JP2008532467A

JP2008532467A - ２次電池保護装置及び方法

Info

Publication number: JP2008532467A
Application number: JP2007556975A
Authority: JP
Inventors: チャン、スン‐キュン; リー、ジェ‐ヒュン; リー、ジョン‐ワン; ハ、ソ‐ヒュン; チョイ、サン‐ホン; チョ、ジョン‐ジュ
Original assignee: LG Chem Ltd
Current assignee: LG Chem Ltd
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2008-08-14
Also published as: TW200642138A; US20060197506A1; WO2006091036A1; JP2011103764A; TWI339451B; US7589501B2

Abstract

本発明は、２次電池の過充電を防ぐことにより２次電池を保護する装置に関する。
２次電池保護装置は、２次電池と、前記２次電池の両端に接続され、充電電圧及び充電電流を供給することにより前記２次電池を充電させる電源と、前記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、前記電源の両端を短絡させて前記２次電池の充電を止める２次電池保護部と、を備える。

Description

本発明は、２次電池を充電させる装置及び方法に係り、さらに詳しくは、２次電池の過充電を防ぐことにより２次電池を保護する装置及び方法に関する。

通常、電池は、化学電池と物理電池とに大別でき、さらに、化学電池は、１次電池、２次電池及び燃料電池に大別できる。この種の２次電池としては、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）２次電池、ニッケル−水素（Ｎｉ−Ｍｈ）２次電池、密閉型鉛酸（ＳＬＡ）２次電池、リチウムイオン２次電池、リチウムポリマー２次電池及び再利用可能なアルカリ２次電池などが挙げられる。

特に、上記リチウムイオン２次電池は、所定の電圧以上に過充電されると、正極活物質と電解液との間に副反応が起こり、酷い場合は、正極活物質の構造崩れ及び電解液の酸化反応などが伴うことがあり、負極活物質からリチウム金属が析出する。この状態で充電を行い続ける場合、リチウムイオン２次電池が爆発したり発火したりする。

従来には、リチウムイオン２次電池の過充電を防ぐ目的で、サーモスタット（ＴＳ）を挟んで充電電源を供給するための電源とリチウムイオン２次電池とが接続されていた。過充電により上記リチウムイオン２次電池が所定の温度以上に発熱すると、上記サーモスタットがオフになって止まる。

従来の技術によれば、過充電によりリチウムイオン２次電池が過熱すると、リチウムイオン２次電池の充電が止まる。このため、リチウムイオン２次電池が既に満充電状態であるにも拘わらず、まだ過充電状態でないとして充電が止まらず、その結果、リチウムイオン２次電池の寿命が短縮されてしまうという不都合があった。

また、上述の従来の技術によれば、リチウムイオン２次電池が過充電状態であるかどうかを温度に基づいて判断していた。このため、熱帯地方など周囲温度が高い場合や極地方など周囲温度が低い所では、リチウムイオン２次電池の過充電の有無を温度に基づいて判断することが困難であった。この理由から、このような環境下ではリチウムイオン２次電池を保護することが困難になるという不都合があった。

これらの事情から、周囲温度によらずにリチウムイオン２次電池を過充電から保護可能であると共に、リチウムイオン２次電池が満充電または過充電された時点で充電を終了可能にする技術の開発が望まれていた。

本発明は、上述の如き従来の問題点を克服するためになされたものであり、その目的は、リチウムイオン２次電池が満充電または過充電された時点で自動的に充電を終了することのできる２次電池保護装置及び方法を提供することである。

本発明の他の目的は、周囲温度によらずにリチウムイオン２次電池を過充電から保護可能な２次電池保護装置及び方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、２次電池保護装置であって、２次電池と、上記２次電池の両端に接続され、充電電圧及び充電電流を供給することにより上記２次電池を充電させる電源と、上記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、上記電源の両端を短絡させて上記２次電池の充電を止める２次電池保護部と、を備えることを特徴とする２次電池保護装置が提供される。

上記装置において、上記２次電池保護部は、上記２次電池の両端に接続され、制御電流が印加されると、上記２次電池の両端を接続させるスイッチング素子と、上記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、上記制御電流を上記スイッチング素子に印加するツェナーダイオードと、を備える。

あるいは、上記装置において、上記２次電池保護部は、上記２次電池の両端に接続され、制御電流が印加されると、上記２次電池の両端を接続させるスイッチング素子と、上記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、上記制御電流を上記スイッチング素子に印加するバリスターと、を備える。

本発明の別の観点によれば、２次電池保護装置であって、上記２次電池の両端に接続され、制御電流が印加されると、上記２次電池の両端を接続させるスイッチング素子と、上記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、上記制御電流を上記スイッチング素子に印加する定電圧素子と、を備えることを特徴とする２次電池保護装置が提供される。

この装置において、上記定電圧素子は、ツェナーダイオードまたはバリスターである。

本発明のまた別の観点によれば、２次電池保護方法であって、上記２次電池を充電させる段階と、上記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、定電圧素子をターンオンして制御電流をスイッチング素子に印加する段階と、上記制御電流が上記スイッチング素子に印加されると、上記スイッチング素子をターンオンして上記２次電池の充電を止める段階と、を含むことを特徴とする２次電池保護方法が提供される。

以下、図１に基づき、本発明の第１の実施形態による２次電池保護装置を説明する。

電源１００は、商用電源を定電圧に変換してリチウムイオン２次電池１０２の充電電圧として供給するものである。このとき、この電源１００は、リチウムイオン２次電池１０２の正極及び負極に並列接続される。

リチウムイオン２次電池１０２は、電源１００からの充電電圧により充電される。

上記のリチウムイオン２次電池１０２には２次電池保護部１０４が並列接続される。２次電池保護部１０４は、定電圧素子としてのツェナーダイオード１０６とスイッチング素子としてのトランジスター１０８とを備える。ツェナーダイオード１０６を挟んでリチウムイオン２次電池１０２の正極とトランジスター１０８のベース端子とが接続される。トランジスター１０８のエミッター端子とコレクター端子は、リチウムイオン２次電池１０２の正極及び負極に接続される。

上記のツェナーダイオード１０６は、所定の降伏電圧以上の電圧が印加されると、電流が流れるといういわゆるツェナー効果を有する。従って、リチウムイオン２次電池１０２が満充電または過充電されたときにツェナーダイオード１０６を介して電流を流すために、リチウムイオン２次電池１０２の満充電または過充電電圧に対応する降伏電圧を持つツェナーダイオード１０６を選択するか、あるいは、抵抗などを含んでなる電圧分配回路をさらに接続することができる。

上記図１は、リチウムイオン２次電池１０２が満充電または過充電されたときに電流を流す素子としてツェナーダイオード１０６を採った場合を例示しているが、これに限定されるものではなく、バリスターを採ってもよい。

また、上記図１には、スイッチング素子としてＰＮＰトランジスター１０８を採った場合を例示しているが、ベース端子に所定の電流が印加されるときに導通可能なものである限り、種々のトランジスターが採用可能である。すなわち、ＰＮＰトランジスターに加えて、ＮＰＮトランジスターやＦＥＴなどが上記図１のトランジスター１０８として採用可能であることは当業者にとって自明である。

以下、図２及び図３に基づき、上記の本発明の第１の実施形態による２次電池保護装置の動作を説明する。

電源１００が充電電圧を供給するに伴い充電電流Ｉ１が流れ、この充電電流Ｉ１はツェナーダイオード１０６及びリチウムイオン２次電池１０２に供給される。すなわち、リチウムイオン２次電池１０２には、充電電流Ｉ１からツェナーダイオードへのツェナー電流Ｉ２を差し引いた実際の充電電流Ｉ３が流れ込む。

上記の実際の充電電流Ｉ３により充電されるリチウムイオン２次電池１０２の充電電圧が満充電または過充電電圧に等しくなると、ツェナーダイオード１０６が電流を制御電流として流し、該制御電流がトランジスター１０８のベース端子に流れ込む。上記ベース端子に上記制御電流が流れ込むと、上記トランジスター１０８が導通して電源１００の両端を短絡させ、その結果、充電電流がリチウムイオン２次電池１０２にそれ以上流れ込まなくなる。

このように、本発明の第１の実施形態においては、ツェナーダイオードまたはバリスター及びトランジスターを備える簡単な構造の２次電池保護部１０４を用いることにより、リチウムイオン２次電池が満充電または過充電された時点で自動的に充電を終了している。

さらに、リチウムイオン２次電池の充電電圧に基づいて過充電の有無を判別していることから、周囲温度によらずにリチウムイオン２次電池を過充電から保護することが可能になる。

以下、図４に基づき、本発明の第２の実施形態による２次電池保護装置を説明する。

電源２００は、商用電源を定電圧に変換してリチウムイオン２次電池２０２の充電電圧として供給するものである。このとき、この電源２００は、リチウムイオン２次電池２０２の正極及び負極に並列接続される。

リチウムイオン２次電池２０２は、電源２００からの充電電圧により充電される。

上記のリチウムイオン２次電池２０２には２次電池保護部２０４が並列接続される。２次電池保護部２０４は、定電圧素子としてのツェナーダイオード２０６とスイッチング素子としてのＳＣＲ（シリコン制御整流器）２０８とを備える。ツェナーダイオード２０６を挟んでリチウムイオン２次電池２０２の正極とＳＣＲ２０８のゲート端子とが接続される。ＳＣＲ２０８のエミッター端子とコレクター端子は、リチウムイオン２次電池２０２の正極及び負極に接続される。

上記のツェナーダイオード２０６は、所定の降伏電圧以上の電圧が印加されると、電流を流すといういわゆるツェナー効果を有する。従って、リチウムイオン２次電池２０２が満充電または過充電されたときにツェナーダイオード２０６を介して電流を流すために、リチウムイオン２次電池２０２の満充電または過充電電圧に対応する降伏電圧を持つツェナーダイオード２０６を選択するか、あるいは、抵抗などを含む電圧分配回路をさらに接続することができる。

上記図４は、リチウムイオン２次電池２０２が満充電または過充電されたときに電流を流す素子として、ツェナーダイオード２０６を採った場合を例示しているが、これに限定されるものではなく、バリスターを採ってもよい。

また、上記図４は、スイッチング素子としてＳＣＲ２０８を採った場合を例示しているが、ゲート端子に所定の電流が印加されるときに導通可能なものである限り、種々のスイッチング素子が採用可能である。例えば、逆極性ＳＣＲ、デュアルゲートＳＣＲ、双方向ＳＣＲ（ＴＲＩＡＣ）、ＧＴＯＳＣＲ（ゲートターンオフＳＣＲ）がスイッチング素子として採用可能であることは当業者にとって自明である。

以下、図５及び図６に基づき、上記の本発明の第２の実施形態による２次電池保護装置の動作を説明する。

電源２００が充電電圧を供給するに伴い充電電流Ｉ４が流れ、この充電電流Ｉ４はツェナーダイオード２０６及びリチウムイオン２次電池２０２に供給される。すなわち、リチウムイオン２次電池２０２には、充電電流Ｉ４からツェナーダイオードへのツェナー電流Ｉ５を差し引いた実際の充電電流Ｉ６が流れ込む。

上記実際の充電電流Ｉ６により充電されるリチウムイオン２次電池２０２の充電電圧が満充電または過充電電圧に達すると、ツェナーダイオード２０６が電流を制御電流として流し、該制御電流がＳＣＲ２０８のゲート端子に流れ込む。上記ゲート端子に上記制御電流が流れ込むと、上記ＳＣＲ２０８が導通して電源２００の両端を短絡させ、その結果、充電電流がリチウムイオン２次電池２０２にそれ以上流れ込まなくなる。

図７は、本発明の第２の実施形態による２次電池保護装置の動作を説明するためのフローチャートである。

電源２００は、充電電圧及び充電電流をリチウムイオン２次電池２０２に供給する（Ｓ１０１）。リチウムイオン２次電池２０２の充電電圧がツェナーダイオード２０６の降伏電圧以下であると（Ｓ１０２）、ツェナーダイオード２０６は電流を流さないため、リチウムイオン２次電池２０２の充電が継続して行われる。

リチウムイオン２次電池２０２の充電電圧がツェナーダイオード２０６の降伏電圧に達すると（Ｓ１０２）、ツェナーダイオード２０６が導通する（Ｓ１０３）。これにより、ツェナーダイオード２０６は、ＳＣＲ２０８のゲート端子に制御電流を流す。

制御電流がＳＣＲ２０８のゲート端子に印加されると、ＳＣＲ２０８が導通し（Ｓ１０４）、これにより、電源２００の両端が短絡される（Ｓ１０５）。

従って、リチウムイオン２次電池２０２の充電が止まる。

このように、本発明の第２の実施形態においては、ツェナーダイオードまたはバリスター及びＳＣＲを備える簡単な構造の２次電池保護部２０４を用いることにより、リチウムイオン２次電池が満充電または過充電された時点で自動的に充電を終了している。

以上、本発明を好適な実施形態を挙げて説明したが、この分野における当業者であれば、発明の思想及び範囲を逸脱しない限り、本発明が変更可能であることが理解できるであろう。すなわち、本発明は、請求範囲内において変更可能であるため、前述の例示的な実施形態に制限されるものとして見なさなければならない。

本発明の第１の実施形態による２次電池保護装置の回路図である。図１に示す２次電池保護装置における電流の流れを示す回路図である。図１に示す２次電池保護装置における電流の流れを示す回路図である。本発明の第２の実施形態による２次電池保護装置の回路図である。図４に示す２次電池保護装置における電流の流れを示す回路図である。図４に示す２次電池保護装置における電流の流れを示す回路図である。本発明の第２の実施形態による２次電池保護装置の動作を説明するためのフローチャートである。

Claims

２次電池保護装置であって、
２次電池と、
前記２次電池の両端に接続され、充電電圧及び充電電流を供給することにより前記２次電池を充電させる電源と、
前記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、前記電源の両端を短絡させて前記２次電池の充電を止める２次電池保護部と、
を備えることを特徴とする２次電池保護装置。
前記２次電池保護部が、
前記２次電池の両端に接続され、制御電流が印加されると、前記２次電池の両端を接続させるスイッチング素子と、
前記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、前記制御電流を前記スイッチング素子に印加するツェナーダイオードと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の２次電池保護装置。
前記２次電池保護部が、
前記２次電池の両端に接続され、制御電流が印加されると、前記２次電池の両端を接続させるスイッチング素子と、
前記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、前記制御電流を前記スイッチング素子に印加するバリスターと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の２次電池保護装置。
前記スイッチング素子は、ＮＰＮトランジスターまたはＰＮＰトランジスターであることを特徴とする請求項２に記載の２次電池保護装置。
前記スイッチング素子は、ＮＰＮトランジスターまたはＰＮＰトランジスターであることを特徴とする請求項３に記載の２次電池保護装置。
前記所定の電圧は、前記２次電池の満充電電圧または過充電電圧であることを特徴とする請求項１に記載の２次電池保護装置。
２次電池保護装置であって、
前記２次電池の両端に接続され、制御電流が印加されると、前記２次電池の両端を接続させるスイッチング素子と、
前記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、前記制御電流を前記スイッチング素子に印加する定電圧素子と、
を備えることを特徴とする２次電池保護装置。
前記定電圧素子は、ツェナーダイオードまたはバリスターであることを特徴とする請求項７に記載の２次電池保護装置。
前記スイッチング素子は、ＳＣＲ（シリコン制御整流器）、逆極性ＳＣＲ、デュアルゲートＳＣＲ、双方向ＳＣＲ（ＴＲＩＡＣ）、ＧＴＯＳＣＲ（ゲートターンオフＳＣＲ）のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の２次電池保護装置。
２次電池保護方法であって、
前記２次電池を充電させる段階と、
前記２次電池の充電電圧が所定の電圧以上になると、定電圧素子をターンオンして制御電流をスイッチング素子に印加する段階と、
前記制御電流が前記スイッチング素子に印加されると、前記スイッチング素子をターンオンして前記２次電池の充電を止める段階と、
を含むことを特徴とする２次電池保護方法。
前記定電圧素子は、ツェナーダイオードまたはバリスターであることを特徴とする請求項１０に記載の２次電池保護方法。
前記スイッチング素子は、ＳＣＲ、逆極性ＳＣＲ、デュアルゲートＳＣＲ、双方向ＳＣＲ（ＴＲＩＡＣ）、ＧＴＯＳＣＲのいずれかであることを特徴とする請求項１０に記載の２次電池保護方法。