TW202135111A - 保護電路 - Google Patents

Abstract

本發明之保護電路具備：複數個保護元件，其等串聯連接於電池與外部電路之通電路徑上；且上述複數個上述保護元件各自具有：可熔體，其串聯連接於上述通電路徑上；及發熱體，其藉由通電發熱將上述可熔體加熱而使其熔斷；上述複數個上述保護元件，各自之發熱體之電阻值不相同。

Description

保護電路

本發明係關於一種保護電路。 本申請案主張2019年11月13日於日本提出申請之日本專利申請案2019-205362號之優先權，其內容援用於本文中。

先前，於電池與外部電路之通電路徑上，具備當發生過電流時等之異常時用以阻斷通電路徑的保護電路。作為保護元件，已知一種附加熱器熔絲(以下，亦稱為SCP(Short Circuit Protection：短路保護))，其具有串聯連接於通電路徑上之可熔體、及藉由通電發熱加熱上述可熔體而使其熔斷之發熱體(專利文獻1)。

當通電路徑中發生超額定之過電流時，SCP藉由可熔體自身發熱並熔斷，而阻斷通電路徑。又，於過電流以外之異常時，藉由通電使發熱體發熱，加熱可熔體而使其熔斷，而阻斷通電路徑。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第2790433號公報

[發明所欲解決之問題]

使SCP之發熱體通電之電流由電池供給，因此，SCP之發熱體之電阻值係以於電池之動作電壓範圍內可將可熔體加熱至可熔斷之溫度之方式設定。然而，根據電池之用途，存在充電時之最大電壓與放電時之最小電壓兩者間電壓差距較大之情況。尤其，在複數個單電池組合而成之組電池所構成的電池中，充電時之最大電壓與放電時之最小電壓之差變大。因此，若配合充電時之最大電壓而設定發熱體之電阻值，則當於放電時發生異常時，流通於發熱體之電流變小，會有發熱體未發熱至可熔斷熔絲之溫度的情況。另一方面，若配合放電時之最小電壓而設定發熱體之電阻值，則當於充電時發生異常時，會有過量之電流流通於發熱體，使得溫度急遽變為高溫，導致發熱體自身熔斷的情況。又，近年來因單電池之電極材料之變化，存在即便單電池之數量相同、作動電壓亦不同之情形，故有偏離SCP之動作電壓範圍而無法正常動作之虞。

本發明係鑒於上述情況而完成者，其目的在於提供一種電壓範圍較廣的保護電路，其當電池與外部電路之通電路徑上發生異常時，可阻斷通電路徑。 [解決問題之技術手段]

本發明為解決上述課題而提供以下機構。

(1)本發明之一態樣之保護電路具備：複數個保護元件，其等串聯連接於電池與外部電路之通電路徑上；且上述複數個上述保護元件各自具有：可熔體，其串聯連接於上述通電路徑上；及發熱體，其藉由通電發熱將上述可熔體加熱而使其熔斷；上述複數個上述保護元件各自之發熱體之電阻值不相同。

(2)如上述(1)之態樣，其中亦可構成為將上述複數個上述保護元件中、上述發熱體之電阻值最低之保護元件，配置於上述電池側。

(3)如上述(1)或(2)之態樣，其中亦可構成為上述複數個上述保護元件之上述發熱體各自之電阻值相差1 Ω以上。 [發明之效果]

根據本發明，可提供一種電壓範圍較廣的保護電路，其當電池與外部電路之通電路徑上發生異常時，可阻斷通電路徑。

以下，對本發明之實施形態參照圖式詳細說明。以下說明中使用之圖式，為易於理解特徵，有出於方便而將特徵部分放大顯示之情形，且各構成要件之尺寸比率等有不同於實際之情況。以下說明中例示之材料、尺寸等為一例，本發明並非限定於該等者，可於發揮本發明之效果之範圍內適當變更並實施。

[第1實施形態] 圖1係概略性顯示本發明之第1實施形態之保護電路之構成之一例之圖。 於圖1中，保護電路1具備：第1保護元件20a與第2保護元件20b，其等串聯連接於電池10與外部電路之通電路徑上。第1保護元件20a配置於靠近電池10側，第2保護元件20b配置於靠近外部機器(未圖示)側。即，第1保護元件20a位於較第2保護元件20b更靠近電池10之正極側。

電池10為複數個單電池11組合而成之組電池。單電池11為二次電池，例如鋰離子二次電池。圖1中，電池10串聯連接有4個單電池11，但單電池11之個數並未特別限制，單電池11亦可並聯連接。又，電池10亦可為一個單電池11。

第1保護元件20a為具有串聯連接於電池10之正極的第1可熔體21a與第1發熱體22a的SCP。第1發熱體22a之一端部連接於第1可熔體21a，另一端部經由第1整流元件30a連接於開關元件40。開關元件40連接於電池10之負極與保護IC(Integrated Circuit：積體電路)50。

第2保護元件20b為具有串聯連接於電池10之正極之第2可熔體21b、與第2發熱體22b的SCP。第2發熱體22b之一端部連接於第2可熔體21b，另一端部經由第2整流元件30b連接於開關元件40。如此，複數個保護元件各自之可熔體經由發熱體及整流元件而與同一開關元件連接。該開關元件與保護連接。

第1可熔體21a及第2可熔體21b具有當通電路徑中發生超額定之過電流時，藉由其自身發熱而熔斷可阻斷通電路徑之程度的電阻值。第1可熔體21a及第2可熔體21b熔斷時之電流值較佳為相同。第1可熔體21a及第2可熔體21b之構成或材料並未特別限制，例如可為金屬單體，亦可為外側為熔點相對較高之高熔點金屬層、內側為熔點相對較低之低熔點金屬層的積層體。如為金屬單體，其材料可使用In(銦)、Pb(鉛)、Ag(銀)、Cu(銅)或以該等中任一者為主成分的合金。如為積層體，則低熔點金屬層之材料較佳為錫或以錫為主成分之合金(錫合金)。錫合金之錫含有量較佳為40質量%以上，更佳為60質量%以上。作為錫合金之例，可舉出Sn-Bi合金、In-Sn合金、Sn-Ag-Cu合金。高熔點金屬層較佳包含由低熔點金屬層之熔融物熔解之金屬材料。低熔點金屬層之材料為錫或錫合金時，則高熔點金屬層之材料較佳為銀或以銀為主成分之合金(銀合金)。銀合金之銀含有量較佳為40質量%以上，更佳為60質量%以上。作為銀合金之例，可舉出Ag-Pd合金。

第1發熱體22a及第2發熱體22b係各自具有可藉由通電發熱將第1可熔體21a或第2可熔體21b加熱而使其熔斷之程度的電阻值。第1發熱體22a及第2發熱體22b各自之電阻值不相同。即，第1發熱體22a及第2發熱體22b各自加熱至使可熔體熔斷之溫度所需之電力不相同。第1發熱體22a與第2發熱體22b較佳為各自之電阻值相差1 Ω以上。

本實施形態之保護電路1中，配置於靠近電池10側之第1保護元件20a之第1發熱體22a之電阻值，較第2保護元件20b之第2發熱體22b低。即，第1發熱體22a可以較小之電力加熱至能使可熔體熔斷之溫度。於本實施形態之保護電路中，複數個保護元件亦可配置為例如越靠近電池正極側之保護元件，其電阻值越低。

第1發熱體22a及第2發熱體22b只要為藉由通電而發熱，則其構成或材料無特別限制。作為構成第1發熱體22a及第2發熱體22b之材料，可使用氧化釕或碳黑。第1發熱體22a及第2發熱體22b之電阻值，可藉由第1發熱體22a及第2發熱體22b之寬度或厚度等尺寸及材料之組成來調整。

第1整流元件30a抑制流通於第2保護元件20b之電流經由第2發熱體22b流入第1保護元件20b。第2整流元件30b抑制流通於第1保護元件20a之電流經由第1發熱體22a流入第2保護元件20b。

保護IC50例如檢測通電路徑之電壓成為高電壓等之過電流以外之異常，當檢測出異常之情形時，使開關元件40作動。藉由使開關元件40作動，電流經由第1整流元件30a而流通於第1發熱體22a、經由第2整流元件30b而流通於第2發熱體22b。

本實施形態之保護電路1中，當通電路徑中發生超額定之過電流時，藉由第1可熔體21a或第2可熔體21b發熱並熔斷，而阻斷通電路徑。熔斷之可熔體可為第1可熔體21a，亦可為第2可熔體21b。

又，當通電路徑中發生過電流以外之異常時，保護IC50使開關元件40作動，使電流自電池10經由第1整流元件30a而流通於第1發熱體22a、經由第2整流元件30b而流通於第2發熱體22b。藉由該通電，第1發熱體22a與第2發熱體22b兩者發熱，使第1可熔體21a或第2可熔體21b之一者熔斷，藉此阻斷通電路徑。

當於電池10之作動電壓較高之狀態(例如串聯連接有4個鋰離子二次電池之情形時，為13 V以上18.5 V以下)下發生異常時，流通於第1發熱體22a及第2發熱體22b之電流變大。該情形時，即使電阻值較低之第1發熱體22a因溫度急遽變為高溫而熔斷，且電阻值較高之第2發熱體22b亦發熱，將第2可熔體21b加熱而使其熔斷，藉此阻斷通電路徑。另一方面，當於電池10之作動電壓較低之狀態(例如串聯連接有4個鋰離子二次電池之情形時，為9 V以上不足13 V)下發生異常時，流通於第1發熱體22a及第2發熱體22b之電流變小。該情形時，即便電阻值較高之第2發熱體22b未發熱至可熔斷第2可熔體21b之溫度，電阻值較低之第1發熱體22a仍發熱，將第1可熔體21a加熱而使其熔斷，藉此阻斷通電路徑。

如以上構成之本實施形態之保護電路1，因第1保護元件20a之第1發熱體22a與第2保護元件20b之第2發熱體22b之電阻值不同，故可阻斷通電路徑之電壓範圍擴大。又，本實施形態之保護電路1中，將具有電阻值較低之第1發熱體22a的第1發熱體22a配置於靠近電池10側。藉此，於電池10之作動電壓較低之狀態下發生異常時，因第1可熔體21a熔斷而阻斷通電路徑，故電流不流通於第2保護元件20b。另一方面，於電池10之作動電壓較高之狀態下發生異常時，因第2可熔體21b熔斷而阻斷通電路徑，且第1發熱體22a熔斷，故電流不流通於第1保護元件20a。再者，於本實施形態之保護電路1中，若第1發熱體22a與第2發熱體22b之電阻值相差1 Ω以上，則可確實地擴大能阻斷通電路徑之電壓範圍。

[第2實施形態] 圖2係概略性顯示本發明之第2實施形態之保護電路之構成之一例之圖。 第2實施形態之保護電路2與第1實施形態之不同點在於，2個發熱體分別與開關元件連接，而取代與整流元件連接。即，第1發熱體22a連接於第1開關元件40a，第2發熱體22b連接於第2開關元件40b。第1開關元件40a及第2開關元件40b各自連接於保護IC50。如此，於第2實施形態中，複數個保護元件所具有之各發熱體與開關元件連接。又，複數個保護元件所具有之各發熱體所連接之開關元件，連接於同一保護。保護IC50根據電池10之作動電壓而切換要作動之開關元件。另，第2實施形態之保護電路2與第1實施形態之保護電路1間共通之部分，附註同一符號且省略說明。

本實施形態之保護電路2中，當於電池10之作動電壓較低之狀態下發生異常時，保護IC50使第1開關元件40a作動，藉此加熱第1發熱體22a使第1可熔體21a熔斷而阻斷通電路徑。另一方面，當於電池10之作動電壓較高之狀態下發生異常時，保護IC50使第2開關元件40b作動，加熱第2發熱體22b使第2可熔體21b熔斷而阻斷通電路徑。

以上構成之本實施形態之保護電路2因選擇於保護IC50中阻斷通電路徑所需之發熱體，而僅於第1發熱體22a及第2發熱體22b之一者中流通電流，故可減少保護電路2產生之熱量。又，因未使用整流元件，故可減少構成部分。

[第3實施形態] 圖3係概略性顯示本發明之第3實施形態之保護電路之構成之一例之圖。第3實施形態之保護電路3與第1實施形態之不同點在於，2個發熱體各自與開關元件連接，而取代與整流元件連接、及開關元件各自與保護IC連接。即，第1發熱體22a連接於第1開關元件40a，第1開關元件40a連接於第1保護IC50a。另一方面，第2發熱體22b連接於第2開關元件40b，第2開關元件40b連接於第2保護IC50b。第1保護IC50a與第2保護IC50b檢測異常之電壓範圍有所不同。另，第3實施形態之保護電路3與第1實施形態之保護電路1共通之部分，附註同一符號並省略說明。

本實施形態之保護電路3中，於電池10之作動電壓較低之狀態下發生異常時，第1保護IC50a檢測出該異常並使第1開關元件40a作動，藉此加熱第1發熱體22a使第1可熔體21a熔斷來阻斷通電路徑。另一方面，於電池10之作動電壓較高之狀態下發生異常時，第2保護IC50b檢測出該異常並使第2開關元件40b作動，藉此加熱第2發熱體22b使第2可熔體21b熔斷來阻斷通電路徑。如此，於第3實施形態中，複數個可熔體經由各個發熱體及開關元件而連接於各自之保護。

以上構成之本實施形態之保護電路3，因僅於第1發熱體22a及第2發熱體22b之一者中流通電流，故可減少保護電路3中產生之熱量。又，因不使用整流元件，故可減少構成部分。再者，因無需切換藉由保護IC而作動之開關元件，故可將保護IC之構造簡化。

以上已針對本發明之實施形態進行詳述，但本發明不限於上述實施形態，在申請專利範圍記載之本發明之要旨範圍內，可進行各種變化、變更。 例如，本實施形態中，使用第1保護元件20a與第2保護元件20b之2個保護元件，但保護元件只要為2個以上，則其個數未限制。若使用3個以上之保護元件，較佳自靠近電池10側起依序配置發熱體之電阻值較低之保護元件。 [產業上之可利用性]

本發明之保護電路可作為作動電壓範圍較廣之電池的電池管理系統(BMS：Battery Management System)使用。

1:保護電路 2:保護電路 3:保護電路 10:電池 11:單電池 20a:第1保護元件 20b:第2保護元件 21a:第1可熔體 21b:第2可熔體 22a:第1發熱體 22b:第2發熱體 30a:第1整流元件 30b:第2整流元件 40:開關元件 40a:第1開關元件 40b:第2開關元件 50:保護IC 50a:第1保護IC 50b:第2保護IC

圖1係概略性顯示本發明之第1實施形態之保護電路之構成之一例之圖。 圖2係概略性顯示本發明之第2實施形態之保護電路之構成之一例之圖。 圖3係概略性顯示本發明之第3實施形態之保護電路之構成之一例之圖。

1:保護電路

10:電池

11:單電池

20a:第1保護元件

20b:第2保護元件

21a:第1可熔體

21b:第2可熔體

22a:第1發熱體

22b:第2發熱體

30a:第1整流元件

30b:第2整流元件

40:開關元件

50:保護IC

Claims (3)

1. 一種保護電路，其包含：複數個保護元件，其等串聯連接於電池與外部電路之通電路徑上；且 上述複數個上述保護元件各自包含：可熔體，其串聯連接於上述通電路徑上；及發熱體，其藉由通電發熱將上述可熔體加熱而使其熔斷； 上述複數個上述保護元件，各自之發熱體之電阻值不相同。
2. 如請求項1之保護電路，其中將上述複數個上述保護元件中、上述發熱體之電阻值最低之保護元件，配置於上述電池側。
3. 如請求項1或2之保護電路，其中上述複數個上述保護元件之上述發熱體各自之電阻值相差1 Ω以上。

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