WO1999060637A1 - Ptc element, ptc element-mounted pcb board, secondary cell protection circuit device and secondary cell assembly - Google Patents

Description

明 細 書

P T C素子； P T C素子の搭載される P C B基板、 二次電池保 護回路装置および二次電池集合体 技術分野

本発明は、 P C B基板上に一体形成された P T C素子と、 そ の P C B基板、 およびその基板上に二次電池の制御回路を設け て、 二次電池の温度、 電圧、 電流を制御する二次電池保護回路 装置と該装置を備えた二次電池集合体に関する。 背景技術

電力用 と して従来から用いられている鉛蓄電池に比して、 軽 量かつ大容量のニッケル水素電池やリ チウム電池等の各種二次 電池が近年開発され、 様々な用途に向けられている。 上記の軽 量かつ大容量とい う特性から、 電動モータによ る電気自動車や 電動モータ と 内燃機関と を併せ持つハイプリ ッ ド自動車等に用 レヽられてレヽる。

また、 一個の二次電池における最大電圧および電流容量は、 その反応原理によって制限されるから、 前述のよ う な大きな駆 動力が必要な駆動源と して用いる場合、 複数の電池を直列に接 続して所定の電圧を得、 さ らに、 これを並列に接続して所定の 電流容量を得る よ う にしている。

こ こ で、 上記のよ う な二次電池を使用する場合には、 その使 用に先立って充電作業が必要となる。 通常、 複数の直列に接続 された二次電池に対して、 充電に必要な規定の電圧を印加 して 行われるが、 この際において以下に示すよ う な課題がある。 いかに厳密な品質管理を行ったと しても、 二次電池の充電特 性および放電特性を均一にする こ と は困難であるから、 充電状 態、 あるいは放電状態に依存して変化する内部抵抗にもばらつ きが生じる こ とが避け られない。 したがって、 内部抵抗の異な る複数の二次電池を直列に接続して これらの全体に充電電圧を 印加する と、 全部の電池に一律に受電電流が流れる こ と と なつ て、 内部抵抗の大きな二次電池が極端に温度上昇する場合があ る。 かかる二次電池の温度上昇は、 その寿命を縮める こ と と な るばか り 力 、 極端な温度上昇によってケースが破損 して しま う 場合も あ り得る。

かかる不具合を解消するため、 各二次電池のそれぞれの両端 に所定の電圧を印加する と と もに、 二次電池にかかる過電流と 過電圧を制御する こ とが考え られる

。 また、 上述のよ う な二次電池の温度過上昇を検出する こ と も 必要と なる。

このために、 例と してバイ メ タル接点方式に よ り 温度上昇を 検知する方法がある。 しカゝし、 この方法による と 、 接点にオン

• オフ動作によるチヤ ッ タ リ ングが生じる と、 アーク放電によ つてその接点部が互いに く つついて しまい、 接点がスィ ツチと して機能しな く な り 、 また安全性にも問題があっ た。

また、 正温度係数特性を持つ、 P T C (Positive Temperatur e Coefficient) 素材を用いて二次電池の温度検出を行 う方法も 従来において用い られている。 この P T C素材は、 接触によつ て測定対象物の表面温度を伝え られた場合に、 室温等の比較的 低温では電気的に低抵抗であるが、 測定対象物に異常に大きい 電流が流れた場合など、 高温にさ ら される と非常に高抵抗を示 すとい う性質を有する ものである。

具体的には、 従来は、 これらの過電圧の制御は、 そのために 設けられた P C B基板上の I C Z L S I 等の電子部品によって また、 過電流および温度過上昇の検出は上述のよ う な P T C素 子を用いた回路によって、 それぞれ別個の装置によって行われ ていた。

本発明はこのよ う な事情に鑑みてなされたも ので、 P C B基 板上に設け られてその基板上の電極部を取り 出 し電極と して使 用するべく 一体に形成された、 占有面積が小さ く その構成の一 部を上記基板と共有する こ と による効率化の図れる P T C素子 およびその P C B基板、 また該 P C B基板上に電流と電圧の制 御回路を併せて設けたこ と によ り別個の装置を備えた時に比 し て回路全体のスペースファ ク タの向上と省電力化の図 られた二 次電池保護回路、 そ してその二次電池保護回路を包含して持つ . 統合的に温度と電流 · 電圧の制御が可能な二次電池集合体を提 供する こ と を 目的とする。 発明の開示

請求の範囲第 1 項記載の発明は、 一組の取り 出 し電極がその 表面上に一体に形成された

、 正温度係数特性を示す P T C素子において、

上記の一組の取 り 出 し電極の少な く と も一方は、 上記 P T C 素子および電界効果 ト ラ ンジス タや半導体集積回路等の電子部 品の搭載される P C B基板上に形成される電極部である こ と を 特徴とする P T C素子である。 請求の範囲第 2項記載の発明は、 請求の範囲第 1 項記載の P T C素子がその上に搭載されてなる P C B基板である。

請求の範囲第 3項記載の発明は、 請求の範囲第 2項記載の P C B基板上に、

上記 P T C素子を用いた、 二次電池の温度検出回路と、 二次電池の電流と電圧を制御する制御回路と を備えた二次電 池保護回路装置である。

請求の範囲第 4 記項載の発明は、 請求の範囲第 3 項記載の二 次電池保護回路装置を備えた二次電池集合体である。

以上説明 したよ う に、 この発明による、 P C B基板上に一体 形成された P T C素子と 、 その P C B基板、 およびその上に二 次電池の電圧と電流を制御する回路を設けた二次電池保護回路 装置と該装置を備えた二次電池集合体によれば、 下記の効果を 得る こ とができ る。

1 . P T C素子の取り 出 し電極の少なく と も片方を、 この P T C素子の搭載される P C B基板上の電極部と したこ と によ り 、 P T C素子を含む P C B基板全体の省スペース化が図れ、 また、 該 P C B基板全体の製造時の効率が向上し、 高信頼性を得る こ とが可能と なる。

2 . 1 枚の P C B基板上に P T C素子と電圧 · 電流の制御回路 と を併せ持つこ と によ り 、 二次電池の温度、 電圧、 電流を統合 的に制御して、 二次電池の保護を行 う こ とが可能と なる。

3 . 本発明によ る、 上記 P C B基板上に搭載された二次電池保 護回路装置を二次電池と共に備えたこ と によ り 、 従来の同様の 装置に比べて、 二次電池集合体全体と して容積を抑え、 低コス ト化が図れ、 温度 · 電圧 · 電流の制御の信頼性が向上する。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明による一実施形態によ る P T C素子および P C B基板の断面図であ り 、 図 2 は、 本発明によ る一実施形態に よる二次電池保護回路装置の図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の一実施形態による P T C素子を図 1 を参照 し つつ説明する。 図 1 は、 本発明によ る P T C素子およびその P T C素子が搭載される P C B基板の断面図の例である。 図 1 に おいて、 符号 1 は本発明になる P C B基板であ り 、 符号 3 は本 発明になる P T C素子である。 こ の P T C素子 3 の構成は次の 様になってレ、る。 まず、 中心に P T C素材 6 を有し、 その対向 する両表面上に N i (ニ ッケル） 箔あるレ、は N i Z C u (ニ ッ ケル/銅） 箔カ らなるフォイル 7 7 ₂が設け られている。 こ のフォイノレ 7 7 ₂は上記 P T C素材 6 の電極と なってレヽる。 上記フ ォイ ル 7 :の上面には、 N i (ニ ッ ケル） の取 り 出 し電極 4 が半田付け されている。

またフォイ ル 7 ₂の下面には、 この P T C素子の搭載される P C B基板上に設 けられている C u (銅） の電極が同 じく 半田付 けされてお り 、 これが P T C素子の取り 出 し電極 5 と して機能 する。 つま り 、 P T C素材 6 を上下力 らフオイ ル 7 7 ₂が挟 み、 さ らにその上下を取 り 出 し電極 4 、 5 が挟むサン ドイ ッチ 構造と なっている。

以上が P T C素子 3 の構成である。 こ の P C B基板 1 の上に は、 上記の P T C素子 3 の他に、 I Cあるいは L S I 等の電子 部品 2 が搭載されている。

こ こで、 通常は P T t素子の取り 出 し電極が、 フオイ ル 7 、 7 ₂のそれぞれ上面と下面と に設けられるが、 本発明では下面の 取 り 出 し電極と して P C B基板 1 に設け られている電極 5 を使 用する こ と によ り 、 独立 した取 り 出 し電極を備えた P T C素子 を P C B基板上に設置した場合に比べて、 配線や組立の効率を 向上させる こ とができ、 P C B基板全体と して高信頼性を得る こ とができ る。 また、 さ らに、 この P T C素子の高さを電子部 品 2 の高 さ と 同 じ、 あるいは低く する こ と によ って本 P C B基 板全体の省スペース化を図る こ とができ る。

次に、 本実施形態による P C B基板 1 を、 充電中も しく は使 用中の二次電池に用いた時の P T C素子 3 の動作を説明する。 二次電池の発する熱が、 P C B基板 1 上の P T C素子 3 へと伝 搬される こ と によ り 、 も し二次電池の温度が上昇して

、 ある一定値を越える と P T C素材の性質から電気抵抗が急峻 に上昇する。 従って P C B基板上の電極 5 力ゝら フオイル 7 ₂， P T C素材 6， フオ イル 7 , , 取 り 出し電極 4 と順に流れた電流を、 例えば取り 出 し電極 4 の先に接続した電流計等によって測定す る こ と によ り 二次電池の温度過上昇を検知する こ とができ る。 これによつて充電処理の中止、 二次電池の交換等の必要な処置 を施して、 二次電池の保護を行う こ とができる。

続いて、 上述の第 1 実施形態による P T C素子と、 電子部品 と して電圧あるいは電流の制御回路を同一の P C B基板上に搭 載した、 第 2 実施形態によ る 二次電池保護回路装置およびその 二次電池保護回路装置を搭載 した二次電池集合体の例を図 2 を 参照 しつつ説明する。 こ こ では、 二次電池に接 して設けられた P C B基板上の制御回路によって、 二次電池が電源を供給する 電圧を検出しその結果、 異常時には電流を制御する こ と によ り 、 二次電池に過電流が流れた り 、 過電圧が印加された り して二次 電池への破壊につながった りする事を防止する。 また、 同 P C B基板上の P T C素子によって、 過電流あるいは温度過上昇を 検知して電流を制御して同様に二次電池の保護を行 う。

図 2 において、 二次電池 2 0 に接 してその側面に P C B基板 2 5 が設けられ、 その上には電圧制御回路 2 4 と 、 図中一点鎖 線で囲われる P T C素子 2 6 と が設けられ、 その P T C素子 2 6 の取 り 出 し電極 2 7 の一端 （図に向かって左端） は P T C素 子 2 6 にハンダ付けされ、 他端 （図に向かって右端） は二次電 池 2 0 の一極 （負極） 2 2 に溶接される。 こ こ における P T C 素子 2 6 の構造は上記の第 1 実施形態で説明 したものに同 じで、 上記取 り 出 し電極 2 7 と対向する位置に設けれらた図示されな い取り 出 し電極は P C B基板 2 5 上に設け られている。 また二 次電池 2 0 の +極 （正極） 2 1 と P C B基板 1 との間には上記 二次電池 2 0 の充電を行う 、 も しく は電源を供給する電気回路 2 3 が電気的に接続されている。

図 2 の回路において、 二次電池 2 0 の電源が供給される、 も しく はその充電が行われる際の電流の流れる経路と しては、 二 次電池 2 0 の +極から電気回路 2 3 を経由 して、 P C B基板 1 の一端に流れ、 P C B基板 1 上の電圧制御回路 2 と P T C素子 3 を通って、 P C B基板 1 の他端の取り 出 し電極 2 7から二次 電池 2 (〕 の上記 +極 2 1 の対向する位置にある 一極 2 2へと流 れて電流の閉路を形成する „

次に、 こ の第 2実施形態の動作について説明する。 電気回路 2 3 が接続された

、 実使用状態も しく は充電状態において、 何らかの原因で、 本 回路を流れる電圧が規定値以上に上昇した際には、 電圧制御回 路 2 3 が過電圧を検出 し、 電流を遮断する。 また、 これと 同時 に P T C素子 2 6 にも過電流が流れる こ と によ り 、 発熱によ つ てその温度が上昇し、 その結果と して P T C素子の性質上、 電 気抵抗値が高く な り 、 取 り 出 し電極 2 7 へ流れる電流が減少す る _c

また、 二次電池に何らかの異常が発生しその表面温度が過上 昇 した場合にも、 その熱が P T C素子 2 6 に伝搬し、 上記と 同 様の原理によって P T C素子を流れる電流が制限される。 これ らの結果、 二次電池 2 1 および電気回路 2 3 を流れる電流が P C B基板 2 5 を流れる こ と によ り 、 その上に設け られた電圧制 御回路 2 4 と P T C素子 2 6 によって過大電圧および温度過上 昇をモニターされ、 異常時には一極 2 2 に流れ込む電流を制限 する こ と によ り 、 二次電池の保護を行う。

上記の第 2 実施形態では、 単一の二次電池に対して、 二次電 池保護回路装置を備えた 1 個の P C B基板を用いた例を示した が、 複数の二次電池を直列も しく は並列に用いる様な場合にも、 上記の P C B基板を適切な位置にかつ適切な条件で複数の二次 電池に用いる こ と によ り 、 複数の二次電池および二次電池保護 回路装置を備えた本発明になる二次電池集合体を得る こ と がで き る

本発明において、 制御回路と P T C素子の双方を同一の P C B基板上に併せ持つこ と によ り 、 二次電池の温度、 電圧、 電流 の 3 種を検知する こ とが可能と なり

、 充電中あるいは使用中の二次電池の保護を行 う こ とができ る, これは、 また、 制御回路と P T C素子のいずれかが正常に動作 しなく なった場合にも、 残り の片方によって二次電池の異常を 検出 し、 制御を行い二次電池の保護が可能となる。 但し、 上記 の第 2実施形態においては、 二次電池の温度と電圧と を制御す る例と してある。

以上の実施形態によ る説明においては、 上記 P T C素子およ びそれを搭載した上記 P C B基板の応用例を二次電池の保護に 求めているが、 本発明の使用は二次電池の保護に必ずしも限定 される ものではなく 、 温度の検知が求め られる分野やそれと 同 時に電圧や電流の制御を行う応用分野に広く 有効である。 産業上の利用可能性

以上説明 したよ う に、 この発明による、 P C B基板上に一体 形成された P T C素子と 、 その P C B基板、 およびその上に二 次電池の電圧と電流を制御する回路を設けた二次電池保護回路 装置と該装置を備えた二次電池集合体によれば、 下記の効果を 得る こ とができ る。

1 . P T C素子の取 り 出 し電極の少なく と も片方を、 この P T C素子の搭載される P C B基板上の電極部と したこ と によ り 、 P T C素子を含む P C B基板全体の省スペース化が図れ、 また , 該 P C B基板全体の製造時の効率が向上 し、 高信頼性を得る こ とが可能と なる。

2 . 1 枚の P C B基板上に P T C素子と電圧 · 電流の制御回路 と を併せ持つこ と によ り 、 二次電池の温度、 電圧、 電流を統合 _{1 Q}

的に制御 して、 二次電池の保護を行 う こ とが可能と なった。 3 . 本発明によ る、 上記 P C B基板上に搭載された二次電池保 護回路装置を二次電池と共に備えたこ と によ り 、 従来の同様の 装置に比べて、 二次電池集合体全体と して容積を抑え、 低コ ス ト化が図れ、 温度 ， 電圧 ， 電流の制御の信頼性が向上した。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 一組の取り 出 し電極がその表面上に一体に形成された、 正 温度係数特性を示す P T C素子において、

上記の一組の取 り 出 し電極の少な く と も一方は、 上記 P T C 素子および電界効果 ト ラ ンジス タや半導体集積回路等の電子部 品が搭載される P C B基板上に形成される電極部である こ と を 特徴とする P T C素子。

2 . 請求の範囲第 1 項記載の P T C素子がその上に搭載されて なる P C B基板。

3 . 請求の範囲第 2項記載の P C B基板上に、

上記 P T C素子を用いた、 二次電池の温度検出回路と、 二次電池の電流と電圧を制御する制御回路と を備えた二次電 池保護回路装置。

4 . 請求項の範囲第 3 項記載の二次電池保護回路装置を備えた 二次電池集合体。