JP2006295995A

JP2006295995A - 二次電池の安全保護装置

Info

Publication number: JP2006295995A
Application number: JP2005108912A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kato; 正行加藤
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池の安全保護装置を提供する。
【解決手段】充電器10からリチウムイオンバッテリ１へ充電電力供給が開始されると、ＣＰＵ11の電力検出部12が、一定の刻み時間Δｔで、充電器10の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを取り込み、演算部13へ入力する。演算部13は、出力電圧Ｖｏ，出力電流Ｉｏを用いて、充電器10からリチウムイオンバッテリ１へ注入されるリチウムイオンバッテリ１の充電電力（Ｖｏ・Ｉｏ）を求め、それを時間積算して注入エネルギー量Σ（Ｖｏ・Ｉｏ・Δｔ）を求める。保護動作部14は、当該注入エネルギー量の算出値を監視し、この値が予め定められた安全限界値に達したときに充電器10を停止させ、リチウムイオンバッテリ１を過電圧，過充電等から保護する。
【選択図】図１

Description

例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池を安全に使用するための二次電池の安全保護装置に関する。

従来から二次電池として鉛蓄電池が一般的に使用されているが、近年、蓄電媒体として非常に高い電力密度をもち小型化が可能な、リチウムイオン電池が広く使用されてきている。図２にリチウムイオン電池の一形態であるラミネート型リチウムイオン電池の構造を示す。リチウムイオンバッテリ１は、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）やマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）などの正極材料２と例えばグラファイト（炭素）などの負極材料３との間に、絶縁のためセパレータ４を挿入し、これらを何層かに積層した積層構造体５とした後、この積層構造体５を電解液と共に上下からアルミラミネート６，６で封止した構造になっている。正極材料２及び負極材料３には、それぞれ正極電極２ａと負極電極３ａが形成されており、アルミラミネート６，６の貼り合わせ部分から外部へ突出している。なお、リチウムイオンバッテリ１は、これらを複数積層接続した電池スタックとして使用されることが多く、電極の取り出し方，形状，材質についてや、ラミネート電池全体の大きさなどは特に制限されず、種々のものがある。

このような構造を有するリチウムイオンバッテリ１は、蓄電媒体として非常に高い電力密度をもつものの、過電圧に弱く、充電時などに過度の過電圧が加わることにより発煙，発火につながるリスクがある。

以下に、過充電を印加させた時のリチウムイオンバッテリ１の発煙，発火に至るメカニズムについて、リチウムイオンバッテリ１の温度に対する状態を示した図３を参照しながら説明する。

まず、過電圧が印加されると電池内部の電解液分解が加速され、熱が発生して電池の温度上昇が始まる。それと同時に、電池内部に電解液の蒸発ガス（ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート）が発生してアルミラミネート６，６の膨張を引き起こす。この際、防爆弁からガス抜きされるものもある。本電池のセパレータ４は２重構造になっており、材質はＰＥ（ポリエチレン）とＰＰ（ポリプロピレン）から形成されている。電池の内部温度が上昇し、約１２０℃に到達すると、内部のセパレータ４が収縮を開始する。さらに温度が上昇すると約１３５℃でセパレータ４を構成するＰＥセパレータが溶け出す。そして約１６５℃でもう一方のＰＰセパレータが溶け出す。ＰＰセパレータが溶け出したところで、リチウムイオンバッテリ１の内部絶縁破壊が進む。また、アルミラミネート６，６の封しが破れ、内部ガスが噴出を開始する。そこから急速に温度上昇が進み約２５０℃で電解液の熱分解が発生すると、ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６などのガスが発生し、セパレータ４の絶縁性が崩壊する。やがて、内部ショートに至ることでスパーク現象が着火点となり、最終的には発火に至る。

このように、リチウムイオンバッテリ１は、リチウムイオンということで過電圧に弱く、過電圧を印加すると最悪ケースとして発煙、発火に至ることがわかっていた。しかし、印加される電圧，電流を含めた注入エネルギー（充電電力）とラミネート型リチウムイオン電池が発煙，発火に至るまでの詳細な関係が解明されず、その根本対策ができない状況が続いていた。そこで、この安全上の問題を解決する暫定的な方策として、通常、電池の発煙，発火を防ぐための保護回路（例えば特許文献１）が、その充電器や電池パック内などに装置されている。特許文献１では、可燃性ガス等を検出した際に、二次電池への充電を禁止することにより、電池の発煙，発火を防いでいる。

図４は、上記保護回路をリチウムイオンバッテリ１に装置した場合の概略構成を示すブロック図である。同図において、リチウムイオンバッテリ１には、リチウムイオンバッテリ１に充電電力を注入して充電する充電器10が接続されている。充電器10は、充電電圧又は充電電流を一定にしてリチウムイオンバッテリ１をリニア充電する定電圧・定電流回路や、充電電流をパルス状に供給してリチウムイオンバッテリ１をパルス充電するパルス充電回路などからなり、これらは電池の性能や寿命などにより適宜決定される。

ここでの保護回路は、コンパレータ15と、ＯＲ回路16と、温度センサ17とから構成され、充電器10からリチウムイオンバッテリ１へ出力される充電電力の電圧と、リチウムイオンバッテリ１の温度とを監視し、過電圧及び過充電時に充電器10を停止させ、リチウムイオンバッテリ１を保護する。コンパレータ15の非反転入力端子は、監視対象となる充電電力の電圧を入力するため、充電器10とリチウムイオンバッテリ１との接続ラインに接続される。一方コンパレータ15の反転入力端子には基準電源18から所定の基準電圧Ｖｒｅｆが入力されている。コンパレータ15は、充電器10の出力異常時などに基準電圧Ｖｒｅｆを超える過電圧を検出すると、その出力端子から過電圧信号Ｓ１を出力する。また、リチウムイオンバッテリ１に取付けられた温度センサ17は、リチウムイオンバッテリ１の温度上昇から過充電時の異常を検出し、過充電信号Ｓ２を出力する。これら過電圧信号Ｓ１と過充電信号Ｓ２とはＯＲ回路16に入力されており、過電圧信号Ｓ１と過充電信号Ｓ２のうちどちらかが出力されることによりＯＲ回路16から異常信号Ｓ３が充電器10へ出力される。そして、異常信号Ｓ３の入力を受けると、充電器10はリチウムイオンバッテリ１へ供給される充電電力を遮断する。
特開平８−２２２２７８号公報特許第２８６１８７９号公報

しかし、従来の二次電池の安全保護装置では、過充電等の異常が発生してから当該異常を検出しているため、どうしても充電器10の保護動作に遅れが生じていた。従って、リチウムイオンバッテリ１の温度上昇が急激に進行した場合には、発煙、発火に至る虞があった。

また、リチウムイオンバッテリ１に温度センサ17を取り付ける必要があり、充電器10側のみの情報から過充電を検出することができないという問題があった。とりわけ、携帯型の機器内に搭載されたリチウムイオンバッテリ１においては、リチウムイオンバッテリ１に取付けられた温度センサ17を充電器10と電気的に接続するため、充電用の接続端子とは別に、温度情報用の接続端子を設けなければならなかった。

ところで、リチウムイオンバッテリ１などの二次電池は過放電によって劣化し寿命が短くなるばかりでなく、最悪の場合には内部ショートにより異常発熱して破裂する虞があるため、放電時においても充電時と同様にリチウムイオンバッテリ１を保護する必要がある。例えば特許文献２には、過放電保護回路と過充電保護回路の両者を備えた二次電池パックが開示されている。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池の安全保護装置を提供することを目的とする。

本発明の二次電池の安全保護装置では、二次電池の充放電電力を検出する電力検出部と、前記充放電電力を時間積算してエネルギー量を求める充放電量導出部と、当該エネルギー量が所定量に達すると前記二次電池の充放電を停止させる保護動作部とを備えている。

このようにすると、充電時又は放電時におけるエネルギー量は、充電電力又は放電電力を時間積算して決定されることから、温度検出よりも正確で安定した検出ができると共に、温度検出よりも早い保護動作が可能となる。また、充放電電力を検出して求めたエネルギー量を監視するだけで充電時と放電時の両者における保護動作が可能となるため、容易に二次電池の安全な充放電制御が可能となり、従来使用していた二次電池発熱時の温度検出回路や過電圧検出回路が不要な単純化された回路構成にすることができる。

本発明によると、充放電電力に関する情報のみを利用して、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池の安全保護装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明における二次電池の安全保護装置の好ましい実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。

図１は、本実施例における二次電池の安全保護装置をリチウムイオンバッテリ１に装置した場合の概略構成を示すブロック図である。同図において、従来例と同様に、リチウムイオンバッテリ１には、リチウムイオンバッテリ１に充電電力を注入して充電する充電器10が接続されている。11は、安全保護装置に相当する例えばマイクロコンピュータなどのＣＰＵであり、充電器10とリチウムイオンバッテリ１との接続ラインに接続された入力ポートを有する電力検出部12と、種々の演算処理を行うことが可能な充放電量導出部としての演算部13と、充電器10と接続された出力ポートを有する保護動作部14とを備えている。電力検出部12は、充電器10の充電電力を示す出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを検出して演算部13に入力するものである。演算部13は、電力検出部12で検出した出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏから充電時にリチウムイオンバッテリ１へ実際に注入されたエネルギー量（電力量）を求めるものである。保護動作部14は、当該エネルギー量が予め定められた所定量としての安全限界値に達すると充電器10へ異常信号Ｓ３を出力し、リチウムイオンバッテリ１の充電を停止させるものである。

次に、充電時におけるＣＰＵ11の作用について説明する。

充電器10からリチウムイオンバッテリ１へ充電電力供給が開始されると、ＣＰＵ11の電力検出部12が、一定の刻み時間Δｔで、充電器10の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを取り込み、演算部13へ入力する。演算部13は、出力電圧Ｖｏ，出力電流Ｉｏを用いて、充電器10からリチウムイオンバッテリ１へ注入されるリチウムイオンバッテリ１の充電電力（Ｖｏ・Ｉｏ）を求め、それを時間積算して注入エネルギー量を求める。ここで言う時間積算とは、充電電力を任意の時間分積算する、言い換えると充電電力を時間関数として積分することを意味する。注入エネルギー量を求める具体的な手順としては、例えば、時間ｔから時間ｔ＋Δｔ間で充電電力が一定であるとみなして、その間にリチウムイオンバッテリ１へ注入された区間注入エネルギー量（Ｖｏ・Ｉｏ・Δｔ）を充電開始時から刻み時間Δｔ毎に積算していき、注入エネルギー量Σ（Ｖｏ・Ｉｏ・Δｔ）を求める。もちろん充電電力の時間関数がわかれば、それを積分して求めることもできる。保護動作部14は、当該注入エネルギー量の算出値を監視し、この値が予め定められた安全限界値に達したときに充電器10を停止させ、リチウムイオンバッテリ１を過充電から保護する。

ここでは、充電時について説明したが、充電時の注入エネルギーを算出する場合と同様に放電時の放出エネルギーを算出できることから、容易に過放電防止の検出にも適用できる。

具体的には、リチウムイオンバッテリ１の放電時に、ＣＰＵ11の電力検出部12が、一定の刻み時間Δｔで、リチウムイオンバッテリ１の放電電圧，放電電流を取り込み、演算部13で、リチウムイオンバッテリ１から放出される放電電力を時間積算して放出エネルギー量を求め、保護動作部14が、当該放出エネルギー量の算出値を監視し、この値が安全限界値に達したときにリチウムイオンバッテリ１の放電経路にある例えばスイッチ素子等をオフするなどにより当該放電を遮断し、リチウムイオンバッテリ１を過放電から保護する。

このように、ＣＰＵ11は、充放電電力（充電電力又は放電電力）を検出して求めた注入エネルギー量又は放出エネルギー量を監視することにより、充電時と放電時の両者における保護動作を過充電又は過放電となる前に開始可能としている。すなわち、ＣＰＵ11は、注入エネルギー量又は放出エネルギー量という充放電電力に関する情報のみを利用して、リチウムイオンバッテリ１の発煙，発火を未然に防ぐことができる。当該エネルギー量は、充電電力又は放電電力を時間積算して決定されることから、例えばリチウムイオンバッテリ１の熱伝導率や周囲温度などに影響を受け易い（変動し易い）温度検出よりも正確で安定した検出ができると共に、異常時における温度上昇を待つ必要がある温度検出よりも早い保護動作が可能となる。充電器10にＣＰＵ11を設けるだけで、容易にリチウムイオンバッテリ１の安全な充電制御が可能となるため、従来使用していたリチウムイオンバッテリ１発熱時の温度検出回路に相当する温度センサ17や過電圧検出回路に相当するコンパレータ15が不要な単純化された回路構成にすることができる。

以上のように本実施例のＣＰＵ11では、二次電池としてのリチウムイオンバッテリ１の充放電電力を検出する電力検出部12と、前記充放電電力を時間積算してエネルギー量を求める充放電量導出部としての演算部13と、当該エネルギー量が所定量に達するとリチウムイオンバッテリ１の充放電を停止させる保護動作部14とを備えている。

このようにすると、充電時又は放電時におけるエネルギー量は、充電電力又は放電電力を時間積算して決定されることから、温度検出よりも正確で安定した検出ができると共に、温度検出よりも早い保護動作が可能となる。また、充放電電力を検出して求めたエネルギー量を監視するだけで充電時と放電時の両者における保護動作が可能となるため、容易にリチウムイオンバッテリ１の安全な充放電制御が可能となり、従来使用していたリチウムイオンバッテリ１発熱時の温度検出回路に相当する温度センサ17や過電圧検出回路に相当するコンパレータ15が不要な単純化された回路構成にすることができる。以上より、充放電電力に関する情報のみを利用して、リチウムイオンバッテリ１の発煙，発火と過充電を未然に防ぐことが可能な二次電池の安全保護装置を提供することができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、種々の二次電池，二次電池を備えた電源装置，ＵＰＳなどにも適用可能である。また、ＣＰＵ11を充電器10側又はリチウムイオンバッテリ１側に組み込んでも良く、この場合、充電器10又はリチウムイオンバッテリ１で独立した保護動作を行うことができる。ＣＰＵ11は、注入エネルギー又は放出エネルギーを演算処理により導出しているが、ＣＰＵ11の代わりに周知の電力量計などを利用して注入エネルギー又は放出エネルギーを機械的に導出して保護動作を行うことも可能である。

本発明の第１実施例における二次電池の安全保護装置の構成を示すブロック図である。ラミネート型リチウムイオン電池の内部構成を示す分解斜視図である。ラミネート型リチウムイオン電池の発煙，発火に至るメカニズムを示す説明図である。従来例における二次電池の安全保護装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１リチウムイオンバッテリ（二次電池）
11 ＣＰＵ（安全保護装置）
12 電力検出部
13 演算部（充放電量導出部）
14 保護動作部

Claims

二次電池の充放電電力を検出する電力検出部と、前記充放電電力を時間積算してエネルギー量を求める充放電量導出部と、当該エネルギー量が所定量に達すると前記二次電池の充放電を停止させる保護動作部とを備えることを特徴とする二次電池の安全保護装置。