CN104508789B - 保护元件及电池组 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于得到能够根据发热体的发热而容易熔断并且可靠地分开熔化焊料而能够截断电路的保护元件。保护元件（10）具备：绝缘基板（11）；层叠绝缘基板（11）并被绝缘部件（15）覆盖的发热体（14）；电极（12（A1）、12（A2））；以在绝缘部件（15）上与发热体（14）重叠的方式层叠的发热体引出电极（16）；以及两端与电极（12（A1）、12（A2））连接并且中央部与具有保护膜（8）的发热体引出电极（16）连接的可熔导体（13）。可熔导体（13）包括厚壁部（13a）和成型为薄且扁平的薄壁部（13b）。沿与可熔导体（13）的长度方向成直角的方向延伸的发热体引出电极（16），其形状被设定为发热体（14）的电极18a（P1）侧的面积比与可熔导体（13）的薄壁部（13b）的连接位置的面积大。

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来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2012－171334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大部分二次电池，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、过放电保护等的几个保护电路，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，以免发生起火等的事故。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：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，为了以便携电话、笔记本电脑那样电流容量较低的用途使用，可熔导体（熔丝）最大也要有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的电动工具、混合动力车、电动汽车、电动辅助自行车等的运输设备的采用，并且开始局部采用。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。期望实现与这样的大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，目的在于得到能够确保过电流保护时的电流容量，并且能够通过发热体的发热来容易熔断，且可靠地分开熔化焊料而能够进行电路截断的保护元件。

用于解决课题的方案

作为用于解决上述的课题的方案，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；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之上，与第1及第2电极之间的电流路径和发热体的一个端子电连接，并与外部电路电连接；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电极与该第2电极之间的电流路径。而且，发热体引出电极以沿与可熔导体的长度方向不同的方向延伸的方式配置，发热体引出电极延伸的一侧的面积大于发热体引出电极与可熔导体的连接位置的面积。

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；绝缘部件，以至少覆盖上述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之上，与第1及第2电极之间的电流路径和发热体的一个端子电连接，并与外部电路电连接；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，发热体引出电极以沿与可熔导体的长度方向不同的方向延伸的方式配置，发热体引出电极延伸的一侧的面积大于发热体引出电极与可熔导体的连接位上的面积。

本发明中，发热体引出电极的形状以沿与可熔导体的长度方向不同的方向延伸的方式配置，并且发热体引出电极延伸的一侧的面积大于发热体引出电极与可熔导体的连接位置的面积，因此将熔化的焊料拉到面积大的一侧，从而能够稳定地分开熔化焊料。

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（A）的AA’线上的截面图；

图2中图2（A）～（C）是用于说明适用本发明的保护元件的熔断动作的平面图；

图3是示出适用本发明的保护元件的应用例的框图；

图4是示出适用本发明的保护元件的电路构成例的图；

图5中图5（A）～（D）是示出适用本发明的保护元件的发热体引出电极的形状的变化的平面图；

图6中图6（A）是本发明的变形例所涉及的发热体引出电极的平面图；图6（B）是图6（A）的AA’线上的截面图。

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]

本发明所涉及的保护元件中，为了分开熔化焊料而可靠地进行电路截断，研究了以下说明的发热体引出电极的形状。

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）；以在绝缘部件15上与发热体14重叠的方式层叠的发热体引出电极16；以及两端与电极12（A1）、12（A2）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；以及在与发热体14重叠的位置以使厚度大致均匀的方式比厚壁部13a更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的截面积或电流容量大致相同。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，能够容易熔断可熔导体13。另外，通过将薄壁部13b成型为扁平，能够增大发热体14的与重叠部的接触面积，并且能够有效率地传递来自发热体14的热，能够实现稳定的熔断特性。此外，在使厚壁部13a及薄壁部13b的截面积大致相同的情况下，可熔导体13的电流容量相同，因此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。

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）既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成为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、氧化锆等的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、酚醛树脂基板等的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是电阻值较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在内部整体层叠的层叠基板。

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Ag或Cu或以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的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，在绝缘基板11上形成的电极2上形成支撑部件3，对支撑部件3连接可熔导体13也可。

本发明所涉及的保护元件中，为了应对大的电流容量，采用“粗的”可熔导体。在可熔导体熔断的情况下，由于熔化的焊料的量较多，所以需要考虑熔化焊料的处理，以可靠地分开熔化焊料而截断电路。

因此，如图1（A）所示，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。发热体引出电极16的形状设定为：以相比于与可熔导体13的薄壁部13b的连接位置的面积，发热体14的电极18a（P1）侧的面积大的方式、例如以与薄壁部13b的连接位置的一侧为顶点、以延伸的一侧的电极18a（P1）的一侧为底边的等腰三角形的形状。

这样，若使发热体引出电极16的形状为等腰三角形，则如图2（A）所示，可熔导体的13的薄壁部13b因发热体14的加热而与发热体14重叠的部分开始熔化。熔化的焊料具有向面积更宽的润湿性高的一侧移动的性质，因此薄壁部13b被拉到图2（B）的箭头方向。而且，如图2（C）所示，由于熔化的焊料要流向发热体引出电极16的面积宽的一侧、即等腰三角形的底边的一侧，所以利用熔化焊料流动的力量能够更加迅速地分开焊料。由此，可熔导体13被分开，从而能够稳定地截断电路。

此外，通过采用众所周知的图案成型技术，能够在绝缘部件15上直接形成这样的等腰三角形的电极。另外，也可以通过在大致长方形的发热体引出电极16的表面设置具有等腰三角形的形状的开口的绝缘性的保护层而形成。

[保护元件的使用方法]

如图3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4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，实现低矮化，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。

[变形例]

发热体引出电极16的绝缘部件15上的形状，只要与可熔导体13的薄壁部13b的连接位置的面积随着从该位置远离而越宽，就可以任何形状，也可为上述的等腰三角形（图5（A））或者如图5（B）所示，等腰三角形的两个边为曲线状的楔形。另外，如图5（C）及图5（D）那样也可为对于可熔导体13薄壁部13b的连接位置，在两侧具有面积宽的部分的形状。

另一方面，发热体引出电极16通常用Cu、Ag（Ag膏等）来图案形成，但是已知这些金属（或以这些为主成分的合金）在焊料熔化时熔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，随着保护元件的大电流容量化，在将“粗的”焊料用作为可熔导体13的情况下，存在保护元件10动作时焊料熔化腐蚀变得显著，在保护元件动作的过程中发热体引出电极16消失，会停止对发热体14的电力供给，从而会停止熔断动作的情况。为了防止此情况，如图6（A）及图6（B）所示，在发热体引出电极16的表面形成能抗焊料熔化腐蚀的保护膜8。经由保护膜8连接可熔导体13，从而可熔导体13的焊料不会浸蚀发热体引出电极16，发热体14能够继续接受电力的供给，因此能够稳定地熔断可熔导体13。作为保护膜8，根据对焊料熔化腐蚀的耐性及制造的容易度等，能够采用任意的材料，但是，优选采用例如Ni/Au镀层。

标号说明

2　电极；3　支撑部件、开口；8　保护膜；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 (10)

1.一种保护元件，其特征在于，包括：

绝缘基板；

发热体，层叠在所述绝缘基板；

绝缘部件，以至少覆盖所述发热体的方式层叠在所述绝缘基板；

第1及第2电极；

发热体引出电极，以与所述发热体重叠的方式层叠在所述绝缘部件之上，与所述第1及第2电极之间的电流路径和该发热体的一个端子电连接，并与外部电路电连接；以及

可熔导体，从所述发热体引出电极遍及所述第1及第2电极而连接，通过加热熔断该第1电极与该第2电极之间的电流路径，

所述发热体引出电极以沿与所述可熔导体的长度方向不同的方向延伸的方式配置，该发热体引出电极延伸的一侧的面积大于该发热体引出电极与该可熔导体的连接位置的面积。

2.如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

所述发热体引出电极以沿与所述可熔导体的长度方向成直角的方向延伸的方式配置。

3.如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

所述发热体引出电极的形状为以与所述可熔导体连接的一侧形成顶点、在该发热体引出电极延伸的一侧形成底边的三角形。

4.如权利要求3所述的保护元件，其特征在于，

所述发热体引出电极在以所述可熔导体的长度方向为对称轴的线对称的位置延伸。

5.如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

所述发热体引出电极由Ag或以Ag为主成分的合金或者Cu或以Cu为主成分的合金构成。

6.如权利要求5所述的保护元件，其特征在于，

所述发热体引出电极在其表面具有保护层。

7.如权利要求6所述的保护元件，其特征在于，

所述保护层为Ni或Au镀层。

8.如权利要求1所述的保护元件，其特征在于，

所述可熔导体包括厚壁部和薄壁部，该薄壁部与所述发热体重叠而置的部分以凹状成形为厚度薄而扁平。

9.如权利要求8所述的保护元件，其特征在于，

所述可熔导体在所述厚壁部及所述薄壁部中的截面积大致相同。

10.一种电池组，其特征在于，包括：

1个以上的电池单元；

保护元件，以截断流过所述电池单元的电流的方式连接；以及

电流控制元件，检测所述电池单元各自的电压值并控制加热所述保护元件的电流，

所述保护元件具有：

绝缘基板；

发热体，层叠在所述绝缘基板；

绝缘部件，以至少覆盖所述发热体的方式层叠在所述绝缘基板；

第1及第2电极；

发热体引出电极，以与所述发热体重叠的方式层叠在所述绝缘部件之上，与所述第1及第2电极之间的电流路径和该发热体的一个端子电连接，并与外部电路电连接；以及

可熔导体，从所述发热体引出电极遍及所述第1及第2电极而连接，通过加热熔断该第1电极与该第2电极之间的电流路径，

所述发热体引出电极以沿与所述可熔导体的长度方向不同的方向延伸的方式配置，该发热体引出电极延伸的一侧的面积大于该发热体引出电极与该可熔导体的连接位置的面积。