CN104508783A - 保护元件及电池组 - Google Patents

Abstract

为了得到能够容易熔断并且可靠地分开熔化焊料的保护元件，保护元件（10）具备：绝缘基板（11）；层叠在绝缘基板（11）并被绝缘部件（15）覆盖的发热体（14）；电极（12）（A1）、（12）（A2）；在绝缘部件（15）上以与发热体（14）重叠的方式层叠的发热体引出电极（16）；以包围发热体引出电极（16）的周缘部的方式形成的保护层（6）；以及两端与电极（12）（A1）、（12）（A2）连接并且中央部在保护层（6）的开口（6a）中与发热体引出电极（16）连接的可熔导体（13）。可熔导体（13）包括厚壁部（13a）和薄且扁平地成型的薄壁部（13b）。保护层（6）在可熔导体（13）的薄壁部（13b）和发热体引出电极（16）连接的部分中开口，以包围发热体引出电极（16）的周缘的方式形成。

Description

保护元件及电池组

技术领域

本发明涉及通过熔断电流路径而保护连接在电流路径上的电路的保护元件。本申请以在日本于2012年8月1日申请的日本专利申请号特愿2012－171333为基础主张优先权，通过参照该申请，引用到本申请。

背景技术

经充电能够反复利用的二次电池大部分被加工成电池组而提供给用户。特别是重量能量密度高的锂离子二次电池中，为了确保用户及电子设备的安全，一般在电池组内置过充电保护、过放电保护等几个保护电路，具有在既定的情况下截断电池组的输出的功能。

在大部分使用锂离子二次电池的电子装置中，利用内置于电池组的FET开关进行输出的导通/截止（ON/OFF），从而进行电池组的过充电保护或过放电保护动作。然而，在因一些原因而FET开关短路破坏的情况下，被施加雷涌等，从而流过瞬间的大电流的情况下，或者因电池单元的寿命而输出电压异常下降或反而输出过大异常电压的情况下，也需要保护电池组、电子设备，以免发生起火等事故。因此，为了在能够这样假设的任何异常状态中，安全地截断电池单元的输出，采用由具有根据来自外部的信号截断电流路径的功能的熔丝元件构成的保护元件。

作为面向这样的锂离子二次电池等的保护电路的保护元件，如专利文献1中记载的那样，一般采用在保护元件内部具有发热体，通过该发热体的发热熔断电流路径上的可熔导体的构造。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010－3665号公报。

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1记载的保护元件中，为了供便携电话、笔记本电脑那样电流容量较低的用途使用，可熔导体（熔丝）最大也只有15A左右的电流容量。锂离子二次电池的用途近年来越来越广，研究更大电流的用途，例如对电动驱动器等电动工具、混合动力车、电动汽车、电动辅助自行车等运输设备的采用，开始局部采用。在这些用途中，特别是在启动时，有流过超过数10A～100A这样的大电流的情况。期望实现与这样的电流容量对应的保护元件。

为了实现与大电流对应的保护元件，增大可熔导体的截面积即可。当采用成型为1.6mmφ的线状的Sn/Ag/Cu类焊料时，能够得到50A左右的电流容量。然而，保护元件在因过电流状态而熔断的情况以外也需要检测电池单元的过电压状态，使电流流过保护元件的电阻发热体，从而利用其发热切断可熔导体。因此，在“粗的”可熔导体中，存在来自发热体的热传导下降，难以切断可熔导体的问题。而且，在熔断“粗的”可熔导体的情况下，如果不可靠地分开熔化的焊料，就有不能截断电路的问题。

因此，目的在于得到一种保护元件，能够确保过电流保护时的电流容量，并且利用发热体的发热能够容易熔断，能够可靠地分开熔化焊料而截断电路。

用于解决课题的方案

作为用于解决上述课题的方案，本发明所涉及的保护元件具备：绝缘基板；发热体，层叠在绝缘基板，具有用于从外部的电源接受电流的供给的两个端子；绝缘部件，以至少覆盖发热体的方式层叠在绝缘基板；第1及第2电极；发热体引出电极，以与发热体重叠的方式层叠在绝缘部件上，与第1及第2电极之间的电流路径和发热体的一个发热体端子电连接，从而与外部电路电连接；保护层，层叠在发热体引出电极上的一部分，由绝缘原料构成；以及可熔导体，从发热体引出电极遍及第1及第2电极而连接，通过加热熔断第1电极与第2电极之间的电流路径。而且，可熔导体在发热体引出电极与发热体引出电极的保护层不层叠的部分中连接，保护层层叠在通过一个发热体端子确保与外部电路的连接的位置。

本发明所涉及的电池组具备：1个以上的电池单元；保护元件，以截断流过电池单元的电流的方式连接；以及电流控制元件，检测电池单元各自的电压值而控制加热保护元件的电流。而且，保护元件具有：绝缘基板；发热体，层叠在绝缘基板，具有用于从外部的电源接受电流的供给的两个端子；绝缘部件，以至少覆盖发热体的方式层叠在绝缘基板；第1及第2电极；发热体引出电极，以与发热体重叠的方式层叠在绝缘部件上，与第1及第2电极之间的电流路径和发热体的一个发热体端子电连接，从而与外部电路电连接；保护层，层叠在发热体引出电极上的一部分，由绝缘原料构成；以及可熔导体，从发热体引出电极遍及第1及第2电极而连接，通过加热熔断第1电极与第2电极之间的电流路径，可熔导体在发热体引出电极与发热体引出电极的保护层不层叠的部分中连接，保护层层叠在通过一个发热体端子确保与外部电路的连接的位置。

本发明在发热体引出电极上的一部分形成保护层，在不存在保护层的部位连接可熔导体的薄壁部，能够在薄壁部连接的部位中产生焊料熔化腐蚀现象，稳定地分开熔化焊料，能够截断电路。

附图说明

图1中，图1（A）是适用本发明的保护元件的平面图；图1（B）是图1（A）的AA’线上的截面图；图1（C）是可熔导体熔断的状态下的平面图。

图2中，图2（A）～（C）是用于说明制造适用本发明的保护元件的过程的平面图。

图3中，图3（A）～（B）是示出适用本发明的保护元件的保护层的形状的变化的平面图。

图4是示出适用本发明的保护元件的应用例的框图。

图5是示出适用本发明的保护元件的电路结构例的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对用于实施本发明的方式进行详细说明。此外，本发明并不仅限定于以下的实施方式，在不脱离本发明的要点的范围内显然能够进行各种变更。

[保护元件的结构]

如图1（A）及图1（B）所示，保护元件10具备：绝缘基板11；层叠在绝缘基板11并被绝缘部件15覆盖的发热体14；形成在绝缘基板11的两端的电极12（A1）、12（A2）；在绝缘部件15上以与发热体14重叠的方式层叠的发热体引出电极16；以包围发热体引出电极16的周缘部的方式形成的保护层6；以及两端与电极12（A1）、12（A2）连接且中央部在保护层6的开口6a中与发热体引出电极16连接的可熔导体13。在发热体14的两端连接有为使电流流过发热体使之发热而连接电源的发热体电极18（P1）、18（P2）。

可熔导体13优选包括：1.6mmφ的圆线状的厚壁部13a；以及以使与发热体14对置的部分在与发热体14重叠的位置中厚度大致均匀的方式比厚壁部13a薄且扁平地成型的薄壁部13b。薄壁部13b的厚度为厚壁部13a的厚度（粗细）的例如1/2。此外，优选厚壁部13a及薄壁部13b的截面积大致相同。可熔导体13的薄壁部13b与发热体引出电极16电连接。

通过使与发热体14重叠的位置为薄壁化的薄壁部13b，提高可熔导体13的薄壁部13b中的厚度方向的热传导，也增大与发热源的接触面积，因此通过发热体14的发热会容易进行可熔导体13的熔断。此外，在使厚壁部13a及薄壁部13b的截面积相同的情况下，电流容量不变，能够使对应于可熔导体13的通电方向的截面积及可熔导体13的材质（电阻率）的电流流过。

发热体引出电极16通常用Cu、Ag（Ag膏等）图案形成，但是知道这些金属（或以这些为主成分的合金）在构成可熔导体13的焊料熔化时熔化到熔化焊料中的焊料熔化腐蚀现象。在具有直至15A左右的电流容量的现有的保护元件中，与发热体引出电极所使用的金属的量相比，可熔导体（焊料）的量少，因此无需考虑焊料熔化腐蚀现象。在此，附着保护元件的大电流容量化，在将“粗的”焊料用作可熔导体13的情况下，存在的问题是在保护元件10动作时会产生焊料熔化腐蚀，在保护元件的动作中发热体引出电极16消失，对发热体14的电力供给停止而会停止熔断动作。

另外，在可熔导体13的熔断动作中，若在发热体引出电极16上滞留有熔化的焊料，则对应于大电流而焊料的量较多，因此可靠分开熔化焊料成为问题。因此，考虑积极地利用焊料熔化腐蚀现象，更加可靠地进行熔化焊料的分开。

在发热体引出电极16与可熔导体13的薄壁部13b的连接部中，若产生焊料熔化腐蚀现象，则构成发热体引出电极16的金属消失，作为发热体引出电极16的基底的绝缘部件15会露出，熔化的焊料会难以滞留，能够向其他路径流出。在此，若与薄壁部13b连接的发热体引出电极16全部因焊料熔化腐蚀现象而消失，则会不能向发热体14供给电力，不能维持薄壁部13b的熔化状态。因此，以保留对发热体14的通电路径的方式，在发热体引出电极16上形成保护层6，维持对发热体14的电力供给的同时，使发热体引出电极16消失从而促进熔化焊料的分开。

具体而言，如图1（A）所示，将以使发热体引出电极16的一部分露出的方式开口的保护层6，形成在发热体引出电极16上。发热体引出电极16沿与可熔导体13的长度方向不同的方向、例如与可熔导体13的长度方向成直角的方向延伸，延伸的一侧与可熔导体13的薄壁部13b连接，延伸的另一侧与形成在绝缘部件15的用于发热体14的电极18a（P1）连接。保护层6在可熔导体13的薄壁部13b与发热体引出电极16的连接的部分中开口，以包围发热体引出电极16的周围的方式形成。

当发热体14被供给电力而发热时，可熔导体13的薄壁部13b开始熔化。构成薄壁部13b的焊料因高温而熔化，并且构成经由保护层6的开口6a而与薄壁部13b连接的发热体引出电极16的金属，引起焊料熔化腐蚀，在熔化的焊料中熔出。其结果是，在绝缘部件15上的配置有可熔导体13的部位，发热体引出电极16消失，露出绝缘部件15。于是，如图1（C）所示，可熔导体13的熔化的焊料不能逗留在润湿性低的绝缘部件15及保护层6上，促进熔化焊料的分开。

保护层6能够如图2（A）～（C）所示那样形成。如图2（A）所示，利用众所周知的印刷技术等，在绝缘部件15上构图发热体引出电极16。此时，也可以同时形成用于发热体14的电极18a（P1）、18a（P2）。如图2（B）所示，在发热体引出电极16的周边部以环状层叠的方式形成保护层6。如图2（C）所示，形成有保护层6的绝缘部件15（在内部层叠发热体14的层叠基板）焊接在绝缘基板11上。其后，在保护层6的开口6a以使可熔导体13的薄壁部13b连接的方式承载可熔导体。保护层6能够采用例如玻璃、聚酰亚胺等具有耐热性的众所周知的绝缘材料。

两个电极12（A1）、12（A2）在保护元件10的内部连接可熔导体13，经由该两个电极12（A1）、12（A2）与外部电路连接。两个电极12（A1）、12（A2）可以形成在绝缘基板11上，或者也可以形成在由与绝缘基板11成一体的环氧树脂等构成的绝缘原料。

发热体引出电极16的一端与发热体电极18（P1）及发热体14的一端连接。另外，发热体14的另一端与另一个发热体电极18（P2）连接。

绝缘基板11用例如氧化铝、玻璃陶瓷、莫来石、氧化锆等具有绝缘性的部件形成。此外，也可以采用玻璃环氧树脂基板、酚醛树脂基板等用于印刷布线基板的材料，但是需要留意熔丝熔断时的温度。

发热体14是相对电阻值高且通电时发热的具有导电性的部件，例如由W、Mo、Ru等构成。将这些合金或者组合物、化合物的粉状体与树脂粘合剂等混合，利用丝网印刷技术将膏状物图案形成在绝缘基板11上，通过烧成等而形成。

以覆盖发热体14的方式配置绝缘部件15，以经由该绝缘部件15与发热体14对置的方式配置发热体引出电极16。显然该绝缘部件15也可为发热体14在内部一体层叠的层叠基板。

可熔导体13只要为因过电流状态以及发热体14的发热而熔化，并熔断的导电性的材料即可，例如SnAgCu类的无铅焊料之外，能够采用BiPbSn合金、BiPb合金、BiSn合金、SnPb合金、PbIn合金、ZnAl合金、InSn合金、PbAgSn合金等。

另外，可熔导体13也可为由以Ag或Cu或者Ag或Cu为主成分的金属构成的高熔点金属和以Sn为主成分的无铅焊料等低熔点金属的层叠体。

此外，为了相对于绝缘基板11支撑可熔导体13以提高可熔导体13的机械强度，也可以在绝缘基板11上形成的电极2上形成支撑部件3、并对支撑部件3连接可熔导体13。

[变形例]

能够以通过发热体引出电极16延伸的一侧的直至电极18a（P1）为止的路径确保与外部电路的连接的方式形成保护层6。在上述实施方式中，以包围发热体引出电极16的周围的方式形成了保护层6，但是也可以在发热体引出电极16与可熔导体13的薄壁部13b相交的部位中以覆盖发热体引出电极16的金属部分的方式形成保护层6。

因此，如图3（A）所示，也可以覆盖发热体引出电极16的两侧的边缘部的方式形成保护层6。另外，如图3（B）所示，也可以覆盖发热体引出电极16的单侧的边缘部的方式形成保护层6。在任一种情况下，在可熔导体13与发热体引出电极16相交的位置中，出于防止焊料熔化腐蚀的目的也形成保护层6。

[保护元件的使用方法]

如图4所示，上述的保护元件10用于锂离子二次电池的电池组内的电路。

例如，保护元件10装入具有由总计4个锂离子二次电池的电池单元21～24构成的电池堆栈25的电池组20而使用。

电池组20具备：电池堆栈25；控制电池堆栈25的充放电的充放电控制电路30；保护电池堆栈25和充放电控制电路30的适用本发明的保护元件10；检测各电池单元21～24的电压的检测电路26；以及根据检测电路26的检测结果控制保护元件10的动作的电流控制元件27。

电池堆栈25串联连接了需要控制用于保护过充电及过放电状态的电池单元21～24，经由电池组20的正极端子20a、负极端子20b，可装卸地连接到充电装置35，被施加来自充电装置35的充电电压。将由充电装置35充电的电池组20与正极端子20a连接，将负极端子20b与由电池动作的电子设备连接，从而能够使该电子设备动作。

充放电控制电路30具备：在从电池堆栈25流入充电装置35的电流路径上串联连接的两个电流控制元件31、32；和控制这些电流控制元件31、32的动作的控制部33。电流控制元件31、32例如由场效应晶体管（以下，称为FET。）构成，通过用控制部33控制栅极电压，控制电池堆栈25的电流路径的导通和截断。控制部33从充电装置35接受电力供给而动作，根据检测电路26进行的检测结果，当电池堆栈25处于过放电或过充电时，以截断电流路径的方式控制电流控制元件31、32的动作。

保护元件10例如连接在电池堆栈25与充放电控制电路30之间的充放电电流路径上，由电流控制元件27控制其动作。

检测电路26与各电池单元21～24连接，检测各电池单元21～24的电压值，将各电压值供给充放电控制电路30的控制部33。另外，检测电路26输出在任意一个电池单元21～24成为过充电电压或过放电电压时控制电流控制元件27的控制信号。

电流控制元件27根据从检测电路26输出的检测信号，当电池单元21～24的电压值成为超过既定的过放电或过充电状态的电压时，使保护元件10动作，以不依赖电流控制元件31、32的开关动作而截断电池堆栈25的充放电电流路径的方式进行控制。

在如以上那样的结构构成的电池组20中，对保护元件10的结构进行详细说明。

首先，适用本发明的保护元件10，例如具有如图5所示的电路结构。即，保护元件10的电路结构包括：经由发热体引出电极16串联连接的可熔导体13；以及经由可熔导体13的连接点通电而发热从而熔化可熔导体13的发热体14。另外，在保护元件10中，例如，可熔导体13串联连接在充放电电流路径上，发热体14与电流控制元件27连接。保护元件10的2个电极12、12之中，一个与A1连接，另一个与A2连接。另外，发热体引出电极16和与它连接的发热体电极18与P1连接，另一个发热体电极18与P2连接。

由这样的电路结构构成的保护元件10，实现低高度化，并且，通过发热体14的发热，能够可靠地熔断电流路径上的可熔导体13。

标号说明

2 电极，3 支撑部件，6 保护层，6a 开口，10 保护元件，11 绝缘基板，12（A1）、12（A2） 电极，13 可熔导体，13a 厚壁部，13b 薄壁部，14 发热体，15 绝缘部件，16 发热体引出电极，18（P1）、18（P2） 发热体电极，18a（P1）、18a（P2） 电极，20 电池组，20a 正极端子，20b 负极端子，21～24 电池单元，25 电池堆栈，26 检测电路，27、31、32 电流控制元件，30 充放电控制电路，33 控制部，35 充电装置。

Claims (7)

1. 一种保护元件，其特征在于，包括：

绝缘基板；

发热体，层叠在上述绝缘基板，具有用于从外部的电源接受电流的供给的两个端子；

绝缘部件，以至少覆盖上述发热体的方式层叠在上述绝缘基板；

第1及第2电极；

发热体引出电极，以与上述发热体重叠的方式层叠在上述绝缘部件上，与上述第1及第2电极之间的电流路径和该发热体的一个发热体端子电连接，并且与外部电路电连接；

保护层，层叠在上述发热体引出电极上的一部分，由绝缘原料构成；以及

可熔导体，从上述发热体引出电极遍及上述第1及第2电极而连接，通过加热来熔断该第1电极与该第2电极之间的电流路径，

上述可熔导体在上述发热体引出电极和该发热体引出电极的上述保护层未层叠的部分中连接，该保护层层叠在通过上述一个发热体端子确保与外部电路的连接的位置。

2. 如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

上述发热体引出电极在与上述可熔导体的长度方向不同的方向沿上述一个发热体端子的方向延伸，上述保护层沿着该发热体引出电极延伸的方向形成。

3. 如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

上述保护层沿着上述发热体引出电极延伸的方向形成，以包围该发热体引出电极的与上述可熔导体的电连接部分的周缘的方式配置。

4. 如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

上述发热体引出电极是Ag或以Ag为主成分的金属或者Cu或以Cu为主成分的金属。

5. 如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

上述可熔导体包括厚壁部和薄壁部，该薄壁部使重叠并位于上述发热体的部分为凹状，将厚度成型为薄且扁平。

6. 如权利要求5所述的保护元件，其特征在于，

上述可熔导体中上述厚壁部及上述薄壁部中的截面积大致相同。

7. 一种电池组，其特征在于，包括：

1个以上的电池单元；

保护元件，以截断流过上述电池单元的电流的方式连接；以及

电流控制元件，检测上述电池单元各自的电压值而控制加热上述保护元件的电流，

上述保护元件具有：

绝缘基板；

发热体，层叠在上述绝缘基板，具有用于从外部的电源接受电流的供给的两个端子；

绝缘部件，以至少覆盖上述发热体的方式层叠在上述绝缘基板；

第1及第2电极；

发热体引出电极，以与上述发热体重叠的方式层叠在上述绝缘部件上，与上述第1及第2电极之间的电流路径和该发热体的一个发热体端子电连接，并且与外部电路电连接；

保护层，层叠在上述发热体引出电极上的一部分，由绝缘原料构成；以及

可熔导体，从上述发热体引出电极遍及上述第1及第2电极而连接，通过加热来熔断该第1电极与该第2电极之间的电流路径，

上述可熔导体在上述发热体引出电极和该发热体引出电极的上述保护层未层叠的部分中连接，该保护层层叠在通过上述一个发热体端子确保与外部电路的连接的位置。