JP4291953B2 - 二次電池、二次電池の温度検出装置、および温度検出装置の製造方法 - Google Patents
二次電池、二次電池の温度検出装置、および温度検出装置の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、二次電池、二次電池の温度検出装置、およびその製造方法に関するものである。
背景技術
近年、従来の鉛蓄電池に比して軽量かつ大容量のニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池が開発され、種々の用途に用いられている。これらの二次電池の用途として、軽量かつ大容量という特徴を生かして、電動モータを動力源とする電気自動車、あるいは、動力源として電動モータと内燃機関とを併用したハイブリッド式の自動車等が実用化されつつある。
また、一個の二次電池における最大電圧および電流容量は、その反応原理によって制限されるから、前述のような大きな駆動力が必要な駆動源として用いる場合、複数の電池を直列に接続して所定の電圧を得、さらに、これを並列に接続して所定の電流容量を得るようにしている。
ところで、二次電池を利用する場合に必須の充電は、直列に接続された二次電池全体に充電電圧を印加して行われるが、この充電において以下のような解決すべき課題ある。
いかに厳密な品質管理を行ったとしても、二次電池の充電特性および放電特性を均一にすることは困難であるから、充電状態、あるいは放電状態に依存して変化する内部抵抗にもばらつきが生じることが避けられない。したがって、内部抵抗の異なる複数の二次電池を直列に接続してこれらの全体に充電電圧を印加すると、全部の電池に一律に受電電流が流れることとなって、内部抵抗の大きな二次電池が極端に温度上昇する場合がある。かかる二次電池の温度上昇は、その寿命を縮めることとなるばかりか、極端な温度上昇によってケースが破損してしまう場合もあり得る。
かかる不具合を解消するため、各二次電池のそれぞれの両端に所定の電圧を印加するとともに、充電電流を制御することが考えられるが、多数の二次電池に個々に充電回路を設けるのは困難である。
従って、上記の様な二次電池の充電中の異常な温度上昇を検知して、その異常な二次電池の充電処理を中止する必要がある。このために、例としてバイメタル接点方式により温度上昇を検知する方法がある。しかし、この方法によると、接点にオン・オフ動作によるチャッタリングが生じると、アーク放電によってその接点部が互いにくっついてしまい、接点がスイッチとして機能しなくなり、また安全性にも問題があった。
また、PTC(Positive Temperature Coefficient)素材を用いて二次電池の温度検出を行う方法も従来において用いられている。このPTC素材は、接触によって測定対象物の表面温度を伝えられた場合に、室温等の比較的低温では電気的に低抵抗であるが、測定対象物に異常に大きい電流か流れた場合など、高温にさらされると非常に高抵抗を示すという性質を有するものである。従来、このPTC素材を用いて二次電池の、特に充電中の異常温度上昇を検知する方法においては、直列に複数の二次電池を接続してこれを充電する際に、二次電池の各々に一つづつPTC素材を用いたセンサを取り付けて行っていた。しかし、この方法では、この個々のセンサの取り付けが容易でなく、かつ、そのセンサ間およびセンサからのデータを処理する温度検出回路への配線も複雑であるという問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、単数もしくは直列に接続された複数の二次電池の温度検出に用いられ、製造に要するコストが低く、その溶接箇所が少ないために使用時の信頼性が高く、かつ、様々な形状を持つものの製造が可能な二次電池、二次電池の温度検出装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
発明の開示
請求の範囲第1項記載の発明は、電源に接続され、複数の電池の温度を検出するための検出部を備えた、細長い形状の温度検出装置において、
(A)(1)対向する第1及び第2の表面を持ち、連続的な
細長い帯状の形状を有し、
(2)正温度係数特性作用を示す導電性ポリマーを備
える
PTC部材と、
(B)(1)PTC部材の第1の表面に固定され、
(2)長手方向に互いに間隔を置かれる
複数の第1の電極と、
(C)(1)PTC部材の第2の表面に固定され、
(2)長手方向に互いに間隔を置かれ、
第1及び第2の電極は、食い違いにオーバーラップし
た関係にあり、これによって各電極は、
(a)対向面上の電極にオーバーラップしない中
央部と、
(b)対向面上の隣接する電極の各端部にオーバ
ーラップする2個の端部とを持つ、
複数の第2の電極と、
(D)PTC部材と第1及び第2電極を被覆するポリマー絶縁部材と、
(E)(1)上記の第1の電極の内の1つのオーバーラップ
する一つの端部と、
(2)上記の第2の電極の内の1つのオーバーラップ
する一つの端部と、
(3)上記の温度検出装置が電源に接続されると、内
部を電極のオーバーラップする端部間を横断的に電流
が流れるPTC部材の一部と、
を備える長手方向に間隔を置いた複数の検出部品と、
(F)(1)2個の隣接する検出部品を電気的に直列に接続し、
(2)(a)PTC部材の一部と、
(b)上記の温度検出装置が電源に接続される
と、内部を長手方向に電流が流れる第1の電極
の内の1つの中央部、もしくは、第2の電極の
内の1つの中央部と
を備える長手方向に間隔を置いた複数の接続部品と、
を備えた温度検出装置である。
請求の範囲第2項記載の発明は、請求の範囲第1項に記載の温度検出装置において、
(A)上記の導電性ポリマーは、体積固有抵抗値が2
3°Cにおいて8Ω・cm以下であり、
(B)上記各検出部材の抵抗値は23°Cにおいて5
Ω以下であり、90°Cにおいて、すくなくとも10 0Ωである
ことを特徴とする。
請求の範囲第3項記載の発明は、請求の範囲第1項または第2項のいずれかに記載の温度検出装置において、上記の第1電極および第2電極の各々は金属箔電極であることを特徴とする。
請求の範囲第4項記載の発明は、請求の範囲第1項から第3項のいずれかに記載の温度検出装置において、上記検知部品は実質的に互いに同一であり、一様に上記の温度検出装置に沿って間隔を置いて配置され、10mmから300mmの間で上記検知部品間の距離、すなわち隣接する検出部品の対応する地点間の距離が繰り返されることを特徴とする。
請求の範囲第5項記載の発明は、請求の範囲第1項から第3項のいずれかに記載の温度検出装置において、上記検知部品は、対をなして配置され、各対の2個の検知部品間の距離は実質的に、対と対との間の上記の繰り返される距離よりも短いことを特徴とする。
請求の範囲第6項記載の発明は、請求の範囲第5項に記載の温度検出装置において、隣接する第1電極の端部間の距離は少なくとも0.4mmであり、隣接する第2電極の端部間の距離は少なくとも50mmであり、上記PTC部材の厚さは少なくとも2mmであることを特徴とする。
請求の範囲第7項記載の発明は、請求の範囲第1項から第6項のいずれかに記載の温度検出装置において、隣接する第1電極の各対の間の間隙をまたいで接続される抵抗を備え、これにより上記の抵抗は隣接する検知部品の一組と平行に接続され、この抵抗の抵抗値は
(A)23°Cにおける隣接する検知部品の対よりも実質的に大きく、
(B)90°Cにおける隣接する検知部品の対よりも実質的に小さい
ことを特徴とする。
請求の範囲第8項記載の発明は、請求の範囲第7項に記載の温度検出装置において、上記の抵抗は、導電性ポリマーから構成されることを特徴とする。
請求の範囲第9項記載の発明は、請求の範囲第1項から第8頂のいずれかに記載の温度検出装置を製造する製造方法であって、
(A)(1)(a)対向する第1及び第2の表面を持ち、
(b)PTCの作用を示す導電性ポリマーから
なるシートを備えたシートと、
(2)上記(1)のシートの第1の表面に固定された
第1の金属シートと、
(3)上記(1)のシートの第2の表面に固定された
第2の金属シートと、
を備えた薄片を与え、
(B)第1の平行な複数の短冊を上記の第1の金属シートから取り除いて複数の第1の溝を形成し、
(C)上記の第2の平行な複数の短冊を上記の第2の金属シートから取り除いて複数の第2の溝を形成し、上記の第1の溝および第2の溝は、互いに平行であり、食い違いでかつオーバーラップしない関係にあり、
(D)上記の(C)の結果出来たものを上記の第1および第2の溝に直角な直線に沿って分割した複数の帯状部品を用意し、
(E)上記の(D)の各帯状部品の周囲にポリマー絶縁部材を形成する
各ステップを備える温度検出装置の製造方法である。
請求の範囲第10項記載の発明は、
(A)複数の二次電池と、
(B)各電池は熱接触させる検知部材を少なくとも一
つは備える、上記請求の範囲第1項から第8項のいず
れかに記載の温度検出装置と
を備える電池集合体であることを特徴とする。
以上の、本発明による、二次電池、二次電池の温度検出装置、および温度検出装置の製造方法によると、特に本温度検出装置は、単数もしくは直列に接続された複数の二次電池の温度検出に対して1つの装置を用いることで対処でき、また、本発明の温度検出装置の製造方法を用いると、製造に要するコストが低く、その溶接箇所が少ないために使用時の信頼性が高く、かつ、様々な形状を持つものの製造が可能である。
発明を実施するための最良の形態
以下、図1を参照しつつ、本発明の第一実施形態を説明する。図1は、本発明による温度検出装置を備えた、二次電池集合体を示した図である。図1において、複数の(本図では6個の)二次電池が直列に接続されて、充電処理が行われる。ここで、符号10は直列に接続された二次電池であり、本図ではこの二次電池10に接続されて充電処理を行う充電装置の図示は割愛してある。この二次電池10に接して、複数の温度検出部(本図では6個の二次電池分の)が繋がった温度検出装置11が設けられ、二次電池10の温度の検出を行う。この温度検出装置11の両端部間には、電源12と電流測定装置13とが電気的に直列に接続されている。
次に、本発明による温度検出装置を備えた、二次電池集合体の動作を図1を用いて説明する。電源12から、温度検出部11に電圧が印加され、その結果、この温度検出装置11と電源12と電流測定装置13とを含む閉ループに電流が流れる。充電中には二次電池10の表面温度は、接触によって温度検出装置11に伝えられる。上記の閉ループを流れる電流の電流値を、電流測定装置13が測定し、もしこの電流値が、二次電池が正常である場合の規定値よりも大きくなった場合には、温度測定対象の二次電池10のいずれかの温度が上昇しており、従って異常が発生したと判断し、充電処理を中止する。
次に、図2を用いて、温度検出装置11の構造を、より詳細に説明する。図2は、実使用状態では接触しておかれる、温度検出装置11と二次電池10とを分離して、その温度検出装置11の構造を説明するために拡大して図示した斜視図である。ここで、二次電池10のP2の長さ分が1個の二次電池である。また、所定の温度特性に基づいて変化する正温度係数特性を有する導電性樹脂層であるPTC層21の上部と下部にそれぞれ接して、Cu−Ni箔からなる電極シート20が断続的に設けられ、各電極シートの間は符号22で示す間隙ができ、この間隙22では電極シート20が露出する。
ここで、P1で示した範囲の上部が1個の温度検出部にあたり、これは電極シート20aの右半分、電極シート20c、電極シート20bの左半分からなるものである。本第1実施形態ではこの温度検出部が、二次電池の数と同数の6個分連続して温度検出装置を構成する構造となっている。本実施形態においては、図2中のZ方向から観察した場合に、PTC樹脂層21の上部の電極シート20aおよび電極シート20bと、PTC樹脂層21の下部の電極シート20cは図示の様にそれぞれPTC層21を介して重なるように設けられる。
実使用状態では、この温度険出部P1が1個の二次電池10aに接触して置かれ、二次電池10aの温度を検出する。また、図にあるように、PTC層21の厚さをd1,電極シート間の間隔をd2とすると、本実施形態では、d2>d1となるようにそれぞれの電極シートは設けられる。温度検出装置11は、この連続する温度検出部の上下全体を、絶縁体である透明プラスチックのシートで被われてなる。図3は温度検出装置の図2中のZ方向の断面図を示してあり、符号30が上記の透明プラスチックのシートである。
続いて、本実施形態による温度検出部における温度の検出の原理について述べる。例として、図2の温度検出部P1を取り上げる。図1に対応させると図2において、電流は左方向から右方向に向かって流れるものとする。電源12によって与えられる電流は、経路として電極シート20aからPTC層21を介して電極シート20cに流れ、次にこの電極シート20c内を流れた後、PTC層21を介して電極シート20bへと流れる。これは、上述の様にd2>d1であることより、この経路の電気抵抗が、電極シート20aから直接電極シート20bへと電流が流れる経路の電気抵抗よりも小さいためである。こうして各温度検出部を上下にジグザグに電流が流れる。
最初に、測定しようとする二次電池10aの温度が正常である場合には、PTC層21の電気抵抗も低い値にあり、上記の経路を流れる電流値は正常値として電流測定装置13に計測される。次に、測定しようとする二次電池に何らかの障害が発生し、その温度が上昇して、異常範囲に入った場合には、この高温化により二次電池に接しているPTC層21の電気抵抗値が上がり、従って上記経路の総抵抗値が上昇し、よって電流測定装置13によって測定される電流値が増加し、二次電池の異常を検知することができる。
測定しようとする二次電池の温度変化に対するPTC層の電気抵抗の変化をグラフで表したのが図6である。本例では、ある温度Txの前後において、その電気抵抗値は急峻な変化を示す。通常の温度範囲にある点Aと、温度が上昇し異常の温度範囲にある点Bとを比較すると、その電気抵抗値は一例として数百倍程度、上昇する。
次に、第2の実施形態を掲げる。この第2の実施形態は、
対向する第1および第2の表面を備える薄いシート形状を有し、かつPTC特性を有する導電性ポリマーを具備するPTC部材と、
上記のPTC部材の第1の表面に固定される第1の電極と、
上記のPTC部材の第2の表面に固定される第2の電極と
を各々の検出部品が具備する、間隔を置いて配置された複数の帯状の検出部品と、
各接続部品は、2個の隣接した検出部品の間に位置し、この接続部品は、
隣接する検出部品の第1の電極と、
隣接する検出部品の第2の電極とに交互に接続され、
それによって、温度検出装置が電源に接続された時に、電流が上記のPTC部材を横断的に、かつ、上記の接続部品の長さ方向に流れるところの
間隔を置いて配置された複数の帯状の接続部品と
を備える温度検出装置である。
例として、図7に示すものを説明する。本図は温度検出装置を構成する、1個の温度検出部の断面図である。この温度検出部を持つ温度検出装置が第1実施形態と同様に使用されるものとする。ここにおいて、PTC層21が、第1の実施形態のように連続したものではなく、ある温度検出部において上下の電極シート20が対向する部分に挟まれて部分的に存在するものとなっている。
この温度検出部を、上下の電極シート20とPTC層21とが存在する部分で、図7と直交する断面で切った断面図が図8である。上述の図3と同じように、温度検出装置の上下を透明プラスチックのシート30で被われてなる。この第2の実施形態では、第1の実施形態に比べてPTC層21が、全長においても、各温度検出部内においても、面積的に少ないために、測定しようとする二次電池の温度変化に対して、より敏感に反応するという効果が得られる。
続いて、第3の実施形態として図9に示すものを説明する。
本図は、温度検出装置を部分的に取り出し拡大した断面図である。図2におけるのと同様に、P1で示した範囲の上部が1個の温度検出部にあたり、実使用状態では、これが下部の1個の二次電池10aに接触しておかれ、その温度を検出する。ここにおいて、図2に示す第1の実施形態の例に加えて、ゼロ温度係数特性を有する導電性樹脂層であるZTC(Zero Temperature Coefficient)層23を電極シート20の断続部分に被せるように接して断続的に設けられている。
本図の他の部分は上述の第1実施形態で説明した図2と同様である。この第3の実施形態を用いると、PTC層21に何らかの支障が生じて、このPTC層21を電流が流れることが不可能な場合等に、電流は電極シート20とZTC層23とを伝って流れることによって、温度検出装置自体の異常や故障を検出することができる。
また、本実施形態は、電気自動車に搭載される二次電池等の複数の電池の温度を検知するのに特に有効な新しい温度検出装置に関するものである。
以下に、上記の第1の実施形態で述べた温度検出装置を例にとって、その製造方法について述べる。最初に、図4において、均一の厚さd1を持つ1枚のPTC層21を用意し、これを間に挟んで、電極シート20を上下に接触して配して基板を作製する。次に、PTC層21の上下の電極シート20に対し、図5のd2で示した部分を除去するために、図4の二点鎖線で示した幅広の帯状の部分にマスキングを施す。
続いて、この基板にエッチング処理を施すことにより、上記のマスキングした部分以外の電極シート20が溶けて除かれ、相互の間の距離d2を持った電極シートが残る。しかる後に、この基板を図5の二点鎖線に従って横方向に切断する。こうして、得られた短冊状のものを、一つずつ、透明プラスチックのシートを用いて上下から挟み、次に両端に電極を溶接によって取り付けることにより、複数の温度検出装置を得ることができる。
以上の各実施形態で、述べた様な、構造を持つことにより、本発明による温度検出装置は、測定対象である複数の二次電池が、例えばL字型の形状をもった直列に接続されたものである場合にも、このL字型の形状に沿ったものとして製造が可能であり、二次電池に沿って接触して配すことができる。また、上述の製造方法によると、製造が比較的容易であり、かつ安定した製造が可能であるために大量生産にも向いている。
最後に、本発明は上記の説明を通して、二次電池への応用に重点を置いて、記述されているが、これは用途として、二次電池に限定されるものではなく、温度上昇を観察することが必要な他の対象に対しても使用することが有効であり、効果を発揮することができるものである。
産業上の利用可能性
本発明は、二次電池、二次電池の温度検出装置、およびその装造方法に関するものであり、本発明によると、特に本温度検出装置は、単数もしくは直列に接続された複数の二次電池の温度検出に対して1つの装置を用いることで対処でき、また、本発明の温度検出装置の製造方法を用いると、製造に要するコストが低く、その溶接箇所が少ないために使用時の信頼性が高く、かつ、様々な形状を持つものの製造が可能である。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明による温度検出装置を備えた、二次電池集合体を示した図であり、図2は、本発明の第1実施形態による温度検出装置の拡大図および二次電池の図であり、図3は、本発明の第1実施形態による温度検出部の断面図であり、図4は、本発明による温度検出装置の製造方法を説明する図であり、図5は、本発明による温度検出装置の製造方法を説明する図であり、図6は、本発明で用いられるPTC素材の温度特性を示す図であり、図7は、本発明の第2実施形態による温度検出部の拡大図であり、図8は、図7に示す、本発明の第2実施形態による温度検出部の断面図であり、図9は、本発明の第3実施形態による温度検出装置の拡大図および二次電池の図である。
Claims (10)
- 電源に接続され、複数の電池の温度を検出するための検出部を備えた、細長い形状の温度検出装置において、
(A)(1)対向する第1及び第2の表面を持ち、連続的な
細長い帯状の形状を有し、
(2)正温度係数特性作用を示す導電性ポリマーを備
える
PTC部材と、
(B)(1)PTC部材の第1の表面に固定され、
(2)長手方向に互いに間隔を置かれる
複数の第1の電極と、
(C)(1)PTC部材の第2の表面に固定され、
(2)長手方向に互いに間隔を置かれ、
第1及び第2の電極は、食い違いにオーバーラップし
た関係にあり、これによって各電極は、
(a)対向面上の電極にオーバーラップしない中
央部と、
(b)対向面上の隣接する電極の各端部にオーバ
ーラップする2個の端部とを持つ、
複数の第2の電極と、
(D)PTC部材と第1及び第2電極を被覆するポリマー絶縁部材と、
(E)(1)上記の第1の電極の内の1つのオーバーラップ
する一つの端部と、
(2)上記の第2の電極の内の1つのオーバーラップ
する一つの端部と、
(3)上記の温度検出装置が電源に接続されると、内
部を電極のオーバーラップする端部間を横断的に電流
が流れるPTC部材の一部と、
を備える長手方向に間隔を置いた複数の検出部品と、
(F)(1)2個の隣接する検出部品を電気的に直列に接続し、
(2)(a)PTC部材の一部と、
(b)上記の温度検出装置が電源に接続される
と、内部を長手方向に電流が流れる第1の電極
の内の1つの中央部、もしくは、第2の電極の
内の1つの中央部と、
を備える長手方向に間隔を置いた複数の接続部品と、
を備えた温度検出装置。 - (A)上記の導電性ポリマーは、体積固有抵抗値が23°Cにおいて8Ω・cm以下であり、
(B)上記各検出部材の抵抗値は23°Cにおいて5Ω以下であり、90°Cにおいて、すくなくとも100Ωである
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の温度検出装置。 - 上記の第1電極および第2電極の各々は金属箔電極であることを特徴とする請求の範囲第1頂もしくは第2項に記載の温度検出装置。
- 上記検知部品は実質的に互いに同一であり、一様に上記の温度検出装置に治って間隔を置いて配置され、10mmから30mmの間で上記検知部品間の距離、すなわち隣接する検出部品の対応する地点間の距離が繰り返されることを特徴とする請求の範囲第1項から第3項のいずれかに記載の温度検出装置。
- 上記検知部品は、対をなして配置され、各対の2個の検知部品間の距離は実質的に、対と対との間の上記の繰り返される距離よりも短いことを特徴とする請求の範囲第1項から第3項のいずれかに記載の温度検出装置。
- 隣接する第1電極の端部間の距離は少なくとも0.4mmであり、隣接する第2電極の端部間の距離は少なくとも50mmであり、上記PTC部材の厚さは少なくとも3mmであることを特徴とする請求の範囲第5項に記載の温度検出装置。
- 隣接する第1電極の各対の間の間隙をまたいで接続される抵抗を備え、これにより上記の抵抗は隣接する検知部品の一組と平行に接続され、この抵抗の抵抗値は
(A)23°Cにおける隣接する検知部品の対よりも実質的に大きく、
(B)90°Cにおける隣接する検知部品の対よりも実質的に小さい
ことを特徴とする請求の範囲第1項から第6項のいずれかに記載の温度検出装置。 - 上記の抵抗は、導電性ポリマーから構成されることを特徴とする請求の範囲第7項に記載の温度検出装置。
- 請求の範囲第1項から第8項のいずれかに記載の温度検出装置を製造する製造方法であって、
(A)(1)(a)対向する第1及び第2の表面を持ち、
(b)PTCの作用を示す導電性ポリマーから
なるシートを備えたシートと、
(2)上記(1)のシートの第1の表面に固定された
第1の金属シートと、
(3)上記(1)のシートの第2の表面に固定された
第2の金属シートと、
を備えた薄片を与え、
(B)第1の平行な複数の短冊を上記の第1の金属シートから取り除いて複数の第1の溝を形成し、
(C)上記の第2の平行な複数の短冊を上記の第2の金属シートから取り除いて複数の第2の溝を形成し、上記の第1の溝および第2の溝は、互いに平行であり、食い違いでかつオーバーラップしない関係にあり、
(D)上記の(C)の結果出来たものを上記の第1および第2の溝に直角な直線に沿って分割した複数の帯状部品を用意し、
(E)上記の(D)の各帯状部品の周囲にポリマー絶縁部材を形成する
各ステップを備える温度検出装置の製造方法。 - (A)複数の二次電池と、
(B)各電池は熱接触させる検出部材を少なくとも一つ
は備える、請求の範囲第1項から第8項のいずれかに記
載の温度検出装置と、
を備える二次電池。
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