JP5765061B2

JP5765061B2 - 組電池のセル組み合わせシステム

Info

Publication number: JP5765061B2
Application number: JP2011125719A
Authority: JP
Inventors: 研吾松尾
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2031-06-03
Also published as: JP2012252926A

Description

本発明は、複数のバッテリセルを組み合わせてなる組電池のセル組み合わせシステムに関する。

従来から、二次電池の製造工程では、バッテリセルのエージング処理を行い、不良品があればこれを取り除いている。
特許文献１では、エージング中に得たバッテリセルの特性に基づき、バッテリセルのグレード分けをして出荷している。
また、特許文献２では、複数のバッテリセルの性能差を補正して運用するべく、高度なバランス処理を提案している。これは、電気自動車等に必要な大容量化に対応するために、複数のバッテリセルを組み合わせて組電池として取り扱う際、バッテリセル毎の特性の違いが組電池の性能や劣化速度に影響するためである。

特開平１０−２８９７２９号公報特許第３９２１８２６号公報

ところで、上記前者の技術では、バッテリセルのグレード分けを行うものの、そのグレード毎の使い方については開示がない。また、上記後者の技術では、高度な制御をしたとしても、本来特性が違うバッテリセル間の性能差を制御によって埋めているので、結局性能が低いバッテリセルに合わせて運用することとなるため、寿命や特性は低いレベルになってしまう。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、バッテリセルのグレード分けの結果を有効利用すると共に、組電池の性能を最大限に確保可能な、組電池のセル組み合わせシステムを提供することを目的とする。

上記課題の解決手段として、本発明は、複数のバッテリセルを組み合わせてなる組電池のセル組み合わせシステムであって、前記バッテリセルをエージング処理可能に収容するエージングボックスと、前記エージングボックスを上下方向及び水平方向に複数並べて収容する収容棚を有して前記エージングボックスを搬出入自在に保管する自動倉庫と、前記自動倉庫から搬送された前記エージングボックスから前記バッテリセルを取り出すと共に複数の前記バッテリセルを組み合わせて前記組電池とする電池組み立て装置と、前記自動倉庫及び電池組み立て装置を作動制御する制御部と、を備え、前記エージングボックスは、外壁を構成する断熱壁と、前記断熱壁に囲まれた収容空間内に収容される前記バッテリセルの充放電を行う充放電制御装置と、前記バッテリセルの電圧、電流及び温度を計測する電池特性計測装置と、前記収容空間内の温度を管理するヒータ及びファンと、前記収容棚に収容された際に動力線及び信号線を接続可能とする動力コネクタ及び信号コネクタと、を有し、前記自動倉庫は、前記収容棚に前記エージングボックスを収容した後、このエージングボックスを電気的に接続して、その内部の前記バッテリセルのエージング処理を行うものであり、前記制御部は、前記エージング処理で得られるバッテリ特性データを記録し、このバッテリ特性データに基づいて前記バッテリセルをグレード分けし、前記電池組み立て装置は、前記自動倉庫から搬送された同一グレードの複数の前記バッテリセルを用いて、所定グレードの前記組電池を組み立てることを特徴とする。

また、本発明は、前記エージングボックスは、複数の前記バッテリセルを収容し、前記電池組み立て装置は、前記制御部の指令に基づき、前記自動倉庫から搬送された一つ又は複数の前記エージングボックスから同一グレードの複数の前記バッテリセルを取り出し、これら各バッテリセルを用いて前記組電池を組み立てることを特徴とする。

また、本発明は、前記制御部は、前記エージング処理で得られる前記バッテリ特性データと、前記バッテリセルが個別に有する管理情報と、前記エージングボックスが個別に有する管理情報とを記録することを特徴とする。

本発明の組電池の組み合わせシステムによれば、バッテリセルのグレード分けの結果を有効利用して、所定グレードの組電池を組み立てることができる。また、同一グレードの複数のバッテリセルを用いて組電池を組み立てることで、組電池内のバランス制御装置が簡便なものであっても、その特性や寿命を安定させることができる。さらに、スタッカークレーン等でエージングボックスを収容棚に収容するのみで、自動的にエージング処理及びデータ収集を実施することができる。
また、収容棚に複数のエージングボックスを収容し、かつ各エージングボックスの内部にさらに複数のバッテリセルを収容する場合でも、制御部のデータベースに基づき同一グレードの複数のバッテリセルを電池組み立て装置に的確に搬送できる。すなわち、自動倉庫の収容空間を無駄なく利用して多数のバッテリセルのエージング処理及び保管を可能とした上で、所定グレードの組電池を効率よく組み立てることができる。

本発明の実施形態における自動倉庫の平面図である。本発明の実施形態における自動倉庫の正面図である。本発明の実施形態におけるエージングボックスの正面図である。本発明の実施形態における電池組み立て装置の正面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図２を参照し、この実施形態の組電池のセル組み合わせシステムは、例えばパック型の二次電池であるバッテリセル１４を、エージングボックス１１内に複数収めた状態で、自動倉庫１の荷収容棚３内にスタッカークレーン５（図１参照）により搬出入自在に保管すると共に、この状態で各バッテリセル１４の充電・放電・室温放置エージング及び高温放置エージング等（以下、単にエージングと称する）を行い、このエージングにより得たデータを基に、各バッテリセル１４を多段階にグレード分けし、このグレード分けに基づいて、エージング後の各バッテリセル１４から同一グレードのものを複数取り出して、相当グレードの組電池２２ａ〜２２ｄ（図４参照）を組み立てるものである。

図１は、前記自動倉庫１の概略を示す平面図である。
自動倉庫１は、搬入された荷Ｍ（後述のエージングボックス１１）が載置される荷搬入部２と、荷Ｍを収容する荷収容棚３と、搬出される荷Ｍが載置される荷搬出部４と、荷搬入部２，荷収容棚３，荷搬出部４からなる荷載置部との間で荷Ｍの受け渡しを行うスタッカークレーン５と、自動倉庫１の動作を制御する不図示のホストコンピュータ（以下、上位制御部９と称する）と、上位制御部９にアクセスする操作パネル６とを有している。

自動倉庫１には直線的に軌道レール７が敷設され、この軌道レール７に沿ってスタッカークレーン５が走行する。荷収容棚３は、軌道レール７の幅方向両側に対となって設けられており、荷Ｍを上下方向で多段に、かつ水平方向で複数に収容可能となっている。本実施形態の荷収容棚３は、高さが数十メートル（例えば３０メートル）規模の大型のものである。また、軌道レール７の一端部には、軌道レール７を挟んで荷搬入部２と荷搬出部４とが互いに対向するように設けられる。スタッカークレーン５は、この軌道レール７の一端部（以下、ホームポジションと称する）にて、搬入又は搬出する荷Ｍの受け渡しを行う構成となっている。

なお、スタッカークレーン５は、多段の荷収容棚３に沿って敷設される軌道レール７と、この軌道レール７に沿って走行可能な台車と、この台車に一体的に設けられるマストと、このマストに昇降可能かつ所定高さで位置決め可能に設けられる昇降台と、この昇降台に設けられて荷収容棚３に対して荷Ｍの出し入れを行うフォークやアーム等の移載手段とを備え、荷収容棚３における所定の収容空間と対向する位置に荷Ｍを移動させ、前記移載装置を用いて荷収納棚３との間で荷Ｍの受け渡しを行うものである。

図２は、前記荷収容棚３の概略を示す正面図である。
荷収容棚３に収容される前記荷Ｍたるエージングボックス１１は、前記スタッカークレーン５により荷収容棚３の任意の空きスペースに収容される。エージングボックス１１には個別番号等の管理情報が付与され、各エージングボックス１１が荷収容棚３の何処に収容されたかが上位制御部９に管理される。エージングボックス１１は、自動倉庫１に収められて荷収容棚３に収容された時点で、自動倉庫１の動力線及び信号線に電気的に接続され、上位制御部９の指示に従ってエージングを開始する。

図３は、前記エージングボックス１１の概略を示す正面図である。
エージングボックス１１は、その外壁の一部又は全部を構成する断熱壁１２と、断熱壁１２に囲まれた収容空間内に多段に収容される複数のバッテリセル１４と、各バッテリセル１４に接続されてこれらの充放電を行う充放電制御装置１５と、各バッテリセル１４の電圧、電流及び温度等を計測する電池特性計測装置１６と、収容空間内の温度を管理するヒータ１７及びファン１８と、荷収容棚３に収容された際に前記動力線及び信号線を接続可能とする動力コネクタ及び信号コネクタ（何れも不図示）とを有する。なお、充放電制御装置１５及び電池特性計測装置１６を一体のユニットとして構成される。

エージングボックス１１は、その内部空間に各バッテリセル１４を収めると同時にこれらを加圧クランプし、この状態で荷収容棚３に収容されて、電極接続、温度計測及びセル加圧を同時に行う。エージングボックス１１の内部にはヒータ１７及びファン１８が仕込まれ、雰囲気温度を５０℃超程度まで上げての充放電エージングを行うことができる。

このエージングでの記録指標は、電圧及び電流の計測値の積として求められる蓄電（充電）容量と、エージング前後の満充電時の開放電圧の低下度合いとが主であり、これらを電池特性計測装置１６内で算出してメモリに記録した後、これを上位制御部９に転送する。各バッテリセル１４は例えばＩＣチップ等の情報記録媒体を有し、エージングボックス１１と同様に個別番号等の管理情報が付与される。この管理情報も併せて上位制御部９に転送することで、上位制御部９内に各バッテリセル１４の電池特性のデータベースが構築される。なお、前記エージングでは、微少短絡電圧等の計測により不良品の検出も行われる。

そして、上位制御部９は、エージング中及びその前後に記録したデータを基に、特に蓄電容量とエージング前後の満充電開放電圧の低下度合い（劣化予測）とを用いて、容量及び耐久性の二元特性で各バッテリセル１４をグレード分けする。
これら各バッテリセル１４を同グレード毎に複数まとめることで、図４に示すように、バッテリセル１４と同様にグレード分けされた組電池２２ａ〜２２ｄを組み立てることが可能である。

すなわち、所定グレードの組電池２２ａ〜２２ｄを組み立てるべく外部からの操作がなされると、上位制御部９は、相当グレードのバッテリセル１４を収めたエージングボックス１１をスタッカークレーン５により荷収容棚３から搬出する。このエージングボックス１１は、不図示の搬送装置により電池組み立て装置２１のストックヤードに搬送される。

電池組み立て装置２１は、同グレードのバッテリセル１４が所定数揃うと、それをエージングボックス１１から取り出して一体的に組み立てる。自動倉庫１から電池組み立て装置２１までのエージングボックス１１の搬送及び電池組み立て装置２１での組電池２２ａ〜２２ｄの組み立ては、上位制御部９の制御により自動で行うことが望ましい。

図４は、容量で２段階、耐久性で２段階の計４グレードに組電池２２ａ〜２２ｄを仕分ける例を示す。この組電池２２ａ〜２２ｄを電気自動車のエネルギーストレージとして用いる場合、例えば大容量で高耐久性のグレードＡのもの（組電池２２ａ）は高級車や緊急車両に、大容量で低耐久性のグレードＢのもの（組電池２２ｂ）はスポーツカーに、低容量で高耐久性のグレードＣのもの（組電池２２ｃ）は汎用車両や運輸車両に、低容量で低耐久性のグレードＤのもの（組電池２２ｄ）は廉価車両やレンタカーにそれぞれ用いる等、各グレードに適した用途が選択される。

なお、組電池の商品企画等に合わせて、２×３の６グレードや３×３の９グレード等に組電池を仕分けるようにしてもよい。また、前記エージング時の記録指標として、さらに内部抵抗やセル温度の変化の計測を行い、これを用いてさらなるバッテリセル１４のグレード分けを行ってもよい。
さらに、前記エージングにおいて、雰囲気温度を変動させたり、セル加圧圧力を変動させたり、振動を加えたり、前記振動の周波数や振幅を変化させる等、出荷後に使用される状況を再現しつつエージングを行うようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態の組電池のセル組み合わせシステムは、複数のバッテリセル１４をエージング処理可能に収容するエージングボックス１１と、前記エージングボックス１１を上下方向及び水平方向に複数並べて収容する荷収容棚３を有して前記エージングボックス１１を搬出入自在に保管する自動倉庫１と、前記自動倉庫１から搬送された前記エージングボックス１１から前記バッテリセル１４を取り出すと共に複数の前記バッテリセル１４を組み合わせて組電池２２ａ〜２２ｄとする電池組み立て装置２１と、前記自動倉庫１及び電池組み立て装置２１を作動制御する上位制御部９と、を備え、前記自動倉庫１は、前記荷収容棚３に前記エージングボックス１１を収容した後、このエージングボックス１１を電気的に接続して、その内部の前記バッテリセル１４のエージング処理を行うものであり、前記上位制御部９は、前記エージング処理で得られるバッテリ特性データを記録し、このバッテリ特性データに基づいて前記バッテリセル１４をグレード分けすると共に、前記バッテリセル１４が個別に有する管理情報と、前記エージングボックス１１が個別に有する管理情報とに基づき、同一グレードの前記バッテリセル１４が何処に収容されるかをデータベース化し、前記電池組み立て装置２１は、前記上位制御部９の指令に基づき、前記自動倉庫１から搬送された一つ又は複数の前記エージングボックス１１から同一グレードの複数の前記バッテリセル１４を取り出し、これら各バッテリセル１４を用いて、所定グレードの前記組電池２２ａ〜２２ｄを組み立てるものである。

この構成によれば、バッテリセル１４のグレード分けの結果を有効利用して、所定グレードの組電池２２ａ〜２２ｄを組み立てることができる。また、同一グレードの複数のバッテリセル１４を用いて組電池２２ａ〜２２ｄを組み立てることで、組電池２２ａ〜２２ｄ内のバランス制御装置が簡便なものであっても、その特性や寿命を安定させることができる。さらに、スタッカークレーン５等でエージングボックス１１を荷収容棚３に収容するのみで、自動的にエージング処理及びデータ収集を実施することができる。
また、荷収容棚３に複数のエージングボックス１１を収容し、かつ各エージングボックス１１の内部にさらに複数のバッテリセル１４を収容する場合でも、上位制御部９のデータベースに基づき同一グレードの複数のバッテリセル１４を電池組み立て装置２１に的確に搬送できる。すなわち、自動倉庫１の収容空間を無駄なく利用して多数のバッテリセル１４のエージング処理及び保管を可能とした上で、所定グレードの組電池２２ａ〜２２ｄを効率よく組み立てることができる。

１自動倉庫
３荷収容棚（収容棚）
９上位制御部（制御部）
１１エージングボックス
１４バッテリセル
２１電池組み立て装置
２２ａ〜２２ｄ組電池

Claims

複数のバッテリセルを組み合わせてなる組電池のセル組み合わせシステムであって、
前記バッテリセルをエージング処理可能に収容するエージングボックスと、前記エージングボックスを上下方向及び水平方向に複数並べて収容する収容棚を有して前記エージングボックスを搬出入自在に保管する自動倉庫と、前記自動倉庫から搬送された前記エージングボックスから前記バッテリセルを取り出すと共に複数の前記バッテリセルを組み合わせて前記組電池とする電池組み立て装置と、前記自動倉庫及び電池組み立て装置を作動制御する制御部と、を備え、
前記エージングボックスは、外壁を構成する断熱壁と、前記断熱壁に囲まれた収容空間内に収容される前記バッテリセルの充放電を行う充放電制御装置と、前記バッテリセルの電圧、電流及び温度を計測する電池特性計測装置と、前記収容空間内の温度を管理するヒータ及びファンと、前記収容棚に収容された際に動力線及び信号線を接続可能とする動力コネクタ及び信号コネクタと、を有し、
前記自動倉庫は、前記収容棚に前記エージングボックスを収容した後、このエージングボックスを電気的に接続して、その内部の前記バッテリセルのエージング処理を行うものであり、
前記制御部は、前記エージング処理で得られるバッテリ特性データを記録し、このバッテリ特性データに基づいて前記バッテリセルをグレード分けし、
前記電池組み立て装置は、前記自動倉庫から搬送された同一グレードの複数の前記バッテリセルを用いて、所定グレードの前記組電池を組み立てることを特徴とする組電池のセル組み合わせシステム。
前記エージングボックスは、複数の前記バッテリセルを収容し、
前記電池組み立て装置は、前記制御部の指令に基づき、前記自動倉庫から搬送された一つ又は複数の前記エージングボックスから同一グレードの複数の前記バッテリセルを取り出し、これら各バッテリセルを用いて前記組電池を組み立てることを特徴とする請求項１に記載の組電池のセル組み合わせシステム。
前記制御部は、前記エージング処理で得られる前記バッテリセルのバッテリ特性データと、前記バッテリセルが個別に有する管理情報と、前記エージングボックスが個別に有する管理情報とを記録することを特徴とする請求項２に記載の組電池のセル組み合わせシステム。