JP4342657B2 - 二次電池装置および二次電池用保護装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の過充電を防止すると共に、不本意な過充電により特性劣化した二次電池の使用を禁止するようにした二次電池装置および二次電池用保護装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
リチウムイオン電池等の非水溶媒系二次電池や鉛蓄電池にあっては、その充電中に電池電圧が高くなりすぎると、電池性能が劣化したり、その安全性が損なわれる虞がある。これ故、従来ではその充電装置側において二次電池の端子電圧を監視し、例えば二次電池１個当たりの端子電圧が４.２Ｖに達したとき、充電電流を減少させることで、その充電電圧（端子電圧）を上記４.２Ｖに一定化するようにしている。
【０００３】
一方、何等かの理由により上述した充電装置における充電制御が行われない事態が発生することを想定し、二次電池側にその充放電経路を強制的に遮断する半導体スイッチ素子や、温度ヒューズ等の非復帰スイッチを組み込んだ二次電池装置が、いわゆる電池パックとして実現されている。この種の装置は、二次電池の端子電圧を監視する電圧監視回路を備え、その端子電圧が所定の充電電圧（充電禁止電圧）に達したとき、上記非復帰スイッチ素子を作動させることで二次電池の充電を禁止する如く構成される。また前記二次電池の端子電圧が予め規定された使用禁止電圧に達したときには、上記温度ヒューズの近傍に配置されたヒータを通電して上記温度ヒューズを溶断し、二次電池の使用自体を禁止するものとなっている。
【０００４】
ちなみにリチウムイオン電池の場合、その端子電圧が４.５Ｖを越えると電解液の分解によるガスが発生し、電池内部の圧力上昇に伴って安全弁が作動するので、安全弁の作動後に電解液が漏れる等の不具合が生じる。そこで従来においては、上記電解液の分解が始まる電圧よりも若干低い電圧（例えば４.３５Ｖ）をその充電禁止電圧とし、それ以上の充電を禁止するようにしている。またこの充電禁止電圧よりも若干高い電圧（例えば４.４５Ｖ）を、リチウムイオン電池の使用禁止電圧としている。そして何等かの原因により上記の充電禁止制御が作動せず、リチウムイオン電池の端子電圧が上記使用禁止電圧を超えたときには、前述したように温度ヒューズ（非復帰スイッチ）を溶断することで、それ以上の過充電を防ぎ、同時に電池特性が劣化したと看做し得る当該リチウム電池自体を永久に使用できないようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述した如くして温度ヒューズ（非復帰スイッチ）を溶断して二次電池の過充電を防げば、これによって電解液の分解を未然に防ぐことができるが、同時に二次電池自体が永久に使用できないようになるので、当然のことながら当該二次電池は廃棄されることになる。しかしながらこの場合、二次電池は使用禁止電圧まで異常に充電された状態であるので、このまま廃棄するには種々の問題がある。特にリチウムイオン電池の場合、その自己放電が非常に少ないので、長時間に亘って上述した異常充電状態が維持されることになり、廃棄処分する上での問題が大きい。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、二次電池の過充電を防ぐと共に、異常充電により特性劣化した二次電池の使用を禁止するべくその充放電経路を遮断した場合であっても該二次電池を効果的に放電させることができ、その廃棄時における安全性を保証することのできる機能を備えた二次電池装置および二次電池用保護装置を提供することにある。
【０００７】
即ち、本発明は二次電池の充放電経路に、該二次電池の端子電圧に応じて上記充放電経路を遮断し得る温度ヒューズ等の非復帰スイッチを介装した二次電池装置において、特に非復帰スイッチの作動により前記充放電経路が遮断された後に前記二次電池を放電させることのできる機能を備えた二次電池装置を提供することを目的としている。
【０００８】
また本発明は、二次電池の充放電経路に直列に介装される二次電池用保護装置であって、上記充放電経路を遮断し得る温度ヒューズ等の非復帰スイッチと、この非復帰スイッチが作動した後に前記二次電池の放電路を形成する放電用抵抗とを備えた二次電池用保護装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る二次電池装置は、請求項１に記載するようにリチウムイオン電池等の二次電池と、この二次電池の充放電経路に直列に介装され、その作動によって上記充放電経路を遮断する非復帰スイッチとを具備したものであって、
特に前記非復帰スイッチを強制的に作動させるスイッチ素子と、前記非復帰スイッチの作動により前記二次電池の充放電経路が遮断されたときに前記スイッチ素子を介して前記二次電池に並列接続されて該二次電池の放電路を形成する放電用抵抗を備えることを特徴としている。
【００１０】
また本発明は請求項２に示すように、前記非復帰スイッチを強制的に作動させるスイッチ素子を介して前記二次電池に選択的に並列接続されて該二次電池の放電路を形成する放電用抵抗と、前記二次電池の端子電圧を検出し、該端子電圧が所定電圧（使用禁止電圧）に達したときに前記スイッチ素子を導通させて前記非復帰スイッチを作動させると共に、前記放電用抵抗を介する二次電池の放電路を形成する電池機能消失回路とを備えることを特徴としている。
【００１１】
本発明の好ましい態様は、前記電池機能消失回路を、二次電池の端子電圧を検出して該端子電圧が予め規定された使用禁止電圧に達したときに電池機能消失の為の制御信号（使用禁止信号）を発して前記スイッチ素子を導通させる電圧監視回路からなり、前記二次電池から電力供給を受けて作動して前記制御信号を出し続けるように構成することを特徴としている（請求項３）。
【００１２】
尚、前記非復帰スイッチは、好ましくは所定量以上の電流の通電により溶断すると共に、加熱により溶断する温度ヒューズと、通電により発熱して上記温度ヒューズを溶断するヒータとを備えたものとして実現される（請求項４）。
また本発明に係る二次電池用保護装置は、請求項５に記載するように一対の接続端子と外部制御端子とを備え、前記一対の接続端子を介して二次電池の充放電経路に直列に介装されると共に、前記外部制御端子を介して動作制御されるものであって、
前記一対の接続端子間に設けられて該接続端子間を電気的接続すると共に、該接続端子の一方と前記外部制御端子との間の通電により作動して前記前記一対の接続端子間の電気的接続を遮断する非復帰スイッチと、前記接続端子の内、前記二次電池に接続された側の一方の端子と前記外部制御端子との間に設けられて前記外部制御端子を介して前記二次電池に並列接続されて該二次電池の放電路を形成する放電用抵抗とを備えて構成される。
【００１３】
またこの二次電池用保護装置に組み込まれる前記非復帰スイッチは、好ましくは前記一対の接続端子間に設けられた温度ヒューズと、この温度ヒューズに近接して設けられて前記外部制御端子を介する通電時に発熱して上記温度ヒューズを溶断するヒータとして実現される（請求項６）。また非復帰スイッチが直列に接続された２つの温度ヒューズを備えて構成されるとき、前記放電用抵抗を上記温度ヒューズの一方に対して並列に設けるようにする（請求項７）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る二次電池装置について説明する。
この実施形態に係る二次電池装置は、図１にその概略構成を示すように、二次電池１として、例えば非水溶媒系の直列に接続した４個のリチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄを備えて構成される。この二次電池１の充放電経路には、半導体スイッチ素子であるＰチャネル型の第１および第２の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２,３、および後述する非復帰スイッチ４が直列に介装されている。即ち、二次電池装置には、二次電池１をその充電電源Ａや図示しない負荷に接続する為の正負一対の外部接続端子５ａ,５ｂを備えている。そしてこの実施形態においては、正（＋）側の外部接続端子５ａは第１および第２の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）２,３、および非復帰スイッチ４を直列に介して前記二次電池１の正極に接続されており、また負（−）側の外部接続端子５ｂは二次電池１の負極に接続されている。
【００１５】
正（＋）側の外部接続端子５ａにそのソース電極を接続した第１の電界効果トランジスタ２は、二次電池１の放電時に該二次電池１の端子電圧が予め設定された放電禁止電圧Ｖd1に達したとき、保護回路６により駆動されてオフ動作し、その放電路を遮断する役割を担う。またソース電極を二次電池１の正極側に接続した第２の電界効果トランジスタ３は、二次電池１の充電時に該二次電池１の端子電圧が予め設定された充電禁止電圧Ｖd2（＞Ｖd1）に達したとき、前記保護回路６により駆動されてオフ動作して、その充電路を遮断する役割を担う。
【００１６】
尚、保護回路６は、二次電池１の直列に接続されたリチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの各端子電圧をそれぞれ監視し、いずれかのリチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの端子電圧が放電禁止電圧Ｖd1まで低下したときに前記第１の電界効果トランジスタ２を遮断（オフ）動作させる放電禁止信号を出力し、またいずれかのリチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの端子電圧が充電禁止電圧Ｖd2まで上昇したときに前記第２の電界効果トランジスタ３を遮断（オフ）動作させる充電禁止禁止信号を出力する。ちなみにリチウムイオン電池の場合、例えば上記放電禁止電圧Ｖd1は２.３Ｖとして設定され、また充電禁止電圧Ｖd2は４.３５Ｖとして設定される。
【００１７】
即ち、保護回路６は、二次電池１の端子電圧、具体的には各リチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの端子電圧が上記放電禁止電圧Ｖd1を下回ると、その放電深度が深くなり、電池特性や寿命が短くなることを防ぐべく上記放電禁止信号を発して、その放電路を遮断する。また各リチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの端子電圧が４.５Ｖを上回ると、その電解液の分解が始まってガスが発生することから、保護回路６はこのような事態を未然に防ぐべく、その端子電圧が上記充電禁止電圧Ｖd2に達したときに充電禁止信号を発することで、その充電経路を遮断するものとなっている。
【００１８】
さてこのように機能する第１および第２の電界効果トランジスタ２,３に直列に接続されて二次電池１の充放電経路に介装された非復帰スイッチ４は、例えば温度ヒューズ４ａと、通電により発熱して上記温度ヒューズ４ａを溶断するヒータ４ｂとからなる。具体的にはこの例に示す非復帰スイッチ４は、直列に接続されて二次電池１の充放電経路に介装される２つの温度ヒューズ４ａ,４ａと、これらの温度ヒューズ４ａ,４ａにそれぞれ近接して設けられたヒータ４ｂ,４ｂとからなる。これらのヒータ４ｂ,４ｂは並列に接続されて、その一端を前記温度ヒューズ４ａ,４ａ間の接続点に接続されており、他端側に接続された制御端子４ｚを介して通電されるようになっている。
【００１９】
このような構成の非復帰スイッチ４は、例えば直列に接続された２つの温度ヒューズ４ａ,４ａの両端を二次電池１の充放電経路に直列に介装する為の一対の接続端子４ｘ,４ｙとし、更に前述した制御端子４ｚを備えた３端子型の機能素子として実現される。そして一対の接続端子４ｘ,４ｙを介して二次電池１の充放電経路に温度ヒューズ４ａ,４ａを介装し、これらの温度ヒューズ４ａ,４ａを通して二次電池１の充放電が行われている際、例えば制御端子４ｚを二次電池１の負極側に接続することでヒータ４ｂ,４ｂを介する電流路を形成し、これによってヒータ４ｂ,４ｂを発熱駆動して温度ヒューズ４ａ,４ａを溶断するものとなっている。
【００２０】
尚、非復帰スイッチ４の制御端子４ｚは、第３の電界効果トランジスタ（半導体スイッチ素子）７を介して二次電池１の負極側に接続されている。そしてこの第３の電界トランジスタ７は、前記二次電池１における各リチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの各端子電圧をそれぞれ監視する電圧監視回路８により選択的に導通駆動されるようになっている。
【００２１】
即ち、上記電圧監視回路８は、いずれかのリチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの端子電圧が使用禁止電圧Ｖd3まで上昇したとき、第３の電界効果トランジスタ７を導通（オン）動作させる使用禁止信号を出力し、非復帰スイッチ４を作動させて二次電池１の充放電経路そのものを永久に遮断し、二次電池装置（電池パック）自体を使用不能（使用禁止）にする役割を担っている。上記使用禁止電圧Ｖd3は、前述した如く各リチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの端子電圧が４.５Ｖを上回ると、その電解液の分解が始まってガスが発生することから、電解液の分解が始まる前に二次電池１の充放電経路そのものを物理的に遮断することでその充電を停止させるべく、例えば４.４５Ｖに設定される。
【００２２】
換言すれば、二次電池１の充電時に何等かの原因により前述した第２の電界効果トランジスタ３が遮断（オフ）動作せず、その充電が継続することでリチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの端子電圧が充電禁止電圧Ｖd2（＝４.３５Ｖ）を上回り、更にその端子電圧が電解液の分解が始まる前の使用禁止電圧Ｖd3に達したとき、電圧監視回路８は既にリチウムイオン電池１ａ,１ｂ,１ｃ,１ｄの電池特性が過充電によって劣化したと看做して使用禁止信号を発している。そしてこの使用禁止信号により、第３の電界効果トランジスタ７を導通させて非復帰スイッチ４を作動させるものとなっている。
【００２３】
さて基本的には上述した如く構成される二次電池装置において、本発明が特徴とするところは、第３の電界効果トランジスタ７の導通に伴って二次電池１の放電路を形成する放電用抵抗９を備えている点にある。この放電用抵抗９は、この実施形態においては二次電池１の正極と第３の電界効果トランジスタ７のソース電極との間に接続されており、第３の電界効果トランジスタ７の導通により二次電池１の両端間に並列に介装されるようになっている。このようにして二次電池１の両端間に並列に接続される放電用抵抗９により、前述した如く非復帰スイッチ４を作動させて二次電池１の充放電経路を物理的に遮断した後には、該放電用抵抗９を介して二次電池１が徐々に放電される。
【００２４】
この結果、非復帰スイッチ４の作動に伴ってその使用が禁止された二次電池装置を廃棄するに際しても、前述した如く使用禁止電圧Ｖd3まで充電された二次電池１を安全な電圧まで放電させることができるので、従来のような廃棄上の不具合を招くことがない。しかも上述した如く放電用抵抗９を組み込むだけで二次電池１を放電させることでできるので、その構成が複雑化することもなく、実用的利点が多大である。
【００２５】
尚、上述した実施形態においては、二次電池１の正極側と第２の電界効果トランジスタ３のソース電極との間に非復帰スイッチ４を設けたが、この非復帰スイッチ４を正（＋）側の外部接続端子５ａと第１の電界効果トランジスタ２との間に設けることも可能である。また非復帰スイッチ４を負（−）側の外部接続端子５ｂと二次電池１の負極側との間に設けることも勿論可能であり、要は二次電池１の充放電経路に直列に介装するようにすれば良い。
【００２６】
ところで上述した放電用抵抗９を、例えば図２または図３にそれぞれ示すように非復帰スイッチ４が備える機能素子として一体に組み込み、非復帰スイッチ４自体を二次電池用保護装置として実現することも可能である。即ち、図２に示す二次電池用保護装置は、二次電池１の充放電経路に直列に介装する為の一対の接続端子４ｘ,４ｙ間に、直列に接続された２つの温度ヒューズ４ａ,４ａを設け、これらの温度ヒューズ４ａ,４ａにそれぞれ近接配置した２つのヒータ４ｂ,４ｂを並列接続して上記温度ヒューズ４ａ,４ａの接続点と制御端子４ｚとの間にヒータ４ｂ,４ｂを介装すると共に、前記接続端子４ｙと制御端子４ｚとの間に放電用抵抗９を設けた構造を有する。また図３に示す二次電池用保護装置は、上記放電用抵抗９を接続端子４ｙ側の温度ヒューズ４ａに対して並列に設けた構造を有する。
【００２７】
このような３端子型の二次電池用保護装置（非復帰スイッチ）によれば、例えば既存の二次電池装置に組み込まれる非復帰スイッチ４と置き換えることだけで、二次電池１に対して放電用抵抗９を接続することが可能となる。また二次電池装置における部品点数の削減にも寄与し得る。特に図３に示す構造の二次電池用保護装置によれば、ヒータ４ｂ,４ｂを通電駆動する際、図２に示す二次電池用保護装置に比較して放電用抵抗９を介する電流負荷がないので、その駆動負荷を軽減することができる。換言すれば図１に示す第３の電界効果トランジスタ７の負荷を軽減することができ、既存の回路の動作条件等を変更することなく二次電池用保護装置（非復帰スイッチ）を組み込むことが可能となる。またそのパッケージングも容易である等の利点がある。
【００２８】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここではリチウムイオン電池を例に説明したが、その他の非水溶媒系の二次電池や鉛蓄電池を用いる場合にも同様に適用することができる。また二次電池を構成する電池セルの数やその直・並列の配列構成は、電池使用に応じて定めれば良いものである。更には二次電池１の負極側に非復帰スイッチ４等を設けた二次電池装置にも同様に適用することができ、サーモスタット等の他の保護素子を備えた二次電池装置にも適用可能である。
【００２９】
また実施形態においては個々のリチウムイオン電池の端子電圧を監視したが、複数の電池セルを直列接続した二次電池全体の端子間電圧を監視して、その制御を行うことも勿論可能である。また本発明は、充電装置Ａから接続端子４ａ,４ｂに加えられる充電電圧を監視して非復帰スイッチ４を作動させるように構成された二次電池装置や、更には過大な充放電電流により第１および第２の電界効果トランジスタ２,３が発熱したとき、これに感応して溶断するように設けられた温度ヒューズを非復帰スイッチ４として備えた二次電池装置にも同様に適用可能である。
【００３０】
更には非復帰スイッチ４として、所定量の電流の通電によって溶断する電流ヒューズを備えたものにも適用可能であり、実施形態に示したように２つの直列接続された温度ヒューズ４ａ,４ａを備えた構成以外のものであっても良く、メカニカル型のものであっても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、二次電池の充放電経路に直列に介装されて、その作動によって上記充放電経路を物理的に遮断し、これによって二次電池を使用不可能にする非復帰スイッチを備えた二次電池装置において、非復帰スイッチの作動に伴って二次電池の放電路を形成する放電用抵抗を備えるので、二次電池を自動的に放電させた上で廃棄することが可能となる。しかも新たに放電用抵抗を備えるだけの簡易な構成により、その安全性を高め得ると言う効果が奏せられる。
【００３２】
また上述した如く機能する放電用抵抗を内蔵した非接触スイッチとして二次電池用保護装置を実現するので、その取り扱いの簡易化を図り得る等の効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次電池装置の概略構成図。
【図２】本発明の実施形態に係る二次電池用保護装置の構成例を示す図。
【図３】本発明の別の実施形態に係る二次電池用保護装置の構成例を示す図。
【符号の説明】
１ 二次電池
４ 非復帰スイッチ
４ａ 温度ヒューズ
４ｂ ヒータ
７ 電界効果トランジスタ（スイッチ素子）
８ 電圧監視回路
９ 放電用抵抗

Claims (7)

1. 二次電池と、
   この二次電池の充放電経路に直列に介装され、その作動によって上記充放電経路を物理的に遮断する非復帰スイッチと、
   この非復帰スイッチを強制的に作動させるスイッチ素子と、
   前記非復帰スイッチの作動により前記充放電経路が遮断されたときに前記スイッチ素子を介して前記二次電池に接続されて該二次電池の放電路を形成する放電用抵抗と
   を具備したことを特徴とする二次電池装置。
2. 二次電池と、
   この二次電池の充放電経路に直列に介装され、その作動によって上記充放電経路を物理的に遮断する非復帰スイッチと、
   前記非復帰スイッチを強制的に作動させるスイッチ素子と、
   このスイッチ素子を介して前記二次電池に並列接続されて該二次電池の放電路を形成する放電用抵抗と、
   前記二次電池の端子電圧が所定の電圧に達したときに前記スイッチ素子を導通させて前記非復帰スイッチを作動させると共に、前記放電用抵抗を介する放電路を形成する電池機能消失回路と
   を具備したことを特徴とする二次電池装置。
3. 前記電池機能消失回路は、前記二次電池の端子電圧を検出し、該端子電圧が予め規定された使用禁止電圧に達したときに電池機能消失の為の制御信号を発して前記スイッチ素子を導通させる電圧監視回路からなり、前記二次電池から電力供給を受けて作動して前記制御信号を出し続けるものである請求項２に記載の二次電池装置。
4. 前記非復帰スイッチは、所定量以上の電流の通電により溶断すると共に、加熱により溶断する温度ヒューズと、通電により発熱して上記温度ヒューズを溶断するヒータとからなることを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池装置。
5. 一対の接続端子と外部制御端子とを備え、前記一対の接続端子を介して二次電池の充放電経路に直列に介装されると共に、前記外部制御端子を介して動作制御される二次電池用保護装置であって、
   前記一対の接続端子間に設けられて該接続端子間を電気的接続すると共に、該接続端子の一方と前記外部制御端子との間の通電により作動して前記一対の接続端子間の電気的接続を物理的に遮断する非復帰スイッチと、前記接続端子の内、前記二次電池に接続された側の一方の端子と前記外部制御端子との間に設けられて該外部制御端子を介して前記二次電池に並列接続されて該二次電池の放電路を形成する放電用抵抗とを備えたことを特徴とする二次電池用保護装置。
6. 前記非復帰スイッチは、前記一対の接続端子間に設けられた温度ヒューズと、この温度ヒューズに近接して設けられて前記外部制御端子を介する通電時に発熱して上記温度ヒューズを溶断するヒータとを含む請求項５に記載の二次電池用保護装置。
7. 前記放電用抵抗は、直列に接続されて前記非復帰スイッチを構成する２つの温度ヒューズの内、前記二次電池に接続される側の温度ヒューズに対して並列に設けられることを特徴とする請求項５に記載の二次電池用保護装置。

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