JP2011120423A

JP2011120423A - 電池システム

Info

Publication number: JP2011120423A
Application number: JP2009277724A
Authority: JP
Inventors: Hisayuki Uchiumi; 久幸内海; Ryoji Matsui; 亮二松井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】蓄電池の破裂や発火を防止すること。
【解決手段】蓄電池と、負荷回路と、蓄電池の温度を検出する温度検出器と、蓄電池又は蓄電池と負荷回路の両方を冷却する冷却装置と、スイッチと、温度検出器の検出温度が所定の上限温度を越えたときスイッチを作動させて蓄電池を負荷回路と冷却装置に接続する制御部とを備える電池システム。
【選択図】図７

Description

この発明は、異常発生時の保護機能を有する電池システムに関する。

近年、電子機器の小型化、軽量化はめざましく進展し、この進展に伴い、これら電子機器に使用される二次電池には、よりエネルギー密度を高めることが求められている。その要求に答えうる二次電池の一つとして、リチウムイオン二次電池のような非水電解液を使用した二次電池がある。

さらに、自然エネルギーによる太陽電池のような発電装置で発電された電気を蓄えるために容量を大きくしたリチウムイオン二次電池（大容量電池）も研究されている。
そして、リチウムイオン二次電池の急速な普及や大容量化に伴い、その安全性に対する要望は高くなってきている。

リチウムイオン二次電池は、電解質として有機電解液を用いているため、過酷な使用条件においても破裂や発火等の事故に至らないように、電池単体にシャットダウンセパレータ、PTC (Positive temperature coefficient) 素子、保護回路、及び、電流遮断機構、安全弁などの安全対策が施されている。

しかしながら、これらの対策が施された電池であっても、例えば、外部からの要因による短絡（釘が刺さった場合等）や内部短絡（異物混入の場合等）が生じて、短絡箇所に電流が集中して流れると、抵抗発熱による発熱が生じ、その熱によって電池内の活物質や電解液の化学反応が引き起こされる。その結果、電池に、いわゆる“熱暴走”が起こり、最悪の場合には破裂、発火に至るといった問題が起こっている。

また、過充電における電池電圧の上昇は、電池内部の温度上昇につながり、その結果、破裂、発火に至るといった問題が起こる。さらに、過放電、内部短絡、外部短絡、過大電流、異常高温などの過酷な条件に遭遇した場合も同様の問題が起こる。

一方、多数の電池を直列に接続した組電池において、鉛蓄電池等の従来の電池を用いた組電池では、組電池の全体の端子に充電器を接続し、単電池の充電電圧に組電池内の電池数に応じた電圧を加えて充電が行われる。
しかし、リチウムイオン二次電池による組電池の場合、充電を行うと、組電池内の各単電池の電圧にバラツキが生じやすく、電圧均等化をするために回路が必要になる。さらに、電圧均等化をするための回路が動作不良を起こした場合、単電池同様に、“熱暴走”が起こるという問題が生じる。

このような問題を解決するために、電池収納手段内部に、安全弁を備えた１個または複数の電池と負荷回路と温度センサーを備え、前記温度センサーがあらかじめ設定された電池収納手段の外部表面または内部雰囲気の温度を検出した時に、前記電池を前記負荷回路に接続し、前記電池を基準となる容量の所定比率以下の容量まで放電するようにした電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１４１１１２号公報

リチウムイオン二次電池のような非水電解液電池において、前述のように異常な温度上昇が生じた場合に、電池の破裂、発火を防止するため、電池を急速に放電させることのみならず、電池自体を迅速に冷却することが必要とされている。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、電池の異常発生時において、電池の安全を図るため、電池の強制冷却および強制放電するための機構を有する電池システムを提供するものである。

この発明は、蓄電池と、負荷回路と、蓄電池の温度を検出する温度検出器と、蓄電池又は蓄電池と負荷回路の両方を冷却する冷却装置と、スイッチと、温度検出器の検出温度が所定の上限温度を越えたときスイッチを作動させて蓄電池を負荷回路と冷却装置に接続する制御部とを備える電池システムを提供するものである。

この発明によれば、蓄電池の温度が所定の上限温度を越えたとき、蓄電池が蓄電池又は蓄電池と負荷回路の両方を冷却する冷却装置に接続されるので、異常発生時に蓄電池の電力が負荷回路によって消費され、かつ、蓄電池が冷却装置により冷却されるので、蓄電池の破裂や発火が未然に防止される。

この発明に係る電池モジュールの正面図である。この発明に係る電池モジュールの側面図である。図２のＡ−Ａ矢視図である。この発明に係る負荷モジュールの正面図である。この発明に係る負荷モジュールの側面図である。図５のＢ−Ｂ矢視図である。この発明の電池システムの電気回路図である。

この発明の電池システムは、蓄電池と、負荷回路と、蓄電池の温度を検出する温度検出器と、蓄電池又は蓄電池と負荷回路の両方を冷却する冷却装置と、スイッチと、温度検出器の検出温度が所定の上限温度を越えたときスイッチを作動させて蓄電池を負荷回路と冷却装置に接続する制御部とを備えることを特徴とする。

この発明において、蓄電池とは、例えばリチウムイオン二次電池のような非水電解液を使用した二次電池や、ニッケル・水素電池などである。それは、単一の電池であってもよいし、直列又は並列に組合せた組電池であってもよい。

冷却装置には冷却扇やペルチェ素子などを用いることができる。温度検出器としては、サーミスタ，熱電対，赤外線センサ，感熱ダイオード，感熱抵抗などが挙げられる。負荷回路は、ホウロウ抵抗器や巻線抵抗器などで構成される。

冷却装置は蓄電池のみを冷却してもよいし、蓄電池と負荷回路の両方を冷却してもよい。
蓄電池は直列接続された複数の電池からなり、温度検出器は各電池の温度を検出する温度センサであってもよいし、複数の電池から選択された電池の温度を検出する温度センサであってもよい。

制御部は、蓄電池の充電容量が定格容量の０％〜２０％に低下したときスイッチを作動させて蓄電池を負荷回路と冷却装置から切り離す機能を備えることが好ましい。なお、蓄電池の充電容量は、例えば、蓄電池の充放電カーブ（出力電圧対蓄電容量カーブ）を用いて蓄電池の端子電圧から算出することができる。そして、対応する端子電圧に達したときに蓄電池を負荷回路と冷却装置から切り離すことにより、蓄電池の過放電を防止することができ、さらに、蓄電池の過放電の悪化により発生する破裂や出火を防ぐ効果がある。
制御部は温度検出器の検出温度が所定の下限温度より低下したときスイッチを作動させて蓄電池を負荷回路と冷却装置から切り離す機能を備えてもよい。検出温度が所定の下限温度より低下することで電池内部の反応が抑制されたと見なすことができるので、蓄電池を負荷回路と冷却装置から切り離すことにより、蓄電池の過放電を防止することができ、さらに、蓄電池の過放電の悪化により発生する破裂や出火を防ぐ効果がある。
負荷回路は抵抗器からなるものであってもよい。

蓄電池を収納するハウジングをさらに備え、温度検出器がハウジングの外面に設置された温度センサであってもよい。その検出温度を単電池の温度に換算することで、温度センサの数を減らすことが可能になると供に、ハウジング外部で火災等の災害が生じた場合においても、蓄電池の安全性の向上を図る効果がある。
蓄電池を収納するハウジングをさらに備え、温度検出器がハウジングの内部に設置された温度センサであってもよい。その検出温度を単電池の温度に換算することで、温度センサの数を減らすことが可能になると供に、何らかの要因でハウジング内部が高温になった場合に備え、蓄電池の安全性の更なる向上を図る効果がある。
冷却装置が、冷却ファンおよびペルチェ素子の少なくとも一方からなるものであってもよい。

以下、図面に示す実施形態を用いてこの発明を詳述する。
図１および図２は電池モジュール１の正面図および側面図であり、図３は図２のＡ−Ａ矢視図である。
これらの図に示すように電池モジュール１は、ハウジング２を備え、ハウジング２には正面に前扉３が設けられ、内部の棚に８個の単電池４が交換可能に重なるように収容されている。

また、ハウジング２内の最上段の棚には制御回路５を収容した制御ユニット６と、電磁スイッチ７ａ，７ｂが搭載されている。前扉３には開閉用のハンドル８と冷却空気吸込み用の金網パネル９が設けられている。ハウジング２の背面１０には、直流電圧で駆動する４つの冷却扇１１が設置され、４つの冷却扇１１は、冷却空気を前扉３の金網パネル９から吸い込んで、８つの単電池４を冷却し、外気へ排出するようになっている。また、各単電池４の底面には温度センサ１２が取り付けられている。

図４および図５は負荷モジュール１３の正面図および側面図であり、図６は図５のＢ−Ｂ矢視図である。
これらの図に示すように負荷モジュール１３は、ハウジング１４を備え、ハウジング１４は正面に前板１５を有し、内部の壁面に４個のホウロウ抵抗器１６を備える。前板１５には冷却空気吸込み用の金網パネル１７が設けられ、ハウジング１４の背面１８には、直流電圧で駆動する冷却扇１９が設置されている。冷却扇１９は前板１５の金網パネル１７から冷却空気を吸い込んで４つのホウロウ抵抗器１６を冷却して外気へ排出するようになっている。

図７はこの発明による電池システムの電気回路図である。制御回路５は８つの温度センサ１２の出力と組電池２０の出力を受けて電磁スイッチ７ａ，７ｂを作動させる。それによって８つの単電池４を直列接続した組電池２０の出力電圧は、電磁スイッチ７ａ，７ｂによって切換えられて、双方向ＡＣ／ＤＣ変換回路２１又は電池保護回路２２に供給されるようになっている。双方向ＡＣ／ＤＣ変換回路２１は商用電源２３に接続されている。
また、電池保護回路２２は、４つの冷却扇１１と、４つのホウロウ抵抗器１６と、１つの冷却扇１９との並列回路から構成される。

なお、この実施形態では、
単電池４は、定格出力電圧３．７Ｖ、定格出力電流１８Ａ
冷却扇１１は、定格入力電圧ＤＣ３０Ｖ、出力５０Ｗ
冷却扇１９は、定格入力電圧ＤＣ３０Ｖ、出力４０Ｗ
ホウロウ抵抗器１６は、６．６Ω、１５０Ｗ
となっている。
温度センサ１２には、サーミスタや熱電対などを用いることができる。また、組電池２０は、電磁スイッチ７ａを介して双方向ＡＣ／ＤＣ変換回路２１および商用電源２３の代わりに太陽電池のような電力生成装置に接続されてもよい。
このような構成における動作を次に説明する。

図７に示す電池装置において、組電池２０が電磁スイッチ７ａによって双方向ＡＣ／ＤＣ変換回路２１に接続され、組電池２０から商用電源２３への電力の供給動作又は商用電源２３から組電池２０への充電動作が行われる。その時、組電池２０において何らかの異常が生じて、８つの単電池４の少なくとも１つが温度上昇し１２０℃以上になると、制御回路５は温度センサ１２によりそれを検知して、電磁スイッチ７ａをオフに、電磁スイッチ７ｂをオンに切換える。それによって、組電池２０の電力は４つの冷却扇１１と、４つのホウロウ抵抗器１６と、１つの冷却扇１９へ供給される。そして、冷却扇１１は組電池２０を冷却し、ホウロウ抵抗器１６は組電池２０を急速に放電させ、冷却扇１９はホウロウ抵抗器を冷却する。

その間、制御回路５は組電池２０の出力電圧および各単電池４の温度を監視する。そして、組電池２０の出力電圧が２４Ｖ以下になるか、又はすべての単電池４の温度が３０度以下になると、制御回路５は電磁スイッチ７ｂをオフにする。
これによって、組電池２０の破裂や出火が未然に防止される。
さらに、出力電圧が２４Ｖ以下になった場合、制御回路５は電磁スイッチ７ｂをオフにすることで、組電池２０の過放電を防止することが可能となる。
また、すべての単電池４の温度が３０度以下になると、電池内部の反応が抑制されたと見なすことができ、制御回路５は電磁スイッチ７ｂをオフにすることで、組電池２０の過放電を防止することが可能となる。

なお、上記実施形態においては、温度センサ１２を各単電池４に設けているが、図３に示す８つの単電池４の内、最上段にあるもののみに代表的に設けてもよい。
また、温度センサ１２を単電池４に設ける代りに、ハウジング２の外面又はハウジング２の内部に設置して、その検出温度を単電池４の温度に換算してもよい。

１電池モジュール
２ハウジング
３前扉
４単電池
５制御回路
６制御ユニット
７ａ，７ｂ電磁スイッチ
８ハンドル
９金網パネル
１０背面
１１冷却扇
１２温度センサ
１３負荷モジュール
１４ハウジング
１５前板
１６ホウロウ抵抗器
１７金網パネル
１８背面
１９冷却扇
２０組電池
２１双方向ＡＣ／ＤＣ変換回路
２２電池保護回路
２３商用電源

Claims

蓄電池と、負荷回路と、蓄電池の温度を検出する温度検出器と、蓄電池又は蓄電池と負荷回路の両方を冷却する冷却装置と、スイッチと、温度検出器の検出温度が所定の上限温度を越えたときスイッチを作動させて蓄電池を負荷回路と冷却装置に接続する制御部とを備える電池システム。
冷却装置は蓄電池のみを冷却する請求項１記載の電池システム。
冷却装置は蓄電池と負荷回路の両方を冷却する請求項１記載の電池システム。
蓄電池は直列接続された複数の電池からなり、温度検出器は各電池の温度を検出する温度センサからなる請求項１〜３のいずれか１つに記載の電池システム。
蓄電池は直列接続された複数の電池からなり、温度検出器は複数の電池から選択された電池の温度を検出する温度センサからなる請求項１〜３のいずれか１つに記載の電池システム。
制御部は、蓄電池の端子電圧が所定電圧より低下したときスイッチを作動させて蓄電池を負荷回路と冷却装置から切り離す機能を備える請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池システム。
制御部は温度検出器の検出温度が所定の下限温度より低下したときスイッチを作動させて蓄電池を負荷回路と冷却装置から切り離す機能を備える請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池システム。
負荷回路が抵抗器からなる請求項１〜７のいずれか１つに記載の電池システム。
蓄電池を収納するハウジングをさらに備え、温度検出器がハウジングの外面に設置された温度センサからなる請求項１記載の電池システム。
蓄電池を収納するハウジングをさらに備え、温度検出器がハウジングの内部に設置された温度センサからなる請求項１記載の電池システム。
冷却装置が、冷却ファンおよびペルチェ素子の少なくとも一方からなる請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電池システム。