TWI585801B - Protective components and battery pack - Google Patents

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TWI585801B
TWI585801B TW102127206A TW102127206A TWI585801B TW I585801 B TWI585801 B TW I585801B TW 102127206 A TW102127206 A TW 102127206A TW 102127206 A TW102127206 A TW 102127206A TW I585801 B TWI585801 B TW I585801B
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Takeo Kimura
Kazuo Goto
Yoshihiro Yoneda
Koji Sato
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Dexerials Corp
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Description

保護元件及電池組
本發明係關於一種保護元件，其藉由熔斷電流路徑來保護連接於電流路徑上之電路。本申請案係以2012年8月1日於日本提出申請之日本專利申請編號特願2012-171332為基礎而主張優先權者，該申請案係藉由參照而引用於本申請案中。
可充電而重複利用之二次電池之多數被加工成電池組而提供給使用者。尤其是，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，一般而言，將過充電保護、過放電保護等多個保護電路內置於電池組中，且具有於特定之情況下阻斷電池組之輸出之功能。
於多數之使用有鋰離子二次電池之電子裝置中，藉由使用內置於電池組中之FET(Field Effect Transistor，場效電晶體)開關進行輸出之ON/OFF(導通/斷開)，而進行電池組之過充電保護或過放電保護動作。然而，即便於FET開關因某種原因而短路破壞之情形時，於施加雷電電湧(lightning surge)等，瞬間流動大電流之情形時，或者因電池單元之壽命而輸出電壓異常地降低，或相反輸出過大異常電壓之情形時，亦必需保護電池組或電子機器免遭著火等事故之影響。因此，於此種可假定之任何異常狀態中，為了安全地阻斷電池單元之輸出，使用由具有藉由來自外部之訊 號而阻斷電流路徑之功能之保險絲元件所構成的保護元件。
作為此種適用於鋰離子二次電池等之保護電路之保護元件，如專利文獻1所記載般，一般使用如下構造：於保護元件內部具有發熱體，且藉由該發熱體的發熱而熔斷電流路徑上之可熔導體。
【專利文獻1】日本特開2010-3665號公報
於專利文獻1所記載之保護元件中，為了用於行動電話、個人電腦般之電流容量較低之用途，可熔導體(保險絲)係具有最大亦僅15A左右之電流容量。鋰離子二次電池之用途近年正在擴大，且更大電流之用途例如研究採用至電動螺絲起子等電動工具、油電混合車、電動汽車、電動輔助自行車等輸送機器，並開始部份採用。於該等用途中，尤其於啟動時等，有超過數10A~100A般之大電流流通之情形。期望實現有對應此種大電流容量之保護元件。
為了實現對應大電流之保護元件，只要增大可熔導體之截面積即可。若使用成型為1.6mmΦ之線狀之Sn/Ag/Cu系焊料，可獲得50A左右之電流容量。然而，保護元件係於藉由過電流狀態而使之熔斷之情形以外，亦需要檢測電池單元之過電壓狀態，電流流動至保護元件之電阻發熱體，藉由其發熱切斷可熔導體。因此，於「厚」可熔導體之情形有如下問題：自發熱體之熱傳導下降，變得難以使可熔導體切斷。進而，於使「厚的」可熔導體熔斷之情形，若不確實地分離經熔融之焊料，會有無法阻斷電路之問題。
因此，本發明之目的為：獲得一種保護元件，其可確保過電 流保護時之電流容量，同時藉由因發熱體之發熱而使其容易地熔斷，且可確實地分離熔融焊料而阻斷電路。
作為用以解決上述問題之手段，本發明之保護元件係具備：絕緣基板；發熱體，其積層於絕緣基板；絕緣構件，其以至少包覆發熱體之方式積層於絕緣基板；第1及第2電極；發熱體引出電極，其以與發熱體重疊之方式積層於絕緣構件之上方，與第1及第2電極之間之電流路徑及發熱體之一端子電性連接，並與外部電路電性連接；可熔導體，其以自發熱體引出電極橫跨至第1及第2電極的方式連接，經加熱會熔斷第1電極與第2電極之間的電流路徑。而且，發熱體引出電極係配置成於與可熔導體長度方向不同之方向延伸，發熱體引出電極延伸之側之面積大於發熱體引出電極與可熔導體之連接位置之面積。
本發明之電池組係具備：一個以上之電池單元；保護元件，其以阻斷流通於電池單元之電流的方式連接；電流控制元件，其檢測電池單元各自之電壓值而控制加熱保護元件之電流。而且，保護元件係具有：絕緣基板；發熱體，其積層於絕緣基板：絕緣構件，其以至少包覆該發熱體之方式積層於絕緣基板；第1及第2電極；發熱體引出電極，其以與發熱體重疊之方式積層於絕緣構件之上方，與第1及第2電極之間之電流路徑及發熱體之一端子電性連接，並與外部電路電性連接；可熔導體，其以自發熱體引出電極橫跨至第1及第2電極的方式連接，經加熱會熔斷第1電極與第2電極之間的電流路徑；發熱體引出電極係配置成於與可熔導體長度方向不同之方向延伸，發熱體引出電極延伸之側之面積大於發熱體引出電極與可熔導體之連接位置之面積。
本發明之發熱體引出電極之形狀係配置成於與可熔導體長度方向不同之方向延伸，發熱體引出電極延伸側之面積大於發熱體引出電極與可熔導體之連接位置之面積，因此經熔融之焊料靠近面積較大之側，藉此可穩定分離熔融焊料。
2‧‧‧電極
3‧‧‧支撐構件
8‧‧‧保護膜
10‧‧‧保護元件
11‧‧‧絕緣基板
12(A1)、12(A2)‧‧‧第1電極、第2電極
13‧‧‧可熔導體
13a‧‧‧厚壁部
13b‧‧‧薄壁部
14‧‧‧發熱體
15‧‧‧絕緣構件
16‧‧‧發熱體引出電極
18(P1)、18(P2)‧‧‧發熱體電極
18a(P1)、18a(P2)‧‧‧電極
20‧‧‧電池組
20a‧‧‧正極端子
20b‧‧‧負極端子
21~24‧‧‧電池單元
25‧‧‧電池堆
26‧‧‧檢測電路
27、31、32‧‧‧電流控制元件
30‧‧‧充放電控制電路
33‧‧‧控制部
35‧‧‧充電裝置
圖1(A)係應用本發明之保護元件之俯視圖。圖1(B)係於圖1(A)之AA’線之剖面圖。
圖2(A)~(C)係用以說明應用本發明之保護元件之熔斷動作之俯視圖。
圖3係表示應用本發明之保護元件之應用例的方塊圖。
圖4係表示應用本發明之保護元件之電路構成例之圖。
圖5(A)~(D)係表示應用本發明之保護元件之發熱體引出電極之形狀的變形之俯視圖。
圖6(A)係本發明之變形例之發熱體引出電極之俯視圖。圖6(B)係於圖6(A)之AA’線之剖面圖。
以下，一面參照圖式一面對用以實施本發明之形態詳細地進行說明。再者，當然本發明並不僅限於以下之實施形態，可於不脫離本發明之主旨之範圍內進行各種變更。
[保護元件之構成]
為了分離熔融焊料而確實地阻斷電路，於本發明保護元件，設想出於 以下說明之發熱體引出電極之形狀。
如圖1(A)及圖1(B)所示，保護元件10係具備：絕緣基板11；發熱體14，其積層於絕緣基板11，且被絕緣構件15包覆；第1電極12(A1)、第2電極12(A2)，其形成於絕緣基板11之兩端；發熱體引出電極16，其積層於絕緣構件15上以與發熱體14重疊之方式；可熔導體13，其兩端連接於第1電極12(A1)、第2電極12(A2)。於發熱體14兩端，連接有連接電源之發熱體電極18(P1)、18(P2)以將電流流動至發熱體之使其發熱。可熔導體13係較佳由1.6mmΦ之圓線狀之厚壁部13a與薄壁部13b所構成，該薄壁部13b為在重疊於發熱體14之位置，以厚度成為大致均勻之方式且薄於厚壁部13a而扁平地成型。薄壁部13b之厚度例如為厚壁部13a之厚度(粗度)的1/2。再者，厚壁部13a及薄壁部13b之截面積或電流容量較佳為大致相同。可熔導體13之薄壁部13b係與發熱體引出電極16電性連接。
藉由將可熔導體13製成重疊於發熱體14之位置經薄壁化的薄壁部13b，而可提高薄壁部13b之厚度方向之熱傳導，變得容易地使可熔導體13熔斷。又，藉由扁平地成型薄壁部13b，而可使與發熱體14之重疊部的接觸面積增大，且可有效地傳遞來自發熱體14之熱，可實現穩定之熔斷特性。再者，於使厚壁部13a及薄壁部13b之截面積設為大致相同之情形時，因可熔導體13之電流容量成為相同，可流通對應可熔導體13之通電方向之截面積及可熔導體13之材質(比電阻)之電流。
兩個電極12(A1)、12(A2)係於保護元件10之內部將可熔導體13連接，且經由此兩個電極12(A1)、12(A2)，連接至外部電路。 兩個電極12(A1)、12(A2)可形成於絕緣基板11上，或亦可形成於與絕緣基板11成為一體之由環氧樹脂等所構成的絕緣材料。
發熱體引出電極16之一端連接於發熱體電極18(P1)及發熱體14之一端。又，發熱體14之另一端連接於另一個發熱體電極18(P2)。
絕緣基板11例如由氧化鋁、玻璃陶瓷、富鋁紅柱石(mullite)、氧化鋯等具有絕緣性之構件形成。另外，亦可使用環氧玻璃基板、酚基板等用於印刷電路板之材料，但必需留意保險絲熔斷時之溫度。
發熱體14係電阻值相對較高而若通電則會發熱之具有導電性之構件，例如，由W、Mo、Ru等所構成。藉由將該等之合金或組成物、化合物之粉狀體與樹脂黏合劑等混合，將成為糊狀者使用絲網印刷技術圖案形成於絕緣基板11上並進行焙燒等而形成。
以包覆發熱體14之方式配置絕緣構件15，經由該絕緣構件15以與發熱體14對向之方式配置發熱體引出電極16。當然該絕緣構件15亦可為於內部一體地積層有發熱體14之積層基板。
可熔導體13只要為藉由過電流狀態、及藉由發熱體14之發熱而熔融且熔斷之導電性之材料即可，例如可使用SnAgCu系之無Pb之焊料、除此以外、可使用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13亦可為高熔點金屬與低熔點金屬之積層體，該高熔點金屬為Ag或Cu或由Ag或Cu作為主成分之金屬所構成者，該低熔點金屬為以Sn作為主成分之無Pb焊料等。
再者，為了將可熔導體13對絕緣基板11支撐，且使可熔導 體13之機械強度提高，可在形成於絕緣基板11上之電極2上形成支撐構件3，並於支撐構件3連接可熔導體13。
於本發明之保護元件，為了對應較大之電流容量，而使用「厚的」可熔導體。於可熔導體熔斷之情形時，因熔融之焊料之量較多，為了確實進行熔融焊料之分離，且阻斷電路，必須考慮熔融焊料之處理。
因此，如圖1(A)所示，發熱體引出電極16係於與可熔導體13之不同方向例如與可熔導體13之長度方向呈直角方向進行延伸，於經延伸之一側連接於可熔導體13之薄壁部13b，經延伸之另一側連接於用於形成於絕緣構件15之發熱體14的電極18a(P1)。發熱體引出電極16之形狀係以如下方式設定：發熱體14之電極18a(P1)側之面積大於與可熔導體13之薄壁部13b之連接位置之面積，例如與薄壁部13b之連接位置之側設為頂點，經延伸側之電極18a(P1)之側設為底邊而成之等腰三角形。
如此，若使發熱體引出電極16之形狀設為等腰三角形，則如圖2(A)所示，可熔導體13之薄壁部13b係藉由發熱體14之加熱，重疊於發熱體14之部分開始熔融。經熔融之焊料因有朝面積之廣泛潤濕性較高者移動之性質，故使薄壁部13b朝圖2(B)之箭頭方向靠近。而且，如圖2(C)所示，經熔融之焊料流至發熱體引出電極16之面積較廣側，即等腰三角形之底邊側，因此熔融焊料可利用流動之力量而更快分離焊料。藉此，可熔導體13被分離，可穩定地阻斷電路。
再者，可藉由使用周知之圖案成型技術而於絕緣構件15上直接地形成如此之等腰三角形。又，亦可藉由於大略長方形之發熱體引出電極16之表面設置具有等腰三角形形狀之開口的絕緣性保護層而形成。
[保護元件之使用方法]
如圖3所示，上述之保護元件10係用於鋰離子二次電池之電池組內之電路。
例如，保護元件10係組入具有由合計4個鋰離子2次電池之電池單元21~24所構成之電池堆25的電池組20中而使用。
電池組20具備：電池堆25；充放電控制電路30，其控制電池堆25之充放電；應用本發明之保護元件10，其保護電池堆25及充放電控制電路30；檢測電路26，其檢測各電池單元21~24之電壓；及電流控制元件27，其根據檢測電路26之檢測結果控制保護元件10之動作。
電池堆25係串聯連接有電池單元21~24，該電池單元21~24需要用於保護過充電及過放電狀態者，且經由電池組20之正極端子20a、及負極端子20b而可裝卸地連接於充電裝置35，且被施加來自充電裝置35之充電電壓。將利用充電裝置35而被充電之電池組20之正極端子20a、及負極端子20b連接於藉由電池而進行動作之電子機器，藉此可使該電子機器進行動作。
充放電控制電路30具備：兩個電流控制元件31、32，其等串聯連接於自電池堆25流動至充電裝置35之電流路徑；及控制部33，其控制該等電流控制元件31、32之動作。電流控制元件31、32例如由場效電晶體(以下，稱為FET)構成，且藉由控制部33而控制閘極電壓，藉此控制電池堆25之電流路徑之導通及阻斷。控制部33以如下方式控制電流控制元件31、32之動作：自充電裝置35接收電力供給而進行動作，且根據利用檢測電路26所得之檢測結果，於電池堆25為過放電或過充電時，阻斷電流 路徑。
保護元件10例如連接於電池堆25與充放電控制電路30之間之充放電電流路徑上，且藉由電流控制元件27而控制其動作。
檢測電路26與各電池單元21~24連接，檢測各電池單元21~24之電壓值，且將各電壓值供給至充放電控制電路30之控制部33。又，檢測電路26於任一個電池單元21~24變為過充電電壓或過放電電壓時，輸出控制電流控制元件27之控制訊號。
電流控制元件27以如下方式進行控制：藉由自檢測電路26輸出之檢測訊號，於電池單元21~24之電壓值變為超過特定之過放電或過充電狀態之電壓時，使保護元件10動作，無論電流控制元件31、32之開關動作均阻斷電池堆25之充放電電流路徑。
於由如上之構成所構成之電池組20中，對保護元件10之構成具體地進行說明。
首先，應用本發明之保護元件10例如具有如圖4所示之電路構成。即，保護元件10係由經由發熱體引出電極16而串聯連接之可熔導體13、及經由可熔導體13之連接點通電使之發熱而將可熔導體13熔融之發熱體14所構成之電路構成。又，於保護元件10中，例如可熔導體13串聯連接於充放電電流路徑上，且發熱體14與電流控制元件27連接。保護元件10之兩個電極12、12之中，其中一個連接於A1，另一個連接於A2。又，發熱體引出電極16及與其連接之發熱體電極18連接於P1，另一個發熱體電極18連接於P2。
由此種電路構成所構成之保護元件10可實現低背化，並且 可藉由發熱體14之發熱而確實地熔斷電流路徑上之可熔導體13。
[變形例]
發熱體引出電極16之於絕緣構件15上的形狀係與可熔導體13之薄壁部13b之連接位置之面積只要為根據遠離此位置而變廣者即可之任何形狀，但亦可為上述之等腰三角形(圖5(A))、如圖5(B)所示之等腰三角形之兩個邊為曲線狀之楔形。又，如圖5(C)及圖5(D)所示，亦可對於可熔導體13之薄壁部13b之連接位置，製成於兩側具有較廣之面積的形狀。
另一方面，發熱體引出電極16一般係由Cu、Ag(Ag糊等)形成圖案，但已知有下述之焊料溶蝕現象：該等之金屬(或該等為主成分之合金)於焊料熔融時，溶解於熔融焊料中。於具有至15A左右之電流容量的先前之保護元件，因與用於發熱體引出電極之金屬量相比，可熔導體(焊料)之量較少，故不需考慮焊料溶蝕現象。於此，隨著保護元件之大電流容量化，若於「厚的」焊料用作可熔導體13之情形時有如下問題：在保護元件10之作動時焊料溶蝕變得顯著，發熱體引出電極16於保護元件作動中消失，供給至發熱體14之電力停止而導致熔斷動作停止。為了防止此現象，如圖6(A)及圖6(B)所示，於發熱體引出電極16之表面形成耐焊料溶蝕之保護膜8。經由保護膜8連接可熔導體13，藉此可熔導體13之焊料不浸蝕發熱體引出電極16，發熱體14可持續接受電力之供給，因此可穩定熔斷可熔導體13。作為保護膜8，可根據對焊料溶蝕之耐性及製造之容易度等而使用任意材料，但例如較佳為使用Ni/Au鍍敷。
2‧‧‧電極
3‧‧‧支撐構件
10‧‧‧保護元件
11‧‧‧絕緣基板
12(A1)、12(A2)‧‧‧第1電極、第2電極
13‧‧‧可熔導體
13a‧‧‧厚壁部
13b‧‧‧薄壁部
14‧‧‧發熱體
15‧‧‧絕緣構件
16‧‧‧發熱體引出電極
18(P1)、18(P2)‧‧‧發熱體電極
18a(P1)、18a(P2)‧‧‧電極

Claims (10)

  1. 一種保護元件，其具備：絕緣基板；發熱體，其積層於該絕緣基板，並具有發熱體電極；絕緣構件，其以至少包覆該發熱體之方式積層於該絕緣基板；第1及第2電極；發熱體引出電極，其以與該發熱體重疊之方式積層於該絕緣構件之上方，並分別與該第1及第2電極之間之電流路徑及該發熱體之一發熱體電極電性連接，並與外部電路電性連接；可熔導體，其以自該發熱體引出電極橫跨至該第1及第2電極的方式連接，成為該第1電極與第2電極之間之電流路徑，經加熱會熔斷該第1電極與該第2電極之間的電流路徑；該發熱體引出電極係配置成於與該可熔導體長度方向不同之方向延伸，該發熱體引出電極延伸之側之面積大於該發熱體引出電極與該可熔導體之連接位置之面積。
  2. 如申請專利範圍第1項之保護元件，該發熱體引出電極係配置成於與該可熔導體長度方向呈直角之方向延伸。
  3. 如申請專利範圍第1項之保護元件，該發熱體引出電極其形狀為三角形，該三角形係與該可熔導體連接之側為頂點，於該發熱體引出電極延伸側為底邊。
  4. 如申請專利範圍第3項之保護元件，該發熱體引出電極係延伸以該可熔導體之長度方向為對稱軸之線對稱的位置。
  5. 如申請專利範圍第1項之保護元件，該發熱體引出電極係由Ag或以Ag為主成分之金屬或Cu或以Cu為主成分之金屬所構成。
  6. 如申請專利範圍第5項之保護元件，該發熱體引出電極係於其表面具有保護層。
  7. 如申請專利範圍第6項之保護元件，該保護層係Ni/Au鍍敷。
  8. 如申請專利範圍第1項之保護元件，該可熔導體係由厚壁部與薄壁部所構成，該薄壁部係重疊位於發熱體之部分成型成凹狀且厚度較薄而扁平。
  9. 如申請專利範圍第8項之保護元件，該可熔導體係該厚壁部及該薄壁部之通電方向之截面積相同。
  10. 一種電池組，其具備：一個以上之電池單元；保護元件，其以阻斷流通於該電池單元之電流的方式連接；電流控制元件，其檢測該電池單元各自之電壓值而控制加熱該保護元件之電流；該保護元件具有如下構件：絕緣基板；發熱體，其積層於該絕緣基板，並具有發熱體電極；絕緣構件，其以至少包覆該發熱體之方式積層於該絕緣基板；第1及第2電極；發熱體引出電極，其以與該發熱體重疊之方式積層於該絕緣構件之上方，並分別與該第1及第2電極之間之電流路徑及該發熱體之一發熱體電極電性連接，並與外部電路電性連接； 可熔導體，其以自該發熱體引出電極橫跨至該第1及第2電極的方式連接，成為該第1電極與第2電極之間之電流路徑，經加熱會熔斷該第1電極與該第2電極之間的電流路徑；該發熱體引出電極係配置成於與該可熔導體長度方向不同之方向延伸，該發熱體引出電極延伸之側之面積大於該發熱體引出電極與該可熔導體之連接位置之面積。
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