WO2015033560A1 - バッテリ回路、保護回路 - Google Patents

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幸市 向
古田　和隆
利顕 荒木
康二 江島
貴史 藤畑
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a protection circuit that cuts off a current path, and more particularly to a battery circuit that needs to cut off a current path promptly in an emergency, such as a lithium ion secondary battery, and a protection circuit that is suitable for use in a battery circuit.
  • a protection circuit for overcharge protection, overdischarge protection, etc. is built in the battery pack, It has a function of shutting off the output of the battery pack in a predetermined case.
  • the overcharge protection or overdischarge protection operation of the battery pack is performed by turning on / off the output using an FET switch built in the battery pack.
  • the FET switch is short-circuited for some reason, when a lightning surge or the like is applied and an instantaneous large current flows, the output voltage drops abnormally due to the life of the battery cell, or conversely an excessively abnormal voltage
  • a protective element made of a fuse element having a function of cutting off a current path by a signal from the outside is used in order to safely cut off the output of the battery cell in any possible abnormal state.
  • a protection element of such a battery circuit for a lithium ion secondary battery or the like a structure in which a heating element is provided inside the protection element and a fuse on a current path is blown by the heating element is generally used.
  • FIG. 8 shows a battery circuit 50 as a related technique of the present invention.
  • the protection circuit 50 is, for example, a battery circuit used for a battery pack of a lithium ion secondary battery.
  • An element 52, a detection element 53 that detects the voltage of the battery stack 51, and a switch element 54 that controls the operation of the protection element 52 according to the detection result of the detection element 53 are provided.
  • the protection element 52 is connected in series on the charge / discharge current path of the battery stack 51, is connected to the fuse 55 constituting a part of the charge / discharge current path, and the switch element 54, and is supplied with power from the battery stack 51. And a heating element 56 that generates heat and blows the fuse 55. In the protection element 52, the power supply to the heating element 56 is controlled by the switch element 54.
  • the detection element 53 monitors the voltage of the battery stack 51 and outputs a control signal for controlling the switch element 54 when an overcharge voltage or an overdischarge voltage is reached.
  • the switch element 54 is configured by, for example, an FET, and operates the protection element 52 when the voltage value of the battery stack 51 exceeds a predetermined overdischarge or overcharge state by a detection signal output from the detection element 53. Then, the charging / discharging current path of the battery stack 51 is controlled to be cut off.
  • the battery circuit 50 having such a circuit configuration outputs a detection signal to the switch element 54 when the detection element 53 detects an abnormal voltage of the battery stack 51.
  • the switch element 54 controls the current so that the heating element 56 of the protection element 52 is fed from the battery stack 51.
  • the battery circuit 50 can interrupt
  • battery packs for lithium ion secondary batteries are also required to be small and thin. Further, with the widespread use of lithium ion secondary batteries, a protection circuit in a battery pack is required that has a relatively simple structure and is inexpensive while maintaining safety.
  • the voltage of the battery stack 51 is constantly monitored by the detection element 53 that detects the voltage, and when the voltage becomes abnormal, a detection signal is output to the switch element 54 such as an FET. Control is performed so that the heating element 56 of the protection element 52 is energized by the switch element 54. Therefore, in the battery circuit 50, the detection element 53 for detecting the voltage and the switch element 54 for energizing the heating element 56 are essential, and it is necessary to secure a space for arranging the detection element 53 and the switch element 54.
  • the battery circuit 50 shown in FIG. 8 it is difficult to reduce the size and thickness of the battery circuit 50, and the electronic device on which the battery element 50 such as a battery pack is mounted is prevented from being reduced in size and thickness. Further, the battery circuit 50 shown in FIG. 8 has a large number of parts, which is disadvantageous in terms of manufacturing man-hours and costs.
  • an object of the present invention is to provide a battery circuit and a protection circuit that do not require the use of a switching element such as a detection element or FET in addition to the protection element.
  • a battery circuit includes a battery stack, a soluble conductor connected to a charge / discharge current path of the battery stack, and the melting conductor is blown off by generating heat.
  • a protection circuit unit including a heating element that cuts off a charging / discharging current path, and connected in series with the heating element, and connected in parallel with the battery stack, and when the voltage exceeds a predetermined voltage, And a current control element to be energized.
  • the protection circuit according to the present invention includes a fusible conductor connected to a current path of an external circuit, a heating element that blows off the fusible conductor by heat generation and interrupts the external circuit, and a series of the heating element. And a current control element that is connected in parallel with the external circuit, and energizes the heating element when a voltage equal to or higher than a predetermined voltage is reached.
  • the current control element when the battery stack becomes a high voltage exceeding the rating, the current control element is controlled to flow a current to the heating element, so that the detection element for monitoring the voltage value of the battery stack, Since it is not necessary to provide a switching element such as an FET for controlling energization according to the result of the detection element, the battery pack can be easily downsized, and the number of parts and assembly man-hours are not increased.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a battery circuit to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing another battery circuit to which the present invention is applied.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing another battery circuit to which the present invention is applied.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration example of the antifuse.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a battery circuit using an antifuse as a current control element.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing another battery circuit to which the present invention is applied.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a protection circuit to which the present invention is applied.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a battery circuit according to a conventional example.
  • the battery circuit 1 to which the present invention is applied is used by being incorporated in a circuit in a battery pack 10 of a lithium ion secondary battery, for example, as shown in FIG.
  • the battery pack 10 includes a battery stack 2, a protection circuit unit 3 that cuts off a charge / discharge current path when the battery stack 2 has an abnormal voltage, and a current control element 4 that controls a current flowing through the protection circuit unit 3.
  • the battery stack 2 has one or a plurality of battery cells 11 of lithium ion secondary batteries.
  • the protection circuit unit 3 includes a fusible conductor 5 connected to the charge / discharge current path of the battery stack 2 and a heating element 6 that melts the fusible conductor 5 to generate a heat and interrupts the charge / discharge current path.
  • the fusible conductor 5 can be made of any metal that is quickly melted by the heat generated by the heating element 6.
  • a low melting point metal such as Pb-free solder containing Sn as a main component can be suitably used.
  • the soluble conductor 5 may be formed by laminating a low melting point metal and a high melting point metal.
  • a laminated structure of a low-melting-point metal and a high-melting-point metal for example, a structure in which a low-melting-point metal foil is coated with a high-melting-point metal plating can be exemplified.
  • solder such as Pb-free solder containing Sn as a main component
  • the high melting point metal it is preferable to use Ag, Cu or an alloy containing these as main components.
  • the reflow temperature exceeds the melting temperature of the low melting point metal and the low melting point metal is melted.
  • the outflow of the low melting point metal to the outside can be suppressed, and the shape of the soluble conductor 5 can be maintained.
  • the low melting point metal melts, and the high melting point metal is eroded (soldered), so that the fusing can be quickly performed at a temperature lower than the melting point of the high melting point metal.
  • the fusible conductor 5 is connected in series on the charging / discharging path of the battery stack 2 by being soldered between a pair of electrodes formed separately from each other and connected to the charging / discharging path of the battery stack 2, Thereby, a part of charging / discharging path
  • the heating element 6 is a conductive member that has a relatively high resistance value and generates heat when energized, and is made of, for example, W, Mo, Ru, or the like. These alloys, compositions, or compound powders are mixed with a resin binder or the like to form a paste, and a pattern is formed on the insulating substrate on which the protective circuit portion 3 is formed using a screen printing technique. Or by firing.
  • the heating element 6 is connected in series with the current control element 4, and the heating element 6 and the current control element 4 are connected in parallel with the battery stack 2.
  • the battery circuit 1 forms a power supply path 7 that supplies power to the heating element 6.
  • energization of the heating element 6 is regulated by the current control element 4 when the battery cell 11 of the battery stack 2 is at the rated voltage.
  • the battery circuit 1 is energized in the power supply path 7 by the current control element 4.
  • the heating element 6 starts to generate heat and melts the soluble conductor 5.
  • the current control element 4 regulates energization to the heating element 6 side when the voltage of the battery stack 2 is within the rated range. Then, when the voltage of the battery stack 2 becomes equal to or higher than a predetermined value, the current control element 4 energizes the heating element 6 with the current of the battery stack 2 to generate heat.
  • a Zener diode 12 can be used as such a current control element 4, for example, a Zener diode 12 can be used.
  • the battery circuit 1 sets the breakdown voltage of the Zener diode 12 to a voltage value (for example, 4.5 v) detected when the battery cell 11 is overcharged, thereby reducing the voltage under normal conditions (for example, 4.2 v). ),
  • the energization of the heating element 6 is restricted and can be used as a normal power supply circuit.
  • the battery circuit 1 applies a voltage exceeding the breakdown voltage of the Zener diode 12, thereby causing a current to flow through the power supply path 7.
  • the heating element 6 can generate heat.
  • the battery circuit 1 is divided by melting the fusible conductor 1 due to heat generated by the heating element 6 and aggregating the molten conductor on a pair of electrodes separated from each other, thereby blocking the charge / discharge path of the battery stack 2. Can do.
  • the battery circuit 1 interrupts the charge / discharge path irreversibly because the battery circuit 1 interrupts the charge / discharge path by fusing the soluble conductor 5 of the protection circuit unit 3.
  • the battery circuit 1 is controlled so that a current is supplied to the power supply path 7 of the heating element 6 by the current control element 4 when the battery stack 2 becomes a high voltage exceeding the rating due to overcharging of the battery cell 11. Therefore, there is no need to provide a detection element for monitoring the voltage value of the battery stack 2 or a switch element such as an FET for controlling the current of the power supply path 7 according to the result of the detection element. In addition to being easy, the number of parts and the number of assembly steps are not increased.
  • the charge / discharge path is irreversibly blocked by fusing the fusible conductor 5, it is possible to cope with switch element failures, hacking, and vulnerability to cracking, which is stable and reliable.
  • the charge / discharge path can be interrupted.
  • the battery circuit 1 falls below the breakdown voltage of the Zener diode 12 due to the voltage drop due to the discharge of the battery cell 11, thereby stopping the power supply to the heating element 6 and stopping the heat generation. .
  • the battery circuit 1 may have two Zener diodes 12 arranged on the power supply path 7 so that the energization directions when the breakdown voltage is applied are opposite to each other.
  • the battery circuit 1 is connected in reverse when one zener diode 12 is used, and the power supply path 7 is energized during normal use, and the heating element It is possible to prevent the fusible conductor 5 from fusing due to the heat generated at 6.
  • the battery circuit 1 may connect the current control elements 4 in parallel for each of the plurality of battery cells 11 constituting the battery stack 2.
  • the battery stack 2 is configured by connecting four battery cells 11a to 11d in series, and a pair of zener diodes 12a to 12d with opposite energization directions connected in parallel to each of the battery cells 11a to 11d. Is done. Note that the Zener diodes 12a to 12d are set so that the breakdown voltage value also increases according to the voltage value at the connection point with the battery cells 11a to 11d.
  • the Zener diode 12 is connected to each of the plurality of battery cells 11, so that the battery circuit 1 has a normal voltage value of the battery stack 2 but any one of the battery cells 11 is overcharged due to overcharge. Even in the state, the charging / discharging path can be blocked by energizing the power supply path 7 and fusing the soluble conductor 5 by the heating element 6.
  • the battery circuit 1 may use an antifuse element as the current control element 4 in addition to the Zener diode 12.
  • the antifuse element 13 is an element that is short-circuited when a voltage of a predetermined level or higher is reached, and a current flows.
  • the insulator layer 23 is formed so as to be in contact with both the wiring patterns 22 a and 22 b and straddle the gap 21. This insulator layer 23 can be formed of SiO 2 or the like.
  • the wiring patterns 22a and 22b are insulated by the air gap 21, but when a voltage higher than a predetermined voltage is applied, the insulation by the insulator layer 23 is broken, and the current is insulated from one wiring pattern 22a. It flows through the body layer 23 and flows to the other wiring pattern 22b.
  • the power supply path 7 is energized by short-circuiting between the wiring patterns 22a and 22b, thereby generating heat.
  • the soluble conductor 5 can be melted by the heat generated by the body 6.
  • the antifuse element 13 is not limited to the configuration shown in FIG. 4, and includes any configuration that exhibits an equivalent function.
  • the battery circuit 1 uses the antifuse element 13 as the current control element 4, it is preferable to provide the soluble conductor 5 on both sides of the connection end with the heating element 6, as shown in FIG.
  • the battery circuit 1 when the heating element 6 generates heat, the pair of soluble conductors 5 provided on both sides of the connection end with the heating element 6 are fused together.
  • the battery circuit 1 may be provided with the fusible conductor 5 on both sides of the connection end with the heating element 6 even when the Zener diode 12 is used as the current control element 4.
  • the battery circuit 1 is connected to a detection element 8 that detects an abnormal voltage of the battery stack 2 and a heating element, and receives a detection signal from the detection element 8 to supply power to the heating element 6. 7 may be provided, and the current control element 4 may be connected in parallel with the switch element 9.
  • the detection element 8 is connected to the battery stack 2 or each battery cell 11 constituting the battery stack 2 and constantly monitors whether or not it is in a high voltage state. 9 outputs a control signal.
  • the switch element 9 controls the operation of the protection circuit unit 3 in accordance with the detection result of the detection element 8, and is constituted by, for example, an FET, restricts energization to the power supply path 7, and controls the control signal from the detection element 8. In response, the power supply path 7 is energized.
  • the switch element 9 and the current control element 4 are connected in parallel on the power feeding path 7.
  • the battery circuit 1 includes two methods: a method using the detection element 8 and the switch element 9 or a method using the current control element 4 such as the Zener diode 12 or the antifuse element 13 described above to interrupt the charge / discharge path. .
  • the battery circuit 1 can prevent the battery stack 2 and the battery cell 11 from being in a high voltage state.
  • the power feeding path 7 can be energized to block the charge / discharge path.
  • the protection circuit unit 3 and the current control element 4 are provided separately.
  • the present invention provides a current control element 4, a soluble conductor 5, and a heating element. 6 may be formed on one chip to form the protection circuit 30.
  • the protective circuit 30 is configured such that both ends of the fusible conductor 5 are connected to an external circuit 31 such as a battery circuit, and constitutes a part of a current path of the external circuit 31.
  • the protection circuit 30 is connected in parallel with a device in which the current control element 4 and the heating element 6 need to detect a high voltage state such as a battery stack in the external circuit 31.
  • the current control element 4 regulates the energization of the power supply path 7 in a normal state, and the power supply path 7 is energized when the external circuit 31 is in a high voltage state.
  • the fusible conductor 5 can be blown by the heat generating element 6 by heat generation, and the current path of the external circuit 31 can be cut off.
  • the protection circuit 30 can be used not only for a battery circuit but also for various external circuits that need to interrupt a current path by detecting a high voltage state.

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Abstract

　検出素子やスイッチ素子を用いる必要のないバッテリ回路を提供する。　バッテリスタック（２）と、バッテリスタック（２）の充放電電流経路に接続された可溶導体（５）と、発熱することにより可溶導体（５）を溶断させ充放電電流経路を遮断する発熱体（６）とを備えた保護回路部（３）と、発熱体（６）と直列に接続されるとともに、バッテリスタック（２）と並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると発熱体（６）に通電させる電流制御素子（４）とを有する。

Description

バッテリ回路、保護回路 関連出願へのクロスリファレンス
　本出願は、日本国特許出願２０１３－１８４６６１号（２０１３年９月６日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
　本発明は、電流経路を遮断する保護回路に関し、特にリチウムイオン二次電池等の緊急時に速やかに電流経路を遮断する必要のあるバッテリ回路や、バッテリ回路に用いて好適な保護回路に関する。
　充電して繰り返し利用することのできる二次電池の多くは、バッテリパックに加工されてユーザに提供される。特に重量エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池においては、ユーザ及び電子機器の安全を確保するために、一般的に、過充電保護、過放電保護等のための保障回路をバッテリパックに内蔵し、所定の場合にバッテリパックの出力を遮断する機能を有している。
　この種の回路では、バッテリパックに内蔵されたＦＥＴスイッチを用いて出力のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、バッテリパックの過充電保護又は過放電保護動作を行う。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴスイッチが短絡破壊した場合、雷サージ等が印加されて瞬間的な大電流が流れた場合、あるいはバッテリセルの寿命によって出力電圧が異常に低下したり、逆に過大異常電圧を出力した場合であっても、バッテリパックや電子機器は、発火等の事故から保護されなければならない。そこで、このような想定し得るいかなる異常状態においても、バッテリセルの出力を安全に遮断するために、外部からの信号によって電流経路を遮断する機能を有するヒューズ素子からなる保護素子が用いられる。
　このようなリチウムイオン二次電池等向けのバッテリ回路の保護素子として、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体によって電流経路上のヒューズを溶断する構造が一般的に用いられている。
　本発明の関連技術として、図８にバッテリ回路５０を示す。保護回路５０は、例えば、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いられるバッテリ回路であり、リチウムイオン二次電池のバッテリセルを備えたバッテリスタック５１と、バッテリスタック５１の異常時に充電を遮断する保護素子５２と、バッテリスタック５１の電圧を検出する検出素子５３と、検出素子５３の検出結果に応じて保護素子５２の動作を制御するスイッチ素子５４を備える。
　保護素子５２は、バッテリスタック５１の充放電電流経路上に直列に接続され、該充放電電流経路の一部を構成するヒューズ５５と、スイッチ素子５４と接続されバッテリスタック５１から電力が供給されることにより発熱し、ヒューズ５５を溶断させる発熱体５６とを有する。保護素子５２は、スイッチ素子５４によって発熱体５６への給電が制御されている。
　検出素子５３は、バッテリスタック５１の電圧をモニタし、過充電電圧又は過放電電圧になったときにスイッチ素子５４を制御する制御信号を出力する。
　スイッチ素子５４は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出素子５３から出力される検出信号によって、バッテリスタック５１の電圧値が所定の過放電又は過充電状態を超える電圧になったとき、保護素子５２を動作させて、バッテリスタック５１の充放電電流経路を遮断するように制御する。
　このような回路構成からなるバッテリ回路５０は、検出素子５３がバッテリスタック５１の異常電圧を検出すると、スイッチ素子５４に検出信号を出力する。検出信号を受けたスイッチ素子５４は、保護素子５２の発熱体５６にバッテリスタック５１から給電されるように電流を制御する。これにより、バッテリ回路５０は、発熱体５６が発熱して、ヒューズ５５が溶断することにより、充放電電流経路を遮断することができる。
特開２００５－２４３６５２号公報 特開２００６－２２１９１９号公報 特開２００９－２６７２９３号公報
　近年の電子機器の小型化、薄型化に伴い、リチウムイオン二次電池のバッテリパックも小型化、薄型化が求められている。また、リチウムイオン二次電池の普及に伴い、バッテリパック内の保護回路には、安全性を維持しつつ比較的構造がシンプルで且つ安価なものが求められている。
　しかし、図８に示すバッテリ回路５０では、電圧を検出する検出素子５３によってバッテリスタック５１の電圧を常時モニタし、異常電圧となった際にはＦＥＴ等のスイッチ素子５４に検出信号を出力し、スイッチ素子５４によって保護素子５２の発熱体５６へ通電するように制御する。したがって、バッテリ回路５０は、電圧を検出する検出素子５３、及び発熱体５６へ通電させるスイッチ素子５４が必須となり、これら検出素子５３及びスイッチ素子５４を配置するスペースを確保する必要がある。
　そのため、図８に示すバッテリ回路５０では、小型化、薄型化が困難となり、バッテリパック等のバッテリ素子５０が搭載される電子機器の小型化、薄型化を阻害してしまう。また、図８に示すバッテリ回路５０では、部品点数も多く、製造工数やコスト上も不利である。
　そこで、本発明は、保護素子の他に検出素子やＦＥＴ等のスイッチ素子を用いる必要のないバッテリ回路、保護回路を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決するために、本発明に係るバッテリ回路は、バッテリスタックと、上記バッテリスタックの充放電電流経路に接続された可溶導体と、発熱することにより上記可溶導体を溶断させ上記充放電電流経路を遮断する発熱体とを備えた保護回路部と、上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記バッテリスタックと並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると上記発熱体に通電させる電流制御素子とを有するものである。
　また、本発明に係る保護回路は、外部回路の電流経路に接続される可溶導体と、発熱することにより上記可溶導体を溶断させ上記外部回路を遮断する発熱体と、上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記外部回路と並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると上記発熱体に通電させる電流制御素子とを有するものである。
　本発明によれば、バッテリスタックが定格を超える高電圧となった場合に、電流制御素子によって発熱体に電流を流すように制御されることから、バッテリスタックの電圧値をモニタする検出素子や、検出素子の結果に応じて通電を制御するＦＥＴ等のスイッチ素子を設ける必要がないため、バッテリパックの小型化も容易となる他、部品点数の増加や、組み立て工数の増加を招くこともない。
図１は、本発明が適用されたバッテリ回路を示す回路図である。 図２は、本発明が適用された他のバッテリ回路を示す回路図である。 図３は、本発明が適用された他のバッテリ回路を示す回路図である。 図４は、アンチヒューズの一構成例を示す断面図である。 図５は、電流制御素子としてアンチヒューズを用いたバッテリ回路を示す回路図である。 図６は、本発明が適用された他のバッテリ回路を示す回路図である。 図７は、本発明が適用された保護回路を示す回路図である。 図８は、従来例に係るバッテリ回路を示す回路図である。
　以下、本発明が適用されたバッテリ回路及び保護回路について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
　本発明が適用されたバッテリ回路１は、図１に示すように、例えばリチウムイオン二次電池のバッテリパック１０内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック１０は、バッテリスタック２と、バッテリスタック２の異常電圧時に充放電電流経路を遮断する保護回路部３と、保護回路部３に流れる電流を制御する電流制御素子４とを有する。
　バッテリスタック２は、一又は複数のリチウムイオン二次電池のバッテリセル１１を有する。
　保護回路部３は、バッテリスタック２の充放電電流経路に接続された可溶導体５と、発熱することにより可溶導体５を溶断させ充放電電流経路を遮断する発熱体６とを有する。
　可溶導体５は、発熱体６の発熱により速やかに溶断されるいずれの金属を用いることができ、例えば、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属を好適に用いることができる。
　また、可溶導体５は、低融点金属と高融点金属とを積層して形成してもよい。低融点金属と高融点金属との積層構造としては、例えば、低融点金属箔を高融点金属メッキによって被覆する構造を挙げることができる。低融点金属としては、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダなどのハンダを用いることが好ましく、高融点金属としては、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金などを用いることが好ましい。高融点金属と低融点金属とを含有することによって、保護回路部３を構成する保護素子をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、低融点金属の外部への流出を抑制し、可溶導体５の形状を維持することができる。また、溶断時も、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。
　可溶導体５は、互いに分離されて形成されバッテリスタック２の充放電経路と接続された一対の電極間にハンダ付けされること等により、バッテリスタック２の充放電経路上に直列に接続され、これにより充放電経路の一部を構成し、発熱体６の発熱によって溶断することにより、充放電経路を遮断することができる。
　発熱体６は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する導電性を有する部材であって、たとえばＷ、Ｍｏ、Ｒｕ等からなる。これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合して、ペースト状にしたものを、保護回路部３が形成される絶縁基板上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成する。
　バッテリ回路１は、発熱体６が電流制御素子４と直列に接続されるとともに、これら発熱体６及び電流制御素子４がバッテリスタック２と並列に接続される。これにより、バッテリ回路１は、発熱体６に電力を供給する給電経路７が形成される。給電経路７は、バッテリスタック２のバッテリセル１１が定格電圧の状態においては、電流制御素子４によって発熱体６への通電が規制されている。そして、バッテリ回路１は、何らかの原因によりバッテリセル１１が過充電の状態となりバッテリスタック２が定格を超えた高電圧となった場合には、電流制御素子４によって給電経路７が通電されることにより、発熱体６が発熱を開始し、可溶導体５を溶断する。
　電流制御素子４は、バッテリスタック２の電圧が定格の範囲内である場合は、発熱体６側への通電を規制している。そして、電流制御素子４は、バッテリスタック２の電圧が所定の値以上になると、発熱体６へバッテリスタック２の電流を通電させて発熱させる。
　このような電流制御素子４としては、例えばツェナーダイオード１２を用いることができる。バッテリ回路１は、ツェナーダイオード１２の降伏電圧を、バッテリセル１１の過充電時において検出される電圧値（例えば、４．５ｖ）に設定することにより、正常時の電圧下（例えば、４．２ｖ）においては発熱体６への通電が規制され、通常の電源回路として使用できる。そして、バッテリ回路１は、バッテリセル１１の過充電によりバッテリスタック２が高電圧となった場合には、ツェナーダイオード１２の降伏電圧を超える電圧が印加されることにより、給電経路７に電流を流し、発熱体６を発熱させることができる。
　バッテリ回路１は、発熱体６の発熱により可溶導体１が溶融し、溶融導体が互いに分離した一対の電極上に凝集することにより分断され、これによりバッテリスタック２の充放電経路を遮断することができる。ここで、バッテリ回路１は、保護回路部３の可溶導体５を溶断することにより充放電経路を遮断することから、不可逆的に充放電経路を遮断する。
　このように、バッテリ回路１は、バッテリセル１１の過充電によりバッテリスタック２が定格を超える高電圧となった場合に、電流制御素子４によって発熱体６の給電経路７に電流を流すように制御されることから、バッテリスタック２の電圧値をモニタする検出素子や、検出素子の結果に応じて給電経路７の電流を制御するＦＥＴ等のスイッチ素子を設ける必要がないため、バッテリパック１０の小型化も容易となる他、部品点数の増加や、組み立て工数の増加を招くこともない。
　また、バッテリ回路１によれば、可溶導体５の溶断により、不可逆的に充放電経路を遮断することから、スイッチ素子の故障やハッキング、クラッキング対する脆弱性にも対応でき、安定的、かつ確実に充放電経路を遮断することができる。
　なお、バッテリ回路１は、可溶導体５の溶断後は、バッテリセル１１の放電による電圧降下によってツェナーダイオード１２の降伏電圧を下回ることにより、発熱体６への給電が止まり、発熱が停止される。
　また、バッテリ回路１は、図２に示すように、給電経路７上に、２つのツェナーダイオード１２を、降伏電圧を印加したときの通電方向が互いに逆向きになるように配置してもよい。通電方向が異なるように複数のツェナーダイオード１２を設けることにより、バッテリ回路１は、１つのツェナーダイオード１２を用いた場合に逆に接続し、通常使用時おいて給電経路７が通電し、発熱体６の発熱により可溶導体５が溶断する事態を防止できる。
　また、バッテリ回路１は、図３に示すように、バッテリスタック２を構成する複数のバッテリセル１１毎に電流制御素子４を並列接続してもよい。例えば、バッテリスタック２は、４個のバッテリセル１１ａ～１１ｄが直列に接続されて構成され、各バッテリセル１１ａ～１１ｄには、通電方向を逆にした一対のツェナーダイオード１２ａ～１２ｄが並列に接続される。なお、ツェナーダイオード１２ａ～１２ｄは、バッテリセル１１ａ～１１ｄとの接続箇所における電圧値に応じて、降伏電圧値も高くなるように設定される。
　このように、ツェナーダイオード１２が複数のバッテリセル１１毎に接続されることにより、バッテリ回路１は、バッテリスタック２の全電圧値が正常であるがバッテリセル１１のいずれかが過充電による高電圧状態となっている場合においても、給電経路７を通電させ、発熱体６により可溶導体５を溶断させて充放電経路を遮断することができる。
　なお、バッテリ回路１は、電流制御素子４として、ツェナーダイオード１２を用いる他に、アンチヒューズ素子を用いてもよい。アンチヒューズ素子１３は、所定以上の電圧になると短絡し、電流が流れるようになる素子であり、一例として図４に示すように、絶縁基板２０上に、空隙２１を隔てて配線パターン２２ａ、２２ｂを形成するとともに、配線パターン２２ａ、２２ｂの両方に接し、空隙２１を跨ぐように絶縁体層２３を形成する。この絶縁体層２３は、ＳｉＯ2等により形成することができる。
　配線パターン２２ａ、２２ｂ間は、空隙２１によって絶縁されているが、所定の電圧以上の電圧が印加されると、絶縁体層２３による絶縁が破壊され、電流が、一方の配線パターン２２ａから、絶縁体層２３を通り、他方の配線パターン２２ｂに流れる。
　このようなアンチヒューズ素子１３によっても、バッテリスタック２、あるいはバッテリセル１１のいずれかが高電圧状態となったときに、配線パターン２２ａ、２２ｂ間が短絡することにより給電経路７を通電させ、発熱体６の発熱により可溶導体５を溶断させることができる。
　なお、アンチヒューズ素子１３は、図４に示す構成に限らず、同等の機能を発揮するあらゆる構成が含まれる。
　また、バッテリ回路１は、電流制御素子４としてアンチヒューズ素子１３を用いる場合には、図５に示すように、発熱体６との接続端の両側に可溶導体５を設けることが好ましい。この場合、バッテリ回路１は、発熱体６が発熱することにより、発熱体６との接続端の両側に設けられた一対の可溶導体５が共に溶断する。これにより、バッテリ回路１は、バッテリセル１１の充放電経路が遮断されるとともに、発熱体６への給電経路７も遮断され、発熱体６の発熱が停止される。なお、バッテリ回路１は、電流制御素子４としてツェナーダイオード１２を用いた場合においても、発熱体６との接続端の両側に可溶導体５を設けてもよい。
　また、バッテリ回路１は、図６に示すように、バッテリスタック２の異常電圧を検出する検出素子８と、発熱体と接続され、検出素子８からの検出信号を受けて発熱体６の給電経路７を通電させるスイッチ素子９を備え、電流制御素子４をスイッチ素子９と並列に接続させてもよい。
　検出素子８は、バッテリスタック２あるいはバッテリスタック２を構成する各バッテリセル１１と接続され、高電圧状態となっているか否かを常時モニタするとともに、高電圧状態となった場合には、スイッチ素子９に制御信号を出力する。
　スイッチ素子９は、検出素子８の検出結果に応じて保護回路部３の動作を制御するものであり、たとえばＦＥＴにより構成され、給電経路７への通電を規制し、検出素子８からの制御信号を受けて給電経路７を通電させる。
　バッテリ回路１は、スイッチ素子９と電流制御素子４とが給電経路７上に並列に接続されている。そして、バッテリ回路１は、充放電経路の遮断を、検出素子８及びスイッチ素子９による方法、又は上述したツェナーダイオード１２又はアンチヒューズ素子１３等の電流制御素子４によって行う方法の２つの方法を備える。
　これにより、バッテリ回路１は、検出素子８及びスイッチ素子９、又は電流制御素子４のいずれか一方が故障した場合にも、他方の素子によってバッテリスタック２やバッテリセル１１の高電圧状態に対して給電経路７を通電させ、充放電経路を遮断することができる。
　なお、バッテリ回路１においては、保護回路部３と電流制御素子４とを別個に設けたが、本発明は、図７に示すように、電流制御素子４と、可溶導体５と、発熱体６とを１チップ上に形成することにより、保護回路３０としてもよい。
　保護回路３０は、可溶導体５の両端が、バッテリ回路等の外部回路３１に接続され、当該外部回路３１の電流経路の一部を構成する。また、保護回路３０は、電流制御素子４及び発熱体６が、外部回路３１における、バッテリスタック等の高電圧状態を検出する必要のあるデバイスと並列に接続される。
　かかる保護回路３０によっても、外部回路３１に組み込まれることにより、正常時においては、電流制御素子４によって給電経路７の通電を規制し、外部回路３１が高電圧状態になると給電経路７を通電させて、発熱体６を発熱により可溶導体５を溶断させ、当該外部回路３１の電流経路を遮断することができる。
　保護回路３０は、バッテリ回路に用いる他にも、高電圧状態を検出することにより電流経路を遮断する必要のある各種外部回路に用いることができる。
１　バッテリ回路、２　バッテリスタック、３　保護回路部、４　電流制御素子、５　可溶導体、６　発熱体、７　給電経路、８　検出素子、９　スイッチ素子、１０　バッテリパック、１１　バッテリセル、１２　ツェナーダイオード、１３　アンチヒューズ素子、２０　絶縁基板、２１　空隙、２２　配線パターン、２３　絶縁体層、３０　保護回路、３１　外部回路

Claims (8)

  1. 　バッテリスタックと、
    　上記バッテリスタックの充放電電流経路に接続された可溶導体と、発熱することにより上記可溶導体を溶断させ上記充放電電流経路を遮断する発熱体とを備えた保護回路部と、
    　上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記バッテリスタックと並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると上記発熱体に通電させる電流制御素子とを有するバッテリ回路。
  2. 　上記電流制御素子は、ツェナーダイオードである請求項１記載のバッテリ回路。
  3. 　通電方向の異なる複数の上記ツェナーダイオードが設けられている請求項２記載のバッテリ回路。
  4. 　上記電流制御素子が上記バッテリスタックのバッテリセル毎に並列に接続されている請求項１～３のいずれか１項に記載のバッテリ回路。
  5. 　上記バッテリスタックの異常電圧を検出する検出素子と、
    　上記発熱体と接続され、上記検出素子からの検出信号を受けて上記発熱体に通電させるスイッチ素子を備え、
    　上記電流制御素子は、上記スイッチ素子と並列に接続されている請求項１～３のいずれか１項に記載のバッテリ回路。
  6. 　上記電流制御素子は、アンチヒューズである請求項１記載のバッテリ回路。
  7. 　外部回路の電流経路に接続される可溶導体と、
    　発熱することにより上記可溶導体を溶断させ上記外部回路を遮断する発熱体と、
    　上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記外部回路と並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると上記発熱体に通電させる電流制御素子とを有する保護回路。
  8. 　上記電流制御素子は、ツェナーダイオードである請求項７記載の保護回路。
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