JP6950636B2

JP6950636B2 - 組電池の製造方法

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Publication number: JP6950636B2
Application number: JP2018127971A
Authority: JP
Inventors: 伸一郎森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: JP2020009577A

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

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。