(57)【要約】【課題】２次電池の生産において、電池容量試験の工程に要する時間を短縮できる簡易試験装置を提供することが課題である。【解決策】電池セルの重量測定機構と内部抵抗測定機構を備え、複数の電池セルについて、個々の重量と内部抵抗を測定し、該重量と該内部抵抗に基いて該電池セルの電気電池容量と一意に関連付けられる数値を求め、該数値の差の小さいもの同士をグループとして仕分けることを特徴とする電池セルを仕分けるための簡易測定器である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セルの重量測定機構と内部抵抗測定機構を少なくとも備え、
複数の電池セルについて、個々の重量と内部抵抗を測定し、
該重量と該内部抵抗の測定値のそれぞれの相互の差より導き出される数値を少なくとも判定基準として該複数の電池セルを選別し、所定の数の電池セルで組電池を構成することを特徴とする複数電池セル簡易仕分け装置。
【請求項２】
該重量と該内部抵抗の測定値のそれぞれの相互の差より導き出される数値を使った判定基準が、
該重量と該内部抵抗の測定値を要素とする２次元平面上の電池セル間の距離が近いことであることを特徴とする請求項１に記載の複数電池セル簡易仕分け装置。
【請求項３】
２次元平面上で、自電池セルの周辺に、所定の許容範囲より小さい距離に、他の電池セルがグループ構成に必要な数だけ存在しない場合、当該自電池セルを組電池のグループを構成する電池セルとして選別しないことを特徴とする請求項１に記載の複数電池セル簡易仕分け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池セルを組み合わせて組電池（あるいは電池パック）を製造するにあたって、特性の揃った電池セルを選別する技術と装置に関する。とくに、充放電試験ではなくて、電池セルの重量、内部抵抗に関する情報をもとにして電池セルを選別、仕分けする装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種電子機器の小型化、高性能化、携帯型化によって、電池の需要が高まっている。それに応じて電池の改良、開発はますます活発化している。また、電池の新しい適用領域も拡大している。
【０００３】
電池の開発や新しい領域への適用には、特性試験による電池の事前評価が不可欠である。なぜなら、電池の性能はその使用条件に大きく依存するので、特性試験による電池の評価が必要であるからである。また、既存の市場における電池の量産においては、動作が不具合の電池を排除し、性能が揃った電池を市場に送り出すために、出荷前の全数の製品試験が不可欠である。
【０００４】
特に、リチウムイオン２次電池においては、電池を組み立てた後の各種試験に時間が必要で、数日から１週間ほどかかる。また、それには大掛かりな試験装置を必要としている。すなわち、全数の電池セルについて、予備充放電、満充放電、熟成などを経て特性試験を行うもので、試験に当たっては定電圧電源、定電流電源、定電流放電負荷回路、制御回路、情報記録回路などが使われる。（特許文献１）
【０００５】
また、試験を自動化するためには、電池セルを載せるパレット、パレット移送機構、電池セルと試験装置を電気的に接続する探針（プローブ）機構などの機械設備も必要である。
【０００６】
また、電池の特性は使用中の環境温度に大きく左右されるので、電池セルの温度を一定にする恒温槽の中での試験も必要である。恒温槽を使った試験装置も多数提案されている。（特許文献２）
【０００７】
電池を使用する場合、電池セルを単独で使うのではなく、図１に示すように複数の電池セルを直列および／または並列に接続して組電池として使用することも多い。図１（ａ）は３個の電池セルを直列に接続したものを、図１（ｂ）は３個の電池セルを並列に接続したものを、図１（ｃ）は３個の電池セルを直列に接続したものを２列並列にしたものを示している。このように単電池セルを組み合わせることで高電圧化と大容量化を容易に実現することができる。しかし，組電池は適切な管理のもとで製造しないと性能を最大限に発揮できない。
【０００８】
例えば、３個の電池セルを直列にした組電池において、１個の電池セルだけが電池容量が小さい場合、この組電池を放電させると、電池容量の小さい電池セルは他の電池セルよりも早く放電終止電圧に到達する。それ以上放電すると過放電状態となり，電池セルにダメージを与える可能性があるので、放電を終了せざるを得ないことになる。したがって、他の２個の電池セルに残った電池容量は使われず無駄になる。
【０００９】
同じ組電池を充電するとき、電池容量の小さい電池セルだけが先に充電終止電圧に到達する。これ以上充電すると過充電状態に陥り、発煙や発火の危険性があるため充電を終了せざるを得ないことになる。このとき、正規の電池容量を持つ他の電池セルは満充電に達することなく充電が終了することになる。したがって、全体の電池容量は小さくなる。
【００１０】
この理由で、全数の電池セルの電池容量を正確に測定し、電池容量の差が許容範囲に有る電池セル同士だけを組み合わせて全体として効率の良い組電池としている。このために、時間とコストがかかっても電池セルの電池容量試験は必須の工程となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−１０２０９７号
【特許文献２】特開２０１５−２０４２７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明においては、２次電池の組電池製造において、電池容量試験の工程に要する時間を短縮できる簡易な測定器を提供することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、
電池セルの重量測定機構と内部抵抗測定機構を少なくとも備え、
複数の電池セルについて、個々の重量と内部抵抗を測定し、
該重量と該内部抵抗の測定値のそれぞれの相互の差を少なくとも判定基準として該複数の電池セルを選別し、所定の数の電池セルで組電池を構成することを特徴とする複数電池セル簡易仕分け装置である。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、
該重量と該内部抵抗測定値のそれぞれの相互の差を使った判定基準が、
該重量と該内部抵抗を要素とする２次元平面上の電池セル間の距離が近いことであることを特徴とする請求項１に記載の複数電池セル簡易仕分け装置である。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、
２次元平面上で、自電池セルの周辺に、所定の許容範囲より小さい距離に、他の電池セルがグループ構成に必要な数だけ存在しない場合、
当該自電池セルを組電池のグループを構成する電池セルとして選別しないことを特徴とする請求項１に記載の複数電池セル簡易仕分け装置である。
【００１６】
電池セルの電池容量は、他の要因もあるが、主として充放電に関わる活物質の量によって決まる。電池セルの生産上の様々な要因で個々の電池セルの持つ活物質の量はばらつく。そのばらつきの要因は、電極材料に活物質を塗布するときの厚さの変動、電極材料を個々の電池セルの大きさに切断するときの切断長さのばらつきなどである。活物質の量のばらつきは、電池セルの重量のばらつきとなって現れる。
【００１７】
組電池を充放電するとき、活物質の量が多い電池セルが満充電もしくは全放電の状態に達する時間は、活物質の量が少ない他の電池セルに比べて長くなる。活物質の量が少ない他の電池セルが満充電もしくは全放電の状態に達したとき、充放電を止めなくてはならないので、したがって、活物質の量が多い電池セルは常に満充電もしくは全放電の状態に達することができない。組電池全体としては効率が悪くなり、また過熱など安全上の問題が発生する恐れがある。
【００１８】
また、電池セルの特性の中で充放電のバランスに関わるのは内部抵抗である。電池セルを並列に接続した組電池を充放電するとき、内部抵抗が小さな電池セルの電流は内部抵抗が大きい電池セルより電流が大きいので、同じ電池容量であっても早く充電終止電圧、もしくは放電終止電圧に到達する。したがって、その時点では、他の電池セルはまだ満充電もしくは全放電の状態に達していない。組電池全体としては効率が悪くなり、また過熱など安全上の問題が発生する恐れがある。
【００１９】
このような問題を避けるため、充放電特性の数値が近い電池セルを仕分けしてから、組電池を製造するものである。
【００２０】
しかるに、従来の充放電試験は、非常に時間とコストがかかるという課題がある。そこで、本発明は、従来の充放電試験を行わず、その代わりに時間がかからず簡易に測定できる電池セルの重量と内部抵抗を測定することで、電池容量を推定し、それらの数値が近い電池セルを選別して、選別された電池セルを使って組電池を製造するものである。
【発明の効果】
【００２１】
電池セルを使う組電池の製造において、充放電試験を行わず、その代わりに時間がかからず簡易に測定できる電池セルの重量と内部抵抗を測定し、その結果に基いて電池セルを選別するようにしたので、時間とコストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】組電池の図
【図２】電池セル測定器の機能を示すブロック図
【図３】電池セル測定器の構成を示す概念図
【図４】電池セルの重量測定機構の概念図
【図５】電池セルの内部抵抗測定機構の概念図
【図６】電池セルの測定の手順を示すフローチャート
【図７】電池セルの選別の手順を示すフローチャート
【図８】電池セルの測定結果を２次元平面にプロットした図
【図９】電池セルの選別を説明する図
【図１０】充放電試験装置の機能を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図に従って電池セル測定器の構造と作用について説明する。図２は電池セル測定器の機能を示すブロック図である。電池セル測定器１は、全体の制御を行うパーソナルコンピュータ１１とそれに搭載した図示しない制御用のソフトウェア、パーソナルコンピュータ１１に動作指令を入力する入力装置１２、パーソナルコンピュータ１１からの出力を表示するディスプレイおよび／もしくは出力を印刷するプリンターである出力装置１３、ソフトウェアならびに測定したデータ類を記憶する記憶装置１４、電池セルの重量を測定する重量測定機構１５、電池セルの内部抵抗を測定する内部抵抗測定機構１６、各装置、機構が必要とする電源を供給する電源１７からなる。
【００２４】
図３は、電池セル測定器１の構成を示す概念図である。図２に機能ブロック図で示したのと同じ電池セル測定器１を構成する機器の構成を示している。重量測定機構１５と内部抵抗測定機構１６は図示しない構造により機械的に一体化されている。パーソナルコンピュータ１１の記憶装置１４には電池セルの測定および選別を行うソフトウェアが格納されている。
【００２５】
図６は、測定と選別の動作の手順を示すフローチャートである。電池セル測定器１は、複数の電池セルを１つのロットとして取り扱うことができる。測定開始の指示を入力装置１２によって入力するとフローチャートの前半に記載されている測定の工程が始まる。以下の動作は決められた手順によって半自動で行われる。
【００２６】
図３に示す重量測定機構１５の所定に位置に電池セル２を置くと、重量測定機構１５によって重量が測定される。重量の測定が終了すると、図３に両方向の矢印で示すように、内部抵抗測定機構１６から２つの探針１８が同時に下降してきて、電池セル２の２つの電極にそれぞれ接触して電気回路を形成して内部抵抗の測定を行う。
【００２７】
図６のフローチャートに示すように、最初の電池セルの重量を測定し、次に同じ電池セルの内部抵抗を測定し、得られたデータを電池セルに順番につけられた番号と併せて記憶装置１４に記録する。それと同時に出力装置１２であるディスプレイ１２に結果を表示する。
【００２８】
１つの電池セル２aの測定が終了したら、次の電池セル２bに載せ替えて測定を行う。これを当該ロットの全ての電池セルについて繰り返す。ロット内の新たな電池セルごとに、番号、重量、内部抵抗を１組とするデータリストが追加され、表示される。または、その内容はプリンターで印刷することもできる。
【００２９】
当該ロットの全ての電池セルについて測定の工程が終わると、測定終了となり、フローチャートの後半に記載されている選別の工程に入る。選別とは、ロット内の電池セルを組み合わせるため、特性が近いものを選んで、バランスの取れた組電池を構成するための組電池の個数毎のグループに分けることである。例えば電池セル３個を直列にした組電池を製造するために１００個の電池セルからなるロットから選別すると、３３個のグループと１個の余りとなる。この選別の詳細については後ほど述べる。
【００３０】
選別の工程では、各電池セルの番号、重量、内部抵抗のデータに新たにグループ番号が追加され表示される。当該ロットの全ての電池セルについて選別の工程が終わると、グループ番号を含む全てのデータリストが表示される。または、その内容はプリンターで印刷することもできる。ディスプレイ１２またはプリンターに出力された結果を見れば、どの電池セル同士を１つの組電池として組み合わせれば良いか容易に判別できる。
【００３１】
電池セル測定器１を構成する機構の構造と作用についてさらに詳しく説明する。まず、電池セル測定器１の重量測定機構１５について詳しく説明する。図４は、電池セルの重量測定機構の概念図である。重量を精密に測定する必要があるので、電磁力平衡方式のはかりを用いる。ただし、所定の精度で安定に測定できる方法であれば良く、電磁力平衡方式に限るものではない。
【００３２】
図４に示したのは既知の電磁力平衡方式のはかりの構造である。秤量皿４１は、平行四辺形を保つリンク機構４６を形成する長い梃子４２と短い梃子４３、上支点４４と下支点４５によって支えられている。
【００３３】
図４に示すように、秤量皿４１に測定対象である電池セル２を載せると秤量皿４１は下降しようとするが、円柱状で環状断面の掘り込みを持った形状の永久磁石４８と環状の電磁コイル４７で構成されているアクチュエータが発生する下向きの力と平衡して元の位置を保持する。位置測定器４９で元の位置からの変位を測定しており、変位がゼロになるようにアクチュエータの電磁コイル４７の電流を制御している。
【００３４】
その結果、電磁コイル４７の電流は測定対象の重量に比例する。この電流値を測定して、デジタル値に変換した後、パーソナルコンピュータ１１でこの値を読み取る。
【００３５】
次に、電池セル測定器１の内部抵抗測定機構１６について詳しく説明する。図５は、電池セルの内部抵抗測定機構の概念図である。電池セルに負荷を与えない交流型内部抵抗測定回路を使用する。ただし、所定の精度で電池セルに与える影響が少なく安定に測定できる方法であれば交流型内部抵抗測定回路でなくとも良い。
【００３６】
図５に示した内部抵抗測定機構５は既知の内部抵抗測定回路である。交流電源５１、電流計５２、コンデンサー５８を直列に接続して電流回路を形成し、電池セル２に端子から交流電流を流す。電流計５２で電流を測定する。また、電圧計５３、コンデンサー５９を直列に接続して電圧回路を形成し、電池セル２の端子電圧を測定する。
【００３７】
抵抗５４、抵抗５５は電流回路の内部抵抗を示しており、抵抗５６、抵抗５７は電圧回路の内部抵抗を示している。電圧計５３の入力内部抵抗が十分大きければ抵抗５６と抵抗５７にはほとんど交流電流が流れない。そのため、交流電源５１で発生した交流電流はすべて電池セル２を流れ、また電圧計５３で測定する交流電圧は正確に電池セル２の端子電圧となる。したがって、測定回路の抵抗である抵抗５４、抵抗５５、抵抗５６、抵抗５７の影響を無視しできて、電流計５２で測定した交流電流値と電圧計５３で測定した交流電圧値から電池セル２の内部抵抗を計算できる。
【００３８】
以上に説明したように１つの電池セル２ａの重量と内部抵抗が得られたので、これらのデータと電池セル２ａを他の電池セルと区別するための番号とを併せてパーソナルコンピュータ１１から記憶装置１４にデータを記録する。これをロット内の全ての電池セル２ａ〜２ｎについて行う。これによって、ロット内の全ての電池セル２についてそれぞれの番号、重量ならびに内部抵抗のデータリストが得られる。データリストの内容は出力装置１３であるディスプレイに表示されるか、プリンターで印刷されたものを見ることができる。
【００３９】
次に、電池セル測定器１のパーソナルコンピュータ１１によって、重量と内部抵抗に基づいて電池セルを選別する動作について詳しく説明する。
図７は、図６に示したフローチャートに「ロット内で選別する」と記載されたサブルーチンを示しており、選別の動作の手順を示す詳しいフローチャートである。
【００４０】
図８は、電池セルの測定結果を重量と内部抵抗を座標として２次元平面にプロットした図である。選別の動作を開始すると、ロット内の電池セル２についてそれぞれの番号、重量ならびに内部抵抗のデータリストを記憶装置から読み出して、２次元平面上に内部抵抗を横軸に重量を縦軸の座標に展開してプロットする。図８ではＸ印の交点が各電池セルを示すｎ個の点を表している。
【００４１】
次に、図９は電池セルの選別を説明する図である。図９では、見やすくするために        ２次元平面にプロットしたＸ印が集中している部分だけを拡大して示している。Ｘ印の集まりの上側の１／３程度が数字に変わっている。
【００４２】
図７に示したフローチャートに沿って選別工程を説明する。ここでは、グループの電池セルの数が３個の場合を例として説明してある。図７では説明のため、処理あるいは判断を示す各ブロックにＳ０１からＳ１２まで符号を付けてある。まずＳ０１で初期化のためにグループ番号を０とする。次に、Ｓ０２でグループ番号に１を加え、Ｓ０３でロット内の電池セルの中で、グループ番号が付いておらず、かつ保留のマークが付いていない未処理のものを探す。
【００４３】
最初であれば必ず未処理のものが有るので、判定はＹＥＳとなる。次に、Ｓ０４で、見つかった電池セルをＡと名付け、また現在のグループ番号を付ける。続いてＳ０５で、２次元平面上で当該の電池セルに最も近い距離にあり、かつ未だグループ番号が付いていない他の電池セルを探す。それが見つかれば、Ｓ０６の判定はＹＥＳとなる。次にＳ０７で、Ａとその近傍に見つかった電池セルの間の２次元平面上の距離が所定の許容範囲内であるかどうかを確認する。
【００４４】
距離が所定の許容範囲内であれば、Ｓ０７の判定はＹＥＳとなる。Ｓ０８で近傍に見つかった電池セルに現在のグループ番号１を付ける。Ａとその近傍に見つかった電池セルで、グループ１に所属する電池セルが２個存在することがわかったが、グループを構成する電池セルの数は３なので、グループは未だ完成していない。したがって、Ｓ０９の判定はＮＯとなる。したがって、フローチャートの途中のＳ０５に戻って、Ａについて処理を継続する。２次元平面上で最も近い距離にある別の電池セルの探索を繰り返す。このように、全ての電池セルについて処理が終了するまで繰り返す。
【００４５】
上の説明において、Ｓ０６、Ｓ０７でＮＯとなった場合について説明する。２次元平面上で当該の電池セルに最も近い距離にあり、かつ未だグループ番号が付いていない他の電池セルが無い場合は、Ｓ０６での判定はＮＯとなる。すなわち、グループを形成できないということであるので、Ｓ１０でＡにグループ番号に替えて保留のマークを付けて、Ｓ０２に戻って、グループ番号に１を加える。
【００４６】
Ｓ０２に戻ってきたということは、離れた位置に他の電池セルが未だ存在するか、もしくは全ての電池セルの探索が終了したということである。前者の場合は、Ｓ０３の判定はＹＥＳとなり、別の電池セルを中心に新たに探索が継続される。後者の場合はＳ０３の判定は当然ＮＯとなるので、Ｓ１２で所定の数量に達せずグループが形成できなかった未完成のグループについて全ての電池セルのグループ番号を削除し、代わりに保留マークをつけて終了する。
【００４７】
また、Ｓ０７でＮＯとなった場合は、見つかった近傍の電池セルとの距離が所定の許容範囲内ではないので、グループを形成できない。Ｓ１１でＡに保留のマークを付けて、Ｓ０２に戻る。Ｓ０２に戻った後は前記と同じである。
【００４８】
繰り返して図９で説明する。図９に破線の円が２つ描いてあるが、右上の円は最も右上端にある電池セル（小さい丸で囲まれた１の電池セル）を中心とするグループを作ることができる許容範囲を示し、左下の円は最も左下端にある電池セルを中心とする許容範囲を示している。
【００４９】
最も右上端にある電池セルを中心とする許容範囲内においてグループ番号１を付ける２個目の電池セルを見つけ、次いで、３個目の電池セルとして、やはり１番目の電池セルに対して距離が所定の許容範囲内にあるものを見つけてグループ番号１を付けると、グループ１が完成する。Ｓ０９の判定はＹＥＳとなり、フローチャートの上部のＳ０２に戻り、グループ番号に１を加えて２とし、新しいグループ番号である２を付ける３個の電池セルを探す。
【００５０】
このときの状態を図９で見ると、図の上部で、お互いに近傍に有る３個の電池セルのマークがＸから数字１に変わっている。図９では、同様に処理を進めてグループ番号６までの処理が終わっている状態を示している。この動作を繰り返してゆくと、最終的には全ての電池セルの処理が終わり、判断ブロックＳ０３の「グループ番号または保留マークが付いていない、電池セルが有るか？」という項目で判定結果がＮＯとなり、選別の工程を終了する。
【００５１】
選別の工程が終わった段階で、グループを構成する数より少ない（例えば３個必要なのに２個以下しか無い）場合は、所定の数量だけグループ番号が付いていないか、もしくは保留マークが付いているので、当該の電池セルをロットから抜き取って、未だ処理を行っていない次のロットに移せば良い。
【００５２】
図９で示した電池セルをしめすＸ印の内で、最も左側でかつ最も下側に有るＸ印について、交点を中心とする破線の円形が描いて有る。この円形は、グループを作る許容範囲を示すものである。許容範囲とは、特性の差がその範囲であれば組電池を製造したとき、安全に効率よく動作することが確かめられている範囲である。
【００５３】
つまり、最も左側でかつ最も下側に有るＸ印が示す電池セルは少なくとも当該のロットでは組電池として使えない電池セルである。したがって選別の工程でグループ番号ではなく保留のマークが付けられる。フローチャート上ではＳ０７の「距離は許容範囲か？」という判定がＮＯとなりフローチャートのＳ２戻って、別の電池セルについて処理が行われる。
【００５４】
グループを作るとき余りが出たもの以外、また図９で示したＸ印の内で最も左側でかつ最も下側に有るＸ印の電池セル以外は全て許容範囲である距離に他の電池セルが存在するので、組電池を製造するのに使うことができる。また保留となった電池セルは、抜き出して保留マークを削除して、他のロットに組み入れる。１つのロットで保留となった電池セルも、別のロットでは組電池として使える可能性がある。
【００５５】
ここで説明した２次元平面上にプロットするというのは説明のための仮想的なものであり、実際には各電池セルを示す点の間の距離を計算で求めて距離が小さいもの同士をグループとする。
【００５６】
この実施例では、電池セル同士の特性の近さを見るために２次元平面上に展開する方法を説明したが、これにこだわらず重量と内部抵抗の測定値のそれぞれの相互の差より導き出される数値を使用した特性の近さを判別できる方法であれば、いかなる方法でも良い。
【００５７】
以上では電池セル測定器１の測定操作を電池セルの１個づつ行い、作業開始の入力をいちいち行い、測定が終わると人手で次の電池セルに置き換えるように記載したが、パーソナルコンピュータは起動するだけで良いようにして、また電池セルを定位置に据えるなどのハンドリングを行う自動機械を備えるなど必要な装備を行えば、電池セルのロット単位で工程を自動化することは容易である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
電池セルの重量と内部抵抗を測定するという簡易な方法で組電池を構成する電池セルのグループを選別できるので、製造に必要な時間と機器を大幅に減らすことができる電池セルを仕分けるための簡易測定器を提供できる。
【符号の説明】
【００５９】
１    電池セル測定器
１１  パーソナルコンピュータ
１２  入力装置
１３  出力装置
１４  記憶装置
１５  重量測定機構
１６  内部抵抗測定機構
１７  電源
１８  探針
２ａ〜２ｎ  電池セル
２１  正極
２２  負極
３    組電池
３１  正極
３２  負極
３３  ケース
４    重量測定機構
４１  秤量皿
４２  長い梃子
４３  短い梃子
４４  上支点
４５  下支点
４６  リンク機構
４７  電磁コイル
４８  永久磁石
４９  位置測定器
５    内部抵抗測定機構
５１  交流電源
５２  電流計
５３  電圧計
５４  配線抵抗
５５  配線抵抗
５６  配線抵抗
５７  配線抵抗
５８  コンデンサー
５９  コンデンサー
６    電池充放電試験装置
６１  ＣＰＵ
６２  記憶装置
６３  ディスプレイ
６４  キーボード
６５  プリンター
６６  定電圧定電流電源装置
６７  電流負荷装置
６８  切替装置
【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】
2019095330.tif 000007
【図６】
2019095330.tif 000008
【図７】
2019095330.tif 000009
【図８】
2019095330.tif 000010
【図９】
2019095330.tif 000011
【図１０】
2019095330.tif 000012