JP2004095249A - 二次電池の過放電防止回路及び二次電池の過放電防止法 - Google Patents

二次電池の過放電防止回路及び二次電池の過放電防止法 Download PDF

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Abstract

【課題】非水電解質二次電池をハイレートで放電した際の破裂及び発火を防止することが可能な二次電池の過放電防止回路を提供する。
【解決手段】非水電解質二次電池と、前記二次電池の表面温度を検出する温度検出手段12と、前記表面温度が下記(1)式の放電制御温度を超えた際に前記二次電池の放電の制御を行う放電制御手段とを具備することを特徴とする。
放電制御温度T  +QA   (1)
但し、前記Tは雰囲気温度(℃)、Qは8(℃/C)で、Aは放電レート(C)を表す。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機器に着脱自在に取り付けられるか、電気機器に内蔵される二次電池の過放電防止回路と、二次電池の過放電防止法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
充電を行うことにより繰り返し使用できる二次電池は、所定の電池電圧を下回って放電されると、電池性能が低下し、ひいては電池寿命が著しく劣化する。そこで、二次電池の過放電を防止するために、二次電池の電池電圧を検出し、この電池電圧が所定電圧以下になると二次電池の放電を遮断する方法が取られている。例えば、特開平4−33271号公報によれば、二次電池と直列にスイッチ素子を接続し、二次電池の電池電圧が所定電圧以下になるとスイッチ素子をオフして放電を遮断するようにしている。更に、同公報においては、二次電池の電池電圧が前記所定電圧より若干高い電池電圧になるまで前記スイッチ素子のオフ状態を保持し、若干高い電池電圧になると、スイッチ素子をオンして放電を再開する構成としている。即ち、放電の遮断電圧と再開電圧との間にヒステリシス特性を持たせており、このような回路は、例えば、シュミットトリガ回路を用いて構成される。
【0003】
ところで、リチウムイオン二次電池のような非水電解質二次電池の使用分野は、従来、パーソナルコンピュータ、携帯電話やPDAなどの携帯型電子機器が主流であった。このような用途での放電電流は、パーソナルコンピュータが一番大きく、最大4A程度で、しかも断続的な放電となっていたため、電池電圧の検出によって過放電を防止することが可能であった。
【0004】
近年、この非水電解質二次電池をパーソナルコンピュータ(PC)やサーバ等の無停電電力系統(UPS)電源、コードレスクリーナ、電動工具、自走式電子機器のような大電流での放電を必要とする電気機器に使用することが考えられている。このような電気機器で使用するには、10A、20Aといった大電流でしかも連続放電を行う必要が生じるため、二次電池の通電時(放電時)のジュール熱による発熱量が大きくなる。従って、所定の電池電圧に達したら放電を停止する方式では、過放電を防止することができないばかりか、発熱による二次災害(漏液、電池パックの溶解等)が発生する危険性がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、非水電解質二次電池をハイレートで放電した際の破裂及び発火を防止することが可能な二次電池の過放電防止回路と二次電池の過放電防止法とを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第1の二次電池の過放電防止回路は、非水電解質二次電池と、
前記二次電池の表面温度を検出する温度検出手段と、
前記表面温度が下記(1)式の放電制御温度T(℃)を超えた際に前記二次電池の放電を制御する放電制御手段と
を具備することを特徴とする。
【0007】
放電制御温度T  +QA   (1)
但し、前記Tは雰囲気温度(℃)、Qは8(℃/C)で、Aは放電レート(C)を表す。
【0008】
本発明に係る第2の二次電池の過放電防止回路は、非水電解質二次電池を並列に接続したユニット同士を直列に接続した組電池を備える電池パックと、
前記組電池の表面温度を検出する温度検出手段と、
前記組電池の電圧と前記非水電解質二次電池の電圧とを検出する電圧検出手段と、
前記表面温度が下記(1)式の放電制御温度T(℃)を超えた際、前記組電池の電圧が放電停止電圧(n×3V;nは直列接続したユニット数)以下もしくは前記非水電解質二次電池の電圧が3V未満であると前記二次電池の放電を停止させ、前記組電池の電圧が前記放電停止電圧より高く、かつ前記非水電解質二次電池の電圧が3V以上であると前記二次電池の放電レートを低くする放電制御手段と
を具備することを特徴とする。
【0009】
放電制御温度T  +QA   (1)
但し、前記Tは雰囲気温度(℃)、Qは8(℃/C)で、Aは放電レート(C)を表す。
【0010】
本発明に係る二次電池の過放電防止法は、非水電解質二次電池の表面温度を検出する工程と、
前記表面温度が下記(1)式の放電制御温度T(℃)を超えた際に前記二次電池の放電を制御する工程と
を具備することを特徴とする。
【0011】
放電制御温度T  +QA   (1)
但し、前記Tは雰囲気温度(℃)、Qは8(℃/C)で、Aは放電レート(C)を表す。
【0012】
【発明の実施の形態】
本願発明では、非水電解質二次電池の表面温度が下記(1)式で表される放電制御温度を超えた際に前記二次電池の放電制御を行っているため、非水電解質二次電池の放電時のジュール熱による発熱量を考慮して放電を制御することができ、過放電を防止することができると共に、発熱による破裂及び発火を回避することができる。この際、非水電解質二次電池の電圧が放電停止電圧以下であったら、二次電池の放電を停止させることが望ましい。これにより、二次電池の過放電を確実に防止することができる。
【0013】
非水電解質二次電池の放電停止電圧は、例えば、4本直列構成の電池パックであれば、4×3Vの12Vになる。二次電池の表面温度が放電制御温度を超えていても、組電池の電圧が12V以上あれば、放電を行うことが可能である。このような場合、放電レートを低くして放電停止電圧まで放電を続行すると、放電を中断させることなく、過放電と破裂および発火とを回避することが可能である。
【0014】
放電制御温度T  +QA   (1)
但し、前記Tは雰囲気温度(℃)、Q(1C当りの温度)は8(℃/C)で、Aは放電レート(C)を表す。ここで、雰囲気温度(℃)は、二次電池が組込まれる電子機器内の温度であることが望ましい。また、放電制御温度T(℃)は、前述した(1)式で表されるものではあるが、セパレータの融点以下であることが好ましい。これは、放電制御温度T(℃)をセパレータの融点より高い温度に設定すると、セパレータが溶融して電流が遮断される恐れがあるからである。特に、放電制御温度T(℃)は、前述した(1)式で表され、かつ120℃以下であることがより好ましい。
【0015】
本発明に係る二次電池の過放電防止回路の一例を図面を参照して説明する。
【0016】
図1は、本発明に係る二次電池の過放電防止回路の一実施形態を示す回路図で、図2は、図1の過放電防止回路に用いられる電池パックの一例を長手方向に切断した断面図で、図3は、図2の電池パックを短手方向に切断した断面図で、図4は、図1の過放電防止回路による二次電池の放電制御方法を示す流れ図である。
【0017】
パーソナルコンピュータ(PC)やサーバ等の無停電電力系統(UPS)電源、コードレスクリーナ、電動工具、自走式電子機器のような電気機器1には、4C〜7Cの大電流での放電が可能な電池パック2が着脱自在な状態で内蔵される。電池パック2は、例えば、図2〜図3に示すように、外装ケース3と、前記外装ケース3内に横置きの状態で収納された8本の円筒形リチウムイオン二次電池4からなる組電池とを備える。この組電池は、円筒形リチウムイオン二次電池4を2本ずつ並列にリード5によって接続した電池ユニット6を4個直列にリード5で接続した構成を有する。なお、外装ケース3は、絶縁性を確保する点から、ABS樹脂、PC樹脂などの樹脂から形成されていることが望ましい。電子機器の負荷に接続される外部接続端子7は、リチウムイオン二次電池4の正負極端子と対向する外装ケース壁面に設置されている。
【0018】
電池パック2の正極端子は、電気機器1内に内蔵されている負荷の+(プラス)側に接続され、かつ電池パック2の負極端子は、この負荷の−(マイナス)側に接続されている。また、電池パック2の正極端子と負極端子は、充電用直流電源8の+側の充電端子8a、−側の充電端子8bともそれぞれ接続されている。
【0019】
充電遮断回路9は、電池パック2の正極端子と+側の充電端子8aの間に接続されている。放電遮断回路10は、電池パック2の正極端子と負荷の+側の間に接続されている。サーモスタット11は、電池パック2の正極端子と放電遮断回路10との間に接続されている。
【0020】
電池温度検出部12は、電池パック2を構成する各リチウムイオン二次電池(単セル)4の表面に設けられた熱電対(図示しない)を備え、かつ電池パック2の負極端子側に接続されている。温度検出方法としては、熱電対の代わりにサーミスタ等を使用しても良い。また、電池の表面への温度検出装置の固着方法としては、例えば、(a)ガラス繊維入りの粘着テープで固着する、(b)熱伝導性に富んだシリコーン樹脂で固着する等が挙げられる。温度比較回路13は、電池温度検出部12と放電遮断回路10との間に接続されている。この温度比較回路13は、電池パック2の放電レートから下記(1)式に基づいて算出される放電制御温度Tと電池温度検出部12により検出された電池表面温度Tとを比較し、電池表面温度Tが放電制御温度Tよりも高くなったことを放電遮断回路10に検出信号として出力する。
【0021】
放電制御温度T  +QA   (1)
但し、前記Tは雰囲気温度(℃)、Qは8(℃/C)で、Aは放電レート(C)を表す。
【0022】
過充電/過放電制御回路14は、電池パック2を構成する各電池ユニット6の電圧(単電池電圧)Vと、組電池としての電圧Vとを検出する。また、過充電/過放電制御回路14は、充電遮断回路9と放電遮断回路10とに接続されている。組電池電圧Vが放電停止電圧(n×3V;nは直列接続したユニット数)以下もしくは単電池電圧Vが3V未満であったら、過充電/過放電制御回路14は、放電遮断回路10にこのことを示す検出信号を出力する。その結果、放電遮断回路6は、電池パック2による負荷の駆動を停止させる、すなわち、二次電池の放電を停止させる。
【0023】
また、組電池電圧Vが放電停止電圧より高く、かつ単電池電圧Vが3V以上である際、このことを過充電/過放電制御回路14は放電遮断回路10に検出信号として出力する。その結果、二次電池の放電レートが下げられ、低レートでの放電が、組電池電圧Vが放電停止電圧以下になるまで連続的に行われる。
【0024】
以上説明したような二次電池の過放電防止回路による放電制御について図4を参照して説明する。
【0025】
(電池温度測定)
電池温度検出部12により電池パック2の単セルの表面温度を測定する。表面温度が70℃よりも高い場合には、電池パック2を放冷させ、電池パック2の単セルの表面温度が70℃以下になるまで放電待機の状態と判定する。
【0026】
(電池電圧測定)
電池パック2の表面温度が70℃以下の時、まず、過充電/過放電制御回路14により組電池電圧を測定する。組電池電圧が放電停止電圧(n×3V;nは直列電池数で、図1の場合、nは4つであるため、12V)未満である時には、充電用直流電源4を用いて充電を行う。組電池電圧が(n×3V)以上の際には、過充電/過放電制御回路14により単電池電圧の測定を行う。単電池電圧が3.8V未満である場合、充電を行い、一方、単電池電圧が3.8V以上である場合、充電を行わず、放電可能な状態にあると判定する。
【0027】
(放電)
放電は、ハイレートで、かつ連続的に行われる。放電レートAは、4C〜7Cの範囲内にすることが望ましい。
【0028】
ここで、1Cとは、該電池を1時間で放電しきるに要する電流値であり、便宜的には該電池の公称容量の数値を1C電流値を置き換えることができる。
【0029】
ハイレートでの連続放電によるジュール発熱で電池温度が上昇し、電池温度検出部12による電池パック2の表面温度Tが前述した(1)式{放電制御温度T  +QA}に基づいて算出される放電制御温度T(例えば、68℃)よりも高くなり、かつ過充電/過放電制御回路14により測定された組電池電圧が放電停止電圧(n×3V)以下であった場合には、電子機器1の負荷への電池パック2による電力供給が停止される、つまり、放電終了となる。その結果、非水電解質二次電池の過放電を防止することができると共に、発熱による二次電池の破裂及び発火を回避することができる。
【0030】
また、電池パック2の表面温度Tが前述した(1)式{放電制御温度T  +QA}に基づいて算出される放電制御温度Tよりも高い場合、組電池電圧が放電停止電圧(n×3V)より高くても、単電池電圧が3V未満であったら、電子機器1の負荷への電池パック2による電力供給が停止されるため、非水電解質二次電池の過放電を防止することができると共に、発熱による二次電池の破裂及び発火を回避することができる。
【0031】
なお、電池パック2の表面温度Tが前述した(1)式{放電制御温度T  +QA}に基づいて算出される放電制御温度Tよりも高くても、組電池電圧が放電停止電圧(n×3V)より高く、かつ単電池電圧が3V以上であったら、低レートでの放電を続行することにより、電池温度の上昇を抑制することが可能であるため、発熱による二次電池の破裂及び発火を回避することができる。
【0032】
非水電解質二次電池について説明する。
【0033】
非水電解質二次電池は、容器と、容器内に収納され、正極及び負極を含む電極群と、前記電極群に保持される非水電解質とを備える。
【0034】
容器には、金属製容器もしくはラミネートフィルム製容器を使用することができる。また、前述した図2〜図3では、円筒形非水電解質二次電池に適用した例を説明したが、角型、薄型の非水電解質二次電池を用いても良い。
【0035】
前記正極は、種々の酸化物、例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケル、コバルト酸化物、リチウムを含む、バナジウム酸化物や二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物を正極活物質(平均粒径3ミクロン)としてバインダーを用いてアルミ箔、チタン箔等の厚さ20μmの集電体に担持され薄板状(目付量200g/m、電極厚さ140ミクロン)に成形されたものである。前記正極は、導電材として黒鉛、カーボンブラック等を含有することが望ましい。前記正極活物質としては、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物が望ましく、高出力に耐える活物質物性を有しさらに高出力型の電極構造とし高容量な非水電解質二次電池を構成することができる。
【0036】
前記負極は、リチウム等のアルカリ金属、もしくはリチウムを吸蔵・放出する炭素質材料がバインダーにより銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等の厚さ12μmの集電体に担持され薄板状(目付量80g/m、電極厚さ125ミクロン)に成形されたものである。
【0037】
前記炭素質物は、石油や石炭などのコークスやピッチ、天然ガスや低級炭化水素などの低分子量有機化合物、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂等の合成高分子などを、焼成して炭化して炭素質材料としたもの、人造もしくは天然黒鉛等を用いることができる。
【0038】
正極と負極の間には、セパレータを配置する。前記セパレータとしては、例えば、合成樹脂不織布、ポリオレフィン製多孔質フィルム(例えば、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム)等を用いることができる。
【0039】
非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解される電解質とを含む。非水電解質としては、液状、ゲル状もしくは固体状のものを使用することができる。
【0040】
非水溶媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、γ−ブチロラクトン(BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、トルエン、キシレンまたは酢酸メチル(MA)などを用いることができる。一方、電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム、ホウフッ化リチウム、六フッ化砒素リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウムなどのリチウム塩を用いることができる。
【0041】
非水電解質二次電池の組電池は、例えば、非水電解質二次電池単独もしくは複数個を並列に接続したものを、複数個直列に接続することにより得られる。接続方法は特に限定されないが、材質としては銅およびその合金やニッケルおよびその合金(含むニッケルメッキ)等の低抵抗金属リードを電池端子間接続リードとして用い、電気的および熱的な溶接をすることで得る事ができる。
【0042】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【0043】
(実施例1)
(電池温度と電池電圧の確認)
前述した図1に示す過放電防止回路を2並列4直列で構成される組電池のパックに内蔵した。なお、この場合の電子機器はUPS機能を有するサーバ電源(200Wクラス)としている。まず、この過放電防止回路において、電池温度検出部12の熱電対により各単セルの表面温度を測定したところ、25℃であった。また、過充電/過放電制御回路14により測定した組電池電圧は、16.2Vで、単セル電圧は4.05Vであった。
【0044】
なお、電池パックを構成する各単セルには、理論容量が1600mAhの18650型(直径18mm、高さ65mm)の高レート放電仕様円筒形リチウムイオン二次電池(例えば電池内部抵抗(直流抵抗)45mΩを有する電池)を使用した。
【0045】
(放電)
この電池パックを6C(9600mA)で放電させたところ、電池温度が徐々に上昇し、6分経過後、単セルの表面温度Tが68℃に達した。放電レートAが6Cで、電子機器内の温度(雰囲気温度T)が20℃であるため、前述した(1)式に基づいて算出される放電制御温度Tは、68℃である。単セルの表面温度Tが68℃よりも高くなったことを温度比較回路13から放電遮断回路10に検出信号として出力した。この際、過充電/過放電制御回路14により測定された組電池電圧が11.8Vと放電停止電圧以下(12V以下)であったため、このことが、過充電/過放電制御回路14から放電遮断回路10に検出信号として出力された。その結果、電子機器1の負荷への電池パック2による電力供給が停止した、つまり、放電終了となった。
【0046】
放電終了後、電池温度は徐々に低下し、放電開始から14分経過後には、60℃以下になった。また、この放電によるガス噴出および漏液は、なかった。実施例1の単セルの表面温度Tの経時変化を図5に示す。図5において、横軸は、放電開始からの経過時間(分)であり、縦軸は、単セルの表面温度T(℃)である。
【0047】
(比較例)
電池表面温度による放電制御を行わないこと以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして6Cの連続放電を行ったところ、図5に示すように、放電開始7分後から電池温度が急激に上昇し、10分後に140℃を超え、二次電池が破裂し、発火に至った。
【0048】
(実施例2)
前述した実施例1で説明したのと同様な電池表面温度、組電池電圧および単セル電圧を持つ電池パックを6Cで放電させたところ、電池温度が徐々に上昇し、6分経過後、各単セルの表面温度Tが68℃に達し、前述した(1)式に基づいて算出される放電制御温度T(68℃)よりも高くなった。このことが、温度比較回路13から放電遮断回路10に検出信号として出力された。
【0049】
この際、過充電/過放電制御回路14により測定された組電池電圧が12.6Vと放電停止電圧である12Vよりも高く、かつ過充電/過放電制御回路14により測定された単セル電圧が3.15Vと3V以上であった。このことが、過充電/過放電制御回路14から放電遮断回路10に検出信号として出力された。
【0050】
その結果、放電遮断回路10により放電レートが2C(3200mA)に下げられ、組電池電圧が12V以下になるまで放電が続けられた。低レートの放電により電池温度は徐々に低下し、放電終了後には、40℃以下になった。また、この放電によるガス噴出および漏液は、なかった。
【0051】
【表1】
Figure 2004095249
【0052】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、非水電解質二次電池をハイレートで放電した際の破裂及び発火を防止することが可能な二次電池の過放電防止回路と二次電池の過放電防止法とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る二次電池の過放電防止回路の一実施形態を示す回路図。
【図2】図1の過放電防止回路に用いられる電池パックの一例を長手方向に切断した断面図。
【図3】図2の電池パックを短手方向に切断した断面図。
【図4】図1の過放電防止回路による二次電池の放電制御方法を示す流れ図
【図5】実施例1及び比較例の過放電防止回路における電池表面温度の経時変化を示す特性図。
【符号の説明】
1…電気機器、
2…電池パック、
3…外装ケース、
4…円筒形リチウムイオン二次電池、
5…リード、
6…電池ユニット、
7…外部端子、
8…充電用直流電源、
8a…+(プラス)側の充電端子、
8b…−(マイナス)側の充電端子、
9…充電遮断回路、
10…放電遮断回路、
11…サーモスタット、
12…電池温度検出部、
13…温度比較回路、
14…過充電/過放電制御回路。

Claims (3)

  1. 非水電解質二次電池と、
    前記二次電池の表面温度を検出する温度検出手段と、
    前記表面温度が下記(1)式の放電制御温度T(℃)を超えた際に前記二次電池の放電を制御する放電制御手段と
    を具備することを特徴とする二次電池の過放電防止回路。
    放電制御温度T  +QA   (1)
    但し、前記Tは雰囲気温度(℃)、Qは8(℃/C)で、Aは放電レート(C)を表す。
  2. 非水電解質二次電池を並列に接続したユニット同士を直列に接続した組電池を備える電池パックと、
    前記組電池の表面温度を検出する温度検出手段と、
    前記組電池の電圧と前記非水電解質二次電池の電圧とを検出する電圧検出手段と、
    前記表面温度が下記(1)式の放電制御温度T(℃)を超えた際、前記組電池の電圧が放電停止電圧(n×3V;nは直列接続したユニット数)以下もしくは前記非水電解質二次電池の電圧が3V未満であると前記二次電池の放電を停止させ、前記組電池の電圧が前記放電停止電圧より高く、かつ前記非水電解質二次電池の電圧が3V以上であると前記二次電池の放電レートを低くする放電制御手段と
    を具備することを特徴とする二次電池の過放電防止回路。
    放電制御温度T  +QA   (1)
    但し、前記Tは雰囲気温度(℃)、Qは8(℃/C)で、Aは放電レート(C)を表す。
  3. 非水電解質二次電池の表面温度を検出する工程と、
    前記表面温度が下記(1)式の放電制御温度T(℃)を超えた際に前記二次電池の放電を制御する工程と
    を具備することを特徴とする二次電池の過放電防止法。
    放電制御温度T  +QA   (1)
    但し、前記Tは雰囲気温度(℃)、Qは8(℃/C)で、Aは放電レート(C)を表す。
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