CN106463316A - 保护元件和电池组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种保护元件具备：第1外部电极、第2外部电极、配设在第1外部电极与第2外部电极之间的绝缘基板、配设在绝缘基板的表面的表面电极、以及分别与第1外部电极和第2外部电极电连接且在绝缘基板的表面上仅由表面电极支撑的可熔导体。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过阻断电流路径来保护连接于该电流路径的电路的保护元件、和使用该保护元件的电池组件。
背景技术
因为能够充电，所以能够反复使用的二次电池大多是以加工成电池组件的状态提供给用户的。尤其是，在使用重量能量密度高的锂离子二次电池的情况下，为了确保用户和电子设备的安全，一般来说，鉴于过充电保护和过放电保护等，将多个保护电路内藏于电池组件。因此，电池组件具有在所定的情况下阻断输出的功能。
使用锂离子二次电池的许多电子设备通过使用内藏于电池组件的FET开关进行输出的ON/OF，进行有关该电池组件的过充电保护或过放电保护动作。然而，即使在由于某种原因FET开关短路损坏的情况下，或者在由于施加雷电突波等而流入瞬间大电流的情况下，或者在起因于电池单元的寿命而输出电压异常低下、反之输出过大的异常电压的情况下，也必须从起火等事故中保护电池组件和电子设备。为此，即使在这样可以设想的任何异常状态下，为了安全地阻断电池单元的输出，使用有由具有根据来自外部的信号来阻断电流路径的功能的熔丝元件构成的保护元件。
作为搭载于这样的锂离子二次电池等用的保护电路中的保护元件，如专利文献1所记载，具备发热体的保护元件被使用。在该保护元件中，利用发热体的发热、导入电流路径的可熔导体熔断。
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
可是，为了在如移动电话和笔记本电脑这样的电流容量比较低的用途上使用保护元件，可熔导体(熔丝)最大也仅具有15A左右的电流容量。锂离子二次电池的用途由于近年来正在扩大，所以在更大电流的用途上考虑采用锂离子二次电池，在一部分用途上已经开始采用锂离子二次电池。该大电流的用途例如是电动螺丝刀等电动工具、混合动力汽车、电动汽车、电动辅助自行车等运输设备。在这些大电流的用途中，尤其是在启动时等，有流入如超过数的大电流的情况。期望有一种对应于这样的大电流容量的保护元件。
因此，即使在为了对应大电流使用大型可熔导体的情况下，也期望提供一种能够确保熔断后的绝缘电阻、并且也能够抑制可熔导体的变形的保护元件和电池组件。
本发明的一种实施方式的保护元件具备：第1外部电极、第2外部电极、配设在该第1外部电极与第2外部电极之间的绝缘基板、配设在该绝缘基板的表面的表面电极、以及分别与第1外部电极和第2外部电极电连接且在绝缘基板的表面上仅由表面电极支撑的可熔导体。
另外，本发明的一种实施方式的电池组件具备：一个以上的电池单元、以能够阻断流过该一个以上的电池单元的电流的方式连接于该一个以上的电池单元的保护元件、以及分别检测该一个以上的电池单元的电压值且控制用于加热保护元件的电流的电流控制元件。该保护元件具备：第1外部电极、第2外部电极、配设在该第1外部电极与第2外部电极之间的绝缘基板、配设在该绝缘基板的表面的表面电极、以及分别与第1外部电极和第2外部电极电连接且在绝缘基板的表面上仅由表面电极支撑的可熔导体。
依据本发明的一种实施方式的保护元件和电池组件，可熔导体在绝缘基板的表面上仅由表面电极支撑。在这种情况下，因为有关表面电极的尺寸和配置的设计的自由度变高，所以第1外部电极与第2外部电极之间的距离容易调整。为此，通过充分确保表面电极与第1外部电极之间的距离，因为熔融导体不容易沿着绝缘基板的表面与第1外部电极连接，所以能够维持高的绝缘电阻。另外，通过充分确保表面电极与第2外部电极之间的距离，因为熔融导体不容易沿着绝缘基板的表面与第2外部电极连接，所以能够维持高的绝缘电阻。
附图说明
图1是表示本发明的一种实施方式的保护元件的截面；
图2是表示本发明的一种实施方式的保护元件的截面图，表示可熔导体熔断后的状态；
图3是表示在绝缘基板的表面设有发热体的保护元件的截面图；
图4是表示在绝缘基板的背面设有发热体的保护元件的截面图；
图5是表示在绝缘基板的内部设有发热体的保护元件的截面图；
图6是表示应用有本发明的一种实施方式的保护元件的电池组件的电路构成的一例图；
图7是本发明的一种实施方式的保护元件的电路图；
图8是表示在绝缘基板上设有吸引孔的保护元件的截面图；
图9是表示在绝缘基板上设有吸引孔的保护元件的平面图；
图10是表示在绝缘基板上设有吸引孔的保护元件的截面图，表示可熔导体熔断后的状态；
图11是表示比较例的保护元件的截面图。
具体实施方式
以下参照附图对应用有本发明的一种实施方式的保护元件和使用该保护元件的电池组件进行详细说明。此外，本发明不只限于以下的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然可以进行各种变更。另外，因为附图为示意图，所以各尺寸的比率等有可能与现实的比率相异。对于具体尺寸等应该根据以下的说明来考虑、判断。另外，在附图之间当然有相互尺寸的关系和比率不同的情况。
[保护元件：凝集类型]
本发明的一种实施方式的保护元件1如图1所示，具备：第1外部电极2、第2外部电极3、配设在第1外部电极2与第2外部电极3之间的绝缘基板4、配设在绝缘基板4的表面4a的表面电极5、以及电连接于第1外部电极2且电连接于第2外部电极3的可熔导体6。另外，在保护元件1中，可熔导体6在绝缘基板4的表面4a上仅由表面电极5支撑。
在保护元件1中，通过第1外部电极2和第2外部电极3与外部电路的连接端子连接，装入该外部电路。另外，因为可熔导体6构成外部电路的电流路径的一部分，所以由于对应于超过额定电流的过电流可熔导体6熔断，该电流路径被阻断(图2)。
第1外部电极2和第2外部电极3是用于使保护元件1连接于外部电路的连接端子。在保护元件1的内部，第1外部电极2和第2外部电极3因为各自通过焊料等连接材料7与可熔导体6连接，所以通过该可熔导体6电连接。第1外部电极2和第2外部电极3由外筐体10支撑，并且从该外筐体10的内部导出至外部。此外，第1外部电极2和第2外部电极3也可以配设在接近绝缘基板4的绝缘材料上。该绝缘材料例如含有环氧树脂等。
在保护元件1中，第1外部电极2和第2外部电极3被外筐体10支撑。另外，通过绝缘基板4配设在外筐体10的内部的大致中央，第1外部电极2和第2外部电极3与绝缘基板4接近。
外筐体10例如包含PPS(聚苯硫醚：Polyphenylenesulfide)等耐热性优异的工程塑料中的任一种或二种以上。另外，外筐体10在成形为所定的形状时，也可以使用嵌入(Insert)成型等成形为与第1外部电极2和第2外部电极3一体化。
绝缘基板4例如包含氧化铝、玻璃陶瓷、莫来石、和氧化锆等具有绝缘性的材料中的任一种或二种以上。另外，虽然也可以使用用于玻璃环氧基板、苯酚基板等印刷配线基板的材料，但是需要注意熔丝熔断时的温度。
在绝缘基板4的表面4a形成有表面电极5。表面电极5通过焊料等连接材料7与可熔导体6连接，该可熔导体6通过焊料等连接材料7分别与第1外部电极2和第2外部电极3连接。表面电极5是支撑连接于第1外部电极2和第2外部电极3的可熔导体6的支撑电极。另外，表面电极5阻断第1外部电极2与第2外部电极3之间的电流路径。在这种情况下，因为可熔导体6利用对应于过电流的自身发热而熔融，所以该可熔导体6的熔融物即熔融导体6a(后述的图10)凝集。
此外，表面电极5为了维持可熔导体6熔断后的绝缘电阻，优选地，以分别与第1外部电极2和第2外部电极3隔开充分的距离的方式配设。如图1所示，在第1外部电极2和第2外部电极3于外筐体10的内部对向的情况下，表面电极5配设在绝缘基板4的表面4a的大致中央部。为此，表面电极5因为在分别与第1外部电极2和第2外部电极3隔开所定的距离的状态下保持熔融导体6a，所以起因于飞散至绝缘基板4的表面4a的熔融导体6a的短路风险将降低。
另外，在保护元件1中，因为在绝缘基板4的表面4a没有配设侧电极，可熔导体6仅由表面电极5支撑，所以有关该表面电极5的尺寸和配置等的自由度变高，并且考虑可熔导体6熔断后的短路风险的设计的自由度变高。为此，在保护元件1中，因为能够确保表面电极5与第1外部电极2之间的距离，并且能够确保表面电极5与第2外部电极3之间的距离，所以能够防止熔融导体6a沿着绝缘基板4的表面4a分别与第1外部电极2和第2外部电极3连接。因此，能够维持高的绝缘电阻。
可熔导体6在过电流状态下熔融。该可熔导体6含有可以熔断的导电性材料中的任一种或二种以上。该导电性材料例如为SnAgCu类无铅焊料、BiPbSn合金、BiPb合金、BiSn合金、SnPb合金、PbIn合金、ZnAl合金、InSn合金、以及PbAgSn合金等。此外，可熔导体6也可是：高熔点金属中的任一种或二种以上与低熔点金属中的任一种或二种以上的积层体。高熔点金属例如为Ag、Cu、和以它们的一种以上作为主要成分的合金等。低熔点金属例如为焊料、和以Sn为主要成分的无铅焊料等。
这样的可熔导体6由在低熔点金属箔上，使用电镀技术成膜高熔点金属层而形成。另外，可熔导体6也可以使用其它已知的积层技术、膜形成技术形成。此外，可熔导体6也可以以高熔点金属层作为内层，以低熔点金属层作为外层。另外，可熔导体6也可是低熔点金属层与高熔点金属层被交替积层的4层以上的多层构造。像这样，可熔导体6可以形成为各种各样的结构。
另外，可熔导体6因为在流过所定的额定电流的状态下自身不发热，所以不熔断。对此，可熔导体6因为若流过高于额定电流值的电流则自身发热，所以熔融。因此，第1外部电极2与第2外部电极3之间的电流路径被阻断。此时，在可熔导体6中，因为熔融的低熔点金属侵蚀高熔点金属，所以该高熔点金属在低于熔融温度的温度下熔融。因此，可熔导体6利用低熔点金属对高熔点金属的侵蚀作用，在短时间熔断。
另外，在可熔导体6中，通过成为外层的高熔点金属积层在成为内层的低熔点金属上，比起由高熔点金属构成的芯片熔丝等熔断温度大幅降低。因此，在可熔导体6中，相比同一尺寸的芯片熔丝等，熔断面积变大，且电流额定值大幅提高。另外，比起相同电流额定值的芯片熔丝，能够谋求小型化、薄型化且速熔断性优异。
另外，在可熔导体6中，对安装有保护元件1的电路瞬间施加异常高的电压的现象，即所谓对突波的耐性(耐脉冲性)得到提高。也就是说，可熔导体6例如在数msec的时间流过100A的电流的情况下，不可以熔断。关于这一点，在极短的时间内流过的大电流流过导体的表层(表皮效果)。可熔导体6因为通过包含作为外层的电阻值低的Ag电镀等高熔点金属，起因于突波而被施加的电流容易流过，所以能够防止起因于自身发热的可熔导体6的熔断。因此，在可熔导体6中，由于低熔点金属被高熔点金属被覆，所以相比由焊料合金构成的熔丝，对突波的耐性大幅提高。
此外，在可熔导体6中，为了防止氧化、和提高熔断时的润湿性等，涂布助焊剂(未图示)。
在具有这样的构成的保护元件1中，可熔导体6在绝缘基板4之上仅由表面电极5支撑。在这种情况下，作为绝缘基板4，在使用耐热冲击性和热传导性都优异的陶瓷基板时，即使在保护元件1被反复放置于高温环境和低温环境的情况下，因为可熔导体6不容易产生起因于可熔导体6的热膨胀系数与绝缘基板4的热膨胀系数之差的变形，所以保护元件1的外形和尺寸保持稳定。为此，在保护元件1中，因为可熔导体6的电阻值稳定，所以能够维持高电流额定值。
[保护元件的操作]
另外，如果保护元件1流过超过额定的过电流，那么在该保护元件1中，如图2所示，可熔导体6利用自身发热熔融。为此，因为在接近第1外部电极2侧和接近第2外部电极3侧之中的任一方可熔导体6熔断，所以外部电路的充放电路径被阻断。此时，在保护元件1中，因为可熔导体6在绝缘基板4之上仅由表面电极5支撑，所以有关表面电极5的尺寸和配置的设计自由度变高，并且第1外部电极2与第2外部电极3之间的距离容易调整。为此，在保护元件1中，因为能够确保表面电极5与第1外部电极2之间的距离，并且能够确保表面电极5与第2外部电极3之间的距离，所以熔融导体6a变得不易沿着绝缘基板4的表面4a与第1外部电极2和第2外部电极3连接。因此，能够维持高的绝缘电阻。
[外筐体的热膨胀系数和可熔导体的热膨胀系数]
此外，在保护元件1中，可熔导体6的热膨胀系数与外筐体10的热膨胀系数优选相同或者近似。例如，在保护元件1中，在作为可熔导体6使用表面镀Ag的焊料箔(热膨胀系数＝22ppm/℃)，并且作为外筐体10使用含有玻璃纤维的PPS树脂(热膨胀系数＝20ppm/℃)的情况下，可熔导体6的热膨胀系数与外筐体10的热膨胀系数近似。因此，即使在保护元件1被反复放置于高温环境和低温环境的情况下，表面电极5与第1外部电极2之间的变形变得不易蓄积，并且表面电极5与第2外部电极3之间的变形变得不易蓄积。另外，能够抑制起因于可熔导体6的变形等的电阻值的变动。因此，能够维持高电流额定值。
[发热体]
另外，在本发明的一种实施方式的保护元件中，如图3所示，也可以在绝缘基板4设置用于使可熔导体6熔断的发热体11。此外，在以下的说明中，对于与上述保护元件1的构成要素相同的构成要素附加上相同的符号，并省略了有关该构成要素的详细的说明。
设有发热体11的保护元件12例如如果装入电池组件，那么因为在过电流时可熔导体6自身发热，所以该可熔导体6熔断；再有因为对应于电池单元的过电压发热体11通电并发热，所以可熔导体6熔断。因此，电池组件的充放电路径被阻断。
发热体11包含电阻值比较高且一通电便发热的具有导电性的材料中的任一种或二种以上。该具有导电性的材料例如为钨(W)、钼(Mo)、钌(Ru)、以它们的一种以上作为主要成分的合金、以它们的一种以上作为主要成分的组合物、以及以它们的一种以上作为主要成分的化合物等。使用丝网印刷技术，将含有这些合金等的粉状体与树脂粘合剂等的混合物的膏以形成所定图案的方式涂布于绝缘基板4的表面4a后，通过对该膏进行煅烧等形成发热体11。
发热体11配设在绝缘基板4的表面4a，并且由绝缘层13被覆。在绝缘层13上，配设有表面电极5。绝缘层13是为了谋求发热体11的保护和绝缘、并且将发热体11所发生的热量有效地传送至表面电极5和可熔导体6而设置的，例如由玻璃层构成。表面电极5由于被发热体11加热，所以可熔导体6的熔融物即熔融导体6a容易凝集。
发热体11的一端部与表面电极5连接，该发热体11通过表面电极5与配设在该表面电极5上的可熔导体6电连接。另外，发热体11的另一端部与未图示的发热体电极连接。发热体电极配设在绝缘基板4的表面4a。另外，发热体电极与配设在绝缘基板4的背面4b的第3外部连接电极15(参照图6)连接，通过该第3外部连接电极15与外部电路连接。保护元件1通过与外部电路连接，装入在电路基板上通过第3外部连接电极15形成有发热体11的供电路径、即对发热体11的供电路径。
另外，如图4所示，在保护元件12中，发热体11也可以配设在绝缘基板4的背面4b。发热体11在绝缘基板4的背面4b，被绝缘层13被覆。
发热体11的一端部通过未图示的发热体电极，与表面电极5和配设在表面电极5上的可熔导体6电连接。另外，发热体11的另一端部通过未图示的发热体电极与第3外部连接电极15连接。
另外，如图5所示，在保护元件12中，发热体11也可以配设在绝缘基板4的内部。在这种情况下，发热体11也可以不被玻璃等绝缘层13被覆。发热体11的一端部通过未图示的发热体电极，与表面电极5和配设在表面电极5上的可熔导体6电连接。另外，发热体11的另一端部通过未图示的发热体电极与第3外部连接电极15连接。
[电路结构]
这样的保护元件12如图6所示，例如安装在使用有锂离子二次电池的电池组件30内的电路中。电池组件30具备一个以上的电池单元、例如由合计4个锂离子二次电池的电池单元31～34构成的电池组35。
电池组件30具备电池组35、控制电池组35的充放电的充放电控制电路40、在电池组35异常时使充电动作停止的保护元件12(应用有本发明的保护元件)、检测各个电池单元31～34的电压的检测电路36、以及用于根据检测电路36的检测结果控制保护元件12的操作的开关元件即电流控制元件37。
在电池组35中，需要进行过充电保护和过放电保护的控制的电池单元31～34串联。该电池组35通过电池组件30的正极端子30a和负极端子30b以可以装卸的方式连接于充电装置45，从该充电装置45施加充电电压。由充电装置45充电的电池组件30通过正极端子30a和负极端子30b连接于利用电池驱动的电子设备，由此能够使该电子设备驱动。
充放电控制电路40具备与从电池组35至充电装置45的电流路径串联的2个电流控制元件41和42、以及控制该电流控制元件41和42的操作的控制部43。电流控制元件41、42例如包含场效应晶体管(以下称为FET)。该电流控制元件41、42通过栅极电压被控制部43控制，控制电池组35的电流路径的状态(导通和阻断)。控制部43从充电装置45接受电力供给进行操作，并且根据检测电路36的检测结果，当电池组35为过放电状态或过充电状态时，控制电流控制元件41、42的操作以阻断电流路径。
保护元件12例如导入电池组35与充放电控制电路40之间的充放电电流路径上，该保护元件12的操作由电流控制元件37控制。
检测电路36与各个电池单元31～34连接，将在该各个电池单元31～34上检测出的各个电压值，提供给充放电控制电路40的控制部43。另外，检测电路36在任一个电池单元31～34成为过充电电压状态或过放电电压状态时，输出用于控制电流控制元件37的控制信号。
电流控制元件37例如包含FET。该电流控制元件37根据从检测电路36输出的检测信号，在电池单元31～34的电压值成为超过所定的过放电状态或过充电状态的电压时，使保护元件12驱动。因此，电池组35的充放电电流路径不依靠电流控制元件41、42的开关操作被阻断。
用于具有如以上构成的电池组件30的保护元件12，具有如图7所示的电路结构。也就是说，在保护元件12中，第1外部电极2与电池组35电连接，并且第2外部电极3与正极端子30a电连接。因此，可熔导体6被以串联的方式导入电池组35的充放电路径。另外，在保护元件12中，发热体11通过发热体电极和第3外部连接电极15与电流控制元件37连接，并且该发热体11与电池组35的开放端连接。因此，发热体11的一端部通过表面电极5与可熔导体6和电池组35的一方的开放端连接。发热体11的另一端部通过第3外部连接电极15与电流控制元件37和电池组35的另一方的开放端连接。因此，形成对发热体11的供电路径，并且对该发热体11的通电由电流控制元件37控制。
[保护元件的操作]
如果电池组件30流过超过额定的过电流，那么在保护元件12中，因为可熔导体6自身发热且熔融，所以电池组件30的充放电路径被阻断。
另外，检测电路36如果检测出电池单元31～34中的任一个的异常电压，那么向电流控制元件37输出遮断信号。该电流控制元件37根据遮断信号，控制电流以使发热体11通电。在保护元件12中，因为电流从电池组35通过第1外部电极2、可熔导体6和表面电极5流向发热体11，所以该发热体11开始发热。因此，在保护元件12中，如果可熔导体6被发热体11加热，那么因为该可熔导体6熔断，所以电池组35的充放电路径被阻断。
此时，即使在利用过电流时的自身发热的可熔导体6的熔断、和利用过电压时的发热体11的发热的可熔导体6的熔断的任一种情况下，在保护元件12中，因为可熔导体6在绝缘基板4之上仅由表面电极5支撑，所以有关表面电极5的尺寸和配置的设计自由度变高，并且第1外部电极2与第2外部电极3之间的距离容易调整。为此，在保护元件12中，因为能够确保表面电极5与第1外部电极2之间的距离，并且能够确保表面电极5与第2外部电极3之间的距离，所以熔融导体6a变得不易沿着绝缘基板4的表面4a分别与第1外部电极2和第2外部电极3连接。因此，能够维持高的绝缘电阻。
另外，在保护元件12中，由于可熔导体6包含高熔点金属和低熔点金属，利用熔融的低熔点金属对高熔点金属的侵蚀作用，该可熔导体6在短时间熔断。
另外，在保护元件12中，因为由于可熔导体6熔断，对发热体11的供电路径也被阻断，所以发热体11的发热停止。
本发明的一种实施方式的保护元件不只限应用于使用有锂离子二次电池的电池组件的情况下，当然也可以应用于需要根据电气信号阻断电流路径的各种用途。
[保护元件：吸引类型]
另外，在本发明的一种实施方式的保护元件中，如图8所示，在绝缘基板4上也可以设置有用于吸引可熔导体6的熔融物即熔融导体6a的吸引孔51。此外，在以下的说明中，对于与上述保护元件1的构成要素相同的构成要素附加上相同的符合，并省略了有关该构成要素的详细的说明。
在设有吸引孔51的保护元件50中，如果可熔导体6利用伴随过电流的自身发热而熔融、或者可熔导体6利用伴随过电压的发热体11的发热而熔融，那么因为利用毛细管现象熔融导体6a被吸引至吸引孔51的内部，所以该熔融导体6a的体积减少。在保护元件50中，即使在通过为了对应大电流用途而使可熔导体6的截面积增大，而熔融量增大的情况下，也因为熔融导体6a被吸引孔51吸引，所以该熔融导体6a的体积减少。
因此，在保护元件50中，可熔导体6变得容易快速熔断。另外，在保护元件50中，即使在利用伴随过电流的自身发热的可熔导体6的熔断时发生电弧放电，也能够减少起因于该电弧放电的熔融导体6a的飞散。因此，能够防止绝缘电阻降低，并且能够防止起因于熔融导体6a附着于可熔导体6的周围电路的短路故障。
在吸引孔51的内壁面，设置有导电层52。由于设置有导电层52，吸引孔51变得容易吸引熔融导体6a。导电层52包含导电性材料中的任一种或二种以上。该导电性材料例如为铜、银、金、铁、镍、钯、铅、锡、和以它们的一种以上作为主要成分的合金等。在吸引孔51的内壁面，通过使用电解电镀法和印刷法等已知的方法成膜导电性材料(例如导电性膏)，形成导电层52。
另外，吸引孔51较佳是在绝缘基板4的厚度方向上延伸的贯通孔。因此，在吸引孔51中，熔融导体6a被吸引至绝缘基板4的背面4b。由此，因为更多的熔融导体6a被吸引，所以在可熔导体6熔断的地方熔融导体6a的体积更加减少。此外，该吸引孔51也可以是非贯通孔。
另外，如图9所示，在绝缘基板4的表面4a上通过绝缘层13配设有表面电极5，吸引孔51设置在对应于该表面电极5的宽度方向的大致中央部的位置。此外，吸引孔51的数目可以为一个，也可以为复数。在吸引孔51的数目为复数的情况下，因为吸引熔融导体6a的路径增加，所以，更多的熔融导体6a被吸引孔51吸引。因此，在可熔导体6熔断的地方，熔融导体6a的体积更加减少。在这里，多个吸引孔51例如以直线状、即排在一排的方式配置。
另外，设于吸引孔51的内壁面的导电层52与表面电极5连接。导电层52的表面与表面电极5的表面优选在同一平面内。导电层52与表面电极5也可以一体化。因此，在保护元件50中，于表面电极5上凝集的熔融导体6a在表面电极5的表面和导电层52的表面变得容易润湿、扩散，并且该熔融导体6a通过导电层52容易被引导至吸引孔51的内部。
另外，在绝缘基板4的背面4b，以与设于吸引孔51的内壁面的导电层52连接的方式，配设背面电极53。如图10所示，背面电极53与导电层52连接。导电层52的表面与背面电极53的表面优选在同一平面内。背面电极53与导电层52也可以一体化。如果可熔导体6熔融，那么从绝缘基板4的表面4a经由吸引孔51移动至背面4b的熔融导体6a在背面电极53上凝集。因此，在保护元件50中，于背面电极53上凝集的熔融导体6a在背面电极53的表面和导电层52的表面变得容易润湿、扩散。另外，因为更多的熔融导体6a被吸引孔51吸引，所以在可熔导体6熔断的地方熔融导体6a的体积更加减少。
此外，在保护元件50中，可以不配设发热体11，仅利用伴随过电流的自身发热使可熔导体6熔断；也可以配设发热体11，利用伴随过电流的自身发热再加上伴随过电压的发热体11的发热使可熔导体6熔断。另外，在保护元件50中，发热体11可以配设在绝缘基板4的表面4a，也可以配设在绝缘基板4的背面4b，也可以配设在绝缘基板4的内部。
在发热体11设于绝缘基板4的背面4b的情况下，发热体11的一端部与背面电极53连接，与该背面电极53一体化，并且通过导电层52和表面电极5与可熔导体6电连接。另外，发热体11的另一端部通过未图示的发热体电极与第3外部连接电极15连接。同样，在发热体11设于绝缘基板4的内部的情况下，发热体11的一端部通过表面电极5与可熔导体6电连接，并且发热体11的另一端部与第3外部连接电极15连接。
如果发热体11配设在绝缘基板4的背面4b，那么在保护元件50中，因为背面电极53被发热体11加热，所以更多的熔融导体6a容易凝集。因此，在保护元件50中，由于能够促进熔融导体6a从表面电极5通过导电层52吸引至背面电极53的作用，所以可熔导体6容易熔断。
另外，如果发热体11配设在绝缘基板4的内部，那么在保护元件50中，由于表面电极5和背面电极53通过导电层52被发热体11加热，所以更多的熔融导体6a容易凝集。因此，在保护元件50中，由于能够促进熔融导体6a从表面电极5通过导电层52吸引至背面电极53的作用，所以可熔导体6容易熔断。
此外，在发热体11配设在绝缘基板4的表面4a、发热体11配设在绝缘基板4的背面4b、发热体11配设在绝缘基板4的内部的任何一种情况下，该发热体11优选地配设在吸引孔51的两侧。因为表面电极5和背面电极53被加热，所以更多的熔融导体6a凝集且被吸引孔51吸引。
另外，在保护元件50中，也可以在吸引孔51的内部，填充与可熔导体6的形成材料相同或者类似的材料、比可熔导体6的形成材料熔点低的预备焊料55、助熔剂等。在保护元件50中，当发热体11发热时，导热性优异的导电层52、表面电极5和背面电极53的温度比绝缘基板4的温度先提高。由此，因为预备焊料55等比可熔导体6先熔融，所以熔融导体6a被吸引孔51吸引。因此，因为熔融导体6a从绝缘基板4的表面4a移动至背面4b，所以不管保护元件50的朝向，第1外部电极2与第2外部电极3之间的电流路径容易被阻断。
[第1外部电极与绝缘基板之间的间隙、和第2外部电极与绝缘基板之间的间隙]
此外，在保护元件1、12、50中，因为在由外框体10支撑的第1外部电极2与绝缘基板4之间设有间隙，所以优选该第1外部电极2与绝缘基板4互相隔开。另外，因为在由外框体10支撑的第2外部电极3与绝缘基板4之间设有间隙，所以优选该第2外部电极3与绝缘基板4互相隔开。如果设有这些间隙，那么因为起因于绝缘基板4的热膨胀系数与外框体10的热膨胀系数之差的变形被吸收，所以能够防止保护元件1、12、50的破损。另外，在保护元件12、50中，如果设有间隙，那么绝缘基板4与第1外部电极2之间的传热路径被阻断，并且绝缘基板4与第2外部电极3之间的传热路径被阻断。为此，因为能够更有效地将热量从表面电极5传送至可熔导体6，所以可熔导体6快速熔断。
另外，如果在第1外部电极2与绝缘基板4之间设有间隙，并且在第2外部电极3与绝缘基板4之间设有间隙，那么第1外部电极2与表面电极5不排列于同一平面上，并且第2外部电极3与表面电极5不排列于同一平面上。因此，在保护元件1中，因为熔融导体6a变得不易沿着绝缘基板4的表面4a与第1外部电极2和第2外部电极3连接，所以能够维持高的绝缘电阻。
在这里，在没有使用上述本发明的一种实施方式的保护元件时所产生的问题，如下所述。
作为对本发明的保护元件1、12、50的比较例的保护元件100，如图11所示，具备：第1外部电极101、第2外部电极102、配设在第1外部电极101与第2外部电极102之间的绝缘基板103、配设在绝缘基板103的表面的表面电极104、以及由一对侧电极105a和105b支撑的可熔导体106。第1外部电极101和第2外部电极102由外框体110支撑。
保护元件100通过第1外部电极101和第2外部电极102连接于外部电路，装入该外部电路的电流路径。因此，可熔导体106构成上述电流路径的一部分。如果超过额定的过电流流过可熔导体106，那么因为该可熔导体106利用自身发热熔断，所以电流路径被阻断。
另外，在保护元件100中，对应于通电而发热的发热体107设于绝缘基板103之上。发热体107包含W、Mo、和Ru等高熔点金属中的任一种或二种以上，由玻璃等绝缘层108被覆。表面电极104与发热体107的一端部电连接，并且以与发热体107重叠的方式配设在绝缘层108的表面上。另外，发热体107与未图示的发热体电极连接，通过该发热体电极与外部电路连接。由此，控制对发热体107的通电。在保护元件100中，在过电流状态下可熔导体106熔断的情况之外，如果检测出电池单元的过电压状态，那么因为由电阻体形成的发热体107流过电流，利用该发热体107的发热而可熔导体106熔断。
在保护元件100中，为了对应大电流，通过使可熔导体106的截面积增大，来谋求该可熔导体106的低电阻化。在这里，如果为了对应大电流使可熔导体106的截面积增大，那么因为为了利用发热体107的发热使可熔导体106熔断需要耗费时间，并且在熔断时可熔导体106的熔融量变多，所以有必要使该可熔导体106稳定地熔断。因此，在保护元件100中，在表面电极104的两侧的绝缘基板103的表面，以互相隔开的方式配设有侧电极105a、105b。在可熔导体106使用焊料连接于侧电极105a、105b的情况下，如果发热体107发热，那么因为侧电极105a、105b将发热体107所发生的热量有效地传送至可熔导体106，所以该可熔导体106快速地被加热并熔断。如果可熔导体106熔融，那么侧电极105a、105b利用润湿性支撑该可熔导体106的熔融物(熔融导体)的一部分，以使其与表面电极104、第1外部电极101和第2外部电极102隔开。因此，在保护元件100中，装入第1外部电极101与第2外部电极102之间的电流路径的可熔导体106变得容易熔断。
然而，在保护元件100中，因为表面电极104和一对侧电极105a、105b配置在绝缘基板103的表面上的有限空间，所以表面电极104与一对侧电极105a、105b的距离变小。因此，在可熔导体106熔断后，因为熔融导体与第1外部电极101和第2外部电极102变得容易连接，所以有可能不能确保绝缘电阻。
另外，作为绝缘基板103，耐热冲击性和热传导性都优异的陶瓷基板适合被使用。在这种情况下，因为可熔导体106的热膨胀系数与绝缘基板103的热膨胀系数的差大，所以如果保护元件100被反复放置于高温环境与低温环境，那么在表面电极104与一对侧电极105a、105b之间，起因于热膨胀系数之差的变形蓄积于可熔导体106。为此，因为电阻值产生偏差，所以有可能难以维持保护元件100的高电流额定值。再有，起因于上述变形，可熔导体106和侧电极105a、105b也有可能发生龟裂和剥离。这样的倾向越是为了提高保护元件100的电流额定值而使可熔导体106大型化，就越是变得显著。
[实例]
接着，对本发明的实例进行说明。在本实例中，在准备：可熔导体6在绝缘基板4上仅由表面电极5支撑的保护元件1(实例：参照图1)；以及可熔导体106在绝缘基板103上由表面电极104和一对侧电极105a、105b支撑的保护元件100(比较例：参照图11)后，评价了电流阻断时的绝缘性；利用发热体11、107的发热的熔断特性；以及温度循环试验时的可靠性。
在实例的保护元件1和比较例的保护元件100中，作为绝缘基板4、103，使用背面设有发热体11、107的陶瓷基板(热膨胀系数＝7ppm/℃)。另外，作为电连接于第1外部电极2、101和第2外部电极3、102的可熔导体6、106，使用施加有镀Ag处理(厚度为6μm)的Sn-Ag-Cu类金属箔(厚度＝0.35mm、宽度＝5.4mm、热膨胀系数＝22ppm/℃)。可熔导体6、106与第1外部电极2、101和第2外部电极3、102通过焊料连接。另外，第1外部电极2、101和第2外部电极3、102由PPS制的外框体10、110(热膨胀系数＝20ppm/℃)支撑。
通过对实例的保护元件1和比较例的保护元件100在190A、35V的条件下通电，利用自身发热使可熔导体6、106熔断。熔断时间在实例的保护元件1和比较例的保护元件100的任一方都为5秒。熔断后，通过测定第1外部电极2、101与第2外部电极3、102之间的绝缘电阻值，确认是否能够确保106Ω以上的绝缘电阻。测定结果表示在表1中。
[表1]
如表1所示，在实例的保护元件1中，16个样品全部确保106Ω以上的绝缘电阻。另一方面，在比较例的保护元件100中，8个样品中有3个样品绝缘电阻值未满106Ω。在比较例的保护元件100中，由于设置侧电极105a、105b，从而第1外部电极101、第2外部电极102、侧电极105a、侧电极105b、以及表面电极104各自的位置互相靠近，所以被认为是起因于电弧放电时飞散的熔融导体而变得容易发生短路。对此，可熔导体6在绝缘基板4上仅由表面电极5支撑的实例的保护元件1因为不易发生上述短路，对于维持高的绝缘电阻是有效的。
另外，在实例的保护元件1和比较例的保护元件100中，通过使发热体11、107通电并发热而使可熔导体6、106熔断的情况下，实例的保护元件1和比较例的保护元件100的任一方在施加电力为30W的条件下熔断时间为约10秒，在施加电力为90W的条件下熔断时间为约1.5秒。也就是说，不具备侧电极105a、105b的实例的保护元件1与具备侧电极105a、105b的比较例的保护元件100相同，能够在大的驱动电力范围迅速使可熔导体6熔断。
接着，通过使用实例的保护元件1和比较例的保护元件100实施温度循环试验，测定初期的导通电阻值、和温度循环试验后的导通电阻值。测定结果表示在表2中。在温度循环试验中，在-40℃(30min)与100℃(30min)之间使温度变化，并且将循环回数定为300回。
[表2]
如表2所示，在实例的保护元件1中，温度循环试验后的电阻值的上升率被抑制在1.4％，对此，在比较例的保护元件100中，温度循环试验后的电阻值的上升率高达3.9％。
在比较例的保护元件100中，可熔导体106在绝缘基板103上的多处被侧电极105a、105b和表面电极104固定。在这种情况下，如果实施温度循环试验，那么因为起因于绝缘基板103的热膨胀系数与可熔导体106的热膨胀系数的差，而反复产生应力，所以在使可熔导体106固定在绝缘基板103上的侧电极105a、105b与表面电极104之间发生变形。为此，因为起因于可熔导体106的变形而电阻值变动，所以有关电流额定值的维持和快速熔断性等的可靠性降低。
另一方面，在实例的保护元件1中，因为可熔导体6在绝缘基板4上的一处被表面电极5固定，所以上述变形的发生被抑制。另外，因为支撑第1外部电极2和第2外部电极3的外框体10的热膨胀系数与可熔导体6的热膨胀系数的差小，所以在第1外部电极2和第2外部电极3与表面电极5之间几乎不发生变形。因此，通过采用可熔导体6在绝缘基板4上仅由表面电极5支撑的结构，即使在保护元件1被暴露在各种各样的温度环境的情况下，也能够确保有关高电流额定值的维持和快速熔断性的可靠性。
本公开含有涉及在2014年5月30日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2014-112811中公开的主旨，其全部内容包括在此，以供参考。
本领域的技术人员应该理解，虽然根据设计要求及其他因素可能出现各种修改、组合、子组合和可替换项，但是它们均包含在附加的权利要求或它的等同物的范围内。
符号的说明
1：保护元件
2：第1外部电极
3：第2外部电极
4：绝缘基板
4a：表面
4b：背面
5：表面电极
6：可熔导体
7：连接材料
10：外框体
11：发热体
12：保护元件
13：绝缘层
15：第3外部连接电极
30：电池组件
31～34：电池单元
35：电池组
36：检测电路
37：电流控制元件
40：充放电控制电路
41，42：电流控制元件
43：控制部
45：充电装置
50：保护元件
51：吸引孔
52：导电层
53：背面电极
55：预备焊料
Claims (8)
1.一种保护元件，其具备：
第1外部电极；
第2外部电极；
绝缘基板，配设在所述第1外部电极与所述第2外部电极之间；
表面电极，配设在所述绝缘基板的表面；以及
可熔导体，分别与所述第1外部电极和所述第2外部电极电连接，并且在所述绝缘基板的表面上仅由所述表面电极支撑。
2.根据权利要求1所述的保护元件，其中，进一步具备分别支撑所述第1外部电极和所述第2外部电极的外框体。
3.根据权利要求2所述的保护元件，其中，
所述外框体，
具有与所述可熔导体的热膨胀系数相同的热膨胀系数，
或者，具有与所述可熔导体的热膨胀系数近似的热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的保护元件，其中，
所述表面电极设于所述绝缘基板的表面的大致中央部。
5.根据权利要求1所述的保护元件，其中，具备配设在所述绝缘基板之上或者所述绝缘基板的内部的发热体。
6.根据权利要求1所述的保护元件，其中，
所述绝缘基板在厚度方向上具有一个以上的吸引孔，
所述一个以上的吸引孔吸引所述可熔导体的熔融物即熔融导体。
7.根据权利要求1所述的保护元件，其中，所述第1外部电极与所述绝缘基板相互隔开，并且所述第2外部电极与所述绝缘基板相互隔开。
8.一种电池组件，其具备：
一个以上的电池单元；
保护元件，以能够阻断流过所述一个以上的电池单元的电流的方式，连接于该一个以上的电池单元；以及
电流控制元件，分别检测所述一个以上的电池单元的电压值且控制用于加热所述保护元件的电流，
所述保护元件具备：
第1外部电极；
第2外部电极；
绝缘基板，配设在所述第1外部电极与所述第2外部电极之间；
表面电极，配设在所述绝缘基板的表面；以及
可熔导体，分别与所述第1外部电极和所述第2外部电极电连接，并且在所述绝缘基板的表面上仅由所述表面电极支撑。
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