JP2005347251A - リチウムイオン電池のヒューズ装置およびこれを用いたリチウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 コストダウンを図り，電池容量を最大限使用することができ，環境規制も満たすことが可能なリチウムイオン電池のヒューズ装置およびこれを用いたリチウムイオン電池を提供することである。
【解決手段】 本発明によるリチウムイオン電池のヒューズ装置およびこれを用いたリチウムイオン電池は，回路基板８上における，外部との入出力端１，２と電池８との間に配された導線パターンが，一部に脆弱部１０を形成してなることを特徴とする。かかる脆弱部は，パターンの幅，形状，材質等により達成される。
【選択図】 図４
【解決手段】 本発明によるリチウムイオン電池のヒューズ装置およびこれを用いたリチウムイオン電池は，回路基板８上における，外部との入出力端１，２と電池８との間に配された導線パターンが，一部に脆弱部１０を形成してなることを特徴とする。かかる脆弱部は，パターンの幅，形状，材質等により達成される。
【選択図】 図４
Description
本発明は，過電圧防止分野にかかり，特に，電流ヒューズの代わりになるリチウムイオン電池のヒューズ装置およびこれを用いたリチウムイオン電池に関する。
従来，二次電池として，鉛蓄電池，ニカド電池，ニッケル水素電池などがよく使われていた。
携帯用，無線電子製品等の開発が増加している現在の趨勢からすると，これらの製品の小型化および軽量化のためには，エネルギー密度の高い二次電池の必要性が大きく台頭される。また，環境保全に対する関心が高くなるにつれて，環境親和的な二次電池製品に対する関心も高くなってきている。
リチウム酸化物質で陽極を，炭素で陰極を形成するリチウムイオン(Li-Ion)電池は，このような要求を充足させ得る強力な候補であって，エネルギー貯蔵の密度が高く，重量が低く，作動電圧が高い。また，陽極のリチウムイオンが中間の物質(electrolyte)を経て陰極の炭素格子の中に入り込む場合に極板の損失がほとんどないため，優れた保存および長寿命の特性を有するなどの多くの長所を持っている。
１９９０年代に登場し，高いエネルギー貯蔵密度と低重量の特性に負って，急速に既存の二次電池を代替しているリチウムイオン電池は，３Ｃと呼ばれるパーソナルコンピュータ(Personal Computer)，カムコーダ(Camcorder)，携帯電話(Cellular phone)の他にも，携帯用ＣＤプレーヤー(CD
player)やＰＤＡのような個人用の無線電子製品にも幅広く適用されている。しかし，まだ高価な携帯型電子製品であり，その用途が大きく制限されており，また，安全性の面では特別な保護回路に依存しなければならないなど不完全な形態である。従って，性能と安全性の面において改善のための努力が幅広く展開されている。
player)やＰＤＡのような個人用の無線電子製品にも幅広く適用されている。しかし，まだ高価な携帯型電子製品であり，その用途が大きく制限されており，また，安全性の面では特別な保護回路に依存しなければならないなど不完全な形態である。従って，性能と安全性の面において改善のための努力が幅広く展開されている。
図１は，従来のリチウムイオン電池の充放電制御装置の一例を示すブロック構成図である。図１に示されているように，従来のリチウムイオン電池の充放電制御装置は，主として保護回路基板と呼ばれる回路基板に形成される。入出力端１に一方の電極が接続されている電池６の他方の電極と，他の入出力端２との間には，放電制御スィッチ５および充電制御スィッチ４が接続されている。そして，保護回路制御部３は，上記放電制御スィッチ５および充電制御スィッチ４を制御する。
上述した構成による従来のリチウムイオン電池の充放電制御装置は，単位電池(Bare Cell)と呼ばれる電池６を充電させようとする場合，保護回路制御部３が充電制御スィッチ４を制御して電池６を充電し，電池６を放電させようとする場合，保護回路制御部３が放電制御スィッチ５を制御して電池６を放電する。
ところで，リチウムイオン電池は，化学的造成が不安定であり，過充電，過放電もしくは過電流が流れる場合に，性能低下，漏液，発熱，煙，発火，破裂などの危険がある。これにより，電池６を保護するための保護回路が保護回路制御部３内に設けられる。これによって，保護回路制御部３は電池６の充放電時に過充電，過放電，過電流から電池６を保護する。
しかし，多くの保護回路は，電池６を過電圧からは保護できないため，消費者が不注意に使用したり，規格外の充電器を使用したりするなどによって過電圧が発生したときに，回路素子の発火および破裂，保護回路ＩＣの焼損，動作不良などが生じ，電池の安全性に深刻な影響を与えるといった問題点がある。
このような過電圧による問題点を解消するために，図２に示されているように，入出力端に，別途の部品として電流ヒューズ７を設けることもある。
図２は，従来のリチウムイオン電池の充放電制御装置の他の例を示すブロック構成図である。図２に示されているように，従来のリチウムイオン電池の充放電制御装置は，入出力端１に電流ヒューズ７の一方の端子が接続され，上記電流ヒューズ７の他方の端子に電池６の一方の電極が接続され，上記電池６の他方の電極と入出力端２との間に放電制御スィッチ５および充電制御スィッチ４が接続され，保護回路制御部３が上記放電制御スィッチ５および充電制御スィッチ４を制御する構造からなる。
上述した構成による従来のリチウムイオン電池の充放電制御装置は，電池６を充電させようとする場合，保護回路制御部３が充電制御スィッチ４を制御して電池６を充電し，電池６を放電させようとする場合，保護回路制御部３が放電制御スィッチ５を制御して電池６を放電する。
この過程で過電圧が発生すると，保護回路制御部３が，充電制御スィッチ４を用い，ＩＣ特性に応じて一定の電圧以下では過充電を禁止し，その以上の電圧では電流ヒューズ７がこれを遮断することにより保護される。
しかし，このような従来のリチウムイオン電池の充放電制御装置は，過電圧防止素子として電流ヒューズを必要とするため，電流ヒューズの価格(例えば，約１１０ウォン/個)が必ずコスト加算されるので，製造コストが上昇するという問題点がある。
また，従来のリチウムイオン電池の充放電制御装置は，電流ヒューズの内部抵抗が１３メガオーム以上と相対的に高いため，電流ヒューズの電力消費によって，電池の使用に関する最大限効率が満たせないという問題点がある。
なお，従来のリチウムイオン電池の充放電制御装置は，電流ヒューズに鉛成分が含まれており，環境規制に脆弱であるという問題点もあった。
本発明は，従来のヒューズ構造が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，過電圧防止素子として電流ヒューズの代わりに，印刷回路基板(PCB:Printed Circuit Board)のような回路基板で印刷された導線パターンの形態を利用することで，コストアップを防止し，パターンの内部抵抗が相対的に小さく，電池容量を最大限使用することができ，鉛成分が含まれないパターンによって，環境規制を満たすことが可能な，新規かつ改良されたリチウムイオン電池のヒューズ装置およびこれを用いたリチウムイオン電池を提供することである。
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，回路基板上における，外部との入出力端と電池との間に配された導線パターンは，一部に脆弱部を形成してなることを特徴とする，リチウムイオン電池のヒューズ装置が提供される。
上記脆弱部は，上記導線パターンの幅が他の部分と比べて狭く形成されるとしても良く，上記脆弱部の導線パターンは，幅が０.６mm以下の部分を有するとしても良い。
上記脆弱部は，上記導線パターンを他の部分とは異なる材質で形成してなるとしても良い。
上記脆弱部は，上記導線パターンを他の部分よりも薄肉に形成してなるとしても良い。
上記脆弱部は，上記導線パターンの形成密度を他の部分に比べて高く形成してなるとしても良く，上記導線パターンが屈曲されてなる，もしくは，上記導線パターンの屈曲された部分の繰り返しで形成されるとしても良い。また，かかる導線パターンの幅が０.６mm以下の部分を有するとしても良い。
上記の目的を達成するための本発明のリチウムイオン電池は，以上で記述されたヒューズ装置を備える回路基板と，この回路基板に接続された電池とを備えてなるとしても良い。
以上説明したように本発明によれば，過電圧防止素子として電流ヒューズの代わりに回路基板のパターンを用いることでコストアップを防止することができ，相対的にパターンの内部抵抗が小さく電池容量を最大限使用することができ，パターンには，鉛成分が含まれていないので環境規制も満たすことが可能である。
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
参考として，ここで開示される実施形態は，様々な実施可能な例のうち，当業者の理解を助けるために最も望ましい実施形態を選定して提示したものであり，本発明の技術的思想が必ずしもこの実施形態のみによって限定されるか制限されるのではなく，本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において多様な変化と付加および変更ができることはいうまでもなく，均等な他の実施形態が可能であることを明らかにする。
図４は，本発明の第１の実施形態によるリチウムイオン電池のヒューズ装置の構成図である。図４に示されているように，第１の実施形態によるリチウムイオン電池のヒューズ装置の構成は，回路基板８上に設けられ，入出力端１と電池６との間を繋ぐ，進行経路が屈曲された形態を持つ脆弱部パターン１０を含んでなる。
上述した構成による，本発明の第１の実施形態によるリチウムイオン電池のヒューズ装置の作用は，次の通りである。
消費者の使用条件外の不注意な使用，規格外の充電器の使用などによって一定の電圧以上の過電圧が生じ入出力端１を介して印加される場合に，電流は入出力端１と電池６との間を接続する，回路基板８上の脆弱部パターン１０を経ることになる。
上記回路基板８上の脆弱部パターン１０は，進行経路が屈曲された形態を持つことにより電流によるオーム熱が発生する場合，熱が集中して温度が急激に上昇する。従って，過電圧が印加される場合，電流ヒューズの役割と同様に電気的に開放し，電流の流れを遮断して過電圧が電池６に印加されることを防止する。
図５は，本発明の第２の実施形態によるリチウムイオン電池のヒューズ装置の構成図である。図５に示されているように，本発明の第２の実施形態によるリチウムイオン電池のヒューズ装置の構成は，回路基板８上に設けられ，入出力端１と電池６との間を繋ぐ，進行経路が屈曲された形態が繰り返される形態を持つ脆弱部パターン１１を含んでなる。
上述した構成による，本発明の第２の実施形態によるリチウムイオン電池のヒューズ装置の作用は，次の通りである。
消費者の使用条件外の不注意な使用，規格外の充電器の使用などによって一定の電圧以上の過電圧が生じ入出力端１を介して印加される場合に，電流は入出力端１と電池６との間を接続する，回路基板８上の脆弱部パターン１１を経ることになる。
上記回路基板８上の脆弱部パターン１０は，進行経路が屈曲された形態が繰り返される形態を持つことにより第１の実施形態よりも過電圧に弱いので，過電圧が印加される場合，電流ヒューズの役割と同様に，電気的に開放しながら電流の流れを遮断して，過電圧が電池６に印加されることを防止する。
図６は，本発明の第３の実施形態によるリチウムイオン電池のヒューズ装置の構成図である。図６に示されているように，本発明の第３の実施形態によるリチウムイオン電池のヒューズ装置の構成は，回路基板８上に設けられ，入出力端１と電池６との間を繋ぐ，進行経路上に幅が互いに異なる部分（他の部分より幅が小さい部分）が形成されている形態を持つ脆弱部パターン１２を含んでなる。
上述した構成による，本発明の第３の実施形態によるリチウムイオン電池のヒューズ装置の作用は，次の通りである。
消費者の使用条件外の不注意な使用，規格外の充電器の使用などによって一定の電圧以上の過電圧が生じ入出力端１を介して印加される場合に，電流は入出力端１と電池６との間を接続する，回路基板８上の脆弱部パターン１２を経ることになる。
上記回路基板８上のパターン１２は，進行経路上の幅が互いに異なる部分が形成されている形態を持つことにより過電圧に弱いので，過電圧が印加される場合，電流ヒューズの役割と同様に，電気的に開放しつつ電流の流れを遮断して，過電圧が電池６に印加されることを防止する。
前述した本発明の第１〜第３の実施形態から分かるように，
回路基板８上の脆弱部パターン１０，１１，１２が電流ヒューズのような役割をするためには，進行経路が屈曲されるか進行経路上に幅が互いに異なる部分が形成されていなければならない。
回路基板８上の脆弱部パターン１０，１１，１２が電流ヒューズのような役割をするためには，進行経路が屈曲されるか進行経路上に幅が互いに異なる部分が形成されていなければならない。
また，印刷回路の形成技術の発達で，図示されないが，該当部分のみを印刷回路の形成段階で他の材質とするか厚さを薄く形成することもできる。このような方法で脆弱部パターンを形成する場合にも同様な效果が得られる。もし，印刷回路の導電パターンが大部分銅からなるが，脆弱部では，銅の他に，固有抵抗が大きく，熱に弱い金属や，合金を使うことができる。
図３に比較例として示されているように，入出力端１と電池６との間を繋ぐ回路基板８上のパターン９が屈曲していなく，かつ，幅も全体の部分が一定に形成されて，一字型となれば，過電圧に弱い構造となることがなく，電流ヒューズの役割ができなくなる。
実験によれば，図３に示されているような形態のパターン９は，幅が１.４mmの場合に，印加電源５０Ｖ(最大電流２Ａ)以上でヒューズ動作され，幅が１.２mmの場合に，印加電源４０Ｖ(最大電流２Ａ)でヒューズ動作された。回路素子の破損を防止するために，印加電源が３２Ｖ(最大電流２Ａ)以上でヒューズ作動してこそ正常なヒューズとして利用できる。しかし，図３に示されているような形態のパターン９はヒューズとして使用するのに不適当である。
一方，図４に示されているような形態のパターン１０は，幅が細くなった部分が約０.６mm以下の場合，印加電源２８Ｖ(最大電流２Ａ)でヒューズ動作されるので，ヒューズとして充分に利用でき，図５に示されているような形態のパターン１１は，幅が細くなった部分が約０.６mm以下の場合，印加電源２７Ｖ(最大電流２Ａ)でヒューズ動作されるので，ヒューズとして充分に利用でき，図６に示されているような形態のパターン１２は，幅が細くなった部分が約０.６mm以下の場合，印加電源３０Ｖ(最大電流２Ａ)でヒューズ動作されるので，ヒューズとして充分に利用できる。
図７は，本発明のヒューズ装置を用いて形成されるリチウム二次電池の一実施形態を示す，保護回路基板と単位電池との結合状態を表現した側面図である。図面上では，ヒューズ装置が別途に示されていないが，図面上の保護回路基板には，本実施形態の脆弱部パターンを持ったヒューズ装置が導電パターンの一部として形成されているとする。このような形態の電池は，リチウム二次電池分野の通常の知識を持つ者にとってよく知られたものであり，保護回路基板２１０と端電池１００の電極端子とが電極タップで溶接された状態で，その間には溶融樹脂(hot melt resin: 図示せず)が満たされて完成されたハードパック電池を形成することができる。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は，リチウムイオン電池のヒューズ装置およびこれを用いたリチウムイオン電池に適用可能である。
３ 保護回路制御部
４ 充電制御スィッチ
５ 放電制御スィッチ
６ 電池
７ 電流ヒューズ
８ 回路基板
４ 充電制御スィッチ
５ 放電制御スィッチ
６ 電池
７ 電流ヒューズ
８ 回路基板
Claims (10)
- 回路基板上における，外部との入出力端と電池との間に配された導線パターンは，一部に脆弱部を形成してなることを特徴とする，リチウムイオン電池のヒューズ装置。
- 前記脆弱部は，前記導線パターンの幅が他の部分と比べて狭く形成されることを特徴とする，請求項１に記載のリチウムイオン電池のヒューズ装置。
- 前記脆弱部の導線パターンは，幅が０.６mm以下の部分を有することを特徴とする，請求項２に記載のリチウムイオン電池のヒューズ装置。
- 前記脆弱部は，前記導線パターンを他の部分とは異なる材質で形成してなることを特徴とする，請求項１に記載のリチウムイオン電池のヒューズ装置。
- 前記脆弱部は，前記導線パターンを他の部分よりも薄肉に形成してなることを特徴とする，請求項１に記載のリチウムイオン電池のヒューズ装置。
- 前記脆弱部は，前記導線パターンの形成密度を他の部分に比べて高く形成してなることを特徴とする，請求項１に記載のリチウムイオン電池のヒューズ装置。
- 前記脆弱部は，前記導線パターンが屈曲されてなることを特徴とする，請求項６に記載のリチウムイオン電池のヒューズ装置。
- 前記脆弱部は，前記導線パターンの屈曲された部分の繰り返しで形成されることを特徴とする，請求項７に記載のリチウムイオン電池のヒューズ装置。
- 前記脆弱部は，前記導線パターンの幅が０.６mm以下の部分を有することを特徴とする，請求項７に記載のリチウムイオン電池のヒューズ装置。
- 請求項１〜９のいずれかに記載のリチウムイオン電池のヒューズ装置を備える回路基板と；
前記回路基板に接続された電池と；
を備えてなることを特徴とする，リチウムイオン電池。
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