JP4909569B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は電池の保護手段を有する電池パックに関するものであり、電池が高温となった場合に、異常な電池反応が起きて危険な事態が生じることがない電池パックに関するものである。

リチウムイオン電池等の高エネルギー密度の二次電池は、充放電時に電池を保護する電池保護手段を設けて、電池の劣化、あるいは電池の温度上昇によって電池の発火等の異常な事態が生じないようにした電池パックを作製して電池使用機器に装着して用いられている。
例えば、電池に異常が生じた場合には、電池の充電エネルギーを放電したり、温度フューズの溶断によって電池パックを使用不能とすることが提案されている（例えば、特許文献１）。

また、充電時に電池電圧が設定値以上よりも高い状態が設定時間以上続いた場合に温度ヒューズの加熱用の発熱抵抗体に通電して温度ヒューズを溶断し、電池パックを使用不能として過充電状態の継続によって危険な事態が発生することを防止することが提案されている（特許文献２）。

以上の電池保護手段は、温度ヒューズによって、過充電時に問題が生じた可能性がある電池を使用不能とするので安全性が大きなものであったが、電池が待機または放電中に一時的に高温度に曝された場合への対処は考慮されていなかった。
また、電池パックに設けた充放電保護手段は、一般に各種の半導体素子を使用した電子回路から構成されているために、電気的なショック等によって電子回路に異常が生じた場合には動作しない可能性があった。

また、従来の電池パックでは、さまざまな分野で使用されている携帯電話等の電池使用機器が、暖房機器の近傍、あるいは自動車のダッシュボード等に放置されて高温度となった場合に安全性を確保することができなかった。
実開平６−５７０５０号公報 特許第３２４８８５１号

本発明は、リチウムイオン電池等の高エネルギー密度の二次電池を用いた電池パックに関するものであり、電池使用機器が、暖房器具の近傍、自動車ダッシュボード等に放置されて高温度に曝された場合に、電池を放電させて危険な状態をが生じることを未然に防止するとともに、電池温度が低下した場合には再度使用可能とした電池パックを、半導体素子等を使用せずに提供することを課題とするものである。

本発明の課題は、電池パックにおいて、温度があらかじめ設定した温度以上に上昇した際に、電池と出力回路との間の回路を遮断するとともに、内部に設けた放電用抵抗体への通電回路を形成するバイメタルを有し、該放電用抵抗体を該バイメタルに沿って配置する電池パックによって解決することができる。
出力回路が、充放電保護手段あるいは電池使用機器との接続回路のいずれかである前記の電池パックである。
また、サーマルプロテクタが放電用抵抗体上に可動片の導電接続部もしくは可動片と接触する接点を設けるとともに、他の面に電池との間の導電接続部を設けた前記の電池パックである。
放電用抵抗体上に可動片の導電接続部もしくは可動片と接触する接点を設けるとともに、電池との間の導電接続部を設けたサーマルプロテクタである。
放電用抵抗体が固定抵抗、または正温度係数抵抗体のいずれかである前記の電池パックである。
可動片が１個のバイメタルのみ、または可動片が１個のバイメタルと１個のばね体からなる前記のサーマルプロテクタである。

本発明の電池パックは、電池と出力回路の間に、温度が設定温度以上に上昇した際に、バイメタルの作用によって電池と出力回路の間の導電接続を遮断するとともに、電池と放電用抵抗体との通電回路を形成するサーマルプロテクタを設けたので、電池パックが一時的に高温度の環境に放置された場合には、電池の充電エネルギーを放電用抵抗体によって放電させることができ、充電状態の電池が高温度に曝されたことによって生じる危険な状態を招くことがなく、また、電池温度の低下後には、充電によって再使用が可能な電池パックの提供が可能となる。

本発明は、電池使用機器の種類および使用環境の多様化に対応して、安全に使用可能な電池パックを提供するためになされたものであって、電池パックあるいは電池パックを装着した電池使用機器が、暖房器具の近傍、あるいは自動車のダッシュボード等に放置されて高温度に曝された場合には、電池と出力回路の間に配置されたバイメタルを有するサーマルプロテクタによって、電池の充電エネルギーを放電用抵抗体で放電させることによって電池が発火等の危険な事態に至ることを防止し、放電の後には再度利用可能な電池パックの提供が可能であることを見出したものである。

以下に、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の電池パックを説明する回路図である。
図１（Ａ）は、電池パックの周囲温度が、サーマルプロテクタの作動温度以下の場合を説明する図であり、図１（Ｂ）は、電池パックの周囲温度が、サーマルプロテクタの作動温度以上となった場合を説明する図である。
本発明の電池パック１は、１個または複数個の電池２を備えており、電池の両端子には、並列にサーマルプロテクタ３の二つの端子が接続され、電池の一方の端子とサーマルプロテクタの一つの端子には充放電保護手段４が接続されている。また、充放電保護手段４には、充電器あるいは電池使用機器と接続する正極端子５、負極端子６が設けられている。

サーマルプロテクタ３は、バイメタル、および可動片を備えたスイッチ機構部７と放電用抵抗体８を備えており、電池パック１の周囲温度がサーマルプロテクタ３の作動温度よりも低い場合には、スイッチ機構部７の可動片１２は、電池側接点９と出力回路側接点１０との間を接続して、電池は充放電が可能な状態とされている。

電池パック１の周囲温度が上昇してあらかじめ設定した作動温度以上となった場合にはサーマルプロテクタ３のスイッチ機構部７を構成する可動片１２がバイメタルの作用によって、出力回路側接点１０との間の接続を遮断するともに、電池側接点９と放電用抵抗体側接点１１を接続する。

その結果、電池の充電エネルギーは、放電用抵抗体８に供給されて、放電用抵抗体８を発熱させて消費される。放電用抵抗体８への通電によって電池の充電エネルギーは減少し、同時に放電用抵抗体８は、バイメタルと熱的な結合がされる距離に配置されているので、放電用発熱体８の発熱によりバイメタルが加熱されて作動状態が保持される。
放電用抵抗体８には、炭素皮膜抵抗体、ニッケルクロム合金、鉄クロムアルミニウム合金等の金属材料抵抗体、炭化ケイ素等のセラミック系材料、正温度係数抵抗体（ＰＴＣ）等を用いることができる。

電池から放電用抵抗体８へ放電電流の供給が続くと、放電電流は電池電圧の低下とともに小さくなり、放電用抵抗体の発熱量は、バイメタルの動作を保持することができなくなり、サーマルプロテクタは周囲温度が低下していれば通電状態へと復帰する。

また、放電用抵抗体８として正温度係数抵抗体（ＰＴＣ）を用いた場合には、温度の上昇とともに抵抗値が増加して放電電流の制限によって発熱温度を一定に保持することができる。ＰＴＣには、セラミックス系のもの導電性粒子と合成樹脂から構成され、温度上昇による合成樹脂の軟化あるいは溶融を使用したものを用いることができる。

放電用抵抗体８への通電による電池電圧の低下の結果、放電用抵抗体への通電電流も減少するが、電圧依存性を有したＰＴＣを用いるならば、電池電圧が低下した場合に放電用抵抗体への通電が行われなくなるので、サーマルプロテクタの作動温度以上の環境に長時間放置されても電池が過放電状態となることを防止することができる。

以上の説明では、本発明の電池パックが充電器と切り離された場合について説明を行ったが、充電器が接続された場合に、周囲温度の上昇によってサーマルプロテクタが作動した場合には、充電器から電池へ充電電流が供給されることはなく、充電器が接続されていない場合と同様に動作する。
また、周囲温度がサーマルプロテクタの作動温度以下の場合でも、サーマルプロテクタに対して電池の発熱が充分に与えられるように配置した場合には、過充電によって電池温度が上昇した場合にもサーマルプロテクタが作動して、過充電を停止し、更には過充電状態の電池を放電して過充電状態で放置されることを防ぐことができる。

図２は、本発明のサーマルプロテクタの一例を説明する図である。
図２（Ａ）は、回路図を示し、図２（Ｂ）は、通常状態を示す断面図であり、図２（Ｃ）はサーマルプロテクタの作動状態を説明する断面図である。
サーマルプロテクタ３は、電池負極接続端子３１に接続された固定接点３２に可動片３３の一端が接続されており、通常時は、可動片３３の他端は、出力回路接点３４と接続されて、電池負極接続端子３１と出力回路端子３５の間の導電接続を形成している。

また、可動片３３の近傍には、ＰＴＣ８１に接続された固定接点３７に一端が固定されたバイメタル３６が設けられており、バイメタル接点３６Ａは、可動接点３３に近接して配置されている。
周囲温度がサーマルプロテクタの作動温度以上に上昇した場合には、バイメタル３６が反転してバイメタル接点３６Ａが可動片３３に接触して通電回路を形成するとともに、可動片３３は出力回路接点３４から離れて出力回路接点との通電を遮断する。
その結果、ＰＴＣ８１には、電池負極接続端子３１と電池正極接続端子３８から電流が供給されてＰＴＣ８１が発熱して電池の充電エネルギーを消費するとともに、発熱によってバイメタルの作動状態を保持する。

本発明のサーマルプロテクタは、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）で断面を説明した様に、ハウジング４０の内部に、接点３２、３４、３７、可動片３３、バイメタル３６、およびＰＴＣ８１のすべてを備えている。
ＰＴＣ８１の表面に、バイメタル３６の接続用の接点３７を設けるとともに、ＰＴＣ８１の接点３７を設けた面とは異なる面、図では反対面に平面状の正極接続端子３８を設けると、正極接続端子３８を電池外装容器の表面に密着させて配置させることができる。
以上の説明では、ＰＴＣの接点を設けた面と異なる面に平面状の正極接続端子３８を設けた場合について説明したが、本発明のサーマルプロテクタの各端子は、無極性であるので、各端子の極性を逆にすることによってＰＴＣの背面に設ける平面状の接続端子を負極側接続端子とすることができるので、電池外装容器が正極、負極のいずれの極性の電池にも適用することが可能である。

図３は、本発明のサーマルプロテクタの他の例を説明する図である。
図３（Ａ）は、回路図を示し、図３（Ｂ）は通常状態を説明する断面図であり、図３（Ｃ）は、サーマルプロテクタの作動状態を説明する断面図である。
サーマルプロテクタ３は、電池負極接続端子３１に接続された固定接点３２にバイメタルから構成されたバイメタル型可動片３９の一端が接続されており、通常時は、バイメタル型可動片３９の他端は出力回路接点３４と接続されて電池負極接続端子３１と出力回路側端子３５の間の導電接続を形成している。

また、作動温度以上の温度となった場合には、バイメタル型可動片３９は、抵抗体８２に接続された固定接点３７に接触して通電回路を形成し、抵抗体８２に電池負極接続端子３１と電池正極接続端子３８から電流が供給され電池の充電エネルギーを消費するとともに、抵抗体８２の発熱によってバイメタルの作動状態が保持される。

本発明のサーマルプロテクタは、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）で断面を説明する様に、ハウジング４０の内部に、接点３２、３４、３７、バイメタル型可動片３９、および抵抗体８２のすべてを備えている。
抵抗体８２の表面に、バイメタル型可動片３９の接続用の接点３７を設けるとともに、抵抗体８２の接点を設けた面と異なる面、図では反対面に平面状の電池正極接続端子３８を設けた場合には、電池正極接続端子３８を電池外装容器の表面に密着させて配置させることができる。
また、図３に示したサーマルプロテクタも図２に示したものと同様に無極性であって、抵抗体８２の背面に電池負極接続端子を配置して同様に作製することができる。

本発明のサーマルプロテクタにおいては、各構成部材は、リン青銅等の板状体に、ニッケル−銀合金等の接点を設けたもので作製することができる。
また、ハウジングには、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート等の耐熱性の優れた樹脂で作製することができる。

本発明の電池パックは、温度があらかじめ設定した温度以上に上昇した際に、電池と出力回路との間の回路を遮断するとともに、内部に設けた放電用抵抗体への通電回路を形成するバイメタルを備えたサーマルプロテクタを備えているので、電池パックが温度が高い環境に放置された場合には、バイメタルの作動によって、電池と出力回路との間の導電接続を遮断するとともに、電池の充電エネルギーを放電抵抗体によって放電するので、安全性が高い電池パックを提供することができる。

図１は、本発明の電池パックを説明する回路図である。 図２は、本発明のサーマルプロテクタの一例を説明する図である。 図３は、本発明のサーマルプロテクタの他の例を説明する図である。

符号の説明

１…電池パック、２…電池、３…サーマルプロテクタ、４…充放電保護手段、５…正極端子、６…負極端、７…スイッチ機構部、８…放電用抵抗体、９…電池側接点、１０…出力回路側接点可動片、１１…放電用抵抗体側接点、１２…可動片、３１…電池負極接続端子、３２…固定接点、３３…可動片、３４…出力回路接点、３５…出力回路側端子、８１…ＰＴＣ、３７…固定接点、３６…バイメタル、３６Ａ…バイメタル接点、３８…正極接続端子、３９…バイメタル型可動片、４０…ハウジング、８１…ＰＴＣ、８２…抵抗体

Claims (2)

1. 電池パックにおいて、温度があらかじめ設定した温度以上に上昇した際に、電池と出力回路との間の回路を遮断するとともに、内部に設けた放電用抵抗体への通電回路を形成するバイメタルを備えたサーマルプロテクタを有し、該放電用抵抗体を該バイメタルに沿って配置することを特徴とする電池パック。
2. 該放電用抵抗体が正温度係数抵抗体（ＰＴＣ）である請求項１記載の電池パック。

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