JP5663053B2 - 二次電池の保護装置 - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池の保護装置に関し、より詳しくは、二次電池が外部環境の変化、外部の衝撃、内部の欠陥、過充電などにより、作動範囲以上の高温に露出される場合、電池を安全な状態に放電させることで、二次電池の膨張、発火、爆発が発生しないように保護する二次電池の保護装置に関する。
一般に、電池は、化学電池及び物理電池に大別される。化学電池は、一次電池、二次電池及び燃料電池に分けられる。二次電池としては、ニッケル／カドミウム(Ｎｉ−Ｃｄ)二次電池、ニッケル／水素(Ｎｉ−Ｍｈ)二次電池、密閉形鉛(ＳＬＡ)二次電池、リチウム(Ｌｉ)イオン二次電池、リチウム(Ｌｉ)−重合体二次電池及び再使用アルカリ(Reusable alkaline)二次電池などが挙げられる。
特に、リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度、低温特性、蓄積性等のような安定した特性を持つ有機電解質電池類であって、携帯用コンピュータのバッテリーとして幅広く用いられている。ここで、エネルギー密度とは、エネルギーの充電程度を示すもので、容量を体積や重さに分けた値をいう。
ところが、リチウムイオン二次電池は、ユーザーの不注意等により、作動範囲以上の高温環境、例えば、夏期の自動車内、サウナ、電気カーペット、オーブンなどに露出される恐れがあり、また、電池の内部ショット、過充電などにより自体的に温度が上昇する恐れもある。
リチウムイオン二次電池が一定温度以上の高温に露出されたり、自体発熱により温度が上昇する場合、リチウムイオン二次電池の膨張や発火や爆発が発生し得る。
従来には、単純に、過充電に基づく発熱によるリチウムイオン二次電池の損傷を防止するために、リチウムイオン二次電池の発熱により抵抗値が増加するＰＴＣ(Positive Temperature Coefficiency)レジスタをリチウムイオン二次電池に直列連結した。
ＰＴＣレジスタは、リチウムイオン二次電池が過熱されると、リチウムイオン二次電池への電流の流れを抑制し、電池がこれ以上充電されるのを防止した。
しかしながら、前述したリチウムイオン二次電池は、過充電だけでなく、外部環境の変化、内部の短絡、外部の衝撃などにより発熱することができ、高温環境に露出される場合にも発熱することができる。よって、リチウムイオン二次電池は、高温環境に露出されたり充電状態で発熱する場合、ガス生成による 膨張が発生し易く、さらに爆発や発火が発生するという問題があった。
よって、従来には、外部環境の変化、内部の短絡、外部の衝撃などにより、リチウムイオン二次電池が発熱したり高温環境に露出される場合、リチウムイオン二次電池を保護できる技術の開発が切実に要望された。
よって、本発明の目的は、リチウムイオン二次電池が発熱したり高温環境に露出される場合、リチウムイオン二次電池を放電させる二次電池の保護装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、リチウムイオン二次電池が発熱したり高温環境に露出される場合、ＮＴＣ(Negative Temperature Coefficient)サーミスタやＭＩＴ(Metal Insulator Transition)サーミスタ及びスイッチング素子からなる簡素な二次電池の保護装置により、リチウムイオン二次電池を保護できる二次電池の保護装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、リチウムイオン二次電池が発熱したり高温環境に露出される場合、ＮＴＣサーミスタやＭＩＴサーミスタ及びサイリスタからなる簡素な二次電池の保護装置により、リチウムイオン二次電池を保護できる二次電池の保護装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明による二次電池の保護装置は、二次電池の温度を感知し、前記感知された温度によって制御電流を生成する温度センサーと、前記制御電流によって前記二次電池の両端を連結し、前記二次電池を強制放電させるスイッチング素子とを備えることを特徴とする。
特に、前記二次電池の保護装置は、前記二次電池の陰極及び陽極に連結しており、制御電流が提供されると前記二次電池の両極を連結するスイッチング素子と、前記二次電池の温度を感知し、前記感知された温度が所定の温度以上であると、前記制御電流を前記スイッチング素子に供給する温度センサーとを含むことを特徴とする。
また、前記温度センサーは、ＮＴＣサーミスタ又はＭＩＴサーミスタであることを特徴とする。
また、本発明による二次電池の保護装置は、アノード及びカソードが二次電池の両端に各々連結しており、ゲート電流が提供されると前記二次電池の両極を短絡させるサイリスタと、前記二次電池の温度を感知し、前記感知された温度が所定の温度以上であると、前記ゲート電流を前記サイリスタに供給する温度センサーとを含むことを特徴とする。
特に、前記温度センサーは、ＮＴＣサーミスタ又はＭＩＴサーミスタであることを特徴とし、前記サイリスタは、ＳＣＲ、Ｎ型サイリスタ、デュアルゲートサイリスタ、双方向サイリスタ及びＧＴＯサイリスタの何れか一つであることを特徴とする
本発明は、リチウムイオン二次電池に二次電池の保護装置を並列に連結し、前記リチウムイオン二次電池が発熱したり高温環境に露出される場合、前記リチウムイオン二次電池を強制放電させることで、前記リチウムイオン二次電池の電解液を安定化させて発火や爆発等を予防できる。
本発明は、リチウムイオン二次電池が発熱したり高温環境に露出される場合、リチウムイオン二次電池を放電させることで、発火や爆発等の危険からリチウムイオン二次電池及びユーザーを保護できる。
さらに、本発明は、リチウムイオン二次電池に充電電流の供給を制限して発熱を中止させるものでなく、リチウムイオン二次電池が発熱したり高温環境に露出される場合に、リチウムイオン二次電池を放電させることで、充電状態のリチウムイオン二次電池が発熱したり高温環境に露出される場合にも、リチウムイオン二次電池の爆発や発火を制限できる。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
本発明の好適な第１の実施例による二次電池保護装置を、図１を参照して説明する。
リチウムイオン二次電池１００及び二次電池の保護装置１０２は並列連結しており、二次電池の保護装置１０２は、ＮＴＣサーミスタ１０４及び第１のトランジスタ１０６からなる。ＮＴＣサーミスタ１０４は、リチウムイオン二次電池１００の陽(＋)極と第１のトランジスタ１０６のベース端子との間に連結しており、第１のトランジスタ１０６のエミッタ端子及びコレクタ端子は、リチウムイオン二次電池１００の両端と各々連結している。
ＮＴＣサーミスタ１０４は、高い安全性、生産性及び抵抗率、温度計数を持つサーミスタであって、電気抵抗の温度計数が金属に比べて５〜１０倍も高くて、容易に多様な形状に加工できる。こうしたＮＴＣサーミスタ１０４は、主に温度感知、温度補償、液位検出、風速検出、真空検出、突入電流防止、遅延素子などに用いられ、現在の温度センサーとして最も広く用いられている。
ＮＴＣサーミスタ１０４の特性を、図２を参照して詳細に説明する。ＮＴＣサーミスタ１０４は、温度の上昇によって抵抗が減少し、抵抗減少の程度は当該ＮＴＣサーミスタ１０４の抵抗計数による。すなわち、ＮＴＣサーミスタ１０４は、素子(Ｒ１０Ｋ３０００、Ｒ１０Ｋ４０００、Ｒ１０Ｋ８０００)によって抵抗計数が異なるため、温度上昇による抵抗減少の程度も異なる。よって、本発明により所定の温度で第１のトランジスタ１０６を導通させるには、多様な種類のＮＴＣサーミスタの何れか一つが選択されたり、抵抗などを組合わせた電圧分配回路が付加され得る。
図１では、スイッチング素子としてＰＮＰトランジスタを第１のトランジスタ１０６として採用した例を挙げたが、所定の制御信号によって短絡されたり開放される多様なスイッチング素子を採用することができる。すなわち、ＰＮＰトランジスタだけでなく、ＮＰＮトランジスタなどが図１の第１のトランジスタ１０６に代替できることは当業者に自明である。
以下、本発明の好適な第１の実施例による二次電池の保護装置の動作を、図３を参照して説明する。
外部環境の変化、内部の短絡及び外部の衝撃等により、リチウムイオン二次電池１００が発熱したり高温環境に露出されることは、ＮＴＣサーミスタ１０４により感知される。すなわち、ＮＴＣサーミスタ１０４は、リチウムイオン二次電池１００が所定の温度に発熱して、ＮＴＣサーミスタ１０４の抵抗値が所定の抵抗値に減少すれば、リチウムイオン二次電池１００からの制御電流(Ｉ１)を第１のトランジスタ１０６のベース端子に供給する。第１のトランジスタ１０６は、ＮＴＣサーミスタ１０４を介して流入される制御電流(Ｉ１)によって導通する。
第１のトランジスタ１０６の導通により、リチウムイオン二次電池１００の両端は短絡され、リチウムイオン二次電池１００の電流(Ｉ２)は第１のトランジスタ１０６を介して流れる。これにより、リチウムイオン二次電池１００は強制放電される。
前述したように、本発明の好適な第１の実施例は、ＮＴＣサーミスタ１０４及び第１のトランジスタ１０６からなる簡素な構造の二次電池の保護装置１０２を介して、内部の短絡や外部の衝撃等によりリチウムイオン二次電池１００が発熱したり高温環境に露出されて発生し得る発火や爆発を制限できる。
以下、本発明の好適な第２の実施例を、図４を参照して説明する。
リチウムイオン二次電池２００及び二次電池の保護装置２０２は並列連結しており、二次電池の保護装置２０２は、ＭＩＴサーミスタ２０４及び第２のトランジスタ２０６からなる。ＭＩＴサーミスタ２０４は、リチウムイオン二次電池２００の陽(＋)極と第２のトランジスタ２０６のベース端子との間に連結しており、第２のトランジスタ２０６のエミッタ端子及びコレクタ端子は、リチウムイオン二次電池２００の両端と各々連結している。
ＭＩＴサーミスタ２０４の特性を、図５を参照して詳細に説明する。ＭＩＴサーミスタ２０４は、所定の温度で抵抗が急激に減少し、抵抗減少の地点は当該ＭＩＴサーミスタ２０４の抵抗計数による。すなわち、ＭＩＴサーミスタ２０４は、素子によって抵抗計数が異なるため、抵抗が急激に減少する温度も異なる。よって、本発明により所定の温度で第２のトランジスタ２０６を導通させるには、多様な種類のＭＩＴサーミスタの何れか一つが選択され得る。
図４では、スイッチング素子としてＰＮＰトランジスタを第２のトランジスタ２０６として採用した例を挙げたが、所定の制御信号によって短絡されたり開放される多様なスイッチング素子を採用することができる。すなわち、ＰＮＰトランジスタだけでなく、ＮＰＮトランジスタなどが図４の第２のトランジスタ２０６に代替できることは当業者に自明である。
以下、本発明の好適な第２の実施例による二次電池の保護装置の動作を、図６を参照して説明する。
内部の短絡や外部の衝撃等により、リチウムイオン二次電池２００が発熱したり高温環境に露出されることは、ＭＩＴサーミスタ２０４により感知される。すなわち、ＭＩＴサーミスタ２０４は、リチウムイオン二次電池２００が所定の温度に発熱して、ＭＩＴサーミスタ２０４の抵抗値が所定の抵抗値に減少すれば、リチウムイオン二次電池２００からの制御電流(Ｉ３)を第２のトランジスタ２０６のベース端子に供給する。第２のトランジスタ２０６は、ＭＩＴサーミスタ２０４を介して流入される制御電流(Ｉ３)によって導通する。
第２のトランジスタ２０６の導通により、リチウムイオン二次電池２００の 陰(−)極及び陽(＋)極は短絡され、リチウムイオン二次電池２００の電流(Ｉ４)は第２のトランジスタ２０６を介して流れる。これにより、リチウムイオン二次電池２００は強制放電される。
前述したように、本発明の好適な第２の実施例は、ＭＩＴサーミスタ２０４及び第２のトランジスタ２０６からなる簡素な構造の二次電池の保護装置２０２を介して、内部の短絡や外部の衝撃等によりリチウムイオン二次電池２００が発熱したり高温環境に露出されて発生し得る発火や爆発を制限できる。
以下、本発明の好適な第３の実施例による二次電池の保護装置を、図７を参照して説明する。
リチウムイオン二次電池３００及び二次電池の保護装置３０２は並列連結しており、二次電池の保護装置３０２は、ＮＴＣサーミスタ３０４及び第１のサイリスタ３０６からなる。ＮＴＣサーミスタ３０４は、リチウムイオン二次電池３００の陽(＋)極と第１のサイリスタ３０６のゲート端子との間に連結しており、第１のサイリスタ３０６のアノード端子及びカソード端子は、リチウムイオン二次電池３００の陽極及び陰極に各々連結している。
ＮＴＣサーミスタ３０４は、高い安全性、生産性及び抵抗率、温度計数を持つサーミスタであって、電気抵抗の温度計数が金属に比べて５〜１０倍も高くて、容易に多様な形状に加工できる。こうしたＮＴＣサーミスタ３０４は、主に温度感知、温度補償、液位検出、風速検出、真空検出、突入電流防止、遅延素子などに用いられ、現在の温度センサーとして最も広く用いられている。
ＮＴＣサーミスタ３０４の特性を、図２を参照して詳細に説明する。ＮＴＣサーミスタ３０４は、温度の上昇によって抵抗が減少し、抵抗減少の程度は当該ＮＴＣサーミスタ３０４の抵抗計数による。すなわち、ＮＴＣサーミスタ３０４は、素子(Ｒ１０Ｋ３０００、Ｒ１０Ｋ４０００、Ｒ１０Ｋ８０００)によって抵抗計数が異なるため、温度上昇による抵抗減少の程度も異なる。よって、本発明により所定の温度で第１のサイリスタ３０６を導通させるには、多様な種類のＮＴＣサーミスタの何れか一つが選択されたり、抵抗などを組合わせた電圧分配回路が付加され得る。
第１のサイリスタ３０６は、シリコン制御整流器(silicon controlled rectifier:SCR)とも称し、アノード、カソード、ゲートの３つの端子に備え、ゲート信号が印加されると、アノードとカソードとの間に電流が流れ、ゲート信号がないと、陽極と陰極との間に電流が流れることなく高電圧を維持する。こうした第１のサイリスタ３０６は、Ｐ−Ｎ−Ｐ−Ｎの４層構造を有し、６０００[Ｖ]以上の電圧に耐えることができ、３,０００[Ａ]以上の電流を制御できる。
ここで、第１のサイリスタ３０６の特性を示す図８を参照すれば、第１のサイリスタ３０６に所定のゲート電流(Ｉｇ)が印加される場合、導通してアノードとカソードとの間に電流(Ｉａ)が流れる。
また、図７には、スイッチング素子として第１のサイリスタ３０６を採用した例を挙げたが、所定の制御信号によって短絡されたり開放される多様なスイッチング素子を採用することができる。例えば、Ｎ型サイリスタ(N-Type Thyristor)、デュアルゲートサイリスタ、双方向サイリスタ(ＴＲＩＡＣ)、ＧＴＯサイリスタ(gate turn off Thyristor)などがスイッチング素子として採用できることは当業者に自明である。
以下、本発明の好適な第３の実施例による二次電池の保護装置３０２の動作を、図９及び図１０を参照して説明する。
外部環境の変化、内部の短絡及び外部の衝撃等により、リチウムイオン二次電池３００が発熱したり高温環境に露出されることは、ＮＴＣサーミスタ３０４により感知される。すなわち、ＮＴＣサーミスタ３０４は、リチウムイオン二次電池３００が所定の温度に発熱して、ＮＴＣサーミスタ３０４の抵抗値が所定の抵抗値に減少すれば、リチウムイオン二次電池３００からの電流(Ｉ１)をゲート電流として第１のサイリスタ３０６のゲート端子に供給する。第１のサイリスタ３０６は、ＮＴＣサーミスタ３０４を介して流入されるゲート電流(Ｉ１)によって導通する。
第１のサイリスタ３０６の導通により、リチウムイオン二次電池３００の両端は短絡され、リチウムイオン二次電池３００の電流(Ｉ２)は第１のサイリスタ３０６を介して流れる。これにより、リチウムイオン二次電池３００は強制放電される。
前述したように、本発明の好適な第３の実施例は、ＮＴＣサーミスタ３０４及び第１のサイリスタ３０６からなる簡素な構造の二次電池の保護装置３０２を介して、内部の短絡や外部の衝撃等によりリチウムイオン二次電池３００が発熱したり高温環境に露出されて発生し得る発火や爆発を制限できる。
以下、本発明の好適な第４の実施例を、図１１を参照して説明する。
リチウムイオン二次電池４００及び二次電池の保護装置４０２は並列連結しており、二次電池の保護装置４０２は、ＭＩＴサーミスタ４０４及び第２のサイリスタ４０６からなる。ＭＩＴサーミスタ４０４は、リチウムイオン二次電池４００の陽(＋)極と第２のサイリスタ４０６のゲート端子との間に連結しており、第２のサイリスタ４０６のアノード端子及びカソード端子は、リチウムイオン二次電池４００の陽極及び陰極と各々連結している。
ＭＩＴサーミスタ４０４の特性を、図５を参照して詳細に説明する。ＭＩＴサーミスタ４０４は、所定の温度で抵抗が急激に減少し、抵抗減少の地点は当該ＭＩＴサーミスタ４０４の抵抗計数による。すなわち、ＭＩＴサーミスタ４０４は、素子によって抵抗計数が異なるため、抵抗が急激に減少する温度も異なる。よって、本発明により所定の温度で第２のサイリスタ４０６を導通させるには、多様な種類のＭＩＴサーミスタの何れか一つが選択され得る。
図１１では、スイッチング素子として第２のサイリスタ４０６を採用した例を挙げたが、所定の制御電流によって短絡されたり開放される多様なスイッチング素子を採用することも、当業者に自明である。
以下、本発明の好適な第４の実施例による二次電池の保護装置４０２の動作を、図１２及び図１３を参照して説明する。
外部環境の変化、内部の短絡及び外部の衝撃等により、リチウムイオン二次電池４００が発熱したり高温環境に露出されることは、ＭＩＴサーミスタ４０４により感知される。すなわち、ＭＩＴサーミスタ４０４は、リチウムイオン二次電池４００が所定の温度に発熱して、ＭＩＴサーミスタ４０４の抵抗値が所定の抵抗値に減少すれば、リチウムイオン二次電池４００からの電流(Ｉ３)をゲート電流として第２のサイリスタ４０６のゲート端子に供給する。第２のサイリスタ４０６は、ＭＩＴサーミスタ４０４を介して流入されるゲート電流(Ｉ３)によって導通する。
第２のサイリスタ４０６の導通により、リチウムイオン二次電池４００の両端は短絡され、リチウムイオン二次電池４００の電流(Ｉ４)は第２のサイリスタ４０６を介して流れる。これにより、リチウムイオン二次電池４００は強制放電される。
前述したように、本発明の好適な第４の実施例は、ＭＩＴサーミスタ４０４及び第２のサイリスタ４０６からなる簡素な構造の二次電池の保護装置４０２を介して、内部の短絡や外部の衝撃等によりリチウムイオン二次電池４００が発熱したり高温環境に露出されて発生し得る発火や爆発を制限できる。
なお、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で多様に変形・実施が可能である。よって、本発明の範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。
本発明の好適な第１の実施例による二次電池の保護装置の回路図である。 ＮＴＣの特性曲線を示す図である。 図１の二次電池の保護装置の電流の流れを示す図である。 本発明の好適な第２の実施例による二次電池の保護装置の回路図である。 ＭＩＴの特性曲線を示す図である。 図４の二次電池の保護装置の電流の流れを示す図である。 本発明の好適な第３の実施例による二次電池の保護装置の回路図である。 第１のサイリスタの特性曲線を示す図である。 図７の二次電池の保護装置の電流の流れを示す図である。 図７の二次電池の保護装置の電流の流れを示す図である。 本発明の好適な第４の実施例による二次電池の保護装置の回路図である。 図１１の二次電池の保護装置の電流の流れを示す図である。 図１１の二次電池の保護装置の電流の流れを示す図である。

Claims (3)

  1. 二次電池の保護装置であって、
    アノード及びカソードの各々が二次電池の両端に直接連結しており、
    ゲート電流が提供されると前記二次電池の両端を短絡させるサイリスタと、
    前記二次電池の温度を感知し、前記感知された温度が所定の温度以上であると、前記ゲート電流を前記サイリスタに供給する温度センサーとを含み、
    前記サイリスタは、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、Ｎ型サイリスタ、デュアルゲートサイリスタ、双方向サイリスタ（ＴＲＩＡＣ）、及びＧＴＯサイリスタの何れか一つであり、
    前記温度センサーは、一端が前記二次電池の陽極に連結しており、他端が前記サイリスタのゲート端子に連結しているサーミスタであることを特徴とする、二次電池の保護装置。
  2. 前記温度センサーが、ＮＴＣサーミスタ又はＭＩＴサーミスタであることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の保護装置。
  3. 請求項１または２に記載の二次電池の保護装置を備えてなることを特徴とする、二次電池。
JP2013086000A 2005-07-20 2013-04-16 二次電池の保護装置 Active JP5663053B2 (ja)

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