JP2004193066A - Protective element and battery pack - Google Patents

Protective element and battery pack Download PDF

Info

Publication number
JP2004193066A
JP2004193066A JP2002362716A JP2002362716A JP2004193066A JP 2004193066 A JP2004193066 A JP 2004193066A JP 2002362716 A JP2002362716 A JP 2002362716A JP 2002362716 A JP2002362716 A JP 2002362716A JP 2004193066 A JP2004193066 A JP 2004193066A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
current
battery
heating element
temperature
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2002362716A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4438284B2 (en
Inventor
Toshio Matsuda
俊夫 松田
Hitoshi Akiyasu
均 秋保
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2002362716A priority Critical patent/JP4438284B2/en
Publication of JP2004193066A publication Critical patent/JP2004193066A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4438284B2 publication Critical patent/JP4438284B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a protective element which has high reliability and operates quickly. <P>SOLUTION: A voltage monitoring means monitors a battery voltage. A heating element heats, when a current is applied. A current control means controls a current, by sensing the temperature of the heating element. The voltage-monitoring means, the heating element, and the current control means are housed and integrated in the same package. The voltage-monitoring means monitors a battery voltage and heats the heating element by allowing a current to flow the heating element, if the battery voltage exceeds a prescribed voltage. A current control means senses the temperature of heating element and controls the current, if a prescribed temperature is exceeded. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動信頼性を高め、電池の過電圧印加、過電流放電からの保護を図ることのできる保護素子及び電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、例えば携帯型電話機、ノート型携帯用コンピュータ、情報端末装置（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）、カメラ一体型ＶＴＲ（VideoTape Recorder）等の携帯用電子機器の駆動電源として、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させることで充放電反応が行われ、軽量で高エネルギー密度なリチウムイオン二次電池の開発が進められている。
【０００３】
このリチウムイオン二次電池では、上述した携帯用電子機器に搭載されることから更なる小型化、軽量化を図るために、例えばフィルム状の外装材や固体電解質等を用いることで更なる小型化、軽量化を図ることができる。具体的に、リチウムイオン二次電池においては、例えばフィルム状の外装材として熱融着が可能な高分子フィルムと金属箔とが積層されたラミネートフィルム等を用い、固体電解質として非水電解液を高分子マトリックスに含有させたゲル状電解質等を用いる。そして、このようなラミネートフィルムとゲル状電解質とを用いたリチウムイオン二次電池は、一般的にポリマー電池と呼ばれている。
【０００４】
また、図１５に示すように、ポリマー電池１００は、例えば充放電等を制御する制御回路１０１や、外部端子と接続されるコネクタ１０２等を備えた回路基板１０３に接続される。これらポリマー電池１００や回路基板１０３は、プラスチック等からなる外筐１０４ａ，１０４ｂに収納されることでいわゆる電池パック１０５として構成される。
【０００５】
このような電池パック１０５において、過電圧充電防止、過電流放電防止のために、制御回路１０１に加えて、二次保護回路として、サーモスタット、ＰＴＣ、ヒューズ等の保護素子１０６が用いられている。これらの保護素子１０６は、万が一制御回路１０１が正常に作動しなかった場合などに、過電圧や過電流に起因するポリマー電池１００の自己発熱を感知し、所定の温度に達すると電流を遮断する、これによりポリマー電池１００への過電圧印加、過電流放電が防止される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの保護素子１０６は、図１５に示すように、回路基板１０３上や、ポリマー電池１０３の電極１０７，１０８と回路基板１０５との間に配置されている。保護素子１０６とポリマー電池１００とは接触しておらずその間に空間がある。このために、保護素子１０６はポリマー電池１００の発熱を速やかに感知することができずに、ポリマー電池１００の過電圧充電、過電流放電等からの保護が十分に図れないという問題がある。
【０００７】
図１６は、保護素子としてサーモスタットを用い、電池に過電圧を印加したときの、電池温度、電池電圧及びサーモスタット表面温度を示す特性図である。なお、このとき−３０℃の温度下で、１２Ｖ，２．５Ａの条件で電池に過電圧を印加した。
【０００８】
また、サーモスタットの動作／復帰（オン／オフ）特性の一例を図１７に示す。図１７から分かるように、サーモスタットは、その温度が８０℃まで上昇したときに作動（オフ）し、一度作動した後は、６０℃に低下したときに復帰（オン）となる。
【０００９】
図１６からも明らかなように、電池は発熱源であり電池の温度が一番高くなるが、この熱は電池から直接にサーモスタットに伝達されるわけではなく、サーモスタットの温度は電池からの熱伝導により上昇する。このため、サーモスタットの温度は、常に電池より低い値となる。このように電池とサーモスタットとの間には温度差が生じ、サーモスタットが動作する前に電池がかなりの損傷を受けてしまうことがある。
【００１０】
ここでは、サーモスタットの温度が、作動温度である６０℃に達する前に、電池の温度が１２０℃にまで上昇しブレイクダウン（破損）してしまっている。
【００１１】
また、例えば電池と保護素子との間の熱伝導は、外部の温度にも影響される。高温環境下では、保護素子と電池の温度差は小さいが、例えば上述したような−３０℃という低温環境下では、電池からの熱伝導が十分に行えず、保護素子と電池の温度差が大きくなってしまい、保護素子としての機能が発揮できず、信頼性に欠けたものとなってしまう。
【００１２】
このような電池と保護素子との間の温度差を縮小させるためには、保護素子を電池に密着させる必要があるが、厚みのある保護素子を電池に密着させることは、電池パックの小型化を図る上で困難であり、また組み立て時の難易度も増してしまう。
【００１３】
なお、特開平１１−４１８２３号公報には、発熱抵抗を備え、当該発熱抵抗の発熱によって熱作動手段を動作させる過充電保護装置が提案されているが、過充電状態が解消した後の再充電を可能とすることを目的としたものであり、上述したような問題を解決するものではない。
【００１４】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、より確実に作動し、信頼性の高い保護素子及びその保護素子を備えた電池パックを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の保護素子は、電池電圧を監視する電圧監視手段と、電流を流すことによって発熱する発熱素子と、上記発熱素子の温度を感知して電流を制御する電流制御手段とを備え、上記電圧監視手段と発熱素子と電流制御手段とは同一パッケージ内に収納され一体化されており、電圧監視手段は、電池電圧を監視して、電池電圧が所定の電圧を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させ、電流制御手段は、発熱素子の温度を感知して、所定の温度を超えると電流を制御することを特徴とする。
【００１６】
上述したような本発明の保護素子では、電池電圧を監視して発熱素子を発熱させ、電流制御手段は、同一パッケージ内に収納された発熱素子の温度を感知しているので、電流制御手段が速やかに作動し、信頼性の高いものとなる。
【００１７】
また、本発明の電池パックは、電池と、当該電池と電気的に接続された保護素子とを備え、上記保護素子は、電池電圧を監視する電圧監視手段と、電流を流すことによって発熱する発熱素子と、上記発熱素子の温度を感知して電流を制御する電流制御手段とを備え、上記電圧監視手段と発熱素子と電流制御手段とは同一パッケージ内に収納され一体化されており、電圧監視手段は、電池電圧を監視して、電池電圧が所定の電圧を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させ、電流制御手段は、発熱素子の温度を感知して、所定の温度を超えると電流を制御することを特徴とする。
【００１８】
上述したような本発明にかかる電池パックでは、保護素子において、電池電圧を監視して発熱素子を発熱させ、電流制御手段は、同一パッケージ内に収納された発熱素子の温度を感知しているので、電流制御手段が速やかに作動し、信頼性の高いものとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した保護素子及び電池パックの実施の形態について説明する。
【００２０】
図１及び図２に、本発明の電池パックの一構成例を示す。この電池パック１は、収納ケースとなる外筐２に、発電要素となるポリマー電池３と、ポリマー電池３が電気的に接続された回路基板４とが収納された構造となっている。
【００２１】
外筐２は、いわゆるプラスチックケースからなり、略扁平箱状の上ハーフ２ａの周壁と下ハーフ２ｂの周壁とを互いに突き合わすことで、内部にポリマー電池３及び回路基板４が収納される収納空間を形成すると共に、その外形形状は略矩形平板状である。また、この外筐２には、長手方向の一側端部に、回路基板４に取り付けられたコネクタ２５を外部に臨ませる開口部５が形成されており、外筐２を構成する上ハーフ２ａ及び下ハーフ２ｂには、この開口部５を構成する切欠部５ａ，５ｂがそれぞれ形成されている。
【００２２】
ポリマー電池３は、図３に示すように、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質電池であり、充放電といった電池反応が行われる電池素子６と、この電池素子６を封入するフィルム状の外装材７とを有している。
【００２３】
ポリマー電池３において電池素子６は、帯状の正極８と、帯状の負極９との間に有機高分子や電解質塩を含有させた固体電解質１０とセパレータ１１とを介在させた状態で、電極の長手方向に捲回することで発電素子として機能する。
【００２４】
正極８は、正極活物質と結着剤とを含有する正極合剤塗液を正極集電体１２上に塗布、乾燥、加圧することにより、正極集電体１２上に正極合剤層１３が圧縮形成された構造となっている。正極８には、正極端子１４が正極集電体１２の所定の位置に、正極集電体１２の幅方向に突出するように接続されている。この正極端子１４には、例えばアルミニウム等の導電性金属からなる短冊状金属片等を用いる。
【００２５】
負極９は、負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤塗液を負極集電体１５上に塗布、乾燥、加圧することにより、負極集電体１５上に負極合剤層１６が圧縮形成された構造となっている。負極９には、負極端子１７が負極集電体１５の所定の位置に、負極集電体１５の幅方向に突出するように接続されている。この負極端子１７には、例えばニッケルや銅等の導電性金属からなる短冊状金属片等を用いる。
【００２６】
固体電解質１０は、正極８と負極９との間で例えばリチウムイオン等の授受を行うものである。このため、この固体電解質１０には、リチウムイオン導電性を有する有機固体電解質を用いる。この有機固体電解質としては、電解質塩とそれを含有させる有機高分子とによって構成される高分子固体電解質や、非水電解液を高分子マトリックスに含有させたゲル状電解質等を用いることができる。そして、固体電解質１０は、正極８及び負極９の表面に、有機固体電解質を含有する電解質溶液を塗布し、固化することで電解質層として形成される。
【００２７】
セパレータ１１は、正極８と負極９とを離間させるものであり、この種の非水電解質電池の絶縁性多孔質膜として通常用いられている公知の材料を用いることができる。
【００２８】
以上のような構成の電池素子６を封入する外装材７は、例えば樹脂層と金属層とがラミネート加工等で貼り合わされて二層以上に複合化されたラミネートフィルムであり、電池素子６と対向する面が樹脂層になるようにされている。樹脂層としては、正極端子１４及び負極端子１７に対して接着性を示すものであれば材料は特に限定されない。金属層としては、例えば箔状、板状等に成形されているアルミニウム、ステンレス、ニッケル、鉄等が用いられる。また、外装材７においては、電池１の外周層となる層に例えばナイロン等からなる樹脂層を備えることにより、破れや突き刺し等に対する強度を向上させることができる。
【００２９】
外装材７の内部に、電池素子６を収納し、外装材７の周縁部を例えばヒートシール等で樹脂層同士を張り合わせることにより、電池素子７を構成する正極８及び負極９と導通された正極端子１４及び負極端子１７が外装材７の貼合せ面７ａの間から樹脂片１８を介して外部へと引き出された状態で電池素子７が外装材７に封入されて、ポリマー電池３となる。
【００３０】
以上のようなポリマー電池３が接続される回路基板４は、図４に示すように、外装材７の貼合せ面７ａに対応した幅で長尺状に形成されている。回路基板４の長手方向の両側には、正極端子１４及び負極端子１７が電気的に接続される接続部２０と、ポリマー電池３を過充放電等から保護する電池制御回路部２８や保護素子３０が構成される回路部２１とが設けられている。
【００３１】
また、この回路基板４は、可撓性を有すると共に、パターン配線と誘電絶縁層とが交互に積層されてなる、いわゆる多層フレキシブルプリント配線基板である。そして、この回路基板４は、可撓性を有することから接続部２０と回路部２１との間で折り曲げ可能となっている。なお、ここでは、回路基板４としてフレキシブル基板を用いて説明しているが、このことに限定されることはなく、例えばリジッド基板等にも適用可能である。
【００３２】
回路基板４において、接続部２０には、上述したポリマー電池３の正極端子１４及び負極端子１７が電気的に接続される一対の接続ランド２２ａ，２２ｂが設けられている。これら一対の接続ランド２２ａ，２２ｂは、回路基板４の一主面上に長手方向に所定の間隔で並んでパターン配線の一部としてパターン形成されている。
【００３３】
そして、正極端子１４及び負極端子１７は、この回路基板４の長手方向に対して直交して配置されると共に、その先端部がハンダ接続により一対の接続ランド２２ａ，２２ｂと接続されている。
【００３４】
また、接続部２０と回路部２１との間には、接続部２０と回路部２１との間を曲げ易くさせるための折り曲げパターン２３が、接続ランド２２ａ，２２ｂが形成された主面とは反対側の主面に設けられている。この折り曲げパターン２３は、回路基板４の短手方向と略平行な線状のパターン配線となるように、接続ランド２２ａ，２２ｂと同様の方法で一つ以上形成されている。
【００３５】
そして、これらの接続ランド２２ａ，２２ｂや折り曲げパターン２３は、例えば誘電絶縁層の主面全面にめっき法等で成膜された導電性金属等からなる金属層に、フォトリソグラフ処理等で所望のパターンとなるようにパターニング加工が施されることで設けられる。
【００３６】
この回路基板４は、回路部２１の端部に取り付けられ、電池パック１が装填される電子機器と電気的に接続される外部接続用のコネクタ２５と、接続部２０に接続されたポリマー電池３を過電圧充電、過電流放電等から保護する一次保護回路を備える電池制御回路部２８と、ポリマー電池３を過電圧充電、過電流放電等から保護する二次保護回路である保護素子３０とを有している。
【００３７】
電池制御回路部２８は、例えばポリマー電池３を過充電や過放電から保護する一次保護回路や、ポリマー電池３の電力残量等を演算する演算回路、電池パック１が装填される電子機器との間で通信を行う通信回路等で構成されている。
【００３８】
電池制御回路部２８は、ポリマー電池３が繋がる接続ランド２２ａ，２２ｂ、保護素子３０等に電気的に接続されることでポリマー電池３から電力が絶えず供給され、ポリマー電池３の充放電や、保護素子３０と電子機器との間の通信等を制御する。そして、電池制御回路部２８は、回路基板５の主面上に、例えばＩＣ（integrated circuit）チップ、ＬＳＩ（Large-scale Integrated Circuit）チップ等のような集積回路にされた状態で電子部品として実装される。
【００３９】
ここで、上記電池制御回路部２８が備える一次保護回路の構成について説明する。一次保護回路５０を備えた電池パック１の概略回路構成を図５に示す。
【００４０】
一次保護回路５０は、ポリマー電池３に流れる電流をスイッチングするスイッチング回路５１と、電流を検出する電流検出回路５２と、電圧を検出する電圧検出回路５３と、電流検出回路５２または電圧検出回路５３の検出結果にしたがってスイッチング回路５１を制御する制御回路５４とから構成される。
【００４１】
このような一次保護回路５０を備えた電池パック１において、ポリマー電池３は、スイッチング回路５２と直列に接続されている。電池パック１の出力端子としての正端子５５及び負端子５６は、使用時、負荷に接続されるとともに、充放電時、充電装置または放電装置に接続される。スイッチング回路においては、２個のＦＥＴ３，４が直列に接続され、各ＦＥＴは、それぞれ寄生ダイオード３Ｄ，４Ｄを有している。
【００４２】
そして、電池パック１を充電する場合の動作について説明する。電池パック１の正極端子５５、負極端子５６は、図示しない充電装置の正端子、負端子及び信号出力端子にそれぞれ電気的に接続される。
【００４３】
そして、ポリマー電池１の充電を行うとき、制御回路５４は、ＦＥＴ３をオフし、ＦＥＴ４をオンするように制御を行う。ＦＥＴ３がオフされ、ＦＥＴ４がオンされると、図示しない充電装置の定電圧回路及び定電流回路によって、ポリマー電池の充電が行われる。
【００４４】
さらに、電流検出回路５２または電圧検出回路５３によって、ポリマー電池１が満充電状態に達したことが検出されると、制御回路５４は、過充電を防止するために、ＦＥＴ４をオフする（ＦＥＴ３もオフ）。ＦＥＴ４がオフされると、ＦＥＴ４自体は勿論、充電電流に対して逆方向に接続されている寄生ダイオード４Ｄにも充電電流は流れないので、ポリマー電池１の過充電が防止される。
【００４５】
しかし、上述したような一次保護回路５０が、故障等により十分に機能しない場合がある。そうなると、ポリマー電池３を過充放電から保護することができない。
【００４６】
そこで、本発明では、上記一次保護回路を補完して作動し、ポリマー電池３を過充放電から保護する二次保護回路として以下に述べるような保護素子３０を搭載している。
【００４７】
以下、保護素子３０について詳細に説明する。保護素子３０の一構成例を図６及び図７に示す。また、保護素子３０の概略回路構成を図８に示す。
【００４８】
図６及び図７に示すように、この保護素子３０は、基板３１と、基板３１上に実装された電池制御回路ＩＣチップ３２と、サーモスタット３３とを備える。これら基板３１、電池制御回路ＩＣチップ３２及びサーモスタット３３は、外装体３４によってパッケージングされて１つの素子として一体化されている。この外装体３４は、例えば金属薄板が箱型形状に折り曲げられてなる。
【００４９】
外装体３４の周囲はさらに樹脂３５で覆われて略密閉されている。樹脂３５で略密閉することにより電池の電解液の液漏れや電池パック外部からの水等の浸入を防止することができる。この保護素子３０の外形サイズは、例えば縦（ｔ１）３ｍｍ×横（ｔ２）４ｍｍ×厚さ（ｔ３）１．５ｍｍとされている。
【００５０】
また、保護素子３０は端子３６ａ，３６ｂ，３６ｃを備えている。図８に示すように、これら端子３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、電池制御回路ＩＣチップ３２における端子５０ａ，５０ｂ，５０ｃとそれぞれ電気的に接続されている。そして３６ａは電池の負極と電気的に接続され、３６ｂは充電器の負側及び負荷の負側と電気的に接続される。また、３６ｃはポリマー電池の正側、充電器の正側及び負荷の正側と電気的に接続される。
【００５１】
この保護素子３０では、電池制御回路ＩＣチップ３２の内部において、電圧検出回路によって電池電圧を監視し、電池電圧が所定の値を超えると、トランジスタに電流を流してトランジスタを発熱させる。サーモスタット３３はこの電池制御回路ＩＣチップ３２内におけるトランジスタの発熱を感知して作動する。
【００５２】
サーモスタット３３は、固定接点３７と、可動接点３８を備えた可動片３９と、バイメタルディスク４０とから構成される。
【００５３】
固定接点３７は、基板３１上に形成され、端子３６ｂと電気的に接続されている。
【００５４】
可動片３９は、外装体３４の上面部の一部をコの字形状に切り抜き、切り抜き部分を外装体３４の内側に押し曲げることで、外装体３４と一体に形成されている。可動片３９の外装体３４と接続している側と反対側の端部は可動接点３８とされている。この可動接点３８は端子３６ａと電気的に接続されている。
【００５５】
可動接点３８は、サーモスタット３３の非作動時においては固定接点３７と接触しており、両者間の電気的接続、すなわち端子３６ａ−端子３６ｂ間の導通が確保されている。
【００５６】
バイメタルディスク４０は、電池制御回路ＩＣチップ３２と上記可動片３９との間に、電池制御回路ＩＣチップ３２と近接又は接触するとともに、上記可動片３９に接して配されている。バイメタルディスク４０は、熱膨張率の異なる２種類の金属材料を平板状に積層接合して形成される。そして、バイメタルディスク４０は、電池制御回路ＩＣチップ３２の温度を感知し、所定の作動温度（ここでは例えば８０℃とする。）になったときに、図９に示すように２種類の金属材料の熱膨張率の違いにより変形して可動片３９を押し上げる。これにより固定接点３７と可動接点３８とを物理的に離間させ、両者の電気的接続、すなわち端子３６ａ−端子３６ｂ間の電気的接続を遮断する。
【００５７】
そして、バイメタルデイスク４０の温度が所定の復帰温度（ここでは例えば６０℃とする。）まで下がるとバイメタルデイスク４０が元の形に戻る。これにより可動接点３８が固定接点３７に接触し、端子３６ａ−端子３６ｂ間の電気的接続が復帰して充放電が再び開始される。
【００５８】
この保護素子３０では、サーモスタット３３は、ポリマー電池の温度を直接感知して作動するのではなく、電池制御回路ＩＣチップ３２の温度を感知して作動する。
【００５９】
サーモスタット３３は、電池制御回路ＩＣチップ３２に近接又は接触して配されているので、周囲の温度や熱伝導に影響されることなく、電池制御回路ＩＣチップ３２の温度を敏感に感知して、確実に作動することができる。これにより、この保護素子３０は、過電圧充電、過電流放電等からの電池の保護を確実に行うことができる優れたものとなる。
【００６０】
次に、電池制御回路ＩＣチップ３２について説明する。電池保護回路ＩＣチップ３２の回路構成を図１０に示す。
【００６１】
電池制御回路ＩＣチップ３２は、端子５０ａ，５０ｂ，５０ｃを備え、例えばワイヤボンデイングにより保護素子３０の端子３６ａ，３６ｂ，３６ｃとそれぞれ電気的に接続される。そして端子５０ａは、電池の負極と電気的に接続され、端子５０ｂは充電器の負側及び負荷の負側と電気的に接続される。また、端子５０ｃはポリマー電池３、充電器の正側及び負荷の正側と電気的に接続される。
【００６２】
この電池保護回路ＩＣ３２チップは、電流が流されることで発熱する発熱素子として第１のトランジスタ５１と、第１のトランジスタ５１のスイッチング素子として第２のトランジスタ５２と、ポリマー電池の電池電圧を検出する第１のコンパレータ５３と、放電電流値を検出する第２のコンパレータ５４と、充電電流値を検出する第３のコンパレータ５５と、第１ないし第３のコンパレータ５３，５４，５５からの検出結果に応じて第１のトランジスタ５１に電流を流す論理回路５６と、第１のトランジスタ５１の温度を検出する温度検出回路５７とを備える。
【００６３】
第１のトランジスタ５１は、電流が流されることによって発熱する。過充電や過放電により、電池電圧、放電電流、充電電流のいずれかが基準値を超えた場合に、この第１のトランジスタ５１に電流が流されることにより発熱する発熱用のトランジスタである。第１のトランジスタ５１の消費電力が１Ｗ程度の場合、その表面温度は１分程で１２０℃となり十分な熱を放射する。サーモスタット３３は、この第１のトランジスタ５１の発熱を感知して作動する。
【００６４】
コンパレータは、基準電圧（Ｖｓｔ）に対して入力電圧が大きいか小さいかを判別する回路であり、判別結果に応じた信号を出力する。
【００６５】
第１のコンパレータ５３は、端子５０ａ−端子５０ｃ間の電圧、すなわち電池電圧が、基準電圧Ｖｓｔ５８（ここでは例えば４．８Ｖとする。）よりも大きいか小さいかを判別する。そして、第１のコンパレータ５３は、電池電圧が４．８Ｖよりも小さい場合には、オフ信号を、電池電圧が４．８Ｖ以上である場合には、オン信号を出力する。この信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００６６】
さらに、この電池保護回路では、第１のコンパレータ５３に加えて、ポリマー電池の放電電流を監視する第２のコンパレータ５４、充電電流を監視する第３のコンパレータ５５とを備える。
【００６７】
電池電圧に加えて、放電電流や充電電流も監視することによりポリマー電池の状態を２重、３重に監視することができ、より信頼性の高い保護が可能になる。
【００６８】
第２のコンパレータ５４は、端子５０ａ−端子５０ｂ間に電気的に接続されているサーモスタット３３の両端電圧値を検出し、端子５０ａ−端子５０ｂ間の電圧が、基準電圧Ｖｓｔ５９よりも大きいか小さいかを判別する。これにより、端子５０ｂ→端子５０ａ方向の電流値、すなわち放電電流値が、基準電流（ここでは例えば５Ａとする。）よりも大きいか小さいかを判別する。そして、第２のコンパレータ５４は、電流値が５Ａよりも小さい場合には、オフ信号を、電流値が５Ａ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。なお、サーモスタット３３の導通抵抗値は標準値で５ｍΩである。
【００６９】
第３のコンパレータ５５は、第２のコンパレータ５４とは逆方向に繋がれており、端子５０ａ−端子５０ｂ間に電気的に接続されているサーモスタット３３の両端電圧値を検出し、端子５０ａ−端子５０ｂ間の電圧が、基準電圧Ｖｓｔ５９よりも大きいか小さいかを判別する。これにより、端子５０ａ→端子５０ｂ方向の電流値、すなわち充電電流値が、基準電流（ここでは例えば５Ａとする。）よりも大きいか小さいかを判別する。そして、第３のコンパレータ５５は、電流値が５Ａよりも小さい場合には、オフ信号を、電流値が５Ａ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００７０】
論理回路５６は、論理ＯＲ回路であり、第１ないし第３のコンパレータ５３，５４，５５から入力されるオン／オフ信号を論理演算し、いずれか１つでもオン信号であるならば、すなわち、電池電圧、放電電流、充電電流のいずれか１つでも基準値を超えている場合にはオン信号を出力する。オン信号が出力されると第１のトランジスタ５１に電流が流れはじめ、これにより第１のトランジスタ５１は発熱する。
【００７１】
温度検出回路５７は、第１のトランジスタ５１の温度を監視するもので、第１のトランジスタ５１の温度が所定の温度（ここでは例えば９０℃とする。）を超えると、第２のトランジスタ５２にオン信号を出力し、第２のトランジスタ５２に電流を流す。
【００７２】
第２のトランジスタ５２は、第１のトランジスタのスイッチング素子であり、第２のトランジスタ５２に電流が流されると、回路が短絡されて第１のトランジスタ５１の電流はカットオフされる。これは論理回路５６からの信号に優先し、論理回路５６からの信号がオン信号であっても第１のトランジスタ５１の電流はオフになる。これにより第１のトランジスタ５１の過熱、熱破壊が防止される。
【００７３】
そして、このような電池制御回路ＩＣチップ３２を備えた保護素子３０において、サーモスタット３３は、ポリマー電池３の温度を直接感知して作動するのではなく、電池制御回路ＩＣチップ３２内において電池電圧を監視して、所定の電圧を超えると第１のトランジスタ５１を発熱させる。サーモスタット３３は、そのトランジスタの温度を感知して作動して電流を遮断する。これにより過電圧充電、過電流放電等から電池の保護を確実に行うことができる。
【００７４】
また、この電池制御回路ＩＣチップ３２では、電池電圧に加えて充電電流や放電電流も監視し、所定の状態を超えると第１のトランジスタ５１を発熱させている。これにより、ポリマー電池の保護をより確実に図ることができる。
【００７５】
さらに、この電池制御回路ＩＣチップ３２では、発熱した第１のトランジスタ５１の温度を監視し、所定温度を超えると、第２のトランジスタ５２に電流を流すことにより第１のトランジスタ５１の電流をカットオフしている。これにより第１のトランジスタ５１の過熱、熱破壊を防止することができる。
【００７６】
以上のような外筐２、ポリマー電池３及び回路基板４によって構成される電池パック１の組立方法について説明する。具体的には、ポリマー電池３が取り付けられた回路基板５を外筐２に収容する方法について説明する。
【００７７】
ポリマー電池３及び保護素子３０が取り付けられた回路基板４を外筐２に収納する際は、先ず、図１１に示すように、回路基板４の長手方向に対して直交して配置されたポリマー電池３正極端子１４及び負極端子１７の先端部が接続部２０側の一対の接続ランド２２ａ，２２ｂと接続された状態から、図１１に示すように、正極端子１４及び負極端子１７の先端部を回路基板４と共に外装材７の貼合せ面７ａ上に折り返す。
【００７８】
次に、図１２に示すように、回路基板４の回路部２１を、保護素子３０等が実装された主面が接続部２０と対向する主面とは反対側の主面、すなわち外側の主面となるように、接続部２０と回路部２１との間に形成された折り曲げパターン２３に沿って接続部２０上に折り返す。これにより、回路基板４は、図２に示すように、外装材７の貼合せ面７ａ上に収まるように接続部２０と回路部２１との間で折り曲げられた状態で、且つポリマー電池３の正極端子１４及び負極端子１７が突出する側の側面に沿って配置される。そして、これらポリマー電池３及び回路基板４を、外筐２の上ハーフ２ａと下ハーフ２ｂとの間に収納した後、これら上ハーフ２ａと下ハーフ２ｂとを接続する。以上のようにして、図１に示すような電池パック１が組み立てられる。
【００７９】
次に、このようにして組み立てられる電池パック１において、過電圧を印加した際に保護素子３０がポリマー電池３を保護する動作について図１３及び図１４に示すフローチャートに従って説明する。なお、図１３及び図１４において、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２は、それぞれ第１のトランジスタ、第２のトランジスタを意味する。
【００８０】
まず、電池パックに充電器を取り付け、充電を開始させる。
【００８１】
図１３に示すように、電池制御回路ＩＣチップ３２では、第１のコンパレータ５３は、ステップＳ１ａにおいて、端子５０ａ−端子５０ｃ間の電圧、すなわち電池電圧が４．８Ｖよりも大きいか小さいかを判別する。そして、第１のコンパレータ５３は、電池電圧が４．８Ｖよりも小さい場合にはオフ信号を出力し、電池電圧が４．８Ｖ以上である場合にはオン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８２】
第２のコンパレータ５４は、ステップＳ１ｂにおいて、端子５０ｂ→端子５０ａ方向の電流値、すなわち放電電流値が５Ａよりも大きいか小さいかを判別する。そして、第２のコンパレータ５４は、電流値が５Ａよりも小さい場合にはオフ信号を出力し、電流値が５Ａ以上である場合にはオン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８３】
第３のコンパレータ５５は、ステップＳ１ｃにおいて、端子５０ａ→端子５０ｂ方向の電流値、すなわち充電電流値が５Ａよりも大きいか小さいかを判別する。そして、第３のコンパレータ５５は、電流値が５Ａよりも小さい場合にはオフ信号を出力し、電流値が５Ａ以上である場合にはオン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８４】
つぎに、論理回路５６は、ステップＳ２において第１ないし第３のコンパレータ５３，５４，５５から入力されるオン／オフ信号をＯＲ論理演算し、いずれか１つでもオン信号であるならば、オン信号を出力する。
【００８５】
そしてオン信号が出力されると、ステップＳ３において第１のトランジスタ５１に電流が流れはじめ、これにより第１のトランジスタ５１は発熱する。第１のトランジスタ５１の消費電力が１Ｗ程度の場合、その表面温度は１分程で１２０℃となり十分な熱を放射する。
【００８６】
第１のトランジスタ５１に電流を流した後も引き続き、第１のコンパレータ５３は、ステップＳ４ａで、端子５０ａ−端子５０ｃ間の電池電圧を監視し、電圧が４．８Ｖよりも小さい場合には、オフ信号を、電圧が４．８Ｖ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８７】
第２のコンパレータ５４は、ステップＳ４ｂにおいて、端子５０ｂ→端子５０ａ方向の放電電流値を監視し、５Ａよりも小さい場合には、オフ信号を、電流値が５Ａ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８８】
第３のコンパレータ５５は、ステップＳ４ｃにおいて、端子５０ａ→端子５０ｂ方向の充電電流値を監視し、電流値が５Ａよりも小さい場合には、オフ信号を、電流値が５Ａ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８９】
そして、論理回路５６は、ステップＳ５ａにおいて第１ないし第３のコンパレータ５５から入力されるオン／オフ信号をＯＲ論理演算し、すべてがオフ信号であるならば、オフ信号を出力する。
【００９０】
そしてオフ信号が出力されると、ステップＳ６において第１のトランジスタ５１への電流は遮断され、これにより第１のトランジスタ５１の発熱が停止する。
【００９１】
一方、温度検出回路５７は、ステップＳ５ｄにおいて、第１のトランジスタ５１の温度を監視し、第１のトランジスタ５１の温度が９０℃を超えると、第２のトランジスタ５２にオン信号を出力する。
【００９２】
そしてオン信号が出力されると、ステップＳ５ｂにおいて第２のトランジスタ５２に電流が流れはじめる。
【００９３】
そして第２のトランジスタ５２に電流が流されると、ステップＳ６において回路が短絡されて第１のトランジスタ５１の電流はカットオフされる。これにより第１のトランジスタ５１の発熱が停止する。
【００９４】
次に、サーモスタット３３の動作について、図１４に示すフローチャートに従って説明する。
【００９５】
サーモスタット３３においては、第１のトランジスタ５１の発熱が開始されると、図７に示すように第１のトランジスタ５１の発熱は、電池保護回路ＩＣチップ３２上に配されたバイメタルディスク４０に伝わる。第１のトランジスタ５１の消費電力は１Ｗ程度で十分な熱を放射するとともに、バイメタルディスク４０は、電池保護回路ＩＣチップ３２に直近して配されているので、第１のトランジスタ５１の発熱を十分速やかに感知することができる。
【００９６】
ステップＳ１０において、第１のトランジスタ５１の発熱によりバイメタルディスク４０が８０℃まで加熱されると、ステップＳ１１においてバイメタルディスク４０は、貼りあわせられた２種類の金属の熱膨張率の違いにより図９に示すように反り返り変形する。変形したバイメタルディスク４０は、ステップＳ１２において可動片３９を押し上げ、可動接点３８が固定接点３７から離れることになる。これにより端子５０ａ−端子５０ｂ間の電気的接続が切れ、電流が遮断される。
【００９７】
そして、過充電状態が解消されてトランジスタ５１の発熱が止まり、ステップＳ１３においてバイメタルデイスク４０の温度が６０℃に下がると、ステップＳ１４においてバイメタルデイスク４０が元の形に戻る。これによりステップＳ１５において可動接点３８が固定接点３７に再び接触し、端子５０ａ−端子５０ｂ間の電気的接続が復帰して充電が再び開始される。
【００９８】
このように、本発明のポリマー電池では、二次保護素子において、サーモスタットは、ポリマー電池の温度を直接感知して作動するのではなく、電池制御回路ＩＣチップ内において電池電圧を監視して、所定の電圧を超えると第１のトランジスタを発熱させる。サーモスタットは、そのトランジスタの温度を感知して作動して電流を遮断する。これにより電池温度、周囲の温度や熱伝導性に依存することなく、過電圧印加、過電流放電等からの電池の保護を確実に行うことができる。
【００９９】
また、電池制御回路ＩＣチップでは、電池電圧に加えて充電電流や放電電流も監視し、所定の状態を超えるとトランジスタを発熱させている。これにより、ポリマー電池の保護をより確実に図ることができる。
【０１００】
さらに、電池制御回路ＩＣチップでは、発熱した第１のトランジスタの温度を監視し、所定温度を超えると、第２のトランジスタに電流を流すことにより第１のトランジスタの電流をカットオフしている。これにより第１のトランジスタの過熱、熱破壊を防止することができる。
【０１０１】
なお、本発明は、上述した説明で挙げた例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【０１０２】
例えば、上述した説明では、電圧監視手段としてコンパレータ、発熱素子としてトランジスタ、電流制御手段としてサーモスタットをそれぞれ用いた場合を例に挙げて説明したが、本発明ではこれに限定されるものではなく、同様の機能を有する素子にそれぞれ変更可能である。
【０１０３】
また、上述した説明では、ポリマー電池３を保護する場合を例に挙げて説明したが、このことに限定されることはなく、例えば円筒形、角型、薄型、コイン型、ボタン型等その形状に関係なく、電子機器の電源となる一次電池、二次電池であれば適用可能である。
【０１０４】
また、上述した実施の形態では、保護素子３０を、二次保護回路として用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されることなく、保護素子３０を一次保護回路として用いることもできる。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明では、保護素子において、電流制御手段は、ポリマー電池の温度を直接感知して作動するのではなく、電池制御回路ＩＣチップ内において電池電圧を監視して、所定の電圧を超えると発熱素子を発熱させる。電流制御手段は、その発熱素子の温度を感知して作動して電流を制御する。これにより電池温度、周囲の温度や熱伝導性に依存することなく、過電圧印加、過電流放電等からの電池の保護を確実に行うことができる。
【０１０６】
また、本発明では、電流制御手段や発熱素子は１つの素子として一体化されているので、電流制御手段を電池に直接接触させる工夫を行う必要がない。また、本発明では動作上で必要な外部部品が不要となるので保護回路基板への部品点数が削減でき、組み立て上でコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電池パックを示す斜視図である。
【図２】同電池パックの内部構造を示す分解斜視図である。
【図３】同電池パックに備わるポリマー電池の内部構造を示す分解斜視図である。
【図４】ポリマー電池の正極端子及び負極端子が回路基板の接続ランドに接続された様子を示す斜視図である。
【図５】本発明の電池パックの概略回路構成を示す回路図である。
【図６】保護素子の一構成例を示す斜視図である。
【図７】図６中、Ｘ１−Ｘ２線における断面図である。
【図８】保護素子の回路構成を示す模式図である。
【図９】サーモスタットが作動したときの保護素子の様子を示す断面図である。
【図１０】電池制御回路ＩＣチップの概略回路構成を示す回路図である。
【図１１】ポリマー電池及び回路基板を外筐に収納する方法を説明する図であり、回路基板が外装材の貼り合せ面上に載るように正極リード及び負極リードを折り返した状態を示す斜視図である。
【図１２】ポリマー電池及び回路基板を外筐に収納する方法を説明する図であり、回路基板における回路部が接続部上に折り返された状態を示す斜視図である。
【図１３】電池制御回路ＩＣチップの作動工程を示すフローチャートである。
【図１４】サーモスタットの作動工程を示すフローチャートである。
【図１５】従来の電池パックの内部構造を示す分解斜視図である。
【図１６】電池に過電圧印加された場合の電池表面温度及びサーモスタット温度と時間との関係を示す図である。
【図１７】サーモスタットの作動、復帰と温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 電池パック、２ 外筐、２ａ 上ハーフ、２ｂ 下ハーフ、３ ポリマー電池、４ 回路基板、５ 開口部、６ 電池素子、７ 外装材、７ａ，７ｂ，７ｃ 貼合せ面、８ 正極、９ 負極、１４ 正極リード、１７ 負極リード、１９ａ，１９ｂ 端子、２０ 接続部、２１ 回路部、２２ａ，２２ｂ 接続ランド、 ２４ 銅箔層、２５ コネクタ、２８ 電池制御回路部、３０ 保護素子、 ３１ 基板、 ３２ 電池制御回路ＩＣチップ、 ３３ サーモスタット[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a protection element and a battery pack capable of improving operation reliability and protecting a battery from overvoltage application and overcurrent discharge.
[0002]
[Prior art]
In recent years, lithium ion has a positive electrode as a drive power source for portable electronic devices such as portable telephones, notebook portable computers, information terminal devices (PDAs: Personal Digital Assistants), and camera-integrated VTRs (VideoTape Recorders). A charge / discharge reaction is performed by moving the lithium ion secondary battery to and from the negative electrode, and the development of a lightweight, high energy density lithium ion secondary battery is in progress.
[0003]
In order to further reduce the size and weight of the lithium ion secondary battery because it is mounted on the above-described portable electronic device, for example, a further reduction in size is achieved by using a film-like exterior material or a solid electrolyte. Thus, the weight can be reduced. Specifically, in a lithium-ion secondary battery, for example, a laminate film in which a heat-fusible polymer film and a metal foil are laminated as a film-like exterior material is used, and a non-aqueous electrolyte is used as a solid electrolyte. A gel electrolyte or the like contained in a polymer matrix is used. A lithium ion secondary battery using such a laminate film and a gel electrolyte is generally called a polymer battery.
[0004]
As shown in FIG. 15, the polymer battery 100 is connected to a control circuit 101 for controlling, for example, charging and discharging, and a circuit board 103 having a connector 102 connected to external terminals. The polymer battery 100 and the circuit board 103 are configured as a so-called battery pack 105 by being housed in outer casings 104a and 104b made of plastic or the like.
[0005]
In such a battery pack 105, a protection element 106 such as a thermostat, a PTC, or a fuse is used as a secondary protection circuit in addition to the control circuit 101 to prevent overvoltage charging and overcurrent discharging. These protection elements 106 sense self-heating of the polymer battery 100 due to overvoltage or overcurrent, for example, when the control circuit 101 does not operate normally, and cut off the current when the temperature reaches a predetermined temperature. This prevents application of overvoltage and overcurrent discharge to the polymer battery 100.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
These protection elements 106 are arranged on the circuit board 103 or between the electrodes 107 and 108 of the polymer battery 103 and the circuit board 105 as shown in FIG. The protection element 106 is not in contact with the polymer battery 100, and there is a space between them. For this reason, there is a problem that the protection element 106 cannot quickly detect the heat generation of the polymer battery 100, and cannot sufficiently protect the polymer battery 100 from overvoltage charging, overcurrent discharging, and the like.
[0007]
FIG. 16 is a characteristic diagram showing a battery temperature, a battery voltage, and a thermostat surface temperature when a thermostat is used as a protection element and an overvoltage is applied to the battery. At this time, an overvoltage was applied to the battery at a temperature of −30 ° C. and a condition of 12 V and 2.5 A.
[0008]
FIG. 17 shows an example of the operation / return (on / off) characteristics of the thermostat. As can be seen from FIG. 17, the thermostat is activated (off) when its temperature rises to 80 ° C., and once activated, it returns (on) when it drops to 60 ° C.
[0009]
As is clear from FIG. 16, the battery is a heat source and the temperature of the battery is the highest. However, this heat is not transmitted directly from the battery to the thermostat, and the temperature of the thermostat is not equal to the heat conduction from the battery. To rise. Therefore, the temperature of the thermostat is always lower than that of the battery. In this way, a temperature difference occurs between the battery and the thermostat, and the battery may be significantly damaged before the thermostat operates.
[0010]
Here, before the temperature of the thermostat reaches the operating temperature of 60 ° C., the temperature of the battery rises to 120 ° C. and breaks down.
[0011]
Further, for example, heat conduction between the battery and the protection element is also affected by the external temperature. In a high-temperature environment, the temperature difference between the protection element and the battery is small. As a result, the function as the protection element cannot be exhibited, and the reliability is lacking.
[0012]
In order to reduce such a temperature difference between the battery and the protection element, the protection element needs to be in close contact with the battery. However, it is difficult to achieve this, and the difficulty in assembling also increases.
[0013]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-41823 proposes an overcharge protection device that has a heating resistor and operates the thermal operation means by the heat generated by the heating resistor. However, recharging after the overcharged state is resolved. However, it is not intended to solve the above-described problem.
[0014]
The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and an object of the present invention is to provide a protection element that operates more reliably and has high reliability and a battery pack including the protection element.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The protection element of the present invention includes: voltage monitoring means for monitoring a battery voltage; a heating element for generating heat by flowing a current; and current control means for controlling the current by sensing the temperature of the heating element. The monitoring means, the heating element, and the current control means are housed and integrated in the same package, and the voltage monitoring means monitors the battery voltage, and when the battery voltage exceeds a predetermined voltage, supplies a current to the heating element. The heating element is caused to generate heat, and the current control means senses the temperature of the heating element and controls the current when the temperature exceeds a predetermined temperature.
[0016]
In the protection element of the present invention as described above, the battery voltage is monitored to cause the heating element to generate heat, and the current control means senses the temperature of the heating element housed in the same package. It operates quickly and is highly reliable.
[0017]
The battery pack of the present invention includes a battery and a protection element electrically connected to the battery. The protection element includes a voltage monitoring unit that monitors a battery voltage, and a heat generation unit that generates heat by flowing a current. An element and current control means for controlling the current by sensing the temperature of the heating element, wherein the voltage monitoring means, the heating element and the current control means are housed and integrated in the same package, The means monitors the battery voltage, and when the battery voltage exceeds a predetermined voltage, supplies a current to the heating element to cause the heating element to generate heat.The current control means senses the temperature of the heating element and determines a predetermined temperature. When the temperature is exceeded, the current is controlled.
[0018]
In the battery pack according to the present invention as described above, in the protection element, the battery voltage is monitored to cause the heating element to generate heat, and the current control unit senses the temperature of the heating element housed in the same package. In addition, the current control means operates quickly, and becomes highly reliable.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a protection element and a battery pack to which the present invention is applied will be described.
[0020]
1 and 2 show one configuration example of the battery pack of the present invention. This battery pack 1 has a structure in which a polymer battery 3 as a power generation element and a circuit board 4 to which the polymer battery 3 is electrically connected are housed in an outer case 2 as a storage case.
[0021]
The outer casing 2 is formed of a so-called plastic case, and a storage space in which the polymer battery 3 and the circuit board 4 are stored inside by abutting the peripheral wall of the upper half 2a and the peripheral wall of the lower half 2b with each other. And its outer shape is a substantially rectangular flat plate. The outer casing 2 is formed at one end in the longitudinal direction with an opening 5 for exposing a connector 25 attached to the circuit board 4 to the outside, and an upper half 2a constituting the outer casing 2 is formed. Notches 5a and 5b constituting the opening 5 are formed in the lower half 2b.
[0022]
As shown in FIG. 3, the polymer battery 3 is a nonaqueous electrolyte battery such as a lithium ion secondary battery, for example. And an exterior material 7.
[0023]
In the polymer battery 3, the battery element 6 has a band-shaped positive electrode 8, a band-shaped negative electrode 9, a solid electrolyte 10 containing an organic polymer or an electrolyte salt, and a separator 11 interposed between the electrodes. By winding in the direction, it functions as a power generating element.
[0024]
The positive electrode 8 is formed by applying a positive electrode mixture coating liquid containing a positive electrode active material and a binder on the positive electrode current collector 12, drying, and pressing, so that the positive electrode mixture layer 13 is formed on the positive electrode current collector 12. It has a structure formed by compression. A positive electrode terminal 14 is connected to the positive electrode 8 at a predetermined position on the positive electrode current collector 12 so as to protrude in the width direction of the positive electrode current collector 12. For the positive electrode terminal 14, for example, a strip-shaped metal piece made of a conductive metal such as aluminum is used.
[0025]
The negative electrode 9 forms a negative electrode mixture layer 16 on the negative electrode current collector 15 by applying a negative electrode mixture coating liquid containing a negative electrode active material and a binder on the negative electrode current collector 15, drying, and pressing. It has a structure formed by compression. A negative electrode terminal 17 is connected to the negative electrode 9 at a predetermined position on the negative electrode current collector 15 so as to protrude in the width direction of the negative electrode current collector 15. For the negative electrode terminal 17, for example, a strip-shaped metal piece made of a conductive metal such as nickel or copper is used.
[0026]
The solid electrolyte 10 exchanges, for example, lithium ions between the positive electrode 8 and the negative electrode 9. Therefore, an organic solid electrolyte having lithium ion conductivity is used as the solid electrolyte 10. As the organic solid electrolyte, a polymer solid electrolyte composed of an electrolyte salt and an organic polymer containing the same, a gel electrolyte in which a non-aqueous electrolyte is contained in a polymer matrix, and the like can be used. The solid electrolyte 10 is formed as an electrolyte layer by applying and solidifying an electrolyte solution containing an organic solid electrolyte on the surfaces of the positive electrode 8 and the negative electrode 9.
[0027]
The separator 11 separates the positive electrode 8 and the negative electrode 9 from each other, and may use a known material that is generally used as an insulating porous film of this type of nonaqueous electrolyte battery.
[0028]
The packaging material 7 for enclosing the battery element 6 having the above-described configuration is a laminated film in which a resin layer and a metal layer are bonded to each other by lamination or the like to be composited into two or more layers. The surface to be formed is a resin layer. The material of the resin layer is not particularly limited as long as it has adhesiveness to the positive electrode terminal 14 and the negative electrode terminal 17. As the metal layer, for example, aluminum, stainless steel, nickel, iron, or the like formed into a foil shape, a plate shape, or the like is used. In the case 7, the outer layer of the battery 1 is provided with a resin layer made of, for example, nylon or the like, so that the outer layer 7 can be improved in strength against breakage or piercing.
[0029]
The battery element 6 was housed inside the exterior material 7, and the peripheral edge of the exterior material 7 was bonded to each other by, for example, heat sealing, so that the battery element 6 was electrically connected to the positive electrode 8 and the negative electrode 9 constituting the battery element 7. The battery element 7 is sealed in the exterior material 7 in a state where the positive electrode terminal 14 and the negative electrode terminal 17 are drawn out from between the bonding surfaces 7a of the exterior material 7 via the resin pieces 18 to form the polymer battery 3. .
[0030]
The circuit board 4 to which the polymer battery 3 as described above is connected is formed in a long shape with a width corresponding to the bonding surface 7a of the exterior material 7 as shown in FIG. On both sides of the circuit board 4 in the longitudinal direction, a connection portion 20 to which the positive electrode terminal 14 and the negative electrode terminal 17 are electrically connected, a battery control circuit portion 28 for protecting the polymer battery 3 from overcharging and discharging, and a protection element 30 Is provided.
[0031]
The circuit board 4 is a so-called multilayer flexible printed circuit board having flexibility and having pattern wirings and dielectric insulating layers alternately laminated. Since the circuit board 4 has flexibility, it can be bent between the connection section 20 and the circuit section 21. Here, the description is made using a flexible substrate as the circuit board 4, but the present invention is not limited to this, and can be applied to, for example, a rigid substrate.
[0032]
In the circuit board 4, the connection part 20 is provided with a pair of connection lands 22 a and 22 b to which the positive terminal 14 and the negative terminal 17 of the polymer battery 3 are electrically connected. The pair of connection lands 22a and 22b are formed on one main surface of the circuit board 4 at predetermined intervals in the longitudinal direction and are pattern-formed as part of pattern wiring.
[0033]
The positive electrode terminal 14 and the negative electrode terminal 17 are arranged orthogonally to the longitudinal direction of the circuit board 4, and the tips are connected to the pair of connection lands 22a and 22b by solder connection.
[0034]
Further, between the connecting portion 20 and the circuit portion 21, a bending pattern 23 for facilitating bending between the connecting portion 20 and the circuit portion 21 is opposite to the main surface on which the connection lands 22a and 22b are formed. It is provided on the main surface on the side. One or more bent patterns 23 are formed in the same manner as the connection lands 22a and 22b so as to form a linear pattern wiring substantially parallel to the short direction of the circuit board 4.
[0035]
The connection lands 22a and 22b and the bent pattern 23 are formed on a metal layer made of, for example, a conductive metal formed on the entire main surface of the dielectric insulating layer by plating or the like by photolithographic processing or the like. It is provided by performing a patterning process so that
[0036]
The circuit board 4 is attached to an end of the circuit section 21 and has a connector 25 for external connection electrically connected to an electronic device in which the battery pack 1 is mounted, and a polymer battery 3 connected to the connection section 20. And a protection element 30 which is a secondary protection circuit for protecting the polymer battery 3 from overvoltage charging, overcurrent discharging, and the like. ing.
[0037]
The battery control circuit unit 28 includes, for example, a primary protection circuit that protects the polymer battery 3 from overcharge and overdischarge, an arithmetic circuit that calculates the remaining power of the polymer battery 3, and an electronic device in which the battery pack 1 is mounted. It is composed of a communication circuit for performing communication between them.
[0038]
The battery control circuit unit 28 is constantly connected to the connection lands 22a and 22b to which the polymer battery 3 is connected, the protection element 30, and the like, so that the power is constantly supplied from the polymer battery 3 to charge and discharge the polymer battery 3 and protect the battery. It controls communication and the like between the element 30 and the electronic device. The battery control circuit unit 28 is mounted as an electronic component on the main surface of the circuit board 5 in an integrated circuit such as an IC (integrated circuit) chip or an LSI (Large-scale Integrated Circuit) chip. Is done.
[0039]
Here, the configuration of the primary protection circuit provided in the battery control circuit unit 28 will be described. FIG. 5 shows a schematic circuit configuration of the battery pack 1 including the primary protection circuit 50.
[0040]
The primary protection circuit 50 includes a switching circuit 51 that switches a current flowing through the polymer battery 3, a current detection circuit 52 that detects a current, a voltage detection circuit 53 that detects a voltage, and a current detection circuit 52 or a voltage detection circuit 53. And a control circuit 54 for controlling the switching circuit 51 according to the detection result.
[0041]
In the battery pack 1 including such a primary protection circuit 50, the polymer battery 3 is connected in series with the switching circuit 52. The positive terminal 55 and the negative terminal 56 as output terminals of the battery pack 1 are connected to a load in use, and are connected to a charging device or a discharging device during charging and discharging. In the switching circuit, two FETs 3 and 4 are connected in series, and each FET has a parasitic diode 3D and 4D, respectively.
[0042]
The operation when charging the battery pack 1 will be described. The positive terminal 55 and the negative terminal 56 of the battery pack 1 are electrically connected to a positive terminal, a negative terminal, and a signal output terminal of a charging device (not shown), respectively.
[0043]
Then, when charging the polymer battery 1, the control circuit 54 performs control such that the FET 3 is turned off and the FET 4 is turned on. When the FET 3 is turned off and the FET 4 is turned on, the polymer battery is charged by a constant voltage circuit and a constant current circuit of a charging device (not shown).
[0044]
Further, when the current detection circuit 52 or the voltage detection circuit 53 detects that the polymer battery 1 has reached a fully charged state, the control circuit 54 turns off the FET 4 to prevent overcharging (the FET 3 is also turned off). off). When the FET 4 is turned off, the charging current does not flow not only to the FET 4 itself but also to the parasitic diode 4D connected in the opposite direction to the charging current, so that the polymer battery 1 is prevented from being overcharged.
[0045]
However, the primary protection circuit 50 described above may not function sufficiently due to a failure or the like. Then, the polymer battery 3 cannot be protected from overcharging and discharging.
[0046]
Therefore, in the present invention, a protection element 30 described below is mounted as a secondary protection circuit that operates complementarily to the primary protection circuit and protects the polymer battery 3 from overcharging and discharging.
[0047]
Hereinafter, the protection element 30 will be described in detail. One configuration example of the protection element 30 is shown in FIGS. FIG. 8 shows a schematic circuit configuration of the protection element 30.
[0048]
As shown in FIGS. 6 and 7, the protection element 30 includes a substrate 31, a battery control circuit IC chip 32 mounted on the substrate 31, and a thermostat 33. The substrate 31, the battery control circuit IC chip 32, and the thermostat 33 are packaged by an exterior body 34 and integrated as one element. The exterior body 34 is formed by, for example, bending a thin metal plate into a box shape.
[0049]
The periphery of the exterior body 34 is further covered with a resin 35 and is substantially sealed. By substantially sealing with the resin 35, it is possible to prevent leakage of the electrolyte of the battery and intrusion of water or the like from the outside of the battery pack. The outer size of the protection element 30 is, for example, vertical (t 1 ) 3mm x side (t 2 ) 4 mm x thickness (t 3 ) 1.5 mm.
[0050]
The protection element 30 has terminals 36a, 36b and 36c. As shown in FIG. 8, these terminals 36a, 36b, 36c are electrically connected to terminals 50a, 50b, 50c of the battery control circuit IC chip 32, respectively. 36a is electrically connected to the negative electrode of the battery, and 36b is electrically connected to the negative side of the charger and the negative side of the load. 36c is electrically connected to the positive side of the polymer battery, the positive side of the charger, and the positive side of the load.
[0051]
In the protection element 30, the battery voltage is monitored by a voltage detection circuit inside the battery control circuit IC chip 32, and when the battery voltage exceeds a predetermined value, a current flows through the transistor to cause the transistor to generate heat. The thermostat 33 operates by sensing the heat generated by the transistors in the battery control circuit IC chip 32.
[0052]
The thermostat 33 includes a fixed contact 37, a movable piece 39 having a movable contact 38, and a bimetal disk 40.
[0053]
The fixed contact 37 is formed on the substrate 31 and is electrically connected to the terminal 36b.
[0054]
The movable piece 39 is formed integrally with the exterior body 34 by cutting out a part of the upper surface of the exterior body 34 into a U-shape and pressing and bending the cut-out portion inside the exterior body 34. The end of the movable piece 39 opposite to the side connected to the exterior body 34 is a movable contact 38. The movable contact 38 is electrically connected to the terminal 36a.
[0055]
The movable contact 38 is in contact with the fixed contact 37 when the thermostat 33 is not operated, and electrical connection between them, that is, conduction between the terminals 36a and 36b is secured.
[0056]
The bimetal disk 40 is arranged between the battery control circuit IC chip 32 and the movable piece 39 so as to approach or contact the battery control circuit IC chip 32 and to be in contact with the movable piece 39. The bimetal disk 40 is formed by laminating and joining two types of metal materials having different coefficients of thermal expansion in a flat plate shape. The bimetal disk 40 senses the temperature of the battery control circuit IC chip 32 and, when it reaches a predetermined operating temperature (here, for example, 80 ° C.), as shown in FIG. The movable piece 39 is pushed up by being deformed by the difference in thermal expansion coefficient. Thereby, the fixed contact 37 and the movable contact 38 are physically separated from each other, and the electrical connection between them, that is, the electrical connection between the terminals 36a and 36b is cut off.
[0057]
Then, when the temperature of the bimetal disk 40 falls to a predetermined return temperature (here, for example, 60 ° C.), the bimetal disk 40 returns to its original shape. As a result, the movable contact 38 comes into contact with the fixed contact 37, the electrical connection between the terminal 36a and the terminal 36b is restored, and charging and discharging are started again.
[0058]
In this protection device 30, the thermostat 33 does not operate by directly sensing the temperature of the polymer battery, but operates by sensing the temperature of the battery control circuit IC chip 32.
[0059]
Since the thermostat 33 is disposed close to or in contact with the battery control circuit IC chip 32, the thermostat 33 is sensitive to the temperature of the battery control circuit IC chip 32 without being affected by the surrounding temperature or heat conduction. It can operate reliably. Thereby, the protection element 30 becomes an excellent element that can reliably protect the battery from overvoltage charging, overcurrent discharging, and the like.
[0060]
Next, the battery control circuit IC chip 32 will be described. FIG. 10 shows a circuit configuration of the battery protection circuit IC chip 32.
[0061]
The battery control circuit IC chip 32 includes terminals 50a, 50b, and 50c, and is electrically connected to the terminals 36a, 36b, and 36c of the protection element 30 by, for example, wire bonding. The terminal 50a is electrically connected to the negative electrode of the battery, and the terminal 50b is electrically connected to the negative side of the charger and the negative side of the load. The terminal 50c is electrically connected to the polymer battery 3, the positive side of the charger, and the positive side of the load.
[0062]
This battery protection circuit IC32 chip detects a first transistor 51 as a heating element that generates heat when a current flows, a second transistor 52 as a switching element of the first transistor 51, and a battery voltage of a polymer battery. The first comparator 53, the second comparator 54 for detecting the discharge current value, the third comparator 55 for detecting the charge current value, and the detection results from the first to third comparators 53, 54, 55 A logic circuit 56 for flowing a current to the first transistor 51 accordingly, and a temperature detecting circuit 57 for detecting the temperature of the first transistor 51 are provided.
[0063]
The first transistor 51 generates heat when a current flows. When any one of the battery voltage, the discharge current, and the charge current exceeds a reference value due to overcharging or overdischarging, the first transistor 51 is a heat-generating transistor that generates heat when a current flows through the first transistor 51. When the power consumption of the first transistor 51 is about 1 W, the surface temperature becomes 120 ° C. in about one minute, and sufficient heat is radiated. The thermostat 33 operates by sensing the heat generated by the first transistor 51.
[0064]
The comparator outputs the reference voltage (V st ) Is a circuit for determining whether the input voltage is high or low, and outputs a signal according to the determination result.
[0065]
The first comparator 53 determines that the voltage between the terminal 50a and the terminal 50c, that is, the battery voltage is equal to the reference voltage V st It is determined whether it is larger or smaller than 58 (here, for example, 4.8 V). The first comparator 53 outputs an off signal when the battery voltage is lower than 4.8 V, and outputs an on signal when the battery voltage is higher than 4.8 V. This signal is transmitted to the logic circuit 56.
[0066]
Further, this battery protection circuit includes, in addition to the first comparator 53, a second comparator 54 for monitoring the discharge current of the polymer battery, and a third comparator 55 for monitoring the charge current.
[0067]
By monitoring the discharge current and the charge current in addition to the battery voltage, the state of the polymer battery can be monitored two or three times, and more reliable protection can be achieved.
[0068]
The second comparator 54 detects a voltage value between both ends of the thermostat 33 electrically connected between the terminal 50a and the terminal 50b, and detects a voltage between the terminal 50a and the terminal 50b as the reference voltage V. st It is determined whether it is larger or smaller than 59. Thereby, it is determined whether the current value in the direction from the terminal 50b to the terminal 50a, that is, the discharge current value is larger or smaller than a reference current (here, for example, 5A). Then, the second comparator 54 outputs an off signal when the current value is smaller than 5 A, and outputs an on signal when the current value is 5 A or more. This on / off signal is transmitted to the logic circuit 56. The conduction resistance of the thermostat 33 is 5 mΩ as a standard value.
[0069]
The third comparator 55 is connected in the opposite direction to the second comparator 54, detects a voltage value between both ends of the thermostat 33 electrically connected between the terminal 50a and the terminal 50b, and The voltage between 50b is the reference voltage V st It is determined whether it is larger or smaller than 59. Thus, it is determined whether the current value in the direction from the terminal 50a to the terminal 50b, that is, the charging current value is larger or smaller than a reference current (here, for example, 5A). The third comparator 55 outputs an off signal when the current value is smaller than 5A, and outputs an on signal when the current value is 5A or more. This on / off signal is transmitted to the logic circuit 56.
[0070]
The logic circuit 56 is a logical OR circuit, performs a logical operation on the on / off signals input from the first to third comparators 53, 54, 55, and if any one of them is an on signal, that is, If any one of the battery voltage, the discharge current, and the charge current exceeds the reference value, an on signal is output. When the ON signal is output, a current starts to flow through the first transistor 51, whereby the first transistor 51 generates heat.
[0071]
The temperature detecting circuit 57 monitors the temperature of the first transistor 51. When the temperature of the first transistor 51 exceeds a predetermined temperature (here, for example, 90 ° C.), the temperature of the second transistor 52 is increased. An on signal is output, and a current flows through the second transistor 52.
[0072]
The second transistor 52 is a switching element of the first transistor. When a current flows through the second transistor 52, the circuit is short-circuited and the current of the first transistor 51 is cut off. This takes precedence over the signal from the logic circuit 56, and the current of the first transistor 51 is turned off even if the signal from the logic circuit 56 is an ON signal. Thus, overheating and thermal destruction of the first transistor 51 are prevented.
[0073]
In the protection element 30 including the battery control circuit IC chip 32, the thermostat 33 does not operate by directly sensing the temperature of the polymer battery 3 but operates the battery voltage in the battery control circuit IC chip 32. It monitors, and when the voltage exceeds a predetermined voltage, the first transistor 51 generates heat. The thermostat 33 operates by sensing the temperature of the transistor to cut off the current. This makes it possible to reliably protect the battery from overvoltage charging, overcurrent discharging, and the like.
[0074]
The battery control circuit IC chip 32 also monitors a charging current and a discharging current in addition to the battery voltage, and causes the first transistor 51 to generate heat when a predetermined state is exceeded. This makes it possible to more reliably protect the polymer battery.
[0075]
Further, the battery control circuit IC chip 32 monitors the temperature of the first transistor 51 that has generated heat, and cuts the current of the first transistor 51 by flowing the current to the second transistor 52 when the temperature exceeds a predetermined temperature. Off. Thus, overheating and thermal destruction of the first transistor 51 can be prevented.
[0076]
A method of assembling the battery pack 1 including the outer casing 2, the polymer battery 3, and the circuit board 4 as described above will be described. Specifically, a method for housing the circuit board 5 to which the polymer battery 3 is attached in the outer casing 2 will be described.
[0077]
When the circuit board 4 to which the polymer battery 3 and the protection element 30 are attached is housed in the outer casing 2, first, as shown in FIG. 3. From the state where the distal ends of the positive electrode terminal 14 and the negative electrode terminal 17 are connected to the pair of connection lands 22a and 22b on the connection portion 20, the distal ends of the positive electrode terminal 14 and the negative electrode terminal 17 are connected as shown in FIG. It is folded back together with the substrate 4 on the bonding surface 7a of the exterior material 7.
[0078]
Next, as shown in FIG. 12, the circuit portion 21 of the circuit board 4 is connected to the main surface on which the main surface on which the protection element 30 and the like are mounted is opposite to the main surface facing the connection portion 20, that is, the outer main surface. It is folded back on the connection part 20 along the bending pattern 23 formed between the connection part 20 and the circuit part 21 so as to form a surface. Thereby, as shown in FIG. 2, the circuit board 4 is folded between the connection section 20 and the circuit section 21 so as to fit on the bonding surface 7a of the exterior material 7, and the polymer battery 3 The positive electrode terminal 14 and the negative electrode terminal 17 are arranged along the side surface on the protruding side. After the polymer battery 3 and the circuit board 4 are housed between the upper half 2a and the lower half 2b of the outer casing 2, the upper half 2a and the lower half 2b are connected. As described above, the battery pack 1 as shown in FIG. 1 is assembled.
[0079]
Next, the operation of protecting the polymer battery 3 by the protection element 30 when an overvoltage is applied to the battery pack 1 assembled in this manner will be described with reference to the flowcharts shown in FIGS. In FIGS. 13 and 14, FET1 and FET2 mean a first transistor and a second transistor, respectively.
[0080]
First, a charger is attached to the battery pack to start charging.
[0081]
As shown in FIG. 13, in the battery control circuit IC chip 32, the first comparator 53 determines in step S1a whether the voltage between the terminals 50a and 50c, that is, whether the battery voltage is higher or lower than 4.8V. I do. The first comparator 53 outputs an off signal when the battery voltage is lower than 4.8 V, and outputs an on signal when the battery voltage is higher than 4.8 V. This on / off signal is transmitted to the logic circuit 56.
[0082]
In step S1b, the second comparator 54 determines whether the current value in the direction from the terminal 50b to the terminal 50a, that is, whether the discharge current value is larger or smaller than 5A. Then, the second comparator 54 outputs an off signal when the current value is smaller than 5A, and outputs an on signal when the current value is 5A or more. This on / off signal is transmitted to the logic circuit 56.
[0083]
In step S1c, the third comparator 55 determines whether the current value in the direction from the terminal 50a to the terminal 50b, that is, the charging current value is larger or smaller than 5A. Then, the third comparator 55 outputs an off signal when the current value is smaller than 5A, and outputs an on signal when the current value is 5A or more. This on / off signal is transmitted to the logic circuit 56.
[0084]
Next, the logic circuit 56 performs an OR logic operation on the on / off signals input from the first to third comparators 53, 54, 55 in step S2, and if any one is an on signal, it turns on. Output a signal.
[0085]
When the ON signal is output, a current starts to flow through the first transistor 51 in step S3, whereby the first transistor 51 generates heat. When the power consumption of the first transistor 51 is about 1 W, the surface temperature becomes 120 ° C. in about one minute, and sufficient heat is radiated.
[0086]
After the current flows through the first transistor 51, the first comparator 53 monitors the battery voltage between the terminal 50a and the terminal 50c in step S4a, and when the voltage is smaller than 4.8 V, When the voltage of the off signal is 4.8 V or more, an on signal is output. This on / off signal is transmitted to the logic circuit 56.
[0087]
In step S4b, the second comparator 54 monitors the discharge current value in the direction from the terminal 50b to the terminal 50a, and outputs an OFF signal when the current value is smaller than 5A and an ON signal when the current value is 5A or more. Is output. This on / off signal is transmitted to the logic circuit 56.
[0088]
In step S4c, the third comparator 55 monitors the charging current value in the direction from the terminal 50a to the terminal 50b, and outputs an off signal when the current value is smaller than 5A, and outputs an OFF signal when the current value is 5A or more. Output an ON signal. This on / off signal is transmitted to the logic circuit 56.
[0089]
Then, the logic circuit 56 performs an OR logic operation on the on / off signals input from the first to third comparators 55 in step S5a, and outputs an off signal if all are off signals.
[0090]
When the off signal is output, the current to the first transistor 51 is cut off in step S6, whereby the heat generation of the first transistor 51 stops.
[0091]
On the other hand, the temperature detection circuit 57 monitors the temperature of the first transistor 51 in step S5d, and outputs an ON signal to the second transistor 52 when the temperature of the first transistor 51 exceeds 90 ° C.
[0092]
Then, when the ON signal is output, a current starts to flow through the second transistor 52 in step S5b.
[0093]
When a current flows through the second transistor 52, the circuit is short-circuited in step S6, and the current of the first transistor 51 is cut off. As a result, heat generation of the first transistor 51 stops.
[0094]
Next, the operation of the thermostat 33 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0095]
In the thermostat 33, when the heat generation of the first transistor 51 is started, the heat generation of the first transistor 51 is transmitted to the bimetal disk 40 arranged on the battery protection circuit IC chip 32 as shown in FIG. The power consumption of the first transistor 51 is about 1 W and sufficient heat is radiated. In addition, since the bimetal disk 40 is arranged close to the battery protection circuit IC chip 32, the heat generation of the first transistor 51 is sufficiently reduced. It can be sensed quickly.
[0096]
In step S10, when the bimetal disk 40 is heated to 80 ° C. by the heat generated by the first transistor 51, the bimetal disk 40 in FIG. It warps and deforms as shown. The deformed bimetal disk 40 pushes up the movable piece 39 in step S12, and the movable contact 38 separates from the fixed contact 37. As a result, the electrical connection between the terminal 50a and the terminal 50b is broken, and the current is cut off.
[0097]
Then, the overcharged state is eliminated and the heat generation of the transistor 51 stops, and when the temperature of the bimetal disk 40 drops to 60 ° C. in step S13, the bimetal disk 40 returns to the original shape in step S14. As a result, in step S15, the movable contact 38 comes into contact with the fixed contact 37 again, the electrical connection between the terminal 50a and the terminal 50b is restored, and charging is started again.
[0098]
As described above, in the polymer battery of the present invention, in the secondary protection element, the thermostat does not operate by directly sensing the temperature of the polymer battery, but monitors the battery voltage in the battery control circuit IC chip and performs a predetermined operation. When the voltage exceeds the threshold voltage, the first transistor generates heat. The thermostat operates by sensing the temperature of the transistor to cut off the current. As a result, the battery can be reliably protected from overvoltage application, overcurrent discharge, and the like, without depending on the battery temperature, ambient temperature, and thermal conductivity.
[0099]
Further, in the battery control circuit IC chip, a charging current and a discharging current are monitored in addition to the battery voltage, and a transistor is heated when a predetermined state is exceeded. This makes it possible to more reliably protect the polymer battery.
[0100]
Further, the battery control circuit IC chip monitors the temperature of the first transistor that has generated heat, and cuts off the current of the first transistor by flowing a current to the second transistor when the temperature exceeds a predetermined temperature. Thus, overheating and thermal destruction of the first transistor can be prevented.
[0101]
Note that the present invention is not limited to the examples described in the above description, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
[0102]
For example, in the above description, a case where a comparator is used as a voltage monitoring unit, a transistor is used as a heating element, and a thermostat is used as a current control unit, but the present invention is not limited to this. It can be changed to an element having the function of
[0103]
Further, in the above description, the case where the polymer battery 3 is protected has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, the shape may be cylindrical, square, thin, coin, button, and the like. Regardless of this, any primary battery or secondary battery that can be used as a power source for an electronic device can be applied.
[0104]
In the above-described embodiment, the case where the protection element 30 is used as a secondary protection circuit has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the protection element 30 may be used as a primary protection circuit. it can.
[0105]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the protection element, the current control means does not operate by directly sensing the temperature of the polymer battery, but monitors the battery voltage in the battery control circuit IC chip, and generates a heating element when a predetermined voltage is exceeded. To generate heat. The current control means operates by sensing the temperature of the heating element to control the current. As a result, the battery can be reliably protected from overvoltage application, overcurrent discharge, and the like, without depending on the battery temperature, ambient temperature, and thermal conductivity.
[0106]
Further, in the present invention, since the current control means and the heating element are integrated as one element, there is no need to devise a way of bringing the current control means into direct contact with the battery. Further, according to the present invention, external components required for operation are not required, so that the number of components on the protection circuit board can be reduced, and the cost can be reduced in assembling.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a battery pack to which the present invention is applied.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the internal structure of the battery pack.
FIG. 3 is an exploded perspective view showing an internal structure of a polymer battery provided in the battery pack.
FIG. 4 is a perspective view showing a state in which a positive terminal and a negative terminal of a polymer battery are connected to connection lands of a circuit board.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a schematic circuit configuration of the battery pack of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view illustrating a configuration example of a protection element.
FIG. 7 is a sectional view taken along line X1-X2 in FIG.
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration of a protection element.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state of the protection element when the thermostat operates.
FIG. 10 is a circuit diagram showing a schematic circuit configuration of a battery control circuit IC chip.
FIG. 11 is a diagram illustrating a method of housing a polymer battery and a circuit board in an outer casing, and is a perspective view showing a state in which a positive electrode lead and a negative electrode lead are folded back so that the circuit board rests on a bonding surface of an exterior material. It is.
FIG. 12 is a diagram for explaining a method of housing the polymer battery and the circuit board in the outer casing, and is a perspective view showing a state in which a circuit unit on the circuit board is folded over a connection unit.
FIG. 13 is a flowchart showing an operation process of the battery control circuit IC chip.
FIG. 14 is a flowchart showing an operation process of the thermostat.
FIG. 15 is an exploded perspective view showing the internal structure of a conventional battery pack.
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between battery surface temperature, thermostat temperature, and time when an overvoltage is applied to the battery.
FIG. 17 is a diagram showing a relationship between operation and return of the thermostat and temperature.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 battery pack, 2 outer casing, 2a upper half, 2b lower half, 3 polymer battery, 4 circuit board, 5 opening, 6 battery element, 7 exterior material, 7a, 7b, 7c bonding surface, 8 positive electrode, 9 negative electrode , 14 positive electrode lead, 17 negative electrode lead, 19a, 19b terminal, 20 connecting portion, 21 circuit portion, 22a, 22b connecting land, 24 copper foil layer, 25 connector, 28 battery control circuit portion, 30 protection element, 31 substrate, 32 Battery control circuit IC chip, 33 thermostat

Claims (11)

電池を過充放電から保護する保護素子であって、
電池電圧を監視する電圧監視手段と、
電流を流すことによって発熱する発熱素子と、
上記発熱素子の温度を感知して電流を制御する電流制御手段とを備え、
上記電圧監視手段と発熱素子と電流制御手段とは同一パッケージ内に収納され一体化されており、
電圧監視手段は、電池電圧を監視して、電池電圧が所定の電圧を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させ、
電流制御手段は、発熱素子の温度を感知して、所定の温度を超えると電流を制御することを特徴とする保護素子。A protection element for protecting the battery from overcharging and discharging,
Voltage monitoring means for monitoring battery voltage;
A heating element that generates heat by passing an electric current;
Current control means for controlling the current by sensing the temperature of the heating element,
The voltage monitoring means, the heating element, and the current control means are housed and integrated in the same package,
The voltage monitoring means monitors the battery voltage, and when the battery voltage exceeds a predetermined voltage, applies a current to the heating element to cause the heating element to generate heat,
The current control means senses the temperature of the heating element and controls the current when the temperature exceeds a predetermined temperature. 上記発熱素子は、トランジスタであることを特徴とする請求項１記載の保護素子。The protection element according to claim 1, wherein the heating element is a transistor. 上記電流制御手段は、サーモスタットであることを特徴とする請求項１記載の保護素子。2. The protection element according to claim 1, wherein said current control means is a thermostat. さらに、上記発熱素子の温度を監視する温度監視手段と、
上記発熱素子の電流をカットオフするカットオフ手段とを備え、
温度監視手段は、上記発熱素子の温度を監視して、発熱素子の温度が所定の温度を超えるとカットオフ手段を作動させて上記発熱素子の電流をカットオフすることを特徴とする請求項１記載の保護素子。Further, a temperature monitoring means for monitoring the temperature of the heating element,
Cut-off means for cutting off the current of the heating element,
The temperature monitoring means monitors the temperature of the heating element, and cuts off the current of the heating element by operating a cutoff means when the temperature of the heating element exceeds a predetermined temperature. The protective element as described in the above. さらに、電池電流を監視する電流監視手段を備え、
電流監視手段は、電池電流を監視して、電池電流が所定の電流を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させることを特徴とする請求項１記載の保護素子。Furthermore, a current monitoring means for monitoring the battery current is provided,
2. The protection element according to claim 1, wherein the current monitoring means monitors the battery current, and when the battery current exceeds a predetermined current, supplies a current to the heating element to cause the heating element to generate heat. 電池と、当該電池と電気的に接続され電池を過充放電から保護する保護素子とを備えた電池パックであって、
上記保護素子は、
電池電圧を監視する電圧監視手段と、
電流を流すことによって発熱する発熱素子と、
上記発熱素子の温度を感知して電流を制御する電流制御手段とを備え、
上記電圧監視手段と発熱素子と電流制御手段とは同一パッケージ内に収納され一体化されており、
電圧監視手段は、電池電圧を監視して、電池電圧が所定の電圧を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させ、
電流制御手段は、発熱素子の温度を感知して、所定の温度を超えると電流を制御することを特徴とする電池パック。A battery pack comprising a battery and a protection element electrically connected to the battery and protecting the battery from overcharging and discharging,
The protection element,
Voltage monitoring means for monitoring battery voltage;
A heating element that generates heat by passing an electric current;
Current control means for controlling the current by sensing the temperature of the heating element,
The voltage monitoring means, the heating element, and the current control means are housed and integrated in the same package,
The voltage monitoring means monitors the battery voltage, and when the battery voltage exceeds a predetermined voltage, applies a current to the heating element to cause the heating element to generate heat,
A battery pack, wherein the current control means senses the temperature of the heating element and controls the current when the temperature exceeds a predetermined temperature. 上記発熱素子は、トランジスタであることを特徴とする請求項６記載の電池パック。The battery pack according to claim 6, wherein the heating element is a transistor. 上記電流制御手段は、サーモスタットであることを特徴とする請求項６記載の電池パック。7. The battery pack according to claim 6, wherein said current control means is a thermostat. 上記保護素子は、さらに、上記発熱素子の温度を監視する温度監視手段と、
上記発熱素子の電流をカットオフするカットオフ手段とを備え、
温度監視手段は、上記発熱素子の温度を監視して、発熱素子の温度が所定の温度を超えるとカットオフ手段を作動させて上記発熱素子の電流をカットオフすることを特徴とする請求項６記載の電池パック。The protection element, further, a temperature monitoring means for monitoring the temperature of the heating element,
Cut-off means for cutting off the current of the heating element,
The temperature monitoring means monitors the temperature of the heating element, and when the temperature of the heating element exceeds a predetermined temperature, activates a cutoff means to cut off a current of the heating element. The battery pack as described. 上記保護素子は、さらに、電池電流を監視する電流監視手段を備え、
電流監視手段は、電池電流を監視して、電池電流が所定の電流を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させることを特徴とする請求項６記載の電池パック。The protection element further includes current monitoring means for monitoring battery current,
7. The battery pack according to claim 6, wherein the current monitoring means monitors the battery current and, when the battery current exceeds a predetermined current, supplies a current to the heating element to cause the heating element to generate heat. 上記保護素子は二次保護回路であり、さらに、一次保護回路を備えることを特徴とする請求項６記載の電池パック。7. The battery pack according to claim 6, wherein the protection element is a secondary protection circuit, and further includes a primary protection circuit.
JP2002362716A 2002-12-13 2002-12-13 Protective element and battery pack Expired - Fee Related JP4438284B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002362716A JP4438284B2 (en) 2002-12-13 2002-12-13 Protective element and battery pack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002362716A JP4438284B2 (en) 2002-12-13 2002-12-13 Protective element and battery pack

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004193066A true JP2004193066A (en) 2004-07-08
JP4438284B2 JP4438284B2 (en) 2010-03-24

Family

ID=32761083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002362716A Expired - Fee Related JP4438284B2 (en) 2002-12-13 2002-12-13 Protective element and battery pack

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4438284B2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007064081A1 (en) * 2005-11-30 2007-06-07 Lg Chem, Ltd. Safety device for secondary battery and battery pack employed with the same
JP2009146879A (en) * 2007-12-17 2009-07-02 Samsung Sdi Co Ltd Protective circuit board and battery pack using the same
JP2009146600A (en) * 2007-12-11 2009-07-02 Nec Tokin Corp Protection circuit module
JP2013073764A (en) * 2011-09-27 2013-04-22 Toshiba Corp Negative electrode active material for nonaqueous electrolytic secondary battery, nonaqueous electrolytic secondary battery, battery pack and method for manufacturing negative electrode active material for nonaqueous electrolytic secondary battery
JP2014120301A (en) * 2012-12-14 2014-06-30 Otsuka Techno Kk Breaker
CN116914289A (en) * 2023-09-12 2023-10-20 电子科技大学长三角研究院(湖州) Battery pack with self-balancing voltage

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007064081A1 (en) * 2005-11-30 2007-06-07 Lg Chem, Ltd. Safety device for secondary battery and battery pack employed with the same
JP2009146600A (en) * 2007-12-11 2009-07-02 Nec Tokin Corp Protection circuit module
JP2009146879A (en) * 2007-12-17 2009-07-02 Samsung Sdi Co Ltd Protective circuit board and battery pack using the same
US8709622B2 (en) 2007-12-17 2014-04-29 Samsung Sdi Co., Ltd. Protective circuit board and battery pack using the same
JP2013073764A (en) * 2011-09-27 2013-04-22 Toshiba Corp Negative electrode active material for nonaqueous electrolytic secondary battery, nonaqueous electrolytic secondary battery, battery pack and method for manufacturing negative electrode active material for nonaqueous electrolytic secondary battery
JP2014120301A (en) * 2012-12-14 2014-06-30 Otsuka Techno Kk Breaker
CN116914289A (en) * 2023-09-12 2023-10-20 电子科技大学长三角研究院(湖州) Battery pack with self-balancing voltage
CN116914289B (en) * 2023-09-12 2023-12-15 电子科技大学长三角研究院(湖州) Battery pack with self-balancing voltage

Also Published As

Publication number Publication date
JP4438284B2 (en) 2010-03-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5504193B2 (en) Secondary battery pack and protection circuit module for secondary battery pack
EP2058878B1 (en) Battery pack and electronic device using the same
JP3454748B2 (en) Battery pack
JP5511051B2 (en) Battery pack
US9130221B2 (en) Squeeze pin and secondary battery using the same
JP4913277B2 (en) PTC element, PCB substrate on which PTC element is mounted, secondary battery protection circuit device, and secondary battery assembly
JP3498538B2 (en) Secondary battery and assembled sealing plate for secondary battery
CN112542870B (en) Electronic equipment
JP2008103219A (en) Circuit module
KR101474393B1 (en) Battery pack
JP2002124305A (en) Battery pack
JP7259202B2 (en) Battery packs and electronic devices
CN111433968B (en) Battery pack
JP4438284B2 (en) Protective element and battery pack
JP4810745B2 (en) Battery pack with electrolyte leakage detection function
JP2005129442A (en) Secondary battery and battery pack
KR101502900B1 (en) Battery Pack
EP2372827A1 (en) Sencodary battery pack
JP2009059630A (en) Battery pack
JP4001447B2 (en) battery
JP3154280B2 (en) Rechargeable battery
JP2002095154A (en) Electronic device protecting circuit
JP4107881B2 (en) Pack battery
KR20100070471A (en) Battery pack
JP2004247198A (en) Battery pack

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050928

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080311

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080325

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080526

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20091215

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20091228

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130115

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130115

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees