(57)【要約】【課題】  始動用組電池を提供する。【解決手段】  本発明は、鉛電池と、リチウム電池と、リチウム電池保護回路と、を含み、前記リチウム電池保護回路は、第１の入力端子と、第２の入力端子と、第１の出力端子と、第２の出力端子と、を含み、前記リチウム電池の負極は、第１の入力端子に接続され、前記リチウム電池の正極は、第２の入力端子に接続され、前記鉛電池の負極は、第１の出力端子に接続され、前記鉛電池の正極は、第２の出力端子に接続される、始動用組電池を開示する。本発明の始動用組電池は、リチウム電池を用いることにより、その安全性を高め、充放電中に、リチウム電池保護回路によってリチウムイオン電池が安全な動作状態に終始あるようにする。本発明は、鉛蓄電池の比エネルギーや比出力が低いという欠陥を補うことを目的とし、自動車等の交通手段を瞬時に始動できる動作要求を達成するとともに、バッテリーの使用寿命を延長するよう、各種交通手段のために、体積が小さく、重量が軽く、超大電力出力を供給可能な始動用バッテリーを提供する。【選択図】      図１2019522866.tif 000004
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛電池と、リチウム電池と、リチウム電池保護回路と、を含み、前記リチウム電池保護回路は、第１の入力端子と、第２の入力端子と、第１の出力端子と、第２の出力端子と、を含み、前記リチウム電池の負極は、第１の入力端子に接続され、前記リチウム電池の正極は、第２の入力端子に接続され、前記鉛電池の負極は、第１の出力端子に接続され、前記鉛電池の正極は、第２の出力端子に接続されることを特徴とする、始動用組電池。
【請求項２】
前記リチウム電池は、リン酸鉄リチウム電池を用いることを特徴とする、請求項１に記載の始動用組電池。
【請求項３】
前記リチウム電池保護回路は、リチウム電池保護チップＵ１と、ＭＯＳトランジスタＱ１と、ＭＯＳトランジスタＱ２と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ１と、ダイオードＤ１と、ダイオードＤ２と、を含み、前記リチウム電池Ｅ１の正極は、抵抗Ｒ１の一端に接続され、かつリチウム電池Ｅ１の正極は、第１の入力端子に接続され、前記第１の入力端子は、第１の出力端子に接続され、抵抗Ｒ１の他端およびコンデンサＣ１の一端は、リチウム電池保護チップＵ１の電源端子に接続され、前記リチウム電池Ｅ１の負極、第２の入力端子、コンデンサＣ１の他端、ダイオードＤ１の負極およびＭＯＳトランジスタＱ１のゲートは、いずれもリチウム電池保護チップＵ１の接地端子に接続され、前記リチウム電池保護チップＵ１の放電制御端子は、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに接続され、リチウム電池保護チップＵ１の充電制御端子は、ＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに接続され、ダイオードＤ１の負極、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは、いずれもダイオードＤ２の負極に接続され、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインおよびダイオードの正極は、いずれも抵抗Ｒ２の一端に接続され、かつ抵抗Ｒ２の一端は、第２の出力端子に接続され、抵抗Ｒ２の他端は、リチウム電池保護チップＵ１の充電検出端子に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の始動用組電池。
【請求項４】
前記リチウム電池保護チップＵ１の型番は、ＤＷ０１＋であることを特徴とする、請求項３に記載の始動用組電池。
【請求項５】
前記鉛電池の定格容量は、リチウム電池の定格容量の６〜１０倍であることを特徴とする、請求項１に記載の始動用組電池。
【請求項６】
前記鉛電池の定格容量は、リチウム電池の定格容量の６．６７倍であることを特徴とする、請求項５に記載の始動用組電池。
【請求項７】
前記鉛電池で用いるものは、１２Ｖ  ３０Ａｈの鉛電池であることを特徴とする、請求項１に記載の始動用組電池。
【請求項８】
バッテリーケースと、バッテリーカバーと、をさらに含み、前記バッテリーケース内に、鉛電池を置くための第１の収納スロットと、リチウム電池を置くための第２の収納スロットと、が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の始動用組電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学電源分野に関し、特に始動用組電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、周知の通り、鉛蓄電池は、価格が低廉で、動作電圧が安定し、始動放電電流が大きく、金属資源をリサイクルし再利用できるなどの長所を有し、長期にわたり、自動車、船舶、航空機、列車等の交通手段の最も主要な始動用電源であった。しかしながら、鉛蓄電池は、比エネルギーや比出力が低く、かつ通常、１０倍以下の電流始動放電に比較的適しているが、現代の各種交通手段は、内蔵バッテリーのために与えられる空間が狭くなってきており、そのため、新型の電源システムを探求し、超大電力始動放電の需要を満たす必要がある。
【０００３】
２１世紀に入った後、発展が最も速い化学電源は、リチウムイオン電池であり、体積が小さく、重量が軽く、現在、比エネルギーが最も高い化学電源である。
【０００４】
しかしながら、現在の従来の電源には、次の欠陥がまだ存在する。
【０００５】
安全性の問題は、まだ根本的に解決されておらず、これまでに大容量リチウムイオン電池を大型交通手段の始動用電源として用いた先例はなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
先行技術の課題を克服するため、本発明の目的は、大電力始動用バッテリーを自動車に供給可能な始動用組電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、次の技術手法を用いて実現する。
【０００８】
鉛電池と、リチウム電池と、リチウム電池保護回路と、を含み、前記リチウム電池保護回路は、第１の入力端子と、第２の入力端子と、第１の出力端子と、第２の出力端子と、を含み、前記リチウム電池の負極は、第１の入力端子に接続され、前記リチウム電池の正極は、第２の入力端子に接続され、前記鉛電池の負極は、第１の出力端子に接続され、前記鉛電池の正極は、第２の出力端子に接続される、始動用組電池。
【０００９】
さらに、前記リチウム電池は、リン酸鉄リチウム電池を用いる。
【００１０】
さらに、前記リチウム電池保護回路は、リチウム電池保護チップＵ１と、ＭＯＳトランジスタＱ１と、ＭＯＳトランジスタＱ２と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ１と、ダイオードＤ１と、ダイオードＤ２と、を含み、前記リチウム電池Ｅ１の正極は、抵抗Ｒ１の一端に接続され、かつリチウム電池Ｅ１の正極は、第１の入力端子に接続され、前記第１の入力端子は、第１の出力端子に接続され、抵抗Ｒ１の他端およびコンデンサＣ１の一端は、リチウム電池保護チップＵ１の電源端子に接続され、前記リチウム電池Ｅ１の負極、第２の入力端子、コンデンサＣ１の他端、ダイオードＤ１の負極およびＭＯＳトランジスタＱ１のゲートは、いずれもリチウム電池保護チップＵ１の接地端子に接続され、前記リチウム電池保護チップＵ１の放電制御端子は、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに接続され、リチウム電池保護チップＵ１の充電制御端子は、ＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに接続され、ダイオードＤ１の負極、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは、いずれもダイオードＤ２の負極に接続され、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインおよびダイオードの正極は、いずれも抵抗Ｒ２の一端に接続され、かつ抵抗Ｒ２の一端は、第２の出力端子に接続され、抵抗Ｒ２の他端は、リチウム電池保護チップＵ１の充電検出端子に接続される。
【００１１】
さらに、前記リチウム電池保護チップＵ１の型番は、ＤＷ０１＋である。
【００１２】
さらに、前記鉛電池の定格容量は、リチウム電池の定格容量の６〜１０倍である。
【００１３】
さらに、前記鉛電池の定格容量は、リチウム電池の定格容量の６．６７倍である。
【００１４】
さらに、前記鉛電池で用いるものは、１２Ｖ  ３０Ａｈの鉛電池である。
【００１５】
バッテリーケースと、バッテリーカバーと、をさらに含み、前記バッテリーケース内に、鉛電池を置くための第１の収納スロットと、リチウム電池を置くための第２の収納スロットと、が設けられている。
【発明の効果】
【００１６】
先行技術と比べ、本発明の有益な効果は、以下の通りである。
【００１７】
本発明の始動用組電池は、リチウム電池を用いることにより、安全性がより確実となり、充放電中に、リチウム電池保護回路によってリチウムイオン電池が安全な動作状態に終始あるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の始動用組電池の回路構成図である。
【図２】本発明のリチウム電池保護回路の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面および具体的な実施態様を合わせ、本発明についてさらに説明する。なお、矛盾しないことを前提に、以下の説明における各実施例間または各技術的特徴間は、任意の組み合わせにより新しい実施例を形成することができる。
【００２０】
図１および図２に示すように、本発明は、鉛電池３と、リチウム電池４と、リチウム電池保護回路５と、を含み、前記リチウム電池４の負極は、リチウム電池保護回路５の一端に接続され、前記リチウム電池４の正極は、リチウム電池保護回路５の他端に接続され、前記鉛電池３の負極は、リチウム電池４の負極に接続されて電源負極端子１とし、前記鉛電池３の正極は、リチウム電池４の正極に接続されて電源正極端子２とする、始動用組電池を提供する。前記リチウム電池４は、リン酸鉄リチウム電池を用い、前記鉛電池３の定格容量は、リチウム電池の定格容量の６〜１０倍であり、最も好ましくは、前記鉛電池３の定格容量は、リチウム電池４の定格容量の６．６７倍であり、かつ前記鉛電池３で用いるものは、１２Ｖ  ３０Ａｈの鉛電池である。前記リチウム電池保護回路５は、第１の入力端子と、第２の入力端子と、第１の出力端子と、第２の出力端子と、を含む。前記リチウム電池４の負極は、第１の入力端子に接続され、前記リチウム電池４の正極は、第２の入力端子に接続され、前記鉛電池３の負極は、第１の出力端子に接続され、前記鉛電池３の正極は、第２の出力端子に接続される。図２中のＥ２は、鉛電池を表し、第１の入力端子および第１の出力端子は、同一の端子、すなわち電源正極端子に接続され、第２の入力端子は接地され、第２の出力端子は、電源負極端子に接続される。
【００２１】
組電池の回路は、鉛蓄電池とリン酸鉄リチウムポリマー電池の２つの分岐回路が並列接続されて充電および放電を行い、リチウムイオン電池分岐回路には、過充電、過放電による安全上の事故または電池の失効を回避するため、リチウム電池の過充電および過放電を防止するリチウム電池保護回路がさらに増設されている。前記リチウム電池保護回路５は、リチウム電池保護チップＵ１と、ＭＯＳトランジスタＱ１と、ＭＯＳトランジスタＱ２と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ１と、ダイオードＤ１と、ダイオードＤ２と、を含み、前記リチウム電池保護チップＵ１の型番は、ＤＷ０１＋である。前記リチウム電池Ｅ１の正極は、抵抗Ｒ１の一端に接続され、かつリチウム電池Ｅ１の正極は、電源正極端子に接続され、抵抗Ｒ１の他端およびコンデンサＣ１の一端は、リチウム電池保護チップＵ１の電源端子に接続され、前記リチウム電池Ｅ１の負極、コンデンサＣ１の他端、ダイオードＤ１の負極およびＭＯＳトランジスタＱ１のゲートは、いずれもリチウム電池保護チップＵ１の接地端子に接続され、前記リチウム電池保護チップＵ１の放電制御端子は、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに接続され、リチウム電池保護チップＵ１の充電制御端子は、ＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに接続され、ダイオードＤ１の負極、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは、いずれもダイオードＤ２の負極に接続され、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインおよびダイオードの正極は、いずれも抵抗Ｒ２の一端に接続され、かつ抵抗Ｒ２の一端は、電源負極端子に接続され、抵抗Ｒ２の他端は、リチウム電池保護チップＵ１の充電検出端子に接続される。リチウム電池保護チップＵ１のＶＣＣは電源端子であり、ＧＮＤは接地端子であり、ＯＤは放電制御端子であり、ＯＣは充電制御端子であり、ＣＳは充電検出端子である。
【００２２】
この回路は、主にリチウム電池保護チップＤＷ０１＋、充放電制御ＭＯＳＦＥＴなどの素子からなる。かつ、このリチウム電池は、リチウム電池保護回路に接続された後、電池パックが電源負極端子および電源正極端子から電圧を出力する。充電時に、充電器が電圧を出力し、電源負極端子１と電源正極端子２との間に接続され、電流が、電源正極端子２からリチウム電池４の正極および負極に至り、さらに充電放電制御ＭＯＳトランジスタを経て電源負極端子に至る。充電中に、リチウム電池４の電圧が閾値を超えると、リチウム電池保護チップＵ１のＯＣピンが信号を出力し、充電制御ＭＯＳトランジスタＱ２をオフにし、リチウム電池４が直ちに充電を停止することにより、リチウム電池４が過充電のために破損することを防止する。放電中に、リチウム電池４の電圧が一定の閾値まで下がると、リチウム電池保護チップのＯＤピンが信号を出力し、放電制御ＭＯＳトランジスタＱ１をオフにし、リチウム電池４が直ちに放電を停止することにより、リチウム電池４が過放電のために破損することを防止する。リチウム電池保護チップＵ１のＣＳピンは電流検出ピンであり、出力短絡時に、充放電制御ＭＯＳトランジスタの順電圧降下が激増してＣＳピンの電圧が迅速に上昇し、リチウム電池保護チップが信号を出力し、充放電制御ＭＯＳトランジスタを迅速にオフにすることにより、過電流または短絡保護を実現する。
【００２３】
本発明の始動用組電池は、バッテリーケース内に設けられており、前記バッテリーケース内に、鉛電池３を置くための第１の収納スロットと、リチウム電池４を置くための第２の収納スロットと、が設けられている。前記第１の収納スロット内に、鉛電池３のセル置き場が６個設けられており、前記鉛電池３をバッテリーケース内に直列に置くことができ、前記第２の収納スロットは、リン酸鉄リチウム電池およびその保護回路を置くために用いられる。この電池の具体的な製造、装着方式は、次の通りである。
【００２４】
新型組電池の製造工程の第１ステップ：鉛蓄電池セル６個を第１の収納スロットの中に直列に置いた後、対応する収納スロットのカバーシートを封止し、鉛電池の電極端子をそれぞれバッテリーカバー上の電源正負端子に溶接し、次いで、酸を加え、充電、放電安全弁の操作プロセスを行い、大カバーシートの封止を行い、鉛電池の部分の組み立てをまず完了する。第２ステップ：軟包装されたリン酸鉄リチウム電池４個およびその回路保護板を、このバッテリーケースの第２の電池スロット内に置き、回路保護板は、軟包装されたリン酸鉄リチウム電池４個の上方に置く。接着剤を用いてリチウム電池軟包装および回路保護板をバッテリーケース内に固定し、回路保護板の２本の正負リード線を電源正負端子の接続穴にそれぞれ溶接または固定接続し、鉛電池とリチウム電池の並列接続を完了する。第３ステップ：バッテリーカバーを封止し、新型混合電池の補充電を行い、この組み構成電池の製造を完了する。
【００２５】
リン酸鉄リチウム電池と鉛蓄電池の組み合わせを選定する理由は、次の通りである。リン酸鉄リチウム電池の安全性能は信頼性が比較的高い。リン酸鉄リチウム電池の単セルの電圧は比較的低く、４セルを直列接続した電圧は、１２ボルトの鉛蓄電池の電圧と基本的に一致する。フル充電した後、組電池の端子電圧は１３ボルト前後であり、組電池の在庫を置く間に、開路電圧の降下速度が非常に緩慢である。充放電中に、回路保護板によって、リチウムイオン電池が安全な動作状態に終始あるようにする。
【００２６】
現在、リチウム電池の価格は鉛蓄電池の４倍以上であることを考慮し、自動車の始動放電の実際の要求に応じて、配置されるリチウム電池は、一般に、小容量のものが望ましく、これに匹敵する鉛カーボン電池の定格容量は、リチウム電池の６〜１０倍である。このように、リチウム電池の保存期間における容量損失は、鉛蓄電池によって随時補償することができ、組電池を３〜６カ月置いても、正常な使用に直ちに入ることができる。そのため、本発明のバッテリーケースの外形寸法は、実際に使用する自動車の装着寸法の必要に応じるものであり、通常の１２Ｖ３０Ａｈ鉛電池の寸法である。その６個の大きさが一致したスロットは、１２Ｖ２０Ａｈ鉛蓄電池を装着する空間であり、もう１つの横向きのスロットは、１２Ｖ３Ａｈリン酸鉄リチウム電池およびその回路保護板を装着する空間である。このように、この組み合わされた電源の鉛電池とリチウム電池との間の定格容量比は６．６７：１であり、その組電池の性能は、通常の１２Ｖ３０Ａｈ鉛電池の性能に達し、それを超えるものである。
【００２７】
リチウム電池における回路保護板は、リチウム電池の各セルの性能の一貫性および安全性をさらに保護するものである。ここで用いる回路保護板は、現在市販されている成熟した技術製品を、そのまま使用する。
【００２８】
鉛カーボン電池およびリチウムイオン電池の並列回路の設計は、図１を参照し、２個の分岐回路上の電池のフル充電時の端子電圧は、いずれも１３．０Ｖ前後であり、組電池内部で電圧が不均衡であることにより生じる自然放電を有効に防止することができる。また、リン酸鉄リチウム電池自体の自然放電率は、鉛蓄電池の自然放電率よりも高いが、この組電池の設計時に、そのリン酸鉄リチウム電池の容量は、鉛電池の容量の１／１０〜１／６にすぎないため、鉛蓄電池は、リン酸鉄リチウム電池を瞬時に補充電することができ、回路は迅速に平衡状態になる。かつ、組電池の容量損失は極めて小さく、組電池を８カ月置いても、正常に始動させ使用することができる。この新型組電池の保存期間は、通常の鉛蓄電池の保存期間に基本的に一致し、６カ月から１年であり、リチウム電池の３〜６カ月の保存期間よりも遥かに長い。
【００２９】
この電源は、始動放電時に、鉛蓄電池とリチウム電池の２つの分岐回路の大電流を重ね合わせ、超大電力出力を生成し、自動車等を瞬時に始動できることを保証する。
【００３０】
同じ体積条件下で、通常の始動用鉛蓄電池に比べ、組み電源の始動放電パワーウェイトレシオは、４０％以上向上し、循環使用寿命を３０％以上延長することができる。
【００３１】
組電池の大電流放電後の充電は、定電圧１５．５Ｖ、制限電流６Ａを用いて６時間充電する。１５分前後充電すると、リチウム電池の充電電流が、４Ａから０Ａに下がる。鉛電池は、最初の２Ａから６Ａに上昇し（１５分以内）、次いで、電流が４５分前後の時間内に０Ａ近くまで降下する。また、組電池は、常温で１５０Ａを１０秒間放電するときに、リチウム電池の寄与電流が５８Ａであり、常温で２００Ａを１０秒間放電するときに、リチウム電池の寄与電流が７４Ａであり、常温で４００Ａを１０秒間放電するときに、リチウム電池の寄与電流が１２４Ａである。
【００３２】
この始動用組電池の試験結果は、次の通り分析される。新型組電池の外形寸法は一致し、重量は通常の鉛電池の７３％である。新型組電池の定格容量は、通常の鉛電池の７５％にすぎないが、常温での４００Ａの始動出力およびエネルギーは、通常の鉛電池のものに相当し、ほぼ一致する。計算によって、本発明の組電池のパワーウェイトレシオおよびエネルギーは、通常の鉛電池の１５０％近くに達し、循環使用寿命は、通常の鉛電池の１３０％近い。今回の試験の充放電の電流、電圧、時間から分析し、本発明の組電池の充電、放電の安全性能は、信頼性が高い。本試験からわかるように、本発明の組電池の低温始動性能はややよくないが、始動回数の増加に伴い、その始動性能は徐々によくなる。その初期の低温始動性能も、始動要求を満たす。
【００３３】
試験により、２０アンペアのときの鉛＋３Ａｈリチウム電池の組電池と、３０アンペアのときの通常の鉛蓄電池の試験データを比較し、下表に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
上記実施態様は、本発明の好ましい実施態様にすぎず、これにより本発明の保護範囲を限定することはできない。当業者が本発明の基礎の上で行う実質的でない変更および入れ替えは、いずれも本発明で保護を要求する範囲に属す。
【符号の説明】
【００３６】
１  電源負極端子
２  電源正極端子
３  鉛電池
４  リチウム電池
５  リチウム電池保護回路
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2019522866.tif 000008
2019522866.tif 000009
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