JP3843005B2 - 電池の保護部品と保護部品を有するパック電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池を加熱や過電圧から保護する保護部品と、この保護部品を備えるパック電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池は、加熱されたり過充電されると性能が著しく低下する。過充電を防止するために、充電回路は、充電している電池の電圧が設定電圧まで上昇すると充電を停止する回路を備える。充電回路が故障し、あるいは雑音等の影響で正常に動作しないときに、電池が過充電されるのを防止するために、パック電池には保護部品を内蔵させている。さらに、保護部品を内蔵するパック電池は、保護部品で充電を制御して充電することにより、充電回路を簡単な回路にできる。電圧を検出して充電を停止する回路を省略できるからである。
【０００３】
図１は保護部品２２を内蔵するパック電池の回路図である。この図の保護部品２２は、電池２１と並列に接続している発熱素子２３と、この発熱素子２３に熱結合されると共に、電池２１と出力端子２５との間に接続している感熱遮断素子２４とを備える。発熱素子２３は、図２に示す電圧−電流特性を示し、設定電圧よりも高い状態で電気抵抗が小さくなって電流が増加する定電圧特性を有する素子である。発熱素子２３は、電池電圧が設定電圧よりも高くなると電流が増加して発熱し、熱結合している感熱遮断素子２４を加熱する。感熱遮断素子２４は、ＰＴＣで設定温度よりも高温になると、電気抵抗が急激に増加して電池に流れる電流を制限する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示す保護部品２２は、二次電池２１の過充電を保護できる。しかしながら、この構造を実現する保護部品は、発熱素子とＰＴＣを内蔵し、かつ、発熱素子とＰＴＣとを熱結合して独特の配列で配設する必要があって、製造コストが高くなり、また大きくなる欠点がある。また、発熱素子と感熱遮断素子を理想的な状態で熱結合するのも難しい。熱結合が充分でないと、発熱素子の発熱で感熱遮断素子を有効に加熱できなくなって、感熱遮断素子の抵抗増加に時間遅れが発生し、あるいは、定温で正常に動作しなくなる欠点もある。
【０００５】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、極めてシンプルな構造で感熱遮断素子を理想的な状態に配置でき、さらに、加工性を向上して、安価に多量生産できる保護部品とこの保護部品を内蔵するパック電池を提供することにある。
さらに、本発明の他の大切な目的は、発熱素子と感熱遮断素子とを理想的な状態に配列してコンパクトにできる保護部品とこの保護部品を内蔵するパック電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１の電池の保護部品は、電池１に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると発熱する発熱素子３と、この発熱素子３に熱結合されると共に、出力端子５と電池１との間に接続されて、設定温度よりも高温になると電気抵抗が大きくなって電池１に流れる電流を制限する感熱遮断素子４とを備える。この保護部品は、充電される電池１の電圧が設定電圧よりも高くなると、発熱素子３に流れる電流が大きくなって発熱素子３が発熱し、発熱した発熱素子３が感熱遮断素子４を加熱して電池１に流れる電流を制限する。感熱遮断素子４は、第１の基板１３Ａ及び第２の基板１３Ｂからなる基板１３と、この基板１３の間に挟着して固定している素子本体４Ｘとを備える。素子本体４Ｘは、設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層４Ａと、この感熱層４Ａの両面に電気接続して積層している第１電極層４Ｂ及び第２電極層４Ｃとを備える。第１の基板１３Ａは表面に出力端子５を固定し、基板１３及び素子本体４Ｘはスルーホール１０を有しており、第２の基板１３Ｂはスルーホール１０を介して出力端子５と電気接続されている。
【０００８】
また、第２の基板１３Ｂに発熱素子３を積層することができる。
【０００９】
さらに、感熱遮断素子４は、基板１３の表面に導電パターン層１４を積層して、この導電パターン層１４を出力端子５に接続することができる。発熱素子３を備える保護部品の感熱遮断素子４は、第１の基板１３Ａと第２の基板１３Ｂに導電パターン層１４、７を積層して、第１の基板１３Ａの導電パターン層１４を出力端子５に接続すると共に、第２の基板１３Ｂの導電パターン層７を発熱素子３に接続することができる。さらに、第２の基板１３Ｂの導電パターン層７は、電池１の電極に接続される電極接続リード８を接続することができる。
【００１０】
素子本体４Ｘは、ＰＴＣ素子とすることができる。
【００１１】
本発明の請求項７のパック電池は、出力端子５と電池１との間に、電池１の保護部品２として、請求項１に記載される保護部品を接続している。
【００１２】
さらに、本発明のパック電池は、保護部品２を、角型電池１の凸部電極１Ｂに隣接して肩部に配設することができる。さらに、本発明のパック電池は、保護部品２を、電池１の側部または底部に配設することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための保護部品とパック電池を例示するものであって、本発明は保護部品とパック電池を以下のものに特定しない。
【００１４】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１５】
図３の回路図に示すパック電池は、二次電池１に保護部品２を接続している。保護部品２は、発熱素子３と感熱遮断素子４とを備え、発熱素子３を二次電池１と並列に接続して、感熱遮断素子４を出力端子５と二次電池１との間に接続している。
【００１６】
発熱素子３は、図２に示すように、電池に並列に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると、電流が増加して発熱する特性を示すものが全て使用できる。最も簡単な発熱素子は、定電圧ダイオード３Ａである。ただ、定電圧ダイオード３Ａのみでは、図２に示す理想的な電圧−電流特性を実現するのが難しい。好ましい発熱素子は、図３に示すように、定電圧ダイオード３Ａとスイッチング素子３Ｂを組み合わせた回路、あるいは、さらに複雑な回路でより理想に近い定電圧特性のものである。なお、スイッチング素子３Ｂと並列にダイオードを接続し、当該ダイオードを利用して、二次電池１の逆充電時にダイオードが発熱するようにして、これを感熱遮断素子４に熱結合するようにしてもよい。スイッチング素子３ＢとしてＭＯＳＦＥＴを使用すれば、当該ＦＥＴの寄生ダイオードが上記ダイオードの代わりとなる。また、スイッチング素子３Ｂと直列に抵抗素子を接続し、当該抵抗素子の熱も感熱遮断素子４に伝えるようにしてもよい。
【００１７】
発熱素子３は、充電される電池の電圧が設定電圧よりも高くなると電気抵抗が低下して、両端の電圧を一定に保持する。したがって、電池電圧が設定電圧よりも高くなると、充電電流をバイパスして電池に電流を流さないように制御する。この状態で発熱素子３に流れる電流は、ジュール熱で発熱素子３を加熱する。
【００１８】
感熱遮断素子４は、発熱素子３に熱結合して配設されて、発熱素子３の発熱で加熱される。感熱遮断素子４は、設定温度よりも高温に加熱されると、電気抵抗が急激に増加する素子であって、たとえば、ＰＴＣが使用できる。ただし、感熱遮断素子４には、設定温度よりも高く加熱されると電気抵抗が増加する全ての素子が使用できる。感熱遮断素子４は、出力端子５と二次電池１との間に接続されている。したがって、感熱遮断素子４が設定温度よりも高温になると、電気抵抗が大きくなって二次電池１に流れる電流を制限する。感熱遮断素子４は、設定温度よりも高温になると、電気抵抗が大きくなって実質的に電流を遮断する素子である。したがって、多少は電流が流れることもある。
【００１９】
図３の保護部品２は、充電される電池の電圧が設定電圧よりも高くなると、発熱素子３に流れる電流が大きくなって発熱素子３が発熱し、発熱した発熱素子３が感熱遮断素子４を加熱して二次電池１に流れる電流を制限する。
【００２０】
保護部品２の断面構造を図４に示す。この保護部品２の感熱遮断素子４は、基板１３と、この基板１３に積層して固定している素子本体４Ｘとを備える。
【００２１】
基板１３は、ガラスエポキシ等のプラスチック製の硬質絶縁基板である。図の感熱遮断素子４は、素子本体４Ｘの両面に基板１３を積層して、２枚の基板１３である第１の基板１３Ａと第２の基板１３Ｂでもって素子本体４Ｘを挟着している。第１の基板１３Ａは、出力端子５を固定している。出力端子５は、保護部品２を内蔵するパック電池の出力端子である。図の保護部品２は、正負の出力端子５を第１の基板１３Ａに固定しているが、温度端子等の出力端子を第１の基板に設けることもできる。第１の基板１３Ａは、基板の表面に導電パターン層１４を積層して、この導電パターン層１４に半田付けやスポット溶接して出力端子５を接続している。第２の基板１３Ｂは、導電パターン層７を設けて、ここに発熱素子３を半田付けして接続している。さらに、第２の基板１３Ｂは、導電パターン層７に二次電池１の電極に接続される電極接続リード８を半田付けやスポット溶接で接続している。以上の感熱遮断素子４は、２枚の基板１３で素子本体４Ｘを挟着するので、発熱素子３と電極接続リード８をしっかりと固定できると共に、素子本体４Ｘの両面を保護できる特長がある。ただ、保護部品は、発熱素子と電極接続リードを接続する基板を絶縁シートとすることもできる。
【００２２】
素子本体４Ｘは、設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層４Ａと、この感熱層４Ａの両面に電気接続して積層している第１電極層４Ｂ及び第２電極層４Ｃとを備える。
【００２３】
図５は図４に示す保護部品２の底面図であり、図６は図４に示す保護部品２の感熱遮断素子４を構成している各々の層の平面図である。これ等の図に示す保護部品２は、上から順番に出力端子５、導電パターン層１４、第１の基板１３Ａ、第１電極層４Ｂ、感熱層４Ａ、第２電極層４Ｃ、第２の基板１３Ｂ、導電パターン層７を積層して接着している。導電パターン層１４、７は、導電製金属の薄膜で、第１の基板１３Ａと第２の基板１３Ｂの表面に積層して固定される。第１の基板１３Ａに設けている導電パターン層１４は、出力端子５に接続される。第２の基板１３Ｂに設けている導電パターン層７は、発熱素子３と電極接続リード８に接続される。
【００２４】
感熱遮断素子４は、一対の電極接続リード８を介して二次電池１の＋−の電極に接続される。図の感熱遮断素子４は、一方の電極接続リード８である＋側の電極接続リード８Ａは、導電パターン層７とスルーホール１０を介して出力端子５と発熱素子３に接続している。他方の電極接続リード８である−側の電極接続リード８Ｂは、導電パターン層７とスルーホール１０を介して素子本体４Ｘの第２電極層４Ｃと発熱素子３に接続される。素子本体４Ｘの第１電極層４Ｂは、スルーホール１０と導電パターン層１４を介して出力端子５に接続される。
【００２５】
図の第２の基板１３Ｂは、その表面に、発熱素子３と電極接続リード８を接続するために、両端部に絶縁して二つの導電パターン層７を設けている。図において、左右の導電パターン層７には、発熱素子３に設けている一対の電極を接続し、さらに、左右の導電パターン層７に一対の電極接続リード８を接続している。
【００２６】
右側の導電パターン層７は、第２の基板１３Ｂと素子本体４Ｘと第１の基板１３Ａとを絶縁状態で貫通するスルーホール１０を介して、第１の基板１３Ａに設けている一方の導電パターン層１４に接続している。左側の導電パターン層７は、第２の基板１３Ｂを貫通するスルーホール１０で、素子本体４Ｘの第２電極層４Ｃに接続している。
【００２７】
以上の保護部品２は、図３に示す回路図のパック電池に使用される。このパック電池は、図７に示すように保護部品２を二次電池１に接続している。パック電池に内蔵される二次電池１は、リチウムイオン電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池等の充電できる二次電池である。このパック電池は、二次電池１の凸部電極側に保護部品２を配設している。保護部品２は、一方の電極接続リード８を外装缶１Ａに、他方の電極接続リード８を凸部電極１Ｂにスポット溶接等の方法で接続している。図のパック電池は、たとえば、ニッケルとアルミニウムのクラッド材１１を介して、一方の電極接続リード８を外装缶１Ａに接続している。この構造は、アルミニウム缶に電極接続リード８を接続するのに適している。保護部品２と二次電池１との間には、絶縁シート１２を配設している。
【００２８】
図８と図９に示すパック電池は、二次電池１の側部に隣接して、保護部品２を配設している。ここに配設する保護部品２の断面図を図１０に示す。この保護部品２は、発熱素子を備えていない。この保護部品２の感熱遮断素子４は、素子本体４Ｘの両面に基板１３を積層し、２枚の基板１３で素子本体４Ｘを挟着している。この感熱遮断素子４は、第１の基板１３Ａの表面側に出力端子５を固定している。出力端子５は、第１の基板１３Ａに積層、接着している導電パターン層１４に、半田付けやスポット溶接で接続している。一方の出力端子５、図において−側の出力端子５を固定している導電パターン層１４は、−側の電極接続リード８Ｂを接続している。−側の電極接続リード８Ｂは、半田付けやスポット溶接して導電パターン層１４に接続される。他方の出力端子５は、第１の基板１３Ａを貫通するスルーホール１０を介して素子本体４Ｘの第１電極層４Ｂに接続される。素子本体４Ｘの第２電極層４Ｃは、スルーホール１０を介して第２の基板１３Ｂに設けている導電パターン層７に接続される。この導電パターン層７は、半田付けやスポット溶接等の方法で＋側の電極接続リード８Ａを接続している。＋側の電極接続リード８Ａは、二次電池１の正極側に接続される。この保護部品２も素子本体４Ｘの両面を基板１３で挟着するので、電極接続リード８と出力端子５をしっかりと固定できると共に、素子本体４Ｘの両面を保護できる特長がある。ただ、保護部品は、出力端子を固定しない第２の基板を絶縁シートとすることもできる。さらに、この保護部品２は、発熱素子を備えていないが、感熱遮断素子４を外装缶１Ａに密着して配設できるので、高温となった二次電池１で直接に加熱される。したがって、この保護部品２も、二次電池１が高温になると感熱遮断素子４を確実かつ速やかに動作させて、二次電池１に流れる電流を制限できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の電池の保護部品と保護部品を有するパック電池は、極めてシンプルな構造で感熱遮断素子を理想的な状態に配置でき、さらに、加工性を向上して、安価に多量生産できる特長がある。それは、本発明の保護部品が、熱遮断素子を、設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層の両面に第１電極層と第２電極層を積層した素子本体と、この素子本体に積層してなる基板とで構成しており、基板の片面に素子本体を積層すると共に、他の面に出力端子を固定しているからである。この構造の保護素子は、出力端子を設けた基板に素子本体を積層するので、これらの加工性を向上して安価に多量生産できる。とくに、この保護部品は、熱遮断素子を大きくできるので、通電状態における内部抵抗を小さくできる。
【００３０】
さらに、本発明の請求項１の保護部品と請求項７のパック電池は、発熱素子と感熱遮断素子とを理想的な状態に配列してコンパクトにできる特長がある。それは、この保護部品が、発熱素子とこの発熱素子に熱結合される感熱遮断素子とを備え、熱遮断素子を素子本体と基板とで構成して、基板の片面に素子本体を積層すると共に、他の面に出力端子を固定しているからである。この保護部品は、極めて簡単な構造として、発熱素子と感熱遮断素子とを理想的に配列できるので、これらを確実に熱結合させて、発熱素子の発熱で感熱遮断素子を有効に加熱して正常に動作できると共に、安価に多量生産して、しかもコンパクトにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の保護部品を内蔵するパック電池の回路図
【図２】発熱素子の電圧−電流特性を示すグラフ
【図３】本発明の一実施例にかかるパック電池の回路図
【図４】図３に示すパック電池の保護部品の概略拡大断面図
【図５】図４に示す保護部品の底面図
【図６】図４に示す保護部品の感熱遮断素子を構成している各層の平面図
【図７】図３に示すパック電池の概略断面図
【図８】本発明の他の実施例のパック電池の概略断面図
【図９】図８に示すパック電池の回路図
【図１０】図８に示すパック電池の保護部品の概略拡大断面図
【符号の説明】
１…二次電池 １Ａ…外装缶
１Ｂ…凸部電極
２…保護部品
３…発熱素子 ３Ａ…定電圧ダイオード
３Ｂ…スイッチング素子
４…感熱遮断素子 ４Ｘ…素子本体
４Ａ…感熱層
４Ｂ…第１電極層
４Ｃ…第２電極層
５…出力端子
７…導電パターン層
８…電極接続リード ８Ａ…＋側の電極接続リード
８Ｂ…−側の電極接続リード
１０…スルーホール
１１…クラッド材
１２…絶縁シート
１３…基板 １３Ａ…第１の基板
１３Ｂ…第２の基板
１４…導電パターン層
２１…電池
２２…保護部品
２３…発熱素子
２４…感熱遮断素子
２５…出力端子

Claims (14)

1. 電池(1)に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると発熱する発熱素子(3)と、この発熱素子(3)に熱結合されると共に、出力端子(5)と電池(1)との間に接続されて、設定温度よりも高温になると電気抵抗が大きくなって電池(1)に流れる電流を制限する感熱遮断素子(4)とを備え、充電される電池(1)の電圧が設定電圧よりも高くなると、発熱素子(3)に流れる電流が大きくなって発熱素子(3)が発熱し、発熱した発熱素子(3)が感熱遮断素子(4)を加熱して電池(1)に流れる電流を制限するようにしてなる電池の保護部品であって、
   感熱遮断素子(4)が、第１の基板(13A)及び第２の基板(13B)からなる基板(13)と、この基板(13) の間に挟着して固定している素子本体(4X)とを備え、素子本体(4X)は設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層(4A)と、この感熱層(4A)の両面に電気接続して積層している第１電極層(4B)及び第２電極層(4C)とを備え、第１の基板(13A)は表面に出力端子(5)を固定し、基板(13)及び素子本体(4X)はスルーホール(10)を有しており、第２の基板(13B)はスルーホール(10)を介して出力端子(5)と電気接続されていることを特徴とする電池の保護部品。
2. 第２の基板(13B)には発熱素子(3)を積層している請求項１に記載の電池の保護部品。
3. 基板(13)の表面に導電パターン層(14)を積層して、この導電パターン層(14)を出力端子(5)に接続している請求項１に記載の電池の保護部品。
4. 第１の基板(13A)と第２の基板(13B)に導電パターン層(14)、(7)を積層して、第１の基板(13A)の導電パターン層(14)を出力端子(5)に接続して、第２の基板(13B)の導電パターン層(7)を発熱素子(3)に接続している請求項２に記載の電池の保護部品。
5. 第２の基板(13B)の導電パターン層(7)に、電池(1)の電極に接続される電極接続リード(8)を接続している請求項４に記載の電池の保護部品。
6. 素子本体(4X)がＰＴＣ素子である請求項１に記載の電池の保護部品。
7. 出力端子(5)と電池(1)との間に、電池(1)の保護部品(2)を接続しており、この保護部品(2)が、電池(1)に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると発熱する発熱素子(3)と、この発熱素子(3)に熱結合されると共に、出力端子(5)と電池(1)との間に接続されて、設定温度よりも高温になると電気抵抗が大きくなって電池(1)に流れる電流を制限する感熱遮断素子(4)とを備え、充電される電池(1)の電圧が設定電圧よりも高くなると、発熱素子(3)に流れる電流が大きくなって発熱素子(3)が発熱し、発熱した発熱素子(3)が感熱遮断素子(4)を加熱して電池(1)に流れる電流を制限するようにしてなるパック電池であって、
   保護部品(2)の感熱遮断素子(4)が、第１の基板(13A)及び第２の基板(13B)からなる基板(13)と、この基板(13) の間に挟着して固定している素子本体(4X)とを備え、素子本体(4X)は設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層(4A)と、この感熱層(4A)の両面に電気接続して積層している第１電極層(4B)及び第２電極層(4C)とを備え、第１の基板(13A)は表面に出力端子(5)を固定し、基板(13)及び素子本体(4X)はスルーホール(10)を有しており、第２の基板(13B)はスルーホール(10)を介して出力端子(5)と電気接続されている保護部品を有するパック電池。
8. 第２の基板(13B)には発熱素子(3)を積層している請求項７に記載の保護部品を有するパック電池。
9. 基板(13)の表面に導電パターン層(14)を積層して、この導電パターン層(14)を出力端子(5)に接続している請求項７に記載の保護部品を有するパック電池。
10. 第１の基板(13A)と第２の基板(13B)に導電パターン層(14)、(7)を積層して、第１の基板(13A)の導電パターン層(14)を出力端子(5)に接続して、第２の基板(13B)の導電パターン層(7)を発熱素子(3)に接続している請求項８に記載の保護部品を有するパック電池。
11. 第２の基板(13B)の導電パターン層(7)に電池(1)の電極に接続される電極接続リード(8)を接続している請求項１０に記載の保護部品を有するパック電池。
12. 素子本体(4X)がＰＴＣ素子である請求項７に記載の保護部品を有するパック電池。
13. 保護部品(2)を、角型電池の凸部電極(1B)に隣接して肩部に配設している請求項７に記載される保護部品を有するパック電池。
14. 保護部品(2)を、電池(1)の側部または底部に配設している請求項７に記載される保護部品を有するパック電池。