JP2003059484A - Battery, its protection method, and its protection circuit - Google Patents
Battery, its protection method, and its protection circuitInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、安全でない使用に
対する電池（セル）およびバッテリーの保護の技術に関
する。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the protection of batteries and batteries against unsafe use.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ある種の電池は、厳しい動作条件に置か
れるものがある。リチウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）電池
は、通常、携帯電話機のような携帯型のハンドヘルド装
置で使用される。このような電話機におけるこのような
電池は、その使用者によって、何回にもわたって充電と
再充電とが繰り返される。最大の危険は充電時にあり、
もし過充電が行われた場合には、それは過熱を引き起こ
し、さらには火災や爆発を引き起こすおそれがある。BACKGROUND OF THE INVENTION Certain batteries are subject to severe operating conditions. Lithium-ion (Li-Ion) batteries are commonly used in portable handheld devices such as mobile phones. Such batteries in such phones are repeatedly charged and recharged by the user over and over again. The biggest danger is when charging,
If overcharged, it can cause overheating and even fire and explosion.
【０００３】このような危険を回避するために、通常、
多くの予防的な制御が行われている。最も用いられてい
る制御方法は、電池の電圧を監視してそれに従って充電
電流を制御する方法である。本発明では、極めて低頻度
でしか起こりそうもないような過充電の発生に対して特
別な安全性を実現する、付加的な予防策を提供する。In order to avoid such a danger,
Many preventive controls are in place. The most used control method is to monitor the voltage of the battery and control the charging current accordingly. The present invention provides additional precautions that provide extra safety against the occurrence of overcharging, which is very unlikely to occur.
【０００４】もし、電池が過充電されると、電池内で気
体が遊離し発生することが知られている。電池は密閉構
造となっているので、この結果、内部圧力の上昇がもた
らされ、そしてさらには、電池のケース（外装）の膨張
を発生させる。さらに、誤った取り扱い、外部からの機
械的な損傷、あるいは過充電などにより、安全に対する
危険の原因となるケースの変形をもたらす。このような
機械的な変形は、通常の電流や電圧の測定方法では検知
することができない。It is known that if the battery is overcharged, gas is liberated and generated in the battery. Since the battery is a hermetically sealed structure, this results in a rise in internal pressure and, in addition, causes expansion of the battery case. Further, mishandling, mechanical damage from the outside, overcharge, or the like causes deformation of the case, which causes a safety hazard. Such mechanical deformation cannot be detected by a normal current or voltage measuring method.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ケー
スの膨張や変形を検知でき、それにより安全性が高めら
れた電池を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a battery which can detect expansion and deformation of the case, thereby improving safety.
【０００６】本発明の別の目的は、ケースの膨張や変形
を検知することによる電池の保護方法を提供することに
ある。Another object of the present invention is to provide a method of protecting a battery by detecting expansion or deformation of the case.
【０００７】さらに本発明の別の目的は、ケースの膨張
や変形を検知して電池の保護を図る電池の保護回路を提
供することにある。Still another object of the present invention is to provide a battery protection circuit for protecting the battery by detecting expansion or deformation of the case.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の一つの形態にお
いては、ストレインゲージによって機械的な変形から保
護される電池が提供される。具体的には、ケースと、ケ
ースの壁面に設けられたストレインゲージと、を有する
電池が提供される。SUMMARY OF THE INVENTION In one aspect of the invention, a battery is provided that is protected from mechanical deformation by a strain gauge. Specifically, a battery having a case and a strain gauge provided on the wall surface of the case is provided.
【０００９】この電池は、典型的には、リチウムイオン
電池であってもよく、また複数の単位電池（単位セル）
からなるバッテリーであってもよい。ストレインゲージ
としては、適切な接着剤によって電池に取付けられた金
属箔ストレインゲージを用いてもよい。金属箔ストレイ
ンゲージを接着する代わりに、例えば高いゲージ係数を
有する抵抗用のペーストを用いて電池のケースの上に印
刷することにより、ストレインゲージを設けてもよい。
このようなペーストとしては、サーメットやセラミック
と金属との混合物が適当である。The battery may typically be a lithium-ion battery, and a plurality of unit batteries (unit cells).
The battery may consist of The strain gauge may be a metal foil strain gauge attached to the battery by a suitable adhesive. Instead of adhering the metal foil strain gauge, the strain gauge may be provided, for example, by printing on the battery case with a resistor paste having a high gauge factor.
A cermet or a mixture of ceramic and metal is suitable as such a paste.
【００１０】本発明における電池の保護方法としては、
電池のケースの壁面に設けられたストレインゲージにお
ける抵抗値の上昇を検出するという方法がある。抵抗値
の上昇を検出した場合には、電池への充電電流の供給を
遮断するようにすることが好ましい。The battery protection method of the present invention includes:
There is a method of detecting an increase in resistance value in a strain gauge provided on the wall surface of a battery case. When an increase in the resistance value is detected, it is preferable to cut off the supply of the charging current to the battery.
【００１１】本発明の電池の保護回路は、電池のケース
の壁面に設けられたストレインゲージと、ストレインゲ
ージを含むブリッジ回路と、ブリッジ回路に電力を供給
する電流源と、ブリッジ回路の差動出力電圧を検出する
検出手段と、差動出力電圧が所定の値より超えたかどう
かを判定する比較手段と、差動出力電圧が所定の値より
超えた場合に比較手段によって制御されて電池への充電
電流の経路を遮断するスイッチと、を有する。The battery protection circuit of the present invention comprises a strain gauge provided on a wall surface of a battery case, a bridge circuit including the strain gauge, a current source for supplying power to the bridge circuit, and a differential output of the bridge circuit. The detection means for detecting the voltage, the comparing means for judging whether the differential output voltage exceeds a predetermined value, and the charging means to charge the battery under the control of the comparing means when the differential output voltage exceeds the predetermined value. A switch that cuts off a current path.
【００１２】[0012]
【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。図１は、本発明
の実施の一形態を示す電池の斜視図であり、特にこの電
池におけるストレインゲージの配置と結線を示してい
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a battery showing an embodiment of the present invention, and particularly shows the arrangement and connection of strain gauges in this battery.
【００１３】図１を参照すると、電池（セル）３のケー
スの壁面（外壁面）２に接着剤などによって取付けられ
たストレインゲージ１が示されている。電池３は、典型
的にはリチウムイオン電池であって、正極（＋ｖｅ）端
子４及び負極（−ｖｅ）端子５を有している。図示され
る電池３では、ケースは金属などの導電性部材からなっ
ており、負極端子５はケースから直接引き出されてい
る。電池３のケース内には、当然のことながら、正極活
物質、負極活物質及び電解質が封入されている。ストレ
インゲージ１は、２個の端子６，７を有しており、その
うちの一つの端子７は、電池３の負極端子５と共通接続
されている。ここでは、端子７は、ケースに電気的接続
することによって、電池３の負極端子５と共通接続され
るようになっている。Referring to FIG. 1, there is shown a strain gauge 1 attached to a wall surface (outer wall surface) 2 of a case of a battery (cell) 3 with an adhesive or the like. The battery 3 is typically a lithium ion battery and has a positive electrode (+ ve) terminal 4 and a negative electrode (−ve) terminal 5. In the illustrated battery 3, the case is made of a conductive member such as metal, and the negative electrode terminal 5 is directly drawn from the case. As a matter of course, the positive electrode active material, the negative electrode active material, and the electrolyte are enclosed in the case of the battery 3. The strain gauge 1 has two terminals 6 and 7, one of which is commonly connected to the negative terminal 5 of the battery 3. Here, the terminal 7 is commonly connected to the negative electrode terminal 5 of the battery 3 by electrically connecting to the case.
【００１４】図示されるように、ストレインゲージ１
は、電池３の壁面２のうち、最も広い取付け可能な壁面
に取付けられることが好ましい。これは、最も大きい壁
面が、もっとも容易に、動きや応力変形を示すことが期
待されるからである。さらに、略矩形のストレインゲー
ジ１の長手方向が、測定の感度を最大化するために、壁
面の長手方向と平行となっていることが示されている。
本発明は、電池３のケース設計に関し、これらに限定さ
れるものではないが、鋼製、アルミニウム製、円筒形あ
るいは立方形を含むどのような形状のものにも適用でき
る。As shown, the strain gauge 1
Is preferably attached to the widest attachable wall surface 2 of the battery 3. This is because the largest wall surface is expected to most easily exhibit motion and stress deformation. Further, it is shown that the longitudinal direction of the substantially rectangular strain gauge 1 is parallel to the longitudinal direction of the wall surface in order to maximize the sensitivity of measurement.
The present invention relates to the case design of the battery 3 and can be applied to any shape including, but not limited to, steel, aluminum, cylindrical or cubic.
【００１５】以上の説明では、ストレインゲージ１を電
池３のケースの壁面２に接着剤などにより取り付けるも
のとしたが、接着剤などを用いる代わりに、印刷によっ
て壁面２上に直接形成するようにしてもよい。また、電
池３は典型的にはリチウムイオン二次電池であるとした
が、他の種類の一次電池または二次電池であってもよい
ことはもちろんである。In the above description, the strain gauge 1 is attached to the wall surface 2 of the case of the battery 3 with an adhesive or the like, but instead of using the adhesive or the like, it is formed directly on the wall surface 2 by printing. Good. Further, the battery 3 is typically a lithium-ion secondary battery, but it goes without saying that it may be another type of primary battery or secondary battery.
【００１６】図２は、ストレインゲージ１の出力を用い
て電池３を保護するのに適した回路を示している。ここ
では、ストレインゲージ１は抵抗Ｒ４として接続され、
電池３はＶ１として接続されて示されている。充電電流
を与える充電器は、電流源Ｉ２として示されている。FIG. 2 shows a circuit suitable for protecting the battery 3 using the output of the strain gauge 1. Here, the strain gauge 1 is connected as a resistor R4,
Battery 3 is shown connected as V1. The charger providing the charging current is shown as current source I2.
【００１７】電流源（充電器）Ｉ２の正電圧端子は、ス
イッチＷ１を介して電池Ｖ１の正極に接続し、負電圧端
子は接地されている。電池Ｖ１の負極も接地されてい
る。抵抗Ｒ１〜Ｒ３およびストレインゲージＲ４は、ホ
イートストンブリッジ回路配置を形成するように接続さ
れている。すなわち、抵抗Ｒ１の一端とストレインゲー
ジＲ４の一端が接地され、抵抗Ｒ１の他端に抵抗Ｒ２の
一端が接続し、ストレインゲージＲ４の他端に抵抗Ｒ３
の一端が接続している。抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の他
端は相互に接続し、そこに、電池Ｖ１の正極側から電流
源Ｉ１を介して電流が供給されるようになっている。The positive voltage terminal of the current source (charger) I2 is connected to the positive electrode of the battery V1 via the switch W1, and the negative voltage terminal is grounded. The negative electrode of the battery V1 is also grounded. Resistors R1-R3 and strain gauge R4 are connected to form a Wheatstone bridge circuit arrangement. That is, one end of the resistor R1 and one end of the strain gauge R4 are grounded, one end of the resistor R2 is connected to the other end of the resistor R1, and the resistor R3 is connected to the other end of the strain gauge R4.
One end of is connected. The other end of the resistor R2 and the other end of the resistor R3 are connected to each other, and current is supplied to the positive electrode side of the battery V1 via the current source I1.
【００１８】電池Ｖ１側から電源が供給される差動増幅
器Ｘ１及びコンパレータＸ２が設けられている。差動増
幅器Ｘ１の（−）入力端子は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との
接続点に接続し、（＋）入力端子は、ストレインゲージ
Ｒ４と抵抗Ｒ３との接続点に接続している。結局、抵抗
Ｒ１〜Ｒ３及びストレインゲージＲ４からなるホイート
ストンブリッジ回路の差動出力が、差動増幅器Ｘ１に対
して差動入力として与えられていることになる。なお、
ストレインゲージＲ４にひずみが加わっていない状態で
はこのブリッジ回路の差動出力が０であるように、各抵
抗Ｒ１〜Ｒ３の値は設定されている。A differential amplifier X1 and a comparator X2, which are supplied with power from the battery V1 side, are provided. The (−) input terminal of the differential amplifier X1 is connected to the connection point between the resistance R1 and the resistance R2, and the (+) input terminal is connected to the connection point between the strain gauge R4 and the resistance R3. After all, the differential output of the Wheatstone bridge circuit including the resistors R1 to R3 and the strain gauge R4 is given as the differential input to the differential amplifier X1. In addition,
The values of the resistors R1 to R3 are set so that the differential output of the bridge circuit is 0 when the strain gauge R4 is not strained.
【００１９】アノードが接地されたツェナーダイオード
Ｄ１のカソードは、抵抗Ｒ５を介して電池Ｖ１の正極に
接続している。コンパレータＸ２の（−）入力端子は、
ツェナーダイオードＤ１のカソードに接続し、（＋）入
力端子は差動増幅器Ｘ１の出力端子に接続している。コ
ンパレータＸ２の出力によってスイッチＷ１の導通／非
導通状態が制御されるようになっている。The cathode of the Zener diode D1 whose anode is grounded is connected to the positive electrode of the battery V1 via the resistor R5. The (−) input terminal of the comparator X2 is
It is connected to the cathode of the Zener diode D1 and the (+) input terminal is connected to the output terminal of the differential amplifier X1. The conduction / non-conduction state of the switch W1 is controlled by the output of the comparator X2.
【００２０】以上の回路において、抵抗Ｒ１〜Ｒ３を、
組み合わせ(combined)ブリッジ型のストレインゲージに
置き換えてもよい。その場合には、２つの追加の接続を
必要とするが、温度安定性が改善されるであろう。In the above circuit, the resistors R1 to R3 are
It may be replaced by a combined bridge type strain gauge. In that case, two additional connections would be required, but the temperature stability would be improved.
【００２１】次に、この回路の動作について説明する。Next, the operation of this circuit will be described.
【００２２】ストレインゲージＲ４においてひずみのな
い状態では、抵抗Ｒ１〜Ｒ３及びストレインゲージＲ４
からなるホイートストンブリッジ回路は平衡しており、
その電圧出力はゼロである。電池が過充電されたり、あ
るいは電池のケースにひずみを与えるような他の変化が
電池内で生じた場合には、その印加されたひずみがスト
レインゲージの抵抗Ｒ４を上昇させ、ブリッジ回路は不
平衡状態となる。抵抗変化に比例した電圧が発生する。
ブリッジ回路はそれによって、保護されるべき主電池セ
ルであるＶ１によって全回路に供給される電力に伴う電
流源Ｉ１によって、作動させられことになる。ブリッジ
回路の出力は、抵抗Ｒ３とストレインゲージＲ４の接続
点と抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点との差動電圧である。
この電圧は、差動増幅器Ｘ１によって増幅され、コンパ
レータＸ２に出力される。この電圧が、ツェナーダイオ
ードＤ１によって設定されている所定の電圧を超えたと
きには、コンパレータＸ２の出力が反転して、スイッチ
Ｗ１を開放（非導通状態）する。開放されたスイッチＷ
１は、電池Ｖ１に流入している充電電流Ｉ２を停止し、
それによって電池Ｖ１を、過充電と、上述のような過充
電による不適当な結果から保護する。増幅器Ｘ１の増幅
率は、電池のケースにおける変形の安全レベルに対応す
るように切替点（スイッチＷ１が開放状態となる点）を
設定するために、調整することができる。When the strain gauge R4 has no strain, the resistances R1 to R3 and the strain gauge R4 are used.
The Wheatstone bridge circuit consisting of
Its voltage output is zero. If the battery is overcharged or other changes occur in the battery that cause strain on the battery case, the applied strain will raise the strain gauge resistance R4 and the bridge circuit will become unbalanced. It becomes a state. A voltage proportional to the resistance change is generated.
The bridge circuit will thereby be activated by the current source I1 with the power supplied to the whole circuit by V1 which is the main battery cell to be protected. The output of the bridge circuit is a differential voltage between the connection point of the resistance R3 and the strain gauge R4 and the connection point of the resistance R1 and the resistance R2.
This voltage is amplified by the differential amplifier X1 and output to the comparator X2. When this voltage exceeds a predetermined voltage set by the Zener diode D1, the output of the comparator X2 is inverted and the switch W1 is opened (non-conducting state). Open switch W
1 stops the charging current I2 flowing into the battery V1,
This protects the battery V1 from overcharging and the improper consequences of overcharging as described above. The amplification factor of the amplifier X1 can be adjusted in order to set the switching point (the point at which the switch W1 is in the open state) so as to correspond to the safe level of deformation in the case of the battery.
【００２３】[0023]
【発明の効果】以上説明したように本発明は、電池のケ
ースにストレインゲージを設けることにより、過充電に
よる電池内圧力の上昇によるケースの膨張やその他の理
由によるケースの変形を検出できるようになり、その結
果、電池の安全性を高めることができるようになる、と
いう効果がある。As described above, according to the present invention, by providing the strain gauge in the case of the battery, it is possible to detect the expansion of the case due to the rise of the internal pressure of the battery due to the overcharge and the deformation of the case due to other reasons. As a result, the safety of the battery can be improved.
【図１】本発明の実施の一形態の電池を示す斜視図であ
る。FIG. 1 is a perspective view showing a battery according to an embodiment of the present invention.
【図２】ストレインゲージの出力に用いて電池を保護す
るのに適した回路を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a circuit suitable for protecting a battery using the output of a strain gauge.
１，Ｒ４ ストレインゲージ ２ 壁面 ３，Ｖ１ 電池 ４ 正極端子 ５ 負極端子 ６，７ 端子 Ｄ１ ツェナーダイオード Ｉ１，Ｉ２ 電流源 Ｒ１〜Ｒ３，Ｒ５ 抵抗器 Ｗ１ スイッチ Ｘ１ 差動増幅器 Ｘ２ コンパレータ 1, R4 strain gauge 2 walls 3, V1 battery 4 Positive terminal 5 Negative electrode terminal 6,7 terminals D1 Zener diode I1, I2 current source R1 to R3 and R5 resistors W1 switch X1 differential amplifier X2 comparator
Claims (9)
池。1. A battery protected by a strain gauge.
たストレインゲージと、を有する電池。2. A battery having a case and a strain gauge provided on a wall surface of the case.
請求項１または２に記載の電池。3. The battery is a lithium-ion battery,
The battery according to claim 1 or 2.
前記電池に取り付けられている、請求項１乃至３のいず
れか１項に記載の電池。4. The battery according to claim 1, wherein the strain gauge is attached to the battery with an adhesive.
によって設けられている請求項１乃至３のいずれか１項
に記載の電池。5. The battery according to claim 1, wherein the strain gauge is provided on the battery by printing.
を保護する電池の保護方法。6. A battery protection method for protecting a battery from damage using a strain gauge.
インゲージにおける抵抗値の上昇を検出する、電池の保
護方法。7. A method of protecting a battery, which detects an increase in resistance value of a strain gauge provided on a wall surface of a battery case.
記電池への充電電流の供給を遮断する、請求項７に記載
の電池の保護方法。8. The battery protection method according to claim 7, wherein the supply of the charging current to the battery is cut off when the increase in the resistance value is detected.
インゲージと、 前記ストレインゲージを含むブリッジ回路と、 前記ブリッジ回路に電力を供給する電流源と、 前記ブリッジ回路の差動出力電圧を検出する検出手段
と、 前記差動出力電圧が所定の値より超えたかどうかを判定
する比較手段と、 前記差動出力電圧が前記所定の値より超えた場合に前記
比較手段によって制御されて前記電池への充電電流の経
路を遮断するスイッチと、 を有する電池の保護回路。9. A strain gauge provided on a wall surface of a battery case, a bridge circuit including the strain gauge, a current source for supplying power to the bridge circuit, and a differential output voltage of the bridge circuit is detected. Detection means, comparing means for determining whether the differential output voltage exceeds a predetermined value, and when the differential output voltage exceeds the predetermined value, controlled by the comparing means to the battery A battery protection circuit having a switch that interrupts the charging current path.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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