(57)【要約】【課題】  電池のセルの過放電時においても、閉路動作が速やかに行われるバイパススイッチを提供することを目的とする。【解決手段】  電池のセルに対して並列に接続された一対の第１，第２の固定電極と、固定電極に対して垂直方向に変位可能なシャフトと、シャフトが変位した場合に垂直方向に加圧され固定電極と電気的に接続されてセルを短絡する可動電極と、シャフトに付勢されるとともに、断熱部材により挟まれた発熱性の半導体素子及び半田を設けた熱作動装置を設け、熱作動装置を固定電極に接続する。【選択図】      図１
2010257625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された電池のセル各々に対して並列に接続され、互いに間隙を有して配置された一対の第１，第２の固定電極と、
前記一対の第１，第２の固定電極に対して垂直方向に変位可能なシャフトと、
前記一対の第１，第２の固定電極のそれぞれに対して前記垂直方向に所定の間隙で配置され、前記シャフトが変位した場合に加圧装置により前記垂直方向に加圧されて、前記固定電極と電気的に接続し前記セルを短絡する可動電極と、
前記シャフトに付勢された第１の断熱部材と、第２の断熱部材と、前記第１、第２の断熱部材に挟まれた１つの発熱性の半導体素子及び半田と、前記第１の固定導体と前記半導体素子の一端側とを接続する第１の接続導体及び前記第２の固定導体と前記半導体素子の他端側とを接続する第２の接続導体と、を有し、前記半導体素子の発熱により前記シャフトを垂直方向に変位させる熱作動装置と、
を備えたバイパススイッチ。
【請求項２】
前記第１または第２の接続導体が、短絡電流により破断することを特徴とした請求項１記載のバイパススイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数のセルが接続された蓄電池において、故障によって高抵抗状態あるいは開路状態になったセルを短絡する機能を備えたバイパススイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数のセルが直列接続された蓄電池において、１つのセルが高抵抗状態あるいは開路状態になるといった故障の場合、蓄電池全体が使用不可能となる。
【０００３】
高抵抗状態あるいは開路状態になるという故障の場合の対応策として、各セルに熱作動装置を並列接続し、故障時の熱作動装置の発熱をトリガとして故障セルを短絡するバイパススイッチを設ける。このバイパススイッチとしては、軽量で蓄電電流を通電しているときに大きな電力を散逸しないことが好ましい。
【０００４】
従来、加圧装置の加圧力により一対の固定電極に対して垂直方向に変位する可動電極と、可動電極に加わる加圧力を、シャフトを介して受ける熱作動装置と、を備えたバイパススイッチが知られている。このバイパススイッチでは、一対の固定電極及び可動電極からなるスイッチ部と、ダイオード及び半田を有した熱作動装置との並列回路が形成される。そして、セルの異常時に、ダイオードに順電流による発熱で半田が溶融し、これに伴い加圧装置の加圧力によって熱作動装置が変位して、スイッチ部の固定電極が可動電極によって電気的に接続されることで、異常セルを短絡してバイパスする（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２５２８０４号公報（第４〜５頁、第１図）
【０００６】
特許文献１の熱作動装置の構成部品であるダイオードは、２個を直列配置即ち冗長構成を有することで、１個が短絡故障を生じても、セルに短絡電流が流れない構成となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
蓄電池において、セル過放電時にセル極性が反転し、セルが半故障状態に陥った場合においても、バイパススイッチが作動することが望まれている。しかしながら、特許文献１に開示されているような熱作動装置の構成にあっては、ダイオードの電圧降下が大きいため、ダイオード側に電流が流れず、バイパススイッチは作動しないことになる。
【０００８】
また、ダイオードに電流が流れたとしても、過放電時の放電電流値は小さく、ダイオードの発熱量も小さくなり、半田が融解点に達しない状況が想定される。
【０００９】
このような場合、セル過放電時にはバイパススイッチが作動しないまま過放電状態が続くととなり、半故障状態となったセルは抵抗体に変化し、高発熱状態が維持されることとなり、蓄電池性能の劣化が進むという問題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するものであり、過放電時においても閉路動作が速やかに行われるバイパススイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係るバイパススイッチは、直列に接続された電池のセル各々に対して並列に接続され、互いに間隙を有して配置された一対の第１，第２の固定電極と、前記一対の第１，第２の固定電極に対して垂直方向に変位可能なシャフトと、前記一対の第１，第２の固定電極のそれぞれに対して前記垂直方向に所定の間隙で配置され、前記シャフトが変位した場合に加圧装置により前記垂直方向に加圧されて、前記固定電極と電気的に接続し前記セルを短絡する可動電極と、前記シャフトに付勢された第１の断熱部材と、第２の断熱部材と、前記第１、第２の断熱部材に挟まれた１つの発熱性の半導体素子及び半田と、前記第１の固定導体と前記半導体素子の一端側とを接続する第１の接続導体及び前記第２の固定導体と前記半導体素子の他端側とを接続する第２の接続導体と、を有し、前記半導体素子の発熱により前記シャフトを垂直方向に変位させる熱作動装置と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係るバイパススイッチによれば、蓄電池のセルが過放電状態となり、半故障状態が生じた場合でも、バイパススイッチが作動し、半故障状態のセルを迂回するバイパス経路を設けることが可能である。また、ダイオードが短絡故障を生じた場合は、バイパススイッチのフューズ機能が働き、故障したバイパススイッチを蓄電池のセルより切り離すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１に係るバイパススイッチの断面を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るバイパススイッチが蓄電池のセル９と並列に接続された時の回路構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る熱作動装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るバイパススイッチの構成を示す断面図である。図１において、この実施の形態１のバイパススイッチは、絶縁材料からなり収容空間が設けられたシャーシ１と、第１，第２の固定電極を構成する一対の固定電極２，３と、可動電極４と、絶縁材料からなるシャフト５と、シャーシ１の収容空間内の最上部に設けられた加圧装置６と、シャーシ１の収容空間内の下部に設けられた熱作動装置７とを備えて構成される。
【００１５】
固定電極２，３は、互いに間隙を有してシャーシ１の収容空間内に突き出すように固定された一対の導体からなる。固定電極２，３は、傾斜した端面が互いに向き合って配置されることによって、双方の端面がＶ字溝を構成する。可動電極４は、固定電極２，３の対向する傾斜端面の間に位置し、シャーシ１の収容空間内の上部において、固定電極２，３とは所定の間隙をもって配置される。可動電極４は、対向する二面が鋭角をなすＶ字型に配置された傾斜面を有する。可動電極４は、図１の垂直方向で固定電極２，３に対し下方に可動する。すなわち、通常時は可動電極４の対向するそれぞれの傾斜面と固定電極２，３の対向するそれぞれの傾斜端面とが垂直方向に所定の間隙を有して対向する。移動時には、可動電極４の各傾斜面が固定電極２，３の各傾斜端面に接触する位置まで移動して、可動電極４の傾斜面が固定電極２，３の傾斜端面が構成するＶ字溝に嵌合する。これにより、固定電極２，３と可動電極４とがバイパススイッチのスイッチ部を構成する。可動電極４は、下端において二つの傾斜面の間に位置するＵ字型の溝を有しており、このＵ字型の溝に対し、シャフト５の円弧をなした上端部が嵌合している。シャフト５の下端部は熱作動装置７の上端部に接続している。シャフト５はシャーシ１の収容空間の上部と下部の間を連通する溝内を貫通する。
【００１６】
加圧装置６はコイルバネのような弾性部材によって構成される。加圧装置６は可動電極４及びシャフト５を弾性力によって付勢し、可動電極４及びシャフト５を固定電極２，３に対して図１の垂直方向下方に加圧する。通常時は、加圧装置６はシャフト５を熱作動装置７に対して押圧する。熱作動装置７が作動して収縮により熱作動装置７の上端部位置が下がると、加圧装置６の加圧によってシャフト５が図１の下側に移動し、それと連動して可動電極４がそれぞれの固定電極２，３と線接触することで、固定電極２，３が可動電極４を介して導通し、スイッチ部が作動する。
【００１７】
図２は熱作動装置７の構成を示す図である。熱作動装置７は、断熱部材からなる第１の断熱スペーサ８と、ダイオード９と、金属プレート１０と、半田１１と、断熱部材からなる第２の断熱スペーサ１２と、を積み重ねた積層体により構成される。第１の断熱スペーサ８とダイオード９の間には、第１の接続導体１３が挟まれている。半田１１と第２の断熱スペーサ１２の間には、高抵抗接続導体である第２の接続導体１４が挟まれている。ダイオード９は、電流が流れることによって発熱する半導体素子を構成する。また、ダイオード９と金属プレート１０と半田１１の積層体は、第１の断熱スペーサ８の一端と第２の断熱スペーサ１２の一端の間に挟まれて配置されることとなる。金属プレート１０は高熱伝導性の導電金属から構成され、熱作動装置７の全体の高さ（図２の垂直方向の高さ）を調整する。第１の断熱スペーサ８の他端はシャフト５の下端が接している。第２の断熱スペーサ１２は他端がシャーシ１に接して固定されている。
【００１８】
また、第１の接続導体１３は固定電極２とダイオード９を電気的に繋ぎ、第２の接続導体１４は半田１１と固定電極３を電気的に繋ぐ。そして、熱作動装置７は、可動導体４とシャフト５とを介して加圧装置６により加圧されることで、固定電極２と固定電極３との間の電気的な導通が維持されている。
【００１９】
この実施の形態１では、第１の接続導体１３と第２の接続導体１４は、断面積が小さく、導体長が長く、可とう性を備えたリボン導体を用いている。さらに、第２の接続導体１４に限っては、内部熱抵抗が大きい金属を使用している。このため、第１の接続導体１３と第２の接続導体１４からの熱放散が低減できるので、ダイオード９から発した熱の大部分は第１の断熱スペーサ８と第２の断熱スペーサ１２の間に挟まれた半田１１に伝導することとなる。
【００２０】
図３は、実施の形態１のバイパススイッチを蓄電池セルに並列に接続した構成を示す回路図である。図３において、熱作動装置７と、固定電極２，３及び可動導体４により構成されるスイッチ部とから、並列回路が構成されており、この並列回路は各蓄電池セル１００に並列接続されて、バイパススイッチが構成されている。この並列回路はフューズ機能を有している。図３では、１つの蓄電池セル１００に１つのバイパススイッチが接続されているが、実際には、直列接続された蓄電池セル１００のそれぞれにバイパススイッチが接続される。
【００２１】
次に、この実施の形態１に係わるバイパススイッチの動作について説明する。
図３に示した回路図の構成によれば、セル１００が正常な状態の場合には、ダイオード９には逆電圧が加わるため電流が流れることがなく、バイパススイッチは作動しない。しかし、セル９が故障して高抵抗状態あるいは開路状態になると、ダイオード８には順電流が流れるために発熱する。
【００２２】
ダイオード８が発熱すると、この熱は熱作動装置７にある金属プレート１０を介して半田１１に伝わり、半田１１を溶融させる。半田１１が溶融することで、シャフト５を下方向に移動させることが可能な状態となる。このとき、加圧装置６は、可動電極４を加圧することで、シャフト５を図１の下方向に押し下げ、シャフト５の下方への移動に伴い可動電極４が固定電極２，３に向かうように移動する。これにより可動電極４と固定電極２，３とが接触して、固定電極２，３が可動電極４により電気的に接続され、異常なセル１００間を短絡するバイパス回路が形成される。
【００２３】
次に、セルの過放電時はセル極性が反転し半故障状態となる。しかし、特許文献１に提示されている複数個のダイオード９を直列で配置させた場合、ダイオード８による電圧降下が大きくなり、ダイオード側に電流が流れないためバイパススイッチは作動しない。これに対し、実施の形態１のバイパススイッチはダイオード９を１個で配置することで、ダイオードの電圧降下が小さくなり、セル極性反転時にダイオードに放電電流が流れることで熱作動装置が作動し、バイパス回路が形成される。
【００２４】
また、ダイオード９を１個にすることで、特許文献１に開示される複数個のダイオード９を配置した場合と比較して、ダイオード９による発熱量は小さくなる。このため実施の形態１のバイパススイッチでは、ダイオード９とシャフト５との間に第１の断熱スペーサ８を配置するとともに、半田１１とシャーシ１の間に第２の断熱スペーサ１２を配置する。第１の断熱スペーサ８及び第２の断熱スペーサ１２を設けることにより、ダイオード９による発熱がシャフト５及びシャーシ１方向へ伝熱する分を低減させることができる。これによって、実施の形態１のバイパススイッチは、特許文献１に開示される配置よりも効率良く、ダイオード９の発熱を半田１１に伝えることができるので、半田１１を融解点まで達するのに必要十分な熱量を与えることが可能となる。すなわち、ダイオード９と半田１１の間の伝熱経路以外の伝熱経路部に断熱スペーサを配置することにより、ダイオード９の発熱を効率的に半田溶融に寄与させることができる。
【００２５】
さらに、１個のダイオード９をセルに並列接続する配置であれば、ダイオード９の短絡故障時は、ダイオードが並列接続しているセルも短絡事象を引き起こし、セル故障が生じる。この実施の形態では、第２の接続導体１４の断面積が所定の大きさ以下に調整された高抵抗接続導体を用いることにより、第２の接続導体１４がフューズ機能を有し、ダイオード９の短絡故障時には第２の接続導体１４を短絡電流により破断させることで、ダイオード９の短絡故障によるセル短絡事象を防ぐ機能を有する。
【００２６】
なお、第２の接続導体１４の代わりに、第１の接続導体１３に断面積が所定の大きさ以下に調整された高抵抗接続導体を用いても良い。すなわち、バイパススイッチ内の通電経路にフューズ機能を持たせることで、ダイオード短絡故障時にはフューズを切断させてバイパススイッチをセルから切り離すことが可能となる。
【００２７】
以上説明した通り、この実施の形態１に係るバイパススイッチは、直列に接続された電池のセル各々に対して並列に接続するバイパススイッチにおいて、直列に接続された電池のセル各々に対して並列に接続され、互いに間隙を有して配置された一対の第１，第２の固定電極と、前記一対の第１，第２の固定電極に対して垂直方向に変位可能なシャフトと、前記一対の第１，第２の固定電極のそれぞれに対して前記垂直方向に所定の間隙で配置され、前記シャフトが変位した場合に加圧装置により前記垂直方向に加圧されることで、前記固定電極と電気的に接続し前記セルを短絡する可動電極と、一端が前記シャフトに当接して付勢されたた第１の断熱部材と、前記第１の断熱部材の他端に接し、第１の固定導体に接続された第１の接続導体と、一方の端子が第１の接続導体に接した１つの半導体素子と、前記半導体素子の他方の端子側に配置され、前記半導体素子の発熱により溶融する半田と、前記半導体素子の他方の端子側と第２の固定導体とを接続する高抵抗接続導体と、前記高抵抗接続導体に接して配置された第二の断熱部材と、を有し、前記半田の溶融により前記シャフトを垂直方向に変位させる熱作動装置と、を備えたものである。
【００２８】
これにより、電池のセルの過放電時においても、閉路動作が速やかに行われるバイパススイッチが得られるので、衛星用バッテリや移動体用バッテリ等において、セル故障に対する信頼度が高く、かつ小型で軽量なバイパススイッチとして有効に利用することができる。また、蓄電池のセルが過放電状態となり、半故障状態が生じた場合でも、バイパススイッチが作動し、半故障状態のセルを迂回するバイパス経路を設けることが可能である。また、ダイオードが短絡故障を生じた場合は、バイパススイッチのフューズ機能が働き、故障したバイパススイッチを蓄電池のセルより切り離すことが可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１  シャーシ、２  （第１の）固定電極、３  （第２の）固定電極、４  可動電極、５  シャフト、６  加圧装置、７  熱作動装置、８  第１の断熱スペーサ、９  ダイオード（半導体素子）、１０  金属プレート、１１  半田、１２  第２の断熱スペーサ、１３  第１の接続導体、１４  第２の接続導体、１００  セル。
【図１】
2010257625.tif 000003
【図２】
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【図３】
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