JP6371118B2 - 保護素子、及びバッテリパック - Google Patents
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Description
本発明は、電流経路を溶断することにより、電流経路上に接続された回路を保護する保護素子、及びこれを用いたバッテリパックに関する。
充電して繰り返し利用することのできる二次電池の多くは、バッテリパックに加工されてユーザに提供される。特に重量エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池においては、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護、過放電保護等のいくつもの保護回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの出力を遮断する機能を有している。
多くのリチウムイオン二次電池を用いた電子装置においては、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴスイッチを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、バッテリパックの過充電保護又は過放電保護動作を行う。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴスイッチが短絡破壊した場合、雷サージ等が印加され、瞬間的な大電流が流れた場合、或いはバッテリセルの寿命によって出力電圧が異常に低下したり、逆に過大異常電圧を出力した場合であってもバッテリパックや電子機器は、発火等の事故から保護されなければならない。そこで、このような想定し得るいかなる異常状態においても、バッテリセルの出力を安全に遮断するために、外部からの信号によって電流経路を遮断する機能を有するヒューズ素子からなる保護素子が用いられる。
このようなリチウムイオン二次電池等向けの保護回路の保護素子として、特許文献１に記載されているように、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体の発熱によって電流経路上の可溶導体を溶断する構造が用いられている。
特許文献１に記載されている保護素子において、携帯電話やノートパソコンのような電流容量が比較的低い用途に用いるために、可溶導体（ヒューズ）は、最大でも１５Ａ程度の電流容量を有している。リチウムイオン二次電池の用途は、近年拡大しており、より大電流の用途、例えば電動ドライバ等の電動工具や、ハイブリッドカー、電気自動車、電動アシスト自転車等の輸送機器に採用が検討され、一部採用が開始されている。これらの用途において、特に起動時等には、数１０Ａ〜１００Ａを超えるような大電流が流れる場合がある。このような大電流容量に対応した保護素子の実現が望まれている。
この種の大電流に対応する保護素子１００としては、図１１に示すように、第１、第２の外部電極１０１，１０２と、第１、第２の外部電極１０１，１０２間に配設された絶縁基板１０３と、第１、第２の外部電極１０１，１０２間にわたって接続されるとともに絶縁基板１０３の表面に形成された表面電極１０４及び一対のサイド電極１０５ａ，１０５ｂに支持された可溶導体１０６とを備えるものが提案されている。
保護素子１００は、第１、第２の外部電極１０１，１０２が外部回路に接続されることにより当該外部回路の電流経路に組み込まれるとともに、可溶導体１０６が当該電流経路の一部を構成し、定格を超える過電流が流れると可溶導体１０６が自己発熱によって溶断することにより当該電流経路を遮断することができる。
また、保護素子１００は、絶縁基板１０３に通電されることにより発熱する発熱体１０７が形成されている。発熱体１０７は、ＷやＭｏ、Ｒｕ等の高融点金属によって形成され、ガラス等の絶縁層１０８によって被覆されている。表面電極１０４は、発熱体１０７の一端と電気的に接続されるとともに、絶縁層１０８の表面上に形成され、発熱体１０７と重畳される。また、発熱体１０７は、図示しない発熱体電極と接続され、発熱体電極を介して外部回路と接続され、通電が制御されている。保護素子１００は、過電流状態により溶断させる場合以外にも、バッテリセルの過電圧状態を検出して、抵抗体で形成された発熱体１０７に電流を流して、その発熱によって可溶導体１０６を切断する。
保護素子１００は、大電流に対応するために、可溶導体１０６の断面積が増大され低抵抗化が図られている。ここで、大電流に対応するために断面積を増大させると、発熱体１０７による加熱溶断に相当の時間を要し、また、溶断時の可溶導体１０６の溶融量が多くなるため、可溶導体を安定して溶断させる必要も生じる。このため、保護素子１００は、絶縁基板１０３の表面の表面電極１０４の外側に、離間してサイド電極１０５ａ，１０５ｂが設けられている。サイド電極１０５ａ，１０５ｂは、可溶導体１０６がハンダ接続され、発熱体１０７が発熱した際には、発熱体１０７の熱を効率よく可溶導体１０６に伝え、速やかに加熱、溶断させる。また、サイド電極１０５ａ，１０５ｂは、可溶導体１０６が溶融したときには、ぬれ性によって、溶融導体の一部を、表面電極１０４や第１、第２の外部電極１０１，１０２と離間して保持する。これにより、保護素子１００は、第１及び第２の外部電極１０１，１０２間の電流経路上にある可溶導体１０６を確実に溶断することができる。
しかし、保護素子１００は、絶縁基板１０３の限られた面内スペースに表面電極１０４及び一対のサイド電極１０５ａ，１０５ｂを配置しているため、表面電極１０４と一対のサイド電極１０５ａ，１０５ｂとの距離も狭小化され、可溶導体１０６の溶断後において、溶融導体が各電極間を連続し、絶縁抵抗を確保することができない恐れがある。
また、絶縁基板１０３は耐熱衝撃性に優れるとともに熱伝導性にも優れるセラミック基板が好適に用いられるが、この場合、可溶導体１０６と可溶導体１０６が接続された絶縁基板１０３との熱膨張係数の差が大きく、高温環境と低温環境に繰り返し置かれると、表面電極１０４及び一対のサイド電極１０５ａ，１０５ｂ間において可溶導体１０６に熱膨張係数差に基づく歪みが蓄積されて歪みが生じ、その結果、抵抗値にばらつきが生じ、保護素子１００の高定格を維持することが困難となる恐れもある。さらに、可溶導体１０６と絶縁基板１０３との熱膨張係数差に起因する歪みにより可溶導体１０６やサイド電極１０５ａ，１０５ｂにクラックや剥離等が生じる恐れもあった。このような傾向は、保護素子１００の定格を向上させるために可溶導体１０６を大型化にするほど顕著に現れる。
そこで、本発明は、大電流に対応するために大型の可溶導体を用いた場合にも、溶断後における絶縁抵抗を確保し、かつ可溶導体の変形も抑えることができる保護素子、及びこれを用いたバッテリパックを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、第１、第２の外部電極と、上記第１、第２の外部電極間に配設された絶縁基板と、上記絶縁基板の表面に形成された表面電極と、上記第１、第２の外部電極間にわたって接続された可溶導体と、外筐体とを備え、上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面上において、上記表面電極のみに支持され、上記第１、第２の外部電極は、上記外筐体に支持されているものである。
また、本発明に係るバッテリパックは、１つ以上のバッテリセルと、上記バッテリセルに流れる電流を遮断するように接続された保護素子と、上記バッテリセルそれぞれの電圧値を検出して上記保護素子を加熱する電流を制御する電流制御素子とを備え、上記保護素子は、第１、第２の外部電極と、上記第１、第２の外部電極間に配設された絶縁基板と、上記絶縁基板の表面に形成された表面電極と、上記第１、第２の外部電極間にわたって接続された可溶導体と、外筐体とを備え、上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面上において、上記表面電極のみに支持され、上記第１、第２の外部電極は、上記外筐体に支持されているものである。
本発明によれば、保護素子は、可溶導体が絶縁基板上において表面電極にのみ支持されているため、表面電極の寸法や配置の設計の自由度が高く第１、第２の外部電極との距離を容易に調整することができる。したがって、保護素子は、表面電極と第１、第２の外部電極との距離を十分確保することにより、溶融導体が絶縁基板の表面を伝って第１、第２の外部電極と連続することを防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
以下、本発明が適用された保護素子、及びこれを用いたバッテリパックについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
［保護素子：凝集タイプ］
本発明が適用された保護素子１は、図１に示すように、第１及び第２の外部電極２，３と、第１、第２の外部電極２，３間に配設された絶縁基板４と、絶縁基板４の表面４ａに形成された表面電極５と、第１、第２の外部電極２，３間にわたって接続された可溶導体６とを備える。そして、保護素子１は、可溶導体６が、絶縁基板４の表面４ａ上において、表面電極５のみに支持されている。
本発明が適用された保護素子１は、図１に示すように、第１及び第２の外部電極２，３と、第１、第２の外部電極２，３間に配設された絶縁基板４と、絶縁基板４の表面４ａに形成された表面電極５と、第１、第２の外部電極２，３間にわたって接続された可溶導体６とを備える。そして、保護素子１は、可溶導体６が、絶縁基板４の表面４ａ上において、表面電極５のみに支持されている。
保護素子１は、第１、第２の外部電極２，３が外部回路の接続端子と接続されることにより当該外部回路に組み込まれるとともに、可溶導体６が当該外部回路の電流経路の一部を構成し、定格を超える過電流によって溶断することにより電流経路を遮断するものである（図２）。
第１及び第２の外部電極２，３は、保護素子１を外部回路に接続する接続端子であり、それぞれ保護素子１の内部でハンダ等の接続材料７を介して可溶導体６と接続され、可溶導体６を介して接続されている。第１及び第２の外部電極２，３は、保護素子１の外筐体１０に支持されることにより保護素子１の内外にわたって配設されている。なお、第１及び第２の外部電極２，３は、絶縁基板４と隣接するエポキシ樹脂等からなる絶縁素材に形成するようにしてもよい。
保護素子１は、第１、第２の外部電極２，３が外筐体１０に支持されることにより、筐体内に臨まされるとともに、外筐体１０の中央のスペースに絶縁基板４が配設され、これにより第１、第２の外部電極２，３と絶縁基板４とが隣接されている。
外筐体１０は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド：Polyphenylenesulfide）等の耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチックを用いて形成することができる。また、外筐体１０は、所定の形状に成形する際に、インサート成型等により第１、第２の外部電極２，３を一体成型してもよい。
絶縁基板４は、例えば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成される。その他、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、ヒューズ溶断時の温度に留意する必要がある。
絶縁基板４の表面４ａには表面電極５が形成されている。表面電極５は、ハンダ等の接続材料７を介して、第１、第２の外部電極２，３間を接続する可溶導体６と接続されている。表面電極５は、第１、第２の外部電極２，３間にわたって接続された可溶導体６を支持する支持電極である。また、表面電極５は、可溶導体６が過電流による自己発熱により溶融すると、溶融導体６ａを凝集し、第１、第２の外部電極２，３間の電流経路を遮断する。
なお、表面電極５は、可溶導体６の溶断後における絶縁抵抗を維持するために、第１、第２の外部電極２，３との十分な距離を隔てて設けることが好ましい。図１に示すように、第１、第２の外部電極２，３が外筐体１０内において対向されている場合、表面電極５は、絶縁基板４の略中央に配設することで、第１、第２の外部電極２，３とそれぞれ所定の距離を隔てて溶融導体６ａを保持し、また絶縁基板４の表面４ａに飛散した溶融導体６ａによる短絡のリスクを低減することができる。
また、保護素子１は、絶縁基板４の表面４ａにサイド電極を設けず、表面電極５でのみ可溶導体６を支持しているため、表面電極５の寸法や配置の自由度が高く、可溶導体６の溶断後における短絡のリスクを考慮した設計の自由度が高い。したがって、保護素子１は、表面電極５と第１、第２の外部電極２，３との距離を十分確保することにより、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１、第２の外部電極２，３と連続することを防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
可溶導体６は、過電流状態によって溶融するものであり、したがって、溶断する導電性の材料であればよく、例えば、ＳｎＡｇＣｕ系のＰｂフリーハンダのほか、ＢｉＰｂＳｎ合金、ＢｉＰｂ合金、ＢｉＳｎ合金、ＳｎＰｂ合金、ＰｂＩｎ合金、ＺｎＡｌ合金、ＩｎＳｎ合金、ＰｂＡｇＳｎ合金等を用いることができる。なお、可溶導体６は、Ａｇ若しくはＣｕ又はＡｇ若しくはＣｕを主成分とする金属からなる高融点金属と、ハンダ又はＳｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属との積層体であってもよい。
このような可溶導体６は、低融点金属箔に、高融点金属層をメッキ技術を用いて成膜することによって形成することができ、あるいは、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いて形成することもできる。なお、可溶導体６は、高融点金属層を内層とし、低融点金属層を外層として構成してもよく、また低融点金属層と高融点金属層とが交互に積層された４層以上の多層構造とするなど、様々な構成によって形成することができる。
また、可溶導体６は、所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、定格よりも高い値の電流が流れると、自己発熱によって溶融し、第１、第２の電極２，３間の電流経路を遮断する。このとき、可溶導体６は、溶融した低融点金属が高融点金属を浸食することにより、高融点金属が溶融温度よりも低い温度で溶融する。したがって、可溶導体６は、低融点金属による高融点金属の浸食作用を利用して短時間で溶断することができる。
また、可溶導体６は、内層となる低融点金属に高融点金属が積層されて構成することにより、溶断温度を従来の高融点金属からなるチップヒューズ等よりも大幅に低減することができる。したがって、可溶導体６は、同一サイズのチップヒューズ等に比して、断面積を大きくでき電流定格を大幅に向上させることができる。また、同じ電流定格をもつ従来のチップヒューズよりも小型化、薄型化を図ることができ、速溶断性に優れる。
また、可溶導体６は、保護素子１が組み込まれた電気系統に異常に高い電圧が瞬間的に印加されるサージへの耐性（耐パルス性）を向上することができる。すなわち、可溶導体６は、例えば１００Ａの電流が数ｍｓｅｃ流れたような場合にまで溶断してはならない。この点、極短時間に流れる大電流は導体の表層を流れることから（表皮効果）、可溶導体６は、外層として抵抗値の低いＡｇメッキ等の高融点金属を設けることにより、サージによって印加された電流を流しやすく、自己発熱による溶断を防止することができる。したがって、可溶導体６は、高融点金属で被覆することにより、ハンダ合金からなるヒューズに比して、大幅にサージに対する耐性を向上させることができる。
なお、可溶導体６は、酸化防止、及び溶断時の濡れ性の向上等のため、フラックス（図示せず）が塗布されている。
このような構成を有する保護素子１は、可溶導体６が絶縁基板４上において表面電極５にのみ支持されているため、絶縁基板４として耐熱衝撃性に優れるとともに熱伝導性にも優れるセラミック基板を用いた場合等において、高温環境と低温環境に繰り返し置かれた場合にも、可溶導体６に絶縁基板４との熱膨張係数の差に起因する歪みが生じることもなく、外形や寸法の安定性を有する。これにより、保護素子１は、可溶導体６の抵抗値が安定し、高定格を維持することができる。
［保護素子の動作］
また、定格を超える過電流が通電されると、保護素子１は、図２に示すように、可溶導体６が自己発熱により溶融し、可溶導体６と第１、第２の外部電極２，３の一方との間で溶断することにより、外部回路の充放電経路を遮断する。このとき、保護素子１は、可溶導体６が絶縁基板４上において表面電極５にのみ支持されているため、表面電極５の寸法や配置の設計の自由度が高く第１、第２の外部電極２，３との距離を容易に調整することができる。したがって、保護素子１は、表面電極５と第１、第２の外部電極２，３との距離を十分確保することにより、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１、第２の外部電極２，３と連続することを防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
また、定格を超える過電流が通電されると、保護素子１は、図２に示すように、可溶導体６が自己発熱により溶融し、可溶導体６と第１、第２の外部電極２，３の一方との間で溶断することにより、外部回路の充放電経路を遮断する。このとき、保護素子１は、可溶導体６が絶縁基板４上において表面電極５にのみ支持されているため、表面電極５の寸法や配置の設計の自由度が高く第１、第２の外部電極２，３との距離を容易に調整することができる。したがって、保護素子１は、表面電極５と第１、第２の外部電極２，３との距離を十分確保することにより、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１、第２の外部電極２，３と連続することを防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
［外筐体と可溶導体の熱膨張係数］
なお、保護素子１は、可溶導体６の熱膨張係数と外筐体１０の熱膨張係数とが同一又は近似していることが好ましい。例えば、保護素子１は、可溶導体６としてハンダ箔の表面をＡｇメッキしたもの（熱膨張係数：２２ｐｐｍ／℃）を用い、外筐体１０としてガラス繊維含有ＰＰＳ樹脂（熱膨張係数：２０ｐｐｍ／℃）を用いた場合、熱膨張係数が近似していることから、高温環境と低温環境に繰り返し置かれた場合にも、表面電極５と第１の外部電極２との間、及び表面電極５と第２の外部電極３との間に歪みが蓄積されることなく、可溶導体６の変形等による抵抗値の変動も抑制され、高定格を維持することができる。
なお、保護素子１は、可溶導体６の熱膨張係数と外筐体１０の熱膨張係数とが同一又は近似していることが好ましい。例えば、保護素子１は、可溶導体６としてハンダ箔の表面をＡｇメッキしたもの（熱膨張係数：２２ｐｐｍ／℃）を用い、外筐体１０としてガラス繊維含有ＰＰＳ樹脂（熱膨張係数：２０ｐｐｍ／℃）を用いた場合、熱膨張係数が近似していることから、高温環境と低温環境に繰り返し置かれた場合にも、表面電極５と第１の外部電極２との間、及び表面電極５と第２の外部電極３との間に歪みが蓄積されることなく、可溶導体６の変形等による抵抗値の変動も抑制され、高定格を維持することができる。
［発熱体］
また、本発明が適用された保護素子は、図３に示すように、絶縁基板４に可溶導体６を溶断する発熱体１１を設けてもよい。なお、以下の説明において上述した保護素子１と同じ部材については同じ符号を付して、その詳細を省略する。
また、本発明が適用された保護素子は、図３に示すように、絶縁基板４に可溶導体６を溶断する発熱体１１を設けてもよい。なお、以下の説明において上述した保護素子１と同じ部材については同じ符号を付して、その詳細を省略する。
発熱体１１が設けられた保護素子１２は、例えばバッテリパックに組み込まれると、過電流時における可溶導体６の自己溶断に加え、バッテリセルの過電圧を検知して発熱体１１を通電、発熱させ、可溶導体６を溶断させることにより、バッテリパックの充放電経路を遮断することができる。
発熱体１１は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、たとえばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ等からなる。これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合してペースト状にしたものを、絶縁基板４の表面４ａにスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成する。
発熱体１１は、絶縁基板４の表面４ａ上において絶縁層１３に被覆されている。絶縁層１３上には、表面電極５が積層される。絶縁層１３は、発熱体１１の保護及び絶縁を図るとともに、発熱体１１の熱を効率よく表面電極５及び可溶導体６へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。表面電極５は、発熱体１１によって加熱されることにより、可溶導体６の溶融導体６ａを凝集しやすくする。
発熱体１１は、一端が表面電極５と接続され、表面電極５を介して、表面電極５上に搭載された可溶導体６と電気的に接続される。また、発熱体１１は、他端が図示しない発熱体電極と接続されている。発熱体電極は、絶縁基板４の表面４ａに形成されるとともに、裏面４ｂに形成された第３の外部接続電極１５（図６参照）と接続され、この第３の外部接続電極１５を介して外部回路と接続される。そして、保護素子１は、外部回路と接続されることにより、第３の外部接続電極１５を介して発熱体１１が回路基板に形成された発熱体１１への給電経路に組み込まれる。
また、図４に示すように、保護素子１２は、発熱体１１を絶縁基板４の裏面４ｂに形成してもよい。発熱体１１は、絶縁基板４の裏面４ｂに形成されるとともに、裏面４ｂ上において絶縁層１３に被覆される
発熱体１１は、一端が図示しない発熱体電極を介して表面電極５及び表面電極５上に搭載された可溶導体６と電気的に接続される。また、発熱体１１は、他端が図示しない発熱体電極を介して第３の外部接続電極１５と接続される。
また、図５に示すように、保護素子１２は、発熱体１１を絶縁基板４の内部に形成してもよい。この場合、発熱体１１は、ガラス等の絶縁層によって被覆する必要はない。また、発熱体１１は、一端が図示しない発熱体電極を介して表面電極５及び表面電極５上に搭載された可溶導体６と電気的に接続される。また、発熱体１１は、他端が図示しない発熱体電極を介して第３の外部接続電極１５と接続される。
［回路構成］
このような保護素子１２は、図６に示すように、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック３０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック３０は、例えば、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル３１〜３４からなるバッテリスタック３５を有する。
このような保護素子１２は、図６に示すように、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック３０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック３０は、例えば、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル３１〜３４からなるバッテリスタック３５を有する。
バッテリパック３０は、バッテリスタック３５と、バッテリスタック３５の充放電を制御する充放電制御回路４０と、バッテリスタック３５の異常時に充電を遮断する本発明が適用された保護素子１２と、各バッテリセル３１〜３４の電圧を検出する検出回路３６と、検出回路３６の検出結果に応じて保護素子１２の動作を制御するスイッチ素子となる電流制御素子３７とを備える。
バッテリスタック３５は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル３１〜３４が直列接続されたものであり、バッテリパック３０の正極端子３０ａ、負極端子３０ｂを介して、着脱可能に充電装置４５に接続され、充電装置４５からの充電電圧が印加される。充電装置４５により充電されたバッテリパック３０は、正極端子３０ａ、負極端子３０ｂをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、この電子機器を動作させることができる。
充放電制御回路４０は、バッテリスタック３５から充電装置４５に流れる電流経路に直列接続された２つの電流制御素子４１、４２と、これらの電流制御素子４１、４２の動作を制御する制御部４３とを備える。電流制御素子４１、４２は、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという。）により構成され、制御部４３によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック３５の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部４３は、充電装置４５から電力供給を受けて動作し、検出回路３６による検出結果に応じて、バッテリスタック３５が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子４１、４２の動作を制御する。
保護素子１２は、例えば、バッテリスタック３５と充放電制御回路４０との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が電流制御素子３７によって制御される。
検出回路３６は、各バッテリセル３１〜３４と接続され、各バッテリセル３１〜３４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路４０の制御部４３に供給する。また、検出回路３６は、いずれか１つのバッテリセル３１〜３４が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子３７を制御する制御信号を出力する。
電流制御素子３７は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路３６から出力される検出信号によって、バッテリセル３１〜３４の電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子１２を動作させて、バッテリスタック３５の充放電電流経路を電流制御素子４１、４２のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。
以上のような構成からなるバッテリパック３０に用いられる、本発明が適用された保護素子１２は、図７に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１２は、第１の外部電極２がバッテリスタック３５側と接続され、第２の外部電極３が正極端子３０ａ側と接続され、これにより可溶導体６がバッテリスタック３５の充放電経路上に直列に接続される。また、保護素子１２は、発熱体１１が発熱体電極及び第３の外部接続電極１５を介して電流制御素子３７と接続されるとともに、発熱体１１がバッテリスタック３５の開放端と接続される。これにより、発熱体１１は、一端を表面電極５を介して可溶導体６及びバッテリスタック３５の一方の開放端と接続され、他端を第３の外部接続電極１５を介して電流制御素子３７及びバッテリスタック３５の他方の開放端と接続され、電流制御素子３７によって通電が制御される発熱体１１への給電経路が形成される。
［保護素子の動作］
バッテリパック３０に定格を超える過電流が通電されると、保護素子１２は、可溶導体６が自己発熱により溶融し、バッテリパック３０の充放電経路を遮断する。
バッテリパック３０に定格を超える過電流が通電されると、保護素子１２は、可溶導体６が自己発熱により溶融し、バッテリパック３０の充放電経路を遮断する。
また、検出回路３６がバッテリセル３１〜３４のいずれかの異常電圧を検出すると、電流制御素子３７へ遮断信号を出力する。すると、電流制御素子３７は、発熱体１１に通電するよう電流を制御する。保護素子１２は、バッテリスタック３５から、第１の電極１１、可溶導体６及び表面電極５を介して発熱体１１に電流が流れ、これにより発熱体１１が発熱を開始する。保護素子１２は、発熱体１１の発熱により可溶導体６が溶断し、バッテリスタック３５の充放電経路を遮断する。
このとき、過電流時における自己溶断及び過電圧時における発熱体１１による溶断のいずれにおいても、保護素子１２は、可溶導体６が絶縁基板４上において表面電極５にのみ支持されているため、表面電極５の寸法や配置の設計の自由度が高く第１、第２の外部電極２，３との距離を容易に調整することができる。したがって、保護素子１２は、表面電極５と第１、第２の外部電極２，３との距離を十分確保することにより、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１、第２の外部電極２，３と連続することを防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
また、保護素子１２は、可溶導体６を高融点金属と低融点金属とを含有させて形成することにより、溶融した低融点金属による高融点金属の溶食作用を利用して短時間で溶断することができる。
なお、保護素子１２は、可溶導体６が溶断することにより、発熱体１１への給電経路も遮断されるため、発熱体１１の発熱が停止される。
本発明に係る保護素子は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電気信号による電流経路の遮断を必要とする様々な用途にももちろん応用可能である。
［保護素子：吸引タイプ］
また、本発明が適用された保護素子は、図８に示すように、絶縁基板４に可溶導体６の溶融導体６ａを吸引する吸引孔５１を設けてもよい。なお、以下の説明において上述した保護素子１と同じ部材については同じ符号を付して、その詳細を省略する。
また、本発明が適用された保護素子は、図８に示すように、絶縁基板４に可溶導体６の溶融導体６ａを吸引する吸引孔５１を設けてもよい。なお、以下の説明において上述した保護素子１と同じ部材については同じ符号を付して、その詳細を省略する。
吸引孔５１が設けられた保護素子５０は、可溶導体６が過電流による自己発熱、あるいは過電圧に伴う発熱体１１の発熱により溶融すると、毛管現象によってこの溶融導体６ａを吸引孔５１内に吸引し、溶融導体６ａの体積を減少させる。保護素子５０は、大電流用途に対応するために可溶導体６の断面積を増大させることにより、溶融量が増大した場合にも、吸引孔５１に吸引させることで、溶融導体６ａの体積を減少させることができる。
これにより、保護素子５０は、可溶導体６を速やかに、かつ確実に溶断することができる。また、保護素子５０は、過電流に伴う自己発熱遮断時に生じるアーク放電による溶融導体６ａの飛散を軽減し、絶縁抵抗の低下を防止するとともに、可溶導体６の搭載位置の周辺回路への付着による短絡故障を防止することができる。
吸引孔５１は、内面に導電層５２が形成されている。導電層５２が形成されることにより、吸引孔５１は、溶融導体６ａを吸引しやすくすることができる。導電層５２は、例えば銅、銀、金、鉄、ニッケル、パラジウム、鉛、錫のいずれか、又はいずれかを主成分とする合金によって形成され、吸引孔５１の内面を電解メッキや導電ペーストの印刷等の公知の方法により形成することができる。
また、吸引孔５１は、絶縁基板４の厚さ方向に貫通する貫通孔として形成されることが好ましい。これにより、吸引孔５１は、溶融導体６ａを絶縁基板４の裏面４ｂ側まで吸引することができ、より多くの溶融導体６ａを吸引し、溶断部位における溶融導体６ａの体積を減少させることができる。なお、吸引孔５１は、非貫通孔として形成してもよい。
また、図９に示すように、吸引孔５１は、絶縁基板４の表面４ａに絶縁層１３を介して積層された表面電極５の幅方向の中央に設けられる。なお、吸引孔５１は、複数設けることで、可溶導体６の溶融導体６ａを吸引する経路を増やし、より多くの溶融導体６ａを吸引することで、溶断部位における溶融導体６ａの体積を減少させるようにしてもよい。ここでは、複数の吸引孔５１が直線状に一列に並んで設けられている。
また、吸引孔５１の内面に設けられた導電層５２は、表面電極５と連続されている。したがって、保護素子５０は、表面電極５に凝集した溶融導体６ａを、導電層５２を介して吸引孔５１内に導きやすくすることができる。
また、絶縁基板４の裏面４ｂには、吸引孔５１の導電層５２と接続された裏面電極５３が形成されている。図１０に示すように、裏面電極５３は、導電層５２と連続することにより、可溶導体６が溶融すると、吸引孔５１を介して移動した溶融導体６ａが凝集する。これにより、保護素子１は、より多くの溶融導体６ａを吸引し、溶断部位における溶融導体６ａの体積を減少させることができる。
なお、保護素子５０は、発熱体１１を設けずに過電流による可溶導体６の自己発熱溶断のみを行う構成としてもよく、発熱体１１を設け、過電流に加えて過電圧に伴う発熱体１１の発熱によって可溶導体６が溶断する構成としてもよい。また、保護素子５０は、発熱体１１を、絶縁基板４の表面４ａ、裏面４ｂ又は絶縁基板４の内部に設けてもよい。
発熱体１１は、絶縁基板４の裏面に設ける場合、一端が裏面電極５３と連続するとともに、導電層５２及び表面電極５を介して可溶導体６と電気的に接続され、他端が図示しない発熱体電極を介して第３の外部接続電極１５と接続される。同様に、発熱体１１は、絶縁基板４の内部に設ける場合、一端が表面電極５を介して可溶導体６と電気的に接続され、他端が第３の外部接続電極１５と接続される。
発熱体１１を絶縁基板４の裏面４ｂに形成することにより、保護素子５０は、裏面電極５３が発熱体１１によって加熱されることにより、より多くの溶融導体６ａを凝集しやすくなる。したがって、保護素子５０は、表面電極５から導電層５２を介して裏面電極５３へ溶融導体６ａを吸引する作用を促進させ、確実に可溶導体６を溶断することができる。
また、発熱体１１を絶縁基板４の内部に形成することにより、保護素子５０は、導電層５２を介して表面電極５及び裏面電極５３が発熱体１１によって加熱されることにより、より多くの溶融導体６ａを凝集しやすくなる。したがって、保護素子５０は、表面電極５から導電層５２を介して裏面電極５３へ溶融導体６ａを吸引する作用を促進させ、確実に可溶導体６を溶断することができる。
なお、発熱体１１は、絶縁基板４の表面４ｂ、裏面４ｂ又は内部に形成するいずれの場合においても、吸引孔５１の両側に形成することが、表面電極５及び裏面電極５３を加熱し、またより多くの溶融導体６ａを凝集、吸引するうえで好ましい。
また、保護素子５０は、吸引孔５１内に可溶導体６と同一若しくは類似の材料又は可溶導体６より融点の低い予備ハンダ５５や、フラックスを充填してもよい。保護素子５０は、発熱体１１が発熱したとき、熱伝導に優れる導電層５２や表面電極５や裏面電極５３が絶縁基板４より先に温度が高くなることによって、予備ハンダ５５等が可溶導体６より先に溶融し、溶融導体６ａを吸引孔５１に呼び込むことができる。これにより、溶融導体６ａは、絶縁基板４の表面４ａから裏面４ｂに移動し、姿勢に拘わらず、第１の外部電極２と第２の外部電極３との間の電流経路を確実に遮断することができる。
［第１、第２の外部電極と絶縁基板との間のクリアランス］
なお、保護素子１，１２，５０は、それぞれ外筐体１０に支持された第１、第２の外部電極２，３と絶縁基板４との間にクリアランスを設けることが好ましい。保護素子１，１２，５０は、クリアランスを設けることにより、絶縁基板４と外筐体１０との熱膨張係数との違いに起因する歪みを吸収し、素子の破損を防止することができる。また、保護素子１２，５０は、クリアランスを設けることにより、絶縁基板４と第１、第２の外部電極２，３との間の熱経路を遮断することができ、より効率よく表面電極５から可溶導体６の接続部位に熱を伝え、速やかに可溶導体６を溶断することができる。
なお、保護素子１，１２，５０は、それぞれ外筐体１０に支持された第１、第２の外部電極２，３と絶縁基板４との間にクリアランスを設けることが好ましい。保護素子１，１２，５０は、クリアランスを設けることにより、絶縁基板４と外筐体１０との熱膨張係数との違いに起因する歪みを吸収し、素子の破損を防止することができる。また、保護素子１２，５０は、クリアランスを設けることにより、絶縁基板４と第１、第２の外部電極２，３との間の熱経路を遮断することができ、より効率よく表面電極５から可溶導体６の接続部位に熱を伝え、速やかに可溶導体６を溶断することができる。
また、第１、第２の外部電極２，３と絶縁基板４との間にクリアランスを設けることで、第１、第２の外部電極２，３と表面電極５とが同一平面上に並ばないことから、保護素子１は、溶融導体６ａが絶縁基板４の表面４ａを伝って第１、第２の外部電極２，３と連続することを確実に防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
次いで、本発明の実施例について説明する。本実施例では、可溶導体が絶縁基板上において表面電極のみに支持された保護素子（実施例：図１参照）と、可溶導体が絶縁基板上において表面電極及び一対のサイド電極に支持された保護素子（比較例：図１１参照）を用意し、電流遮断時における絶縁性、発熱体の発熱による溶断特性、及び温度サイクル試験による信頼性について評価した。
実施例及び比較例に係る保護素子は、いずれも絶縁基板として裏面に発熱体が設けられたセラミック基板（熱膨張係数：７ｐｐｍ／℃）を用いた。また、第１、第２の外部電極間にわたって支持される可溶導体として、厚さ０．３５ｍｍ、幅５．４ｍｍのＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系金属箔（熱膨張係数：２２ｐｐｍ／℃）に厚さ６μｍのＡｇメッキ処理を施したものを用いた。可溶導体と各電極とはハンダによって接続した。また、第１、第２の外部電極は、ＰＰＳ製の外筐体（熱膨張係数：２０ｐｐｍ／℃）によって支持した。
これら実施例及び比較例に係る保護素子に対して、１９０Ａ、３５Ｖの電流を通電させ、自己発熱によって可溶導体を溶断させた。溶断時間は実施例及び比較例に係る保護素子とも、約５秒であった。溶断後、第１、第２の外部電極間の絶縁抵抗値を測定し、１０6Ω以上の絶縁抵抗が確保されているか確認した。測定結果を表１に示す。
表１に示すように、実施例に係る保護素子では、全１６個のサンプルの全てにおいて１０6Ω以上の絶縁抵抗が確保されている。一方、比較例に係る保護素子では、全８個のサンプル中、３個のサンプルにおいて絶縁抵抗値が１０6Ω未満となった。これは、比較例においては、サイド電極を設けることにより、第１、第２の外部電極、サイド電極及び表面電極の各距離が短く、アーク放電により飛散した溶融導体が連続することにより短絡が生じやすくなったことによる。これより、可溶導体を絶縁基板上において表面電極のみに支持させる構成が、高い絶縁抵抗を維持するために有効であることが分かる。
また、実施例及び比較例に係る保護素子に対して、発熱体に通電、発熱させることにより可溶導体を溶断させたところ、実施例及び比較例に係る保護素子のいずれも、３０Ｗ印加時で溶断時間約１０秒、９０Ｗ印加時で溶断時間約１．５秒であった。すなわち、サイド電極を持たない実施例に係る保護素子は、サイド電極を備えた比較例に係る保護素子と同様に、広い動作電力範囲で迅速に可溶導体を溶断させることができることがわかる。
次いで、実施例及び比較例に係る保護素子に対して温度サイクル試験を施し、初期導通抵抗値と温度サイクル試験後の導通抵抗値を測定した。温度サイクル試験の条件は、−４０℃、３０ｍｉｎ⇔１００℃、３０ｍｉｎ、３００サイクルである。
表２に示すように、実施例に係る保護素子では、温度サイクル試験後における抵抗値の上昇率が１．４％に止まったのに対し、比較例に係る保護素子は、温度サイクル試験後における抵抗値の上昇率が３．９％と高くなった。
これは、比較例に係る可溶導体では、可溶導体が絶縁基板上においてサイド電極及び表面電極の複数個所で固定されているため、温度サイクル試験により、絶縁基板と可溶導体との熱膨張係数差による応力が繰り返し発生すると、可溶導体を絶縁基板に固定するサイド電極と表面電極との間に歪みとして現れたことによる。このため、比較例に係る保護素子では、可溶導体に生じた変形により抵抗値が変動し、定格の維持や速溶断性等において信頼性に劣るものとなった。
一方、実施例に係る保護素子においては、可溶導体が絶縁基板上において表面電極１か所で固定されているため、歪みの発生が抑えられている。また、実施例に係る保護素子は、第１、第２の外部電極を支持する外筐体と可溶導体のとの熱膨張係数差が小さいことから、第１、第２の外部電極と表面電極との間の歪みは殆ど生じなかった。これにより、可溶導体を絶縁基板上において表面電極のみに支持させる構成を採ることにより、様々な温度環境下に晒された場合においても高定格の維持や速溶断性において信頼性を有することが分かる。
１ 保護素子、２ 第１の外部電極、３ 第２の外部電極、４ 絶縁基板、４ａ 表面、４ｂ 裏面、５ 表面電極、６ 可溶導体、７ 接続材料、１０ 外筐体、１１ 発熱体、１２ 保護素子、１３ 絶縁層、１５ 第３の外部接続電極、３０ バッテリパック、３１〜３４ バッテリセル、３５ バッテリスタック、３６ 検出回路、３７ 電流制御素子、４０ 充放電制御回路、４１，４２ 電流制御素子、４３ 制御部、４５ 充電装置、５０ 保護素子、５１ 吸引孔、５２ 導電層、５３ 裏面電極、５５ 予備ハンダ
Claims (7)
- 第１、第２の外部電極と、
上記第１、第２の外部電極間に配設された絶縁基板と、
上記絶縁基板の表面に形成された表面電極と、
上記第１、第２の外部電極間にわたって接続された可溶導体と、
外筐体とを備え、
上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面上において、上記表面電極のみに支持され、
上記第１、第２の外部電極は、上記外筐体に支持されている保護素子。 - 上記外筐体の熱膨張係数と、上記可溶導体の熱膨張係数とが同一又は近似している請求項１記載の保護素子。
- 上記表面電極は、上記絶縁基板の略中央部に設けられている請求項１又は２に記載の保護素子。
- 上記絶縁基板に発熱体が設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の保護素子。
- 上記絶縁基板の厚さ方向に設けられ、上記表面電極と連続し、上記可溶導体が溶融した溶融導体を吸引する吸引孔とを備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の保護素子。
- 上記第１、第２の外部電極と上記絶縁基板との間にクリアランスが設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子。
- １つ以上のバッテリセルと、
上記バッテリセルに流れる電流を遮断するように接続された保護素子と、
上記バッテリセルそれぞれの電圧値を検出して上記保護素子を加熱する電流を制御する電流制御素子とを備え、
上記保護素子は、
第１、第２の外部電極と、
上記第１、第２の外部電極間に配設された絶縁基板と、
上記絶縁基板の表面に形成された表面電極と、
上記第１、第２の外部電極間にわたって接続された可溶導体と、
外筐体とを備え、
上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面上において、上記表面電極のみに支持され、
上記第１、第２の外部電極は、上記外筐体に支持されているバッテリパック。
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