JP4608052B2 - 電池用プロテクタ− - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池パックの一回路部品として使用される電池用プロテクタ−に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
二次電池、例えばリチウムイオン二次電池においては、通常、過充電・過放電から保護するための保護回路と共に電池をパック内に収容し、±端子を引出し、充電・放電にあたっては、この端子を負荷または充電機に接続している。
かかる過充電・過放電保護回路の一回路部品として、図9におけるP’で示す、異常時に通電発熱される発熱用素子1’と、該発熱用素子1’の通電発熱により溶断されるヒュ−ズ素子31’,32’を基板上に設け、樹脂等で封止した遮断回路用デバイスが公知である。
【0003】
図9は、上記遮断回路用デバイスを用いた過充電・過放電保護回路の一例を示し、スイッチング回路S’(例えば、寄生ダイオ−ドが充電電流を遮断する方向に形成された過充電を防止するためのFET及び寄生ダイオ−ドが放電電流を遮断する方向に形成された過放電を防止するためのFET等からなるNチャンネルMOSFET)と、充電・放電時の異常を検出してスイッチング回路S’を作動させるための主制御回路C1’と、回路電流を検出するための電流検出回路A’と、上記デバイスからなる遮断回路P’と、主制御回路C1’が異常を検出してスイッチング回路S’に動作指令を発したにもかかわらず電流検出回路A’がスイッチング回路S’の不作動を検出した時に遮断回路P’を作動させるための補助制御回路C2’とから構成され、異常時にスイッチング回路が作動しなかったときのバックアップとして遮断回路用デバイスP’が使用されている。
図9において、E’は二次電池を、B’は電池パックを示し、電池充電時には、±端子間に充電機が、電池放電使用時には、±端子間に負荷が接続される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記電流検出回路A’は、通常、シャント抵抗2’に回路電流を分流させ、そのシャント抵抗両端間の電圧をオペアンプ等で検出する構成とされている。
而して、図9において、万一±端子が一時的に短絡されると、上記シャント抵抗2’が過電流のために発煙する畏れがあり、この危険を排除するために、電流ヒュ−ズを組み込んでいる。
しかしながら、この構成では、電池パックの寸法増大が避けられない、電流ヒュ−ズの遮断作動時に衝撃音が発生し携帯機器用電源として不適格である等の不都合がある。
【0005】
本発明の目的は、電池パックの保護回路の一回路部品である遮断回路用デバイスに、上記電流検出回路用抵抗を搭載し、この抵抗の異常発熱でもデバイスのヒュ−ズ素子を溶断させることによって、電流検出回路用抵抗の発煙の防止と電池パックの小型化とを可能にすることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電池用プロテクタ−は、電池パック内に収容される過充電・過放電保護回路の一回路部品であり、異常時に通電発熱される発熱用素子と、保護回路の一部としての電流検出回路用抵抗と、該抵抗と前記発熱用素子の何れの異常発熱によっても溶断されるヒュ−ズ素子が基板上に設けられていることを特徴とする構成であり、上記過充電・過放電保護回路は、例えば、スイッチング回路と、充電・放電時の異常を検知してスイッチング回路を作動させるための主制御回路と、回路電流を検出する電流検出回路用抵抗と、遮断回路と、主制御回路が異常を検知したにもかかわらずスイッチング回路が動作せずに電流検出回路がスイッチング回路の不作動を検出したときに遮断回路を遮断作動させるための補助制御回路とを備えた回路であり、上記一回路部品は電流検出回路用抵抗と遮断回路との集成体である。
【0007】
上記において、ヒュ−ズ素子を挾んで発熱用素子と電流検出回路用抵抗とを絶縁膜を介し配設すること、または絶縁基板の片面側にヒュ−ズ素子を配設し同基板の他面側に前記ヒュ−ズ素子と位置的にラップして発熱用素子と電流検出回路用抵抗を配設すること、更に、ヒュ−ズ素子の溶断直後に、電池の充電エネルギ−を放電させるための放電用抵抗を基板上に配設すること、更に樹脂またはケ−スの少なくとも何れかで封止することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は本発明に係る電池用プロテクタ−の一実施例を組み込んだ電池パック内回路の一例を示している。
図1において、Eは二次電池、例えばリチウムイオン二次電池である。Bは電池パックを示し、電池充電時には、±端子間に充電機が、電池放電使用時には、±端子間に負荷が接続される。
Sはスイッチング回路であり、例えば、寄生ダイオ−ドが充電電流を遮断する方向に形成された過充電防止用FET及び寄生ダイオ−ドが放電電流を遮断する方向に形成された過放電防止用FET等からなるNチャンネルMOSFETを使用できる。C1は充電・放電中の異常時にその異常を検出してスイッチング回路Sを作動させるための主制御回路である。
Pは本発明に係る電池用プロテクタ−の一実施例を示し、通電により発熱される発熱用抵抗1と、電流検出回路用のシャント抵抗2と、該シャント抵抗2と前記発熱用抵抗1の何れの異常発熱でも溶断されるヒュ−ズ素子31,32と、放電用抵抗4とを共通の基板上に搭載してある。Aはシャント抵抗2の両端間電圧を主制御回路C1に伝達するためのオペアンプであり、このオペアンプAと前記シャント抵抗2とで電流検出回路が構成されている。C2は補助制御回路であり、主制御回路C1が充電・放電異常を検出してスイッチング回路Sに作動指令を発したにもかかわらず、電流検出回路Aが回路通電を検出したときに、トランジスタTrが導通状態にされ、このトランジスタTrの導通により、発熱用抵抗1が電池Eのエネルギ−により通電発熱されてヒュ−ズ素子31,32が溶断される。
【0009】
上記放電用抵抗4は、電池用プロテクタ−のヒュ−ズ素子31,32が溶断されたとき、二次電池Eに蓄積されている充電エネルギ−を放電させるために設けられており、電池用プロテクタ−の作動後、電池パックが迅速に低〜0貯蔵エネルギ−状態にされ、電池パックの安全廃棄を保証できる。
【0010】
上記発熱用抵抗1の抵抗値R1や放電用抵抗の抵抗値R4は、例えば、R1=40Ω、R4=1000Ωとされ、放電用抵抗4は、図2に示すように、ヒュ−ズ素子の一半部31に対し並列で、かつ発熱用抵抗1に対し直列に挿入することもできる。
【0011】
図1において、充電・放電異常が主制御回路C1により検出されると、スイッチング回路S作動の指令が発せられ、スイッチング回路Sが正常に作動されると、シャント抵抗2に流れる電流が零になり、シャント抵抗両端電圧零がオペアンプAを経て主制御回路C1に伝達される。従って、補助制御回路C2の作動はなく、電池用プロテクタ−Pは作動されない。
これに対し、スイッチング回路Sが正常に作動せず、シャント抵抗2に流れる電流が所定のスイッチング電流にならずにシャント抵抗両端電圧がオペアンプAを経て主制御回路C1に伝達されると、補助制御回路C2の作動によりトランジスタ−Trが導通状態にされ、電池用プロテクタ−Pの発熱用素子1が通電発熱され、その発生熱でヒュ−ズ素子31,32が溶断され、二次電池Eが充電機または負荷から完全に遮断される。
この電池用プロテクタ−Pのヒュ−ズ素子31,32の溶断直後に、二次電池Eに蓄積されている充電エネルギ−が放電用抵抗4を介して放電されていき、この場合、電池電圧Vの時間的変化は、電池Eの静電容量をcとすると(e-t/ R4)で与えられ、上記発熱用抵抗体1の抵抗値R1に対し放電用抵抗体4の抵抗値R4を、R1<R4(R4/R1>1.1、好ましくはR4/R1=5〜40、より好ましくは10〜30とされる)にすることにより、充分に迅速に放電させ得、電池パックを安心して廃棄できる。
【0012】
上記図1において、シャント抵抗2の抵抗値をRとすれば、±端子間が短絡されると、シャント抵抗がV2/Rのジュ−ル熱を発生するが、このジュ−ル熱量が大きく電池用プロテクタ−Pのヒュ−ズ素子31,32がこのシャント抵抗2のジュ−ル発熱でも充分迅速に溶断されるから、万一、±端子間が短絡されても、シャント抵抗2の発煙を防止でき、安全を確保できる。
【0013】
上記において、ヒュ−ズ素子31,32には融点100℃〜150℃の低融点可溶合金が使用され、酸化し易いのでその酸化防止のためにフラックスを塗布し、このフラックス塗布ヒュ−ズ素子を後述のように、樹脂、両面粘着テ−プ、ケ−ス、保護プレ−ト等により密閉して外部の酸素から遮断することが有効である。
【0014】
図3の(イ)は本発明に係るプロテクタ−の一実施例を示す断面図、図3の(ロ)は封止前の平面図をそれぞれ示している。
図3において、Iは耐熱性及び良熱伝導性の絶縁基板である。51〜55は基板Iに設けた膜電極、31,32はヒュ−ズ素子としての一個の低融点可溶合金片であり、膜電極51−52−53にまたがって溶接等により接合してある。6は低融点可溶合金片31,32に塗布したフラックスであり、例えばロジンを主成分とするものを使用できる。1は膜電極52−54間に設けた発熱用膜抵抗体である。2は膜電極53−55間に設けた電流検出回路用シャント膜抵抗体である。a〜dは膜電極51、53〜55に溶接などにより接合したリ−ド導体である。
4は膜電極51−54間に設けた放電用膜抵抗である。この膜抵抗体4及び前記膜抵抗体1,2並びにヒュ−ズ素子31,32の配設パタ−ンは、図1に示す結線に従う構成である。
図3において、61はケ−スであり、リ−ド線挿通溝を有し、このケ−ス61と基板4との間、ケ−ス61とリ−ド線a〜cとの間を樹脂7で封止してある。
8は上記の各膜抵抗体1,2,4上に設けた保護膜(例えば、膜抵抗体の亀裂防止のための保護)であり、例えば、ガラス焼付け膜を使用することができる。この保護膜は、通常、膜抵抗のトリミング前に設けるが、トリミング後に設けることもできる。
【0015】
上記絶縁基板Iには、セラミックス基板(例えばアルミナ基板、窒化アルミニウム基板)やガラス基板等の無機質基板、セラミックコ−ティング金属板、セラミック含浸ガラス繊維基板、エポキシ樹脂含浸ガラス繊維基板、紙フエノ−ル基板等を使用できる。
上記膜電極は導電ペ−ストの印刷焼付けにより形成でき、導電ペ−ストには金属粉末とガラスと金属混合物に有機質バインダ(ビヒクル)を加えたものを使用できる。例えば、金属粉末がAg、Ag−Pd、Ag−Ptの銀系ぺ−スト、Auの金系ペ−スト、Niのニッケル系ペ−スト、Cuの銅系ペ−スト等を使用できる。この導電ペ−ストの印刷焼付けに代え、めっき法、金属泊積層絶縁板の金属泊のエッチング法の使用も可能である。
上記膜抵抗体1,2,4は抵抗ペ−ストの印刷焼付けにより形成でき、抵抗ペ−ストには酸化金属粉末とガラスと金属混合物に有機質バインダ(ビヒクル)を加えたものを使用できる。例えば、酸化金属粉末に酸化ルテニウムを使用したルテニウム系を使用できる。その外、Ag−Pd、Ag−Pt等の配合調整により所定の固有抵抗値に調整した銀系ぺ−スト、抵抗粉末に炭素を用いた炭素系ペ−スト、樹脂に金属粉末を混合した樹脂系等も使用できる。
【0016】
上記発熱用抵抗1及びシャント抵抗2に膜抵抗体を用いる場合、ヒュ−ズ素子31,32を挾んで発熱用抵抗1と電流検出回路用抵抗2とを絶縁膜を介し配設することによって、各膜抵抗体からヒュ−ズ素子に至る熱伝達抵抗を低くし、各膜抵抗体の発熱による放電用抵抗の溶断を迅速に行わせることができる。
【0017】
上記の発熱用抵抗1、シャント抵抗2及び放電用抵抗4には、チップ抵抗を使用することも可能である。また、上記放電用抵抗体4には、前記発熱用抵抗1との前記抵抗値条件を満たすものであれば、適宜のものを使用でき、高抵抗の回路素子、例えば発光ダイオ−ド等の半導体の使用も可能である。
【0018】
上記リ−ド線a〜dには、銅線の外、溶接が容易なニッケル線、リ−ド線の回路基板へのはんだ付け時に熱がヒュ−ズ素子に伝わるのを防止するのに有利な低熱伝導線、例えば鉄線や銅めっき鉄線を使用できる。また、はんだ付けを容易にするためにこれらのリ−ド線に錫、はんだ、銀、金若しくは鉛・カドミフリ−等の金属をめっきすることもできる。
上記ケ−ス61には、樹脂製例えばナイロンやフェノ−ル製ケ−ス、絶縁被覆金属ケ−ス等を使用できる。また、金属ケ−スを使用し、このケ−スとリ−ド線との間を絶縁物で絶縁すること、例えばエポキシ樹脂塗料をリ−ド線側に塗布することも可能である。ケ−ス61内には封止剤、例えばエポキシ樹脂を充填することもできるが、低融点可溶合金片31,32に塗布したフラックス6が外部と接触するのを防止し得ればよく、ケ−ス61と基板Iとの間を樹脂や両面粘着テ−プで固着するだけでもよい。
ケ−ス内面にピンを一体形成し、基板にピン挿入穴を設け、ケ−スを基板にピン嵌着方式により固定することも可能である。
上記基板片面の封止は、フラックス塗布ヒュ−ズ素子を外気から遮断でき、かつ機械的に保護できるものであればよく、図4に示すように、基板I上に保護プレ−ト62を配し、この保護プレ−ト62の周囲と基板片面やその片面の電極との間を樹脂7で封止する構成(保護プレ−ト直下に空隙が残されていてもよく、または樹脂で充填されていてもよい)、更には保護プレ−ト上をも樹脂で覆う構成、或は樹脂や両面粘着テ−プのみで封止する構成とすることもできる。
上記保護プレ−トには、エンジニアリングプラスチックシ−ト、金属板(例えば、ステンレス板)、セラミックス板等の無機質板等を使用できる。
上記樹脂には、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、更には熱か塑性樹脂等を使用できる。
【0019】
本発明に係る電池用プロテクタ−は、所定の導体パタ−ンの回路基板上に、前記の主制御回路、スイッチング回路、電流検出回路用のオペアンプ、補助制御回路やトランジスタと共に搭載し、この回路版と二次電池とをパック内に収容して使用される。
上記電池用プロテクタ−のリ−ド線a〜dの何れかを回路基板側に設け、図5に示す電池用プロテクタ−のように、一部のリ−ド線を省略することもできる。
【0020】
本発明に係る電池用プロテクタ−は、図6の図7に示すように、チップ方式とすることもでき、この場合、電極の基板裏面側への現出を、スル−ホ−ルにより行うこともできる。なお、図6及び図7には、図示してないが、ケ−ス内面にピンを一体形成し、基板にピン挿入穴を設け、ケ−スを基板にピン嵌着方式により固定する構造を採っており、hは基板のピン挿入穴を示している。
【0021】
図8の(イ)は、チップ方式の別実施例を示す図面であり、図8の(ロ)同実施例の封止前の平面図を、図8の(ハ)は同実施例の底面図をそれぞれ示している。
図8において、Iは耐熱性及び良熱伝導性の絶縁基板である。51〜55は基板Iの片面に設けた膜電極、56〜60は基板Iの他面に設けた膜電極であり、一部の膜電極は絶縁基板Iの両面にわたり形成してある。31,32は絶縁基板の片面の膜電極51−52−53にまたがって設けた低融点可溶合金片、1は絶縁基板Iの他面に設けた発熱用膜抵抗、4は同じくシャント用膜抵抗をそれぞれ示し、スルホ−ルまたはヴィアホ−ルにより低融点可溶合金片31,32と発熱用膜抵抗1と放電用膜抵抗4とシャント用膜抵抗2とを図1に示す配線パタ−ンに従い連結してある。
6は低融点可溶合金片21,22に塗布したフラックスである。600はフラックス塗布低融点可溶合金片の封止材であり、前記と同様、ケ−ス61及び該ケ−ス61と基板Iとの間を封止する樹脂7または両面粘着テ−プ、またはケ−ス及びケ−スを覆ってケ−スと基板との間を封止する樹脂、保護プレ−ト及び保護プレ−トとフラックス塗布ヒュ−ズ素子との間を封止する樹脂、または保護プレ−ト及び保護プレ−トを覆って保護プレ−トとフラックス塗布ヒュ−ズ素子との間を封止する樹脂、または樹脂或は両面粘着テ−プのみから構成することができる。
8は発熱用膜抵抗1とシャント用膜抵抗2と放電用膜抵抗4とに一括して被覆した保護膜、例えば、ガラス焼付け膜である。
【0022】
【実施例】
図3に示す構成の電池用プロテクタ−であり、絶縁基板に縦6mm,横8mm,厚み0.3mmのアルミナセラミックス基板(96%アルミナ)を使用し、膜電極をAg−Pt系導電ペ−ストの印刷焼き付けにより形成し、膜抵抗を酸化ルテニウム系の抵抗ペ−ストの印刷焼き付けにより設け、発熱用抵抗体の抵抗値をトリミングにより40Ωに、シャウント用抵抗体の抵抗値をトリミングにより1Ωに、放電用抵抗体の抵抗値をトリミングにより1000Ωにそれぞれ調整し、各膜抵抗上にガラス系保護膜を印刷焼き付けにより形成した。さらに、固相線温度110℃の断面0.5mm×0.3mmのヒュ−ズ素子を接続し、このヒュ−ズ素子にロジン系フラックスを滴下塗布し、リ−ド線に錫めっき鉄線を使用し、封止にはナイロンケ−スを用い、このケ−ス絶縁基板との間をエポキシ接着剤で接着した。
このようにして製作した2個の電池用プロテクタ−の1個に7.2Vの過充電の電池を接続したところ、接続後20秒でヒュ−ズ素子が溶断した。この溶断時の電池用プロテクタ−の表面温度は約120℃であったが、240分で放電が終了し、その時の抵抗体付きヒュ−ズの表面温度はほぼ常温であった。
また、別の1個の電池用プロテクタ−のリ−ド線間(図3におけるリ−ド線b−d間)を短絡し、他のリ−ド線間(図3におけるリ−ド線a−c間)に7.2Vの過充電の電池を接続したところ、接続後1秒以内でヒュ−ズ素子が溶断した。
【0023】
【発明の効果】
本発明に係る電池用プロテクタ−を、携帯式機器、例えばノ−トパソコン等に使用する電池パック内の回路部品として用いれば、充電機または負荷側に結線する±端子間が短絡されシャント抵抗に過電流が流れても、電池用プロテクタ−のヒュ−ズ素子の溶断でそのシャント抵抗の発煙を防止でき、安全を保証できる。また、シャント抵抗の過電流発煙を防止するための機能を電池用プロテクタ−に内蔵させてあり、別に電流ヒュ−ズ等を設ける必要がないから、電池パックの小型化を図ることができる。また、電池用プロテクタ−のヒュ−ズ素子が作動して使用不可となった電池パックを機器から、電池の貯蔵エルネギ−を迅速に放電させたうえで取外すことができるから、電池パックを安心して廃棄乃至は放置できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電池用プロテクタ−を組み込んだ保護回路を示す図面である。
【図2】本発明に係る電池用プロテクタ−の別例の回路を示す図面である。
【図3】本発明に係る電池用プロテクタ−の一実施例を示す図面である。
【図4】本発明に係る電池用プロテクタ−の上記とは別の実施例の要部を示す図面である。
【図5】本発明に係る電池用プロテクタ−の上記とは別の実施例の要部を示す図面である。
【図6】本発明に係る電池用プロテクタ−の上記とは別の実施例の要部を示す図面である。
【図7】本発明に係る電池用プロテクタ−の上記とは別の実施例の要部を示す図面である。
【図8】本発明に係る電池用プロテクタ−の上記とは別の実施例を示す図面である。
【図9】従来の電池用プロテクタ−を組み込んだ保護回路を示す図面である。
【符号の説明】
1 発熱用素子
2 電流検出回路用抵抗
31 ヒュ−ズ素子
32 ヒュ−ズ素子
4 放電用抵抗
I 基板
6 フラックス
61 ケ−ス
62 プレ−ト
7 樹脂

Claims (7)

  1. 電池パック内に収容される過充電・過放電保護回路の一回路部品であり、回路異常時に通電発熱される発熱用素子と、保護回路の一部としての電流検出回路用抵抗と、該抵抗と前記発熱用素子の何れの異常発熱によっても溶断されるヒュ−ズ素子が基板上に設けられていることを特徴とする電池用プロテクタ−。
  2. 過充電・過放電保護回路が、スイッチング回路と、充電・放電時の異常を検知してスイッチング回路を作動させるための主制御回路と、回路電流を検出する電流検出回路用抵抗と、遮断回路と、主制御回路が異常を検知したにもかかわらずスイッチング回路が動作せずに電流検出回路がスイッチング回路の不作動を検出したときに遮断回路を遮断作動させるための補助制御回路とを備えた回路であり、一回路部品が電流検出回路用抵抗と遮断回路の集成体である請求項1記載の電池用プロテクタ−。
  3. ヒュ−ズ素子を挾んで発熱用素子と電流検出回路用抵抗とが絶縁膜を介し配設されている請求項1または2記載の電池用プロテクタ−。
  4. 絶縁基板の片面側にヒュ−ズ素子が配設され、同基板の他面側に前記ヒュ−ズ素子と位置的にラップして発熱用素子と電流検出回路用抵抗が配設されている請求項1または2記載の電池用プロテクタ−。
  5. ヒュ−ズ素子の溶断直後に、電池の充電エネルギ−を放電させるための放電用抵抗が基板上に配設されている請求項1〜4何れか記載の電池用プロテクタ−。
  6. 封止材で封止されている請求項1〜5何れか記載の電池用プロテクタ−。
  7. 封止材が樹脂、両面粘着テープ、プレートまたはケ−スの少なくとも何れかである請求項6記載の電池用プロテクタ−。
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