JP2015201313A - 保護素子、保護回路及びバッテリ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電経路の遮断後において、バッテリスタックの残留電力を安全に消費させる。【解決手段】絶縁基板２１と、発熱体１５と、絶縁基板２１に積層され、外部回路と接続される第１、第２の電極１１，１２と、第１、第２の電極１１，１２、及び第１、第２の電極１１，１２間に設けられ、発熱体１５と接続された発熱体引出電極１８に積層され、加熱により第１の電極１１と第２の電極１２との間の電流経路を遮断する可溶導体２２と、第１の電極１１と発熱体引出電極１８との間において負荷抵抗１６が可溶導体２２と並列に接続されるとともに、負荷抵抗１６が外部回路及び発熱体１５に直列に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電流経路を遮断する保護素子及び保護回路に関し、特にリチウムイオン二次電池等の緊急時に速やかに電流経路を遮断する必要のあるバッテリ回路や、バッテリ回路に用いて好適な保護素子及び保護回路に関する。

充電して繰り返し利用することのできる二次電池の多くは、バッテリパックに加工されてユーザに提供される。特に重量エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池においては、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護、過放電保護等のための保障回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの出力を遮断する機能を有している。

この種の回路では、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴスイッチを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、バッテリパックの過充電保護又は過放電保護動作を行う。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴスイッチが短絡破壊した場合、雷サージ等が印加されて瞬間的な大電流が流れた場合、あるいはバッテリセルの寿命によって出力電圧が異常に低下したり、逆に過大異常電圧を出力した場合であっても、バッテリパックや電子機器は、発火等の事故から保護されなければならない。そこで、このような想定し得るいかなる異常状態においても、バッテリセルの出力を安全に遮断するために、外部からの信号によって電流経路を遮断する機能を有するヒューズ素子からなる保護素子が用いられる。

このようなリチウムイオン二次電池等向けのバッテリ回路の保護素子として、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体によって電流経路上のヒューズを溶断する構造が一般的に用いられている。

本発明の関連技術として、図１２にバッテリ回路６０を示す。バッテリ回路６０は、例えば、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いられるバッテリ回路であり、リチウムイオン二次電池のバッテリセル６２を備えたバッテリスタック６４と、バッテリスタック６４の異常時に充電を遮断する保護素子５０と、バッテリスタック６４の電圧を検出する検出素子６３と、検出素子６３の検出結果に応じて保護素子５０の動作を制御するスイッチ素子６１を備える。

保護素子５０は、バッテリスタック６４の充放電経路上に直列に接続され、該充放電経路の一部を構成するヒューズ５６と、スイッチ素子６１と接続されバッテリスタック６４から電力が供給されることにより発熱し、ヒューズ５６を溶断させる発熱体５３とを有する。保護素子５０は、スイッチ素子６１によって発熱体５３への給電が制御されている。

検出素子６３は、バッテリスタック６４の電圧をモニタし、過充電電圧又は過放電電圧になったときにスイッチ素子６１を制御する制御信号を出力する。

スイッチ素子６１は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出素子６３から出力される検出信号によって、バッテリスタック６４の電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子５０を動作させて、バッテリスタック６４の充放電経路を遮断するように制御する。

このような回路構成からなるバッテリ回路６０は、検出素子６３がバッテリスタック６４の異常電圧を検出すると、スイッチ素子６１に検出信号を出力する。検出信号を受けたスイッチ素子６１は、保護素子５０の発熱体５３にバッテリスタック６４から給電されるように電流を制御する。これにより、バッテリ回路６０は、発熱体５３が発熱して、ヒューズ５６が溶断することにより、充放電経路を遮断することができる。

特開２００５−２４３６５２号公報 特開２００６−２２１９１９号公報 特開２００９−２６７２９３号公報

ところで、バッテリ回路６０は、バッテリスタック６４の過充電電圧を検知することによりヒューズ５６を溶断させバッテリスタック６４を充放電経路から遮断すると、バッテリスタック６４にエネルギーが高密度に充填された状態で放置されることから、何らかの方法で放電させることが安全対策上、好ましい。

ここで、バッテリ回路として、図１３に示すように、ヒューズ５６を外部接続端子側のみに設け、保護素子５０が作動してヒューズ５６が溶断された後もバッテリスタック６４と発熱体５３とが接続された状態を維持することで、バッテリスタック６４内の電力を発熱体５３によって消費させる回路も想定される。

しかし、図１３に示すバッテリ回路では、ヒューズ５６を溶断させるほどの発熱が続くことから、安全性に劣る。

また、図１４に示すように、バッテリスタック６４の電力を消費させる消費抵抗７０及び消費抵抗７０への通電を制御するＦＥＴ７１を、バッテリスタック６４と並列に接続する回路も想定される。

しかし、図１４に示すバッテリ回路では、消費抵抗７０への通電を制御するＦＥＴ７１を設け、保護素子５０によってバッテリスタック６４を遮断した後、ＦＥＴ７１を作動させる必要がある。したがって、ＦＥＴ７１が故障した場合には消費抵抗７０による電力消費ができなくなるリスクもある。

また、図１４に示すバッテリ回路では、ＦＥＴ７１の漏れ電流が避けられず、バッテリスタック６４の電力が消費抵抗７０によって徐々に消費され、待機電力が増加してしまう。さらに、ＦＥＴ７１やその保護部品等、部品点数が増加し、実装スペースも広がるといった問題もある。

そこで、本発明は、充放電経路の遮断後において、バッテリスタックの残留電力を安全に消費させる保護素子、保護回路及びバッテリ回路を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、発熱体と、上記絶縁基板に積層され、外部回路と接続される第１、第２の電極と、上記第１、第２の電極、及び上記第１、第２の電極間に設けられ、上記発熱体と接続された発熱体引出電極に積層され、加熱により上記第１の電極と上記第２の電極との間の電流経路を遮断する可溶導体と、上記第１の電極と上記発熱体引出電極との間において負荷抵抗が上記可溶導体と並列に接続されるとともに、上記負荷抵抗が上記外部回路及び上記発熱体に直列に接続されるものである。

また、本発明に係る保護回路は、外部回路に接続される第１、第２の電極と、上記第１、第２の電極間にわたる電流経路上に直列に設けられた第１、第２のヒューズと、上記第１、第２のヒューズ間に設けられた発熱体引出電極と、上記外部回路の開放端と接続された発熱体電極との間に設けられ、上記第１、第２のヒューズを溶断する発熱体と、上記第１の電極と上記発熱体引出電極との間において負荷抵抗が上記第１のヒューズと並列に接続されるとともに、上記負荷抵抗が上記第１の電極と上記発熱体電極との間において上記発熱体に直列に接続されるものである。

また、本発明に係るバッテリ回路は、バッテリスタックと、上記バッテリスタックの充放電経路に直列に接続された第１、第２のヒューズと、発熱することにより上記第１、第２のヒューズを溶断させ上記充放電経路を遮断する発熱体と、上記バッテリスタック及び上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記第１のヒューズと並列に接続された負荷抵抗と、上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記バッテリスタックと並列に接続され、上記発熱体に通電させ上記バッテリスタックを遮断する電流制御素子とを有するものである。

本発明によれば、バッテリ回路に接続されることにより、バッテリの充放電経路を遮断するとともに、バッテリスタックに残留する電力を消費させるバッテリ消費経路を形成し、バッテリスタックにエネルギーが溜まった状態で放置される危険を回避することができる。このとき、バッテリ消費経路は、バッテリスタックの電流が直列に接続された発熱体及び負荷抵抗を流れることから、バッテリスタックの電力は、発熱体のみを経由して消費される場合に比して、発熱体及び負荷抵抗のそれぞれで消費される電力が下がり、各発熱量を抑えることができる。したがって、本発明によれば、低温で安全にバッテリスタックの電力を消費させることができる。

図１は、本発明が適用されたバッテリ回路を示す回路図である。 図２は、通常の充放電動作時におけるバッテリ回路を示す回路図である。 図３は、ヒューズ溶断時においてバッテリ消費経路が形成されたバッテリ回路を示す回路図である。 図４は、消費抵抗を保護回路の外部に設けたバッテリ回路を示す回路図である。 図５は、保護素子を示す平面図である。 図６は、保護素子を示す断面図である。 図７は、可溶導体が溶融した保護素子を示す平面図である。 図８は、負荷抵抗を発熱体よりも細く形成した保護素子を示す平面図である。 図９は、負荷抵抗を第１の電極と発熱体引出電極との間に直接接続させた保護素子を示す平面図である。 図１０は、負荷抵抗を絶縁基板の裏面に形成した保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 図１１は、負荷抵抗を外部接続した保護素子を示す平面図である。 図１２は、通常の充放電動作時における従来のバッテリ回路を示す回路図である。 図１３は、ヒューズ溶断時においてバッテリ消費経路が形成された従来のバッテリ回路を示す回路図である。 図１４は、バッテリ消費経路をバッテリセルと並列させたバッテリ回路を示す回路図である。

以下、本発明が適用された保護素子、保護回路及びバッテリ回路について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［バッテリ回路の構成］
本発明が適用されたバッテリ回路１は、図１に示すように、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック１０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリ回路１は、バッテリスタック２と、バッテリスタック２の異常電圧時に充放電経路を遮断する保護回路３と、保護回路３に流れる電流を制御する電流制御素子４とを有する。

バッテリスタック２は、一又は複数のリチウムイオン二次電池のバッテリセル２ａを有する。各バッテリセル２ａは、電圧を検知する検出素子５と接続されている。

保護回路３は、バッテリスタック２の充放電経路に接続される第１、第２の電極１１，１２と、第１、第２の電極１１，１２間にわたる電流経路上に直列に設けられた第１、第２のヒューズ１３，１４と、第１、第２のヒューズ１３，１４を溶断する発熱体１５と、バッテリスタック２の充放電経路が遮断された後に、バッテリスタック２の電力を消費させる負荷抵抗１６とを備える。

第１の電極１１は、バッテリスタック２の一方の開放端と接続され、第２の電極１２は、充電器や電子機器等が接続されるバッテリ回路１の外部接続端子と接続されている。第１の電極１１は、発熱体１５と接続された発熱体引出電極１８との間に可溶導体が接続されることにより、発熱体引出電極１８との間にわたって第１のヒューズ１３が設けられている。同様に、第２の電極１２は、発熱体引出電極１８との間に可溶導体が接続されることにより、発熱体引出電極１８との間にわたって第２のヒューズ１４が設けられている。

第１、第２のヒューズ１３，１４は、バッテリスタック２の充放電経路上に直列に接続され、これにより充放電経路の一部を構成し、発熱体１５の発熱によって溶断することにより、充放電経路を遮断することができる。

第１、第２のヒューズ１３，１４を溶融させる発熱体１５は、通電されることにより発熱する高融点金属材料により形成され、一端が発熱体引出電極１８と接続され、他端が発熱体電極１９と接続されている。発熱体引出電極１８は、第１、第２のヒューズ１３，１４と接続されるとともに、後述する負荷抵抗１６とも接続されている。また、発熱体電極１９は、保護回路３がバッテリ回路１に組み込まれることにより、ＦＥＴ等の電流制御素子４及びバッテリスタック２の他方の開放端と接続される。

これにより、バッテリ回路１は、発熱体１５及び電流制御素子４がバッテリスタック２と並列に接続され、バッテリスタック２より発熱体１５に電力を供給する給電経路が形成される。

負荷抵抗１６は、バッテリスタック２の充放電経路が遮断された後に、発熱体１５とともにバッテリスタック２の電力を消費させ、バッテリスタック２にエネルギーが溜まった状態で放置される危険な状態を解消するものである。負荷抵抗１６は、第１の電極１１と発熱体電極１９との間において、発熱体１５と直列に接続されるとともに、第１の電極１１と発熱体引出電極１８との間において第１のヒューズ１３と並列に接続されている。

検出素子５は、バッテリスタック２あるいはバッテリスタック２を構成する各バッテリセル２ａと接続され、高電圧状態となっているか否かを常時モニタするとともに、高電圧状態となった場合には、電流制御素子４に制御信号を出力する。

電流制御素子４は、検出素子５の検出結果に応じて保護回路３の動作を制御するものであり、たとえばＦＥＴにより構成され、発熱体１５への給電経路への通電を規制し、検出素子５からの制御信号を受けて発熱体１５への給電経路を通電させる。

このようなバッテリ回路１は、通常の充放電動作時においては、図２に示すように、電流制御素子４によって発熱体１５への通電が規制され、また、高抵抗の負荷抵抗１６側にも電流が流れない。したがって、バッテリ回路１は、通常の充放電動作時においては、発熱体１５及び負荷抵抗１６を経由することなく第１、第２のヒューズ１３，１４を経る充放電経路が形成される。

バッテリセル２ａへ過剰電圧が印加され、検出素子５によって過電圧が検出されると、図３に示すように、電流制御素子４へ検出信号が出力される。電流制御素子４は、検出信号を受けて発熱体１５へバッテリスタック２の電流を通電させて発熱させる。

バッテリ回路１は、発熱体１５の発熱により第１、第２のヒューズ１３，１４が溶融し、溶融導体が互いに分離した第１、第２電極１１，１２及び発熱体引出電極１８上に凝集することにより分断される。これにより、バッテリ回路１は、バッテリスタック２の充放電経路を遮断することができる。ここで、バッテリ回路１は、保護回路３の第１、第２のヒューズ１３，１４を溶断することにより充放電経路を遮断することから、不可逆的に充放電経路を遮断する。

バッテリ回路１は、第１、第２のヒューズ１３，１４が溶断することにより、バッテリスタック２、負荷抵抗１６及び発熱体１５が直列に接続されるバッテリ消費経路が形成される。このバッテリ消費経路は、バッテリスタック２に残留する電力を消費させ、バッテリ回路１の遮断後においてバッテリスタック２にエネルギーが溜まった状態で放置される危険を回避することができる。

バッテリ消費経路は、バッテリスタック２の電流が直列に接続された発熱体１５及び負荷抵抗１６を流れる。これにより、バッテリスタック２の電力は、発熱体１５のみを経由して消費される場合に比して、発熱体１５及び負荷抵抗１６のそれぞれで消費される電力が下がり、各発熱量を抑えることができる。したがって、バッテリ回路１は、低温で安全にバッテリスタック２の電力を消費させることができる。一方、発熱体１５は、バッテリスタック２の電力を受けて第１、第２のヒューズを溶融させるほどの高熱を発することから、発熱体１５のみでバッテリスタック２の電力を消費させる場合には、かえって危険を伴う。

バッテリスタック２の電力が消費され、電圧が所定のしきい値以下に降下すると、電流制御素子４がバッテリ消費経路を遮断し、バッテリスタック２の放電が止まる。

［バッテリ回路の効果］
ここで、バッテリ回路１は、負荷抵抗１６が、第１の電極１１と発熱体引出電極１８との間において第１のヒューズ１３と並列に接続され、発熱体１５とは第１の電極１１と発熱体電極１９との間において直列に接続されている。したがって、発熱体１５への給電経路が開放されたときに、発熱体１５に流れるバッテリスタック２の電流が負荷抵抗１６によって影響を受けることがなく、第１、第２のヒューズ１３，１４を速やかに溶断することができる。すなわち、バッテリスタック２の電流は、ほぼ全てが負荷抵抗１６に流れることなく第１のヒューズ１３を経て発熱体１５へ給電されることから、負荷抵抗１６の影響を受けることなく溶断時間のバラつきも発生しない。

なお、バッテリ回路１は、図４に示すように、負荷抵抗１６を保護回路３に設けず、保護回路３がバッテリ回路１に組み込まれることにより、バッテリスタック２及び発熱体１５と直列に接続されるとともに、第１のヒューズ１３と並列に接続させてもよい。

保護回路３と負荷抵抗１６とを切り離すことにより、バッテリスタック２の容量やバッテリスタック２が用いられる電子機器の定格等に応じて負荷抵抗１６の抵抗値を決めることで、保護回路３は、負荷抵抗１６の抵抗値に関わらず、あらゆるバッテリ回路１に組み込むことができる。

また、保護回路３は、第２のヒューズ１４から溶断することが好ましい。第１のヒューズ１３が先に切れた場合にも、バッテリスタック２からの電流は負荷抵抗１６を介して発熱体１５に通電し、発熱し続けるため第２のヒューズ１４を溶断することができる。しかし、第１のヒューズ１３のみが溶断した状態は、第２のヒューズ１４が溶断する前に仮にバッテリパック１０が充電器に接続された場合に、第２のヒューズ１４、負荷抵抗１６を介してバッテリスタック２に充電が可能であり、好ましくない。

したがって、発熱体１５が通電、発熱を開始すると、充電器や電子機器の外部接続電極と接続された第２の電極１２と接続されている第２のヒューズ１４が第１のヒューズ１３よりも先に溶断することが好ましい。これにより、バッテリスタック２をバッテリパック１０の充放電経路から確実に遮断することができる。第２のヒューズ１４の溶断後においても、第１のヒューズ１３を介して発熱体１５への通電は続行するため、第１のヒューズ１３も確実に溶断される。

このように、発熱体１５の発熱時において第２のヒューズ１４から溶断するには、後述するように、保護素子２０の発熱体１５を第２のヒューズ１４側に偏倚して設けること等により実現することができる。

［保護素子］
次いで、保護回路３を構成する本発明が適用された保護素子２０について説明する。図５、図６に示すように、保護素子２０は、絶縁基板２１と、発熱体１５と、絶縁基板２１に積層され、バッテリ回路１等の外部回路と接続される第１、第２の電極１１，１２と、第１、第２の電極１１，１２、及び発熱体引出電極１８に積層され、加熱により第１の電極１１と第２の電極１２との間の電流経路を遮断する可溶導体２２と、外部回路及び発熱体１５に直列に接続されるとともに、第１の電極１１と発熱体引出電極１８との間において可溶導体２２と並列に接続された負荷抵抗１６とを備える。

［絶縁基板］
絶縁基板２１は、たとえば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成される。その他、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、可溶導体２２の溶断時の温度に留意する必要がある。

［第１及び第２の電極］
第１及び第２の電極１１，１２は、絶縁基板２１の表面２１ａ上に形成されている。また、第１及び第２の電極１１，１２は、スルーホールを介して絶縁基板２１の裏面２１ｂに形成された外部接続端子１１ａ，１２ａと連続されている。

第１及び第２の電極１１，１２は、可溶導体２２が搭載されることにより電気的に接続されている。これにより、保護素子２０は、第１の電極１１〜可溶導体２２〜第２の電極１２に至る充放電経路を構成し、この充放電経路は、保護素子２０が実装される回路基板上に形成された外部回路の一部に組み込まれる。

保護素子２０が組み込まれる回路は、保護素子２０が実装される電子機器の電流ラインであり、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック１０におけるバッテリ回路１の他にも、各種電子機器の電源回路等、物理的な電流経路の遮断が求められるあらゆる回路に適用することができる。

［発熱体］
発熱体１５は、絶縁基板２１の表面２１ａに積層され、絶縁部材２５に覆われている。発熱体１５は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、例えばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ等からなる。これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板２１上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成される。発熱体１５は、一端が発熱体引出電極１８と接続され、他端が発熱体電極１９と接続されている。

絶縁部材２５としては、例えばガラスを用いることができる。なお、保護素子２０は、発熱体１５の熱を効率良く可溶導体２２に伝えるために、発熱体１５、発熱体引出電極１８及び発熱体電極１９と絶縁基板２１との間にも絶縁部材を積層し、発熱体１５を絶縁基板２１の表面に形成された絶縁部材２５の内部に設けても良い。

発熱体引出電極１８は、絶縁基板２１の表面２１ａに積層され発熱体１５の一側縁と接する引出部１８ａと、引出部１８ａと連続されるとともに絶縁部材２５上に積層される積層部１８ｂとを有する。発熱体引出電極１８は、積層部１８ｂが第１、第２の電極１１，１２の間に形成され、可溶導体２２を介して第１、第２の電極１１，１２と接続される。

また、発熱体引出電極１８は、積層部１８ｂが絶縁部材２５を介して発熱体１５と重畳する位置に形成されている。したがって、発熱体引出電極１８は、絶縁部材２５を介して発熱体１５の熱が効率よく伝わり、速やかに可溶導体２２を加熱、溶融させることができる。

さらに、発熱体引出電極１８は、引出部１８ａが後述する負荷抵抗１６と接続され、これにより、発熱体１５と負荷抵抗１６とが直列に接続されている。発熱体引出電極１８は、例えばＡｇやＣｕ、あるいはこれらを主成分とした合金等の高融点金属を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板２１上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。

発熱体電極１９は、絶縁基板２１の表面２１ａに積層され発熱体１５の他側縁と接する。また、発熱体電極１９は、図示しないスルーホールを介して絶縁基板２１の裏面２１ｂに形成された外部接続端子と連続され、保護素子２０がバッテリ回路１に組み込まれることにより電流制御素子４と接続される。発熱体電極１９は、例えばＡｇやＣｕ、あるいはこれらを主成分とした合金等の高融点金属を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板２１上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。

［可溶導体］
第１、第２のヒューズ１３，１４を構成する可溶導体２２は、発熱体１５の発熱により速やかに溶断されるいずれの金属を用いることができ、例えば、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属を好適に用いることができる。

また、可溶導体２２は、低融点金属と高融点金属とを積層して形成してもよい。低融点金属と高融点金属との積層構造としては、例えば、低融点金属箔を高融点金属メッキによって被覆する構造を挙げることができる。低融点金属としては、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダなどのハンダを用いることが好ましく、高融点金属としては、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金などを用いることが好ましい。高融点金属と低融点金属とを含有することによって、保護素子２０をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、低融点金属の外部への流出を抑制し、可溶導体２２の形状を維持することができる。また、溶断時も、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。

可溶導体２２は、互いに分離されて形成されバッテリスタック２の充放電経路と接続された第１、第２の電極１１，１２間にハンダ付けされること等により、バッテリスタック２の充放電経路上に直列に接続され、これにより充放電経路の一部を構成し、発熱体１５の発熱によって溶断することにより、充放電経路を遮断することができる。

また、可溶導体２２は、上述したように、第１、第２の電極１１，１２の間に設けられた発熱体引出電極１８の積層部１８ｂ上に接続される。これにより、可溶導体２２は、発熱体引出電極１８と第１の電極１１との間が第１のヒューズ１３となり、発熱体引出電極１８と第２の電極１２との間が第２のヒューズ１４となる。

［負荷抵抗］
負荷抵抗１６は、発熱体１５と同様に、絶縁基板２１の表面２１ａに積層され、絶縁部材２５に覆われている。負荷抵抗１６は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、例えばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ等、発熱体１５と同じ材料を用いことができる。負荷抵抗１６は、これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを絶縁基板２１上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができ、発熱体１５と同一の印刷工程で形成することが製造効率上、好ましい。

負荷抵抗１６は、一端が第１の電極１１と接続され、他端が発熱体引出電極１８の引出部１８ａと接続されている。これにより、負荷抵抗１６は、第１の電極１１を介してバッテリスタック２と接続されるとともに発熱体引出電極１８を介して発熱体１５に直列に接続される。また、負荷抵抗１６は、第１の電極１１と発熱体引出電極１８との間において、第１のヒューズ１３（可溶導体２２）と並列に接続される。

［その他］
なお、保護素子２０は、可溶導体２２の酸化防止、及び可溶導体２２の溶融時における濡れ性を向上させるために、可溶導体２２の上にフラックス（図示せず）が塗布されている。また、保護素子２０は、絶縁基板２１の表面２１ａがカバー部材（図示せず）に覆われることによりその内部が保護されている。カバー部材は、上記絶縁基板２１と同様に、たとえば、熱可塑性プラスチック，セラミックス，ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成されている。

［保護素子の動作］
このような保護素子２０は、バッテリ回路１を構成する回路基板にリフロー表面実装等により接続される。これにより、保護素子２０は、絶縁基板２１の裏面２１ｂに形成された外部接続端子を介して、第１の電極１１はバッテリスタック２と接続され、第２の電極１２はバッテリ回路１の外部端子と接続され、発熱体電極１９は電流制御素子４と接続される。

そして、保護素子２０は、通常の充放電動作時においては、電流制御素子４によって発熱体１５への通電が規制され、また、高抵抗の負荷抵抗１６側にも電流が流れない。したがって、保護素子２０は、通常の充放電動作時においては、発熱体１５及び負荷抵抗１６を経由することなく可溶導体２２を介して第１、第２の電極１１，１２間にわたって通電される（図５参照）。

バッテリセル２ａへ過剰電圧が印加され、検出素子５によって過電圧が検出されると、電流制御素子４へ検出信号が出力される。電流制御素子４は、検出信号を受けて発熱体１５へバッテリスタック２の電流を通電させて発熱させる。これにより、保護素子２０は、第１の電極１１〜可溶導体２２〜発熱体引出電極１８〜発熱体１５〜発熱体電極１９にわたる給電経路にバッテリスタック２の電気が通電される。

保護素子２０は、図７に示すように、発熱体１５の発熱により可溶導体２２が溶融し、溶融導体２２ａが互いに分離した第１、第２電極１１，１２及び発熱体引出電極１８上に凝集することにより分断される。これにより、保護素子２０は、バッテリスタック２の充放電経路を不可逆的に遮断することができる。

保護素子２０は、可溶導体２２が溶断することにより、バッテリスタック２〜第１の電極１１〜負荷抵抗１６〜発熱体引出電極１８〜発熱体１５〜発熱体電極１９にわたるバッテリ消費経路にバッテリスタック２の電気が通電されるようになる。これにより、保護素子２０は、バッテリスタック２に残留する電力を、発熱体１５のみを経由して消費させる場合に比して、発熱体１５及び負荷抵抗１６のそれぞれで消費される電力を下げて、各発熱量を抑えることができる。したがって、保護素子２０は、バッテリスタック２の電力を受けて高熱を発する発熱体１５を用いて、可溶導体２２を速やかに溶融させてバッテリスタック２の充放電経路の遮断を行うとともに、低温で安全にバッテリスタック２の電力を消費させることができる。

ここで、保護素子２０は、発熱体１５の抵抗値Ｒ１よりも、負荷抵抗１６の抵抗値Ｒ２を高くしてもよい。相対的に発熱体１５の抵抗値Ｒ１よりも、負荷抵抗１６の抵抗値Ｒ２を高くすることにより、電流制御素子４によって給電経路が開かれると、バッテリスタック２からの電流が、発熱体１５に優先的に流れ、速やかに可溶導体２２を溶融させることができる。

保護素子２０は、例えば、図５に示すように、絶縁基板２１の表面２１ａ上に積層する発熱体１５及び負荷抵抗１６の幅Ｗにより、抵抗値Ｒ１，Ｒ２を調整することができ、負荷抵抗１６の幅Ｗ２を発熱体１５の幅Ｗ１より狭くすることで、抵抗値Ｒ２を抵抗値Ｒ１よりも高くすることができる。また、保護素子２０は、図８に示すように、負荷抵抗１６の幅を発熱体１５の幅より細くすることで、抵抗値Ｒ２を抵抗値Ｒ１よりも高くすることができる。さらに、保護素子２０は、負荷抵抗１６を発熱体１５よりも高抵抗の材料で形成することによっても抵抗値Ｒ２を抵抗値Ｒ１よりも高くすることができる。

また、上述したように、保護素子２０は、可溶導体２２によって構成される第１、第２のヒューズ１３，１４のうち、第２のヒューズ１４が先に溶断することが好ましい。このため、保護素子２０は、例えば発熱体１５を第２のヒューズ１４と重畳させ、より効率よく第２のヒューズ１４が加熱されるようにしてもよい。また、保護素子２０は、可溶導体が支持される長さが長いほど溶断しやすいことから、例えば発熱体引出電極１８から第１の電極１１までの距離よりも、発熱体引出電極１８から第２の電極１２までの距離を長く設けてもよい。さらに、保護素子２０は、フラックスを第２のヒューズ１４側に偏倚して設けるようにしてもよい。

［負荷抵抗の配置例１］
また、保護素子２０は、図９に示すように、発熱体引出電極１８の引出部１８ａを絶縁基板２１の一方の側縁に形成するとともに発熱体電極１９を絶縁基板２１の一方の側縁に対向する他方の側縁に形成し、発熱体１５を発熱体引出電極１８の引出部１８ａと発熱体電極１９との間にわたって形成し、かつ、負荷抵抗１６を発熱体引出電極１８の引出部１８ａと第１の電極１１との間にわたって形成してもよい。

これにより、保護素子２０は、発熱体１５及び負荷抵抗１６が隣接することなく熱的に独立し、発熱体１５の熱が負荷抵抗１６に伝達することによるロスも抑制することができる。したがって、発熱体１５の熱を効率よく可溶導体２２に伝え、速やかに溶断することができる。

また、負荷抵抗１６は、発熱体１５よりも小サイズに形成することが好ましい。これにより、保護素子２０は、発熱体１５の抵抗値Ｒ１よりも、負荷抵抗１６の抵抗値Ｒ２を高くし、電流制御素子４によって給電経路が開かれると、バッテリスタック２からの電流が、発熱体１５に優先的に流れ、速やかに可溶導体２２を溶融させることができる。

［負荷抵抗の配置例２］
また、保護素子２０は、図１０（Ａ）（Ｂ）に示すように、負荷抵抗１６を絶縁基板２１の裏面２１ｂに形成してもよい。この場合、負荷抵抗１６は、第１の電極１１とスルーホール（図示せず）を介して絶縁基板２１の裏面２１ｂに形成された外部接続端子１１ａと接続されるとともに、絶縁基板２１の裏面２１ｂに形成され発熱体引出電極１８とスルーホール（図示せず）を介して接続された外部接続端子１８ａとも接続される。なお、負荷抵抗１６は、図示しない絶縁部材によって被覆されていることが好ましい。

図１０に示す構成においても、保護素子２０は、発熱体１５及び負荷抵抗１６が隣接することなく熱的に独立し、発熱体１５の熱が負荷抵抗１６に伝達することによるロスも抑制することができる。したがって、発熱体１５の熱を効率よく可溶導体２２に伝え、速やかに溶断することができる。

また、図１０に示す構成においては、スルーホールを介して接続された外部接続端子１１ａ、１８ａを経て給電される負荷抵抗１６への給電経路は、発熱体１５への給電経路に比して高抵抗の経路となる。したがって、電流制御素子４によって給電経路が開かれると、バッテリスタック２からの電流が、発熱体１５に優先的に流れ、速やかに可溶導体２２を溶融させることができる。

なお、図１０に示す構成においても、負荷抵抗１６は、発熱体１５よりも小サイズに形成することが好ましい。これにより、保護素子２０は、発熱体１５の抵抗値Ｒ１よりも、負荷抵抗１６の抵抗値Ｒ２を高くし、電流制御素子４によって給電経路が開かれると、バッテリスタック２からの電流が、発熱体１５に優先的に流れ、速やかに可溶導体２２を溶融させることができる。

［負荷抵抗の配置例３］
また、保護素子２０は、負荷抵抗１６を備えず、バッテリ回路１を構成する回路基板に実装されることにより、負荷抵抗１６を発熱体引出電極１８と第１の電極１１との間にわたって負荷抵抗１６が接続されるようにしてもよい。例えば図１１に示すように、負荷抵抗１６としてチップ抵抗１６ａを用いる。保護素子２０は、回路基板上に実装されることにより、第１の電極１１と接続されている外部接続端子１１ａが回路基板の接続電極３０に接続され、発熱体引出電極１８と接続されている外部接続端子１８ａが回路基板の接続電極３１に接続される。そして、チップ抵抗１６ａは、接続電極３０，３１間にわたって実装されることにより、発熱体引出電極１８と第１の電極１１との間に接続される。

このように、保護素子２０は、負荷抵抗１６を設けず、回路基板に実装されることにより負荷抵抗１６と接続される構成とすることにより、バッテリスタック２の容量やバッテリスタック２が用いられる電子機器の定格等に応じて負荷抵抗１６の抵抗値を決めることで、保護素子２０は、負荷抵抗１６の抵抗値に関わらず、あらゆるバッテリ回路１に組み込むことができる。

また、図１１に示す構成においても、スルーホールを介して接続された外部接続端子１１ａ、１８ａを経て給電されるチップ抵抗１６ａへの給電経路は、発熱体１５への給電経路に比して高抵抗の経路となる。したがって、電流制御素子４によって給電経路が開かれると、バッテリスタック２からの電流が、発熱体１５に優先的に流れ、速やかに可溶導体２２を溶融させることができる。

また、図１１に示す構成においても、保護素子２０は、発熱体１５の抵抗値Ｒ１よりも、チップ抵抗１６ａの抵抗値Ｒ２を高くすることが好ましい。これにより、電流制御素子４によって給電経路が開かれると、バッテリスタック２からの電流が、発熱体１５に優先的に流れ、速やかに可溶導体２２を溶融させることができる。

本発明が適用された保護回路３、及び保護素子２０は、バッテリ回路１に用いる他にも、高電圧状態を検出することにより電流経路を遮断する必要のある各種外部回路に用いることができる。

１ バッテリ回路、２ バッテリスタック、２ａバッテリセル、３ 保護回路、４ 電流制御素子、５ 検出素子、１０ バッテリパック、１１ 第１の電極、１１ａ 外部接続端子、１２ 第２の電極、１２ａ 外部接続端子、１３ 第１のヒューズ、１４ 第２のヒューズ、１５ 発熱体、１６ 負荷抵抗、１６ａ チップ抵抗、１８ 発熱体引出電極、１８ａ 外部接続端子、１９ 発熱体電極、２０ 保護素子、２１ 絶縁基板、２１ａ 表面、２１ｂ 裏面、２２ 可溶導体、２５ 絶縁部材

Claims (12)

1. 絶縁基板と、
   発熱体と、
   上記絶縁基板に積層され、外部回路と接続される第１、第２の電極と、
   上記第１、第２の電極、及び上記第１、第２の電極間に設けられ、上記発熱体と接続された発熱体引出電極に積層され、加熱により上記第１の電極と上記第２の電極との間の電流経路を遮断する可溶導体とを有し、
   上記第１の電極と上記発熱体引出電極との間において負荷抵抗が上記可溶導体と並列に接続されるとともに、上記負荷抵抗が上記外部回路及び上記発熱体に直列に接続される保護素子。
2. 上記負荷抵抗は、上記絶縁基板の上記発熱体と同一表面又は反対面に設けられている請求項１記載の保護素子。
3. 上記負荷抵抗は、外部接続部品である請求項１記載の保護素子。
4. 上記外部回路は、バッテリ回路であり、
   上記第１の電極は、バッテリスタックと接続され、
   上記第２の電極は、上記バッテリ回路の外部接続端子と接続されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
5. 上記可溶導体は、上記第１の電極と上記発熱体引出電極とを接続する第１のヒューズと、上記第２の電極と上記発熱体引出電極とを接続する第２のヒューズとが形成され、
   上記第２のヒューズが上記第１のヒューズよりも先に溶断する請求項４に記載の保護素子。
6. 上記発熱体は、上記第２のヒューズ側に偏倚して形成されている請求項５記載の保護素子。
7. 外部回路に接続される第１、第２の電極と、
   上記第１、第２の電極間にわたる電流経路上に直列に設けられた第１、第２のヒューズと、
   上記第１、第２のヒューズ間に設けられた発熱体引出電極と、上記外部回路の開放端と接続された発熱体電極との間に設けられ、上記第１、第２のヒューズを溶断する発熱体とを有し、
   上記第１の電極と上記発熱体引出電極との間において負荷抵抗が上記第１のヒューズと並列に接続されるとともに、上記負荷抵抗が上記第１の電極と上記発熱体電極との間において上記発熱体に直列に接続される保護回路。
8. 上記負荷抵抗を備える請求項７記載の保護回路。
9. 上記負荷抵抗は、外部接続部品である請求項７記載の保護回路。
10. バッテリスタックと、
    上記バッテリスタックの充放電経路に直列に接続された第１、第２のヒューズと、
    発熱することにより上記第１、第２のヒューズを溶断させ上記充放電経路を遮断する発熱体と、
    上記バッテリスタック及び上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記第１のヒューズと並列に接続された負荷抵抗と、
    上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記バッテリスタックと並列に接続され、上記発熱体に通電させ上記バッテリスタックを遮断する電流制御素子とを有するバッテリ回路。
11. 上記第１のヒューズと、上記第２のヒューズと、上記発熱体とで、保護回路を構成する請求項１０記載のバッテリ回路。
12. さらに、上記負荷抵抗とで上記保護回路を構成する請求項１１記載のバッテリ回路。

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