JP2015228354A

JP2015228354A - ヒューズ素子

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Publication number: JP2015228354A
Application number: JP2014114535A
Authority: JP
Inventors: 吉弘米田; Yoshihiro Yoneda; 和征榊原; Kazumasa Sakakibara; 裕治古内; Yuji Kouchi; 幸市向; Koichi Mukai; 利顕荒木; Toshiaki Araki; 貴史藤畑; Takashi Fujihata
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: CN106463315B; JP6406881B2; TWI670743B; KR20170013245A; CN106463315A; WO2015186687A1; TW201601180A; KR102378642B1

Abstract

【課題】水漏れ等の異常に対し、安全に電気回路を開放させることができるヒューズ素子を提供する。
【解決手段】ヒューズエレメント１１と、ヒューズエレメント１１に近接して配置され、ヒューズエレメント１１よりもイオン化傾向の小さい金属からなる電極１２とを備えるヒューズ素子。これにより、例えばヒューズエレメント１１と電極１２との間に水が浸入した場合、電食作用によりヒューズエレメント１１の電流定格が低下するため、安全に電気回路を開放させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、定格よりも大きい電流が流れたときにジュール熱によって溶断し、電気回路を開放させるヒューズ素子に関する。

近年、携帯電話、ノートＰＣ等の多くにリチウムイオン二次電池が採用されている。リチウムイオン二次電池は、重量エネルギー密度が高いため、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、過放電保護等のいくつもの保護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。しかしながら、水濡れにより電池の正極／負極絶縁嵌合部が腐食した場合、電池内部の圧力がリークし、安全弁が正しく機能せずに爆発事故に繋がるリスクがある。

水濡れに対して濡れた形跡を検知するシールを添付し、警告を発するものがある（例えば、特許文献１参照）が、電池の使用を制限するものではないため、回路基板の水濡れによるマイグレーション（絶縁劣化）やショートによる回路誤動作が発生する虞がある。また、電池の異常に伴う電解液の漏れに対しても、上記と同等の不具合が発生する虞がある。

特開平１１−１４４６９５号公報特開２０００−１６２０８１号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、水濡れ、電池液漏れ等の異常に対し、安全に電気回路を開放させることができるヒューズ素子を提供する。

上述した課題を解決するために、本発明に係るヒューズ素子は、ヒューズエレメントと、前記ヒューズエレメントに近接して配置され、前記ヒューズエレメントよりもイオン化傾向の小さい金属からなる電極とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、例えばヒューズエレメントと電極との間に水が浸入した場合、電食作用によりヒューズエレメントの電気抵抗が上昇し、定格電流値が低下するため、安全に電気回路を開放させることができる。

図１は、ヒューズ素子の構成例を示す斜視図である。図２は、電食前のヒューズエレメントを模式的に示す斜視図である。図３は、電食後のヒューズエレメントを模式的に示す斜視図である。図４は、ヒューズエレメントが複数並列に配置されたヒューズ素子の構成例を示す斜視図である。図５は、ヒューズエレメントが複数並列に配置されたヒューズ素子の構成例を示す断面図である。図６は、ヒューズ素子をリチウムイオン二次電池のバッテリパック内の回路に用いた適用例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。
１．ヒューズ素子の構成例
２．ヒューズ素子の適用例

＜１．ヒューズ素子の構成例＞
本実施の形態に係るヒューズ素子は、ヒューズエレメントと、ヒューズエレメントに近接して配置され、ヒューズエレメントよりもイオン化傾向の小さい金属からなる電極とを備える。ヒューズエレメントと電極とが近接しているため、水濡れ、電池液漏れ等の異常時にヒューズエレメントと電極との間に液体が侵入し、ヒューズエレメントが電食する。これにより、電気抵抗が上昇し、定格電流値が低下するため、ヒューズエレメントへの通電電流により自己遮断し、安全に電気回路を開放させることができる。

図１は、ヒューズ素子の構成例を示す斜視図である。ヒューズ素子１０は、平板からなるヒューズエレメント１１と、ヒューズエレメント１１の中心部の両面に対向して配置された電極１２Ａ，１２Ｂとを備える。ヒューズエレメント１１と電極１２とは、水が浸入可能なように近接しており、その距離は、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。また、ヒューズエレメント１１と電極１２間の距離が小さい方が、電界強度が大きく電食作用が強いため、より効率的に電気回路を開放させるためには、電極１２間の距離を０．０１〜１ｍｍとすることがより好ましい。

ヒューズエレメント１１は、所定の定格電流値を有し、定格電流値を超える電流が通電されると溶断する。ヒューズエレメント１１は、アルミニウム、鉄、ニッケル、錫、鉛から選択されるいずれか１種を主成分とすることが好ましい。なお、本明細書において、主成分とは、材料全質量を基準として、５０ｗｔ％以上である成分をいう。

電極１２Ａ，１２Ｂは、ヒューズエレメント１１の中心部の両面に対向して配置される。また、電極１２Ａ，１２Ｂは、ヒューズエレメント１１の電食する物質量が大きくなるように、ヒューズエレメント１１の中心部の表面全体を覆うように配置することが好ましい。

また、電極１２Ａ，１２Ｂは、ヒューズエレメントよりもイオン化傾向の小さい金属からなり、金、白金、銀、銅、パラジウムから選択されるいずれか１種を主成分とすることが好ましい。これにより、ヒューズエレメント１１と電極１２との間に水が侵入した場合、卑な金属からなるヒューズエレメント１１が正極となってイオン化（腐食）し、ヒューズエレメント１１が細ったり、ピンホールが発生したりしてヒューズエレメント１１の導体抵抗が上昇し、定格電流値を低下させることができる。

また、ヒューズエレメント１１と電極１２との間にセパレータを備えることが好ましい。また、セパレータは、メッシュ状、多孔質状などの絶縁体からなることが好ましい。これにより、ヒューズエレメント１１と電極１２との間の直接短絡を抑制するとともに、水や電解液の保持性を確保することができる。また、セパレータは、ＮａＣｌ等の電解質を担持することが好ましい。これにより、水や電解液の電気伝導度を向上し、電食を促進させることができる。

また、ヒューズエレメント１１と電極１２との間に吸水性又は吸湿性の絶縁物を配置してもよい。また、ヒューズエレメント１１と電極１２との間に、ゾル、ゲル、又は固体からなる絶縁物を配置し、水により導電性が発現するようにしてもよい。また、ヒューズエレメント１１と電極１２との間に、ゾル又はゲルからなる電解質が侵入したときに、ヒューズエレメント１１の電食作用を発揮するようにしてもよい。

また、ヒューズエレメント１１は、正極として接続され、電極１２は、負極として接続されることが好ましい。これにより、電食反応を促進することができ、ヒューズエレメント１１の定格電流値を早く低下させることができる。

すなわち、ヒューズ素子１０は、直流電源に正極として直列接続されてなるヒューズエレメント１１と、ヒューズエレメント１１に近接して配置され、ヒューズエレメント１１よりもイオン化傾向の小さい金属からなり、負極として接続されてなる電極１２とを備える遮断回路を構成する。また、ヒューズエレメント１１に通電するための第１の端子及び第２の端子と、電極１２を負極として接続する第３の端子とを備え、第１の端子及び第２の端子を正極の通電経路に直列接続し、第３の端子を負極に接続し又は接地する。

図２及び図３は、それぞれ電食前及び電食後のヒューズエレメントを模式的に示す斜視図である。図２に示すように、電食前のヒューズエレメント１１は、短形形状を保っている。ヒューズエレメント１１と電極１２との間に水が侵入した場合、図３に示すように卑な金属からなるヒューズエレメント１１が正極となってイオン化（腐食）し、ヒューズエレメント１１が細ったり、ピンホールが発生したりする。このため、ヒューズエレメント１１の導体抵抗が上昇し、定格電流値が低下する。導体抵抗の上昇に伴う発熱により、ヒューズエレメント１１と電極１２との間の水や電解液が蒸発することがあるが、定格電流値が低下しているため、ヒューズエレメント１１への通電電流により自己遮断し、安全に電気回路を開放させることができる。

また、ヒューズ素子は、前述した構成例に限られず、例えば、ヒューズエレメントが複数並列に配置され、電極がヒューズエレメント間に配置されていてもよい。図４は、ヒューズエレメントが複数並列に配置されたヒューズ素子の構成例を示す斜視図であり、図５は、ヒューズエレメントが複数並列に配置されたヒューズ素子の構成例を示す断面図である。このヒューズ素子は、図５に示すように、第１の電極２２Ａと、第１のセパレータ２３Ａと、第１のヒューズエレメント２１Ａと、第２のセパレータ２３Ｂと、第２の電極２２Ｂと、第３のセパレータ２３Ｃと、第２のヒューズエレメント２１Ｂと、第４のセパレータ２３Ｄと、第３の電極２２Ｃと、第５のセパレータ２３Ｅと、第３のヒューズエレメント２１Ｃと、第６のセパレータ２３Ｆと、第４の電極２２Ｄとがこの順で積層されている。

第１〜第３のヒューズエレメント２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ、第１〜第４の電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ、及び第１〜第６のセパレータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｅ，２３Ｆは、それぞれ前述したヒューズエレメント１１、電極１２、及びセパレータと同様であり、ここでは説明を省略する。

このようにヒューズエレメントを複数並列に配置することにより、定格電流を大きくすることができるとともに、ヒューズエレメントと電極との間に水が侵入した場合におけるヒューズエレメントの電食を促進させることができる。

＜２．ヒューズ素子の適用例＞
図６は、ヒューズ素子をリチウムイオン二次電池のバッテリパック内の回路に用いた適用例を示すブロック図である。ヒューズ素子１０は、図６に示すように、例えば、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル３１〜３４からなるバッテリスタック３５を有するバッテリパック３０に組み込まれて使用される。

バッテリパック３０は、バッテリスタック３５と、バッテリスタック３５の充放電を制御する充放電制御回路４０と、異常時にバッテリスタック３５の出力を遮断するヒューズ素子１０と、各バッテリセル３１〜３４の電圧を検出する検出回路３６とを備える。

バッテリスタック３５は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル３１〜３４が直列接続されたものであり、バッテリパック３０の正極端子３０ａ、負極端子３０ｂを介して、着脱可能に充電装置４５に接続され、充電装置４５からの充電電圧が印加される。充電装置４５により充電されたバッテリパック３０を正極端子３０ａ、負極端子３０ｂをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、この電子機器を動作させることができる。

充放電制御回路４０は、バッテリスタック３５から充電装置４５に流れる電流経路に直列接続された２つの電流制御素子４１、４２と、これらの電流制御素子４１、４２の動作を制御する制御部４３とを備える。電流制御素子４１、４２は、例えば、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ。）により構成され、制御部４３によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック３５の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部４３は、充電装置４５又はバッテリスタック３５から電力供給を受けて動作し、検出回路３６による検出結果に応じて、バッテリスタック３５が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子４１、４２の動作を制御する。

ヒューズ素子１０は、ヒューズエレメント１１に通電するための第１の端子及び第２の端子と、電極１２を負極として接続する第３の端子とを備え、例えば、第１の端子及び第２の端子をバッテリスタック３５と充放電制御回路４０との間の充放電電流経路上に接続し、第３の端子を負極側に接続する。

検出回路３６は、各バッテリセル３１〜３４と接続され、各バッテリセル３１〜３４の電圧値を検出し、異常時に電流制御素子３８に信号を出力して通電させ、保護素子３７の動作により充放電電流経路を遮断する。

保護素子３７は、例えば、バッテリスタック３５と充放電制御回路４０との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が電流制御素子３８によって制御される。保護素子１０は、例えば、可溶導体と、可溶導体の接続点を介して通電して発熱させることによって可溶導体を溶融する発熱体とからなる回路構成を有し、可溶導体が充放電電流経路上に直列接続され、発熱体が電流制御素子３８と接続される。

電流制御素子３８は、検出回路３６から出力される検出信号によって、バッテリセル３１〜３４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３７を動作させて、バッテリスタック３５の充放電電流経路を電流制御素子３１、３２のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。

このような適用例によれば、水漏れ等の異常時にヒューズエレメント１１と電極１２との間に水が侵入し、ヒューズエレメント１１が電食する。これにより、定格電流値が低下するため、ヒューズエレメント１１への通電電流により自己遮断し、安全に電気回路を開放させることができる。

なお、上記異常時に効率良く電気回路を開放する上で、ヒューズエレメント１１が正極として接続され、電極１２が負極として接続されれば、ヒューズ素子１０の第３の端子の接続先は、特に限定されるものではない。例えば、第３の端子の接続先を検出回路３６とすることにより、ヒューズエレメント１１と電極１２との間に水が侵入したことを検出することができる。また、例えば、一次電池を用いて、正極側をヒューズエレメント１１に接続し、負極側を第３の端子に接続させてもよい。また、第３の端子を接地させてもよい。また、原理的にイオン化傾向の異なる２つの金属を電解液に浸すだけで、イオン化傾向の大きい金属が電食されるので、第３の端子を開放状態としてもよい。

１０ヒューズ素子、１１ヒューズエレメント、１２電極、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ第１〜第３のヒューズエレメント、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ第１〜第４の電極、２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｄ，２３Ｅ，２３Ｆ第１〜第６のセパレータ、３０バッテリパック、３０ａ正極端子、３０ｂ負極端子、３１〜３４バッテリセル、３５バッテリスタック、３６検出回路、３７保護素子、３８電流制御素子、４０充放電制御回路、４１，４２電流制御素子、４３制御部、４５充電装置

Claims

ヒューズエレメントと、
前記ヒューズエレメントに近接して配置され、前記ヒューズエレメントよりもイオン化傾向の小さい金属からなる電極と
を備えるヒューズ素子。
前記ヒューズエレメントが、アルミニウム、鉄、ニッケル、錫、鉛から選択されるいずれか１種を主成分とし、
前記電極が、金、白金、銀、銅、パラジウムから選択されるいずれか１種を主成分とする請求項１記載のヒューズ素子。
前記ヒューズエレメントが、平板からなり、
前記電極が、前記ヒューズエレメントの中心部の両面に対向して配置される請求項１又は２記載のヒューズ素子。
前記ヒューズエレメントと前記電極との間にセパレータを備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
前記セパレータが、電解質を担持してなる請求項４記載のヒューズ素子。
前記ヒューズエレメントが、複数並列に配置されてなり、
前記電極が、前記ヒューズエレメント間に配置されてなる請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
前記ヒューズエレメントが、正極として接続されてなり、
前記電極が、負極として接続されてなる請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヒューズ素子。
直流電源に正極として直列接続されてなるヒューズエレメントと、
前記ヒューズエレメントに近接して配置され、前記ヒューズエレメントよりもイオン化傾向の小さい金属からなり、負極として接続されてなる電極と
を備える遮断回路。