JP2011243382A

JP2011243382A - 二次電池回路

Info

Publication number: JP2011243382A
Application number: JP2010113808A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Yokote; 公博横手
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-12-01

Abstract

【課題】単位電池の内部ショートに対する損傷の拡大を防止させ、溶断時のヒューズに高電圧を印加させることなく安全に不具合単位電池を切断できる二次電池回路を提供する。
【解決手段】単位電池と、複数の前記単位電池Ｅ１，Ｅ２，・・・Ｅｎを並列に接続して構成された組電池と、該組電池におけるそれぞれの単位電池に直列に接続された単位ヒューズＦ１，Ｆ２，・・・Ｆｎと、前記組電池の負極側にアノードが接続され、前記組電池の正極側にカソードが接続されたダイオードＤを備える。二次電池ユニットは、前記組電池を直列に接続して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池等からなる多数の単位電池を直並列接続して高電圧・高電流を発生する二次電池回路に関する。

ハイブリッド車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等の電力駆動エネルギー源として、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等が用いられている。これらの単位電池（単位セル）は出力電圧が低く且つ電流容量も小さいため、複数の単位電池を並列に接続して組電池を構成し、この組電池を複数直列に接続する回路構成や、複数の単位電池を直列接続して組電池を構成し、この組電池を複数並列に接続する回路構成などからなる二次電池回路が用いられている。

係る二次電池回路においては、過充電・過放電、負荷短絡、電池内部短絡等への対策が必要である。このため、二次電池回路全体としての電圧モニタリングを行い、充放電を調整する調整回路や、異常時に対する保護回路を付加している。また、例えば直列接続された単位電池の逆充電状態や過充電状態を検出し、これらを回避する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００１−６７５１号公報

しかしながら、上記の対策は負荷を含む二次電池回路全体としての保護を行うものであるものの、並列接続した単位電池に内部短絡が生じた場合に、短絡が生じた単位電池のみを安全に回路系から切り離すことができない。

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、複数の単位電池を直並列接続した高電流・高電圧二次電池回路において、単位電池の内部ショートに対する損傷の拡大を防止させ、溶断時のヒューズに高電圧を印加させることなく安全に不具合単位電池を切断し、二次電池回路全体のエネルギー供給能力をある程度維持することができる二次電池回路を提供することを目的とする。

本発明の二次電池回路は、単位電池と、複数の前記単位電池を並列に接続して構成された組電池と、該組電池におけるそれぞれの単位電池に直列に接続された単位ヒューズと、前記組電池の負極側にアノードが接続され、前記組電池の正極側にカソードが接続されたダイオードを備えたことを特徴とする。

これにより、単位電池の内部ショートに対して、該単位電池に直列接続したヒューズが溶断し、該単位電池を回路系から分離することで、損傷の拡大を防止することができる。また、組電池に並列にダイオードを備えることで、ダイオード両端間の電圧をその順方向電圧にクランプすることができ、溶断時のヒューズに高電圧を印加させることなく安全に不具合単位電池を分離することができる。また、ヒューズ溶断後も二次電池回路全体のエネルギー供給能力が完全に停止しないため、負荷を暫定的に稼動させることが可能となる。

本発明の一実施例の二次電池ユニットの１組の組電池部分を示す回路図である。上記１組の組電池部分を直列接続した二次電池ユニットから高電圧・高電流を負荷に供給する二次電池回路の回路図である。上記１組の組電池部分の単位電池に内部短絡が生じた場合の電流経路を示す回路図である。上記二次電池回路において、単位電池に内部短絡が生じた場合の電流経路を示す回路図である。図４の回路例の場合の各単位電池に流れる電流を示すグラフである。１組の組電池部分のすべてのヒューズが溶断した場合のダイオードの動作を示す回路図である。複数の直列接続した組電池のうちの、２以上の組電池に対して一つのダイオードが接続された二次電池ユニットの回路図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図７を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明の一実施例の二次電池ユニットの組電池部分を示す。本発明の二次電池ユニットを構成する組電池は、単位電池Ｅ１，Ｅ２，・・・Ｅｎを並列に接続し、それぞれの単位電池Ｅに直列に単位ヒューズＦ１，Ｆ２，・・・Ｆｎを接続し、並列に接続された前記単位電池からなる回路における負極側にアノードが接続され、正極側にカソードが接続されたダイオードDとを備える。単位電池が内部短絡するなどして故障した場合には、単位ヒューズＦ１，Ｆ２，・・・Ｆｎのうち故障した単位電池に対応したいずれかのヒューズが切れて電流を遮断し、故障した単位電池を回路系から分離する。

リチウムイオン二次電池は、充電時や放電時における電極の収縮によって、単位電池が変形し、電極が変形して内部短絡が生じるという問題がある。また、内部短絡時の発熱により陽極−陰極間のセパレータが熱変形し、イオンが通る穴を塞ぐ為、抵抗値が増加し短絡電流を抑える場合があるが、その後再度短絡する可能性がある。このため、他の単位電池に短絡電流が波及しないように、ヒューズを配置することが有効である。

そして、図１に示すように、単位電池Ｅを並列接続した組電池の負極側にアノードが、正極側にカソードが接続されたダイオードＤを有する。負荷Ｒが二次電池ユニットＵに接続された定常状態ではダイオードＤは並列組電池の起電力で逆バイアスとなり、負荷電流はダイオードＤには流れず、並列接続した組電池の経路のみとなる。

図２は、本発明の一実施例の二次電池回路を示す。複数の組電池を直列に接続して二次電池ユニットＵを構成している。各組電池部分の出力はＬｉイオン電池の場合、３．７Ｖ程度であるが、数十段〜百数十段直列に積み上げて接続することで、HEV、EVで必要な数百Vの高電圧を供給できるようになっている。二次電池ユニットＵには、負荷Ｒが接続され、該負荷に直列にメインヒューズＦ0が接続されている。

ここで、単位ヒューズＦ１，Ｆ２，・・・Ｆｎは、メインヒューズＦ０よりも遅く溶断するものを用いることが望ましい。一般に電力ヒューズは、ヒューズエレメント部分の太さ、長さ、材料によってヒューズエレメントが溶断する電流の大きさが規定され、またヒューズエレメントと接触させる芯材や消孤剤などによって放熱性を調整することで、溶断に至るまでの時間を調整することができる。これらによって規定される溶断特性から、Ｆ１，Ｆ２，・・・ＦｎやＦ０として適した溶断特性を有するヒューズを選択することができる。負荷Ｒが短絡した場合、メインヒューズＦ０が先に溶断するようにＦ１〜Ｆｎの合成の溶断特性を遅くすることにより、ヒューズ溶断後の二次電池ユニットの全体電圧がメインヒューズに掛かるようになり、二次電池ユニットの各段間毎の分割した電圧が低くなる。従って、ヒューズＦ１〜Ｆｎは低電圧定格のヒューズを用いることが可能となる。

図２において、ひとつの単位電池（例えばＦ１と直列につながる単位電池Ｅ１）が内部短絡を起こした場合、図３に示すように、ヒューズＦ１には他の並列に接続された単位電池から電流が流れ込み、式（１）に示すように、他のヒューズよりも大きな電流となり一番早く溶断する。
i1=i2=・・・＝in＝i IF1=(n−1)i (1)

しかしながら、実際に負荷Ｒがつながっている場合には、負荷電流と単位電池の短絡抵抗値Rsのバランスで必ずしも内部短絡電池のヒューズF1が先に溶断するとは限らない。また負荷電流や単位電池内部短絡電流の大きさによっては全てが溶断する可能性も考えられる。図４に示す回路の場合に、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３のいずれかの単位電池がショートした場合、例えばヒューズＦ１につながるＥ１がショートした場合、ヒューズＦ１、Ｆ２、Ｆ３に流れる電流は、
I1＝I2＝I3＝ I0/3、また、i1＝ i2＝i3＝iとすると、

IF1＝I0/3−2×i、IF2＝IF3＝I0/3 ＋i
内部短絡電流 is ＝ i1＋i2＋i3＝3×i、i＝ is/3 となり、
IF1＝ 1/3（I0 −2×is）、IF2＝ IF3＝ 1/3（I0＋is）となる。

従って、図５に示すように、短絡電流ｉｓが定常負荷電流Ｉ０の２倍になったとき、３つのヒューズＦ１、Ｆ２、Ｆ３の電流絶対値は等しくなる。それ以下の場合は、ヒューズＦ２、Ｆ３の電流が大きくなり、短絡電流ｉｓが２倍（２×Ｉ０）以上ではヒューズＦ１に流れる電流の方が大きくなる。ヒューズＦ０には影響しない。

また、直列に組電池部分が多数段積み上げられた二次電池ユニットUは数百ボルトの電圧になり、ヒューズの遮断容量定格では大電流・高耐圧が必要となる。しかしながら、この遮断容量を満足するヒューズは一般的に大型で、特に面実装タイプでは構造上困難であり、遮断容量定格で高耐圧品の必要が無いような対策が必要とされる。更に、二次電池ユニットUの負荷Rの短絡時にメインヒューズＦ０より並列接続した組電池の各ヒューズＦ１〜Ｆｎが先に溶断した場合にも、同様に各ヒューズに高電圧が印加されるので同様な対策が必要となる。

例えば、ある単位電池が内部短絡を起こし、最終的にヒューズＦ１〜Ｆｎが全て溶断した場合など、溶断時におけるヒューズの両端に二次電池ユニットU全体の高電圧が掛かり、ヒューズが破裂して周囲を損傷させたり、続流が発生する可能性がある。このため、上述したように高電圧定格のヒューズを用いなければならず、大型化し面実装化が困難である。

以上の対策として、本発明では、ダイオードDを各組の組電池Ｅ１，Ｅ２，・・・Ｅｎ部分に並列に接続することにより、図6に示すように、溶断しようとするヒューズ端子間の電圧はダイオードDの順方向電圧VFにクランプされ、前述のような破損状態を防止することができる。また、低電圧定格の小型面実装ヒューズが使用可能となる。

なお、図7に示すように、複数の組電池部分のうちの、２以上の組電池部分に対して一つのダイオードＤを接続するようにしてもよい。二次電池ユニットは並列接続した組電池部分を数十段〜百数十段直列に積み上げるため、ダイオードＤの員数が多くなる。このため、複数の組電池を直列接続した出力電圧及びダイオードＤの逆耐圧の許容範囲で、複数の段数の組電池毎にダイオードＤを入れることにより、ダイオードＤの員数を減らすことが可能となる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明は、リチウムイオン二次電池等の単位電池を多数直並列接続して高電圧・高電流を発生する二次電池回路に利用可能である。

Claims

単位電池と、
複数の前記単位電池を並列に接続して構成された組電池と、
該組電池におけるそれぞれの単位電池に直列に接続された単位ヒューズと、
前記組電池の負極側にアノードが接続され、前記組電池の正極側にカソードが接続されたダイオードを備えた、二次電池ユニット。
複数の前記組電池を直列に接続して構成された請求項１に記載の二次電池ユニット。
前記二次電池ユニットと接続される負荷と、
該負荷に直列にメインヒューズを接続した、二次電池回路。
前記単位ヒューズは、前記メインヒューズよりも遅く溶断する、請求項３に記載の二次電池回路。
複数の前記組電池を直列に接続して構成され、
前記複数の組電池のうちの、２以上の組電池に対して一つのダイオードが接続された、請求項１に記載の二次電池ユニット。