JP7192581B2 - 電圧計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、電圧計測方法に関する。

特許文献１には、車両搭載用組電池の製造方法が記載されている。この製造方法では、まず、電池を複数用意し、それらの電池をまとめて拘束状態とすることで、車両搭載用組み電池を形成する。続いて、車両搭載用組電池に含まれる各々のリチウムイオン二次電池を初期充電する。この初期充電により、リチウムイオン二次電池が活性化される。続いて、車両搭載用組電池に含まれる各々の電池を、規定の温度で一定時間安置してエージングを行う。その後、車両搭載用組電池に含まれる各々の電池を、２５℃の温度環境下で、所定期間放置することにより、自己放電させる自己放電工程を実施する。

特開２０１６－２２５１６７号公報

上記の製造方法にあっては、自己放電工程において、車両搭載用組電池に含まれる各々の電池の放置するまえの電池電圧と、放置後の電池電圧と、を計測する。そして、それらの電池電圧差を算出する。電池電圧差が所定の閾値以上である電池は、内部短絡が生じていると判定され、それを１つでも含む車両搭載用組電池は不良品として取り除かれる。上記技術分野においては、より早い段階で確実に不良品の発見を行う要求がある。

そこで、本発明は、早期に確実に不良品を検知可能とする電圧計測方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電圧計測方法は、積層されて電気的に直列に接続された複数の蓄電モジュールと、複数の蓄電モジュールを拘束して一体化する拘束部材と、を含む蓄電装置の電圧計測方法であって、蓄電装置の正極端子及び負極端子に接続された充放電装置によって、一括して複数の蓄電モジュールの初期充電を行っているときに、蓄電装置の全体の電圧である総電圧を計測する総計測工程と、初期充電を行っているときに、複数の蓄電モジュールのそれぞれの蓄電モジュールの電圧である個別電圧を計測する個別計測工程と、総電圧及び／又は個別電圧に基づいて蓄電モジュールの異常を検知する検知工程と、を備える。

この方法においては、蓄電装置の初期充電を行っているときに、蓄電装置の全体の電圧である総電圧と、蓄電装置に含まれるそれぞれの蓄電モジュールの電圧である個別電圧と、を計測する。よって、総電圧及び個別電圧に基づいて、初期充電の段階で不良品を検知可能である。特に、総電圧によって蓄電装置全体の状態を把握しつつ、個別電圧によって蓄電モジュールの各々の状態を把握できる。よって、より確実に不良品を検知可能である。

本発明に係る電圧計測方法においては、初期充電、総計測工程、及び、個別計測工程は、蓄電装置を被搭載装置に搭載する際に蓄電装置に実装される別部材を、蓄電装置に電気的に接続した状態において行われてもよい。この場合、被搭載部材への搭載時に必要となる別部材を予め蓄電装置に電気的に接続した状態において、初期充電を行い、総電圧及び個別電圧の計測を行うこととなる。よって、別部材の接続に起因して発生した不良品を早期に検知可能である。なお、別部材とは、一例として、蓄電装置及び蓄電モジュールの状態を監視するＥＣＵ（Electronic Control Unit）等である。

本発明に係る電圧計測方法においては、検知工程では、初期充電中の個別電圧の変化を、電圧変化の基準と比較することにより、蓄電モジュールの異常を検知してもよい。この場合、個別電圧の基準との比較により蓄電モジュールの不良品を検知できる。

本発明に係る電圧計測方法においては、初期充電では、複数の蓄電モジュールの一括した充放電を複数のサイクルにわたって行い、検知工程では、初期充電中の個別電圧の変化を、サイクルごとに異なる電圧変化の基準と比較することにより、蓄電モジュールの異常を検知してもよい。この場合、充放電のサイクルごとに異なる個別電圧の変化に対応して蓄電モジュールの不良品を検知できる。

本発明に係る電圧計測方法においては、検知工程では、個別電圧の変化として蓄電モジュールの放電電圧の変化を基準と比較することにより、蓄電モジュールの異常を検知してもよい。不良品の蓄電モジュールの電圧変化は、充電時よりも放電時の方が顕著となる。よって、この場合には、より確実に蓄電モジュールの不良品を検知できる。

本発明によれば、早期に確実に不良品を検知可能とする電圧計測方法を提供できる。

実施形態に係る蓄電モジュールを備える蓄電装置を示す概略断面図である。 図１に示された蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。 図１，２に示された蓄電装置の検査方法の主要な工程を示すフローチャートである。 図１，２に示された蓄電装置の電圧計測方法を示すフローチャートである。 所定の蓄電モジュールの電圧計測によって得られた充電曲線及び放電曲線を示すグラフである。 別の所定の蓄電モジュール２の電圧計測によって得られた充電曲線及び放電曲線を示すグラフである。

引き続いて、図面を参照しつつ、本実施形態に係る蓄電モジュールについて説明する。なお、各図の説明においては、同一又は相当する要素同士には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の図には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸によって規定される直交座標系を示す場合がある。

図１は、実施形態に係る蓄電モジュールを備える蓄電装置を示す概略断面図である。図１に示される蓄電装置１は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車または電気自動車等の車両のバッテリとして使用され得る。蓄電装置１は、複数（ここでは３つ）の蓄電モジュール２を備えている。蓄電モジュール２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等の二次電池、又は電気二重層キャパシタである。以下の説明では、ニッケル水素二次電池を例示する。

複数の蓄電モジュール２は、金属製の導電板３を介して積層されている。蓄電モジュール２及び導電板３の積層体の積層方向（例えばＺ軸方向）の最外層（スタック最外層）は、一例として蓄電モジュール２である。蓄電モジュール２及び導電板３は、例えば積層方向から見て矩形状（平面視矩形状）を有している。導電板３は、隣り合う蓄電モジュール２と電気的に接続されている。これにより、複数の蓄電モジュール２が積層方向に直列に電気的に接続されている。蓄電モジュール２については、後に詳述する。

積層方向の一端（ここでは下端）に位置する蓄電モジュール２には、正極端子４が接続されている。積層方向の他端（ここでは上端）に位置する蓄電モジュール２には、負極端子５が接続されている。正極端子４及び負極端子５は、積層方向に交差（直交）する方向（例えばＸ軸方向）に延在している。このような正極端子４及び負極端子５を設けることにより、蓄電装置１の充放電を実施することができる。なお、蓄電装置１においては、スタック最外層が導電板３であってもよい。この場合、スタック最外層の導電板３に対して、正極端子４及び負極端子５を設けることができる。

導電板３は、蓄電モジュール２において発生した熱を放出するための放熱板としても機能し得る。導電板３には、蓄電モジュール２の積層方向と正極端子４及び負極端子５の延在方向とに交差（直交）する方向（例えばＹ軸方向）に延在した複数の空隙３ａが設けられている。これらの空隙３ａを空気等の冷媒が通過することにより、蓄電モジュール２からの熱を効率的に外部に放出することができる。

また、蓄電装置１は、蓄電モジュール２及び導電板３を積層方向に拘束して一体化する拘束ユニット（拘束部材）６を備えている。拘束ユニット６は、蓄電モジュール２及び導電板３を積層方向に挟む１対の拘束プレート７と、これらの拘束プレート７同士を締結する複数組のボルト８及びナット９とを有している。

拘束プレート７は、鉄等の金属で形成されている。各拘束プレート７と蓄電モジュール２との間には、樹脂フィルム等の絶縁フィルム１０がそれぞれ配置されている。拘束プレート７及び絶縁フィルム１０は、例えば平面視矩形状を有している。ボルト８の軸部８ａが各拘束プレート７に設けられた挿通孔７ａを挿通した状態で、軸部８ａの先端部にナット９が螺合することで、蓄電モジュール２、導電板３及び絶縁フィルム１０に積層方向の拘束荷重が付与される。なお、スタック最外層が導電板３である場合には、各拘束プレート７と導電板３との間に絶縁フィルム１０が介在されることとなる。

次に、蓄電モジュール２の構成について詳細に説明する。図２は、図１に示された蓄電モジュールの内部構成を示す概略断面図である。図２に示されるように、蓄電モジュール２は、電極積層体１３と、電極積層体１３を封止するための樹脂製の封止体１４と、を備えている。電極積層体１３は、セパレータ１２を介して、積層方向（ここではＺ軸方向）に沿って積層された複数の電極（複数のバイポーラ電極１１、単一の負極終端電極１９、及び、単一の正極終端電極１８）を含む。

バイポーラ電極１１は、電極板１５、電極板１５の第１面１５ａに設けられた正極１６、及び、電極板１５の第１面１５ａの反対の第２面１５ｂに設けられた負極１７を含む。正極１６は、正極活物質が電極板１５に塗工されることにより形成される正極活物質層である。負極１７は、負極活物質が電極板１５に塗工されることにより形成される負極活物質層である。電極積層体１３において、一のバイポーラ電極１１の正極１６は、セパレータ１２を挟んで積層方向に隣り合う別の電極（バイポーラ電極１１又は負極終端電極１９）の負極１７と対向している。電極積層体１３において、一のバイポーラ電極１１の負極１７は、セパレータ１２を挟んで積層方向に隣り合うさらに別の電極（バイポーラ電極１１又は正極終端電極１８）の正極１６と対向している。

負極終端電極１９は、電極板１５、及び電極板１５の第２面１５ｂに設けられた負極１７を含む。負極終端電極１９は、第２面１５ｂが電極積層体１３の内側（積層方向についての中心側）に向くように、積層方向の一端に配置されている。負極終端電極１９の負極１７は、セパレータ１２を介して、積層方向の一端のバイポーラ電極１１の正極１６と対向している。正極終端電極１８は、電極板１５、及び電極板１５の第１面１５ａに設けられた正極１６を含む。正極終端電極１８は、第１面１５ａが電極積層体１３の内側に向くように、積層方向の他端に配置されている。正極終端電極１８の正極１６は、セパレータ１２を介して、積層方向の他端のバイポーラ電極１１の負極１７と対向している。

スタック最外層を除く蓄電モジュール２においては、負極終端電極１９の電極板１５の第１面１５ａには、導電板３が接触している。また、スタック最外層を除く蓄電モジュール２においては、正極終端電極１８の電極板１５の第２面１５ｂには、別の導電板３が接触している。この場合、拘束荷重は、導電板３を介して負極終端電極１９及び正極終端電極１８から電極積層体１３に付加される。すなわち、導電板３は、積層方向に沿って電極積層体１３に拘束荷重を付加する。

電極板１５は、例えば、ニッケル又はニッケルメッキ鋼板といった金属からなる。一例として、電極板１５は、ニッケルからなる矩形の金属箔である。電極板１５の周縁部（バイポーラ電極１１、負極終端電極１９、及び、正極終端電極１８の縁部）は、矩形枠状をなし、正極活物質及び負極活物質が塗工されない未塗工領域となっている。正極１６を構成する正極活物質としては、例えば水酸化ニッケルが挙げられる。負極１７を構成する負極活物質としては、例えば水素吸蔵合金が挙げられる。本実施形態では、電極板１５の第２面１５ｂにおける負極１７の形成領域は、電極板１５の第１面１５ａにおける正極１６の形成領域よりも大きくなっている。

セパレータ１２は、例えばシート状に形成されている。セパレータ１２としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、ポリプロピレン、メチルセルロース等からなる織布又は不織布等が例示される。セパレータ１２は、フッ化ビニリデン樹脂化合物で補強されたものであってもよい。

封止体１４は、電極積層体１３を取り囲むように配置され、電極（バイポーラ電極１１、負極終端電極１９、及び、正極終端電極１８）の電極板１５の周縁部１５ｃをそれぞれ保持する複数の１次樹脂シール２０と、これらの１次樹脂シール２０を取り囲むように配置された２次樹脂シール２１と、を有している。１次樹脂シール２０は、積層方向に沿って電極板１５毎に配置されている。１次樹脂シール２０は、枠状を有している。１次樹脂シール２０は、電極板１５の周縁部１５ｃに接合（例えば溶着）されている。１次樹脂シール２０及び２次樹脂シール２１は、例えば、絶縁性の樹脂であって、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、又は変性ポリフェニレンエーテル（変性ＰＰＥ）等から構成され得る。

積層方向に隣り合う電極板１５間には、電極板１５及び１次樹脂シール２０によって画成された内部空間Ｖが設けられている。内部空間Ｖには、アルカリ性の電解液が注入されている。アルカリ性の電解液としては、例えば水酸化カリウム水溶液等を含むアルカリ溶液が用いられている。１次樹脂シール２０は、内部空間Ｖを封止するためのものである。蓄電モジュール２における１つの蓄電セル２３は、２つの電極板１５、正極１６、負極１７、セパレータ１２及び１次樹脂シール２０により構成され、内部空間Ｖを有している。すなわち、蓄電装置１は、複数の蓄電モジュール２を有し、それぞれの蓄電モジュール２は、複数の蓄電セル２３を有している。

引き続いて、蓄電装置の検査方法の一例について説明する。図３は、図１，２に示された蓄電装置の検査方法の主要な工程を示すフローチャートである。図３に示されるように、まず、蓄電装置１が作製されて初期充電が行われる前において、蓄電装置１の全体の電圧及び抵抗を計測する（工程Ｓ１）。この計測において、異常な電圧値又は抵抗値が検出された場合には、蓄電装置１を不良品とする。

続いて、蓄電装置１のコンディショニング（初期充電）を行う（工程Ｓ２）。すなわち、蓄電装置１の正極端子４及び負極端子５に接続された充放電装置によって、蓄電装置１に含まれる複数の蓄電モジュール２の初期充電を一括して行う。ここでは、複数の蓄電モジュール２の一括した充放電を複数のサイクルにわたって行う。

引き続いて、微短検出を行う。具体的には、まず、蓄電装置１の電圧を計測する（工程Ｓ３）。続いて、蓄電装置１のエージングを行う（工程Ｓ４）。エージングとしては、一例として、蓄電装置１を５０℃の環境下で５日間程度放置することにより、自己放電を促す。そして、蓄電装置１を常温に戻しつつ再び蓄電装置１の電圧を計測する（工程Ｓ５）。これにより、エージングの前後（工程Ｓ３及び工程Ｓ５）の電圧の計測値の差が基準値よりも大きい場合には、蓄電装置１を不良品とする。

続いて、蓄電装置１の特性検査を行う（工程Ｓ６）。ここでは、蓄電装置１の容量、放電量、及び抵抗等の計測を行う。少なくとも以上の工程をクリアした蓄電装置１が、上述した車両等の被搭載装置に搭載されることとなる。特に、本実施形態においては、初期充電を行う工程Ｓ２においても、蓄電装置１の不良品を検出し得る電圧計測を行う。引き続いて、初期充電時の電圧計測方法について説明する。

図４は、図１，２に示された蓄電装置の電圧計測方法を示すフローチャートである。図４に示されるように、ここでは、蓄電装置１含まれる複数の蓄電モジュール２の初期充電を一括して行っているときに、蓄電装置１の全体の電圧である総電圧を計測する（工程Ｓ２１：総計測工程）。これと共に、蓄電装置１含まれる複数の蓄電モジュール２の初期充電を一括して行っているときに、蓄電モジュール２のそれぞれの電圧である個別電圧を計測する（工程Ｓ２２：個別計測工程）。これらの工程は、同時に実施されてもよい。

上述したように、初期充電においては、蓄電装置１に含まれる複数の蓄電モジュール２の一括した充放電が複数のサイクルにわたって行われる。したがって、総電圧及び個別電圧の計測値（充放電曲線）は、各サイクルの充電及び放電に応じて複数得られる。図５は、所定の蓄電モジュールの電圧計測によって得られた充電曲線及び放電曲線を示すグラフである。図６は、別の所定の蓄電モジュール２の電圧計測によって得られた充電曲線及び放電曲線を示すグラフである。

図５，６において、容量の増加と共に電圧の上昇を示す曲線群ＣＣが充電曲線であり、容量の減少と共に電圧の下降を示す曲線群ＤＣが放電曲線である。図５は、正常な蓄電モジュール２の充放電曲線を示し、図６は、例えば電解液の未含侵等の異常を含む蓄電モジュール２の充放電曲線を示す。図５，６に示されるように、正常な蓄電モジュール２の充放電曲線に比べて、異常を含む蓄電モジュール２の充放電曲線の方が、容量の増加に対する電圧の上昇・下降が大きくなっている。したがって、得られた計測値から、蓄電モジュール２の異常を検知が可能である。

より具体的には、続く工程において、初期充電中の個別電圧の変化を、電圧変化の基準と比較することにより、蓄電モジュール２の異常を検知する（工程Ｓ２３：検知工程）。一例として、充放電開始から所定時間後の充放電曲線の傾き（電圧の変化量／容量の変化量）の基準値を保持しておき、その基準値と実際の充放電曲線の傾きとを比較して、実際の充放電曲線の傾きの絶対値が、基準値よりも大きければ異常であると判定できる。

特に、充電曲線と比較して放電曲線の方が、異常が顕著に現れる。よって、ここでは、個別電圧の変化として蓄電モジュール２の放電電圧の変化を基準と比較することにより、蓄電モジュール２の異常を検知する。すなわち、放電開始から所定時間後の放電曲線の傾き（電圧の変化量／容量の変化量）の基準値を保持しておき、その基準値と実際の放電曲線の傾きとを比較して、実際の放電曲線の傾きの絶対値が、基準値よりも大きければ異常であると判定する。

また、充放電曲線は、サイクルごとに異なる。したがって、サイクルごとに異なる基準を準備しておき、初期充電中の個別電圧の変化を、そのようにサイクルごとに異なる電圧変化の基準と比較することにより、蓄電モジュール２の異常を検知してもよい。

なお、放電曲線には、傾きが大きく変化する段差部分が生じる。したがって、放電曲線の中に傾きの変化が所定値以上である部分が存在するか否かを、異常の検出に用いてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る電圧計測方法においては、蓄電装置１の初期充電を行っているときに、蓄電装置１の全体の電圧である総電圧と、蓄電装置１に含まれるそれぞれの蓄電モジュール２の電圧である個別電圧と、を計測する。よって、総電圧及び個別電圧に基づいて、初期充電の段階で不良品を検知可能である。特に、総電圧によって蓄電装置１全体の状態を把握しつつ、個別電圧によって蓄電モジュール２の各々の状態を把握できる。よって、より確実に不良品を検知可能である。

なお、初期充電の段階で不良品の蓄電モジュール２が検知された場合には、その蓄電モジュール２を含む蓄電装置１をその後の検査工程に供することなく、不良品である蓄電モジュール２を交換する等の手当てを行うことができる。

また、本実施形態に係る電圧計測方法は、初期充電中の個別電圧の変化を、電圧変化の基準と比較することにより、蓄電モジュール２の異常を検知する検知工程をさらに備える。このため、個別電圧の基準との比較により蓄電モジュール２の不良品を検知できる。

また、本実施形態に係る電圧計測方法においては、初期充電では、複数の蓄電モジュールの一括した充放電を複数のサイクルにわたって行い、検知工程では、初期充電中の個別電圧の変化を、サイクルごとに異なる電圧変化の基準と比較することにより、蓄電モジュールの異常を検知する。このため、充放電のサイクルごとに異なる個別電圧の変化に対応して蓄電モジュール２の不良品を検知できる。

さらに、本実施形態に係る電圧計測方法においては、検知工程では、個別電圧の変化として蓄電モジュール２の放電電圧の変化を基準と比較することにより、蓄電モジュール２の異常を検知する。不良品の蓄電モジュール２の電圧変化は、充電時よりも放電時の方が顕著となる。よって、この場合には、より確実に蓄電モジュール２の不良品を検知できる。

以上の実施形態は、本発明の一実施形態について説明したものである。したがって、本発明は、上述した電圧計測方法に限定されず、任意に変形したものとされ得る。

例えば、蓄電装置１は、上述したように車両等の被搭載装置に搭載されるときには、種々の別部品が設けられる。別部品の一例としては、蓄電装置１及び蓄電モジュール２の状態（例えば電圧や容量等）を監視するＥＣＵ（Electronic Control Unit）や、導電板３の空隙３ａに冷媒を流通させて蓄電モジュール２を冷却するためのダクト及びブロワ等である。特に、ＥＣＵやブロワ等の電気的な接続を要する別部品については、その設置時に蓄電装置１の電気的な特性に異常が発生する可能性がある。

したがって、上記の方法にあっては、初期充電、総計測工程、及び、個別計測工程を、蓄電装置１を被搭載装置に搭載する際に蓄電装置１に実装される別部材を、蓄電装置１に電気的に接続した状態において行うことができる。この場合、被搭載部材への搭載時に必要となる別部材を予め蓄電装置１に電気的に接続した状態において（より完成品に近い状態において）、初期充電を行い、総電圧及び個別電圧の計測を行うこととなる。よって、別部材の接続に起因して発生した不良品を早期に検知可能である。

また、上記の方法にあっては、微短検出の際に、不良品の蓄電モジュール２をさらに検出してもよい。すなわち、工程Ｓ３及び／又は工程Ｓ５の電圧計測時に、蓄電装置１の総電圧に加えて、蓄電装置１に含まれる複数の蓄電モジュール２のそれぞれの電圧降下を計測する。そして、得られた電圧効果が所定の閾値よりも大きい蓄電モジュール２を不良品として検知する。この場合、蓄電装置１の全体の電圧降下を計測するのみでは誤差の蓄積により発見できない異常を発見できる。

さらに、上記の方法にあっては、工程Ｓ２３において、工程Ｓ２１で取得された蓄電装置１の総電圧に基づいて蓄電装置１の異常をさらに検知してもよい。すなわち、工程Ｓ２３では、総電圧及び／又は個別電圧に基づいて蓄電装置１及び／又は蓄電モジュール２の異常を検知してもよい。

１…蓄電装置、２…蓄電モジュール、４…正極端子、５…負極端子、６…拘束ユニット（拘束部材）。

Claims (5)

1. 積層されて電気的に直列に接続された複数の蓄電モジュールと、前記複数の蓄電モジュールを拘束して一体化する拘束部材と、を含む蓄電装置の電圧計測方法であって、
   前記蓄電装置の正極端子及び負極端子に接続された充放電装置によって、一括して前記複数の蓄電モジュールの初期充電を行っているときに、前記蓄電装置の全体の電圧である総電圧を計測する総計測工程と、
   前記初期充電を行っているときに、前記複数の蓄電モジュールのそれぞれの蓄電モジュールの電圧である個別電圧を計測する個別計測工程と、
   前記初期充電の段階において、前記個別電圧に基づいて前記蓄電モジュールの異常を検知する検知工程と、
   を備え、
   前記初期充電は、前記蓄電装置のエージングの前に実施され、
   前記初期充電では、前記複数の蓄電モジュールの一括した充放電を行う、
   電圧計測方法。
2. 前記初期充電、前記総計測工程、及び、前記個別計測工程は、前記蓄電装置を被搭載装置に搭載する際に前記蓄電装置に実装される別部材を、前記蓄電装置に電気的に接続した状態において行われる、
   請求項１に記載の電圧計測方法。
3. 前記検知工程では、前記初期充電中の前記個別電圧の変化を、電圧変化の基準と比較することにより、前記蓄電モジュールの異常を検知する、
   請求項１又は２に記載の電圧計測方法。
4. 前記初期充電では、前記複数の蓄電モジュールの一括した充放電を複数のサイクルにわたって行い、
   前記検知工程では、前記初期充電中の前記個別電圧の変化を、前記サイクル毎に異なる電圧変化の基準と比較することにより、前記蓄電モジュールの異常を検知する、
   請求項３に記載の電圧計測方法。
5. 前記検知工程では、前記個別電圧の変化として前記蓄電モジュールの放電電圧の変化を前記基準と比較することにより、前記蓄電モジュールの異常を検知する、
   請求項３又は４に記載の電圧計測方法。

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