JP4438284B2

JP4438284B2 - 保護素子及び電池パック

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Publication number: JP4438284B2
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Inventors: 俊夫松田; 均秋保
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Publication date: 2010-03-24
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動信頼性を高め、電池の過電圧印加、過電流放電からの保護を図ることのできる保護素子及び電池パックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、例えば携帯型電話機、ノート型携帯用コンピュータ、情報端末装置（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）、カメラ一体型ＶＴＲ（Video Tape Recorder）等の携帯用電子機器の駆動電源として、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させることで充放電反応が行われ、軽量で高エネルギー密度なリチウムイオン二次電池の開発が進められている。
【０００３】
このリチウムイオン二次電池では、上述した携帯用電子機器に搭載されることから更なる小型化、軽量化を図るために、例えばフィルム状の外装材や固体電解質等を用いることで更なる小型化、軽量化を図ることができる。具体的に、リチウムイオン二次電池においては、例えばフィルム状の外装材として熱融着が可能な高分子フィルムと金属箔とが積層されたラミネートフィルム等を用い、固体電解質として非水電解液を高分子マトリックスに含有させたゲル状電解質等を用いる。そして、このようなラミネートフィルムとゲル状電解質とを用いたリチウムイオン二次電池は、一般的にポリマー電池と呼ばれている。
【０００４】
また、図１５に示すように、ポリマー電池１００は、例えば充放電等を制御する制御回路１０１や、外部端子と接続されるコネクタ１０２等を備えた回路基板１０３に接続される。これらポリマー電池１００や回路基板１０３は、プラスチック等からなる外筐１０４ａ，１０４ｂに収納されることでいわゆる電池パック１０５として構成される。
【０００５】
このような電池パック１０５において、過電圧充電防止、過電流放電防止のために、制御回路１０１に加えて、二次保護回路として、サーモスタット、ＰＴＣ、ヒューズ等の保護素子１０６が用いられている。これらの保護素子１０６は、万が一制御回路１０１が正常に作動しなかった場合などに、過電圧や過電流に起因するポリマー電池１００の自己発熱を感知し、所定の温度に達すると電流を遮断する、これによりポリマー電池１００への過電圧印加、過電流放電が防止される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの保護素子１０６は、図１５に示すように、回路基板１０３上や、ポリマー電池１０３の電極１０７，１０８と回路基板１０５との間に配置されている。保護素子１０６とポリマー電池１００とは接触しておらずその間に空間がある。このために、保護素子１０６はポリマー電池１００の発熱を速やかに感知することができずに、ポリマー電池１００の過電圧充電、過電流放電等からの保護が十分に図れないという問題がある。
【０００７】
図１６は、保護素子としてサーモスタットを用い、電池に過電圧を印加したときの、電池温度、電池電圧及びサーモスタット表面温度を示す特性図である。なお、このとき−３０℃の温度下で、１２Ｖ，２．５Ａの条件で電池に過電圧を印加した。
【０００８】
また、サーモスタットの動作／復帰（オン／オフ）特性の一例を図１７に示す。図１７から分かるように、サーモスタットは、その温度が８０℃まで上昇したときに作動（オフ）し、一度作動した後は、６０℃に低下したときに復帰（オン）となる。
【０００９】
図１６からも明らかなように、電池は発熱源であり電池の温度が一番高くなるが、この熱は電池から直接にサーモスタットに伝達されるわけではなく、サーモスタットの温度は電池からの熱伝導により上昇する。このため、サーモスタットの温度は、常に電池より低い値となる。このように電池とサーモスタットとの間には温度差が生じ、サーモスタットが動作する前に電池がかなりの損傷を受けてしまうことがある。
【００１０】
ここでは、サーモスタットの温度が、作動温度である６０℃に達する前に、電池の温度が１２０℃にまで上昇しブレイクダウン（破損）してしまっている。
【００１１】
また、例えば電池と保護素子との間の熱伝導は、外部の温度にも影響される。高温環境下では、保護素子と電池の温度差は小さいが、例えば上述したような−３０℃という低温環境下では、電池からの熱伝導が十分に行えず、保護素子と電池の温度差が大きくなってしまい、保護素子としての機能が発揮できず、信頼性に欠けたものとなってしまう。
【００１２】
このような電池と保護素子との間の温度差を縮小させるためには、保護素子を電池に密着させる必要があるが、厚みのある保護素子を電池に密着させることは、電池パックの小型化を図る上で困難であり、また組み立て時の難易度も増してしまう。
【００１３】
なお、特開平１１−４１８２３号公報には、発熱抵抗を備え、当該発熱抵抗の発熱によって熱作動手段を動作させる過充電保護装置が提案されているが、過充電状態が解消した後の再充電を可能とすることを目的としたものであり、上述したような問題を解決するものではない。
【００１４】
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、より確実に作動し、信頼性の高い保護素子及びその保護素子を備えた電池パックを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の保護素子は、電池電圧を監視する電圧監視手段と、電流を流すことによって発熱する発熱素子と、上記発熱素子の温度を感知して電流を制御する電流制御手段とを備え、上記電圧監視手段と発熱素子と電流制御手段とは同一パッケージ内に収納され一体化されており、上記発熱素子は、トランジスタであり、電圧監視手段は、電池電圧を監視して、電池電圧が所定の電圧を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させ、電流制御手段は、発熱素子の温度を感知して、所定の温度を超えると電流を制御するものである。
【００１６】
上述したような本発明の保護素子では、電池電圧を監視して発熱素子を発熱させ、電流制御手段は、同一パッケージ内に収納された発熱素子の温度を感知しているので、電流制御手段が速やかに作動し、信頼性の高いものとなる。
【００１７】
また、本発明の電池パックは、電池と、当該電池と電気的に接続された保護素子とを備え、上記保護素子は、電池電圧を監視する電圧監視手段と、電流を流すことによって発熱する発熱素子と、上記発熱素子の温度を感知して電流を制御する電流制御手段とを備え、上記発熱素子は、トランジスタであり、上記電圧監視手段と発熱素子と電流制御手段とは同一パッケージ内に収納され一体化されており、電圧監視手段は、電池電圧を監視して、電池電圧が所定の電圧を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させ、電流制御手段は、発熱素子の温度を感知して、所定の温度を超えると電流を制御することを特徴とする。
【００１８】
上述したような本発明にかかる電池パックでは、保護素子において、電池電圧を監視して発熱素子を発熱させ、電流制御手段は、同一パッケージ内に収納された発熱素子の温度を感知しているので、電流制御手段が速やかに作動し、信頼性の高いものとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した保護素子及び電池パックの実施の形態について説明する。
【００２０】
図１及び図２に、本発明の電池パックの一構成例を示す。この電池パック１は、収納ケースとなる外筐２に、発電要素となるポリマー電池３と、ポリマー電池３が電気的に接続された回路基板４とが収納された構造となっている。
【００２１】
外筐２は、いわゆるプラスチックケースからなり、略扁平箱状の上ハーフ２ａの周壁と下ハーフ２ｂの周壁とを互いに突き合わすことで、内部にポリマー電池３及び回路基板４が収納される収納空間を形成すると共に、その外形形状は略矩形平板状である。また、この外筐２には、長手方向の一側端部に、回路基板４に取り付けられたコネクタ２５を外部に臨ませる開口部５が形成されており、外筐２を構成する上ハーフ２ａ及び下ハーフ２ｂには、この開口部５を構成する切欠部５ａ，５ｂがそれぞれ形成されている。
【００２２】
ポリマー電池３は、図３に示すように、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質電池であり、充放電といった電池反応が行われる電池素子６と、この電池素子６を封入するフィルム状の外装材７とを有している。
【００２３】
ポリマー電池３において電池素子６は、帯状の正極８と、帯状の負極９との間に有機高分子や電解質塩を含有させた固体電解質１０とセパレータ１１とを介在させた状態で、電極の長手方向に捲回することで発電素子として機能する。
【００２４】
正極８は、正極活物質と結着剤とを含有する正極合剤塗液を正極集電体１２上に塗布、乾燥、加圧することにより、正極集電体１２上に正極合剤層１３が圧縮形成された構造となっている。正極８には、正極端子１４が正極集電体１２の所定の位置に、正極集電体１２の幅方向に突出するように接続されている。この正極端子１４には、例えばアルミニウム等の導電性金属からなる短冊状金属片等を用いる。
【００２５】
負極９は、負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤塗液を負極集電体１５上に塗布、乾燥、加圧することにより、負極集電体１５上に負極合剤層１６が圧縮形成された構造となっている。負極９には、負極端子１７が負極集電体１５の所定の位置に、負極集電体１５の幅方向に突出するように接続されている。この負極端子１７には、例えばニッケルや銅等の導電性金属からなる短冊状金属片等を用いる。
【００２６】
固体電解質１０は、正極８と負極９との間で例えばリチウムイオン等の授受を行うものである。このため、この固体電解質１０には、リチウムイオン導電性を有する有機固体電解質を用いる。この有機固体電解質としては、電解質塩とそれを含有させる有機高分子とによって構成される高分子固体電解質や、非水電解液を高分子マトリックスに含有させたゲル状電解質等を用いることができる。そして、固体電解質１０は、正極８及び負極９の表面に、有機固体電解質を含有する電解質溶液を塗布し、固化することで電解質層として形成される。
【００２７】
セパレータ１１は、正極８と負極９とを離間させるものであり、この種の非水電解質電池の絶縁性多孔質膜として通常用いられている公知の材料を用いることができる。
【００２８】
以上のような構成の電池素子６を封入する外装材７は、例えば樹脂層と金属層とがラミネート加工等で貼り合わされて二層以上に複合化されたラミネートフィルムであり、電池素子６と対向する面が樹脂層になるようにされている。樹脂層としては、正極端子１４及び負極端子１７に対して接着性を示すものであれば材料は特に限定されない。金属層としては、例えば箔状、板状等に成形されているアルミニウム、ステンレス、ニッケル、鉄等が用いられる。また、外装材７においては、電池１の外周層となる層に例えばナイロン等からなる樹脂層を備えることにより、破れや突き刺し等に対する強度を向上させることができる。
【００２９】
外装材７の内部に、電池素子６を収納し、外装材７の周縁部を例えばヒートシール等で樹脂層同士を張り合わせることにより、電池素子７を構成する正極８及び負極９と導通された正極端子１４及び負極端子１７が外装材７の貼合せ面７ａの間から樹脂片１８を介して外部へと引き出された状態で電池素子７が外装材７に封入されて、ポリマー電池３となる。
【００３０】
以上のようなポリマー電池３が接続される回路基板４は、図４に示すように、外装材７の貼合せ面７ａに対応した幅で長尺状に形成されている。回路基板４の長手方向の両側には、正極端子１４及び負極端子１７が電気的に接続される接続部２０と、ポリマー電池３を過充放電等から保護する電池制御回路部２８や保護素子３０が構成される回路部２１とが設けられている。
【００３１】
また、この回路基板４は、可撓性を有すると共に、パターン配線と誘電絶縁層とが交互に積層されてなる、いわゆる多層フレキシブルプリント配線基板である。そして、この回路基板４は、可撓性を有することから接続部２０と回路部２１との間で折り曲げ可能となっている。なお、ここでは、回路基板４としてフレキシブル基板を用いて説明しているが、このことに限定されることはなく、例えばリジッド基板等にも適用可能である。
【００３２】
回路基板４において、接続部２０には、上述したポリマー電池３の正極端子１４及び負極端子１７が電気的に接続される一対の接続ランド２２ａ，２２ｂが設けられている。これら一対の接続ランド２２ａ，２２ｂは、回路基板４の一主面上に長手方向に所定の間隔で並んでパターン配線の一部としてパターン形成されている。
【００３３】
そして、正極端子１４及び負極端子１７は、この回路基板４の長手方向に対して直交して配置されると共に、その先端部がハンダ接続により一対の接続ランド２２ａ，２２ｂと接続されている。
【００３４】
また、接続部２０と回路部２１との間には、接続部２０と回路部２１との間を曲げ易くさせるための折り曲げパターン２３が、接続ランド２２ａ，２２ｂが形成された主面とは反対側の主面に設けられている。この折り曲げパターン２３は、回路基板４の短手方向と略平行な線状のパターン配線となるように、接続ランド２２ａ，２２ｂと同様の方法で一つ以上形成されている。
【００３５】
そして、これらの接続ランド２２ａ，２２ｂや折り曲げパターン２３は、例えば誘電絶縁層の主面全面にめっき法等で成膜された導電性金属等からなる金属層に、フォトリソグラフ処理等で所望のパターンとなるようにパターニング加工が施されることで設けられる。
【００３６】
この回路基板４は、回路部２１の端部に取り付けられ、電池パック１が装填される電子機器と電気的に接続される外部接続用のコネクタ２５と、接続部２０に接続されたポリマー電池３を過電圧充電、過電流放電等から保護する一次保護回路を備える電池制御回路部２８と、ポリマー電池３を過電圧充電、過電流放電等から保護する二次保護回路である保護素子３０とを有している。
【００３７】
電池制御回路部２８は、例えばポリマー電池３を過充電や過放電から保護する一次保護回路や、ポリマー電池３の電力残量等を演算する演算回路、電池パック１が装填される電子機器との間で通信を行う通信回路等で構成されている。
【００３８】
電池制御回路部２８は、ポリマー電池３が繋がる接続ランド２２ａ，２２ｂ、保護素子３０等に電気的に接続されることでポリマー電池３から電力が絶えず供給され、ポリマー電池３の充放電や、保護素子３０と電子機器との間の通信等を制御する。そして、電池制御回路部２８は、回路基板５の主面上に、例えばＩＣ（integrated circuit）チップ、ＬＳＩ（Large-scale Integrated Circuit）チップ等のような集積回路にされた状態で電子部品として実装される。
【００３９】
ここで、上記電池制御回路部２８が備える一次保護回路の構成について説明する。一次保護回路５０を備えた電池パック１の概略回路構成を図５に示す。
【００４０】
一次保護回路５０は、ポリマー電池３に流れる電流をスイッチングするスイッチング回路５１と、電流を検出する電流検出回路５２と、電圧を検出する電圧検出回路５３と、電流検出回路５２または電圧検出回路５３の検出結果にしたがってスイッチング回路５１を制御する制御回路５４とから構成される。
【００４１】
このような一次保護回路５０を備えた電池パック１において、ポリマー電池３は、スイッチング回路５２と直列に接続されている。電池パック１の出力端子としての正端子５５及び負端子５６は、使用時、負荷に接続されるとともに、充放電時、充電装置または放電装置に接続される。スイッチング回路においては、２個のＦＥＴ３，４が直列に接続され、各ＦＥＴは、それぞれ寄生ダイオード３Ｄ，４Ｄを有している。
【００４２】
そして、電池パック１を充電する場合の動作について説明する。電池パック１の正極端子５５、負極端子５６は、図示しない充電装置の正端子、負端子及び信号出力端子にそれぞれ電気的に接続される。
【００４３】
そして、ポリマー電池１の充電を行うとき、制御回路５４は、ＦＥＴ３をオフし、ＦＥＴ４をオンするように制御を行う。ＦＥＴ３がオフされ、ＦＥＴ４がオンされると、図示しない充電装置の定電圧回路及び定電流回路によって、ポリマー電池の充電が行われる。
【００４４】
さらに、電流検出回路５２または電圧検出回路５３によって、ポリマー電池１が満充電状態に達したことが検出されると、制御回路５４は、過充電を防止するために、ＦＥＴ４をオフする（ＦＥＴ３もオフ）。ＦＥＴ４がオフされると、ＦＥＴ４自体は勿論、充電電流に対して逆方向に接続されている寄生ダイオード４Ｄにも充電電流は流れないので、ポリマー電池１の過充電が防止される。
【００４５】
しかし、上述したような一次保護回路５０が、故障等により十分に機能しない場合がある。そうなると、ポリマー電池３を過充放電から保護することができない。
【００４６】
そこで、本発明では、上記一次保護回路を補完して作動し、ポリマー電池３を過充放電から保護する二次保護回路として以下に述べるような保護素子３０を搭載している。
【００４７】
以下、保護素子３０について詳細に説明する。保護素子３０の一構成例を図６及び図７に示す。また、保護素子３０の概略回路構成を図８に示す。
【００４８】
図６及び図７に示すように、この保護素子３０は、基板３１と、基板３１上に実装された電池制御回路ＩＣチップ３２と、サーモスタット３３とを備える。これら基板３１、電池制御回路ＩＣチップ３２及びサーモスタット３３は、外装体３４によってパッケージングされて１つの素子として一体化されている。この外装体３４は、例えば金属薄板が箱型形状に折り曲げられてなる。
【００４９】
外装体３４の周囲はさらに樹脂３５で覆われて略密閉されている。樹脂３５で略密閉することにより電池の電解液の液漏れや電池パック外部からの水等の浸入を防止することができる。この保護素子３０の外形サイズは、例えば縦（ｔ_１）３ｍｍ×横（ｔ_２）４ｍｍ×厚さ（ｔ_３）１．５ｍｍとされている。
【００５０】
また、保護素子３０は端子３６ａ，３６ｂ，３６ｃを備えている。図８に示すように、これら端子３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、電池制御回路ＩＣチップ３２における端子５０ａ，５０ｂ，５０ｃとそれぞれ電気的に接続されている。そして３６ａは電池の負極と電気的に接続され、３６ｂは充電器の負側及び負荷の負側と電気的に接続される。また、３６ｃはポリマー電池の正側、充電器の正側及び負荷の正側と電気的に接続される。
【００５１】
この保護素子３０では、電池制御回路ＩＣチップ３２の内部において、電圧検出回路によって電池電圧を監視し、電池電圧が所定の値を超えると、トランジスタに電流を流してトランジスタを発熱させる。サーモスタット３３はこの電池制御回路ＩＣチップ３２内におけるトランジスタの発熱を感知して作動する。
【００５２】
サーモスタット３３は、固定接点３７と、可動接点３８を備えた可動片３９と、バイメタルディスク４０とから構成される。
【００５３】
固定接点３７は、基板３１上に形成され、端子３６ｂと電気的に接続されている。
【００５４】
可動片３９は、外装体３４の上面部の一部をコの字形状に切り抜き、切り抜き部分を外装体３４の内側に押し曲げることで、外装体３４と一体に形成されている。可動片３９の外装体３４と接続している側と反対側の端部は可動接点３８とされている。この可動接点３８は端子３６ａと電気的に接続されている。
【００５５】
可動接点３８は、サーモスタット３３の非作動時においては固定接点３７と接触しており、両者間の電気的接続、すなわち端子３６ａ−端子３６ｂ間の導通が確保されている。
【００５６】
バイメタルディスク４０は、電池制御回路ＩＣチップ３２と上記可動片３９との間に、電池制御回路ＩＣチップ３２と近接又は接触するとともに、上記可動片３９に接して配されている。バイメタルディスク４０は、熱膨張率の異なる２種類の金属材料を平板状に積層接合して形成される。そして、バイメタルディスク４０は、電池制御回路ＩＣチップ３２の温度を感知し、所定の作動温度（ここでは例えば８０℃とする。）になったときに、図９に示すように２種類の金属材料の熱膨張率の違いにより変形して可動片３９を押し上げる。これにより固定接点３７と可動接点３８とを物理的に離間させ、両者の電気的接続、すなわち端子３６ａ−端子３６ｂ間の電気的接続を遮断する。
【００５７】
そして、バイメタルデイスク４０の温度が所定の復帰温度（ここでは例えば６０℃とする。）まで下がるとバイメタルデイスク４０が元の形に戻る。これにより可動接点３８が固定接点３７に接触し、端子３６ａ−端子３６ｂ間の電気的接続が復帰して充放電が再び開始される。
【００５８】
この保護素子３０では、サーモスタット３３は、ポリマー電池の温度を直接感知して作動するのではなく、電池制御回路ＩＣチップ３２の温度を感知して作動する。
【００５９】
サーモスタット３３は、電池制御回路ＩＣチップ３２に近接又は接触して配されているので、周囲の温度や熱伝導に影響されることなく、電池制御回路ＩＣチップ３２の温度を敏感に感知して、確実に作動することができる。これにより、この保護素子３０は、過電圧充電、過電流放電等からの電池の保護を確実に行うことができる優れたものとなる。
【００６０】
次に、電池制御回路ＩＣチップ３２について説明する。電池保護回路ＩＣチップ３２の回路構成を図１０に示す。
【００６１】
電池制御回路ＩＣチップ３２は、端子５０ａ，５０ｂ，５０ｃを備え、例えばワイヤボンデイングにより保護素子３０の端子３６ａ，３６ｂ，３６ｃとそれぞれ電気的に接続される。そして端子５０ａは、電池の負極と電気的に接続され、端子５０ｂは充電器の負側及び負荷の負側と電気的に接続される。また、端子５０ｃはポリマー電池３、充電器の正側及び負荷の正側と電気的に接続される。
【００６２】
この電池保護回路ＩＣ３２チップは、電流が流されることで発熱する発熱素子として第１のトランジスタ５１と、第１のトランジスタ５１のスイッチング素子として第２のトランジスタ５２と、ポリマー電池の電池電圧を検出する第１のコンパレータ５３と、放電電流値を検出する第２のコンパレータ５４と、充電電流値を検出する第３のコンパレータ５５と、第１ないし第３のコンパレータ５３，５４，５５からの検出結果に応じて第１のトランジスタ５１に電流を流す論理回路５６と、第１のトランジスタ５１の温度を検出する温度検出回路５７とを備える。
【００６３】
第１のトランジスタ５１は、電流が流されることによって発熱する。過充電や過放電により、電池電圧、放電電流、充電電流のいずれかが基準値を超えた場合に、この第１のトランジスタ５１に電流が流されることにより発熱する発熱用のトランジスタである。第１のトランジスタ５１の消費電力が１Ｗ程度の場合、その表面温度は１分程で１２０℃となり十分な熱を放射する。サーモスタット３３は、この第１のトランジスタ５１の発熱を感知して作動する。
【００６４】
コンパレータは、基準電圧（Ｖ_ｓｔ）に対して入力電圧が大きいか小さいかを判別する回路であり、判別結果に応じた信号を出力する。
【００６５】
第１のコンパレータ５３は、端子５０ａ−端子５０ｃ間の電圧、すなわち電池電圧が、基準電圧Ｖ_ｓｔ５８（ここでは例えば４．８Ｖとする。）よりも大きいか小さいかを判別する。そして、第１のコンパレータ５３は、電池電圧が４．８Ｖよりも小さい場合には、オフ信号を、電池電圧が４．８Ｖ以上である場合には、オン信号を出力する。この信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００６６】
さらに、この電池保護回路では、第１のコンパレータ５３に加えて、ポリマー電池の放電電流を監視する第２のコンパレータ５４、充電電流を監視する第３のコンパレータ５５とを備える。
【００６７】
電池電圧に加えて、放電電流や充電電流も監視することによりポリマー電池の状態を２重、３重に監視することができ、より信頼性の高い保護が可能になる。
【００６８】
第２のコンパレータ５４は、端子５０ａ−端子５０ｂ間に電気的に接続されているサーモスタット３３の両端電圧値を検出し、端子５０ａ−端子５０ｂ間の電圧が、基準電圧Ｖ_ｓｔ５９よりも大きいか小さいかを判別する。これにより、端子５０ｂ→端子５０ａ方向の電流値、すなわち放電電流値が、基準電流（ここでは例えば５Ａとする。）よりも大きいか小さいかを判別する。そして、第２のコンパレータ５４は、電流値が５Ａよりも小さい場合には、オフ信号を、電流値が５Ａ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。なお、サーモスタット３３の導通抵抗値は標準値で５ｍΩである。
【００６９】
第３のコンパレータ５５は、第２のコンパレータ５４とは逆方向に繋がれており、端子５０ａ−端子５０ｂ間に電気的に接続されているサーモスタット３３の両端電圧値を検出し、端子５０ａ−端子５０ｂ間の電圧が、基準電圧Ｖ_ｓｔ５９よりも大きいか小さいかを判別する。これにより、端子５０ａ→端子５０ｂ方向の電流値、すなわち充電電流値が、基準電流（ここでは例えば５Ａとする。）よりも大きいか小さいかを判別する。そして、第３のコンパレータ５５は、電流値が５Ａよりも小さい場合には、オフ信号を、電流値が５Ａ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００７０】
論理回路５６は、論理ＯＲ回路であり、第１ないし第３のコンパレータ５３，５４，５５から入力されるオン／オフ信号を論理演算し、いずれか１つでもオン信号であるならば、すなわち、電池電圧、放電電流、充電電流のいずれか１つでも基準値を超えている場合にはオン信号を出力する。オン信号が出力されると第１のトランジスタ５１に電流が流れはじめ、これにより第１のトランジスタ５１は発熱する。
【００７１】
温度検出回路５７は、第１のトランジスタ５１の温度を監視するもので、第１のトランジスタ５１の温度が所定の温度（ここでは例えば９０℃とする。）を超えると、第２のトランジスタ５２にオン信号を出力し、第２のトランジスタ５２に電流を流す。
【００７２】
第２のトランジスタ５２は、第１のトランジスタのスイッチング素子であり、第２のトランジスタ５２に電流が流されると、回路が短絡されて第１のトランジスタ５１の電流はカットオフされる。これは論理回路５６からの信号に優先し、論理回路５６からの信号がオン信号であっても第１のトランジスタ５１の電流はオフになる。これにより第１のトランジスタ５１の過熱、熱破壊が防止される。
【００７３】
そして、このような電池制御回路ＩＣチップ３２を備えた保護素子３０において、サーモスタット３３は、ポリマー電池３の温度を直接感知して作動するのではなく、電池制御回路ＩＣチップ３２内において電池電圧を監視して、所定の電圧を超えると第１のトランジスタ５１を発熱させる。サーモスタット３３は、そのトランジスタの温度を感知して作動して電流を遮断する。これにより過電圧充電、過電流放電等から電池の保護を確実に行うことができる。
【００７４】
また、この電池制御回路ＩＣチップ３２では、電池電圧に加えて充電電流や放電電流も監視し、所定の状態を超えると第１のトランジスタ５１を発熱させている。これにより、ポリマー電池の保護をより確実に図ることができる。
【００７５】
さらに、この電池制御回路ＩＣチップ３２では、発熱した第１のトランジスタ５１の温度を監視し、所定温度を超えると、第２のトランジスタ５２に電流を流すことにより第１のトランジスタ５１の電流をカットオフしている。これにより第１のトランジスタ５１の過熱、熱破壊を防止することができる。
【００７６】
以上のような外筐２、ポリマー電池３及び回路基板４によって構成される電池パック１の組立方法について説明する。具体的には、ポリマー電池３が取り付けられた回路基板５を外筐２に収容する方法について説明する。
【００７７】
ポリマー電池３及び保護素子３０が取り付けられた回路基板４を外筐２に収納する際は、先ず、図１１に示すように、回路基板４の長手方向に対して直交して配置されたポリマー電池３正極端子１４及び負極端子１７の先端部が接続部２０側の一対の接続ランド２２ａ，２２ｂと接続された状態から、図１１に示すように、正極端子１４及び負極端子１７の先端部を回路基板４と共に外装材７の貼合せ面７ａ上に折り返す。
【００７８】
次に、図１２に示すように、回路基板４の回路部２１を、保護素子３０等が実装された主面が接続部２０と対向する主面とは反対側の主面、すなわち外側の主面となるように、接続部２０と回路部２１との間に形成された折り曲げパターン２３に沿って接続部２０上に折り返す。これにより、回路基板４は、図２に示すように、外装材７の貼合せ面７ａ上に収まるように接続部２０と回路部２１との間で折り曲げられた状態で、且つポリマー電池３の正極端子１４及び負極端子１７が突出する側の側面に沿って配置される。そして、これらポリマー電池３及び回路基板４を、外筐２の上ハーフ２ａと下ハーフ２ｂとの間に収納した後、これら上ハーフ２ａと下ハーフ２ｂとを接続する。以上のようにして、図１に示すような電池パック１が組み立てられる。
【００７９】
次に、このようにして組み立てられる電池パック１において、過電圧を印加した際に保護素子３０がポリマー電池３を保護する動作について図１３及び図１４に示すフローチャートに従って説明する。なお、図１３及び図１４において、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２は、それぞれ第１のトランジスタ、第２のトランジスタを意味する。
【００８０】
まず、電池パックに充電器を取り付け、充電を開始させる。
【００８１】
図１３に示すように、電池制御回路ＩＣチップ３２では、第１のコンパレータ５３は、ステップＳ１ａにおいて、端子５０ａ−端子５０ｃ間の電圧、すなわち電池電圧が４．８Ｖよりも大きいか小さいかを判別する。そして、第１のコンパレータ５３は、電池電圧が４．８Ｖよりも小さい場合にはオフ信号を出力し、電池電圧が４．８Ｖ以上である場合にはオン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８２】
第２のコンパレータ５４は、ステップＳ１ｂにおいて、端子５０ｂ→端子５０ａ方向の電流値、すなわち放電電流値が５Ａよりも大きいか小さいかを判別する。そして、第２のコンパレータ５４は、電流値が５Ａよりも小さい場合にはオフ信号を出力し、電流値が５Ａ以上である場合にはオン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８３】
第３のコンパレータ５５は、ステップＳ１ｃにおいて、端子５０ａ→端子５０ｂ方向の電流値、すなわち充電電流値が５Ａよりも大きいか小さいかを判別する。そして、第３のコンパレータ５５は、電流値が５Ａよりも小さい場合にはオフ信号を出力し、電流値が５Ａ以上である場合にはオン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８４】
つぎに、論理回路５６は、ステップＳ２において第１ないし第３のコンパレータ５３，５４，５５から入力されるオン／オフ信号をＯＲ論理演算し、いずれか１つでもオン信号であるならば、オン信号を出力する。
【００８５】
そしてオン信号が出力されると、ステップＳ３において第１のトランジスタ５１に電流が流れはじめ、これにより第１のトランジスタ５１は発熱する。第１のトランジスタ５１の消費電力が１Ｗ程度の場合、その表面温度は１分程で１２０℃となり十分な熱を放射する。
【００８６】
第１のトランジスタ５１に電流を流した後も引き続き、第１のコンパレータ５３は、ステップＳ４ａで、端子５０ａ−端子５０ｃ間の電池電圧を監視し、電圧が４．８Ｖよりも小さい場合には、オフ信号を、電圧が４．８Ｖ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８７】
第２のコンパレータ５４は、ステップＳ４ｂにおいて、端子５０ｂ→端子５０ａ方向の放電電流値を監視し、５Ａよりも小さい場合には、オフ信号を、電流値が５Ａ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８８】
第３のコンパレータ５５は、ステップＳ４ｃにおいて、端子５０ａ→端子５０ｂ方向の充電電流値を監視し、電流値が５Ａよりも小さい場合には、オフ信号を、電流値が５Ａ以上である場合には、オン信号を出力する。このオン／オフ信号は、論理回路５６へと伝えられる。
【００８９】
そして、論理回路５６は、ステップＳ５ａにおいて第１ないし第３のコンパレータ５５から入力されるオン／オフ信号をＯＲ論理演算し、すべてがオフ信号であるならば、オフ信号を出力する。
【００９０】
そしてオフ信号が出力されると、ステップＳ６において第１のトランジスタ５１への電流は遮断され、これにより第１のトランジスタ５１の発熱が停止する。
【００９１】
一方、温度検出回路５７は、ステップＳ５ｄにおいて、第１のトランジスタ５１の温度を監視し、第１のトランジスタ５１の温度が９０℃を超えると、第２のトランジスタ５２にオン信号を出力する。
【００９２】
そしてオン信号が出力されると、ステップＳ５ｂにおいて第２のトランジスタ５２に電流が流れはじめる。
【００９３】
そして第２のトランジスタ５２に電流が流されると、ステップＳ６において回路が短絡されて第１のトランジスタ５１の電流はカットオフされる。これにより第１のトランジスタ５１の発熱が停止する。
【００９４】
次に、サーモスタット３３の動作について、図１４に示すフローチャートに従って説明する。
【００９５】
サーモスタット３３においては、第１のトランジスタ５１の発熱が開始されると、図７に示すように第１のトランジスタ５１の発熱は、電池保護回路ＩＣチップ３２上に配されたバイメタルディスク４０に伝わる。第１のトランジスタ５１の消費電力は１Ｗ程度で十分な熱を放射するとともに、バイメタルディスク４０は、電池保護回路ＩＣチップ３２に直近して配されているので、第１のトランジスタ５１の発熱を十分速やかに感知することができる。
【００９６】
ステップＳ１０において、第１のトランジスタ５１の発熱によりバイメタルディスク４０が８０℃まで加熱されると、ステップＳ１１においてバイメタルディスク４０は、貼りあわせられた２種類の金属の熱膨張率の違いにより図９に示すように反り返り変形する。変形したバイメタルディスク４０は、ステップＳ１２において可動片３９を押し上げ、可動接点３８が固定接点３７から離れることになる。これにより端子５０ａ−端子５０ｂ間の電気的接続が切れ、電流が遮断される。
【００９７】
そして、過充電状態が解消されてトランジスタ５１の発熱が止まり、ステップＳ１３においてバイメタルデイスク４０の温度が６０℃に下がると、ステップＳ１４においてバイメタルデイスク４０が元の形に戻る。これによりステップＳ１５において可動接点３８が固定接点３７に再び接触し、端子５０ａ−端子５０ｂ間の電気的接続が復帰して充電が再び開始される。
【００９８】
このように、本発明のポリマー電池では、二次保護素子において、サーモスタットは、ポリマー電池の温度を直接感知して作動するのではなく、電池制御回路ＩＣチップ内において電池電圧を監視して、所定の電圧を超えると第１のトランジスタを発熱させる。サーモスタットは、そのトランジスタの温度を感知して作動して電流を遮断する。これにより電池温度、周囲の温度や熱伝導性に依存することなく、過電圧印加、過電流放電等からの電池の保護を確実に行うことができる。
【００９９】
また、電池制御回路ＩＣチップでは、電池電圧に加えて充電電流や放電電流も監視し、所定の状態を超えるとトランジスタを発熱させている。これにより、ポリマー電池の保護をより確実に図ることができる。
【０１００】
さらに、電池制御回路ＩＣチップでは、発熱した第１のトランジスタの温度を監視し、所定温度を超えると、第２のトランジスタに電流を流すことにより第１のトランジスタの電流をカットオフしている。これにより第１のトランジスタの過熱、熱破壊を防止することができる。
【０１０１】
なお、本発明は、上述した説明で挙げた例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【０１０２】
例えば、上述した説明では、電圧監視手段としてコンパレータ、発熱素子としてトランジスタ、電流制御手段としてサーモスタットをそれぞれ用いた場合を例に挙げて説明したが、本発明ではこれに限定されるものではなく、同様の機能を有する素子にそれぞれ変更可能である。
【０１０３】
また、上述した説明では、ポリマー電池３を保護する場合を例に挙げて説明したが、このことに限定されることはなく、例えば円筒形、角型、薄型、コイン型、ボタン型等その形状に関係なく、電子機器の電源となる一次電池、二次電池であれば適用可能である。
【０１０４】
また、上述した実施の形態では、保護素子３０を、二次保護回路として用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されることなく、保護素子３０を一次保護回路として用いることもできる。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明では、保護素子において、電流制御手段は、ポリマー電池の温度を直接感知して作動するのではなく、電池制御回路ＩＣチップ内において電池電圧を監視して、所定の電圧を超えると発熱素子を発熱させる。電流制御手段は、その発熱素子の温度を感知して作動して電流を制御する。これにより電池温度、周囲の温度や熱伝導性に依存することなく、過電圧印加、過電流放電等からの電池の保護を確実に行うことができる。
【０１０６】
また、本発明では、電流制御手段や発熱素子は１つの素子として一体化されているので、電流制御手段を電池に直接接触させる工夫を行う必要がない。また、本発明では動作上で必要な外部部品が不要となるので保護回路基板への部品点数が削減でき、組み立て上でコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電池パックを示す斜視図である。
【図２】同電池パックの内部構造を示す分解斜視図である。
【図３】同電池パックに備わるポリマー電池の内部構造を示す分解斜視図である。
【図４】ポリマー電池の正極端子及び負極端子が回路基板の接続ランドに接続された様子を示す斜視図である。
【図５】本発明の電池パックの概略回路構成を示す回路図である。
【図６】保護素子の一構成例を示す斜視図である。
【図７】図６中、Ｘ１−Ｘ２線における断面図である。
【図８】保護素子の回路構成を示す模式図である。
【図９】サーモスタットが作動したときの保護素子の様子を示す断面図である。
【図１０】電池制御回路ＩＣチップの概略回路構成を示す回路図である。
【図１１】ポリマー電池及び回路基板を外筐に収納する方法を説明する図であり、回路基板が外装材の貼り合せ面上に載るように正極リード及び負極リードを折り返した状態を示す斜視図である。
【図１２】ポリマー電池及び回路基板を外筐に収納する方法を説明する図であり、回路基板における回路部が接続部上に折り返された状態を示す斜視図である。
【図１３】電池制御回路ＩＣチップの作動工程を示すフローチャートである。
【図１４】サーモスタットの作動工程を示すフローチャートである。
【図１５】従来の電池パックの内部構造を示す分解斜視図である。
【図１６】電池に過電圧印加された場合の電池表面温度及びサーモスタット温度と時間との関係を示す図である。
【図１７】サーモスタットの作動、復帰と温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１電池パック、２外筐、２ａ上ハーフ、２ｂ下ハーフ、３ポリマー電池、４回路基板、５開口部、６電池素子、７外装材、７ａ，７ｂ，７ｃ貼合せ面、８正極、９負極、１４正極リード、１７負極リード、１９ａ，１９ｂ端子、２０接続部、２１回路部、２２ａ，２２ｂ接続ランド、２４銅箔層、２５コネクタ、２８電池制御回路部、３０保護素子、３１基板、３２電池制御回路ＩＣチップ、３３サーモスタット

Claims

電池を過充放電から保護する保護素子であって、
電池電圧を監視する電圧監視手段と、
電流を流すことによって発熱する発熱素子と、
上記発熱素子の温度を感知して電流を制御する電流制御手段とを備え、
上記電圧監視手段と発熱素子と電流制御手段とは同一パッケージ内に収納され一体化されており、
上記発熱素子は、トランジスタであり、
上記電圧監視手段は、電池電圧を監視して、電池電圧が所定の電圧を超えると、上記発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させ、
上記電流制御手段は、上記発熱素子の温度を感知して、所定の温度を超えると電流を制御する保護素子。
上記電流制御手段は、サーモスタットである請求項１記載の保護素子。
さらに、上記発熱素子の温度を監視する温度監視手段と、
上記発熱素子の電流をカットオフするカットオフ手段とを備え、
上記温度監視手段は、上記発熱素子の温度を監視して、上記発熱素子の温度が所定の温度を超えるとカットオフ手段を作動させて上記発熱素子の電流をカットオフする請求項１記載の保護素子。
さらに、電池電流を監視する電流監視手段を備え、
上記電流監視手段は、電池電流を監視して、電池電流が所定の電流を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させる請求項１記載の保護素子。
電池と、当該電池と電気的に接続され電池を過充放電から保護する保護素子とを備えた電池パックであって、
上記保護素子は、
電池電圧を監視する電圧監視手段と、
電流を流すことによって発熱する発熱素子と、
上記発熱素子の温度を感知して電流を制御する電流制御手段とを備え、
上記発熱素子は、トランジスタであり、
上記電圧監視手段と発熱素子と電流制御手段とは同一パッケージ内に収納され一体化されており、
上記電圧監視手段は、電池電圧を監視して、電池電圧が所定の電圧を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させ、
上記電流制御手段は、発熱素子の温度を感知して、所定の温度を超えると電流を制御する電池パック。
上記電流制御手段は、サーモスタットである請求項５記載の電池パック。
上記保護素子は、さらに、上記発熱素子の温度を監視する温度監視手段と、
上記発熱素子の電流をカットオフするカットオフ手段とを備え、
上記温度監視手段は、上記発熱素子の温度を監視して、発熱素子の温度が所定の温度を超えるとカットオフ手段を作動させて上記発熱素子の電流をカットオフする請求項５記載の電池パック。
上記保護素子は、さらに、電池電流を監視する電流監視手段を備え、
上記電流監視手段は、電池電流を監視して、電池電流が所定の電流を超えると、発熱素子に電流を流して当該発熱素子を発熱させる請求項５記載の電池パック。
上記保護素子は二次保護回路であり、さらに、一次保護回路を備えることを特徴とする請求項５記載の電池パック。