JP2006252804A

JP2006252804A - バイパススイッチ

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Publication number: JP2006252804A
Application number: JP2005063869A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sawada; 敦澤田; Yoichi Hisamori; 洋一久森; Jo Kiyokawa; 丈清川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: JP4358134B2

Abstract

【課題】閉路動作が速やかに行われるともに、振動や衝撃の加わるような状況下でも誤動作が発生し難いバイパススイッチを提供することを目的とする。
【解決手段】可動導体２３を垂直方向に加圧する加圧装置１１と、可動導体２３に加わる加圧力をシャフト５１を介して受ける半導体素子４１，４２、半導体素子の熱が伝達される金属プレート４３、半田４５及び半田４５と接する金属プレート４４が加圧装置１１の加圧する方向に積み重ねられた熱作動装置１０とを備え、固定導体２１，２２及び可動導体からなるスイッチ部と熱作動装置１０との並列回路が形成されたもので、並列回路が、蓄電池の直列に接続された複数のセルそれぞれと並列に接続され、セルの異常時に、半導体素子の発熱で半田４５が溶融し、加圧装置１１の加圧力によって熱作動装置１０が変位し、固定導体２１，２２が可動導体２３によって接続され、異常セルを短絡する。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数のセルが接続された蓄電池おいて、故障によって高抵抗状態あるいは開路状態になったセルを短絡する機能を備えたバイパススイッチに関するものであり、特に電流に応答するバイパススイッチに関するものである。

複数のセルが直列接続された蓄電池において、１つのセルが高抵抗状態あるいは開路状態になるといった故障の場合、蓄電池全体が使用不可能となる。

１つのセルが高抵抗状態あるいは開路状態になるという故障の場合の対応策として、各セルにダイオードを並列接続し、故障時のダイオードの発熱をトリガとして故障セルを短絡するバイパススイッチを設ける。このバイパススイッチとしては、軽量で蓄電電流を通電しているときに大きな電力を散逸しないことが好ましい。

特許文献１には、通常は開路として可動側接点と固定側接点との間に所定の隙間を保持するために可動側接点に孔を設け、可動側接点の孔を固定部の孔にピンで保持し、故障時にダイオードの熱を熱伝導基部から形状記憶金属棒に伝導し、形状記憶金属棒を伸長させて可動側接点を押してピンを剪断することによりスイッチ接点を閉路するバイパススイッチが開示されている。

特開平７−２０１３６５号公報（第３−６頁、図１−図３）

上記特許文献１に開示されたようなバイパススイッチにあっては、形状記憶金属棒の伸長によって接点を押さえつける構造であるので、可動側接点が固定側接点と接触するのに必要な距離以上に形状記憶金属棒の変化（伸び）量が必要であり、形状記憶金属棒の全長が大きくなり、熱伝導基部も大きくなり、その結果、熱伝導基部及び形状記憶金属棒の熱容量が大きくなる。

このため、形状記憶金属棒を加熱するのに時間がかかり、速やかな閉路動作ができないという問題点があった。

また、常時は開路とするために可動側接点の孔を固定部の孔にピンで保持しているので、振動や衝撃の加わるような状況下での使用は誤動作が発生しやすいという問題点があった。

この発明は、上記のような問題を解決するものであり、閉路動作が速やかに行われるともに、振動や衝撃の加わるような状況下でも誤動作が発生し難いバイパススイッチを提供することを目的とする。

この発明に係るバイパススイッチは、固定された一対の導体からなる固定導体、及び上記一対の固定導体間に上記一対の固定導体に対して垂直方向に所定の間隙で配置され、上記一対の固定導体に対して垂直方向に駆動されて上記固定導体間を接続する導体からなる可動導体を有するスイッチ部を備えたバイパススイッチにおいて、
上記可動導体を上記一対の固定導体それぞれに対して垂直方向に加圧する加圧装置と、
通電により発熱し上記可動導体に加わる加圧力を受ける半導体素子、上記半導体素子と接する第１の金属プレート、上記第１の金属プレートと接する半田、及び上記第１の金属プレートとともに上記半田を挟む第２の金属プレートが上記加圧装置が加圧する方向に積み重ねられた熱作動装置と、
上記スイッチ部と上記熱作動装置とを電気的に並列に接続して並列回路を形成する導体とを備え、
上記並列回路が、蓄電池の直列に接続された複数のセルそれぞれと、上記セルの常時は上記半導体素子に通電されず異常時上記半導体素子に通電されるように並列に接続され、上記セルが異常となった時に、上記半導体素子の発熱の熱によって上記半田が溶融し、上記加圧装置の加圧力によって上記熱作動装置が変位し、上記可動導体が上記固定導体の方向へ垂直に変位して上記一対の固定導体同士が上記可動導体によって電気的に接続されて上記異常のセルを短絡するバイパス回路を形成するものである。

この発明に係るバイパススイッチによれば、蓄電池のセルの異常時に速やかに異常のセルのバイパス動作ができ、また、接点の開路保持時に振動や衝撃に対しても誤動作を生じにくいという効果が得られる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係るバイパススイッチの実施の形態１を示す断面図である。図１に示したように、この実施の形態１のバイパススイッチは、絶縁材料からなるケース１と、ケース１に固定された一対の導体からなる固定導体２１，２２、及び固定導体２１，２２間の固定導体２１，２２と垂直な方向に所定の間隙をもって配置され、固定導体２１，２２に対して垂直な方向に駆動されることにより固定導体２１，２２間を接続する導体からなる可動導体２３を有するスイッチ部を備えている。また、可動導体２３と一体のシャフト５１、後述の熱作動装置１０、可動導体２３及びシャフト５１を固定導体２１，２２に対して垂直方向に加圧するコイルバネ等で構成される加圧装置１１を備えている。また、固定導体２１と熱作動装置１０の一端とを接続する導体３１、固定導体２２と熱作動装置１０の他端とを接続する導体３２を備え、熱作動装置１０とスイッチ部とが並列に接続された並列回路が形成されている。ここで、導体３１，３２には断面積が小さく、導体長の長い可撓性を備えたリボン導体を用いている。

熱作動装置１０には、電流が流れることによって発熱する半導体素子としてダイオード４１及びダイオード４２が設けられている。熱作動装置１０は、ダイオード４１及びダイオード４２、ダイオード４１とダイオード４２との間のダイオードチェック端子３３、ダイオード４２と接続される（第１の）金属プレート４３、（第２の）金属プレート４４、金属プレート４３，４４間に挟まれた半田４５を備え、ダイオード４１、ダイオード４２、金属プレート４３、金属プレート４４、半田４５は加圧装置１１の加圧方向に積み重ねられている。また、熱作動装置１０は加圧装置１１の加圧力を受けるシャフト５１によって加圧されている。

図２は、蓄電池のセルと並列に、この実施の形態１のバイパススイッチを接続した回路図である。図２に示したように、熱作動装置１０とスイッチ部との並列回路が、セル１００と並列に接続されている。図２では、１つのセル１００に並列回路が接続されているが、実際には、直列接続されたセル１００それぞれに並列回路が接続される。また、ダイオード４１，４２の間のダイオードチェック端子３３は可とう性を備え、固定導体２１とダイオードチェック端子３３の間の電圧を測定することによってダイオード４１が正常に機能していることを確認することができ、固定導体２２とダイオードチェック端子３３との間の電圧を測定することによってダイオード４２が正常に機能していることを確認することができる。

図２に示した回路図の構成によれば、セル１００が正常な状態の場合にはダイオード４１，４２には逆電圧が加わるため電流が流れることがなく、バイパススイッチは作動しない。しかし、セル１００が故障して高抵抗状態あるいは開路状態になると、ダイオード４１，４２には順電流が流れるために発熱する。

ダイオード４１，４２が発熱すると、この熱は金属プレート４３を伝導し、半田４５を加熱して溶融させる。半田４５が溶融すると、金属プレート４３、ダイオード４１，４２、シャフト５１及び可動導体２３が加圧装置１１によって押されて、積層方向の下方へ移動し、可動導体２３と固定導体２１，２２とが接触して固定導体２１と固定導体２２とが可動導体２３により電気的に接続され、異常なセル１００間を短絡するバイパス回路が形成される。

この実施の形態１によれば、、固定導体２１，２２と可動導体２３との隙間寸法を超える厚みの薄い半田４５が溶融することにより可動導体２３が垂直方向に変位して固定導体２１，２２と可動導体２３とが接触し、バイパススイッチが作動する構成であるので、速やかにバイパススイッチを動作させることができ、また、小型で軽量なバイパススイッチとすることができる。

また、導体３１に可撓性を備えたリボン導体を用いることにより、半田４５の溶融にともなって熱作動装置１０が垂直方向へ変位した時に熱作動装置１０への導通状態が切断されないようにすることができ、半田４５の溶融にともなうダイオード４１，４２、金属プレート４３が垂直方向へ変位するのを妨げないようにすることができる。

また、導体３１，３２にリボン導体を用いることにより、リボン導体の断面積が小さいので、ダイオード４１，４２で発生する熱が導体３１，３２から熱作動装置１０の外部へ逃げ出る量は極めて小さなものなり、加熱効率を低下させないようにすることができる。

また、ケース１は熱伝導率の小さい材料である絶縁材料で構成されているため、熱作動装置１０の熱がケース１の外部に逃げ出る量も極めて少なくなり、半田４５を加熱する加熱効率がよく、セル１００の故障後、速やかに半田４５が溶融し、バイパススイッチが速やかに作動する。

固定導体２１，２２及び可動導体２３には電気伝導性が良好な銅、または銅合金を使用することが好ましい。

また、図１の構成では、固定導体２１，２２と可動導体２３とが直接接触する構成となっているが、固定導体２１，２２と可動導体２３との接触部分に別の銅合金を接点としてロウ付け等によって取り付けて使用することにより、高価な銅合金の使用量を低減することができる。

また、２個のダイオード４１，４２を使用した例を示したが、さらに多くのダイオード（３個以上）を用いてもよく、ダイオードの数を増やすことにより、さらに速やかにバイパススイッチが作動するようになる。

また、半田４５の厚さは可動導体２３と固定導体２１，２２との垂直方向の隙間寸法よりも大きくすればよく、例えば、可動導体２３と固定導体２１、２２との垂直方向の隙間寸法を２ｍｍに設定すれば、半田４５の厚さは、例えば、３ｍｍというように２ｍｍを超える値に設定すればよい。

実施の形態２．
図３は、この発明に係るバイパススイッチの実施の形態２を示す断面図である。上記実施の形態１（図１）においては、熱作動装置１０のダイオード４１，４２が金属プレート４３側に配置されているが、図３に示したように、この実施の形態２では熱作動装置１０ダイオード４１，４２が金属プレート４３，４４を両外側から挟むように配置するようにしている。

この実施の形態２の構成によれば、発熱源であるダイオード４１，４２の間に半田４５と金属プレート４３，４４が挟まれるようになっているので、金属プレート４３，４４の両側から熱が伝わり、上記実施の形態１よりも速やかに半田４５を溶融することができるようになる。

また、半田４５はダイオード４１，４２によって加熱された金属プレート４３，４４で挟まれているので、熱作動装置１０に電流が流れなくなっても金属プレート４３，４４、の熱容量によって十分に半田４５を溶融させることができる。金属プレート４３、４４の大きさは二つ合わせた合計で、図１に示した金属プレート４３と同じになるようにすれば熱容量としては同等になるので、図１の場合の金属プレート４４の厚さ分だけ熱作動装置１０の垂直方向高さを小さくすることができる。

なお、図３に示した熱作動装置１０の構成のようにダイオードチェック端子３３を金属プレート４４とダイオード４２の間に配置した場合には、ダイオードチェック端子３３が可とう性を備えている必要はない。

実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１における、ダイオード４２と接触する金属プレート４３あるいは上記実施の形態２における、ダイオード４１，４２と接触する金属プレート４３，４４の熱容量が半田４５の熱容量よりも大きくなるような体積にしている。熱作動装置１０が作動して可動導体２３が固定導体２１，２２と接触した瞬間に熱作動装置１０に流れていた電流は可動導体２３から固定導体２１，２２に流れるようになり、ダイオード４１，４２は発熱しなくなるので、半田４５の溶融が十分でなく、可動導体２３が加圧装置１１によって十分に変位しない場合がある。

この実施の形態３の構成によれば、熱作動装置１０に電流が流れなくなり、ダイオード４１，４２が発熱しなくなっても、金属プレート４３，４４が十分な熱容量を持っているため、可動導体２３が固定導体２１、２２と接触した直後であっても、半田４５を溶融させることができ、加圧装置１１は可動導体２３を十分に変位させることができる。この結果、可動導体２３と固定導体２１，２２との接触抵抗を小さくすることができるので、バイパススイッチでの電力損失を最小限にすることができる。

実施の形態４．
この実施の形態４は、上記実施の形態１及び実施の形態２の金属プレート４３，４４の半田４５と接触する面に溝を設けるものである。

この実施の形態４の構成によれば、半田４５が溶融した場合に溝に半田が流れ込むことができるので、溶融した半田４５が可動導体２３の変位を妨げることがなくなり、可動導体２３と固定導体２１、２２とが速やかに、かつ、小さな接触抵抗で接触することができるようになる。

また、金属プレート４３，４４に設けられた溝の毛細管現象により、溶融半田が溝内に流れ、溶融していない半田４５の新たな面が次から次へと金属プレート４３，４４と接触することにより半田４５の溶融が速くなる効果も得られる。なお、金属プレート４３、４４の両方が加熱される場合には、溝は金属プレート４３、４４の両方でなく、片側のみに設けるようにしても同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
この実施の形態５では、上記実施の形態１〜４において使用する半田４５として、Ｓｎ／Ａｇ系の鉛フリー半田を使用する。

半田４５は加圧装置１１に常に加圧されているため、半田４５のクリープによってバイパススイッチが誤動作する可能性も考えられるが、この実施の形態５によれば、半田４５にクリープ強度の良好なＳｎ／Ａｇ系の鉛フリー半田を使用しているので、半田４５のクリープによるバイパススイッチの誤動作が発生することがない。

この発明に係るバイパススイッチは、衛星用バッテリ等において小型で軽量なバイパススイッチとして有効に利用することができる。

この発明に係るバイパススイッチの実施の形態１を示す断面図である。蓄電池のセルと並列に本実施の形態１のバイパススイッチを接続した回路図である。この発明に係るバイパススイッチの実施の形態２を示す断面図である。

符号の説明

１ケース、１０熱作動装置、１１加圧装置、２１、２２固定導体、
２３可動導体、３１，３２リボン導体、３３ダイオードチェック端子、
４１，４２ダイオード、４３，４４金属プレート、４５半田、
４６，４７金属プレート、５１シャフト、１００セル。

Claims

固定された一対の導体からなる固定導体、及び上記一対の固定導体間に上記一対の固定導体に対して垂直方向に所定の間隙で配置され、上記一対の固定導体に対して垂直方向に駆動されて上記固定導体間を接続する導体からなる可動導体を有するスイッチ部を備えたバイパススイッチにおいて、
上記可動導体を上記一対の固定導体それぞれに対して垂直方向に加圧する加圧装置と、
通電により発熱し上記可動導体に加わる加圧力を受ける半導体素子、上記半導体素子と接する第１の金属プレート、上記第１の金属プレートと接する半田、及び上記第１の金属プレートとともに上記半田を挟む第２の金属プレートが上記加圧装置が加圧する方向に積み重ねられた熱作動装置と、
上記スイッチ部と上記熱作動装置とを電気的に並列に接続して並列回路を形成する導体とを備え、
上記並列回路が、蓄電池の直列に接続された複数のセルそれぞれと、上記セルの常時は上記半導体素子に通電されず異常時上記半導体素子に通電されるように並列に接続され、上記セルが異常となった時に、上記半導体素子の発熱の熱によって上記半田が溶融し、上記加圧装置の加圧力によって上記熱作動装置が変位し、上記可動導体が上記固定導体の方向へ垂直に変位して上記一対の固定導体同士が上記可動導体によって電気的に接続されて上記異常のセルを短絡するバイパス回路を形成することを特徴とするバイパススイッチ。
上記導体が、可撓性のリボン導体であることを特徴とする請求項１記載のバイパススイッチ。
上記半導体素子とともに、上記第１の金属プレート、上記半田及び上記第２の金属プレートとを挟むように別の半導体素子が設けられていることを特徴とする請求項１記載のバイパススイッチ。
上記第１の金属プレートの熱容量が上記半田の熱容量よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のバイパススイッチ。
上記第１の金属プレートと第２の金属プレートとの合計の熱容量が上記半田の熱容量よりも大きいことを特徴とする請求項３記載のバイパススイッチ。
上記第１の金属プレートの上記半田と接する面に溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載のバイパススイッチ。
上記第１の金属プレート及び第２の金属プレートの少なくとも一方の金属プレートの上記半田と接する面に溝が形成されていることを特徴とする請求項３記載のバイパススイッチ。
上記半田に錫−銀系の鉛フリー半田を用いることを特徴とする請求項１記載のバイパススイッチ。