JP4608052B2

JP4608052B2 - 電池用プロテクタ−

Info

Publication number: JP4608052B2
Application number: JP2000143455A
Authority: JP
Inventors: 充明植村
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2001325929A

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/ ^ｃ ^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_２とすれば、±端子間が短絡されると、シャント抵抗がＶ²／Ｒ_２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

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−。
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−。
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−。
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−。
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−。
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−。
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−。