(57)【要約】【課題】より安全で信頼性の高いリチウムイオン二次電池システムを提供すること。【解決手段】複数のリチウムイオン二次電池を並列接続してなる組電池を、さらに複数直列接続してなるリチウムイオン二次電池システムであって、リチウムイオン二次電池には保護回路が備えられており、保護回路は、充放電側接続端子と、接続端子とリチウムイオン二次電池のプラス側電極とを接続するよう直列に接続された第一のヒューズ及び第二のニューズと、第一のヒューズと第二のヒューズの間の配線とリチウムイオン二次電池のマイナス電極との間を接続するよう配置されるスイッチング素子と、充放電側接続端子、スイッチング素子、及び、リチウムイオン二次電池のマイナス電極のそれぞれに接続され、スイッチング素子のオンオフを制御する検出回路と、を有するリチウムイオン二次電池システムとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のリチウムイオン二次電池を並列接続してなる組電池を、さらに複数直列接続してなるリチウムイオン二次電池システムであって、
前記リチウムイオン二次電池には保護回路が備えられており、
前記保護回路は、充放電側接続端子と、前記接続端子と前記リチウムイオン二次電池のプラス側電極とを接続するよう直列に接続された第一のヒューズ及び第二のニューズと、
前記第一のヒューズと前記第二のヒューズの間の配線と前記リチウムイオン二次電池のマイナス電極との間を接続するよう配置されるスイッチング素子と、
前記充放電側接続端子、前記スイッチング素子、及び、前記リチウムイオン二次電池のマイナス電極のそれぞれに接続され、前記スイッチング素子のオンオフを制御する検出回路と、を有するリチウムイオン二次電池システム。
【請求項２】
前記制御回路部は、前記リチウムイオン二次電池の各々に設けられてなる請求項１記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項３】
前記スイッチング素子は、ゲート、ソース及びドレインを有するｎ型のトランジスタであって、
前記ゲートは前記検出回路に接続されており、
前記ソース及びドレインの一方は、前記第一のヒューズ及び前記第二のヒューズの間の配線に接続されており、他方は前記リチウムイオン二次電池のマイナス電極に接続されている請求項１記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項４】
前記リチウムイオン二次電池は、シート状の電池である請求項１記載のリチウムイオン二次電池システム。
【請求項５】
リチウムイオン電池の充電・放電時にＳＷの役目をするトランジスタに時間遅延を設けたリチウムイオン二次電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のリチウムイオン二次電池を組み合わせてなるリチウムイオン二次電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、重量比で従来のバッテリーに比べ高いエネルギー密度を有しているといった利点がり、ノートパソコンや携帯電話等の携帯機器等に多く用いられてきている。リチウムイオン電池は、一般に、正極にリチウム遷移金属酸化物を、負極に炭素を含んで構成され、その間に、リチウム塩を含む電解質を備えて構成されている。
【０００３】
ところで、リチウムイオン二次電池は、高いエネルギー密度といった利点を有する一方、過充電により発熱して電極が溶出し、電極材料中の金属リチウムが析出し、最悪の場合破裂や発火してしまう虞があるといった問題がある。そのため、充電状態を監視し、過充電状態になった場合、充電機と電池との間の接続を遮断する保護回路を設けるのが一般的である。この公知の保護回路に関する技術として、例えば、下記特許文献１に、ヒューズを設けた保護回路を有する二次電池パックに関する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−７３４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、リチウムイオン二次電池の高いエネルギー密度をさらに活用すべく、複数のリチウムイオン二次電池を直列に又は並列に接続して組みあわせた電池システム（以下「リチウムイオン二次電池システム」という。）が検討されてきている。これにより、長時間、高出力のリチウムイオン二次電池システムを得ることができる。
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術は、リチウムイオン二次電池システムのような複数の電池を組み合わせた場合のシステムに適用させることについては検討がなく、また、仮に適用させたとしても極めて高出力となったリチウムイオン二次電池システムにおける上記問題に対応しきれるものではない。
【０００６】
また、充電・放電を行うことに際して、バッテリーの放電をしている状態で充電を行う場合はバッテリー電位が変異するたびに充電や放電が止まったり動作したりすることがある。このようなときに、この動作が高速で行われる場合はそこのＯＮ／ＯＦＦを制御しているトランジスタに不要な熱損失が発生する。
【０００７】
電力が小さい場合は問題にならないが、今回の想定している大電力の場合はこの影響は無視できなくなる。そこで、電位変動に安易に対応しないため電位的なヒステリシスを用いて直ぐに入出力トランジスタがＯＮ／ＯＦＦにならないようにする方法がある。しかし、リチウムイオン電池を使用する場合は、微妙な電位も積極的に利用していくためこのようなヒステリシスを使用した方式では入出力のＯＮ／ＯＦＦ制御を十分に対応できなくなることがある。
【０００８】
そのような状態になってしまった場合に、使用するトランジスタ（主にＭＯＳ−ＦＥＴ）の熱暴走を起こしバッテリーのＯＮ／ＯＦＦができなくなってしまうことが起こる。
【０００９】
そこで、時間的にゆっくりとＯＮ／ＯＦＦさせることによりトランジスタに発生する熱を無視できる程度の応答で行うことにより上記のトランジスタＳＷによる障害を避けることができる。
【００１０】
そこで、本発明は、上記課題を鑑み、より安全で信頼性の高いリチウムイオン二次電池システムを提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明の一観点に係るリチウムイオン二次電池システムは、複数のリチウムイオン二次電池を並列接続してなる組電池を、さらに複数直列接続してなるものであって、リチウムイオン二次電池には保護回路が備えられており、保護回路は、充放電側接続端子と、充放電側接続端子とリチウムイオン二次電池のプラス側電極とを接続するよう直列に接続された第一のヒューズ及び第二のニューズと、第一のヒューズと第二のヒューズの間の配線とリチウムイオン二次電池のマイナス電極との間を接続するよう配置されるスイッチング素子と、充放電側接続端子、スイッチング素子及びリチウムイオン二次電池のマイナス電極のそれぞれに接続され前記スイッチング素子のオンオフを制御する検出回路と、を有する。
【発明の効果】
【００１２】
以上、本発明により、より安全で信頼性の高いリチウムイオン二次電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて具体的に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であることはいうまでもない。
【００１４】
図１は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池システム（以下「本二次電池システム」という。）の概略を示す図であり、図２は、本二次電池システムを構成する組電池についての概略を示す図であり、図３は、リチウムイオン二次電池及び制御回路部の等価回路の概略を示す図である。図１乃至３で示すように、本二次電池システム１は、複数のリチウムイオン二次電池２を並列接続してなる組電池４を、さらに複数直列接続してなるものであって、リチウムイオン二次電池にはそれぞれ保護回路３が備えられており、それぞれの保護回路３は、充放電側接続端子３１と、この充放電側接続端子３１とリチウムイオン二次電池２のプラス電極２１とを接続するよう直列に接続される第一のヒューズ３２及び第二のヒューズ３３と、第一のヒューズ３２と第二のヒューズ３３の間の配線３２１とリチウムイオン二次電池２のマイナス電極２２との間に配置されるスイッチング素子３４と、充放電側接続端子３１、第一のヒューズ３２と第二のヒューズ３３の間の配線３２１、リチウムイオン二次電池２のマイナス電極２２に接続され、スイッチング素子３３のオンオフを制御する検出回路３５と、を有する。なお、図１は、本二次電池システムの具体的な説明のため、５つのリチウムイオン二次電池を並列に接続して一つの組電池とし、その組電池を４組直列に組み合わせた場合の例を用いて説明するが、適宜調整可能でありこれに限定されない。なお、本リチウムイオン電池システムには専用回路５が設けられており、各組電池４に接続される各配線が専用回路５に接続され、外部充電器から供給される電力のＯＮ及びＯＦＦ（充電・放電）を制御するとともに、各組電池４における電流、電圧の状態を監視することができる。なお、専用回路５にはリチウムイオン二次電池の充電・放電の制御をするトランジスタが設けられており、更にこのスイッチング時間に遅延を設ける遅延回路が配置されている。本二次電池システムは非常に高電力であるため、充電から放電時、又は放電時から充電時の間に起こる電圧の一時的変化がトランジスタのＯＮ又はＯＦＦ状態を何度も反転させてしまう場合があり、この不要なスイッチング動作がトランジスタの過熱をもたらし、トランジスタの破壊に至らしめてしまう虞がある。そこでこの回路を配置することで付加の変動や内部電源変動などの影響を受けにくいようにし、過度のスイッチング動作を避けて安全にトランジスタのＯＮ／ＯＦＦを行うようにすることができる。
【００１５】
本実施形態において、リチウムイオン二次電池２は、正極及び負極と、正極と負極の間に配置される電解質層を有する構成するものである。正極は、リチウム酸化物を含むものであり、限定されるわけではないが、例えばコバルト酸リチウム、酸化鉄リチウム、チタン酸リチウムを好適に用いることができる。また、負極は、限定されることはないが例えば多孔質の炭素を好適に用いることができる。また、電解質層としては、リチウムイオンの電解質を含むものであればよく、有機溶媒に電解質を溶かした電解液であってもよく、ポリマーに電解液を含ませてゲル状態にしたものであってもよい。電解質としては、限定されるわけではないが、六フッ化リン酸リチウムを好適に用いることができる。なお有機溶媒としても、限定されるわけではないが、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸時エチル等の炭酸エステルを適宜組み合わせて用いることは好ましい一例である。なおこのリチウムイオン二次電池は、回路内に電池としての構成要件となる場合、正極はプラス電極、負極はマイナス電極と呼ばれる。
【００１６】
また、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池の形状は、特に限定されないが、シート状、シリンダ状であっても構わないが、シート状であることは安全性や気体の密封性の観点からより好ましい。シート状のリチウム二次電池は、シート状の正極及び負極を所定の間隔を空けて配置し、この間に電解質を含む層を設け、シート状に形成したものであり、シリンダ状のリチウムポリマー二次電池は、渦巻き状の正極及び負極を所定の間隔をあけて配置し、この間に電解質を含む層を設け、シリンダ状に配置したものをいう。
【００１７】
本実施形態において組電池とは、複数のリチウムイオン電池を並列接続したものをいい、具体的には、組電池内におけるリチウムイオン電池におけるプラス電極が共通に接続され、マイナス電極が共通に接続されたものをいう。一つの組電池におけるリチウムイオン電池の数は限定されるわけではなく、電池容量によって異なるが、ばらつきを考慮すると１０個以下、より好ましくは８個以下である。
【００１８】
また本実施形態において、組電池は、複数直列に接続されている。すなわち本明細書において「リチウムイオン電池システム」は、複数の組電池を直列に接続されたものを意味する。組電池を接続する数としては、限定されるわけではなく、このリチウムイオン二次電池システムを用いる機器の要求する電圧によって異なるが、１００段以下、より好ましくは２段以上５０段以下である。
【００１９】
また、上記のとおり、本電池システムにおいて各リチウム二次電池２には保護回路３が接続されている。そして保護回路３は、外部接続端子３１と、これに接続される第一のヒューズ３２と、第一のヒューズ３２に直列に接続される第二のヒューズ３３と、第一のヒューズ３２と第二のヒューズ３３の間の配線３２１とリチウムイオン二次電池のマイナス電極２２に接続されるスイッチング素子３４と、検出回路３５と、を有している。検出回路３５は、第一のヒューズ３２と第二のヒューズ３３の間の配線３２１、リチウムイオン二次電池のマイナス電極２２（配線３２３）に接続されるスイッチング素子３４、外部接続端子３１と第一のヒューズ３２との間の配線３２２（外部接続端子３１）、に接続されており、検出回路の出力はスイッチング素子３４のゲート（配線３２４）に接続されている。
【００２０】
なお本実施形態に係る制御回路部は、実現できる限りにおいて限定されるわけではないが、例えば絶縁性の基板に配線を形成してなるプリント基板上に上記各構成要件を配置することで実現することができる。
【００２１】
本実施形態に係る第一のヒューズは、所定の設定値以上の電流が回路内に流れる場合に、当該電流を遮断することができるものであって、公知のものを採用することが可能である。なお、第一のヒューズの定格遮断電流の値としては、電池の容量や種類によって適宜調整可能であり限定されるわけではないが、１Ａ以上２０Ａ以下であることが好ましい範囲の一例である。
【００２２】
第二のヒューズは、上記第一のヒューズと同様のものを採用することができ、公知のものを採用することができる。なお、本実施形態において、第二のヒューズの容量は第一のヒューズの容量に比べて大きいことが好ましい。このようにすることで、単純に過放電による影響でヒューズが飛ぶ場合には容量の少ない方が飛び、大きい方のヒューズは残る。そのため、ヒューズが飛んだ内容により過放電か過電圧かの大方の判断をすることができる。また、ヒューズを交換する場合も同じ容量がある場合は同時に２カ所切れることが多いが、片方だけ小さくしておくことにより、通常の過電流などの障害の場合は１カ所で済むといったメリットがある。なお、第二のヒューズの定格遮断電流の値は、第一のヒューズの定格遮断電流の値の１倍以上１０倍以下であることが好ましく、より好ましくは５倍以下、更に好ましくは２倍程度である。
【００２３】
本実施形態において、検出回路３５は、各リチウムイオン二次電池において過電流を検出した際、第二のヒューズを制御するために設けられるものである。なお検出回路の等価回路の一例について図４に示しておく。
【００２４】
本図で示すように、本検出回路３５は、充放電側接続端子３１、第一のヒューズ３２と第二のヒューズ３３の間の配線３２１、リチウムイオン二次電池のマイナス電極２２（配線３２３）、に接続され、それぞれの電流を検出する検出器を有して構成されている。なお検出器は、充放電側接続端子側、マイナス電極側のいずれかにおいて過電流を検出した場合、制御回路部におけるスイッチング素子をＯＮ状態にすることができる。具体的にはスイッチング素子３４のゲートにＯＮ状態となる電流を流し、ゲートとドレインの間に電流を流すことができる。
【００２５】
以上、本発明により、より安全で信頼性の高いリチウムイオン電池システムを提供することができる。具体的な動作については、回路の構成から明らかであるが、以下説明することができる。まず、本実施形態に係るリチウムイオン電池システムは、充放電側接続端子とリチウムイオン二次電池のプラス側電極との間に第一のヒューズを配置することで充放電側接続端子から供給される電流が過電圧状態となったとき、検出回路が過電圧であることを感知し、スイッチング素子をＯＮ状態にしてリチウムイオン二次電池のプラス電極とマイナス電極を電気的に接続する。すると第二のヒューズの定格遮断電流値以上電流が流れることとなるため、第二のヒューズが遮断（切断）され、電池は開放状態となる。また、このとき、充電され続けていることになるので第一のヒューズも直ぐに切れる。この結果、外部充電器からの電流の供給がストップし、エネルギーは供給されなくなるため、より安全で信頼性の高いリチウムイオン電池システムとなる。もし、ヒューズがどちらか一方しかない場合、たとえば、第二のヒューズのみの場合は、充電器からの電流がＳＷに供給され電流が流れ続けるために大きな事故を起こしかねません。一方、第一のヒューズしかない場合はバッテリーの電流がスイッチング素子に流れ続けるためバッテリーそのものを保護することができない。従って、ヒューズが二カ所あることがこの保護回路で重要に意味をもつこととなる。なお、配線３２２は両方のヒューズが切れる状態の不安定状態で電力を回路に供給できなくなるので、補助的に充電側から電力を供給できるようにしてある。このため、この制御回路が安定して動作し続けることができる。
【実施例】
【００２６】
上記実施形態に係るリチウムイオン二次電池システムを実際に作成し、その効果について確認を行った。以下説明する。
【００２７】
プリント基板に、容量５Ａの第一のヒューズ（ＫＯＡ社製、型番ＣＣＦ）と、容量１０Ａの第二のヒューズ（ＫＯＡ社製、型番ＣＣＦ）と、スイッチング素子としてｎ型ＭＯＳトランジスタ（東芝社製、ＴＰＣＡ８１０４）を配置し、接続関係を上記実施形態に置いて説明したものと同様の構成とした。そしてこれを接続したリチウムイオン二次電池（日立マクセル社製）を３０枚作成し、５枚を一組の組み電池とし、これを６段組み合わせ、リチウムイオン二次電池システムとした。そしてこのリチウムイオン二次電池システムに、１２Ｖの電圧をかけたところ、リチウムイオン二次電池システムは確実に動作を停止した。この結果、本システムがより安全で信頼性の高いものとなっていることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、リチウムイオン二次電池システムとして産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】リチウムイオン電池システムの概略を示す図である。
【図２】リチウムイオン電池システムの等価回路の概略を示す図である。
【図３】リチウムイオン電池の制御回路部の等価回路の概略を示す図である。
【図４】検出回路の等価回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…リチウムイオン電池システム、２…リチウムイオン二次電池、３…制御回路部、４…組電池、５…専用回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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