JP2014121120A - 保護回路、バッテリユニット - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリセル等に異常が発生した場合に、回路全体の安全を図りつつ、回路全体が切れる事態を防止し、必要な電力を供給する。
【解決手段】複数のバッテリセル２が直列に接続された複数のバッテリスタック３が並列に接続された保護回路１において、各バッテリスタック２には、発熱抵抗体１４と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに発熱抵抗体１４の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体１３とを備える保護素子５が組み込まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子を用いて、バッテリユニットの過電流や過電圧を防止する保護回路に関する。

近年、バッテリとモーターを使用したＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）やＥＶ（Electric Vehicle）が急速に普及している。ＨＥＶやＥＶの動力源としては、エネルギー密度と出力特性からリチウムイオン二次電池が使用されるようになってきている。自動車用途では、高電圧、大電流が必要とされる。このため、高電圧、大電流に耐えられる専用セルが開発されているが、製造コスト上の問題から多くの場合、複数のバッテリセルを直列、並列に接続することで、汎用セルを用いて必要な電圧電流を確保している。

リチウムイオン二次電池は優れた特性を持っているが、充放電特性の管理が不可欠で、異常なバッテリセルに対して通常通りの処理をしていると、発火や爆発といった危険を発生しかねない。したがって、バッテリセルが複数になると、セル間の電圧バランスが重要となり、異常なセルが含まれると、そのほかの正常なセルにも影響を与え、正しい充放電が行われなくなってしまうという問題がある。

このような事態を避けるために、多くのリチウムイオン二次電池を使用したバッテリーシステムでは、充放電経路上に接続されたヒューズ素子と、バッテリ全体を管理する電源管理システム（ＢＭＳ：Battery Management System）とが組み込まれている。ＢＭＳではバッテリセルごとの充放電状態（電圧、容量など）を管理しており、異常が検知されると、ＦＥＴスイッチなどを使ってヒューズ素子に外部から信号を与えて回路の出力部分を遮断し、異常発熱による出火等のトラブルを回避する。

近年では、これまで行われてきたような充放電の状態管理（ＳＯＣ：State of Charge）だけではなく、バッテリーシステムの容量劣化（ＳＯＨ：State of Health）、バッテリ寿命（ＳＯＬ：State of Life）の考えに基づくバッテリーシステム管理が重要視されてきている。

特許第４２０７８７７号公報

一方で、高速移動中の自動車等では、急激な駆動力の低下や急停止は却って危険な場合があり、非常時を想定したバッテリ管理が求められている。例えば、走行中にバッテリーシステムの異常が起きた際にも、修理工場もしくは安全な場所まで移動するための駆動力、あるいはハザードランプやエアコン用の駆動力を供給できることが、危険回避上、好ましい。

また、異常を起こしたバッテリーシステムにおいては、異常なバッテリセルが電気回路上に存在しており、何らかの電気的な異常、誤動作などで、ふたたび使用されるようになる可能性は完全には否定できない。自動車では定期点検があり、その際に不具合のある電池セルを交換すればよいが、それまでの間、異常なものを電気回路上に持っていなければならない。可能であれば、電気回路上から取り去ることができれば、より一層の安全性を手に入れることが出来る。

さらに、ＨＥＶやＥＶ用途では、バッテリーシステムそのものの異常以外にも、事故や水没等の緊急事態にも、バッテリーシステムに起因する２次被害を防ぐために、電気回路を遮断させる必要が生じうる。また、電動工具の用途では、一部のバッテリセルに異常が生じた場合に全く駆動しないよりも、出力が多少落ちても駆動することが好ましい。

そこで、本発明は、バッテリセル等に異常が発生した場合に、回路全体の安全を図りつつ、回路全体が切れる事態を防止し、必要な電力を供給することができる保護回路、及びバッテリユニットを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る保護回路は、複数のバッテリセルが直列に接続された複数のバッテリスタックが並列に接続された保護回路において、上記各バッテリスタックには、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに上記発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを備える保護素子が組み込まれているものである。

また、本発明に係るバッテリユニットは、複数のバッテリセルが直列に接続された複数のバッテリスタックが並列に接続されたバッテリユニットにおいて、上記各バッテリスタックには、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに上記発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを備える保護素子が組み込まれ、上記複数のバッテリスタックは、上記保護素子がバッテリスタック毎に個別に制御されることにより、異常が起きたバッテリセルを有する上記バッテリスタックのみを回路上から除去するものである。

本発明によれば、一部のバッテリセルに異常が生じた場合、当該異常バッテリセルが組み込まれたバッテリスタックの保護素子を溶断させることにより、当該バッテリスタックを充放電経路上から除くとともに、残りのバッテリスタックによって電力を供給させることができる。

また、本発明によれば、保護素子として、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを備える保護素子を用いているため、可溶導体が溶断することにより、当該バッテリスタックを不可逆的に回路上から遮断することができる。

さらに、本発明によれば、発熱抵抗体を発熱させるトリガーを過電圧以外にも設定することができ、バッテリによって駆動される機器側に応じて、必要な場面でバッテリスタックを電流経路上から遮断することができる。

本発明が適用された保護回路が形成されたバッテリユニットを示す図である。 保護素子の構成を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 保護素子の回路図である。 バッテリスタックの一構成例を示す図である。 バッテリスタックの他の構成例を示す図である。 バッテリスタックの他の構成例を示す図である。 バッテリスタックの他の構成例を示す図である。 バッテリスタックの他の構成例を示す図である。

以下、本発明が適用された保護回路、及びバッテリユニットについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［保護回路］
本発明が適用された保護回路１は、図１に示すように、複数のバッテリセル２が直列に接続された複数のバッテリスタック３を有し、各バッテリスタック３同士が、並列に接続されている。各バッテリスタック３には、それぞれ、保護素子５と、各バッテリセル２の異常電圧を検知する検知素子６と、バッテリスタック３内の充放電を制御するとともに、検知素子６の検出結果に応じて保護素子５を駆動するＢＭＳ制御素子７とが組み込まれている。

また、各バッテリスタック３は、充電モードと放電モードとを切り替えるスイッチ８と、充電モードの充電電流を流す充電用ダイオード９と、放電モードの放電電流を流す放電用ダイオード１０とを備える。

［保護素子の構成］
保護素子５は、バッテリスタック３の出力を安全に遮断するために、制御素子７からの信号によって電流経路を遮断する機能を有するヒューズ素子からなり、電流経路の一部を構成するヒューズエレメントが溶断することにより、不可逆的に当該バッテリスタック３の電流経路を遮断する。

具体的に、保護素子５は、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱抵抗体１４と、絶縁基板１１の両端に形成された電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と、絶縁部材１５上に発熱抵抗体１４と重畳するように積層された発熱体引出電極１６と、両端が電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。

方形状の絶縁基板１１は、たとえば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成される。その他、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、ヒューズ溶断時の温度に留意する必要がある。

発熱抵抗体１４は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、たとえばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ等からなる。これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板１１上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成する。

発熱抵抗体１４を覆うように絶縁部材１５が配置され、この絶縁部材１５を介して発熱抵抗体１４に対向するように発熱体引出電極１６が配置される。発熱抵抗体１４の熱を効率良く可溶導体に伝えるために、発熱抵抗体１４と絶縁基板１１の間に絶縁部材１５を積層しても良い。

発熱体引出電極１６の一端は、発熱体電極１８（Ｐ１）に接続される。また、発熱抵抗体１４の他端は、他方の発熱体電極１８（Ｐ２）に接続される。

可溶導体１３は、発熱抵抗体１４の発熱、又は可溶導体１３の自己発熱により速やかに溶断される低融点金属からなり、例えばＳｎを主成分とするＰｂフリーハンダを好適に用いることができる。また、可溶導体１３は、低融点金属と、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金等の高融点金属との積層体であってもよい。

高融点金属と低融点金属とを積層することによって、保護素子５をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属層の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、可溶導体１３として溶断するに至らない。かかる可溶導体１３は、高融点金属に低融点金属をメッキ技術を用いて成膜することによって形成してもよく、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いることによって形成してもよい。なお、可溶導体１３は、外層を構成する低融点金属を用いて、発熱体引出電極１６及び電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）へ、ハンダ接続することができる。

なお、保護素子５は、外層の低融点金属層１３ｂの酸化防止のために、可溶導体１３上のほぼ全面にフラックス１７を塗布してもよい。また、保護素子５は、内部を保護するためにカバー部材１９を絶縁基板１１上に載置してもよい。

以上のような本発明が適用された保護素子５は、図３に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子５は、発熱体引出電極１６を介して直列接続された可溶導体１３と、可溶導体１３の接続点を介して通電して発熱させることによって可溶導体１３を溶融する発熱抵抗体１４とからなる回路構成である。また、保護素子５では、たとえば、可溶導体１３が充放電電流経路上に直列接続され、発熱抵抗体１４がＢＭＳ制御素子７と接続される。保護素子５の２個の電極１２のうち、一方は、Ａ１に接続され、他方は、Ａ２に接続される。また、発熱体引出電極１６とこれに接続された発熱体電極１８は、Ｐ１に接続され、他方の発熱体電極１８は、Ｐ２に接続される。

［ＢＭＳ制御素子７／検知素子６］
検知素子６は、各バッテリセル２の電圧を検出する。ＢＭＳ制御素子７は、検知素子６の検出結果に応じて、発熱体電極１８に通電し、保護素子５の可溶導体１３を溶断する。

なお、保護素子５は、バッテリセル２の異常による過電流によっても、可溶導体１３が自己発熱によって溶断し、電流経路を遮断することができる。あるいは、保護素子５は、検知素子６によって過電流を検知しＢＭＳ制御素子７によって発熱抵抗体１４を発熱させ、可溶導体１３を溶断させてもよい。

このように、保護素子５は、可溶導体１３が発熱抵抗体１４の熱によって、あるいは自己発熱によって溶断するため、電流経路を不可逆的に遮断することができ、回路の異常動作による影響がない。したがって、保護素子としての機能を確実に実現することができる。また、保護素子５は、いわゆるヒューズ方式の保護素子のように、過電流でのみ動作するものではなく、異常電圧や、後述するその他の要因によっても作動させることができ、あらゆる事態に対応することができる。また、保護素子５は、電気スイッチ方式の保護素子のように、電流経路の遮断状態の維持に電力を必要とせず、遮断状態を確実に維持することができる。

［バッテリユニット］
バッテリスタック３は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル２が直列接続されたものであり、正極端子３ａ、負極端子３ｂを介して、他のバッテリスタック３と並列に接続されたバッテリユニット２０を構成する。バッテリユニット２０は、着脱可能に充電装置２５に接続され、充電装置２５からの充電電圧が印加される。充電装置２５により充電されたバッテリユニット２０は、バッテリで動作する電子機器やＥＶ等に電力を供給することによって、この電子機器やＥＶ等を動作させることができる。

なお、バッテリユニット２０は、図１に示すように、各バッテリスタック３が並列に接続されている電流経路の一部に、保護素子５が設けられている。保護素子５は、バッテリユニット２０全体の充放電を統一的に制御する図示しないＢＭＳ制御素子と接続され、バッテリユニット２０全体の充放電経路を強制的に遮断するものである。

このバッテリユニット２０によれば、複数のバッテリスタック３が並列に接続されているため、従来のバッテリセル２を用いて、大電流、高電圧を要するＨＥＶやＥＶのバッテリを構成することができる。このとき、バッテリユニット２０によれば、一部のバッテリセル２に異常が生じた場合、当該異常バッテリセルが組み込まれたバッテリスタック３の保護素子５を溶断させることにより、当該バッテリスタック３を充放電経路上から除くとともに、残りのバッテリスタック３によって電力を供給させることができる。

したがって、バッテリユニット２０は、走行中にバッテリーシステムの異常が起きた際にも、修理工場もしくは安全な場所まで移動するための駆動力、あるいはハザードランプやエアコン用の駆動力を供給することができる。

［保護素子の配置例１］
次いで、各バッテリスタック３における、保護素子５の配置について説明する。各バッテリスタック３は、図４に示すように、電流経路の出力端に一つの保護素子５を設けることができる。図４に示すバッテリスタック３は、検知素子６によって、各バッテリセル２の異常電圧が検知されると、ＢＭＳ制御素子７によって保護素子５の発熱体電極１８が通電される。これにより、当該バッテリスタック３は、保護素子５の発熱抵抗体１４が発熱して可溶導体１３が溶断し、バッテリユニット２０の電流経路上から除かれる。したがって、バッテリユニット２０は、当該バッテリスタック３の充放電が防止され、異常発熱等を未然に防止することができる。また、バッテリユニット２０は、ＥＶやＨＥＶの走行中にバッテリーシステムの異常が起きた際にも、修理工場もしくは安全な場所まで移動するための駆動力、あるいはハザードランプやエアコン用の駆動力を供給できる。

［保護素子の配置例２］
また、各バッテリスタック３は、図５に示すように、保護素子５がバッテリセル２間に接続されてもよい。図５に示すバッテリスタック３によれば、異常が起きたバッテリセル２に近い箇所の保護素子５を溶断することができ、異常が起きたバッテリセル２の充放電を確実に防止するとともに、当該異常セルに隣接する他のバッテリセル２への影響を抑えることができる。

なお、同図に示すように、各バッテリスタック３は、一つのバッテリセル２に対応して一つの保護素子５を設け、バッテリセル２と保護素子５とを交互に接続してもよい。かかる構成によっても、異常セルに近い保護素子５を溶断することができる。

［保護素子の配置例３］
また、各バッテリスタック３は、図６に示すように、各バッテリセル２の前後に、保護素子５が接続されるようにしてもよい。図６に示すバッテリスタック３は、異常が起きたバッテリセル２の前後に接続された保護素子５を溶断することで、当該異常セルをバッテリスタック３の電流経路上から物理的に切り離すことができる。したがって、当該バッテリスタック３によれば、異常が起きたバッテリセル２の充放電をより確実に防止するとともに、当該異常セルに隣接する他のバッテリセル２への影響を確実に抑えることができる。

［保護素子の配置例４］
また、各バッテリスタック３は、図７に示すように、スイッチ８と充電用ダイオード９との間に保護素子５が接続されるようにしてもよい。図７に示すバッテリスタック３は、スイッチ８と充電用ダイオード９との間に接続された保護素子５を溶断することで、充電モードの電流経路上から物理的に切り離すことができる。したがって、当該バッテリスタック３によれば、異常が起きたバッテリセル２への充電を防止するものの、スイッチ８により放電は可能とすることができる。

［保護素子の配置例５］
また、各バッテリスタック３は、図８に示すように、充電モード及び放電モードの電流経路上に保護素子５が接続されるようにしてもよい。図８に示すバッテリスタック３は、図４に示すバッテリスタック３と同様、保護素子５を溶断することで、バッテリユニット２０の電流経路上から除かれる。したがって、バッテリユニット２０は、当該バッテリスタック３の充放電が防止され、異常発熱等を未然に防止することができる。

［ＢＭＳ制御素子７の駆動トリガー］
なお、上記では、バッテリスタック３内におけるバッテリセル２の異常電圧を検知することにより保護素子５を溶断させて、当該バッテリスタック３を電流経路上から切り離すようにしたが、保護素子５を溶断させるトリガーとしては、バッテリユニット２０が搭載される機器側に応じて種々設定することができる。

例えばバッテリユニット２０をＥＶやＨＥＶに搭載する場合や電動工具に搭載する場合、バッテリセル２の異常の他にも、事故による衝撃や、水没、火災等による温度上昇といった事態が起きた場合にＢＭＳ制御素子７に指令が発信され、各バッテリスタック３の保護素子５を溶断し、電流経路を遮断するようにしてもよい。また、他のバッテリセル２に比して、特に劣化が進んだバッテリセル２が生じた場合にも、当該バッテリセル２の影響を抑えるために、保護素子５を溶断し、電流経路から切り離すようにしてもよい。また、バッテリユニット２０を家庭用電源として用いる場合、火災や、大規模地震による倒壊、津波による水没等の事態が起きた場合にも、各バッテリスタック３の保護素子５を溶断し、電流経路を遮断するようにしてもよい。

１ 保護回路、２ バッテリセル、３ バッテリスタック、５ 保護素子、６ 検知素子、７ ＢＭＳ制御素子、１１ 絶縁基板、１２ 電極、１３ 可溶導体、１４ 発熱抵抗体、１５ 絶縁部材、１６ 発熱体引出電極、１７ フラックス、１８ 発熱体電極、１９ カバー部材、２０ バッテリユニット、２４ 充電装置

Claims (7)

1. 複数のバッテリセルが直列に接続された複数のバッテリスタックが並列に接続された保護回路において、
   上記各バッテリスタックには、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに上記発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを備える保護素子が組み込まれている保護回路。
2. 上記各バッテリスタックは、上記保護素子が上記バッテリセル間に接続されている請求項１記載の保護回路。
3. 上記各バッテリスタックは、上記保護素子と上記バッテリセルとが、交互に接続されている請求項２記載の保護回路。
4. 上記各バッテリスタックは、上記バッテリセルの前後に、上記保護素子が接続されている請求項３記載の保護回路。
5. 上記各バッテリスタックは、充電又は放電を切り替えるスイッチを備え、上記スイッチの充電の分岐経路上に上記保護素子が接続されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の保護回路。
6. 上記各バッテリスタックには、それぞれ、保護素子と、上記保護素子を駆動する制御素子と、上記各バッテリセルの異常電圧を検知する検知素子とが組み込まれている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の保護回路。
7. 複数のバッテリセルが直列に接続された複数のバッテリスタックが並列に接続されたバッテリユニットにおいて、
   上記各バッテリスタックには、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに上記発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを備える保護素子が組み込まれ、
   上記複数のバッテリスタックは、上記保護素子がバッテリスタック毎に個別に制御されることにより、異常が起きたバッテリセルを有する上記バッテリスタックのみを回路上から除去するバッテリユニット。

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