JP2006032219A

JP2006032219A - 電池パック

Info

Publication number: JP2006032219A
Application number: JP2004211871A
Authority: JP
Inventors: Keiji Tsuchiya; 啓司土屋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】
電池の過電圧の発生を抑止することができる手段が設けられ、安全性が確保された電池パックを提供する。
【解決手段】
定格最大電圧が４．１Ｖである円筒型のリチウムイオン二次電池に対して、動作電圧が５．１Ｖである定電圧ダイオードを並列に接続する。電池の負荷電流を１０Ａから０Ａへ切り替えた時、比較的高い電圧がインダクタンス成分によって発生しようとするが、定電圧ダイオードによって電池の電圧の上昇は６．０Ｖにまで抑制される。
【選択図】図６

Description

この発明は電池パックに関し、特に電池に過電圧が生じることを抑止する手段が設けられている電池パックに関する。

近年、ノート型パソコン、携帯電話機等、携帯用電子機器の発達にともない、電池の需要が急速に伸びており、また電池の用途も拡大されている。そのような中、電池設計は小型化、かつ高容量化へ向かっており、それとともに電池の使用時における、より高い安全性が求められている。

現在、小型化・高容量化という要求に応える電池として、リチウムイオン二次電池が注目されている。

リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンのドープ／脱ドープを利用した非水電解液電池であり、負極にカーボンあるいはグラファイトを使用し、各種セラミック正極剤を組み合わせたものである。リチウムイオン二次電池は、主として、リチウムイオンをドープ／脱ドープ可能な正極および負極と、非水電解液(リチウム塩を非プロトン性有機溶媒に溶解させてなる液)と、正極と負極との間に介在されたセパレータとから構成される。電極は、集電体と、この集電体上に形成された活物質層とからなる。この活物質層は、活物質と、導電剤と、これらの材料を集電体に結着させる結着剤とから構成される。

リチウムイオン二次電池は、小型・軽量であり、エネルギー密度が高く長期保存にも耐えうるという利点がある。これを生かし、現在では円筒形や角型、コイン型等が製造されており、様々な電子機器に用いられている。

一般的に、リチウムイオン二次電池には安全対策として保護回路が設けられている。これは、電池の過充電や外部短絡等による危険の回避を目的としている。電池の保護装置の一例としては、熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：以下、ＰＴＣ素子と適宜称する）が挙げられる。ＰＴＣ素子は通常は極めて小さな抵抗を有する素子であるが、過剰な電流が流れた場合、あるいは高温になった場合に抵抗値が増大し、電池に流れる電流を制限する特性を有する。電池にＰＴＣ素子を備えることによって、例えば外部短絡が生じたときでも、一定温度に達するとＰＴＣ素子が働き、電池の電流を停止させるため、電池に過電流が流れることを防ぐことができる。

下記の特許文献１では、電池に流れる電流値が増大した場合であっても、電池が劣化・損傷する前に、電流値を減少させることができる保護回路が提案されている。

特開２００３−９２８２６号公報

従来のリチウムイオン二次電池の内部構造は、帯状電極を重ね、螺旋状に巻いた巻回電極体である。このため、図１に示すように、概念的な等価回路はＣ（電池容量）、Ｒ（内部抵抗成分）、Ｌ（内部のインダクタンス成分）の直列回路であると考えられ、電池の両端に対応する。このため、電極から引き出されるリードの位置によってはインダクタンス成分を持つ。電池から大電流を断続的に取り出すような使用方法をした場合、インダクタンス成分によりｄｌ／ｄｔによる逆起電力が生じるため、電池の出力端子間に大きな電圧が発生する。特に電流を低減させた時に電池の出力端子が開放される構造を持った、例えば電動工具や玩具等の電気回路への使用において、過電圧の発生が著しい。

例えば、図２に、電気回路に断続的に電流を流した場合に電池端子に生じる電圧の計算例を示す。図２において、実線で示される波形は電池端子に生じる電圧を示し、点線で示される波形は負荷回路に加わる電圧を示す。

電流を流し始めると、電池端子に徐々に電圧が加わり、その後一定の電圧となる。ところが、電流を０にした場合、インダクタンス成分に蓄えられたエネルギーによって電池端子に急激に大電圧が生じてしまう。

また、特に高周波数域において電池のインダクタンス成分によりインピーダンスが増加し、負荷電流が急激に変化した場合は電池の電圧が不安定になる。例えば、図３は、円筒型のリチウムイオン二次電池のインピーダンス特性を示すグラフである。実線で示す波形は電池のインピーダンス特性を示し、点線で示す波形は測定時のバックグラウンドを示す。実際のインピーダンスは実線で示す値と点線で示す値の差で求めることができる。高周波数域になる程、インピーダンスが増加している。

図４は、円筒型のリチウムイオン二次電池の電圧特性を示すグラフであり、負荷電流を１０Ａから０Ａへ切り替えた場合の電圧特性を一例として示す。負荷電流を１０Ａから０Ａへ急激に切り替えた時、４Ｖであった電池の電圧は８Ｖにまで上昇する。

過電圧の影響は、複数の電池を直列に接続するような場合において特に顕著となる。図４のような電圧特性を有する二次電池１０セルを直列に接続して用いる場合、定格最大電圧は４１Ｖであるが、電流急変時においては８０Ｖ程度の電圧が制御回路に印加される。過電圧の程度によっては、電池の保護用のＦＥＴ（Field Effect Transistor）、使用機器側の制御回路等の耐電圧性を超えてしまうため、ＦＥＴ、制御回路等が破壊される恐れがあった。

このようなことから、過電圧が発生することは危険であり、過電圧防止の要求が高まっている。

従来は機器へ接続するセル数も少なく、負荷電流の変動が少ないような使用方法をとっていたため、上述したような過電圧の問題は比較的少なかった。しかし近年、電池の用途が拡大し、接続するセル数も多くなるにしたがって、過電圧の対策必要性が増している。使用機器側の制御回路の耐電圧性を向上させることで過電圧への対策をすることも可能ではあるが、耐電圧値の著しく高い制御回路が必要となり、コストが高くなるため、機器側ではなく電池側で過電圧への対策をすることが必要である。

したがって、この発明の目的は、電池の過電圧の発生を抑止することができる手段が設けられ、安全性が確保された電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、電極が巻回された構造を有する１以上の電池セルおよび保護回路から構成される電池パックにおいて、電池の端子間電圧が所定の電圧以上になることを抑止する手段が備えられていることを特徴とする電池パックである。

この発明によれば、定電圧ダイオードを二次電池に並列に接続することによって、電池の負荷電流が急激に変化するような使用条件下においても、電池の過電圧の発生が抑止されるため、使用機器への影響を防止することができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図５は、この発明の一実施形態によるリチウムイオン二次電池の構成の一例を示す断面図である。このリチウムイオン二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶１の内部に、帯状の正極１１と負極１２とがセパレータ１３を介して巻回された巻回電極体１０を有している。電池缶１は、例えば、ニッケルめっきが施された鉄（Ｆｅ）により構成されており、一端部が閉鎖され、他端部が開放されている。電池缶１の内部には、巻回電極体１０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板２，３がそれぞれ配置されている。

電池缶１の開放部には、電池蓋４と、この電池蓋４の内側に設けられた安全弁機構５およびＰＴＣ素子６とが、ガスケット７を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶１の内部は密閉されている。電池蓋４は、例えば、電池缶１と同様の材料により構成されている。安全弁機構５は、熱感抵抗素子６を介して電池蓋４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板５ａが反転して電池蓋４と巻回電極体１０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子６は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発生を防止するものであり、例えば、チタン酸バリウム系半導体セラミックスにより構成されている、ガスケット７は、例えば絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。

巻回電極体１０は、例えばセンターピン１４を中心にして巻回されている。巻回電極体１０の正極１１には、アルミニウム（Ａｌ）などよりなる正極リード１５が接続されている。正極リード１５は、安全弁機構５に溶接されることにより電池蓋４と電気的に接続されている。負極リード１６は、電池缶１に溶接され電気的に接続されている。

＜正極１１＞
正極１１は、例えば、帯状の形状を有する正極集電体と、この正極集電体の片面または両面に形成された正極合剤層とからなる。正極集電体は、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。

正極合剤層は、正極活物質と結着剤とから構成される。正極合剤層の具体例としては、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂が挙げられる。また、この正極合剤層に含有される結着剤としては、通常この種の電池に使用されている公知の結着剤を用いることができる。この結着剤として、例えばポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂を挙げることができる。

また、正極合剤層には、必要に応じて導電材料、各種機能を発現する添加剤等を含有するようにしてもよい。この導電材料は、上記活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限はされず、例えば、グラファイト、カーボンブラック等の炭素粉末が挙げられる。

正極活物質層の形成方法としては、例えば、粉体状の正極活物質を結着剤（バインダー）とともに溶剤と混合し、必要に応じてボールミル、サンドミル、二軸混練機等により分散塗料化した後、正極集電体上に塗布して乾燥する方法が好適に用いられる。この場合、用いられる溶剤の種類は、正極集電体に対して不活性であり、且つバインダーを溶解しうる限り、特に制限されず、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン等の一般に使用される無機、有機溶剤の何れも使用できる。塗布装置は、特に限定されるものではないが、例えばスライドコーティングやエクストルージョン型のダイコーティング、リバースロール、グラビア、ナイフコーター、キスコーター、マイクログラビア、ロッドコーター、ブレードコーター等を挙げることができる。乾燥方法は特に制限されず、例えば放置乾燥、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱機、遠赤外線加熱機等を挙げることができる。

＜負極１２＞
負極１２は、例えば、帯状の形状を有する負極集電体と、この負極集電体の片面または両面に形成された負極合剤層とからなる。負極集電体は、例えば、銅箔、ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。

負極合剤層は、負極活物質と結着剤とからなる。負極合剤層の具体例としては、例えば、熱分解炭素類、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭等の炭素質材料を挙げることができる。

この正極合剤層に含有される結着剤としては、通常この種の電池に使用されている公知の結着剤を用いることができる。この結着剤として、例えばポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂を挙げることができる。

負極活物質層の形成方法としては、上述の正極活物質層と同様の方法を用いることができる。

＜セパレータ１３＞
セパレータ１３は、正極合剤層１１ｂと負極合剤層１２ｂとを離間するものである。このセパレータ１３は、例えば、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料からなる多孔質膜、またはセラミック製の材料の不織物などの無機材料よりなる多孔質膜であり、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造としてもよい。

このような構造のリチウムイオン二次電池において、過電圧を防止するために以下のような構成を用いる。

図６は、この発明が適用された二次電池パックの構成の一例を示す略線図である。

この電池パックは、充電時には充電器に装着され、＋端子２１と−端子２２がそれぞれ充電器の＋端子、−端子に接続され、充電が行われる。また、電気機器使用時には充電時と同様に、＋端子２１と−端子２２が機器の＋端子、−端子に接続され、放電が行われる。

バッテリパックは主に、定電圧ダイオード２３、電池セル２７、測定回路２８、制御回路３０、スイッチ回路２４で構成されている。

定電圧ダイオード２３は、電池セル２７の端子電圧が逆方向に印加されるように電池セル２７に並列に接続される。これにより、定電圧ダイオード２３には常に電池セル２７と同様の電圧が印加されることとなり、電池セル２７に過電圧がかかった場合、定電圧ダイオード２３に逆方向電流が流れる。

測定回路２８は、バッテリパック内の電池セル２７の各セルの電圧を測定し、制御回路３０に測定値を供給する。また、電流検出抵抗２９を使用して電流の大きさおよび向きを測定し、制御回路３０に測定値を送るものである。

制御回路３０は、測定回路２８から入力された電圧値、電流値の監視を行うようになされている。電池セル２７のいずれかのセルの電圧が過充電検出電圧になったときや、電池セル２７の電圧が過放電検出電圧以下になったとき、スイッチ回路２４に制御信号を送ることにより、過充電、過放電を防止する。ここで、リチウムイオン二次電池の場合、過充電検出電圧が例えば４．２Ｖ±０．５Ｖと定められ、過放電検出電圧が２．４Ｖ±０．１Ｖと定められる。

スイッチ回路２４は、参照符号２５で示される充電制御ＦＥＴと、参照符号２６で示される放電制御ＦＥＴとから構成されている。電池電圧が過充電検出電圧となったときは、充電制御ＦＥＴ２５をＯＦＦとし、充電電流が流れないように制御される。なお、充電制御ＦＥＴ２５のＯＦＦ後は参照符号２５ａで示される寄生ダイオードを介することによって放電のみが可能となる。

また、電池電圧が過放電検出電圧となったときは、放電制御ＦＥＴ２６をＯＦＦとし、放電電流が流れないように制御される。なお、放電制御ＦＥＴ２６のＯＦＦ後は参照符号２６ａで示される寄生ダイオードを介することによって充電のみが可能となる。

このような保護回路を有する二次電池では、電池セル２７の端子電圧が所定電圧以上になると、定電圧ダイオード２３に逆方向電流が流れる。これにより、電池セル２７の過電圧を防止することができる。

また、一実施形態として挙げた例は単数の電池セルを用いた場合であるが、複数の電池セルを直列に接続する場合においても同様に適用可能である。

図７は、図６に示す保護回路を有する二次電池において、負荷電流を１０Ａから０Ａへ切り替えた場合の電圧特性を示す。なお、電池の定格最大電圧が４．１Ｖであるため、動作電圧が５．１Ｖである定電圧ダイオードを用いたものである。

負荷電流を１０Ａから０Ａへ急激に切り替えた時、インダクタンス成分の存在によって従来の構成を用いた二次電池では４Ｖであった電池の電圧は８Ｖにまで上昇するが、この発明を用いて作製した二次電池の場合は６．０Ｖ程度の電圧上昇で抑えることが可能である。

上述のように、この発明の一実施形態によれば、定電圧ダイオードをリチウムイオン二次電池に並列に接続することによって、電池の負荷電流が急激に変化するような使用条件下においても、電池の過電圧の発生を急峻に抑止することができるため、使用機器への過電圧の影響を防止し、安全性を確保することができる。

また、この一実施形態によれば、低コストで過電圧を抑止することが可能な保護回路を有する電池パックを作製することができる。

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、この発明の実施形態においては、円筒型のリチウムイオン二次電池に対してこの発明を適用した例について示したが、リチウム一次電池等、他のリチウム系の円筒型電池にこの発明を適用してもよい。

また、定電圧ダイオードの変わりに電池の端子電圧が変動しても一定の出力電圧を発生させるような構成を有する定電圧回路を用いてもよい。

リチウムイオン二次電池内の概念的な等価回路の一例を示す略線図である。電気回路に断続的に電流を流した場合に電池端子に生じる電圧の計算例を示す略線図である。円筒型のリチウムイオン二次電池のインピーダンス特性を示す略線図である負荷電流を１０Ａから０Ａへ切り替えた場合の電圧特性を示す略線図である。この発明を適用することが可能であるリチウムイオン二次電池の構成の一例を示す断面図である。この発明が適用された二次電池パックの一実施形態を示す略線図である。図６に示す構成を用いて作製した電池パックにおいて、負荷電流を１０Ａから０Ａへ切り替えた場合の電圧特性を示す略線図である。

符号の説明

２３・・・定電圧ダイオード
２４・・・スイッチ回路
２５・・・充電制御ＦＥＴ
２５ａ・・・寄生ダイオード
２６・・・放電制御ＦＥＴ
２６ａ・・・寄生ダイオード
２７・・・電池セル
２８・・・測定回路
２９・・・電流検出抵抗
３０・・・制御回路

Claims

電極が巻回された構造を有する１以上の電池セルおよび保護回路から構成される電池パックにおいて、
上記電池の端子間電圧が所定の電圧以上になることを抑止する手段が備えられていることを特徴とする電池パック。
請求項１に記載の電池パックにおいて、
上記手段は、定電圧ダイオードを上記電池セルに並列に接続することを特徴とする電池パック。