JP2011254658A

JP2011254658A - バッテリ保護モジュール

Info

Publication number: JP2011254658A
Application number: JP2010127993A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tajima; 修田島; Yoshinobu Ishizaki; 芳宜石崎
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2011-12-15
Also published as: KR20110132970A; US20110299209A1; CN102270830A

Abstract

【課題】バッテリパックの小型化及び大容量化に寄与し得るバッテリ保護モジュールを提供すること。
【解決手段】バッテリ保護モジュール２１は、基板上に形成されたバッテリ保護ＩＣ２３と、基板上に形成され、バッテリ保護ＩＣ２１によって制御されるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と、基板上に形成されたバッテリ接続端子ＢＨ、ＢＧと、基板上の、バッテリ接続端子ＢＨ、ＢＧを流れる電流と同一の電流が流れる経路に設けられたワイヤーヒューズ３０と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、過充電、過放電、及び異常電流からバッテリを保護するバッテリ保護モジュールに関する。

通常、例えば携帯機器のバッテリパックには、バッテリに加えて、過充電、過放電、及び異常電流からバッテリを保護するバッテリ保護モジュールが搭載されている。

二次電池、特にリチウムイオン電池は、過充電、過放電及び異常電流が生じると破損する可能性がある。そこで、保護モジュールは、過充電、過放電又は異常電流を検知したときに、バッテリの電流を遮断することにより、バッテリの破損を未然に防ぐようになっている。

従来、この種のバッテリ保護モジュールとして、特許文献１で開示されたものがある。特許文献１には、保護ＩＣによってバッテリの過放電、過充電を検知し、これらを検知した場合に、スイッチングトランジスタをオフ制御することで、過放電、過充電によるバッテリの損傷を未然に防止する構成が開示されている（特許文献１の図１参照）。

また、過電流等の異常電流対策としては、一般に電流ヒューズが用いられる。バッテリパックへの電流ヒューズの適用例としては、特許文献２−３で開示されたものがある。

図１に、特許文献１で開示されたバッテリ保護モジュールと、特許文献２−３で開示された電流ヒューズと、を組み合わせた場合の、バッテリパックの回路イメージを示す。バッテリパック１０において、バッテリ保護モジュール１１は、保護ＩＣ及びスイッチングトランジスタを有する。バッテリ保護モジュール１１は、正極バッテリ接続端子ＢＨ及び負極バッテリ接続端子ＢＧを介してバッテリ１２に接続される。また、バッテリ保護モジュール１１からは、正極端子ＰＨ及び負極端子ＰＧが導出されており、当該正極端子ＰＨ及び負極端子ＰＧには、充電器（ＡＣアダプタ）や電子機器の負荷が接続される。加えて、バッテリ保護モジュール１１とバッテリ１２との間には、特許文献２−３に記載されているような電流ヒューズが接続されている。図１の構成によれば、過充電、過放電及び過電流からバッテリを保護することができると考えられる。

特開２００４−６５２４号公報特開２００８−１０５０１号公報特開２００２−９５１５７号公報

ところで、特許文献１で開示されたバッテリ保護モジュールと、特許文献２−３で開示された電流ヒューズと、を組み合わせると、図２に示すように、電流ヒューズ１３がバッテリ保護モジュール１１及びバッテリ１２に対して外部部品として外付けされるので、その分だけバッテリパックに余分なスペースが必要となり、バッテリパックの小型化及びバッテリの大容量化の妨げになる。

また、外部部品として電流ヒューズが必要となるので、その分だけ構成が複雑化し、コストアップにも繋がる欠点がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、バッテリパックの小型化及び大容量化に寄与し得るバッテリ保護モジュールを提供することを目的とする。

本発明のバッテリ保護モジュールの一つの態様は、バッテリパックに搭載されるバッテリ保護モジュールであって、基板と、前記基板上に形成されたバッテリ保護ＩＣと、前記基板上に形成され、前記バッテリ保護ＩＣによって制御されるスイッチング素子と、前記基板上に形成されたバッテリ接続端子と、前記基板上の、前記バッテリ接続端子を流れる電流と同一の電流が流れる経路に設けられたワイヤーヒューズと、を具備する。

本発明のバッテリ保護モジュール製造方法の一つの態様は、基板上に所定パターンの配線を形成する工程と、前記配線の所定位置に回路部品及びワイヤーヒューズをワイヤーボンディングする工程と、を含む。

本発明によれば、電流ヒューズ（ワイヤーヒューズ）をバッテリ保護モジュールの内部に組み込んだことにより、バッテリパックの小型化及び大容量化を実現できる。また、回路部品をワイヤーボンディングする工程と同一の工程でワイヤーヒューズを形成できるので、製造が容易である。

バッテリ保護モジュールと電流ヒューズとを組み合わせた従来の回路イメージを示す接続図従来のバッテリパックのレイアウトのイメージを示す図実施の形態に係るバッテリ保護モジュールの構成を示す接続図ワイヤーヒューズの側面図ワイヤーの本数を変化させた場合の、ワイヤーヒューズの溶断特性を示す図回路基板の表面への各部品及び端子のレイアウトを示す図回路基板の配線パターンと各部品及び端子との関係を示す図であり、図７Ａは回路基板の表面側を示す図、図７Ｂは回路基板の裏面側を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図３に、本発明の実施の形態に係るバッテリ保護モジュールの構成を示す。図３において、２０は全体としてバッテリパックの構成を示す。バッテリパック２０には、バッテリ保護モジュール２１が設けられている。

バッテリ保護モジュール２１は、正極バッテリ接続端子ＢＨ及び負極バッテリ接続端子ＢＧを介してバッテリ２２に接続される。また、バッテリ保護モジュール２１からは、正極端子ＰＨ及び負極端子ＰＧが導出されており、当該正極端子ＰＨ及び負極端子ＰＧには、充電器や電子機器の負荷が接続される。

バッテリ保護モジュール２１は、保護ＩＣ２３と、スイッチングトランジスタ（放電制御スイッチとしてのトランジスタＱ１及び充電制御スイッチとしてのトランジスタＱ２）とを有する。

加えて、バッテリ保護モジュール２１は、ワイヤーヒューズ３０を有する。換言すれば、ワイヤーヒューズ３０がバッテリ保護モジュール２１に内蔵されている。本実施の形態の場合、ワイヤーヒューズ３０は、放電制御トランジスタＱ１と負極バッテリ接続端子ＢＧとの間に設けられている。具体的には、ワイヤーヒューズ３０は、放電制御トランジスタＱ１のソースと負極バッテリ接続端子ＢＧとの間に金線をワイヤーボンディングすることで形成されている。ワイヤーヒューズ３０の材料としては、金の他に、例えばアルミニウム、銅等を用いることができる。

本実施の形態の場合、トランジスタＱ１、Ｑ２は、ワイヤーボンディングによって基板に取り付けられている。ワイヤーヒューズ３０は、このトランジスタＱ１、Ｑ２の基板へのワイヤーボンディング工程と同一の工程で形成できるので、ヒューズを形成するための工程を別途追加する必要がない。よって、容易にワイヤーヒューズ３０を形成できる。

図４に、ワイヤーヒューズ３０の形状を示す。図４は、ワイヤーヒューズ３０の側面図である。ワイヤーヒューズ３０の形状は、ワイヤーボンディングされた他の部品（例えばトランジスタＱ１、Ｑ２）のワイヤーと同一の形状とされている。

ただし、ワイヤーヒューズ３０の本数及び長さは、遮断したい過電流に応じて選定される。ここで、ワイヤーヒューズ３０の本数とは、並列接続されるワイヤーの本数のことである。ワイヤーヒューズ３０は、並列接続されるワイヤーの本数が少ないほど、より小さい電流、及び、より短い時間で溶断し易くなる。また、ワイヤーヒューズ３０は、長さが長いほど、より小さい電流、及び、より短い時間で溶断し易くなる。ワイヤーヒューズ３０の本数及び長さは、これらを考慮して設定されている。

図５に、ワイヤーの本数を変化させた場合の、ワイヤーヒューズ３０の溶断特性を示す。図５は、ワイヤーヒューズ３０の１本当たりの長さを、０．５［ｍｍ］とした場合の例である。

ここで、ワイヤーヒューズ３０の特性としては、例えば１０［Ａ］の電流を１０［ｓｅｃ］以上流したときに確実に溶断するものが求められる。図５の例では、この要求を満たすワイヤーの数は、２本又は３本である。よって、ワイヤーヒューズ３０の本数は、２本又は３本に設定される。

ワイヤーヒューズ３０の本数は、基板にワイヤーボンディングされている他の回路部品のワイヤーの本数よりも少なくすると好ましい。このようにすることで、ワイヤーヒューズ３０の各ワイヤーを流れる電流が、必ず他のワイヤーを流れる電流よりも大きくなるので、過電流が流れた場合には、ワイヤーヒューズ３０のワイヤーが必ず他のワイヤーよりも先に溶断するようになる。これにより、ワイヤーの溶断時には、ワイヤーヒューズ３０を再形成すればよいので、メンテナンスが容易となる。

因みに、バッテリ保護モジュール２１は、４０［Ａ］以上の電流（短絡時の想定電流）が流れた場合には、保護ＩＣ２３とトランジスタＱ１、Ｑ２とによって、電流を遮断する。つまり、短絡時に生じるような大電流は保護ＩＣ２３とトランジスタＱ１、Ｑ２とによって遮断する。一方、短絡時に生じるような大電流よりは小さいものの、規定の電流よりは大きい電流が、一定時間以上流れた場合には、ワイヤーヒューズ３０によってこの電流を遮断する。

次に、バッテリ保護モジュール２１におけるワイヤーヒューズ３０以外の部分について説明する。

負極バッテリ接続端子ＢＧと負極端子ＰＧとの間には、トランジスタＱ１、Ｑ２が直列に接続されている。トランジスタＱ１、Ｑ２の各々は電界効果トランジスタから構成されている。トランジスタＱ１は放電制御スイッチとして動作し、トランジスタＱ２は充電制御スイッチとして動作する。

保護ＩＣ２３は、ＶＤＤ端子と、ＶＳＳ端子と、ＤＯ端子と、ＣＯ端子と、Ｖ−端子と、ＤＳ端子と、を有する。ＶＤＤ端子は抵抗器Ｒ１を介して正極バッテリ接続端子ＢＨ及び正極端子ＰＨに接続されている。ＶＳＳ端子はワイヤーヒューズ３０を介して負極バッテリ接続端子ＢＧに接続されている。ＶＤＤ端子とＶＳＳ端子との間にはコンデンサＣ１が接続されている。ＤＯ端子はトランジスタＱ１のゲートに接続されている。Ｖ−端子は抵抗器Ｒ２を介して接地端子ＰＧに接続されている。ＣＯ端子は抵抗器Ｒ４を介してトランジスタＱ２のゲートに接続されている。

識別端子ＩＤと負極端子ＰＧとの間には、抵抗器Ｒ３とコンデンサＣ２とが並列に接続されている。また、正極端子ＰＨと接地端子ＰＧとの間にはコンデンサＣ３が接続されている。これにより、バッテリ保護モジュール２１は、識別端子ＩＤに接続された負荷又は充電器の種類を検知し、その種類に応じて電流遮断動作を制御するようになっている。

保護ＩＣ２３の主な機能は、過放電保護機能と過充電保護機能である。実際上、保護ＩＣ２３は、過放電保護機能を実現する過放電制御回路（図示せず）と、過充電保護機能を実現する過充電制御回路（図示せず）とを有する。

正極端子ＰＨと負極端子ＰＧとの間に負荷が接続されたとする。過放電制御回路には、過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）が設定されている。すなわち、過放電制御回路は、バッテリ２２の電圧と過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）とを比較し、バッテリ電圧が過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）よりも低くなると過放電と判定して、論理ローレベルの過放電検出信号を出力する。この過放電検出信号がトランジスタＱ１のゲートに供給されると、トランジスタＱ１はオフする。

次に、正極端子ＰＨと負極端子ＰＧとの間に後述する充電器が接続されたとする。バッテリ電圧が過放電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｄ）に過放電用ヒステリシス電圧Ｖｈｙ（ｏｄ）を加えて得られる過放電復帰電圧（Ｖｔｈ（ｏｄ）＋Ｖｈｙ（ｏｄ））よりも高くなると、論理ハイレベルの過放電保護解除信号を出力する。この過放電保護解除信号がトランジスタＱ１のゲートに供給されると、トランジスタＱ１はオンする。

一方、過充電制御回路には、過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）が設定されている。すなわち、過充電制御回路は、バッテリ２２の電圧と過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）とを比較し、バッテリ電圧が過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）よりも高くなると過充電と判定して、論理ローレベルの過充電検出信号を出力する。この過放電検出信号がトランジスタＱ２のゲートに供給されると、トランジスタＱ２はオフする。

再び、正極端子ＰＨと負極端子ＰＧとの間に負荷が接続されたとする。バッテリ電圧が過充電検出しきい値電圧Ｖｔｈ（ｏｃ）から過充電用ヒステリシス電圧Ｖｈｙ（ｏｃ）を引いて得られる過充電復帰電圧（Ｖｔｈ（ｏｃ）−Ｖｈｙ（ｏｃ））よりも低くなると、過充電制御回路は論理ハイレベルの過充電保護解除信号を出力する。この過充電保護解除信号がトランジスタＱ２のゲートに供給されると、トランジスタＱ２はオンする。

ここで、図３に示されるように、トランジスタＱ１は寄生ダイオードを持ち、その順方向がバッテリ２２の充電方向となるように接続されている。従って、トランジスタＱ１がオフ状態となっても、その寄生ダイオードにより充電は可能である。同様に、トランジスタＱ２も寄生ダイオードを持ち、その順方向がバッテリ２２の放電方向となるように接続されている。従って、トランジスタＱ２がオフ状態となっても、その寄生ダイオードにより放電は可能である。

図６及び図７に、バッテリ保護モジュール２１の回路基板上のレイアウトを示す。図６は、回路基板の表面への各部品（保護ＩＣ２３、トランジスタＱ１、Ｑ２、ワイヤーヒューズ３０、抵抗器Ｒ１−Ｒ４、コンデンサＣ１−Ｃ３）及び端子（正極バッテリ接続端子ＢＨ及び負極バッテリ接続端子ＢＧ）のレイアウトを示す。図７は、回路基板の配線パターンと、各部品及び端子との関係を示すものであり、図７Ａは回路基板の表面側を示し、図７Ｂは回路基板の裏面側を示す。なお、図６及び図７における○で示した部分はスルーホールである。回路基板は、例えば、縦が５〜６ｍｍで、横が３０ｍｍの矩形形状をしている。

図７Ａからも分かるように、ワイヤーヒューズ３０は、放電制御トランジスタＱ１と負極バッテリ接続端子ＢＧとの間に設けられている。図７Ａの例は、ワイヤーヒューズ３０が２本のワイヤーで構成されている場合の例である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、バッテリ保護ＩＣ２３及びトランジスタＱ１、Ｑ２と同一の基板（すなわち同一モジュール）上に、ワイヤーヒューズ３０を設けたことにより、ヒューズを外付けする場合と比較して、バッテリパックの小型化及び大容量化を実現できる。また、回路部品をワイヤーボンディングする工程と同一の工程でワイヤーヒューズ３０を形成できるので、製造が容易である。さらに、ワイヤーの本数又は長さ変更するといった簡単な操作で溶断特性を制御できるので便利である。

なお、上述の実施の形態では、ワイヤーヒューズ３０を、放電制御トランジスタＱ１と負極バッテリ接続端子ＢＧとの間に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、ワイヤーヒューズ３０は、正極バッテリ接続端子ＢＨと正極端子ＰＨとの間に設けられてもよい。要は、ワイヤーヒューズ３０は、バッテリ接続端子ＢＧ、ＢＨを流れる電流と同一の電流が流れる基板上の経路に設けられていればよい。

本発明にかかるバッテリ保護モジュールは、例えば携帯電話機やデジタルカメラ等の携帯型電子機器のバッテリパックに適用して好適である。

１０、２０バッテリパック
１１、２１バッテリ保護モジュール
１２、２２バッテリ
２３保護ＩＣ
３０ワイヤーヒューズ
ＢＨ正極バッテリ接続端子
ＢＧ負極バッテリ接続端子
ＰＨ正極端子
ＰＧ負極端子
Ｑ１、Ｑ２トランジスタ

Claims

バッテリパックに搭載されるバッテリ保護モジュールであって、
基板と、
前記基板上に形成されたバッテリ保護ＩＣと、
前記基板上に形成され、前記バッテリ保護ＩＣによって制御されるスイッチング素子と、
前記基板上に形成されたバッテリ接続端子と、
前記基板上の、前記バッテリ接続端子を流れる電流と同一の電流が流れる経路に設けられたワイヤーヒューズと、
を具備するバッテリ保護モジュール。
前記バッテリ保護ＩＣ又は前記スイッチング素子のうちの少なくとも一方は、前記基板にワイヤーボンディングされている、
請求項１に記載のバッテリ保護モジュール。
前記ワイヤーヒューズは、単数又は並列接続された複数のワイヤーからなり、
当該ワイヤーの本数は、前記基板にワイヤーボンディングされている前記バッテリ保護ＩＣ又は前記スイッチング素子のワイヤーの本数よりも少ない、
請求項２に記載のバッテリ保護モジュール。
基板上に所定パターンの配線を形成する工程と、
前記配線の所定位置に回路部品及びワイヤーヒューズをワイヤーボンディングする工程と、
を含むバッテリ保護モジュール製造方法。