JP5299434B2 - 組電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は,複数の単電池を有する組電池の製造方法に関する。
近年,リチウムイオン電池等の二次電池は,携帯型PCや携帯電話を始めとする電子機器のみならず,ハイブリッド車や電気自動車等の車両用電源として注目されている。このリチウムイオン電池等の二次電池では,複数の単電池(単セル)を直列に接続し,組電池とすることで所望の出力電圧を得ている。
組電池が適正な性能を発揮するには,組電池を構成する各単電池が正常でなければならない。そこで,組電池として組み付けるに先立って,各単電池の検査を行っている。検査済みの単電池については,保管や出荷における安全面を考慮して,放電によって使用最小%の充電率(SOC:State of Charge)に近い値に調整される。
図11は,従来の組電池の製造工程を示している。まず,単電池を製造する(S11)。その後,各単電池を所定のSOCに調整し,単電池単体の検査を行う(S12)。検査済みの単電池に対しては,放電を実施し,SOCが使用最小%(本形態では30%とする)となるように調整が行われる(S13)。その後,放電後の各単電池を積み重ねてスタック体を形成する(S14)。その後,スタック体を構成する各単電池を電気的に直列に接続することで組電池となる(S16)。
また,スタック体を形成した後,さらにスタック体を構成する各単電池を検査する技術が知られている。例えば,特許文献1に開示されている組電池の製造方法では,まず,単電池単体の状態で,各単電池をSOCを使用最小%未満に調整して各単電池を検査する。その後,検査済みの単電池を組み付け,組み付けられた各単電池についてSOCが使用中間値となるまで充電し,その状態で再度各単電池を検査する。その後,組電池とした状態で検査する。
しかしながら,従来の組電池の製造方法には,次のような問題があった。すなわち,放電後の単電池は,単電池の個体差(内部抵抗差),放電設備の違い,温度・湿度等の環境の違い,放電実施からの経過時間の違いなどにより,放電後の電圧にばらつきが生じる。単電池の電圧ばらつきは,組電池の性能を悪化させる要因の1つとなる。
また,特許文献1のように,単電池を組み付けた後に,全ての単電池を同じ条件(設備,環境,時間等)で充電することで,放電後電圧のばらつきを小さくすることが期待できる。しかし,充填には電源が必要であり,装置自体が高価になる。また,スタック体を構成する各単電池を高SOC状態で保管ないし出荷することは,安全面で好ましくない。
本発明は,前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,組電池を構成する各単電池の電圧ばらつきを,安全に抑制した組電池の製造方法を提供することにある。
この課題の解決を目的としてなされた組電池の製造方法は,複数の単電池を有する組電池の製造方法であって,単電池を,その充電率が使用最大値よりも低く使用最小値よりも高い値である第1充電率となるように調整する第1調整ステップと,充電率が第1充電率に調整された複数の単電池を組み付け,各単電池が電気的に非接続のスタック体を形成する組付ステップと,スタック体を構成する少なくとも2つの単電池を,充電率が第1充電率よりも低く使用最小値以上の値である第2充電率となるように一括放電する第2調整ステップとを含むことを特徴としている。
上記の組電池の製造方法では,一旦,単電池を第1充電率に調整した後,調整後の単電池を組み付けてスタック体を形成する。そして,そのスタック体の状態で,そのスタック体を構成する複数の単電池を,一括放電によって第2充電率に調整する。このようにスタック体の状態で複数の単電池を一括放電することで,スタック体を構成する各単電池の放電条件(設備,時間,環境等)が同一となる。そのため,スタック体を構成する各単電池の電圧ばらつきが小さくなる。また,本発明では,放電によって単電池の電圧を揃えるため,スタック体を構成した後の設備に,充電の際に必要な電源は不要である。また,各単電池は,第1充電率よりも低い第2充電率で揃えられており,保管や出荷の際に安全である。
また,上記の製造方法の第2調整ステップでは,スタック体を構成する全ての単電池を,第2充電率となるように一括放電するとよい。組電池では,全ての単電池を一括放電した方が,全ての単電池の電圧を揃える意味で望ましい。
また,上記の製造方法における第2充電率は,単電池の使用最小限の値であるとよい。すなわち,一括放電後の充電率である第2充電率は,使用最小限の値であることが,安全面で最も望ましい。なお,ここでいう使用最小限の値(使用最小%)は,厳密である必要はなく,使用最小%よりも大きい値であっても使用最小%に近似する値であればよい。例えば,自己放電によって電圧が低下することを考慮して,使用最小%よりも僅かに大きい値としてもよい。
また,上記の製造方法における第2調整ステップでの放電による電圧変化量は,各単電池の放電前の電圧ばらつき量よりも大きいとよい。一括放電による電圧変化量を放電前の電圧ばらつき量よりも大きくすることで,電圧ばらつきを効果的に低減することが期待できる。また,第2調整ステップでの放電による電圧変化量は,さらに,組付ステップによるスタック体の形成時点からの電圧変化量を加えた値よりも大きいほうが望ましい。また,第2調整ステップでの放電による電圧変化量は,さらに,各単電池の一括放電後の電圧ばらつき量を加えた値よりも大きいほうが望ましい。
本発明によれば,組電池を構成する各単電池の電圧ばらつきを,安全に抑制した組電池の製造方法が実現される。
以下,本発明を具体化した実施の形態について,添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお,本実施の形態は,ハイブリッド自動車等に車載されるリチウムイオン組電池の製造方法に本発明を適用したものである。
[組電池の構成]
まず,本形態の組電池100について,図1を参照しつつ説明する。本形態の組電池100は,複数の単電池1と,金属板である2つのエンドプレート(第1エンドプレート12,第2エンドプレート13)とを有している。
まず,本形態の組電池100について,図1を参照しつつ説明する。本形態の組電池100は,複数の単電池1と,金属板である2つのエンドプレート(第1エンドプレート12,第2エンドプレート13)とを有している。
第1エンドプレート12および第2エンドプレート13は,組電池100のうち,複数の単電池1の積層方向(図1中の矢印D1方向)の両端側に配置され,各単電池1の積層方向の寸法変化を抑制している。例えば,第1エンドプレート12および第2エンドプレート13は,エンドプレート12,13自身を積層方向D1に挿通する不図示の棒状ボルトを複数用いて,積層方向D1に積層した単電池1を所定の圧力で挟持することで寸法変化を抑制している。
また,組電池100は,第1エンドプレート12から第2エンドプレート13まで単電池1が積層された電池群が,積層方向D1に2列に列置されている。また、隣り合う単電池1,1を,銅製のバスバー(単電池1の積層方向D1に隣り合う単電池1,1を接続する溝型のバスバーを「バスバー50」,電池群の列置方向D2に隣り合う単電池1,1を接続する平板のバスバーを「バスバー51」とする)によって互いに直列に接続している。
[単電池の構成]
続いて,本形態の組電池100を構成する単電池1について,図2を参照しつつ説明する。単電池1は,いずれも帯状の正電極板2と負電極板3とセパレータ4とを有し,これらを重ね合わせて捲回してなる発電要素10と,内部にこの発電要素10を収容する電池ケース8を備えるリチウムイオン二次電池である。
続いて,本形態の組電池100を構成する単電池1について,図2を参照しつつ説明する。単電池1は,いずれも帯状の正電極板2と負電極板3とセパレータ4とを有し,これらを重ね合わせて捲回してなる発電要素10と,内部にこの発電要素10を収容する電池ケース8を備えるリチウムイオン二次電池である。
発電要素10のうち,正電極板2は,帯状のアルミ箔の両面に不図示の正極活物質層を担持している。この正極活物質層には,例えば,正極活物質のニッケル酸リチウム(LiNiO2 ),導電剤のアセチレンブラック,および結着剤のポリテトラフルオロエチレン(PTFE),カルボキシルメチルセルロース(CMC)が含まれる。また,負電極板3は,帯状の銅箔の両面に不図示の負極活物質層を担持している。この負極活物質層には,例えば,グラファイトおよび結着剤が含まれる。また,不図示の電解液は,エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを,体積比でEC:EMC=3:7に調整した混合有機溶媒に,溶質として6フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を添加し,リチウムイオンを1mol/lの濃度とした有機電解液である。なお,正電極板2,正極活物質層,負電極板3,負極活物質層,電解液に利用される物質は,一例であり,一般的にリチウムイオン電池に利用されるものを適宜選択すればよい。
単電池1の電池ケース8は,共にアルミニウム製の電池ケース本体81及び封口蓋88を有する。電池ケース8と発電要素10との間には,絶縁フィルム等の絶縁部材(不図示)が介在し,互いを絶縁している。封口蓋88は,電池ケース本体81の開口を閉塞して,電池ケース本体81に溶接されている。また,封口蓋88には,発電要素10と接続している正極集電部材21および負極集電部材31のうち,それぞれ先端に位置する正極端子部21Aおよび負極端子部31Aが貫通しており,図2中,封口蓋88から突出している。これら正極端子部21Aおよび負極端子部31Aと封口蓋88との間には,それぞれ絶縁性の樹脂からなる絶縁部材89が介在し,互いを絶縁している。さらに,この封口蓋88には安全弁87も封着されている。
図3は,リチウムイオン二次電池である単電池1の,充電率(SOC)と電圧との関係を示している。単電池1は,SOCが30%から60%の範囲内では,電圧値の変化が少なく,ほぼ一定の電圧値(本形態では約3.6V)を維持する。一方,SOCが30%よりも低い状態(過放電状態)になると,電圧値が急激に下降し,必要な電池出力が得られない。さらには,SOCが30%以下の過放電状態を放置すると,正極側のコバルトや負極側の銅が溶出し始め,二次電池としての機能が著しく低下する。また,SOCが60%よりも高い状態(過充電状態)になると,電圧値が急激に上昇し,電池出力が不安定になる。つまり,SOCが30%よりも低くなる過放電や,SOCが60%以上となる過充電は好ましくない。そのため,単電池1は,SOCの使用最小値(本形態では30%)と使用最大値(本形態では60%)とが決められており,使用時にはその範囲内となるように制御される。
[組電池の製造手順]
続いて,組電池100の製造手順を,図4を参照しつつ説明する。
続いて,組電池100の製造手順を,図4を参照しつつ説明する。
まず,単電池1を製造する(S01)。その後,単電池1の検査を行う(S02)。単電池1の検査では,例えば,SOCを使用範囲の中間値(本形態では45%)に調整して実施する。S01での製造およびS02での検査は,公知の技術を利用すればよい。
S02の単電池1の検査後は,各単電池1を,SOCが40%となるように放電によって調整する(S03)。その後,放電済みの各単電池1をスタック体として組み付ける(S04)。図5は,S04における単電池1の組み付け後のスタック体90を示している。スタック体90は,バスバー50,51による各単電池1の接続(図1参照)は行われておらず,各単電池1は電気的に非接続である。
スタック体90として組みつけられた各単電池1の電圧を計測すると,その電圧値にはばらつきがある。電圧値がばらつく理由には幾つか考えられる。ここで,電圧値がばらつく理由を図6のグラフを参照しつつ説明する。図6は,単電池1の放電後の電圧推移を示している。単電池1は,放電装置によって放電が実施されると電圧値が下降する。そして,放電が終了して単電池1の正極端子部21Aおよび負極端子部31Aが放電装置の接触子から離されると,放電装置の配線抵抗等の抵抗がなくなって電圧値が上昇する。そして,所定の電圧値で安定する。その後は,時間経過とともに自己放電によって電圧値は徐々に低下する。
単電池1の放電後電圧のばらつき理由としては,例えば,放電終了からの経過時間がある。経過時間が異なると,電圧降下量が異なる。つまり,同じ内部抵抗を持つ電池で同じ設備を利用して放電を行ったとしても,放電終了からの経過時間の違いによって電圧値に多少のばらつきが生じる(図6中の個体Aでの,測定時間a1と測定時間a2)。この他にも,例えば,放電設備の違い(配線抵抗の違い等)や,環境の違い(温度,湿度の違い等)も,電圧ばらつきの理由になる。
また,単電池1には,内部抵抗の個体差がある。内部抵抗が異なると,V=IRの関係から電圧値も異なる。つまり,同じ設備を利用して同じ時間に放電したとしても,電圧のばらつきが不可避的に生じる(図6中の測定時間a0での,個体Aと個体B)。
上述したようなスタック体90を構成する各単電池1の電圧ばらつきは,組電池100としての性能低下や寿命低下を招くおそれがある。例えば,組電池100は,各単電池1のSOCが使用範囲内となるように制御される。図7は,単電池1の電圧ばらつきが小さい組電池(組A)と電圧ばらつきが大きい組電池(組B)の制御範囲を示している。図7中のプロットは,組電池を構成する単電池の電圧ばらつきの範囲を示している。組電池Aを制御範囲内で動作させようとすると,組Amaxの位置が最大であり,組Aminの位置が最小となる。一方,組電池Bを制御範囲内で動作させようとすると,組Bmaxの位置が最大であり,組Bminの位置が最小となる。組電池Aおよび組電池BをSOCの使用範囲内で動作させる場合,図7に示すように,組電池Bは,組電池Aと比較して,自由度が狭い(DB<DA)。そのため,SOCを使用範囲内にするために,頻繁に充電ないし放電を行う必要があり,制御が複雑になるとともに劣化の進行が速くなる。
図4の組電池の説明に戻り,S04のスタック体90の形成後,そのスタック体90を構成する各単電池1に対し,放電によってSOCが40%から30%となるように調整する(S05)。すなわち,同一設備,同一環境,同一時間に,全ての単電池1を放電によって同一SOCに調整する。これにより,スタック体90を構成する各単電池1の電圧が揃えられる。
ここで,スタック体90の一括放電を行う放電装置について説明する。本形態の放電装置60は,図8に示すように,ワーク90(スタック体90)を載置するワークテーブル61と,ワークテーブル61の上面(ワーク90を載置する面)から突出するリブ62と,ワークテーブル61上に載置されたワーク90をリブ62側に押し付けてワーク90を固定する押し付け部材63と,複数の接触部65が等間隔に列置され,図8中の上下方向,左右方向,奥行き方向に移動自在に設けられた接触子テーブル64A,64Bとを備えている。
具体的に,接触子テーブル64A,64Bは,押し付け部材63の押し付け方向(図8の左右方向,以下,押し付け部材63側を「左側」,リブ62側を「右側」とする)の,左側に接触子テーブル64Aが,右側に接触子テーブル64Bが,それぞれ配置されている。また,接触子テーブル64A,64Bは,接触部65を下面から突出させ,その接触部65を,ワーク90の端子部91(正極端子部21Aや負極端子部31A)と対向する位置に配置している。そして,接触子テーブル64Aの左側端の接触部65aは,ワーク90の左側端の単電池1の端子部91aと,左右方向および奥行き方向の位置が一致するように,位置決めされる。一方,接触子テーブル64Bの右側端の接触部65bは,ワーク90の右側端の単電池1の端子部91bと,左右方向および奥行き方向の位置が一致するように,位置決めされる。
このように複数の接触子テーブルに分割することで,非分割の接触子テーブルと比較して,次のような利点がある。すなわち,非分割の接触子テーブルを利用すると,スタック体90の積層方向D1の長さのばらつきの影響が大きくなる。例えば,非分割の接触子テーブルにおいて右側端の端子部91bを基準位置とすると,その基準位置から最も遠い左側端の端子部91aまでの距離が長くなる。そのため,スタック長のばらつきが大きいと,各端子部91との位置合わせが困難になる。一方,本形態のように分割の接触子テーブルにおいては,基準位置から最も遠い端子部91までの距離が,非分割の接触子テーブルよりも短くなる。そのため,端子部91との位置合わせが容易であり,接触不良を回避することが期待できる。
また,各接触部65は,図9に示すように,接触子67を円筒形状のガイド部66に収容している。ガイド部66は,ワーク90と対向する側の端部が開口しており,その開口径はワーク90の端子部91が収容可能なサイズに設計されている。ワーク90の端子部91は,ガイド部66に案内されて,放電装置の接触子67とスムーズに接続できる。
図4の組電池の説明に戻り,S05の一括放電後,各単電池1をバスバー50および51によって電気的に直列に接続することで組電池100を形成する(S06)。なお,S06の単電池1の直列接続は,S05の一括放電直後であってもよいし,出荷直前であってもよし,車載直前であってもよい。
本形態の組電池100の製造方法では,単電池1単体での放電(S03での放電。以下,「組付前放電」とする)を行った後,各単電池1を組み付けた後にも放電(S05での放電。以下,「一括放電」とする)を行う。この一括放電によって調整されるSOCは,使用範囲内の使用最小%とする。なお,使用最小%は厳密である必要はなく,使用最小%よりも大きい値であっても使用最小%に近似する値であればよい。例えば,自然放電等によって電圧が低くなることを考慮して,使用最小%よりも僅かに大きい値に調節してもよい。
[SOCの設定例]
続いて,SOCの設定例について説明する。組付前放電後の目標SOC(あるいは電圧値)は,一括放電後の目標SOC(あるいは電圧値)を基準に決められる。具体的には,一括放電によって変動する電圧値(一括放電による放電量)が,組付前放電後の電圧のばらつき量Xと,一括放電後の電圧のばらつき量Y(<X)と,組付前放電から一括放電までの経過時間に伴って自己放電によって変動する電圧値Zと,の合計値(X+Y+Z)よりも大きくなるように設定する。
続いて,SOCの設定例について説明する。組付前放電後の目標SOC(あるいは電圧値)は,一括放電後の目標SOC(あるいは電圧値)を基準に決められる。具体的には,一括放電によって変動する電圧値(一括放電による放電量)が,組付前放電後の電圧のばらつき量Xと,一括放電後の電圧のばらつき量Y(<X)と,組付前放電から一括放電までの経過時間に伴って自己放電によって変動する電圧値Zと,の合計値(X+Y+Z)よりも大きくなるように設定する。
例えば,本形態の組電池では,使用最小%であるSOC30%の電圧が3.500Vであり,組付前放電後の電圧のばらつき量Xが±0.025V,一括放電後の電圧のばらつき量Yが0.005V,組付前放電から一括放電までの経過時間に伴う自己放電によって変動する電圧値Zが0.010Vであるとする。この場合,合計値(X+Y+Z)は,0.070Vとなる。そのため,組付前放電後の電圧を3.570V以上となるように設定すればよい。本形態では,組付前放電後の目標値を,3.600V(SOCに換算して40%)とした。
図10は,組付前放電および一括放電を実施した場合の,単電池1の電圧のばらつきの推移を例示している。図10中の(A)は,単電池1をスタック体90として組み付けた直後の電圧ばらつきを示している。この段階では,各単電池1のSOCは40%であり,その電圧ばらつきは,±0.025Vであった。組み付け後は,20日間放置し,各単電池1の自己放電を実施した。図10中の(B)は,20日間経過後であって一括放電直前の,各単電池1の電圧ばらつきを示している。この自己放電によって,各単電池1の電圧は0.010Vほど低下した。その後,SOCが30%となるまで一括放電を実施した。図10中の(C)は,一括放電直後の,単電池1の電圧ばらつきを示している。この一括放電によって,単電池1の電圧ばらつきは縮み,0.005Vの電圧ばらつきにまで減少した。
以上詳細に説明したように本形態の組電池100の製造方法では,一旦,単電池1をSOC40%(第1充電率の一例)に調整した後,そのSOC40%の単電池1を組み付けてスタック体90を形成している。この段階での各単電池1は,電圧ばらつきが大きい。そして,そのスタック体90の状態で,そのスタック体90を構成する複数の単電池1を,一括放電によってSOC30%(第2充電率の一例)に調整している。スタック体90の状態で,複数の単電池1を一括放電することで,各単電池1の放電条件(設備,時間,環境等)が同一となる。そのため,スタック体90を構成する各単電池1の電圧ばらつきが小さくなる。また,本形態では,放電によって単電池1の電圧を揃えるため,充電の際に必要な電源は不要である。また,一括放電後の各単電池1は,使用最小%のSOCで揃えられており,保管や出荷の際に安全である。
なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,実施の形態では,リチウムイオン電池に本発明を適用しているが,電池の種類はこれに限るものでもない。すなわち,本発明における単電池とは,充電および放電が可能な二次電池であればよく,ニッケル水素電池,ニッカド電池等にも適用可能である。また,車載用の組電池に限らず,例えば,家電製品用の組電池であってもよい。
また,実施の形態では,S03の組み付け前における単電池1単体でのSOCの調整を放電によって行っているが,単電池1のSOCを所定値に調整できればよく,適宜,充電を行ってもよい。
また,実施の形態では,組付前放電後のSOC(第1充電率)を40%とし,一括放電後のSOC(第2充電率)を30%としているが,SOC値はこれらに限るものではなく,単電池1の構成によって適宜設定可能である。なお,安全面を考慮すると,第1充電率は,使用SOCの範囲の中間値以下とすることが望ましい。
また,実施の形態では,スタック体90(組電池100)を構成する全ての単電池1を一括して放電しているが,複数の組に分けて行ってもよい。すなわち,少なくとも2つの単電池1を一括して放電することで,それらの単電池1については電圧値が揃えられる。勿論,全ての単電池1を一括放電する方が,組電池100内の単電池1の電圧を揃える上で望ましい。
1 単電池
2 正電極板
3 負電極板
50,51 バスバー
10 発電要素
90 スタック体
100 組電池
2 正電極板
3 負電極板
50,51 バスバー
10 発電要素
90 スタック体
100 組電池
Claims (6)
- 複数の単電池を有する組電池の製造方法において,
単電池を,その充電率が使用最大値よりも低く使用最小値よりも高い値である第1充電率となるように調整する第1調整ステップと,
充電率が前記第1充電率に調整された複数の単電池を組み付け,各単電池が電気的に非接続のスタック体を形成する組付ステップと,
前記スタック体を構成する少なくとも2つの単電池を,充電率が前記第1充電率よりも低く使用最小値以上の値である第2充電率となるように一括放電する第2調整ステップと,
を含むことを特徴とする組電池の製造方法。 - 請求項1に記載する組電池の製造方法において,
前記第2調整ステップでは,前記スタック体を構成する全ての単電池を,前記第2充電率となるように一括放電することを特徴とする組電池の製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載する組電池の製造方法において,
前記第2充電率は,前記単電池の使用最小限の値であることを特徴とする組電池の製造方法。 - 請求項1から請求項3のいずれか1つに記載する組電池の製造方法において,
前記第2調整ステップでの放電による電圧変化量は,各単電池の放電前の電圧ばらつき量よりも大きいことを特徴とする組電池の製造方法。 - 請求項1から請求項3のいずれか1つに記載する組電池の製造方法において,
前記第2調整ステップでの放電による電圧変化量は,各単電池の放電前の電圧ばらつき量に,前記組付ステップによる前記スタック体の形成時点からの電圧変化量を加えた値よりも大きいことを特徴とする組電池の製造方法。 - 請求項1から請求項3のいずれか1つに記載する組電池の製造方法において,
前記第2調整ステップでの放電による電圧変化量は,各単電池の放電前の電圧ばらつき量および前記組付ステップによる前記スタック体の形成時点からの電圧変化量に,各単電池の一括放電後の電圧ばらつき量を加えた値よりも大きいことを特徴とする組電池の製造方法。
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