JP4355515B2 - Battery module configuration method and battery module - Google Patents

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の単位セルを複数個接続して構成されるバッテリモジュール（バッテリパック）の構成方法及びそのような構成方法によるバッテリモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド電気自動車あるいは電気自動車などでは、モータなどを駆動するための駆動電源として、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池を組み込んだバッテリモジュール（バッテリパックとも呼ばれる）が用いられている。二次電池における単位セルあたりの起電力は、リチウムイオン二次電池で約３．６Ｖ、ニッケル水素電池であれば約１．２Ｖであって、モータなどの駆動には不十分な値である。そこで、バッテリモジュールでは、二次電池の単位セル（単位電池）を複数個直列に接続して所望の端子間電圧が得られるようにしている。例えば、リチウムイオン二次電池の単位セルを８０個直列に接続して、端子間電圧が２８８Ｖであるようなバッテリモジュールが製作され、このようなバッテリモジュールが車両に搭載されている。
【０００３】
ところで、モータなどの大容量負荷を駆動するための電源としてバッテリモジュールを使用する場合、単に単位セルを直列に接続しただけでは所望の駆動電流を得ることができないことがある。そのような場合には、単位セルをいくつか並列接続し、そのような並列接続体を複数個用意してそれらを直列に接続し、所望の端子間電圧と電流容量とが得られるようにしている。
【０００４】
図６は、二次電池の単位セルの等価回路図であり、単位セル１１では、理想的な特性を有するセル１２に対して並列抵抗成分Ｒpが並列に接続し、さらにセル１１と並列抵抗成分Ｒpからなる並列回路に対して直列に、直列抵抗成分Ｒsが接続している。並列抵抗成分Ｒpの大きさは、例えば数ＭΩから数十ＭΩのオーダーであると考えられている。なお、単位セル１１と等価回路図における理想的な特性を有するセル１２とを区別するために、図において、理想的な特性を有するセル１２は円で囲まれている。
【０００５】
ところで、二次電池の単位セルを製造する場合、製造工程時の通常の工程管理では制御できないほどの異物混入量のばらつきや、部品（正極、負極、セパレータ、電解液など）のばらつきなどに起因して、セルごとに並列抵抗成分Ｒpが異なったものが製造される。並列抵抗成分Ｒpは、各単位セルでの自己放電の経路として機能するものであるから、並列抵抗成分Ｒpがばらつくことにより、単位セルごとの自己放電の大きさのばらつきが生じることになる。
【０００６】
並列抵抗成分が異なる単位セルを組み合わせて組電池やバッテリモジュールを構成した場合、最初は全ての単位セルが満充電状態であったとしても、自己放電の大きさが異なるために時間の経過とともに単位セルごとの残存容量（ＳＯＣ；state of charge）がばらつき、単位セルごとの電圧（セル電圧）がばらつくこととなる。このような状態で負荷に対してバッテリモジュールから放電させた場合には、ある単位セルについては十分な容量が残っているのに対し別の単位セルでは過放電状態になっているという事態が起こり得る。また、残存容量がばらついている状態でバッテリモジュールに対して充電を行うと、ある単位セルについては満充電状態に至っていないのに別の単位セルは過充電状態となっている、という事態が起こり得る。過充電、過放電は、二次電池の寿命の劣化の大きな要因である。さらに、単位セルごとの残存容量がばらついている状態で充放電を繰り返せば、残存容量のばらつきはさらに大きくなる。
【０００７】
バッテリモジュールにおいて単位セルごとの残存容量のばらつきが大きいときにいずれの単位セルにおいても過充電、過放電が発生しないように充放電を管理すると、結果として充電量や放電量を大きく制限せざるを得なくなり、バッテリモジュール全体として利用できる充電容量が、バッテリモジュールを構成する個々の単位セルの充電容量の合計に比べ、大幅に減少してしまう。
【０００８】
そこで、単位セルごとの自己放電の大きさ（あるいは並列抵抗成分Ｒpや直列抵抗成分Ｒs）のばらつきにもよらず各単位セルを満充電状態に充電できるようにするために、各単位セルのそれぞれのセル電圧を検出して単位セルごとに充電電流を制御する調整回路を設けることが試みられている。特開２００１−１７６４７２号公報（特許文献１）及び特開平９−８４２７５号公報（特許文献２）には、複数の単位セルを直列に接続して組電池を構成した場合に、個々の単位セルに対して並列に充電電流バイパス手段やバイパス回路を設け、これらの充電電流バイパス手段やバイパス回路を制御して個々の単位セルに対する充電電流を制御することが開示されている。
【０００９】
車両用の組電池あるいはバッテリモジュールの場合にあっては、定期的な点検時に個々の単位セルの残存容量あるいはセル電圧を測定し、これらの残存容量あるいはセル電圧が一様になるように単位セルごとに充電（あるいは放電）を行わせ、残存容量のばらつきを強制的に解消することも行われている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１７６４７２
【特許文献２】
特開平９−８４２７５
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バッテリモジュールにおける単位セルごとの残存容量のばらつきを抑えるために調整回路を設けた場合には、大幅なコストアップがもたらされることになる。また、定期的な点検時などに単位セルごとに残存容量等の調整を行う場合であっても、この調整には時間と手間がかかり、調整の実施頻度が高くなると、メンテナンスコストの上昇に結びつく。
【００１２】
そこで本発明の目的は、調整回路などを設けることなく、バッテリモジュールにおける個々の単位セルでの残存容量のばらつきを抑えることができるバッテリモジュールの構成方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、調整回路などを設けることを必要とせず、個々の単位セルでの残存容量のばらつきが抑えられたバッテリモジュールを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のバッテリモジュールの構成方法は、二次電池の単位セルを複数個組み合わせて構成されるバッテリモジュールの構成方法であって、各単位セルの自己放電量を測定して各単位セルを分類し、自己放電量が均一化するように分類された単位セルを組み合わせる。
【００１５】
二次電池の製造・管理においては、通常、単位セルを製造した後に各単位セルの自己放電量を計測し、あらかじめ定めた基準範囲（しきい値）内に収まるものを正常品とし、そのような正常品である単位セルを組み合わせてバッテリモジュールを構成している。ここで自己放電量は、単位セルにおける並列抵抗成分に密接に関連したものであり、例えば、各単位セルを満充電状態にまで充電し、所定の環境で所定の期間（例えば１週間）放置したときのセル電圧の減少分で表わすことができる。本発明では、自己放電量に応じて各単位セルを複数のランクのいずれかに分類し、その分類結果に応じ、自己放電量が均一化するように単位セルを組み合わせてバッテリモジュールを構成している。その結果、自己放電に基づく残存容量のばらつきが抑えられるので、結果として、過放電や過充電をより抑制できるとともに、バッテリモジュール全体として用いることができる有効な充電容量が増大する。個々の単位セルの並列抵抗成分を求めてそれらの単位セルを分類してもよいが、一般には並列抵抗成分の絶対的な値を求めることは簡単な測定では行えないので、本発明では、自己放電量に基づいて単位セルを分類している。単位セルの並列抵抗成分の測定が容易に行えるようになった場合には、ここでの自己放電量の代わりに、実測された並列抵抗成分に基づいて単位セルを分類してもよい。
【００１６】
本発明では、単位セルを所定の個数並列に接続して並列接続体を構成するとともに、このような並列接続体を複数段直列に接続してバッテリモジュールが構成されている場合には、並列接続体としての自己放電量が均一化するように、いいかえれば並列接続体としての合成された並列抵抗成分が均一化するように、分類された単位セルを組み合わせて各並列接続体を構成するようにすればよい。また、単位セルを複数個直列に接続してバッテリモジュールが構成される場合には、各単位セルの自己放電量を測定して各単位セルを複数のランクのいずれかに分類し、同一のランクに属する単位セルを直列に接続してバッテリモジュールを構成するようにすればよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
まず、単位セルを所定の個数並列に接続して並列接続体を構成するともに、このような並列接続体を複数段直列に接続することによってバッテリモジュールが構成されている場合について説明する。ここでは、各並列接続体には、それぞれリチウムイオン二次電池である３個の単位セルが含まれるものとする。
【００１９】
バッテリモジュールの組立てに先立って、バッテリモジュールの組立てに用いるために用意された多数の単位セルについて、自己放電量を計測し、分類を行う。自己放電量の計測では、各単位セルを満充電状態にまで充電し、周囲温度などを一定に保った所定の環境で所定の期間（例えば１週間）にわたって放置する。単位セルがリチウムイオン二次電池であれば、その残存容量（ＳＯＣ）とセル電圧との間には一定の関係があるから、自己放電によって単位セルの残存容量が減少すれば、その分、セル電圧も減少する。そこで、上述した所定の期間、単位セルを放置した後に単位セルのセル電圧を測定すれば、各単位セルの自己放電量を求めることができる。そして、自己放電量（すなわち放置後のセル電圧）に基づいて、各単位セルを複数のランクのいずれかに分類する。
【００２０】
図１は、自己放電量による単位セルの分類を説明している。各単位セルがリチウムイオン二次電池であるとすると、満充電状態のセル電圧は４．３Ｖ程度である。そこで、所定期間放置後のセル電圧が４．２００Ｖ以上であった単位セルは、自己放電が極めて少ないセルであるので、Ａランクに分類する。セル電圧が４．１００Ｖ以上４．２００Ｖ未満であったセルは、Ｂランクに分類する。そして、セル電圧が４．０００Ｖ以上４．１００Ｖ未満であったセルはＣランクに分類する。ＡランクからＣランクまでの単位セルは合格品（ＯＫ品）である。所定の期間の放置後にセル電圧が４．０００Ｖ未満となっている単位セルは、自己放電が大きいので、不合格品（ＮＧ品）とされ、バッテリモジュールの組立てには使用されない。なお分類に際しては、それぞれの単位セルに対してその分類結果に応じた記号を付することは好ましいことである。例えば、ランクＡと判定された単位セルに対しては、“Ａ”の文字を単位セルの表面にマーキングすればよい。
【００２１】
図６に示した等価回路から明らかなように、単位セルの自己放電の電流は並列抵抗成分Ｒpを介して流れるから、自己放電量が少ないことは並列抵抗成分Ｒpが大きいことを意味する。ランクＡに属する単位セルの代表的な並列抵抗成分の値をＲAとし、同様に、ランクＢとランクＣに属する単位セルの代表的な並列抵抗成分の値をそれぞれＲB，ＲCとすると、ＲA＞ＲB＞ＲCの関係が成り立っている。
【００２２】
次に、以上のように分類された単位セルを用いて、バッテリモジュールを構成する。図２（ａ）はバッテリモジュールの構成を示す回路図である。ここでは３個の単位セル１１を並列に接続して並列接続体１３を構成し、この並列接続体１３を複数個直列に接続してバッテリモジュールとしているが、各並列接続体１３は、いずれも、ランクＡの単位セル１個とランクＢの単位セル１個とランクＣの単位セル１個から構成されている。図において単位セルの横に併記された“Ａ”，“Ｂ”及び“Ｃ”の文字は、それぞれ、その単位セル１１がランクＡ，ランクＢ及びランクＣのいずれに属しているかを示している。このように各並列接続体を構成することにより、並列接続体１３での各単位セル１１の並列抵抗成分が平均化されて自己放電が多いセルと少ないセルとの差がなくなり、並列接続体１３を単位としてみたときの自己放電量（すなわち等価的な並列抵抗成分）が並列接続体間で均一化し、並列接続体１３を単位としてみたときに残存容量のばらつきが小さくなる。その結果、放電量や充電量を大きくしてもいずれかの単位セル１１での過放電、過充電が起こり難くなり、バッテリモジュール全体としての有効な充電容量を大きくすることができる。
【００２３】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したバッテリモジュールにおける各並列接続体１３での並列抵抗成分を示す等価回路図である。ランクＡ、ランクＢ、ランクＣの単位セルにおける並列抵抗成分の代表的な抵抗値がそれぞれＲA，ＲB，ＲCであるとすると、並列接続体においては並列抵抗成分の代表的な合成抵抗値Ｒtotalは、
Ｒtotal＝ＲAＲBＲC／（ＲAＲB＋ＲAＲC＋ＲBＲC） …(1)
となる。
【００２４】
各単位セルの並列抵抗成分の抵抗値がそれぞれのランクの代表的な抵抗値からどの程度ずれているかにもよるが、各並列接続体１３における並列抵抗成分の実際の合成抵抗値も上記の値Ｒtotalからはそれほど大きくは外れない。これに対し、例えば並列接続体１３を構成する３個の単位セルの全てがランクＣのものであったとすると、その並列抵抗成分の抵抗値は例えばＲC／３となり、上述のＲtotalからは大きく異なることになる。このように、図２（ａ）に示す構成によれば、合格品である単位セルをランダムに組み合わせて並列接続体を構成し、そのような並列接続体を直列に接続した場合に比べ、並列抵抗成分のばらつきによる自己放電のばらつきを抑えることができる。
【００２５】
なお、本実施形態においては、図２（ａ）のように単位セル１１を接続した場合における同一の並列接続体１３内での各単位セル１１間での自己放電のばらつきは無視できるようになる。その理由は、単位セル１１における直列抵抗成分は非常に小さいので無視することができ、その結果、図２（ｂ）に示したように、各並列接続体１３は、理想的な特性を有する３個のセル１２が並列に接続して並列回路を構成し、この並列回路に対して、３個のセル１２に対応する並列抵抗成分が並列に接続されたものが並列に接続されたものとして等価的に表わされる。したがって、並列抵抗成分が並列に接続されたものを各単位セルが共有することとなり、単位セルごとの並列抵抗成分が等価的には等しくなるからである。
【００２６】
図２（ａ）に示したバッテリモジュールでは、各並列接続体１３を、いずれも、１個のランクＡの単位セルと１個のランクＢの単位セルと１個のランクＣの単位セルとによって構成しているが、相互に直列接続された各並列接続体１３において並列接続体ごとの自己放電量が均一化するのであれば、各並列接続体１３を構成する単位セルの組み合わせは、図２（ａ）に示したものに限られるわけではない。図３は、図２（ａ）に示したものと同様に、各単位セル１１をランクＡ，Ｂ，Ｃの３通りに分類するとともに、３個の単位セル１１で並列接続体１３を構成しこのような並列接続体１３を直列に接続したバッテリモジュールを示している。ここでは、ある並列接続体１３は、１個のランクＡの単位セルと１個のランクＢの単位セルと１個のランクＣの単位セルとによって構成されているが、別の並列接続体１３は、３個のランクＢの単位セルによって構成されている。上記式(1)と同様に３個のランクＢの単位セルからなる並列接続体における並列抵抗成分の代表的な合成抵抗値を求めるとＲB／３となり、ＲA＞ＲB＞ＲCであることを考慮すれば、このＲB／３は式(1)によって表わされる合成抵抗値Ｒtotalと同じような値になると考えられる。すなわちこの場合も、相互に直列接続された各並列接続体１３において並列接続体１３ごとの自己放電量が均一化していると考えられる。
【００２７】
二次電池の単位セルの製造に際して各ランクのものが均等に得られるとは限られないから、例えばＢランクのものが他のランクのものより多く製造されるような場合に、図３に示した構成は有効である。
【００２８】
さらに本発明では、並列接続体を構成する単位セルの個数と、自己放電量に基づいて単位セルを分類する際のランクの数とは一致していなくてもよい。
【００２９】
図４（ａ）は、単位セルは３つのランクに分類するが、各並列接続体１３は２個の単位セル１１で構成されている場合を示している。ここでは、ある並列接続体１３はランクＡとランクＣの各１個の単位セルで構成し、別の並列接続体１３はランクＢの２個の単位セルで構成している。この場合も、相互に直列接続された各並列接続体において並列接続体ごとの自己放電量が均一化している。
【００３０】
図４（ｂ）は、単位セルは３つのランクに分類するが、各並列接続体１３は５個の単位セル１１で構成されている場合を示している。各並列接続体１３は、例えば、ランクＡの１個の単位セル１１とランクＢの３個の単位セル１１とランクＣの１個の単位セル１１で構成すればよい。この場合、全ての並列接続体１３がランクＡの１個の単位セルとランクＢの３個の単位セルとランクＣの１個の単位セルで構成されている必要はなく、図４（ｃ）に示すように、例えば、ある並列接続体１３はランクＡの２個の単位セル１１とランクＢの１個の単位セル１１とランクＣの２個の単位セル１１で構成され、別の並列接続体１３はランクＢの５個の単位セル１１で構成されるようにしてもよい。すなわち、相互に直列接続された各並列接続体１３において並列接続体１３ごとの自己放電量が均一化しているのであれば、各ランクの単位セルをどのように組み合わせてもよいのである。
【００３１】
ここでは単位セルを３つのランクに分類する例を説明したが、もちろん、何通りのランクに分類するかは、必要に応じて定められるものであり、例えば、４ランクあるいは５ランクとしてもよい。
【００３２】
以上、複数個の単位セルを並列に接続して並列接続体を構成し、このような並列接続体を複数段直列に接続してバッテリモジュールを構成する場合を説明したが、この実施形態では、自己放電量が大きいと判定された単位セル（上述の例でのランクＣの単位セル）は、並列接続体において自己放電量が小さい単位セル（上述の例でのランクＡの単位セル）と組み合わされることになる。自己放電量が大きすぎるとして従来は不合格品（ＮＧ品）と判定されていた単位セルであっても、自己放電量の小さな単位セルに対して並列に接続されて並列接続体を構成した場合に並列接続体としての自己放電量がある基準量以下であれば本実施形態においては使用可能であるので、結果として本実施形態によれば、合格品と不合格品との判定基準を従来に比べて合格品の数が増える方向に変更することが可能となり、二次電池の単位セルの製造歩留りも向上する。
【００３３】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。本発明は、二次電池の単位セルを直列に接続して構成されるバッテリモジュールに対しても有効である。図５は、単位セルを直列に接続して構成されたバッテリモジュールを示している。このバッテリモジュールは、上述と同様に単位セルの自己放電量を測定して各単位セルを複数のランク（例えばランクＡ、ランクＢ及びランクＣの３ランク）のいずれかに分類し、その後、同一ランクの単位セル１１のみを用いてそれらの単位セル１１を直列に接続することにより、構成されている。図示したものでは、ランクＡの単位セルのみを用いてバッテリモジュールが構成されているが、同様に、ランクＢの単位セルのみを直列に接続してバッテリモジュールを構成してもよいし、ランクＣの単位セルのみを直列に接続してバッテリーモジュールを構成してもよい。このバッテリモジュールにおいても、自己放電に基づく残存容量のばらつきが抑えられるので、結果として、過放電や過充電をより抑制できるとともに、バッテリモジュール全体として用いることができる有効な充電容量が増大する。なお、頻繁に充電を行うことが想定されている用途では、自己放電が多少大きくても構わないが、自己放電のばらつきに起因して有効な充電容量が減少することは避けたいことがあるので、そのような用途では、自己放電量が大きいランクの単位セルを直列に接続して構成されたバッテリモジュールであっても有効である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、バッテリモジュールを構成する際に各単位セルの自己放電量を測定して各単位セルを分類し、自己放電量が均一化するように分類された単位セルを組み合わせることにより、自己放電に基づく残存容量のばらつきが抑えられ、過放電や過充電をより抑制できるとともに、バッテリモジュール全体として用いることができる有効な充電容量が増大するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】自己放電量による単位セルの分類を説明する図である。
【図２】（ａ）はバッテリモジュールの構成例を示す回路図であり、（ｂ）は並列接続体における並列抵抗成分を示す等価回路図である。
【図３】バッテリモジュールの別の構成例を示す回路図である。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）はバッテリモジュールの別の構成例を示す回路図である。
【図５】単位セルを直列に接続して構成されたバッテリモジュールを示す回路図である。
【図６】二次電池の単位セルの等価回路図である。
【符号の説明】
１１ 単位セル
１２ 理想的な特性を有するセル
１３ 並列接続体
Ｒp 並列抵抗成分
Ｒs 直列抵抗成分[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a configuration method of a battery module (battery pack) configured by connecting a plurality of unit cells of a secondary battery, and a battery module by such a configuration method.
[0002]
[Prior art]
In a hybrid electric vehicle or an electric vehicle, a battery module (also called a battery pack) incorporating a secondary battery such as a lithium ion secondary battery or a nickel metal hydride battery is used as a drive power source for driving a motor or the like. . The electromotive force per unit cell in the secondary battery is about 3.6 V for a lithium ion secondary battery and about 1.2 V for a nickel metal hydride battery, which is insufficient for driving a motor or the like. Therefore, in the battery module, a plurality of unit cells (unit batteries) of the secondary battery are connected in series so as to obtain a desired inter-terminal voltage. For example, a battery module having a terminal voltage of 288 V is manufactured by connecting 80 unit cells of a lithium ion secondary battery in series, and such a battery module is mounted on a vehicle.
[0003]
By the way, when a battery module is used as a power source for driving a large-capacity load such as a motor, a desired drive current may not be obtained by simply connecting unit cells in series. In such a case, connect several unit cells in parallel, prepare a plurality of such parallel connections, and connect them in series so that the desired inter-terminal voltage and current capacity can be obtained. Yes.
[0004]
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a unit cell of the secondary battery. In the unit cell 11, a parallel resistance component R p is connected in parallel to the cell 12 having ideal characteristics, and further, the parallel resistance with the cell 11 is connected. A series resistance component R s is connected in series to the parallel circuit composed of the component R p . The magnitude of the parallel resistance component R p is considered to be on the order of several MΩ to several tens of MΩ, for example. In order to distinguish the unit cell 11 from the cell 12 having ideal characteristics in the equivalent circuit diagram, the cell 12 having ideal characteristics is surrounded by a circle in the drawing.
[0005]
By the way, when manufacturing a unit cell of a secondary battery, it is caused by variations in the amount of foreign matter that cannot be controlled by normal process control during the manufacturing process, or variations in parts (positive electrode, negative electrode, separator, electrolyte, etc.) Thus, a cell having a different parallel resistance component R p is manufactured for each cell. Since the parallel resistance component R p functions as a self-discharge path in each unit cell, variations in the parallel resistance component R p cause variations in the magnitude of self-discharge for each unit cell. .
[0006]
When unit batteries with different parallel resistance components are combined to form an assembled battery or a battery module, even if all the unit cells are initially fully charged, the self-discharge size is different, so the unit over time The remaining capacity (SOC) of each cell varies, and the voltage (cell voltage) for each unit cell varies. When the load is discharged from the battery module in such a state, there is a situation in which a sufficient capacity remains for one unit cell, but an overdischarge state occurs in another unit cell. obtain. In addition, when the battery module is charged in a state where the remaining capacity varies, there is a situation in which another unit cell is overcharged while a certain unit cell is not fully charged. obtain. Overcharge and overdischarge are major causes of deterioration of the secondary battery life. Furthermore, if charging / discharging is repeated in a state where the remaining capacity of each unit cell varies, the variation in the remaining capacity further increases.
[0007]
When charging and discharging are managed so that overcharge and overdischarge do not occur in any unit cell when there is a large variation in the remaining capacity of each unit cell in the battery module, the amount of charge or discharge must be greatly limited as a result. As a result, the charge capacity that can be used as the whole battery module is significantly reduced as compared with the total charge capacity of the individual unit cells constituting the battery module.
[0008]
Therefore, in order to be able to charge each unit cell to a fully charged state regardless of variations in self-discharge magnitude (or parallel resistance component R p or series resistance component R s ) for each unit cell, each unit cell Attempts have been made to provide an adjustment circuit for detecting the respective cell voltages and controlling the charging current for each unit cell. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-176472 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-84275 (Patent Document 2) describe individual unit cells when an assembled battery is configured by connecting a plurality of unit cells in series. For example, it is disclosed that a charging current bypass unit and a bypass circuit are provided in parallel with each other, and the charging current for each unit cell is controlled by controlling the charging current bypass unit and the bypass circuit.
[0009]
In the case of assembled batteries or battery modules for vehicles, the remaining capacity or cell voltage of each unit cell is measured during periodic inspection, and the unit cell is set so that these remaining capacity or cell voltage are uniform. Charging (or discharging) is performed every time to forcibly eliminate the variation in remaining capacity.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2001-176472 A
[Patent Document 2]
JP-A-9-84275
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, when an adjustment circuit is provided in order to suppress the variation in the remaining capacity of each unit cell in the battery module, a significant cost increase is brought about. Even if the remaining capacity is adjusted for each unit cell during regular inspections, etc., this adjustment takes time and effort, and if the frequency of adjustment increases, maintenance costs will increase. .
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a battery module configuration method capable of suppressing variations in remaining capacity among individual unit cells in a battery module without providing an adjustment circuit or the like.
[0013]
Another object of the present invention is to provide a battery module that does not require an adjustment circuit or the like and in which variation in remaining capacity among individual unit cells is suppressed.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
A battery module configuration method according to the present invention is a battery module configuration method configured by combining a plurality of unit cells of a secondary battery, and classifies each unit cell by measuring a self-discharge amount of each unit cell. The unit cells classified so that the self-discharge amount becomes uniform are combined.
[0015]
In the manufacture and management of secondary batteries, the self-discharge amount of each unit cell is usually measured after the unit cell is manufactured, and those that fall within a predetermined reference range (threshold) are regarded as normal products. A battery module is configured by combining unit cells that are normal products. Here, the self-discharge amount is closely related to the parallel resistance component in the unit cell. For example, each unit cell is charged to a fully charged state and left in a predetermined environment for a predetermined period (for example, one week). It can be expressed by a decrease in the cell voltage. In the present invention, each unit cell is classified into one of a plurality of ranks according to the self-discharge amount, and a battery module is configured by combining unit cells so that the self-discharge amount is uniform according to the classification result. Yes. As a result, variation in remaining capacity due to self-discharge is suppressed, and as a result, overdischarge and overcharge can be further suppressed, and an effective charge capacity that can be used as the entire battery module is increased. Although the parallel resistance component of each unit cell may be obtained and the unit cells may be classified, in general, the absolute value of the parallel resistance component cannot be obtained by simple measurement. Unit cells are classified based on the discharge amount. When the parallel resistance component of the unit cell can be easily measured, the unit cell may be classified based on the actually measured parallel resistance component instead of the self-discharge amount here.
[0016]
In the present invention, a predetermined number of unit cells are connected in parallel to form a parallel connection body, and when such a parallel connection body is connected in series in a plurality of stages, a battery module is configured in parallel connection. Each parallel connection body is configured by combining the unit cells so that the self-discharge amount as a body becomes uniform, in other words, the synthesized parallel resistance component as a parallel connection body becomes uniform. do it. When a battery module is configured by connecting a plurality of unit cells in series, the self-discharge amount of each unit cell is measured, and each unit cell is classified into one of a plurality of ranks. The battery modules may be configured by connecting unit cells belonging to the above in series.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
First, a case will be described in which a predetermined number of unit cells are connected in parallel to form a parallel connection body, and a battery module is configured by connecting such parallel connection bodies in a plurality of stages in series. Here, each parallel connection body includes three unit cells, which are lithium ion secondary batteries.
[0019]
Prior to assembling the battery module, the self-discharge amount is measured and classified for a large number of unit cells prepared for use in assembling the battery module. In the measurement of the self-discharge amount, each unit cell is charged to a fully charged state, and left for a predetermined period (for example, one week) in a predetermined environment in which the ambient temperature is kept constant. If the unit cell is a lithium ion secondary battery, there is a certain relationship between the remaining capacity (SOC) and the cell voltage. Therefore, if the remaining capacity of the unit cell is reduced by self-discharge, the cell The voltage also decreases. Therefore, by measuring the cell voltage of the unit cell after leaving the unit cell for the predetermined period, the self-discharge amount of each unit cell can be obtained. Then, each unit cell is classified into one of a plurality of ranks based on the self-discharge amount (that is, the cell voltage after being left).
[0020]
FIG. 1 illustrates classification of unit cells according to self-discharge amount. If each unit cell is a lithium ion secondary battery, the fully charged cell voltage is about 4.3V. Therefore, the unit cell having a cell voltage of 4.200 V or more after being left for a predetermined period is a cell with very little self-discharge, and is therefore classified into A rank. A cell having a cell voltage of 4.100V or more and less than 4.200V is classified into B rank. And the cell whose cell voltage was 4.000V or more and less than 4.100V is classified into C rank. Unit cells from rank A to rank C are acceptable products (OK products). A unit cell having a cell voltage of less than 4.000 V after being left for a predetermined period of time has a high self-discharge, and therefore is a rejected product (NG product) and is not used for assembling a battery module. In classification, it is preferable to attach a symbol corresponding to the classification result to each unit cell. For example, for a unit cell determined as rank A, the character “A” may be marked on the surface of the unit cell.
[0021]
As is apparent from the equivalent circuit shown in FIG. 6, since the self-discharge current of the unit cell flows through the parallel resistance component R p , a small amount of self-discharge means that the parallel resistance component R p is large. . Assume that the value of a typical parallel resistance component of a unit cell belonging to rank A is RA, and similarly, the values of typical parallel resistance components of unit cells belonging to rank B and rank C are R B and R C , respectively. , R A > R B > R C.
[0022]
Next, a battery module is configured using the unit cells classified as described above. FIG. 2A is a circuit diagram showing the configuration of the battery module. Here, three unit cells 11 are connected in parallel to form a parallel connection body 13, and a plurality of the parallel connection bodies 13 are connected in series to form a battery module. , One unit cell of rank A, one unit cell of rank B, and one unit cell of rank C. In the figure, the letters “A”, “B”, and “C” written next to the unit cell indicate whether the unit cell 11 belongs to rank A, rank B, or rank C, respectively. . By configuring each parallel connection body in this way, the parallel resistance component of each unit cell 11 in the parallel connection body 13 is averaged, so that there is no difference between a cell having a large amount of self-discharge and a cell having a small number of self-discharges. Self-discharge amount (that is, equivalent parallel resistance component) is made uniform among the parallel connected bodies, and variation in remaining capacity is reduced when the parallel connected body 13 is taken as a unit. As a result, even if the discharge amount and the charge amount are increased, overdischarge and overcharge are unlikely to occur in any unit cell 11, and the effective charge capacity of the entire battery module can be increased.
[0023]
FIG. 2B is an equivalent circuit diagram showing a parallel resistance component in each parallel connection body 13 in the battery module shown in FIG. If the typical resistance values of the parallel resistance components in the unit cells of rank A, rank B, and rank C are R A , R B , and R C , respectively, the typical combined resistance of the parallel resistance components in the parallel connection body The value R total is
R total = R A R B R C / (R A R B + R A R C + R B R C ) (1)
It becomes.
[0024]
Depending on how much the resistance value of the parallel resistance component of each unit cell deviates from the typical resistance value of each rank, the actual combined resistance value of the parallel resistance component in each parallel connection body 13 is also the above value. It does not deviate so much from R total . On the other hand, for example, if all of the three unit cells constituting the parallel connection body 13 are of rank C, the resistance value of the parallel resistance component is, for example, R C / 3, and from the above R total It will be very different. In this way, according to the configuration shown in FIG. 2 (a), a parallel connection body is configured by randomly combining unit cells that are acceptable products, and compared to a case where such a parallel connection body is connected in series. Variations in self-discharge due to variations in resistance components can be suppressed.
[0025]
In the present embodiment, when the unit cells 11 are connected as shown in FIG. 2A, variations in self-discharge among the unit cells 11 in the same parallel connection body 13 can be ignored. . The reason is that the series resistance component in the unit cell 11 is so small that it can be ignored. As a result, as shown in FIG. 2B, each parallel connection 13 has an ideal characteristic. The cells 12 are connected in parallel to form a parallel circuit, and the parallel circuit is equivalent to the parallel connection of the parallel resistance components corresponding to the three cells 12 connected in parallel. Is represented. Therefore, the unit cells share the parallel resistance components connected in parallel, and the parallel resistance components for each unit cell are equivalently equal.
[0026]
In the battery module shown in FIG. 2A, each parallel connection body 13 is composed of one unit cell of rank A, one unit cell of rank B, and one unit cell of rank C. If the self-discharge amount of each parallel connection body is equalized in each parallel connection body 13 connected in series, the combination of unit cells constituting each parallel connection body 13 is shown in FIG. It is not necessarily limited to that shown in (a). 3, as in the case shown in FIG. 2A, each unit cell 11 is classified into three types of ranks A, B, and C, and a parallel connection body 13 is configured by the three unit cells 11. The battery module which connected such a parallel connection body 13 in series is shown. Here, a certain parallel connection body 13 is constituted by one rank A unit cell, one rank B unit cell, and one rank C unit cell. Is composed of three rank B unit cells. Similar to the above formula (1), when a typical combined resistance value of the parallel resistance component in the parallel connection body composed of three unit cells of rank B is obtained, R B / 3, and R A > R B > R C In consideration of this, it is considered that R B / 3 is a value similar to the combined resistance value R total represented by the equation (1). That is, also in this case, it is considered that the self-discharge amount for each parallel connection body 13 is uniform in each parallel connection body 13 connected in series.
[0027]
Since the batteries of each rank are not always obtained when the unit cell of the secondary battery is manufactured, for example, when the battery of B rank is manufactured more than the battery of other ranks, it is shown in FIG. The configuration is effective.
[0028]
Furthermore, in the present invention, the number of unit cells constituting the parallel connection body and the number of ranks when the unit cells are classified based on the self-discharge amount do not need to match.
[0029]
FIG. 4A shows a case where the unit cells are classified into three ranks, but each parallel connection body 13 is composed of two unit cells 11. Here, a certain parallel connection body 13 is composed of one unit cell of each of rank A and rank C, and another parallel connection body 13 is composed of two unit cells of rank B. Also in this case, the self-discharge amount for each parallel connection body is made uniform in each parallel connection body connected in series with each other.
[0030]
FIG. 4B shows a case where the unit cells are classified into three ranks, but each parallel connection body 13 is composed of five unit cells 11. Each parallel connection body 13 may be composed of, for example, one unit cell 11 of rank A, three unit cells 11 of rank B, and one unit cell 11 of rank C. In this case, it is not necessary that all the parallel connectors 13 are composed of one unit cell of rank A, three unit cells of rank B, and one unit cell of rank C. FIG. As shown in FIG. 1, for example, a certain parallel connection body 13 is composed of two unit cells 11 of rank A, one unit cell 11 of rank B, and two unit cells 11 of rank C, and another parallel connection The field 13 may be composed of five unit cells 11 of rank B. That is, in the parallel connection bodies 13 connected in series with each other, as long as the self-discharge amount for each parallel connection body 13 is uniform, the unit cells of each rank may be combined in any way.
[0031]
Although an example in which unit cells are classified into three ranks has been described here, of course, how many ranks are classified is determined as needed, and may be, for example, 4 ranks or 5 ranks.
[0032]
As described above, a case where a plurality of unit cells are connected in parallel to form a parallel connection body and a battery module is configured by connecting such a parallel connection body in a plurality of stages in series has been described. A unit cell determined to have a large self-discharge amount (unit cell of rank C in the above example) is combined with a unit cell (unit cell of rank A in the above example) having a small self-discharge amount in the parallel connection body. Will be. Even if a unit cell that has been determined to be a rejected product (NG product) in the past because the self-discharge amount is too large is connected in parallel to a unit cell with a small self-discharge amount, If the self-discharge amount as a parallel connection body is below a certain reference amount, it can be used in the present embodiment, and as a result, according to the present embodiment, the determination criteria for a pass product and a reject product are conventionally used. In comparison with this, it is possible to change the number of accepted products to increase, and the manufacturing yield of the unit cell of the secondary battery is also improved.
[0033]
Next, another embodiment of the present invention will be described. The present invention is also effective for a battery module configured by connecting unit cells of a secondary battery in series. FIG. 5 shows a battery module configured by connecting unit cells in series. In this battery module, the self-discharge amount of the unit cell is measured in the same manner as described above, and each unit cell is classified into one of a plurality of ranks (for example, rank A, rank B, and rank C). By using only the unit cells 11 of rank, these unit cells 11 are connected in series. In the illustrated example, the battery module is configured using only the unit cells of rank A. Similarly, the battery module may be configured by connecting only unit cells of rank B in series. Only the unit cells may be connected in series to constitute a battery module. Also in this battery module, the variation in the remaining capacity due to self-discharge is suppressed. As a result, overdischarge and overcharge can be further suppressed, and the effective charge capacity that can be used as the whole battery module is increased. In applications where frequent charging is assumed, self-discharge may be somewhat large, but it may be desirable to avoid a reduction in effective charge capacity due to variations in self-discharge. In such applications, even a battery module constructed by connecting unit cells of ranks with a large self-discharge amount in series is effective.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, the present invention classifies each unit cell by measuring the self-discharge amount of each unit cell when configuring a battery module, and combines the unit cells classified so that the self-discharge amount becomes uniform. As a result, variations in the remaining capacity due to self-discharge are suppressed, and overdischarge and overcharge can be further suppressed, and an effective charge capacity that can be used as the entire battery module is increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating classification of unit cells according to self-discharge amount.
2A is a circuit diagram showing a configuration example of a battery module, and FIG. 2B is an equivalent circuit diagram showing a parallel resistance component in a parallel connection body;
FIG. 3 is a circuit diagram showing another configuration example of the battery module.
FIGS. 4A, 4B, and 4C are circuit diagrams showing another configuration example of the battery module. FIGS.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a battery module configured by connecting unit cells in series.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a unit cell of the secondary battery.
[Explanation of symbols]
11 Unit cell 12 Cell having ideal characteristics 13 Parallel connector R p Parallel resistance component R s Series resistance component

Claims (9)

二次電池の単位セルを複数個組み合わせて構成されるバッテリモジュールの構成方法であって、単位セルの自己放電量を測定し、予め定めた基準範囲内に収まる単位セルを合格品として、合格品である前記単位セルを前記自己放電量に基づいて複数のランクのいずれかに分類し、自己放電量が均一化するように、前記分類された単位セルを組み合わせてバッテリモジュールを構成する、バッテリモジュールの構成方法。A battery module configuration method configured by combining a plurality of unit cells of a secondary battery, measuring a self-discharge amount of a unit cell, and accepting a unit cell that falls within a predetermined reference range as an acceptable product. classified into one of a plurality of ranks the unit cell is based on the self-discharge amount, so the self-discharge amount becomes uniform, constituting the battery module by combining the classified unit cells, the battery module Configuration method. 二次電池の単位セルを所定の個数並列に接続した並列接続体を有するともに、前記並列接続体を複数段直列に接続して構成されたバッテリモジュールの構成方法であって、
各単位セルの自己放電量を測定し、
予め定めた基準範囲内に収まる単位セルを合格品として、合格品である単位セルを前記自己放電量に基づいて複数のランクのいずれかに分類し、
並列接続体としての自己放電量が均一化するように、前記分類された単位セルを組み合わせて各並列接続体を構成する、バッテリモジュールの構成方法。A battery module configuration method comprising a parallel connection body in which a predetermined number of unit cells of a secondary battery are connected in parallel, and a plurality of stages of the parallel connection bodies connected in series,
Measure the self-discharge amount of each unit cell ,
Classifying unit cells that fall within a predetermined reference range as acceptable products, classifying the unit cells that are acceptable products into one of a plurality of ranks based on the self-discharge amount ,
A battery module configuration method in which each parallel connection is configured by combining the classified unit cells so that the self-discharge amount as the parallel connection is uniform. 前記ランクごとに単位セルの個数を規定して前記各並列接続体を構成する単位セルが組み合わされる、請求項２に記載のバッテリモジュールの構成方法。The unit cells constituting the respective parallel connection body are combined to define the number of unit cells each prior Kira link, configuring the battery module according to claim 2. 前記所定の個数と同数でランクが設定され、前記各並列接続体は、各ランクから１個ずつの単位セルで構成される、請求項３の記載のバッテリモジュールの構成方法。  The battery module configuration method according to claim 3, wherein ranks are set in the same number as the predetermined number, and each parallel connection is configured by one unit cell from each rank. 二次電池の単位セルを複数個直列に接続して構成されるバッテリモジュールの構成方法であって、各単位セルの自己放電量を測定し、予め定めた基準範囲内に収まる単位セルを合格品として、合格品である前記各単位セルを前記自己放電量に応じて複数のランクのいずれかに分類し、同一のランクに属する単位セルを直列に接続する、バッテリモジュールの構成方法。A battery module configuration method in which a plurality of unit cells of a secondary battery are connected in series, the self-discharge amount of each unit cell is measured, and a unit cell that falls within a predetermined reference range is accepted As a method for configuring a battery module, the unit cells that are acceptable products are classified into one of a plurality of ranks according to the self-discharge amount, and unit cells belonging to the same rank are connected in series. 前記二次電池はリチウムイオン二次電池であって、前記単位セルを満充電状態まで充電し、その後、一定の期間にわたって前記単位セルを放置し、放置後のセル電圧を測定することによって当該単位セルの前記自己放電量が測定される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のバッテリモジュールの構成方法。  The secondary battery is a lithium ion secondary battery, and the unit cell is charged to a fully charged state, and then the unit cell is left to stand for a certain period, and the unit voltage is measured by measuring the cell voltage after leaving the unit cell. The battery module configuration method according to claim 1, wherein the self-discharge amount of the cell is measured. 二次電池の単位セルを複数個組み合わせて構成されるバッテリモジュールの構成方法であって、単位セルの並列抵抗成分を測定して前記単位セルを分類し、並列抵抗成分が均一化するように前記分類された単位セルを組み合わせてバッテリモジュールを構成する、バッテリモジュールの構成方法。  A configuration method of a battery module configured by combining a plurality of unit cells of a secondary battery, wherein the unit cell is classified by measuring a parallel resistance component of the unit cell, and the parallel resistance component is uniformized A method for configuring a battery module, wherein a battery module is configured by combining classified unit cells. 二次電池の単位セルを所定の個数並列に接続した並列接続体を有するとともに、前記並列接続体を複数段直列に接続して構成されたバッテリモジュールであって、並列接続体としての自己放電量が均一化するように、各単位セルの自己放電量の測定において予め定めた基準範囲内に収まった合格品である単位セルであって自己放電量に応じてあらかじめ複数のランクのいずれかに分類された単位セルを組み合わせて各並列接続体が構成されている、バッテリモジュール。Both as having a unit cell of the rechargeable battery is connected to a predetermined number parallel parallel connector, a battery module configured by connecting the parallel connection body in a plurality of stages in series, the self-discharge of the parallel connection body In order to make the amount uniform, each unit cell is a unit cell that is an acceptable product that falls within a predetermined reference range in the measurement of the self-discharge amount of each unit cell, and is in any one of a plurality of ranks according to the self-discharge amount. each parallel connection body in combination classified unit cell is configured, the battery module. 二次電池の単位セルを複数個直列に接続して構成されるバッテリモジュールであって、各単位セルの自己放電量の測定において予め定めた基準範囲内に収まった合格品である単位セルであって自己放電量に応じた複数のランクのうちの同一のランクに分類された単位セルを直列に接続して構成されたバッテリモジュール。A battery module configured by connecting a plurality of unit cells of a secondary battery in series, and is a unit cell that is an acceptable product that falls within a predetermined reference range in measuring the self-discharge amount of each unit cell. A battery module configured by connecting unit cells classified in the same rank among a plurality of ranks according to the self-discharge amount in series.
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