JPS62210841A - 蓄電池保護用の閉回路形成シリコンダイオ−ド素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は広くは蓄電池技術に関する。さらに特定すれば
本発明は蓄電池の各単電池に分路して閉回路を形成し、
これによって蓄電池の多様なｔト電池の間の負荷を平均
化し、かつこの蓄電池内で単電池１個が故障したときに
、これを短絡するシリコンダイオード素子に関する。こ
の素子はたとえばすトリウム−いおう型のような高温度
蓄電池に特に応用することができる。

〔発明の背景〕

蓄電池はエネルギーを化学的エネルギーとして貯える。

再充電可能な蓄電池は、可逆的化学反応の形でエネルギ
ーを変換して貯えることができる型の蓄電池である。こ
の蓄電池を負荷に接続すると、可逆反応は蓄電モードか
ら放電モードに変って、電気エネルギーを発生して負荷
に、与える。

再充電可能な蓄電池には多くの周知の型がある。

もっとも多く使用される型はニソゲルーカドミウム型お
よび鉛−酸型であり、これらの蓄電池は一般に通常の周
囲温度で動作し、比較的少量のエネルギーを貯える。

比較的大量のエネルギーを貯えるので現在、使用が増加
しつつある他の型は、一般に［高温度蓄電池］といわれ
る。この型の蓄電池は、たとえばアルカリ金属−カルコ
ーゲン型、ナトリウム−いおう型、およびリチウムまた
はリチウム−ふっ化物型である。高温度蓄電池は、周囲
環境において３００〜５００℃の温度でエネルギーを貯
える必要がある。これらの高温度蓄電池は大量のエネル
ギーを貯えることができるが、極めて高温度という困難
な動作条件の下で使用しなければならない。これらの問
題を絹合せると、これらの蓄電池は周囲温度と固有の動
作温度との間で熱サイクルを行なうのでその信頼性が低
下する。これらの蓄電池を使用するときに、信頼性の高
い動作を継続できれば、極めて有利である。高温度蓄電
池を使用するとき、作業者が取扱うことができる程度に
蓄電池の部材を冷却するには、相当な冷却時間が必要な
ことを考慮すれば、故障なく動作を￥ａ続することが明
かに重要である。なお、冷却中には蓄電池を使用するこ
とができない。

蓄電池の単一の単電池の電圧は一般に、約０．５〜５ｖ
の範囲である。それは蓄電池の単電池がそのなかでおき
る化学反応の性質によって特定の電圧を有するためであ
る。この比較的低い電圧に比べて高い電圧を有する蓄電
池を作るには、多数の単電池を直列に接続して、各単電
池の電圧を金側して、高い電圧とすることが一般に行な
われる。

たとえばナトリウム−いおう型蓄電池は単電池１個の電
圧が約２Ｖであるので、４８Ｖの蓄電池を必要とすると
きには、単電池２４個を直列に接続しなければならない
。しかし、この直列接続は動作の信頼性および蓄電池の
効率の最大化の点で問題がある。

１つの問題は蓄電池の単電池１個が故障すると、回路が
開放状態となって、蓄電池全体を使用不能とする。上記
４８Ｖの蓄電池では、単電池２４個のうちの１個が故障
しても開放回路となるので、蓄電池全体を交換するかま
たは修理する必要がある。それ故、この問題を解決する
装置があれば、当業界に利益をもたらすことができる。

米国特許第２，６２４，０３３号はこのような装置の初
回の試みとして、直列に接続された各単電池にダイオ−
Ｉ゛を並列に配置することを教示する。正常時には充電
された単電池がこれらのダイオードに逆方向のバイアス
電圧を印加するように、ダイオードを配置する。１個の
単電池が開放回路となるか、または零電圧の近くまで放
電したときは、この単電池に分路を形成するダイオード
は順方向のバイアス電圧を印加されて、故障した単電池
は完全に短絡する。この特許の爪の欠点として、ダイオ
ードが特定の単電池に分路を形成するには、ダイオード
に順方向のバイアス電圧を印加して、正確に動作させな
ければならない。このダイオード゛は永久的な状態変化
をしないので、ダイオードが故障すると蓄電池は正常に
動作しなくなる。

米国特許第３，１０２，２２２号はこの問題を解決する
他の方法として、高温度触媒蓄電池に特定された装置が
蓄電池の単電池の温度を検出して、所定のアルゴリズム
によってこの単電池の状態を近似的に求めることを教示
する。スイッチ１は蓄電池と９荷装置との間に直列に接
続されており、正常時には閉しているが、蓄電池内で使
用する触媒の温度が所定の値を超ると開放するように設
けられている。しかしこの特許は、単電池の故障に応し
て各単電池を短絡する方法を教示していない。さらに、
この技術は高温度蓄電池の単電池に応用するだけである
。

米国特許第４，３０３，８Ｔ７号は、この問題に対する
他の解決方法として、直列に接続した電気化学的エネル
ギー貯蔵型の多数の単電池を教示する。各単電池に分路
を形成して、加熱装置に直列に接続したダイオードと感
温型スイッチとがある。好ましい実施態様として、単電
池が故障して開放回路となると、ダイオードは順方向の
バイアス電圧を印加されて加熱素子を付勢する。次にこ
の加熱素子は感温スイッチを加熱し、これは可溶性リン
クのように永久的に状態を変える。この感温スイッチは
、蓄電池の単電池の故障に応じてこのように永久的に状
態を変えるので、故障した単電池を効果的に短絡する。

ここで使用する一般的技術は極めて有効であるが、３０
０〜５００℃の高温度蓄電池内で使用する多くの要素は
比較的複雑であって実際の使用には適しない。本発明は
、ここに記載したすべての作用を行なうことができる単
一の要素によって、これらすべての問題を解決するもの
である。

本発明の作用は、ナトリウム−いおう型のような高温度
蓄電池において極めて効果がある。しかし、本発明はナ
トリウム−いおう型のような高温度蓄電池において極め
て有用であるが、この型の蓄電池にその使用を限定する
ものではなく、ニッケルーカドミウム型および鉛−酸型
のような低温度蓄電池にも多く使用することができる。

高温度蓄電池はその保守が困難であるので、これらの装
置は高温度蓄電池において、特にコストの面で合理化す
ることができる。

本発明の目的は−に記の問題点を解決することであって
、それには特殊な構成のシリコンダイオードを蓄電池の
各単電池に直列に配置し−ご閉回路形成素子とする。本
発明の好ましい実施態様（、［、シリコンダイオードを
閉回路形成素子とし、故障モードでは、その導電状態を
短絡回路に永久的に変えて、故障した単電池を有効に短
絡する。こらしてダイオードは可溶性リンクとして作用
して故障した単電池を永久的に短絡し、蓄電池としては
電圧を僅かに低下するが、その作用を継続することがで
きる。

本発明の他の目的を添付図面を参照して説明する。

〔好ましい実施態様〕

第１図は２個の単電池２０　、２２を有する本発明の蓄
電池を示す。単電池２０に分路して、素子２４が閉回路
を形成し、単電池２２に分路して素子２６が閉回路を形
成する。この蓄電池の電圧は端子２８　、３０の間で測
定する。第Ｆ図はこの蓄電池が充電モードであって、端
子２８　、３０に印加される全電流のうち、充電電流が
単電池２０に、漏洩電流が素子２４を通して、逆方向に
流れる。漏洩電流は典型的にはマイクロアンペアの程度
である。

第２図は放電モードにおける第１図の単電池２個の蓄電
池を示す。放電電流は端子２８　、３０で得られ、同様
な漏洩電流が逆バイアスモードのダイオード′を通して
流れる。直列の２個の単電池２０　、２０を通して端子
２８　、３０の間で放電電流が得られる。

第３図は本発明の実施態様の蓄電池３０を示す。

これは各単電池に並列に分路して、閉回路を形成する多
数の素子を有する。この実施態様で使用する蓄電池はナ
トリうムーいおう型であるが、他の型であってもよい。

蓄電池３０は単電池２４個を有し、そのうち４個のみを
第３および４図に示す。

第３図に示すように、蓄電池６０は多数の東電池を有し
、各単電池はこれに分路して閉回路を形成する素子を有
する。たとえば単電池４０には閉回路形成素子３２が分
路する。しかし、この蓄電池３０において、単電池４６
が故障すると、開放回路となる。そうなると、第３図に
示すように完全な充電路が存在しないので、単電池３０
は充電器４８によって充電されない。

第４図は負荷５０に接続した蓄電池６０を示す。

負荷５０に接続すると、放電電流が負荷５０に流れる。

単電池４６は閉放回路となっており、電流は閉回路形成
素子３６を通して順方向に流れる。

それ政争電池４６が開放回路となっても、蓄電池全体の
動作に影響を及ぼさない。この放電電流は単電池４２　
、４０を通して流れ、各単電池４２　、４０に接続した
閉回路形成素子３４　、３２を通して逆方向の漏洩電流
が流れる。

次に閉回路形成素子３６の動作を説明する。

第５図（ａ）は典型的な半導体ダイオードを示す。図示
の方向の放電電流を流すと、このダイオードは順方向に
バイアス電圧を印加される。ダイオードを順方向にバイ
アスすることの結果は、当業者に周知であり、またＮ　
ｅｆ４域７０およびＰ領域７２の相互作用の説明を省略
する。ダイオード゛内を電流が流れる結果として、この
電流のうち幾分かは熱となって放散する。典型的な従来
技術の半導体ダイオードにおいては、ダイオードが過熱
されると、第５図（ｂ）に示すように、パッケージが破
１員する。すなわち第５図（ｂ）のＰ−Ｎ接合を通して
電流が流れると過熱をおこす。その結果、導線７６はＰ
領域７２から離れてギャップ７４を形成する。しかし導
線７８はＮｆｉｌ域７０から離れない。

従来技術のダイオ−］゛における発熱の結果は、過電流
の状態となってパッケージを破損し、装置は開放回路と
なって、電流を導くことができない。

本発明の閉回路形成素子において過電流の状態になった
結果を第５図（Ｃ）に示す。本発明者は実験の結果、シ
リコンダイオ−「に固有な故障モードは短絡回路状態で
あることを見出した。しかし、通常のシリコンダイオー
ドは、この固有の故障モードとして、短絡回路状態とな
る前にパッケージが破損する。従って本発明は、過電流
の状態においてパッケージの破損が生しないように、特
殊な構造としたパッケージを使用する。このような構造
の装置を使用して過電流の状態とした結果を第５図（Ｃ
）に示す。この図では導線７６　、７８はシリコン基板
８０に固着されたままである。しかしシリコン基板８０
は溶融して短絡回路状態となった。この溶融は、本発明
者にもその機構が明かでないが、実験的に観察された。

第６図は開放回路状態の蓄電池の単電池を模式的に示す
。単電池９０は開放回路となり、これに接続する閉回路
形成素子９０は永久的に溶融して、故障した単電池を超
えて閉回路を形成する。

第７図は閉回路形成素子の動作ダイアグラムを示す。こ
の動作ダイアグラムは斜線を施した領域９９において溶
融した素子を示す。この素子を溶融する電流の量を特定
の電流において必要とする時間の関数として示す。たと
えば特定の閉回路形成素子を選ぶと、順電流５５Ａで、
この装置は３０秒で溶融する。４２Ａでは溶融時間は５
分であり、３０Ａより下では装置の溶融はおきない。こ
れらの電流の値は典型的であって、ナトリウム−いおう
型蓄電池を想定して選んだ。当業者に明かなように、使
用するシリコン基板の特性を適当に調節することによっ
て、どの値の電流に対しても溶融点を選ふことができる
ので、どの型の蓄電池にもこの閉回路形成素子を接続す
ることができる。第７図の、曲線１００は閉回路形成素
子が溶融状態に移行する典型的な過程を示す。曲線１０
０の上昇部分はダイオードが順方向にバイアス電圧を印
加されて大量の電流を導く期間を表わす。溶融を開始す
ると、この曲線は降下し始めて、溶融した素子の動作領
域を示す斜線の領域で終る。直線１０２はこの溶融した
素子の典型的な電圧・電流特性を示す。従ってこの素子
が順方向に大量の電流を導くときは、永久的な状態変化
を行なう。この変化がおきた後には、閉回路形成素子は
、溶融した可溶性リンクとして作用する。

第８図は本発明の好ましい実施態様のパッケージの配置
を示す。この閉回路形成素子ダイオードは第１の端子１
２０をケース１２２に付ける。ケース１２２はシリコン
ダイオード１２４と物理的に接触する。従って、この接
続は過電流の状態において切れることがない。あるいは
、ケース１２２をｉ）Ｉ］してシリコンダイオ−Ｆ１２
４にスタッド１２６をねし込んで取付けることもできる
。これによって第１の端子１２０をシリコンダイオード
に有効に接触させることができる。第２の端子１２８は
パッケージと物理的に接触していない。もし接触すると
パッケージを通して短絡するので、重負荷導線１３０で
シリコンダイオード１２４に接続する。この導線番才第
２の端子１２８およびシリコンダイオード１２４に溶接
して固着する必要があり、また短絡させるべき特定の蓄
電池の全短絡回路電流容量を安全に導くように選ぶ必要
がある。たとえば、この実施態様において、導線１３０
はナトリウム−いおう型蓄電池の場合に１０ＯＡに達す
る全短絡回路電流を導がねばならない。この適当な構成
によって、閉回路形成素子とパッケージとの一体性を確
保して、この素子が可溶性リンクとして作用するように
する。

以−ト、数例の好ましい実施態様を記載したに過ぎない
が、多様な変型が可能であることは当業者にとって明か
であろう。たとえば蓄電池としては、リチウム−ふっ化
物型、ニッケルーカドミウム型、鉛−酸型、またはここ
に記載したナトリウム−いおう型など、どの型の蓄電池
でもよい。従ってすべてのこれらの変型は特許請求の範
囲に含まれるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の単電池２個の蓄電池の充電モードの回
路図であり、 第２図は第１図に示す蓄電池の放電モードの回路図であ
り、 第３図は充電回路に直列に接続した多数のナトリウム−
いおう型単電池の回路図であり、第４図は負荷に接続し
た多数のナトリウム−いおう型単電池の回路図であり、 第５図は閉回路形成素子の半導体装置図であり、第６図
は溶融して永久的な導電状態となった閉回路形成素子を
有する単電池２個の蓄電池の回路図であり、 第７図は閉回路形成素子の溶融状態変化モードの動作ダ
イアダラムであり、 第８図は本発明による閉回路形成素子に使用する典型的
なパッケージの断面図である。 ２０．２２，４０．４２・・・単電池、２４．２６，３
２．３４．３６，８０，１２４・・・閉回路形成素子、
２Ｂ、　３０．１２０．１２８・・・端子、４６　、９
０・・・開放回路単電池、 ４８・・・充電器、　　　　５０・・・負荷、６０・・
・蓄電池、　　　　　９２・・・溶融した素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多数の単電池を有する蓄電池で使用する、単電池に
   分路して閉回路を形成するダイオード素子であって、 ダイオードｐ−ｎの接合が、極度の過電流条件において
   破損しない重負荷パッケージに収納されており、 このツェナーダイオードに所定の電流量が順バイアス方
   向に所定時間流れたときに、溶融して永久的な短絡回路
   状態となるように構成されていることを特徴とするダイ
   オード素子。 ２、前記所定の電流量が、蓄電池に期待される出力電流
   より少ない、特許請求の範囲第１項記載の素子。 ３、蓄電池の直列に接続した多数の単電池と、各単電池
   の陽極に陰極を接続し、各単電池の陰極に陽極を接続し
   て、各単電池にそれぞれ並列に接続して閉回路を形成す
   る多数のダイオード素子とを有し、 この閉回路形成素子が、所定の電流量が順方向に流れる
   ときに、溶融して永久的に短絡回路状態となるように構
   成されている ことを特徴とする蓄電池。 ４、蓄電池がナトリウム−いおう型である、特許請求の
   範囲第３項記載の蓄電池。 ５、蓄電池がアルカリ−カルコーゲン型である、特許請
   求の範囲第３項記載の蓄電池。 ６、直列に接続した単電池によって生ずる電圧を外部電
   源に結合するための端子手段を蓄電池に有する、特許請
   求の範囲第３項記載の蓄電池。 ７、蓄電池を充電するための充電手段を有する、特許請
   求の範囲第６項記載の蓄電池。 ８、所定の電流量が、蓄電池に期待される出力電流より
   少ない、特許請求の範囲第３項記載の蓄電池。 ９、各閉回路形成素子が重負荷パッケージに収納されて
   いる、特許請求の範囲第３項記載の蓄電池。 １０、蓄電池の直列に接続した多数の単電池と、各単電
   池にそれぞれ接続し、各単電池が完全に充電したときに
   、通常は逆方向のバイアス電圧が印加される多数のダイ
   オードとを有し、 このダイオードが、蓄電池の放電モードにおいて、過電
   流によって永久的な短絡回路状態となり、これによって
   開放回路の単電池を短絡するように構成されている ことを特徴とする蓄電池。 １１、蓄電池が高温度型である、特許請求の範囲第１０
   項記載の蓄電池。 １２、蓄電池の直列に接続した単電池に電気的に結合さ
   れていて、蓄電池の電圧を導く端子手段を有する、特許
   請求の範囲第１０項記載の蓄電池。 １３、単電池とダイオードとを収納する蓄電池ケーシン
   グを有する、特許請求の範囲第１２項記載の蓄電池。 １４、蓄電池が高温度型である、特許請求の範囲第１３
   項記載の蓄電池。