JP2015069867A - 組電池及び組電池製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池の寿命の低下を抑える。【解決手段】直列接続される電池Ｂａ、Ｂｂからなる組電池において、電池Ｂａ、Ｂｂの残充電容量を、満充電容量が大きくなるほど、その満充電容量から残充電容量を差し引いた充電可能容量が小さくなるように調整する。【選択図】図１

Description

開示の技術は、複数の電池からなる組電池及び組電池製造方法に関する。

充電可能な複数の電池を直列に接続して高電圧の組電池を実現する技術が実用化されている。この種の組電池は、近年では、例えば、電動フォークリフト、ハイブリッドカー、又は電気自動車などの車両への実装において注目されている。複数の電池を直列に接続した状態で充電を行うと、各電池の充電状態（電圧や充電容量など）が不均一になることがある。また、上述の組電池が車両に搭載される場合では、走行用モータ駆動時に組電池において放電や充電が繰り返されるので、この充放電の繰り返しによっても各電池の充電状態が不均一になることがある。そして、各電池の充電状態の不均一は、一部の電池の劣化を促進させるおそれがあり、組電池の寿命の低下を引き起こす。なお、各電池の充電状態の不均一は、各電池の製造ばらつきや経年劣化などにより生じる。このため、各電池の充電状態を均等化する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

ところで、組電池の製造方法として、例えば、図９に示すように、まず、電池Ｂａ、Ｂｂを製造し、次に、電池Ｂａ、Ｂｂの充電状態を均等化するために電池Ｂａ、Ｂｂの現在の充電容量（残充電容量）を調整し、最後に、電池Ｂａ、Ｂｂを互いに直列に接続することにより組電池を組み立てるものがある。

特許第４０６６９６９号公報 特開２００３−７７５４８号公報

しかしながら、上述のように製造される組電池では、各電池の満充時の充電容量（満充電容量）のばらつきに起因して、組電池の充電時に、満充電容量が小さい電池が過充電となり、その電池が劣化してしまうおそれがある。

例えば、図９に示すように、電池Ｂａの満充電容量が４５．０［Ａｈ］、電池Ｂｂの満充電容量が４１．０［Ａｈ］であり、電池Ｂａ、ＢｂのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）（満充電容量に対する残充電容量の比率）が５０［％］に調整される場合を考える。このような場合、電池Ｂａの残充電容量が満充電容量の半分の２２．５［Ａｈ］に調整され、電池Ｂｂの残充電容量が満充電容量の半分の２０．５［Ａｈ］に調整される。また、電池Ｂａの満充電容量から残充電容量を差し引いた値である充電可能容量は２２．５［Ａｈ］になり、電池Ｂｂの充電可能容量は２０．５［Ａｈ］になる。

これら電池Ｂａ、Ｂｂからなる組電池を充電すると、電池Ｂｂの充電可能容量が電池Ｂａの充電可能容量よりも小さいため、電池Ｂｂが電池Ｂａよりも先に満充電になる。そして、電池Ｂｂが満充電になった後、組電池をさらに充電すると、電池Ｂｂが過充電になり劣化してしまう。このように、満充電容量が小さい電池Ｂｂが劣化して、電池Ｂｂの満充電容量がさらに低下してしまうと、電池Ｂａ、Ｂｂの満充電容量の差が大きくなり、電池Ｂａ、Ｂｂの充電状態がさらに不均一になる。すると、上述したように、電池Ｂａ又は電池Ｂｂの劣化が促進され、組電池の寿命が低下してしまう。

そこで、本発明は、寿命の低下を抑えることができる組電池及び組電池製造方法を提供することを目的とする。

実施形態の組電池は、直列接続される複数の電池からなる組電池であって、前記複数の電池は、満充電容量が大きくなるほど、その満充電容量から残充電容量を差し引いた充電可能容量が小さくなるように、前記残充電容量が調整されている。

これにより、組電池を充電すると、満充電容量が大きい電池を満充電容量が小さい電池よりも先に満充電にさせることができる。すなわち、満充電容量が大きい電池を満充電にしても満充電容量が小さい電池が満充電にならない。そのため、満充電容量が小さい電池の劣化を抑えられることができるので、満充電容量が小さい電池の寿命の低下を抑えることができ、組電池の寿命の低下を抑えることができる。

本発明によれば、寿命の低下を抑えることができる組電池を提供することができる。

実施形態の組電池製造方法を示すフローチャートである。 残充電容量の調整方法の一例を示すフローチャートである。 満充電容量と充電可能容量の関係の一例を示す図である。 調整後の残充電容量の一例を示す図である。 閾値Ｙｔｈの一例を示す図である。 満充電容量と充電可能容量の関係の他の例を示す図である。 実施形態の調整装置の一例を示す図である。 調整後の残充電容量の一例を示す図である。 既存の組電池製造方法を示す図である。

図１は、実施形態の組電池製造方法を示すフローチャートである。
まず、２つ以上の電池を製造する（Ｓ１１）。なお、このとき製造される各電池は、例えば、リチウムイオン二次電池などの充電可能な電池とする。

次に、満充電容量が大きくなるほど、その満充電容量から残充電容量を差し引いた充電可能容量が小さくなるように、製造後の各電池の残充電容量を調整する（Ｓ１２）。
そして、残充電容量調整後の各電池を直列接続して組電池を組み立てる（Ｓ１３）。なお、製造後の組電池は、例えば、電動フォークリフト、ハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー又は電気自動車などの車両に搭載されてもよい。

これにより、製造後の組電池の各電池の充電可能容量は、満充電容量が大きいほど小さくなり、満充電容量が小さいほど大きくなる。
図２は、各電池の残充電容量の調整方法の一例を示すフローチャートである。

まず、各電池の満充電容量のうちの最大の満充電容量Ｘｍａｘと、残充電容量の調整対象である電池の満充電容量Ｘと、負の比例定数Ｆと、最大の満充電容量Ｘｍａｘの電池の充電可能容量Ｙｍａｘ（第１の充電可能容量）とを用いて、残充電容量の調整対象である電池の満充電容量Ｘと充電可能容量Ｙ（第２の充電可能容量）とが、満充電容量Ｘが大きいほど充電可能容量Ｙが小さくなり、満充電容量Ｘが小さいほど充電可能容量Ｙが大きくなる関係になるように、その充電可能容量Ｙを求める（Ｓ２１）。なお、このＳ２１において、最大の満充電容量Ｘｍａｘの電池以外の１つ以上の全ての電池に対して充電可能容量Ｙを求めるものとする。また、比例定数Ｆは、製造後の組電池の充電時に組電池に流れる電流や組電池にかかる電圧、及び、製造後の組電池の充電時の周辺温度や充電時間などから得られる各電池の劣化度合いにより求めてもよい。

例えば、図３に示すように、Ｆを傾き、Ｘを変数、（Ｙｍａｘ−Ｆ×Ｘｍａｘ）を切片とする一次関数の直線式：Ｙ＝Ｆ×Ｘ＋Ｙｍａｘ−Ｆ×Ｘｍａｘを解くことにより、充電可能容量Ｙを求める。すなわち、比例定数Ｆと満充電容量Ｘとの乗算結果と、充電可能容量Ｙｍａｘとの加算結果から、比例定数Ｆと満充電容量Ｘｍａｘとの乗算結果を差し引くことにより、充電可能容量Ｙを求める。

そして、図２のフローチャートにおいて、最大の満充電容量Ｘｍａｘの電池の充電可能容量が充電可能容量Ｙｍａｘになるとともに、最大の満充電容量Ｘｍａｘの電池以外の１つ以上の全ての電池の充電可能容量がＳ２１で求めた対応する充電可能容量Ｙになるまで、各電池を放電させる（Ｓ２２）。

これにより、満充電容量Ｘと充電可能容量Ｙとが、満充電容量Ｘが大きいほど充電可能容量Ｙが小さくなり、満充電容量Ｘが小さいほど充電可能容量Ｙが大きくなる関係になるように、製造後の各電池の残充電容量を調整することができる。

例えば、図４に示すように、製造後の電池Ｂａの満充電容量が４５．０［Ａｈ］になり、製造後の電池Ｂｂの満充電容量が４１．０［Ａｈ］になる場合、最大の満充電容量Ｘｍａｘが４５．０［Ａｈ］になり、残充電容量の調整対象である電池Ｂｂの満充電容量Ｘが４１．０［Ａｈ］になる。このような場合において、電池ＢａのＳＯＣを５０％に調整する場合、すなわち、電池Ｂａの充電可能容量Ｙｍａｘが満充電容量の半分の２２．５［Ａｈ］になるように電池Ｂａを放電する場合を考える。なお、比例定数Ｆは、−０．１２５とする。

まず、上述の一次関数の直線式に基づいて、（−０．１２５×４１．０［Ａｈ］）＋２２．５［Ａｈ］−（−０．１２５×４５．０［Ａｈ］）を計算することにより、残充電容量の調整対象である電池Ｂｂの充電可能容量Ｙとして２３．０［Ａｈ］を求める。

次に、電池Ｂａの充電可能容量が２２．５［Ａｈ］になるまで電池Ｂａを放電するとともに、電池Ｂｂの充電可能容量が２３．０［Ａｈ］になるまで電池Ｂｂを放電し、それら電池Ｂａ、Ｂｂを直列接続して組電池を組み立てる。これにより、満充電容量が大きい電池Ｂａの充電可能容量（２２．５［Ａｈ］）が、満充電容量が小さい電池Ｂｂの充電可能容量（２３．０［Ａｈ］）よりも小さくなる。

このように製造される組電池を充電すると、電池Ｂａが電池Ｂｂよりも先に満充電になる。すなわち、電池ＢａのＳＯＣが１００［％］（＝４５．０［Ａｈ］／４５．０［Ａｈ］×１００［％］）になったとき、電池ＢｂのＳＯＣは９９［％］（≒４０．５［Ａｈ］／４１．０［Ａｈ］×１００［％］）になる。

一方、図９に示すように、製造中の組電池において、電池Ｂａ、ＢｂのＳＯＣがそれぞれ５０［％］になるように電池Ｂａ、Ｂｂの残充電容量が調整される場合では、その組電池を充電すると、満充電容量が小さい電池Ｂｂが、満充電容量が大きい電池Ｂａよりも先に満充電になる。すなわち、電池ＢｂのＳＯＣが１００［％］（＝４１．０［Ａｈ］／４１．０［Ａｈ］×１００［％］）になったとき、電池ＢａのＳＯＣは９６［％］（≒４３．０［Ａｈ］／４５．０［Ａｈ］×１００［％］）になる。

このように、本実施形態の組電池製造方法で製造される組電池は、図９に示す既存の組電池製造方法で製造される組電池に比べて、電池Ｂａ、Ｂｂのうち、どちらか一方の電池が満充電になったときの他方の電池のＳＯＣを大きくすることができる。一般に、ＳＯＣが大きいほど、電池の電圧は高いため、本実施形態の組電池製造方法で製造される組電池は、図９に示す既存の組電池製造方法で製造される組電池に比べて、電池Ｂａ、Ｂｂのうち、どちらか一方の電池が満充電になったときの他方の電池の電圧を高くすることができる。これにより、本実施形態の組電池製造方法で製造される組電池は、図９に示す既存の組電池製造方法で製造される組電池に比べて、組電池全体の電圧を高くすることができるため、組電池全体の電圧の低下を抑えることができ、電力＝電圧×電流の関係から、組電池全体の電力の低下も抑えることができる。 また、上記実施形態の組電池製造方法により製造される組電池では、満充電容量が大きい電池の充電可能容量が、満充電容量が小さい電池の充電可能容量よりも小さくなるため、組電池を充電すると、満充電容量が大きい電池を満充電容量が小さい電池よりも先に満充電にさせることができる。すなわち、満充電容量が大きい電池を満充電しても満充電容量が小さい電池が満充電にならない。そのため、満充電容量が小さい電池の劣化を抑えることができるので、満充電容量が小さい電池の寿命の低下を抑えることができ、組電池の寿命の低下を抑えることができる。

なお、上記実施形態では、満充電容量Ｘｍａｘの電池以外の電池の充電可能容量がＳ２１で求めた対応する充電可能容量Ｙになるまで、満充電容量Ｘｍａｘの電池以外の電池を放電させる構成であるが、図５に示すように、Ｓ２１で求めた充電可能容量Ｙが閾値Ｙｔｈ以上である場合、その電池の充電可能容量を閾値Ｙｔｈになるまで、放電させるように構成してもよい。

これにより、満充電容量Ｘｍａｘと残充電容量の調整対象である電池の満充電容量Ｘとの差が大きい場合でも、充電可能容量Ｙｍａｘと充電可能容量Ｙとの差が大きくなることを抑えることができるため、組電池の充電時において、満充電容量Ｘｍａｘの電池が過充電により劣化している時間が長くなることを抑えることができる。

また、上記実施形態では、図３や図５に示すように、満充電容量Ｘと充電可能容量Ｙとの、満充電容量Ｘが大きいほど充電可能容量Ｙが小さくなり、満充電容量Ｘが小さいほど充電可能容量Ｙが大きくなる関係が一次関数の直線式により表され、その一次関数の直線式を解くことにより充電可能容量Ｙを求める構成であるが、図６（ａ）や図６（ｂ）に示すように、満充電容量Ｘと充電可能容量Ｙとの関係が二次関数の曲線式により表され、その二次関数の曲線式を解くことにより充電可能容量Ｙを求めるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、満充電容量が大きい電池のＳＯＣが１００［％］になるまで、組電池を充電しているが、劣化を抑えることが可能なＳＯＣの範囲（例えば、１０〜９０［％］）を実験的に予め求めておき、そのＳＯＣの範囲に製造後の組電池の各電池のＳＯＣが収まるように、組電池を充電してもよい。

また、上記実施形態では、製造中の組電池の各電池の残充電容量を調整する構成であるが、製造後の組電池の各電池の電圧（又はＳＯＣ）を均一にした後（セルバランス後）に各電池の残充電容量を調整するように構成してもよい。

図７は、セルバランス後に各電池の残充電容量を調整する機能を有する組電池の一例を示す図である。
図７に示す組電池は、直列接続される電池Ｂａ、Ｂｂと、セルバランス回路７０とを備える。

セルバランス回路７０は、負荷７１ａ、７１ｂと、スイッチ７２ａ、７２ｂと、電圧検出部７３ａ、７３ｂと、制御回路７４とを備える。
負荷７１ａは電池Ｂａに並列接続され、負荷７１ｂは電池Ｂｂに並列接続される。なお、負荷７１ａ、７１ｂは、例えば、抵抗などとする。

スイッチ７２ａは電池Ｂａと負荷７１ａとの間に設けられ、スイッチ７２ａがオフからオンになると、負荷７１ａにより電池Ｂａが放電する。電池Ｂａが放電すると、電池Ｂａの残充電容量が低下し、電池Ｂａの電圧が低下する。また、スイッチ７２ｂは電池Ｂｂと負荷７１ｂとの間に設けられ、スイッチ７２ｂがオフからオンになると、負荷７１ｂにより電池Ｂｂが放電する。電池Ｂｂが放電すると、電池Ｂｂの残充電容量が低下し、電池Ｂｂの電圧が低下する。なお、スイッチ７２ａ、７２ｂは、例えば、ＭＯＳＦＥＴやリレーなどとする。

電圧検出部７３ａは電池Ｂａの電圧を検出し、電圧検出部７３ｂは電池Ｂｂの電圧を検出する。なお、電圧検出部７３ａ、７３ｂは、例えば、電圧計とする。
制御回路７４は、電圧検出部７３ａ、７３ｂにより検出される電圧（又は電池Ｂａ、ＢｂのＳＯＣ）が均一になるように、スイッチ７２ａ、７２ｂのオン、オフを制御する。また、制御回路７４は、セルバランス後、電圧検出部７３ａ、７３ｂにより検出される電圧（又は、不図示の電流検出部により検出される、電池Ｂａ、Ｂｂを流れる電流）に基づいて、スイッチ７２ａ、７２ｂのオン、オフを制御することにより、電池Ｂａ、Ｂｂの残充電容量を調整する。このとき、制御回路７４は、満充電容量が大きくなるほど、充電可能容量が小さくなるように、電池Ｂａ、Ｂｂの残充電容量を調整する。なお、制御回路７４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）とする。

例えば、図８に示すように、セルバランス後の電池Ｂａの残充電容量及び充電可能容量がそれぞれ２２．５［Ａｈ］であり、セルバランス後の電池Ｂｂの残充電容量及び充電可能容量がそれぞれ２０．５［Ａｈ］である場合、すなわち、セルバランス後の電池Ｂａ、ＢｂのＳＯＣがそれぞれ５０［％］である場合を想定する。

このような場合、制御回路７４は、まず、図２のＳ２１と同様に、充電可能容量Ｙとして２３．０［Ａｈ］を求め、次に、図２のＳ２２と同様に、残充電容量の調整対象である電池Ｂｂの充電可能容量が２３．０［Ａｈ］になるように、電池Ｂｂの残充電容量を調整する。すなわち、電池Ｂｂの残充電容量が２０．５［Ａｈ］から１８．０［Ａｈ］まで低下するように、スイッチ７２ｂをオンさせて電池Ｂｂを放電させる。なお、電池Ｂａの残充電容量はそのままにする。これにより、満充電容量が大きい電池Ｂａの充電可能容量（２２．５［Ａｈ］）が、満充電容量が小さい電池Ｂｂの充電可能容量（２３．０［Ａｈ］）よりも小さくなる。そして、この組電池を充電すると、電池Ｂａが電池Ｂｂよりも先に満充電になる。
なお、制御回路７４は、図５に示す残充電容量の調整方法と同様に、残充電容量の調整対象である電池の充電可能容量が閾値Ｙｔｈ以上である場合、その電池の充電可能容量が閾値Ｙｔｈになるように、その電池の残充電容量を調整するように構成してもよい。また、制御回路７４は、図６（ａ）や図６（ｂ）に示す残充電容量の調整方法と同様に、満充電容量Ｘと充電可能容量Ｙとの関係が二次関数の曲線式により表され、その二次関数の曲線式を解くことにより充電可能容量Ｙを求めて、電池の残充電容量を調整するように構成してもよい。

このように、図７に示す実施形態の組電池は、セルバランス後、満充電容量が大きい電池の充電可能容量が、満充電容量が小さい電池の充電可能容量よりも小さくなるように、各電池の残充電容量を調整する。そのため、組電池を充電すると、満充電容量が大きい電池を満充電容量が小さい電池よりも先に満充電にさせることができる。すなわち、満充電容量が大きい電池を満充電しても満充電容量が小さい電池が満充電にならない。そのため、満充電容量が小さい電池の劣化を抑えることができるので、満充電容量が小さい電池の寿命の低下を抑えることができ、組電池の寿命の低下を抑えることができる。 なお、図７に示す実施形態の組電池は、電池を放電させて、電池の残充電容量を調整する構成であるが、組電池の各電池のエネルギーをインダクタを介して授受させて、各電池の残充電容量を調整するように構成してもよい。

Ｂａ 電池
Ｂｂ 電池
７０ セルバランス回路
７１ａ、７１ｂ 負荷
７２ａ、７２ｂ スイッチ
７３ａ、７３ｂ 電圧検出部
７４ 制御回路

Claims (4)

1. 直列接続される複数の電池からなる組電池であって、
   前記複数の電池は、満充電容量が大きくなるほど、その満充電容量から残充電容量を差し引いた充電可能容量が小さくなるように、前記残充電容量が調整されている
   ことを特徴とする組電池。
2. 請求項１に記載の組電池であって、
   比例定数と残充電容量の調整対象である電池の満充電容量との乗算結果と、最大の満充電容量の電池の第１の充電可能容量との加算結果から、前記比例定数と前記最大の満充電容量との乗算結果を差し引くことにより、前記残充電容量の調整対象である電池の第２の充電可能容量を求め、
   前記最大の満充電容量の電池の充電可能容量が前記第１の充電可能容量になるとともに、前記残充電容量の調整対象である電池の充電可能容量が前記第２の充電可能容量になるように、前記複数の電池の残充電容量が調整されている
   ことを特徴とする組電池。
3. 請求項２に記載の組電池であって、
   前記第２の充電可能容量が閾値以上である場合、前記残充電容量の調整対象である電池の充電可能容量が前記閾値になるように、その電池の残充電容量が調整されている
   ことを特徴とする組電池。
4. 複数の電池を製造し、
   満充電容量が大きくなるほど、その満充電容量から残充電容量を差し引いた充電可能容量が小さくなるように、前記複数の電池の残充電容量を調整し、
   前記複数の電池を直列接続して組電池を組み立てる
   ことを特徴とする組電池製造方法。
   
   

Images