二次電池の分別方法

【課題】組電池を構成する余寿命のある二次電池性能を損なうことなく、組電池を分解して再構成可能な二次電池を分別する。
【解決手段】組電池１の両端の拘束板３，４に一対の保持板を当接して組電池１を積層方向に圧縮する。圧縮前後の開放電圧を測定し、圧縮前後の開放電圧の変化量に基づいて、再構成可能な二次電池を分別する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の分別方法に関し、特に、組電池を分解して正常な二次電池を分別し、組電池として再構成等するための分別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド自動車等に用いられる比較的大容量の電源装置の一種に、平板状の複数の電池モジュールを厚み方向に積層した組電池が知られている。このような組電池は、コンパクトかつ軽量に構成されるので、自動車内の限られた空間内に搭載できる利点がある。電池モジュールは、一列に列置された複数の単電池を含み、各単電池は、合成樹脂製もしくは金属製の薄い中空直方体状の箱体であって、その内部には二次電池を構成する電解質及び電極体をそれぞれ収容するための電槽が配置されている。このような電池モジュールは、例えば電槽内における水素ガス等の発生により電槽の内圧が所定値以上に上昇すると、電槽内の圧力を開放するために設けられた安全弁が作動するように構成されているものの、内圧の上昇により厚み方向に膨張するおそれがある。また、過放電反応時、過充電反応時、低温時のガス吸収性能低下時等においても同様に内圧が上昇して厚み方向に膨張するおそれがある。
【０００３】
特許文献１には、組電池を一対のエンドプレートにより挟み込んで、これら一対のエンドプレートを、組電池の外側にて電池モジュールの積層方向に沿って配置された各一対の拘束バンドにより相互に結合する構成が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、単位電池の間にスペーサを配設しスペーサを用いて単位電池を保持するとともに、スペーサの構造を隣接する単位電池の位置に応じて異なる形状とすることで、必要なスペーサの強度を確保し、単位電池の変形を防止する構成が開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、特別な治具を用いずに容易に作業性良く連結部材と拘束板の組付けを行うために、連結部材の端部にねじ機構を備え、ねじ機構の操作により連結部材と拘束板の組み付け／取り外しを行う構成が開示されている。
【０００６】
図１０に、従来の組電池の外観斜視図を示す。組電池２１は、単位電池（電池モジュール）２２の積層方向両端に拘束板（エンドプレート）２３を配置し、両拘束板２３を拘束バンド２４で連結することにより各単位電池（電池モジュール）２２を拘束して一体化する。拘束バンド２４は、一般に帯状板にて構成され、組電池２１の互いに対向する一対の長側面にそれぞれ適当間隔をあけて一対、その板面を長側面に沿わせて配設され、その両端部が拘束板２３にリベット２５にて固定される。
【０００７】
図１１に、従来の他の組電池の外観斜視図を示す。連結部材５は、断面長方形状でその長辺が組電池１の長側面に垂直に配設された板状にて構成され、冷却媒体通路２０の通る冷却媒体の流れ方向に平行な平面が外面の大部分を示すように構成される。連結部材５の一端部は、連結部材５の長手方向に対してＬ字状に折り曲げられて拘束板３の単位電池（電池モジュール）２との対向面に重合するＬ字取付部５ａが形成され、連結部材５の他端部には、連結部材５の断面方向にＬ字状に延出されて拘束板４の周側面に重合する取付板部５ｂが形成される。
【０００８】
Ｌ字取付部５ａには、連結部材５の長手方向に延びる締結ボルト６が挿通されてその頭部６ａが係合固定され、締結ボルト６は拘束板３に形成されたボルト穴を貫通し、この締結ボルト６に先端側から螺合されたナット７が拘束板３の単位電池２との重合面とは反対側に係合される。取付板部５ｂは、取付ボルト８にて拘束板４に締結固定される。なお、単位電池（電池モジュール）２の長手方向の両端面に上端部には正極と負極の端子１１，１２がそれぞれ突設し、各単位電池（電池モジュール）２の内部圧力が一定以上になったときに圧力を開放するための安全弁１７、及び各単位電池（電池モジュール）２の温度を検出する温度センサを装着する温度検出穴１８が形成される。
【０００９】
組電池１の組立時には、単位電池２を並列配置するとともにその両端に拘束板３、４を配置し、連結部材５の一端部のＬ字取付部５ａから延出された締結ボルト６を拘束板３のボルト穴に挿通してその締結ボルト６の先端側からナット７を螺合し、連結部材５の他端部の取付板部５ｂを取付ボルト８にて拘束板４に締結固定し、その後、ナット７を螺進させて拘束板３を単位電池２群に押しつけることにより所定の拘束状態とすることができる。また、単位電池２の充放電に伴う膨張や内圧上昇による拘束力は締結ボルト６の軸方向の荷重で受けるため、締結ボルト６に必要な強度を持たせることで連結部材５を十分な強度を持って組み付けることができる。
【００１０】
メンテナンス時等において組電池１を分解する場合には、ナット７を緩めることにより徐々に単位電池２の拘束力を解除することができ、リベットを切断する時のように拘束板３、４や連結部材５に傷をつけるおそれがない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−１２０８０９号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０３０９号公報
【特許文献３】特開２００１−６８０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来においては、劣化した組電池を安全に分解し、なおかつ二次電池（電池モジュール）を再利用するという観点が存在していない。一対の拘束板を用いて挟むことにより各二次電池の膨張はある程度は抑止することができるが、多数の二次電池が配置されるほど所定の二次電池が膨張した場合にその膨張による圧力が他の二次電池の圧縮弾性変形により分散的に吸収されることになる。使用を経た二次電池は、組電池内のその膨張度合い、膨張圧力の異なったものが混在している状態にあり、したがって、余寿命がある二次電池（電池モジュール）の性能を損なわず、これを確実に分別して有効に再利用することが重要である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、積層された複数の二次電池を両端部の一対の拘束板で挟持しつつ、前記拘束板に連結された連結部材で全体的に拘束して一体化した組電池を分解、分別して新たな組電池を再構成するための二次電池の分別方法であって、前記組電池の前記一対の拘束板の拘束状態を保持した状態で各二次電池の開放電圧を測定する工程と、前記一対の拘束板の平行度を維持しながら、設計時の組電池寸法まで前記積層方向に圧縮する工程と、前記圧縮した状態で各二次電池の開放電圧を測定する工程と、前記拘束状態の圧縮前後における二次電池の開放電圧の変化量に基づいて、再構成可能な二次電池を分別する工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明では、このように、組電池を設計時の組電池寸法まで圧縮し、この圧縮前後の開放電圧の変化量、すなわち圧縮前に測定した開放電圧と圧縮後に測定した開放電圧との変化量に基づいて、二次電池を分別する。経時変化により、組電池は積層方向に膨張する。特に、組電池を構成する二次電池（電池モジュール）の正極板が膨張し、正極板と負極板を電気的に絶縁するセパレータを圧縮する。セパレータは、この圧縮による変形で劣化し、破壊の可能性が高くなる。このような状態において組電池を設計時と同じ寸法まで圧縮すると、劣化が相当程度進んだ二次電池はこの圧縮工程によりセパレータが破壊されて短絡が生じるため、圧縮後の開放電圧は大きく低下する。一方、劣化がそれほど進んでおらず正常な二次電池は、圧縮工程においてもセパレータに異常が生ぜず、圧縮後の開放電圧は圧縮前の開放電圧とほとんど変わらない。
【００１５】
そこで、圧縮前後の開放電圧の変化量に着目すれば、正常な二次電池と異常な二次電池を容易に分別でき、組電池として再利用可能な二次電池等を容易に分別することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、余寿命のある二次電池の性能を損なうことなく、組電池を分別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態の組電池の平面図である。
【図２】一方の締結ボルトを緩めた場合の分解説明図である。
【図３】実施形態の分解説明図である。
【図４】実施形態の分解用治具の構成図である。
【図５】実施形態の開放電圧測定治具の構成図である。
【図６】図５の一部断面図である。
【図７】実施形態の処理フローチャートである。
【図８】正常な二次電池（電池モジュール）の圧縮前後の開放電圧を示すグラフ図である。
【図９】異常な二次電池（電池モジュール）の圧縮前後の開放電圧を示すグラフ図である。
【図１０】従来の組電池の外観斜視図である。
【図１１】従来の他の組電池の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
図１に、本実施形態の組電池１の平面図を示す。組電池１は、偏平な直方体形状をした角型電池モジュール（二次電池）２の長側面同士を対向させて積層した積層方向両端に一対の拘束板（エンドプレート）３，４を配置し、両拘束板３，４を拘束バンド等の連結部材５で連結することにより各電池モジュール２を拘束して一体化する。電池モジュール２は、一列に列置された複数の単電池を含む。図では、ニッケル水素電池からなる３個の単電池が一列に直列接続された例を示す。連結部材（拘束バンド）５は、板状（図１（ｂ））または棒状（図１（ｃ））にて構成され、組電池１の互いに対向する一対の長側面（図１の紙面に対して表裏の面）にそれぞれ適当間隔をあけて一対、その板面を長側面に沿わせて配設され、その両端部が拘束板３，４に締結ボルト６にて固定される。板状の場合には、連結部材５の両端部にＬ字取付部が形成され、このＬ字取付部が拘束板３，４に当接し、Ｌ字取付板に設けられたボルト穴に締結ボルトを挿通してナットを螺合し締結する。棒状の場合には、連結部材５の両端部の内壁にナットが形成され、このナット取付部が拘束板３，４に当接し、内壁に設けられたナットに締結ボルトを挿通して螺合し締結する。
【００２０】
このような組電池１を電気自動車やハイブリッド自動車に搭載して使用した後に、分解して再利用する場合、連結部材５を締結している締結ボルト６を緩めて分解する。しかしながら、積層された複数の電池モジュール２のうちの特定の電池モジュール２ａが劣化して内圧上昇していた場合、図２に示すように、図中右側に位置する一対の締結ボルト６Ｒ、６Ｌの一方の締結ボルト６Ｌを緩めて分解しようとすると、その劣化電池モジュール２ａの膨張による圧力で隣接する電池モジュール２ｂその他が変形して折れ曲がってしまう事態が生じ得る（片膨れ状態）。本来であれば、隣接する電池モジュール２ｂは未だ劣化しておらず再利用可能であるものの、このように劣化電池モジュール２ａの膨張による圧力で変形してしまうと再利用が困難あるいは不可能となってしまい、電池モジュール２の再利用率が低下する。組電池１を構成する複数の電池モジュール２のいずれが劣化により膨張するかを分解前の外観から把握することは困難である。
【００２１】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、組電池１を分解する際には、組電池１の両端の拘束板３，４が互いに平行な状態を維持するように一対の締結ボルト６Ｒ、６Ｌを緩めるようにする。このように拘束板３，４の平行を維持したまま拘束力を解放することで、たとえ複数の電池モジュール２のうちの特定の電池モジュール２ａが劣化して膨張しても、それに隣接する電池モジュール２は膨張による圧力で変形することなく平行移動するだけであり、その特性をそのまま維持することができる。一対の拘束板３，４の平行度を維持するためには、締結ボルト６Ｒ、６Ｌを同時に等量ずつ緩める、あるいは所定間隔だけ離間した一対の平行な治具を用いて一対の拘束板３，４を組電池１の積層方向に圧縮しつつ締結ボルト６Ｒ、６Ｌを緩める等の方法がある。
【００２２】
以下、組電池１の分解、分別時の処理について説明する。
【００２３】
まず、使用済みの組電池１の外観を検査し、異常がないことを確認した後に組電池１に残っている残存容量を放電させる。次に、組電池１のＯＣＶ（開放電圧）を測定する。ＯＣＶは、組電池を構成する電池モジュール２毎に測定する。測定された各電池モジュール２毎の開放電圧（これをＶ１とする）は、測定装置のメモリに格納する。ＯＣＶを測定した後、組電池を分解用治具に取り付ける。分解用治具は、一対の互いに平行な保持板（位置決めユニットと拘束ユニット）を有し、一対の保持板の少なくとも一方は他方に対して平行度を維持したまま平行移動自在に設けられる。移動機構の一例はボールねじである。一対の保持板はそれぞれ組電池１の拘束板３，４に当接し、一対の保持板の平行移動により拘束板３，４の平行度を維持したまま組電池１を圧縮、あるいは解放する。組電池１を治具に取り付けると、一対の保持板の平行移動により拘束板３，４の平行度を維持したまま組電池１を圧縮する。連結部材５は、電池モジュール２の膨張圧力でその長さ方向に弾性変形して電池モジュール２を圧縮保持しているので、連結部材５の長さが設計時の長さ（公差範囲内の誤差は許容する）となるまで組電池１を圧縮する。一対の保持板間の距離をゲージで測定し、測定した距離が所定距離に達した時点で圧縮を停止する。
【００２４】
分解用治具で組電池１を圧縮した後、組電池１のＯＣＶ（開放電圧）を再び測定する。ＯＣＶは、組電池を構成する電池モジュール２毎に測定する。圧縮後に測定された各電池モジュール２毎の開放電圧（これをＶ２とする）は、測定装置のメモリに格納する。その後、締結ボルト６Ｒ，６Ｌを緩めて組電池１を分解する。組電池１は分解用治具で圧縮されているため、締結ボルト６Ｒ，６Ｌを緩めても各電池モジュール２は圧縮されたままである。そして、締結ボルト６Ｒ，６Ｌを緩めた後、一対の保持板を徐々に平行移動させて組電池１を解放する。これにより、図３に示すように、複数の電池モジュール２のうちの特定の電池モジュール２ａが劣化により膨張しても、隣接する電池モジュールその他の電池モジュールは平行移動するだけであるので影響はない。組電池１を解放した後に、個別の電池モジュール２に分解し、各電池モジュール２毎に外観を検査する。さらに、測定装置のメモリに格納された圧縮前の開放電圧Ｖ１と圧縮後の開放電圧Ｖ２から圧縮前後の変化量｜Ｖ１−Ｖ２｜を算出し、その変化量が所定のしきい値を超えるか否かを判定する。変化量が所定のしきい値より小さければその電池モジュール２は正常な電池モジュール２として分別する。一方、圧縮前後の変化量が所定のしきい値以上であれば、異常な電池モジュール２として分別する。正常な電池モジュール２を分別すると、これに対して充放電テストを実施して再利用に供する。なお、各電池モジュール２毎に充放電テストによるその劣化度合いを数値あるいはランクで示し、劣化度合いが同程度の電池モジュール２同士を再利用することも好適である。
【００２５】
図４に、組電池１を分解するための治具５０の一例を示す。治具５０は、組電池１を載置するためのテーブル５１と、組電池１を拘束するための拘束ユニット５２と、組電池１を位置決めするための位置決めユニット６４を有する。拘束ユニット５２と位置決めユニット６４とは組電池１を保持する一対の保持板を構成する。組電池１の左右には一対の拘束板３，４が存在し、図中左側の拘束板４は、位置決めユニット６４に当接して組電池１の搭載位置を決定する。図中右側の拘束板３は、拘束ユニット５２に当接する。拘束ユニット５２は、ナットによりボールネジ５４に締結されており、組電池１を位置決めユニット６４により位置決めした後に、モータ５６によりボールネジ５４を回転駆動することで、図中矢印ＲＬ方向に移動させる。拘束ユニット５２を図中Ｌ方向に移動させることで組電池１を圧縮する。組電池１を載置するテーブル５１には、所定位置に段差Ｓが形成されており、この段差Ｓに右側の拘束板３が当接するまで拘束ユニット５２を図中Ｌ方向に移動させることで、組電池１を設計時の寸法まで圧縮する。すなわち、予め段差Ｓは、テーブル５１の位置決めユニットからの距離が組電池１の設計時の電池モジュール２積層方向の寸法に等しくなる位置に形成しておく。右側の拘束板３が段差Ｓに当接したことは、圧力センサ等で検知する。また、組電池１の上部には押さえ板５８が当接する。押さえ板５８は、シャフト６０を介してシリンダ６２から鉛直下方の力が印加され、組電池１を鉛直下方に押さえ付ける。
【００２６】
図５及び図６に、組電池１を構成する電池モジュール２の開放電圧を測定するための治具を示す。図６は、図５のＡ−Ａ断面である。開放電圧測定治具７０は、電池モジュール２の積層方向に延びた一対の帯状測定板を有し、一対の帯状測定板はそれぞれ電池モジュール２に対向する位置に開口７１が形成されている。図６に示すように、これらの開口７１には測定端子７２が設けられており、測定端子７２は断面形状が逆三角状をなしてその下部が開放された端子部が設けられている。この端子部は内側に向かって弾性付勢されており、電池モジュール２の端子に押し付けるように端子部を押し下げることで、その弾性力に抗して下部開放端が開いて電池モジュール２の端子を挟持し、端子に接続する。一対の測定板の一方の測定端子を電池モジュール２の正極端子に接続し、他方の測定端子を電池モジュール２の負極端子に接続する。測定端子の端子部とは反対側には電圧検出線７４が接続されており、電圧検出線７４はさらに測定装置に接続される。このような治具７０により、組電池１の圧縮前後の各電池モジュール２の開放電圧を測定する。なお、開口７１は図５，図６におけるＹ方向に長穴加工されており、測定端子７２がＹ方向に移動可能としている。その理由は、電池モジュール２の開放電圧は圧縮前と圧縮後に測定するものであるところ、圧縮後には圧縮前よりも組電池１の積層方向の寸法が縮まるため、電池モジュール２の端子位置も変化するからこれに対応できるようにするためである。
【００２７】
もちろん、図４〜図６に示す治具は一例にすぎず、当業者であれば、組電池１を圧縮し、圧縮前後の電池モジュール２の開放電圧を測定するための他の治具構成を任意に設計することができよう。本実施形態は、特定の治具構成に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００２８】
図７に、本実施形態の処理フローチャートを示す。組電池１を構成する電池モジュール２のうち、正常な電池モジュール２を分別するための処理フローチャートである。まず、組電池１を図４に示すような治具５０に取り付けた後、治具７０を組電池１に取り付け、各電池モジュール２の開放電圧Ｖ１を測定して取得する（Ｓ１０１）。取得した開放電圧は、電池モジュール２毎にメモリに格納する。次に、積層方向に膨張している組電池１を設計時の寸法まで積層方向に圧縮し、圧縮した状態で各電池モジュール２の開放電圧Ｖ２を測定して取得する（Ｓ１０２）。取得した開放電圧は、電池モジュール２毎にメモリに格納する。
【００２９】
電池モジュール毎に圧縮前後の開放電圧Ｖ１，Ｖ２を取得した後、圧縮前後の開放電圧の変化量｜Ｖ１−Ｖ２｜を算出し、これを所定のしきい値、例えば２０ｍＶと大小比較する（Ｓ１０３）。そして、変化量がしきい値より小さい場合には当該電池モジュール２は正常であると判定する（Ｓ１０４）。一方、変化量がしきい値以上である場合には当該電池モジュール２は異常であると判定する（Ｓ２０５）。以上の判定処理を組電池１を構成する全ての電池モジュール２に対して実行する。これにより、組電池１を構成する電池モジュール２のうち、正常な電池モジュール２を確実に分別することができ、これら正常な電池モジュール２を新たな組電池１を再構成するために再利用することができる。
【００３０】
正常な電池モジュール２は圧縮前後で開放電圧の変化量が０もしくは小さく、異常な電池モジュール２は圧縮前後で開放電圧の変化量がしきい値以上と大きくなるのは、異常な電池モジュール２では圧縮工程で正極板と負極板を絶縁するセパレータに劣化が生じて絶縁破壊が生じ、ショートしてしまうためである。
【００３１】
図８及び図９に、ニッケル水素電池からなる６個の単電池が一列に直列接続された電池モジュールにおける圧縮前後の開放電圧の変化を示す。図８は正常な電池モジュール２の変化であり、図９は異常な電池モジュール２の変化である。両図において、横軸は時間（分）を示し、縦軸は開放電圧ＯＣＶ（Ｖ）を示す。組電池１を回収後、組電池１の残存容量を放電して端子電圧を６．０Ｖまで低下させる。残存容量を放電させるのは、電池内圧を下げて電池モジュール２の膨張圧力を下げるためである。放電させた後、組電池１の開放電圧は徐々に上昇し、３０分程度放置すると開放電圧は安定する。
【００３２】
開放電圧が安定した後、圧縮前の開放電圧Ｖ１を測定する。その後、時間Ｔにおいて組電池１を圧縮し、圧縮後に再び開放電圧Ｖ２を測定する。図８に示すように、正常な電池モジュール２では圧縮してもショートしないため、圧縮前後の開放電圧に変化はない。一方、図９に示すように、異常な電池モジュール２では圧縮工程によりショートが生じて圧縮後の開放電圧Ｖ２が大幅に低下する。本実施形態では、このような圧縮前後の開放電圧の変化に着目し、正常な電池モジュール２を容易に分別することができる。
【００３３】
本実施形態では、締結ボルト６で連結部材５を拘束板３，４に締結する場合について説明したが、図１０に示すように、拘束バンド２４が拘束板２３にリベット２５で固定される場合にも同様に適用できる。すなわち、分解用治具の一対の保持板（位置決めユニット６４と拘束ユニット５２）で組電池１を圧縮した状態でリベットを除去し、その後、一対の保持板を平行移動させて両端の拘束板２３の平行度を維持したまま解放する。
【符号の説明】
【００３４】
１組電池、２電池モジュール、３，４拘束板、５連結部材、６締結ボルト、５０分解用治具、７０開放電圧測定用治具。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の二次電池を両端部の一対の拘束板で挟持しつつ、前記拘束板に連結された連結部材で全体的に拘束して一体化した組電池を分解、分別して新たな組電池を再構成するための二次電池の分別方法であって、
前記組電池の前記一対の拘束板の拘束状態を保持した状態で各二次電池の開放電圧を測定する工程と、
前記一対の拘束板の平行度を維持しながら、設計時の組電池寸法まで前記積層方向に圧縮する工程と、
前記圧縮した状態で各二次電池の開放電圧を測定する工程と、
前記拘束状態の圧縮前後における二次電池の開放電圧の変化量に基づいて、再構成可能な二次電池を分別する工程と、
を有することを特徴とする二次電池の分別方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記分別する工程では、圧縮前後における二次電池の開放電圧の変化量が所定のしきい値より小さければ正常であり、所定のしきい値以上であれば異常と分別することを特徴とする二次電池の分別方法。
【請求項３】
請求項１，２のいずれかに記載の方法において、
圧縮前に各二次電池の開放電圧を測定する工程は、前記組電池の残存容量を放電した後に所定時間経過して、その開放電圧が安定した後に実行されることを特徴とする二次電池の分別方法。

【図１】