TW201503200A

TW201503200A - 保護元件

Info

Publication number: TW201503200A
Application number: TW103114778A
Authority: TW
Inventors: Chisato Komori; Koichi Mukai; Kazutaka Furuta; Toshiaki Araki; Koji Ejima; Takashi Fujihata
Original assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-01-16
Also published as: KR102256148B1; JP2014216167A; WO2014175379A1; CN105122413B; US10109439B2; TWI653653B; JP6151550B2; KR20160003049A; US20160049272A1; CN105122413A

Abstract

使助焊劑均勻擴散至矩形之可熔導體13之全面。保護元件具備：絕緣基板；發熱電阻體，配置於上述絕緣基板；第1及第2電極，層疊於上述絕緣基板；發熱體引出電極，與上述發熱電阻體以絕緣狀態重疊，於上述第1及第2電極之間之電流通路上電氣連接於該發熱電阻體；矩形之可熔導體，從上述發熱體引出電極層疊於上述第1及第2電極，因熱而熔斷，藉此截斷該第1電極及該第2電極之間的電流通路；以及複數個助焊劑，配置於上述可熔導體上；上述複數個助焊劑係沿前述發熱電阻體配置。

Description

保護元件

本發明係關於在過充電、過放電等之異常時將電流通路截斷之保護元件。本申請案係以在日本於2013年4月25日申請之日本專利申請號特願2013-92328為基礎主張優先權，以此申請為參考並援用於本申請案。

可充電而反覆使用之二次電池大多係被加工為電池包再提供給使用者。特別於重量能量密度高之鋰離子二次電池中，為確保使用者及電子機器的安全，一般將過充電保護、過放電保護等數個保護電路內建於電池包，而具有於特定狀況將電池包之輸出截斷之機能。

此種的保護元件係藉由使用內建於電池包之FET開關進行輸出之ON/OFF，以進行電池包的過充電保護或過放電保護驅動。然而，即使因某些原因造成FET開關短路破壞時，被施加雷電突波等而有瞬間大電流流通時，或隨電池單元之壽命而輸出電壓異常下降或反之輸出過大異常電壓時，電池包或電子機器必須被保護免於起火等之事故。因此，係使用一種保護元件，其為了不論在上述可假定之任何異常狀態均可安全地截斷電池包之輸出，而由具有依來自外部之訊號而截斷電流通路之機能的保險絲元件構成。

如圖15(A)及圖15(B)所示，此種鋰離子二次電池等用之保護電路之保護元件80，係將可熔導體83連接於連接在電流通路上之第1及第 2電極81、82之間而構成電流通路之一部分，藉由將此電流通路上之可熔導體83利用因過電流產生之自體發熱或因設於保護元件80內部之發熱電阻體84而熔斷。此種保護元件80係透過將熔融後液體狀之可熔導體83集合於第1及第2電極81、82上而截斷電流通路。

又，如於圖15所記載之保護元件80中，為了在以回流焊焊接等構裝時加熱不會熔解，一般而言作為可熔導體83係使用熔點於300℃以上之含鉛高熔點焊料。又，由於加熱可熔導體83後氧化加重而阻害熔斷，因此亦去除形成於可熔導體83之氧化膜，且為提升可熔導體83之潤濕性而將助焊劑85進行層疊。

〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開2010-003665號公報

〔專利文獻2〕日本特開2004-185960號公報

〔專利文獻3〕日本特開2012-003878號公報

伴隨著近年之鋰離子二次電池的高容量化、高輸出化，對於鋰離子二次電池用之保護電路的保護元件80，亦被要求額定值之提升。又伴隨著電子機器的小型化、薄型化，保護元件80亦被更加要求小型化、薄型化。

為了使額定值提升且流通更多電流，係被要求降低可熔導體83之導體阻抗。為了降低可熔導體83之阻抗，(1)增加導體截面積、(2)縮短配置可熔導體83之第1及第2電極81、82間的導電距離為有效方式。又，由於可熔導體83與第1及第2電極81、82之連接阻抗亦會影響保護元件80之額定值、因此(3)增大可熔導體83與第1及第2電極81、82之連接面積亦為有效方式。

因此，由於保護元件80被要求小型化、薄型化，因此增大(1)之導體截面積有其限度，(2)導電距離之縮短化及(3)可熔導體83與第1及第2電極81、82間的連接面積之增大，就謀求保護元件之額定值方面係有效。因此，如圖16所示，可熔導體83之形狀形成於第1及第2電極81、82之間隔距離D1較短、於第1及第2電極81、82之連接距離D2較長的矩形。

此處，配置於可熔導體83上以圖防止氧化、潤濕性之提升的助焊劑85，亦對應可熔導體83之形狀而保持橢圓形為佳。然而，橢圓形狀之助焊劑係張力隨著往長軸之兩側而變強，易因些許傾斜而偏向長軸之一側，導致從發熱電阻體84之中心偏移而無法被保持，無法擴散至可熔導體83之全體而導致熔斷時間延長。

因此，配置於可熔導體83上之助焊劑係保持為真圓形狀，此點就保持於發熱電阻體84之中心上而言較佳。然而，在為圖額定值提升而形成矩形之可熔導體83上，由於圓形之助焊劑係以可熔導體83之短邊的長度決定直徑之大小，因此保持量不足以覆蓋可熔導體83之全面積，無法圖防止氧化及潤濕性之提升。

因此，本發明目的在於提供即便於矩形的可熔導體上亦可使助焊劑均勻地擴散遍布可熔導體之全面之保護元件。

為解決上述課題，本發明之保護元件具備：絕緣基板；發熱電阻體，配置於上述絕緣基板；第1及第2電極，層疊於上述絕緣基板；發熱體引出電極，與上述發熱電阻體以絕緣狀態重疊，於上述第1及第2電極之間之電流通路上電氣連接於該發熱電阻體；矩形之可熔導體，從上述發熱體引出電極層疊於上述第1及第2電極，因熱而熔斷，藉此截斷該第1電極及該第2電極之間的電流通路；以及複數個助焊劑，配置於上述可熔導體上；上述複數個助焊劑係沿前述發熱電阻體配置。

根據本發明，由於助焊劑沿發熱電阻體設有複數個，因此可以複數個助焊劑廣泛地覆蓋矩形的可熔導體表面，且藉由發熱電阻體之發熱，使助焊劑均勻地擴散遍布於可熔導體之全面。因此，本發明之保護元件，能藉由可熔導體之防止氧化及潤濕性之提升之方式，快速熔斷第1及第2電極間的電流通路。

10‧‧‧保護元件

11‧‧‧絕緣基板

12‧‧‧電極

13‧‧‧可熔導體

13a‧‧‧熔斷部

14‧‧‧發熱電阻體

15‧‧‧絕緣構件

16‧‧‧發熱體引出電極

17‧‧‧助焊劑

18‧‧‧發熱體電極

19‧‧‧蓋構件

19a‧‧‧上面

21‧‧‧肋部

22‧‧‧保持孔

23‧‧‧凸部

24‧‧‧保持構件

24a‧‧‧肋部

24b‧‧‧側壁

30‧‧‧電池包

31~34‧‧‧電池單元

36‧‧‧檢測電路

37‧‧‧電流控制元件

40‧‧‧充放電控制電路

41、42‧‧‧電流控制元件

43‧‧‧控制部

45‧‧‧充電裝置

D1‧‧‧間隔距離

D2‧‧‧接觸距離

圖1係顯示適用本發明之保護元件之圖，(A)係穿透蓋構件而顯示之俯視圖，(B)係剖面圖。

圖2係將配置助焊劑於發熱電阻體之發熱中心上之保護元件穿透蓋構件而顯示之俯視圖。

圖3係將配置助焊劑於可熔導體之熔斷部上之保護元件穿透蓋構件而顯示之俯視圖。

圖4(A)(B)係將配置助焊劑於發熱電阻體之發熱中心上及可熔導體之熔斷部上之保護元件之一例穿透蓋構件而顯示之俯視圖。

圖5係將配置遍布於發熱電阻體之發熱中心上及可熔導體之熔斷部上之大徑助焊劑之保護元件穿透蓋構件而顯示之俯視圖。

圖6係將對稱配置助焊劑之保護元件穿透蓋構件而顯示之俯視圖。

圖7係將對稱配置助焊劑之保護元件穿透蓋構件而顯示之俯視圖。

圖8係將非對稱配置助焊劑之保護元件穿透蓋構件而顯示之俯視圖。

圖9係顯示於可熔導體設有保持孔作為助焊劑之保持機構的保護元件之剖面圖。

圖10係顯示於可熔導體設有凸部作為助焊劑之保持機構的保護元件之剖面圖。

圖11係顯示設有形成有肋部之保持構件作為助焊劑之保持機構的保護元件之剖面圖。

圖12係顯示設有形成有凸部之可熔導體及保持構件作為助焊劑之保持機構的保護元件之剖面圖。

圖13係顯示電池包之電路結構之電路圖。

圖14係適用本發明之保護元件之等效電路。

圖15係顯示習知之保護元件之圖，(A)係立體圖、(B)係剖面圖。

圖16係顯示使用矩形之可熔導體之保護元件的一部分之立體圖。

以下，參照圖式詳細說明適用本發明之保護元件。此外，本發明不限定僅為以下之實施形態，當然可在不偏離本發明主旨之範圍內進行各種變更。又，圖式係示意顯示，各尺寸之比率等係與現實物有相異處。具體之尺寸等係應參酌以下之說明而作判斷。又，當然於圖式互相之間亦含有彼此之尺寸的關係或比率相異的部分。

[保護元件之結構]

如圖1(A)(B)所示，適用本發明之保護元件10具備絕緣基板11、層疊於絕緣基板11且為絕緣構件15所覆蓋之發熱電阻體14、形成於絕緣基板11兩端之電極12(A1),12(A2)、以與發熱電阻體14重疊之方式層疊於絕緣構件15之發熱體引出電極16、兩端分別與電極12(A1),12(A2)連接且中央部連接於發熱體引出電極16之可熔導體13、及設於可熔導體13上且除去產生於可熔導體13之氧化膜並同時提升可熔導體13之潤濕性的複數個助焊劑17。

絕緣基板11，係使用例如氧化鋁、玻璃陶瓷、莫來石、及氧化鋯等具有絕緣性之構件形成為大致方形。絕緣基板11雖亦可使用其他玻璃環氧基板及苯酚基板等用於印刷配線基板的材料，但需留意保險絲熔斷時之溫度。

發熱電阻體14係具有阻抗值較高、會因通電而發熱之導電性之構件，由例如W、Mo、Ru等所構成。將此等合金或組合物、化合物之粉狀體與樹脂黏結劑等混合，將形成之糊狀物使用網版印刷技術於絕緣基板11上形成圖案，並藉由鍛燒等方式而形成。

以覆蓋發熱電阻體14之方式配置絕緣構件15，且以隔著此絕緣構件15與發熱電阻體14對向之方式配置發熱體引出電極16。為了有效率地將發熱電阻體14的熱傳導至可熔導體13，亦可將絕緣構件15層疊於發熱電阻體14與絕緣基板11之間。可使用例如玻璃作為絕緣構件15。

發熱體引出電極16係與發熱電阻體14之一端連接，且一端連接於發熱體電極18(P1)，另一端經由發熱電阻體14連接於另一發熱體電極18(P2)。

可熔導體13係由會藉由發熱電阻體14之發熱快速被熔斷之材料所構成，可非常合適地使用例如以Sn為主成分之無鉛焊料等之低熔點金屬。又，可熔導體13使用In、Pb、Ag、Cu等合金亦可，或低熔點金屬與Ag、Cu或以此等作為主成分的合金等之高熔點金屬之層疊體亦可。

此外，可熔導體13係以焊料等連接於發熱體引出電極16及電極12(A1),12(A2)。可熔導體13能藉由回流焊焊接容易地作連接。

又，保護元件10係為了保護內部而於絕緣基板11上設有蓋構件19。

保護元件10係藉由可熔導體13隔著絕緣構件15及發熱體引出電極16設於與發熱電阻體14重疊之位置，而可有效率地將發熱電阻體14所發出之熱傳導至可熔導體13，並使其快速熔斷。

此處，保護元件10為了使額定值提升且流通更多電流，係被要求降低可熔導體83之導體阻抗。因此，保護元件10被謀求電極12(A1)(A2)間之導電距離之縮短化及可熔導體13與電極12(A1)(A2)之連接面積之增大，如圖1(A)所示，可熔導體13的形狀形成於電極12(A1)(A2)之間隔距離D1較短、於與電極(A1)(A2)之接觸距離D2較長之俯視矩形。

又，對應可熔導體13之矩形化，發熱電阻體14、絕緣構件15及發熱體引出電極16亦形成於電極12(A1)(A2)之間較短、沿電極(A1)(A2)之長邊較長之矩形。

[助焊劑17之配置]

於可熔導體13之表面設有複數個助焊劑17。各助焊劑係形成大致真圓形，被張力均勻地作用遍布至全體且無左右偏移平衡地保持著。

助焊劑17係沿發熱電阻體14設有複數個。如此，保護元件 10中，複數個助焊劑可將矩形之可熔導體13之表面廣範圍地覆蓋，而藉由發熱電阻體14之發熱，使助焊劑17均勻地擴散遍布於可熔導體13之全面。因此，保護元件10能藉由可熔導體之防止氧化及潤濕性之提升，快速熔斷電極12(A1)(A2)間的電流通路。

如圖1(A)所示，複數個助焊劑17係例如於可熔導體13表面上與發熱電阻體14重疊之位置沿發熱電阻體14設置。如此，複數個助焊劑17，藉由因發熱電阻體14之熱而從可熔導體13之與發熱電阻體14之重疊位置向外緣部擴散，均勻地擴散遍布於可熔導體13之全面，而能將可熔導體13快速熔斷。

此時如圖2所示，至少一個助焊劑17配置於發熱電阻體14之發熱中心14a上為佳。發熱電阻體14之發熱中心14a係指設於絕緣基板11上之矩形發熱電阻體14之中央部。發熱電阻體14因熱從與外部連接之外緣部逸散，故具有從外緣部分離之發熱中心14a之溫度最高且向外緣部降低之溫度分布。

保護元件10，藉由助焊劑17配置於發熱中心14a上，使該助焊劑17對應發熱電阻體14之溫度分布，從發熱中心14a向外緣部呈放射狀擴散。即，在未於發熱中心14a設置助焊劑17時，恐有助焊劑17不易向最高溫度之發熱中心14a擴散，助焊劑17無法遍及於發熱中心14a上之虞。

因此，保護元件10係藉由預先將助焊劑配置於助焊劑17不易擴散之發熱電阻體14之發熱中心14a上，而可確實地使助焊劑17擴散至可熔導體13之全面。

[熔斷部]

又，亦可如圖3所示，複數個助焊劑於可熔導體13表面之發熱體引出電極16與電極(A1)(A2)之間之熔斷部13a沿發熱電阻體14配置。可熔導體13係被連接於發熱體引出電極16及電極12(A1),12(A2)之間，因過電流而產生之自體發熱(焦耳熱)或因發熱電阻體14之熱而熔融，而使發熱體引出電極16與電極12(A1),12(A2)間被熔斷。藉此，保護元件13截斷電流通路。可熔導體13之熔斷部13a係指如圖3所示連接於發熱體引出電極16及電極12(A1),12(A2)之間之可熔導體13之熔斷部分，具體而言係指發熱體引出電極16與電極12(A1)之間、及發熱體引出電極16及電極12(A2)之間。

又，保護元件10係可藉由於可熔導體13之熔斷部13a上沿發熱電阻體14配置，防止發熱體引出電極16與電極12(A1),12(A2)之間之可熔導體13之氧化，使熔斷部13a快速熔斷而截斷電極12(A1),12(A2)間之電流通路。

又，亦可如圖4(A)(B)所示，複數個助焊劑17於發熱電阻體14之發熱中心14a上及於可熔導體13之熔斷部13a，分別沿發熱電阻體14配置。又，亦可如圖5所示，於與發熱電阻體14重疊之位置，將覆蓋至可熔導體13之熔斷部13a之大小的複數個助焊劑17沿發熱電阻體14配置。又，如圖4、圖5所示，不論任一狀況，保護元件10較佳為將助焊劑17配置於發熱電阻體14之發熱中心14a上。

分別從溫度最高而擴散不易之發熱中心14a朝外緣部呈放射狀擴散，能確實地將助焊劑17擴散至可熔導體13之全面。又，可個別防止有必要確實地熔斷之發熱體引出電極16與電極12(A1),12(A2)之間之可熔導體13之熔斷部13a之氧化且快速熔斷。

[對稱配置]

又，複數個助焊劑17係相對發熱電阻體14之發熱中心14a對稱配置為佳。藉此，可使助焊劑17均勻地擴散遍布可熔導體13之全面，可避免各產品熔斷特性不均、實現安定而快速之熔斷。

亦可如圖6所示，複數個助焊劑17相對發熱電阻體14之發熱中心14a左右對稱配置，或亦可如圖7所示點對稱配置。此時複數個助焊劑17係於發熱電阻體14之發熱中心14a配置一個，且因相對發熱中心14a對稱配置而成奇數個。

此外，複數個助焊劑17亦可相對發熱電阻體14之發熱中心14a非對稱配置。此時複數個助焊劑17較佳係如圖8所示於發熱電阻體14之發熱中心14a配置一個，且於左右配置大小相異之助焊劑17，而左右之助焊劑17之總體積相等。亦即，藉由使助焊劑17之總體積相對發熱中心14a成對稱，而能與對稱配置時相同地，使助焊劑17均勻擴散遍布至可熔導體13之全面。

[保持機構]

保護元件10具有將複數個助焊劑17保持於上述可熔導體13上之既定位置的保持機構。保持機構可例如圖1(A)(B)所示，藉由將肋部21設置於蓋構件19之上面19a而構成。肋部21係被設置為從蓋構件19之上面19a向保護元件10之內部突出，例如由圓形之側壁所構成。複數個助焊劑17係藉由與肋部21之張力而被保持於該肋部21與可熔導體13之表面之間。肋部21係對應一個助焊劑17被設置一個，於對應上述複數個助焊劑17之配置之位置形成有複數個。

此外，由於助焊劑17之徑係根據肋部21之徑而決定，因此肋部21具有對應各助焊劑17之大小之徑。又，肋部21亦可於側壁之一部分形成高度方向之狹縫。

又，保護元件10亦可如圖9所示，於可熔導體13之表面形成保持孔22作為保持機構。助焊劑17係藉由被填充於保持孔22內，而被保持於可熔導體13上之既定位置。保持孔22可藉由將可熔導體13沖壓等成形時同時形成，可為貫通可熔導體13之貫通孔，亦可為設於可熔導體13之表面之非貫通的凹部。保持孔22係對應一個助焊劑17被設置一個，於對應上述複數個助焊劑17之配置之位置形成有複數個。

此外，保持孔22為了將助焊劑17良好平衡地保持，較佳為於可熔導體13之表面開口為圓形。又，因助焊劑17之徑係根據保持孔22之徑而決定，故保持孔22具有對應各助焊劑17之大小的開口徑。

又，保護元件10亦可如圖10所示，於可熔導體13之表面形成凸部23作為保持機構。保護元件10藉由設置凸部23，使凸部23與蓋構件19之上面19a之間狹小化，藉此可使助焊劑17之張力作用(毛細管現象)而保持於凸部23與蓋構件19之上面19a之間。凸部23係可藉由將可熔導體13沖壓等成形時同時形成，形成為例如圓柱狀。凸部23係對應一個助焊劑17被設置一個，於對應上述複數個助焊劑17之配置之位置形成有複數個。

又，因助焊劑17之徑係根據凸部23之徑而決定，故凸部23具有對應各助焊劑17之大小的徑。

此外，保護元件10亦可如圖11所示，配設保持設於絕緣基板11上之助焊劑17之保持構件24作為保持機構。保持構件24係形成有與上述肋部21相同之肋部24a，藉此將助焊劑17保持於肋部24a與可熔導體13之表面之間。藉由設置保持構件24，使蓋構件19之上面19a與可熔導體13之表面分離，當無法以肋部21保持助焊劑17時，亦可將保持構件24設於可熔導體13上方之任意高度，並可藉由肋部24a確實地將助焊劑17保持於可熔導體13表面之既定位置。

保持構件24係藉由例如側壁24b被支持於絕緣基板11而配設於可熔導體13之上方。此外，保持構件24係亦可被支持於蓋構件19之上面19a或側壁19b，藉此配設於可熔導體13之上方。

又，此時亦可於與可熔導體13之肋部24a對向之位置，設置上述保持孔22(未圖示)。

又，亦可如圖12所示，保持構件24中無設置肋部24a，而藉由於可熔導體13設置上述凸部23以保持助焊劑17。藉由設置凸部23，可使凸部23與保持構件24之間狹小化，藉此使助焊劑17之張力作用(毛細管現象)而保持於凸部23與保持構件24之間。

藉由設置保持構件24，使蓋構件19之上面19a與可熔導體13之表面所形成之凸部23分離，當無法保持助焊劑17時，亦可將保持構件24設於可熔導體13上方之任意高度，並使張力作用於與凸部23之間以確實地將助焊劑17保持於可熔導體13表面之既定位置。

[保護元件之使用方法]

此種保護元件10，如圖13所示例如被組裝於鋰離子二次電池之電池包30內之電路來使用。電池包30，例如具有由合計4個鋰離子二次電池之電池單元31~34構成之電池堆35。

電池包30具備電池堆35、控制電池堆35之充放電的充放電控制電路40、於電池堆35之異常時截斷充電之適用本發明的保護元件10、檢測出各電池單元31~34之電壓的檢測電路36、及對應檢測電路36之檢測結果來控制保護元件10之驅動之電流控制元件37。

電池堆35係將需要為了保護免於過充電及過放電狀態之控制之電池單元31~34被串聯連接而成，經由電池包30之正極端子30a、負極端子30b，可拆裝地連接於充電裝置45，被施加來自充電裝置45之充電電壓。可藉由將以充電裝置45充電之電池包30之正極端子30a、負極端子30b連接於靠電池動作的電子機器，來使此電子機器動作。

充放電控制電路40具備：於從電池堆35向充電裝置45流動之電流通路串聯連接之兩個電流控制元件41,42、及控制此等電流控制元件41,42之動作的控制部43。電流控制元件41,42，例如由場效電晶體(以下稱FET)構成，藉由控制部43控制閘電壓，控制電池堆35之電流通路之導通與截斷。控制部43係從充電裝置45接收電力供給而動作，對應檢測電路36之檢測結果，於電池堆35過放電或過充電時，以截斷電流通路之方式控制電流控制元件41,42之動作。

保護元件10係例如連接於電池堆35與充放電控制電路40之間之充放電電流通路上，其動作受電流控制元件37控制。

檢測電路36係與各電池單元31~34相連接，檢測各電池單元31~34之電壓值，將各電壓值供給至充放電控制電路40之控制部43。又，檢測電路36係於任一個電池單元31~34成為過充電電壓或過放電電壓時輸出控制電流控制元件37之控制訊號。

電流控制元件37係由例如FET構成，藉由從檢測電路36輸出之檢測訊號，當電池單元31~34之電壓值成為超過既定之過放電或過充電狀態之電壓時，使保護元件10動作，以控制成將電池堆35之充放電電流通路不論電流控制元件41,42之開關動作為何均予以截斷。

於如以上之結構構成之電池包30中適用本發明之保護元件10具有如圖14之電路結構。亦即，保護元件10係由經由發熱體引出電極16串聯連接之可熔導體13、及經由可熔導體13之連接點通電而發熱藉此熔融可熔導體13之發熱電阻體14所構成之電路結構。又，保護元件10中，例如可熔導體13被串聯連接於充放電電流通路上，且發熱電阻體14與電流控制元件37連接。保護元件10之兩個電極12中，一個連接於A1，另一個連接於A2。又，發熱體引出電極16與連接於此之發熱體電極18係連接至P1，另一發熱體電極18則連接於P2。

由此種電路結構構成之保護元件10，可藉由利用發熱電阻體14之發熱來熔斷可熔導體13，確實地截斷電流通路。

此外，本發明之保護元件不限於使用於鋰離子二次電池之電池包，當然可應用於需要藉由電氣信號截斷電流通路之各種用途。