JP2011138647A - 二次電池の保護回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、高温時にリチウムイオン二次電池を自発的に放電させ、熱暴走する可能性をより低減する機構を提供するものであり、リチウムイオン二次電池が高温かつ過充電状態に置かれることを防止するものである。
【解決手段】本発明のリチウムイオン二次電池の保護回路は、前記二次電池と電気的に並列接続され、熱的に接触され、温度の上昇に伴い電気抵抗が低下する熱スイッチ素子を備えることを特徴とするものであり、前記熱スイッチ素子は温度の上昇に伴い電気抵抗が低下し、所定の温度以上で前記二次電池を自発的に放電するものでる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池の保護回路に係り、二次電池の高温状態を感知して、安定して使用できるリチウムイオン二次電池の保護回路に関する。
リチウムイオン二次電池などの二次電池は、広く携帯機器に搭載されている。
近年では、リチウムイオン二次電池は適用範囲が拡大し、その大型化が進むとともに、安全性の確保が求められている。
リチウムイオン二次電池は充電深度の深い状態で過熱し続けたり、過充電し続けたりすると熱暴走する可能性がある。
このため、リチウムイオン二次電池は過充電を防止する保護回路を備えた電池パックの状態で使用されている。
このような保護回路として、たとえば特許文献１には、リチウムイオン二次電池に直列に正温度係数サーミスタ（以下、ＰＴＣサーミスタと記す）と電流検出回路とを接続し、高温かつ充電時には電気抵抗を増大させ、それ以上の充電を防ぐ方法が提案されている。
特開２００９−１３１０２３号公報
従来のリチウムイオン二次電池の保護回路においては、過充電時にリチウムイオン二次電池に直列接続されたスイッチをオフにして、それ以上の充電を防ぐ方法がとられている。
こうした方法は、過充電の防止には効果的であるが、リチウムイオン二次電池は充電状態のまま放置されるため、周囲の温度がさらに上昇した場合、熱暴走する可能性があり、この可能性をより低減することが望まれている。
本発明の目的は、リチウムイオン二次電池の過充電を防止すると共に、温度上昇した場合、熱暴走する可能性をより低減することができる二次電池の保護回路を提供するものである。
本発明の実施形態の一つである二次電池の保護回路は、二次電池と電気的に並列接続され、熱的に接触され、温度の上昇に伴い電気抵抗が低下する熱スイッチ素子を備えることを特徴とする。
そして、熱スイッチ素子に電気的に直列接続された少なくとも一つのダイオードや少なくとも一つの抵抗素子を有することが好ましい。
また、熱スイッチ素子は、所定温度以上で急激に電気抵抗が低下するクリテジスタ，負の温度係数を持つ負温度係数サーミスタ，所定温度以上でオンになるバイメタル式サーモスタットであることが好ましい。
また、こうした二次電池の保護回路を電池ケースの内部に設置して、二次電池を形成することが可能である。
そして、本発明は、高温時にリチウムイオン二次電池を自発的に放電させ、熱暴走する可能性をより低減する機構を提供するものである。
本発明は、リチウムイオン二次電池に並列接続された熱スイッチ素子を有する保護回路であって、熱スイッチ素子が温度の上昇に伴い電気抵抗が低下し、リチウムイオン二次電池を自発的に放電させる機構を有することにより、熱暴走する可能性をより低減することができる。
また、本発明の保護回路は、リチウムイオン二次電池に並列接続された熱スイッチ素子と少なくとも一つのダイオードの直列回路が接続されており、ダイオードはリチウムイオン二次電池の正極側にアノード，負極側にカソードが接続されている機構を有し、所定の温度以上ではリチウムイオン二次電池が自発的に所定の電圧まで放電し、熱暴走する可能性をより低減するとともに、過放電も防止することができる。
また、本発明の保護回路は、熱スイッチ素子が所定の温度以上で急激に電気抵抗が低下するクリテジスタ（以下、ＣＴＲサーミスタと記す）や、熱スイッチ素子が負の温度係数を持つ負温度係数サーミスタ（以下、ＮＴＲサーミスタと記す）や、熱スイッチ素子が所定の温度以上でオンになるバイメタル式サーモスタットであることが好ましい。
また、本発明の保護回路は、熱スイッチ素子およびダイオードに少なくとも一つの抵抗素子を直列接続した回路をリチウムイオン二次電池と並列に接続した構成にすることができる。抵抗素子によって保護回路に流入する電流量を調節し、保護回路の破壊を防止することができるためである。
また、リチウムイオン二次電池と保護回路との並列回路に、所定の温度以上でオフになる熱スイッチ素子が直列に接続されている構成にすることができる。所定の温度以上で熱スイッチ素子がオフになる機構を有することにより、所定の温度以上ではリチウムイオン二次電池と保護回路とが閉回路を形成し、リチウムイオン二次電池を保護回路が有する所定の電圧まで確実に放電することができる。
本発明は、こうした構成を有することにより、高温時にリチウムイオン二次電池を自発的に放電させ、熱暴走する可能性をより低減する機構を提供することができる。
本実施形態の保護回路（ＣＴＲサーミスタと抵抗素子）を示す図。 ＣＴＲサーミスタ，ＮＴＣサーミスタ，ＰＴＣサーミスタの電気抵抗の温度特性を示す図。 本実施形態の保護回路（ＮＴＣサーミスタ）を示す図。 本実施形態の保護回路（バイメタル式熱スイッチと抵抗素子）を示す図。 本実施形態の保護回路の設置位置（電池上部）を示す図。 本実施形態の保護回路の設置位置（電池側面）を示す図。 本実施形態の保護回路の設置位置（電池内部）を示す図。
以下、実施例を図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態の保護回路（ＮＴＣサーミスタ）を示す図である。
図１において、リチウムイオン二次電池（１）と並列に、７個のＰＮダイオード（１０）とＣＴＲサーミスタ（１１）と抵抗素子（１２）との直列回路が接続されている。
リチウムイオン二次電池（１）の正極は、配線により直列回路の正極端子（１４）に接続されている。
リチウムイオン二次電池（１）の負極は、配線により直列回路の負極端子（１５）に接続されている。
また、リチウムイオン二次電池（１）の正極端子は、ＰＴＣサーミスタ（１３）と直列接続され、外部回路の正極端子（１６）に接続されている。
また、リチウムイオン二次電池（１）の負極端子は、外部回路の負極端子（１７）に接続されている。
ＣＴＲサーミスタ（１１）は、所定の温度付近の数℃の範囲で電気抵抗が２〜４桁程度低下し、保護回路（ＰＮダイオード（１０），ＣＴＲサーミスタ（１１），抵抗素子（１２）の直列回路）のスイッチをオンにする。
また、ＰＮダイオード（１０）は、所定の電圧以上で電気抵抗が低下し、保護回路のスイッチをオンにする。
したがって、リチウムイオン二次電池（１）が、所定の温度以上かつ所定の電圧以上のときに限って保護回路に電流が流れる。
このとき、抵抗素子（１２）の抵抗値は、保護回路が作動した時の電流値を調整し、ＰＮダイオード（１０）およびＣＴＲサーミスタ（１１）に過大電流が流れないように与えられている。
また、ＰＴＣサーミスタ（１３）は、キュリー温度付近で電気抵抗が３〜７桁程度増加し、キュリー温度以上の温度で、ＰＮダイオード（１０）とＣＴＲサーミスタ（１１）と前記抵抗素子（１２）との直列回路、および、リチウムイオン二次電池（１）が並列接続された回路を外部回路から切断する。
ＣＴＲサーミスタ，ＰＴＣサーミスタの電気抵抗の温度特性を図２に示す。図２は、ＣＴＲサーミスタ，ＮＴＣサーミスタ，ＰＴＣサーミスタの電気抵抗の温度特性を示す図である。
図２に示すように、温度６０℃付近において、ＣＴＲサーミスタの電気抵抗が急激に低下すると共に、温度７０℃付近において、ＰＴＣサーミスタの電気抵抗が上昇することがわかる。これにより、高温時にリチウムイオン二次電池を自発的に放電させ、熱暴走する可能性をより低減することができる。
図１に示す保護回路の設計例を以下に示す。
まず、保護回路の動作温度を設定し、使用するＣＴＲサーミスタの種類を決定する。例えば、電池の通常使用温度域を５０℃以下とし、７０℃以上で保護回路を動作させたいとする。このときには、ＣＴＲサーミスタとして、例えば５０℃以下での抵抗値が１０3Ω以上であり、６５〜７０℃付近で抵抗が急激に減少し、７０℃以上での抵抗値が１Ω以下になるような温度特性を持つＣＴＲサーミスタを使用する。このような温度特性を有するＣＴＲサーミスタは、バナジウム酸化物系のＣＴＲサーミスタによって得られる。
次に、保護する電池の放電終止電圧を設定し、ダイオードの種類と直列接続する個数Ｎを決定する。例えば、保護回路の動作時に電池を例えば３.３Ｖ程度まで放電したいものとする。そこで、ダイオードとして、例えばＴ［℃］における順電圧が、０.６−２.５×１０-3（Ｔ−２０）［Ｖ］で与えられるような、一般的なシリコン製のＰＮ接合ダイオードを使用するものとすると、７０℃におけるダイオードの順電圧は、｛０.６−２.５×１０-3（７０−２０）｝×Ｎ＝０.４７５Ｎ［Ｖ］で与えられる。
したがって、Ｎ＝３.３／０.４７５≒７となるので、ダイオードを７個，熱スイッチ素子に直列接続すればよい。
次に、保護回路の動作時の放電電流の値を設定し、抵抗素子の抵抗値Ｒを決定する。例えば、保護回路の動作時に電池を約０.１Ａで放電したいとする。電池の満充電時の電圧が例えば４.２Ｖであるとき、保護回路の動作時のダイオードによる電圧降下は上述のとおり約３.３Ｖであり、ＣＴＲサーミスタの抵抗は約１Ωであるので、満充電時の放電電流Ｉは、Ｉ≒（４.２−３.３）／（１＋Ｒ）によって与えられる。
したがって、Ｉ＝０.１ＡのときはＲ＝８となるので、７０℃において８Ω程度を持つ抵抗素子を熱スイッチ素子とダイオードとに直列接続すればよい。
なお、通常温度域の上限５０℃における保護回路を介した自己放電電流は、ダイオードの順電圧が、｛０.６−２.５×１０-3（５０−２０）｝×７＝３.６７５［Ｖ］であり、ＣＴＲサーミスタの抵抗が上述のとおり約１０3Ωであるから、Ｉ≒（４.２−３.６７５）／１０００≒０.５［ｍＡ］となり、１Ａｈ程度以上の容量を持つ電池の場合にはほとんど問題にならない。
最後に、電池と保護回路との並列回路を外部回路と切り離す温度を設定し、この目的のために使用する熱スイッチ素子の種類を決定する。例えば、電池と外部回路とを切り離す温度を約１００℃とすると、チタン酸バリウム系のＰＴＣサーミスタを用いれば、６０℃以下では約１Ω，８５℃で約１０Ω，１００℃で約１０2Ω，１２０℃で１０3Ω以上となる温度特性を有する熱スイッチ素子が得られる。
図３は、本実施形態の保護回路（ＮＴＣサーミスタ）を示す図である。図３を用いて、本実施形態の保護回路の別の実施例を示す。
図３において、リチウムイオン二次電池（１）と並列に、７個のＰＮダイオード（１０）とＮＴＣサーミスタ（１８）との直列回路が接続されている。
リチウムイオン二次電池（１）の正極は、配線により正極端子（１４）に接続され、リチウムイオン二次電池（１）の負極は、配線により負極端子（１５）に接続されている。
また、リチウムイオン二次電池（１）の正極端子は、ＰＴＣサーミスタ（１３）と直列接続され、外部回路の正極端子（１６）に接続されている。
また、リチウムイオン二次電池（１）の負極端子は、外部回路の負極端子（１７）に接続されている。
ＮＴＣサーミスタ（１８）は、温度の上昇に伴い電気抵抗が指数関数的に減少し、保護回路（ＰＮダイオードとＮＴＣサーミスタ）のスイッチをオンにする。
また、ＰＮダイオード（１０）は、所定の電圧以上で電気抵抗が低下し、保護回路のスイッチをオンにする。
したがって、リチウムイオン二次電池（１）が所定の温度以上かつ所定の電圧以上のときに限って、保護回路に電流が流れる。
また、ＰＴＣサーミスタ（１３）は、キュリー温度付近で電気抵抗が３〜７桁程度増加し、キュリー温度以上の温度で、ＰＮダイオード（１０）とＮＴＣサーミスタ（１８）との直列回路と、リチウムイオン電池（１）とが並列接続された回路を、外部回路から切断する。
ＮＴＣサーミスタ，ＰＴＣサーミスタの電気抵抗の温度特性を図２に示す。図２は、ＣＴＲサーミスタ，ＮＴＣサーミスタ，ＰＴＣサーミスタの電気抵抗の温度特性を示す図である。
図２に示すように、温度上昇に伴い、ＮＴＣサーミスタの電気抵抗が低下すると共に、温度７０℃付近において、ＰＴＣサーミスタの電気抵抗が上昇することがわかる。これにより、高温時にリチウムイオン二次電池を自発的に放電させ、熱暴走する可能性をより低減することができる。
図３に示す保護回路の設計例を以下に示す。
まず、保護回路の動作温度を設定し、使用するＮＴＣサーミスタの種類を決定する。例えば、電池の通常使用温度域を５０℃以下とし、９０℃以上で保護回路を動作させたいとする。ＮＴＣサーミスタの温度Ｔ［℃］における電気抵抗ＲＴは、２５℃での電気抵抗をＲ２５とすると、ＲＴ＝Ｒ２５×ｅｘｐ［Ｂ｛１／（Ｔ＋２７３.１５）−１／（２５＋２７３.１５）｝］で表わされる。
Ｂの値は、１０００〜６０００［Ｋ］程度である。例えば，バナジウム酸化物，タングステン酸化物，リン酸化物の混合系からなるＮＴＣサーミスタではＢの値は５０００〜６０００となる。例えばＢ＝６０００のＮＴＣサーミスタを用いた場合、９０℃における電気抵抗Ｒ９０は、Ｒ９０＝Ｒ２５×０.０２７３である。このＲ９０が所望の値をとるようにＲ２５を定める。Ｒ２５の定め方は後述する。
次に、保護する電池の放電終止電圧を設定し、ＰＮダイオードの種類と直列接続する個数Ｎを決定する。例えば、保護回路の動作時に当該電池を例えば３.０Ｖ程度まで放電したいものとする。そこで、ＰＮダイオードとして、例えばＴ［℃］における順電圧が、０.６−２.５×１０-3（Ｔ−２０）［Ｖ］で与えられるような、一般的なシリコンＰＮダイオードを使用するものとすると、９０℃におけるＰＮダイオードの順電圧は、｛０.６−２.５×１０-3（９０−２０）｝×Ｎ＝０.４２５Ｎ［Ｖ］で与えられる。
したがって、Ｎ＝３.０／０.４２５≒７となるので、ＰＮダイオードを７個，熱スイッチ素子に直列接続すればよい。
次に、保護回路の動作時の放電電流の値を設定し、ＮＴＣサーミスタの抵抗値Ｒ２５を決定する。例えば、保護回路の動作時に当該電池を約０.１Ａで放電したいとする。電池の満充電時の電圧が、例えば、４.２Ｖであるとき、保護回路の動作時のダイオードによる電圧降下は、上述のとおり約３.０Ｖであり、ＮＴＣサーミスタの抵抗はＲ９０であるので、満充電時の放電電流Ｉは、Ｉ≒（４.２−３.０）／Ｒ９０によって与えられる。
したがって、Ｉ＝０.１ＡのときはＲ９０＝１２となる。上記の式より、Ｒ２５＝Ｒ９０／０.０２７３≒４４０であるので、２５℃において４４０Ω程度を持つＮＴＣサーミスタを熱スイッチとすればよい。
なお、通常の温度域の上限５０℃における保護回路を介した自己放電電流は、ダイオードの順電圧が｛０.６−２.５×１０-3（５０−２０）｝×７＝３.６７５［Ｖ］であり、５０℃におけるＮＴＣサーミスタの抵抗Ｒ５０は、上記の式より、Ｒ５０＝Ｒ２５×ｅｘｐ（６０００／３２３.１５−６０００／２９８.１５）＝Ｒ２５×０.２１１≒９３［Ω］であるから、Ｉ≒（４.２−３.６７５）／９３≒５.６［ｍＡ］となり、１Ａｈ程度以上の容量を持つ電池の場合にはほとんど問題にならない。
最後に、電池と保護回路との並列回路を外部回路と切り離す温度を設定し、この目的のために使用する熱スイッチ素子の種類を決定する。例えば、電池と外部回路とを切り離す温度を約１００℃とすると、チタン酸バリウム系のＰＴＣサーミスタを用いれば、６０℃以下では約１Ω，８５℃で約１０Ω，１００℃で約１０2Ω，１２０℃で１０3Ω以上となる温度特性を持つ熱スイッチ素子が得られる。
図４は、本実施形態の保護回路（バイメタル式熱スイッチと抵抗素子）を示す図である。図４を用いて、本実施形態の保護回路の別の実施例を示す。
図４において、リチウムイオン二次電池（１）と並列に、７個のＰＮダイオード（１０）とバイメタル式熱スイッチ（１９）と抵抗素子（１２）との直列回路が接続されている。
リチウムイオン二次電池（１）の正極は、配線により正極端子（１４）に接続され、リチウムイオン二次電池（１）の負極は、配線により負極端子（１５）に接続されている。
また、リチウムイオン二次電池（１）の正極端子は、ＰＴＣサーミスタ（１３）と直列接続され、外部回路の正極端子（１６）に接続されている。
また、リチウムイオン二次電池（１）の負極端子は、外部回路の負極端子（１７）に接続されている。
バイメタル式熱スイッチ（１９）は、熱膨張率の異なる２種類の金属板を貼り合わせると、この貼り合わせた金属板の形状が温度変化に伴って片側に反るように変化する性質を利用した熱スイッチ素子であり、所定の温度以上で閉状態になり、保護回路（ＰＮダイオード（１０），バイメタル式熱スイッチ（１９），抵抗素子（１２））のスイッチをオンにする。
また、ＰＮダイオード（１０）は、所定の電圧以上で電気抵抗が低下し、保護回路のスイッチをオンにする。
したがって、リチウムイオン二次電池（１）が、所定の温度以上かつ所定の電圧以上のときに限って、保護回路に電流が流れる。
このとき、抵抗素子（１２）の抵抗値は、保護回路に流れる電流値を調節し、ＰＮダイオード（１０）およびバイメタル式熱スイッチ（１９）に過大電流が流れないように与えられている。
また、ＰＴＣサーミスタ（１３）は、キュリー温度付近で電気抵抗が３〜７桁程度増加し、キュリー温度以上の温度で、ＰＮダイオード（１０）とバイメタル式熱スイッチ（１９）と抵抗素子（１２）との直列回路と、リチウムイオン二次電池（１）とが並列接続された回路を外部回路から切断する。
図４に示す保護回路の設計例を以下に示す。
まず、保護回路の動作温度を設定し、使用するバイメタル式熱スイッチの種類を決定する。例えば、電池の通常の使用温度域を５０℃以下とし、８０℃以上で保護回路を動作させたいとする。この動作温度は、一般的な鉄とニッケルの合金、および、鉄とニッケルの合金にマンガン，クロム，銅などを添加した金属を使用したバイメタル式熱スイッチによって得られる。例えば、常温では開状態で、８０℃以上で閉状態となる熱スイッチで、開状態の抵抗が１００ＭΩ以上、閉状態の抵抗が５０ｍΩ以下であるものを使用するものとする。
次に、保護する電池の放電終止電圧を設定し、ＰＮダイオードの種類と直列接続する個数Ｎを決定する。例えば、保護回路の動作時に電池を例えば３.２Ｖ程度まで放電したいものとする。そこで、ＰＮダイオードとして、例えばＴ［℃］における順電圧が、０.６−２.５×１０-3（Ｔ−２０）［Ｖ］で与えられるような、一般的なシリコンＰＮダイオードを使用するものとすると、８０℃におけるＰＮダイオードの順電圧は、｛０.６−２.５×１０-3（８０−２０）｝×Ｎ＝０.４５５Ｎ［Ｖ］で与えられる。
したがって、Ｎ＝３.２／０.４５５≒７となるので、ＰＮダイオードを７個、熱スイッチ素子に直列接続すればよい。
次に、保護回路の動作時の放電電流の値を設定し、抵抗素子の抵抗値Ｒを決定する。例えば、保護回路の動作時に電池を約０.１Ａで放電したいとする。電池の満充電時の電圧が例えば４.２Ｖであるとき、保護回路の動作時のダイオードによる電圧降下は上述のとおり約３.２Ｖであり、熱スイッチ素子の抵抗は５０ｍΩ以下であるので、満充電時の放電電流Ｉは、Ｉ≒（４.２−３.２）／（Ｒ＋０.０５）によって与えられる。
したがって、Ｉ＝０.１ＡのときはＲ＝１０となるので、８０℃において１０Ω程度を持つ抵抗素子を熱スイッチ素子とダイオードとに直列接続すればよい。通常の温度域の保護回路を介した自己放電電流は、開状態での熱スイッチ素子の抵抗が１００ＭΩ以上と大きいため問題にならない。
最後に、電池と保護回路との並列回路を、外部回路と切り離す温度を設定し、この目的のために使用する熱スイッチ素子の種類を決定する。例えば、電池と外部回路とを切り離す温度を約１００℃とすると、チタン酸バリウム系のＰＴＣサーミスタを用いれば、６０℃以下では約１Ω，８５℃で約１０Ω，１００℃で約１０2Ω，１２０℃で１０3Ω以上となる温度特性を持つ熱スイッチ素子が得られる。
以上のとおり、これら本実施例に示した保護回路は、電池温度が上昇した場合に、熱スイッチの温度が上昇して電気抵抗が低下することによって、電池の自発的な放電を発生させることを目的とする。
したがって、熱スイッチ素子の温度が電池の温度に追随して変化する必要がある。このため、保護回路を電池と熱的に接触させることが望ましい。そのためのこれら本実施例の保護回路の設置場所について、以下に参考例を示す。
図５は、保護回路の設置位置の参考例を示す。
円筒形の電池缶（２１）の側面および底面および上面の外縁部分は、電池の負極に電気的に接続されている。また、上面部の中央部分は、電池の正極と接続されている。
上面部の中央部分には正極タブ（２２）を有し、正極タブ（２２）は絶縁材（２３）によって電池缶（２１）と絶縁されている。
また、保護回路のうち、熱スイッチ素子とダイオードと抵抗素子との直列回路（２ａ）の正極端子（１４）は配線（２４）によって正極タブ（２２）と電気的に接続されている。
また、直列回路（２ａ）の負極端子（１５）は電池缶（２１）の上面に設置され、電池缶（２１）と熱的に接続されており、かつ電気的に接続されている。
また、正極タブ（２１）にはＰＴＣサーミスタ（２ｂ）が接触させられており、正極タブ（２１）はＰＴＣサーミスタ（２ｂ）を介してのみ、外部回路と電気的に接続される。
このように設置することにより、有効に電池の温度状態を感知することができる。
図６は、保護回路の設置位置の別の参考例を示す。
円筒形の電池缶の側面および底面および上面の外縁部分は、電池の負極に電気的に接続されている。また、底面部は中央部に負極タブ（３１）を有する。
また、上面部の中央部分は、正極タブ（３２）を有し、正極タブ（３２）は電池の正極と電気的に接続されており、かつ、絶縁材（３３）によって電池缶と絶縁されている。
電池缶は、固定金具（３５）によって外部器具に固定されている。固定金具（３５）と電池缶とは、直接または電池缶の保護フィルムを介して熱的に接触している。
また、保護回路（熱スイッチ素子・ダイオード・抵抗素子の直列回路（３））のうち、熱スイッチ素子とタイオードと抵抗素子の直列回路（３）の正極端子（１４）は配線（３４）によって正極タブ（３２）と電気的に接続されている。
また、熱スイッチ素子とダイオードと抵抗素子の直列回路（３）の負極端子（１５）は配線（３４）によって負極タブ（３１）と電気的に接続されている。
また、熱スイッチ素子とダイオードと抵抗素子の直列回路（３）は、固定金具（３５）上に設置されることによって、電池缶と熱的に接続されている。
このように設置せることにより、有効に電池の温度状態を感知することができる。
図７は、保護回路の設置位置の別の参考例を示す。図７は、円筒形電池の断面図を示したものである。
この参考例では、保護回路は電池缶の内部に組み込まれている。
捲回体（４１）は、正極と負極とをセパレータを介して対向させて捲回したものであり、捲回体（４１）からは、電池蓋（４２）の方向に正極集電箔（４３）が、電池缶（４９）の底部方向に負極集電箔（４４）が突出している。
正極集電箔（４３）は、正極集電リング（４５）およびＰＴＣ素子（４６）を介して電池蓋（４２）に電気的に接続されている。
また、負極集電箔（４４）は、負極集電リング（４８）を介して電池缶（４９）に電気的に接続されている。
上述の実施例で記載した保護回路のうち、正極端子（１４），ＰＮダイオード（１０），熱スイッチ素子としてのＣＴＲサーミスタ（１１），抵抗素子（１２），負極端子（１５）の直列回路は、捲回体（４１）の軸内部に組み込まれている。
正極端子（１４）は正極集電リング（４５）に接続されている。また、負極端子（１５）は電池缶（４９）に接続されている。直列回路の周囲は、絶縁体（５０）で覆われているので、ＰＮダイオード（１０），ＣＴＲサーミスタ（１１），抵抗素子（１２）は電解液とは接触しない。
また、保護回路は電池の内部と熱的に一体である。
図７のような構成においても、高温かつ高電圧時の自発的な放電機構が提供される。
以上、実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されない。これらの点に関しては、本発明の主旨を損なわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
以上説明したように、本発明によって、リチウムイオン二次電池が所定の温度以上では所定の電圧まで自発的に放電される機構を有する保護回路が提供され、リチウムイオン二次電池が熱暴走する可能性をより低減することが可能になる。
本発明は、二次電池の保護回路に係り、特に、リチウムイオン二次電池の保護回路に利用可能である。
１ リチウムイオン二次電池
１０ ＰＮダイオード
１１ ＣＴＲサーミスタ
１２ 抵抗素子
１３ ＰＴＣサーミスタ
１４ 正極端子
１５ 負極端子
１６ 外部回路の正極端子
１７ 外部回路の負極端子
１８ ＮＴＣサーミスタ
１９ バイメタル式熱スイッチ

Claims (7)

  1. 二次電池の保護回路において、
    前記二次電池と電気的に並列接続され、熱的に接触され、温度の上昇に伴い電気抵抗が低下する熱スイッチ素子を備えることを特徴とする二次電池の保護回路。
  2. 請求項１において、
    前記熱スイッチ素子に電気的に直列接続された少なくとも一つのダイオードを有することを特徴とする二次電池の保護回路。
  3. 請求項１において、
    前記熱スイッチ素子に電気的に直列接続された少なくとも一つの抵抗素子を有することを特徴とする二次電池の保護回路。
  4. 請求項１において、
    前記熱スイッチ素子は、所定温度以上で急激に電気抵抗が低下するクリテジスタであることを特徴とする二次電池の保護回路。
  5. 請求項１において、
    前記熱スイッチ素子は、負の温度係数を持つ負温度係数サーミスタであることを特徴とする二次電池の保護回路。
  6. 請求項１において、
    前記熱スイッチ素子は、所定温度以上でオンになるバイメタル式サーモスタットであることを特徴とする二次電池の保護回路。
  7. 請求項１において、
    前記二次電池の保護回路を電池ケースの内部に有することを特徴とする二次電池。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012086526A1 (ja) * 2010-12-20 2012-06-28 Ｆｄｋ鳥取株式会社 外付けｐｔｃ素子ユニット及び電池
JP2015089170A (ja) * 2013-10-28 2015-05-07 三菱自動車工業株式会社 電池装置
KR101614434B1 (ko) * 2012-08-31 2016-05-02 주식회사 엘지화학 안전성이 향상된 배터리 셀
KR20170036321A (ko) * 2015-09-24 2017-04-03 주식회사 엘지화학 전지셀의 방전 시에만 전류가 흐를 수 있도록 구성된 우회 경로를 포함하는 안전 유닛

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2507268A (en) * 2012-10-23 2014-04-30 Ford Global Tech Llc Fast heat steering wheel
AU2013353845B2 (en) 2012-12-04 2018-06-07 Oxford University Innovation Limited Sensor, controller and system
US9627722B1 (en) 2013-09-16 2017-04-18 American Lithium Energy Corporation Positive temperature coefficient film, positive temperature coefficient electrode, positive temperature coefficient separator, and battery comprising the same
WO2015149186A1 (en) * 2014-04-02 2015-10-08 Corvus Energy Ltd. Method, system, and apparatus for inhibiting thermal runaway of a battery cell
US9751427B2 (en) * 2014-09-03 2017-09-05 Ford Global Technologies, Llc Vehicle traction battery thermal conditioning
US10020545B2 (en) 2014-11-25 2018-07-10 American Lithium Energy Corporation Rechargeable battery with resistive layer for enhanced safety
US10396341B2 (en) 2014-11-25 2019-08-27 American Lithium Energy Corporation Rechargeable battery with internal current limiter and interrupter
CN115603009A (zh) 2014-11-25 2023-01-13 美国锂能源公司（Us） 配置在可充电电池中的保护层、可充电电池及方法
US10020487B2 (en) 2014-11-25 2018-07-10 American Lithium Energy Corporation Rechargeable battery with voltage activated current interrupter
WO2016089698A1 (en) * 2014-12-01 2016-06-09 Ec Power, Llc All solid-state lithium battery
CN110574198B (zh) 2017-05-01 2023-09-12 美国锂能源公司 负热膨胀电流断续器
WO2019023683A1 (en) 2017-07-28 2019-01-31 American Lithium Energy Corporation ANTI-CORROSION COATING FOR BATTERY CURRENT COLLECTOR
KR20210027948A (ko) * 2019-09-03 2021-03-11 주식회사 엘지화학 배터리 팩, 이를 포함하는 배터리 랙 및 전력 저장 장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10302762A (ja) * 1997-02-28 1998-11-13 Sumitomo Chem Co Ltd サーマルスイッチを有するリチウム二次電池
JPH11191436A (ja) * 1997-12-26 1999-07-13 Hitachi Ltd 蓄電保護器

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3582856A (en) * 1969-06-18 1971-06-01 Gen Electric Temperature sensing relay
US4163186A (en) * 1977-10-06 1979-07-31 Haley William E Battery state-of-charge indicator
JP2961853B2 (ja) * 1990-09-26 1999-10-12 ソニー株式会社 二次電池の保護装置
US6977343B2 (en) * 2000-05-18 2005-12-20 Sony Corporation Heat-sensitive material and heat-sensitive element
JP4751500B2 (ja) * 2000-06-23 2011-08-17 トヨタ自動車株式会社 電極捲回型二次電池
US6891353B2 (en) * 2001-11-07 2005-05-10 Quallion Llc Safety method, device and system for an energy storage device
US20080174263A1 (en) * 2007-01-22 2008-07-24 Snap-On Incorporated Battery charger for different capacity cells
JP2009005559A (ja) * 2007-06-25 2009-01-08 Mitsumi Electric Co Ltd 電池パック
JP4953249B2 (ja) 2007-11-22 2012-06-13 ソニーモバイルコミュニケーションズ株式会社 携帯機器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10302762A (ja) * 1997-02-28 1998-11-13 Sumitomo Chem Co Ltd サーマルスイッチを有するリチウム二次電池
JPH11191436A (ja) * 1997-12-26 1999-07-13 Hitachi Ltd 蓄電保護器

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012086526A1 (ja) * 2010-12-20 2012-06-28 Ｆｄｋ鳥取株式会社 外付けｐｔｃ素子ユニット及び電池
KR101614434B1 (ko) * 2012-08-31 2016-05-02 주식회사 엘지화학 안전성이 향상된 배터리 셀
JP2015089170A (ja) * 2013-10-28 2015-05-07 三菱自動車工業株式会社 電池装置
KR20170036321A (ko) * 2015-09-24 2017-04-03 주식회사 엘지화학 전지셀의 방전 시에만 전류가 흐를 수 있도록 구성된 우회 경로를 포함하는 안전 유닛
KR102123672B1 (ko) * 2015-09-24 2020-06-16 주식회사 엘지화학 전지셀의 방전 시에만 전류가 흐를 수 있도록 구성된 우회 경로를 포함하는 안전 유닛

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