TW202303649A - 保護元件及電池組 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種可於不引起絕緣層或發熱體之破損之情況下安全且快速地阻斷電流路徑的保護元件。 本發明之保護元件包括：絕緣基板2；可熔導體3，其支持於絕緣基板2上；複數個通電部4，其等與可熔導體3連接；發熱體5，其設置於絕緣基板2上，藉由通電而發熱；發熱體電極6，其與發熱體5連接，成為對發熱體5饋電之端子；及玻璃層7，其被覆發熱體5；且玻璃層7具有較發熱體5之熔點低之熔點。

Description

保護元件及電池組

本技術係關於一種藉由將電流路徑熔斷而保護連接於電流路徑上之電路之保護元件及使用其之電池組。本申請以2021年2月24日於日本提出申請之日本專利申請號特願2021-028002為基礎而主張優先權，該申請藉由參照而引用於本申請中。

可充電後反覆利用之二次電池大多被加工成電池組後提供給使用者。尤其於重量能量密度較高之鋰離子二次電池中，為了確保使用者及電子機器之安全，一般於電池組中內置過充電保護、過放電保護等多個保護電路，具有於特定情形時阻斷電池組之輸出之功能。

作為此種適合鋰離子二次電池等之保護電路之保護元件，使用如下構造，即，於保護元件內部具有發熱體，藉由該發熱體之發熱而將電流路徑上之可熔導體熔斷。

鋰離子二次電池之用途近年來不斷擴大，開始採用於更大電流之用途，例如電動起子等電動工具或油電混合車、電動汽車、電動助力腳踏車等運輸機器。於該等用途中，尤其於啟動時等，存在如超過數10 A～100 A之大電流流入之情形。期望實現與此種大電流容量對應之保護元件。

為了實現與此種大電流對應之保護元件，提出有一種使用截面面積增大之可熔導體，並將該可熔導體連接於形成有發熱體之絕緣基板之表面的保護元件。

圖8係表示先前之保護元件之一構成例之圖，(A)係省略罩蓋構件而表示之俯視圖，(B)係剖視圖，(C)係仰視圖。圖8所示之保護元件100具備：絕緣基板101；第1、第2電極102、103，其等形成於絕緣基板101之正面上，並且經由形成於絕緣基板101之背面之第1、第2外部連接電極102a、103a而連接於外部電路之電流路徑上；發熱體104，其形成於絕緣基板101之正面，通電時會發熱；絕緣層105，其被覆發熱體104；發熱體引出電極106，其積層於絕緣層105上，並且與發熱體104連接；及熔絲元件107，其經由連接用焊料橫跨第1電極102、發熱體引出電極106及第2電極103而搭載。

發熱體104與形成於絕緣基板101之正面上之發熱體饋電電極108連接。發熱體饋電電極108經由堡齒形結構與形成於絕緣基板101之背面之第3外部連接電極108a連接。發熱體104經由第3外部連接電極108a與設置於外部電路之外部電源連接。而且，發熱體104始終由未圖示之開關元件等控制電流及發熱。

發熱體104由包括玻璃層等之絕緣層105所被覆，並且介隔絕緣層105與形成於絕緣層105上之發熱體引出電極106重疊。絕緣層105例如藉由印刷、焙燒玻璃漿而形成。又，於發熱體引出電極106上連接有橫跨第1、第2電極102、103間而連接之熔絲元件107。

熔絲元件107藉由介隔絕緣層105與發熱體104重疊，而與發熱體104熱連接，於發熱體104藉由通電而發熱時被熔斷。

熔絲元件107由無Pb焊料等低熔點金屬、或Ag、Cu或以該等為主成分之合金等高熔點金屬所形成，或者具有低熔點金屬與高熔點金屬之積層構造。而且，熔絲元件107藉由自第1電極102經發熱體引出電極106連接至第2電極103，而構成組裝有保護元件100之外部電路之電流路徑之一部分。而且，熔絲元件107藉由超過額定之電流通電而利用自發熱(焦耳熱)熔斷，或利用發熱體104之發熱而熔斷，從而將第1、第2電極102、103間阻斷。

而且，當必須阻斷外部電路之電流路徑時，保護元件100藉由開關元件對發熱體104通電。藉此，發熱體104發熱至高溫，使組裝於外部電路之電流路徑上之熔絲元件107熔融。熔絲元件107之熔融導體被吸引至潤濕性較高之發熱體引出電極106及第1、第2電極102、103。藉此，熔絲元件107使第1電極102～發熱體引出電極106～第2電極103之間熔斷，從而將外部電路之電流路徑阻斷。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2020-173965號公報

[發明所欲解決之問題]

近年來，使用保護元件之機器之高電壓化有所發展，施加至發熱體之電壓亦開始標準地實行超過安全且低電壓之42 V之使用。此處，保護元件之絕緣層105(玻璃層)之厚度形成得非常薄(例如10～40 μm)，以將發熱體104之熱高效率地傳遞至發熱體引出電極106或熔絲元件107。因此，若於印刷玻璃漿時存在玻璃內產生之針孔等絕緣性能降低之部位，則擔心對發熱體104施加電壓時發生絕緣破壞，於充分發熱前發熱體104被破壞，或發熱體引出電極106產生損傷。

又，亦擔心於絕緣層105中，因由與發熱體104之接觸面和除此以外之面中之溫度差所引起之線膨脹差而產生的應力，導致絕緣層105之材料本身被破壞，同時接觸之發熱體104或發熱體引出電極106亦產生損傷。該趨勢於如下背面加熱器構造中變大，即，於絕緣基板之背面形成發熱體104及絕緣層105，且熔絲元件107未與絕緣層105重疊。

伴隨此種絕緣破壞之發熱體104或發熱體引出電極106之損傷導致熔絲元件未熔解(unmelted)，從而阻礙電流阻斷的風險隨著出現如下情況而增大：伴隨高電壓化、大電流化而熔絲元件大型化，又，額定電壓升高並且電場強度變大。

作為其對策，可列舉增加印刷玻璃漿之次數之方法，但由於藉由厚膜印刷而積層，故而於製造步驟中之位置對準等條件設置時，每個輸入批次均需要調整時間，生產性顯著降低。

因此，於內置有發熱體之保護元件中要求採取對策，以應對高電壓化、大電流化，並且於元件內部不引起絕緣層或發熱體之破損之情況下，更安全且快速地作動。

因此，本技術之目的在於提供一種可於不引起絕緣層或發熱體之破損之情況下安全且快速地阻斷電流路徑的保護元件及使用其之電池組。 [解決問題之技術手段]

為解決上述問題，本技術之保護元件具備：絕緣基板；可熔導體，其支持於上述絕緣基板上；複數個通電部，其等與上述可熔導體連接；發熱體，其設置於上述絕緣基板，藉由通電而發熱；發熱體電極，其與上述發熱體連接，成為對上述發熱體饋電之端子；及玻璃層，其被覆上述發熱體；且上述玻璃層具有較上述發熱體之熔點低之熔點。

又，本技術之電池組具備：1個以上之電池單元；保護元件，其連接於上述電池單元之充放電路徑上，阻斷該充放電路徑；及電流控制元件，其檢測上述電池單元之電壓值，並控制對上述保護元件之通電；上述保護元件具備：絕緣基板；可熔導體，其支持於上述絕緣基板上；複數個通電部，其等與上述可熔導體連接；發熱體，其設置於上述絕緣基板，藉由通電而發熱；發熱體電極，其與上述發熱體連接，成為對上述發熱體饋電之端子；及玻璃層，其被覆上述發熱體；且上述玻璃層具有較上述發熱體之熔點低之熔點。 [發明之效果]

根據本技術，玻璃層具有較發熱體之熔點低之熔點，故而發熱體發熱時其會軟化。因此，可使玻璃層內之因溫度差而產生之應力消散，可防止玻璃層之破損及由此引起之絕緣破壞及發熱體之破損，確保使可熔導體熔斷所需之充足之發熱體之發熱時間。

以下，參照圖式，對應用了本技術之保護元件及電池組詳細地進行說明。再者，當然，本技術並非僅限於以下之實施方式，可於不脫離本技術之主旨之範圍內進行各種變更。又，圖式係模式圖，存在各尺寸之比率等與實物不同之情況。具體尺寸等應參考以下之說明進行判斷。又，當然，於圖式相互間亦包括彼此之尺寸關係或比率不同之部分。

[第1實施方式] 對應用了本技術之保護元件之第1實施方式進行說明。應用了本技術之保護元件1如圖1(A)～(C)所示，具備：絕緣基板2；可熔導體3，其支持於絕緣基板2上；複數個通電部4a～4c，其等與可熔導體3連接；發熱體5，其設置於絕緣基板2上，藉由通電而發熱；發熱體電極6，其與發熱體5連接，成為對發熱體5饋電之端子；及玻璃層7，其被覆發熱體5；且玻璃層7具有較發熱體5之熔點低之熔點。

於絕緣基板2之支持有可熔導體3之正面2a，形成有發熱體5及被覆發熱體5之玻璃層7。又，於絕緣基板2之正面2a，形成有與可熔導體3之一端部連接之第1通電部4a及與可熔導體3之另一端部連接之第2通電部4b作為通電部4。進而，於絕緣基板2之正面2a側，形成有發熱體引出通電部4c作為通電部4，發熱體引出通電部4c與發熱體5電性連接，並且重疊於玻璃層7上，亦與可熔導體3連接。

此處，於玻璃層7中，與發熱體5相接之部位及不相接之部位、與發熱體引出通電部4c相接之部位及不相接部位等處之散熱特性局部不同。因此，玻璃層7於發熱體5發熱時產生內部應力，這可能會導致破損。但，保護元件1之玻璃層7具有較發熱體5之熔點低之熔點，故而發熱體5發熱時其會軟化。因此，可使玻璃層7內之因溫度差而產生之應力消散，可防止玻璃層7之破損及由此引起之絕緣破壞及發熱體5之破損，確保使可熔導體3熔斷所需之充足之發熱體5之發熱時間。

此種保護元件1藉由組裝於外部電路中，而可熔導體3構成該外部電路之電流路徑之一部分，因發熱體5之發熱或超過額定之過電流而熔斷，藉此阻斷電流路徑。以下，對保護元件1之各構成詳細地進行說明。

[絕緣基板] 絕緣基板2由例如氧化鋁、玻璃陶瓷、富鋁紅柱石、氧化鋯等具有絕緣性之構件所形成。此外，絕緣基板2亦可使用玻璃環氧基板、酚基板等印刷配線基板所使用之材料。

[第1、第2通電部] 於絕緣基板2之相對向之兩端部形成有第1、第2通電部4a、4b。第1、第2通電部4a、4b分別由Ag或Cu等之導電圖案所形成。又，較佳為於第1、第2通電部4a、4b之表面上藉由鍍覆處理等公知之方法塗覆有Ni/Au鍍層、Ni/Pd鍍層、Ni/Pd/Au鍍層等覆膜。藉此，保護元件1可防止第1、第2通電部4a、4b之氧化，且防止伴隨導通電阻上升而發生之額定之變動。又，於對保護元件1進行回焊安裝之情形時，可防止因連接可熔導體3之連接用焊料熔融而熔蝕(焊料侵蝕)第1、第2通電部4a、4b。

第1通電部4a自絕緣基板2之正面2a經由堡齒形結構與形成於背面2b之第1外部連接電極11連續。又，第2通電部4b自絕緣基板2之正面2a經由堡齒形結構與形成於背面2b之第2外部連接電極12連續。當保護元件1安裝於外部電路基板時，第1、第2外部連接電極11、12連接至設置於該外部電路基板之連接電極，藉此，可熔導體3組裝至該外部電路基板上所形成之電流路徑之一部分中。

第1、第2通電部4a、4b經由連接焊料等導電連接材料而搭載可熔導體3，藉此經由可熔導體3電性連接。又，如圖2(A)(B)所示，第1、第2通電部4a、4b係藉由如下而阻斷連接，即，超過額定之大電流流過保護元件1而可熔導體3因自發熱(焦耳熱)熔斷，或者，發熱體5隨著通電發熱而可熔導體3熔斷。

[發熱體] 發熱體5係電阻值相對較高且通電時會發熱之具有導電性之構件，包含例如鎳鉻合金、W、Mo、Ru等或含有該等之材料。發熱體5可藉由如下方法而形成，即，將該等合金或組合物、化合物之粉狀體與樹脂黏合劑等進行混合製成漿料狀者使用網版印刷技術於絕緣基板2上形成圖案，並進行焙燒等。作為一例，發熱體5可藉由如下方法而形成，即，根據特定電壓調整氧化釕系漿料、銀及玻璃漿之混合漿料，於絕緣基板2之正面2a之特定位置處以特定面積製膜，之後，於恰當條件下進行焙燒處理。又，發熱體5之形狀可適當設計，但如圖1所示，根據絕緣基板2之形狀設為大致矩形狀於使發熱面積最大化之方面較佳。

又，發熱體5係一端部5a與第1引出電極15連接，另一端部5b與第2引出電極16連接。第1引出電極15自發熱體電極6引出，於發熱體5通電時，與發熱體電極6為相同電位。第2引出電極16自設置於絕緣基板2之正面2a之中間電極8引出，於發熱體5通電時，與中間電極8及與其連接之發熱體引出通電部4c為相同電位。第1引出電極15自發熱體電極6沿發熱體5之一端部5a引出，於圖1所示之保護元件1中，沿形成為大致矩形狀之發熱體5之一側緣延伸，並且與該發熱體5之一側緣重疊。同樣地，第2引出電極16自中間電極8沿發熱體5之另一端部5b引出，於圖1所示之保護元件1中，沿形成為大致矩形狀之發熱體5之另一側緣延伸，並且與該發熱體5之另一側緣重疊。

發熱體電極6及中間電極8形成於絕緣基板2之與設置有第1、第2通電部4a、4b之側緣不同之相對向之側緣。發熱體電極6係成為對發熱體5饋電之端子之電極，經由第1引出電極15與發熱體5之一端部5a連接，並且經由堡齒形結構與形成於絕緣基板2之背面2b之第3外部連接電極13連續。

發熱體電極6、第1、第2引出電極15、16及中間電極8係與第1、第2通電部4a、4b同樣地，可藉由印刷、焙燒Ag或Cu等導電漿料而形成。又，藉由使用相同材料構成形成於絕緣基板2之正面2a上之該等各電極及通電部，而能夠於一次印刷及焙燒步驟中形成。

再者，亦可於發熱體電極6中設置限制壁，該限制壁防止與第3外部連接電極13連接之外部電路基板之電極中所設置之連接用焊料於回焊安裝等時熔融，經由堡齒形結構爬上發熱體電極6，於發熱體電極6上潤濕擴散。第1、第2通電部4a、4b亦同樣可設置限制壁。限制壁可使用例如玻璃或阻焊劑、絕緣性接著劑等相對於焊料不具有潤濕性之絕緣材料而形成，且可藉由印刷等形成於發熱體電極6上。藉由設置限制壁，可防止已熔融之連接用焊料潤濕擴散至發熱體電極6或第1、第2通電部4a、4b，從而維持保護元件1與外部電路基板之連接性。

中間電極8係設置於發熱體5與積層於玻璃層7上之發熱體引出通電部4c之間之電極，與發熱體5之另一端部5b連接，並且與發熱體引出通電部4c連接。發熱體引出通電部4c介隔玻璃層7與發熱體5重疊，並且與可熔導體3連接。

[玻璃層] 又，發熱體5、第1引出電極15及第2引出電極16被玻璃層7被覆。又，於玻璃層7上形成有發熱體引出通電部4c。

玻璃層7係謀求發熱體5之保護及絕緣者。玻璃層7為了將發熱體5之熱高效率地傳遞至發熱體引出通電部4c或可熔導體3而將厚度較薄地形成為例如10～40 μm。玻璃層7例如可藉由塗佈、焙燒玻璃系漿料而形成。

又，玻璃層7具有較發熱體5之熔點低之熔點。於玻璃層7中，與發熱體5或第1、第2引出電極15、16相接之部位及不相接之部位、與發熱體引出通電部4c相接之部位及不相接之部位等處之散熱特性局部不同。

此處，若將玻璃層之熔點設為與發熱體5之熔點相同，則於發熱體5發熱時產生內部應力，這可能會導致破損。但，保護元件1之玻璃層7具有較發熱體5之熔點低之熔點，故而發熱體5發熱時其會軟化。因此，可使玻璃層7內之因溫度差而產生之應力消散，可防止玻璃層7之破損及由此引起之絕緣破壞及發熱體5之破損，確保使可熔導體3熔斷所需之充足之發熱體5之發熱時間。同樣地，可防止發熱體引出通電部4c之破損，防止可熔導體3之熔融導體於與第1、第2通電部4a、4b之間未熔解之事態。

又，玻璃層7亦可設為具有較發熱體5之發熱溫度低之熔點者。藉此，玻璃層7於發熱體5發熱時亦會軟化，可防止由內部應力所導致之破損。例如，玻璃層7之熔點可設為600℃以下。

另一方面，玻璃層7之熔點較佳為高於保護元件1之回焊安裝時之溫度。藉此，可防止於保護元件1利用回焊而安裝至外部電路基板時，玻璃層7軟化，從而發生發熱體引出通電部4c或可熔導體3之位置偏移。例如，玻璃層7之熔點可設為300℃以上。

玻璃層7之熔點及焙燒溫度可藉由對調配至玻璃漿中之玻璃粉末或樹脂、溶劑等之組成及調配量進行調整而設定。

保護元件1藉由安裝至外部電路基板，而經由第3外部連接電極13連接發熱體5與形成於外部電路之電流控制元件等。發熱體5於平常時通電及發熱受限制，但於阻斷外部電路之通電路徑之特定之時點，經由第3外部連接電極13通電並發熱。

此時，玻璃層7由於具有較發熱體5之熔點低之熔點，故而會因發熱體5之發熱而軟化。因此，可抑制於玻璃層7內，因與發熱體5或第1、第2引出電極15、16相接之部位及不相接之部位之間之線膨脹差而導致產生內部應力，防止玻璃層7之破損及伴隨於此之發熱體5之破損。又，可防止伴隨玻璃層7之破損之絕緣破壞(火花)及發熱體5之破損。而且，保護元件1可確保使可熔導體3熔斷所需之充足之發熱體5之發熱時間。

保護元件1可藉由發熱體5之熱經由玻璃層7及發熱體引出通電部4c傳遞至可熔導體3，而使連接第1、第2通電部4a、4b之可熔導體3熔融。可熔導體3之熔融導體3a凝聚於發熱體引出通電部4c上及第1、第2通電部4a、4b，藉此阻斷第1、第2通電部4a、4b間之電流路徑。再者，如下所述，發熱體5藉由可熔導體3熔斷，而亦阻斷自身之通電路徑，因此停止發熱。

[發熱體引出通電部] 形成於玻璃層7上之發熱體引出通電部4c係一端與中間電極8連接，並且介隔玻璃層7與發熱體5局部重疊。又，發熱體引出通電部4c經由連接焊料等接合材料，於第1、第2通電部4a、4b間連接可熔導體3。

又，發熱體引出通電部4c與第1、第2通電部4a、4b同樣，可藉由印刷、焙燒Ag或Cu等導電漿料而形成。又，較佳為於發熱體引出通電部4c之表面上藉由鍍覆處理等公知之方法塗覆有Ni/Au鍍層、Ni/Pd鍍層、Ni/Pd/Au鍍層等覆膜。

[可熔導體] 繼而，對可熔導體3進行說明。可熔導體3橫跨第1及第2通電部4a、4b間而安裝，藉由發熱體5因通電而發熱、或超過額定之電流通電而利用自發熱(焦耳熱)熔斷，從而阻斷第1通電部4a與第2通電部4b之間之電流路徑。

可熔導體3只要為藉由發熱體5之因通電引起之發熱或過電流狀態而熔融之導電性材料即可，例如，可使用SnAgCu系之無Pb焊料、或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。

又，可熔導體3亦可為含有高熔點金屬及低熔點金屬之構造體。例如，如圖3所示，可熔導體3係包括內層及外層之積層構造體，具有低熔點金屬層18作為內層，且具有高熔點金屬層19作為積層於低熔點金屬層18之外層。可熔導體3經由連接焊料等接合材料而連接於第1、第2通電部4a、4b及發熱體引出通電部4c上。

低熔點金屬層18較佳為以焊料或Sn為主成分之金屬，且一般被稱為「無Pb焊料」之材料。低熔點金屬層18之熔點不必一定高於回焊爐之溫度，可於200℃左右熔融。高熔點金屬層19係積層於低熔點金屬層18之表面之金屬層，係例如Ag或Cu或以該等中之任一種為主成分之金屬，且具有即便於藉由回焊進行第1、第2通電部4a、4b及發熱體引出通電部4c與可熔導體3之連接或保護元件1於外部電路基板上之安裝之情形時亦不熔融的較高之熔點。

此種可熔導體3可藉由使用鍍覆技術於低熔點金屬箔上成膜高熔點金屬層而形成，或者，亦可使用其他周知之積層技術、膜形成技術而形成。此時，可熔導體3可設為低熔點金屬層18之整面由高熔點金屬層19被覆之構造，亦可為除相對向之一對側面以外均進行被覆之構造。再者，可熔導體3亦可構成為以高熔點金屬層19為內層，且以低熔點金屬層18為外層，又，可藉由設為低熔點金屬層18與高熔點金屬層19交替地積層而成之3層以上之多層構造且於外層之一部分設置開口部而使內層之一部分露出等各種構成來形成。

可熔導體3藉由於作為內層之低熔點金屬層18上積層高熔點金屬層19作為外層，而即便於回焊溫度超過低熔點金屬層18之熔融溫度之情形時，作為可熔導體3亦能夠維持形狀而不至於發生熔斷。因此，可藉由回焊而高效率地進行第1、第2通電部4a、4b及發熱體引出通電部4c與可熔導體3之連接或保護元件1於外部電路基板上之安裝，又，藉由回焊，亦可防止因伴隨可熔導體3之變形而電阻值局部地升高或降低等而導致於特定之溫度下不熔斷或者未達特定溫度便熔斷等熔斷特性之變動。

又，可熔導體3於特定之額定電流流動之期間，即便自發熱亦不會熔斷。而且，於較額定高之值之電流流動時，因自發熱而熔融，阻斷第1、第2通電部4a、4b間之電流路徑。又，發熱體5藉由通電發熱而熔融，阻斷第1、第2通電部4a、4b間之電流路徑。

此時，藉由可熔導體3中已熔融之低熔點金屬層18熔蝕(焊料侵蝕)高熔點金屬層19，而高熔點金屬層19以低於熔融溫度之溫度熔解。因此，可熔導體3可利用低熔點金屬層18對高熔點金屬層19之浸蝕作用而於短時間內熔斷。又，可熔導體3之熔融導體3a因發熱體引出通電部4c及第1、第2通電部4a、4b之物理性吸引作用而斷離，因此可快速且確實地阻斷第1、第2通電部4a、4b間之電流路徑(圖2)。

又，可熔導體3較佳為形成為低熔點金屬層18之體積大於高熔點金屬層19之體積。可熔導體3藉由因過電流引起之自發熱或發熱體5之發熱而加熱，且藉由低熔點金屬熔融而熔蝕高熔點金屬，藉此可快速地熔融、熔斷。因此，可熔導體3可藉由形成為低熔點金屬層18之體積大於高熔點金屬層19之體積，而促進該熔蝕作用，從而快速地將第1、第2通電部4a、4b間阻斷。

又，可熔導體3由於在作為內層之低熔點金屬層18上積層高熔點金屬層19而構成，故而相較於先前之含有高熔點金屬之晶片熔絲等能夠大幅降低熔斷溫度。因此，可熔導體3與相同尺寸之晶片熔絲等相比，可增大截面面積，大幅提高電流額定。又，相較於具有相同電流額定之先前之晶片熔絲，能夠謀求小型化、薄型化，從而快速熔斷性優異。

又，可熔導體3可提昇對異常高之電壓瞬間施加至組裝有保護元件1之電氣系統之突波之耐受性(耐脈衝性)。即，可熔導體3即使於如例如100 A之電流流動數msec般之情形時亦不可熔斷。關於該方面，由於在極短時間內流動之大電流流過導體之表層(集膚效應)，故而可熔導體3中設置有電阻值較低之Ag鍍層等高熔點金屬層19作為外層，因此，可容易使由突波所施加之電流流動，防止因自發熱所引起之熔斷。因此，可熔導體3與先前之含有焊料合金之熔絲相比，能夠大幅提昇對突波之耐受性。

再者，可熔導體3亦可為了防止氧化及提昇熔斷時之潤濕性等而塗佈助焊劑(未圖示)。又，保護元件1藉由絕緣基板2被殼體17覆蓋而對其內部進行保護。殼體17例如可使用各種工程塑膠、熱塑性塑膠、陶瓷、玻璃環氧基板等具有絕緣性之構件而形成。又，殼體17具有內部空間，該內部空間足以供可熔導體3於熔融時球狀地膨脹於絕緣基板2之正面2a上，且熔融導體3a凝聚於發熱體引出通電部4c或第1、第2通電部4a、4b上。

[電路構成例] 此種保護元件1係組裝於例如鋰離子二次電池之電池組20內之電路中使用。如圖4所示，電池組20例如具有由合計4個鋰離子二次電池之電池單元21a～21d所構成之電池堆25。

電池組20具備：電池堆25；充放電控制電路26，其控制電池堆25之充放電；保護元件1，其於電池堆25異常時阻斷充放電路徑，且應用了本發明；檢測電路27，其檢測各電池單元21a～21d之電壓；及電流控制元件28，其作為根據檢測電路27之檢測結果而控制保護元件1之動作之開關元件。

電池堆25係由需要用以保護而不受過充電及過放電狀態影響之控制之電池單元21a～21d串聯連接而成者，經由電池組20之正極端子20a、負極端子20b而可固定脫離地連接於充電裝置22，被施加來自充電裝置22之充電電壓。由充電裝置22充電之電池組20可藉由將正極端子20a、負極端子20b連接至以電池動作之電子機器而使該電子機器動作。

充放電控制電路26具備：2個電流控制元件23a、23b，其等串聯連接於電池堆25與充電裝置22之間之電流路徑上；及控制部24，其控制該等電流控制元件23a、23b之動作。電流控制元件23a、23b包括例如場效電晶體(以下，稱為FET(field-effect transistor))，且藉由利用控制部24控制閘極電壓，而控制電池堆25之於電流路徑之充電方向及/或放電方向上之導通及阻斷。控制部24自充電裝置22接收電力供給而動作，並根據檢測電路27之檢測結果，於電池堆25為過放電或過充電時，控制電流控制元件23a、23b之動作以阻斷電流路徑。

保護元件1例如連接於電池堆25與充放電控制電路26之間之充放電電流路徑上，其動作由電流控制元件28控制。

檢測電路27與各電池單元21a～21d連接，檢測各電池單元21a～21d之電壓值，並將各電壓值供給至充放電控制電路26之控制部24。又，檢測電路27於電池單元21a～21d之任一個達到過充電電壓或過放電電壓時，輸出對電流控制元件28進行控制之控制信號。

電流控制元件28包括例如FET，且以如下方式進行控制：根據自檢測電路27輸出之檢測信號，電池單元21a～21d之電壓值達到超過特定之過放電或過充電狀態之電壓時，使保護元件1動作，而與電流控制元件23a、23b之開關動作無關地阻斷電池堆25之充放電電流路徑。

用於包括如上所述之構成之電池組20且應用了本發明之保護元件1具有如圖5所示之電路構成。即，保護元件1係第1外部連接電極11與電池堆25側連接，第2外部連接電極12與正極端子20a側連接，藉此，可熔導體3串聯連接於電池堆25之充放電路徑上。又，保護元件1係將發熱體5經由發熱體電極6及第3外部連接電極13而與電流控制元件28連接，並且將發熱體5與電池堆25之開放端連接。如此，發熱體5係將一端經由發熱體引出通電部4c與可熔導體3及電池堆25之一開放端連接，將另一端經由第3外部連接電極13與電流控制元件28及電池堆25之另一開放端連接。藉此，形成朝向可由電流控制元件28控制通電之發熱體5之饋電路徑。

[保護元件之動作] 於檢測電路27檢測到電池單元21a～21d之任一個之異常電壓時，向電流控制元件28輸出阻斷信號。如此一來，電流控制元件28以對發熱體5通電之方式控制電流。於保護元件1中，電流自電池堆25流至發熱體5，藉此發熱體5開始發熱。保護元件1係藉由發熱體5之發熱而可熔導體3熔斷，阻斷電池堆25之充放電路徑。又，保護元件1藉由含有高熔點金屬及低熔點金屬而形成可熔導體3，而於高熔點金屬熔斷前，低熔點金屬熔融，從而可利用已熔融之低熔點金屬對高熔點金屬之熔蝕作用而使可熔導體3於短時間內熔解。

此時，於保護元件1中，玻璃層7之熔點低於發熱體5之熔點。藉此，玻璃層7於發熱體5發熱時會軟化，故而可使玻璃層7內之因溫度差而產生之應力消散。因此，保護元件1可防止玻璃層7之破損及由此引起之發熱體電極6、第1引出電極15或發熱體5等高電位部與發熱體引出通電部4c等低電位部之間之絕緣破壞(火花)、以及發熱體5或發熱體引出通電部4c之破損。而且，保護元件1可確保使可熔導體3熔斷所需之充足之發熱體5之發熱時間，可安全且快速地阻斷電流路徑。

保護元件1藉由可熔導體3熔斷，而亦阻斷通向發熱體5之饋電路徑，故而發熱體5之發熱停止。

再者，保護元件1於對電池組20通電超過額定之過電流之情形時，可熔導體3亦藉由自發熱而熔融，從而可阻斷電池組20之充放電路徑。

如此，保護元件1係藉由發熱體5之因通電產生之發熱或由過電流所引起之可熔導體3之自發熱而可熔導體3熔斷。此時，保護元件1於回焊安裝至電路基板時，或於安裝有保護元件1之電路基板進而暴露在回焊加熱等高溫環境下之情形時，亦可藉由具有低熔點金屬由高熔點金屬被覆之構造而抑制可熔導體3之變形。因此，可防止因可熔導體3之變形所造成之電阻值之變動等而引起之熔斷特性之變動，從而可藉由特定之過電流或發熱體5之發熱而快速地熔斷。

本發明之保護元件1不限於用於鋰離子二次電池之電池組之情形，當然亦可應用於需要利用電氣信號阻斷電流路徑之各種用途。

[第2實施方式] 繼而，對應用了本技術之保護元件之第2實施方式進行說明。再者，於以下之說明中，有時對與上述保護元件1相同之構成附上相同符號並省略其詳情。如圖6(A)～(C)所示，第2實施方式之保護元件30係於絕緣基板2之與正面2a為相反側之背面2b形成有發熱體5、第1、第2引出電極15、16及被覆其等之玻璃層7。又，於絕緣基板2之背面2b形成有發熱體電極6、背面側中間電極8b、第1、第2外部連接電極11、12。

又，於絕緣基板2之正面2a形成有第1、第2電極4a、4b、可熔導體3、發熱體引出通電部4c及正面側中間電極8a。

背面側中間電極8b與上述中間電極8同樣，引出有第2引出電極16。又，正面側中間電極8a與背面側中間電極8b利用形成於絕緣基板2之側面之堡齒形結構或貫通絕緣基板2之導電通孔等而電性連接。正面側中間電極8a與發熱體引出通電部4c連接。正面側中間電極8a與背面側中間電極8b可藉由與上述中間電極8相同之材料、相同之步驟而形成。

發熱體引出通電部4c經由正面側中間電極8a及背面側中間電極8b而與發熱體5電性連接及熱連接。即，於保護元件30中，發熱體5經由絕緣基板2對發熱體引出通電部4c進行加熱，並且發熱體4之熱經由導熱性優異之正面側中間電極8a及背面側中間電極8b傳遞至發熱體引出通電部4c，從而能夠將可熔導體3加熱、熔斷(圖7(A)、(B))。

再者，於保護元件30中，發熱體電極6亦作為與外部電路基板之電極連接之外部連接電極，故而不設置保護元件1中所設置之第3外部連接電極13。

於保護元件30中，玻璃層7與發熱體5或第1、第2引出電極15、16相接之部位及不相接之部位等處之散熱特性亦局部不同。但，玻璃層7具有較發熱體5之熔點低之熔點，故而發熱體5發熱時其會軟化。因此，保護元件30可使玻璃層7內之因溫度差而產生之應力消散，可防止玻璃層7之破損及由此引起之絕緣破壞及發熱體5之破損，確保使可熔導體3熔斷所需之充足之發熱體5之發熱時間。

再者，於保護元件30中，玻璃層7亦可設為具有較發熱體5之發熱溫度低之熔點者，例如亦可將玻璃層7之熔點設為600℃以下。又，於保護元件30中，玻璃層7之熔點亦較佳為高於保護元件1之回焊安裝時之溫度，例如亦可將玻璃層7之熔點設為300℃以上。

1:保護元件 2:絕緣基板 2a:表面 2b:背面 3:可熔導體 3a:熔融導體 4:通電部 4a:第1通電部 4b:第2通電部 4c:發熱體引出通電部 5:發熱體 5a:端部 5b:端部 6:發熱體電極 7:玻璃層 8:中間電極 8a:正面側中間電極 8b:背面側中間電極 11:第1外部連接電極 12:第2外部連接電極 13:第3外部連接電極 14:連接焊料 15:第1引出電極 16:第2引出電極 17:殼體 18:低熔點金屬層 19:高熔點金屬層 20:電池組 20a:正極端子 20b:負極端子 21:電池單元 21a～21d:電池單元 22:充電裝置 23:電流控制元件 23a:電流控制元件 23b:電流控制元件 24:控制部 25:電池堆 26:充放電控制電路 27:檢測電路 28:電流控制元件 30:保護元件 100:保護元件 101:絕緣基板 102:第1電極 102a:第1外部連接電極 103:第2電極 103a:第2外部連接電極 104:發熱體 105:絕緣層 106:發熱體引出電極 107:熔絲元件 108:發熱體饋電電極 108a:第3外部連接電極

圖1係表示於絕緣基板正面設置有發熱體之保護元件之一構成例之圖，(A)係省略罩蓋構件而表示之俯視圖，(B)係剖視圖，(C)係仰視圖。 圖2係表示於圖1所示之保護元件中可熔導體已熔斷之狀態之圖，(A)係省略罩蓋構件而表示之俯視圖，(B)係剖視圖。 圖3係可熔導體之剖視圖。 圖4係表示電池組之構成例之電路圖。 圖5係保護元件之電路圖。 圖6係表示於絕緣基板背面設置有發熱體之保護元件之一構成例之圖，(A)係省略罩蓋構件而表示之俯視圖，(B)係剖視圖，(C)係仰視圖。 圖7係表示於圖6所示之保護元件中可熔導體已熔斷之狀態之圖，(A)係省略罩蓋構件而表示之俯視圖，(B)係剖視圖。 圖8係表示保護元件之一構成例之圖，(A)係省略罩蓋構件而表示之俯視圖，(B)係剖視圖，(C)係仰視圖。

1:保護元件

2:絕緣基板

2a:表面

2b:背面

3:可熔導體

4a:第1通電部

4b:第2通電部

4c:發熱體引出通電部

5:發熱體

5a:端部

5b:端部

6:發熱體電極

7:玻璃層

8:中間電極

11:第1外部連接電極

12:第2外部連接電極

13:第3外部連接電極

15:第1引出電極

16:第2引出電極

17:殼體

Claims (8)

1. 一種保護元件，其包括： 絕緣基板； 可熔導體，其支持於上述絕緣基板上； 複數個通電部，其等與上述可熔導體連接； 發熱體，其設置於上述絕緣基板，藉由通電而發熱； 發熱體電極，其與上述發熱體連接，成為對上述發熱體饋電之端子；及 玻璃層，其被覆上述發熱體；且 上述玻璃層具有較上述發熱體之熔點低之熔點。
2. 如請求項1之保護元件，其中上述玻璃層具有較上述發熱體之發熱溫度低之熔點。
3. 如請求項1或2之保護元件，其中上述玻璃層之熔點為600℃以下。
4. 如請求項1至3中任一項之保護元件，其中上述玻璃層之熔點高於上述保護元件之回焊安裝時之溫度。
5. 如請求項1至4中任一項之保護元件，其中上述玻璃層之熔點為300℃以上。
6. 如請求項1至5中任一項之保護元件，其中上述發熱體設置於上述絕緣基板之設置有上述可熔導體之一面，且 該保護元件包含發熱體引出通電部，該發熱體引出通電部設置於上述玻璃層上，且電性連接於上述發熱體與上述可熔導體之間。
7. 如請求項1至5中任一項之保護元件，其中上述發熱體及上述玻璃層設置於上述絕緣基板之設置有上述可熔導體之一面之相反側之一面。
8. 一種電池組，其包括： 1個以上之電池單元； 保護元件，其連接於上述電池單元之充放電路徑上，阻斷該充放電路徑；及 電流控制元件，其檢測上述電池單元之電壓值，並控制對上述保護元件之通電； 上述保護元件包括： 絕緣基板； 可熔導體，其支持於上述絕緣基板上； 複數個通電部，其等與上述可熔導體連接； 發熱體，其設置於上述絕緣基板上，藉由通電而發熱； 發熱體電極，其與上述發熱體連接，成為對上述發熱體饋電之端子；及 玻璃層，其被覆上述發熱體；且 上述玻璃層具有較上述發熱體之熔點低之熔點。

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