JP6501457B2

JP6501457B2 - ヒューズ回路、ヒューズ調整回路、ヒューズ調整方法、プログラム及び記録媒体

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Publication number: JP6501457B2
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Inventors: 雄介端谷; 裕治古内; 千智小森; 利顕荒木; 和征榊原
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Description

本発明は、保護回路となるヒューズ回路に関し、特にヒューズ素子の電流遮断特性を調整可能としたヒューズ回路、ヒューズ調整回路及びヒューズ調整方法に関する。

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。

この種の保護回路には、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴ（Field Effect Transistor）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ものがある。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て瞬間的な大電流が流れた場合、ある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、逆に過大な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回路が用いられている。

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は、特許文献１に記載されているように、電流経路上の第１の電極，発熱体に繋がる導体層，第２の電極間に亘って可溶導体を接続して電流経路の一部をなし、この電流経路上の可溶導体を、過電流による自己発熱、あるいは保護素子内部に設けた発熱体によって溶断するものがある。このような保護素子では、溶融した液体状の可溶導体を発熱体に繋がる導体層上に集めることにより電流経路を遮断する。

特開２００５−２０６２２０号公報

近年、バッテリとモータを使用したＥＶ（Electric Vehicle）やＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）が急速に普及している。ＨＥＶやＥＶの動力源としては、エネルギー密度と出力特性からリチウムイオン二次電池が使用されるようになってきている。自動車用途では、高電圧、大電流が必要とされる。また、コードレス電動工具や電動アシスト自転車等、高電圧、大電流が必要とされる製品も増えてきている。これに伴い、保護回路に用いるヒューズ素子も大電流に対応する製品が望まれている。

しかし、ヒューズ素子は、過大な電流が流れるとヒューズエレメントである可溶導体が自己発熱して溶断するようになっているため、大電流に対応する定格電流の大きな可溶導体ほど溶断部分の体積が大きくなり、溶断に時間を要することとなる。

具体的に、同じ材料の可溶導体を用いた場合、定格電流（以下では通電可能電流とも記載する。）が大きくなると、溶融時間が長くなり遮断特性が悪化する傾向がある。このため、大電流用の可溶導体を用いたヒューズ素子は、過電流が流れた場合に回路を遮断する時間が長くなってしまい、素早く回路を遮断することが困難であるといった課題を有する。

また、機器設計において、保護の対象となる機器に通電可能な電流と溶断時間の特性が、可溶導体の遮断特性と一致しない場合、ヒューズ素子の定格電流を下げて対応することが求められる。

しかし、ヒューズ素子の定格電流を下げた場合に、可溶導体の抵抗値が高くなってしまい、エネルギー損失が大きくなるとともに、雷サージほどの大電流ではない小さなサージ等のように瞬間的に定格電流を超える電流が流れただけで機器の故障とならない安全な通電時間であっても可溶導体が溶断してしまい、機器の使用の継続が困難になるといった課題を有する。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、定格電流の大きなヒューズ素子であっても素早く可溶導体を溶断することができるヒューズ回路、ヒューズ調整回路及びヒューズ調整方法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、本発明に係るヒューズ回路は、所定の電流によって溶断する可溶導体と、可溶導体の加熱量又は冷却量を調整する調温部と、調温部を制御することで可溶導体の通電電流値に対する溶断時間を示す電流遮断特性を制御する制御部とを備えるものである。

また、本発明に係るヒューズ調整回路は、所定の電流によって溶断する可溶導体の加熱量又は冷却量を調整する調温部と、調温部と接続され、調温部に印加する電流を制御することで可溶導体の通電電流値に対する溶断時間を示す電流遮断特性を制御する制御部とを備えるものである。

また、本発明に係るヒューズ調整方法は、所定の電流によって溶断する可溶導体の加熱量又は冷却量を調整する調温部に印加する電流を制御部が制御することで可溶導体の通電電流値に対する溶断時間を示す電流遮断特性を制御するものである。

また、本発明に係るプログラムは、コンピュータに、所定の電流によって溶断する可溶導体の加熱量又は冷却量を調整する調温部に印加する電流を制御することで、可溶導体の通電電流値に対する溶断時間を示す電流遮断特性を制御する処理を実行させるものであり、また、本発明に係る記録媒体は、このプログラムを記録したものである。

本発明によれば、ヒューズ素子の定格電流によって定まる可溶導体の溶断時間を調整することが可能となり、定格電流の大きなヒューズ素子であっても素早く可溶導体を溶断することができるとともに、機器設計においても定格電流を下げることなくヒューズ素子を選択することができるようになる。

図１は、ヒューズ回路を説明する回路図である。図２は、ヒューズエレメントの電流遮断特性を説明するグラフである。図３は、パルス信号のデューティ比の変化を説明するグラフである。図４は、パルス信号のデューティ比の変化を説明するグラフである。図５は、他のヒューズ回路を説明する回路図である。図６は、他のヒューズ回路を説明する回路図である。図７は、処理を実行するコンピュータの構成を説明するブロック図である。図８は、コンピュータにより実行されるプログラム及びヒューズ調整方法を説明するフローチャートである。図９は、実施例１の評価結果を示すグラフである。図１０は、実施例２の評価結果を示すグラフである。図１１は、実施例３の評価結果を示すグラフである。

以下、本発明が適用されたヒューズ回路、ヒューズ調整回路、ヒューズ調整方法、プログラム及び記録媒体について、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。

以下では、図１に示すように、リチウムイオンバッテリ１１のセルを複数直列配置したバッテリユニット１を例に挙げて説明する。

バッテリユニット１は、リチウムイオンバッテリ１１と、その保護回路であるヒューズ回路１２とを備えている。リチウムイオンバッテリ１１とヒューズ回路１２とは、直列に配置されている。ヒューズ回路１２は、過大電流が流れたときにリチウムイオンバッテリ１１をバッテリユニット１の外部の機器から遮断するように動作する。なお、本例では、リチウムイオンバッテリに限定せずに大電流を出力することができる各種バッテリであってもよい。

［ヒューズ回路の例１］
ヒューズ回路１２は、リチウムイオンバッテリ１１と直列に接続された検出抵抗体２１と、検出抵抗体２１の両端に並列接続されたＩＣ（Integrated Circuit）２２と、ＩＣ２２と接続された第１のＦＥＴ（Field effect transistor）２３及び第２のＦＥＴ２４と、検出抵抗体２１、第１のＦＥＴ２３及び第２のＦＥＴ２４と接続された保護素子２５とから構成されている。

ヒューズ回路１２は、リチウムイオンバッテリ１１から出力される電流値を検出抵抗体２１を用いてＩＣ２２が検出し、ＩＣ２２が検出した電流値に基づき第１のＦＥＴ２３及び第２のＦＥＴ２４の少なくとも一方を動作させて保護素子２５を作動させ、リチウムイオンバッテリ１１の出力回路を遮断する。

検出抵抗体２１は、リチウムイオンバッテリ１１の出力回路上の電流をＩＣ２２によってモニタリングするための電気抵抗であり、保護素子２５の定格電流を超える大電流を検出することができるように抵抗値が設定されている。

ＩＣ２２は、リチウムイオンバッテリ１１の出力回路上の電流をモニタリングしつつ、検出した電流値に基づき第１のＦＥＴ２３及び第２のＦＥＴ２４を動作するプログラムが組み込まれた制御部である。なお、ＩＣ２２は、組み込み型の集合回路ではなく、コンピュータプログラムにより動作するようにしてもよい。プログラムの例については、詳細を後述で説明する。

第１のＦＥＴ２３及び第２のＦＥＴ２４は、保護素子２５の内部の調温部へ流れる電流を制御するスイッチ素子である。第１のＦＥＴ２３及び第２のＦＥＴ２４は、ＩＣ２２から入力される信号に基づき動作するように構成されている。調温部については、保護素子２５の構成で詳細を説明する。

保護素子２５は、リチウムイオンバッテリ１１の出力回路上に直列配置された第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２と、第１のＦＥＴ２３と接続された第１の発熱抵抗体３３と、第２のＦＥＴ２４と接続された冷却素子３４とを有している。

第１の可溶導体３１は、第１の発熱抵抗体３３の発熱により速やかに溶断される低融点金属からなり、例えばＳｎを主成分とするＰｂフリーハンダを好適に用いることができる。

第２の可溶導体３２は、第１の可溶導体３１と同じく、第１の発熱抵抗体３３の発熱により速やかに溶断される低融点金属からなり、例えばＳｎを主成分とするＰｂフリーハンダを好適に用いることができる。

なお、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２は、同材料を用いる場合に、一体に成形することができる。この場合、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２は、一つのヒューズエレメントとすることができるため保護素子２５の部品点数を削減できる。また、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２は、互いに別材料とすることもできることは言うまでもない。

第１の発熱抵抗体３３は、調温部を構成し、図示しない絶縁基板上であって、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２と熱的に接触するように配置された抵抗部品である。第１の発熱抵抗体３３は、電流が流れると抵抗により発熱し、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２を加熱することができる。

冷却素子３４は、調温部を構成し、図示しない絶縁基板上であって、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２と熱的に接触するように配置された電気冷却部品である。冷却素子３４には、例えばペルチェ素子等のように電流を流すことにより吸熱する、すなわち冷却することができる素子である。冷却素子３４は、電流が流れると、熱的に接触する第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２を冷却することができる。

ここで、保護素子２５は、リチウムイオンバッテリ１１の出力経路となる第１の端子ａ及び第２の端子ｂと、第１のＦＥＴ２３と第１の発熱抵抗体３３を接続する第３の端子ｃと、第２のＦＥＴ２４と冷却素子３４を接続する第４の端子ｄとからなる４端子素子である。第１の可溶導体３１、第２の可溶導体３２、第１の発熱抵抗体３３及び冷却素子３４は、それぞれ一端が第１の端子ａ、第２の端子ｂ、第３の端子ｃ及び第４の端子ｄに接続され、他端が回路中央で連結されている。

保護素子２５は、過大な電流が流れると第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２が自己の抵抗によって発熱するとともに、ＩＣ２２の制御により第１のＦＥＴ２３がＯＮされることで第１の発熱抵抗体３３に電流が流れて第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２を加熱する。

一方、保護素子２５は、過大な電流が流れると第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２が自己の抵抗によって発熱するとともに、ＩＣ２２の制御により第２のＦＥＴ２４がＯＮされることで冷却素子３４に電流が流れて第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２を冷却する。

ここで、ヒューズエレメントである第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の溶断時間（ｓ）について、図２を用いて簡単に説明する。

基準となる第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の溶断時間（ｓ）は、図２の上段グラフに示すように、電流遮断特性がＬ１の曲線で表すことができる。一方、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２よりも定格電流の小さいヒューズエレメントの溶断時間（ｓ）は、図２の上段グラフに示すように、電流遮断特性がＬ２の曲線で表すことができる。他方、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２よりも定格電流の小さいヒューズエレメントの溶断時間（ｓ）は、図２の上段グラフに示すように、電流遮断特性がＬ３の曲線で表すことができる。

このように、ヒューズエレメントの溶断時間は、図２の上段グラフに示すように、定格電流が小さいほど左にシフトした特性となり、定格電流が大きいほど右にシフトした特性となることがわかる。

次に、保護素子２５の第１の発熱抵抗体３３を作動させたとき、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の溶断時間（ｓ）について、図２を用いて説明する。

第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の自己の発熱量は、図２の下段グラフに示すように、電流の増大に伴って増加する曲線Ｈ１のような特徴を有している。これに対して、第１の発熱抵抗体３３は、例えば、所定の電流値をＩ１とし、この時に最も発熱するように第１のＦＥＴ２３を制御し、電流値の増加とともに徐々に発熱量を減少させて電流値がＩ２で発熱量が０となる曲線Ｈ２のような特性を有している。つまり、ＩＣ２２の第１のＦＥＴ２３のコントロールで曲線Ｈ２のような特性を持たせている。

第１の発熱抵抗体３３に電流を流す制御を行った場合、保護素子２５としての総発熱量は、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の発熱量と、第１の発熱抵抗体３３の発熱量を合成し、おおよそ曲線Ｈ１’のような特性となる。なお、第１の発熱抵抗体３３の発熱量はＩＣ２２のコントロールによって任意に設定可能であるが、曲線Ｈ２のような特性とすることで後述する第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の電流遮断特性が最適なものとなる。

第１の発熱抵抗体３３の発熱量をＩＣ２２のコントロールによって曲線Ｈ２のような特性とした場合、電流値が定格電流よりも小さいＩ１で予備過熱がはじまり熱量を印加されるため、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の電流遮断特性は、定格電流以下の電流Ｉ１でも溶断するように溶断開始電流が左側へシフトしたＬ１’で示す曲線のように変化する。

すなわち、ＩＣ２２による第１のＦＥＴ２３の制御により第１の発熱抵抗体３３へ供給される電流を制御して、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の電流遮断特性を定格電流が小さいヒューズエレメントの曲線Ｌ２側にシフトすることができる。

これにより、定格電流以下で第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２を溶断することができるだけでなく、溶断時間も短縮することが可能となる。

例えば、溶断時間Ｔ３で比較すると、非加熱のＬ１よりも加熱したＬ１’の方が小さい電流で溶断することがわかる。溶断時間Ｔ３より短い時間Ｔ２で比較すると、同様に非加熱のＬ１よりも加熱したＬ１’の方が小さい電流で溶断することがわかる。

しかし、溶断時間Ｔ２よりもさらに短い時間Ｔ１で比較した場合、その差はほとんど見ることができない。すなわち、Ｉ２のように大電流が流れた場合は、短い溶断時間Ｔ１は差がなく第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の持つ電流遮断特性を維持しており、電流値がＩ２よりも小さくＩ１よりも大きい範囲において溶断時間の短縮が図られていると言える。

次に、保護素子２５の冷却素子３４を作動させたとき、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の溶断時間（ｓ）について、図２を用いて説明する。

第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の自己の発熱量は、図２の下段グラフに示すように、電流の増大に伴って増加する曲線Ｈ１のような特徴を有している。これに対して、冷却素子３４は、例えば、所定の電流値をＩ３とし、この時に最も冷却するように第２のＦＥＴ２４を制御し、電流値の増加とともに徐々に発熱量（冷却）を減少させて電流値がＩ４で発熱量が０となる曲線Ｈ３のような特性を有している。つまり、ＩＣ２２の第２のＦＥＴ２４のコントロールで曲線Ｈ３のような特性を持たせている。

冷却素子３４に電流を流す制御を行った場合、保護素子２５としての総発熱量は、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の発熱量と、冷却素子３４の発熱量（冷却）を合成し、おおよそ曲線Ｈ１”のような特性となる。なお、冷却素子３４の発熱量（冷却）はＩＣ２２のコントロールによって任意に設定可能であるが、曲線Ｈ３のような特性とすることで後述する第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の電流遮断特性が最適なものとなる。

冷却素子３４の発熱量（冷却）をＩＣ２２のコントロールによって曲線Ｈ３のような特性とした場合、定格電流付近から冷却がはじまるため、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の電流遮断特性は、定格電流付近の電流Ｉ３から電流Ｉ４にかけて溶断時間が長くなるように右側へシフトしたＬ１”で示す曲線のように変化する。

すなわち、ＩＣ２２による第２のＦＥＴ２４の制御により冷却素子３４へ供給される電流を制御して、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の電流遮断特性を定格電流が大きいヒューズエレメントの曲線Ｌ３側にシフトすることができる。

これにより、定格電流よりも大きい電流において第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２を溶断する時間を長くとることができ、サージ等の一時的な過電流によって第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２が溶断してしまうことを抑止することができる。

例えば、溶断時間Ｔ３で比較すると、非冷却のＬ１よりも加熱したＬ１”の方が大きい電流で溶断することがわかる。溶断時間Ｔ３より短い時間Ｔ２で比較すると、同様に非冷却のＬ１よりも加熱したＬ１”の方が大きい電流で溶断することがわかる。溶断時間Ｔ２よりもさらに短い時間Ｔ１で比較すると、同様に非冷却のＬ１よりも加熱したＬ１”の方が大きい電流で溶断することがわかる。すなわち、冷却素子３４の冷却により、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２の持つ電流遮断特性を定格電流が大きい方へ特性を調整していると言える。

次に、ＩＣ２２が、第１のＦＥＴ２３を制御する信号について、図３及び図４を用いて簡単に説明する。

ＩＣ２２は、第１のＦＥＴ２３をパルス信号を用いて制御している。すなわち、ＩＣ２２は、パルス信号のＯＮ／ＯＦＦの比であるパルスデューティ比を調整することによって、第１のＦＥＴ２３をＯＮ／ＯＦＦ制御して、第１の発熱抵抗体３３に流れる電流を制御している。

具体的に、ＩＣ２２は、図３に示すように、検出した電流値がＩ１を超えると、デューティ比５０％のパルス信号を第１のＦＥＴ２３に出力する。そして、ＩＣ２２は、検出した電流値がＩ２に達するまで連続的に徐々にデューティ比を低下させるようにパルス信号を第１のＦＥＴ２３に出力する。最後に、ＩＣ２２は、検出した電流値がＩ２に達すると、デューティ比を０、すなわちパルス信号を第１のＦＥＴ２３に出力しないようにする。

上述のようにパルス信号を第１のＦＥＴ２３に出力することで、デューティ比に応じて電流が第１の発熱抵抗体３３に流れるため、図２の下段グラフに示す、曲線Ｈ２に示す熱量を第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２に加えることができる。

なお、ＩＣ２２は、図４に示すように、検出した電流値がＩ１を超えると、デューティ比５０％のパルス信号を第１のＦＥＴ２３に出力し、そして、ＩＣ２２は、検出した電流値がＩ２に達するまで段階的にデューティ比を低下させるようにパルス信号を第１のＦＥＴ２３に出力し、検出した電流値がＩ２に達すると、デューティ比を０とするようにしてもよい。すなわち、所望とする電流遮断特性を得るために、第１の発熱抵抗体３３の発熱量をコントロールすることができればよい。

次に、ＩＣ２２が、第２のＦＥＴ２４を制御する信号について簡単に説明する。

ＩＣ２２は、第２のＦＥＴ２４をパルス信号を用いて制御している。すなわち、ＩＣ２２は、パルス信号のＯＮ／ＯＦＦの比であるパルスデューティ比を調整することによって、第２のＦＥＴ２４をＯＮ／ＯＦＦ制御して、冷却素子３４に流れる電流を制御している。

上述のようにパルス信号を第２のＦＥＴ２４に出力することで、デューティ比に応じて電流が冷却素子３４に流れるため、図２の下段グラフに示す、曲線Ｈ３に示す熱量（冷却）を第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２に加えることができる。なお、具体的な制御は第１のＦＥＴ２３を制御する信号と同様に設定することができるため、詳細な説明は省略する。

ここで、検出抵抗体２１およびＩＣ２２は、図１に示すようにヒューズ調整回路２０を構成する。すなわち、本構成では、保護素子２５とリチウムイオンバッテリ１１の間にヒューズ調整回路を直列配置するようにしている。ヒューズ調整回路２０は、第１のＦＥＴ２３をＯＮすることにより第１の発熱抵抗体３３により加熱を行い、第２のＦＥＴ２４をＯＮすることにより冷却を行うことで、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２に対する加熱量を調整することができ、第１の可溶導体３１及び第２の可溶導体３２について任意の電流遮断特性を得ることができるように動作する。

［ヒューズ回路の例２］
次に、異なる構成のヒューズ回路１について、図５を用いて説明する。なお、本例では、図１の構成と略同等の構成には同じ符号をつけて説明を省略する。

本例は、保護素子２５のように調温部を内蔵せず、外部ヒータを用いる構成である。具体的に、ヒューズ回路１２は、リチウムイオンバッテリ１１と直列に接続された検出抵抗体２１と、検出抵抗体２１の両端に並列接続されたＩＣ（Integrated Circuit）２２と、リチウムイオンバッテリ１１と直列に接続された第３の可溶導体４１と、第３の可溶導体４１に熱的に接続するように配置される第２の発熱抵抗体４２と、ＩＣ２２及び第２の発熱抵抗体４２と接続された第３のＦＥＴ４３とから構成されている。

図５に示す、ヒューズ回路１２は、調温部であるヒータを内蔵する保護素子２５のように特殊な素子を用いずに、第３の可溶導体４１のみからなるシンプルなヒューズ構成に、任意の抵抗値を設定した第２の発熱抵抗体４２を調温部として付加した構成であり、汎用性が高く、抵抗値を用途に応じて自由に変えることができる点で取り扱いが容易である。

［ヒューズ回路の例３］
次に、異なる構成のヒューズ回路１について、図６を用いて説明する。なお、本例では、図１及び図５の構成と略同等の構成には同じ符号をつけて説明を省略する。

本例は、保護素子２５のように調温部を内蔵せず、外部ヒータを用いる構成である。具体的に、ヒューズ回路１２は、リチウムイオンバッテリ１１と直列に接続された検出抵抗体２１と、検出抵抗体２１の両端に並列接続されたＩＣ（Integrated Circuit）２２と、リチウムイオンバッテリ１１と直列に接続された第３の可溶導体４１と、第３の可溶導体４１に熱的に接続するように配置される第２の発熱抵抗体４２と、ＩＣ２２及び第２の発熱抵抗体４２と接続された第３のＦＥＴ４３と、第３の可溶導体４１に熱的に接続するように配置される第３の発熱抵抗体４４と、ＩＣ２２及び第３の発熱抵抗体４４と接続された第４のＦＥＴ４５とから構成されている。

図５に示す、ヒューズ回路１２は、調温部であるヒータを内蔵する保護素子２５のように特殊な素子を用いずに、第３の可溶導体４１のみからなるシンプルなヒューズ構成に、任意の抵抗値を設定した第２の発熱抵抗体４２及び第３の発熱抵抗体４４を調温部として付加した構成であり、汎用性が高く、それぞれの抵抗値を用途に応じて自由に変えることができる点で優れている。

また、第２の発熱抵抗体４２及び第３の発熱抵抗体４４は、それぞれ異なる抵抗値としておくことが望ましい。発熱量を発熱抵抗体の組み合わせで調整可能となり、例えば、第２の発熱抵抗体４２のみを動作させるときと、第３の発熱抵抗体４４のみを動作させるときと、第２の発熱抵抗体４２及び第３の発熱抵抗体４４の両方を動作させるときでは、ＩＣ２２から同じパルス信号が出力された場合であっても発熱量が異なり、発熱抵抗体の数を増やすことにより、ＩＣのパルス信号制御と組み合わせてより複雑な電流遮断特性を得ることが可能となる。

なお、本発明において、上述の図１、図５及び図６に示すようなヒューズ回路の構成に限定されるものではなく、調温部として発熱抵抗体や冷却素子を複数個、適宜組み合わせることができることは言うまでもない。

［ＩＣの制御とプログラム］
図７は、本実施の形態に係るＩＣ２２の機能をコンピュータプログラムで実行する場合の構成を示すブロック図である。本プログラムはＩＣ２２に組み込まれているものとしてもよいし、外部のコンピュータリソースを用いて制御するものであってもよい。

コンピュータ１００は、図７に示すように、プログラムの実行処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１と、ＣＰＵ１０１により実行されるプログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）１０２と、プログラムやデータを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）１０３とから構成され、インタフェースを通じて各ＦＥＴを制御することができるように構成されている。

ＣＰＵ１０１は、コンピュータ１００が有する各ブロックの動作を制御する。具体的に、ＣＰＵ１０１は、例えばＲＯＭ１０２に記録されているヒューズを調整するプログラムを読み出し、ＲＡＭ１０３に展開して実行することにより、各ブロックの動作を制御する。

ＲＯＭ１０２は、例えば書き換え可能な不揮発性メモリであり、ＲＡＭ１０３は、揮発性メモリである。

次にコンピュータ１００において実行されるヒューズを調整する処理について、図８のフローチャートを用いて具体的な処理を説明する。このフローチャートに対応する処理は、ＣＰＵ１０１が、例えばＲＯＭ１０２に記録されている対応する処理プログラムを読み出し、ＲＡＭ１０３に展開して実行することにより実現することができる。

ステップＳ１０１で、ＣＰＵ１０１は、検出抵抗値２１の両端から電流値を測定し、処理をステップＳ１０２へ進める。

ステップＳ１０２で、ＣＰＵ１０１は、測定した電流値が、所定値より大きいかどうかを判断する。ここで、所定値は、例えば、図２で示したＩ１とする。ＣＰＵ１０１は、測定した電流値が、所定値より大きいと判断した場合は、処理をステップＳ１０３に進め、測定した電流値が、所定値を以下であると判断した場合にはステップＳ１０１の処理を繰り返す。

ステップＳ１０３で、ＣＰＵ１０１は、測定した電流値に応じたパルス信号を各ＦＥＴに出力する。出力するパルス信号については、上述で説明した各種のデューティ比を調整したパルス信号を用いることができる。

ステップＳ１０４で、ＣＰＵ１０１は、検出抵抗値２１の両端から電流値を測定し、タイマーカウンタをカウントアップする。ここで、電流値を測定するのは、前述のステップＳ１０３において電流値に応じたパルス信号を出力するためである。

ステップＳ１０５で、ＣＰＵ１０１は、測定した電流値が、０であるかを判断するか、タイマーカウンタのカウント値が所定の時間に達したかを判断する。ＣＰＵ１０１は、測定した電流値が、０であると判断した場合は、処理をステップＳ１０６に進め、測定した電流値が、０でないと判断した場合にはステップＳ１０３に戻り処理を繰り返す。また、ＣＰＵ１０１は、タイマーカウンタのカウント値が所定の時間に達したと判断した場合は、処理をステップＳ１０６に進め、タイマーカウンタのカウント値が所定の時間に達していないと判断した場合にはステップＳ１０３に戻り処理を繰り返す。

ステップＳ１０６で、ＣＰＵ１０１は、各ＦＥＴにパルス信号の出力を停止する若しくはパルスデューティ比を０％とする処理を行い、本処理を終了する。

以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、調温部を調整してヒューズ素子の電流遮断特性について評価した。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
保護素子としては、ヒータ内蔵ヒューズ（ＳＦＫ−３０Ａ：デクセリアルズ社製）を用いて試験を行った。保護素子の定格電流は３０Ａ、ヒータの抵抗値は５０．０Ω、バッテリ電圧を４０Ｖとし、保護素子に流す電流は、３０Ａ、６０Ａ、８０Ａ、１００Ａの４段階で評価を行った。

評価結果は、表１及び図９に示すように、定格電流である３０Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、ヒューズエレメントは溶断せず、回路切断は認められなかった。保護素子にデューティ比５０％のパルス信号を流しヒータにより１６Ｗの加熱を加えたところ、定格電流である３０Ａであっても、４．０秒で回路切断が行われた。

次に、定格電流を超える６０Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、１５．０秒で回路切断が行われた。保護素子にデューティ比５０％のパルス信号を流しヒータにより１６Ｗの加熱を加えたところ、１．７秒で回路切断が行われた。

次に、定格電流を超える８０Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、３．０秒で回路切断が行われた。保護素子にデューティ比３０％のパルス信号を流しヒータにより１０Ｗの加熱を加えたところ、１．０秒で回路切断が行われた。

次に、定格電流を超える１００Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、０．８秒で回路切断が行われた。なお、１００Ａ電流に対しては、保護素子にパルス信号を流さなかった。

以上のように実施例１では、保護素子にパルス信号による加熱を加えることで、ヒューズエレメントの溶断時間を任意にコントロールすることができることがわかる。特に、過熱による溶断時間短縮の効果が顕著であるとともに、定格電流であってもヒューズエレメントを溶断することが可能となった。

［実施例２］
保護素子としては、ヒータ非搭載ヒューズ（ＳＦＫ−３０Ａ：デクセリアルズ社製）を用いて試験を行った。保護素子の定格電流は３０Ａとし、保護素子外部のヒータとして抵抗値が１９Ωの発熱抵抗体Ｒ１と抵抗値２６Ωの発熱抵抗体Ｒ２を用い、バッテリ電圧を１２Ｖとし、保護素子に流す電流は、３０Ａ、６０Ａ、８０Ａ、１００Ａの４段階で評価を行った。なお、外部ヒータと保護素子内のヒューズエレメントは熱的に接続するように構成した。

評価結果は、表２及び図１０に示すように、定格電流である３０Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、ヒューズエレメントは溶断せず、回路切断は認められなかった。発熱抵抗体Ｒ１と発熱抵抗体Ｒ２ともに電流を流し合計１３．１Ｗの加熱を加えたところ、定格電流である３０Ａであっても、１８．０秒で回路切断が行われた。

次に、定格電流を超える６０Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、１５．０秒で回路切断が行われた。発熱抵抗体Ｒ１のみに電流を流しヒータにより７．６Ｗの加熱を加えたところ、８．０秒で回路切断が行われた。

次に、定格電流を超える８０Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、３．０秒で回路切断が行われた。発熱抵抗体Ｒ２のみに電流を流しヒータにより５．５Ｗの加熱を加えたところ、２．０秒で回路切断が行われた。

次に、定格電流を超える１００Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、０．８秒で回路切断が行われた。なお、１００Ａ電流に対しては、保護素子にヒータによる加熱はしなかった。

以上のように実施例２では、異なる抵抗値の外部ヒータを複数用いて保護素子に加熱を加えることで、ヒューズエレメントの溶断時間を抵抗値の組み合わせに応じて任意にコントロールすることができることがわかる。特に、過熱による溶断時間短縮の効果が顕著であるとともに、定格電流であってもヒューズエレメントを溶断することが可能となった。

［実施例３］
保護素子としては、ヒータ内蔵ヒューズ（ＳＦＫ−３０Ａ：デクセリアルズ社製）を用いて試験を行った。保護素子の定格電流は３０Ａ、ヒータの抵抗値は５０．０Ω、バッテリ電圧を４０Ｖとし、保護素子に流す電流は、２９Ａ、３０Ａ、６０Ａ、８０Ａの４段階で評価を行った。

評価結果は、表３及び図１１に示すように、定格電流以下である２９Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、ヒューズエレメントは溶断せず、回路切断は認められなかった。保護素子にデューティ比０％のパルス信号を流しヒータにより０Ｗの加熱を加えたところ、回路切断は認められなかった。

次に、定格電流である３０Ａの電流に対し、保護素子にヒータによる加熱を加えない場合、ヒューズエレメントは溶断せず、回路切断は認められなかった。保護素子にデューティ比５０％のパルス信号を流しヒータにより１６Ｗの加熱を加えたところ、定格電流である３０Ａであっても、４．０秒で回路切断が行われた。

以上のように実施例３では、保護素子にパルス信号による加熱を加えることで、ヒューズエレメントの溶断時間を任意にコントロールすることができることがわかる。特に、２９Ａと３０Ａの比較からもわかるように、１Ａ単位でもヒューズエレメントの溶断を制御することが可能となった。具体的に、ヒータによる加熱をせず、若しくは、冷却を加えることで、２９Ａではヒューズエレメントが溶断しないように調整することができるとともに、ヒータによる加熱を行い、冷却はしないことで、３０Ａでは任意の特性を実現することができることがわかる。

以上のように、本発明の例によるヒューズ調整回路を用いることにより、ヒューズ素子の定格電流よりも低い電流であっても、回路を遮断することが可能となり、定格電流以下の電流で回路を遮断したい場合にヒューズ素子の定格を変更することなく対応することが可能となる。

また、本発明の例によるヒューズ調整回路を用いることにより、所定の電流遮断特性を有するヒューズ素子であっても、電流遮断特性を任意に調整することができる。これにより、定格電流が大きいヒューズ素子であっても、溶断時間を短くすることができ。また、用途によっては、冷却素子を用いることにより溶断時間を長くする若しくは溶断しないようにすることもできる。

また、本発明の例によるヒューズ調整回路を用いることにより、所定の定格電流をわずかに超える電流であっても溶断時間を短くすることができるため、モバイル機器等のように通電可能な時間が限られる用途であっても、回路を遮断することが可能となる。

また、本発明の例によるヒューズ調整回路を用いることにより、機器の回路構成上で要求される定格電流に対して大きな定格電流のヒューズ素子を用いることができる。換言すると、所望の電流遮断特性を得つつも、ヒューズ抵抗値を下げることができるため、エネルギー損失を回避しながら、保護回路として接続された機器を保護することが可能となる。

１バッテリユニット、１１バッテリ、１２ヒューズ回路、２０ヒューズ調整回路、２１検出抵抗体、２２ＩＣ、２３第１のＦＥＴ、２４第２のＦＥＴ、２５保護素子、３１第１の可溶導体、３２第２の可溶導体、３３第１の発熱抵抗体、３４冷却素子、４１第３の可溶導体、４２第２の発熱抵抗体、４３第３のＦＥＴ、４４第３の発熱抵抗体、４５第４のＦＥＴ、１００コンピュータ、１０１ＣＰＵ、１０２ＲＯＭ、１０３ＲＡＭ

Claims

所定の電流によって溶断する可溶導体と、
前記可溶導体の加熱量又は冷却量を調整する調温部と、
前記調温部を制御することで前記可溶導体の通電電流値に対する溶断時間を示す電流遮断特性を制御する制御部とを備えるヒューズ回路。
前記制御部は、前記可溶導体の通電電流値に応じて、前記電流遮断特性を制御する請求項１に記載のヒューズ回路。
前記調温部は、発熱抵抗体又は冷却素子であり、
前記制御部は、前記発熱抵抗体又は前記冷却素子に流れる電流を制御することにより前記発熱抵抗体又は前記冷却素子の電流−発熱量特性を変化させ、前記電流遮断特性を制御する請求項１又は２に記載のヒューズ回路。
前記調温部は、複数の発熱抵抗体若しくは複数の冷却素子又は発熱抵抗体と冷却素子の組み合わせである請求項１乃至３の何れか一に記載のヒューズ回路。
前記調温部は、加熱又は冷却の特性がそれぞれ異なる前記発熱抵抗体又は前記冷却素子で構成されている請求項３又は４に記載のヒューズ回路。
前記制御部は、前記発熱抵抗体又は前記冷却素子に流れる電流をパルス制御することにより前記可溶導体に加える熱量を調整する請求項３乃至５の何れか一に記載のヒューズ回路。
前記制御部は、前記可溶導体と直列配置された検出抵抗体を有し、前記可溶導体に流れる電流値に基づきデューティ比を可変させる請求項６に記載のヒューズ回路。
前記制御部は、前記可溶導体と直列配置された検出抵抗体を有し、前記可溶導体に流れる電流値が所定値を超えたときに前記調温部の制御を開始する請求項１乃至７の何れか一に記載のヒューズ回路。
前記制御部は、前記調温部の制御を開始してから所定時間を経過したとき、前記調温部の制御を中止する請求項１乃至８の何れか一に記載のヒューズ回路。
前記制御部は、前記可溶導体と直列配置された検出抵抗体を有し、前記調温部の制御を開始した後に前記可溶導体に流れる電流値が略０となったとき、前記調温部の制御を中止する請求項１乃至８の何れか一に記載のヒューズ回路。
所定の電流によって溶断する可溶導体の加熱量又は冷却量を調整する調温部と、
前記調温部と接続され、前記調温部に印加する電流を制御することで前記可溶導体の通電電流値に対する溶断時間を示す電流遮断特性を制御する制御部とを備えるヒューズ調整回路。
前記制御部は、前記可溶導体の通電電流値に応じて、前記電流遮断特性を制御する請求項１１に記載のヒューズ調整回路。
前記調温部は、発熱抵抗体又は冷却素子であり、
前記制御部は、前記発熱抵抗体又は前記冷却素子に流れる電流を制御することにより、前記制御部は、前記発熱抵抗体又は前記冷却素子に流れる電流を制御することにより前記発熱抵抗体又は前記冷却素子の電流−発熱量特性を変化させ、前記電流遮断特性を制御する請求項１１又は１２に記載のヒューズ調整回路。
前記調温部は、複数の発熱抵抗体若しくは複数の冷却素子又は発熱抵抗体と冷却素子の組み合わせである請求項１１乃至１３の何れか一に記載のヒューズ調整回路。
前記調温部は、前記複数の発熱抵抗体若しくは複数の冷却素子又は発熱抵抗体と冷却素子の組み合わせであり、加熱又は冷却の特性がそれぞれ異なるもので構成されている請求項１３又は１４に記載のヒューズ調整回路。
前記制御部は、前記発熱抵抗体又は前記冷却素子に流れる電流をパルス制御することにより前記可溶導体に加える熱量を調整する請求項１３乃至１５の何れか一に記載のヒューズ調整回路。
前記制御部は、前記可溶導体に流れる電流値に基づきデューティ比を可変させる請求項１６に記載のヒューズ調整回路。
前記制御部は、前記可溶導体と直列配置された検出抵抗体を有し、前記可溶導体に流れる電流値が所定値を超えたときに前記調温部の制御を開始する請求項１１乃至１７の何れか一に記載のヒューズ調整回路。
前記制御部は、前記調温部の制御を開始してから所定時間を経過したとき、前記調温部の制御を中止する請求項１１乃至１８の何れか一に記載のヒューズ調整回路。
前記制御部は、前記可溶導体と直列配置された検出抵抗体を有し、前記調温部の制御を開始した後に前記可溶導体に流れる電流値が略０となったとき、前記調温部の制御を中止する請求項１１乃至１８の何れか一に記載のヒューズ調整回路。
所定の電流によって溶断する可溶導体の加熱量又は冷却量を調整する調温部に印加する電流を制御部が制御することで前記可溶導体の通電電流値に対する溶断時間を示す電流遮断特性を制御するヒューズ調整方法。
前記制御部は、前記可溶導体の通電電流値に応じて、前記電流遮断特性を制御する請求項２１に記載のヒューズ調整方法。
前記調温部は、発熱抵抗体又は冷却素子であり、
前記発熱抵抗体又は前記冷却素子に流れる電流を制御することにより前記発熱抵抗体又は前記冷却素子の電流−発熱量特性を変化させ、前記電流遮断特性を制御する請求項２１又は２２に記載のヒューズ調整方法。
前記調温部は、複数の発熱抵抗体若しくは複数の冷却素子又は発熱抵抗体と冷却素子の組み合わせである請求項２１乃至２３の何れか一に記載のヒューズ調整方法。
前記調温部は、前記複数の発熱抵抗体若しくは複数の冷却素子又は発熱抵抗体と冷却素子の組み合わせであり、加熱又は冷却の特性がそれぞれ異なるもので構成されている請求項２３又は２４に記載のヒューズ調整方法。
前記発熱抵抗体又は前記冷却素子に流れる電流をパルス制御することにより前記可溶導体に加える熱量を調整する請求項２３乃至２５の何れか一に記載のヒューズ調整方法。
前記可溶導体に流れる電流値に基づきデューティ比を可変させる請求項２６に記載のヒューズ調整方法。
前記可溶導体と直列配置された検出抵抗体を用いて前記可溶導体に流れる電流値を検出し、前記電流値が所定値を超えたときに前記調温部の制御を開始する請求項２１乃至２７の何れか一に記載のヒューズ調整方法。
前記調温部の制御を開始してから経過時間を計時し、所定時間を経過したとき、前記調温部の制御を中止する請求項２１乃至２８の何れか一に記載のヒューズ調整方法。
前記調温部の制御を開始した後に前記可溶導体と直列配置された検出抵抗体を用いて前記可溶導体に流れる電流値を検出し、前記電流値が略０となったとき、前記調温部の制御を中止する請求項２１乃至２８の何れか一に記載のヒューズ調整方法。
コンピュータに、
所定の電流によって溶断する可溶導体の加熱量又は冷却量を調整する調温部に印加する電流を制御することで、前記可溶導体の通電電流値に対する溶断時間を示す電流遮断特性を制御する処理を実行させるプログラム。
請求項３１に記載のプログラムを記録した記録媒体。