DE69109987T2

DE69109987T2 - Schutzvorrichtung für Sekundärbatterie.

Info

Publication number: DE69109987T2
Application number: DE69109987T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Aita; Masaaki Yokokawa
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1991-09-25
Publication date: 1995-11-30
Anticipated expiration: 2011-09-26
Also published as: EP0477908A3; EP0477908A2; JP2961853B2; DE69109987D1; US5252411A; EP0477908B1; JPH04137371A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für Sekundärbatterien.
Sekundärbatterien werden als Spannungsquelle für elektronische Geräte wie z.B. Videokameras und Stereokopfhörer verwendet. Im Zuge der verbreiteten Benutzung dieser elektronischen Geräte und der Verkleinerung ihrer Baugröße besteht ein zunehmendes Bedürfnis, daß ihre Sekundärbatterien eine höhere Energiedichte bereitstellen.
Diesem Bedürfnis wird durch die Entwicklung von nichtwässerigen Elektrolytsekundärbatterien Rechnung getragen. Dabei handelt es sich um Batterien, die als Anode Lithiummetall, eine Lithiumlegierung oder kohlenstoffhaltiges Material, das mit Lithium dotierbar oder dedotierbar ist, verwendet.
Ein Nachteil der nichtwässerigen Elektrolytsekundärbatterien liegt darin, daß wenn sie in einer Atmosphäre belassen werden, deren Temperatur höher ist als die Raumtemperatur, die Batterien dazu neigen, ihre Kapazität aufgrund einer Schwächung des Elekrolyts und/oder dessen aktiven Materials zu verlieren. Danach erreichen die Batterien nicht mehr ihre ursprüngliche Kapazität, wodurch ein entsprechend langer Aufladevorgang notwendig ist.

AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung für Sekundärbatterien anzugeben, wobei die Vorrichtung automatisch das Vermindern der Kapazität vermeidet, wenn die Batterien in einer Hochtemperaturatmosphäre belassen werden.
Zur Lösung der Erfindung wird eine Schutzvorrichtung für eine Sekundärbatterie angegeben, mit einer temperaturabhängigen Schalteinrichtung, die eingeschaltet wird, wenn die Umgebungstemperatur an der Sekundärbatterie eine bestimmte voreingestellte Temperatur übersteigt; und mit einer über die temperaturabhängige Schalteinrichtung mit der Sekundärbatterie elektrisch verbundenen Entladeschaltung zum Entladen der Sekundärbatterie; welche Entladeschaltung gekennzeichnet ist durch eine spannungsabhängige Schalteinrichtung, die eingeschaltet wird, wenn die die Entladeschaltung beaufschlagende Spannung eine bestimmte Entladestartspannung übersteigt; und durch einen seriell mit der spannungsabhängigen Schalteinrichtung verbundenen Entladewiderstand, der den beim Entladen wirksamen Entladestrom einstellt.
Im Betrieb wird bei der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung die temperaturabhängige Schalteinrichtung eingeschaltet, wenn die Umgebungstemperatur um die Sekundärbatterie eine bestimmte voreingestellte Temperatur übersteigt. Dadurch wird die Sekundärbatterie elektrisch mit der Entladeschaltung verbunden. Wenn die Spannung der Sekundärbatterie die für die Entladeschaltung eingestellte Entladestartspannung übersteigt wird die spannungsabhängige Schalteinrichtung eingeschaltet, wodurch ein von der Sekundärbatterie zu dem Entladewiderstand fließender Strom bewirkt wird. Die Spannung der Sekundärbatterie fällt aufgrund des Entladevorgangs graduell.
Wenn die Spannung der Sekundärbatterie auf die Entladestartspannung fällt, stoppt die spannungsabhängige Schalteinrichtung das Entladen der Sekundärbatterie. Auf diese Weise wird die Entladeschaltung in Abhängigkeit von der Entladestartspannung automatisch ein- und ausgeschaltet. Das bedeutet, daß die Entladeschaltung eingeschaltet wird, wenn die Spannung der Sekundärbatterie größer ist als die Entladestartspannung, und daß die Entladeschaltung ausgeschaltet wird, wenn die Spannung der Sekundärbatterie niedriger ist als die Entladestartspannung.
Bei einem Betrieb in der beschriebenen Weise erlaubt es die Schutzvorrichtung, daß die Spannung der Sekundärbatterie in einer Hochtemperaturatmosphäre auf eine bestimmte voreingestellte Spannung fällt (Entladestartspanung). Dadurch wird die Absenkung der Kapazität der in der Hochtemperaturatmosphäre befindlichen Sekundärbatterie vermieden. Außerdem vermeidet die Vorrichtung das unnötige Entladen der Sekundärbatterie.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 zeigt ein elektrisches Schaltungsdiagramm einer als erste Ausführungsform der Erfindung dienenden Schutzvorrichtung für Sekundärbatterien; und
Fig. 2 zeigt ein elektrisch es Schaltungsdiagramm einer anderen, als zweite Ausführungsform der Erfindung dienenden Schutzvorrichtung für Sekundärbatterien.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Untersuchungen zu dem Phänomen der Kapazitätsverminderung bei nichtwässerigen Elektrolytsekundärbatterien führten die Erfinder zu zwei wesentlichen Erkenntnissen. Die eine liegt darin, daß der Abfall der Kapazität der Sekundärbatterie in einer Hochtemperaturatmosphäre im wesentlichen durch die Batteriespannung zu diesem Zeitpunkt bestimmt wird. Die andere Erkenntnis liegt darin, daß wenn die Batteriespannung niedrig gehalten wird, der Wiederherstellgrad der Kapazität nach Beendigung der Hochtemperaturphase vergrößert wird. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurde die Erfindung entwickelt und vorgeschlagen.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine als erste Ausführungsform der Erfindung dienende Schutzvorrichtung für Sekundärbatterien beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Schutzvorrichtung in einem aus einer Anordnung 10 von Sekundärbatterien 1 bestehenden Batteriesatz A untergebracht. Die Schutzvorrichtung weist einen Bimetallschalter 2 (temperaturabhängige Schalteinrichtung) und eine Entladeschaltung 3 auf. Der Bimetallschalter 2 wird eingeschaltet, wenn die Umgebungstemperatur nahe der Sekundärbatterie 1 eine bestimmte voreingestellte Temperatur erreicht. Bei aktiviertem Bimetallschalter ist die Entladeschaltung 3 mit der Batterieanordnung 10 elektrisch verbunden.
Genauer gesagt, sind die Sekundärbatterien 1 nichtwässerige Elektrolytsekundärbatterien, bei denen das aktive Anodenmaterial aus einem kohlenstoffhaltigen Material, das aktive Kathodenmaterial aus LiCoO&sub2;, und die Elektrolytlösung aus einer nichtwässerigen Elektrolytlösung besteht, die durch Auflösen von Phosphorlithiumfluorid (LiPF&sub6;) mit 1 Mol/l in einer durch Mischen von Propylencarbonat mit 1,2-Dimethoxyethan gewonnenen Lösung entsteht. Jede Sekundärbatterie 1 ist ein Zylinder mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Höhe von 42 mm. Die Batterie wird beispielsweise mit einem Konstantstrom von 250 mA mit Spannungen bis zu 4,1 V aufgeladen.
Zwei derartige Sekundärbatterien werden zu einem seriellen Paar hintereinander geschaltet. Zwei derartige serielle Paare werden zu einem parallelen Paar (welches aus vier Sekundärbatterien besteht) parallel geschaltet. Zehn von derartigen parallelen Paaren werden für die Sekundärbatterieanordnung 10 verwendet. Die Anordnung 10 wird seriell mit dem Bimetallschalter 2 und der Entladeschaltung 3 verbunden. Die Komponenten sind in einem Gehäuse aus synthetischem Harz untergebracht, welches die äußere Schale des Batteriesatzes A darstellt. Die Anschlußspannung über den Anschlüssen "a" bis "b" der Batterieanordnung 10 beträgt 8,2 V.
Wie in Fig. 1 gezeigt, kombiniert der Bimetallschalter 2 einen Bimetallteil 21 mit Schaltungskontakten 22. Wenn die Temperatur innerhalb des Batteriesatzes A eine Voreinstellung von beispielsweise 65 ºC übersteigt, krümmt sich der Bimetallteil 21 und schließt die Kontakte 22. Dadurch wird die Batterieanordnung 10 elektrisch mit der Entladeschaltung 3 verbunden. Die Referenztemperatur kann wie benötigt verändert werden.
Die Entladeschaltung 3 weist einen NPN-Schaltungstransistor 32 (spannungsabhängige Schalteinrichtung) auf, sowie einen Entladewiderstand 33, dessen eines Ende mit dem Kollektor C des Transistors 32 verbunden ist, eine Spannungsregelungsdiode 31, deren Anode mit der Basis B des Transistors 32 verbunden ist, und einen Strombegrenzungswiderstand 34, dessen eines Ende mit der Kathode der Spannungsregelungsdiode 31 verbunden ist.
Das andere Ende des Entladewiderstands 33 und das des Strombegrenzungswiderstands 34 sind miteinander und mit dem Anschluß "a" der Batterieanordnung über den Bimetallschalter 2 verbunden. Auf der anderen Seite ist der Emitter E des Schaltungstransistors 32 mit dem Anschluß "b" der Batterieanordnung 10 verbunden.
Die die Entladestartspannung bestimmende Spannungsregelungsdiode 31 gibt ihren Strom unverzüglich bei einer Spannung größer als der Zener-Spannung Vz frei. Dadurch bestimmt die Diode 31 im wesentlichen die Entladestartspannung für die Batterien bei hoher Temperatur. Wie später beschrieben, wird die tatsächliche Entladestartspannung in Verbindung mit dem Schaltungstransistor 32 bestimmt. Obwohl die Entladeststartspannung bei der ersten Ausführungsform auf 7,0 V eingestellt ist, kann sie bei Bedarf verändert werden.
Wie in Fig. 1 erkennbar, wird der Schaltungstransistor 32 eingeschaltet, wenn die Anschlußspannung der Batterieanordnung 10 die Entladestartspannung von 7,0 V übersteigt. Dadurch wird die Batterieanordnung 10 entladen.
Der Entladewiderstand 33 dient zum Einstellen des Entladestroms, der nach Aktivieren des Schaltungstransistors 32 fließt. Der Widerstandswert des Entladewiderstands 33 wird beispielsweise auf 15 X eingestellt.
Der Strombegrenzungswiderstand 34 verhindert, daß große Ströme in die Spannungsregelungsdiode 31 fließen können. Der Widerstandswert des Strombegrenzungswiderstands 34 wird beispielsweise auf 150 X eingestellt.
Die erste Ausführungsform mit dem oben beschriebenen Aufbau arbeitet folgendermaßen:
Wenn die Umgebungstemperatur um die Sekundärbatterien 1 (innerhalb des Batteriesatzes A) 65 ºC übersteigt. wird der Bimetallschalter 2 eingeschaltet, um die Kontakte 22 zu schließen. Dadurch wird die Batterieanordnung 10 elektrisch mit der Entladeschaltung 3 verbunden.
Wenn die Ladestartspannung durch die an den Anschlüssen "a" bis "b" der die Sekundärbatterien 1 enthaltenden Batterieanordnung 10 anliegende Anschlußspannung V überstiegen wird, funktionieren die Spannungsregelungsdiode 31 und der Schaltungstransistor 32 folgendermaßen: in diesem Fall ist die Anschlußspannung von 8,2 V über den Anschlüssen "a" bis "b" der Batterieanordnung 10 größer als die Summe der Zener-Spannung Vz der Spannungsregelungsdiode 31 und der Spannung Vbe zwischen der Basis B und dem Emitter E des Schaltungstransistors 32 (d.h., Vz + Vbe; die Entladestartspannung beträgt 7 V). Dadurch fließt ein Strom in die Spannungsregelungsdiode 31 und über die Basis B zu dem Emitter E des Schaltungstransistors 32. Dadurch wird der Schaltungstransistor 32 eingeschaltet. In diesem Moment bildet der Entladewiderstand 33 eine Last für die Batterieanordnung 10. Da die Anschlußspannung 8,2 V beträgt, wird der Entladewiderstand 33 mit 7,5 V beaufschlagt, wobei diese Spannung durch Subtrahieren einer Sättigungsspannung Vce (sat) von 0,7 V zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E des Schaltungstransistors 32 von der Anschlußspannung erhalten wird. Wenn der Entladewiderstand 33 auf 15 X eingestellt ist, fließt ein Entladestrom von ungefähr 500 mA durch den Entladewiderstand 33 und über den Kollektor C zu dem Emitter E des Schaltungstransistors 32.
Wenn die Anschlußspannung V der Batterieanordnung 10 7,0 V oder weniger beträgt fließt kein Strom zu der Spannungsregelungsdiode 31. Der Schaltungstransistor 32 wird dann ausgeschaltet, wodurch automatisch das Entladen des Batteriesatzes A gestoppt wird. Auf die Weise wird die Anschlußspannung von 7,0 V gehalten, nachdem die Spannung auf 7.0 V abgefallen ist. Dadurch wird eine unnötige Entladung der Sekundärbatterien 1 vermieden.
Während eines Experiments haben die Erfinder die Umgebungstemperatur innerhalb des Batteriesatzes A bei 65 ºC gehalten und die Batterien entladen. Ungefähr zwei Stunden später war die Spannung V über den Anschlüssen "a" bis "b" der Batterieanordnung 10 von 8,2 V auf 7,0 V (3,5 V für jede Sekundärbatterie 1) gefallen.
Die Wirkungen der ersten Ausführungsform wurden durch einen Vergleich mit einer Variante bestimmt. Diese Variante war ein im Aufbau mit dem Batteriesatz A identischer Batteriesatz B, mit der Ausnahme, daß der Bimetallschalter 2 und die Entladeschaltung 3 fehlten. Die Arbeitsweise der Batteriesätze A und B wurde folgendermaßen getestet:
In einer Atmosphäre von 23 ºC wurden die Batteriesätze A und B mit einem Konstantstrom von 800 mA entladen. Die Entladestoppspannung war auf 5,5 V eingestellt. In dieser Einstellung wurde die Entladekapazität der Batteriesätze A und B geprüft. Dann wurden die Batteriesätze A und B mit einem Konstantstrom von 1600 mA aufgeladen, wobei die obere Spannungsgrenze auf 8,2 V eingestellt war.
Nach dem Laden wurden die Batteriesätze A und B in einen thermostatischen Ofen gelegt, dessen Temperatur von der Umgebungstemperatur von 23 ºC mit einer Rate von 1 ºC pro Minute angehoben wurde. Nachdem eine Temperatur von 80 ºC erreicht wurde, wurden die Batteriesätze A und B in dieser Temperatur sechs Stunden gelagert. Danach wurden die Batteriesätze A und B aus dem Ofen herausgenommen und in einer Atmosphäre von 23 ºC abgelegt.
Der oben beschriebene Lade- und Entladezyklus wurde dreimal wiederholt. Danach wurde die Entladekapazität der Batteriesätze A und B gemessen.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt, inwieweit sich die Batteriekapazitäten der Batteriesätze A und B durch obiges Experiment verändert haben. Die aufgeführten Werte wurden vor und nach dem Lagern der Batterien in der hohen Temperatur gemessen. Tabelle 1 Batteriesatz Batteriekapazität vor dem Lagern in hoher Temperatur Batteriekapazität nach dem Lagern in hoher Temperatur Wiederherstellungsgrad der Kapazität
Aus obigen Ergebnissen ist ersichtlich, daß, während bei dem Batteriesatz A der ersten Ausführungsform die Kapazität vor und nach der Lagerung in der hohen Temperatur praktisch gleich bleibt, beim Batteriesatz B nur 91 % der Kapazität erreichbar ist. Somit wurde die Effektivität des erfindungsgemäßen Entladeverfahrens für nichtwässerige Elektrolytsekundärbatterien in der Hochtemperaturatmosphäre festgestellt.
Nun folgt mit Bezug auf die Fig. 2 eine Beschreibung einer als zweite Ausführungsform der Erfindung praktizierten Schutzvorrichtung für Sekundärbatterien.
Wie in Fig. 2 gezeigt. wird die zweite Ausführungsform verwendet, wenn die zu schützenden Sekundärbatterien relativ niedrige Spannungen aufweisen. Die zweite Ausführungsform weist einen Thermistor 5 (temperaturabhängige Schalteinrichtung) und eine Entladeschaltung 3a auf, die einen Widerstand 34a und eine Spannungsregelungsdiode 31a (spannungsabhängige Schalteinrichtung) aufweist. Diese Teile sind seriell geschaltet und ihre Enden sind mit Anschlüssen a' und b' einer Sekundärbatterie 1 verbunden.
Der Thermistor 5 erniedrigt seinen elektrischen Widerstand, wenn die Umgebungstemperatur steigt. Nahe bei der Sekundärbatterie 1 angeordnet, verbindet der Thermistor 5 die Batterie mit der Entladeschaltung 3a elektrisch.
Die Spannungsregelungsdiode 31a dient als spannungsabhängige Schalteinrichtung für die Entladeschaltung 3a. Wenn die Anschlußspannung der Sekundärbatterie 1 größer ist als die Entladestartspannung, erlaubt die Spannungsregelungsdiode 31a einen Entladestrom von der Sekundärbatterie 1. Dadurch dient der Widerstand 34a sowohl als Strombegrenzungswiderstand für die Spannungsregelungsdiode 31a als auch als Entladewiderstand, wenn der Entladestrom fließt.
Wenn bei der zweiten Ausführungsform der Thermistor 5 eine bestimmte Temperatureinstellung erreicht, fällt der elektrische Widerstand zwischen der Entladeschaltung 3a und der Sekundärbatterie 1. Wenn die Anschlußspannung der Sekundärbatterie 1 größer ist als die durch die Spannungsregelungsdiode 31a eingestellte Entladestartspannung, fließt der Entladestrom von der Sekundärbatterie 1 durch den Widerstand 34a und die Spannungsregelungsdiode 31a. Wenn die Anschlußspannung der Sekundärbatterie 1 niedriger wird als die eingestellte Entladestartspannung, endet der Entladestromfluß. Auf diese Weise ist die zweite Ausführungsform einfacher aufgebaut als die erste und bietet dennoch vergleichbare Effekte.
Mit der zweiten Ausführungsform kann bei relativ niedrigem Entladestrom auf den Widerstand 34a verzichtet werden und der Thermistor 5 sowohl als Strombegrenzungswiderstand als auch als Entladewiderstand dienen.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den spezifischen Ausführungsformen beschrieben worden ist, können Alternativen, Modifikationen und Variationen im Sinne der vorstehenden Beschreibung für den Fachmann offensichtlich sein.
Beispielsweise ist die Untergrenze der für die Entladeschaltung eingestellten Entladestartspannung vorzugsweise so gewählt, daß die Sekundärbatterie nach dem Entladen durch die Schutzvorrichtung noch 20 bis 30 % ihrer Kapazität hält. Bei der ersten Ausführungsform aus Fig. 1 ist die Untergrenze der Spannung beispielhaft auf 3,3 V für die nichtwässerige Elektrolytsekundärbatterie 1 gewählt.
Der Entladewiderstand ist vorzugsweise so gewählt, daß er Ströme in einem Bereich zwischen 5-Stunden- und 30-Minuten-Entladeraten abgibt (eine 5-Stunden-Entladerate ist eine Rate, bei der die Batteriekapazität in 5 Stunden verbraucht ist). Wenn der Entladewiderstand einen Stromfluß mit einer Rate niedriger als die 5-Stunden-Entladerate erlaubt, ist die Last zu gering, wodurch der Spannungsabbau in der Batterie verlangsamt wird und die Wirkung der Schutzvorrichtung vermindert wird. Wenn andererseits der Entladewiderstand einen Stromfluß mit einer Rate größer als die 30-Minuten-Entladerate erlaubt, ist die Last zu groß, was zu einem unerwünschten, relativ großen Temperaturanstieg in der Batterie führt. Wenn ein großer Entladestrom den Entladewiderstand beträchtlich aufwärmt, wird der Widerstand vorzugsweise mit einer geeigneten Wärmeableitungseinrichtung versehen.
Die temperaturabhängige Schalteinrichtung ist nicht auf Bimetallschalter oder Thermistoren beschränkt. Die Einrichtung kann in jeder anderen Anordnung ausgeführt werden, die einen bei einer bestimmten Temperatur wirkenden Temperatursensor aufweist und die Entladeschaltung mit den Batterieanschlüssen verbindet und trennt. Eine derartige alternative Anordnung ist ein Thermokoppler, der nach einem thermoelektromotorischen Prinzip wirkt. Andere Alternativen nutzen eine Formspeicher-Legierung, die ihre Form in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, sowie einen Quarzoszillator, dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur variiert. Diese Alternativen können einzeln oder in Kombination mit geeigneten Schalteinrichtung verwendet werden.
Die Entladeschaltung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die Schaltung kann in Form jeder anderen Schaltung ausgeführt werden, die es erlaubt, daß ein Strom zu dem Entladewiderstand fließt, wenn eine vorbestimmte Spannungseinstellung überschritten wird, und die den Strom stoppt, wenn die Spannungseinstellung nicht überschritten ist. Eine derartige alternative Schaltung kann eine entsprechende integrierte Schaltung sein.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Schutzvorrichtung in dem Batteriesatz enthalten. Alternativ dazu kann die Schutzvorrichtung schon vorher in dem Gehäuse des Geräts untergebracht werden, das später die Sekundärbatterien aufnimmt.

Claims

1. Schutzvorrichtung für eine Sekundärbatterie (1), mit

einer temperaturabhängigen Schalteinrichtung (2), die eingeschaltet wird, wenn die Umgebungstemperatur an der Sekundärbatterie eine bestimmte voreingestellte Temperatur übersteigt; und mit

einer über die temperaturabhängige Schalteinrichtung mit der Sekundärbatterie elektrisch verbundenen Entladeschaltung (3) zum Entladen der Sekundärbatterie;

welche Entladeschaltung gekennzeichnet ist durch

eine spannungsabhängige Schalteinrichtung (32), die eingeschaltet wird, wenn die die Entladeschaltung beaufschlagende Spannung eine bestimmte Entladestartspannung übersteigt und durch

einen seriell mit der spannungsabhängigen Schalteinrichtung verbundenen Entladewiderstand (33), der den beim Entladen wirksamen Entladestrom einstellt.

2. Schutzvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängige Schalteinrichtung ein Bimetallschalter (21) oder ein Thermistor (5) ist.

3. Schutzvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängige Schalteinrichtung mindestens eine Spannungsregelungsdiode (31) aufweist.

4. Schutzvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärbatterie eine nichtwässerige Elektrolytsekundärbatterie ist.

5. Schutzvorrichtung für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem Batteriesatz (A) vorgesehen ist.