JP2777354B2 - バッテリー再充電方法 - Google Patents
バッテリー再充電方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、バッテリーの再
充電時における過剰電流による損傷からバッテリーを保
護する再充電方法にことに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】バッテリーが充電されるとき、バッテリ
ーから熱が発生する。バッテリーからの放電電流が高く
なると、発熱量も多くなり、それだけ、バッテリーの１
つまたはそれ以上の部品が損傷される危険性も大きくな
る。常識ではないが、バッテリーは過剰電流が放電され
るのを避けるために熱ヒューズまたはサーモスタットを
設け、過剰に熱せられるとバッテリーから電流が流れ出
すの防止したり、ヒューズに過剰の電流が流れるのを防
止することは知られている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、バッテ
リーのセルと直列に接続され、バッテリーの永久部分を
なすＰＴＣ電気装置を使用すると、バッテリー端子が偶
発的に短絡したとき、ＰＴＣ電気装置は、過剰なバッテ
リー温度および／または電流に対して自動的に保護作用
を与えることを見い出した。そのＰＴＣ電気装置の電気
的および熱的特性は、バッテリーの種類と操作および充
電に要求される方法に応じて選定される。したがってこ
の発明は過剰電流および過剰温度に対してセルを安全に
保護できるバッテリー再充電方法を提供することを目的
とする。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、１つの
態様として、１つまたはそれ以上の二次電池を備え、Ｃ
アンペア時の容量を有するバッテリーを再充電するにあ
たり、上記二次電池がある充電状態に達するまで比較的
大きく、かつ急速充電用の電流を流す工程と、上記二次
電池に熱接触するＰＴＣ電気装置によって少なくとも１
つの電池の温度を感知することによって該充電状態を検
出する工程と、上記ＰＴＣ電気装置の抵抗が増大するこ
とを利用してバッテリーを通る電流を比較的低い緩やか
な充電電流に減少させる工程を含むバッテリー再充電方
法であって、上記ＰＴＣ電気装置は２枚の板状電極と板
状ＰＴＣ素子からなり、該ＰＴＣ素子は、２０℃で１０
オーム・ｃｍ以下の抵抗率を有するＰＴＣ導電性ポリマ
ー組成物を含み、該ＰＴＣ素子の等価直径ｄ、平均行程
長さｔとして比ｄ／ｔが少なくとも２となる領域を電流
が流れ、少なくとも０．２５Ｃアンペアの急速な充電電
流ｉRを、上記バッテリーおよび該バッテリーの電池と
直列に接続されるとともに電池と熱接触するＰＴＣ電気
装置を通すことを特徴とし、しかも上記ＰＴＣ電気装置
が、ある電気的な電力／温度関係を有するとともに、そ
の熱放散率が、（Ａ）初期に、急速な充電電流がバッテ
リーを流れるとき、Ｉ2Ｒ加熱により電気装置が発熱す
る割合と、電気装置から熱放散する割合との間に安定し
た平衡状態が存在し、（Ｂ）急速な充電電流が電池をあ
る種の充電状態に再充電し、電気装置が高温度に達した
とき、Ｉ2Ｒ加熱により電気装置が発熱する割合が電気
装置からの熱放散する割合を越え、電気装置の温度およ
び抵抗が急速に増大し、その後、電気回路は緩やかな充
電状態に入るという程度であり、上記充電状態では、
（ｂ−１）電池を通り０．５ｉR以下で０．０３Ｃ〜
０．２Ｃアンペアの緩やかな充電電流ｉTが存在し、
（ｂー２）Ｉ2Ｒ加熱により電気装置が発熱する割合が
電気装置から熱が放散する割合に等しくなり、該緩やか
な充電状態は電流が該電気回路を流れ続ける限り保持さ
れることを特徴とするバッテリー再充電方法が提供され
る。 【０００５】この発明に使用されるＰＴＣ素子を含む電
気装置は、１９７９年１１月３０日に出願された米国特
許出願第９６５,３４４号およびそのＣＩＰ出願明細書
に記載されたタイプの装置が好ましく、さらに１９７９
年１１月３０日に出願された米国特許出願第９６５,３
４５号およびそのＣＩＰに対応する日本特許出願第１５
６２８９号／７９明細書に記載された酸素防壁層を備え
ているものが好ましく、該ＰＴＣ素子は、米国特許出願
第９６５,３４３号に対応する日本特許出願第１５６２
８７号／７９明細書に記載されたＰＴＣ組成物を含むの
が好ましい。 【０００６】尚、上記米国特許出願第９６５,３４４号
及びそのＣＩＰ出願に対応する特願昭５４−１５６２８
８号には、電力源と、ＰＴＣ素子を含む回路保護器と、
上記ＰＴＣ素子に直列に接続されかつインピーダンスＲ
Ｌオームを有する他の回路素子とを備えた電気回路であ
って、該電気回路は通常の動作状態と、故障発生時には
高温安定動作状態を有し、(イ)ＰＴＣ素子は有機ポリマ
ー材料に導電性カーボンブラックを分散させたＰＴＣ導
電性ポリマーからなり、かつ２５℃にて１０オーム・cm
以下の抵抗率を有し、(ロ)ＰＴＣ素子を流れる電流の範
囲の等価直径をd、平均長さをtとするとき、d／tが少な
くとも２である範囲内で電流が流れるようになってお
り、(ハ)回路保護基は２５℃で抵抗値が１オーム以下
で、かつ０．５×ＲＬオーム以下であり、(ニ)電気回路
における高温安定動作状態下の電力に対する通常動作状
態下での電力の比、即ちスイッチング比は少なくとも８
であること等を特徴とする電気回路について開示され、
さらに上記電気回路についてＰＴＣ組成物は２５℃で７
オーム・cm以下の抵抗率を有し、かつ保護器は２５℃で
０．２オーム以下、かつ０．０１ＲＬオーム以下の抵抗
値を有することが開示されている。 【０００７】又、特願昭５４−１５６２８９号には、
(１)(a)２０ccよりも小さい体積を有し、(b)スイッチン
グ温度Ｔsを伴うＰＴＣ挙動を示す組成物からなり、及
び(c)ポリマー及び該ポリマーに分散された導電性粒子
からなるＰＴＣ素子、及び(２)電源に接続することがで
き、接続された場合にはＰＴＣ素子に電流を流す少なく
とも２つの電極、を有する電気回路の制御装置であっ
て、(３)(a)１０-9cc(標準状態)／cm2／mm／秒／cmＨg
よりも小さい酸素透過率を有する金属、セラミックまた
は有機ポリマーからなり、(b)ＰＴＣ素子の周囲を密封
し、(c)該装置を標準状態の空気中に置いた場合、ＰＴ
Ｃ素子の酸素吸収率が１０-6cc／秒／gよりも小さくな
るようにＰＴＣ素子への空気の接近を制限する酸素バリ
ヤーを有すること等を特徴とする電気回路の制御装置に
ついて開示されている。 【０００８】又、特願昭５４−１５６２８７号には、Ｐ
ＴＣ素子及び該ＰＴＣ素子に電流を通じさせるように電
源に接続できる少なくとも２つの電極を有してなる電気
回路保護装置であって、該ＰＴＣ素子は、(１)結晶化度
が少なくとも１０％であるポリマー成分、及び(２)該ポ
リマー成分に分散されており、２０ないし１５０ミリミ
クロンの粒径Ｄならびに表面積Ｓ(m2／g)とＤの比Ｓ／
Ｄが１０を越えないような表面積Ｓを有するカーボンブ
ラックからなる粒状充填材成分、を含んで成る溶融加工
ＰＴＣ導電性ポリマー組成物から成り、該充填材成分の
量は、組成物が７オーム・cmよりも低い２０℃比抵抗及
び少なくとも１０００オーム・cmのピーク比抵抗を有
し、(Ｓ／Ｄ)×(充填材成分体積／ポリマー成分体積)の
値が１よりも小さくなるような量であること等を特徴と
する電気回路装置等について開示されている。 【０００９】 【作用および発明の効果】この発明は、バッテリーが複
数のセルを有し、電気装置がそれらのセル間に、好まし
くは３つまたはそれ以上のセル間の空所に配置され、バ
ッテリー端子間で電池と直列に接続されるように常設的
に接続されているバッテリーに特に有用なもので、過剰
電流および過剰温度に対してセルを安全に保護できる再
充電方法を提供する。この明細書では主として複数のセ
ルからなるバッテリーに関して説明しているが、この発
明は、単一セルのバッテリーにも適用できるものであ
る。 【００１０】この明細書では、放電制御が単一のＰＴＣ
電気装置によって行なわれるバッテリーに関して主とし
て説明するが、本発明は、並列または直列に接続され互
いに所望の制御ができる２つまたはそれ以上のＰＴＣ電
気装置によって放電制御が行なわれるバッテリーに適用
され、同等の作用効果を奏するものである。 【００１１】さらに、電気装置は、偶発的にに端子が直
接接続されると、電流がバッテリーから放電されてセル
が過熱されるのを防止する能力を有するだけでなく、セ
ルの過熱損傷が生じる前に他の予見される故障状態によ
って電気装置が高抵抗状態に変わるように設計されてい
てもよい。したがって、電気装置の高抵抗状態への変化
は、電気装置内で発生した熱が放散される割合を減少さ
せるか、または電気装置に流入する電流を増大させ、ま
たはこれら２つを組み合わせて行なうことができる。高
抵抗状態への変化は一般に、電流増加によって生じた装
置内部の加熱または、電流増加によって生じた電気装置
の増大した内部加熱と外部加熱、例えば装置と熱接触
し、装置と直列になっている抵抗からの加熱、との結合
によって生じる。このような抵抗器からの外部加熱は、
電池による電気装置の加熱を補うことができ、または何
らかの環境下で、電池による電気装置の加熱を、電気装
置の変換の結果、高抵抗状態に基本的に置き換えること
ができる。電気装置はまた、例えばバッテリー端子間が
直接ショートした結果、バッテリーから流れるきわめて
高い電流に対して、電池温度が実質的に増大する前に、
バッテリーを保護するのにも役立つ。即ちＰＴＣ電気装
置はセル温度が上昇する以前に発熱するものである。さ
らに、その電気装置は、バッテリーが外部的に非常な高
温に加熱されたとき、バッテリーから流れる電流を実質
的に制止することができる。 【００１２】電気装置を高抵抗状態に変換できるこれら
の方法は、真に安全なバッテリーの設計に特に有益なこ
とである。ここで、「真に安全」という用語は、例えば、
バッテリーから大電流が流れることのできる最大時間を
指定することによってバッテリーに接続された他の電気
部品への損傷を避けることおよび／または例えば、バッ
テリー近傍で爆発性ガスに引火する危険性を避けるため
に、いかなるバッテリー部分も到達できる最大温度を指
定することによって危険状態が発生するのを避けるとい
う要求に合致するバッテリーを記述するのに用いてい
る。これらの要求は異なる環境では異なったものとなる
ので、電気装置の特性は調節することができる。したが
って、電気装置は、バッテリーから異常な高電流が流れ
るとき指定された時間内で電流を低レベルに減少させる
ように作用して、バッテリーに接続された電流に感応す
る電気部品への損傷を避けることができる。これは電気
装置を高抵抗状態で低電流に変化するように求めてもよ
いし、またはバッテリー自体の損傷を避けるために要す
る以上に急速な電流減少を求めてもよい。同様に、バッ
テリーの何らかの部分が火災または爆発を起こす温度に
到達したことを示す温度になると、たとえセル温度が電
池を損傷しないレベルであったとしても、高抵抗状態に
変化するように電気装置を設計するのが望ましい場合も
ある。電気装置は、バッテリーから流れる電流があるレ
ベルを越えるとき、たとえその電流レベルが「真に安全」
という要求に合致せずまたはセルを損傷する温度となら
なくとも、バッテリーの放電率を減少するように作用さ
せるように設計することもできる。例えば、電気回路が
指定電流、例えば０．１Ｃで作動するように設計されて
いると、電気装置は、故障状態で電流が指定電流を２回
越えると高抵抗状態に変化し、バッテリー放電率をきわ
めて減少させるように設計することができる。ラッチ
(後述)でないように電気装置が設計されていると、故障
が直ると低抵抗状態に戻る。 【００１３】上記した如く、電気装置の電気的および熱
的特性は、バッテリーの種類と操作される方法に応じて
選定されるべきである。したがって、再充電できない一
次バッテリーを用いると、電気装置は、バッテリーが放
電されるときの保護装置としてのみ作用することにな
る。二次バッテリーを用いると、電気装置は、バッテリ
ー充電時とバッテリー放電時の両方(この場合、バッテ
リーは一般に２つの端子のみ設けている。)またはバッ
テリー充電時のみまたはバッテリー放電時のみ(この場
合、バッテリーは３つの端子を備える場合があり、一対
はバッテリー充電用に使用され、他の一対はバッテリー
放電時に使用される。)、電池と直列になるように接続
することができる。二次バッテリーは、２つの保護装置
を備えることができ、その１つはバッテリー充電時に電
池と直列に接続され、他の１つはバッテリー放電時に電
池と直列に接続される。 【００１４】電気装置が放電中のバッテリーを単に保護
することだけに機能するとき、バッテリーから流れる電
流が予め設定された値icritを越える時の高抵抗状態に
変化するように電気装置は設計されている。icritの値
は通常１Ｃ〜１０Ｃアンペア、多くのバッテリーでは
１．５Ｃ〜２．５Ｃアンペア、例えば１．８Ｃ〜２．２
Ｃアンペアである。一般に電気装置は、一度高抵抗状態
に変化すれば、電気回路に電流が流れ続ける限り高抵抗
状態に保持されるように設計されている。即ち、電気装
置は米国特許第９６５，３４４号に対応する日本特許第
１５６，２８８／７９号に詳細に説明されるように、ラ
ッチされることになる。バッテリーから流れる電流の減
少分は０．４Ｃ以下であるのが好ましい。icritは変動
しない状態で測定されるように注意することが重要であ
る。icritよりも実質的に大きい電流が限定された時間
だけバッテリーから流れることができ、これは真に安全
なバッテリーの製作に関連して重要なことである。 【００１５】本発明バッテリーの電気装置の電気的な電
力／温度関係の定義については、静止空気中に配置され
たバッテリーに関して前記したとおりである。しかしな
がら、これは電気装置の熱的特性が一部にはバッテリー
周囲の環境に依存するものであるから、単に定義するた
めのものであって、バッテリーは適当な環境中で使用し
および／または再充電することができるものと理解すべ
きである。 【００１６】高抵抗状態での電気装置の抵抗が余り高す
ぎると、低抵抗状態での電気装置の抵抗よりも大きいが
高抵抗状態での電気装置の抵抗よりも小さい抵抗を有す
る抵抗器を、電気装置と並列に設けることができる。こ
のような抵抗器を用いると、電気装置が低抵抗状態にあ
る間は電流の値を決定する有効な部分は通常ないが、電
気装置が高抵抗状態にある時は電流の値を有効に決定す
ることができることになる。 【００１７】本発明に使用する電気装置のＰＴＣ素子
は、一般に、２０℃で、１０オーム・cm以下、好ましく
は４オーム・cm以下の固有抵抗率を有するＰＴＣ導電性
ポリマー組成物からなる。このポリマー組成物の固有抵
抗率は、一般に、電気装置が高抵抗状態にある時、少な
くとも１０4オーム・cmである。ポリマー組成物は一般
に架橋されている。一般に、電気装置は電池が４０〜６
０℃以上の温度に加熱されるのを防止するように機能
し、したがって、ＰＴＣ組成物は一般に４０〜７５℃の
範囲にスイッチング温度を有している。このＰＴＣ組成
物は４０〜７５℃範囲の融点を有する結晶性ポリマーを
ベースにすることができ、ポリマーとしてポリカプロラ
クトンを使用すると優れた効果が得られる。ＰＴＣ素子
の形状およびそれへの電気的接続によって、一般に、等
価直径d、平均行程長さtとして比d／tが少なくとも２、
好ましくは少なくとも１０となる領域にわたりＰＴＣ素
子を通して電流が流れるようにされる。２０℃における
電気装置の抵抗は、一般に０．２オーム以下である。電
気装置の電気的安定性は、バッテリーの有効寿命中を通
して所望の保護効果が得られ続けるものがよい。 【００１８】アンペア時でのバッテリー容量は、バッテ
リーから取り出される電流の割合と周囲温度とに依存す
る。この明細書でのバッテリー容量は、２５℃の周囲温
度で１時間測定したものである。添付図面において、図
１は本発明に従って充電される二次バッテリーを示す回
路図である。バッテリー１は、点線で示したケースと複
数の二次電池１１と端子１２，１３，１４とを有してい
て、端子１２と１４は（図１の回路に示すように）バッ
テリーが充電されているときに接続され、端子１３と１
４はバッテリーが放電されるときに接続される。バッテ
リーが充電されるとき、ＰＴＣ抵抗Ｒdは回路部分とは
ならず、ＰＴＣ抵抗Ｒcは電池と直列接続される。また
固定抵抗Ｒ2がＰＴＣ抵抗Ｒcと並列接続されている。充
電中のみバッテリーを保護するＰＴＣ抵抗Ｒcは、室温
ではきわめて低い抵抗であるが、高抵抗状態ではきわめ
て高い抵抗であり、好ましくは、Ｒ2がなくて緩やかな
充電電流が所望レベルとなる抵抗である。固定抵抗Ｒ2
は、高抵抗状態でのＰＴＣ抵抗Ｒcの抵抗が高くて固定
抵抗Ｒ2がないために緩やかな充電電流が余りにも低い
ときのみ必要とされ、使用されるときには、低抵抗状態
でのＰＴＣ抵抗Ｒcの抵抗よりもきわめて高いが高抵抗
状態でのＰＴＣ抵抗Ｒcの抵抗よりも低い抵抗値を有す
る。バッテリーが放電されるとき、ＰＴＣ抵抗Ｒcは回
路部分とはならず、ＰＴＣ抵抗Ｒdは電池と直列接続さ
れ、放電中の電池を保護する。ＰＴＣ抵抗Ｒcに関し
て、ＰＴＣ抵抗Ｒdと並列に固定抵抗を設けることがで
きる。充電回路は、ＡＣ電源と、トランス２と、整流器
３と固定抵抗Ｒ1とを備えている。 【００１９】 【実施例】図２はバッテリーケース１と、電池２と、そ
れらの電池間に配置されたＰＴＣ電気装置３とを備えた
バッテリーを概略的に示したものである。ＰＴＣ電気装
置は図２に詳細に示されている。ＰＴＣ電気装置は、リ
ード線３４、３５を取り付けている拡がった金属電極３
２、３３によってサンドイッチ状にはさまれたＰＴＣ素
子３１を設けている。ＰＴＣ素子、電極、リード線両端
部を包囲するように絶縁層３６が設けられている。 【００２０】ＰＴＣ電気装置は図３に示したように製造
されている。ＰＴＣ素子は、ポリカプロラクトン(ユニ
オンカーバイド社製ＰＣＬ７００)５６重量部と、カー
ボンブラック(フルネックス社製Ｎ７６５)４２重量部
と、酸化防止剤[米国特許第３,９８６,９８１号明細書
に記載されているように４,４'−チオビス(３−メチル
−６−t−ブチルフェノール)を３−４重合したオリゴマ
ー]２重量部とを有している。ポリマー組成物の固有抵
抗は２５℃で約２．５オーム・cmである。金属電極とリ
ード線はニッケル被覆された銅であり、絶縁層はエポキ
シ樹脂で作られている。ＰＴＣ電気装置は２０メガラド
照射されたものである。図３に示した寸法は、a＝２．
８cm、b＝２．５cm、c＝１．２cm、d＝１．０cm、e＝
０．３５cm、f＝０．１７cmである。ＰＴＣ電気装置は
２５℃で約０．１オームの抵抗を有している。 【００２１】このＰＴＣ電気装置は、図２に示すよう
に、１２個のニッケル−カドミウム(１．３Ｖ)電池２と
３つの端子(図示せず)とからなるバッテリーの電池の間
に配置され、１つの電池２に対して直列に接続される。
そのバッテリーは０．４５アンペア時の電気容量を有し
ている。 【００２２】電気装置はバッテリー充電時のみ電池と直
列になるように接続されている。バッテリーは、図１に
示す電気回路において、固定抵抗Ｒ2とＰＴＣ抵抗Ｒdを
除いた状態で放電および再充電が行われる。固定抵抗Ｒ
1は１５オームの抵抗値を有している。最初の６０分
間、急速な充電電流は約０．４４アンペアであり、電気
装置の抵抗は低い（０．３オーム以下）状態が保持され
る。その時、電池温度と電気装置の温度とは約４５℃に
上昇し、電気装置はＩ2Ｒ加熱により発生した熱量をも
はや散逸することができなくなる。その結果、電気装置
の抵抗は約３５０オームにきわめて急速に上昇し、電流
は約２６ミリアンペアに減少する。その後、電気装置と
電池の温度は下降し、電流が４３ミリアンペアで電気装
置の抵抗が１７７オームである平衡的な緩やかな充電状
態が確立される。
充電時における過剰電流による損傷からバッテリーを保
護する再充電方法にことに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】バッテリーが充電されるとき、バッテリ
ーから熱が発生する。バッテリーからの放電電流が高く
なると、発熱量も多くなり、それだけ、バッテリーの１
つまたはそれ以上の部品が損傷される危険性も大きくな
る。常識ではないが、バッテリーは過剰電流が放電され
るのを避けるために熱ヒューズまたはサーモスタットを
設け、過剰に熱せられるとバッテリーから電流が流れ出
すの防止したり、ヒューズに過剰の電流が流れるのを防
止することは知られている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、バッテ
リーのセルと直列に接続され、バッテリーの永久部分を
なすＰＴＣ電気装置を使用すると、バッテリー端子が偶
発的に短絡したとき、ＰＴＣ電気装置は、過剰なバッテ
リー温度および／または電流に対して自動的に保護作用
を与えることを見い出した。そのＰＴＣ電気装置の電気
的および熱的特性は、バッテリーの種類と操作および充
電に要求される方法に応じて選定される。したがってこ
の発明は過剰電流および過剰温度に対してセルを安全に
保護できるバッテリー再充電方法を提供することを目的
とする。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、１つの
態様として、１つまたはそれ以上の二次電池を備え、Ｃ
アンペア時の容量を有するバッテリーを再充電するにあ
たり、上記二次電池がある充電状態に達するまで比較的
大きく、かつ急速充電用の電流を流す工程と、上記二次
電池に熱接触するＰＴＣ電気装置によって少なくとも１
つの電池の温度を感知することによって該充電状態を検
出する工程と、上記ＰＴＣ電気装置の抵抗が増大するこ
とを利用してバッテリーを通る電流を比較的低い緩やか
な充電電流に減少させる工程を含むバッテリー再充電方
法であって、上記ＰＴＣ電気装置は２枚の板状電極と板
状ＰＴＣ素子からなり、該ＰＴＣ素子は、２０℃で１０
オーム・ｃｍ以下の抵抗率を有するＰＴＣ導電性ポリマ
ー組成物を含み、該ＰＴＣ素子の等価直径ｄ、平均行程
長さｔとして比ｄ／ｔが少なくとも２となる領域を電流
が流れ、少なくとも０．２５Ｃアンペアの急速な充電電
流ｉRを、上記バッテリーおよび該バッテリーの電池と
直列に接続されるとともに電池と熱接触するＰＴＣ電気
装置を通すことを特徴とし、しかも上記ＰＴＣ電気装置
が、ある電気的な電力／温度関係を有するとともに、そ
の熱放散率が、（Ａ）初期に、急速な充電電流がバッテ
リーを流れるとき、Ｉ2Ｒ加熱により電気装置が発熱す
る割合と、電気装置から熱放散する割合との間に安定し
た平衡状態が存在し、（Ｂ）急速な充電電流が電池をあ
る種の充電状態に再充電し、電気装置が高温度に達した
とき、Ｉ2Ｒ加熱により電気装置が発熱する割合が電気
装置からの熱放散する割合を越え、電気装置の温度およ
び抵抗が急速に増大し、その後、電気回路は緩やかな充
電状態に入るという程度であり、上記充電状態では、
（ｂ−１）電池を通り０．５ｉR以下で０．０３Ｃ〜
０．２Ｃアンペアの緩やかな充電電流ｉTが存在し、
（ｂー２）Ｉ2Ｒ加熱により電気装置が発熱する割合が
電気装置から熱が放散する割合に等しくなり、該緩やか
な充電状態は電流が該電気回路を流れ続ける限り保持さ
れることを特徴とするバッテリー再充電方法が提供され
る。 【０００５】この発明に使用されるＰＴＣ素子を含む電
気装置は、１９７９年１１月３０日に出願された米国特
許出願第９６５,３４４号およびそのＣＩＰ出願明細書
に記載されたタイプの装置が好ましく、さらに１９７９
年１１月３０日に出願された米国特許出願第９６５,３
４５号およびそのＣＩＰに対応する日本特許出願第１５
６２８９号／７９明細書に記載された酸素防壁層を備え
ているものが好ましく、該ＰＴＣ素子は、米国特許出願
第９６５,３４３号に対応する日本特許出願第１５６２
８７号／７９明細書に記載されたＰＴＣ組成物を含むの
が好ましい。 【０００６】尚、上記米国特許出願第９６５,３４４号
及びそのＣＩＰ出願に対応する特願昭５４−１５６２８
８号には、電力源と、ＰＴＣ素子を含む回路保護器と、
上記ＰＴＣ素子に直列に接続されかつインピーダンスＲ
Ｌオームを有する他の回路素子とを備えた電気回路であ
って、該電気回路は通常の動作状態と、故障発生時には
高温安定動作状態を有し、(イ)ＰＴＣ素子は有機ポリマ
ー材料に導電性カーボンブラックを分散させたＰＴＣ導
電性ポリマーからなり、かつ２５℃にて１０オーム・cm
以下の抵抗率を有し、(ロ)ＰＴＣ素子を流れる電流の範
囲の等価直径をd、平均長さをtとするとき、d／tが少な
くとも２である範囲内で電流が流れるようになってお
り、(ハ)回路保護基は２５℃で抵抗値が１オーム以下
で、かつ０．５×ＲＬオーム以下であり、(ニ)電気回路
における高温安定動作状態下の電力に対する通常動作状
態下での電力の比、即ちスイッチング比は少なくとも８
であること等を特徴とする電気回路について開示され、
さらに上記電気回路についてＰＴＣ組成物は２５℃で７
オーム・cm以下の抵抗率を有し、かつ保護器は２５℃で
０．２オーム以下、かつ０．０１ＲＬオーム以下の抵抗
値を有することが開示されている。 【０００７】又、特願昭５４−１５６２８９号には、
(１)(a)２０ccよりも小さい体積を有し、(b)スイッチン
グ温度Ｔsを伴うＰＴＣ挙動を示す組成物からなり、及
び(c)ポリマー及び該ポリマーに分散された導電性粒子
からなるＰＴＣ素子、及び(２)電源に接続することがで
き、接続された場合にはＰＴＣ素子に電流を流す少なく
とも２つの電極、を有する電気回路の制御装置であっ
て、(３)(a)１０-9cc(標準状態)／cm2／mm／秒／cmＨg
よりも小さい酸素透過率を有する金属、セラミックまた
は有機ポリマーからなり、(b)ＰＴＣ素子の周囲を密封
し、(c)該装置を標準状態の空気中に置いた場合、ＰＴ
Ｃ素子の酸素吸収率が１０-6cc／秒／gよりも小さくな
るようにＰＴＣ素子への空気の接近を制限する酸素バリ
ヤーを有すること等を特徴とする電気回路の制御装置に
ついて開示されている。 【０００８】又、特願昭５４−１５６２８７号には、Ｐ
ＴＣ素子及び該ＰＴＣ素子に電流を通じさせるように電
源に接続できる少なくとも２つの電極を有してなる電気
回路保護装置であって、該ＰＴＣ素子は、(１)結晶化度
が少なくとも１０％であるポリマー成分、及び(２)該ポ
リマー成分に分散されており、２０ないし１５０ミリミ
クロンの粒径Ｄならびに表面積Ｓ(m2／g)とＤの比Ｓ／
Ｄが１０を越えないような表面積Ｓを有するカーボンブ
ラックからなる粒状充填材成分、を含んで成る溶融加工
ＰＴＣ導電性ポリマー組成物から成り、該充填材成分の
量は、組成物が７オーム・cmよりも低い２０℃比抵抗及
び少なくとも１０００オーム・cmのピーク比抵抗を有
し、(Ｓ／Ｄ)×(充填材成分体積／ポリマー成分体積)の
値が１よりも小さくなるような量であること等を特徴と
する電気回路装置等について開示されている。 【０００９】 【作用および発明の効果】この発明は、バッテリーが複
数のセルを有し、電気装置がそれらのセル間に、好まし
くは３つまたはそれ以上のセル間の空所に配置され、バ
ッテリー端子間で電池と直列に接続されるように常設的
に接続されているバッテリーに特に有用なもので、過剰
電流および過剰温度に対してセルを安全に保護できる再
充電方法を提供する。この明細書では主として複数のセ
ルからなるバッテリーに関して説明しているが、この発
明は、単一セルのバッテリーにも適用できるものであ
る。 【００１０】この明細書では、放電制御が単一のＰＴＣ
電気装置によって行なわれるバッテリーに関して主とし
て説明するが、本発明は、並列または直列に接続され互
いに所望の制御ができる２つまたはそれ以上のＰＴＣ電
気装置によって放電制御が行なわれるバッテリーに適用
され、同等の作用効果を奏するものである。 【００１１】さらに、電気装置は、偶発的にに端子が直
接接続されると、電流がバッテリーから放電されてセル
が過熱されるのを防止する能力を有するだけでなく、セ
ルの過熱損傷が生じる前に他の予見される故障状態によ
って電気装置が高抵抗状態に変わるように設計されてい
てもよい。したがって、電気装置の高抵抗状態への変化
は、電気装置内で発生した熱が放散される割合を減少さ
せるか、または電気装置に流入する電流を増大させ、ま
たはこれら２つを組み合わせて行なうことができる。高
抵抗状態への変化は一般に、電流増加によって生じた装
置内部の加熱または、電流増加によって生じた電気装置
の増大した内部加熱と外部加熱、例えば装置と熱接触
し、装置と直列になっている抵抗からの加熱、との結合
によって生じる。このような抵抗器からの外部加熱は、
電池による電気装置の加熱を補うことができ、または何
らかの環境下で、電池による電気装置の加熱を、電気装
置の変換の結果、高抵抗状態に基本的に置き換えること
ができる。電気装置はまた、例えばバッテリー端子間が
直接ショートした結果、バッテリーから流れるきわめて
高い電流に対して、電池温度が実質的に増大する前に、
バッテリーを保護するのにも役立つ。即ちＰＴＣ電気装
置はセル温度が上昇する以前に発熱するものである。さ
らに、その電気装置は、バッテリーが外部的に非常な高
温に加熱されたとき、バッテリーから流れる電流を実質
的に制止することができる。 【００１２】電気装置を高抵抗状態に変換できるこれら
の方法は、真に安全なバッテリーの設計に特に有益なこ
とである。ここで、「真に安全」という用語は、例えば、
バッテリーから大電流が流れることのできる最大時間を
指定することによってバッテリーに接続された他の電気
部品への損傷を避けることおよび／または例えば、バッ
テリー近傍で爆発性ガスに引火する危険性を避けるため
に、いかなるバッテリー部分も到達できる最大温度を指
定することによって危険状態が発生するのを避けるとい
う要求に合致するバッテリーを記述するのに用いてい
る。これらの要求は異なる環境では異なったものとなる
ので、電気装置の特性は調節することができる。したが
って、電気装置は、バッテリーから異常な高電流が流れ
るとき指定された時間内で電流を低レベルに減少させる
ように作用して、バッテリーに接続された電流に感応す
る電気部品への損傷を避けることができる。これは電気
装置を高抵抗状態で低電流に変化するように求めてもよ
いし、またはバッテリー自体の損傷を避けるために要す
る以上に急速な電流減少を求めてもよい。同様に、バッ
テリーの何らかの部分が火災または爆発を起こす温度に
到達したことを示す温度になると、たとえセル温度が電
池を損傷しないレベルであったとしても、高抵抗状態に
変化するように電気装置を設計するのが望ましい場合も
ある。電気装置は、バッテリーから流れる電流があるレ
ベルを越えるとき、たとえその電流レベルが「真に安全」
という要求に合致せずまたはセルを損傷する温度となら
なくとも、バッテリーの放電率を減少するように作用さ
せるように設計することもできる。例えば、電気回路が
指定電流、例えば０．１Ｃで作動するように設計されて
いると、電気装置は、故障状態で電流が指定電流を２回
越えると高抵抗状態に変化し、バッテリー放電率をきわ
めて減少させるように設計することができる。ラッチ
(後述)でないように電気装置が設計されていると、故障
が直ると低抵抗状態に戻る。 【００１３】上記した如く、電気装置の電気的および熱
的特性は、バッテリーの種類と操作される方法に応じて
選定されるべきである。したがって、再充電できない一
次バッテリーを用いると、電気装置は、バッテリーが放
電されるときの保護装置としてのみ作用することにな
る。二次バッテリーを用いると、電気装置は、バッテリ
ー充電時とバッテリー放電時の両方(この場合、バッテ
リーは一般に２つの端子のみ設けている。)またはバッ
テリー充電時のみまたはバッテリー放電時のみ(この場
合、バッテリーは３つの端子を備える場合があり、一対
はバッテリー充電用に使用され、他の一対はバッテリー
放電時に使用される。)、電池と直列になるように接続
することができる。二次バッテリーは、２つの保護装置
を備えることができ、その１つはバッテリー充電時に電
池と直列に接続され、他の１つはバッテリー放電時に電
池と直列に接続される。 【００１４】電気装置が放電中のバッテリーを単に保護
することだけに機能するとき、バッテリーから流れる電
流が予め設定された値icritを越える時の高抵抗状態に
変化するように電気装置は設計されている。icritの値
は通常１Ｃ〜１０Ｃアンペア、多くのバッテリーでは
１．５Ｃ〜２．５Ｃアンペア、例えば１．８Ｃ〜２．２
Ｃアンペアである。一般に電気装置は、一度高抵抗状態
に変化すれば、電気回路に電流が流れ続ける限り高抵抗
状態に保持されるように設計されている。即ち、電気装
置は米国特許第９６５，３４４号に対応する日本特許第
１５６，２８８／７９号に詳細に説明されるように、ラ
ッチされることになる。バッテリーから流れる電流の減
少分は０．４Ｃ以下であるのが好ましい。icritは変動
しない状態で測定されるように注意することが重要であ
る。icritよりも実質的に大きい電流が限定された時間
だけバッテリーから流れることができ、これは真に安全
なバッテリーの製作に関連して重要なことである。 【００１５】本発明バッテリーの電気装置の電気的な電
力／温度関係の定義については、静止空気中に配置され
たバッテリーに関して前記したとおりである。しかしな
がら、これは電気装置の熱的特性が一部にはバッテリー
周囲の環境に依存するものであるから、単に定義するた
めのものであって、バッテリーは適当な環境中で使用し
および／または再充電することができるものと理解すべ
きである。 【００１６】高抵抗状態での電気装置の抵抗が余り高す
ぎると、低抵抗状態での電気装置の抵抗よりも大きいが
高抵抗状態での電気装置の抵抗よりも小さい抵抗を有す
る抵抗器を、電気装置と並列に設けることができる。こ
のような抵抗器を用いると、電気装置が低抵抗状態にあ
る間は電流の値を決定する有効な部分は通常ないが、電
気装置が高抵抗状態にある時は電流の値を有効に決定す
ることができることになる。 【００１７】本発明に使用する電気装置のＰＴＣ素子
は、一般に、２０℃で、１０オーム・cm以下、好ましく
は４オーム・cm以下の固有抵抗率を有するＰＴＣ導電性
ポリマー組成物からなる。このポリマー組成物の固有抵
抗率は、一般に、電気装置が高抵抗状態にある時、少な
くとも１０4オーム・cmである。ポリマー組成物は一般
に架橋されている。一般に、電気装置は電池が４０〜６
０℃以上の温度に加熱されるのを防止するように機能
し、したがって、ＰＴＣ組成物は一般に４０〜７５℃の
範囲にスイッチング温度を有している。このＰＴＣ組成
物は４０〜７５℃範囲の融点を有する結晶性ポリマーを
ベースにすることができ、ポリマーとしてポリカプロラ
クトンを使用すると優れた効果が得られる。ＰＴＣ素子
の形状およびそれへの電気的接続によって、一般に、等
価直径d、平均行程長さtとして比d／tが少なくとも２、
好ましくは少なくとも１０となる領域にわたりＰＴＣ素
子を通して電流が流れるようにされる。２０℃における
電気装置の抵抗は、一般に０．２オーム以下である。電
気装置の電気的安定性は、バッテリーの有効寿命中を通
して所望の保護効果が得られ続けるものがよい。 【００１８】アンペア時でのバッテリー容量は、バッテ
リーから取り出される電流の割合と周囲温度とに依存す
る。この明細書でのバッテリー容量は、２５℃の周囲温
度で１時間測定したものである。添付図面において、図
１は本発明に従って充電される二次バッテリーを示す回
路図である。バッテリー１は、点線で示したケースと複
数の二次電池１１と端子１２，１３，１４とを有してい
て、端子１２と１４は（図１の回路に示すように）バッ
テリーが充電されているときに接続され、端子１３と１
４はバッテリーが放電されるときに接続される。バッテ
リーが充電されるとき、ＰＴＣ抵抗Ｒdは回路部分とは
ならず、ＰＴＣ抵抗Ｒcは電池と直列接続される。また
固定抵抗Ｒ2がＰＴＣ抵抗Ｒcと並列接続されている。充
電中のみバッテリーを保護するＰＴＣ抵抗Ｒcは、室温
ではきわめて低い抵抗であるが、高抵抗状態ではきわめ
て高い抵抗であり、好ましくは、Ｒ2がなくて緩やかな
充電電流が所望レベルとなる抵抗である。固定抵抗Ｒ2
は、高抵抗状態でのＰＴＣ抵抗Ｒcの抵抗が高くて固定
抵抗Ｒ2がないために緩やかな充電電流が余りにも低い
ときのみ必要とされ、使用されるときには、低抵抗状態
でのＰＴＣ抵抗Ｒcの抵抗よりもきわめて高いが高抵抗
状態でのＰＴＣ抵抗Ｒcの抵抗よりも低い抵抗値を有す
る。バッテリーが放電されるとき、ＰＴＣ抵抗Ｒcは回
路部分とはならず、ＰＴＣ抵抗Ｒdは電池と直列接続さ
れ、放電中の電池を保護する。ＰＴＣ抵抗Ｒcに関し
て、ＰＴＣ抵抗Ｒdと並列に固定抵抗を設けることがで
きる。充電回路は、ＡＣ電源と、トランス２と、整流器
３と固定抵抗Ｒ1とを備えている。 【００１９】 【実施例】図２はバッテリーケース１と、電池２と、そ
れらの電池間に配置されたＰＴＣ電気装置３とを備えた
バッテリーを概略的に示したものである。ＰＴＣ電気装
置は図２に詳細に示されている。ＰＴＣ電気装置は、リ
ード線３４、３５を取り付けている拡がった金属電極３
２、３３によってサンドイッチ状にはさまれたＰＴＣ素
子３１を設けている。ＰＴＣ素子、電極、リード線両端
部を包囲するように絶縁層３６が設けられている。 【００２０】ＰＴＣ電気装置は図３に示したように製造
されている。ＰＴＣ素子は、ポリカプロラクトン(ユニ
オンカーバイド社製ＰＣＬ７００)５６重量部と、カー
ボンブラック(フルネックス社製Ｎ７６５)４２重量部
と、酸化防止剤[米国特許第３,９８６,９８１号明細書
に記載されているように４,４'−チオビス(３−メチル
−６−t−ブチルフェノール)を３−４重合したオリゴマ
ー]２重量部とを有している。ポリマー組成物の固有抵
抗は２５℃で約２．５オーム・cmである。金属電極とリ
ード線はニッケル被覆された銅であり、絶縁層はエポキ
シ樹脂で作られている。ＰＴＣ電気装置は２０メガラド
照射されたものである。図３に示した寸法は、a＝２．
８cm、b＝２．５cm、c＝１．２cm、d＝１．０cm、e＝
０．３５cm、f＝０．１７cmである。ＰＴＣ電気装置は
２５℃で約０．１オームの抵抗を有している。 【００２１】このＰＴＣ電気装置は、図２に示すよう
に、１２個のニッケル−カドミウム(１．３Ｖ)電池２と
３つの端子(図示せず)とからなるバッテリーの電池の間
に配置され、１つの電池２に対して直列に接続される。
そのバッテリーは０．４５アンペア時の電気容量を有し
ている。 【００２２】電気装置はバッテリー充電時のみ電池と直
列になるように接続されている。バッテリーは、図１に
示す電気回路において、固定抵抗Ｒ2とＰＴＣ抵抗Ｒdを
除いた状態で放電および再充電が行われる。固定抵抗Ｒ
1は１５オームの抵抗値を有している。最初の６０分
間、急速な充電電流は約０．４４アンペアであり、電気
装置の抵抗は低い（０．３オーム以下）状態が保持され
る。その時、電池温度と電気装置の温度とは約４５℃に
上昇し、電気装置はＩ2Ｒ加熱により発生した熱量をも
はや散逸することができなくなる。その結果、電気装置
の抵抗は約３５０オームにきわめて急速に上昇し、電流
は約２６ミリアンペアに減少する。その後、電気装置と
電池の温度は下降し、電流が４３ミリアンペアで電気装
置の抵抗が１７７オームである平衡的な緩やかな充電状
態が確立される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 二次バッテリーの回路図。
【図２】 バッテリーの概略的な斜視図。
【図３】 ＰＴＣ電気装置の概略斜視図。
【符号の説明】
１…バッテリー、
２…セル、
３…ＰＴＣ電気装置、
３１…ＰＴＣ素子、
３２,３３…電極、
３４,３５…リード線
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．１つまたはそれ以上の二次電池を備え、Ｃアンペア
時の容量を有するバッテリーを再充電するにあたり、 上記二次電池がある充電状態に達するまで比較的大き
く、かつ急速充電用の電流を流す工程と、 上記二次電池に熱接触するＰＴＣ電気装置によって少な
くとも１つの電池の温度を感知することによって該充電
状態を検出する工程と、 上記ＰＴＣ電気装置の抵抗が増大することを利用してバ
ッテリーを通る電流を比較的低い緩やかな充電電流に減
少させる工程を含むバッテリー再充電方法であって、 上記ＰＴＣ電気装置は２枚の板状電極と板状ＰＴＣ素子
からなり、該ＰＴＣ素子は、２０℃で１０オーム・ｃｍ
以下の抵抗率を有するＰＴＣ導電性ポリマー組成物を含
み、該ＰＴＣ素子の等価直径ｄ、平均行程長さｔとして
比ｄ／ｔが少なくとも２となる領域を電流が流れ、 少なくとも０．２５Ｃアンペアの急速な充電電流ｉ
Rを、上記バッテリーおよび該バッテリーの電池と直列
に接続されるとともに電池と熱接触するＰＴＣ電気装置
を通すことを特徴とし、 しかも上記ＰＴＣ電気装置が、ある電気的な電力／温度
関係を有するとともに、その熱放散率が、（Ａ）初期
に、急速な充電電流がバッテリーを流れるとき、Ｉ2Ｒ
加熱により電気装置が発熱する割合と、電気装置から熱
放散する割合との間に安定した平衡状態が存在し、 （Ｂ）急速な充電電流が電池をある種の充電状態に再充
電し、電気装置が高温度に達したとき、Ｉ2Ｒ加熱によ
り電気装置が発熱する割合が電気装置からの熱放散する
割合を越え、電気装置の温度および抵抗が急速に増大
し、その後、電気回路は緩やかな充電状態に入るという
程度であり、 上記充電状態では、（ｂ−１）電池を通り０．５ｉR以
下で０．０３Ｃ〜０．２Ｃアンペアの緩やかな充電電流
ｉTが存在し、（ｂー２）Ｉ2Ｒ加熱により電気装置が発
熱する割合が電気装置から熱が放散する割合に等しくな
り、 該緩やかな充電状態は電流が該電気回路を流れ続ける限
り保持されることを特徴とするバッテリー再充電方法。 ２．急速な充電電気ｉRが０．７５Ｃ〜４Ｃアンペア
で、緩やかな充電電流ｉTが０．０５Ｃ〜０．２Ｃアン
ペアであることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．電気装置が発熱する割合が電気装置から熱が放散す
る割合を初めて越える時に、電気装置の温度Ｔcritは４
０〜７５℃であることを特徴とする請求項１または２記
載の方法。 ４．ＰＴＣ電気装置が、（ｂ）２０℃で１オーム以下
で、かつ０．１×ＲLオーム以下（ここでＲLは該電気装
置と直列な回路抵抗のことである。）の抵抗を有するこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。 ５．ＰＴＣ導電性ポリマー組成物が、２０℃で４オーム
・ｃｍ以下の固有抵抗率を有し、電気回路が緩やかな充
電状態にある時に少なくとも１０4オーム・ｃｍの固有
抵抗率を有することを特徴とする請求項４記載の方法。 ６．電気回路が緩やかな充電状態の時に電気装置の温度
はＴｄｌａｔｃｈであり、Ｔｄ ｌａｔｃｈ時の電気装
置の抵抗はＴｄ ｌａｔｃｈと（Ｔｄ ｌａｔｃｈ＋５
０）℃間の全ての温度での電気装置の抵抗よりも小さい
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方
法。 ７．上記ＰＴＣ装置が２枚の金属箔薄板電極とその電極
間に設けられ、溶融成形される導電性ポリマー組成物か
らなる１枚の薄板ＰＴＣ素子とからなる請求項１〜６の
いずれかに記載の方法。
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