(57)【要約】    【課題】  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。    【解決手段】  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，過電圧時等に充電電力Ｐｃを遮断する保護回路11と、リチウムセル１へ注入される充電電力Ｐｃを制限する電力制限回路20とが組み込まれている。電池パック10の前段には、安定化電源13と充電回路14とを備え、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。電力制限回路20が、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。【選択図】  図１
2006228609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電電力を所定値より低い値に制限して二次電池に注入することを特徴とする二次電池の安全保護方法。
【請求項２】
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所定値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ることを特徴とする二次電池の安全保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【特許文献１】特開平８−２２２２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、充電電力を所定値より低い値に制限して二次電池に注入する。
【００１２】
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所定値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。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
【数１】
2006228609.tif 000003
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、
【００２４】
【数２】
2006228609.tif 000004
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【符号の説明】
【００３２】
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）
【図１】
2006228609.tif 000005
【図２】
2006228609.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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