JP2018073779A - 保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池が過充電など所定の電池電圧を超えた場合に、速やかにかつ安全に、電池電流を遮断できる保護装置を提供する。【解決手段】電池ＢＴ外に設置されて当該電池を保護する保護装置１は、電池を充放電する電池電流Ｉｂが流れる電流路１Ａ，１Ｂと、電流路内にまたは電流路に直列に接続された温度ヒューズ２と、通電により発熱して温度ヒューズを加熱する通電発熱体３と、電池の電池電圧Ｖｂが予め定めた作動電圧Ｖｆを超えたときに、通電発熱体に通電し発熱させて温度ヒューズを溶断させる通電制御部４とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池などの電池の保護装置に関する。

従来、リチウムイオン二次電池などの電池において、電池ケース内の圧力が予め定めた値よりも大きくなった場合に、電池を流れる電池電流を遮断する電流遮断機構を、電池内に設置することがおこなわれている（例えば、特許文献１参照）。
また、過充電防止機構として、電池内に電圧検出部及びヒューズ体を設け、電池電圧が所定値以上となった場合に、電池内に構成される短絡回路を通じてヒューズ体に短絡電流を流し、ヒューズ体を溶断する技術もある（特許文献２参照）。

特開２０１４−８６１４０号公報 特開２０１５−１３０３４７号公報

しかしながら、特許文献１などに示される電流遮断機構は、過充電などによる電池内の圧力上昇により作動するものであり、過電圧そのものを検知して、電池電流を遮断できない。
一方、特許文献２の過充電防止機構は、電池内に電圧検出部やヒューズ体、スイッチ部材などを設けているので、スイッチ部材を作動させて短絡回路を構成する際やヒューズ体を溶断する際などに発生する火花で、電解液の成分である有機溶媒などの発火を引き起こす可能性がある。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、電池が過充電など所定の電池電圧を超えた場合に、速やかにかつ安全に、電池電流を遮断できる保護装置を提供するものである。

本発明の一態様は、電池外に設置されて当該電池を保護する保護装置であって、上記電池を充放電する電池電流が流れる電流路と、上記電流路内にまたは上記電流路に直列に接続された温度ヒューズと、通電により発熱して上記温度ヒューズを加熱する通電発熱体と、上記電池の電池電圧が予め定めた作動電圧を超えたときに、上記通電発熱体に通電し発熱させて上記温度ヒューズを溶断させる通電制御部と、を備える保護装置である。

この保護装置は、電池外に設置されるので、作動に伴い電池の電解液に引火するなどの虞が無く安全である。また、温度ヒューズを用い、電池電圧が作動電圧を超えた場合に通電制御部の制御により、通電発熱体に通電し発熱させて温度ヒューズを溶断させる。かくして、この保護装置では、電池電圧が作動電圧を超えた場合に、速やかに温度ヒューズを溶断させて電流路を遮断し、電池へのこれ以上の充放電を停止させ、電池を外部の機器から切り離して保護することができる。

ここで、通電発熱体としては、通電により発熱する素子であれば良く、抵抗発熱体や発熱コイルなどが挙げられる。また、通電制御部としては、コンパレータなどアナログ回路のみで構成しても良いし、マイコンを含むデジタル回路を含む構成としても良い。また、作動電圧としては、電池の種類や使用環境などに応じて適宜設定すれば良いが、通常使用される電池電圧の範囲を超えた過充電電圧の範囲のうちで適切な値に設定するのが好ましい。

さらに、上述の保護装置であって、前記通電制御部は、前記温度ヒューズが溶断した後も、前記電池電圧が前記作動電圧を下回るまで、前記通電発熱体に通電する保護装置とすると良い。

この保護装置では、温度ヒューズが溶断した後も、電池電圧が作動電圧を下回るまで通電発熱体に通電する。このため、温度ヒューズが溶断した後も、通電発熱体を通じて電力が消費され、作動電圧を下回るまで電池電圧を引き下げることができるので、さらに安全に電池を保護できる。

電池及びこれに接続した実施形態に係る保護装置の回路図である。 実施形態に係る保護装置の回路図である。 実施形態の保護装置で行う電池保護のフローチャートである。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１に、リチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」ともいう）ＢＴ及びこれに接続した実施形態に係る保護装置１の回路図を、図２に保護装置１の回路図を示す。また、図３に、本実施形態に係る保護装置１を用いた電池ＢＴの保護のフローチャートを示す。

図１，図２に示すように、保護装置１は、その電池側正極端子１ＰＢを電池ＢＴの正極ＢＴＰに、その電池側負極端子１ＮＢを電池ＢＴの負極ＢＴＮに接続し、電池ＢＴの正極ＢＴＰ及び負極ＢＴＮに代えて、正極端子１ＰＴ及び負極端子１ＮＴを外部の機器（図示しない）に接続して用いる。

保護装置１は、電池電流Ｉｂが流れる電流路１Ａ，１Ｂのうち、電流路１Ａ内に設けられた所定の動作温度を有する温度ヒューズ２と、通電発熱体からなり通電により発熱する発熱体３と、発熱体３への通電を制御する通電制御部４とを有している。この保護装置１では、通電制御部４は温度ヒューズ２及び発熱体３とは別体であるが、温度ヒューズ２と発熱体３とは熱的に結合しており、発熱体３を発熱させると、温度ヒューズ２が加熱されるように配置されている。温度ヒューズ２の温度が動作温度を超えると、自身が溶断して、電流路１Ａが遮断されるようになっている。

通電制御部４は、その正極端子４ＰＴに接続する正極配線４Ｐが、電流路１Ａのうち、温度ヒューズ２よりも電池ＢＴ側（電池ＢＴの正極ＢＴＰ側、電池側正極端子１ＰＢ側、図２中左側）に接続し、その負極端子４ＮＴに接続する負極配線４Ｎが電流路１Ｂに接続している。これによって、電池ＢＴの電池電圧Ｖｂが通電制御部４の正極端子４ＰＴと負極端子４ＮＴとの間に印加される。

通電制御部４の正極端子４ＰＴには、昇圧定電圧回路４１が接続されており、電池電圧Ｖｂを、これよりも高くかつ一定の出力電圧Ｖｓ（Ｖｓ＞Ｖｂ）に昇圧して出力する。この昇圧定電圧回路４１の出力は、コンパレータ４４の電源として使用されるほか、直列に接続された抵抗４２，４３によって一定の作動電圧Ｖｆに分圧されて、コンパレータ４４の反転入力端子４４ｎに入力されている。一方、コンパレータ４４の非反転入力端子４４ｐには、電池電圧Ｖｂが入力される。このため、コンパレータ４４の出力端子４４ｏに現れる出力電圧Ｖｏは、電池電圧Ｖｂの大きさによって変化する。具体的には、電池電圧Ｖｂが作動電圧Ｖｆよりも低い場合（Ｖｂ＜Ｖｆ）には、出力電圧ＶｏはＬ（ロー）とされる。一方、電池電圧Ｖｂが作動電圧Ｖｆよりも高い場合（Ｖｂ＞Ｖｆ）には、出力電圧ＶｏはＨ（ハイ）とされる。

なお、通電制御部４（保護装置１）において、作動電圧Ｖｆは適宜の値を設定できる。本実施形態では、作動電圧Ｖｆを、例えば、電池ＢＴの満充電の電池電圧Ｖｂ＝４．２５Ｖを超えて、電池ＢＴが許容し得ないほど過充電となった場合の電池電圧Ｖｂに相当する、Ｖｆ＝４．５Ｖに設定してある。

コンパレータ４４の出力端子４４ｏに接続されたスイッチング素子であるトランジスタ４６は、出力電圧ＶｏがＬ（ロー）の場合にはオフとなり、発熱体３への通電は行わない。一方、出力電圧ＶｏがＨ（ハイ）の場合には、トランジスタ４６がオンとされ、抵抗４７を介して、発熱体３へ通電される。なお、抵抗４７は電流制限抵抗である。

従って、この保護装置１では、電池電圧Ｖｂが作動電圧Ｖｆ（本実施形態では、Ｖｆ＝４．５Ｖ）より低い場合（Ｖｂ＜Ｖｆ）には、発熱体３への通電は行われない（ステップＳ１でＮｏ）。しかるに、電池ＢＴが過充電となるなど、電池電圧Ｖｂが、作動電圧Ｖｆを超えた場合（Ｖｂ＞Ｖｆ、ステップＳ１でＹｅｓ）には、発熱体３への通電がなされる（ステップＳ２）。すると発熱体３の発熱により温度ヒューズ２の温度が上昇し、その温度が動作温度を超えると温度ヒューズ２が溶断し、電流路１Ａが遮断される（ステップＳ３）。

かくして、この保護装置１では、電池電圧Ｖｂが作動電圧Ｖｆを超えた場合（Ｖｂ＞Ｖｆ）に、速やかに温度ヒューズ２を溶断させて電流路１Ａを遮断し、電池ＢＴへのこれ以上の充放電を停止させ、電池ＢＴを外部の機器から切り離して保護することができる。しかも、この保護装置１は、電池ＢＴ外に設置されるので、保護装置１の作動に伴い、電池ＢＴの電解液等に引火するなどの虞が無く安全である。
しかもこの保護装置１では、発熱体３の発熱量や到達温度、ひいては温度ヒューズ２に伝わる熱量や到達温度を考慮して、温度ヒューズ２の作動温度のみならず、昇圧定電圧回路４１の出力電圧Ｖｓ、発熱体３及び抵抗４７の抵抗値を適宜選択することで、電池電圧Ｖｂが作動電圧Ｖｆを超えてトランジスタ４６がオンした場合に、温度ヒューズ２が確実に溶断し、電流路１Ａが遮断されるようにできる。

さらにこの保護装置１では、温度ヒューズ２が作動して電流路１Ａが遮断されても、通電制御部４には電池ＢＴから電力が供給され続けるので、次第に電池電圧Ｖｂが低下する（ステップＳ４）。即ち、電池ＢＴの電池電圧Ｖｂが作動電圧Ｖｆを下回る（Ｖｂ＜Ｖｆ、ステップＳ５においてＹｅｓ）まで、発熱体３に電池ＢＴから電力が供給され、発熱体３で消費され続け、その後、発熱体３への通電が停止される（ステップＳ６）。このため、この保護装置１では、電池ＢＴを、その電池電圧Ｖｂが作動電圧Ｖｆ未満（Ｖｂ＜Ｖｆ）の状態で保持することができ、さらに安全に電池ＢＴを保護できる。

また、本実施形態では、上述のように、作動電圧Ｖｆを、過充電の電圧範囲のＶｆ＝４．５Ｖに設定している。これにより、本実施形態の保護装置１では、電池ＢＴがＶｆ＝４．５Ｖを超えるほどの過充電になった場合に、これ以上の充放電を停止し、電池ＢＴを確実に保護することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
上述の実施形態の保護装置１では、通電制御部４の正極配線４Ｐを、電流路１Ａのうち、温度ヒューズ２よりも電池ＢＴ側に接続した。しかし、図２において破線で示すように、通電制御部４の正極配線４Ｐａを、電流路１Ａのうち、温度ヒューズ２よりも正極端子１ＰＴ側（図２において右側）に接続することもできる。
この場合には、温度ヒューズ２の作動（溶断）によって、通電制御部４自身の電源も喪失するため、温度ヒューズ２の作動（溶断）と共に、通電制御部４の動作も停止するので、電池ＢＴを、温度ヒューズ２の作動時の状態のままに外部から切り離して保護することができる。
また、上述の実施形態の保護装置１では、温度ヒューズ２を電流路１Ａ内に設けたが、温度ヒューズを電流路１Ａと直列に設けても良い。

ＢＴ リチウムイオン二次電池（電池）
Ｖｂ 電池電圧
Ｉｂ 電池電流
１ 保護装置
１Ａ，１Ｂ 電流路
２ 温度ヒューズ
３ 発熱体（通電発熱体）
４ 通電制御部
４１ 昇圧定電圧回路
Ｖｓ （昇圧定電圧回路の）出力電圧
４２，４３，４５，４７ 抵抗
４４ コンパレータ
４６ トランジスタ
Ｖｆ 作動電圧

Claims (1)

1. 電池外に設置されて当該電池を保護する保護装置であって、
   上記電池を充放電する電池電流が流れる電流路と、
   上記電流路内にまたは上記電流路に直列に接続された温度ヒューズと、
   通電により発熱して上記温度ヒューズを加熱する通電発熱体と、
   上記電池の電池電圧が予め定めた作動電圧を超えたときに、上記通電発熱体に通電し発熱させて上記温度ヒューズを溶断させる通電制御部と、を備える
   保護装置。

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