JP6412152B2

JP6412152B2 - リチウムイオン電池保護器

Info

Publication number: JP6412152B2
Application number: JP2016559479A
Authority: JP
Inventors: 瞿洪桂
Original assignee: 中投仙能科技（▲蘇▼州）有限公司
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2034-07-08
Also published as: EP3086427B1; US10056769B2; US20170033576A1; EP3086427A1; JP2017509307A; WO2015090047A1; EP3086427A4

Description

本発明は、電池保護技術に関し、特に、リチウムイオン電池保護器に関する。

今のところ、動力源としてのリチウムイオン電池は、益々、自動車、UPS、電力・エネルギーストレージ、及び屋外用電源などの各種の設備や装置に応用されている。リチウムイオン電池は、容量が大きく、体積が小さいという利点を有し、現在の電池市場の主流製品となっている。しかし、リチウムイオン電池に短絡や過充電などの異状が生じるときに、電池の温度が急激に上昇しやすいため、このときは、保護措置がなければ、爆発や燃焼などの事故を起こす恐れがある。よって、リチウムイオン電池には、過電圧、過温度、過電流保護装置を強制的に取り付けなければならない。言い換えると、リチウムイオン二次電池を従来の鉛電池の代わりにする主な技術的難点の一つは、リチウムイオン二次電池に過電流、過充電、及び過放電などの保護回路を付けて電池の安全性を保証する必要があるということである。

携帯電話や電動工具などの応用分野では、今は、主に専用回路を採用して電池の電圧や充放電電流などの関連パラメータを検出する。これらのパラメータが制限値を超えたときに、リレー、MOSFET、及びIGBTなどのスイッチ装置をオフにして電池の充放電回路を遮断し、電池の充放電を停止することにより、電池の安全性を保つことができる。リレーやMOSFETなどのスイッチ装置をオフにすることは、柔軟で、迅速に動作することができるが、周囲の制御と駆動回路が複雑であるため、システム全体の信頼性が低くなる可能性がある。また、MOSFETやIGBTなどの半導体装置は、抗干渉能力や耐冲撃能力が弱いなどの問題があり、リレーは、動作が遅く、駆動電流が大きく、部品体積がとても大きいなどの欠陥もある。

また、従来のリチウムイオン電池パックの形成にあたっては、制御点が非常に多く、動力源としてのリチウムイオン電池を直並列に接続して使用する必要がある場合、管理が非常に複雑であり、１セットの電池パックシステムについて言えば、その保護システムのコストがしばしば総コストの半分以上を占める。さらに、従来の電子・半導体スイッチ（例えば、MOSFET)は、寿命が短く、安定性が悪く、耐熱能力が弱く、抗干渉能力が弱く、耐高電圧能力が弱いなどの欠陥も有する。

電動工具や電気自動車、小型エネルギーストレージなどの応用分野では、一定数量のバッテリーコアを直並列に接続して使用しないと、要求される電圧や容量に達することができない場合があるが、リレーやMOSFET、IGBTなどのスイッチ装置は、上述のような欠陥があるので、このような分野への応用が制約されている。

よって、周囲の制御回路が簡単で、動作が安定で、信頼性及び耐過電流能力を有し、また、一定範囲で直並列に接続することができる制御可能なスイッチアセンブリを設計して製造することは、電動工具や電気自動車、小型エネルギーストレージなどの応用分野にとって極めて重要なことになっている。

本発明の目的は、周囲の制御回路を簡略化し、信頼性、抗干渉性、耐電圧能力、耐過電流能力、及び総合熱管理能力を向上させることができるリチウムイオン電池保護を提供することにある。

上述の目的を実現するために、本発明は以下の技術案により実現される。

リチウムイオン電池保護器であって、リチウムイオン電池パック（40)の充電回路に設けられる断路（disconnection）保護スイッチ（10)を含み、前記断路保護スイッチは、形状記憶合金の異なる温度下での形状変化により、前記リチウムイオン電池パック（40)の充電回路のオン／オフを実現する、リチウムイオン電池保護器が提供される。
また、前記断路保護スイッチ（10)は、可動接点端（101)及び静止接点端（102)を含み、前記可動接点端（101)は、形状記憶合金により形成され、前記可動接点端（101)及び前記静止接点端（102)は、常温状態で接触して電気を通し、記憶温度に達した時に、前記可動接点端（101)は、記憶形状に回復し、前記静止接点端(102)から離れて電気を遮断する。

また、前記断路保護スイッチ（10)は、可動接点端（101)、静止接点端（102)、及び弾性片（103)を含み、前記弾性片（103)は、形状記憶合金により生成され、前記弾性片（103)は、常温状態で前記可動接点端（101)を前記静止接点端（102)へ押圧することにより、前記可動接点端（101)と前記静止接点端（102)とが接触して電気を通すようにさせ、記憶温度に達した時に、前記弾性片（103)は、記憶形状に回復し、前記可動接点端（101)は、元の状態（位置）に戻り、前記静止接点端（102)から離れて電気を遮断する。

また、前記可動接点端（101)及び静止接点端（102)の表面には銀メッキされている。

また、モニタリング・電熱制御回路（20)及び前記断路保護スイッチ（10)の側に設けられる加熱器（30)を更に含み、前記モニタリング・電熱制御回路（20)は、前記加熱器（30）に電気接続され、前記リチウムイオン電池パック（40)をモニタリングし、また、モニタリング結果に基づいて前記加熱器（30)の加熱を制御するために用いられる。

また、前記モニタリング・電熱制御回路（20)は、前記リチウムイオン電池パック（40)をオフにして保護する必要があるパラメータをモニタリングした時に、前記加熱器（30)が加熱して前記断路保護スイッチ（10)が記憶温度に達するように制御するために用いたれる。

また、前記モニタリング・電熱制御回路（20)は、具体的に、前記リチウムイオン電池パック（40)をオフにして保護する必要があるパラメータをモニタリングした時に、前記リチウムイオン電池パック（40)のうちの電圧が比較的高いバッテリーコアを用いて前記加熱器（30)を駆動し、前記加熱器（30)が加熱して前記断路保護スイッチ（10)が記憶温度に達するようにさせるために用いられる。

また、アルミ製の台座（50)を更に含み、前記断路保護スイッチ（10)は、前記台座（50)に固定され、前記加熱器（30)は、前記台座（50)の下方に設けられる。

また、外殻（1)を更に含み、前記断路保護スイッチ（10)、前記台座（50)、前記加熱器（30)、及び前記モニタリング・電熱制御回路(20)はすべて前記外殻（1)内に設けられる。

また、前記加熱器（30)は、セラミック加熱器であり、主セラミック加熱器PTC及び補助セラミック加熱器NTCを含み、前記主セラミック加熱器PTC及び前記輔助セラミック加熱器NTCは、協同して相対的にコンスタントなアンペアレベルの負荷を維持する。

本発明の有益な効果は、次の通りである。

1、形状記憶合金の記憶性、抗干渉能力、抗高電圧能力、受動過電流能力（passive over-current capacity）を用いて、リチウムイオン電池の複雑な保護システムを簡略化し、電池モジュール化処理を行うことにより、従来の電子・半導体スイッチ（例えば、MOSFET)が有する、寿命が短く、安定性が悪く、抗干渉能力が弱く、耐高電圧能力が弱く、耐過電流能力が弱いなどの欠陥を克服し、リチウムイオン電池の安全性問題を有効に解決することができる。

2、金属構造のインピーダンスが弱い特性を用いて、制限電圧を有するリチウムイオン電池モジュールに直接作用させ、リチウムイオン電池のモジュール化下での任意の直並列接続の使用を真の意味で実現することができる。よって、安全性と使用利便性が一体となっている。

3、表層に銀メッキ構造を採用して消弧を実現し、変形過程中の大電流の条件下での有効な電気遮断を保証することができる。

4、形状記憶合金による物理的なオン／オフ機能とリチウムイオン電池の均衡機能を統合し、形状記憶合金がトリガーされているときに、電池から小電流を出力する必要があり、モニタリング・電熱制御回路に電流トリガー機構を設け、リチウムイオン電池パックのうちの電圧が最高であるバッテリーコアの電流を真っ先に出力し、電池の一致性の偏差の問題を積極的に解決することができる。

5、今の動力源としてのリチウムイオン電池パックシステムが総コストの50%以上を占めているが、該技術を用いることで動力源としてのリチウムイオン電池システムの従来のコストを40%以上削減することができる。

6、該産品は原則上でシングルモジュールのうちの各バッテリーコアの2つの制御可能な点のみ制御し、直列接続される４つのバッテリーコアからなる電池パックモジュールに対応し、8つの制御可能な点が含まれ、また、それぞれモジュールに独立して存在し、このようにして、信頼性が非常に高く、実際に測定された記憶合金の開閉寿命（回数）が12万回に達している。該製品の導入により、将来のリチウムイオン電池を従来の電池と同様に使用することができ、また、ユーザが簡単に使用し得ることにより、経済効果が非常に大きく、大量の社会的費用を削減することができる。よって、動力源としてのリチウムイオン電池の自動車、UPS、電力・エネルギーストレージ、屋外用電源などの分野への全面的な普及を加速することができる。

7、モジュール化リチウムイオン電池は、有限の電池エネルギーを有限の空間に閉じ込むことにより、安全性を全面的に向上させることができる。また、異状による電池の事故を制御可能な範囲内で有効に制御することができる。

上述の説明は、本発明の技術案の概説に過ぎず、本発明の技術手段をより明らかに理解し、また、説明書の内容に従って実施することができるために、以下、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。本発明の具体的な実施形態は、以下の実施例及び添付の図面により詳細に示すことができる。

本発明のリチウムイオン電池保護器の一実施例における断路保護スイッチの常温下での接点構造を示す図である。図1に示す実施例における断路保護スイッチの記憶温度下での接点構造を示す図である。本発明のリチウムイオン電池保護器の他の実施例における断路保護スイッチの常温下での接点構造を示す図である。図3に示す実施例における断路保護スイッチの記憶温度下での接点構造を示す図である。本発明のリチウムイオン電池保護器の実施例におけるモニタリング・電熱制御回路、加熱器、及び断路保護スイッチの接続関係を示す図である。本発明のリチウムイオン電池保護器の実施例の全体的な分解立体図である。

以下、添付した図面及び実施例を参照することにより本発明を詳しく説明する。

リチウムイオン電池保護器であって、リチウムイオン電池パックの充電回路に設置される断路保護スイッチを含み、断路保護スイッチは、形状記憶合金の異なる温度下での形状変化により、リチウムイオン電池パックの充電回路のオン／オフを実現する、リチウムイオン電池保護器が提供される。ここでの形状記憶合金は、好ましくは、ニッケル・チタン合金を採用する。断路保護スイッチは、通常、両側に設けられている２つの接点を保護し、常温下では、両側の接点が互いに接触し、記憶温度に達した時には、両側の接点が互いに離れる。

図1は、本発明のリチウムイオン電池保護器の一実施例における断路保護スイッチの常温下での接点構造を示す図である。本実施例では、断路保護スイッチ10は、可動接点端101及び静止接点端102を含み、可動接点端101は、形状記憶合金により形成され、可動接点端101及び静止接点端102は、常温状態で接触して電気を通し、また、記憶温度に達した時に、即ち、図2に示す構造のように、可動接点端101は、記憶形状に回復し、静止接点端102から離れて電気を遮断する。

図3は、本発明のリチウムイオン電池保護器の他の実施例における断路保護スイッチの常温下での接点構造を示す。本実施例では、断路保護スイッチ10は、可動接点端101、静止接点端102、及び弾性片103を含み、弾性片103は、形状記憶合金により形成され、弾性片103は、常温状態で可動接点端101を静止接点端102へ押圧することで、可動接点端101と静止接点端102とが接触して電気を通すようにさせ、このときに、可動接点端101は、弾性変形状態にあり、また、記憶温度に達したときに、弾性片103は、記憶形状に回復し、可動接点端101を押圧せず、可動接点端101は、弾性作用下で元の状態（位置）に戻り、静止接点端102から離れて電気を遮断し、即ち、図4に示すような構造になる。

上述のリチウムイオン電池保護器の実施例における断路保護スイッチの構造から分かるように、断路保護スイッチがリチウムイオン電池パックの充電回路に設けられる場合、断路保護スイッチの温度を変化させることで、リチウムイオン電池パックの充電回路をオン／オフにすることができる。また、リチウムイオン電池パックを充電する時にそれをオフにして保護する必要があるときに、断路保護スイッチの温度を変化させることで、充電回路をオフにする操作を完成することができる。このようにして、リチウムイオン電池パックの充電保護を電子管理から熱管理への転換を実現することができる。

今のところ、リチウムイオン電池システムは、大量の複雑な電子回路、例えば、LECU、CECU、MCUなどを用いている。克服しにくい難点としては、例えば、作動電流が回路板を流れる必要があるため信頼性が低く、また、スイッチ装置が突入電流による異常な衝撃に耐え切れないなどがある。また、コストが非常に高く、保護回路中で動力応用のために使用するリレーが非常に高価なものであるため、リチウムイオンの普及が制約されている。しかし、形状記憶合金を物理スイッチとすれば、これらの問題がなくなり、比較的高い信頼性を得ることができる。例えば、幾つかの極めて異常な場合（例えば、並列接続される電池パックに異常な逆流現象が生じ、異常な大電流及び異常な発熱を引き起こす場合）、従来の電池保護回路がワーキングすることができないが、本発明の断路保護スイッチは、温度の変化を制御することにより、回路をタイムリーにオフにすることができる。また、形状記憶合金の特性に基づく断路保護スイッチは、自己回復性も配慮し、即ち、熱が放出され温度が下がると、記憶特性が回復して回路をオンにすることで、引き続き充電を行うことができる。このような間欠な熱管理は、電池の保護にとって周密である。

また、本発明の実際の使用状況から見れば、可動接点端101及び静止接点端102の表面にはすべて銀メッキされても良く、これにより、消弧を実現し、変形過程中の有効な断路を保証することができる。

断路保護スイッチの温度変化は、断路保護スイッチを通過する電流により実現することができ、例えば、大電流（異常短絡）下では、断路保護スイッチ自身が発熱してタイムリーに回路をオフにすることができる。なお、温度変化を制御することができるという特性を考慮して、温度変化は断路保護スイッチの外部の温度制御素子により実現されるのが好ましい。

図5に示すように、リチウムイオン電池保護器はさらに、モニタリング・電熱制御回路20及び加熱器30を含み、モニタリング・電熱制御回路20の一端は、リチウムイオン電池パック40に接続され、他端は、加熱器30に接続され、加熱器30は、断路保護スイッチ10の側に位置する。モニタリング・電熱制御回路20は、リチウムイオン電池パック40をモニタリングし、また、モニタリング結果に基づいて加熱器30を制御して加熱させることができる。

加熱器30は、セラミック加熱器であり、主セラミック加熱器PTC及び補助セラミック加熱器NTCを含む。主セラミック加熱器PTCの特徴は、温度が上昇するにつれて、その内部抵抗も増加するということである。NTCと協同してワーキングすることにより、相対的にコンスタントなアンペアレベルの負荷を維持することができる。それは、モジュール全体の約12vの電圧を採用してワーキングするため、電池全体を充電する時に電圧が過充電により迅速に上昇することを有効に抑制することができる。複数組のモジュールが直列接続されてワーキングするときに、抑制操作は、高電圧のモジュールを待機にさせることができ、これにより、低電圧のモジュールの電圧は、上昇して高電圧のモジュールに接近し、総電圧に達する。これは、モジュールの自由な直並列接続の基礎であり、モジュール化後の電池パックは、大量のモニタリングコストを簡略化し、使用時の信頼性及び安全性を向上させることができる。

補助セラミック加熱器NTCの特徴は、温度が上昇するについて、その内部抵抗が減少するということである。該部品は、断路保護スイッチに補助用の熱を提供するとともに、実際には4列のモジュラーバッテリーのうちの電圧が最も高いバッテリーコアの電圧を採用して放電し、ワーキング中では、モジュラーバッテリーパックの一致性（今の中国国内でのバッテリーコアのレベルから見れば、一般的には、電池使用1年後に、自己放電の微差により、パックの中のバッテリーコアの一致性が低下し、性能が低下する）のバランスを取り、電池状態の安定性を保つことができる。

他の実施例では、加熱器30はさらに、他の種類の加熱器、例えば、抵抗類加熱器、トランジスタ類加熱器などを採用しても良い。

また、本発明の実際の使用状況から見れば、モニタリング・電熱制御回路20は、リチウムイオン電池パック40をオフにして保護する必要があるパラメータ（例えば、電圧、電流信号など）をモニタリングした時に、モニタリング・電熱制御回路20は、加熱器30を制御して、断路保護スイッチ10が記憶温度に達するように加熱させることができる。そのうち、モニタリング・電熱制御回路20の制御電流は、リチウムイオン電池からの均衡電流であっても良く、このようにすることは、リチウムイオン電池の余ったエネルギーを利用し、電池修復操作も配慮することに相当する。

また、本発明の好ましい実施方式によれば、モニタリング・電熱制御回路20は、オフにして保護する必要があるパラメータをモニタリングした時に、モニタリング・電熱制御回路20は、リチウムイオン電池パック40のうちの電圧が比較的高いバッテリーコアを用いて加熱器30を駆動して、断路保護スイッチ10が記憶温度に達するように加熱させ、積極的に電池の一致性の偏差の問題を解決することができる。

図6に示すように、外部環境の干渉を防止するために、断路保護スイッチ10は、アルミ製の台座50に固定され、台座50の下方には、加熱器30及びモニタリング・電熱制御回路20が設けられる。台座50は、好ましくは、アルミにより形成され、これは、主にアルミが良好な熱伝導性を有し、且つコストが大規模製造に適するということを考慮するためである。

断路保護スイッチ10、台座50、加熱器30、及びモニタリング・電熱制御回路20はすべて外殻1内に設置することができる。これにより、標準モジュールを形成することができるため、使用者は自分で要求に応じてスタック応用設計を行うことができる。また、外殻1はさらに、熱を集めてより良い加熱効果を実現することもできる。

上述の文字に基づく説明及び添付した図面によれば分かるように、本発明を採用した後に、形状記憶合金の記憶性、抗干渉能力、抗高電圧能力、受動過電流能力を利用することで、リチウムイオン電池の複雑な保護システムを簡略化し、電池のモジュール化処理を行うことにより、電子・半導体スイッチ（例えば、MOSFET)の従来に存在する寿命が短く、安定性が弱く、抗干渉能力が弱く、耐高電圧能力が弱いなどの欠陥を克服することができる。よって、リチウムイオン電池の安全性問題を有効に解決することができる。

また、金属構造のインピーダンスが弱い特性を用いて、制限電圧を有するリチウムイオン電池モジュールに直接作用させ、リチウムイオン電池のモジュール化下での任意の直並列接続の使用を真の意味で実現することができる。よって、安全性と使用利便性が一体となっている。

また、該技術を用いることで動力源としてのリチウムイオン電池システムの従来のコストを40%以上削減することができる。

また、該産品は原則上でシングルモジュールの8つの制御可能な点のみ制御し、また、それらはそれぞれモジュールに独立して存在し、これにより、信頼性が非常に高く、実際に測定された記憶合金の開閉寿命（回数）が12万回に達している。該製品の導入により、将来のリチウムイオン電池を従来の電池と同様に使用することができ、また、ユーザが簡単に使用し得ることにより、経済効果が非常に大きく、大量の社会的費用を削減することができる。よって、動力源としてのリチウムイオン電池の自動車、UPS、電力・エネルギーストレージ、屋外用電源などの分野への全面的な普及を加速することができる。

また、モジュール化リチウムイオン電池は、有限の電池エネルギーを有限の空間に閉じ込むことにより、安全性を全面的に向上させることができる。また、異状による電池の事故を制御可能な範囲内で有効に制御することもできる
本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更などは、本発明の技術的範囲に属する。

Claims

リチウムイオン電池保護器であって、
リチウムイオン電池パック（40)の充電回路に設置される断路保護スイッチ（10)を含み、
前記断路保護スイッチは、形状記憶合金の異なる温度下での形状変化により、前記リチウムイオン電池パック（40)の充電回路のオン又はオフを実現し、
モニタリング・電熱制御回路（20)、及び、前記断路保護スイッチ（10)の側に設置される加熱器（30)を更に含み、
前記モニタリング・電熱制御回路（20)は、一端が前記リチウムイオン電池パック（40)に接続され、他端が前記加熱器(30)に電気接続され、前記リチウムイオン電池パック（40)をモニタリングし、モニタリング結果に基づいて前記加熱器（30)の加熱を制御するために用いられ、
前記加熱器（30)は、セラミック加熱器であり、主セラミック加熱器PTC及び補助セラミック加熱器NTCを含み、
前記主セラミック加熱器PTC及び前記補助セラミック加熱器NTCは、協同して実質的にコンスタントなアンペアレベルの負荷を維持する、リチウムイオン電池保護器。
請求項１に記載のリチウムイオン電池保護器であって、
前記断路保護スイッチ（10)は、可動接点端（101)及び静止接点端（102)を含み、
前記可動接点端（101)は、形状記憶合金により形成され、
前記可動接点端（101)と前記静止接点端（102)は、常温状態で接触して電気を通し、
記憶温度に達した時に、前記可動接点端（101)は、記憶形状に回復し、前記静止接点端（102)から離れて電気を遮断する、リチウムイオン電池保護器。
請求項１に記載のリチウムイオン電池保護器であって、
前記断路保護スイッチ（10)は、可動接点端（101)、静止接点端（102)、及び弾性片（103)を含み、
前記弾性片（103)は、形状記憶合金により形成され、
前記弾性片(103)は、常温状態で前記可動接点端（101)を前記静止接点端(102)へ押圧することにより、前記可動接点端（101)と前記静止接点端（102)が接触して電気を通すようにさせ、
記憶温度に達した時に、前記弾性片（103)は、記憶形状に回復し、前記可動接点端(101)は元の状態に戻り、前記静止接点端（102)から離れて電気を遮断する、リチウムイオン電池保護器。
請求項２又は３に記載のリチウムイオン電池保護器であって、
前記可動接点端（101)及び静止接点端（102)の表面には銀メッキされている、リチウムイオン電池保護器。
請求項１に記載のリチウムイオン電池保護器であって、
前記モニタリング・電熱制御回路（20)は、前記リチウムイオン電池パック（40)をオフして保護する必要があるパラメータをモニタリングした時に、前記断路保護スイッチ（10)が記憶温度に達するように前記加熱器（30)を制御して加熱させるために用いられる、リチウムイオン電池保護器。
請求項５に記載のリチウムイオン電池保護器であって、
前記モニタリング・電熱制御回路（20)は、具体的に、前記リチウムイオン電池パック（40)をオフにして保護する必要があるパラメータをモニタリングした時に、前記リチウムイオン電池パック（40)のうちの電圧が比較的高いバッテリーコアの電圧を用いて、前記断路保護スイッチ（10)が記憶温度に達するように前記加熱器（30)を駆動して加熱させるために用いられる、リチウムイオン電池保護器。
請求項１、５、又は６に記載のリチウムイオン電池保護器であって、
アルミ製の台座（50)を更に含み、
前記断路保護スイッチ（10)は、前記台座（50)に固定され、前記加熱器（30)は、前記台座（50)の下方に設置される、リチウムイオン電池保護器。
請求項７に記載のリチウムイオン電池保護器であって、
外殻（1)を更に含み、
前記断路保護スイッチ（10)、前記台座（50)、前記加熱器（30)、及び前記モニタリング・電熱制御回路（20)はすべて前記外殻（1)内に設置される、リチウムイオン電池保護器。