CN111725789A - 保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种保护电路，该保护电路即使在被施加有过大的电压的情况下，发热体也能够在使可熔导体熔断所需的时间不烧毁而持续加热，从而可靠地切断充放电通路。所述保护电路具备：电池单元(3)；检测电池单元(3)的电压的电压检测元件(4)；具有设置在电池单元(3)的充放电通路上的可熔导体(16)和与电池单元(3)连接并通过被通电而发热从而将可熔导体(16)熔断的发热体(12)的保护元件(5)；与发热体(12)连接并根据电压检测元件(4)的输出控制对发热体(12)的通电的开关元件(6)；和延迟对发热体(12)施加电压的延迟电路(7)。

Description

保护电路

本申请是国际申请日为2014年09月03日、国际申请号为PCT/JP2014/004536、进入中国申请号为201480048999.5、发明名称为“保护电路”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种切断电流通路的保护电路，特别地涉及在锂离子二次电池等的在紧急时需要快速切断电流通路的电池电路中使用的适当的保护电路。本申请主张日本专利申请2013-184663号(2013年9月6日申请)的优先权，并参照该申请的公开全部内容而引用于此。

背景技术

可充电而重复利用的二次电池大多被加工成电池组(battery pack)而提供给用户。特别地，在重量能量密度高的锂离子二次电池中，为了确保用户和电子设备的安全，通常将用于过充电保护、过放电保护等的保障电路内置于电池组，从而具有在预定的情况下切断电池组的输出的功能。

在这种电路中，使用内置于电池组的FET开关来进行输出的接通/断开(ON/OFF)，由此进行电池组的过充电保护或过放电保护动作。然而，无论是由于何种原因FET开关短路损坏时、由于被雷击等而导致瞬间流过大电流时、或者由于电池单元的寿命而输出电压异常地下降或相反地输出过大异常电压时，电池组或电子设备都应该受到保护以防止起火等事故。因此，为了即使在这样的可设想的所有异常状态下也安全地将电池单元的输出切断，而使用由熔断元件构成的保护元件，该熔断元件具有根据来自外部的信号切断电流通路的功能。

作为面向这样的锂离子二次电池等的电池电路的保护元件通常使用在保护元件内部具有发热体，并通过该发热体熔断电流通路上的可熔导体(保险丝)的结构。

作为本发明的关联技术在图6示出保护电路50。保护电路50例如为用于锂离子二次电池的电池组的电池电路，并具备：具有锂离子二次电池的电池单元的电池堆51、在电池堆51异常时切断充电的保护元件52、检测电池堆51的电压的电压检测元件53、和根据电压检测元件53的检测结果控制保护元件52的动作的开关元件54。

保护元件52串联连接在电池堆51的充放电通路上，并具有可熔导体55和发热体56，可熔导体55构成该充放电通路的一部分，发热体56与开关元件54连接并通过被电池堆51供应电力而发热，从而使可熔导体55熔断。

可熔导体55例如使用以Sn为主要成分的无Pb焊料等低熔点金属而形成。发热体56为电阻值比较高且在通电时发热的具有导电性的部件，由例如W、Mo、Ru等构成，并且通过将它们的合金或组成物、化合物的粉状体与树脂粘合剂等混合得到浆状物，利用丝网印刷技术使该浆状物在形成保护元件52的绝缘基板上形成图案并进行烧制等而形成。

该保护元件52通过开关元件54来控制向发热体56的供电。

电压检测元件53监测电池堆51的电压，并在成为过充电电压或过放电电压时输出控制开关元件54的控制信号。

开关元件54例如由场效应晶体管(以下，称为FET。)构成，如果在电池堆51的电压值成为超过预定的过放电或过充电状态的电压时，接受到从电压检测元件53输出的检测信号，则以使发热体56通电的方式进行动作。由此，就开关元件54而言，以通过发热体56的发热使可熔导体55熔断，从而切断电池堆51的充放电通路的方式进行控制。

由这样的电路构成所构成的保护电路50，在电压检测元件53检测到电池堆51的异常电压时，向开关元件54输出检测信号。接受到检测信号的开关元件54控制电流以使从电池堆51向保护元件52的发热体56进行供电。由此，保护电路50能够通过发热体56发热，保险丝55熔断来切断充放电通路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-243652号公报

专利文献2：日本特开2006-221919号公报

专利文献3：日本特开2009-267293号公报

发明内容

技术问题

这里，为了通过保护元件52的发热体56的发热使可熔导体55熔断，需要施加根据发热体56的额定值的电压。即，若发热体56被施加比额定电压高的电压，则在使可熔导体55熔断前自身由于自发热(焦耳热)而熔融、烧毁，无法熔断可熔导体55。

具体地，可熔导体55横跨分离地设置在构成保护元件52的绝缘基板上的一对电极之间而被搭载，若由于发热体56的发热而熔融，则通过移动到该一对电极上而被切断。由此，保护元件52切断保护电路50的充放电通路。因此，发热体56至少需要在直到该可熔导体55熔融并移动到一对电极上为止的时间持续发热。

可是，通常作为能够使发热体56不烧毁而持续发热的使用电压范围，上限电压为下限电压的1.5～2倍左右，无法根据保护电路50的电池单元的个数而进行大范围地应对。因此，在被施加有超过发热体56的使用电压范围的高电压的情况下，有可能在使可熔导体55熔断前发热体56就烧毁了。

因此，本发明的目的在于提供一种保护电路，该保护电路中的发热体56具有较宽的使用电压范围，即使在被施加有可设想的任何过大电压的情况下，也能够在使可熔导体55熔断所需的时间不烧毁而持续发热，从而可靠地切断充放电通路。

技术方案

为了解决上述课题，本发明的保护电路具备：电池单元；电压检测元件，其检测上述电池单元的电压；保护元件，其具有可熔导体和发热体，上述可熔导体设置在上述电池单元的充放电通路上，上述发热体与上述电池单元连接并通过被通电而发热从而将上述可熔导体熔断；开关元件，其与上述发热体连接并根据上述电压检测元件的输出控制对上述发热体的通电；和延迟电路，其延迟对上述发热体施加电压。

技术效果

根据本发明，即使在电池单元成为过充电状态而被施加有高电压的情况下，发热体也能够在可熔导体的熔断前不烧毁而持续发热，从而能够扩大发热体的使用电压范围。

附图说明

图1是示出应用了本发明的保护电路的电路图。

图2是示出保护元件的一个构成例的俯视图，(A)示出可熔导体熔断前的状态，(B)示出可熔导体熔断后的状态。

图3是示出在现有的保护电路和应用了本发明的保护电路中的经过时间与施加电压(高电压)之间的关系的曲线图。

图4是示出在现有的保护电路和应用了本发明的保护电路中的经过时间与施加电压(低电压)之间的关系的曲线图。

图5是示出其他延迟电路的构成例的图，(A)示出使用LC电路的构成例，(B)示出使用L电路的构成例，(C)示出使用PWM产生元件的构成例。

图6是示出现有的保护电路的电路图。

符号说明

1：保护电路，2：电池组，3：电池单元，4：电压检测元件，5：保护元件，6：开关元件，7：延迟电路，8：电池堆，10：绝缘基板，11：绝缘部件，12：发热体，13：第一电极，14：第二电极，15：发热体引出电极，16：可熔导体，17：发热体电极，19：供电通路，20：PWM产生元件

具体实施方式

以下，参照附图对应用了本发明的保护电路进行详细说明。应予说明，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可以进行各种变更。此外，附图为示意性的图，各尺寸的比例等有时会与实际情况不同。具体的尺寸等应参酌以下说明进行判断。此外，在附图之间含有相互的尺寸关系和/或比例不同的部分也是当然的。

应用了本发明的保护电路1，如图1所示例如可以作为锂离子二次电池的电池组2的电路使用。电池组2具有：锂离子二次电池的电池单元3、检测电池单元3的电压的电压检测元件4、在电池单元3的异常电压时切断充放电通路的保护元件5、根据电压检测元件4的输出控制在保护元件5中流通的电流的开关元件6、和设置在电压检测元件4与开关元件6之间的延迟电路7。

[电池单元/电压检测元件]

电池单元3被设置多个，并通过串并联连接而构成电池堆8。或者，保护电路1也可以只包括一个电池单元3。

电池单元3被电压检测元件4监测平时电压值。电压检测元件4与各电池单元3连接并且经由延迟电路7与开关元件6连接。并且，电压检测元件4检测各电池单元3的电压值，并在任意一个电池单元3成为过充电电压或过放电电压时，向开关元件6输出控制信号。

[保护元件]

图2示出保护元件5的一个构成例。如图2的(A)所示，保护元件5具备：绝缘基板10、层叠在绝缘基板10上并被玻璃等绝缘部件11覆盖的发热体12、形成在绝缘基板10的两端的第一电极13和第二电极14、以与发热体12重叠的方式层叠在绝缘部件11上的发热体引出电极15、和两端分别连接于第一电极13、第二电极14且中央部连接于发热体引出电极15的可熔导体16。

绝缘基板10例如使用氧化铝、玻璃陶瓷、莫来石、氧化锆等具有绝缘性的部件而形成为大致方形。除此以外，绝缘基板10还可以使用环氧玻璃基板、酚醛基板等用于印制布线基板的材料，但是需要留意可熔导体16的熔断时的温度。

发热体12为电阻值比较高且在通电时发热的具有导电性的部件，例如由W、Mo、Ru等构成。发热体12可以通过将它们的合金或组成物、化合物的粉状体与树脂粘合剂等混合得到浆状物，并利用丝网印刷技术使该浆状物在绝缘基板10上形成图案进行烧制等而形成。

就发热体12而言，在一端设置发热体电极17并经由该发热体电极17与开关元件6连接。此外，发热体12的另一端与发热体引出电极15连接，发热体12经由该发热体引出电极15与可熔导体16连接。发热体12在绝缘基板10的表面上被绝缘部件11所覆盖。绝缘部件11是为了在实现发热体12的保护和绝缘的同时，将发热体12的热量有效地向可熔导体16和发热体引出电极15传递而设置，例如由玻璃层构成。

应予说明，保护元件5中，也可以将绝缘部件11还形成在绝缘基板10的表面与发热体12之间，从而使发热体12配置在两个绝缘部件11之间。此外，保护元件5中，也可以将发热体12形成在绝缘基板10的与形成有第一电极13、第二电极14的表面相反一侧的背面。进一步地，保护元件5中，也可以将发热体12形成在绝缘基板10的内部。此外，保护元件5中，也可以将发热体12形成在绝缘基板10的表面，并与第一电极13、第二电极14邻接而形成。

在绝缘部件11的上表面层叠有与发热体12连接的发热体引出电极15。发热体引出电极15能够通过被发热体12加热，使可熔导体16的熔融导体易于凝聚。

在绝缘基板10的左右一对侧缘部形成有第一电极13和第二电极14。第一电极13和第二电极14经由贴装用焊料而搭载有可熔导体16。此外，第一电极13、第二电极14面对着绝缘部件11的侧面，经由通孔(through hole)与设置在绝缘基板10的背面的外部连接电极(未图示)连接。并且，第一电极13、第二电极14经由外部连接电极与安装保护元件5的保护电路1的充放电通路连接。

第一电极13、第二电极14可以使用Cu和/或Ag等通常的电极材料形成。此外，优选地，在第一电极13、第二电极14的表面上，通过公知的镀覆处理形成有镀Ni/Au、镀Ni/Pd、镀Ni/Pd/Au等被膜。由此，能够防止第一电极13、第二电极14的氧化，从而可靠地保持熔融导体。此外，能够防止在对保护元件5进行回流焊贴装的情况下，由于连接可熔导体16的贴装用焊料或形成可熔导体16的外层的低熔点金属发生熔融而将第一电极13、第二电极14熔蚀(焊料熔蚀)。

可熔导体16通过横跨在第一电极13、第二电极14之间进行搭载而使保护电路1的充放电通路短路。可熔导体16可以使用由发热体12的发热而快速熔断的任一金属，例如可以优选使用以Sn为主要成分的无Pb焊料等低熔点金属。除此以外可以使用Pb、Ag、Au、Cu、Ge、Ni、In等材料形成可熔导体16。

此外，可熔导体16可以通过层叠低熔点金属和高熔点金属而形成。作为低熔点金属和高熔点金属的层叠结构，例如可以列举通过镀高熔点金属来被覆低熔点金属箔的结构。作为低熔点金属优选使用以Sn为主要成分的无Pb焊料等焊料，作为高熔点金属优选使用Ag、Cu或以它们为主要成分的合金等。通过含有高熔点金属和低熔点金属，在对保护元件5进行回流焊贴装的情况下，即使回流焊温度超过低熔点金属的熔融温度，低熔点金属发生熔融，也能够抑制低熔点金属向外部流出，从而维持可熔导体16的形状。此外，在熔断时也能够通过低熔点金属发生熔融使高熔点金属熔蚀(焊料熔蚀)，由此在高熔点金属的熔点以下的温度快速熔断。

可熔导体16通过被焊接在相互分离而形成并且与电池单元3的充放电通路连接的第一电极13、第二电极14之间等，而串联连接在电池单元3的充放电通路上，由此构成充放电通路的一部分。

保护元件5中，如果发热体12发热则可熔导体16熔融，如图2的(B)所示，该熔融导体通过被吸引到润湿性高且面积大的第一电极13、第二电极14上，以及发热体引出电极15上，而被熔断。由此，保护元件5能够切断电池单元3的充放电通路。

经由发热体电极17与发热体12连接的开关元件6，例如由FET构成。开关元件6经由后述的延迟电路7与电压检测元件4连接，并控制为在电池单元3的电压值成为偏离预定的电压值的过放电或过充电状态时，根据从电压检测元件4输出的检测信号向发热体12供电，从而切断电池单元3的充放电通路。

[开关元件]

保护电路1中，发热体12与开关元件6串联连接并且发热体12和开关元件6与电池单元3并联连接。由此，保护电路1形成有向发热体12供应电力的供电通路19。在电池单元3为额定电压的状态下，供电通路19被开关元件6限制向发热体12的通电。并且，保护电路1在电池单元3由于某种原因而成为过充电状态从而成为超过额定值的高电压的情况下，通过开关元件6使供电通路19通电，由此发热体12开始发热，将可熔导体16熔断。

[延迟电路]

在电压检测元件4与开关元件6之间设置有延迟电路7。延迟电路7根据时间常数延迟从电压检测元件4输出到开关元件6和发热体12的电压的施加，从而能够防止由向发热体12施加超过额定值较大的瞬时高电压而导致的烧毁。通过使延迟电路7介于电压检测元件4和开关元件6之间，保护电路1即使在电池单元3成为过充电状态而被施加高电压的情况下，发热体12也能够不在可熔导体16熔断前烧毁而持续发热，从而能够扩大发热体12的使用电压范围。

因此，保护电路1即使在电池单元3成为过充电状态的情况和/或由于对电池单元3充电的充电侧的异常而被施加有超过发热体12的额定值的高电压的情况等之下，也能够通过延迟电路7延迟施加高电压，由此延迟累积到烧毁发热体12的热能为止的时间，并在其间使可熔导体16熔断，由此切断电池单元3的充放电通路。

如上所述，在保护元件5中，横跨第一电极13、第二电极14上而搭载有可熔导体16，如果可熔导体16由发热体12的发热而熔融，则熔融导体被吸引到润湿性高且面积大的第一电极13、第二电极14上，由此使第一电极和第二电极之间被切断。因此，发热体12需要在直到可熔导体16熔融，并移动到第一电极13、第二电极14上为止的期间持续发热。

然而，在电池单元3成为超过发热体12的使用电压范围的高电压状态的情况和/或由与电池组2连接的充电侧的故障等导致发热体12被施加高电压时，发热体12瞬间被施加使发热体12烧毁的热能，并在使可熔导体16熔断前烧毁，从而无法切断电池单元3的充放电通路。

因此，保护电路1通过设置延迟电路7来延迟累积到烧毁发热体12的热能为止的时间，取得可熔导体16熔断所需的时间，即使在发热体12被施加有超过使用电压范围的高电压的情况下，也能够在使可熔导体16熔融并移动到第一电极13、第二电极14上从而切断所需的时间持续发热。

由此，就保护电路1而言，发热体12的使用电压范围扩大，即使在被施加有可设想的任何过大电压的情况下，也能够切断充放电通路。

图3示出在现有的保护电路50(参照图6)和应用了本发明的保护电路1(参照图1)中的经过时间与施加电压(高电压)之间的关系。在没有延迟电路的现有的保护电路50中，高电压被瞬间施加到发热体56上，因此发热体56先于可熔导体55的熔断时间而烧毁，从而无法使可熔导体55熔断。

另一方面，根据应用了本发明的保护电路1，通过使延迟电路7介于电压检测元件4和开关元件6之间，能够延迟施加高电压，且延迟累积到烧毁发热体12的热能为止的时间，并能够通过在其间熔断可熔导体16来切断电池单元3的充放电通路。即，根据本发明，即使在被施加有烧毁发热体12的程度的高电压的情况下，也能够延迟烧毁所需的时间，并能够取得使可熔导体16熔融且移动到第一电极13、第二电极14上从而熔断所需的时间。由此，保护电路1中，发热体12的使用电压范围扩大，即使在被施加有可设想的任何过大电压的情况下，也能够切断充放电通路。

在被施加有低电压的情况下，获取使可熔导体16熔融的热量的时间延长，但是与未使延迟电路7介于电压检测元件4和开关元件6之间的情况相比，仅使达到流通于发热体12的最大电流的时间延迟，此外，由于其间发热也在持续，所以作为可熔导体16的熔断时间，在实际使用中可当作误差范围。

图4示出在现有的保护电路50(参照图6)和应用了本发明的保护电路1(参照图1)中的经过时间与施加电压(低电压)之间的关系。与没有延迟电路的现有的保护电路50相比，在使延迟电路7介于电压检测元件4和开关元件6之间的保护电路1中，施加电压相对于经过时间的上升曲线较平缓，在达到最大电压时的累积热量成为现有的保护电路50的约50％左右。这相当于作为可熔导体16的熔断时间，延长了延迟时间的50％，例如，在延迟时间为1000msec时，仅延长0.5sec，在实际使用中可当作误差范围。因此，通过使延迟电路7介于电压检测元件4和开关元件6之间而引起的在施加低电压时的熔断时间的延长不会成为问题。

[时间常数]

这里，延迟电路7的时间常数优选设定为使发热体12至少在可熔导体16熔融，并移动到第一电极13、第二电极14从而切断所需的时间持续发热，例如为100msec以上。

如果时间常数比100msec短，则对发热体12施加电压的延迟时间不足，发热体12先于可熔导体16的熔断而烧毁，从而有可能无法切断电池单元3的充放电通路。

另一方面，延迟电路7的时间常数只要为100msec以上即可，例如，也可以为1000msec。如果时间常数延长，则即使在被施加高电压的情况下发热体12的发热时间也延长，因此，能够更可靠地使可熔导体16熔断。

[延迟电路的构成]

延迟电路7可以如图1所示通过RC电路构成。此外，延迟电路7也可以如图5的(A)所示通过LC电路构成，且可以如图5的(B)所示通过电感电路(即，由电感构成的电路)构成。进一步地，延迟电路7也可以如图5的(C)所示设置PWM(Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制)产生元件20，并通过调整施加到发热体12的有效电力来调整相对于经过时间的施加电压。

此外，在上述内容中，将延迟电路7设置在电压检测元件4和开关元件6之间，但是延迟电路7也可以设置在供电通路19上。在此情况下，例如开关元件6由FET和在供电通路19上设置的继电(relay)元件来构成。但是，如图1所示，延迟电路7设置在电压检测元件4和开关元件6之间的构成在能够减小额定值这一点上是有利的。

实施例

接下来，对本发明的实施例进行说明。在本实施例中，在针对可使用电压范围为4[V]～7[V]的发热体施加有4[V]、7[V]、10[V]、20[V]、50[V]的各电压时，确认能否使可熔导体熔断。

在实施例1中，在图1所示的构成中使用了具有延迟时间100msec的延迟电路的保护电路。在实施例2中，在图1所示的构成中使用了具有延迟时间500msec的延迟电路的保护电路。在实施例3中，在图1所示的构成中使用了具有延迟时间1000msec的延迟电路的保护电路。在比较例1中，使用图6所示的构成，即未设置延迟电路的保护电路。

[表1]

如表1所示，在设置有延迟电路的实施例1～实施例3中，即使在对发热体施加有超过可使用电压范围的电压的情况下，也能够使可熔导体熔断。这是因为：在实施例1～实施例3中，通过使延迟电路介于电压检测元件和开关元件之间，能够延迟直到被施加有烧毁发热体的热能为止的时间，从而在其间使可熔导体熔断。

另一方面，在未设置延迟电路的比较例1中，在对发热体施加有超过可使用电压范围的电压的情况下，在使可熔导体熔断前发热体自身就会由于自发热而烧毁，从而无法使可熔导体熔断。

此外，如果比较实施例1～实施例3，则在延迟时间为100msec的实施例1中，施加电压为10[V]时能够使可熔导体熔断，但是在20[V]以上时发热体先烧毁了。此外，在延迟时间为500msec的实施例2中，施加电压直到20[V]为止都能够使可熔导体熔断，但是在50[V]时发热体先烧毁了。另一方面，在延迟时间为1000msec的实施例3中，即使在施加电压为50[V]时也能够使可熔导体熔断。

即，可知在设置有延迟电路的保护电路中，随着延迟时间的延长，即使在施加电压较大时也能够使可熔导体熔断，即，能够将发热体的可动作电压的范围设定得较宽。

Claims (3)

1.一种保护电路，其特征在于，具备：

电池单元；

电压检测元件，其检测所述电池单元的电压；

保护元件，其具有可熔导体和发热体，所述可熔导体设置在所述电池单元的充放电通路上，所述发热体与所述电池单元连接并通过被通电而发热从而将所述可熔导体熔断；

开关元件，其与所述发热体连接，在所述电压检测元件检测到所述电池单元的电压成为过充电电压时，开始对所述发热体的通电；和

延迟电路，其延迟在由上述开关元件开始对所述发热体的通电之后，施加于所述发热体的电压达到最大电压为止的时间，以使所述发热体不在所述可熔导体熔断前烧毁，

所述延迟电路由PWM产生元件和RC电路构成。

2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，

所述保护元件的所述可熔导体横跨分别与所述充放电通路连接的一对电极之间而设置，

所述延迟电路设定有时间常数，以使所述发热体至少在所述可熔导体由所述发热体的发热而熔融并移动到所述一对电极从而切断所需的时间持续发热。

3.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，

所述延迟电路的时间常数为100msec以上。

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