JP6291287B2

JP6291287B2 - 電池モジュール

Info

Publication number: JP6291287B2
Application number: JP2014039967A
Authority: JP
Inventors: 門田　行生; 行生門田; 久保田　雅之; 雅之久保田; 孝司森本; 正博戸原; 麻美水谷; 小林　武則; 武則小林
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: JP2015165735A

Description

本発明は充電可能な複数の電池を組合せて構成された電池モジュールに関する。

従来より、充電可能な二次電池は、パーソナルコンピュータや家庭用ビデオカメラ、可搬式オーディオ機器等数多くの電気製品に使用されてきた。これらの機器に使用される充電可能な二次電池は、電圧を上昇させるために直列に接続され、容量を増やすために並列に接続され一つのパッケージに収納され電池モジュールを構成している。

これらの電池モジュールは、電池短絡時に溶断する電流ヒューズを電池モジュール内部に具備している。（例えば特許文献１）

特開２０１０−２７２６１号公報（第７頁、図１）

パーソナルコンピュータや家庭用ビデオカメラ、可搬式オーディオ機器等の電気製品に使用される充電可能な二次電池は、多くの場合直流５Ｖや１２Ｖの比較的低い出力電圧を有するものであった。しかし近年、交流１００Ｖや２００Ｖまたはそれ以上の交流電源発生用に充電可能な二次電池が使用されるようになってきた。また電気自動車や、ハイブリッド自動車の電源としても充電可能な二次電池が使用されるようになってきた。これらの機器に使用される二次電池は、高い出力電圧が必要とされ、多数の充電可能な二次電池が、直列および並列に接続され電池モジュールを構成している。

多数の直列、並列に接続された充電可能な二次電池を充電する場合、電池モジュールを構成する充電可能な二次電池の充電が同時に完了するわけではない。電池モジュール全体として充電を行った場合、一部の二次電池の充電が完了している状態で、残りの二次電池の充電が継続されてしまう場合がある。この場合、二次電池が過充電となり、発熱を伴い大変危険である。昨今、電池モジュール内部に短絡電流等の過電流発生時に溶断するヒューズが設けられている場合が多いが、当該ヒューズは二次電池の過充電時には機能せず、過充電時に充電電流を遮断する保護手段は設けられていなかった。

本発明は、二次電池の過充電による破壊や劣化を防止または軽減することができる電池モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による電池モジュールは、電気的に直列に接続された複数の二次電池と、前記複数の二次電池に電気的に直列に接続されたヒューズと、前記複数の二次電池に接続され、過充電にかかる電圧を検出する電圧検出手段と、閉状態となった時に、前記複数の二次電池からの電流を前記ヒューズに流すように接続され、前記電圧検出手段により過電圧が検出された場合に、閉状態となるように制御される開閉手段と、前記開閉手段に電気的に直列接続されたコンデンサとを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、二次電池の過充電による劣化や破壊を防止または軽減することができる電池モジュールを提供することができる。

実施例１にかかる電池モジュールの構成を示す図実施例２にかかる電池モジュールの構成を示す図実施例３にかかる電池モジュールの構成を示す図実施例４にかかる電池モジュールの構成を示す図実施例４にかかる電池モジュールの変形例を示す図

以下、本発明の実施例を説明する。

本発明による電池モジュールの実施例１につき、図１を参照して説明する。図１は本発明による電池モジュールの実施例１を示す構成図である。実施例１の電池モジュールは、端子１０１、端子１０２、二次電池１０３、二次電池１０４、電流ヒューズ１０５、電圧検出部１０６、電圧検出部１０７、駆動部１０８、開閉部１０９により構成されている。

端子１０１、端子１０２は、銅等の金属により端子やプリント基板上のコネクタとしてからなる電気接点として構成されており、電池モジュール１００と外部回路との電気的接続を行う。端子１０１は電池モジュール１００の正極端子を、端子１０２は電池モジュール１００の負極端子を構成している。

二次電池１０３、二次電池１０４は、リチウム二次電池やニッカド電池のような充電可能な電池であり、一個もしくは少数の電池が直列または並列に接続され構成されている。二次電池１０３と二次電池１０４は、後述するヒューズ１０５を介し直列に電気的に接続されている。また、二次電池１０３の正極は端子１０１に、二次電池１０４の負極は端子１０２に接続されている。

ヒューズ１０５は、高温の温度により溶解する特性を有する金属により構成されており、二次電池１０３と二次電池１０４の間に直列に接続されている。ヒューズ１０５は、二次電池１０３及び二次電池１０４に過電流が流された場合、その電流により発生される温度により溶解し、二次電池１０３、二次電池１０４の電気的接続を断つ。なお、ヒューズ１０５は、二次電池１０３と二次電池１０４と電気的に直列に接続されていればよく、二次電池１０３と二次電池１０４の間に配置されていなくてもよい。

電圧検出部１０６、電圧検出部１０７は電圧コンパレータ回路等により構成されており、電圧検出部１０６は二次電池１０３の電圧が、電圧検出部１０７は二次電池１０４の電圧が、設定された一定の電圧より高くなった場合、検出信号を送出する。

駆動部１０８は、電圧検出部１０６または電圧検出部１０７から出力された電圧検出信号を受信し、後述する開閉部１０９を閉とするように制御を行う。

開閉部１０９は電流を遮断・導通するＦＥＴ等の半導体からなるスイッチやリレー回路により構成されており、駆動部１０９からの制御信号により、開閉を制御される。

次に、本実施例の動作について図１を参照しつつ説明する。

図１における二次電池１０３並びに二次電池１０４は、製造時の個体差や、経年劣化状況の差、残存蓄電容量の差等のため、充電可能な電荷量が異なる。二次電池１０３並びに二次電池１０４は電気的に直列に接続されており、当該電池を充電する場合は、外部電源の正極側を端子１０１に、外部電源の負極側を端子１０２に接続し、ヒューズ１０５を介し直列接続された二次電池１０３、二次電池１０４を同時に充電する。しかしながら、二次電池１０３並びに二次電池１０４の充電可能な容量は、前述の原因により必ずしも同等ではない。

従って、直列接続された二次電池１０３並びに二次電池１０４の充電を行った場合、一方の二次電池の充電が他方の二次電池の充電より早く完了することになる。例えば二次電池１０３の充電できる電荷容量が二次電池１０４に比べ少ない場合、二次電池１０３の充電は、二次電池１０４の充電より早く完了する。

ここで二次電池１０３の充電が完了したにもかかわらず、二次電池１０４の充電が完了していない場合、電池モジュール１００全体としての充電が完了していないと判断され、端子１０１、端子１０２を用い充電電流が継続して供給された場合、二次電池１０３は過充電となり発熱し危険である。ヒューズ１０５が設けられているが、ヒューズ１０５は過電流による発熱により溶断する機能を有するが、二次電池１０３が過充電となっても、過電流は流れないためヒューズ１０５自体は発熱せず、ヒューズ１０５は溶断しない。

二次電池１０３並びに二次電池１０４には、二次電池の両極間の電圧を検出する電圧検出部１０６並びに電圧検出部１０７がそれぞれ設けられている。

過充電となった二次電池１０３は、電圧が上昇する。電圧検出部１０６は予め設定された一定の電圧より二次電池１０３の電圧が上昇したことを検出し、検出信号を駆動部１０８に出力する。

当該検出信号を受信した駆動部１０８は、開閉部１０９を閉状態とするように開閉部１０９を制御する。

開閉部１０９が閉状態になると、ヒューズ１０５を介し直列に接続された二次電池１０３並びに二次電池１０４は、開閉部１０９を介し電流を放電する。当該電流は、ヒューズ１０５にも流れる。当該電流は大きな電流となるため、ヒューズ１０５は発熱し溶断する。その結果、二次電池１０３と二次電池１０４の電気的な直列接続は切断され、二次電池１０３並びに二次電池１０４への充電は中断される。このようにして、二次電池１０３並びに二次電池１０４は過充電による劣化や破壊から守られる。

本実施例によれば、二次電池の過充電による破壊や劣化を防止または軽減することができる電池モジュールを提供することができる。

本実施例を用いれば、電池モジュール内部の二次電池が過充電となった場合に、開閉部１０９が閉状態となり電流が流れ、同時にヒューズ１０５にも電流が流れヒューズ１０５が発熱し溶断するため、充電電流が遮断され二次電池への過充電を停止することができる。

以上のように本発明を用いれば、二次電池の過充電による破壊や劣化を防止または軽減することができる電池モジュールを提供することができる。

本発明による電池モジュールの実施例２について図２を参照して説明する。なお、この実施例２の各部について図１に示す実施例１の電池モジュールの各部と同一部分は同一符号で示す。
この実施例２が実施例１と相違する点は、実施例１では開閉部１０９が、二次電池１０３の正極と二次電池１０４の負極に直接接続されていたのに対し、実施例２では、開閉部１０９が抵抗器２０１を介して、二次電池１０３の正極と二次電池１０４の負極に接続されている点である。

本実施例のヒューズ１０５の溶断に至るまでの動作は実施例１と同様である。

抵抗器２０１は、開閉部１０９が閉状態となった場合に、開閉機１０９に流れる電流を制限する。これにより、二次電池１０３、二次電池１０４、開閉部１０９を過大な電流から保護することが可能である。

なお、抵抗器２０１の抵抗値は、二次電池１０４、ヒューズ１０５、二次電池１０３、開閉部１０９、抵抗器２０１からなる回路に流れる電流にて、ヒューズ１０５が溶断するような電流値となるようにあらかじめ設定されるものとする。

本実施例を用いれば、開閉部１０９が閉状態となった場合に、開閉部１０９に流れる電流が制限される。これにより、二次電池１０３、二次電池１０４、開閉部１０９は過大な電流から保護されることが可能となる。

本発明による電池モジュールの実施例３について図３を参照して説明する。なお、この実施例３の各部について図１に示す実施例１の電池モジュールの各部と同一部分は同一符号で示す。
この実施例３が実施例１と相違する点は、実施例１では開閉部１０９が、二次電池１０３の正極と二次電池１０４の負極に直接接続されていたのに対し、実施例３では、開閉部１０９がリアクトル３０１を介して、二次電池１０３の正極と二次電池１０４の負極に接続されている点である。

リアクトル３０１は、開閉部１０９が閉状態となった場合に、開閉機１０９に流れる突入電流を制限する。これにより、二次電池１０３、二次電池１０４、開閉部１０９を過大な突入電流から保護することが可能である。

本実施例を用いれば、開閉部１０９が閉状態となった場合に、開閉部１０９に流れる突入電流が制限される。これにより、二次電池１０３、二次電池１０４、開閉部１０９は過大な突入電流から保護されることが可能となる。

本発明による電池モジュールの実施例４について図４を参照して説明する。なお、この実施例４の各部について図１に示す実施例１の電池モジュールの各部と同一部分は同一符号で示す。
この実施例４が実施例１と相違する点は、実施例１では開閉部１０９が、二次電池１０３の正極と二次電池１０４の負極に直接接続されていたのに対し、実施例４では、開閉部１０９がコンデンサ４０１を介して、二次電池１０３の正極と二次電池１０４の負極に接続されている点である。

実施例１では、電池モジュール１００を充電するため、外部の充電装置（図中不示）にて端子１０１、端子１０２を介して充電電流を供給している場合、開閉部１０９が閉状態となり、その後にヒューズ１０５が溶断した後も、開閉部１０９が端子１０１、端子１０２に直接接続されているため、電流が流れ続けるという不都合があった。開閉部１０９の抵抗値は低いため、過大な電流となる場合がある。

実施例４では、電池モジュール１００内のヒューズ１０５が溶断した後に、外部の充電装置（図中不示）から端子１０１、端子１０２を介して供給される電流を軽減することを目的としている。

コンデンサ４０１は、開閉部１０９が閉状態となった場合に、開閉部１０９に流れる電流により電荷を蓄積する。当該電荷の蓄積動作は、端子１０１、端子１０２間の電圧と同電位になるまで継続する。コンデンサ４０１が端子１０１、端子１０２間の電圧と同電位になるまで充電されると、端子１０１、端子１０２間の電流は流れなくなる。これにより、電池モジュール１００内のヒューズ１０５が溶断した後に、外部の充電装置（図中不示）から端子１０１、端子１０２を介して供給される電流を軽減することができる。その結果、外部の充電装置を過大な電流や発熱から保護することが可能となる。

なお、コンデンサ４０１の容量は、二次電池１０４、ヒューズ１０５、二次電池１０３、開閉部１０９、コンデンサ４０１からなる回路に流れる電流にて、ヒューズ１０５が溶断するのに十分な時間、電流を流すことができる容量となるようにあらかじめ設定されるものとする。

本実施例を用いれば、開閉部１０９が閉状態となった場合に、開閉部１０９に電流が流れる時間が制限される。これにより、端子１０１、端子１０２に接続された外部の充電装置が過大な電流や発熱から保護されることが可能となる。なお図５に示すようにコンデンサ４０１に抵抗器２０１が直列に接続されるものとしてもよい。

１０１、１０２端子
１０３、１０４二次電池
１０５ヒューズ
１０６、１０７電圧検出部
１０８駆動部
１０９開閉部
２０１抵抗器
３０１リアクトル
４０１コンデンサ

Claims

電気的に直列に接続された複数の二次電池と、
前記複数の二次電池に電気的に直列に接続されたヒューズと、
前記複数の二次電池に接続され、過充電にかかる電圧を検出する電圧検出手段と、
閉状態となった時に、前記複数の二次電池からの電流を前記ヒューズに流すように接続さ
れ、前記電圧検出手段により過電圧が検出された場合に、閉状態となるように制御される
開閉手段と、
前記開閉手段に電気的に直列接続されたコンデンサと
を具備したことを特徴とする電池モジュール。
前記開閉手段は半導体スイッチであることを特徴とする請求項１記載の電池モジュール。
前記開閉手段に電気的に直列接続された抵抗器を具備したことを特徴とする請求項１または２に記載の電池モジュール。