JP2008311106A - パック電池 - Google Patents

Abstract

【課題】確実かつ適正にヒューズを溶断して、確実な動作を行わせる。
【解決手段】パック電池は、電池セル１と、電池セル１の充放電経路に直列に配置されて、熱で溶断されて電流を遮断する複数のヒューズ５であって、電池セル１側に配置された第１のヒューズ５Ａと、電気機器側に配置された第２のヒューズ５Ｂと、ヒューズ５の近傍に配置されて、これを加熱する加熱抵抗４であって、一方の端子を第１のヒューズ５Ａと第２のヒューズ５Ｂとの間に電気的に接続した加熱抵抗４とを備える。加熱抵抗４は、第１のヒューズ５Ａよりも第２のヒューズ５Ｂに近接して配置している。
【選択図】図４

Description

本発明は、ヒューズ溶断スイッチを備えるパック電池に関する。

パック電池は、過電流が流れると、内蔵される電池セルの特性が低下する。また、パック電池に過大な電流が流れるとジュール熱で発熱して安全に使用できなくなる。このような弊害を防止するために、過電流を検出して電流を遮断する回路を内蔵するパック電池が開発されている（特許文献参照１）。

この公報に記載されるパック電池は、図１に示すように、電池９１と直列に、ヒーターである加熱抵抗９４を備える抵抗内蔵型ヒューズ９２を接続している。このパック電池は、電池９１に過電流が流れる等の異常時に、加熱抵抗９４に通電して、電池９１と直列に接続されたヒューズ９５を溶断して電流を遮断する。また、この図の例では２本の加熱抵抗９４を並列に接続しているが、図２に示すように、１本の加熱抵抗８４で２つのヒューズ８５を加熱する抵抗内蔵型ヒューズ８２も利用されている。このような抵抗内蔵型ヒューズは、加熱抵抗とヒューズとを一体としてなるユニットや素子として提供されている。また、ヒューズを１つのみとする抵抗内蔵型ヒューズも存在するが、この構成では加熱抵抗に常時電流が通電されて熱損失が大きいため、通常は２個のヒューズを用いる構成が採用される。

図２に示す抵抗内蔵型ヒューズ８２は、外部スイッチ８３の操作により内蔵される加熱抵抗８４に電流が流れてヒューズ８５を加熱して溶断しようとする。ここで、２個のヒューズ８５の内、電池８１側に位置するヒューズ８５Ａは、電流が流れる経路、すなわち電流源である電池セル８１の出力インピーダンスが低く、かつ電池８１と抵抗内蔵型ヒューズ８２との間にＦＥＴ等の抵抗体もないことから、充分な電流が流れる経路に置かれているため、電池電圧がある程度あれば確実に溶断される。しかしながら、もう一方の出力端子側のヒューズ８５Ｂは、充電器が接続されていない場合、あるいは接続されていたとしても充放電制御用のＦＥＴがオーミックショートしている場合や、充電器からの電流が溶断電流未満だった場合、電池８１側のヒューズ８５Ａが先に切れると、加熱抵抗８４に溶断のための充分な電流が流れなくなるため、図３に示すように、充電器側のヒューズ８５Ｂは溶断されなくなってしまう。このため、不正な電流経路ができ、充電器側からの電流により発熱が継続したり、発熱により抵抗内蔵型ヒューズのフラックスが分解し溶断できなくなるという問題があった。

また、加熱抵抗８４が焼き切れる前にヒューズ８５を溶断する必要があるため、入力電圧の上限値が決まるが、両側のヒューズ８５に対してほぼ均等な配置となっているため、電圧上限値はどちらの入力に対しても同じ値となってしまう。このため、いずれのヒューズが先に溶断するかは判らない、逆に言えば、電池側に位置するヒューズの方が充電器側のヒューズよりも先に溶断することが十分に起こり得る問題があった。
特開２０００−３４０２６７号公報 特開２００４−３５７４４０号公報 特開２００４−１２７５３２号公報 特開平７−１５３３６７号公報 特開２０００−３０６４７７号公報 特開２００４−３６３６３０号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、確実かつ適正にヒューズを溶断して、確実な動作を行わせるパック電池を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明のパック電池は、電池セル１と、電池セル１の充放電経路に直列に配置されて、熱で溶断されて電流を遮断する複数のヒューズ５であって、電池セル１側に配置された第１のヒューズ５Ａと、電気機器側に配置された第２のヒューズ５Ｂと、前記ヒューズ５の近傍に配置されて、これを加熱する加熱抵抗４であって、一方の端子を前記第１のヒューズ５Ａと前記第２のヒューズ５Ｂとの間に電気的に接続した加熱抵抗４とを備える。前記加熱抵抗４は、前記第１のヒューズ５Ａよりも前記第２のヒューズ５Ｂに近接して配置している。これにより、このパック電池は、第２のヒューズを第１のヒューズよりも先に確実に溶断させて、その後の処理を確実に行えるようにして信頼性を高めることができる。

また、本発明の請求項２の電池パックは、電池セル１と、電池セル１の充放電経路に直列に配置されて、熱で溶断されて電流を遮断する複数のヒューズ３５であって、電池セル１側に配置された第１のヒューズ３５Ａと、電気機器側に配置された第２のヒューズ３５Ｂと、前記ヒューズ３５の近傍に配置されて、これを加熱する加熱抵抗４であって、一方の端子を前記第１のヒューズ３５Ａと前記第２のヒューズ３５Ｂとの間に電気的に接続した加熱抵抗４とを備える。前記第２のヒューズ３５Ｂは、前記第１のヒューズ３５Ａよりも先に溶断するように、ヒューズの太さを細くしている。この構成によっても、第２のヒューズを第１のヒューズよりも先に確実に溶断させて、その後の処理を確実に行えるようにして信頼性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池を例示するものであって、本発明はパック電池を以下のものに特定しない。また特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

図４の回路図に示すパック電池は、電池セル１と、この電池セル１に直列に接続されて、異常時に電池セル１の電流を遮断する保護素子２と、電池セル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て、保護素子２を制御するスイッチング素子３とを備える。

電池セル１は、リチウムイオン二次電池である。ただ、電池はニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの充電できる全ての電池とすることもできる。図のパック電池は、複数の電池セル１を内蔵している。ただ、パック電池は、ひとつの電池セルを内蔵することもできる。図のパック電池は、複数の電池セル１を直列に接続して、出力電圧を高くしている。ただ、パック電池は、複数の電池セルを、並列に接続し、あるいは並列と直列に接続することもできる。

保護素子２は、充放電経路に直列に配置された複数のヒューズ５と、このヒューズ５の近傍に配置されて、これを加熱する加熱抵抗４とを備える。ヒューズ５は、異常時に溶断されて、電池セル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、ヒューズ５を熱で溶断する。図５と図６は、保護素子２の概略構成図と等価回路図を示している。図の保護素子２は、電池セル１に接続される電池端子１１と、出力端子１０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。

ヒューズ５は、電池セル１側に配置された第１のヒューズ５Ａと、電気機器側、いいかえると出力端子１０側に配置された第２のヒューズ５Ｂとを互いに直列に接続している。ヒューズ５は、第１のヒューズ５Ａの一端と第２のヒューズ５Ｂの一端とを中間接続点１５で接続すると共に、第１のヒューズ５Ａの他端を電池端子１１に、第２のヒューズ５Ｂの他端を充電端子１２に接続している。さらに、ヒューズ５は、第１のヒューズ５Ａと第２のヒューズ５Ｂの中間接続点１５に、加熱抵抗４の一端を接続している。図５に示す保護素子２は、第１のヒューズ５Ａと第２のヒューズ５Ｂを１本のヒューズで構成し、このヒューズの中間を、電極１６を介して加熱抵抗４の一端に接続している。したがって、この場合、この電極１６が中間接続点１５に相当する。図４のパック電池は、保護素子２の電池端子１１を電池セル１に、充電端子１２を出力端子１０に接続して、出力端子１０と電池セル１との間に、保護素子２のヒューズ５を直列に接続している。

これらのヒューズ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低融点金属である。低融点金属であるヒューズ５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、低融点金属であるヒューズ５は自己発熱で溶断できる。ただし、ヒューズの低融点金属には、必ずしも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。

加熱抵抗４は、一方の端子を、第１のヒューズ５Ａと第２のヒューズ５Ｂの中間接続点１５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。この加熱抵抗４は、スイッチング素子３をオンに制御して通電される状態で、ジュール熱によって発熱し、ヒューズ５を加熱して溶断する。

加熱抵抗４は、ヒューズ５を加熱して溶断できるように、ヒューズ５の近傍に位置して、ヒューズ５に熱結合する状態で配置している。図５に示す加熱抵抗４は、絶縁材８を介して絶縁状態でヒューズ５に積層して配設している。この加熱抵抗４は、絶縁材８に熱を伝導させてヒューズ５を加熱する。ただ、加熱抵抗は、絶縁材を介することなく、ヒューズに接近して配置して、輻射熱でヒューズを加熱することもできる。さらに、加熱抵抗４は、第１のヒューズ５Ａと第２のヒューズ５Ｂの中間接続点１５に一端を接続しているので、中間接続点１５を介して伝導される熱によってもヒューズ５を加熱する。

さらに、図に示す加熱抵抗４は、第１のヒューズ５Ａよりも第２のヒューズ５Ｂに近接して配置している。それは、異常時において、加熱される加熱抵抗４でもって、電池セル１側の第１のヒューズ５Ａよりも出力端子１０側の第２のヒューズ５Ｂの方を先に溶断するためである。第１のヒューズ５Ａよりも第２のヒューズ５Ｂに近接して配置される加熱抵抗は、第１のヒューズ５Ａよりも第２のヒューズ５Ｂの方を効果的に加熱する。したがって、加熱抵抗４に通電する状態で、第２のヒューズ５Ａの方が第１のヒューズ５Ｂよりも早く溶融温度まで加熱されて、先に溶断される。

図６に示す加熱抵抗４は、ひとつの抵抗素子７で構成している。ひとつの抵抗素子７で構成される加熱抵抗４は、ジュール熱による発熱量が小さすぎるとヒューズ５を加熱して溶断できない。反対に、発熱量が大きすぎるとそれ自体が焼損する。したがって、この抵抗素子７は、ジュール熱による発熱量を、ヒューズ５を溶断するが、それ自体が焼損しない範囲となるように使用条件を制約している。

ただ、加熱抵抗は、必ずしもひとつの抵抗素子とする必要はなく、複数の抵抗素子で構成することもできる。この加熱抵抗は、複数の抵抗素子を並列に、あるいは直列に、あるいはまた並列と直列に接続することができる。図７に示す保護素子２２は、加熱抵抗２４を、互いに並列に接続された３本の抵抗素子２７で構成している。これらの抵抗素子２７は、電気抵抗が異なり、かつ焼損される供給電圧が異なるものを使用している。このように電気抵抗が異なる複数の抵抗素子２７で構成される加熱抵抗２４は、加熱抵抗２４に供給される電圧が大幅に変化しても、ヒューズ５を確実に加熱して溶断できる特長がある。したがって、複数の抵抗素子で構成される加熱抵抗は、各抵抗素子の電気抵抗を、供給電圧と消費電力と発熱量とヒューズを溶断できる熱量とを考慮して特定される。

制御回路６は、電池セル１が異常な状態になることを検出し、電池セル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が検出する電池セル１の異常な状態とは、たとえば、満充電された電池セルがさらに充電される状態、あるいは、電池セルに過電流が流れる状態である。ただ、本発明は、電池セルの異常な状態をこの状態には特定しない。電池セルの異常な状態とは、満充電された電池セルの過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セルが充電又は放電される状態を意味するものとする。たとえば、電池セルの内部に鉄粉などの異物が混入していて、セパレータの劣化で電極同士が短絡して異常発熱する場合があるが、このような状況になって、それ以後、充放電できなくするような状態も含んでいる。複数の電池セル１を内蔵するパック電池は、各々の電池セル１の異常な状態を検出して、いずれかの電池セル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、全ての電池セル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。

以上のパック電池は、電池セル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、ヒューズ５が加熱抵抗４に加熱されることがなく、ヒューズ５が溶断されることはない。電池セル１は、ヒューズ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。

電池セル１が異常な状態になると、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、図８に示すように、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て、ヒューズ５を加熱する。ここで、図の加熱抵抗４は、第１のヒューズ５Ａよりも第２のヒューズ５Ｂに近接して配置しているので、第１のヒューズ５Ａよりも第２のヒューズ５Ｂの方を効果的に加熱する。このため、第２のヒューズ５Ｂは、第１のヒューズ５Ａよりも早く溶融温度まで加熱されて、図９に示すように、第１のヒューズ５Ａよりも先に溶断される。第２のヒューズ５Ｂが溶断されると、電池セル１は出力端子１０から切り離されて、パック電池の出力電流が遮断される。また、この状態で、加熱抵抗４は出力端子１０側から遮断されており、充電器等の電気機器からも遮断される。さらに、この状態では、第１のヒューズ５Ａが溶断されていないので、電池セル１から供給される電流が第１のヒューズ５Ａを介して加熱抵抗４に流れる。加熱抵抗４は、さらにこの電流によるジュール熱で加熱されて、図１０に示すように、第１のヒューズ５Ａを加熱して溶断する。第１のヒューズ５Ｂが溶断されると、電池セル１は加熱抵抗４から切り離されて、電池セル１の出力電流が遮断される。

さらに、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。このパック電池の保護素子３２は、図１２に示すように、第２のヒューズ３５Ｂの太さを第１のヒューズ３５Ａよりも細くして、第２のヒューズ３５Ｂが第１のヒューズ３５Ａよりも先に溶断されるようにしている。ヒューズは、同じ材質で製作される場合、細いヒューズの方が太いヒューズよりも早く溶断される。図に示すヒューズ３５は、出力端子１０側に配置される第２のヒューズ３５Ｂの太さを、電池セル１側に配置される第１のヒューズ３５Ａよりも先に溶断されるように細くしている。

ただし、本明細書において、第２のヒューズの太さを第１のヒューズよりも細くするとは、その外径を小さくするだけでなく、その厚さを薄くすることも含む広い意味で使用する。それは、断面形状を円形や多角形とするヒューズにおいては、その外径を小さくすることによって溶断されやすくでき、板状のヒューズにおいては、その厚さを薄くすることによって溶断されやすくできるからである。すなわち、本明細書において、第２のヒューズの太さを第１のヒューズよりも細くするとは、その断面積を小さくする状態を含む広い意味で使用する。
また、上の例では、作り易さを考慮して同一金属としているが、融点の異なる異種金属を用い、第１のヒューズを高融点、第２のヒューズを低融点とすることで同様の機能を実現することもできる。また、同一金属を使用して同じ太さ（厚さ）とする場合であっても、ヒューズ部から周囲への熱抵抗を変える、すなわち出力端子の形状や厚みを電池端子より小さく薄い形状とすることでも実現でき、あるいは、加熱抵抗の熱をヒューズに伝導する絶縁体の熱伝導率を調整する、すなわち、第１のヒューズ側の絶縁材の熱伝導率を低くし、第２のヒューズ側の絶縁材の熱伝導率を高くすることによっても実現できる。

第２のヒューズ３５Ｂの太さを第１のヒューズ３５Ａよりも細くする保護素子３２は、加熱抵抗４に通電される電流で発生するジュール熱で、第１のヒューズ３５Ａと第２のヒューズ３５Ｂが均等に加熱されても、細い第２のヒューズ３５Ｂの方が太い第１のヒューズ３５Ａよりも先に溶断される。したがって、この保護素子３２は、加熱抵抗４を、第１のヒューズ３５Ａと第２のヒューズ３５Ｂから等距離に配置しながら、第１のヒューズ３５Ａよりも第２のヒューズ３５Ｂの方を先に溶断できる。ただ、加熱抵抗は、前述の実施例のように、第１のヒューズよりも第２のヒューズに近接して配置することもできる。この構造は、第２のヒューズを最も速やかに溶断できる。

図１１と図１２に示す保護素子３２は、第１のヒューズ３５Ａと第２のヒューズ３５Ｂの中間接続点１５に接続される加熱抵抗４を第１のヒューズ３５Ａと第２のヒューズ３５Ｂのほぼ真ん中に配置している。したがって、加熱抵抗４の発熱は、第１のヒューズ３５Ａと第２のヒューズ３５Ｂの両方に均等に伝導される。ただ、この保護素子３２は、第２のヒューズ３５Ｂを第１のヒューズ３５Ａよりも細くしているので、第２のヒューズ３５Ｂの方が第１のヒューズ３５Ａよりも先に溶断される。その後、第１のヒューズ３５Ａは、加熱抵抗４でさらに加熱されて溶断される。
なお、図１１と図１２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、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。 従来の他のパック電池の回路図である。 図２に示すパック電池のヒューズが溶断される状態を示す図である。 本発明の一実施例にかかるパック電池の回路図である。 保護素子の一例の断面を示す概略構成図である。 図５に示す保護素子の等価回路図である。 保護素子の他の一例を示す回路図である。 図４に示すパック電池の加熱抵抗に電流が流れる状態を示す図である。 第２のヒューズが溶断された状態を示す図である。 第１のヒューズが溶断された状態を示す図である。 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。 保護素子の他の一例の断面を示す概略構成図である。

符号の説明

１…電池セル
２…保護素子
３…スイッチング素子
４…加熱抵抗
５…ヒューズ ５Ａ…第１のヒューズ
５Ｂ…第２のヒューズ
６…制御回路
７…抵抗素子
８…絶縁材
１０…出力端子
１１…電池端子
１２…充電端子
１３…スイッチ端子
１５…中間接続点
１６…電極
２２…保護素子
２４…加熱抵抗
２７…抵抗素子
３２…保護素子
３５…ヒューズ ３５Ａ…第１のヒューズ
３５Ｂ…第２のヒューズ
８１…電池
８２…抵抗内蔵型ヒューズ
８３…外部スイッチ
８４…加熱抵抗
８５…ヒューズ ８５Ａ…ヒューズ
８５Ｂ…ヒューズ
９１…電池
９２…抵抗内蔵型ヒューズ
９４…加熱抵抗
９５…ヒューズ

Claims (2)

1. 電池セルと、
   前記電池セルの充放電経路に直列に配置されて、熱で溶断されて電流を遮断する複数のヒューズであって、電池セル側に配置された第１のヒューズと、電気機器側に配置された第２のヒューズと、
   前記ヒューズの近傍に配置されて、これを加熱する加熱抵抗であって、一方の端子を前記第１のヒューズと前記第２のヒューズとの間に電気的に接続した加熱抵抗と、
   を備える電池パックであって、
   前記加熱抵抗は、前記第１のヒューズよりも前記第２のヒューズに近接して配置されてなることを特徴とするパック電池。
2. 電池セルと、
   前記電池セルの充放電経路に直列に配置されて、熱で溶断されて電流を遮断する複数のヒューズであって、電池セル側に配置された第１のヒューズと、電気機器側に配置された第２のヒューズと、
   前記ヒューズの近傍に配置されて、これを加熱する加熱抵抗であって、一方の端子を前記第１のヒューズと前記第２のヒューズとの間に電気的に接続した加熱抵抗と、
   を備える電池パックであって、
   前記第２のヒューズは、前記第１のヒューズよりも先に溶断するように、ヒューズの太さを細くしてなることを特徴とするパック電池。

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