(57)【要約】【課題】電気的な保護回路が機能しなかった場合でも熱暴走に至る前の早い段階で確実に安全を確保できるような電池パックの安全性システムを提供する。【解決手段】本発明の安全性システムは、電気的保護手段１と機構的保護手段４を併用して二次電池５に生じる異常現象に応じた保護による安全性を確保している。すなわち、従来からある電気的保護が機能しなくても、機構的保護が機能することで、二次電池５の変形防止や、二次電池５から漏出した内部ガスや電解液に関して電池パック外部への漏れ防止がなされ、電池パック単体で安全性が確保できるという利点を持っている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極材料と負極材料との間に絶縁のためのセパレータを挿入し、これらを積層した積層構造体を電解液と共にラミネート外装で封止してなる二次電池と、前記二次電池の異常時に前記二次電池の充放電経路を遮断する電気的保護手段とを備えた電池パックの安全性システムであって、前記電気的保護手段の一部又は全部の保護が機能不良を起こしたときに前記二次電池に発生する異常現象に応じた保護を機構的に行う機構的保護手段を設けたことを特徴とする電池パックの安全性システム。
【請求項２】
前記電気的保護手段の保護は多重化されたものであることを特徴とする請求項１記載の電池パックの安全性システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子装置の電源として利用される、例えばリチウムイオン二次電池などの電池パックを熱暴走から保護する電池パックの安全性システムに関する。
【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３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内部構造を示す。ラミネート型リチウムイオン電池としての電池セル101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110と例えばグラファイト（炭素）などの負極材料111との間に、絶縁のため例えばポリエチレンやポリプロピレン製の微多孔膜などのセパレータ112を挿入し、これらを何層かに積層した積層構造体113とした後、この積層構造体113を電解液と共に上下からラミネート外装としてのアルミラミネート114，114で封止した構造になっている。正極材料110及び負極材料111には、それぞれ正極電極110ａと負極電極111ａが形成されており、アルミラミネート114，114の貼り合わせ部分から外部へ突出している。
【０００３】
このような構造を有する電池セル101は、蓄電媒体として非常に高い電力密度をもつものの、過充電等により定格以上の電圧が印加されると、電解液の分解によりアルミラミネート114内部にガスが発生し、アルミラミネート114自体が膨らむ異常現象が発生する。この状況が継続されると、アルミラミネート114の熱溶着部が開放し、電池セル101内部に封止されていた電解液及び気化ガスが外部へ漏れ、さらに、過充電が継続すると、内部の温度上昇によりセパレータ112の溶解温度に達して、絶縁破壊にて内部短絡を起こし熱暴走する虞がある。電池セル101内部に発生する可燃性の内部ガスとしては、例えば、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）や、セパレータ112から発生するＣＨ４，Ｃ２Ｈ４，Ｃ２Ｈ６などであり、電池セル101の過充電時等には、電池内部にこれらの内部ガスが発生してアルミラミネート114の膨張を引き起こす。この際、特許文献１に開示されるような、内部ガスの噴出方向を特定する噴出部としての防爆弁が設けられたものでは、電池内の圧力が所定値以上に上昇した場合に、この防爆弁から電池内の内部ガスを電池外へ放出して、ガス抜きすることにより爆発を防いでいる。
【０００４】
このように、電池セル101は、過充電等により内部ガスが発生し、最悪ケースとして発煙、発火に至る虞があった。そこで、この安全上の問題を解決する方策として、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２）が、その電池パック内などに装置されている。特許文献２では、過放電保護回路や過充電保護回路を備え、過充放電時等に二次電池への充放電を禁止することにより、電池の発煙，発火を防いでいる。図４は、このような保護回路の機能を簡単に説明するブロック図である。電池保護回路103は、例えば電圧検出回路，電流検出回路，温度検出回路や制御回路などからなり、電池セル101の充電電圧，電池セル101の充放電電流，電池セル101の温度に関する情報が入力される。電池保護回路103は、これらの入力情報を監視し、当該入力情報が異常を示す所定の閾値以上となると電池セル101の充放電経路に挿入されたスイッチ104をＯＦＦにして、電池セル101への充電又は放電を停止させる。スイッチ104の停止不良等により充放電経路が遮断されなかった場合には、充放電経路に挿入されたヒューズ105が溶断することにより充放電経路が遮断され、電池セル101への充電又は放電を停止させる。これら電池保護回路103，スイッチ104，ヒューズ105などが電池セル101の安全を電気的に保護する電気的保護手段102として作用する。なお、電池保護回路103は、電池セル101を電池パック内に実際に装置する際には、一般的に、複数個の電池セル101を上下に重ねて形成された電池スタックとしての組セルの最上部に搭載される。
【特許文献１】特開平１１−２８３５９９号公報
【特許文献２】特許第２８６１８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、リチウムイオン電池の安全性は電気的保護手段102のような安全対策のみで考えられており、これが機能しなかった場合の安全性の検討はされていないのが現状であった。電池セル101のようなラミネート外装のリチウムイオン電池の場合、過充電等により定格以上の電圧が印加されると、電解液の分解によりアルミラミネート114内部にガスが発生し、アルミラミネート114自体が膨らむ異常現象が発生する。この状況が継続されると、アルミラミネート114の熱溶着部が開放し、電解液及び気化したガスが外部へ漏れ、最悪電池セル101が変形して内部短絡により熱暴走を引き起こし電池セル101が発煙・破裂する可能性があった。従って、何らかの原因で電気的保護手段102が機能しない場合には、電池セル101に発生する膨張や内部ガスの噴出などといった異常現象により電池セル101が発煙・破裂する虞があり、熱暴走温度に至る前の早い段階で確実に安全を確保できるような対策が望まれていた。とりわけ、推奨仕様でない充電器を用いて電池パックに充電を行った場合には、充電器側に適切な保護回路が入っていないため電池パック単独では安全性を確保できない。
【０００６】
リチウムイオン電池の場合、電解液に有機溶媒を使用しているため、発煙の可能性が他電池と比較して非常に高く、リチウムイオン電池の安全性が問題視されているのもそれが原因である。
【０００７】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、電気的な保護回路が機能しなかった場合でも熱暴走に至る前の早い段階で確実に安全を確保できるような電池パックの安全性システムを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明における請求項１の電池パックでは、正極材料と負極材料との間に絶縁のためのセパレータを挿入し、これらを積層した積層構造体を電解液と共にラミネート外装で封止してなる二次電池と、前記二次電池の異常時に前記二次電池の充放電経路を遮断する電気的保護手段とを備えた電池パックの安全性システムであって、前記電気的保護手段の一部又は全部の保護が機能不良を起こしたときに前記二次電池に発生する異常現象に応じた保護を機構的に行う機構的保護手段を設けている。
【０００９】
このようにすると、二次電池に発生する異常現象に応じて、機構的保護手段による信頼性の高い安全対策が行われているため、電気的保護手段による保護が機能しない場合でも、二次電池の熱暴走を確実に防ぐことができる。
【００１０】
本発明における請求項２の電池パックでは、前記電気的保護手段の保護が多重化されている。
【００１１】
このようにすると、一の保護が機能しなくても他の保護が機能することにより二次電池の充放電経路を確実に遮断できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１によると、電気的な保護回路が機能しなかった場合でも、機構的な保護により熱暴走に至る前の早い段階で確実に安全を確保できる。
【００１３】
本発明の請求項２によると、さらに電池パックの安全性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら、本発明における電池パックの安全性システムの好ましい実施例を説明する。なお、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。
【００１５】
図１は、本発明における電池パックの安全性システムの構成を示すブロック図であり、二次電池５は、ラミネート型リチウムイオン電池である複数個の電池セル101を、所定の電圧，容量となるよう、電気的に直列接続したものを上下に重ねて形成された組セルとなっている。本発明の安全性システムは、二次電池５をシステム的に保護する多重保護機能を有しており、電気的保護手段１と機構的保護手段４を併用して二次電池５に生じる異常現象に応じた電気的・機構的な保護対策により安全性を確保している。すなわち、従来からある電気的保護が機能しなくても、機構的保護が機能することで、電池パック単体で安全性が確保できるという利点を持っている。
【００１６】
電気的保護手段１は、例えば電圧検出回路，電流検出回路，温度検出回路や制御回路などからなる電池保護回路103と、Ｎ重（Ｎは２以上の任意の数）に多重化されたＮ重スイッチ２と、Ｎ重（Ｎは２以上の任意の数）に多重化されたＮ重ヒューズ３とから構成されている。Ｎ重スイッチ２は、例えば接点溶着等により一のスイッチがＯＦＦにならない停止不良時でも他のスイッチにより二次電池５の充放電経路を確実に遮断できるように、複数のスイッチを直列接続したものである。同様に、Ｎ重ヒューズ３は、二次電池５の充放電経路を確実に遮断できるように、複数のヒューズを直列接続したものである。
【００１７】
電池保護回路103は、従来例と同様に、二次電池５（電池セル101）の充電電圧，二次電池５の充放電電流，二次電池５の温度に関する情報が入力され、これらの入力情報を監視し、当該入力情報が異常を示す所定の閾値以上となると二次電池５の充放電経路に挿入されたＮ重スイッチ２をＯＦＦにして、二次電池５への充電又は放電を停止させる。Ｎ重スイッチ２の不良等により充放電経路が遮断されなかった場合には、充放電経路に挿入されたＮ重ヒューズ３が溶断することにより充放電経路が遮断され、二次電池５への充電又は放電を停止させる。
【００１８】
機構的保護手段４は、電池セル101ひいては二次電池５を熱暴走から機構的に保護するものであり、例えば、過充電等により発生する内部ガスで電池セル101のアルミラミネート114が変形（膨張）してセル内部短絡が発生しないように二次電池５全体に外圧をかけて変形を防止したり、熱暴走に至る前に二次電池５の電池機能を失わせるために電池セル101から電解液を故意に漏出させたり、電池セル101から漏出した電解液が電池パックのケースから外部へ漏れないようにしたり、電池パックのケースが破裂しないように圧抜きを行ったりするなどの作用を有する手段である。これらの作用を実現する具体的な構成については後述する。
【００１９】
次に、図２のフロー図を参照しながら本発明の安全性システムの保護動作の流れについて説明する。ここでの電池パックはＵＰＳ（無停電電源装置）に搭載されているものとする。同図では、電気的保護手段１の全ての保護が機能しない場合に機構的保護手段４が機能する流れになっているが、機構的保護手段４は電気的保護手段１の機能不良の有無に関わらず電池セル101ひいては二次電池５に変化が生じた時点で機能することは言うまでもない。但し、本実施例の電気的保護手段１は、過充電時等において二次電池５に膨張や内部ガスの噴出などの異常現象、すなわち何らかの物理的な変化が生じる前の早い段階で機能するように設計されているため、実際には、電気的保護手段１の一部又は全部の保護が機能しないときに機構的保護手段４が機能することとなる。
【００２０】
ステップＳ10〜Ｓ13ｂまでは二次電池５の充電電圧に関する電気的な保護であり、ＵＰＳ本体側で定電圧機能不良が起きる（ステップＳ10）と、電池セル101単体に印加される充電電圧が電池保護回路103により異常電圧として検出され、電池セル101単体で過電圧保護や低電圧保護が働き（ステップＳ11）、第１充電停止スイッチと第２充電停止スイッチがＯＦＦする（ステップＳ13ａ，Ｓ13ｂ）。或いは、複数の電池セル101を直列接続してなる電池パック（二次電池５）全体に印加される充電電圧が電池保護回路103により異常電圧として検出され、電池パック（二次電池５）全体で過電圧保護や低電圧保護が働き（ステップＳ12）、第１充電停止スイッチと第２充電停止スイッチがＯＦＦする（ステップＳ13ａ，Ｓ13ｂ）。なお、各ステップの右肩に記された丸や三角で囲まれた数字は多重化保護数を示すものであり、ここでは、セル単体と電池パック全体や、第１充電停止スイッチと第２充電停止スイッチで二重の保護がなされていることを表している。
【００２１】
ステップＳ20〜Ｓ26までは二次電池５の充電電流に関する電気的な保護であり、そのうちステップＳ21〜Ｓ23は充電時、ステップＳ24〜Ｓ26は放電時に関するものである。充電時では、ＵＰＳ本体側で定電流機能不良が起きる（ステップＳ20）と、電池保護回路103により電池パック全体で過電流保護が働き（ステップＳ21）、第１充電停止スイッチと第２充電停止スイッチがＯＦＦする（ステップＳ22ａ，Ｓ22ｂ）。第１充電停止スイッチと第２充電停止スイッチが停止不良によりＯＦＦしない場合には、電池パック側に設けられた充電用ヒューズが溶断する（ステップＳ23）。一方、放電時では、ＵＰＳ本体側で定電流機能不良が起きる（ステップＳ20）と、電池保護回路103により電池パック全体で過電流保護が働き（ステップＳ24）、第１放電停止スイッチと第２放電停止スイッチがＯＦＦする（ステップＳ25ａ，Ｓ25ｂ）。第１放電停止スイッチと第２放電停止スイッチが停止不良によりＯＦＦしない場合には、電池パック側に設けられた放電用ヒューズが溶断する（ステップＳ26）。
【００２２】
ステップＳ30，31は二次電池５の温度に関する電気的な保護であり、ＵＰＳ本体側で定電圧・定電流機能不良が起きる（ステップＳ30）と、電池パックの温度異常を温度センサが感知し（ステップＳ31）、電池保護回路103により、充電時には先程説明したステップＳ22ａ〜Ｓ23の保護動作となり、放電時には先程説明したステップＳ25ａ〜Ｓ26の保護動作となる。
【００２３】
上記、第１，２充電停止スイッチ及び第１，２放電停止スイッチは、図１のＮ重スイッチ２であり、充電用ヒューズ及び放電用ヒューズはＮ重ヒューズ３であり、これらにより二次電池５の充電経路又は放電経路が遮断されることで、二次電池５の充電又は放電が停止して安全が確保される。また、Ｎ重ヒューズ３には、電池パックに装着された温度ヒューズも含まれ、Ｎ重スイッチ２と充電用ヒューズ，放電用ヒューズなどの他のＮ重ヒューズ３が停止不良である場合には、二次電池５の温度上昇により温度ヒューズが溶断する（ステップＳ35）。
【００２４】
ステップＳ35から続くステップＳ40以降は、二次電池５に対する機構的な保護であり、当該機構的保護には電池パックのケースに関するものばかりでなく電池セル101自体に施した対策も含まれている。機構的保護手段４の具体的な構成としては、例えば、６直組セル（６個の電池セル101を直列接続した組セル）毎にケースに入れる、各電池セル101間にアルミ板及び断熱シートを挿入するなどがある。ここでは、２４Ｖ系では６直組セルが使用されることが多いため、６直組セル毎にケースに入れるようにしているが、組セルを構成する電池セル101の個数は特に限定されるものではない。また、機構的保護手段４の別の構成としては、例えば、電池セル101に過充電時等に発生する内部ガスにより開放するセル安全弁を設ける、電池セル101内部から漏出したガスや電解液を処理するガス処理部を設けるなどがある。
【００２５】
ステップＳ35で温度ヒューズが停止不良、すなわち温度ヒューズが溶断する前に内部ガスが発生した場合には、ケース，アルミ板により二次電池５が膨張しないように押さえられ、又はアルミ板，断熱シートにより二次電池５の温度上昇が抑えられて、電池セル101ひいては二次電池５の変形が防止される（ステップＳ40）。また、セル安全弁により電池セル101が熱暴走に至る早い段階で電池セル101の電解液を漏出させて電池機能を失わせ、漏出したガスや電解液をガス処理部により吸着，廃液処理等を行うことにより、これらのガスや電解液が危険な状態で電池パック外部へ漏れることが防止される（ステップＳ40）。その結果、二次電池５が熱暴走に至らず、電池パック外部へは周囲に危険を及ぼすものは何も出ない（ステップＳ41）。
【００２６】
万が一熱暴走に至ってしまった場合の機構的保護手段４の具体的な構成としては、例えば、電池パックケースの内圧上昇時に圧抜きを行う排気部を設けるなどがある。これにより、電池パック全体の破裂防止及び排気方向の固定がなされ（ステップＳ42）、ワーストケースが重なっても安全性を確保することができる（ステップＳ43）。
【００２７】
従来例のような電気的保護のみだと電気部品等の破損等を考えると、保護が機能しない確立は高いが、本発明の安全性システムでは機構で対策を行っているため、その信頼性が高く万が一という可能性がない。従って、電気的保護が入っていない電池パック単独でも、安全性は確保できるため、推奨仕様でない充電器を用いて電池パックを充電した場合でも発煙・破裂の可能性はない。
【００２８】
以上のように本実施例では、正極材料110と負極材料111との間に絶縁のためのセパレータ112を挿入し、これらを積層した積層構造体113を電解液と共にラミネート外装としてのアルミラミネート114で封止してなる二次電池５（電池セル101）と、二次電池５の異常時に二次電池５の充放電経路を遮断する電気的保護手段１とを備えた電池パックの安全性システムであって、電気的保護手段１の一部又は全部の保護が機能不良を起こしたときに二次電池５に発生する異常現象に応じた保護を機構的に行う機構的保護手段４を設けている。
【００２９】
このようにすると、二次電池５に発生する異常現象に応じて、機構的保護手段４による信頼性の高い安全対策が行われているため、電気的保護手段１による保護が機能しない場合でも、二次電池５の熱暴走を確実に防ぐことができる。従って、電気的な保護回路が機能しなかった場合でも、機構的な保護により熱暴走に至る前の早い段階で確実に安全を確保できる。
【００３０】
また本実施例の電池パックの安全性システムでは、電気的保護手段１の保護が多重化されている。
【００３１】
このようにすると、一の保護が機能しなくても他の保護が機能することにより二次電池５の充放電経路を確実に遮断できる。従って、さらに電池パックの安全性を高めることができる。
【００３２】
なお、本発明は、上記各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。本発明の電池パックとしてはリチウムイオン電池に限らず、同様の性質，課題を有する種々の電池パックに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施例における電池パックの安全システムの構成を示すブロック図である。
【図２】同上、電池パックの安全性システムの保護動作の流れを示すフロー図である。
【図３】従来例における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４】同上、電池パックの電気的保護手段の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  電気的保護手段
４  機構的保護手段
５  二次電池
110  正極材料
111  負極材料
112  セパレータ
113  積層構造体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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