JP2010257625A - Bypass switch - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、複数のセルが接続された蓄電池において、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る。 The present invention relates to a bypass switch having a function of short-circuiting a cell that is in a high resistance state or an open circuit state due to a failure in a storage battery to which a plurality of cells are connected.
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。 In a storage battery in which a plurality of cells are connected in series, in the case of a failure in which one cell is in a high resistance state or an open circuit state, the entire storage battery becomes unusable.
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、各セルに熱作動装置を並列接続し、故障時の熱作動装置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。 As a countermeasure in the case of a failure such as a high resistance state or an open circuit state, a thermal switch is connected in parallel to each cell, and a bypass switch is provided that short-circuits the failed cell using heat generated by the thermal switch in the event of a failure. The bypass switch is preferably lightweight and does not dissipate a large amount of power when the stored current is applied.
従来、加圧装置の加圧力により一対の固定電極に対して垂直方向に変位する可動電極と、可動電極に加わる加圧力を、シャフトを介して受ける熱作動装置と、を備えたバイパススイッチが知られている。このバイパススイッチでは、一対の固定電極及び可動電極からなるスイッチ部と、ダイオード及び半田を有した熱作動装置との並列回路が形成される。そして、セルの異常時に、ダイオードに順電流による発熱で半田が溶融し、これに伴い加圧装置の加圧力によって熱作動装置が変位して、スイッチ部の固定電極が可動電極によって電気的に接続されることで、異常セルを短絡してバイパスする(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a bypass switch including a movable electrode that is displaced in a vertical direction with respect to a pair of fixed electrodes by a pressing force of a pressurizing device, and a thermal actuator that receives the pressing force applied to the movable electrode through a shaft. It has been. In this bypass switch, a parallel circuit is formed of a switch portion including a pair of fixed electrodes and a movable electrode, and a thermal actuator having a diode and solder. When the cell malfunctions, the solder melts due to the heat generated by the forward current in the diode, and the thermal actuator is displaced by the applied pressure of the pressurizing device, and the fixed electrode of the switch unit is electrically connected by the movable electrode. By doing so, the abnormal cell is short-circuited and bypassed (for example, see Patent Document 1).
特許文献1の熱作動装置の構成部品であるダイオードは、2個を直列配置即ち冗長構成を有することで、1個が短絡故障を生じても、セルに短絡電流が流れない構成となっている。
The diode which is a component of the thermal actuator of
蓄電池において、セル過放電時にセル極性が反転し、セルが半故障状態に陥った場合においても、バイパススイッチが作動することが望まれている。しかしながら、特許文献1に開示されているような熱作動装置の構成にあっては、ダイオードの電圧降下が大きいため、ダイオード側に電流が流れず、バイパススイッチは作動しないことになる。
In a storage battery, it is desired that the bypass switch operates even when the cell polarity is reversed at the time of cell overdischarge and the cell falls into a semi-failure state. However, in the configuration of the thermal operation device as disclosed in
また、ダイオードに電流が流れたとしても、過放電時の放電電流値は小さく、ダイオードの発熱量も小さくなり、半田が融解点に達しない状況が想定される。 Even if a current flows through the diode, the discharge current value at the time of overdischarge is small, the amount of heat generated by the diode is small, and it is assumed that the solder does not reach the melting point.
このような場合、セル過放電時にはバイパススイッチが作動しないまま過放電状態が続くととなり、半故障状態となったセルは抵抗体に変化し、高発熱状態が維持されることとなり、蓄電池性能の劣化が進むという問題があった。 In such a case, when the cell is overdischarged, the overdischarge state continues without operating the bypass switch, and the cell that is in a semi-failure state changes to a resistor, maintaining a high heat generation state. There was a problem of deterioration.
この発明は、上記のような課題を解決するものであり、過放電時においても閉路動作が速やかに行われるバイパススイッチを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a bypass switch that can quickly perform a closing operation even during overdischarge.
この発明に係るバイパススイッチは、直列に接続された電池のセル各々に対して並列に接続され、互いに間隙を有して配置された一対の第1,第2の固定電極と、前記一対の第1,第2の固定電極に対して垂直方向に変位可能なシャフトと、前記一対の第1,第2の固定電極のそれぞれに対して前記垂直方向に所定の間隙で配置され、前記シャフトが変位した場合に加圧装置により前記垂直方向に加圧されて、前記固定電極と電気的に接続し前記セルを短絡する可動電極と、前記シャフトに付勢された第1の断熱部材と、第2の断熱部材と、前記第1、第2の断熱部材に挟まれた1つの発熱性の半導体素子及び半田と、前記第1の固定導体と前記半導体素子の一端側とを接続する第1の接続導体及び前記第2の固定導体と前記半導体素子の他端側とを接続する第2の接続導体と、を有し、前記半導体素子の発熱により前記シャフトを垂直方向に変位させる熱作動装置と、を備えたものである。 The bypass switch according to the present invention includes a pair of first and second fixed electrodes connected in parallel to each of the battery cells connected in series and arranged with a gap therebetween, and the pair of first electrodes A shaft displaceable in a vertical direction with respect to the first and second fixed electrodes, and a predetermined gap in the vertical direction with respect to each of the pair of first and second fixed electrodes, and the shaft is displaced A movable electrode that is pressurized in the vertical direction by a pressure device and electrically connected to the fixed electrode to short-circuit the cell, a first heat insulating member biased by the shaft, and a second A first connection for connecting the heat-insulating member, one exothermic semiconductor element and solder sandwiched between the first and second heat-insulating members, and the first fixed conductor and one end side of the semiconductor element. Other than the conductor, the second fixed conductor, and the semiconductor element And a second connecting conductor connecting the side, a, is obtained and a thermally actuated device to displace the shaft in the vertical direction by the heat generation of the semiconductor element.
この発明に係るバイパススイッチによれば、蓄電池のセルが過放電状態となり、半故障状態が生じた場合でも、バイパススイッチが作動し、半故障状態のセルを迂回するバイパス経路を設けることが可能である。また、ダイオードが短絡故障を生じた場合は、バイパススイッチのフューズ機能が働き、故障したバイパススイッチを蓄電池のセルより切り離すことが可能となる。 According to the bypass switch of the present invention, even when a battery cell is overdischarged and a half-failure state occurs, it is possible to provide a bypass path that operates the bypass switch and bypasses the half-failure cell. is there. Further, when a short circuit failure occurs in the diode, the fuse function of the bypass switch works, and the failed bypass switch can be disconnected from the storage battery cell.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係るバイパススイッチの構成を示す断面図である。図1において、この実施の形態1のバイパススイッチは、絶縁材料からなり収容空間が設けられたシャーシ1と、第1,第2の固定電極を構成する一対の固定電極2,3と、可動電極4と、絶縁材料からなるシャフト5と、シャーシ1の収容空間内の最上部に設けられた加圧装置6と、シャーシ1の収容空間内の下部に設けられた熱作動装置7とを備えて構成される。
1 is a cross-sectional view showing a configuration of a bypass switch according to
固定電極2,3は、互いに間隙を有してシャーシ1の収容空間内に突き出すように固定された一対の導体からなる。固定電極2,3は、傾斜した端面が互いに向き合って配置されることによって、双方の端面がV字溝を構成する。可動電極4は、固定電極2,3の対向する傾斜端面の間に位置し、シャーシ1の収容空間内の上部において、固定電極2,3とは所定の間隙をもって配置される。可動電極4は、対向する二面が鋭角をなすV字型に配置された傾斜面を有する。可動電極4は、図1の垂直方向で固定電極2,3に対し下方に可動する。すなわち、通常時は可動電極4の対向するそれぞれの傾斜面と固定電極2,3の対向するそれぞれの傾斜端面とが垂直方向に所定の間隙を有して対向する。移動時には、可動電極4の各傾斜面が固定電極2,3の各傾斜端面に接触する位置まで移動して、可動電極4の傾斜面が固定電極2,3の傾斜端面が構成するV字溝に嵌合する。これにより、固定電極2,3と可動電極4とがバイパススイッチのスイッチ部を構成する。可動電極4は、下端において二つの傾斜面の間に位置するU字型の溝を有しており、このU字型の溝に対し、シャフト5の円弧をなした上端部が嵌合している。シャフト5の下端部は熱作動装置7の上端部に接続している。シャフト5はシャーシ1の収容空間の上部と下部の間を連通する溝内を貫通する。
The
加圧装置6はコイルバネのような弾性部材によって構成される。加圧装置6は可動電極4及びシャフト5を弾性力によって付勢し、可動電極4及びシャフト5を固定電極2,3に対して図1の垂直方向下方に加圧する。通常時は、加圧装置6はシャフト5を熱作動装置7に対して押圧する。熱作動装置7が作動して収縮により熱作動装置7の上端部位置が下がると、加圧装置6の加圧によってシャフト5が図1の下側に移動し、それと連動して可動電極4がそれぞれの固定電極2,3と線接触することで、固定電極2,3が可動電極4を介して導通し、スイッチ部が作動する。
The pressurizing device 6 is constituted by an elastic member such as a coil spring. The pressurizing device 6 biases the
図2は熱作動装置7の構成を示す図である。熱作動装置7は、断熱部材からなる第1の断熱スペーサ8と、ダイオード9と、金属プレート10と、半田11と、断熱部材からなる第2の断熱スペーサ12と、を積み重ねた積層体により構成される。第1の断熱スペーサ8とダイオード9の間には、第1の接続導体13が挟まれている。半田11と第2の断熱スペーサ12の間には、高抵抗接続導体である第2の接続導体14が挟まれている。ダイオード9は、電流が流れることによって発熱する半導体素子を構成する。また、ダイオード9と金属プレート10と半田11の積層体は、第1の断熱スペーサ8の一端と第2の断熱スペーサ12の一端の間に挟まれて配置されることとなる。金属プレート10は高熱伝導性の導電金属から構成され、熱作動装置7の全体の高さ(図2の垂直方向の高さ)を調整する。第1の断熱スペーサ8の他端はシャフト5の下端が接している。第2の断熱スペーサ12は他端がシャーシ1に接して固定されている。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the
また、第1の接続導体13は固定電極2とダイオード9を電気的に繋ぎ、第2の接続導体14は半田11と固定電極3を電気的に繋ぐ。そして、熱作動装置7は、可動導体4とシャフト5とを介して加圧装置6により加圧されることで、固定電極2と固定電極3との間の電気的な導通が維持されている。
The
この実施の形態1では、第1の接続導体13と第2の接続導体14は、断面積が小さく、導体長が長く、可とう性を備えたリボン導体を用いている。さらに、第2の接続導体14に限っては、内部熱抵抗が大きい金属を使用している。このため、第1の接続導体13と第2の接続導体14からの熱放散が低減できるので、ダイオード9から発した熱の大部分は第1の断熱スペーサ8と第2の断熱スペーサ12の間に挟まれた半田11に伝導することとなる。
In the first embodiment, the
図3は、実施の形態1のバイパススイッチを蓄電池セルに並列に接続した構成を示す回路図である。図3において、熱作動装置7と、固定電極2,3及び可動導体4により構成されるスイッチ部とから、並列回路が構成されており、この並列回路は各蓄電池セル100に並列接続されて、バイパススイッチが構成されている。この並列回路はフューズ機能を有している。図3では、1つの蓄電池セル100に1つのバイパススイッチが接続されているが、実際には、直列接続された蓄電池セル100のそれぞれにバイパススイッチが接続される。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration in which the bypass switch of
次に、この実施の形態1に係わるバイパススイッチの動作について説明する。
図3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9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9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8には順電流が流れるために発熱する。
Next, the operation of the bypass switch according to the first embodiment will be described.
According to the configuration of the circuit diagram shown in FIG. 3, when the
ダイオード8が発熱すると、この熱は熱作動装置7にある金属プレート10を介して半田11に伝わり、半田11を溶融させる。半田11が溶融することで、シャフト5を下方向に移動させることが可能な状態となる。このとき、加圧装置6は、可動電極4を加圧することで、シャフト5を図1の下方向に押し下げ、シャフト5の下方への移動に伴い可動電極4が固定電極2,3に向かうように移動する。これにより可動電極4と固定電極2,3とが接触して、固定電極2,3が可動電極4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。
When the diode 8 generates heat, this heat is transmitted to the solder 11 through the metal plate 10 in the
次に、セルの過放電時はセル極性が反転し半故障状態となる。しかし、特許文献1に提示されている複数個のダイオード9を直列で配置させた場合、ダイオード8による電圧降下が大きくなり、ダイオード側に電流が流れないためバイパススイッチは作動しない。これに対し、実施の形態1のバイパススイッチはダイオード9を1個で配置することで、ダイオードの電圧降下が小さくなり、セル極性反転時にダイオードに放電電流が流れることで熱作動装置が作動し、バイパス回路が形成される。
Next, when the cell is over-discharged, the cell polarity is reversed and a semi-failure state occurs. However, when the plurality of
また、ダイオード9を1個にすることで、特許文献1に開示される複数個のダイオード9を配置した場合と比較して、ダイオード9による発熱量は小さくなる。このため実施の形態1のバイパススイッチでは、ダイオード9とシャフト5との間に第1の断熱スペーサ8を配置するとともに、半田11とシャーシ1の間に第2の断熱スペーサ12を配置する。第1の断熱スペーサ8及び第2の断熱スペーサ12を設けることにより、ダイオード9による発熱がシャフト5及びシャーシ1方向へ伝熱する分を低減させることができる。これによって、実施の形態1のバイパススイッチは、特許文献1に開示される配置よりも効率良く、ダイオード9の発熱を半田11に伝えることができるので、半田11を融解点まで達するのに必要十分な熱量を与えることが可能となる。すなわち、ダイオード9と半田11の間の伝熱経路以外の伝熱経路部に断熱スペーサを配置することにより、ダイオード9の発熱を効率的に半田溶融に寄与させることができる。
In addition, by using one
さらに、1個のダイオード9をセルに並列接続する配置であれば、ダイオード9の短絡故障時は、ダイオードが並列接続しているセルも短絡事象を引き起こし、セル故障が生じる。この実施の形態では、第2の接続導体14の断面積が所定の大きさ以下に調整された高抵抗接続導体を用いることにより、第2の接続導体14がフューズ機能を有し、ダイオード9の短絡故障時には第2の接続導体14を短絡電流により破断させることで、ダイオード9の短絡故障によるセル短絡事象を防ぐ機能を有する。
Furthermore, if the arrangement is such that one
なお、第2の接続導体14の代わりに、第1の接続導体13に断面積が所定の大きさ以下に調整された高抵抗接続導体を用いても良い。すなわち、バイパススイッチ内の通電経路にフューズ機能を持たせることで、ダイオード短絡故障時にはフューズを切断させてバイパススイッチをセルから切り離すことが可能となる。
Instead of the second connection conductor 14, a high resistance connection conductor whose cross-sectional area is adjusted to a predetermined size or less may be used for the
以上説明した通り、この実施の形態1に係るバイパススイッチは、直列に接続された電池のセル各々に対して並列に接続するバイパススイッチにおいて、直列に接続された電池のセル各々に対して並列に接続され、互いに間隙を有して配置された一対の第1,第2の固定電極と、前記一対の第1,第2の固定電極に対して垂直方向に変位可能なシャフトと、前記一対の第1,第2の固定電極のそれぞれに対して前記垂直方向に所定の間隙で配置され、前記シャフトが変位した場合に加圧装置により前記垂直方向に加圧されることで、前記固定電極と電気的に接続し前記セルを短絡する可動電極と、一端が前記シャフトに当接して付勢されたた第1の断熱部材と、前記第1の断熱部材の他端に接し、第1の固定導体に接続された第1の接続導体と、一方の端子が第1の接続導体に接した1つの半導体素子と、前記半導体素子の他方の端子側に配置され、前記半導体素子の発熱により溶融する半田と、前記半導体素子の他方の端子側と第2の固定導体とを接続する高抵抗接続導体と、前記高抵抗接続導体に接して配置された第二の断熱部材と、を有し、前記半田の溶融により前記シャフトを垂直方向に変位させる熱作動装置と、を備えたものである。
As described above, the bypass switch according to
これにより、電池のセルの過放電時においても、閉路動作が速やかに行われるバイパススイッチが得られるので、衛星用バッテリや移動体用バッテリ等において、セル故障に対する信頼度が高く、かつ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。また、蓄電池のセルが過放電状態となり、半故障状態が生じた場合でも、バイパススイッチが作動し、半故障状態のセルを迂回するバイパス経路を設けることが可能である。また、ダイオードが短絡故障を生じた場合は、バイパススイッチのフューズ機能が働き、故障したバイパススイッチを蓄電池のセルより切り離すことが可能となる。 As a result, a bypass switch can be obtained in which the closing operation is performed quickly even when the battery cell is over-discharged. Therefore, the satellite battery, the mobile battery, etc. are highly reliable for cell failure, and are small and lightweight. Can be effectively used as a bypass switch. In addition, even when a storage battery cell is overdischarged and a semi-failure state occurs, a bypass switch can be activated to provide a bypass path that bypasses the semi-failure state cell. Further, when a short circuit failure occurs in the diode, the fuse function of the bypass switch works, and the failed bypass switch can be disconnected from the storage battery cell.
1 シャーシ、2 (第1の)固定電極、3 (第2の)固定電極、4 可動電極、5 シャフト、6 加圧装置、7 熱作動装置、8 第1の断熱スペーサ、9 ダイオード(半導体素子)、10 金属プレート、11 半田、12 第2の断熱スペーサ、13 第1の接続導体、14 第2の接続導体、100 セル。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記一対の第1,第2の固定電極に対して垂直方向に変位可能なシャフトと、
前記一対の第1,第2の固定電極のそれぞれに対して前記垂直方向に所定の間隙で配置され、前記シャフトが変位した場合に加圧装置により前記垂直方向に加圧されて、前記固定電極と電気的に接続し前記セルを短絡する可動電極と、
前記シャフトに付勢された第1の断熱部材と、第2の断熱部材と、前記第1、第2の断熱部材に挟まれた1つの発熱性の半導体素子及び半田と、前記第1の固定導体と前記半導体素子の一端側とを接続する第1の接続導体及び前記第2の固定導体と前記半導体素子の他端側とを接続する第2の接続導体と、を有し、前記半導体素子の発熱により前記シャフトを垂直方向に変位させる熱作動装置と、
を備えたバイパススイッチ。 A pair of first and second fixed electrodes connected in parallel to each of the cells of the battery connected in series and arranged with a gap between each other;
A shaft displaceable in a direction perpendicular to the pair of first and second fixed electrodes;
The fixed electrode is disposed in the vertical direction with a predetermined gap with respect to each of the pair of first and second fixed electrodes, and is pressurized in the vertical direction by a pressure device when the shaft is displaced. A movable electrode that is electrically connected to and short-circuits the cell;
A first heat insulating member biased by the shaft; a second heat insulating member; one exothermic semiconductor element and solder sandwiched between the first and second heat insulating members; and the first fixing. A first connection conductor that connects a conductor and one end side of the semiconductor element; and a second connection conductor that connects the second fixed conductor and the other end side of the semiconductor element; A thermal actuator for displacing the shaft in the vertical direction by heat generation of
Bypass switch with
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