(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続して列をなすように配置されたｎ個（ｎは３以上の整数）の単電池を有し、前記列の先端側及び尾端側から締結圧力が付与される組電池を保守する方法であって、
前記組電池を構成する前記ｎ個の単電池は、２個の単電池群へと分割可能に構成され、
前記組電池の使用後に締結圧力を緩める緩和工程と、
前記緩和工程後に、前記ｎ個の単電池を、前記列の中央部で分けることにより、前記列の前記先端側に位置する第１単電池群、及び、前記列の前記尾端側に位置する第２単電池群へと分割する分割工程と、
前記分割工程後に、使用時に前記列の中央部に配置されていた前記単電池が、前記中央部よりも前記列の端側へと移動され、且つ、使用時に前記列の端部に配置されていた前記単電池が、前記端部よりも前記列の中央側へと移動されるように、ｎ個の単電池を再び連続して配置する配置工程と、を有し、
前記配置工程で、前記列の前記先端側に前記第２単電池群が配置され、且つ、前記列の前記尾端側に前記第１単電池群が配置されるように、前記第１単電池群及び前記第２単電池群が配置されることを特徴とする、組電池の保守方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池の保守方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池等に代表される電池を単電池とし、この単電池を複数個直列に接続して構成される組電池は、高出力が得られる電源として知られている。そのため、組電池は情報機器等に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。
【０００３】
このような組電池に関する技術として、例えば特許文献１には、電極タブを介して電気エネルギーを出力する扁平な電池セルがその厚さ方向に複数段積層されるとともに、電池セル同士が直列及び／又は並列に電気的に接続された組電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２２９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている技術によれば、複数の電池セル（以下において、「単電池」という。）を厚さ方向に積層することによって組電池が構成されるので、高出力を得ることが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献１に開示されているような構造の組電池に含まれる各単電池の配置を維持したまま組電池を継続して使用すると、一部の単電池が他の単電池よりも早く劣化する虞がある。一部の単電池の劣化が進むと、組電池全体としての性能が低下しやすく、組電池が短寿命化しやすいという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、組電池の寿命を延ばすことが可能な組電池の保守方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、連続して列をなすように配置されたｎ個（ｎは３以上の整数）の単電池を有し、列の先端側及び尾端側から締結圧力が付与される組電池を保守する方法であって、組電池を構成するｎ個の単電池は、２個の単電池群へと分割可能に構成され、組電池の使用後に締結圧力を緩める緩和工程と、該緩和工程後に、ｎ個の単電池を、列の中央部で分けることにより、列の先端側に位置する第１単電池群、及び、列の尾端側に位置する第２単電池群へと分割する分割工程と、該分割工程後に、使用時に列の中央部に配置されていた単電池が、中央部よりも列の端側へと移動され、且つ、使用時に列の端部に配置されていた単電池が、端部よりも列の中央側へと移動されるように、ｎ個の単電池を再び連続して配置する配置工程と、を有し、該配置工程で、上記列の先端側に第２単電池群が配置され、且つ、上記列の尾端側に第１単電池群が配置されるように、第１単電池群及び第２単電池群が配置されることを特徴とする、組電池の保守方法である。
【０００８】
ここに、「列の中央部に配置されていた単電池」とは、列の先端及び尾端を除く位置に配置されていた単電池をいい、例えば、列を先端側から３等分した場合、先端側から２番目（又は尾端側から２番目）のグループに属する単電池が「列の中央部に配置されていた単電池」である。また、「中央部よりも列の端側」とは、中央部よりも列の先端側又は尾端側をいう。また、本発明において、ｎが偶数である場合は、列の先端から数えてｎ／２番目に配置されている単電池、及び、列の尾端から数えてｎ／２番目に配置されている単電池が、列の中央に配置されている単電池であり、ｎが奇数である場合は、列の先端又は尾端から数えて（ｎ＋１）／２番目に配置されている単電池が、列の中央に配置されている単電池である。
【００１０】
また、「列の端部に配置されていた単電池」とは、列の中央以外の位置に配置されていた単電池をいい、例えば、列を先端側から３等分した場合、最も先端側のグループ及び／又は最も尾端側のグループに属する単電池が「列の端部に配置されていた単電池」である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、使用時に列の中央部に配置されていた単電池が、使用後に、列の端側へと移動される。ここで、複数の単電池を連続して列をなすように配置して構成した組電池に、列の先端側及び尾端側から締結圧力を付与すると、列の端部に配置されている単電池と比較して、列の中央部に配置されている単電池が受ける圧力は小さい。そのため、列の中央部に配置されていた単電池は、列の端部に配置されていた単電池よりも劣化しやすい。したがって、各単電池の位置を固定したまま組電池を継続使用すると、列の中央部に配置されている単電池が早く劣化し、結果として組電池が短寿命化しやすい。ところが、本発明では、配置工程において、使用時に列の中央部に配置されていた単電池が列の端側へと移動されるので、使用時に列の中央部に配置されていた単電池のみが早く劣化する事態を抑制することが可能になる。したがって、本発明によれば、組電池の寿命を延ばすことが可能な、組電池の保守方法を提供することができる。
【００１２】
本発明において、さらに、使用時に列の端部に配置されていた単電池が、列の中央側へと移動されることにより、ｎ個の単電池の劣化ばらつきを緩和することが容易になるので、組電池の寿命を延ばすことが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の組電池の保守方法を説明するフローチャートである。
【図２】単電池の位置が変更される前の組電池を説明する図である。
【図３】図２に示す組電池のセル番号と圧力及び劣化率との関係を説明する図である。
【図４】単電池の位置が変更された後の組電池を説明する図である。
【図５】図４に示す組電池のセル番号と圧力及び劣化率との関係を説明する図である。
【図６】組電池のセル番号と劣化率との関係を説明する図である。
【図７】固体電池セルの形態例を示す断面図である。
【図８】劣化率と締結圧力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者らは、固体電解質層を有する固体電池セルを作製し、作製した固体電池セルへと付与する拘束圧力を変化させることにより、電池の劣化率と拘束圧力との関係を調査した。試験に供した固体電池セルの作製方法及び試験条件を以下に示す。
【００１５】
黒鉛粉末（負極活物質）と、特開２００５−２２８５７０号公報に開示されている方法と同様の方法で作製したＬｉ７Ｐ３Ｓ１１（固体電解質）とを、質量比で、負極活物質：固体電解質＝１：１となるように混合することにより負極合材を作製した。また、ＬｉＮｂＯ３によって被覆されたＬｉＣｏＯ２（正極活物質）と、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１（固体電解質）とを、質量比で、正極活物質：固体電解質＝７：３となるように混合することにより正極合材を作製した。さらに、Ｌｉ７Ｐ３Ｓ１１により固体電解質層を作製し、該固体電解質層の一方の面に上記負極合材を用いて負極層を形成し、該固体電解質層の他方の面に上記正極合材を用いて正極層を形成することにより、図７に示す形態の固体電池セルを作製した。
【００１６】
こうして作製した固体電池セルの厚さ方向（図７の紙面上下方向）へ２９．４ＭＰａの拘束圧力を付与した状態で、固体電池セルを充電し、インピーダンス（初期インピーダンス）を測定した。次いで、４．１Ｖ〜３．０Ｖの範囲で放電と充電とを行う１サイクルを２５回（２５サイクル）に亘って行った後、再びインピーダンス（サイクル試験後インピーダンス）を測定し、初期インピーダンス及びサイクル試験後インピーダンスを用いて、固体電池セルの劣化率を算出した（試験１）。
【００１７】
また、拘束圧力を１４．７ＭＰａとした以外は上記試験１と同様にして、固体電池セルの劣化率を算出し（試験２）、さらに、拘束圧力を０．９８ＭＰａとした以外は上記試験１と同様にして、固体電池セルの劣化率を算出した（試験３）。試験１乃至試験３の結果を、図８に示す。図８の縦軸は劣化率であり、横軸は拘束圧力［ＭＰａ］である。ここで、劣化率とは、「サイクル試験後インピーダンス／初期インピーダンス」をいう。
【００１８】
図８に示すように、拘束圧力が増大するほど劣化率が低減した。図８に示した結果を直線近似すると、
劣化率＝−０．０１×拘束圧力＋５
となる。すなわち、上記試験から、作製した固体電池セルへと付与される拘束圧力が９８ｋＰａ小さくなると、２５サイクルで劣化率が１％増大することが分かった。
【００１９】
次に、本発明者らは、２８個の単電池を一列に配置して構成した組電池へ、列を圧縮する方向に１．４７ＭＰａの拘束圧力を付与した場合における、１番目の単電池（列の先端に配置されている単電池）へと付与される締結圧力、及び、１４番目の単電池（列の中央に配置されている単電池）へと付与される締結圧力を、それぞれ算出した。その結果、１番目の単電池に付与される締結圧力は、１４番目の単電池に付与される締結圧力よりも約３％（２９．４ｋＰａ）ほど大きかった。
【００２０】
以上より、本発明者らは、組電池の端に配置されている単電池と中央に配置されている単電池とでは、付与される締結圧力に差があり、この締結圧力差によって単電池の劣化率が変化することを知見した。組電池を構成する複数の単電池のうち、一部の単電池のみ劣化が速く進行すると、組電池が短寿命化しやすい。したがって、組電池の寿命を延ばすためには、複数の単電池の劣化の進行具合を平準化することが有効である。
【００２１】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。本発明は、組電池の寿命を延ばすことが可能な組電池の保守方法を提供することを、主な要旨とする。
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００２３】
図１は、本発明の組電池の保守方法を説明するフローチャートである。図１に示すように、本発明の組電池の保守方法は、緩和工程（Ｓ１）と、分割工程（Ｓ２）と、配置工程（Ｓ３）と、を有している。
【００２４】
緩和工程（以下において、「工程Ｓ１」という。）は、組電池の使用後に、締結圧力を緩める工程である。工程Ｓ１は、組電池の使用後に、締結圧力をゼロにする工程、とすることができる。図２に、緩和工程によって締結圧力を緩められる組電池を備えた電池システムの形態例を簡略化して示す。図２に括弧書きで付記した符号は、各単電池のセル番号である。図２に示す電池システム１０は、ｎ個（本実施形態において、ｎは偶数とする。）の単電池１、１、…を備えた組電池２と、単電池１、１、…の列の左端からｎ／２番目に配置されている単電池１から、単電池１、１、…の列の左端に配置されている単電池１までのｎ／２個の単電池１、１、…の過電流や過充電等を防止するための安全制御を行う安全制御部３と、単電池１、１、…の列の左端からｎ／２＋１番目に配置されている単電池１から、単電池１、１、…の列の左端からｎ番目に配置されている単電池１までのｎ／２個の単電池１、１、…の過電流や過充電等を防止するための安全制御を行う安全制御部４と、安全制御部３及び安全制御部４から送られてきた信号に基づいて組電池２を動力源として用いる機器（不図示。例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等。以下において単に「機器」という。）の動作を制御可能な制御手段５と、を有している。組電池２には、単電池１、１、…の列を圧縮する方向に締結圧力が付与されており、電池システム１０では、安全制御部３によって制御される単電池１、１、…が組電池２の左半分に配置され、安全制御部４によって制御される単電池１、１、…が組電池２の右半分に配置されている。制御手段５は、機器の動作制御を実行するＣＰＵ５ａと、該ＣＰＵ５ａに対する記憶装置とが設けられている。ＣＰＵ５ａは、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ５ａに対する記憶装置は、例えば、機器の動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するＲＯＭ５ｂと、ＣＰＵ５ａの作業領域として機能するＲＡＭ５ｃ等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ５ａが、ＲＯＭ５ｂに記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、制御手段５が機能する。安全制御部３及び安全制御部４を介して検出された単電池１、１、…の残容量等に関する情報（出力信号）は、制御手段５の入力ポート５ｄを介して、入力信号としてＣＰＵ５ａへと到達する。ＣＰＵ５ａは、入力信号及びＲＯＭ５ｂに記憶されたプログラムに基づいて、機器に対する動作指令を決定し、決定した動作指令が、出力ポート５ｅを介して、機器へと出力される。
【００２５】
図３は、組電池２を構成する単電池１、１、…へと付与される締結圧力、及び、組電池２を構成する単電池１、１、…の劣化率を説明する概念図である。図３（ａ）は、単電池１、１、…の位置と締結圧力との関係を説明する図であり、図３（ｂ）は、単電池１、１、…の位置と劣化率との関係を説明する図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）において、横軸は、図２に示す組電池２の左端（列の左端）に配置されている単電池１の番号を「１」、列の右端に配置されている単電池１の番号を「ｎ」とするセル番号であり、図３（ａ）の縦軸は単電池へと付与される締結圧力、図３（ｂ）の縦軸は単電池の劣化率である。図３（ａ）に示すように、横軸にセル番号をとり縦軸に締結圧力をとったグラフを作成すると、下に凸の曲線になり、列の端に近い単電池ほど付与される締結圧力が大きく、列の中央に近い単電池ほど付与される締結圧力が最小になる。一方、図３（ｂ）に示すように、横軸にセル番号をとり縦軸に劣化率をとったグラフを作成すると、上に凸の曲線になり、列の端に配置されている単電池ほど劣化率が小さく、列の中央に配置されている単電池の劣化率が最大になる。すなわち、組電池２の構成を維持したまま組電池２の使用を継続すると、列の中央に配置されている単電池（セル番号ｎ／２の単電池１やセル番号ｎ／２＋１の単電池１）が、列の両端に配置されている単電池（セル番号１の単電池１やセル番号ｎの単電池１）よりも劣化しやすい。そこで、本発明では、かかる事態を避けるべく、以下に示す分割工程及び配置工程を行う。
【００２６】
分割工程（以下において、「工程Ｓ２」という。）は、上記工程Ｓ１で締結圧力が緩められた組電池を２以上の単電池群へと分割する工程である。工程Ｓ２は、例えば、上記工程Ｓ１で締結圧力がゼロにされた組電池２を、組電池２の使用時に安全制御部３を介して安全制御が行われていたセル番号１〜ｎ／２の単電池１、１、…によって構成される単電池群と、安全制御部４を介して安全制御が行われていたセル番号ｎ／２＋１〜ｎの単電池１、１、…によって構成される単電池群とに分割する工程、とすることができる。電池システム１０では、工程Ｓ２で２つに分割される単電池群のそれぞれに安全制御部が接続されている。そのため、工程Ｓ２で安全制御部を取り外す必要が無く、組電池２を容易に分割することができる。
【００２７】
配置工程（以下において、「工程Ｓ３」という。）は、上記工程Ｓ２の終了後に、使用時に列の中央部に配置されていた単電池を列の端側へと移動する過程を経て、ｎ個の単電池を再び連続して配置する工程である。図４に、工程Ｓ３でｎ個の単電池を再び配置することによって構成した組電池を備える電池システムを示す。図４において、図２と同様に構成されるものには、図２で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、図４では、各単電池のセル番号を括弧書きで付記する。図４に示す電池システム１０’は、組電池２に代えて、安全制御部３によって制御される単電池１、１、…が右半分に配置され、安全制御部４によって制御される単電池１、１、…が左半分に配置されている組電池２’が備えられる点を除き、電池システム１０と同様に構成されている。より具体的に、組電池２’は、ｎ個の単電池１、１、…を備えており、列の左端にはセル番号ｎ／２＋１の単電池１が、列の右端にはセル番号ｎ／２の単電池１がそれぞれ配置され、列の中央にセル番号ｎの単電池１及びセル番号１の単電池１がそれぞれ配置されている。すなわち、組電池２において列の中央に配置されていた単電池１、１が、組電池２’では列の両端に配置され、且つ、組電池２において列の両端に配置されていた単電池１、１が、組電池２’では列の中央に配置されている。
【００２８】
図５は、組電池２の使用時に組電池２へと付与されていた締結圧力と同じ締結圧力を組電池２’へと付与した場合における、組電池２’を構成する単電池１、１、…へと付与される締結圧力、及び、組電池２’を構成する単電池１、１、…の劣化率を説明する概念図である。図５（ａ）は、組電池２’を構成する単電池１、１、…のセル番号と締結圧力との関係を説明する図であり、図５（ｂ）は、組電池２’を構成する単電池１、１、…のセル番号と劣化率との関係を説明する図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）の横軸はセル番号であり、図５（ａ）の縦軸は単電池へと付与される締結圧力、図５（ｂ）の縦軸は単電池の劣化率である。
【００２９】
上述のように、組電池２’では、列の中央にセル番号１の単電池１及びセル番号ｎの単電池１が配置されており、列の両端にセル番号ｎ／２の単電池１及びセル番号ｎ／２＋１の単電池１がそれぞれ配置されている。そのため、組電池２’を構成する単電池１、１、…へと付与される締結圧力とセル番号との関係は、図５（ａ）に示すように上に凸の曲線で表すことができ、組電池２’では、セル番号１の単電池及びセル番号ｎの単電池へと付与される締結圧力が最小になり、セル番号ｎ／２の単電池及びセル番号ｎ／２＋１の単電池へと付与される締結圧力が最大になる。また、組電池２’を構成する単電池１、１、…の劣化率とセル番号との関係は、図５（ｂ）に示すように下に凸の曲線で表すことができ、組電池２’では、セル番号１の単電池及びセル番号ｎの単電池の劣化率が最大になり、セル番号ｎ／２の単電池及びセル番号ｎ／２＋１の単電池の劣化率が最小になる。図３（ｂ）及び図５（ｂ）を用いて作成した、組電池２’の使用後における単電池１、１、…のセル番号と劣化率との関係を図６に示す。組電池２を構成する単電池１、１、…のセル番号を横軸に劣化率を縦軸にとってグラフを作成すると、図３（ｂ）に示すように上に凸の曲線になり、組電池２’を構成する単電池１、１、…のセル番号を横軸に劣化率を縦軸にとってグラフを作成すると、図５（ｂ）に示すように下に凸の曲線になる。そのため、組電池２’の使用後には各単電池１、１、…の劣化率のばらつきが平準化され、図６に示すように、各単電池１、１、…の劣化率を同程度にすることが可能になる。
【００３０】
このように、工程Ｓ１〜工程Ｓ３を有する本発明の組電池の保守方法によれば、組電池２を構成する各単電池１、１、…の劣化率を同程度にすることが可能になる。各単電池１、１、…の劣化率を同程度にすることにより、一部の単電池の劣化が相対的に速く場合と比較して、組電池の寿命を延ばすことが可能になる。したがって、本発明によれば、組電池の寿命を延ばすことが可能な、組電池の保守方法を提供することができる。
【００３１】
本発明において、組電池を構成する単電池の形態は特に限定されるものではないが、上述のように、固体電解質層を有する電池（固体電池）は、圧力変化に対する劣化率変化が大きい。そのため、本発明の効果が得られやすい形態にする等の観点からは、単電池が固体電池であることが好ましい。
【００３２】
また、本発明が適用される組電池が用いられる機器の形態は特に限定されるものではない。ただし、本発明を容易に実施可能にする等の観点からは、定期的にメンテナンスが行われる車両（例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等）に搭載される組電池に、本発明を適用することが好ましい。車両に搭載される組電池に本発明を適用することにより、車両の寿命を延ばすことが可能になる。
【００３３】
本発明に関する上記説明では、ｎ個の単電池を２つの単電池群へと分割可能に構成されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、例えば、１つ１つの単電池それぞれが組電池から分離可能に構成されていても良い。この場合、配置工程は、使用時に列の中央部に配置されていた単電池を列の端側へと移動する過程を有していれば良い。ただし、単電池毎の劣化率のばらつきを平準化しやすい形態にして組電池の超寿命化を図りやすい形態にする等の観点からは、使用時に列の中央部に配置されていた単電池を列の端側へと移動し、且つ、使用時に列の端部に配置されていた単電池を列の中央側へと移動することにより複数の単電池をローテーションする過程を経て、ｎ個の単電池を再び連続して配置する形態の配置工程を有することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の組電池の保守方法は、電気自動車やハイブリッド自動車用等に利用可能な組電池の保守方法として利用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…単電池
２…組電池
３…安全制御部
４…安全制御部
５…制御手段
１０…電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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