JP2004327098A - 電池保護回路およびこれを用いた二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも過電流保護用のICやチップ、抵抗、コンデンサを回路基板9上に実装するリフロー処理を行った後に、この保護回路9上の充電端子11と接続された第1のパターン17と、二次電池の電極端子6と接続されて、回路基板9を折り曲げた際に第1のパターン17と重なる位置に形成された第2のパターン18のいずれかに、温度上昇に応じて電気抵抗を増大させる正の温度係数を有する導電性ポリマー16を塗布し、第1のパターン17と第2のパターン18が重ね合わされた状態で固着される保護回路を提供する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話や電子手帳などの携帯情報端末に電力を供給する充電可能な二次電池の電池保護回路、およびこれを用いた二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器、特に携帯電話機や無線通信機能を備えたノート型パソコン、個人情報端末などの携帯情報端末は、小型化および軽量化が急速に進んでいる。これらの携帯情報端末には、電力を供給するための電池が用いられる。この電池としては、充電が可能な二次電池が用いられている。そして、このような携帯情報端末の小型化、軽量化に伴い、これらに用いられる二次電池についても小型化、軽量化が強く望まれている。
【0003】
二次電池は、発電要素である電池コア、電池コアと電気的に接続された電極端子、電池コアを内部に収納する外装部材を含む電池本体を有する。電池コアと電気的に接続された電極端子は正極端子と負極端子があり、外装部材の外部に導出される。そして、これらの正極端子と負極端子のいずれかに、電池コアに過電流もしくは過電圧が印加されることを防止するための保護回路が接続される。また、保護回路のほか、過電流、過充電、短絡から電池をさらに保護すべく、PTC(Positive Temperature Coefficient)素子が設けられる。PTC素子は、PTC素子に流れる電流値が大きくなり、温度が上昇するのに伴い電気抵抗を増大させて電池コアに流れる電流を抑制することにより、過電流、過充電、短絡に起因する電池の温度上昇を抑制する。上記のような、電池本体、保護回路、PTC素子が電気的に接続された後、ケースに収納されて二次電池(電池パック)が構成される。
【0004】
一般的なPTC素子は、PTC素材の対向する両表面上にNi(ニッケル)箔あるいはNi/Cu(ニッケル/銅)箔からなるフォイルが設けられて構成される。このPTC素材を挟む各フォイルがPTC素材の電極として機能する。PTC素子を構成するフォイルのうち、PTC素材の上部側のフォイルには、Niの取り出し電極が半田付けされる。この取り出し電極がPTC素子の取り出し電極として機能する。一方、PTC素材の下部側のフォイル下面、つまり回路基板上にはCuの電極が半田付けされて形成されている。これがPTC素子の回路基板側の取り出し電極として機能する。つまり、PTC素材を上下からフォイルが挟んでPTC素子が構成され、このPTC素子の上下のフォイルをさらに取り出し電極が挟むサンドイッチ構造となっている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
国際公開第99/060637
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記説明のとおり、PTC素子は、過電流、過電圧が印加されることにより生じる電池の温度上昇あるいは周囲環境の温度上昇を検知して、温度が上昇するのに伴い電気抵抗を増大させる素子である。しかし、PTC素子の温度検出の精度・信頼性は、その内部インピーダンスの変動によりばらつきが生じる。
【0007】
PTC素子は、実装タイプにより面実装タイプとリードタイプに分類される。面実装タイプは、チップ抵抗、チップコンデンサなどとともに、クリーム半田を塗布した回路基板上に直接表面実装し、さらにその回路基板を高温のリフロー槽に通すことでクリーム半田を溶融させて回路基板に実装されるPTC素子である。そして、リードタイプは、PTC素子の取り出し電極に電池コアあるいは保護回路基板と電気的に接続されるリードをスポット溶接、超音波溶着接合、半田接合により接続されるPTC素子である。
【0008】
面実装タイプのPTC素子は、リードタイプのPTC素子に比べて実装スペースが小さくてすむことから、小型化、薄型化、軽量化が進む携帯情報端末用の二次電池に適用される素子として好ましい。しかし、面実装タイプのPTC素子は、回路基板に実装される際に、PTC素子を構成する材料であるPTC素材が高温雰囲気のリフロー槽で高温環境にさらされるため、そのインピーダンスが著しく増大して電流効率が低下するというデメリットがある。携帯情報端末は、電池本体から保護回路、PTC素子を経由して動作電力の供給を受けるのであるが、リフロー処理によりインピーダンスが増加したPTC素子が電池本体と端末の負荷との間に介在した場合、PTC素子において消費電力のロスが発生する。その結果、端末の連続通話時間・連続待受時間が短くなるという問題が生じる。このような理由により、携帯情報端末の二次電池に適用されるPTC素子は主にリードタイプが選択されているのが現状である。
【0009】
しかしながら、リードタイプのPTC素子は、PTC素子の取り出し電極とリードをスポット溶接、超音波溶着接合、半田接合により接続するため、製造工程が増加するとともに複雑になるので製造品質が確保できない場合がある。また、端末を落下させることにより作用する機械的外力により、リードと取り出し電極の接合部分が外れてしまうという問題もあり電池の信頼性が低下するという課題もあった。さらにリードタイプは、複数のリードを組合せてPTC素子の取り出し電極と電池および保護回路を接合するため、比較的大きな実装スペースを必要とし、二次電池の小型化をはかる上で好適ではない。
【0010】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、リフロー槽を通さずに保護回路基板に実装されたPTC素子を設けた二次電池を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる電池保護回路は、二次電池に流れる電流量を制御する電流量制御回路が実装されるとともに、可撓性のある材料で折り曲げ可能に形成された回路基板と、この回路基板上に形成され、前記端末本体の回路を介して前記端末本体の外部充電機器と電気的に接続可能な一対の充電端子と、前記回路基板上に形成され、前記一対の充電端子のうち一方の充電端子と接続された第1のパターンと、前記二次電池の正極端子および負極端子のいずれかと電気的に接続されるとともに、前記回路基板を折り曲げた際に前記第1のパターンと重なる前記回路基板上の所定位置に形成された第2のパターンと、前記回路基板上に前記電流量制御回路が実装される工程の後に前記第1のパターンおよび前記第2のパターンのいずれかに塗布され、前記第1のパターンと前記第2のパターンが重ね合わされた状態で前記第1のパターンと前記第2のパターンを固着して電気的に接続する、温度上昇に応じて電気抵抗を増大させる正の温度係数を有する抵抗素材とを設けたものである。
【0012】
この発明にかかる二次電池は、発電要素となる電池コア、この電池コアを内部に収納する収納部材、前記電池コアと電気的に接続されるとともに、前記収納部材の外部に導出された正極用および負極用の電極端子を有する電池本体と、この電池本体に流れる電流量を制御する電流量制御回路が実装されるとともに、可撓性のある材料で折り曲げ可能に形成された回路基板、この回路基板上に形成され、前記端末本体の回路を介して前記端末本体の外部充電機器と電気的に接続可能な一対の充電端子、前記回路基板上に形成され、前記一対の充電端子のうち一方の充電端子と接続された第1のパターン、前記電池本体の正極端子および負極端子のいずれかと電気的に接続されるとともに、前記回路基板を折り曲げた際に前記第1のパターンと重なる前記回路基板上の所定位置に形成された第2のパターン、前記回路基板上に前記電流量制御回路が実装される工程の後に前記第1のパターンおよび前記第2のパターンのいずれかに塗布され、前記第1のパターンと前記第2のパターンが重ね合わされた状態で前記第1のパターンと前記第2のパターンを固着して電気的に接続する、温度上昇に応じて電気抵抗を増大させる正の温度係数を有する抵抗素材を有する電池保護回路とを設けたものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、面実装タイプのPTC素子を備えた保護回路、およびこれを用いた二次電池の構成について、本発明の実施の形態1により説明する。図1は二次電池の構成を分解した状態で示す分解斜視図である。図1において、二次電池1は、電池本体2、保護回路3、PTC素子4が電気的に接続された後、ケース5aおよび5b内に収納されて構成されている。電池本体2は、発電要素である電池コアと電気的に接続された電極端子、電池コアを内部に収納する外装部材より構成されている。電極端子は図1に示す正極端子6および負極端子7であり、電池コアと電気的に接続されるとともに、外装部材の外部に導出されている。図1の電池本体1はバターカップ型ポリマー電池である場合を示す。
【0014】
保護回路3は、電池本体1に過電流もしくは過電圧が印加されることを防止する電流量制御回路であり、可撓性のある材料で折り曲げ可能に形成された回路基板に過充電、過放電、過電流保護用の各種ICやチップ、抵抗、コンデンサなどが実装されて構成されている。保護回路は、過放電保護、過電流保護、過充電保護を行う回路として動作する。特に電圧検出器は過充電、過電流、過放電検出を行う。回路基板に実装された上記の各種回路は、電池本体2に流れる電流量を制御する電流量制御回路として動作する。保護回路3は、エポキシ樹脂などガラス繊維を含有する素材より生成された基体8と、この基体8の表面を覆うように固着されて、電流、電圧制御用の各種ICやチップおよび外部機器と電気的な導通を取るためのパターンなどが実装されるフレキシブル基板9より構成されている。図1においては、フレキシブル基板9上に、携帯情報端末内部の端子と接触する充電端子10および11、保護回路3と電池本体2と接続するための電極接続端子12および13が示されている。なお、PTC素子4については、図1に示す保護回路3の裏側に設けられているため、図1には図示されていない。
【0015】
電池本体2と保護回路3およびPTC素子4は電気的に接続された後、ケース5内に収納される。ケース5は、上ケース5aおよび下ケース5bより構成される。下ケース5bは、二次電池1が携帯情報端末に取り付けられた状態で携帯情報端末側に面するケースである。この下ケース5bには端子窓14および15が形成されている。この端子窓14および15を介して保護回路3の充電端子10および11と携帯情報端末側のコネクタが接触することで電気的に導通し、二次電池1から携帯情報端末への電力の供給あるいは外部充電機器から二次電池1への充電が行われる。
【0016】
図2は、図1に示された二次電池1を構成する電池本体2と保護回路3の構造を示す斜視図である。なお、図2において図1に示す符号と同一の符号は同一または相当部分を示すので説明は省略する。図2においては、図1に示す保護回路3が反転された状態で図示されており、保護回路3のフレキシブル基板9上にPTC素材である導電性ポリマー16が形成されていることが示されている。保護回路3のフレキシブル基板9には第1のパターン17が形成されている。この第1のパターン17は一対の充電端子10および11のうち、充電端子11と接続されている。もう一方の充電端子10は、電極接続端子12と接続されている。この電極接続端子12は、電池本体2の負極端子7と電気的に接続される。また、保護回路3のフレキシブル基板9には第2のパターン18が形成されている。この第2のパターン18は電極接続端子13と接続されており、この電極接続端子13を介して電池本体2の正極端子6と電気的に接続される。導電性ポリマー16は第1のパターン17上に設けられる。
【0017】
導電性ポリマー16は、温度上昇に応じて電気抵抗を増大させる正の温度係数を有する材料であり、カーボンが含有されている。導電性ポリマー16は、常温状態においては、ポリマー中に分散したカーボンが無数の導電パスを形成しているので低い抵抗値を示す。一方、周囲温度の上昇や短絡の発生などにより導電性ポリマー16の温度が上昇した場合には、導電性ポリマー16が熱膨張してカーボンにより形成されていた導電パスが切断されるので高い抵抗値を示す。この導電性ポリマー16は、フレキシブル基板9上の第1のパターン17に塗布される時には粘性の高い液状の物質であるが、時間が経つと個体になる性質を持っている。
【0018】
このような性質を利用して、導電性ポリマー16は、リフロー処理が施された後の第1のパターン17上に塗布され、この塗布された導電性ポリマー16を第2のパターン18で挟むことでPTC素子が保護回路3と一体に形成される。すなわち、保護回路3を形成するにあたり、まず、フレキシブル基板9上に形成された外部機器と電気的な導通を取るための回路パターン上にクリーム半田が塗布され、次にこの回路パターン上に電流、電圧制御用の各種ICやチップ、抵抗、コンデンサが配置されてリフロー処理が施される。リフロー処理が施されると、リフロー槽内の高温雰囲気により回路パターン上のクリーム半田が溶融して各種ICやチップ、抵抗、コンデンサなどが所定のパターンに実装される。このようなリフロー処理が施された後の保護回路3に対して、そのフレキシブル基板9に形成されている第1のパターン17上に導電性ポリマー16が塗布される。
【0019】
第1のパターン17上に導電性ポリマー16が塗布されると、第2のパターン18が形成されたフレキシブル基板9をこの第1のパターン17側に折り曲げて第1のパターン17上に塗布された導電性ポリマー16と第2のパターン18とを接触させる。導電性ポリマー16は、第2のパターン18と接触した状態で所定時間経過すると固体になり、第2のパターン18を固着する。第1のパターン17上の導電性ポリマー16を第2のパターン18で挟み込んだ状態を図3に示す。図3の19は第2のパターン18が設けられた位置のフレキシブル基板9が折り曲げられた部位(折り曲げ部と称する)であり、折り曲げ部9の裏側にて第2のパターン18が導電性ポリマー16と接触している。
【0020】
図4は図3に示す保護回路3上におけるB−B断面を示す断面図である。図4において、フレキシブル基板9を折り曲げて第2のパターン18を第1のパターン17上に塗布された導電性ポリマー16に接触させ、第1のパターン17と導電性ポリマー16と第2のパターン18が電気的に接続されている様子が示されている。先に説明したように、第1のパターン17は充電端子11と電気的に接続されており、第2のパターン18は電極接続端子13と電気的に接続されている。電極接続端子13は電池本体2の正極端子6と接続されるので、第1のパターン17と導電性ポリマー16と第2のパターン18が電気的に接続されると、充電端子11−第1のパターン17−導電性ポリマー16−第2のパターン18−電池の正極が電気的に導通する。このように、図4によると、第2のパターン18が形成されたフレキシブル基板9を第1のパターン17側に折り曲げて導電性パターン16と電気的に接続される。
【0021】
図5は、電池本体2と保護回路3が電気的に接続された状態を示す斜視図である。図5において、図3に示された保護回路3は反転された状態、つまり、充電端子10および11が表を向くように、バターカッブ型ポリマー電池である電池本体2の端部に配設される。そして、保護回路3の電極接続端子12が電池本体2の負極端子7と接続される。一方、保護回路3の電極接続端子13が電池本体2の正極端子6と接続される。保護回路3の電極接続端子と電池本体2の電極端子の接続は、スポット溶接、超音波溶着接合、半田接合などの手法を用いて行われる。上記のように、電池本体2と保護回路3の電気的接続が行われた後、ケース5a、5b内に収納されて二次電池が構成される。
【0022】
以上のように、この発明によると、導電性ポリマー16はリフロー処理が施された後に、第1のパターン17上に塗布されるので、PTC素材(導電性ポリマー16)はリフロー槽内で高温にさらされることがなくなる。したがって、リフロー槽内の高温雰囲気にさらされることによるPTC素材のインピーダンス増大を予防した面実装タイプのPTC素子を実現することができるという効果を奏する。また、リフロー処理によりPTC素子のインピーダンスが増加するという問題を解決できるため、PTC素子における消費電力のロスが抑制でき、1回の充電による使用時間が長い二次電池を得ることができる。つまりこの二次電池を用いた端末の連続通話時間・連続待受時間を長くすることができる。
【0023】
また、この発明によると、第2のパターン18が形成されたフレキシブル基板9を折り曲げて導電性ポリマー16と電気的に接続されるので、第1のパターン17および第2のパターン18が導電性ポリマー16の取り出し電極として機能する。したがって、PTC素材、上記説明における導電性ポリマー16の取り出し電極をPTC素子の取り出し電極として機能させることができる。
【0024】
また、第2のパターン18が形成されたフレキシブル基板9を折り曲げて導電性パターン16と電気的に接続されるので、PTC素子と電池あるいは保護回路とリードをスポット溶接、超音波溶着接合、半田接合して接続する必要がなくなる。したがって、リードタイプのPTC素子に比べて実装スペースが小さくてすむことから、小型化、薄型化、軽量化が進む携帯情報端末用の二次電池に適用される素子として好適である。また、落下などの機械的外力に対しても信頼性が高い保護回路および二次電池を実現することができるという効果がある。
【0025】
なお、上記説明において、図4に示すように、フレキシブル基板9を折り曲げて第2のパターン18を第1のパターン17上に塗布された導電性ポリマー16に接触させ、第1のパターン17と導電性ポリマー16と第2のパターン18が電気的に接続し、充電端子11−第1のパターン17−導電性ポリマー16−第2のパターン18−電池の導通をとっていた。しかし、第2のパターン18および電極接続端子13を介さずに電池の電極端子を直接導電性ポリマー16に接続するようにしても充電端子11と電池間の導通をとることは可能である。
【0026】
【発明の効果】
本発明によれば、二次電池に流れる電流量を制御する電流量制御回路が実装されるとともに、可撓性のある材料で折り曲げ可能に形成された回路基板と、この回路基板上に形成され、前記端末本体の回路を介して前記端末本体の外部充電機器と電気的に接続可能な一対の充電端子と、前記回路基板上に形成され、前記一対の充電端子のうち一方の充電端子と接続された第1のパターンと、前記二次電池の正極端子および負極端子のいずれかと電気的に接続されるとともに、前記回路基板を折り曲げた際に前記第1のパターンと重なる前記回路基板上の所定位置に形成された第2のパターンと、前記回路基板上に前記電流量制御回路が実装される工程の後に前記第1のパターンおよび前記第2のパターンのいずれかに塗布され、前記第1のパターンと前記第2のパターンが重ね合わされた状態で前記第1のパターンと前記第2のパターンを固着して電気的に接続する、温度上昇に応じて電気抵抗を増大させる正の温度係数を有する抵抗素材とを設けたので、リフロー槽内の高温雰囲気にさらされることによるPTC素材のインピーダンス増大を予防した面実装タイプのPTC素子を実現することができる。また、PTC素子と電池あるいは保護回路とリードをスポット溶接、超音波溶着接合、半田接合して接続する必要がなくなり、保護回路を小型化できる。
【0027】
この発明にかかる二次電池は、発電要素となる電池コア、この電池コアを内部に収納する収納部材、前記電池コアと電気的に接続されるとともに、前記収納部材の外部に導出された正極用および負極用の電極端子を有する電池本体と、この電池本体に流れる電流量を制御する電流量制御回路が実装されるとともに、可撓性のある材料で折り曲げ可能に形成された回路基板、この回路基板上に形成され、前記端末本体の回路を介して前記端末本体の外部充電機器と電気的に接続可能な一対の充電端子、前記回路基板上に形成され、前記一対の充電端子のうち一方の充電端子と接続された第1のパターン、前記電池本体の正極端子および負極端子のいずれかと電気的に接続されるとともに、前記回路基板を折り曲げた際に前記第1のパターンと重なる前記回路基板上の所定位置に形成された第2のパターン、前記回路基板上に前記電流量制御回路が実装される工程の後に前記第1のパターンおよび前記第2のパターンのいずれかに塗布され、前記第1のパターンと前記第2のパターンが重ね合わされた状態で前記第1のパターンと前記第2のパターンを固着して電気的に接続する、温度上昇に応じて電気抵抗を増大させる正の温度係数を有する抵抗素材を有する電池保護回路とを設けたので、リフロー槽内の高温雰囲気にさらされることによるPTC素材のインピーダンス増大を予防した面実装タイプのPTC素子を実現することができる。したがって、一回の充電による使用時間が長い二次電池を得ることができる。また、PTC素子と電池あるいは保護回路とリードをスポット溶接、超音波溶着接合、半田接合して接続する必要がなくなり、二次電池を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施の形態1に係る二次電池の構成を分解した状態で示す分解斜視図である。
【図2】図2は図1に示された二次電池1を構成する電池本体2と保護回路3の構造を示す斜視図である。
【図3】図3は保護回路3の構成を拡大して示す斜視図である。
【図4】図4は図3に示す保護回路3の断面を示す断面図である。
【図5】図5は電池本体と保護回路を電気的に接続した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 2次電池、2 電池本体、3 保護回路、4 PTC素子、5 ケース、
6 正極端子、7 負極端子、8 基体、9 フレキシブル基板、
10 充電端子、11 充電端子、12 電極接続端子、13 電極接続端子、
14 端子窓、15 端子窓、16 導電性ポリマー、17 第1のパターン、
18 第2のパターン、19 第1のパターンが折り曲げられた部位。
Claims (4)
- 二次電池に流れる電流量を制御する電流量制御回路が実装されるとともに、可撓性のある材料で折り曲げ可能に形成された回路基板と、
この回路基板上に形成され、前記端末本体の回路を介して前記端末本体の外部充電機器と電気的に接続可能な一対の充電端子と、
前記回路基板上に形成され、前記一対の充電端子のうち一方の充電端子と接続された第1のパターンと、
前記二次電池の正極端子および負極端子のいずれかと電気的に接続されるとともに、前記回路基板を折り曲げた際に前記第1のパターンと重なる前記回路基板上の所定位置に形成された第2のパターンと、
前記回路基板上に前記電流量制御回路が実装される工程の後に前記第1のパターンおよび前記第2のパターンのいずれかに塗布され、前記第1のパターンと前記第2のパターンが重ね合わされた状態で前記第1のパターンと前記第2のパターンを固着して電気的に接続する、温度上昇に応じて電気抵抗を増大させる正の温度係数を有する抵抗素材とを設けたことを特徴とする電池保護回路。 - 第2のパターンは、回路基板側に折り曲げた際に第1のパターンと重なるように、前記回路基板の一部を突出させた位置に形成されることを特徴とする請求項1に記載の電池保護回路。
- 抵抗素材は、導電性ポリマーであることを特徴とする請求項1に記載の電池保護回路。
- 発電要素となる電池コア、この電池コアを内部に収納する収納部材、前記電池コアと電気的に接続されるとともに、前記収納部材の外部に導出された正極用および負極用の電極端子を有する電池本体と、
この電池本体に流れる電流量を電流量制御回路が実装されるとともに、可撓性のある材料で折り曲げ可能に形成された回路基板、この回路基板上に形成され、前記端末本体の回路を介して前記端末本体の外部充電機器と電気的に接続可能な一対の充電端子、前記回路基板上に形成され、前記一対の充電端子のうち一方の充電端子と接続された第1のパターン、前記電池本体の正極端子および負極端子のいずれかと電気的に接続されるとともに、前記回路基板を折り曲げた際に前記第1のパターンと重なる前記回路基板上の所定位置に形成された第2のパターン、前記回路基板上に前記電流量制御回路が実装される工程の後に前記第1のパターンおよび前記第2のパターンのいずれかに塗布され、前記第1のパターンと前記第2のパターンが重ね合わされた状態で前記第1のパターンと前記第2のパターンを固着して電気的に接続する、温度上昇に応じて電気抵抗を増大させる正の温度係数を有する抵抗素材を有する電池保護回路とを設けたことを特徴とする二次電池。
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