JP4428251B2 - Secondary battery safety protection method and safety protection device - Google Patents

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Description

例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池を安全に使用するための二次電池の安全保護方法及び安全保護装置に関する。   The present invention relates to a secondary battery safety protection method and a safety protection device for safely using a chargeable / dischargeable secondary battery such as a lithium ion battery.

従来から二次電池として鉛蓄電池が一般的に使用されているが、近年、蓄電媒体として非常に高い電力密度をもち小型化が可能な、リチウムイオン電池が広く使用されてきている。図８にリチウムイオン電池の一形態であるラミネート型リチウムイオン電池の構造を示す。ラミネート型リチウムイオン電池としてのリチウムセル１は、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）やマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ２）などの正極材料２と例えばグラファイト（炭素）などの負極材料３との間に、絶縁のためセパレータ４を挿入し、これらを何層かに積層した積層構造体５とした後、この積層構造体５を電解液と共に上下からアルミラミネート６，６で封止した構造になっている。正極材料２及び負極材料３には、それぞれ正極電極２ａと負極電極３ａが形成されており、アルミラミネート６，６の貼り合わせ部分から外部へ突出している。なお、電極の取り出し方，形状，材質についてや、ラミネート電池全体の大きさなどは特に制限されず、種々のものがある。   Conventionally, lead-acid batteries are generally used as secondary batteries, but in recent years, lithium-ion batteries that have a very high power density and can be miniaturized have been widely used as power storage media. FIG. 8 shows a structure of a laminated lithium ion battery which is one form of the lithium ion battery. A lithium cell 1 as a laminate type lithium ion battery is provided for insulation between a positive electrode material 2 such as lithium cobaltate (LiCoO2) and lithium manganate (LiMnO2) and a negative electrode material 3 such as graphite (carbon). After the separator 4 is inserted to form a laminated structure 5 in which these layers are laminated, the laminated structure 5 is sealed with aluminum laminates 6 and 6 from above and below together with the electrolytic solution. The positive electrode material 2 and the negative electrode material 3 are formed with a positive electrode 2a and a negative electrode 3a, respectively, and project from the bonded portions of the aluminum laminates 6 and 6 to the outside. There are no particular restrictions on how to take out the electrode, the shape, the material, the size of the entire laminated battery, etc., and there are various types.

このような構造を有するリチウムセル１は、蓄電媒体として非常に高い電力密度をもつものの、過電圧に弱く、充電時などに過度の過電圧が加わることにより発煙，発火につながるリスクがある。   Although the lithium cell 1 having such a structure has a very high power density as a power storage medium, it is vulnerable to overvoltage, and there is a risk of causing smoke and ignition when an excessive overvoltage is applied during charging.

以下に、過充電を印加させた時のリチウムセル１の発煙，発火に至るメカニズムについて、リチウムセル１の温度に対する状態を示した図９を参照しながら説明する。   Hereinafter, the mechanism leading to smoke and ignition of the lithium cell 1 when overcharge is applied will be described with reference to FIG. 9 showing the state of the lithium cell 1 with respect to temperature.

まず、過電圧が印加されると電池内部の電解液分解が加速され、熱が発生して電池の温度上昇が始まる。それと同時に、電池内部に電解液の蒸発ガス（ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート）が発生してアルミラミネート６，６の膨張を引き起こす。この際、防爆弁からガス抜きされるものもある。本電池のセパレータ４は２重構造になっており、材質はＰＥ（ポリエチレン）とＰＰ（ポリプロピレン）から形成されている。電池の内部温度が上昇し、約１２０℃に到達すると、内部のセパレータ４が収縮を開始する。さらに温度が上昇すると約１３５℃でセパレータ４を構成するＰＥセパレータが溶け出す。そして約１６５℃でもう一方のＰＰセパレータが溶け出す。ＰＰセパレータが溶け出したところで、リチウムセル１の内部絶縁破壊が進む。また、アルミラミネート６，６の封しが破れ、内部ガスが噴出を開始する。そこから急速に温度上昇が進み約２５０℃で電解液の熱分解が発生すると、ＣＨ４，Ｃ２Ｈ４，Ｃ２Ｈ６などのガスが発生し、セパレータ４の絶縁性が崩壊する。やがて、内部ショートに至ることでスパーク現象が着火点となり、最終的には発火に至る。   First, when an overvoltage is applied, the decomposition of the electrolyte inside the battery is accelerated, heat is generated, and the battery temperature starts to rise. At the same time, an evaporation gas (diethyl carbonate, ethylene carbonate) of the electrolyte is generated inside the battery, causing the aluminum laminates 6 and 6 to expand. At this time, some are vented from the explosion-proof valve. The separator 4 of this battery has a double structure, and is made of PE (polyethylene) and PP (polypropylene). When the internal temperature of the battery rises and reaches about 120 ° C., the internal separator 4 starts to contract. When the temperature further rises, the PE separator constituting the separator 4 melts at about 135 ° C. The other PP separator melts at about 165 ° C. When the PP separator is melted, the internal dielectric breakdown of the lithium cell 1 proceeds. Moreover, the sealing of the aluminum laminates 6 and 6 is broken, and the internal gas starts to be ejected. When the temperature rises rapidly from there and thermal decomposition of the electrolyte occurs at about 250 ° C., gases such as CH 4, C 2 H 4, C 2 H 6 are generated, and the insulating properties of the separator 4 are destroyed. Eventually, an internal short-circuit causes the spark phenomenon to become an ignition point, which eventually leads to ignition.

このように、リチウムセル１は、リチウムイオンということで過電圧に弱く、過電圧を印加すると最悪ケースとして発煙、発火に至ることがわかっていた。しかし、印加される電圧，電流を含めた注入エネルギー（充電電力）とラミネート型リチウムイオン電池が発煙，発火に至るまでの詳細な関係が解明されず、その根本対策ができない状況が続いていた。そこで、この安全上の問題を解決する暫定的な方策として、通常、電池の発煙，発火を防ぐための保護回路（例えば特許文献１）が、その充電器や電池パック内などに装置されている。特許文献１では、可燃性ガス等を検出した際に、二次電池への充電を禁止することにより、電池の発煙，発火を防いでいる。   Thus, it has been known that the lithium cell 1 is weak against overvoltage because it is a lithium ion, and when the overvoltage is applied, it causes smoke and fire in the worst case. However, the detailed relationship between the applied energy (charging power) including the applied voltage and current and the laminate-type lithium ion battery smoking and igniting has not been elucidated, and there has been a situation where the fundamental measures cannot be taken. Therefore, as a provisional measure to solve this safety problem, a protection circuit (for example, Patent Document 1) for preventing battery smoke and ignition is usually installed in the charger or battery pack. . In Patent Document 1, when a combustible gas or the like is detected, the battery is prevented from being smoked and ignited by prohibiting charging of the secondary battery.

図10は、リチウムセル１を電子機器などに装置する場合の概略構成を示すブロック図である。同図において、リチウムセル１は、保護回路11が共に組み込まれた電池パック10として装置されている。保護回路11は、例えば電流ヒューズや、温度ヒューズや、過電圧保護などを備えたものであり、過電流，過電圧，温度異常時にリチウムセル１へ供給される充電電力を遮断し保護する。電池パック10の前段には、リチウムセル１に充電電力を注入して充電する充電器12が接続されている。充電器12は、安定化した電力を生成する安定化電源13と、当該電力を用いて電池パック10へ充電電力を供給し、リチウムセル１を充電する充電回路14とから構成される。充電回路14は、充電電圧又は充電電流を一定にしてリチウムセル１をリニア充電する定電圧・定電流回路や、充電電流をパルス状に供給してリチウムセル１をパルス充電するパルス充電回路などからなり、これらは電池の性能や寿命などにより適宜決定される。
特開平８−２２２２７８号公報 FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration when the lithium cell 1 is installed in an electronic device or the like. In the figure, the lithium cell 1 is configured as a battery pack 10 in which a protection circuit 11 is incorporated. The protection circuit 11 includes, for example, a current fuse, a temperature fuse, an overvoltage protection, and the like, and cuts off and protects the charging power supplied to the lithium cell 1 when overcurrent, overvoltage, or temperature is abnormal. A battery charger 12 for charging the lithium cell 1 by injecting charging power is connected to the front stage of the battery pack 10. The charger 12 includes a stabilized power source 13 that generates stabilized power, and a charging circuit 14 that supplies the charging power to the battery pack 10 using the power and charges the lithium cell 1. The charging circuit 14 includes a constant voltage / constant current circuit that linearly charges the lithium cell 1 with a constant charging voltage or charging current, a pulse charging circuit that pulse-charges the lithium cell 1 by supplying the charging current in pulses. These are appropriately determined depending on the performance and life of the battery.
JP-A-8-222278

しかし、何らかの原因で前記保護回路が動作しない場合には、発煙，発火のリスクが避けられないため、電源装置、無停電電源装置など高信頼を要求する分野への普及が立ち遅れてきた。   However, if the protection circuit does not operate for some reason, the risk of smoke and fire is unavoidable, and the spread to the fields requiring high reliability such as power supply devices and uninterruptible power supply devices has been delayed.

現状では、前述したような発煙，発火に至るメカニズムの中において、過電圧，過充電などの注入エネルギー（電圧・電流ストレス）に対して、どこまでそのプロセスが進行するかの解明がなされていない。従って、電池メーカも電池を使う装置メーカも発煙，発火に対して保護回路に頼らざるを得ない状況である。ところが電池を監視して制御をかける保護回路は、監視部（電圧モニター，電流モニター，温度モニター）が異常の場合、或いはその監視部から信号を受けて制御する制御部（回路部）が異常の場合、或いはその制御部の信号を受けて動作する保護素子（遮断スイッチ，ヒューズ，ＦＥＴ，トランジスタなどの半導体スイッチ）が動作しない場合には、保護回路としての役割を果たせなくなる。すなわち、最悪ケースの場合、発煙，発火という事態を引き起こす可能性がある。   At present, in the mechanism leading to smoke and ignition as described above, it has not been elucidated how far the process proceeds with respect to injection energy (voltage / current stress) such as overvoltage and overcharge. Therefore, both battery manufacturers and device manufacturers that use batteries must rely on protection circuits against smoke and fire. However, the protection circuit that monitors and controls the battery has a fault when the monitoring unit (voltage monitor, current monitor, temperature monitor) is abnormal or the control unit (circuit unit) that receives and controls the signal from the monitoring unit is abnormal. In this case, or when a protection element (semiconductor switch such as a cut-off switch, a fuse, an FET, or a transistor) that operates in response to a signal from the control unit does not operate, it cannot function as a protection circuit. That is, in the worst case, there is a possibility of causing smoke and fire.

そこで本発明は上記問題点に鑑み、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池の安全保護方法及び安全保護装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a secondary battery safety protection method and a safety protection device that can prevent smoke and ignition of a secondary battery.

本発明における請求項１の二次電池の安全保護方法では、充電電力を、二次電池を安全に使用するための安全動作領域の境界値である絶対最大定格損失より低い値に制限して二次電池に注入する。 In the secondary battery safety protection method according to the first aspect of the present invention, the charging power is limited to a value lower than the absolute maximum rated loss, which is a boundary value of the safe operation region for safely using the secondary battery. Inject into the next battery.

本発明における請求項２の二次電池の安全保護装置では、二次電池へ充電電力を供給する充電電源側に接続される入力端子と、二次電池側に接続される出力端子と、前記入力端子に入力された前記充電電力を、二次電池を安全に使用するための安全動作領域の境界値である絶対最大定格損失より低い値に制限して前記出力端子に出力する電力制限手段とを備えている。 In the secondary battery safety protection device according to the second aspect of the present invention, the input terminal connected to the charging power supply side for supplying charging power to the secondary battery, the output terminal connected to the secondary battery side, and the input Power limiting means for limiting the charging power input to the terminal to a value lower than an absolute maximum rated loss that is a boundary value of a safe operation region for safely using a secondary battery, and outputting to the output terminal I have.

本発明は、二次電池の発煙，発火に至るプロセスが二次電池に注入される充電電力に依存して進行することに着目してなされたものであり、この充電電力を、二次電池を安全に使用するための安全動作領域内に制限することにより、如何なる状態においても安全に二次電池を動作させることができる。   The present invention has been made by paying attention to the fact that the process leading to smoke and ignition of the secondary battery proceeds depending on the charging power injected into the secondary battery. By limiting within the safe operation area for safe use, the secondary battery can be operated safely in any state.

本発明によると、二次電池に注入される充電電力を制限することにより、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能となり、発煙，発火のない安全な二次電池パックを提供できる。   According to the present invention, by limiting the charging power injected into the secondary battery, it becomes possible to prevent the secondary battery from smoking and igniting, and a safe secondary battery pack free from smoking and ignition can be provided. .

本発明は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池において、発煙，発火に至るメカニズムを解明すると共に、発煙，発火に至らない安全動作領域が、二次電池に注入された注入エネルギー量（充電電力量）ではなく、そこに注入される単位時間あたりのエネルギー量である注入エネルギー（充電電力Ｐｃ）により決定されるという関係を発見し、さらにこの注入エネルギーを制御することで安全に二次電池を使用することができるようにしたものである。従来、この安全動作領域は不明確であり、二次電池に注入される注入エネルギーは、充電器側に依存していた。従って、充電器の種類によっては、安全動作領域以上の注入エネルギーが電池パックに注入される危険があった。すなわち、電池パック側からの安全性は前記保護回路のみで保障されるため、電池パック自体で完全に安全を保障することが困難であった。そこで、本発明は、発煙，発火の根本原因となる注入エネルギーと二次電池の温度と許容エネルギーとの間の法則に従った安全動作領域を定義することにより、充電器側から送出されるエネルギーに依存せず、例えば保護回路が壊れた場合などの如何なる状態においても電池パック内で単独に安全性が保てるように、この安全動作領域内で二次電池が動作するように注入エネルギーを制御する。   The present invention elucidates the mechanism leading to smoke and ignition in a secondary battery such as a lithium-ion battery, for example, and the safe operation area that does not lead to smoke and ignition is the amount of injected energy (charging power) injected into the secondary battery. The amount of energy per unit time injected into it (charging power Pc) is discovered, and the secondary battery can be safely controlled by controlling this injected energy. It can be used. Conventionally, this safe operation area is unclear, and the injection energy injected into the secondary battery depends on the charger side. Therefore, depending on the type of the charger, there is a risk that injection energy exceeding the safe operation area is injected into the battery pack. That is, since the safety from the battery pack side is ensured only by the protection circuit, it is difficult to completely ensure the safety by the battery pack itself. Therefore, the present invention defines the safe operating area in accordance with the law between the injection energy that is the root cause of smoke and ignition, the temperature of the secondary battery, and the allowable energy. The injection energy is controlled so that the secondary battery operates in this safe operation area so that the safety can be maintained independently in the battery pack in any state such as when the protection circuit is broken. .

以下、添付図面を参照しながら、本発明における二次電池の安全保護方法及び安全保護装置の好ましい実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of a secondary battery safety protection method and a safety protection device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same location as a prior art example, and since description of a common part overlaps, it abbreviate | omits as much as possible.

図１は、本発明における二次電池の安全保護方法及び安全保護装置を体現した電力制限回路20を組み込んだ電池パック10を電子機器などに装置する場合の概略構成を示すブロック図である。同図において、電池パック10内には、充放電可能な二次電池としてのリチウムセル１と、過電流，過電圧，温度異常時にリチウムセル１へ供給される充電電力Ｐｃを遮断し保護する保護回路11と、後述する電力制限回路20とが組み込まれている。リチウムセル１及び保護回路11の構成は、従来例で示したものと同様である。電池パック10の前段には、リチウムセル１に充電電力Ｐｃを注入して充電する充電器12が接続されている。充電器12は、従来例で示したものと同様に、安定化した電力を生成する安定化電源13と、当該電力を用いて電池パック10へ充電電力Ｐｃを供給し、リチウムセル１を充電する充電回路14とから構成される。なお、本実施例における充電回路14には、充電電力量の算出が容易な定電圧・定電流回路を用いているが、もちろんパルス充電回路などでもよい。また、図２で示すように、電力制限回路20を充電器12側に組み込んでも良く、この場合、リチウムセル１の寿命などにより電池パック10を交換しても常に安全動作領域内で充電することができる。   FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration when a battery pack 10 incorporating a power limiting circuit 20 embodying a safety protection method and a safety protection device for a secondary battery according to the present invention is installed in an electronic device or the like. In the figure, a battery pack 10 includes a lithium cell 1 as a chargeable / dischargeable secondary battery and a protection circuit that cuts off and protects the charging power Pc supplied to the lithium cell 1 in the event of an overcurrent, overvoltage, or temperature abnormality. 11 and a power limiting circuit 20 to be described later are incorporated. The configurations of the lithium cell 1 and the protection circuit 11 are the same as those shown in the conventional example. A battery charger 12 for charging the lithium cell 1 by injecting charging power Pc is connected to the front stage of the battery pack 10. The charger 12 charges the lithium cell 1 by supplying the stabilized power 13 that generates stabilized power and the charging power Pc to the battery pack 10 using the power, similarly to the conventional example. And a charging circuit 14. The charging circuit 14 in the present embodiment uses a constant voltage / constant current circuit that makes it easy to calculate the amount of charging power, but may of course be a pulse charging circuit. Further, as shown in FIG. 2, a power limiting circuit 20 may be incorporated on the charger 12 side. In this case, the battery pack 10 is always charged within the safe operation area even if the battery pack 10 is replaced due to the life of the lithium cell 1 or the like. Can do.

図３は、電池パック10の外観を示す斜視図である。リチウムセル１は、電力制限回路20の構成部品が表面実装されたアルミ基板21上に載置されている。アルミ基板21は、放熱性に優れた実装基板であればどのようなものでもよく、例えば金属板とプリント基板を組み合わせたものなどでもよい。アルミ基板21の前部には、電力制限回路20が寄せ集めて実装されており、リチウムセル１はアルミ基板21の中央部から後部にかけて広がる無実装部分（実装部品が実装されていない部分）に載置されている。また、保護回路11は、例えば電力制限回路20周辺などアルミ基板21上の適当な場所に実装されている。リチウムセル１の正極電極２ａ及び負極電極３ａは、電力制限回路20と電気的に接続するために、アルミ基板21に例えば半田付けなどにより電気的に接続，固定されている。アルミ基板21は放熱性に優れているため、リチウムセル１が発する熱を良好に放熱する放熱器として作用し、後述するリチウムセル１の安全動作領域を拡大させることができる。アルミ基板21から突出して設けられたファストン端子24，24は、図示しない充電器12と電気的に接続するための接続端子であり、アルミ基板21に例えば半田付けなどにより電気的に接続，固定されている。すなわち、ファストン端子24，24は、電力制限回路20を介して、正極電極２ａ及び負極電極３ａに電気的に接続されている。もちろん、充電器12との接続は、コネクタ等を利用してもよい。   FIG. 3 is a perspective view showing the external appearance of the battery pack 10. The lithium cell 1 is placed on an aluminum substrate 21 on which the components of the power limiting circuit 20 are surface-mounted. The aluminum substrate 21 may be any mounting substrate that is excellent in heat dissipation, and may be, for example, a combination of a metal plate and a printed board. The power limiting circuit 20 is assembled and mounted on the front part of the aluminum substrate 21, and the lithium cell 1 is mounted on a non-mounting part (a part where no mounting parts are mounted) extending from the center part to the rear part of the aluminum substrate 21. It is placed. Further, the protection circuit 11 is mounted at an appropriate location on the aluminum substrate 21 such as around the power limiting circuit 20, for example. The positive electrode 2 a and the negative electrode 3 a of the lithium cell 1 are electrically connected and fixed to the aluminum substrate 21 by, for example, soldering in order to be electrically connected to the power limiting circuit 20. Since the aluminum substrate 21 is excellent in heat dissipation, it can act as a radiator that dissipates the heat generated by the lithium cell 1 satisfactorily, thereby expanding the safe operation area of the lithium cell 1 described later. Faston terminals 24 and 24 provided so as to protrude from the aluminum substrate 21 are connection terminals for electrically connecting to a charger 12 (not shown), and are electrically connected and fixed to the aluminum substrate 21 by, for example, soldering. ing. That is, the faston terminals 24 and 24 are electrically connected to the positive electrode 2a and the negative electrode 3a through the power limiting circuit 20. Of course, a connector or the like may be used for connection with the charger 12.

リチウムセル１が載置された面側となるアルミ基板21の上部は、前部鉄カバー25と後部鉄カバー22とにより覆われており、前部鉄カバー25が電力制限回路20及びファストン端子24，24の一部を、後部鉄カバー22がリチウムセル１を、それぞれ覆う状態でアルミ基板21に被装されている。このようにアルミ基板21上を前部鉄カバー25と後部鉄カバー22とで分離して覆うことにより、電力制限回路20とリチウムセル１とが隔離されるため、熱暴走時にリチウムセル１からガスが噴出しても電力制限回路20へ影響を及ぼすことがなく、電力制限回路20などからの着火を防ぐこともできる。後部鉄カバー22の後面（正極電極２ａ及び負極電極３ａとは反対側となる面）には、リチウムセル１の防爆弁（図示せず）からガスが噴出した際に、電池パック10外部へ当該ガスを排出する防爆弁用穴23が開口形成されている。   The upper part of the aluminum substrate 21 on the surface side on which the lithium cell 1 is placed is covered with a front iron cover 25 and a rear iron cover 22, and the front iron cover 25 is connected to the power limiting circuit 20 and the faston terminal 24. 24, a rear iron cover 22 covers the lithium cell 1 so as to cover the lithium cell 1 respectively. In this way, by separating and covering the aluminum substrate 21 with the front iron cover 25 and the rear iron cover 22, the power limiting circuit 20 and the lithium cell 1 are isolated, so that the gas from the lithium cell 1 during thermal runaway Even if erupts, the power limiting circuit 20 is not affected, and ignition from the power limiting circuit 20 or the like can be prevented. When a gas is ejected from the explosion-proof valve (not shown) of the lithium cell 1 to the rear surface of the rear iron cover 22 (the surface opposite to the positive electrode 2a and the negative electrode 3a), the battery pack 10 is exposed to the outside. An explosion-proof valve hole 23 for exhausting gas is formed.

図３の電池パック10は、単一のリチウムセル１を備えた単セルパックとなっているが、図４のように、複数のリチウムセル１が積層接続されてなる電池スタック26を組み込んだ組セルパックとしてもよい。このとき、単セルに電力制限回路20を設けることで、リチウムセル１単体で安全が補償できるため、これを組み合わせることで安全でなおかつ自由自在なリチウム電池の組セルパックが提供できる。同図では、充電器12との接続に、ファストン端子24，24の代わりに入力コネクタ27を設けている。また、組セルパックの変形例として、図５に示すように、各リチウムセル１間にアルミ板等の放熱性に優れた放熱部材28を挿入したものもある。電池スタック26はリチウムセル１を上下に段積みした構成となっているため、電池スタック26の中心部に熱が篭り易く、その中心部に位置するリチウムセル１は他のものに比べ高温になりやすい。放熱性に優れた放熱部材28を各リチウムセル１間に設けることにより各リチウムセル１の熱が速やかに放熱されるため、電池スタック26の中心部に熱が篭らず、当該安全動作領域を拡大させることができる。   The battery pack 10 of FIG. 3 is a single cell pack having a single lithium cell 1, but as shown in FIG. 4, a set incorporating a battery stack 26 in which a plurality of lithium cells 1 are stacked and connected. It is good also as a cell pack. At this time, since the power limiting circuit 20 is provided in the single cell, the safety can be compensated for by the lithium cell 1 alone, so that a combination cell pack of lithium batteries can be provided safely and freely. In the figure, an input connector 27 is provided in place of the faston terminals 24, 24 for connection to the charger 12. Further, as a modification of the assembled cell pack, as shown in FIG. 5, there is one in which a heat radiating member 28 such as an aluminum plate is inserted between the lithium cells 1. Since the battery stack 26 has a configuration in which the lithium cells 1 are stacked vertically, heat is easily generated in the central portion of the battery stack 26, and the lithium cell 1 located in the central portion is hotter than the others. Cheap. Since the heat of each lithium cell 1 is quickly dissipated by providing the heat dissipating member 28 having excellent heat dissipation between the lithium cells 1, the heat does not spread in the center of the battery stack 26, and the safe operation area is Can be enlarged.

次に、本発明の特徴部である電力制限回路20について詳述する。   Next, the power limiting circuit 20, which is a feature of the present invention, will be described in detail.

まず、前提条件となるラミネート型リチウムイオン電池からなるリチウムセル１の安全動作領域を定義する。安全動作領域とは、発煙，発火に至らない充電条件を決定するパラメータであり、これは二次電池の注入エネルギー量によらず、二次電池の許容エネルギーにより決定される。リチウムイオン電池の許容エネルギーを算出するに先立って、リチウムイオン電池に注入される注入エネルギー量Ｅ（電力量）は、下記で算出できる。   First, a safe operation area of the lithium cell 1 composed of a laminated lithium ion battery as a precondition is defined. The safe operation region is a parameter for determining a charging condition that does not cause smoke or ignition, and is determined by the allowable energy of the secondary battery, regardless of the amount of energy injected into the secondary battery. Prior to calculating the allowable energy of the lithium ion battery, an injection energy amount E (amount of power) injected into the lithium ion battery can be calculated as follows.

Figure 0004428251
Ｖｃ（ｔ），Ｉ（ｔ）は充電電圧・充電電流の時間関数であり、リチウムセル１が満充電の時には所定の定電圧Ｖｃとなる。τは注入エネルギー継続時間である。Ｋは一定値をとる定数であり、印加される波形によりその値が異なり、ＤＣ一定値の場合はＫ＝１．０となる。電力ディレーティングは、セル内部のセパレータの溶解温度を絶対最大定格温度Ｔｍａｘ、その時の絶対最大定格損失をＰｍａｘ、周囲温度をＴａとすると、（Ｔｍａｘ−Ｔａ）／Ｐｍａｘ＝θJ-aが成り立つ。又、このときの電池のセル表面温度をＴｃとすると、θJ-a＝θc-a＋θJ-cとなる。θJ-aはセル中心部と周囲温度との熱抵抗、θc-aはセル表面温度と周囲温度の熱抵抗、θJ-cはセル中心部とセル表面温度の熱抵抗である。すなわち、Ｐｍａｘ＝（Ｔｍａｘ−Ｔａ）／（θc-a＋θJ-c）となる。θJ-cは電池の内部構造，形状により決定され、θc-aは電池セルの放熱構造により決定される。このとき、上記（１）式で算出した注入エネルギー量Ｅの単位時間あたりのエネルギー量をセルの許容エネルギーとなる絶対最大定格損失Ｐｍａｘ以内にすること、すなわち、
Figure 0004428251
 Vc (t) and I (t) are time functions of the charging voltage and charging current, and become a predetermined constant voltage Vc when the lithium cell 1 is fully charged. τ is the implantation energy duration. K is a constant that takes a constant value, and the value varies depending on the applied waveform. In the case of a constant DC value, K = 1.0. For power derating, if the melting temperature of the separator inside the cell is the absolute maximum rated temperature Tmax, the absolute maximum rated loss at that time is Pmax, and the ambient temperature is Ta, (Tmax−Ta) / Pmax = θJ−a holds. If the cell surface temperature of the battery at this time is Tc, θJ−a = θc−a + θJ−c. θJ-a is the thermal resistance between the cell center and the ambient temperature, θc-a is the thermal resistance between the cell surface temperature and the ambient temperature, and θJ-c is the thermal resistance between the cell center and the cell surface temperature. That is, Pmax = (Tmax−Ta) / (θc−a + θJ−c). θJ-c is determined by the internal structure and shape of the battery, and θc-a is determined by the heat dissipation structure of the battery cell. At this time, the energy amount per unit time of the injection energy amount E calculated by the above equation (1) is set to be within the absolute maximum rated loss Pmax that becomes the allowable energy of the cell, that is,

Figure 0004428251
とすることにより安全動作領域を設定することができる。ここでいう充電電力Ｐｃは、二次電池に注入される電力を時間平均したものを示すが、注入エネルギー量Ｅの近似式を用いることにより、二次電池の充電状態が安全動作領域内にあるかどうかを充電電力Ｐｃの瞬時値Ｖｃ＊Ｉ（ｔ）と定数Ｋとの積から判断することが可能となる。
Figure 0004428251
 Thus, the safe operation area can be set. Here, the charging power Pc is obtained by averaging the power injected into the secondary battery over time. By using the approximate expression of the injected energy amount E, the charging state of the secondary battery is within the safe operation region. It can be determined from the product of the instantaneous value Vc * I (t) of the charging power Pc and the constant K.

図６は、電力制限回路20の構成を示したものである。電力制限回路20は、充電器12側に接続される一対の入力端子30，30と、リチウムセル１側に接続される一対の出力端子37，37と、入力端子30と出力端子37との間に接続され、充電器12からリチウムセル１へ注入される充電電力Ｐｃの電力路を開閉する例えばトランジスタなどからなるスイッチ素子31と、スイッチ素子31の開閉動作を制御する例えばマイクロコンピュータなどからなる充電電力制御手段32と、抵抗33，34からなる電圧検出手段35と、例えばシャント抵抗やカレントトランスなどからなる電流検出手段36とから構成される。   FIG. 6 shows the configuration of the power limiting circuit 20. The power limiting circuit 20 includes a pair of input terminals 30 and 30 connected to the charger 12 side, a pair of output terminals 37 and 37 connected to the lithium cell 1 side, and between the input terminal 30 and the output terminal 37. Is connected to the battery charger 12 and opens / closes the power path of the charging power Pc injected into the lithium cell 1 from the charger 12, for example, a switch element 31 made of a transistor, etc., and a charge made of, for example, a microcomputer for controlling the opening / closing operation of the switch element 31 The power control means 32, the voltage detection means 35 comprising resistors 33 and 34, and the current detection means 36 comprising, for example, a shunt resistor or a current transformer are configured.

充電電力制御手段32は、リチウムセル１の構造に応じて予め設定された、絶対最大定格温度Ｔｍａｘ，セル中心部と周囲温度との熱抵抗θJ-aと、例えば温度センサなどにより測定した周囲温度Ｔａを用いて絶対最大定格損失Ｐｍａｘを求める。なお、周囲温度Ｔａは、実測値を用いずに適当な値を設定してもよい。充電器12から入力端子30，30に充電電力Ｐｃが供給されると、電圧検出手段35が充電電力Ｐｃの電圧を抵抗33，34で分圧した電圧値を充電電力制御手段32へ入力すると共に、電流検出手段36が充電電力Ｐｃの電流値を充電電力制御手段32へ入力する。充電電力制御手段32は、電圧検出手段35及び電流検出手段36から入力された電圧値及び電流値から充電電力Ｐｃの値を算出する。このとき、充電電力Ｐｃ≒ＫＶｃ＊Ｉ（ｔ）であるため、電圧検出手段35及び電流検出手段36から入力された電圧値及び電流値を適当な周期でサンプリングし、充電電力Ｐｃの瞬時値を算出すればよい。もちろん、例えば、充電開始から現在に至るまでの電圧値，電流値を毎秒サンプリングし、当該サンプリング回数を注入エネルギー継続時間τとして、注入エネルギー量Ｅとなる毎秒における充電電力Ｐｃの積算値を求め、注入エネルギー量Ｅを注入エネルギー継続時間τで除することにより平均化した充電電力Ｐｃを算出してもよい。充電電力制御手段32は、この充電電力Ｐｃの算出値を監視し、適宜スイッチ素子31を開閉させることにより、当該充電電力Ｐｃの算出値が安全動作領域の境界値となる絶対最大定格損失Ｐｍａｘ内となるよう電力制限する。すなわち、出力端子37，37からリチウムセル１へ注入される充電電力Ｐｃを、リチウムセル１を安全に使用するための安全動作領域の境界値Ｐｍａｘ内に制限することにより、如何なる状態においても安全にリチウムセル１を動作させることができる。従って、リチウムセル１の発煙，発火を未然に防ぐことが可能となり、発煙，発火のない安全な電池パック10を提供できる。   The charging power control means 32 includes an absolute maximum rated temperature Tmax, a thermal resistance θJ-a between the cell center and the ambient temperature, which is preset according to the structure of the lithium cell 1, and an ambient temperature measured by, for example, a temperature sensor. An absolute maximum rated loss Pmax is obtained using Ta. The ambient temperature Ta may be set to an appropriate value without using the actual measurement value. When charging power Pc is supplied from the charger 12 to the input terminals 30 and 30, the voltage detection means 35 inputs the voltage value obtained by dividing the voltage of the charging power Pc by the resistors 33 and 34 to the charging power control means 32. The current detection means 36 inputs the current value of the charging power Pc to the charging power control means 32. The charging power control unit 32 calculates the value of the charging power Pc from the voltage value and the current value input from the voltage detection unit 35 and the current detection unit 36. At this time, since the charging power Pc≈KVc * I (t), the voltage value and the current value input from the voltage detection means 35 and the current detection means 36 are sampled at an appropriate period, and the instantaneous value of the charging power Pc is obtained. What is necessary is just to calculate. Of course, for example, the voltage value and current value from the start of charging to the present are sampled every second, and the number of times of sampling is set as the injection energy duration time τ to obtain the integrated value of the charging power Pc per second that becomes the injection energy amount E, The averaged charging power Pc may be calculated by dividing the injection energy amount E by the injection energy duration time τ. The charging power control means 32 monitors the calculated value of the charging power Pc, and appropriately opens and closes the switch element 31, thereby allowing the calculated value of the charging power Pc to be within the absolute maximum rated loss Pmax that becomes the boundary value of the safe operation region. The power is limited so that In other words, the charging power Pc injected from the output terminals 37 and 37 into the lithium cell 1 is limited within the boundary value Pmax of the safe operation region for safely using the lithium cell 1, so that it is safe in any state. The lithium cell 1 can be operated. Therefore, it is possible to prevent smoke and ignition of the lithium cell 1, and it is possible to provide a safe battery pack 10 free from smoke and ignition.

電力制限回路20は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換手段で構成してもよい。図７は、電力制限回路20をＤＣ／ＤＣコンバータにより構成した例を示している。同図における電力制限回路20は、充電器12側に接続される一対の入力端子30，30と、リチウムセル１側に接続される一対の出力端子37，37と、一次巻線40ａと二次巻線40ｂとを有するトランス40と、例えばトランジスタなどからなるスイッチング素子41と、スイッチング素子41のスイッチング動作を制御する例えばマイクロコンピュータなどからなるスイッチング制御手段43と、整流平滑回路42とから構成される。入力端子30，30間には、一次巻線40ａとスイッチング素子41とからなる直列回路が接続される。二次巻線40ｂは、整流平滑回路42を介して出力端子37，37に接続される。この電力制限回路20では、スイッチング素子41のスイッチング動作により、充電器12から入力端子30，30に入力された充電電力Ｐｃが一次巻線40ａに断続的に供給され、二次巻線40ｂの誘起電力が整流平滑回路42により整流平滑され出力端子31，31からリチウムセル１へ出力される。このとき、スイッチング制御手段43が、予め算出しておいた絶対最大定格損失Ｐｍａｘに基づいて、図示しない充電電力検出手段により検出される前記誘起電力（電力変換後の充電電力Ｐｃ）を監視し、周知のＰＷＭ制御などを用いて適宜スイッチング素子41をスイッチング制御することにより、当該誘起電力が安全動作領域の境界値となる絶対最大定格損失Ｐｍａｘ内となるよう電力制限する。この場合、電力制限回路20にトランス40を用いることにより、一次側と二次側が絶縁されるため、二次側となるリチウムセル１に異常が発生しても、その影響が一次側まで波及せず好ましい。   The power limiting circuit 20 may be composed of power conversion means such as a DC / DC converter. FIG. 7 shows an example in which the power limiting circuit 20 is configured by a DC / DC converter. The power limiting circuit 20 in the figure includes a pair of input terminals 30 and 30 connected to the charger 12 side, a pair of output terminals 37 and 37 connected to the lithium cell 1 side, a primary winding 40a, and a secondary A transformer 40 having a winding 40b, a switching element 41 made of, for example, a transistor, switching control means 43 made of, for example, a microcomputer for controlling the switching operation of the switching element 41, and a rectifying / smoothing circuit 42 . A series circuit including a primary winding 40 a and a switching element 41 is connected between the input terminals 30 and 30. The secondary winding 40b is connected to the output terminals 37, 37 via the rectifying / smoothing circuit. In the power limiting circuit 20, the charging power Pc input from the charger 12 to the input terminals 30 and 30 is intermittently supplied to the primary winding 40a by the switching operation of the switching element 41, and the secondary winding 40b is induced. Electric power is rectified and smoothed by the rectifying and smoothing circuit 42 and output from the output terminals 31 and 31 to the lithium cell 1. At this time, the switching control means 43 monitors the induced power (charge power Pc after power conversion) detected by a charge power detection means (not shown) based on the absolute maximum rated loss Pmax calculated in advance. By appropriately controlling the switching element 41 using known PWM control or the like, power is limited so that the induced power falls within the absolute maximum rated loss Pmax that is the boundary value of the safe operation region. In this case, since the primary side and the secondary side are insulated by using the transformer 40 in the power limiting circuit 20, even if an abnormality occurs in the lithium cell 1 serving as the secondary side, the influence is spread to the primary side. It is preferable.

以上のように本実施例の電力制限回路20では、充電電力Ｐｃを所定値となる安全動作領域の境界値Ｐｍａｘより低い値に制限して二次電池としてのリチウムセル１に注入する。また、リチウムセル１へ充電電力Ｐｃを供給する充電電源としての充電器12側に接続される入力端子30と、リチウムセル１側に接続される出力端子37と、入力端子30に入力された充電電力Ｐｃを安全動作領域の境界値Ｐｍａｘより低い値に制限して出力端子37に出力する電力制限手段としてのスイッチ素子31，充電電力制御手段32（スイッチング素子41，スイッチング制御手段43）とを備えている。   As described above, in the power limiting circuit 20 of the present embodiment, the charging power Pc is limited to a value lower than the boundary value Pmax of the safe operation region, which is a predetermined value, and injected into the lithium cell 1 as a secondary battery. Further, an input terminal 30 connected to the charger 12 as a charging power source for supplying charging power Pc to the lithium cell 1, an output terminal 37 connected to the lithium cell 1 side, and a charge input to the input terminal 30 A switch element 31 serving as power limiting means for limiting the electric power Pc to a value lower than the boundary value Pmax of the safe operation region and outputting it to the output terminal 37, and a charging power control means 32 (switching element 41, switching control means 43) are provided. ing.

本発明は、リチウムセル１の発煙，発火に至るプロセスがリチウムセル１に注入される充電電力Ｐｃに依存して進行することに着目してなされたものであり、この充電電力Ｐｃを、リチウムセル１を安全に使用するための安全動作領域の境界値Ｐｍａｘ内に制限することにより、如何なる状態においても安全にリチウムセル１を動作させることができる。従って、リチウムセル１に注入されるエネルギー量を制限することにより、リチウムセル１の発煙，発火を未然に防ぐことが可能となり、発煙，発火のない安全な電池パック10を提供できる。   The present invention has been made by paying attention to the fact that the process leading to smoke and ignition of the lithium cell 1 proceeds depending on the charging power Pc injected into the lithium cell 1, and this charging power Pc is used as the lithium cell 1. By limiting 1 within the boundary value Pmax of the safe operation region for safe use, the lithium cell 1 can be operated safely in any state. Therefore, by restricting the amount of energy injected into the lithium cell 1, it is possible to prevent the lithium cell 1 from smoking and igniting, and to provide a safe battery pack 10 free from smoking and ignition.

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、ラミネート型リチウム電池パック，ラミネート型リチウム電池充電器，ラミネート型リチウム電池を備えた電源装置，ＵＰＳなどに適用可能である。   In addition, this invention is not limited to the said Example, It can change in the range which does not deviate from the meaning of this invention. For example, the present invention can be applied to a laminated lithium battery pack, a laminated lithium battery charger, a power supply device including a laminated lithium battery, a UPS, and the like.

本発明の第１実施例における二次電池の安全保護方法及び安全保護装置を組み込んだ二次電池パックの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the secondary battery pack incorporating the safety protection method and safety protection apparatus of the secondary battery in 1st Example of this invention. 同上、二次電池パックの別の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows another structure of a secondary battery pack same as the above. 同上、二次電池パックである単セルパックの斜視図である。It is a perspective view of the single cell pack which is a secondary battery pack same as the above. 同上、二次電池パックである組セルパックの斜視図である。It is a perspective view of the assembled cell pack which is a secondary battery pack same as the above. 同上、二次電池パックである組セルパックの変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification of the assembled cell pack which is a secondary battery pack same as the above. 同上、二次電池の安全保護装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows a structure of the safety protection apparatus of a secondary battery same as the above. 同上、二次電池の安全保護装置をＤＣ／ＤＣコンバータで構成した場合の回路図である。It is a circuit diagram at the time of comprising a secondary battery safety protection device with a DC / DC converter. ラミネート型リチウムイオン電池の内部構成を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the internal structure of a laminate type lithium ion battery. ラミネート型リチウムイオン電池の発煙，発火に至るメカニズムを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mechanism leading to the smoke generation and ignition of a laminate type lithium ion battery. 従来例における二次電池パックの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the secondary battery pack in a prior art example.

１ リチウムセル（二次電池）
12 充電器（充電電源）
20 電力制限回路（安全保護装置）
30 入力端子
31 スイッチ素子（電力制限手段）
32 充電電力制御手段（電力制限手段）
37 出力端子
41 スイッチング素子（電力制限手段）
43 スイッチング制御手段（電力制限手段） 1 Lithium cell (secondary battery)
12 Battery charger (charging power supply)
20 Power limit circuit (safety protection device)
30 input terminals
31 Switch element (power limiting means)
32 Charging power control means (power limiting means)
37 Output terminal
41 Switching element (power limiting means)
43 Switching control means (power limiting means)

Claims (2)

一乃至複数のセルからなる二次電池の安全保護方法であって、
前記セルを安全に使用するための安全動作領域の境界値である絶対最大定格損失よりも、充電時に前記セルに注入される単位時間あたりのエネルギー量である充電電力を、低い値に制限して二次電池に注入し、
前記絶対最大定格損失Ｐｍａｘは、前記セル内部のセパレータの溶解温度を絶対最大定格温度Ｔｍａｘとし、周囲温度をＴａとし、セル表面温度と周囲温度の熱抵抗をθ c-a とし、セル中心部とセル表面温度の熱抵抗をθ J-c としたときにＰｍａｘ＝（Ｔｍａｘ−Ｔａ）／（θ c-a ＋θ J-c ）となることを特徴とする二次電池の安全保護方法。 A method for protecting a secondary battery comprising one or more cells,
Than the absolute maximum rating loss is a boundary value of the safe operating area for the safe use of the cell, the charging power is the energy per unit time to be injected into the cell during charging, is limited to a low value Injected into the secondary battery ,
The absolute maximum rated loss Pmax is the melting temperature of the separator inside the cell is the absolute maximum rated temperature Tmax, the ambient temperature is Ta, the cell surface temperature and the thermal resistance of the ambient temperature are θ ca , the cell center and the cell surface A safety protection method for a secondary battery, wherein Pmax = (Tmax−Ta) / (θ ca + θ Jc ) when the thermal resistance of temperature is θ Jc . 一乃至複数のセルからなる二次電池の安全保護装置であって、
二次電池へ充電電力を供給する充電電源側に接続される入力端子と、
二次電池側に接続される出力端子と、
前記セルを安全に使用するための安全動作領域の境界値である絶対最大定格損失よりも、前記入力端子に入力された充電時に前記セルに注入される単位時間あたりのエネルギー量である前記充電電力を、低い値に制限して前記出力端子に出力する電力制限手段とを備え、
前記絶対最大定格損失Ｐｍａｘは、前記セル内部のセパレータの溶解温度を絶対最大定格温度Ｔｍａｘとし、周囲温度をＴａとし、セル表面温度と周囲温度の熱抵抗をθ c-a とし、セル中心部とセル表面温度の熱抵抗をθ J-c としたときにＰｍａｘ＝（Ｔｍａｘ−Ｔａ）／（θ c-a ＋θ J-c ）となることを特徴とする二次電池の安全保護装置。
 A secondary battery safety protection device comprising one or more cells,
An input terminal connected to the charging power supply side for supplying charging power to the secondary battery;
An output terminal connected to the secondary battery side;
The charging power, which is the amount of energy per unit time injected into the cell when charging is input to the input terminal, rather than the absolute maximum rated loss, which is a boundary value of a safe operation area for safely using the cell. Power limiting means for limiting to a low value and outputting to the output terminal ,
The absolute maximum rated loss Pmax is the melting temperature of the separator inside the cell is the absolute maximum rated temperature Tmax, the ambient temperature is Ta, the cell surface temperature and the thermal resistance of the ambient temperature are θ ca , the cell center and the cell surface A safety protection device for a secondary battery , wherein Pmax = (Tmax−Ta) / (θ ca + θ Jc ) when the thermal resistance of temperature is θ Jc .
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