CN105706324B - 保护电路及保护电路的控制方法 - Google Patents

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Abstract

在多个电池的一部分被从电流路径上去除的情况下，也响应残留的电池的输出而使保护元件适当地工作。具备：多个电池（3）并联连接而成的电池模块（4）；按各电池（3）设置、构成该电池（3）的充电或放电的电流路径的一部分的第1保护元件（5）；以及构成电池模块（4）的充电或放电的电流路径的一部分的第2保护元件7，第2保护元件7具备多个熔丝部（20）、（21），其具有发热电阻器、和构成充电或放电的电流路径的一部分并且因发热电阻器的热或自发热而熔断的可熔导体，多个熔丝部（20）、（21）通过各发热电阻器能够个别地熔断各可熔导体。

Description

保护电路及保护电路的控制方法
技术领域
本发明涉及利用在基板上设置发热电阻器和熔丝元件的保护元件来防止电池组的过电流或过电压的保护电路及保护电路的控制方法。
背景技术
近年来，使用电池和电动机的HEV（混合动力汽车：Hybrid Electric Vehicle）或EV（电动汽车：Electric Vehicle）得到迅速普及。作为HEV或EV的动力源，出于能量密度和输出特性的原因会使用锂离子二次电池。在汽车用途中，需要高电压、大电流。因此，开发了能承受高电压、大电流的专用单元，但是因为制造成本上的问题，大多情况下通过串联、并联连接多个电池单元，从而使用通用单元来确保必要的电压电流。
锂离子二次电池具有优异的特性，但是不可缺少对充放电特性的管理，若对异常的电池单元进行如平常的处理，则很有可能发生起火、爆炸这一危险。因而，一旦电池单元成为多个，单元间的电压平衡就变得重要，若包含异常的单元，则对其他正常的单元也产生影响，存在不能进行正确的充放电这一问题。
为了避免这样的事态，在使用较多的锂离子二次电池的电池系统中，装入有连接到充放电路径上的熔丝元件和管理电池整体的电源管理系统（BMS：Battery ManagementSystem）。BMS中管理每个电池单元的充放电状态（电压、容量等），当探测到异常时，使用FET开关等从外部向熔丝元件供给信号而截断电路的输出部分，回避因异常发热导致的起火等的故障。
近年来，不仅重视诸如迄今还在进行的充放电的状态管理（SOC：State ofCharge），而且基于电池系统的容量劣化（SOH：State of Health）、电池寿命（SOL：State ofLife）的考虑的电池系统管理也被重视起来。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4207877号公报。
发明内容
发明要解决的课题
可是，高速移动中的汽车等中，驱动力急剧下降、急停反而存在危险的情况，寻求设想非常时期的电池管理。例如，在行驶中发生电池系统的异常时，也能够供给用于移动至修理厂或安全场所的驱动力、或者危险警告灯、空调用的驱动力，在回避危险上是优选的。
然而，如图6所示，在多个电池堆栈51并联连接的电池组50中，诸如仅在充放电路径上设置保护元件52的情况下，若在构成电池堆栈51的电池单元53的一部分发生异常从而使保护元件52工作，则会截断电池组50整体的充放电路径，在此之上，不能供给电力。
因此，如图7所示，提出了在电池组50整体的充放电路径上设置截断电路整体的电流路径的电路保护元件54，并且在一个电池堆栈51a设置截断该电池堆栈51a的电流路径的堆栈保护元件55的保护电路。如此则在一个电池堆栈51a的电池单元53发生异常的情况下，通过使堆栈保护元件55工作，从电池组50的充放电路径上仅去除该电池堆栈51，输出虽然会下落，但能够通过余下的电池堆栈51b继续供给电力。
电路保护元件54构成电池组50的充放电路径的一部分，并且使用当过电流流过时，因自发热而熔化并截断电流路径的熔丝元件。该熔丝元件具备能够充分承受由全体电池堆栈51a、51b决定的通常充放电的容量，具有当流过相对于全体电池堆栈51a、51b的通常的输出例如1.5倍的过电流时熔断的容量。
在此，在一个电池堆栈51a的电池单元53出现异常，使堆栈保护元件55工作而将该一个电池单元51从电池组50的充放电路径去除的情况下，电路保护元件54的熔丝元件相对于由残留的另一个电池堆栈51b决定的输出而言会成为过剩容量。因此，在另一个电池堆栈51b的电池单元53发生异常，在电路保护元件54的熔丝元件流过过电流的情况下也不会适当地熔断，将会无法防止热失控。
因此，本发明目的在于提供在从电流路径上除去多个电池的一部分的情况下，也能响应残留的电池的输出而使保护元件适当地工作的保护电路及保护电路的控制方法。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明所涉及的保护电路具备：电池模块，由多个电池并联连接而成；第1保护元件，设在各上述电池、构成该电池的充电或放电的电流路径的一部分；以及第2保护元件，构成上述电池模块的充电或放电的电流路径的一部分，上述第2保护元件具备多个熔丝部，该熔丝部具有发热电阻器、和构成充电或放电的电流路径的一部分并且因上述发热电阻器的热或自发热而熔断的可熔导体，多个上述熔丝部通过各上述发热电阻器而能够个别地熔断各上述可熔导体。
另外，本发明所涉及的保护电路的控制方法，其中保护电路具备：电池模块，由多个电池并联连接而成；第1保护元件，设在各上述电池、构成该电池的充电或放电的电流路径的一部分；以及第2保护元件，构成上述电池模块的充电或放电的电流路径的一部分，上述第2保护元件按照上述电池的个数具备多个熔丝部，该熔丝部具有发热电阻器、和构成充电或放电的电流路径的一部分并且因上述发热电阻器的热或自发热而熔断的可熔导体，使设在发生异常的上述电池的上述第1保护元件工作，将发生异常的上述电池从电流路径截断，响应发生异常的上述电池的截断，通过各上述发热电阻器个别地熔断各上述可熔导体。
发明效果
依据本发明，在探测到电池中过电压等的异常的情况下，使电池的堆栈保护元件工作，将电池从电路上隔离，并且仅通过残留的电池能够进行充放电。在此，本发明中，使电池的堆栈保护元件工作，并且使电路保护元件工作，使一部分的熔丝部熔断。由此，依据本发明，即使在因电池的减少而最大输出减少的情况下，也能降低构成电池模块的充放电路径的一部分的电路保护元件的额定值，能够作成与电池的最大输出对应的电路保护元件。
附图说明
【图1】图1是示出适用本发明的保护电路的结构的图。
【图2】图2A是示出堆栈保护元件的结构的截面图，图2B是示出堆栈保护元件的结构的平面图。
【图3】图3是堆栈保护元件的电路图。
【图4】图4是电路保护元件的平面图。
【图5】图5是电路保护元件的电路图。
【图6】图6是示出现有的电池组的电路结构的图。
【图7】图7是示出其他现有的电池组的电路结构的图。
具体实施方式
以下，边参照附图，边对适用本发明的保护电路及保护电路的控制方法进行详细说明。此外，本发明并不仅限于以下的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更这一点是无需赘述的。此外，附图是示意性的，各尺寸的比例等有时不同于现实的情况。具体的尺寸等应该参考以下的说明进行判断。此外，即使在附图相互之间也包含彼此尺寸的关系或比例不同的部分这一点是无需赘述的。
[保护电路]
如图1所示，适用本发明的保护电路1具有多个电池单元2串联连接的多个电池堆栈3，各电池堆栈3彼此具有并联连接的电池模块4。在此，从方便说明起见，以两个电池堆栈3a、3b并联连接的电池模块4为例进行说明，但是本发明也可以并联连接3个以上的电池堆栈3。对各电池堆栈3a、3b分别装入有堆栈保护元件5。另外，保护电路1具有：截断电路整体的电流路径的电路保护元件7；以及BMS控制元件8，其控制电池堆栈3a、3b内的充放电，并且检测各电池单元2的异常电压，根据检测结果驱动堆栈保护元件5及电路保护元件7，构成装入有这些电池堆栈3a、3b、电路保护元件7及BMS控制元件8的电池组9。
[堆栈保护元件]
为了安全地截断电池堆栈3a或3b的输出，堆栈保护元件5由具有根据来自BMS控制元件8的信号截断电流路径的功能的熔丝元件构成，通过构成电流路径的一部分的熔丝元件的熔断，不可逆地截断该电池堆栈3a或3b的电流路径。
具体而言，如图2A及图2B所示，堆栈保护元件5具备：绝缘基板11；层叠在绝缘基板11、被绝缘部件15覆盖的发热电阻器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上以与发热电阻器14重叠的方式层叠的发热体引出电极16；以及两端分别与电极12（A1）、12（A2）连接、中央部与发热体引出电极16连接的可熔导体13。
四角形状的绝缘基板11例如由氧化铝、玻璃陶瓷、莫来石、氧化锆等的具有绝缘性的部件形成。此外，也可以使用用于玻璃环氧基板、酚醛基板等印刷布线基板的材料，但是要留意熔丝熔断时的温度。
发热电阻器14是电阻值较高、若通电则发热的具有导电性的部件，例如由W、Mo、Ru等构成。将它们的合金或者组合物、化合物的粉状体与树脂粘合剂等混合，做成膏状后利用丝网印刷技术图案形成在绝缘基板11上，经烧成等而形成。
以覆盖发热电阻器14的方式配置绝缘部件15，隔着该绝缘部件15以与发热电阻器14对置的方式配置发热体引出电极16。为了有效地向可熔导体传递发热电阻器14的热，也可以在发热电阻器14与绝缘基板11之间层叠绝缘部件15。
发热体引出电极16的一端与发热体电极18（P1）连接。另外，发热电阻器14的另一端与另一个发热体电极18（P2）连接。
可熔导体13由因发热电阻器14的发热、或可熔导体13的自发热而迅速熔断的低熔点金属构成，能够适当使用例如以Sn为主成分的无铅焊锡。另外，可熔导体13也可为低熔点金属和Ag、Cu或以这些为主成分的合金等的高熔点金属的层叠体。
通过层叠高熔点金属和低熔点金属，在回流安装堆栈保护元件5的情况下，即使回流温度超过低熔点金属层的熔化温度而低熔点金属熔化，作为可熔导体13也不至于熔断。所涉及的可熔导体13既可以通过将低熔点金属利用镀层技术成膜于高熔点金属而形成，也可以通过利用其他众所周知的层叠技术、膜形成技术来形成。此外，可熔导体13在用低熔点金属构成外层的情况下，利用该低熔点金属能够向发热体引出电极16及电极12（A1）、12（A2）焊锡连接。
此外，为了防止外层的低熔点金属层13b的氧化，堆栈保护元件5也可以对可熔导体13上的大致整个面涂敷助熔剂。另外，堆栈保护元件5也可以为了保护内部而将盖部件载置于绝缘基板11上。
适用如以上那样的本发明的堆栈保护元件5，具有如图3所示的电路结构。即，堆栈保护元件5是由经由发热体引出电极16串联连接的可熔导体13和经由可熔导体13的连接点通电而发热从而熔化可熔导体13的发热电阻器14构成的电路结构。另外，堆栈保护元件5中，可熔导体13串联连接在充放电电流路径上，发热电阻器14与BMS控制元件7连接。堆栈保护元件5的2个电极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。
[电路保护元件]
接着，对截断电路整体的电流路径的电路保护元件7进行说明。电路保护元件7为了安全地截断电池组9的输出而由具有根据来自BMS控制元件8的信号截断电流路径的功能的熔丝元件构成，通过构成电流路径的一部分的熔丝元件的熔断，不可逆地截断该电池组9的电流路径。
以下，对如图1所示用于并联连接有两个电池堆栈3a、3b的电池组9的电路保护元件7进行说明，但是本发明能够用于连接有多个电池堆栈的所有电池组。
具体而言，如图4所示，电路保护元件7对应于两个电池堆栈3a、3b，具有可个别熔断的第1、第2熔丝部20、21。第1、第2熔丝部20、21形成在绝缘基板22上。
第1熔丝部20具备：层叠在绝缘基板22、被第1绝缘部件23覆盖的第1发热电阻器24；形成于绝缘基板22的两端的第1电极25（A1）、25（A2）；在第1绝缘部件23上以与第1发热电阻器24重叠的方式层叠的第1发热体引出电极28；以及两端分别与第1电极25（A1）、25（A2）连接、中央部与第1发热体引出电极28连接的第1可熔导体29。
第2熔丝部21具备：层叠在绝缘基板22、被第2绝缘部件30覆盖的第2发热电阻器31；形成于绝缘基板22的两端的第2电极32（A1）、32（A2）；在第2绝缘部件30上以与第2发热电阻器31重叠的方式层叠的第2发热体引出电极34；以及两端分别与第2电极32（A1）、32（A2）连接、中央部与第2发热体引出电极34连接的第2可熔导体35。
绝缘基板22、第1、第2绝缘部件23、30、第1、第2发热电阻器24、31、第1、第2发热体引出电极28、34及第1、第2可熔导体29、35分别具有与上述的堆栈保护元件5的绝缘基板11、绝缘部件15、发热电阻器14、发热体引出电极16及可熔导体13同样的结构。
另外，第1电极25（A1）、25（A2）及第2电极32（A1）、32（A2）也具有与上述的电极12（A1）、12（A2）同样的结构。另外，第1电极25（A1）及第2电极32（A1）电连接而连结到电池组9的电流路径，第1电极25（A2）及第2电极32（A2）也电连接而连结到电池组9的电流路径。
第1发热体引出电极28的一端与第1发热体电极27（P1）连接。另外，第1发热电阻器24的另一端与第1发热体电极27（P2）连接。同样地，第2发热体引出电极34的一端与第2发热体电极33（P1）连接。另外，第2发热电阻器31的另一端与第2发热体电极33（P2）连接。
此外，即使在电路保护元件7中，也可以对第1、第2可熔导体29、35上的大致整个面涂敷助熔剂。另外，电路保护元件7也可以为了保护内部而将盖部件载置于绝缘基板22上。
适用如以上那样的本发明的电路保护元件7，具有如图5所示的电路结构。即，电路保护元件7的第1熔丝部20为由经由第1发热体引出电极28串联连接的第1可熔导体29、和经由第1可熔导体29的连接点通电而发热从而熔化第1可熔导体29的第1发热电阻器24构成的电路结构。另外，电路保护元件7的第2熔丝部21为由经由第2发热体引出电极34串联连接的第2可熔导体35、和经由第2可熔导体35的连接点通电而发热从而熔化第2可熔导体35的第2发热电阻器31构成的电路结构。
另外，电路保护元件7中，第1、第2可熔导体29、35串联连接在电池组9的充放电电流路径上，第1、第2发热电阻器24、31与BMS控制元件7连接。第1熔丝部20的两个第1电极25之中，一个与A1连接，另一个与A2连接，另外，第1发热体引出电极28和与它连接的第1发热体电极27与P1连接，另一个第1发热体电极27与P2连接。同样地第2熔丝部21的两个第2电极32之中，一个与A1连接，另一个与A2连接，另外，第2发热体引出电极34和与它连接的第2发热体电极33与P1连接，另一个第2发热体电极33与P2连接。
[BMS控制元件]
BMS控制元件8检测各电池单元2的电压，并且根据检测结果，熔断堆栈保护元件5及电路保护元件7的各可熔导体13、29、35。BMS控制元件8与堆栈保护元件5的发热电阻器14及电路保护元件7的第1、第2发热电阻器24、31连接，通过向各发热电阻器14、24、31个别地供给电流，能够使之个别地发热。由此，BMS控制元件8能够个别地熔断保护元件5、7的各可熔导体13、29、35。
关于堆栈保护元件5及电路保护元件7，即使根据电池单元2的异常导致的过电流，可熔导体13、29、35也会因自发热而熔断，能够截断电流路径。此外，堆栈保护元件5及电路保护元件7也可以通过BMS控制元件8探测过电流，使发热电阻器14、24、31发热而使可熔导体13、29、35熔断。
这样，关于堆栈保护元件5及电路保护元件7，可熔导体13、29、35利用发热电阻器14、24、31的热、或者利用自发热而熔断，所以能够不可逆地截断电流路径，不会存在电路异常动作造成的影响。因而，能够可靠地实现作为保护元件的功能。另外，堆栈保护元件5及电路保护元件7不像所谓的熔丝方式的保护元件那样仅因过电流而动作，也能够根据异常电压或后面叙述的其他因素而工作，能够对应所有事态。另外，堆栈保护元件5及电路保护元件7不像电开关方式的保护元件那样需要维持电流路径的截断状态的电力，能够可靠地维持截断状态。
[保护电路的驱动工序]
接着，对保护电路1的驱动工序进行说明。保护电路1若在电池组9中出现比额定值大的过电流，对堆栈保护元件5的可熔导体13或电路保护元件7的第1、第2可熔导体29、35通电，则可熔导体13、29、35因自发热（焦耳热）而熔断，电池组9的充放电路径被截断。
另外，保护电路1利用BMS控制元件8监视构成电池堆栈3a、3b的电池单元2的电压，当在一部分的电池单元2中出现过电压时，为了将具有该电池单元2的电池堆栈3从电流路径截断，通过BMS控制元件8，对设在该电池堆栈3的堆栈保护元件5的发热电阻器14个别地供给电流，使之个别地发热。由此，BMS控制元件8能够个别地熔断该堆栈保护元件5的可熔导体13，只将具有出现异常的电池单元2的电池堆栈3从电路截断，能够通过残留的电池堆栈3供给电力。
例如，如图1所示，BMS控制元件8在探测到电池堆栈3a的电池单元2中过电压等的异常的情况下，通过向电池堆栈3a的堆栈保护元件5的发热电阻器14通电而熔断可熔导体13，将电池堆栈3a从电路上隔离。由此，保护电路1能够仅用残留的电池堆栈3b进行充放电。
在此，保护电路1通过BMS控制元件8使电池堆栈3a的堆栈保护元件5工作，并且使电路保护元件7工作，使第1熔丝部20熔断。由此，保护电路1能够响应电池堆栈3的减少，降低构成电池组9的充放电路径的一部分的电路保护元件7的额定值。
即，电路保护元件7按照电池堆栈3的个数而具备多个熔丝部，由此，具有与电池堆栈3的容量对应的大容量的额定值。而且，保护电路1将一部分的电池堆栈3从电池组9的充放电路径截断，并且使电路保护元件7的一部分的熔丝部工作而从充放电路径截断。
由此，保护电路1能够响应电池堆栈3的减少而降低电路保护元件7的额定值，能够设为适合残留的电池堆栈3的容量的额定值。因此，保护电路1在残留的电池堆栈3b的电池单元2发生异常，在电路保护元件7中流过过电流的情况下，也能以与电池堆栈3a减少前相同的输出，适当地熔断残留的第2熔丝部21的第2可熔导体35。即，保护电路1能够响应电源输出而改变电路保护元件7的工作条件，能够提高安全性。
此外，电路保护元件7的熔丝部既可以对一个电池堆栈3设置一个，也可以对多个电池堆栈3设置一个，以响应多个电池堆栈3的减少而熔断熔丝部，降低额定值。另外，电路保护元件7的熔丝部也可以对一个电池堆栈3设置多个，以响应一个电池堆栈3的减少而熔断多个熔丝部。
另外，为了更进一步的安全，保护电路1也可以在电流路径设置电流传感器，正确地检测过电流并通过BMS控制元件8使电路保护元件7工作，以截断电路。另外，第1、第2熔丝部20、21如图4所示，既可以在绝缘基板22的一面上并联而形成，也可以在绝缘基板22的表面和背面分别形成。
[BMS控制元件的驱动触发器]
再者，上述中，通过探测电池堆栈3内的电池单元2的异常电压来使堆栈保护元件5及电路保护元件7的熔丝部熔断，以将该电池堆栈3从电流路径上切断并且降低电路保护元件7的额定值，但是作为熔断堆栈保护元件5及电路保护元件7的熔丝部的触发器，能够根据搭载电池模块4的设备侧而进行各种设定。
例如在将电池模块4搭载到EV或HEV的情况或搭载到电动工具的情况下，除了电池单元2异常之外，还在发生事故造成的冲击、或淹没、火灾等造成的温度上升这一事态的情况下向BMS控制元件8发送指令，熔断各电池堆栈3的堆栈保护元件5及电路保护元件7的熔丝部，以截断电流路径也可。另外，在与其他电池单元2相比，出现尤其产生劣化的电池单元2的情况下，也为了抑制该电池单元2的影响，熔断堆栈保护元件5及电路保护元件7的熔丝部，以从电流路径切断也可。另外，在将电池模块4用作为家用电源的情况下，发生火灾、或大规模地震造成的倒塌、海啸造成的淹没等事态的情况下，也熔断各电池堆栈3的堆栈保护元件5及电路保护元件7的熔丝部，以截断电流路径也可。
标号说明
1　保护电路；2　电池单元；3　电池堆栈；5　堆栈保护元件；7　电路保护元件；8BMS控制元件；9　电池组；11　绝缘基板；12　电极；13　可熔导体；14　发热电阻器；15绝缘部件；16　发热体引出电极；17　助熔剂；18　发热体电极；19　盖部件；20　第1熔丝部；21　第2熔丝部；22　绝缘基板；23　第1绝缘部件；24　第1发热电阻器；25　第1电极；27　第1发热体电极；28　第1发热体引出电极；29　第1可熔导体；30　第2绝缘部件；31第2发热电阻器；32　第2电极；33　第2发热体电极；34　第2发热体引出电极；35　第2可熔导体。

Claims (6)

1.一种保护电路，具备：
电池模块，由多个电池并联连接而成；
第1保护元件，设在各上述电池、构成该电池的充电或放电的电流路径的一部分；以及
第2保护元件，构成上述电池模块的充电或放电的电流路径的一部分，
上述第2保护元件具备多个熔丝部，该熔丝部具有发热电阻器、和构成充电或放电的电流路径的一部分并且因上述发热电阻器的热或自发热而熔断的可熔导体，
多个上述熔丝部，响应发生异常的上述电池的截断，通过各上述发热电阻器而能够个别地熔断各上述可熔导体。
2.如权利要求1所述的保护电路，其中，具备使上述第1保护元件及上述第2保护元件工作的控制元件。
3.如权利要求1或2所述的保护电路，其中，上述第1保护元件具备：发热电阻器；以及构成上述电池的充电或放电的电流路径的一部分并且因上述发热电阻器的热或自发热而熔断的可熔导体。
4.如权利要求1或2所述的保护电路，其中，装入有探测各上述电池的异常电压的探测元件。
5.如权利要求1或2所述的保护电路，其中，各上述电池为多个电池单元串联或并联连接的电池堆栈。
6.一种保护电路的控制方法，其中，保护电路具备：
电池模块，由多个电池并联连接而成；
第1保护元件，设在各上述电池、构成该电池的充电或放电的电流路径的一部分；以及
第2保护元件，构成上述电池模块的充电或放电的电流路径的一部分，
上述第2保护元件按照上述电池的个数具备多个熔丝部，该熔丝部具有发热电阻器、和构成充电或放电的电流路径的一部分并且因上述发热电阻器的热或自发热而熔断的可熔导体，
所述保护电路的控制方法中，
使设在发生异常的上述电池的上述第1保护元件工作，将发生异常的上述电池从电流路径截断，
响应发生异常的上述电池的截断，通过各上述发热电阻器个别地熔断各上述可熔导体。
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