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発明の名称 二次電池システム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−89743
公開日 平成6年(1994)3月29日
出願番号 特願平4−240358
出願日 平成4年(1992)9月9日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 後藤 明弘 / 堀場 達雄 / 水本 守 / 本棒 英利 / 西村 勝憲
要約 目的
直列結線リチウム二次電池モジュール内の単電池の転極を事前に予測検知し、警報ランプによって特定すると共に、残された電池でもって継続してモジュールとしての使用を可能とした2次電池のシステムを提供する。

構成
直列結線リチウム二次電池モジュール内の単電池の電圧と、電圧変動状態を微分回路等を用いて把握する。
特許請求の範囲
【請求項1】複数個の単電池を直列に接続した電池群を接続して成る集合型二次電池群において、充放電を繰り返して使用する過程で、個々の単電池の転極を前もって予測検出し、異常表示をするとともに、異常単電池の使用を中止する機能を備えたことを特徴とする二次電池システム。
【請求項2】複数個の単電池を直列に接続した電池群を接続して成る集合型二次電池群において、充放電を繰り返して使用する過程で、放電時の電圧とこの電圧の変動状態を電圧を放電電気量に対して微分した値等を用いて把握し、これにより個々の単電池の転極を前もって予測検出し異常表示をするとともに、異常単電池の使用を中止する機能を備えたことを特徴とする二次電池システム。
【請求項3】複数個の単電池を直列に接続した電池群を接続して成る集合型二次電池群において、充放電を繰り返して使用する過程で、放電時の電圧とこの電圧の変動状態を電圧を放電電気量に対して微分した値等を用いて把握し、これにより個々の単電池の転極を前もって予測検出し異常表示をするとともに、異常単電池の使用を中止する機能を備え、異常検出信号により単電池の配線が自動的に切り替えられ、連続的に使用しうることを特徴とする二次電池システム。
【請求項4】複数個の単電池を直列に接続した電池群を接続して成る集合型二次電池群において、充放電を繰り返して使用する過程で、放電時の電圧と電圧の変動状態を電圧を放電電気量に対して微分した値等を用いて把握し、個々の単電池の転極を前もって予測検出し異常表示をするとともに、異常単電池の使用を中止する機能を備え、異常検出信号により自動的に切り替えられ、単電池が集合型二次電池群から着脱しうるようにしたことを特徴とする二次電池システム。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アルカリ金属を負極活物質とする二次電池システムに係り、特に二次電池を構成している単電池の転極を前もって予測検出,表示,配線切り替え装置を備えた二次電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】一般に二次電池を複数個直列接続して用いる場合には、電気容量の一番小さい単電池が他に先行して放電を終えるため、その後は他の電気容量の大きな単電池により強制放電させらて、電圧が0V以下の転極状態になる。このような過放電から転極状態になった場合、正極上へ負極活物質であるアルカリ金属が析出する逆充電反応が起き、事故にいたる危険性が生じる。このような転極状態の発生を避けるために、例えばNi−Cd電池では単電池の電気容量がほぼ似たようなものを選定して使用したり、アンダーカット回路を装備したりしている。一方、リチウムを負極としたリチウム二次電池では単電池ごとにダイオード素子を接続し充電時過充電を防止し、結果的に各電池がそろって充電されるようにして、転極状態の発生を避けたリチウム二次電池が提案されている(特開昭61−206179号)。また、直列接続する各電池に並列に抵抗を接続して放電末期に転極を起こしても電池性能が劣化しないリチウム二次電池が提案されている(特開昭61−206178号)。
【0003】上記の従来技術は転極防止や、転極による弊害を少なくすることを目的としており、転極現象の予測検出を目的としてはいない。電池の転極現象から事故を起こした場合、電池としての再使用が不能と成るばかりで無く、安全上問題と成る。また著しく製品としての信頼性も損なわれてしまう。このため、単電池の転極を前もって予測検出し、事故を未然に防止することは、非常に重要である。
【0004】従来から、電池の劣化状態検出法としては以下の3方法が考えられてる。■電極の抵抗値計測による検出法,■電極の温度変化計測による検出法,■電圧計測による検出法。これらの方法のうちで■の電極間の抵抗値計測による検出法は単電池の寿命予測等には適しているが、転極によって電極の抵抗値は顕著に変わるものとは考えにくいので、転極現象の検出には不向きである。■の電極の温度変化計測による検出法は転極状態になった場合、正極上へ負極の活物質であるアルカリ金属が析出することからショート状態と成るため、急激な温度上昇が想定されるので、電池の転極現象の検出方法として使用しうる。たとえば、電池の近傍に熱電対を設置しこの熱電対の熱起電力測定値又は熱起電力の微分値等を用いて転極現象の把握が可能となる。しかしこの方法では、検出時点で既に転極現象が起こっており、転極現象による事故を未然に防止することには適当でない。
【0005】一方■の電圧計測による検出は転極現象の発生機構に基づいているため、事前に検出する確率は他の方法に比べて高くなる。単電池を複数個直列に接続した場合は、モジュールの電圧測定だけではモジュール内の異常単電池の予測検出を目的とした単電池の特定は困難である。またモジュール内の単電池の電圧測定による基準下限電圧監視だけでも、異常現象の予測検出に対しては不十分であり、基準下限電圧時点での電圧の変動状態の把握が必要となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明では、集合型二次電池を構成している個々の単電池個々の転極を前もって予測し事故に至らしめないと共に、連続的に二次電池システムとして使用しうることを目的としたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は二次電池を複数個直列接続して用いる場合には、電気容量の一番小さい単電池が他に先行して放電を終えるため、その後は他の電気容量の大きな単電池により強制放電させらて、電圧が0V以下になってしまうというような放電特性に着目して電圧が下限以下に成った時点での放電電圧と放電電圧の変動状態を把握して単電池の異常を予測検出しようとしたものである。具体的な放電電圧の変動状態の把握方法としては、下限電圧以下に成った時点での放電電圧の放電電気量に対しての変動量を用いてその傾きから、単電池の異常を予測検出しようとしたものである。例えば、1Ah級のリチウム二次電池においては、設定下限電圧を0.5V としたとき、この時点での微小単位時間あたりの放電電圧低下率を微分回路を用いて求め、これを単位微小時間あたりの放電電気量に換算して放電電気量に対する放電電圧の微分値として求め、この低下率の絶対値が10mV/mAh以上の場合は、放電電気量が50mAh以内でこの単電池は転極を生じることを本発明者等の検討結果から明確にしているが、このような値を用いて単電池の転極を前もって予測し検出しようとしたものである。尚、このような目的に対しては基準下限電圧付近での電圧監視を1点以上とし、これらの微分値の変化状況から異常現象の検出を行った方が、その検出精度は一層向上する。また、特に微分回路を使わなくても下限電圧付近で複数個の電圧だけを計測してこれらの計測電圧と放電電気量のそれぞれの変化量からも本発明の目的は達成される。
【0008】さらにこの異常予測検出信号により、モジュール内の異常単電池は該当警報ランプ等の表示手段により特定され、配線の切り替えにより電池としての使用を中止するとともに他の健全な単電池でもって電池としての安全な使用を継続的に行えるようにする。そのため、電池の放電動作に中断が生じない。さらにモジュールからの単電池の脱着が容易な構造とすることにより直列結線したモジュール内の単電池全てを廃棄すること無く、異常な単電池だけを交換する方式となるので省資源的である。又本発明では前述のように単電池1個1個が着脱可能な構造に成って独立して設置されているため、転極による事故は最小単位で食い止められるので安全である。
【0009】
【作用】本発明おいては複数個の単電池を直列に接続した電池群単電池1個1個の放電電圧とその放電電気量に対する放電電圧の変動状態から、単電池の転極による事故発生前に、前もってこれを予測し、検出しようとしたものである。
【0010】
【実施例】以下実施例により詳細に説明する。
【0011】実施例1.図1に本発明になる二次電池システムの一実施態様を示す。
【0012】電流は交流母線1からスイッチ2を介して負荷3とインバータ/整流機4が接続されており、4には更に充放電制御装置5を介して単電池群6が直列に接続されている。充放電制御装置5は電流の大きさと方向を検出し充放電を制御する。これにより充電量及び放電量を検知し充放電制御を行うとともに単電池の電圧検出演算部7からの信号で単電池の異常現象を予測しそれを検出して、全ての単電池の1個1個に対応させて設置されている警報表示部13の該当ランプを点灯させるとともに該当単電池の配線切り換えを配線切り換えスイッチ20の該当スイッチを用いて行った。なお本実施例で用いた単電池の正極材はLiMn24で、負極材はLi−Pb合金であり、5cm×7cmのものを組み合わせて単電池とした。これを5個直列に組み合わせて1Ah級のモジュールとした。
【0013】放電開始により個々の単電池から単電池電圧計測用導線14〜19を介して電圧検出演算部7につながれ電圧の測定が開始される。測定電圧が基準下限電圧値(0.5V )に到達した時点で微分回路を用いて単位微小時間内における電圧変動量と充放電制御部5に記憶されている単位微小時間内における放電量を用いて単位放電量に対する電圧の低下率を求めてこれを放電電圧の放電電気量に対する微分値とし、その値の絶対値が設定値(10mV/mAh)より大きい場合は該当単電池は放電電気量が10mAh以内で転極を起こす可能性が高いと判断し、警報表示部13の該当ランプを点灯させるとともに配線切り替え信号線14を介して配線切り換えスイッチ20を用いて、配線の切り換えを行い該当単電池がそれ以上放電しないように電流の切断およびモジュールとして継続して使用しうるように配線の切り換えを行う。これにより転極を予測検出し電池としての使用を中断すること無く、安全に使用できるようになることができた。
【0014】実施例2.本実施例における二次電池システムを集合型二次電池に適用した場合の概要は実施例1と同じなので実施例1に示した図1を用いて実施例2を説明する。本実施例の特徴は、基準下限電圧付近での複数個の電圧値を利用し、これらの微分値から、より高精度に異常現象を予測検出した事である。
【0015】放電開始により、個々の単電池の電圧測定を開始し、測定電圧が基準下限電圧値に到達した時点で微分回路を用いて放電電気量に対する放電電圧の微分値の絶対値を求め、その値をD1 として記憶させておく。さらに基準下限電圧値到達時点後の放電電気量1mAh毎に更に2回電圧の微分値の絶対値を読み取りこれをそれぞれD2,D3として記憶させておく、これらの数値を呼出し・D1≧10mV/mAh・D1−D2≦1mV/mAh・D2−D3≦1mV/mAhの条件を満足すれば放電電圧が基準下限電圧値付近でほぼ直線的に低下し放電電気量が50mAhで放電電圧は0ボルトと成り、該当単電池は転極を起こす可能性が高いと判断し、警報表示部13の該当ランプを点灯させるとともに配線切り換えスイッチ20を用いて、配線の切り換えを行い該当単電池がそれ以上放電しないように電流の切断およびモジュールとして継続して使用しうるように配線の切り換えを行う。これにより転極を予測検出し電池としての使用を中断すること無く、安全に使用できるようになることができた。
【0016】実施例3.本実施例の特徴は、特に微分回路を用いないで放電電気量に対する放電電圧の変動状態を把握することによっても転極による異常現象を予測検出しうることを示したものである。
【0017】本実施例は実施例1の図1を用いて説明する。放電スタート後基準下限電圧に到達した時点で、放電電圧と放電電気量を一端記憶さる。その後この作業を放電容量間隔1mAhで3回繰り返し、これら3回分の放電電圧をそれぞれV1,V2,V3,として記憶させ、V3を計測時点でこれらの数値を呼出して|V1−V2|−|V2−V3|≦1mVの条件を満足すれば該当単電池は80mAh以内の放電で転極を起こす可能性が高いと判断し、警報表示部13の該当ランプを点灯させるとともに配線切り換えスイッチ20を用いて、配線の切り換えを行い該当単電池がそれ以上放電しないように電流の切断およびモジュールとして継続して使用しうるように配線の切り換えを行う。これにより特に微分回路を用いないでも電圧値とその電圧の変化量から転極を予測検出し電池としての使用を中断すること無く、安全に使用できるようになることができた。
【0018】
【発明の効果】本発明により、複数個の単電池を直列に接続して成る集合型二次電池において、転極を前もって予測検出し、事故を未然に防ぎ、信頼性の高い集合型二次電池の提供が可能と成り、また転極による電池の廃棄が最少ですむ為に省資源の点で効果的である



 

 


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