JP2012028049A - 蓄電装置の製造方法および蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自己放電量の等しい単電池を用いて組電池を構成しようとすると、自己放電量の等しい単電池が必要数だけ揃わなければ、組電池を組み立てることができない。
【解決手段】 各蓄電素子（１１）について、所定時間後の自己放電量を測定する第１ステップと、第１ステップで得られた自己放電量に応じて、複数の蓄電素子を複数のクラスに分類する第２ステップと、各クラスに分類された蓄電素子を電気的に直列に接続することにより、電圧を調整する電圧調整回路（２２）が接続される蓄電ブロック（１２）を構成する第３ステップと、互いに異なるクラスに分類された蓄電素子で構成される複数の蓄電ブロックを電気的に直列に接続する第４ステップと、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気的に直列に接続された複数の蓄電素子を有する蓄電装置と、この蓄電装置の製造方法に関するものである。

特許文献１では、単電池（単位セル）の自己放電量に応じて、単電池を複数のランクのいずれかに分類し、分類結果に応じて、自己放電量が均一化するように単電池を組み合わせてバッテリモジュール（バッテリパック）を構成するようにしている。具体的には、同一ランクに分類された複数の単電池を、電気的に直列に接続することにより、バッテリモジュールを構成している。

特開２００４−３２８９０２号公報（段落００３３、図５） 特開２００８−０４２９７０号公報 特開平１０−２８５８１８号公報

特許文献１では、バッテリモジュールを構成する単電池の数だけ、同一ランクに分類された単電池を用意しておかなければならない。言い換えれば、同一ランクに分類される単電池が所定数だけ揃わなければ、バッテリモジュールを構成することができない。このため、バッテリモジュールの製造効率が低下してしまう。

本願第１の発明は、複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電装置の製造方法であって、各蓄電素子について、所定時間後の自己放電量を測定する第１ステップと、第１ステップで得られた自己放電量に応じて、複数の蓄電素子を複数のクラスに分類する第２ステップと、各クラスに分類された蓄電素子を電気的に直列に接続することにより、電圧を調整する電圧調整回路が接続される蓄電ブロックを構成する第３ステップと、互いに異なるクラスに分類された蓄電素子で構成される複数の蓄電ブロックを電気的に直列に接続する第４ステップと、を有する。

第３ステップにおいて、各蓄電ブロックを、同一の数の蓄電素子を用いて構成することができる。また、自己放電量が閾値よりも小さい蓄電素子に対して、第２ステップの処理を行うことができる。これにより、閾値を、蓄電素子が異常状態であるか否かを判別するための指標として用いれば、異常状態である蓄電素子を排除したうえで、蓄電装置を構成することができる。なお、蓄電素子としては、リチウムイオン二次電池を用いることができる。

本願第２の発明である蓄電装置は、電気的に直列に接続された複数の蓄電素子をそれぞれ有し、電気的に直列に接続される複数の蓄電ブロックと、各蓄電ブロックに対して電気的に並列に接続され、各蓄電ブロックの電圧を調整する電圧調整回路と、を有する。ここで、各蓄電ブロックは、所定時間後の自己放電量に応じて、複数のクラスのうち同一クラスに分類された蓄電素子によって構成されている。また、複数の蓄電ブロックは、互いに異なるクラスに分類された蓄電素子によって構成されている。

本発明によれば、複数のクラスに分類される蓄電素子を用いて、蓄電装置を構成することができ、蓄電装置の製造効率を向上させることができる。また、各蓄電ブロックに対して電圧調整回路を設けているため、各蓄電素子に対して電圧調整回路を設ける場合に比べて、電圧調整回路の数を減らすことができる。

本発明の実施例１における電池システムの一部の構成を示す図である。 実施例１において、電池ブロックおよび均等化回路の構成を示す図である。 実施例１において、組電池の組み立て工程の一部を説明する図である。 実施例１において、単電池の異常状態を判別する工程を説明する図であり、自己放電による単電池の電圧降下を示す図である。 実施例１において、複数の単電池の選別工程を説明する図であり、自己放電による単電池の電圧降下を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１における電池システムについて、図１を用いて説明する。図１は、本実施例における電池システムの構成を示す概略図である。

組電池１０は、電気的に直列に接続された複数の単電池（蓄電素子）１１を有しており、負荷に接続されている。例えば、組電池１０を車両（ハイブリッド自動車や電気自動車）に搭載したときには、負荷として、モータ・ジェネレータを用いることができる。

モータ・ジェネレータは、組電池１０から供給された電気エネルギを、車両の走行に用いられる運動エネルギに変換する。また、モータ・ジェネレータは、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換して、モータ・ジェネレータに供給する。なお、組電池１０およびモータ・ジェネレータの間には、昇圧回路やインバータを配置することができる。

組電池１０を構成する単電池１１の数は、組電池１０の要求出力等に基づいて、適宜設定することができる。また、組電池１０には、電気的に並列に接続された複数の単電池１１が含まれていてもよい。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることができる。

組電池１０を構成する複数の単電池１１は、複数のブロック（以下、電池ブロックという）１２に分けられており、複数の電池ブロック（蓄電ブロック）１２は、電気的に直列に接続されている。各電池ブロック１２は、電気的に直列に接続された２つの単電池１１で構成されており、すべての電池ブロック１２に関して、電池ブロック１２を構成する単電池１１の数は、等しくなっている。

なお、本実施例では、２つの単電池１１によって、１つの電池ブロック１２を構成しているが、これに限るものではない。すなわち、電池ブロック１２を構成する単電池１１の数は、適宜設定することができ、３つ以上の単電池１１によって、１つの電池ブロック１２を構成することができる。

各電池ブロック１２には、電圧センサ２１が電気的に並列に接続されており、電圧センサ２１は、電池ブロック１２の電圧を検出するために用いられる。電圧センサ２１の出力信号は、コントローラ３０に入力され、コントローラ３０は、電圧センサ２１からの信号に基づいて、電池ブロック１２の電圧を検出する。

また、各電池ブロック１２には、均等化回路（電圧調整回路）２２が電気的に並列に接続されており、均等化回路２２は、複数の電池ブロック１２における電圧（又は容量）を均等化させるために用いられる。均等化回路２２の動作は、コントローラ３０によって制御される。例えば、コントローラ３０は、電圧センサ２１の出力に基づいて、特定の電池ブロック１２の電圧値が他の電池ブロック１２の電圧値よりも高いと判断したときには、特定の電池ブロック１２だけについて放電を行わせる。これにより、特定の電池ブロック１２の電圧（又は容量）が低下し、他の電池ブロック１２の電圧と略等しくなる。

均等化回路２２の具体的な構成（例示）について、図２を用いて説明する。図２は、電池ブロック１２および均等化回路２２の構成を示す回路図である。

均等化回路２２は、抵抗２２ａおよびスイッチ素子２２ｂを有している。スイッチ素子２２ｂは、コントローラ３０からの制御信号に応じて、オン状態およびオフ状態の間で切り替わる。スイッチ素子２２ｂがオフ状態からオン状態に切り替われば、電池ブロック１２の電流が抵抗２２ａに流れることになり、電池ブロック１２の放電を行うことができる。これにより、各電池ブロック１２の電圧を調整して、複数の電池ブロック１２における電圧を均等化させることができる。

次に、組電池１０を組み立てる方法について、図３を用いて説明する。図３は、組電池１０の製造工程における一部の工程を説明する図である。なお、図３で説明する工程以外の工程については、公知であり、詳細な説明は省略する。

ステップＳ１００では、製造後の単電池１１について、異常状態の単電池１１が存在するか否かを検査し、異常状態の単電池１１が存在していれば、この単電池１１を排除する。単電池１１の異常状態としては、例えば、単電池１１に異物が含まれており、短絡するおそれがある状態が挙げられる。

ステップＳ１００の工程について、図４を用いて具体的に説明する。図４は、単電池１１の経時変化に対する自己放電量の推移を示す図（一例）であり、縦軸は電圧を示し、横軸は時間（本実施例では、日数）を示す。

図４に示す例では、４つの単電池１１Ａ〜１１Ｄについて、異常状態の検査を行っている。図４において、Ｖiniは、４つの単電池１１Ａ〜１１Ｄにおける初期電圧を示し、例えば、単電池１１Ａ〜１１Ｄが満充電状態にあるときの電圧とすることができる。Ｖrefは、単電池１１の異常状態を検査するための指標となる基準電圧を示す。基準電圧Ｖrefは、単電池１１が異常状態であるか否かを判別するための境界として、実験等によって予め特定しておくことができる。

ステップＳ１００の工程では、４つの単電池１１Ａ〜１１Ｄを所定時間Ｔrefが経過するまで放置し、所定時間Ｔrefが経過したときの各単電池１１Ａ〜１１Ｄの電圧値を測定する。所定時間Ｔrefは、適宜設定することができるが、例えば、単電池１１の自己放電量が変化し難くなる時間を、所定時間Ｔrefとして設定することができる。

単電池１１Ａ〜１１Ｄの電圧値は、自己放電によって低下するが、自己放電量は、単電池１１Ａ〜１１Ｄにおいてバラツキが生じる。そこで、所定時間Ｔrefが経過したときの単電池１１Ａ〜１１Ｄの電圧値を測定し、各単電池１１Ａ〜１１Ｄの電圧値が基準電圧Ｖrefよりも高いか否かを判別することにより、単電池１１Ａ〜１１Ｄが異常状態であるか否かを判別する。言い換えれば、各単電池１１Ａ〜１１Ｄの自己放電量が、初期電圧Ｖiniおよび基準電圧Ｖrefの差分よりも大きいか否かを判別することにより、単電池１１Ａ〜１１Ｄが異常状態であるか否かを判別する。

単電池１１の電圧値が基準電圧Ｖrefよりも高いときには、単電池１１は異常状態ではないと判断し、単電池１１の電圧値が基準電圧Ｖrefよりも低いときには、単電池１１は異常状態であると判断する。図４に示す例では、単電池１１Ａ，１１Ｂが正常状態であると判断され、単電池１１Ｃ，１１Ｄが異常状態である判断される。単電池１１Ｃ，１１Ｄは、ステップＳ１００の工程において排除され、組電池１０の組立には用いられない。

ステップＳ１０１では、単電池１１を所定温度の下で放置することにより、エージング工程を行う。

ステップＳ１０２では、単電池１１の選別を行う。具体的には、所定時間が経過したときの自己放電量に基づいて、複数の単電池１１をクラス分けする。ステップＳ１０２の工程について、図５を用いて具体的に説明する。図５は、単電池１１の経時変化に対する自己放電量の推移を示す図（一例）であり、縦軸は電圧を示し、横軸は時間（本実施例では、日数）を示す。図４で説明した符号については、同一符号を用いている。

図５に示す例では、７つの単電池１１Ｅ〜１１Ｋについて、クラス分けを行っている。単電池１１Ｅ〜１１Ｋは、所定時間Ｔrefが経過したときの電圧値が基準電圧Ｖrefよりも高い単電池である。

クラス１〜４は、基準電圧Ｖrefよりも高い電圧領域において、互いに異なる電圧範囲を示している。クラス１〜４における電圧範囲の幅（ΔＶ）は、等しくなっている。クラス１〜４のうち、クラス１は、最も高い電圧範囲であり、クラス２は、クラス１と隣り合う電圧範囲である。クラス３は、クラス２と隣り合う電圧範囲であり、クラス２の下限電圧よりも低い電圧範囲である。クラス４は、クラス３と隣り合う電圧範囲であり、クラス３の下限電圧よりも低い電圧範囲である。

図５に示す例では、４つのクラスを設けているが、クラスの数は、適宜設定することができる。ただし、クラスの数が少なすぎると、同一クラスに属する単電池１１において、電圧のバラツキが大きくなってしまう。また、クラスの数が多すぎると、同一クラスに属する単電池１１の数が減ってしまう。この点を考慮して、クラスの数を設定することができる。

複数のクラスを設定するときの基準は、適宜設定することができる。例えば、基準電圧Ｖrefを基準として設定し、基準電圧Ｖrefと、基準電圧Ｖrefから電圧ΔＶだけ高い電圧との間の範囲を、１つめのクラスとして設定できる。１つめのクラスの上限電圧と、この上限電圧から電圧ΔＶだけ高い電圧との間の範囲を、２つめのクラスとして設定できる。同様の方法により、３つめ以降のクラスを設定することができる。

図５に示す例において、単電池１１Ｅはクラス１に属し、単電池１１Ｆ，１１Ｇはクラス２に属する。単電池１１Ｈ，１１Ｉは、クラス３に属し、単電池１１Ｊ，１１Ｋは、クラス４に属する。同一クラスに属する単電池１１は、１つの電池ブロック１２を構成する単電池１１となる。

本実施例では、２つの単電池１１によって、１つの電池ブロック１２を構成しているため、例えば、クラス２に属する２つの単電池１１Ｆ，１１Ｇによって、１つの電池ブロック１２が構成される。同様に、クラス３に属する２つの単電池１１Ｈ，１１Ｉによって、１つの電池ブロック１２が構成され、クラス４に属する２つの単電池１１Ｊ，１１Ｋによって、１つの電池ブロック１２が構成される。

図３において、ステップＳ１０３の工程では、上述したように、クラス分けされた単電池１１を用いて、電池ブロック１２を組み立てる。また、複数種類の電池ブロック１２を電気的に直列に接続することにより、組電池１０を組み立てる。ここで、複数種類の電池ブロック１２とは、互いに異なるクラスに属する単電池１１によって構成される電池ブロック１２である。ステップＳ１０３の工程では、例えば、単電池１１Ｆ，１１Ｇによって構成される電池ブロック１２が、単電池１１Ｈ，１１Ｉによって構成される電池ブロック１２と電気的に直列に接続される。なお、複数種類の電池ブロック１２を接続する順序は、適宜設定することができる。

複数種類の電池ブロック１２を直列に接続すると、複数種類の電池ブロック１２の間において、電圧のバラツキが発生することがあるが、各電池ブロック１２に接続された均等化回路２２を用いることにより、電圧のバラツキを低減することができる。

本実施例によれば、各電池ブロック１２に対して均等化回路２２を設けるだけでよいため、各単電池１１に対して均等化回路２２を設ける場合に比べて、均等化回路２２の数を減らすことができる。また、均等化回路２２の数を減らすことにより、均等化回路２２の配線の数を減らすことができる。

また、各電池ブロック１２は、同一クラスに属する単電池１１（言い換えれば、電池特性の似た単電池１１）で構成されているため、各電池ブロック１２においては、単電池１１の電圧にバラツキが発生するのを抑制することができる。

また、組電池１０の充放電によって、電池ブロック１２に含まれる複数の単電池１１における電圧のバラツキが大きくなるおそれがある。特に、単電池１１として、リチウムイオン二次電池を用いた場合には、この傾向が現れやすい。しかし、予め設定された組電池１０の寿命期間が経過したときに、電池ブロック１２内の複数の単電池１１における電圧のバラツキが許容範囲内に収まっていればよい。ここでいう許容範囲とは、単電池１１として使用できる電圧の上限値および下限値の間に位置する範囲である。この観点に基づいて、各クラスを規定する電圧の幅（図５のΔＶ）を設定することができる。

さらに、本実施例では、特定のクラスに属する単電池１１だけを用いて、電池ブロック１２や組電池１０を構成するのではなく、上述したように、複数種類の電池ブロック１２を組み合わせて組電池１０を構成しているため、単電池１１を無駄なく使用することができる。

特定のクラスに属する単電池１１だけで、組電池１０を構成しようとすると、組電池１０を構成する単電池１１の数だけ、特定のクラスに属する単電池１１を用意する必要がある。この場合には、組電池１０の製造に歩留まりが発生してしまい、組電池１０の製造効率が低下してしまう。一方、本実施例では、複数種類の電池ブロック１２を組み合わせているため、単電池１１をストックさせることなく、組電池１０の製造に用いることができ、組電池１０の製造効率を向上させることができる。

１０：組電池 １１：単電池（蓄電素子）
１２：電池ブロック（蓄電ブロック） ２１：電圧センサ
２２：均等化回路（電圧調整回路） ２２ａ：抵抗
２２ｂ：スイッチ素子 ３０：コントローラ

Claims (7)

1. 複数の蓄電素子が電気的に直列に接続された蓄電装置の製造方法であって、
   前記各蓄電素子について、所定時間後の自己放電量を測定する第１ステップと、
   前記第１ステップで得られた前記自己放電量に応じて、前記複数の蓄電素子を複数のクラスに分類する第２ステップと、
   前記各クラスに分類された前記蓄電素子を電気的に直列に接続することにより、電圧を調整する電圧調整回路が接続される蓄電ブロックを構成する第３ステップと、
   互いに異なる前記クラスに分類された前記蓄電素子で構成される複数の前記蓄電ブロックを電気的に直列に接続する第４ステップと、
   を有することを特徴とする蓄電装置の製造方法。
2. 前記第３ステップにおいて、前記各蓄電ブロックを、同一の数の前記蓄電素子を用いて構成することを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置の製造方法。
3. 前記自己放電量が閾値よりも小さい前記蓄電素子に対して、前記第２ステップの処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置の製造方法。
4. 前記蓄電素子が、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電装置の製造方法。
5. 電気的に直列に接続された複数の蓄電素子をそれぞれ有し、電気的に直列に接続される複数の蓄電ブロックと、
   前記各蓄電ブロックに対して電気的に並列に接続され、前記各蓄電ブロックの電圧を調整する電圧調整回路と、を有し、
   前記各蓄電ブロックは、所定時間後の自己放電量に応じて、複数のクラスのうち同一クラスに分類された前記蓄電素子によって構成されており、
   前記複数の蓄電ブロックは、互いに異なる前記クラスに分類された前記蓄電素子によって構成されていることを特徴とする蓄電装置。
6. 前記複数の蓄電ブロックのそれぞれは、同一の数の前記蓄電素子によって構成されていることを特徴とする請求項５に記載の蓄電装置。
7. 前記蓄電素子は、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項５又は６に記載の蓄電装置。
   

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