JP4943359B2 - 保護素子 - Google Patents

Description

本発明は高容量二次電池、例えば高容量リチウムイオン二次電池に対し、過電流を遮断し、過充電時や過放電時に充電や放電を停止するのに有用な保護素子に関するものである。

二次電池、例えばリチウムイオン二次電池においては、過充電または過放電に対し、二次電池を負荷または充電電源から遮断することが要求され、かかる要求を満たす保護素子として、低融点合金型温度ヒューズと抵抗器とを熱的に近接させて一括したものが知られている。 図４は二次電池保護回路の一例を示している。
図４において、Ｅは二次電池を、Ｌは負荷を、Ｓは充電電源を、ｓｗはスイッチ例えばトランジスターを、Ｔは二次電池の過充電または過放電を検知しスイッチオン信号を発信するＩＣ回路をそれぞれ示し、過電流が流れると、保護素子Ａ’の低融点合金ヒューズ３０’を溶断させて負荷Ｌと二次電池Ｅとの間を遮断し、また、二次電池Ｅの過放電に対し、ＩＣ回路Ｔによりスイッチｓｗをオンさせ、保護素子Ａ’の抵抗器８’を二次電池Ｅによって通電発熱させ、その発生熱で低融点合金ヒューズ３０’を溶断させて二次電池Ｅと負荷Ｌとの間を遮断している。
更に、過充電に対し、ＩＣ回路Ｔによりスイッチｓｗをオンさせ、保護素子Ａ’の抵抗器８’を二次電池Ｅ若しくは充電電源Ｓで通電発熱させ、その発生熱で低融点合金ヒューズ３０’を溶断させて二次電池Ｅと充電電源Ｓとの間を遮断している。

本発明者等においては、Ｂｉ系低融点合金やＳｂ系低融点合金等の低融点合金ヒューズに長時間、直流電流を流すと、そのヒューズ両端の電極のうち、陽極側の電極と低融点合金ヒューズとの界面の合金にマイグレーションが発生し、クラックが生じて低融点合金ヒューズが本来の動作をするに至るまえに、破断する事実を確認している。

この低融点合金ヒューズのマイグレーションの発生理由は、次のように推定できる。
低融点合金には、共晶型合金、固溶体型合金、金属間化合物型合金があり、これらはミクロ的に見ると、二種以上の金属原子が混合して新しい原子配列の結晶格子を造り、格子点のイオン化原子が平衡状態にあると言える。しかしながら、Ｂｉ原子やＳｂ原子は平衡位置から飛び出し易く加電によリエネルギーを与えられて格子点から飛び出し、転位原子となって結晶格子内を放浪し、直流の場合は、その転位原子が陰極側に移動し、陰極界面に析出していく。転位原子が飛び出した跡の空孔においては、あたかも、満員の観覧席で或る席が空いたとすると、その空席の隣の客が一人づつ移動して新たな空席をうめていくようにして、移動して陽極界面に至り、その界面で空孔同士が合体してクラックを発生するに至ると推定できる。

Ｂｉ系低融点合金ヒューズやＳｂ系低融点合金ヒューズのマイグレーションの例を示せば次の通りである。
５７重量％Ｂｉ−残部Ｓｎ，直径１ｍｍφ，長さ５ｍｍの低融点合金片の両端に直径１ｍｍφの銅リード導体を溶接し、直流１５アンペアを５０００時間通電したところ、陰極側の銅リード導体の端面に接して厚み約２００μｍのＢｉ金属層が析出され、陽極側の銅リード導体の端面に接して厚み約３０μｍの空隙が形成された。
また、５重量％Ｓｂ−残部Ｓｎ，直径２ｍｍφ，長さ７ｍｍの低融点合金片の両端に直径２ｍｍφの銅リード導体を溶接し、直流６０アンペアを５０００時間通電したところ、陰極側の銅リード導体の端面に接して厚み約５０μｍのＳｂ金属層が析出され、陽極側の銅リード導体の端面に接して厚み約２０μｍの空隙が形成された。

図４において、符合Ａ’で示した「低融点合金ヒューズと抵抗器とを一括した保護素子」は周知である（例えば、特許文献１、特許文献２等）

実開昭６２−０２４４５１号公報 実開昭５８−１５７９４３号公報

而るに、図４において、低融点合金ヒューズ３０’の両端電極の極性が、充電時、放電時の度に変わるが、時間当たりに掛かる電力量は充電時の方が放電時よりも多くなるから、前記低融点合金ヒューズのマイグレーションは避け難い。

本発明の目的は、直流加電のもとで使用しても、低融点合金のマイグレーションを排除して過電流遮断を適確に行い得る保護素子を提供することにある。
本発明の更なる目的は、直流下で使用する被保護機器を、低融点合金のマイグレーションを排除して過電流以外の異常に対し適確に保護し得る抵抗器付き保護素子を提供することにある。

請求項１に係る保護素子は、過電流の通電により発熱する過電流発熱性片の両端部の各端部を一対の電極の各電極に直接接触させ、この接触のもとで過電流発熱性片の各端部と各電極とを互いに低融点可溶材で連結し、過電流発熱性片を電極から脱離させる応力エネルギーを保有させたバネを設けてなる過電流遮断機構に、被保護機器の異常時に通電されて発熱し、その発生熱で低融点可溶材を溶融させる抵抗器を付加し、しかも、抵抗器の本体に絶縁被覆が設けられ、抵抗器本体の両端部が絶縁被覆を介して各電極に接触されていることを特徴とする。
請求項２に係る保護素子は、請求項１の保護素子において、ケースに収容され、各電極にリード線が接続され、これらのリード線がアキシャルでケースから引き出されていることを特徴とする。
請求項３に係る保護素子は、請求項１〜２何れかの保護素子において、抵抗器本体の絶縁被覆が抵抗器本体の発熱により変色する変色性とされ、ケースが透視可能とされていることを特徴とする。
請求項４に係る保護素子は、請求項１〜３何れかの保護素子において、バネが圧縮バネであることを特徴とする。
請求項５に係る保護素子は、請求項１〜３何れかの保護素子において、バネが引っ張りバネであることを特徴とする。
請求項６に係る保護素子は、請求項１〜５何れかの保護素子において、過電流発熱性片に孔が設けられ、ケース内面にガイド軸が突設され、過電流発熱性片が孔においてガイド軸に挿通されていることを特徴とする。
請求項７に係る保護素子は、請求項１〜６何れかの保護素子において、二次電池の保護用であり、過電流が二次電池の許容負荷電流であり、異常時が二次電池の過充電時または過放電時であることを特徴とする。
請求項８に係る保護素子は、請求項１〜７何れかの保護素子において、低融点可溶材が合金であることを特徴とする。
請求項９に係る保護素子は、請求項１〜８何れかの保護素子において、バネに、低融点可溶材の融点よりも低く、かつ常温よりも高い温度で原形に復帰する形状記憶合金バネを使用したことを特徴とする。

（１）直流加電下で過電流が流れると、過電流発熱性片が発熱し、過電流発熱性片と電極とを接合している低融点可溶材がその発生熱で溶融され、バネの応力エネルギーで過電流発熱性片が電極間から脱離して過電流が遮断される。従って、平時、低融点可溶材への直流電流の流通が実質的にかなり少なく、低融点可溶材の直流マイグレーションをよく排除でき、このマイグレーションに基づく誤動作を排除して過電流を適確に遮断できる。
（２）被保護機器の前記過電流以外の異常が発生すると、抵抗器が通電発熱され、低融点可溶材がその発生熱で溶融され、バネの応力エネルギーで過電流発熱性片が電極間から脱離して被保護機器への給電が停止される。而るに（１）で説明した通り、平時、低融点可溶材への直流電流の流通が実質的にかなり少なく、低融点可溶材の直流マイグレーションをよく排除でき、このマイグレーションに基づく誤動作を排除して被保護機器異常時の給電遮断を適確に行い得る。

以下、本発明に係る保護素子の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図１の（イ）は本発明に係る保護素子の一実施例を示す縦断面図、図１の（ロ）は図１の（イ）におけるロ−ロ断面図である。
図１において、１，１は一対の電極である。２は電極１，１間に電気的に充分な低抵抗で接触させて配置した過電流発熱性片であり、電極１に較べて薄い金属板、電極１に較べて比抵抗の高い合金板等を使用できる。３は各電極１と過電流発熱性片２との間を接合した低融点可溶材であり、低融点可溶合金や熱可塑性樹脂または導電性熱可塑性樹脂等を使用できる。４は各電極１に溶接等により接続したリード導体、５は絶縁体ケースである。これらのリード導体４，４は、両リード導体４，４間に加電される電圧に対し、ケース表面の絶縁距離を長くするために、アキシャルタイプとしてあり、被覆撚り線や金属板等にすることができる。２１は過電流発熱性片２に設けた孔、６はこの孔２１に通したガイド軸であり、ケース５内に固定してある。７はバネであり、低融点可溶材３が溶融したときに、過電流発熱性片２を電極１，１から脱離させ得る圧縮応力エネルギーを保有させてある。このバネの配設位置とは反対側の位置に引張り応力エネルギーを保有させたバネを、前記バネに代えて配設し、その引張りバネの両端のそれぞれをケース内面及び過電流発熱性片に結着することもできる。

前記保護素子に直流電流を流しても、各電極１と過電流発熱性片２との電気的導通が電気的接触によりよく確保されているから、低融点可溶材への直流電流の流通がかなり少なく、低融点可溶材合金の直流マイグレーションを良好に排除できる。
そして、過電流が流れると、過電流発熱性片２がジュール発熱し、その発生熱で低融点可溶材３が溶融され、バネ７が解放され、その保有応力エネルギーで過電流発熱性片２が電極１，１間から脱離される。従って、直流加電下、直流過電流を適確に遮断できる。

図２−１の（イ）は本発明に係る抵抗器付き保護素子の一実施例を示す横断面図、図２−１の（ロ）は図２−１の（イ）におけるロ−ロ断面図である。
図２−１において、１，１は一対の電極である。４，４はリード線である。２は電極１，１間に電気的に充分な低抵抗で接触させて配置した過電流発熱性片であり、電極１に較べて薄い金属板、電極１に較べて比抵抗の高い合金板等を使用できる。３は各電極１と過電流発熱性片２との間を接合した低融点可溶材であり、低融点可溶合金や熱可塑性樹脂または導電性熱可塑性樹脂等を使用できる。８は抵抗器であり、巻線型抵抗器本体の両端にリード導体８０，８０を溶接し、抵抗器本体に絶縁被覆層８１を設け、抵抗器本体の各端部を絶縁被覆層８１を介して各電極１に接触させてある。５は絶縁体ケースである。２１は過電流発熱性片２に設けた孔、６はこの孔に通したガイド軸であり、ケース５内に固定してある。７はバネであり、低融点可溶材３が溶融したときに、過電流発熱性片２を電極１，１から脱離させ得る圧縮応力エネルギーを保有させてある。このバネとは、反対側に引張り応力エネルギーを保有させたバネを、前記バネに代えて配設し、その引張りバネの両端のそれぞれをケース内面及び過電流発熱性片に結着することもできる。
図２−２の（イ）は本発明に係る抵抗器付き保護素子の別実施例を示す横断面図、図２−２の（ロ）は図２−２の（イ）におけるロ−ロ断面図である。
図２−２において、５はケース、５０は基台であり、これらは樹脂またはセラミックス製とすることができる。７０は基台に一体成形したバネ受けである。１０，１０は一対の帯状導体であり、先端部を直角に折曲して形成した電極部１、中間の抵抗器受け部８００及びリード部４を備え、電極部１をバネ受け７０に隣接させ、リード部４をケース５から引き出してある。２は電極１，１間に電気的に充分な低抵抗で接触させて配置した過電流発熱性片であり、電極１に較べて薄い金属板、電極１に較べて比抵抗の高い合金板等を使用できる。３は各電極１と過電流発熱性片２との間を接合した低融点可溶材であり、低融点可溶合金や熱可塑性樹脂または導電性熱可塑性樹脂等を使用できる。８、８は抵抗器であり、巻線型抵抗器本体の両端にリード導体８０，８０を溶接し、抵抗器本体に絶縁被覆層８１を設けてある。これら抵抗器を一方のリード導体８０，８０により直列に接続し、抵抗器本体に絶縁被覆層８１を介して帯状導体１０抵抗器受け部８００に接触させ、他方のリード導体８０，８０をケース５から引き出してある。７はバネであり、バネ受け７０に収め、低融点可溶材３で固定した過電流発熱性片２て押さえて低融点可溶材３が溶融したときに過電流発熱性片２を電極１，１から脱離させ得る圧縮応力エネルギーを保有させてある。このバネとは、反対側に引張り応力エネルギーを保有させたバネを、前記バネに代えて配設し、その引張りバネの両端のそれぞれをケース内面及び過電流発熱性片に結着することもできる。

上記抵抗器付き保護素子の使用にあたっては、抵抗器付き保護素子が被保護機器と直流電源との間にリード導体を端子として直列に接続される。
而るに、各電極１と過電流発熱性片２との電気的導通が良好な電気的接触により充分に確保されているから、低融点可溶材３への直流電流の流通がかなり少なく、低融点可溶材合金３の直流マイグレーションを良好に排除できる。過電流が流れると、過電流発熱性片２がジュール発熱し、その発生熱で低融点可溶材３が溶融され、バネ７が解放され、その保有応力エネルギーで過電流発熱性片２が電極１，１間から脱離される。従って、直流加電下、直流過電流を適確に遮断できる。
被保護機器に、過電流以外の異常が生じると、抵抗器８が通電発熱され、その発生熱で低融点可溶材３が溶融され、バネ７が解放され、その保有応力エネルギーで過電流発熱性片２が電極１，１間から脱離され、被保護機器への給電が遮断される。従って、被保護機器を直流過電流以外の異常からも適確に保護できる。

上記抵抗器本体の耐熱性絶縁被覆８１に抵抗器本体の発熱で変色する材料を使用し、ケース５を透視可能とすれば、保護素子の作動原因が過電流にあるのか、過電流以外の異常にあるのかを容易に判別できる。

本発明に係る保護素子においては、バネとして、低融点可溶材の融点よりも低く、かつ常温よりも高い温度で原形に復帰する形状記憶合金バネを使用すれば、平常時、低融点可溶材にクリープ応力が作用せず、低融点可溶材を少なくでき、優れた長期信頼性が得られる。

本発明に係る抵抗器付き保護素子は、図３−１に示す二次電池保護回路の保護素子として好適に使用できる。
図３−１において、Ｅは二次電池を、Ｌは負荷を、Ｓは充電電源を、ｓｗはスイッチ例えばトランジスターを、Ｔは二次電池の過充電または過放電を検知しスイッチオン信号を発信するＩＣ回路をそれぞれ示している。
Ａは本発明に係る抵抗器付き保護素子を示し、各電極１，１に接続したリード導体４，４と抵抗器８のリード導体８０，８０とを４端子とする構成である。
放電時に過電流が流れると、過電流発熱性片２を発熱させて低融点可溶材３を溶融させ、バネ７の圧縮応力エネルギーを解放し過電流発熱性片２を電極１，１間から脱離させて負荷Ｌと二次電池Ｅとの間を遮断し、また、二次電池Ｅの過放電に対し、ＩＣ回路Ｔからの信号によりスイッチｓｗをオンさせ、抵抗器８を二次電池Ｅによって通電発熱させ、その発生熱で低融点可溶材３を溶融させ、バネ７の圧縮応力エネルギーを解放し過電流発熱性片２を電極１，１間から脱離させて二次電池Ｅと負荷Ｌとの間を遮断させる。
更に、過充電に対し、ＩＣ回路Ｔからの信号によりスイッチｓｗをオンさせ、抵抗器８を二次電池Ｅ若しくは充電電源Ｓで通電発熱させ、その発生熱で低融点可溶材３を溶融させ、バネ７の圧縮応力エネルギーを解放し過電流発熱性片２を電極１，１間から脱離させて二次電池Ｅと充電電源Ｓとの間を遮断させる。

図３−２に示す二次電池保護回路のように、本発明に係る抵抗器付き保護素子を三端子構造（４，４，８０）で使用することもできる。
この三端子構造は、図２に示す抵抗器付き保護素子に対し、ケース内で抵抗器の一方のリード導体を一方の電極に直結してその一方のリード導体のケースからの引き出しを排除することにより得ることができる。

本発明に係る保護素子の一実施例を示す図面である。 本発明に係る保護素子の別実施例を示す図面である。 本発明に係る保護素子の他の別実施例を示す図面である。 本発明に係る保護素子の使用状態を示す図面である。 本発明に係る保護素子の別の使用状態を示す図面である。 二次電池保護回路を示す図面である。

符号の説明

１ 電極
２ 過電流発熱性片
２１ 孔
３ 低融点可溶材
４ リード線
５ ケース
６ ガイド軸
７ バネ
８ 抵抗器
８０ リード導体
８１ 絶縁被覆層

Claims (9)

1. 過電流の通電により発熱する過電流発熱性片の両端部の各端部を一対の電極の各電極に直接接触させ、この接触のもとで過電流発熱性片の各端部と各電極とを互いに低融点可溶材で連結し、過電流発熱性片を電極から脱離させる応力エネルギーを保有させたバネを設けてなる過電流遮断機構に、被保護機器の異常時に通電されて発熱し、その発生熱で低融点可溶材を溶融させる抵抗器を付加し、しかも、抵抗器の本体に絶縁被覆が設けられ、抵抗器本体の両端部が絶縁被覆を介して各電極に接触されていることを特徴とする保護素子。
2. ケースに収容され、各電極にリード線が接続され、これらのリード線がアキシャルでケースから引き出されている請求項１記載の保護素子。
3. 抵抗器本体の絶縁被覆が抵抗器本体の発熱により変色する変色性とされ、ケースが透視可能とされていることを特徴とする請求項２記載の保護素子。
4. バネが圧縮バネであることを特徴とする請求項１〜３何れか記載の保護素子。
5. バネが引っ張りバネであることを特徴とする請求項１〜３何れか記載の保護素子。
6. 過電流発熱性片に孔が設けられ、ケース内面にガイド軸が突設され、過電流発熱性片が孔においてガイド軸に挿通されていることを特徴とする請求項１〜５何れか記載の保護素子。
7. 二次電池の保護用であり、過電流が二次電池の許容負荷電流であり、異常時が二次電池の過充電時または過放電時であることを特徴とする請求項１〜６何れか記載の保護素子。
8. 低融点可溶材が合金であることを特徴とする請求項１〜７何れか記載の保護素子。
9. バネに、低融点可溶材の融点よりも低く、かつ常温よりも高い温度で原形に復帰する形状記憶合金バネを使用したことを特徴とする請求項１〜８何れか記載の保護素子。

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