(57)【要約】【課題】二次電池の単位セルを複数個組み合わせて構成されるバッテリモジュールにおいて、自己放電のばらつきに起因する残存容量のばらつきを防止する。【解決手段】二次電池の単位セルを所定の個数並列に接続した並列接続体１３を用い、並列接続体１３を複数段直列に接続してバッテリモジュールを構成する際に、各単位セル１１の自己放電量を測定して各単位セル１１を複数のランク（例えばランクＡ、ランクＢ及びランクＣ）のいずれかに分類し、並列接続体１３としての自己放電量が均一化するように、分類された単位セルを組み合わせて各並列接続体１３を構成する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の単位セルを複数個組み合わせて構成されるバッテリモジュールの構成方法であって、単位セルの自己放電量を測定して前記単位セルを分類し、自己放電量が均一化するように前記分類された単位セルを組み合わせてバッテリモジュールを構成する、バッテリモジュールの構成方法。
【請求項２】
二次電池の単位セルを所定の個数並列に接続した並列接続体を有するともに、前記並列接続体を複数段直列に接続して構成されたバッテリモジュールの構成方法であって、
各単位セルの自己放電量を測定して前記各単位セルを分類し、
並列接続体としての自己放電量が均一化するように、前記分類された単位セルを組み合わせて各並列接続体を構成する、バッテリモジュールの構成方法。
【請求項３】
前記各単位セルは、前記自己放電量に基づいて複数のランクのいずれかに分類され、ランクごとに単位セルの個数を規定して前記各並列接続体を構成する単位セルが組み合わされる、請求項２に記載のバッテリモジュールの構成方法。
【請求項４】
前記所定の個数と同数でランクが設定され、前記各並列接続体は、各ランクから１個ずつの単位セルで構成される、請求項３の記載のバッテリモジュールの構成方法。
【請求項５】
二次電池の単位セルを複数個直列に接続して構成されるバッテリモジュールの構成方法であって、各単位セルの自己放電量を測定して前記各単位セルを複数のランクのいずれかに分類し、同一のランクに属する単位セルを直列に接続する、バッテリモジュールの構成方法。
【請求項６】
前記二次電池はリチウムイオン二次電池であって、前記単位セルを満充電状態まで充電し、その後、一定の期間にわたって前記単位セルを放置し、放置後のセル電圧を測定することによって当該単位セルの前記自己放電量が測定される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のバッテリモジュールの構成方法。
【請求項７】
二次電池の単位セルを複数個組み合わせて構成されるバッテリモジュールの構成方法であって、単位セルの並列抵抗成分を測定して前記単位セルを分類し、並列抵抗成分が均一化するように前記分類された単位セルを組み合わせてバッテリモジュールを構成する、バッテリモジュールの構成方法。
【請求項８】
二次電池の単位セルを所定の個数並列に接続した並列接続体を有するともに、前記並列接続体を複数段直列に接続して構成されたバッテリモジュールであって、並列接続体としての自己放電量が均一化するように、自己放電量に応じてあらかじめ分類された単位セルを組み合わせて各並列接続体が構成されてる、バッテリモジュール。
【請求項９】
二次電池の単位セルを複数個直列に接続して構成されるバッテリモジュールであって、自己放電量に応じて複数のランクのうちの同一のランクに分類された単位セルを直列に接続して構成されたバッテリモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の単位セルを複数個接続して構成されるバッテリモジュール（バッテリパック）の構成方法及びそのような構成方法によるバッテリモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド電気自動車あるいは電気自動車などでは、モータなどを駆動するための駆動電源として、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池を組み込んだバッテリモジュール（バッテリパックとも呼ばれる）が用いられている。二次電池における単位セルあたりの起電力は、リチウムイオン二次電池で約３．６Ｖ、ニッケル水素電池であれば約１．２Ｖであって、モータなどの駆動には不十分な値である。そこで、バッテリモジュールでは、二次電池の単位セル（単位電池）を複数個直列に接続して所望の端子間電圧が得られるようにしている。例えば、リチウムイオン二次電池の単位セルを８０個直列に接続して、端子間電圧が２８８Ｖであるようなバッテリモジュールが製作され、このようなバッテリモジュールが車両に搭載されている。
【０００３】
ところで、モータなどの大容量負荷を駆動するための電源としてバッテリモジュールを使用する場合、単に単位セルを直列に接続しただけでは所望の駆動電流を得ることができないことがある。そのような場合には、単位セルをいくつか並列接続し、そのような並列接続体を複数個用意してそれらを直列に接続し、所望の端子間電圧と電流容量とが得られるようにしている。
【０００４】
図６は、二次電池の単位セルの等価回路図であり、単位セル１１では、理想的な特性を有するセル１２に対して並列抵抗成分Ｒｐが並列に接続し、さらにセル１１と並列抵抗成分Ｒｐからなる並列回路に対して直列に、直列抵抗成分Ｒｓが接続している。並列抵抗成分Ｒｐの大きさは、例えば数ＭΩから数十ＭΩのオーダーであると考えられている。なお、単位セル１１と等価回路図における理想的な特性を有するセル１２とを区別するために、図において、理想的な特性を有するセル１２は円で囲まれている。
【０００５】
ところで、二次電池の単位セルを製造する場合、製造工程時の通常の工程管理では制御できないほどの異物混入量のばらつきや、部品（正極、負極、セパレータ、電解液など）のばらつきなどに起因して、セルごとに並列抵抗成分Ｒｐが異なったものが製造される。並列抵抗成分Ｒｐは、各単位セルでの自己放電の経路として機能するものであるから、並列抵抗成分Ｒｐがばらつくことにより、単位セルごとの自己放電の大きさのばらつきが生じることになる。
【０００６】
並列抵抗成分が異なる単位セルを組み合わせて組電池やバッテリモジュールを構成した場合、最初は全ての単位セルが満充電状態であったとしても、自己放電の大きさが異なるために時間の経過とともに単位セルごとの残存容量（ＳＯＣ；ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）がばらつき、単位セルごとの電圧（セル電圧）がばらつくこととなる。このような状態で負荷に対してバッテリモジュールから放電させた場合には、ある単位セルについては十分な容量が残っているのに対し別の単位セルでは過放電状態になっているという事態が起こり得る。また、残存容量がばらついている状態でバッテリモジュールに対して充電を行うと、ある単位セルについては満充電状態に至っていないのに別の単位セルは過充電状態となっている、という事態が起こり得る。過充電、過放電は、二次電池の寿命の劣化の大きな要因である。さらに、単位セルごとの残存容量がばらついている状態で充放電を繰り返せば、残存容量のばらつきはさらに大きくなる。
【０００７】
バッテリモジュールにおいて単位セルごとの残存容量のばらつきが大きいときにいずれの単位セルにおいても過充電、過放電が発生しないように充放電を管理すると、結果として充電量や放電量を大きく制限せざるを得なくなり、バッテリモジュール全体として利用できる充電容量が、バッテリモジュールを構成する個々の単位セルの充電容量の合計に比べ、大幅に減少してしまう。
【０００８】
そこで、単位セルごとの自己放電の大きさ（あるいは並列抵抗成分Ｒｐや直列抵抗成分Ｒｓ）のばらつきにもよらず各単位セルを満充電状態に充電できるようにするために、各単位セルのそれぞれのセル電圧を検出して単位セルごとに充電電流を制御する調整回路を設けることが試みられている。特開２００１−１７６４７２号公報（特許文献１）及び特開平９−８４２７５号公報（特許文献２）には、複数の単位セルを直列に接続して組電池を構成した場合に、個々の単位セルに対して並列に充電電流バイパス手段やバイパス回路を設け、これらの充電電流バイパス手段やバイパス回路を制御して個々の単位セルに対する充電電流を制御することが開示されている。
【０００９】
車両用の組電池あるいはバッテリモジュールの場合にあっては、定期的な点検時に個々の単位セルの残存容量あるいはセル電圧を測定し、これらの残存容量あるいはセル電圧が一様になるように単位セルごとに充電（あるいは放電）を行わせ、残存容量のばらつきを強制的に解消することも行われている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１７６４７２
【特許文献２】
特開平９−８４２７５
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バッテリモジュールにおける単位セルごとの残存容量のばらつきを抑えるために調整回路を設けた場合には、大幅なコストアップがもたらされることになる。また、定期的な点検時などに単位セルごとに残存容量等の調整を行う場合であっても、この調整には時間と手間がかかり、調整の実施頻度が高くなると、メンテナンスコストの上昇に結びつく。
【００１２】
そこで本発明の目的は、調整回路などを設けることなく、バッテリモジュールにおける個々の単位セルでの残存容量のばらつきを抑えることができるバッテリモジュールの構成方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、調整回路などを設けることを必要とせず、個々の単位セルでの残存容量のばらつきが抑えられたバッテリモジュールを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のバッテリモジュールの構成方法は、二次電池の単位セルを複数個組み合わせて構成されるバッテリモジュールの構成方法であって、各単位セルの自己放電量を測定して各単位セルを分類し、自己放電量が均一化するように分類された単位セルを組み合わせる。
【００１５】
二次電池の製造・管理においては、通常、単位セルを製造した後に各単位セルの自己放電量を計測し、あらかじめ定めた基準範囲（しきい値）内に収まるものを正常品とし、そのような正常品である単位セルを組み合わせてバッテリモジュールを構成している。ここで自己放電量は、単位セルにおける並列抵抗成分に密接に関連したものであり、例えば、各単位セルを満充電状態にまで充電し、所定の環境で所定の期間（例えば１週間）放置したときのセル電圧の減少分で表わすことができる。本発明では、自己放電量に応じて各単位セルを複数のランクのいずれかに分類し、その分類結果に応じ、自己放電量が均一化するように単位セルを組み合わせてバッテリモジュールを構成している。その結果、自己放電に基づく残存容量のばらつきが抑えられるので、結果として、過放電や過充電をより抑制できるとともに、バッテリモジュール全体として用いることができる有効な充電容量が増大する。個々の単位セルの並列抵抗成分を求めてそれらの単位セルを分類してもよいが、一般には並列抵抗成分の絶対的な値を求めることは簡単な測定では行えないので、本発明では、自己放電量に基づいて単位セルを分類している。単位セルの並列抵抗成分の測定が容易に行えるようになった場合には、ここでの自己放電量の代わりに、実測された並列抵抗成分に基づいて単位セルを分類してもよい。
【００１６】
本発明では、単位セルを所定の個数並列に接続して並列接続体を構成するとともに、このような並列接続体を複数段直列に接続してバッテリモジュールが構成されている場合には、並列接続体としての自己放電量が均一化するように、いいかえれば並列接続体としての合成された並列抵抗成分が均一化するように、分類された単位セルを組み合わせて各並列接続体を構成するようにすればよい。また、単位セルを複数個直列に接続してバッテリモジュールが構成される場合には、各単位セルの自己放電量を測定して各単位セルを複数のランクのいずれかに分類し、同一のランクに属する単位セルを直列に接続してバッテリモジュールを構成するようにすればよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
まず、単位セルを所定の個数並列に接続して並列接続体を構成するともに、このような並列接続体を複数段直列に接続することによってバッテリモジュールが構成されている場合について説明する。ここでは、各並列接続体には、それぞれリチウムイオン二次電池である３個の単位セルが含まれるものとする。
【００１９】
バッテリモジュールの組立てに先立って、バッテリモジュールの組立てに用いるために用意された多数の単位セルについて、自己放電量を計測し、分類を行う。自己放電量の計測では、各単位セルを満充電状態にまで充電し、周囲温度などを一定に保った所定の環境で所定の期間（例えば１週間）にわたって放置する。単位セルがリチウムイオン二次電池であれば、その残存容量（ＳＯＣ）とセル電圧との間には一定の関係があるから、自己放電によって単位セルの残存容量が減少すれば、その分、セル電圧も減少する。そこで、上述した所定の期間、単位セルを放置した後に単位セルのセル電圧を測定すれば、各単位セルの自己放電量を求めることができる。そして、自己放電量（すなわち放置後のセル電圧）に基づいて、各単位セルを複数のランクのいずれかに分類する。
【００２０】
図１は、自己放電量による単位セルの分類を説明している。各単位セルがリチウムイオン二次電池であるとすると、満充電状態のセル電圧は４．３Ｖ程度である。そこで、所定期間放置後のセル電圧が４．２００Ｖ以上であった単位セルは、自己放電が極めて少ないセルであるので、Ａランクに分類する。セル電圧が４．１００Ｖ以上４．２００Ｖ未満であったセルは、Ｂランクに分類する。そして、セル電圧が４．０００Ｖ以上４．１００Ｖ未満であったセルはＣランクに分類する。ＡランクからＣランクまでの単位セルは合格品（ＯＫ品）である。所定の期間の放置後にセル電圧が４．０００Ｖ未満となっている単位セルは、自己放電が大きいので、不合格品（ＮＧ品）とされ、バッテリモジュールの組立てには使用されない。なお分類に際しては、それぞれの単位セルに対してその分類結果に応じた記号を付することは好ましいことである。例えば、ランクＡと判定された単位セルに対しては、“Ａ”の文字を単位セルの表面にマーキングすればよい。
【００２１】
図６に示した等価回路から明らかなように、単位セルの自己放電の電流は並列抵抗成分Ｒｐを介して流れるから、自己放電量が少ないことは並列抵抗成分Ｒｐが大きいことを意味する。ランクＡに属する単位セルの代表的な並列抵抗成分の値をＲＡとし、同様に、ランクＢとランクＣに属する単位セルの代表的な並列抵抗成分の値をそれぞれＲＢ，ＲＣとすると、ＲＡ＞ＲＢ＞ＲＣの関係が成り立っている。
【００２２】
次に、以上のように分類された単位セルを用いて、バッテリモジュールを構成する。図２（ａ）はバッテリモジュールの構成を示す回路図である。ここでは３個の単位セル１１を並列に接続して並列接続体１３を構成し、この並列接続体１３を複数個直列に接続してバッテリモジュールとしているが、各並列接続体１３は、いずれも、ランクＡの単位セル１個とランクＢの単位セル１個とランクＣの単位セル１個から構成されている。図において単位セルの横に併記された“Ａ”，“Ｂ”及び“Ｃ”の文字は、それぞれ、その単位セル１１がランクＡ，ランクＢ及びランクＣのいずれに属しているかを示している。このように各並列接続体を構成することにより、並列接続体１３での各単位セル１１の並列抵抗成分が平均化されて自己放電が多いセルと少ないセルとの差がなくなり、並列接続体１３を単位としてみたときの自己放電量（すなわち等価的な並列抵抗成分）が並列接続体間で均一化し、並列接続体１３を単位としてみたときに残存容量のばらつきが小さくなる。その結果、放電量や充電量を大きくしてもいずれかの単位セル１１での過放電、過充電が起こり難くなり、バッテリモジュール全体としての有効な充電容量を大きくすることができる。
【００２３】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したバッテリモジュールにおける各並列接続体１３での並列抵抗成分を示す等価回路図である。ランクＡ、ランクＢ、ランクＣの単位セルにおける並列抵抗成分の代表的な抵抗値がそれぞれＲＡ，ＲＢ，ＲＣであるとすると、並列接続体においては並列抵抗成分の代表的な合成抵抗値Ｒｔｏｔａｌは、
Ｒｔｏｔａｌ＝ＲＡＲＢＲＣ／（ＲＡＲＢ＋ＲＡＲＣ＋ＲＢＲＣ）        …（１）
となる。
【００２４】
各単位セルの並列抵抗成分の抵抗値がそれぞれのランクの代表的な抵抗値からどの程度ずれているかにもよるが、各並列接続体１３における並列抵抗成分の実際の合成抵抗値も上記の値Ｒｔｏｔａｌからはそれほど大きくは外れない。これに対し、例えば並列接続体１３を構成する３個の単位セルの全てがランクＣのものであったとすると、その並列抵抗成分の抵抗値は例えばＲＣ／３となり、上述のＲｔｏｔａｌからは大きく異なることになる。このように、図２（ａ）に示す構成によれば、合格品である単位セルをランダムに組み合わせて並列接続体を構成し、そのような並列接続体を直列に接続した場合に比べ、並列抵抗成分のばらつきによる自己放電のばらつきを抑えることができる。
【００２５】
なお、本実施形態においては、図２（ａ）のように単位セル１１を接続した場合における同一の並列接続体１３内での各単位セル１１間での自己放電のばらつきは無視できるようになる。その理由は、単位セル１１における直列抵抗成分は非常に小さいので無視することができ、その結果、図２（ｂ）に示したように、各並列接続体１３は、理想的な特性を有する３個のセル１２が並列に接続して並列回路を構成し、この並列回路に対して、３個のセル１２に対応する並列抵抗成分が並列に接続されたものが並列に接続されたものとして等価的に表わされる。したがって、並列抵抗成分が並列に接続されたものを各単位セルが共有することとなり、単位セルごとの並列抵抗成分が等価的には等しくなるからである。
【００２６】
図２（ａ）に示したバッテリモジュールでは、各並列接続体１３を、いずれも、１個のランクＡの単位セルと１個のランクＢの単位セルと１個のランクＣの単位セルとによって構成しているが、相互に直列接続された各並列接続体１３において並列接続体ごとの自己放電量が均一化するのであれば、各並列接続体１３を構成する単位セルの組み合わせは、図２（ａ）に示したものに限られるわけではない。図３は、図２（ａ）に示したものと同様に、各単位セル１１をランクＡ，Ｂ，Ｃの３通りに分類するとともに、３個の単位セル１１で並列接続体１３を構成しこのような並列接続体１３を直列に接続したバッテリモジュールを示している。ここでは、ある並列接続体１３は、１個のランクＡの単位セルと１個のランクＢの単位セルと１個のランクＣの単位セルとによって構成されているが、別の並列接続体１３は、３個のランクＢの単位セルによって構成されている。上記式（１）と同様に３個のランクＢの単位セルからなる並列接続体における並列抵抗成分の代表的な合成抵抗値を求めるとＲＢ／３となり、ＲＡ＞ＲＢ＞ＲＣであることを考慮すれば、このＲＢ／３は式（１）によって表わされる合成抵抗値Ｒｔｏｔａｌと同じような値になると考えられる。すなわちこの場合も、相互に直列接続された各並列接続体１３において並列接続体１３ごとの自己放電量が均一化していると考えられる。
【００２７】
二次電池の単位セルの製造に際して各ランクのものが均等に得られるとは限られないから、例えばＢランクのものが他のランクのものより多く製造されるような場合に、図３に示した構成は有効である。
【００２８】
さらに本発明では、並列接続体を構成する単位セルの個数と、自己放電量に基づいて単位セルを分類する際のランクの数とは一致していなくてもよい。
【００２９】
図４（ａ）は、単位セルは３つのランクに分類するが、各並列接続体１３は２個の単位セル１１で構成されている場合を示している。ここでは、ある並列接続体１３はランクＡとランクＣの各１個の単位セルで構成し、別の並列接続体１３はランクＢの２個の単位セルで構成している。この場合も、相互に直列接続された各並列接続体において並列接続体ごとの自己放電量が均一化している。
【００３０】
図４（ｂ）は、単位セルは３つのランクに分類するが、各並列接続体１３は５個の単位セル１１で構成されている場合を示している。各並列接続体１３は、例えば、ランクＡの１個の単位セル１１とランクＢの３個の単位セル１１とランクＣの１個の単位セル１１で構成すればよい。この場合、全ての並列接続体１３がランクＡの１個の単位セルとランクＢの３個の単位セルとランクＣの１個の単位セルで構成されている必要はなく、図４（ｃ）に示すように、例えば、ある並列接続体１３はランクＡの２個の単位セル１１とランクＢの１個の単位セル１１とランクＣの２個の単位セル１１で構成され、別の並列接続体１３はランクＢの５個の単位セル１１で構成されるようにしてもよい。すなわち、相互に直列接続された各並列接続体１３において並列接続体１３ごとの自己放電量が均一化しているのであれば、各ランクの単位セルをどのように組み合わせてもよいのである。
【００３１】
ここでは単位セルを３つのランクに分類する例を説明したが、もちろん、何通りのランクに分類するかは、必要に応じて定められるものであり、例えば、４ランクあるいは５ランクとしてもよい。
【００３２】
以上、複数個の単位セルを並列に接続して並列接続体を構成し、このような並列接続体を複数段直列に接続してバッテリモジュールを構成する場合を説明したが、この実施形態では、自己放電量が大きいと判定された単位セル（上述の例でのランクＣの単位セル）は、並列接続体において自己放電量が小さい単位セル（上述の例でのランクＡの単位セル）と組み合わされることになる。自己放電量が大きすぎるとして従来は不合格品（ＮＧ品）と判定されていた単位セルであっても、自己放電量の小さな単位セルに対して並列に接続されて並列接続体を構成した場合に並列接続体としての自己放電量がある基準量以下であれば本実施形態においては使用可能であるので、結果として本実施形態によれば、合格品と不合格品との判定基準を従来に比べて合格品の数が増える方向に変更することが可能となり、二次電池の単位セルの製造歩留りも向上する。
【００３３】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。本発明は、二次電池の単位セルを直列に接続して構成されるバッテリモジュールに対しても有効である。図５は、単位セルを直列に接続して構成されたバッテリモジュールを示している。このバッテリモジュールは、上述と同様に単位セルの自己放電量を測定して各単位セルを複数のランク（例えばランクＡ、ランクＢ及びランクＣの３ランク）のいずれかに分類し、その後、同一ランクの単位セル１１のみを用いてそれらの単位セル１１を直列に接続することにより、構成されている。図示したものでは、ランクＡの単位セルのみを用いてバッテリモジュールが構成されているが、同様に、ランクＢの単位セルのみを直列に接続してバッテリモジュールを構成してもよいし、ランクＣの単位セルのみを直列に接続してバッテリーモジュールを構成してもよい。このバッテリモジュールにおいても、自己放電に基づく残存容量のばらつきが抑えられるので、結果として、過放電や過充電をより抑制できるとともに、バッテリモジュール全体として用いることができる有効な充電容量が増大する。なお、頻繁に充電を行うことが想定されている用途では、自己放電が多少大きくても構わないが、自己放電のばらつきに起因して有効な充電容量が減少することは避けたいことがあるので、そのような用途では、自己放電量が大きいランクの単位セルを直列に接続して構成されたバッテリモジュールであっても有効である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、バッテリモジュールを構成する際に各単位セルの自己放電量を測定して各単位セルを分類し、自己放電量が均一化するように分類された単位セルを組み合わせることにより、自己放電に基づく残存容量のばらつきが抑えられ、過放電や過充電をより抑制できるとともに、バッテリモジュール全体として用いることができる有効な充電容量が増大するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】自己放電量による単位セルの分類を説明する図である。
【図２】（ａ）はバッテリモジュールの構成例を示す回路図であり、（ｂ）は並列接続体における並列抵抗成分を示す等価回路図である。
【図３】バッテリモジュールの別の構成例を示す回路図である。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）はバッテリモジュールの別の構成例を示す回路図である。
【図５】単位セルを直列に接続して構成されたバッテリモジュールを示す回路図である。
【図６】二次電池の単位セルの等価回路図である。
【符号の説明】
１１    単位セル
１２    理想的な特性を有するセル
１３    並列接続体
Ｒｐ      並列抵抗成分
Ｒｓ      直列抵抗成分
【図１】
2004328902.tif 000003
【図２】
2004328902.tif 000004
【図３】
2004328902.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004328902.tif 000007
【図６】
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