JP5549148B2 - 二次電池の電圧調整方法 - Google Patents
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Description
各電池セル間の電圧のばらつきが大きいと、同一ロットでの製品品質が低下する、若しくは、同一ロットで製造される電池セルを複数接続し、組電池として用いる場合には、パック後に各電池セルの電圧のばらつきを抑えることが困難となり、組電池の性能が低下する等の問題がある。
特許文献1は、製造工程中の放電により電圧の調整を行う構成を開示している。特許文献1に記載の技術は、組電池として用いる各電池セル間に充放電条件の差がある場合に、それぞれの電池セルを所定の下限電圧まで放電した後に組電池とすることにより、充電後の電圧のばらつきを抑える技術である。
特許文献1の技術では、放電のターゲット電圧として所定の下限電圧を設定しているが、放電終了後の電圧上昇の際に、各電池セルの内部抵抗のばらつきによって電圧にばらつきが生じる可能性がある。
しかしながら、特許文献1に上記の電圧調整方法を採用したとしても、ターゲット電圧に合わせこむまでの放電時間が長くなり、サイクルタイムが長くなるという課題が残る。さらに、電池セルの内部抵抗にはばらつきがあるため、各電池セルの放電電流値を細かく変更し調整する放電制御が必要となり制御構成が複雑なものとなる。
電池セル1は、製造ライン10によって製造される電池の一つであり、例えばリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の充放電可能に構成される一般的な二次電池である。
図1に示すように、電池セル1は、金属製の外装2、外装2内に収容される充放電要素3、充放電要素3と電気的に接続され、外装2から外方に向けて突出して設けられる外部端子4・4を具備する。電池セル1は、外部端子4・4を介して外部との電気的なエネルギーの交換を行う。
図2に示すように、製造ライン10では、組立工程S10、充電工程S20、電圧調整工程S30等の各工程が行われ、電圧調整工程S30後には、複数の電池セル1・1・・・を組電池として組み立てる工程、単一の電池セル1として出荷する等の適宜の下工程が行われる。
組立工程S10では、充放電要素3と外部端子4・4とを接続し、充放電要素3を外装2内に収容し、外装2内に電解液を充填した状態で密封する。
充電工程S20では、充電装置20にて、各電池セル1の外部端子4・4に所定電圧の電源を接続し、電池セル1に電気的なエネルギーを供給する。これにより、電池セル1の初期充電が行われる。
電圧調整工程S30では、放電装置30を用いて電池セル1・1・・・の放電を行う。放電装置30は、図3に示すように、制御装置31及び複数の放電回路32・32・・・を含む。
制御装置31は、放電回路32・32・・・と並列に接続される複数の電圧測定装置40・40・・・を含み、放電時の電池セル1・1・・・の電圧をそれぞれリアルタイムに検出する。
接触子33・33は、外部端子4・4の形状に応じた形状を有するコネクタであり、移動装置50により外部端子4・4と接続/非接続可能に構成されている。
放電用抵抗34は、可変抵抗器であり、抵抗値(r)を適宜変更することにより放電時の電池セル1の電流値(I)を一定に保つ。放電用抵抗34は、制御装置31と電気的に接続されて、その動作が制御される。
抵抗接続リレー35は、回路を電気的に絶縁するスイッチング素子を含み、そのスイッチング素子のON/OFFを切り換えることにより放電回路32と電池セル1との接続/非接続を制御する。抵抗接続リレー35は、制御装置31と電気的に接続されて、その動作が制御される。放電回路32による放電時には、抵抗接続リレー35を接続して電池セル1と放電用抵抗34とを電気的に接続することにより、電池セル1の放電を行う。
制御装置31は、放電時の各電池セル1の電圧(V)をモニターし、電圧(V)に応じて放電回路32(放電用抵抗34の抵抗値(r)、抵抗接続リレー35のON/OFF等)を制御する。
なお、本実施形態では、一つの放電回路32に一つの電圧測定装置40を設ける構成としているが、一つの電圧測定装置40を用いて、複数の電池セル1・1・・・の電圧を測定する構成としても良く、放電時の電池セル1・1・・・の電圧を個別に測定できれば良い。
図4に示すように、電圧調整工程S30は、一次放電ステップとして、電池接続ステップS310、電圧判定ステップS320、一次放電開始ステップS330、放電確認ステップS340、一次放電完了確認ステップS350、電圧測定ステップS360、及び補正電圧算出ステップS370、並びに、二次放電ステップとして、二次放電開始ステップS410、放電確認ステップS420、二次放電完了確認ステップS430、及び最終電圧確認ステップS440を含む。つまり、電圧調整工程S30は、一次放電及び二次放電の二段階の放電を行う放電工程である。
つまり、ステップS320は、充電工程S20において初期充電された後の各電池セル1の電圧のばらつき(σ=|V−Vave|:Vaveは電池セル1を含む製造ロットの初期充電後の電圧(V)の平均値)をチェックすることにより、各電池セル1の内部抵抗(R)が良品として判定される所定の範囲内に収まっているかを判定するステップである。
全ての電池セル1の電圧が規格内であれば、次のステップへ移行する(S320:YES)。他方、規格内でなければ、適宜の表示手段によって異常を表示して放電を停止し、電圧調整工程S30を終了する、若しくは異常を示した電池セル1の電圧調整を停止する(S320:NO)。
なお、許容し得る電圧のばらつきの最大値(σmax)は、電池セル1を含む製造ロット毎に電圧のばらつき(σ)の規格値として予め設定されており、制御装置31に記憶されており、制御装置31によって電池セル1の電圧のばらつき(σ)と最大値(σmax)とが比較される。
また、定電流の条件(I=const)下では、電圧のばらつきの最大値(σmax)は、電池セル1の内部抵抗のばらつき(σR)の最大値(σRmax)と相関関係にある。制御装置31は、当該相関関係、及び内部抵抗のばらつきの最大値(σRmax)に加えて、製造ロット内の電池セル1の内部抵抗(R)の平均値(Rave)及び内部抵抗のばらつきの最小値(σRmin)を記憶している。
ここで、第一目標値(V1)は、電池セル1の製品としてのターゲット電圧(VT)から、電池セル1の内部抵抗(R)のばらつきを考慮した最小値(Rave+σRmin)に放電時の電流(I)を乗じた値の2倍を減じた値(VT−2I(Rave+σRmin))を下回らないように設定される。
つまり、電圧調整工程S30は二段階の放電工程を含むため、電池セル1の内部抵抗(R)に起因する電圧上昇(IR)が二回検出される。このため、一次放電において、ターゲット電圧(VT)から電圧上昇の最小値(I(Rave+σRmin))の2倍を減じた値以上に設定することによって、二次放電後に確実にターゲット電圧(VT)を満足するようにしている。
ステップS340では、各電池セル1の電圧(V)が規格以下であれば、次のステップへ移行する(S340:YES)。他方、規格内でなければ、適宜の表示手段によって異常を表示して放電を停止し、電圧調整工程S30を終了する、若しくは異常を示した電池セル1の電圧調整を停止する(S340:NO)。
ステップS350では、電池セル1の電圧(V)が第一目標値(V1)以下であれば、電圧値(V11)を記憶し、一次放電を終了して次のステップへ移行する(S350:YES)。電池セル1の電圧(V)が第一目標値(V1)より大きければ、放電を続けてステップS350を繰り返し、第一目標値(V1)以下になるまで繰り返す(S350:NO)。
つまり、ステップS360は、一次放電停止後に発生する電圧上昇(IR)分を算出するために、電池セル1を一定時間放置したときの電圧(V)を測定し、測定値を電圧値(V2)として記憶するステップである。
つまり、ステップS370は、それぞれ異なる内部抵抗(R)を有する電池セル1・1・・・の電圧上昇(IR)分を補正電圧(ΔV)として個別に算出し、各電池セル1の製造誤差等に起因する電池特性のばらつきを二次放電に反映するためのステップである。
ここで、第二目標値(V2)は、電池セル1のターゲット電圧(VT)から補正電圧(ΔV)を減じた値(V2=VT−ΔV)として設定される。
つまり、ステップS410では、補正電圧算出ステップS370にて算出した補正電圧(ΔV)を用いることによって、各電池セル1の固有の内部抵抗(R)を考慮した放電を行い、電池セル1の放電後の電圧がターゲット電圧(VT)となるようにしている。
ステップS420では、電池セル1の放電時間が一定時間以内であれば、次のステップへ移行する(S420:YES)。電池セル1の放電時間が一定時間以上経過していれば、適宜の表示手段によって異常を表示して放電を停止し、電圧調整工程S30を終了する、若しくは異常を示した電池セル1の電圧調整を停止する(S420:NO)。
ステップS430では、電池セル1の電圧(V)が第二目標値(V2)以下であれば、二次放電を終了して次のステップへ移行する(S430:YES)。電池セル1の電圧(V)が第二目標値(V2)よりも大きければ、放電を続けてステップS430を繰り返し、第二目標値(V2)以下になるまで繰り返す(S430:NO)。
ステップS440では、各電池セル1の電圧(V)が規格値以下であれば、電圧調整工程S30を終了し、次の各工程へ移行する(S440:YES)。電池セル1の電圧(V)が規格値よりも大きい値になれば、電池セル1の異常として適宜の表示手段により異常を表示し、電圧調整工程S30を停止する、若しくは異常を示した電池セル1の電圧調整を停止する(S440:NO)。
一次放電ステップにおいて、各電池セル1の固有の電圧上昇値(ΔV)を算出し、二次放電ステップにて、各電圧上昇値(ΔV)を考慮した第二目標値(V2)を設定することによって、電池セル1の内部抵抗(R)のばらつきを吸収し、電池セルの電圧を安定化できる。ひいては、ターゲット電圧を満足する電池セル1の個数を増やすことができ、同一ロット内の電池セル1・1・・・の製品品質を向上できる。
図6に示すように、電圧調整工程S30によれば、従来の電圧調整工程よりターゲット電圧に調整する時間を短縮できる。図6は、本実施形態の電圧調整工程S30と従来の電圧調整工程とにおける電池セルの電圧の変化を示すグラフであり、横軸は時間、縦軸は電圧値を示す。
このように、従来ではターゲット電圧(VT)付近で頻繁に電流値を変更してターゲット電圧に合わせこんでいたため、ターゲット電圧(VT)を満足するまでに要する時間が長くなる、電流制御等に関する制御構成が複雑になる等の課題があった。
つまり、電圧調整工程S30は、一般的に放電速度の速い定電流放電を使用できる状態を提供することによって、電池セル1の電圧調整に要する時間の短縮を可能にし、生産効率を向上する。また、簡易な制御構成にて実現可能な定電流放電を採用することによって、制御構成にかかるコストを低減する。
「リトライ機能」とは、制御装置31から移動装置50に制御信号を送信することにより、接触子33・33を外部端子4・4に対して近接/退避させて、接触子33・33と外部端子4・4との接続/非接続を実行することである。
上記抵抗値の変化は、図8に示すように、(1)抵抗値が小さくなる又はゼロになり、放電時間が延びる又は放電できなくなる等の不具合、若しくは、(2)抵抗値が大きくなり、電圧が小さくなりすぎるためにターゲット電圧を満足できなくなる等の不具合を引き起こす。
そこで、制御装置31は、各電圧測定装置40によって検出される電池セル1の電圧(V)の一定時間における変化量に応じて、移動装置50に対して制御信号を送信し、接触子33・33を退避させた後、再度接触子33・33を外部端子4・4に近接させて再接続(リトライ)するように制御する。
これにより、接触子33・33の接続不良に関する不具合を防止する。
本実施形態において、リトライステップS500は、一次放電ステップS310〜S370及び二次放電ステップS410〜S440内にそれぞれ含まれている。詳細には、リトライステップS500は、一次放電ステップでは放電確認ステップS340の後、二次放電ステップでは及び放電確認ステップS420の後に行われ、電池セル1の異常の有無を確認した後に行われる。
ステップS510では、電圧変化量(dV)が閾値(Th)より小さければ、次のステップへ移行する(S510:YES)。電圧変化量(dV)が閾値(Th)以上であれば、接続解除ステップS520へ移行する(S510:NO)。
再接続ステップS530では、移動装置50を制御して接触子33・33を外部端子4・4と再接続する。
これにより、上述のような放電時間の延長、不良の発生、電圧ばらつき等の不具合の発生を防止できる。
30 放電装置
31 制御装置
32 放電回路
33 接触子
34 放電用抵抗
35 抵抗接続リレー
V 電池セルの電圧(二次電池の電圧値)
V1 第一目標値(第一目標電圧値)
V2 第二目標値(第二目標電圧値)
VT ターゲット電圧(二次電池のターゲット電圧)
Claims (3)
- 二次電池を放電することにより、当該二次電池の電圧を調整する方法であって、
前記二次電池の電圧を測定しつつ、前記二次電池の電圧が第一目標電圧値となるまで放電する一次放電工程と、
前記二次電池の電圧を測定しつつ、前記二次電池の電圧が第二目標電圧値となるまで放電する二次放電工程と、を具備し、
前記第二目標電圧値は、前記二次電池のターゲット電圧から、前記一次放電工程終了後に測定される電圧上昇分を減じた値に設定され、
前記電圧上昇分は、それぞれ異なる内部抵抗を有する二次電池について個別に算出され、
前記第二目標電圧値は、各二次電池について、前記ターゲット電圧から各二次電池に固有の前記電圧上昇分を減じて設定され、
前記一次放電工程及び二次放電工程は、
放電に異常が発生しているか否かを確認し、異常が確認された場合に、前記二次電池の放電を行う放電装置の接触子と、前記二次電池の外部端子との接続の解除、及び再接続を行うリトライ工程を備える、二次電池の電圧調整方法。 - 前記一次放電工程及び前記二次放電工程では、定電流放電にて放電が行われる請求項1に記載の二次電池の電圧調整方法。
- 前記第一目標電圧値は、前記二次電池のターゲット電圧から、前記二次電池の内部抵抗に起因する電圧上昇のばらつきの最小値に放電時の電流値を乗じた値の2倍を減じた値以上に設定される請求項1又は2に記載の二次電池の電圧調整方法。
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