JP5750739B2

JP5750739B2 - 二次電池の保護回路

Info

Publication number: JP5750739B2
Application number: JP2011006793A
Authority: JP
Inventors: 公博横手
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-01-17
Also published as: JP2012150902A

Description

本発明は、複数の単位電池（ユニットセル）を並列に接続して組電池を構成し、この組電池を複数段直列に接続して高電圧・高電流を発生する、充放電が可能な二次電池（バッテリ）に係り、特に上記単位電池に短絡が生じた場合の保護回路に関する。

ハイブリッド車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等の電力駆動エネルギー源として、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等が用いられている。これらの単位電池は出力電圧が低く且つ電流容量も小さいため、複数の単位電池を並列に接続して組電池を構成し、この組電池を複数段直列に接続する回路構成や、複数の単位電池を直列接続して組電池を構成し、この組電池を複数列並列に接続する回路構成などからなる二次電池が用いられている。

係る二次電池においては、過充電・過放電、負荷短絡、電池内部短絡等への対策が必要である。このため、二次電池の回路全体としての電圧モニタリングを行い、充放電を調整する調整回路や、異常時に対する保護回路を付加している。また、例えば直列接続された単位電池の逆充電状態や過充電状態を検出し、これらを回避する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００１−６７５１号公報

しかしながら、上記技術は負荷を含む二次電池の回路全体としての保護を行うものであるものの、単位電池を並列に接続して組電池のいずれかに内部短絡が生じた場合に、短絡が生じた単位電池のみを安全に回路系から切り離すことができない。

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、複数の単位電池を並列に接続して組電池を構成し、この組電池を複数段直列に接続した二次電池において、組電池のいずれかの単位電池に内部短絡が生じた場合に、短絡が生じた単位電池のみを安全に回路系から切り離し、損傷の拡大を防止することができる二次電池の保護回路を提供することを目的とする。

本発明の二次電池の保護回路は、複数の単位電池を並列に接続して組電池を構成し、前記単位電池にそれぞれヒューズを直列に接続し、該ヒューズに並列にダイオードを、前記単位電池陽極側にアノードを、反対側にカソードを接続し、複数の前記組電池を直列に接続して二次電池を構成し、一の組電池において、前記単位電池のうちの一つに内部短絡が発生して他の並列に接続した単位電池から電流が流入し、前記一の組電池における全てのヒューズが溶断した場合に、当該ヒューズの電極間電圧を当該ヒューズと並列に接続されたダイオードの順方向電圧にクランプすることによって、当該ヒューズの溶断後の電極間続流を防ぎ、内部短絡した単位電池を回路系から切り離し、正常な他の単位電池が電流供給を行うことを特徴とする。

これにより、単位電池の内部短絡に対して、該単位電池に直列接続したヒューズが溶断し、該単位電池を回路系から分離することで、損傷の拡大を防止することができる。そして、組電池を構成する各単位電池に直列にダイオードを備えることで、ダイオード両端間の電圧をその順方向電圧にクランプすることができ、溶断時のヒューズに二次電池の高電圧を印加させることなく安全に不具合単位電池を分離することができる。従って、低電圧型のヒューズの使用が可能となり、安全で安価な保護回路を形成できる。

本発明の一実施例の二次電池を示す回路図である。上記二次電池の１組の組電池部分を示す回路図である。１個のヒューズが溶断した場合の組電池部分の動作を示す回路図である。すべてのヒューズが溶断した場合の組電池部分の動作を示す回路図である。上記１組の組電池部分の単位電池に内部短絡が生じた場合の電流経路を示す回路図である。内部短絡が生じた単位電池における短絡電流Ｉｓと各ヒューズに流れる電流ＩＦｎとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図６を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１は本発明の一実施例の二次電池を示し、図２はその１組の組電池を示す。本発明の二次電池Uを構成する１組の組電池は、単位電池Ｅ１，Ｅ２，・・・Ｅｎを並列に接続し、各単位電池Ｅに直列にヒューズＦ１，Ｆ２，・・・Ｆｎを接続し、各ヒューズにダイオードＤ１，Ｄ２，・・・Ｄｎをそれぞれ並列に接続している。それぞれのダイオードは単位電池の陽極側にアノードをその反対側にカソードをそれぞれ接続している。

二次電池Ｕは複数の上記組電池を直列に接続して構成している。各組電池の出力はＬｉイオン電池の場合、３．７Ｖ程度であるが、数十段〜百数十段直列に積み上げて接続することで、自動車の駆動に必要な数百Vの高電圧を供給できる。二次電池Ｕには、負荷Ｒが接続され、該負荷Ｒに直列にメインヒューズＦ0が接続されている。

リチウムイオン二次電池は、電池の製造時に電池内部に導電性の異物が混入することによるもの、電池が変形することによるもの等が原因となって内部短絡が生じるという問題がある。また、内部短絡時の発熱により陽極−陰極間のセパレータが熱変形し、イオンが通る穴を塞ぐ為、抵抗値が増加し短絡電流を抑える場合があるが、その後再度短絡する可能性がある。このため、他の単位電池に短絡電流が波及しないように、ヒューズを配置することが有効である。

各単位電池が正常に動作している場合には、組電池の内部で各単位電池の起電力が同じとすると、各単位電池には均等に負荷電流が流れる。しかしながら、組電池を構成する或る単位電池Ｅ１に内部短絡が生じると、その単位電池Ｅ１に他の単位電池Ｅ２，・・・Ｅｎから電流が流入し、ヒューズＦ１の許容容量を超えるとヒューズＦ１は溶断する。

図３はこの場合の組電池の動作を示す。すなわち、単位電池Ｅ１が内部短絡を起こし、ヒューズＦ１が溶断してオープンとなった場合には、単位電池Ｅ１の起電力は単位電池Ｅ２〜Ｅｎの起電力よりも高くなることはない。そして、ヒューズＦ２〜Ｆｎは溶断していないので、ヒューズＦ１のダイオードカソード側の電位はアノード側の電位より高くなり、逆バイアスとなりダイオードＤ１は導通しない。

従って、内部短絡を生じた単位電池Ｅ１はダイオードＤ１を介して組電池に接続されているが、ダイオードＤ１が逆バイアスとなり、実質的に組電池から切り離される。そして、他の単位電池Ｅ２〜Ｅｎにおいては、短絡電流の供給が停止するので、過電流による損傷の拡大を防止することができる。この際、負荷電流Ｉｏは実質的に正常動作の単位電池Ｅ２〜Ｅｎに分担される。

図４はヒューズＦ１〜Ｆｎが同時もしくは最終的に全て溶断した場合の動作を示す。ダイオードＤ１〜Ｄｎが存在しない場合には、すなわち、単にヒューズのみを単位電池に直列接続した場合には、最後に溶断するヒューズの両端に二次電池全体の高電圧が印加される。このため、ヒューズの破裂や続流が発生する可能性があり、高電圧定格の面実装型でない大型ヒューズを用いなければならず、二次電池モジュールが大型化し面実装化が困難であるという問題が存在した。

しかし、ダイオードＤ１〜ＤｎをそれぞれヒューズＦ１〜Ｆｎに並列に接続することにより、ヒューズＦ１〜Ｆｎが同時もしくは最終的に全て溶断する場合にも、ヒューズ端子間の電圧はダイオードＤ１〜Ｄｎの順方向電圧Ｖｆにクランプされる。従って、ヒューズＦ１〜Ｆｎが同時もしくは最終的に全て溶断する場合にも、上述のような破損状態にはならず、低電圧定格の小型面実装ヒューズが使用可能となる。なお、ヒューズが全て溶断した後も、組電池部分は単位電池Ｅ２〜ＥｎがダイオードＤ２〜Ｄｎを介して二次電池回路に接続されているので、全体のエネルギー供給能力が完全に停止しないため、負荷を暫定的に稼動させることが可能である。なお、単位電池Ｅ１は、内部短絡によって起電力が低下し、ダイオードＤ１が逆バイアスとなって不導通となるため、負荷に対するエネルギー供給経路から分離される。

ここで、ダイオードＤ１〜Ｄｎはヒューズ溶断後の短絡電流の流入防止および最後のヒューズ溶断時に順方向電圧Ｖｆにクランプすること等に用いられるので、小容量のもので十分である。また、順方向電圧Ｖｆのなるべく小さいものを用いることが好ましい。

図１に示すように、二次電池ＵにはメインヒューズＦ０を備え、負荷Rが短絡した場合、メインヒューズＦ０が先に溶断するようにしている。これはヒューズＦ１〜Ｆｎの合成の溶断特性をメインヒューズＦ０の溶断特性よりも遅くすることにより、実現可能である。これにより、ヒューズ溶断後の二次電池Ｕの全体電圧がメインヒューズＦ０に掛かるようになり、組電池に備えたダイオードＤ１・・・Ｄｎの有無に関わらず、ヒューズＦ１〜Ｆｎは低電圧定格のヒューズを用いることができる。

一般に電力ヒューズは、ヒューズエレメント部分の太さ、長さ、材料によってヒューズエレメントが溶断する電流の大きさが規定され、またヒューズエレメントと接触させる芯材や消孤剤などによって放熱性を調整することで、溶断に至るまでの時間を調整することができる。これらによって規定される溶断特性から、Ｆ１，Ｆ２，・・・ＦｎやＦ０として適した溶断特性を有するヒューズを選択することができる。

なお、負荷電流Ｉｏが存在する時にいずれかの単位電池が内部短絡するなどして故障した場合には、各単位電池に流れる電流のバランスが崩れる。この場合、故障が生じた単位電池に直列接続されたヒューズが必ずしも最初に溶断するとは限らない。

図５に示す組電池において、単位電池E１に内部短絡が生じ、短絡電流Ｉｓが流れるとする。そして、組電池全体としては定格電流Ｉｏが流れているとする。従って、短絡電流Ｉｓと定格電流Ｉｏとは逆方向に流れ、内部短絡が生じた単位電池Ｅ１に入るヒューズＦ１においては両電流が打ち消し合い、その他の単位電池に入るヒューズにおいては両電流が重なって流れる。

図６は組電池が、２並列、３並列、４並列、５並列、１０並列回路である場合の短絡電流Ｉｓに対応した各単位電池に流れる電流を示し、負の傾きの直線が内部短絡が生じた単位電池Ｅ１に入るヒューズＦ１に流れる電流を示し、正の傾きの直線がその他の単位電池Ｅ２〜Ｅｎに入るヒューズＦ１〜Ｆｎに流れる電流を示す。従って、２並列回路の場合には短絡電流が増加し、Ｉｓ＝Ｉｏとなると、ＩＦ１が０であるのに対し、ＩＦ２がＩｏとなり、ヒューズの溶断点を定格電流の２倍（この場合、分担定格電流がＩｏ／２となる）に設定すると、ヒューズＦ２が溶断する。

これに対して、並列回路数が多く、例えば１０並列回路である場合、短絡電流Ｉｓ＝０．３Ｉｏとなると、ＩＦ１が−０．２Ｉｏとなり（この場合、分担定格電流がＩｏ／１０となる）、ヒューズＦ１が溶断する。このように、並列回路数が多い場合には内部短絡が生じた単位電池のヒューズが溶断する。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明は、リチウムイオン二次電池等の単位電池を多数直並列接続して高電圧・高電流を発生する二次電池に利用可能である。

Claims

複数の単位電池を並列に接続して構成した組電池を、複数個直列に接続して構成した二次電池に用いられる保護回路であって、
前記単位電池それぞれに直列に接続したヒューズと、
該ヒューズに並列に、前記単位電池陽極側がアノード、反対側がカソードとなるように接続したダイオードと、を有し、
前記二次電池を構成する前記組電池の一つにおいて、当該組電池を構成する単位電池のうちの一つに内部短絡が発生して他の並列に接続した単位電池から電流が流入し、当該組電池における全てのヒューズが溶断した場合にあっても、当該ヒューズの電極間電圧を当該ヒューズと並列に接続されたダイオードの順方向電圧にクランプすることによって、当該ヒューズの溶断後の電極間続流を防ぎ、内部短絡した単位電池を回路系から切り離すとともに正常な他の単位電池による電流供給を可能にしたものであることを特徴とする二次電池の保護回路。
前記二次電池は、負荷との間に直列にメインヒューズが設けられたものであり、前記単位電池に直列に接続したヒューズは、前記メインヒューズよりも遅く溶断する合成溶断特性を有することを特徴とする請求項１に記載の二次電池の保護回路。