ヒューズとは?単電池や組電池におけるヒューズの役割

ヒューズとは?単電池や組電池におけるヒューズの役割

 

こちらのページでは電池や電力関係の基礎的な用語である

 

・ヒューズとは?

 

・単電池や組電池におけるヒューズの役割

 

について解説しています。

 

 

ヒューズとは?

 

電池などの電気的なデバイスにおいて、一定以上の大電流を流すとジュール熱(I^2Rの発熱量/時間)により異常発熱が起こり、電池、特にリチウムイオン電池ではが破裂・発火など危険な状態になることがあります(異常発熱の原因は他には過充電などが挙げられます。

 

そこで、ヒューズと呼ばれる一定以上の大電流が流れた際に電気回路、つまり通電を遮断する電子部品が電池などのデバイスに組み込まれていることが多いです。

 

ヒューズにもいくつか種類があり、温度によってヒューズが切れるものや通電電流値や通電時間、または電圧などによりヒューズが切れるものがあります。

 

ヒューズは一般的に低融点である金属が使用され、最近ではAl(アルミニウム)やMg(マグネシウム)、Zn(亜鉛)、Sn(スズ)などの合金を使用されることが多いです(以前はPb(鉛)も多く使用されていましたが、最近ではPb(鉛)フリーの方向に向かう時代の流れもあり徐々に下火になっています)。

 

また、他の金属を使用していたとしても、極端に他の回路より補足した設計であったりと、構造的なアプローチから工夫をすればヒューズとしても採用できるでしょう。

 

 

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電池におけるヒューズの役割

 

電池分野におけるヒューズは、

 

@大電流通電時に熱暴走に至らないようにするためと
A過充電に至らないようにするため

 

という役割で使用されていることが多いです。

 

主に組電池として単電池を組む際のBMU(Battery Management Unit:電池監視装置)内にヒューズが組み込まれています。

 

@の大電流通電時の対策用のヒューズでは、通電電流値や通電時間の両方の観点からヒューズが作動する条件が考慮されています(例えば、ラミネート型電池では大電流通電時タブの温度が非常に高くなる場合が多く、ここの温度上昇に伴い、ラミネート材(アルミラミネート)が溶け電池の短絡、熱暴走に至る場合があります)。

 

電池の自己発熱、放熱のバランスにもよりますが、例えば電池の容量が5Ahサイズの電池に対して200Aで通電時は20sでヒューズが溶断し、500Aでは5sで溶断するなどといった条件により、電池が熱暴走に至る前にヒューズが作動するようにされています。

 

(特に電池のSOCが高い状態から大電流放電を行いますと、通電できる電気量が多いため、通電時間も伸びる傾向にあるためよりヒューズが作動しやすくなります)

 

 

また、Aの過充電時の対策用ヒューズでは、電圧条件からヒューズが作動する条件が考慮されています。

 

例えば、正極にコバルト酸リチウム負極に黒鉛使用の一般的なリチウムイオン電池では、充電上限電圧がおよそ4.2Vとしますが、これ以上の電圧で長時間充電し続けますと過充電になり、熱暴走に至る場合があります。

 

そのため、例えば4.5Vになるとヒューズを溶断させるための電流が流れ、ヒューズの溶断を起こすように設計されています。

 

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