JP4186525B2

JP4186525B2 - 組電池

Info

Publication number: JP4186525B2
Application number: JP2002189462A
Authority: JP
Inventors: 雄児丹上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: JP2004031268A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の単セルで構成した組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の単セルを直列接続および並列接続した組電池とすることにより、高電圧、高容量な電池を得るようにしている。単セルを並列接続した構成においては、並列接続された単セルの内の一つに内部短絡が発生した場合に、並列接続された他の単セルから内部短絡した単セルに電流が流れ込むことになる。例えば、特開２００１−６８０７６号公報に開示されている発明では、このような短絡電流による障害を避けるために、並列接続されている単セルの各々にＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子を直列接続するようにしている。
【０００３】
ＰＴＣ素子は、大電流による発熱で素子温度が所定値以上となると抵抗値が急激に大きくなる素子であり、電子回路の過電流制御用などに使用されている。例えば、特開２００１−６８０７６号公報に開示されている発明では、単セル毎にＰＴＣ素子を直列接続している。単セルに内部短絡が生じると、直列接続されたＰＴＣ素子を流れる電流が大きくなり素子温度が上昇する。素子温度が所定値以上となると、ＰＣＴ素子の抵抗値が大きくなって電流値が抑えられることになる。その結果、内部短絡による悪影響を防止することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−６８０７６号公報に記載の発明では、各単セル毎にＰＣＴ素子が直列接続されているため、ＰＴＣ素子の抵抗に起因する組電池の抵抗が大きくなり、出力特性が低下するという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、複数の単セルで構成される組電池において、組電池の抵抗を低く抑えつつ、単セルの短絡等に起因する障害を抑制することができる組電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による組電池は、同数の単セルが直列接続された直列セルユニットを複数並列接続した組電池に適用される。並列接続された各直列セルユニットの一方の並列接続点、例えば組電池としての一方の端子部分、から数えて同一番目のセル直列接続ラインの間に抵抗体をそれぞれ配設する。セル直列接続ラインとは単セル同士を接続する強電ラインのことであり、抵抗体の配設により並列接続点から数えて同一番目の単セル同士は並列接続される。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、セル直列接続ラインの間に抵抗体を配設したので、組電池の抵抗を低く抑えつつ、単セルに内部短絡が発生した場合に大きな短絡電流が流れるのを防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。
−第１の実施の形態−
図１は本発明による組電池の第１の実施の形態を示す回路図である。図１に示す組電池は１２個の単セルＣｎ（ただし、ｎ＝１，２，〜，１２）で構成されており、４個の単セルＣｎを直列接続した直列セルユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３を並列接続したものである。図１のＣＴ１，ＣＴ２が、直列セルユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３の並列接続点を構成している。直列セルユニットＵ１の単セルＣ１およびＣ２を接続する接続ラインＬ１１と、直列セルユニットＵ２の単セルＣ５およびＣ６を接続する接続ラインＬ２１との間には抵抗Ｒ１が設けられている。
【０００９】
同様に、接続ラインＬ１２およびＬ２２の間には抵抗Ｒ２が、接続ラインＬ１３およびＬ２３の間には抵抗Ｒ３がそれぞれ設けられている。また、直列セルユニットＵ２およびＵ３に関しても、接続ラインＬ２１およびＬ３１の間には抵抗Ｒ４が、接続ラインＬ２２およびＬ３２の間には抵抗Ｒ５が、接続ラインＬ２３およびＬ３３の間には抵抗Ｒ６がそれぞれ設けられている。その結果、単セルＣ１，Ｃ５，Ｃ９同士、単セルＣ２，Ｃ６，Ｃ１０同士、単セルＣ３，Ｃ７，Ｃ１１同士、単セルＣ４，Ｃ８，Ｃ１２同士は、それぞれ並列接続されことになる。接続ラインＬ１１〜Ｌ３３は、組電池の充放電電流が流れる強電ラインである。
【００１０】
例えば、単セルＣ１よりも単セルＣ５の方がセル電圧が高い場合には、抵抗Ｒ１を介して単セルＣ５から単セルＣ１へと電流が流れ込む。この電流は、単セルＣ１，Ｃ５のセル電圧が釣り合うまで継続する。よって、単セルＣ１，Ｃ５，Ｃ９のセル電圧が等しい場合には、抵抗Ｒ１，Ｒ４を流れる電流はゼロとなる。その他の抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５，Ｒ６に関しても同様である。すなわち、単セルＣ１〜Ｃ１２のセル電圧が等しい状態では、４セル直列接続の直列セルユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３を並列接続したものと同一状態になる。
【００１１】
上述したように、単セルＣ１，Ｃ５，Ｃ９の間においては抵抗Ｒ１，Ｒ４を介して電流の行き来があるため、単セルＣ１，Ｃ５，Ｃ９は同一セル電圧となっており、これらのセル電圧はセル電圧センサ１ａによって検出される。同様に、単セルＣ２，Ｃ６，Ｃ１０のセル電圧はセル電圧センサ１ｂにより検出され、単セルＣ３，Ｃ７，Ｃ１１のセル電圧はセル電圧センサ１ｃにより検出され、単セルＣ４，Ｃ８，Ｃ１２のセル電圧はセル電圧センサ１ｄによって検出される。
【００１２】
ところで、電池容量が３Ａｈよりも大きな単セルの場合には、内部短絡などの異常が起きたときに、セル内部温度の上昇による電解液の分解等によってガス噴出が発生しやすい。そのため、本実施の形態の組電池では、電池容量が３Ａｈ以下の単セルＣｎを使用するのが好ましい。そして、必要とする電池容量に応じて直列セルユニットの数を増減させれば良い。
【００１３】
次に、抵抗Ｒ１〜Ｒ６の機能について説明する。図１に示した組電池おいて、例えば単セルＣ２に内部短絡が生じた場合を考える。このとき、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ５を介して単セルＣ６，Ｃ１０から単セルＣ２へと電流が流れ込むことになるが、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ５の抵抗値を大きく設定することによって電流値を小さく抑えることができる。
【００１４】
また、組電池を構成する単セルに関しては、各単セルの過充電や過放電を防止するために全単セルの電圧を測定する必要がある。そのため、従来の組電池では抵抗Ｒ１〜Ｒ６の部分にセル電圧検出線を設けている。この場合には、単セルＣ２に内部短絡が生じると、単セルＣ２に大電流が流れ込むとともに、他の単セルＣ６，Ｃ１０も外部短絡を起こした状態となってしまう。そのため、例えば特開２０００−１０２１８５号公報に開示されている発明では、複数の単セルを直列したものに一つのＰＴＣ素子を直列接続し、そのように直列接続したものを複数並列接続している。この場合は、各単セル毎に電圧検出回路を設ける必要があり、重量や体積が増加するだけでなく、コストの点でも不利である。
【００１５】
しかしながら本実施の形態の組電池では、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ５の抵抗値を大きく設定することによって内部短絡発生時の電流値を小さく抑えることができ、短絡による障害の発生を防止することができる。内部短絡によるこのような電流が生じると、セル電圧センサ１ｂで検出される電圧値が他のセル電圧センサで検出されるものよりも異常に小さくなり、それによって単セルＣｎの異常を検知することができる。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ６の抵抗値は、１Ω以上が適している。
【００１６】
一方、通常使用時には、４セルが直列接続された直列セルユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３を並列接続した状態となり、抵抗Ｒ１〜Ｒ６には電流が流れることはほとんどない。すなわち、単セルＣｎに対して抵抗Ｒ１〜Ｒ６が直列に接続されていないため、組電池の内部抵抗が大きくなるのを避けることができ、出力特性の低下を防止することができる。また、抵抗Ｒ１およびＲ４を設けたことにより単セルＣ１，Ｃ５，Ｃ９は並列接続され、３つの単セルＣ１，Ｃ５，Ｃ９のセル電圧を一つのセル電圧センサ１ａによって検出することができる。すなわち、図１の上下方向に形成された並列接続の数だけセル電圧センサを設ければ良い。
【００１７】
−第２の実施の形態−
図２は本発明による組電池の第２の実施の形態を示す回路図である。第２の実施の形態においても、組電池は１２個の単セルＣｎで構成されており、４セルが直列に接続された直列セルユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３を並列接続したものである。図２に示した組電池は図１の組電池と異なる点は、抵抗Ｒ１〜Ｒ６に代えてＰＴＣ（positive temperature coefficient）素子Ｐ１〜Ｐ６を用いたことである。ＰＴＣ素子は図３に示すような特性を有しており、素子温度が所定温度Ｔ０よりも低い場合には抵抗値が小さく、所定温度Ｔ０を越えると抵抗値が急激に大きくなる。すなわち、所定温度Ｔ０を境に抵抗値はＲａからＲｂへと変化する。一般的にＲｂ≫Ｒａであって、電流はほとんど遮断されることになる。ＰＴＣ素子の所定温度Ｔ０は、ＰＴＣ素子の材料を調整することで室温から約３００℃まで任意に設定可能である。本実施の形態では、通常の使用では到達しないと考えられる９０℃のものとする。また、抵抗値Ｒａは１０ｍΩ程度であるのに対して、Ｒｂは５０００Ω程度と非常に大きいものを用いるものとする。
【００１８】
第１の実施の形態と同様に単セルＣ２に内部短絡が生じた場合を考えると、抵抗値ＲａのＰＴＣ素子Ｐ１，Ｐ２を介して単セルＣ６から単セルＣ２へと大電流が流れ込むことになる。ＰＴＣ素子Ｐ１，Ｐ２に大電流が流れ込むとジュール熱により素子温度が急激に上昇し、所定温度Ｔ０を越えると抵抗値がＲａからＲｂへと急激に増大する。すなわち、単セルＣ６から単セルＣ２への電流はＰＴＣ素子Ｐ１，Ｐ２によって遮断されることになる。その結果、第１の実施の形態と同様に短絡電流による単セルＣ２，Ｃ６，Ｃ１０の障害発生を防止することができる。
【００１９】
一方、通常使用時には、ＰＴＣ素子Ｐ１〜Ｐ６の温度は上述した所定温度Ｔ０より低いため、抵抗値はＲａとなっている。この場合には、図１の組電池において抵抗Ｒ１〜Ｒ６の値をＲａとしたものと等価である。そのため、第１の実施の形態と同様に組電池の内部抵抗が大きくなるのを避けることができ、出力特性の低下を防止できる。
【００２０】
さらに、ＰＴＣ素子Ｐ１〜Ｐ６の抵抗値Ｒａは上述したように１０ｍΩ程度であって、第１の実施の形態における短絡電流防止用抵抗Ｒ１〜Ｒ６の抵抗値（１Ω以上）に比べ十分に小さいので、例えば、単セルＣ１，Ｃ５，Ｃ９の間にセル電圧のばらつきがあって電流のやり取りがあった場合でも、そのときのジュール熱による損失を低減することができる。そのため、直列セルユニットＵ１〜Ｕ３毎に特性の異なる単セルを用いるような場合には特に効果的である。なぜならば、並列接続された単セルＣ１，Ｃ５，Ｃ９の電池容量や内部抵抗がそれぞれ異なる場合には、セル間での電流のやり取りが必要になるからである。
【００２１】
−第３の実施の形態−
図４および図５は、本発明による組電池の第３の実施の形態を示す図である。図４は組電池の外観を示す斜視図であり、図５は組電池の回路図である。第３の実施の形態の組電池では、単セルＣｎとしてラミネートセルを用いている。組電池は８個の単セルＣｎで構成されており、２個ずつ直列接続した直列セルユニットＵ１〜Ｕ４を上下に積層して並列接続したものである。
【００２２】
各セルＣ１〜Ｃ８の左右両端には負極タブ端子Ｔ１および正極タブ端子Ｔ２が設けられている。単セルＣ１の正極タブ端子Ｔ２と単セルＣ２の負極タブ端子Ｔ１とを超音波溶接等により溶接することにより、２セルが直列接続された直列セルユニットＵ１が形成される。直列セルユニットＵ２〜Ｕ４も同様の構成となっている。上下に積層された直列セルユニットＵ１〜Ｕ４の各正極タブ端子Ｔ２は正極バスバー４ａに溶接され、各負極タブ端子Ｔ１は負極バスバー４ｂに溶接される。
【００２３】
５はモールド材であり、二点差線で示すように各直列セルユニットＵ１〜Ｕ４の少なくともタブ端子Ｔ１，Ｔ２の接続部分全体を含むように設けられている。モールド材５の材料としては、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリアニリン等の導電性高分子が用いられる。また、非導電性高分子に金、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス、ニッケルなどの金属やアセチレンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラックを導電体として充填したものを用いても良い。マトリックスポリマーとして使用される非導電性高分子には、合成ゴム、ポリオレフィン、塩化ビニル、ポリスチレン、ＡＢＳ、ナイロン、エチレン酢ビ共重合体、ポリエステル、アクリル、エポキシ、ウレタン樹脂などが用いられる。
【００２４】
図４，５に示すように、導電性のモールド材５でタブ端子接続部Ｌ５１，Ｌ５２，Ｌ５３，Ｌ５４をモールドすると、モールド材５内を電流が流れることが可能となる。すなわち、図５の回路図に示すように、モールド材５はタブ端子接続部Ｌ５１，Ｌ５２，Ｌ５３，Ｌ５４間を繋ぐ抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３として機能する。この抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３は図１の抵抗Ｒ１〜Ｒ６と全く同様の働きをし、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００２５】
さらに、第３の実施の形態では、モールド材５はタブ端子接続部Ｌ５１〜Ｌ５４の固定機能も兼ねている。また、モールド材５は空気に比べて熱伝導率が大きいので、タブ端子接続部Ｌ５１〜Ｌ５４の放熱性能の向上を図ることができる。
【００２６】
なお、結晶性高分子重合体にカーボンブラックや金属等の導電性粒子を分散させたものは有機質ＰＴＣサーミスタとして使用されており、これらの物質をモールド材５として用いても良い。この場合、モールド材５は図２に示したＰＴＣ素子Ｐ１〜Ｐ６と同様の働きをし、第２の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００２７】
図６は、図４に示す組電池の変形例を示す図であり、回路図は図５と同様になる。図４の組電池では単セルＣ１，Ｃ２を直列に配設して直列接続した。一方、図６の組電池ではタブ端子Ｔ１，Ｔ２の向きを逆向きにして単セルＣ１，Ｃ２を並列に配設し、隣り合うタブ端子Ｔ１，Ｔ２同士をバスバー７で接続した。そして、直列セルユニットＵ１〜Ｕ４の各バスバー７とそれらに接続されているタブ端子Ｔ１，Ｔ２とを含むようにモールド材５を設けた。
【００２８】
なお、第３の実施の形態では単セルＣｎとしてラミネートセルを用いる場合を例に説明したが、筒形状の二次電池に関しても同様に適用することができる。また、上述した特徴的な機能作用効果が得られるものであるならば、本発明は上述した実施の形態に限定されない。
【００２９】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、接続ラインＬ１１〜Ｌ１３，Ｌ２１〜Ｌ２３，Ｌ３１〜Ｌ３３およびタブ端子接続部Ｌ５１〜Ｌ５４はセル直列接続ラインを構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による組電池の第１の実施の形態を示す回路図である。
【図２】本発明による組電池の第２の実施の形態を示す回路図である。
【図３】ＰＣＴ素子の特性を示す図である。
【図４】本発明による組電池の第３の実施の形態を示す図である。
【図５】図４に示す組電池の回路図である。
【図６】図４に示す組電池の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｄセル電圧センサ
４ａ，４ｂ，７バスバー
５モールド材
Ｃ１〜Ｃ１２単セル
ＣＴ１，ＣＴ２並列接続点
Ｌ１１〜Ｌ１３，Ｌ２１〜Ｌ２３，Ｌ３１〜Ｌ３３接続ライン
Ｌ５１〜Ｌ５４タブ端子接続部
Ｐ１〜Ｐ１ＰＴＣ素子
Ｒ１〜Ｒ６，Ｒ１１〜Ｒ１３抵抗
Ｔ１負極タブ端子
Ｔ２正極タブ端子
Ｕ１〜Ｕ４直列セルユニット

Claims

同数の単セルが直列接続された直列セルユニットを複数並列接続した組電池において、
前記並列接続された各直列セルユニットの一方の並列接続点から数えて同一番目のセル直列接続ラインの間に抵抗体をそれぞれ配設したことを特徴とする組電池。
請求項１に記載の組電池において、
前記抵抗体の抵抗値を１Ω以上としたことを特徴とする組電池。
請求項１に記載の組電池において、
前記抵抗体は、ＰＴＣ素子であることを特徴とする組電池。
請求項１〜３のいずれかに記載の組電池において、
前記抵抗体は導電性高分子であり、前記セル直列接続ライン同士を前記導電性高分子で一体に固着したことを特徴とする組電池。
請求項１〜４のいずれかに記載の組電池において、
前記単セルの電池容量を３Ａｈ以下としたことを特徴とする組電池。