JP2021077589A

JP2021077589A - 保護回路

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Publication number: JP2021077589A
Application number: JP2019205362A
Authority: JP
Inventors: 潤平氷見山; Jumpei Himiyama
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-13
Also published as: JP7396866B2; KR20220062094A; WO2021095617A1; CN114631240A; TW202135111A

Abstract

【課題】バッテリと外部回路との通電経路上に異常が発生したときに、通電経路を遮断できる電圧範囲が広い保護回路を提供する。【解決手段】バッテリと外部回路との通電経路上に、直列に接続された複数の保護素子を備え、前記複数の前記保護素子はそれぞれ、前記通電経路上に直列に接続されたヒューズエレメントと、通電により発熱することによって前記ヒューズエレメントを加熱して溶断させる発熱体とを有し、前記複数の前記保護素子はそれぞれ、発熱体の電気抵抗値が異なる、保護回路。【選択図】図１

Description

本発明は、保護回路に関する。

従来、バッテリと外部回路との通電経路上には、過電流が発生したときなどの異常時に通電経路を遮断するための保護回路が備えられている。保護素子としては、通電経路上に直列に接続されたヒューズエレメントと、通電により発熱することによって前記ヒューズエレメントを加熱して溶断させる発熱体とを有するヒーター付きヒューズ（以下、ＳＣＰともいう）が知られている（特許文献１）。

ＳＣＰは、通電経路に定格を超える過電流が発生したときは、ヒューズエレメント自体が発熱して溶断することによって通電経路を遮断する。また、過電流以外の異常時には、通電により発熱体を発熱させて、ヒューズエレメントを加熱して溶断させることによって通電経路を遮断する。

特許第２７９０４３３号公報

ＳＣＰの発熱体に通電させる電流は、バッテリから供給される。このため、ＳＣＰの発熱体は、バッテリの動作電圧範囲でヒューズエレメントを溶断可能な温度に加熱できるように電気抵抗値が設定されている。しかしながら、バッテリの用途によっては、充電時の最大電圧と放電時の最小電圧とでは電圧が大きく異なることがある。特に、複数個の単電池を組み合わせた組電池からなるバッテリでは、充電時の最大電圧と放電時の最小電圧との差が大きくなる。このため、発熱体の電気抵抗値を充電時の最大電圧に合わせて設定すると、放電時に異常が発生したときに、発熱体に流れる電流が小さくなり、ヒューズエレメントを溶断可能な温度にまで発熱体が発熱しないことがある。一方、発熱体の電気抵抗値を放電時の最小電圧に合わせて設定すると、充電時に異常が発生したときに、発熱体に過剰の電流が流れて温度が急激に高温になり、発熱体自体が溶断してしまうことがある。
また、近年、単電池の電極材料の変化によって、同じ単電池の数においても作動電圧が異なる場合があり、ＳＣＰの動作電圧範囲を外れて正常に動作しないおそれがある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、バッテリと外部回路との通電経路上に異常が発生したときに、通電経路を遮断できる電圧範囲が広い保護回路を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様に係る保護回路は、バッテリと外部回路との通電経路上に、直列に接続された複数の保護素子を備え、前記複数の前記保護素子はそれぞれ、前記通電経路上に直列に接続されたヒューズエレメントと、通電により発熱することによって前記ヒューズエレメントを加熱して溶断させる発熱体とを有し、前記複数の前記保護素子はそれぞれ、発熱体の電気抵抗値が異なる。

（２）上記（１）に記載の態様において、前記複数の前記保護素子のうちの前記発熱体の電気抵抗値が最も低い保護素子が、前記バッテリ側に配置されている構成としてもよい。

（３）上記（１）または（２）に記載の態様において、前記複数の前記保護素子の前記発熱体はそれぞれ、電気抵抗値が１Ω以上異なる構成としてもよい。

本発明によれば、バッテリと外部回路との通電経路上に異常が発生したときに、通電経路を遮断できる電圧範囲が広い保護回路を提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る保護回路の構成の一例を概略的に示す図である。図２は、本発明の第２実施形態に係る保護回路の構成の一例を概略的に示す図である。図３は、本発明の第３実施形態に係る保護回路の構成の一例を概略的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る保護回路の構成の一例を概略的に示す図である。
図１において、保護回路１は、バッテリ１０と外部回路との通電経路上に、直列に接続された第１保護素子２０ａと第２保護素子２０ｂを備える。第１保護素子２０ａはバッテリ１０側に、第２保護素子２０ｂは外部機器（不図示）側に配置されている。

バッテリ１０は、複数個の単電池１１を組み合わせた組電池とされている。単電池１１は二次電池であり、例えば、リチウムイオン二次電池である。図１では、バッテリ１０は、４つの単電池１１が直列に接続されているが、単電池１１の個数は特に制限はなく、単電池１１は並列に接続されていてもよい。また、バッテリ１０は一つの単電池１１であってもよい。

第１保護素子２０ａは、バッテリ１０の正極に直列に接続された第１ヒューズエレメント２１ａと、第１発熱体２２ａとを有するＳＣＰである。第１発熱体２２ａは、一方の端部が、第１ヒューズエレメント２１ａに接続され、他方の端部が第１整流素子３０ａを介してスイッチング素子４０に接続されている。スイッチング素子４０は、バッテリ１０の負極とプロテクションＩＣ５０に接続されている。

第２保護素子２０ｂは、バッテリ１０の正極に直列に接続された第２ヒューズエレメント２１ｂと、第２発熱体２２ｂとを有するＳＣＰである。第２発熱体２２ｂは、一方の端部が、第２ヒューズエレメント２１ｂに接続され、他方の端部が第２整流素子３０ｂを介してスイッチング素子４０に接続されている。

第１ヒューズエレメント２１ａ及び第２ヒューズエレメント２１ｂは、通電経路に定格を超える過電流が発生したときは、それ自体が発熱して溶断することによって通電経路を遮断できる程度の電気抵抗値を有する。第１ヒューズエレメント２１ａ及び第２ヒューズエレメント２１ｂが溶断するときの電流値は同じであることが好ましい。第１ヒューズエレメント２１ａ及び第２ヒューズエレメント２１ｂの構成や材料は特に制限はなく、例えば、金属単体であってもよいし、外側を相対的に融点が高い高融点金属層とし、内側を相対的に融点が低い低融点金属層とした積層体であってもよい。金属単体の場合、その材料としてはＩｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらのうちのいずれかを主成分とする合金を用いることができる。積層体の場合、低融点金属層の材料は、錫もしくは錫を主成分とする錫合金であることが好ましい。錫合金の錫の含有量は４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましい。錫合金の例としては、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｉｎ−Ｓｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金を挙げることができる。高融点金属層は、低融点金属層の溶融物によって溶解される金属材料からなることが好ましい。低融点金属層の材料が錫もしくは錫合金である場合、高融点金属層の材料は、銀もしくは銀を主成分とする合金であることが好ましい。銀合金の銀の含有量は４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましい。銀合金の例としては、Ａｇ−Ｐｄ合金を挙げることができる。

第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂはそれぞれ、通電により発熱することによって第１ヒューズエレメント２１ａ又は第２ヒューズエレメント２１ｂを加熱して溶断させることができる程度の電気抵抗値を有する。第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂはそれぞれ電気抵抗値が異なっている。すなわち、第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂはそれぞれ、ヒューズエレメントを溶断させることができる温度にまで加熱するために必要な電力が異なる。第１発熱体２２ａと第２発熱体２２ｂはそれぞれ電気抵抗値が１Ω以上異なることが好ましい。

本実施形態の保護回路１では、バッテリ１０側に配置されている第１保護素子２０ａの第１発熱体２２ａは、第２保護素子２０ｂの第２発熱体２２ｂよりも電気抵抗値が低くなっている。すなわち、第１発熱体２２ａの方が、小さい電力でヒューズエレメントを溶断させることができる温度にまで加熱することができるようにされている。

第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂは通電により発熱するようにされていれば、構成や材料は特に制限はない。第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂを構成する材料としては、酸化ルテニウムやカーボンブラックを用いることができる。第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂの電気抵抗値は、第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂの幅や厚さなどのサイズや材料の組成によって調整することができる。

第１整流素子３０ａは、第２保護素子２０ｂを流れる電流が第２発熱体２２ｂを介して、第１保護素子２０ａに流れ込むことを抑制する。第２整流素子３０ｂは、第１保護素子２０ａを流れる電流が第１発熱体２２ａを介して、第２保護素子２０ｂに流れ込むことを抑制する。

プロテクションＩＣ５０は、例えば、通電経路の電圧が高電圧になるなどの過電流以外の異常を検出し、異常が検出された場合は、スイッチング素子４０を作動させる。スイッチング素子４０を作動させることによって、第１整流素子３０ａを介して第１発熱体２２ａと、第２整流素子３０ｂを介して第２発熱体２２ｂに電流が流れる。

本実施形態の保護回路１では、通電経路に定格を超える過電流が発生したときは、第１ヒューズエレメント２１ａ又は第２ヒューズエレメント２１ｂが発熱して溶断することによって通電経路を遮断する。溶断するヒューズエレメントは、第１ヒューズエレメント２１ａであってもよいし、第２ヒューズエレメント２１ｂであってもよい。

また、通電経路に過電流以外の異常が発生したときは、プロテクションＩＣ５０がスイッチング素子４０を作動させて、第１整流素子３０ａを介して第１発熱体２２ａに、第２整流素子３０ｂを介して第２発熱体２２ｂに、バッテリ１０から電流を流す。この通電により、第１発熱体２２ａと第２発熱体２２ｂの両方が発熱して、第１ヒューズエレメント２１ａもしくは第２ヒューズエレメント２１ｂの一方を溶断させることによって通電経路を遮断する。

バッテリ１０の作動電圧が高い状態（例えば、リチウムイオン二次電池が４つ直列に接続された場合で１３Ｖ以上１８．５Ｖ以下）で異常が発生したとき、第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂに流れる電流は大きくなる。この場合、電気抵抗値が低い第１発熱体２２ａは、温度が急激に高温になることによって溶断しても、電気抵抗値が高い第２発熱体２２ｂが発熱して、第２ヒューズエレメント２１ｂを加熱して溶断させることによって通電経路を遮断する。一方、バッテリ１０の作動電圧が低い状態（例えば、リチウムイオン二次電池が４つ直列に接続された場合で９Ｖ以上１３Ｖ未満）で異常が発生したとき、第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂに流れる電流は小さくなる。この場合、電気抵抗値が高い第２発熱体２２ｂは第２ヒューズエレメント２１ｂを溶断可能な温度まで発熱しなくても、電気抵抗値が低い第１発熱体２２ａが発熱して、第１ヒューズエレメント２１ａを加熱して溶断させることによって通電経路を遮断する。

以上のような構成とされた本実施形態の保護回路１は、第１保護素子２０ａの第１発熱体２２ａと第２保護素子２０ｂの第２発熱体２２ｂの電気抵抗値が異なるので、通電経路を遮断できる電圧範囲が広くなる。また、本実施形態の保護回路１では、電気抵抗値が低い第１発熱体２２ａを有する第１発熱体２２ａがバッテリ１０側に配置されている。これにより、バッテリ１０の作動電圧が低い状態で異常が発生したときは、第１ヒューズエレメント２１ａが溶断して通電経路を遮断するので、第２保護素子２０ｂに電流が流れない。一方、バッテリ１０の作動電圧が高い状態で異常が発生したときは、第２ヒューズエレメント２１ｂが溶断して通電経路を遮断すると共に、第１発熱体２２ａが溶断するので、第１保護素子２０ａに電流が流れない。さらに、本実施形態の保護回路１では、第１発熱体２２ａと第２発熱体２２ｂとの電気抵抗値が１Ω以上異なるので、通電経路を遮断できる電圧範囲を確実に広くできる。

［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係る保護回路の構成の一例を概略的に示す図である。
第２実施形態に係る保護回路２は、２つの発熱体のそれぞれが、整流素子と接続する代わりにスイッチング素子と接続している点において第１実施形態と相違する。すなわち、第１発熱体２２ａは、第１スイッチング素子４０ａに接続されていて、第２発熱体２２ｂは、第２スイッチング素子４０ｂに接続されている。第１スイッチング素子４０ａ及び第２スイッチング素子４０ｂはそれぞれプロテクションＩＣ５０に接続されている。プロテクションＩＣ５０は、バッテリ１０の作動電圧によって、作動させるスイッチング素子を切り替えるようにされている。なお、第２実施形態に係る保護回路２と第１実施形態に係る保護回路１とで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の保護回路２では、バッテリ１０の作動電圧が低い状態で異常が発生したときは、プロテクションＩＣ５０が第１スイッチング素子４０ａを作動させることにより、第１発熱体２２ａを加熱して第１ヒューズエレメント２１ａを溶断させて通電経路を遮断する。一方、バッテリ１０の作動電圧が高い状態で異常が発生したときは、プロテクションＩＣ５０が第２スイッチング素子４０ｂを作動させて、第２発熱体２２ｂを加熱して第２ヒューズエレメント２１ｂを溶断させて通電経路を遮断する。

以上のような構成とされた本実施形態の保護回路２は、プロテクションＩＣ５０にて通電経路を遮断するのに必要な発熱体を選択して、第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂの一方にのみ電流を流すので、保護回路２にて発生する熱量を低減することができる。また、整流素子を用いないので、構成部分を少なくすることができる。

［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係る保護回路の構成の一例を概略的に示す図である。
第３実施形態に係る保護回路３は、２つの発熱体のそれぞれが、整流素子と接続する代わりにスイッチング素子と接続している点と、スイッチング素子のそれぞれがプロテクションＩＣと接続している点において第１実施形態と相違する。すなわち、第１発熱体２２ａは、第１スイッチング素子４０ａに接続されていて、第１スイッチング素子４０ａは、第１プロテクションＩＣ５０ａに接続されている。一方、第２発熱体２２ｂは、第２スイッチング素子４０ｂに接続されていて、第２スイッチング素子４０ｂは、第２プロテクションＩＣ５０ｂに接続されている。第１プロテクションＩＣ５０ａと第２プロテクションＩＣ５０ｂは、異常を検出する電圧範囲が相違する。なお、第３実施形態に係る保護回路３と第１実施形態に係る保護回路１とで共通する部分は、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の保護回路３では、バッテリ１０の作動電圧が低い状態で異常が発生したときは、第１プロテクションＩＣ５０ａがその異常を検出して、第１スイッチング素子４０ａを作動させることにより、第１発熱体２２ａを加熱して第１ヒューズエレメント２１ａを溶断させて通電経路を遮断する。一方、バッテリ１０の作動電圧が高い状態で異常が発生したときは、第２プロテクションＩＣ５０ｂがその異常を検出して、第２スイッチング素子４０ｂを作動させることにより、第２発熱体２２ｂを加熱して第２ヒューズエレメント２１ｂを溶断させて通電経路を遮断する。

以上のような構成とされた本実施形態の保護回路３は、第１発熱体２２ａ及び第２発熱体２２ｂの一方にのみ電流を流すので、保護回路３にて発生する熱量を低減することができる。また、整流素子を用いないので、構成部分を少なくすることができる。さらに、プロテクションＩＣによって作動させるスイッチング素子を切り替える必要がないので、プロテクションＩＣの構造を簡素化できる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、本実施形態では、第１保護素子２０ａと第２保護素子２０ｂの２つの保護素子を用いているが、保護素子は２つ以上であればその個数に制限はない。３つ以上の保護素子を用いる場合は、発熱体の抵抗値が低い保護素子を、バッテリ１０側から順に配置することが好ましい。

本発明の保護回路は、作動電圧範囲が広いバッテリのバッテリ管理システム（ＢＭＳ：ＢａｔｔｅｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）として利用することができる。

１、２、３保護回路
１０バッテリ
１１単電池
２０ａ第１保護素子
２０ｂ第２保護素子
２１ａ第１ヒューズエレメント
２１ｂ第２ヒューズエレメント
２２ａ第１発熱体
２２ｂ第２発熱体
３０ａ第１整流素子
３０ｂ第２整流素子
４０スイッチング素子
４０ａ第１スイッチング素子
４０ｂ第２スイッチング素子
５０プロテクションＩＣ
５０ａ第１プロテクションＩＣ
５０ｂ第２プロテクションＩＣ

Claims

バッテリと外部回路との通電経路上に、直列に接続された複数の保護素子を備え、
前記複数の前記保護素子はそれぞれ、前記通電経路上に直列に接続されたヒューズエレメントと、通電により発熱することによって前記ヒューズエレメントを加熱して溶断させる発熱体とを有し、
前記複数の前記保護素子はそれぞれ、発熱体の電気抵抗値が異なる、保護回路。
前記複数の前記保護素子のうちの前記発熱体の電気抵抗値が最も低い保護素子が、前記バッテリ側に配置されている、請求項１に記載の保護回路。
前記複数の前記保護素子の前記発熱体はそれぞれ、電気抵抗値が１Ω以上異なる、請求項１または２に記載の保護回路。