JP6841457B1

JP6841457B1 - 二次電池用充放電装置

Info

Publication number: JP6841457B1
Application number: JP2020090546A
Authority: JP
Inventors: 輝雄岡田
Original assignee: SOFTENERGY CONTROLS INC.
Current assignee: SOFTENERGY CONTROLS INC.
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2040-05-25
Also published as: JP2021190159A

Abstract

【課題】電源ユニットとコンタクトユニットを独立させ、ケーブルを用いることなく電気接続の有無を切替え可能とすることで検査結果の良好な取得を実現し、ケーブル使用による弊害を解消して装置全体のコンパクト性を維持しつつ、より一層のメンテナンス性の向上とランニングコストの軽減を図り、充放電試験時の二次電池の膨張、収縮にも対応して安定した電気接続状態を確保可能な二次電池用充放電装置を提供する。【解決手段】電源ユニット１２と、複数の二次電池１１が収納される二次電池ユニット１３と、電源ユニット１２及び二次電池ユニット１３と独立して設けられ、使用時に電源ユニット１２と各二次電池１１との間を電気的に接続するコンタクトユニット１４とを有し、電源ユニット１２とコンタクトユニット１４との距離によって、電源ユニット１２とコンタクトユニット１４との電気接続の有無が切り替え可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池の充放電試験をまとめて行うための二次電池用充放電装置に関する。

今日において、スマートフォン等のＩＴ機器や電気自動車に使用される二次電池の需要が急速に増大している。この二次電池の量産工場の最終工程では、生産された二次電池の活性化と品質検査を行う充放電装置が広く用いられている。そして、充放電装置を用いることにより、それまで人力で行われていた二次電池の活性化と品質検査を機械化することが可能となり、二次電池の大量生産の実現に寄与している。
従来の充放電装置の多くは、電源ユニットと二次電池との間を電気的に接続するためのコンタクトユニット（フィクスチャーユニットとも呼ばれる）が、電源ユニットから独立した筐体に設けられており、両ユニットの接続にはケーブルが用いられてきた。しかし、このケーブルからの発熱、ケーブルの引き回しによるノイズの影響、及びケーブルの長大化による抵抗の増大に伴う電力のロス等が生じるといった弊害があった。そこで、これらの弊害を解消するために、例えば、特許文献１、２には、電源ユニットとコンタクトユニットを一体化して、ケーブルを不要とし、或いは極力短縮した装置が開示されている。

特開２０１２−２４４７４２号公報特開２０１９−４６６１５号公報

しかしながら、特許文献１には、充放電試験時において、電源部（高集積コンバータ）や試験体である電池を収納した電池トレー部から生じる熱を冷却するための機構が存在せず、装置の動作安定性に欠けるという課題があった。
これに対して、特許文献２は、電源ユニット、コンタクトユニット、及びプローブ等を一枚の基板上に形成し、装置全体のコンパクト化を図りながら、冷却機構を備えることにより、装置の安定動作を実現している。
しかし、その反面、試験体が大電流容量の二次電池である場合には、これに対応して電源ユニットが大型化することにより、装置全体の重量の増大及び構造の複雑化を招き、取扱い性の低下にも繋がっていた。
さらには、電源ユニットがコンタクトユニット及びプローブと一体化されているため、電源ユニットが故障した場合、電源ユニットだけを取り外して修理することや、故障した電源ユニットと新しい電源ユニットを交換することが困難であり、メンテナンス性の低下を招いていた。
また、上記一体構造を採用したことにより、試験体である二次電池を大電流容量のものに変更した場合に、当該二次電池に見合った性能の電源ユニットに変更することや、将来的に、より省電力化の進んだ電源ユニットへ変更することが困難となっていた。
さらに、プローブが基板上に固定されているため、充放電試験時の二次電池の膨張、収縮に伴う電極の位置移動にプローブを追従させることが困難で、電気接続の確実性及び安定性に欠けるという課題もあった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、電源ユニットとコンタクトユニットを独立させ、ケーブルを用いることなく電気接続の有無を切替え可能とすることで、検査結果の良好な取得を実現し、ケーブル使用による弊害を解消して、装置全体のコンパクト性を維持しつつ、より一層のメンテナンス性の向上とランニングコストの軽減を図り、充放電試験時の二次電池の膨張、収縮にも対応して安定した電気接続状態を確保可能な二次電池用充放電装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る二次電池用充放電装置は、複数の二次電池の充放電試験を行うための二次電池用充放電装置において、
電源ユニットと、複数の前記二次電池が収納される二次電池ユニットと、前記電源ユニット及び前記二次電池ユニットと独立して設けられ、使用時に前記電源ユニットと前記各二次電池との間を電気的に接続するコンタクトユニットとを有し、
前記電源ユニットと前記コンタクトユニットとの距離によって、前記電源ユニットと前記コンタクトユニットとの電気接続の有無が切り替え可能であり、前記電源ユニットと前記コンタクトユニットは、コンタクト機構を介して着脱可能に接続され、前記コンタクト機構は、前記電源ユニットに形成された複数の電極部と、前記コンタクトユニットに形成され前記各電極部と嵌合又は圧接される複数のコネクタ部とを有し、前記コンタクトユニットは、前記各二次電池の各正極端子及び各負極端子にそれぞれ当接可能な複数のコンタクトプローブを備え、前記各コネクタ部と前記各コンタクトプローブは、ケーブル又はフレキシブル導体で接続されている。
ここで、電源ユニットとコンタクトユニットは、両者を電気接続するための物理的な固定手段（螺子止め又はハンダ付け等）を用いず、使用時に両者が接近することにより、接触式の通電機構（コンタクト機構）又は非接触式の通電機構を介して電気接続することができる。

本発明に係る二次電池用充放電装置において、前記コンタクトユニットは、充放電時の前記各二次電池の膨張及び収縮に伴う前記各正極端子及び前記各負極端子の移動に追従して前記各コンタクトプローブを移動させる倣い機構を備えることができる。

本発明に係る二次電池用充放電装置において、前記コンタクトユニットは、冷却手段を備えていることがさらに好ましい。

本発明に係る二次電池用充放電装置は、電源ユニットと各二次電池との間を電気的に接続するコンタクトユニットが、電源ユニット及び二次電池ユニットと分離した独立構造であり、電源ユニットとコンタクトユニットとの距離によって、電源ユニットとコンタクトユニットとの電気接続の有無が切り替え可能であることにより、電源ユニットのメンテナンス性の向上を図ると共に、電源ユニットの設計の自由度を増し、必要に応じて電源ユニットを交換して二次電池用充放電装置の性能向上を図ることもできる。

本発明の一実施の形態に係る二次電池用充放電装置の構成を示す模式正面図である。同二次電池用充放電装置の要部側面図である。図２のＡ−Ａ線矢視平面図である。図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。同二次電池用充放電装置の使用時の状態を示す要部側面図である。同二次電池用充放電装置の使用時の状態を示す要部正面図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示す本発明の一実施の形態に係る二次電池用充放電装置１０は、生産されたリチウムイオン電池等の二次電池１１の活性化及び品質検査で用いられ、複数の二次電池１１を一度に充放電するためのものである。なお、図１、図４、図６の左右方向を二次電池用充放電装置１０の幅方向（左右方向）とし、図２、図３、図５の左右方向を二次電池用充放電装置１０の前後方向とする。
この二次電池用充放電装置１０は、電源ユニット１２と、複数の二次電池１１が収納される二次電池ユニット１３（図２、図３参照）と、電源ユニット１２及び二次電池ユニット１３と独立して設けられ、使用時に電源ユニット１２と各二次電池１１を電気的に接続するコンタクトユニット１４を５つずつ有している。本実施の形態では、各５つの電源ユニット１２、二次電池ユニット１３及びコンタクトユニット１４を二次電池用充放電装置１０の幅方向に間隔を空けて配置したが、これらの数及び配置は、適宜、選択することができ、例えば、それぞれのユニットを平面視して縦横（行列方向）に配置することもできる。なお、複数の二次電池ユニット１３をまとめて１つのパレット１５に収容すれば、多数の二次電池１１を効率的に運搬することができる。

各二次電池ユニット１３は、図２、図３に示すように、上面が開口した箱型（容器状）の電池コンテナ１６の前後方向に複数（ここでは９個）の二次電池１１が厚さ方向に並べて収納されたものである。なお、電池コンテナ１６には二次電池１１と交互にスペーサ１７が配置されるが、この電池コンテナ１６とスペーサ１７の詳細については後述する。また、各電源ユニット１２は、各二次電池ユニット１３に収納可能な二次電池１１の数に合わせて複数（ここでは９個）のチャンネルを有しており、各二次電池ユニット１３に収納される複数の二次電池１１の充放電試験を同時に行うことができる。電源ユニット１２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ及びＤＣ−ＤＣコンバータ等から構成される。なお、二次電池１１がリチウムイオン電池の場合、電源ユニット１２は、ＣＣ−ＣＶ（定電流定電圧）充放電が可能であることが望ましい。

各電源ユニット１２と各コンタクトユニット１４は、図２、図５に示すように、コンタクト機構１８を介して着脱（離合）可能に接続される。このコンタクト機構１８は、各電源ユニット１２にチャンネル数（各二次電池ユニット１３に収納される二次電池１１の数）に応じて形成された複数の電極部１９と、各コンタクトユニット１４に形成され各電極部１９と嵌合される複数のコネクタ部２０とを有する。なお、図２、図５においては、手前側のコネクタ部２０しか見えないが、実際には図４、図６に示すように、各二次電池１１の正極端子２１と負極端子２２に対応して、＋側のコネクタ部２０と−側のコネクタ部２０が各コンタクトユニット１４の左右に並んで配置されている。同様に、各電源ユニット１２についても、図２、図５においては、手前側の電極部１９しか見えないが、実際には＋側のコネクタ部２０と−側のコネクタ部２０に対応して、各電源ユニット１２の左右に、＋側の電極部と−側の電極部が並んで配置されており、これらをまとめて電極部１９ともいう。

本実施の形態では、コンタクト機構１８として、板状に形成した電極部１９を、二股のフォーク状に形成したコネクタ部２０で挟持するようにして嵌合させる構造を採用したが、コンタクト機構の構造は、これに限定されるものではなく、嵌合又は圧接により電気的に接続される構造を適宜、選択することができる。例えば対をなす雄部材と雌部材を嵌合させる構造でもよいし、電源ユニット及びコンタクトユニットのそれぞれの端子を圧接（圧着）させる構造でもよい。これらの構造により、特別な工具を用いることなく、両ユニットを離合させることが可能となる。その結果、電源ユニットをコンタクトユニットから切り離した状態で、電源ユニットのみのメンテナンスを行うことが可能となり、メンテナンス性の向上を図ることができる。

さらに、電源ユニットとコンタクトユニットが分離（独立）した構造とすることにより、電源ユニットの設計の自由度が増すと共に、将来的に、大電流に対応した電源ユニットや省電力性に優れた電源ユニットに交換することにより、必要最小限の費用で二次電池用充放電装置の性能を向上させることができる。
なお、二次電池用充放電装置は、電源ユニットとコンタクトユニットとの電気接続に、物理的な固定手段（螺子止め又はハンダ付け等）を用いず、電源ユニットとコンタクトユニットとの距離によって、電源ユニットとコンタクトユニットとの電気接続の有無が切り替え可能となっていればよい。つまり、本実施の形態のように、電源ユニットとコンタクトユニットが、接触式で（コンタクト機構を介して）電気接続されるものだけでなく、電源ユニットとコンタクトユニットが、所定の距離まで近接することにより非接触状態で電気接続されるものも含まれる。

また、各コンタクトユニット１４は、図２〜図６に示すように、各二次電池１１の各正極端子２１及び各負極端子２２（図３、図４、図６参照）にそれぞれ当接可能な複数のコンタクトプローブ２３を備えている。そして、各コネクタ部２０と各コンタクトプローブ２３は、可撓性を有するケーブル（又はフレキシブル導体）２５で接続されている。コンタクトプローブ２３は、各二次電池１１の正極端子２１及び負極端子２２にそれぞれ対応して設けられ、正極端子２１に対応するコンタクトプローブ２３には、正極電流出力ラインと正極電圧検出ラインが組み込まれ、負極端子２２に対応するコンタクトプローブ２３には、負極電流出力ラインと負極電圧検出ラインが組み込まれている。これにより、各二次電池１１と、電源ユニット１２の各チャンネルとの間をコンタクトユニット１４を介して電気接続することができ、各二次電池１１の充放電を行うと共に、電圧測定を行うことができる。なお、二次電池用充放電装置１０は、充放電コントローラ２６により制御される。この充放電コントローラ２６としては、ハードディスク等の記憶手段、ディスプレイ等の表示手段、キーボード、マウス、タッチパネル、タッチパッド等の入力手段を備えるコンピュータが好適に用いられ、記憶手段に格納された専用ソフトウェアを通じて、充放電試験の開始と終了の指示、試験条件の設定、各ユニットの昇降等の各種制御を行うことができる。充放電コントローラと電源ユニット及びコンタクトユニット等の各部は、電気信号の送受信を行うための電気線を用いて有線接続してもよいし、ＷＩ−ＦＩ通信等を用いて無線接続してもよい。

二次電池用充放電装置１０は、電源ユニット１２、二次電池ユニット１３及びコンタクトユニット１４をユニットの種類毎に支持するステージ（図示せず）を有することが好ましい。そして、３つのステージの内、いずれか２つのステージをそれぞれ昇降させる第１、第２の昇降手段（図示せず）を備えることにより、電源ユニット１２の各電極部１９と、コンタクトユニット１４の各コネクタ部２０とのコンタクト（電気接続）、並びにコンタクトユニット１４の各コンタクトプローブ２３と、各二次電池１１の正極端子２１及び負極端子２２とのコンタクト（電気接続）の有無を切り替えることができる。
なお、第１、第２の昇降手段としては、例えばピストンが好適に用いられるが、その数及び配置は適宜、選択することができる。

次に、コンタクトユニット１４は、図２、図４〜図６に示すように、充放電時の各二次電池１１の膨張及び収縮に伴う各正極端子２１及び各負極端子２２の移動に追従して各コンタクトプローブ２３を移動させる倣い機構３０を備えている。
この倣い機構３０は、各二次電池１１の正極端子２１及び負極端子２２に対応するそれぞれのコンタクトプローブ２３を保持するプローブ保持部材３１と、コンタクトユニット１４の前後方向（各二次電池１１の厚さ方向）に沿って各プローブ保持部材３１をスライド可能に保持するガイド手段３２を有している。本実施の形態では、各プローブ保持部材３１の左右両側部に凹条の係合部３３を形成し、各係合部３３に対応させてコンタクトユニット１４の筐体３４の前後方向に沿って凸条のガイド手段３２を形成した。各プローブ保持部材３１の左右の係合部３３を、対となるガイド手段３２に係合させることにより、それぞれのプローブ保持部材３１をガイド手段３２に沿って摺動可能に保持することができるが、ガイド手段と係合部の形状及び配置は適宜、選択することができる。例えば、係合部を凸条に形成し、ガイド手段を凹条に形成してもよいし、係合部を孔状に形成し、ガイド手段を棒状に形成してもよい。また、正極端子２１及び負極端子２２に対応する左右のコンタクトプローブ２３を別々のプローブ保持部材３１で保持する代わりに、共通の１つのプローブ保持部材で保持する構成としてもよい。

一方、電池コンテナ１６は、図２〜図６に示すように、ベース部３６と、ベース部３６の長手方向の両側（図では左右方向）に立設された前板３７及び後板３８を有している。また、前板３７と後板３８の左右両側部はそれぞれ上下２つの側部連結材３９、４０で連結されている。そして、ベース部３６上に、二次電池１１と交互に配置されたスペーサ１７の左右両側には、側部連結材３９に摺動可能に保持される摺動係合部４１が形成されている。これにより、スペーサ１７は、側部連結材３９をガイドとして、二次電池１１と共にベース部３６上を電池コンテナ１６の前後方向に摺動することが可能となっている。本実施の形態では、側部連結材３９、４０を断面円形に形成したが、これらの断面形状は限定されることなく、適宜、選択することができる。また、側部連結材の数及び配置も適宜、選択することができ、それに応じて、スペーサの摺動係合部の数及び配置を選択できる。例えば、上下の側部連結材のそれぞれに係合するように、スペーサの両側の上下２箇所に係合凹部を形成してもよい。

また、各スペーサ１７の左右の摺動係合部４１の上部には突起部４２が形成され、コンタクトユニット１４の各プローブ保持部材３１の外側には突起部４２の位置に対応して係合溝４３が形成されている。これにより、二次電池ユニット１３とコンタクトユニット１４を近づけて、各二次電池１１の正極端子２１及び負極端子２２に各コンタクトプローブ２３を当接させて電気接続した時に、突起部４２を係合溝４３に係合させて、各スペーサ１７と各プローブ保持部材３１を着脱可能に連結（一体化）することができる。なお、各スペーサと各プローブ保持部材を着脱可能に連結する構造は適宜、選択することができ、例えば突起部と係合溝の位置関係を入れ替えてもよいし、嵌合孔と挿通軸の組合せでもよい。

以上の構成により、充放電試験時の各二次電池１１の膨張、収縮に伴って正極端子２１及び負極端子２２の位置が電池コンテナ１６（ベース部３６）の前後方向に移動する際に、同時に各スペーサ１７と各プローブ保持部材３１が前後動し、各二次電池１１の正極端子２１及び負極端子２２と各コンタクトプローブ２３とのコンタクト状態を維持することができる。このとき、コンタクトユニット１４内で各コネクタ部２０と各コンタクトプローブ２３が、ケーブル（又はフレキシブル導体）２５で接続されていることにより、各プローブ保持部材３１が移動しても、各コネクタ部２０及び各コンタクトプローブ２３に負荷が加わることがなく、電源ユニット１２から二次電池ユニット１３までの電気接続状態を安定的に確保することができる。また、電源ユニット１２から二次電池ユニット１３までの導体の長さを必要最小限とし、電圧降下を軽減して電力消費のロスを抑え、効率的に充放電試験を行うことができる。
なお、倣い機構の構成は、本実施の形態に限定されるものではなく、適宜、選択することができる。例えば、隣り合うプローブ保持部材の間隔を均等に保持しながら伸縮するパンタグラフ状のリンク機構等を用いてもよい。

また、各コンタクトユニット１４の内部には、冷却手段（図示せず）が取付けられており、充放電試験時に、コンタクトユニット１４の内部（ケーブル２５）、コンタクトプローブ２３及び二次電池ユニット１３（二次電池１１）を冷却することができる。なお、二次電池１１からの発熱量が大きい場合には、別途、電源ユニットに冷却機構を設けてもよい。冷却手段としては、ファンが好適に用いられるが、その数及び配置は適宜、選択することができる。また、冷却手段の種類は特に限定されるものではなく、二次電池用充放電装置の安定した稼働に必要充分な冷却能力を得られるものであればよい。例えば、水冷式の冷却手段を用いてもよいし、コンタクトユニットの筐体等にヒートシンクを取付けてもよい。さらに、複数種類の冷却手段を組合せて使用することもできる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
上記実施の形態では、二次電池の正極端子及び負極端子が、二次電池の上面に配置されている場合について説明したが、正極端子及び負極端子の配置が異なっていても、コンタクトユニットの配置を変更することにより、対応可能である。例えば、正極端子及び負極端子が二次電池の側面に配置されている場合は、正極端子及び負極端子の向きに合わせて、二次電池の側方にコンタクトプローブを配置すればよい。

１０：二次電池用充放電装置、１１：二次電池、１２：電源ユニット、１３：二次電池ユニット、１４：コンタクトユニット、１５：パレット、１６：電池コンテナ、１７：スペーサ、１８：コンタクト機構、１９：電極部、２０：コネクタ部、２１：正極端子、２２：負極端子、２３：コンタクトプローブ、２５：ケーブル、２６：充放電コントローラ、３０：倣い機構、３１：プローブ保持部材、３２：ガイド手段、３３：係合部、３４：筐体、３６：ベース部、３７：前板、３８：後板、３９、４０：側部連結材、４１：摺動係合部、４２：突起部、４３：係合溝

Claims

複数の二次電池の充放電試験を行うための二次電池用充放電装置において、
電源ユニットと、複数の前記二次電池が収納される二次電池ユニットと、前記電源ユニット及び前記二次電池ユニットと独立して設けられ、使用時に前記電源ユニットと前記各二次電池との間を電気的に接続するコンタクトユニットとを有し、
前記電源ユニットと前記コンタクトユニットとの距離によって、前記電源ユニットと前記コンタクトユニットとの電気接続の有無が切り替え可能であり、前記電源ユニットと前記コンタクトユニットは、コンタクト機構を介して着脱可能に接続され、前記コンタクト機構は、前記電源ユニットに形成された複数の電極部と、前記コンタクトユニットに形成され前記各電極部と嵌合又は圧接される複数のコネクタ部とを有し、前記コンタクトユニットは、前記各二次電池の各正極端子及び各負極端子にそれぞれ当接可能な複数のコンタクトプローブを備え、前記各コネクタ部と前記各コンタクトプローブは、ケーブル又はフレキシブル導体で接続されていることを特徴とする二次電池用充放電装置。
請求項１記載の二次電池用充放電装置において、前記コンタクトユニットは、充放電時の前記各二次電池の膨張及び収縮に伴う前記各正極端子及び前記各負極端子の移動に追従して前記各コンタクトプローブを移動させる倣い機構を備えていることを特徴とする二次電池用充放電装置。
請求項１又は２記載の二次電池用充放電装置において、前記コンタクトユニットは、冷却手段を備えていることを特徴とする二次電池用充放電装置。