CN100373683C - 聚合物ptc元件 - Google Patents

Abstract

采用了具有导电性聚合物的过电压保护元件，其中，该导电性聚合物在设工作时的功耗为P、二次电池单元满充电时的电压为V的情况下，当电阻值大于等于V²/P时就发生热击穿。

Description

聚合物PTC元件

技术领域

本发明特别涉及作为聚合物PTC元件的PTC元件、过电压保护元件以及电子设备。本申请以特愿2003-62138号为基础申请，并采用了该内容。

背景技术

便携电话、数字照相机、摄像机、笔记本电脑等各种便携电子设备的电源通常采用通过充电而可以反复利用的二次电池。作为该二次电池，基于要求其小型化和长时间使用而广泛使用具有高能量密度的锂离子电池。然而，锂离子二次电池一旦过充电，则可能会导致电池性能劣化或破损，因此充电时需要防止过充电。

例如，特开2000-31302号公报中公开了当发生过充电时用于保护锂离子二次电池的保护装置。也就是说，在该保护装置中，在充电电路内设置PTC元件及保险丝(低熔点金属)，当锂离子二次电池处于过充电状态时，通过增大PTC元件的电阻值来抑制向锂离子二次电池充电的充电电流。当PTC元件因反复动作引起的温度累积等原因而导致温度过度上升时，该保护装置熔断上述保险丝，从而阻断向锂离子二次电池充电的充电电流。

特开2002-150918号公报中公开了：以包夹PTC元件的方式连接在一对外部连接用端子之间，并且使任意一个外部连接用端子具有保险丝功能的保护元件。在该保护元件中，当达到比PTC元件的工作温度高的温度条件时，上述保险丝功能将工作。

但是，在上述保护装置和保护元件中，为了借助于由过充电导致的电池的发热来使PTC元件工作后低熔点金属开始工作，就需要等待过充电的电池的进一步发热。为了对此进行改善，考虑采用熔点更低的低熔点金属并立即使低熔点金属工作的方法。但是，在该方法中，使用时仅仅处于高温环境下低熔点金属便熔断，导致该方法并不实用。

发明内容

本发明鉴于上述问题点而提出，其目的在于：提供一种可以防止充电时由二次电池上的过电压引起的二次电池破损或性能降低的装置。

为了解决上述问题，本发明采用了下列手段：

即，其特征在于：本发明的PTC元件设置在二次电池的充电电路内，在设PTC元件工作时PTC元件的功耗为P、上述二次电池满充电时充电电路中的电压为V的情况下，当PTC元件的电阻值大于等于V²/P时就PTC元件就会发生热击穿。

根据上述PTC元件，当发生向二次电池的过充电时，施加到PTC元件的电压也将超过二次电池满充电时的电压V。此时的PTC元件由于电阻值大于等于V²/P而引发热击穿，致使温度急剧上升。这样，就能够以PTC元件被热击穿的形式来检测二次电池上产生的过电压。

这里，所谓的“当电阻值大于等于V²/P时就发生热击穿”是指如果电阻值超过V²/P则立即开始热击穿，当然不包含电阻值远远超过V²/P后才开始热击穿的情形。在这一点上，与现有的PTC元件有很大不同。特别是，如果设置PTC元件使得由于发生过充电而导致二次电池发热时所产生的热量使PTC元件工作，则可以更有效地检测过电压。

因此，根据上述PTC元件，能够以PTC元件发生被热击穿的形式检测出产生在二次电池上的过电压，因而，可以根据此时的PTC元件的温度关闭充电电路。这种情形下，由于能够阻止充电时的二次电池产生过电压，故可以防止二次电池的破损或性能降低。

本发明的过电压保护元件涉及一种设置在二次电池的充电电路内、当发生上述二次电池的过电压时阻断向上述二次电池的电力供给路径的过电压保护元件，其特征在于，包括：上述本发明的PTC元件；以及导电体，热电连接在上述PTC元件上，当上述PTC元件达到大于等于热击穿时的温度时便阻断上述电力供给路径。

根据上述过电压保护元件，当向充电时的二次电池施加过电压时，PTC元件将发生热击穿并高温化。该高温化所产生的热量传导到被热连接的导电体后对其进行加热。通过该加热，导电体检测到PTC元件处于热击穿状态，并阻断电力供给路径。由此，充电电路不能恢复，即变成所谓的开路模式。

因此，根据上述过电压保护元件，当充电时的二次电池上产生过电压时，PTC元件检测出该情况而导电体阻断电力供给路径，故能够可靠地阻止充电时的二次电池上产生过电压并防止其破损或性能降低。

本发明的电子设备，包括：容纳二次电池的电池容纳部、以及向容纳于上述二次电池容纳部内的上述二次电池提供电力的充电电路，其特征在于：在上述充电电路内设置有上述本发明的过电压保护元件。

根据上述电子设备，可以防止施加过电压所引起的二次电池的损伤，故可以防止二次电池的破损。由此，可以防止由于二次电池的破损而导致电子设备受损。

附图说明

图1是具有本发明的过电压保护元件的电子设备的第1实施方式的示意图，并且是电池组的内部构造的说明图。

图2A和图2B是同一过电压保护元件的示意图，图2A为其平面图，图2B为其侧面图。

图3是表示设置于同一过电压保护元件上的导电性聚合物的PTC特性的图表，横轴表示导电性聚合物的温度，纵轴表示导电性聚合物的电阻。

图4A和图4B是本发明的过电压保护元件的第2实施方式的示意图，图4A为其平面图，图4B为其侧面图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的PTC元件、过电压保护元件、以及电子设备的各实施方式，但本发明当然并不限于此。

在各实施方式的说明中，以本发明的电子设备是便携电话等的电池组的情形为例进行了说明。但本发明的用途并不限于便携电话，亦可适用于数字照相机、摄像机、笔记本电脑、以及其他的电子设备。

[第1实施方式]

首先，参照图1至图3，说明本发明的第1实施方式。

如图1所示，本实施方式的电池组(电子设备)1由下列器件构成：二次电池单元(二次电池)2、接受外部的电力并提供给二次电池2的充电电路3、形成了容纳上述器件的容纳部4a的壳体4。

上述二次电池单元2是正极材料采用了含锰材料的锂离子二次电池，包括正极2a和负极2b。

上述充电电路3包括：当产生二次电池单元2的过电压时阻断向该二次电池单元2的电力供给路径的过电压保护元件3a、连接该过电压保护元件3a和上述正极2a之间的布线3b、连接过电压保护元件3a和后述的外部负极端子4b之间的布线3c、以及连接负极2b和后述的外部正极端子4c之间的布线3d。

上述壳体4是例如由树脂成形品构成的容器，包括：在与安装了该壳体的电子设备之间输入输出充放电电流的外部负极端子4b和外部正极端子4c。

如图2A、图2B所示，上述过电压保护元件3a包括：导电性聚合物(PTC元件)5、直接连接在该导电性聚合物5一端侧的低熔点金属材料(导电体)6、直接连接在另一端侧的引线7、直接连接在低熔点金属材料6一侧以便与该引线7共同将导电性聚合物5和低熔点金属材料6包夹在其间的另一条引线8。

导电性聚合物5俯视时为呈长方形的板状部件，例如是对聚乙烯和碳黑混合而成的混合物进行反射线交联而得到的高分子树脂体。该导电性聚合物5的内部在常温下碳黑粒子彼此连结在一起而存在，故形成电流流过的多个导电通路并发挥良好的导电性。另一方面，该导电性聚合物5具有如下特性：一旦由于周边环境温度的上升或流过导电通路的电流的过电流化等原因引起热膨胀，则碳黑的各粒子之间的距离增大并导致导电通路被切断，因而导电性急剧降低(电阻增大)。为了降低引线7和低熔点金属材料6的接合部分的电阻而在该导电性聚合物5的上下表面设置了金属箔，但在图中省略了该图示。

象这样，导电性聚合物5具有由于自身的热膨胀而使导电性发生改变的PTC特性(正的电阻温度特性。在此，所谓PTC是PositiveTemperature Coefficient(正温度系数)的缩写)。采用图3对该PTC特性进行说明。

如图3的曲线所示，导电性聚合物5的工作区域大致分为3个区域。也就是说，第1区域A是由于过电流或发热而造成导电性聚合物5不工作的区域，并且是充电时的通常使用区域。在该第1区域A中，导电性聚合物5的电阻较低。

第2区域B是由于过电流或热而使导电性聚合物5工作的区域。在该第2区域B中，由于过电流或者热，导电性聚合物5的电阻急剧增大。例如，当二次电池2短路而流过过电流的情形，如果设导电性聚合物5工作时的功耗为P、电阻为R、电压为Vp(该电压Vp与二次电池单元2的当前电压相等)，则P＝Vp²/R。在该第2区域B中，因为没有施加过电压，因而能够恢复(reset table)到低电阻(第1区域A)。在过充电等工作时被施加了过电压的情形下，转移到第3区域。

该第3区域C被称为热击穿区域，电阻R的上升赶不上电压Vp的上升，导致导电性聚合物5的温度急剧上升到T2以上。该温度T2下的工作点是热击穿开始点，并且此时的电阻值是R2。在现有的锂离子二次电池中，仅考虑到提高耐电压性而将该电阻值R2设定在例如1000Ω的高电阻值。该电阻值是比热击穿开始点的电阻值高很多的电阻值。

与此相对，本实施方式的导电性聚合物5设定热击穿开始点的电阻值R2，使得在设功耗为P、二次电池单元2满充电时的电压为V的情况下，当电阻值大于等于V²/P就发生热击穿。例如假想使用于锂离子二次电池，设功耗P为1W、二次电池单元2满充电时的电压V为4.2V时，该电阻值R2约为16Ω，与现有的电阻值相比低很多。通过将上述较低的电阻值R2用于热击穿开始点，从而在二次电池单元2上施加过电压而破损之前，可以可靠地检测出来。

将上述低电阻值作为热击穿开始点的导电性聚合物5通过减少放射线交联时的放射线量或调整所添加的碳黑的量而获得。

上述低熔点金属材料6是形成为矩形形状的金属部件，热电连接在导电性聚合物5上。该低熔点金属材料6具有当被加热到规定温度以上时发生熔断的特性。在本实施方式中，使该规定温度与导电性聚合物5达到热击穿开始点时的温度T2相吻合。

低熔点金属材料6的熔断位置例如为图2A、图2B的虚线所示的位置。这样通过熔断为2部分，能够物理(电)性切断引线7和8之间，并断开充电电路3立刻切断电力供给路径。

上述引线7和8分别连接在上述布线3b和3c上。因此，按照二次电池单元2的负极2a、布线3b、引线8、低熔点金属材料6、导电性聚合物5、引线7、外部负极端子4b的顺序进行电连接。

下面说明向电池组1的充电工作，该电池包括具有上述说明的结构的本实施方式的过电压保护元件3a。

首先，将该电池组1安装到充电器上开始充电。或者直接安装在将该电池组1作为电源的电子设备上，经由该电子设备进行充电。

这时，如果由于充电器或电子设备的缺陷导致二次电池单元2上产生过电压，则二次电池单元2发热，导电性聚合物5由于该发热而工作(第2区域B)。这时，施加到导电性聚合物5的电压超过满充电时的电压V。此时的导电性聚合物5由于电阻值大于等于V²/P，故其工作点超过上述热击穿开始点而进入热击穿区域(第3区域C)，并急剧升温。该高温所产生的热传导到热连接的低熔点金属材料6而对其进行加热。通过该加热使温度达到T2以上，故低熔点金属材料6检测出导电性聚合物5处于热击穿状态后自行熔断，切断电力供给路径。由此，切断向二次电池单元2进一步供给充电电流。这样，当由于过电压而导致过充电时，提供无恢复性的所谓开路模式的充电电路。

另一方面，当导电性聚合物5工作时所施加的电压小于等于满充电时的电压V时，起到具有恢复性的过电流-过热保护元件的作用。

根据具有上述说明的本实施方式的过电压保护元件3a的电池组1，当充电时的二次电池单元2上产生过电压时，导电性聚合物5检测出该情况从而低熔点金属材料6切断电力供给路径，故可以可靠地阻止充电时的二次电池单元2上产生过电压，并能够防止其破损或性能降低。

[第2实施方式]

继而，以下采用图4A和图4B说明本发明的第2实施方式。在本实施方式的说明中，以与上述第1实施方式的区别为中心进行说明，其他与上述第1实施方式相同的部分采用相同的标记，并省略其说明。

如图4A和图4B所示，本实施方式的过电压保护元件3a中，并不是对导电性聚合物5和低熔点金属材料6之间的连接进行直接连接，而是在二者之间通过由镍或铜材料构成的引线10来连接的。即，将低熔点金属材料6连接在引线10的一端侧，并且将导电性聚合物5连接在另一端侧。该引线10与上述第1实施方式一样，对导电性聚合物5和低熔点金属材料6间进行电热连接。

在本实施方式中，亦可获得与上述第1实施方式同样的作用效果。除此之外，本实施方式的过电压保护元件3a借助于引线10来增强导电性聚合物5和低熔点金属材料6之间的连接强度，因而能够在结构上保证更高的强度。

在上述各实施方式中，本发明的过电压保护元件3a安装在充电的电池组1上，但并不限于此，也可以设置在给电池组1充电的充电器或电子设备上。

在上述各实施方式中，以检测导电性聚合物5的热并切断电力供给路径的导电体是低熔点金属材料6的情况为例进行了说明，但只要能够切断电力供给路径即可，也可以采用热敏电阻开关等其他的部件。

根据本发明的PTC元件，由于能够以PTC元件被热击穿的形式检测出二次电池上产生的过电压，故例如可以根据此时的PTC元件的温度而关闭充电电路。该情况下，可以阻止充电时的二次电池上产生过电压，因此能够防止二次电池的破损或性能降低。

Claims (3)

1.一种设置在二次电池的充电电路内的PTC元件，其特征在于：

假定PTC元件工作时PTC元件的功耗为P、所述二次电池满充电时充电电路中的二次电池的电压为V的情况下，当PTC元件的电阻值大于等于V²/P时PTC元件就发生热击穿。

2.一种过电压保护元件，设置在二次电池的充电电路内，当产生所述二次电池的过电压时切断向所述二次电池供给电力的电力供给路径，其特征在于，包括：

权利要求1中记载的PTC元件；以及导电体，热电连接在所述PTC元件上，当所述PTC元件达到热击穿时的温度或更高时切断所述电力供给路径。

3.一种电子设备，具有：容纳二次电池的电池容纳部；以及向所述二次电池供给电力的充电电路，其特征在于：

设置有权利要求2所述的过电压保护元件。

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