JP2007135359A - 保護素子とこの保護素子を備えるパック電池 - Google Patents

Abstract

【課題】パック電池に内蔵する電池電圧が大幅に変動しても、加熱抵抗でヒューズを確実に溶断する。加熱抵抗の損傷を確実に防止する。
【解決手段】保護素子は、加熱すると溶断される低融点金属５と、この低融点金属５に熱結合されて、通電される電流で発生するジュール熱で低融点金属５を加熱する加熱抵抗４とを備える。加熱抵抗４は、複数の分流回路４Ａを並列に接続している。各々の分流回路４Ａは、電気抵抗が異なる抵抗素子７を備えると共に、少なくともひとつの分流回路４Ａには、抵抗素子７と直列に電流制御素子８を接続している。電流制御素子８は、温度又は電流で電気抵抗が変化して分流回路４Ａの電流を制御する素子である。保護素子は、加熱抵抗４に所定の供給電圧が供給されると、電流制御素子８が分流回路４Ａに流れる電流を制御して、抵抗素子７のジュール熱で低融点金属５を加熱して溶断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、主としてパック電池に使用されて電池を保護する保護素子と、この保護素子を備えるパック電池に関する。

パック電池は、電池が異常な状態で充放電されるのを防止するために、電池と直列に保護素子を接続している。この用途に使用される保護素子は開発されている（特許文献１参照）。この保護素子は、電池が異常な状態で充放電されるときに電流を遮断する。異常時に電池の電流を遮断するために、保護素子は過電流のジュール熱に加熱されて溶断する低融点金属のヒューズを内蔵する。さらに、電池が過充電される等の異常時に、ヒューズを短時間で溶断する加熱抵抗を備える。加熱抵抗は、通電される電流によるジュール熱で加熱される。加熱された加熱抵抗は、低融点金属のヒューズを加熱して溶断する。加熱抵抗が、低融点金属のヒューズに熱結合されているからである。

保護素子は、図１の回路図でパック電池に内蔵される。この回路図に示すように、保護素子１９２のヒューズ１９５は、電池１９１と直列に接続される。したがって、ヒューズ１９５が熱で溶断されると、電池１９１の電流は遮断される。ヒューズ１９５は過電流が流れると、ジュール熱に加熱されて溶断される。溶断したヒューズ１９５は、電池１９１の電流を遮断する。また、図の回路図の保護素子１９２は、加熱抵抗１９４でヒューズ１９５を加熱して溶断する。加熱抵抗１９４は、ＦＥＴ等のスイッチング素子１９３に接続されて、スイッチング素子１９３で通電が制御される。スイッチング素子１９３は制御回路１９６でオンオフに制御される。制御回路１９６は、電池１９１の異常を検出して、スイッチング素子１９３をオンオフに切り換える。電池１９１が異常な状態、たとえば過充電される状態になると、制御回路１９６はスイッチング素子１９３をオンに切り換える。オン状態のスイッチング素子１９３は、加熱抵抗１９４に通電させる。通電する加熱抵抗１９４はジュール熱で加熱されて、低融点金属のヒューズ１９５を溶断する。
特開２０００−３４０２６７号公報

加熱抵抗の発生熱は、供給電圧の２乗に比例して大きくなる。したがって、加熱抵抗は供給電圧が高くなると、発生熱量が大幅に変動する。たとえば、図１に示すように、４個の電池１９１を直列に接続しているパック電池は、３つの電池１９１がショートして、ひとつの電池１９１が過充電になったとき、１本の電池１９１で加熱抵抗１９４を加熱してヒューズ１９５を溶断する必要がある。また、４つの電池１９１の全てが過充電されて、加熱抵抗１９４を加熱するときには、４本の電池電圧が加熱抵抗１９４に過大な加熱電流を流すことになる。すなわち、この構造のパック電池は、１本の電池１９１で加熱抵抗１９４を加熱してヒューズ１９５を溶断できるように設計する必要がある。このため、複数の電池による高い電圧が加熱抵抗１９４に加えられて加熱電流が流れると、加熱電流は極めて大きくなる。

たとえば、図１に示すように電池を４直列に接続するパック電池は、３本の電池がショートして１本の電池で加熱電流を流すときと、４本の電池で加熱電流を流すときでは、加熱電流が４倍も変化する。このため、加熱抵抗に大電流が流れるときに、ヒューズが溶断される前に加熱抵抗が焼損されると、加熱抵抗でヒューズを溶断できなくなる問題点がある。

本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、パック電池に内蔵する電池電圧が大幅に変動しても、加熱抵抗でヒューズを確実に溶断できる保護素子とこの保護素子を備えるパック電池を提供することにある。
さらに、本発明の他の大切な目的は、加熱抵抗の焼損を確実に防止できる保護素子とこの保護素子を備えるパック電池を提供することにある。

本発明の保護素子は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
保護素子は、加熱すると溶断される低融点金属５と、この低融点金属５に熱結合されて、通電される電流で発生するジュール熱で低融点金属５を加熱する加熱抵抗４とを備える。加熱抵抗４は、複数の分流回路４Ａを並列に接続している。各々の分流回路４Ａは、電気抵抗が異なる抵抗素子７を備えると共に、少なくともひとつの分流回路４Ａには、抵抗素子７と直列に電流制御素子８を接続している。電流制御素子８は、温度又は電流で電気抵抗が変化して分流回路４Ａの電流を制御する素子である。保護素子は、加熱抵抗４に所定の供給電圧が供給されると、電流制御素子８が分流回路４Ａに流れる電流を制御して、抵抗素子７のジュール熱で低融点金属５を加熱して溶断する。

本発明の保護素子は、電流制御素子８、４８を、温度が高くなると電気抵抗が増加するＰＴＣ８Ａ、４８Ａとし、ＰＴＣ８Ａ、４８Ａが、流れる電流のジュール熱に加熱されて設定温度よりも高くなると電気抵抗が増加して、ＰＴＣ８Ａ、４８Ａを直列に接続している抵抗素子７、４７の電流を減少させることができる。

本発明の保護素子は、電流制御素子９８、１０８を、温度が高くなると電気抵抗が減少するＮＴＣ９８Ｄ、１０８Ｄとして、ＮＴＣ９８Ｄ、１０８Ｄが、流れる電流のジュール熱に加熱されて設定温度よりも高温になると、ＮＴＣ９８Ｄ、１０８Ｄを直列に接続している抵抗素子９７、１０７の電流を増加させることができる。

本発明の保護素子は、電流制御素子７８、８８を、所定の電流が流れると電流を遮断するブレーカ８Ｃとして、ブレーカ７８Ｃ、８８Ｃに流れる電流が設定電流よりも大きくなるとブレーカ７８Ｃ、８８Ｃが電流を遮断して、ブレーカ７８Ｃ、８８Ｃを直列に接続している抵抗素子７７、８７の電流を遮断することができる。

本発明の保護素子は、電流制御素子５８、６８を、所定の電流が流れると電流を遮断するヒューズ５８Ｂ、６８Ｂとして、ヒューズ５８Ｂ、６８Ｂに流れる電流が設定電流よりも大きくなるとヒューズ５８Ｂ、６８Ｂが電流を遮断して、ヒューズ５８Ｂ、６８Ｂを直列に接続している抵抗素子５７、６７の電流を遮断することができる。

本発明の保護素子は、加熱抵抗４が、ひとつの分流回路４Ａを除く分流回路４Ａに電流制御素子８を接続することができる。

本発明の保護素子は、加熱抵抗４の一端を、低融点金属５の中間に接続することができる。

本発明のパック電池は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
パック電池は、電池１と、この電池１に直列に接続してなる保護素子２とを備える。保護素子２は、加熱すると溶断される低融点金属５と、この低融点金属５に熱結合されて、通電される電流で発生するジュール熱で低融点金属５を加熱する加熱抵抗４とを備える。加熱抵抗４は、複数の分流回路４Ａを並列に接続している。各々の分流回路４Ａは、電気抵抗が異なる抵抗素子７を備えると共に、少なくともひとつに分流回路４Ａには、抵抗素子７と直列に電流制御素子８を接続している。電流制御素子８は、温度又は電流で電気抵抗が変化して分流回路４Ａの電流を制御する素子である。保護素子２は、加熱抵抗４に所定の供給電圧が供給されると、電流制御素子８が分流回路４Ａに流れる電流を制御して、抵抗素子７のジュール熱で低融点金属５を加熱して溶断する。

本発明のパック電池は、保護素子２、４２の電流制御素子８、４８を、温度が高くなると電気抵抗が増加するＰＴＣ８Ａ、４８Ａとし、ＰＴＣ８Ａ、４８Ａが、流れる電流のジュール熱に加熱されて設定温度よりも高温になると電気抵抗が増加して、ＰＴＣ８Ａ、４８Ａを直列に接続している抵抗素子７、４７の電流を減少させることができる。

本発明のパック電池は、保護素子９２、１０２の電流制御素子９８、１０８を、温度が高くなると電気抵抗が減少するＮＴＣ９８Ｄ、１０８Ｄとして、ＮＴＣ９８Ｄ、１０８Ｄが、流れる電流のジュール熱に加熱されて設定温度よりも高温になると、ＮＴＣ９８Ｄ、１０８Ｄを直列に接続している抵抗素子９７、１０７の電流を増加させることができる。

本発明のパック電池は、保護素子７２、８２の電流制御素子７８、８８を、所定の電流が流れると電流を遮断するブレーカ７８Ｃ、８８Ｃとして、ブレーカ７８Ｃ、８８Ｃに流れる電流が設定電流よりも大きくなるとブレーカ７８Ｃ、８８Ｃが電流を遮断して、ブレーカ７８Ｃ、８８Ｃを直列に接続している抵抗素子７７、８７の電流を遮断することができる。

本発明のパック電池は、保護素子５２、６２の電流制御素子５８、６８を、所定の電流が流れると電流を遮断するヒューズ５８Ｂ、６８Ｂとして、ヒューズ５８Ｂ、６８Ｂに流れる電流が設定電流よりも大きくなるとヒューズ５８Ｂ、６８Ｂが電流を遮断して、ヒューズ５８Ｂ、６８Ｂを直列に接続している抵抗素子５７、６７の電流を遮断することができる。

本発明のパック電池は、保護素子２の加熱抵抗４が、ひとつの分流回路４Ａを除く分流回路４Ａに電流制御素子８を接続することができる。

本発明のパック電池は、保護素子２が、加熱抵抗４の一端を、低融点金属５の中間に接続することができる。

本明細書において、加熱抵抗が焼損されるとは、加熱抵抗の電気抵抗が極めて大きくなって実質的に電流がほとんど流れなくなる状態（場合によっては、切れることもある）を意味するものとする。

本発明の保護素子とこの保護素子を備えるパック電池は、パック電池に内蔵する電池電圧が大幅に変動しても、加熱抵抗でヒューズを確実に溶断できる特長がある。それは、本発明の保護素子が、複数の分流回路を並列に接続している加熱抵抗で低融点金属を加熱しており、各々の分流回路は、電気抵抗が異なる抵抗素子を備えると共に、少なくともひとつの分流回路に、抵抗素子と直列に電流制御素子を接続しており、この電流制御素子は、温度又は電流で分流回路の電流を制御する素子であって、加熱抵抗に所定の供給電圧が供給されると、電流制御素子が分流回路に流れる電流を制御して、抵抗素子のジュール熱で低融点金属を加熱して溶断するようにしているからである。この構造の保護素子は、所定の供給電圧が加熱抵抗に供給されると、分流回路に接続している電流制御素子が、これと直列に接続している抵抗素子の電流を制御するので、最適な電気抵抗の抵抗素子に通電される電流で発生するジュール熱によって低融点金属を加熱して溶断できる。このため、本発明の保護素子とパック電池は、加熱抵抗に供給される電圧が大幅に変化しても、低融点金属を加熱して確実に溶断できる。

とくに、電流制御素子をＰＴＣとする保護素子及びこの保護素子を備えるパック電池は、ＰＴＣの温度が設定温度より高くなるとＰＴＣの電気抵抗が増加して、ＰＴＣと直列に接続している抵抗素子の電流を減少させるので、抵抗素子に大電流が流れて、抵抗素子が焼損するのを有効に防止できる。

また、電流制御素子をブレーカあるいはヒューズとする保護素子及びこの保護素子を備えるパック電池は、流れる電流が設定電流よりも大きくなると、ブレーカあるいはヒューズが電流を遮断するので、抵抗素子に大電流が流れて、抵抗素子が焼損するのを確実に防止できる。

さらにまた、電流制御素子をＮＴＣとする保護素子及びこの保護素子を備えるパック電池は、ＮＴＣの温度が設定温度より高くなるとＮＴＣと直列に接続している抵抗素子の電流を増加させるので、抵抗素子に大電流を流して、抵抗素子を速やかに焼損して、最適な電気抵抗の抵抗素子のジュール熱で低融点金属を加熱して溶断できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための保護素子とこの保護素子を備えるパック電池を例示するものであって、本発明は保護素子とパック電池を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２の回路図に示すパック電池は、電池１の異常を検出する制御回路６と、この制御回路６の出力信号でオンオフに切り換えられるスイッチング素子３と、このスイッチング素子３に制御されて異常時に電池１の電流を遮断する保護素子２を備える。

保護素子２は、図３に示すように、低融点金属５と、この低融点金属５に熱結合されて、低融点金属５を加熱して溶断する加熱抵抗４を備える。低融点金属５は、電池１と直列に接続されて、異常時に溶断されて電池１の電流を遮断する。加熱抵抗４は、ジュール熱で加熱されて、熱結合している低融点金属５を熱で溶断する。

保護素子２は、電池１に接続される電池端子１１と、充電器や負荷に接続される充電端子１２と、スイッチング素子３に接続されるスイッチ端子１３とを備える。低融点金属５は、一端を低融点金属５に、他端を充電端子１２に接続している。加熱抵抗４は一端を低融点金属５の中間に接続して、他端をスイッチ端子１３に接続している。

制御回路６は、電池１が異常な状態になることを検出し、電池１が異常な状態になると、スイッチング素子３をオンにする信号を出力する。制御回路６が検出する電池１の異常な状態とは、たとえば、満充電された電池がさらに充電される状態、あるいは、電池に過電流が流れる状態である。ただ、本発明は、電池の異常な状態をこの状態には特定しない。電池の異常な状態とは、満充電された電池の充電や過電流のみでなく、たとえば、電池温度が異常な温度に上昇した状態等、パック電池を安全に、あるいは正常に使用できない電池が充電又は放電される状態を意味するものとする。複数の電池１を内蔵するパック電池は、各々の電池１の異常な状態を検出して、いずれかの電池１が異常な状態で使用されると、スイッチング素子３をオンにする信号を出力する。制御回路６は、全ての電池１が正常な状態にあるとき、スイッチング素子３をオンにする信号を出力せずに、スイッチング素子３をオフに保持する。

スイッチング素子３はＦＥＴである。ＦＥＴは、ゲートを制御回路６の出力端子に接続して、ソースをアース側に、ドレインを加熱抵抗４に接続している。スイッチング素子３には、ＦＥＴに代わってトランジスタ等の他のスイッチング素子も使用できる。トランジスタは、ベースを制御回路に接続して、エミッタをアースに、コレクタを加熱抵抗に接続する。スイッチング素子をトランジスタとするパック電池は、電池が異常な状態になると、トランジスタをオンにする信号を制御回路が出力する。さらに、スイッチング素子にはリレーも使用できる。リレーはノーマルオープン側の接点をアースと加熱抵抗との間に接続し、励磁コイルをアースと制御回路の出力側とに接続する。このパック電池は、電池が異常な状態になると、リレーの励磁コイルに通電して、ノーマルオープン側の接点を閉じて、加熱抵抗に加熱電流を流す。

図２のパック電池は、保護素子２の電池端子１１を電池１に、充電端子１２を出力端子１０に接続して、出力端子１０と電池１との間に、保護素子２の低融点金属５を直列に接続している。低融点金属５は、所定の温度に加熱されると溶断されて電流を遮断するヒューズである。ヒューズは、加熱抵抗４で加熱されない状態においても、それ自体に流れる過大な電流のジュール熱で溶断して電流を遮断できる。すなわち、ヒューズは自己発熱で溶断できる。ただし、本発明は、低融点金属を必ずしもヒューズとする必要はなく、低融点金属には、それ自体に流れる電流のジュール熱では溶断されないが、加熱抵抗に加熱されて溶断できるものも使用できる。

保護素子２は、図３に示すように、加熱抵抗４を低融点金属５の中間に接続して、一対の低融点金属５を直列に接続している。一方の低融点金属５は電池端子１１を介して電池１に、他方の低融点金属５は充電端子１２を介してパック電池の出力端子１０に接続している。また、直列に接続している一対の低融点金属５の中間接続点１８は、加熱抵抗４に接続している。この保護素子２は、電池１の放電電流と充電電流の両方を遮断できる。電池１に接続している低融点金属５を溶断して、電池１の放電電流を遮断し、また、充電器に接続される状態では充電器に接続される低融点金属５を溶断し、充電電流を遮断できる。

保護素子２は、加熱抵抗４で低融点金属５を加熱して溶断できるように、低融点金属５に熱結合して加熱抵抗４を配設している。加熱抵抗４は、低融点金属５に接近して配設され、あるいは絶縁材を介して積層して配設される。低融点金属５に接近して、あるいは絶縁状態で積層して配設される加熱抵抗４は、輻射熱や熱伝導で低融点金属５を加熱する。さらに、図３の保護素子２は、直列に接続している一対の低融点金属５の中間接続点１８に加熱抵抗４を接続している。この加熱抵抗４は、中間接続点１８を介して伝導される熱によっても低融点金属５を加熱する。低融点金属５に熱結合される加熱抵抗４は、通電される電流で発生するジュール熱で低融点金属５を加熱して溶断する。

加熱抵抗４は、一端を低融点金属５に接続して、他端をスイッチ端子１３を介してスイッチング素子３に接続している。図に示す加熱抵抗４は、一対の低融点金属５の中間接続点１８に一端を接続している。加熱抵抗４は、複数の分流回路４Ａを並列に接続している。図３の保護素子２は２回路の分流回路４Ａを並列に、図４の保護素子４２は３回路の分流回路４４Ａを並列に接続している。各々の分流回路４Ａ、４４Ａは、電気抵抗が異なる抵抗素子７、４７を備えると共に、少なくともひとつの分流回路４Ａ、４４Ａには抵抗素子７、４７と直列に電流制御素子８、４８を接続している。

電流制御素子８、４８は、温度又は電流で電気抵抗が変化して分流回路４Ａ、４４Ａの電流を制御する素子である。この電流制御素子８、４８は、ＰＴＣ、ＮＴＣ、ブレーカ、ヒューズ等の素子である。ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）は、流れる電流のジュール熱に加熱されて設定温度よりも高くなると、電気抵抗が急激に増加する。電気抵抗が増大したＰＴＣは、直列に接続している抵抗素子の電流を減少させる。ＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）は、温度が高くなると電気抵抗が減少する電気特性を有する。ＮＴＣは、流れる電流のジュール熱に加熱されて温度が上昇する。ジュール熱で加熱されてＮＴＣの温度が設定温度よりも高くなると、電気抵抗が急激に減少して、直列に接続している抵抗素子の電流を増加させる。ブレーカは、通電される電流が設定電流よりも大きくなると電流を遮断して、直列に接続している抵抗素子の電流を遮断する。ヒューズも、ブレーカと同じように、通電される電流が設定電流よりも大きくなると、溶断して電流を遮断する。ヒューズが溶断されると、これと直列に接続している抵抗素子の電流を遮断する。

各々の分流回路４Ａ、４４Ａには、電気抵抗が異なる抵抗素子７、４７を接続している。各々の抵抗素子７、４７は、電気抵抗が異なるので、加熱抵抗４、４４の供給電圧が同じであっても、ジュール熱による発熱量が異なる。保護素子２、４２は、加熱抵抗４、４４の発生熱で低融点金属５、４５を加熱して溶断するが、抵抗素子７、４７のジュール熱による発熱量が小さすぎると低融点金属５、４５を熱で溶断できない。

抵抗素子のジュール熱による発熱量は消費電力Ｗに比例する。抵抗素子の発熱量Ｑ（ｃａｌ）は、以下の式（１）で示すようになる。

Ｑ＝０．２４ＷＴ…………（１）
ただし、この式において、Ｗは消費電力、Ｔは時間（ｓｅｃ）である。

この式から、抵抗素子は消費電力に比例して発熱量が大きくなる。いいかえると、消費電力が発熱量を特定する。たとえば、抵抗素子の消費電力を２倍にすると発熱量も２倍になる。抵抗素子の消費電力Ｗは、以下の式（２）で示すように、電気抵抗と供給電圧で特定される。

Ｗ＝Ｅ^２／Ｒ…………（２）
ただし、この式において、Ｅは抵抗素子の供給電圧、Ｒは電気抵抗である。

この式に示すように、抵抗素子の消費電力は電気抵抗に反比例して大きくなる。したがって、抵抗素子は、電気抵抗が１／２になると消費電力と発熱量は２倍に、電気抵抗が１／３になると消費電力と発熱量は３倍になる。このことから、並列に接続している抵抗素子は、電気抵抗によって消費電力と発熱量が異なり、電気抵抗の小さいものは大きいものよりも発熱量が大きくなる。

図１２に示すように、加熱抵抗１８４をひとつの抵抗素子１８７とする従来の保護素子１８２は、加熱抵抗１８４の熱で低融点金属１８５を加熱して溶断するが、発熱量が大きすぎると、それ自体が焼損するので、加熱抵抗１８４の電気抵抗は、低融点金属１８５を溶断できるように小さい電気抵抗としながら、それ自体が焼損しない大きい電気抵抗とする必要がある。すなわち、加熱抵抗１８４は、電気抵抗を所定の範囲に設定している。加熱抵抗は電気抵抗が大きすぎると、発熱量が小さくなって低融点金属を溶断できなくなり、反対に電気抵抗が小さすぎると発熱量が大きすぎて、それ自体が焼損する。このことから、加熱抵抗の電気抵抗は、所定の供給電圧において、それ自体が焼損することなく、低融点金属を加熱して溶断できる発熱量となるように決定している。

ただ、加熱抵抗の消費電力と発熱量は、電気抵抗が一定であっても、供給電圧の２乗に比例して大きくなるので、供給電圧が規定値よりも大きくなると、発熱量が急激に大きくなって焼損する。たとえば加熱抵抗の供給電圧が規定電圧の２倍になると、発熱量は４倍に増加して加熱抵抗を焼損させる。焼損した加熱抵抗は電流が極端に少なくなってジュール熱を発生しなくなる。この加熱抵抗は、焼損した後の発熱量が極端に少なくなって低融点金属を加熱できなくなる。

以上の理由で、ひとつの抵抗素子からなる加熱抵抗が、損傷することなく低融点金属を加熱して溶断できる供給電圧は規定の範囲に制限される。供給電圧が規定範囲よりも低くなると、消費電力が小さくなって低融点金属を加熱して溶断できなくなり、反対に規定範囲よりも高くなると消費電力が大きくなってそれ自体が焼損して、低融点金属を加熱して溶断できなくなる。このため、ひとつの抵抗素子からなる加熱抵抗が低融点金属を加熱して溶断できる電圧範囲は規定の範囲に制限される。

本発明の保護素子は、図３ないし図１０に示すように、加熱抵抗４、４４、５４、６４、７４、８４、９４、１０４に供給される電圧が大幅に変化しても、低融点金属５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５を加熱して溶断できるように、複数の分流回路４Ａ、４４Ａ、５４Ａ、６４Ａ、７４Ａ、８４Ａ、９４Ａ、１０４Ａで加熱抵抗を構成する。各々の分流回路４Ａ、４４Ａ、５４Ａ、６４Ａ、７４Ａ、８４Ａ、９４Ａ、１０４Ａには、電気抵抗が異なる抵抗素子７、４７、５７、６７、７７、８７、９７、１０７を接続している。電気抵抗の小さい抵抗素子は、低い供給電圧における消費電力と発熱量が大きく、供給電圧の低い状態で低融点金属５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５を加熱して溶断する。電気抵抗の大きい抵抗素子は、高い供給電圧における消費電力と発熱量が大きく、供給電圧が高い状態で低融点金属５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５を加熱して溶断する。図３ないし図１０に示す保護素子２、４２、５２、６２、７２、８２、９２、１０２は、供給電圧の低い状態では、低抵抗な抵抗素子が低融点金属５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５を加熱して溶断する。この状態で、高抵抗な抵抗素子は消費電力と発熱量が小さいために、低融点金属５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５を加熱して溶断できない。供給電圧が高くなると、高抵抗な抵抗素子の消費電力と発熱量が大きくなって、低融点金属５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５を加熱して溶断する。加熱抵抗４、４４、５４、６４、７４、８４、９４、１０４の供給電圧が高くなると、低抵抗な抵抗素子は消費電力と発熱量が大きくなって焼損されるので、図３ないし図８に示す保護素子２、４２、５２、６２、７２、８２は、供給電圧が高くなると、電流制御素子８、４８、５８、６８、７８、８８で低抵抗な抵抗素子の電流を遮断する。また、図９と図１０に示す保護素子９２、１０２は、供給電圧が高くなると、電流制御素子９８、１０８でもって低抵抗な抵抗素子の電流を増加させて焼損させる。
なお、図４ないし図１０に示す実施例において、図２と図３に示す実施例を同じ構成要素については、図４ないし図９では上１桁を除く下桁に、図１０では上２桁を除く下桁に同符号を付して、その説明を省略する。

図３ないし図８に示す保護素子２、４２、５２、６２、７２、８２は、加熱抵抗４、４４、５４、６４、７４、８４に供給される電圧が高くなると、低抵抗な抵抗素子の電流を電流制御素子８、４８、５８、６８、７８、８８で減少し、あるいは遮断して、供給電圧が高くなる状態で、低抵抗な抵抗素子の焼損を防止する。

図３と図４の保護素子２、４２は、供給電圧が高くなると、ＰＴＣ８Ａ、４８Ａの電気抵抗が急激に増加して、これに接続している抵抗素子７、４７の電流を著しく減少させて、実質的にはほとんど流れなくする。図３に示すように、２回路の分流回路４Ａを並列に接続する保護素子２は、電気抵抗の小さい低抵抗な抵抗素子７Ａと直列に、電流制御素子８のＰＴＣ８Ａを接続して、電気抵抗の大きい抵抗素子７Ｃには電流制御素子を接続しない。ＰＴＣ８Ａは、トリップ電圧よりも低い電圧において電気抵抗が小さく、印加電圧がトリップ電圧よりも高くなると電気抵抗が急激に増加する素子である。ＰＴＣ８Ａの電気抵抗が急激に増加する電圧がトリップ電圧である。

電流制御素子８をＰＴＣ８Ａとする保護素子２は、ＰＴＣ８Ａの印加電圧がトリップ電圧よりも高くなると、ＰＴＣ８Ａの電気抵抗が急激に大きくなる。この状態で、低抵抗な抵抗素子７Ａの電流は著しく減少し、実質的には電流が遮断される。加熱抵抗４に供給される電圧は、ＰＴＣ８Ａと低抵抗な抵抗素子７Ａとに分圧されるので、供給電圧が分圧してＰＴＣ８Ａに供給され、ＰＴＣ８Ａの印加電圧がトリップ電圧を越えると、ＰＴＣ８Ａは電気抵抗が急激に増加する。分圧して供給されるＰＴＣ８Ａの印加電圧がトリップ電圧よりも低いとき、ＰＴＣ８Ａは極めて低抵抗な状態にある。したがって、この状態で、ＰＴＣ８Ａは、これと直列に接続している低抵抗な抵抗素子７Ａの電流を遮断しない。この状態において、ＰＴＣ８Ａと直列に接続している低抵抗な抵抗素子７Ａは、ＰＴＣ８Ａに電流が遮断されることなく、電流が流れてジュール熱で発熱する。したがって、低抵抗な抵抗素子７Ａは、供給電圧が低い状態ではＰＴＣ８Ａで電流が遮断されず、供給電圧が高くなると、ＰＴＣ８Ａで電流が電流が遮断される。このため、低抵抗な抵抗素子７Ａは、供給電圧が低いときにジュール熱で発熱し、供給電圧が高くなるとＰＴＣ８Ａで電流が遮断される。したがって、低抵抗な抵抗素子７Ａは、加熱抵抗４の供給電圧が高くなっても、大電流で焼損されない。

加熱抵抗４の供給電圧が高くなると、低抵抗な抵抗素子７Ａの電流は遮断され、これに代わって、高抵抗な抵抗素子７Ｃが低融点金属５を加熱して溶断するようになる。高抵抗な抵抗素子７Ｃの消費電力が増加してジュール熱が大きくなるからである。すなわち、供給電圧が低いときは、低抵抗な抵抗素子７Ａが低融点金属５を加熱して溶断し、供給電圧が高い状態では、高抵抗な抵抗素子７Ｃが低融点金属５を加熱して溶断する。

以上のように、供給電圧が低いときに低抵抗な抵抗素子７Ａが低融点金属５を加熱して溶断し、供給電圧が高くなると高抵抗な抵抗素子７Ｃが低融点金属５を溶断するように、低抵抗な抵抗素子７Ａと高抵抗な抵抗素子７Ｃの電気抵抗が特定される。

抵抗素子７Ａ、７Ｃの電気抵抗は、供給電圧と、消費電力と、発熱量と、低融点金属５を溶断できる熱量とを考慮して特定される。たとえば、抵抗素子７Ａ、７Ｃの消費電力を５Ｗ以上として、低融点金属５を加熱して溶断できるとし、かつ低抵抗な抵抗素子７Ａでもって、５Ｖ以上の供給電圧で低融点金属５を加熱して溶断するとすれば、低抵抗な抵抗素子７Ａの電気抵抗は５Ωとなる。

低抵抗な抵抗素子７Ａは、供給電圧が高くなると消費電力が大きくなって焼損する。抵抗素子７Ａが焼損する消費電力を１５Ｗより大きくすると、低抵抗な抵抗素子７Ａに供給できる最高電圧は８．６Ｖとなる。抵抗素子７Ａの供給電圧がこの電圧を越えると、消費電力が１５Ｗを越えて焼損するからである。低抵抗な抵抗素子７Ａに直列に接続しているＰＴＣ８Ａは、低抵抗な抵抗素子７Ａの供給電圧が上昇するときに電気抵抗が大きくなって、低抵抗な抵抗素子７Ａの供給電圧を８．６Ｖ以下に制限する。たとえば、ＰＴＣ８Ａは低抵抗な抵抗素子７Ａの供給電圧が８Ｖを越えると、トリップして電気抵抗が急激に大きくなる。ＰＴＣ８Ａは、低抵抗な抵抗素子７Ａと直列に接続されるので、低抵抗な抵抗素子７Ａの電圧が８Ｖ以下では、電気抵抗が極めて小さく、低抵抗な抵抗素子７Ａの電流を小さく制限しない。

ＰＴＣ８Ａがトリップして電気抵抗が大きくなる状態で、高抵抗な抵抗素子７Ｃが低融点金属５を加熱して溶断する。高抵抗な抵抗素子７Ｃは、電気抵抗を１０Ωとする。この高抵抗な抵抗素子７Ｃは、供給電圧が７．１Ｖ以上のときに消費電力が５Ｗ以上となって、低融点金属５を溶断する。この電気抵抗の高抵抗な抵抗素子７Ｃは、供給電圧が１２．２Ｖとなると、消費電力が１５Ｗとなるので、高抵抗な抵抗素子７Ｃの供給電圧が１２．２Ｖになるまで発熱して、低融点金属５を溶断する。

以上のことから、消費電力を５Ｗ〜１５Ｗとする範囲で低融点金属５を溶断できるふたつの抵抗素子７Ａ、７Ｃであって、電気抵抗を５Ωとする抵抗素子７Ａと、１０Ωとする抵抗素子７Ｃとを分流回路４Ａの抵抗素子７とする加熱抵抗４は、抵抗素子７の供給電圧が５Ｖ〜１２．２Ｖとなる広い範囲で低融点金属５を加熱して溶断できる。この保護素子２は、供給電圧を５Ｖ〜８Ｖとする範囲では電気抵抗を５Ωとする抵抗素子７Ａが低融点金属５を加熱して溶断し、供給電圧が８Ｖを越えて、ＰＴＣ８Ａがトリップして電気抵抗が大きくなった後は、電気抵抗を１０Ωとする抵抗素子７Ｃが低融点金属５を加熱して溶断する。

保護素子は、図４に示すように、分流回路４４Ａを３回路として、さらに使用できる電圧範囲を広くできる。たとえば、分流回路４４Ａを３回路とする保護素子４２は、抵抗素子４７Ａ、４７Ｂ、４７Ｃの電気抵抗を５Ω、１０Ω、２０Ωとして、抵抗素子４７Ａ、４７Ｂ、４７Ｃに供給される電圧範囲を、５Ｖ〜１７．３Ｖと広くできる。ただし、この保護素子４２は、５Ωと１０Ωの抵抗素子４７Ａ、４７Ｂには、電流制御素子４８のＰＴＣ４８Ａを直列に接続している。ＰＴＣ４８Ａは、直列に接続している抵抗素子４７Ａ、４７Ｂの消費電力が焼損する前にトリップする。トリップしたＰＴＣ４８Ａは、電気抵抗が大きくなって、直列に接続している抵抗素子４７Ａ、４７Ｂの電流を実質的に遮断する。

以上の保護素子４２は、複数の分流回路４４Ａを備えて、最も電気抵抗の大きい抵抗素子４７Ｃには電流制御素子を接続していないが、全ての抵抗素子に直列に電流制御素子を接続することもできる。各々の電流制御素子は、直列に接続している抵抗素子が焼損する前に電気抵抗を大きくして、抵抗素子の電流を実質的に遮断する。

以上の保護素子２、４２は、各々の抵抗素子７、４７が低融点金属５、４５を加熱して溶断できる消費電力範囲を、５Ｗ〜１５Ｗの一定とするが、各々の抵抗素子は、低融点金属を溶断できる消費電力範囲を全て一定とする必要はない。たとえば、各々の抵抗素子は、低融点金属を溶断できる消費電力範囲を異なるようにすることもできるからである。たとえば、抵抗素子は、低融点金属との熱結合状態によって、低融点金属を溶断できる消費電力範囲が変化する。熱結合が少なく、抵抗素子から低融点金属への熱伝導率の小さい抵抗素子は、低融点金属を溶断できる消費電力が大きくなる。反対に熱結合が大きく、抵抗素子から低融点金属への熱伝導率が大きい抵抗素子は、小さい消費電力で低融点金属を溶断できるからである。

保護素子は、分流回路の数を多くして、使用できる供給電圧範囲、すなわち加熱抵抗で低融点金属を溶断できる電圧範囲を大きくできる。保護素子は、並列に接続する分流回路の数を、直列に接続される電池の個数に対応することができる。ただ、保護素子は、必ずしも、並列に接続する分流回路の数と、直列に接続される電池の個数とを等しくする必要はない。たとえば、抵抗素子に、低融点金属を溶断できる電圧範囲が広いものを使用して、ひとつの分流回路に複数の電池を対応させることもできる。すなわち、並列接続する分流回路の数を、直列接続される電池の個数より少なくすることができる。

図５と図６の保護素子５２、６２は、電流制御素子５８、６８にＰＴＣに代わってヒューズ５８Ｂ、６８Ｂを使用する。ヒューズ５８Ｂ、６８Ｂは、所定の所定の電流が流れると溶断して電流を遮断する。電流制御素子５８、６８をヒューズ５８Ｂ、６８Ｂとする保護素子５２、６２は、図３と図４の保護素子２、４２のＰＴＣ８Ａ、４８Ａがトリップする電圧で、ヒューズ５８Ｂ、６８Ｂを溶断して、これと直列に接続された抵抗素子の電流を遮断する。この保護素子５２、６２は、ヒューズ５８Ｂ、６８Ｂを溶断して抵抗素子５７Ａ、６７Ａ、６７Ｂの電流を遮断するので、供給電圧が高くなっても、抵抗素子５７Ａ、６７Ａ、６７Ｂを焼損しない。

また、図７と図８の保護素子７２、８２は、電流制御素子７８、８８としてＰＴＣに代わってブレーカ７８Ｃ、８８Ｃを使用する。ブレーカ７８Ｃ、８８Ｃは、所定の電流が流れると電流を遮断する。したがって、電流制御素子７８、８８をブレーカ７８Ｃ、８８Ｃとする保護素子７２、８２は、図３と図４の保護素子２、４２のＰＴＣ８Ａ、４８Ａがトリップする電圧で、ブレーカ７８Ｃ、８８Ｃで抵抗素子７７Ａ、８７Ａ、８７Ｂの電流を遮断するので、供給電圧が高くなっても、抵抗素子７７Ａ、８７Ａ、８７Ｂを焼損することがない。

さらに、図９と図１０の保護素子９２、１０２は、図３と図４の保護素子２、４２の電流制御素子８、４８としてＰＴＣに代わってＮＴＣ９８Ｄ、１０８Ｄを使用する。ＮＴＣ９８Ｄ、１０８Ｄは、ＰＴＣとは反対に、温度が高くなると電気抵抗が減少する。したがって、図９の保護素子２は、供給電圧が高くなると、ＮＴＣ９８Ｄの電気抵抗が減少して、これと直列に接続している抵抗素子９７Ａの電流を増加させ、ＮＴＣ９８Ｄと直列に接続している抵抗素子９７Ａを確実に焼損させる。さらに、焼損しない抵抗素子９７Ｃで低融点金属９５を加熱して溶断する。また、図１０の保護素子１０２は、供給電圧が高くなると、ＮＴＣ１０８Ｄの電気抵抗が減少して、これと直列に接続している抵抗素子１０７の電流を増加させる。さらに、この保護素子は１０２、抵抗素子１０７を順に焼損させながら、焼損されない抵抗素子１０７、すなわち供給電圧に最適な抵抗素子１０７で低融点金属１０５を加熱して溶断する。

以上の保護素子を内蔵するパック電池は、電池１が正常な状態にあるときに、制御回路６がスイッチング素子３をオフに保持する。スイッチング素子３がオフ状態にあると、加熱抵抗４には電流が流れない。したがって、低融点金属５が加熱抵抗４に加熱されることがなく、低融点金属５が溶断されることはない。したがって、電池１は低融点金属５を介してパック電池の出力端子１０に接続される。この状態で、パック電池は充電され、あるいは放電される。

電池１が異常に状態になると、制御回路６はスイッチング素子３をオフからオンに切り換える。オンになったスイッチング素子３は、加熱抵抗４に加熱電流を流す。加熱抵抗４は、加熱電流によるジュール熱で加熱される。加熱された加熱抵抗４は、低融点金属５を加熱して溶断する。低融点金属５が溶断されると、電池１はパック電池の出力端子１０から切り離されて、電流が遮断される。

保護素子２は、供給電圧が高いと、電流制御素子８が抵抗素子７の電流を制御して、残りの抵抗素子７で低融点金属５を加熱して溶断する。電流制御素子８で電流制御される抵抗素子７の個数は、供給電圧によって変化する。いいかえると、パック電池に内蔵される電池１の個数や種類によって電流制御する抵抗素子７の個数が変化する。複数の電池１を直列に接続しているパック電池は、直列接続する電池１の個数が多くなって、電圧が高くなると、電流制御される抵抗素子７の個数が多くなる。

直列に接続する電池１の個数が多くなって出力電圧を高くしているパック電池は、スイッチング素子３がオンになる状態で、電気抵抗の小さい抵抗素子７が低融点金属５を加熱し、供給電圧が高いときには、電流制御素子８がこれと直列に接続している抵抗素子７の電流を制御して、最適な電気抵抗の抵抗素子７が低融点金属５を加熱して溶断する。

図１１の回路図は、本発明の他の実施例のパック電池を示す。この図のパック電池は、パック電池の出力端子１１１０と電池１１１との間に、ひとつの低融点金属１１５を接続している。このパック電池は、電池１１１が異常な状態になると、スイッチング素子１１３がオンになって、加熱抵抗１１４に加熱電流が流れる。加熱電流が流れる加熱抵抗１１４は、ジュール熱で加熱されて、低融点金属１１５を熱溶断して電流を遮断する。このパック電池も、直列に接続する電池１１１の個数を多くして、出力電圧を高くしているものにあっては、電気抵抗の小さい抵抗素子１１７に流れる電流を電流制御素子１１８が制御して、電気抵抗の大きい抵抗素子１１７で低融点金属１１５を加熱して溶断する。電流制御される抵抗素子１１７の個数は、直列に接続する電池１１１の個数、いいかえると加熱抵抗１１４の供給電圧により変化し、供給電圧が高くなると、電流制御する抵抗素子１１７の個数が多く、供給電圧が低いと電流制御する抵抗素子１１７の個数は少なくなる。
なお、図１１に示す実施例において、前述の実施例と同じ構成要素については、上２桁を除く下桁に同符号を付して、その説明を省略している。

従来のパック電池の回路図である。 本発明の一実施例にかかるパック電池の回路図である。 図２に示すパック電池の保護素子の回路図である。 保護素子の他の一例を示す回路図である。 保護素子の他の一例を示す回路図である。 保護素子の他の一例を示す回路図である。 保護素子の他の一例を示す回路図である。 保護素子の他の一例を示す回路図である。 保護素子の他の一例を示す回路図である。 保護素子の他の一例を示す回路図である。 本発明の他の実施例にかかるパック電池の回路図である。 従来の保護素子を示す回路図である。

符号の説明

１、１１１…電池
２、４２、５２、６２、７２、８２、９２、１０２、１１２…保護素子
３、１１３…スイッチング素子
４、４４、５４、６４、７４、８４、９４、１０４、１１４…加熱抵抗 ４Ａ、４４Ａ、５４Ａ、６４Ａ、７４Ａ、８４Ａ、９４Ａ、１０４Ａ、１１４Ａ…分流回路
５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５、１１５…低融点金属
６、１１６…制御回路
７、４７、５７、６７、７７、８７、９７、１０７、１１７…抵抗素子 ７Ａ、４７Ａ、５７Ａ、６７Ａ、７７Ａ、８７Ａ、９７Ａ、１０７Ａ…抵抗素子
４７Ｂ、６７Ｂ、８７Ｂ、１０７Ｂ…抵抗素子
７Ｃ、４７Ｃ、５７Ｃ、６７Ｃ、７７Ｃ、８７Ｃ、９７Ｃ、１０７Ｃ…抵抗素子
８、４８、５８、６８、７８、８８、９８、１０８、１１８…電流制御素子 ８Ａ、４８Ａ…ＰＴＣ
５８Ｂ、６８Ｂ…ヒューズ
７８Ｃ、８８Ｃ…ブレーカ
９８Ｄ、１０８Ｄ…ＮＴＣ
１０、１１１０…出力端子
１１、４１１、５１１、６１１、７１１、８１１、９１１、１０１１、１１１１…電池端子
１２、４１２、５１２、６１２、７１２、８１２、９１２、１０１２、１１１２…充電端子
１３、４１３、５１３、６１３、７１３、８１３、９１３、１０１３、１１１３…スイッチ端子
１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８、１０１８…中間接続点
１８２…保護素子
１８４…加熱抵抗
１８５…低融点金属
１８７…抵抗素子
１９１…電池
１９２…保護素子
１９３…スイッチング素子
１９４…加熱抵抗
１９５…ヒューズ
１９６…制御回路

Claims (14)

1. 加熱すると溶断される低融点金属と、この低融点金属に熱結合されて、通電される電流で発生するジュール熱で低融点金属を加熱する加熱抵抗とを備える保護素子であって、
   加熱抵抗が、複数の分流回路を並列に接続しており、各々の分流回路は電気抵抗が異なる抵抗素子を備えると共に、少なくともひとつの分流回路には抵抗素子と直列に電流制御素子を接続しており、
   電流制御素子は、温度又は電流で電気抵抗が変化して分流回路の電流を制御する素子であり、
   加熱抵抗に所定の供給電圧が供給されると、電流制御素子が分流回路に流れる電流を制御して、抵抗素子のジュール熱で低融点金属を加熱して溶断するようにしてなる保護素子。
2. 請求項１に記載される保護素子であって、
   電流制御素子が、温度が高くなると電気抵抗が増加するＰＴＣで、ＰＴＣは、流れる電流のジュール熱に加熱されて設定温度よりも高温になると電気抵抗が増加して、ＰＴＣを直列に接続している抵抗素子の電流を減少させるようにしてなる保護素子。
3. 請求項１に記載される保護素子であって、
   電流制御素子が、温度が高くなると電気抵抗が減少するＮＴＣで、ＮＴＣは、流れる電流のジュール熱に加熱されて設定温度よりも高温になると、ＮＴＣを直列に接続している抵抗素子の電流を増加させるようにしてなる保護素子。
4. 請求項１に記載される保護素子であって、
   電流制御素子が、所定の電流が流れると電流を遮断するブレーカで、ブレーカに流れる電流が設定電流よりも大きくなると、ブレーカが電流を遮断して、ブレーカを直列に接続している抵抗素子の電流を遮断するようにしてなる保護素子。
5. 請求項１に記載される保護素子であって、
   電流制御素子が、所定の電流が流れると電流を遮断するヒューズで、ヒューズに流れる電流が設定電流よりも大きくなると、ヒューズが電流を遮断して、ヒューズを直列に接続している抵抗素子の電流を遮断するようにしてなる保護素子。
6. 請求項１に記載される保護素子であって、
   加熱抵抗が、ひとつの分流回路を除く分流回路に電流制御素子を接続してなる保護素子。
7. 請求項１に記載される保護素子であって、
   加熱抵抗の一端を、低融点金属の中間に接続してなる保護素子。
8. 電池と、この電池に直列に接続してなる保護素子とを備えるパック電池であって、
   保護素子が、加熱すると溶断される低融点金属と、この低融点金属に熱結合されて、通電される電流で発生するジュール熱で低融点金属を加熱する加熱抵抗とを備え、
   加熱抵抗が、複数の分流回路を並列に接続しており、各々の分流回路は電気抵抗が異なる抵抗素子を備えると共に、少なくともひとつの分流回路には抵抗素子と直列に電流制御素子を接続しており、
   電流制御素子は、温度又は電流で電気抵抗が変化して分流回路の電流を制御する素子であり、
   加熱抵抗に所定の供給電圧が供給されると、電流制御素子が分流回路に流れる電流を制御して、抵抗素子のジュール熱で低融点金属を加熱して溶断するようにしてなる保護素子を備えるパック電池。
9. 請求項８に記載するパック電池であって、
   保護素子の電流制御素子が、温度が高くなると電気抵抗が増加するＰＴＣで、ＰＴＣは、流れる電流のジュール熱に加熱されて設定温度よりも高温になると電気抵抗が増加して、ＰＴＣを直列に接続している抵抗素子の電流を減少させるようにしてなる保護素子を備えるパック電池。
10. 請求項８に記載するパック電池であって、
    保護素子の電流制御素子が、温度が高くなると電気抵抗が減少するＮＴＣで、ＮＴＣは、流れる電流のジュール熱に加熱されて設定温度よりも高温になると、ＮＴＣを直列に接続している抵抗素子の電流を増加させるようにしてなる保護素子を備えるパック電池。
11. 請求項８に記載するパック電池であって、
    保護素子の電流制御素子が、所定の電流が流れると電流を遮断するブレーカで、ブレーカに流れる電流が設定電流よりも大きくなると、ブレーカが電流を遮断して、ブレーカを直列に接続している抵抗素子の電流を遮断するようにしてなる保護素子を備えるパック電池。
12. 請求項８に記載するパック電池であって、
    保護素子の電流制御素子が、所定の電流が流れると電流を遮断するヒューズで、ヒューズに流れる電流が設定電流よりも大きくなると、ヒューズが電流を遮断して、ヒューズを直列に接続している抵抗素子の電流を遮断するようにしてなる保護素子を備えるパック電池。
13. 請求項８に記載するパック電池であって、
    保護素子の加熱抵抗が、ひとつの分流回路を除く分流回路に電流制御素子を接続してなる保護素子を備えるパック電池。
14. 請求項８に記載するパック電池であって、
    保護素子が、加熱抵抗の一端を、低融点金属の中間に接続してなる保護素子を備えるパック電池。

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