JP4910234B2 - 二次電池装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題が深刻化する中で高エネルギー密度の二次電池を活用することにより、社会全体のエネルギー効率や環境適合性の向上が計画されている。特に電気自動車、ハイブリット型自動車、電力貯蔵システムの分野においては、例えば要求性能を満たす電池として、正極にリチウム含有遷移金属酸化物、負極に炭素材料を用いた非水電解液二次電池、すなわちリチウムイオン電池の適用が期待されている。
リチウムイオン電池は、高エネルギー密度であることから、既に携帯型機器の分野において広く受け入れられており、この分野において十分な安全性が得られるに至っている。そして、電気自動車等の比較的大型の分野においても適用が検討されるようになった。
ところが、小型電池をスケールアップすると、電池内部の温度が上昇しやすくなり、その結果として正極活物質の分解、有機電解液の蒸発、発火といった問題が危惧されるようになってきた。これは、電池のサイズが大きくなるに伴って、単位体積当たりの表面積が減少し、放熱が困難になることが根本的な原因である。
そこで、例えば、特開平８−２３７８７８号公報に示されるように、電池の安全性を向上させるために、圧力センサを用いて電池の内圧を検出したり、また、温度センサを用いて電池の発熱を検出する保護回路が提案されている。これは、電池温度の上昇、内圧上昇を検知して、充電器と電池を遮断するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の安全装置では、過充電に起因する温度上昇や内圧上昇を検知して充電器と電池とを遮断するだけであるから、それ以上の過充電状態に移行しないとしても、過充電状態自体が解消されるものではない。したがって、電池は充電器から切り離されても依然として過充電という不安定な状態に維持されてしまうという問題があった。また、例えば電気自動車等に搭載されている電池において、自動車事故のために電池ケースが損傷を受けたような場合には、温度や内圧を検出して作動する従来の保護回路では対処できず、多大な電力が充電されたまま電池が放置されてしまうという問題もある。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、電池が過充電状態となった場合に過充電状態を解消でき、また、外力によって電池ケースが損傷を受けた場合の安全性の向上を図ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、電池ケースを備えた二次電池と、前記電池ケースが所定以上の変形をしたときに作動する変形検出スイッチと、この変形検出スイッチにより前記電池ケースの変形が検出されたことを条件に前記二次電池の電気エネルギーの放電を行わせる放電抵抗とを備えた二次電池装置であって、前記放電抵抗には放熱手段が備えられており、前記放熱手段の温度が所定温度を越えたことに基づいて前記二次電池と前記二次電池を充電するための充電回路とを切り離す回路遮断手段が備えられているところに特徴を有する。
【０００５】
【発明の作用及び効果】
例えば、二次電池の充電中に異常が発生して、二次電池が過充電状態に陥ったとする。すると、電池ケース内の温度が上昇して内圧が高まり、電池ケースが膨張変形する。この結果、請求項１の構成では、電池ケースの変形が所定量を越えたところで変形検出スイッチが作動するため、過剰な電気エネルギーが放電抵抗にて消費されて危険な過充電状態が解消される。
また、例えば電気自動車等に搭載されている二次電池が自動車事故等に伴う強い外力を受け、電池ケースが変形する程度に至った場合にも、変形検出スイッチが作動して放電が始まるため、二次電池に多大な電気エネルギーが充電されたままで放置されることを回避できる。
また、例えば充電中の異常発生によって過充電状態に至り、しかも充電回路側の安全装置も正常に作動することなく充電が継続された場合には、放電抵抗にて放電が継続されるから、ここに設けられた放熱手段の温度が急上昇する。すると、放熱手段の温度が所定温度を越えたところで回路遮断手段が作動し、二次電池が充電回路から切り離されるため、充電回路の異常にも対応することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の一実施形態について図１〜図３を参照しつつ、詳細に説明する。
【０００７】
二次電池１０として、例えば放電容量１０Ａｈで、高さ１５０ｍｍ、幅５５ｍｍ、厚さ３０ｍｍの密閉型角形リチウムイオン二次電池を使用する。この二次電池１０は、正極の主要な活物質としてコバルト酸リチウムを、負極の主要な活物質として黒鉛粉末を用いて構成されている。電池ケース１１は金属製で負極端子を兼ねており、電池ケース１１の上面には正極端子１２と作動圧が約１００Ｎ／ｍ^２の非復帰式安全弁（図示せず）とが設けられている。
この二次電池１０の側部にはブラケット１３を介してマイクロスイッチ１４が設けられ、そのアクチュエータ１４Ａが電池ケース１１のうち面積が最も大きな側面のほぼ中央に接するように配置されている。電池ケース１１が内圧上昇によって膨らむように変形した場合には、その変形量が例えば１〜２ｍｍに達したところでマイクロスイッチ１４がオン作動するようになっており、従ってこれは電池ケース１１の変形検出スイッチとして機能する。
【０００８】
このマイクロスイッチ１４は、図２に示すように、放電抵抗１５を直列に介して前記二次電池１０の正極および負極間に接続されており、マイクロスイッチ１４がオン作動すると、二次電池１０の発電要素からの電流が放電抵抗１５に流れるようになっている。なお、この放電抵抗１５は、この実施形態の二次電池１０の内部抵抗ｒが２ｍΩであるのに対し、それより大きな例えば抵抗値０．６Ωに設定してある。また、放電抵抗１５は、放熱手段に相当するアルミブロックを削り出して形成したフィン形の放熱器１６に取り付けられ、放電抵抗１５により発生する熱を空気中に効率的に放熱できるようになっている。
【０００９】
上記放熱器１６には回路遮断手段に相当する温度ヒューズ１７が設けられており、これは放熱器１６の温度が例えば１００〜１１０℃に達すると溶断する。この温度ヒューズ１７は、図２に示すように周知の充電回路１８との間に電流ヒューズ１９と共に直列接続されており、これらが溶断することにより二次電池１０の発電要素が充電回路１８から切り離される。なお、この充電回路１８は、詳細には図示しないが周知の保護回路を備え、例えば４．２Ｖの定電圧、最大充電電流５Ａにて５時間という条件で二次電池１０を満充電にした後には、充電動作を停止するようになっている。
【００１０】
上述の二次電池１０を充電する際、電池ケース１１は正常であるからマイクロスイッチ１４はオフ状態にあり、放電抵抗１５には電流が流れない。したがって、充電回路１８からの電流は温度ヒューズ１７及び電流ヒューズ１８を通して二次電池１０に流れる。二次電池１０が満充電されると、充電回路１８に内蔵の保護回路により充電が停止される。
【００１１】
ところが、例えば充電回路１８の保護回路が故障して充電が停止されず、過充電状態になると、電池ケース１１の内圧が上昇するため、電池ケース１１が膨張変形する。この結果、マイクロスイッチ１４がオン作動し、放電抵抗１５が二次電池１０の正負電極間に接続された形態となり、二次電池１０に蓄えられた過剰な電気エネルギーが放電抵抗１５にて消費されて危険な過充電状態が解消される。なお、ここで本実施形態では、放電抵抗１５の抵抗値Ｒを０．６Ωとして、二次電池１０の内部抵抗ｒ（＝２ｍΩ）よりも十分に大きくしているから、二次電池１０から過大な放電電流が流れることを防止することができる。
【００１２】
また、マイクロスイッチ１４がオンすることにより、充電回路１８の出力にも放電抵抗１５が接続された形態になるが、本実施形態では、放電抵抗１５の抵抗値Ｒ（＝０．６Ω）を充電時のインピーダンスＶ／Ｉ（＝１．２Ω）よりも小さくしたから、充電回路１８側から供給される電流はほとんどが放電抵抗１５側に流れることになり、過充電状態の進行が確実に抑えられる。
【００１３】
そして、上述のように放電抵抗１５によって電気エネルギーが消費されると、それが熱エネルギーに変換されるから、その熱は放熱器１６から空気中に放散される。ところが、この状態がある程度の時間継続して二次電池１０が安全な充電状態まで低下した頃に、放電抵抗１５の発熱により温度ヒューズ１７が溶断し、二次電池１０は充電回路１８から切り離されることになり、最終的に安全が確保される。
【００１４】
なお、この二次電池１０が例えば電気自動車等に搭載されていて自動車事故等に伴う強い外力を受けた場合にも、電池ケース１１が変形する程の損傷を受ければ、マイクロスイッチ１４が作動して放電が始まるため、上述と同様に作動して二次電池１０に多大な電気エネルギーが充電されたままで放置されることを回避できる。
【００１５】
このように本実施形態によれば、たとえ充電回路１８の保護機能が失われるような事態になって過充電が行われても、電池ケース１１の膨張変形に基づいてマイクロスイッチ１４がオン作動して二次電池１０の過充電状態が解消され、その後に二次電池１０が充電回路１８から切り離されるため、安全性が極めて高い。また、二次電池１０の外力による損傷に対しても作動して二次電池１０を放電させることができ、特に電気自動車等に搭載される二次電池の保護回路として好適である。
【００１６】
特に、圧力センサーを用いて電池ケースの内圧を測定し、これが異常値に達したら保護回路を作動させる方式では、電池ケースの外力による損傷（破壊）が発生すると、内圧上昇が発生しないため対処し得ないことがある。また、温度センサーによって電池温度を測定し、これが異常値に達したら保護回路を作動させる方式もあるが、これでは電池ケースが破壊されて内部短絡により温度上昇が起こらない限り保護機能が発動しない。これに対して、本実施形態では電池ケース１１の変形を検出するから確実に保護機能を動作させることができ、安全である。
【００１７】
また、一般に過充電などの異常事態は、充電回路１８等の電気系統の故障により発生することが多いが、圧力センサーや温度センサーに依存した異常検知システムでは、電気系統の故障によって同時に動作不能に陥ることが多く、異常発生時の対処に限界があるという問題があった。これに対して本実施例では、電池ケース１１の変形をスイッチによって検出するという単純な構成であるから、電気系統の故障に強いという利点がある。
【００１８】
ちなみに、本実施形態の効果を確認するために次のような実験を行った。充電回路１８により二次電池１０を４．２Ｖの定電圧で、最大充電電流５Ａにて、５時間にわたり充電を行い満充電の状態とした。その後約３０分間充電を休止した後、満充電の二次電池１０に対し５Ａの定電流にて２時間の過充電を行った。なお過充電を行っている際には、電池ケース１１の長側面のほぼ中央と、放熱器１２の放電抵抗１５に隣接する位置の２カ所に熱電対を設置し、二次電池１及び放熱器１２の温度上昇を調べた。
【００１９】
過充電試験の結果を図３に示す。過充電が進行するとともに電池電圧及び電池温度が上昇した。そして、過充電を開始してから約７５分経過した時点Ｔ_１でマイクロスイッチ１４が作動し、二次電池１０が放電抵抗１５に接続された。このため二次電池１０の電池電圧が徐々に低下して電気エネルギーが放電されたことが確認された。そして、放熱器１６の温度が上昇し、約９０分経過した時点で約１００℃に到達したため温度ヒューズ１７が溶断し、二次電池１０と充電回路１８とは切り離された。この状態でも二次電池１は未だ過充電状態であり変形していたため、マイクロスイッチ１４はオン状態にあり、二次電池１０は放電抵抗１５に接続された状態となっていた。従って、二次電池１０は継続して放電され、電池電圧と電池温度は安全なレベルまで低下した。
【００２０】
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【００２１】
（１）上記実施形態では、変形検出スイッチをマイクロスイッチ１４とする構成を例示したが、これに限られるものではない。例えば、圧力により接点が切り替わる圧力スイッチ、機械的変位量に基づき動作するタクトスイッチ等を適用することができる。
（２）上記実施形態では、回路遮断手段として温度ヒューズ１７を例示したが、これに限られるものではない。例えば、バイメタル、サーミスタ等の素子を用いてもよい。
（３）上記実施形態では、機械式マイクロスイッチ１４を一カ所に、かつ電池ケース１１の長側面のほぼ中央とする構成を例示したが、これに限られるものでなく電池ケース１１の任意の場所に取り付けることができ、また、複数カ所とすることもできる。
（４）上記実施形態では、角形リチウムイオン二次電池とする構成を例示したが、二次電池１の種類、形状、大きさに特に限定されずいずれのものにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す斜視図
【図２】二次電池装置の回路図
【図３】過充電時における電池電圧、電池温度、放熱器温度を示すグラフ
【符号の説明】
１０…二次電池
１１…電池ケース
１４…マイクロスイッチ（変形検出スイッチ)
１５…放電抵抗
１６…放熱器
１７…温度ヒューズ（回路遮断手段）
１８…充電回路

Claims (1)

1. 電池ケースを備えた二次電池と、前記電池ケースが所定以上の変形をしたときに作動する変形検出スイッチと、この変形検出スイッチにより前記電池ケースの変形が検出されたことを条件に前記二次電池の電気エネルギーの放電を行わせる放電抵抗とを備えており、
   前記放電抵抗には放熱手段が備えられており、前記放熱手段の温度が所定温度を越えたことに基づいて前記二次電池と前記二次電池を充電するための充電回路とを切り離す回路遮断手段が備えられていることを特徴とする二次電池装置。

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