時過放電になり、
活物質の劣化が進行し、寿命が短くなる。
果、比較例１の単位電池の容量が先に低下し、さらに比
較例２の単位電池の容量が低下した。本発明の単位電池
は最も長寿命であった。これは、まず比較例１の単位電
池は下方からの冷却風が下部の単位電池を冷却し、その
熱をもったまま上部の単位電池の各単電池間を通る。よ
って上部の電池はあまり冷却されず、その結果二つの単
位電池間で温度がばらついてしまう。この温度ばらつき
により、充電効率に差をきたし、放電容量が異なる。上
部の単位電池は過放電に至り、負極の合金の腐食が進
み、単寿命になった。次に比較例２は上下の温度差はな
くなり単電池間のばらつきはなくなるが、左右での温度
差が生じる。これにより極板内部における充電効率に差
が生じ、極板内部の反応が不均一になることにより、充
電時局部的に過充電になったり、放電時過放電になり、
活物質の劣化が進行し、寿命が短くなる。
【００１９】それに対し、本発明の単位電池は各電池に
均一に冷却風が通り、単電池間のばらつきがない。さら
に冷却風の出口側は温度が上がるが端子を介して極板群
からの熱が取り除かれ、極板内部のばらつきも押さえら
れる。よって長寿命が達成された。
均一に冷却風が通り、単電池間のばらつきがない。さら
に冷却風の出口側は温度が上がるが端子を介して極板群
からの熱が取り除かれ、極板内部のばらつきも押さえら
れる。よって長寿命が達成された。
【００２０】なお、図７のようにこの構成を背中合わせ
に二つ並べることにより、より多くの電池が均一に冷却
でき、本発明の効果を得ることができる。さらに、図８
のようにこのようにしてできた構成を送風出口のために
少し離して並べることにより、より多くの電池が均一に
冷却することができる。
に二つ並べることにより、より多くの電池が均一に冷却
でき、本発明の効果を得ることができる。さらに、図８
のようにこのようにしてできた構成を送風出口のために
少し離して並べることにより、より多くの電池が均一に
冷却することができる。
【００２１】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
池内で発生した熱を電池外部に効率良く放出することが
でき、電池毎の温度差を少なくすることができる。よっ
て、各電池の容量バラツキを防止することができ、サイ
クル寿命特性に優れた組電池の冷却方法を提供すること
ができる。
池内で発生した熱を電池外部に効率良く放出することが
でき、電池毎の温度差を少なくすることができる。よっ
て、各電池の容量バラツキを防止することができ、サイ
クル寿命特性に優れた組電池の冷却方法を提供すること
ができる。
【図１】本発明の一実施の形態による単電池の構成図
【図２】本発明の一実施の形態による単位電池の構成図
【図３】本発明の一実施例による組電池の構成図
【図４】比較例１の組電池の構成図
【図５】比較例２の組電池の構成図
【図６】寿命試験の結果を示す図
【図７】本発明の一実施例による組電池の構成図
【図８】本発明の一実施例による組電池の構成図
７ 単電池 ８ 凸部 ９ 凹部 １０ 単位電池 １１ 空間 １２ 板 １３ バンド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 生駒 宗久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−85847（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−150963（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−96838（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−53858（ＪＰ，Ｕ) 米国特許3745048（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 10/50 H01M 2/10
Claims (1)
- 【請求項１】直方体であり、電槽内部に電極群を収納
し、一面にのみ正極及び負極の極柱を有し、少なくとも
他の電槽と接触する面には冷媒を通すための空間を作る
突起を備えた単電池を複数個保持している単位電池であ
って、前記単位電池を複数、多段に極柱を有する面が隣
接するように積み重ねた組電池であり、一方の組電池の
極柱を備えた面に対向する面と他方の組電池の極柱を備
えた面に対向する面とを対面させて配列させ、冷媒は非
連続的に電槽の突起を設けた面と接触し、極柱を備えた
面に対向する面から極柱を有する面に向けて冷媒を流し
たことを特徴とする組電池の冷却方法。
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