JP6950636B2 - 組電池の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は,複数の電池セルを直列に接続して組電池を製造する,組電池の製造方法に関する。
従来から,複数の電池セルを直列に接続し,組電池を製造する技術が開示されている。例えば,特許文献1には,28個のニッケル水素二次電池を直列に接続して構成される組電池が記載されている。
特開2015−103387号公報
しかしながら,各電池セルは,その製造時には所定の範囲内の充電状態(以下,SOC)となるように調整されているものの,組電池の製造時には,電池セル間でのSOCのばらつきが大きくなっている可能性がある。例えば,製造時のばらつきに,出荷後の環境や保管期間の差異によるばらつきが加わり,所定の範囲を超えたばらつきが生じている場合がある。SOCのばらつきが大きい電池セルをそのまま用いて組電池を製造すると,車両等に搭載された後の使用時の充放電において,ばらつきが維持されたまま各電池セルのSOCが上下することになる。この場合,使用できるSOCの範囲が実質的に狭く,各電池セルの性能を十分に発揮できない組電池となる。そのため,組電池の製造時に,各電池セルのSOCを同程度に揃える処理が行われる。
複数の電池セルのSOCは,例えば,各電池セルの正極の端子同士を接続するとともに,各電池セルの負極の端子同士を接続することで均一化できる。ただし,互いに接続する複数の電池セル間でSOCの差が大きい場合には,瞬間的とはいえ,大きい電流が流れる可能性があるため,接続回路内に抵抗を挟む。この抵抗の抵抗値が小さすぎると,大きな電流値の電流を防止できない。一方,抵抗の抵抗値が大きすぎると,電流値は小さいものの均一化が終了するまで長時間かかる。均一化に長時間を要することは,組電池の製造の生産性を悪化させることから,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,電流値を抑制しつつ短時間で各電池セルのSOCのばらつきを緩和して組電池を製造する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本発明の一態様における組電池の製造方法は,複数の電池セルをバスバーにより直列接続して組電池とする,組電池の製造方法であって,前記組電池を構成する電池セルの正負の端子への締結具による前記バスバーの締結処理を行う締結工程を行うとともに,前記締結工程にて,対象の電池セルのすべての正負の端子に,導線で互いに繋がれたプローブを押し当てることで,対象の電池セルのすべての正端子同士を繋いだ第1回路および対象の電池セルのすべての負端子同士を繋いだ第2回路を構成して各電池セルの充電状態を均一化する均一化処理を行い,前記均一化処理では,端子とプローブとの間の接触抵抗があらかじめ定めた値以上となる押圧力で各プローブを各端子に押し当てて前記第1回路および前記第2回路を構成する初期押し当てステップと,前記初期押し当てステップで構成された前記第1回路および前記第2回路に流れる電流値があらかじめ定めた許容値を超えている場合に対象の電池セルを不合格と判定して処理を中止するとともに,不合格と判定しなかった場合に次ステップへの進行を許容する第1判定ステップを行い,前記第1判定ステップで不合格とされなかった場合に,前記電流値とその時の前記第1回路および前記第2回路に含まれる接触抵抗とから算出される各電池セル間の電圧差があらかじめ定めた基準値以下であるか否かを判定する第2判定ステップと,前記第1回路および前記第2回路における各プローブの各端子への押圧力を増加させる押し増しステップと,前記押し増しステップ後における前記電流値が前記許容値を超えている場合に対象の電池セルを不合格と判定して処理を中止するとともに,不合格と判定しなかった場合に処理の続行を許容する第3判定ステップとの3つのステップを,前記第3判定ステップにより処理が中止されるかまたは前記第2判定ステップで基準値以下と判定されるまで反復して行うものである。
上述の一態様における組電池の製造方法によれば,対象の電池セルの正端子同士および負端子同士を繋ぐ回路を構成するので,対象の電池セル間にSOCの差が有れば,回路に電流が流れてSOCのばらつきが縮小される。この回路では,各端子にプローブが押し当てられており,端子とプローブとの間の接触抵抗は,押圧力によって異なる。均一化処理の初期では接触抵抗があらかじめ定めた値以上となる小さい押圧力で押し当てるので,大きな電流値の電流が流れる可能性は小さい。その後,電圧差が基準値以下でなければ押圧力を増加させる。押圧力を増加させると接触抵抗が小さくなることから,電圧差が基準値以下となるまでの所要時間が短時間で済む。電圧差が基準値以下となれば,均一化処理を終了する。従って,電流値を抑制しつつ短時間で各電池セルのSOCのばらつきを緩和できる製造方法となっている。
さらに,上述の一態様における組電池の製造方法では,締結工程および均一化処理を,組電池を構成する電池セルのうちの決まった個数のグループごとに行うことが好ましい。このようにすれば,多数の電池セルを含む組電池を製造する場合でも,簡素な構成の設備を用いて,グループごとの均一化処理を順次行うことができる。
本発明によれば,電流値を抑制しつつ短時間で各電池セルのSOCのばらつきを緩和して組電池を製造する組電池の製造方法が実現される。
本形態の組電池の例を示す概略構成図である。 締結工程における電気的接続状態を示す説明図である。 押圧力調整部の例を示す説明図である。 荷重と接触抵抗との関係を示すグラフである。 均一化処理の手順を示すフローチャートである。
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。本形態は,複数の電池セルを互いに直列に接続して組電池を製造する際に,各電池セルのSOCの均一化を行う組電池の製造方法である。
まず,本形態の製造方法にて製造される組電池について説明する。組電池1は,例えば,図1に示すように,複数の電池セル10を直列に接続したものである。各電池セル10は,例えば,略直方体の電池ケース11に正負の電極と電解液とが封入された,角形密閉式の二次電池である。電池セル10は,例えば,ニッケル水素二次電池,リチウムイオン二次電池である。
電池ケース11の外部には,内部の正極の電極と接続されている正端子12と,内部の負極の電極と接続されている負端子13とが突出している。組電池1は,例えば,1つおきに逆向きに並べられた複数の電池セル10を備え,互いに隣接する電池セル10の正端子12と負端子13とがバスバー14によって千鳥状に接続されて構成されている。正端子12と負端子13とは,少なくともその一部がボルト状であり,バスバー14は,ナット15によって各端子12,13に締結されている。
組電池1の製造工程には,各電池セル10の各端子12,13にナット15を締結する締結工程が含まれる。本形態の締結工程では,例えば,図2に示すように,2軸のナットランナー16を用いて,隣接する2つの端子12,13へのナット15の締結を同時に行う。図2では省略しているが,バスバー14も,このときにナット15によって各端子12,13に固定される。なお,ナットランナー16は,既存の設備であり,ここでは説明を省略する。
本形態の製造方法では,締結工程と並行して,締結の対象である2つの電池セル10のSOCの均一化のための均一化処理を行う。そのために,本形態の製造方法では,例えば,図2に示すように,締結の対象である電池セル10A,10Bの正端子12同士及び負端子13同士を接続するとともに,それらの接続回路中に抵抗を発生させるための回路設備20を使用する。
本形態の回路設備20は,図2に示すように,4つの押圧力調整部21A,21B,21C,21Dと,制御部24と,ケーブル25と,ケーブル26と,を含む。ケーブル25,26のいずれにも,図3に示すように,両端に,プローブ213が取り付けられている。そして,各押圧力調整部21A,21B,21C,21Dは,各プローブ213を各端子12,13に押し当てる押圧力を発生させる。制御部24は,押圧力調整部21A,21B,21C,21Dを制御し,各端子12,13とプローブ213との押圧力を調整する。ケーブル25,26の途中には,それぞれ,電流計22,23が配置されている。
なお,回路設備20は,締結工程の実施前にナットランナー16とともに各電池セル10A,10Bに取り付けられ,均一化処理と締結工程とが終了した後は,取り外されて,次の電池セル10のペアに取り付けられる。また,図3中の中空ソケット161は,ナットランナー16の一部であり,ナット15とともに回転する。中空ソケット161には,プローブ213を貫通させる貫通孔が形成されている。
2つの電池セル10A,10Bに回路設備20を取り付け,4つのプローブ213を各端子12,13に押し当てると,図3に示すように,電池セル10Aの正端子12Aと電池セル10Bの正端子12Bとをケーブル25によって繋ぐ回路が構成される。この状態でケーブル25によって構成される回路は,第1回路の一例である。また同様に,電池セル10Aの負端子13Aと電池セル10Bの負端子13Bとをケーブル26によって繋ぐ回路も構成される。この状態でケーブル26によって構成される回路は,第2回路の一例である。
押圧力調整部21Aは,図3に示すように,ロードセル211と荷重発生部212とを有する。ロードセル211は,ひずみゲージを含み,加えられた力に対応する電気信号を発生する装置である。荷重発生部212は,図3中に矢印で示すように,ロードセル211を電池セル10Aに向かう向きに押圧する荷重を発生する。プローブ213は,電気的な良導体で形成され,その一端側が中空ソケット161の貫通孔を通って,電池セル10Aの正端子12Aに押し当てられる。そして,プローブ213の他端側は,ロードセル211の起歪体に取り付けられている。
荷重発生部212の荷重により,正端子12Aにプローブ213が押し当てられると,プローブ213を介してロードセル211の起歪体に同じ荷重が加わる。制御部24は,ロードセル211の出力信号に基づいて,正端子12Aとプローブ213との間に加わる荷重の大きさを取得できる。そして,荷重の大きさと,正端子12Aとプローブ213との間の接触抵抗との間には,例えば,図4に示すように,一定の関係がある。具体的には,荷重が小さいほど接触抵抗は大きい。なお,本形態では,荷重と接触抵抗との関係を実験で求め,その結果は制御部24に記憶されている。
回路設備20のプローブ213を各端子12,13に押し当てることで,隣接する2つの電池セル10A,10Bの正端子12同士および負端子13同士が繋がれる。このとき,対象の電池セル10Aと電池セル10Bとの間にSOCの差があると,電池電圧の差によって,ケーブル25,26に電流が流れる。制御部24は,電流計22,23の出力信号に基づいて,ケーブル25,26に流れる電流の電流値を取得する。
また,制御部24は,各ロードセル211の出力信号に基づいて,各荷重発生部212による荷重の大きさを一斉に制御する。そして,荷重の制御により,間接的に,各プローブ213と各端子12,13との間の接触抵抗が調整される。制御部24は,前述したように記憶している関係に基づいて,荷重の大きさから接触抵抗を取得する。さらに,制御部24は,取得した電流値と接触抵抗とから,対象の電池セル10A,10Bの電圧差を算出する。
そして,制御部24は,均一化処理の初期には荷重を小さく設定する。荷重が小さい場合には回路設備20に含まれる接触抵抗が大きいので,対象の電池セル10A,10BのSOCの差が大きいとしても,電流値は抑制される。所定時間後も電圧差が大きい場合には,制御部24は,初期よりも荷重を大きくする。荷重を大きくすると,回路設備20に含まれる接触抵抗は小さくなる。これにより,電流値を所定の範囲内に抑制しつつ,均一化処理を短時間で終了させることができる。
続いて,制御部24による均一化処理の手順について,図5のフローチャートを参照して説明する。この均一化処理は,複数の電池セル10を組み合わせて組電池1を製造する製造工程のうち,対象の電池セル10の正負の端子12,13にバスバー14を挟んでナット15を締め付ける締結工程と並行して,制御部24にて実行される。なお,以下では,区別の必要がない場合には,A〜Dの添え字を省略して記載する。
均一化処理では,まず,均一化処理の対象となる電池セル10に回路設備20とナットランナー16とを取り付ける。このとき,制御部24は,全ての押圧力調整部21のプローブ213を,所定の初期の押圧力で各電池セル10の各端子12,13に押し当てる(S101)。S101は,初期押し当てステップの一例である。
初期の押圧力は,回路設備20に流れる電流の電流値が,各電池セル10に許容される最大の電流値以下となるように,つまり,端子12,13とプローブ213との間の接触抵抗が,あらかじめ定めた値以上となるように,決定されている。本形態では,所定の押圧力は,例えば,0.5N程度であり,各端子12,13における接触抵抗は,例えば,6mΩ程度である。
そして,制御部24は,電流計22,23からの信号に基づいて,回路に流れる電流の電流値を取得する(S102)。制御部24は,例えば,電流計22の出力信号に基づく電流値と電流計23の出力信号に基づく電流値との,平均値を取得する。さらに,制御部24は,取得した電流値が,あらかじめ定めた許容値を超えているか否かを判定する(S103)。S103は,第1判定ステップの一例である。許容値は,回路設備20に許容される最大の電流値であり,電池セル10の種類に応じた固定値として制御部24に記憶されている。
電流値が許容値を超えていると判定した場合(S103:YES),制御部24は,対象の電池セル10のうちの少なくとも1つが不合格であると判定し(S104),均一化処理を終了する。なお,電池セル10が不合格であると判定された場合,対象の電池セル10を別のものと交換して,あらためて組電池1の製造工程を行うとよい。
一方,電流値が許容値を超えていると判定しなかった場合(S103:NO),制御部24は,対象の電池セル10間の電圧差を算出する(S105)。電圧差は,S102にて取得した電流値と,回路設備20全体の抵抗値との積で求められる。回路設備20全体の抵抗値は,各端子12,13における接触抵抗の合計で求められる。各端子12,13における接触抵抗は,各ロードセル211の出力信号に基づいて得られる押圧力から,制御部24に記憶している押圧力と接触抵抗との関係に基づいて取得される。
そして,制御部24は,電圧差があらかじめ定めた基準値以下であるか否かを判定する(S106)。S106は,第2判定ステップの一例である。基準値は,SOCのばらつきが許容できる最大幅である場合の電圧差であり,制御部24に記憶されている。なお,制御部24は,S103にてNOと判定した後,所定時間の経過を待って,S105に進んでも良い。その場合,制御部24は,S105にて,再度電流値を取得することが望ましい。
電圧差があらかじめ定めた基準値以下ではないと判定した場合(S106:NO),制御部24は,各押圧力調整部21の荷重発生部212を制御し,荷重を大きくする(S107)。S107は,押し増しステップの一例である。荷重の上げ幅は,例えば,0.1〜0.2Nである。荷重の上げ幅は,固定値であっても良いし,その時点での荷重の大きさや電圧差に応じた可変値であっても良い。なお,制御部24は,ロードセル211の出力信号に基づいて,荷重を調整する。
荷重を大きくすることで,プローブ213と端子12,13との間の接触抵抗が小さくなる。そして,制御部24は,荷重発生部212の荷重を大きくした状態で,S102に戻り,再度電流値を取得して,電流値が許容値を超えているか否かを判定する。2回目以降のS103は,第3判定ステップの一例である。
S101の実行からS107の実行までの間にある程度の電流が流れることで,電圧差が初期よりも縮小しており,接触抵抗を小さくしても,大きすぎる電流が流れる可能性は小さい。S101の実行から1回目のS107の実行までの期間や,S107の実行から次回のS107の実行までの期間は,所定の固定長としてもよいし,電流値や電圧差等に対応する可変長としても良い。
一方,初めから電圧差が基準値以下であると判定した場合(S106:YES),または,2回目以降のS106にて電圧差が基準値以下となったと判定した場合,制御部24は,対象の電池セル10の均一化が完了したと決定し(S108),均一化処理を終了する。
なお,1回目のS103にてNOと判定した後,2回目以降のS103にてYESと判定された場合には,回路設備20の故障やヒューマンエラーによる電池セルの破損の可能性が高いことから,対象の電池セル10を不合格と判定して処理を中止する。
以上詳細に説明したように本形態の組電池1の製造方法によれば,バスバー14の締結工程と並行して,対象の電池セル10のSOCの均一化処理を行う。均一化処理では,制御部24は,対象の電池セル10の各端子12,13にプローブ213を押し当てる押圧力を調整することで,各プローブ213と各端子12,13との間の接触抵抗を制御する。本形態の製造方法では,制御部24は,初期には電流値が許容範囲内となる程度に接触抵抗を大きくし,その後,接触抵抗を小さくするので,電流値を抑制しつつ短時間で各電池セル10のSOCのばらつきを緩和できる可能性が高い。本形態では,組電池1に組み込まれる複数の電池セル10のうち,2つずつの電池セル10を対象として,SOCの均一化処理を順次行うことから,組電池1に含まれる全ての電池セル10のSOCを完全に均一化するものではない。しかし,本形態によれば,簡易な処理で,処理前よりは電池セル10のSOCのばらつきを縮小することができる。
なお,本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,本発明の均一化処理は,バスバー14をナット15で固定する締結工程とは別に実行してもよい。
また,本形態では,2軸のナットランナー16を用いる例を示したが,2軸とは限らない。同時に均一化処理を実行する対象の電池セル10の数は,2個より多くても良く,ナットランナー16の軸数と同じでなくても良い。ただし,ナット15の締結工程と並行して,同じ個数に対して行えば,設備の取り付けや取り外しが容易であり,製造工程に要する時間を短縮できるので好ましい。
また,本形態では,全てのプローブ213にロードセル211を設け,制御部24がそれぞれのロードセル211の出力信号を取得するとしたが,一部のプローブ213のみにロードセル211を設けてもよい。そして,そのロードセル211の出力信号に基づいて,全ての荷重発生部212の荷重を調整しても良い。
また,本形態では,全てのプローブ213の押圧力を一斉に変更するとしたが,一部のプローブ213の押圧力を変更しても良い。例えば,回路設備20のうちの一部のプローブ213にロードセル211と荷重発生部212とを設けて押圧力を変更し,他のプローブ213は,固定の押圧力で端子に押圧するとしてもよい。
1 組電池
10 電池セル
12 正端子
13 負端子
14 バスバー
20 回路設備
24 制御部
213 プローブ

Claims (1)

  1. 複数の電池セルをバスバーにより直列接続して組電池とする,組電池の製造方法であって,
    前記組電池を構成する電池セルの正負の端子への締結具による前記バスバーの締結処理を行う締結工程を行うとともに,
    前記締結工程にて,対象の電池セルのすべての正負の端子に,導線で互いに繋がれたプローブを押し当てることで,対象の電池セルのすべての正端子同士を繋いだ第1回路および対象の電池セルのすべての負端子同士を繋いだ第2回路を構成して各電池セルの充電状態を均一化する均一化処理を行い,
    前記均一化処理では,
    端子とプローブとの間の接触抵抗があらかじめ定めた値以上となる押圧力で各プローブを各端子に押し当てて前記第1回路および前記第2回路を構成する初期押し当てステップと,
    前記初期押し当てステップで構成された前記第1回路および前記第2回路に流れる電流値があらかじめ定めた許容値を超えている場合に対象の電池セルを不合格と判定して処理を中止するとともに,不合格と判定しなかった場合に次ステップへの進行を許容する第1判定ステップを行い,
    前記第1判定ステップで不合格とされなかった場合に,
    前記電流値とその時の前記第1回路および前記第2回路に含まれる接触抵抗とから算出される各電池セル間の電圧差があらかじめ定めた基準値以下であるか否かを判定する第2判定ステップと,
    前記第1回路および前記第2回路における各プローブの各端子への押圧力を増加させる押し増しステップと,
    前記押し増しステップ後における前記電流値が前記許容値を超えている場合に対象の電池セルを不合格と判定して処理を中止するとともに,不合格と判定しなかった場合に処理の続行を許容する第3判定ステップとの3つのステップを,
    前記第3判定ステップにより処理が中止されるかまたは前記第2判定ステップで基準値以下と判定されるまで反復して行うことを特徴とする組電池の製造方法。
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