WO2015107629A1 - 保護回路、及び保護回路の制御方法 - Google Patents

保護回路、及び保護回路の制御方法 Download PDF

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武雄 木村
後藤　一夫
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デクセリアルズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a protection circuit for preventing overcurrent and overvoltage of a battery pack by using a protection element provided with a heating resistor and a fuse element on a substrate, and a control method of the protection circuit.
  • HEV Hybrid Electric Vehicle
  • EV Electric Vehicle
  • a lithium ion secondary battery has been used from the viewpoint of energy density and output characteristics.
  • a high voltage and a large current are required.
  • dedicated cells that can withstand high voltages and large currents have been developed, but in many cases due to manufacturing cost problems, it is necessary to connect multiple battery cells in series and in parallel to use general-purpose cells. Secures the correct voltage and current.
  • Lithium ion secondary batteries have excellent characteristics, but it is essential to manage charge / discharge characteristics. If abnormal battery cells are treated normally, there is a risk of ignition and explosion. Absent. Therefore, when there are a plurality of battery cells, the voltage balance between the cells becomes important, and when abnormal cells are included, other normal cells are also affected and correct charging / discharging is not performed. .
  • BMS Battery Management System
  • a sudden drop in driving force or a sudden stop may be dangerous, and battery management that assumes an emergency is required.
  • a driving force for moving it is preferable to supply a driving force for moving to a repair shop or a safe place, or a driving force for a hazard lamp or an air conditioner.
  • a circuit protection element 54 for interrupting the current path of the entire circuit is provided on the charge / discharge path of the entire battery pack 50, and the current path of the battery stack 51a is interrupted by one battery stack 51a.
  • a protection circuit provided with a stack protection element 55 is proposed. According to this, when an abnormality occurs in the battery cell 53 of one battery stack 51a, by operating the stack protection element 55, only the battery stack 51 is removed from the charge / discharge path of the battery pack 50, and the output is Although it falls, it can continue supplying electric power with the remaining battery stack 51b.
  • the circuit protection element 54 constitutes a part of the charging / discharging path of the battery pack 50, and a fuse element that melts by self-heating and interrupts the current path when an overcurrent flows is used.
  • This fuse element has a capacity that can sufficiently withstand normal charging / discharging by all the battery stacks 51a and 51b, and blows when an overcurrent of, for example, 1.5 times the normal output of all the battery stacks 51a and 51b flows. Have capacity.
  • the fuse of the circuit protection element 54 has an excessive capacity with respect to the output from the remaining battery stack 51b. For this reason, even when an abnormality occurs in the battery cell 53 of the other battery stack 51b and an overcurrent flows through the fuse element of the circuit protection element 54, the battery stack 53b is not properly melted and thermal runaway cannot be prevented. .
  • the present invention provides a protection circuit capable of appropriately operating a protection element according to the output of the remaining battery even when some of the plurality of batteries are removed from the current path, and control of the protection circuit It aims to provide a method.
  • a protection circuit includes a battery module in which a plurality of batteries are connected in parallel, and a part of a current path for charging or discharging the battery provided in each of the batteries. And a second protection element constituting a part of a current path for charging or discharging the battery module, wherein the second protection element includes a heating resistor, charging or discharging A plurality of fuse portions having a part of a current path of discharge and having a fusible conductor fused by heat or self-heating of the heating resistor, and the plurality of fuse portions are respectively provided by the heating resistors.
  • the fusible conductor can be blown individually.
  • the protection circuit control method includes: a battery module in which a plurality of batteries are connected in parallel; and a battery module that is provided in each of the batteries and that forms part of a current path for charging or discharging the battery. 1 protection element and a second protection element constituting a part of a current path for charging or discharging the battery module, wherein the second protection element is a heating resistor according to the number of batteries.
  • a plurality of fuse parts having a part of a current path for charging or discharging and a fusible conductor fused by heat or self-heating of the heating resistor, and provided in the battery in which an abnormality has occurred
  • the first protection element is operated, the abnormal battery is disconnected from the current path, and each of the soluble conductors is generated by each of the heating resistors in response to the interruption of the abnormal battery. Blown individually.
  • the battery stack protection element when an abnormality such as an overvoltage is detected in the battery, the battery stack protection element is activated to isolate the battery from the circuit, and charge / discharge can be performed only by the remaining battery.
  • the stack protection element of the battery is activated, the circuit protection element is activated, and a part of the fuse portion is blown.
  • the rating of the circuit protection element that constitutes a part of the charge / discharge path of the battery module can be lowered, and the maximum battery It can be set as the circuit protection element according to an output.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a protection circuit to which the present invention is applied.
  • 2A is a cross-sectional view illustrating the configuration of the stack protection element
  • FIG. 2B is a plan view illustrating the configuration of the stack protection element.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the stack protection element.
  • FIG. 4 is a plan view of the circuit protection element.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of the circuit protection element.
  • FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional battery pack.
  • FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration of another conventional battery pack.
  • the protection circuit 1 to which the present invention is applied has a plurality of battery stacks 3 in which a plurality of battery cells 2 are connected in series, and the battery stacks 3 are connected in parallel. It has a battery module 4.
  • a battery module 4 in which two battery stacks 3a and 3b are connected in parallel will be described as an example.
  • three or more battery stacks 3 may be connected in parallel.
  • a stack protection element 5 is incorporated in each of the battery stacks 3a and 3b.
  • the protection circuit 1 controls the circuit protection element 7 that interrupts the current path of the entire circuit and the charge / discharge in the battery stacks 3a and 3b, detects abnormal voltages of the battery cells 2, and responds to the detection result. And a battery pack 9 in which the battery stacks 3a and 3b, the circuit protection element 7 and the BMS control element 8 are incorporated.
  • the stack protection element 5 includes a fuse element having a function of cutting off a current path by a signal from the BMS control element 8 in order to safely cut off the output of the battery stack 3a or 3b, and constitutes a part of the current path. When the fuse element is blown, the current path of the battery stack 3a or 3b is irreversibly cut off.
  • the stack protection element 5 includes an insulating substrate 11, a heating resistor 14 laminated on the insulating substrate 11 and covered with an insulating member 15, and both ends of the insulating substrate 11. Electrodes 12 (A 1) and 12 (A 2) formed on the insulating member 15, the heating element extraction electrode 16 laminated on the insulating member 15 so as to overlap the heating resistor 14, and both ends of the electrodes 12 (A 1) and 12 ( A2) and a soluble conductor 13 having a central portion connected to the heating element extraction electrode 16.
  • the rectangular insulating substrate 11 is formed of an insulating member such as alumina, glass ceramics, mullite, zirconia, or the like.
  • an insulating member such as alumina, glass ceramics, mullite, zirconia, or the like.
  • the material used for printed wiring boards such as a glass epoxy board
  • the heating resistor 14 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 on the insulating substrate 11 by patterning using a screen printing technique and firing.
  • the insulating member 15 is disposed so as to cover the heating resistor 14, and the heating element extraction electrode 16 is disposed so as to face the heating resistor 14 through the insulating member 15.
  • an insulating member 15 may be laminated between the heating resistor 14 and the insulating substrate 11.
  • One end of the heating element extraction electrode 16 is connected to the heating element electrode 18 (P1).
  • the other end of the heating resistor 14 is connected to the other heating element electrode 18 (P2).
  • the fusible conductor 13 is made of a low-melting-point metal that is quickly melted by the heat generated by the heating resistor 14 or the self-heating of the fusible conductor 13, and for example, Pb-free solder containing Sn as a main component can be suitably used.
  • the soluble conductor 13 may be a laminate of a low melting point metal and a high melting point metal such as Ag, Cu, or an alloy containing these as a main component.
  • a soluble conductor 13 may be formed by depositing a low melting point metal on a high melting point metal by using a plating technique, or may be formed by using another known lamination technique or film forming technique. .
  • the fusible conductor 13 is solder-connected to the heating element extraction electrode 16 and the electrodes 12 (A1) and 12 (A2) using the low melting point metal. can do.
  • the stack protective element 5 may apply a flux to almost the entire surface of the soluble conductor 13 in order to prevent oxidation of the outer low-melting-point metal layer 13b. Further, the stack protection element 5 may have a cover member placed on the insulating substrate 11 in order to protect the inside.
  • the stack protection element 5 to which the present invention as described above is applied has a circuit configuration as shown in FIG. That is, the stack protection element 5 melts the soluble conductor 13 by energizing the fusible conductor 13 connected in series via the heating element lead electrode 16 and the connecting point of the fusible conductor 13 to generate heat.
  • the circuit configuration includes the heating resistor 14.
  • the fusible conductor 13 is connected in series on the charge / discharge current path, and the heating resistor 14 is connected to the BMS control element 7.
  • One of the two electrodes 12 of the stack protection element 5 is connected to A1, and the other is connected to A2. Further, the heating element extraction electrode 16 and the heating element electrode 18 connected thereto are connected to P1, and the other heating element electrode 18 is connected to P2.
  • the circuit protection element 7 is composed of a fuse element having a function of blocking a current path by a signal from the BMS control element 8 in order to safely cut off the output of the battery pack 9, and constitutes a part of the current path. As a result of fusing, the current path of the battery pack 9 is irreversibly interrupted.
  • circuit protection element 7 used in the battery pack 9 in which two battery stacks 3a and 3b are connected in parallel as shown in FIG. 1 will be described. It can be used for a battery pack.
  • the circuit protection element 7 has first and second fuse parts 20 and 21 that can be blown individually corresponding to the two battery stacks 3a and 3b.
  • the first and second fuse portions 20 and 21 are formed on the insulating substrate 22.
  • the first fuse portion 20 is stacked on the insulating substrate 22 and covered with the first insulating member 23, and the first electrodes 25 (A1) formed on both ends of the insulating substrate 22. ), 25 (A2), a first heating element extraction electrode 28 laminated on the first insulating member 23 so as to overlap the first heating resistor 24, and both ends of the first electrode 25 (A1) ), 25 (A2), and a first soluble conductor 29 having a central portion connected to the first heating element extraction electrode 28.
  • the second fuse portion 21 is stacked on the insulating substrate 22 and covered with the second insulating member 30, and the second electrodes 32 (A 1) formed on both ends of the insulating substrate 22. ), 32 (A2), a second heating element extraction electrode 34 laminated on the second insulating member 30 so as to overlap the second heating resistor 31, and both ends of the second electrode 32 (A1). ), 32 (A2), and a second soluble conductor 35 having a central portion connected to the second heating element extraction electrode 34.
  • Insulating substrate 22, first and second insulating members 23 and 30, first and second heating resistors 24 and 31, first and second heating element lead electrodes 28 and 34, and first and second The fusible conductors 29 and 35 have the same configuration as the insulating substrate 11, the insulating member 15, the heating resistor 14, the heating element lead electrode 16, and the fusible conductor 13 of the stack protection element 5 described above.
  • the first electrodes 25 (A1) and 25 (A2) and the second electrodes 32 (A1) and 32 (A2) also have the same configuration as the electrodes 12 (A1) and 12 (A2) described above.
  • the first electrode 25 (A1) and the second electrode 32 (A1) are electrically connected to continue to the current path of the battery pack 9, and the first electrode 25 (A2) and the second electrode 32 are connected.
  • (A2) is also electrically connected and is continued in the current path of the battery pack 9.
  • One end of the first heating element extraction electrode 28 is connected to the first heating element electrode 27 (P1).
  • the other end of the first heating resistor 24 is connected to the first heating element electrode 27 (P2).
  • one end of the second heating element extraction electrode 34 is connected to the second heating element electrode 33 (P1).
  • the other end of the second heating resistor 31 is connected to the second heating element electrode 33 (P2).
  • flux may be applied to almost the entire surface of the first and second soluble conductors 29 and 35.
  • the circuit protection element 7 may place a cover member on the insulating substrate 22 in order to protect the inside.
  • the circuit protection element 7 to which the present invention as described above is applied has a circuit configuration as shown in FIG. That is, the first fuse portion 20 of the circuit protection element 7 has a connection point between the first fusible conductor 29 and the first fusible conductor 29 connected in series via the first heating element extraction electrode 28.
  • the first heat generating resistor 24 melts the first fusible conductor 29 by energizing it to generate heat.
  • the second fuse portion 21 of the circuit protection element 7 has a connection point between the second fusible conductor 35 and the second fusible conductor 35 connected in series via the second heating element extraction electrode 34.
  • a second heating resistor 31 that melts the second soluble conductor 35 by energizing it to generate heat.
  • the first and second fusible conductors 29 and 35 are connected in series on the charge / discharge current path of the battery pack 9, and the first and second heating resistors 24 and 31 are controlled by BMS. It is connected to the element 7.
  • the first fuse portion 20 has one of the two first electrodes 25 connected to A1, the other connected to A2, and the first heating element extraction electrode 28 and the first connected to the first heating element extraction electrode 28.
  • the heating element electrode 27 is connected to P1, and the other first heating element electrode 27 is connected to P2.
  • one of the two second electrodes 32 of the second fuse portion 21 is connected to A1, the other is connected to A2, and the second heating element extraction electrode 34 is connected to the second heating electrode 21.
  • the second heating element electrode 33 is connected to P1, and the other second heating element electrode 33 is connected to P2.
  • the BMS control element 8 detects the voltage of each battery cell 2 and blows the fusible conductors 13, 29, 35 of the stack protection element 5 and the circuit protection element 7 according to the detection result.
  • the BMS control element 8 is connected to the heating resistor 14 of the stack protection element 5 and the first and second heating resistors 24 and 31 of the circuit protection element 7, and each of the heating resistors 14, 24 and 31 has a current individually. Can be heated individually. Thereby, the BMS control element 8 can melt
  • the stack protection element 5 and the circuit protection element 7 can melt the fusible conductors 13, 29, and 35 due to self-heating due to an overcurrent caused by an abnormality of the battery cell 2, and can interrupt the current path. Note that the stack protection element 5 and the circuit protection element 7 may detect an overcurrent by the BMS control element 8, cause the heating resistors 14, 24, and 31 to generate heat, and melt the fusible conductors 13, 29, and 35. .
  • the stack protection element 5 and the circuit protection element 7 have the fusible conductors 13, 29, 35 blown by the heat of the heating resistors 14, 24, 31 or by self-heating, so that the current path becomes irreversible. It can be shut off and is not affected by abnormal circuit operation. Therefore, the function as a protection element can be realized reliably. Further, the stack protection element 5 and the circuit protection element 7 do not operate only by an overcurrent like a so-called fuse type protection element, and can be operated by an abnormal voltage or other factors described later. It can respond to every situation. Further, the stack protection element 5 and the circuit protection element 7 do not require electric power to maintain the interruption state of the current path unlike the electric switch type protection element, and can reliably maintain the interruption state.
  • the protection circuit 1 monitors the voltage of the battery cells 2 constituting the battery stacks 3a and 3b by the BMS control element 8, and when an overvoltage occurs in some of the battery cells 2, the BMS control element 8 causes the battery cell 2 to In order to cut off the battery stack 3 having 2 from the current path, the current is individually supplied to the heating resistors 14 of the stack protection element 5 provided in the battery stack 3 to generate heat individually. As a result, the BMS control element 8 can individually melt the soluble conductor 13 of the stack protection element 5, cut off only the battery stack 3 having the battery cell 2 in which an abnormality has occurred, and leave the remaining battery. Power can be supplied by the stack 3.
  • the BMS control element 8 energizes the heating resistor 14 of the stack protection element 5 of the battery stack 3a when an abnormality such as an overvoltage is detected in the battery cell 2 of the battery stack 3a.
  • the fusible conductor 13 is melted to isolate the battery stack 3a from the circuit.
  • the protection circuit 1 can be charged / discharged only by the remaining battery stack 3b.
  • the protection circuit 1 activates the stack protection element 5 of the battery stack 3a by the BMS control element 8 and also activates the circuit protection element 7 so that the first fuse part 20 is blown. Thereby, the protection circuit 1 can lower the rating of the circuit protection element 7 constituting a part of the charge / discharge path of the battery pack 9 in accordance with the decrease of the battery stack 3.
  • the circuit protection element 7 includes a plurality of fuse portions according to the number of battery stacks 3, and thereby has a large capacity rating according to the capacity of the battery stack 3.
  • the protection circuit 1 shuts off a part of the battery stack 3 from the charge / discharge path of the battery pack 9 and activates a part of the fuse portion of the circuit protection element 7 to shut off the charge / discharge path.
  • the protection circuit 1 can lower the rating of the circuit protection element 7 in accordance with the decrease of the battery stack 3, and can have a rating suitable for the capacity of the remaining battery stack 3. Therefore, the protection circuit 1 can maintain the same output as before the decrease of the battery stack 3a even when an abnormality occurs in the battery cell 2 of the remaining battery stack 3b and an overcurrent flows through the circuit protection element 7.
  • the second fusible conductor 35 of the two fuse portions 21 can be blown appropriately. That is, the protection circuit 1 can change the operating condition of the circuit protection element 7 according to the power supply output, and can improve safety.
  • one fuse portion of the circuit protection element 7 may be provided for one battery stack 3, one fuse portion is provided for a plurality of battery stacks 3, and a fuse portion is provided in accordance with a decrease in the plurality of battery stacks 3. May be melted to lower the rating. Further, a plurality of fuse portions of the circuit protection element 7 may be provided for one battery stack 3, and the plurality of fuse portions may be blown in accordance with the decrease of one battery stack 3.
  • the protection circuit 1 is configured to install a current sensor in the current path, accurately detect the overcurrent, operate the circuit protection element 7 by the BMS control element 8, and interrupt the circuit. It may be. Further, as shown in FIG. 4, the first and second fuse portions 20 and 21 may be formed in parallel on one surface of the insulating substrate 22, or may be respectively formed on the front and back of the insulating substrate 22. .
  • BMS A command may be transmitted to the control element 8 so that the stack protection element 5 of each battery stack 3 and the fuse portion of the circuit protection element 7 are blown to interrupt the current path.
  • the fuse portions of the stack protection element 5 and the circuit protection element 7 are used. May be cut off from the current path.
  • the stack protection element 5 and the circuit protection element 7 of each battery stack 3 The fuse portion may be blown to interrupt the current path.
  • 1 protection circuit 2 battery cell, 3 battery stack, 5 stack protection element, 7 circuit protection element, 8 BMS control element, 9 battery pack, 11 insulating substrate, 12 electrode, 13 fusible conductor, 14 heating resistor, 15 insulation Member, 16 heating element extraction electrode, 17 flux, 18 heating element electrode, 19 cover member, 20 first fuse part, 21 second fuse part, 22 insulating substrate, 23 first insulating member, 24 first heating Resistor, 25 first electrode, 27 first heating element electrode, 28 first heating element extraction electrode, 29 first soluble conductor, 30 second insulating member, 31 second heating resistor, 32 2nd electrode, 33 2nd heating element electrode, 34 2nd heating element extraction electrode, 35 2nd soluble conductor

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Abstract

　複数のバッテリの一部が電流経路上から除かれた場合にも、残存するバッテリの出力に応じて保護素子を適切に作動させる。複数のバッテリ（３）が並列に接続されてなるバッテリモジュール（４）と、各バッテリ（３）毎に設けられ、該バッテリ（３）の充電又は放電の電流経路の一部を構成する第１の保護素子５と、バッテリモジュール（４）の充電又は放電の電流経路の一部を構成する第２の保護素子７とを備え、第２の保護素子７は、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを有する複数のヒューズ部（２０），（２１）を備え、複数のヒューズ部（２０），（２１）は、各発熱抵抗体によって各可溶導体を個別に溶断可能とされている。

Description

保護回路、及び保護回路の制御方法
　本発明は、基板上に発熱抵抗体とヒューズエレメントを設けた保護素子を用いて、バッテリパックの過電流や過電圧を防止する保護回路、及び保護回路の制御方法に関する。
　近年、バッテリとモーターを使用したＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）やＥＶ（Electric Vehicle）が急速に普及している。ＨＥＶやＥＶの動力源としては、エネルギー密度と出力特性からリチウムイオン二次電池が使用されるようになってきている。自動車用途では、高電圧、大電流が必要とされる。このため、高電圧、大電流に耐えられる専用セルが開発されているが、製造コスト上の問題から多くの場合、複数のバッテリセルを直列、並列に接続することで、汎用セルを用いて必要な電圧電流を確保している。
　リチウムイオン二次電池は優れた特性を持っているが、充放電特性の管理が不可欠で、異常なバッテリセルに対して通常通りの処理をしていると、発火や爆発といった危険を発生しかねない。したがって、バッテリセルが複数になると、セル間の電圧バランスが重要となり、異常なセルが含まれると、そのほかの正常なセルにも影響を与え、正しい充放電が行われなくなってしまうという問題がある。
　このような事態を避けるために、多くのリチウムイオン二次電池を使用したバッテリーシステムでは、充放電経路上に接続されたヒューズ素子と、バッテリ全体を管理する電源管理システム（ＢＭＳ：Battery Management System）とが組み込まれている。ＢＭＳではバッテリセルごとの充放電状態（電圧、容量など）を管理しており、異常が検知されると、ＦＥＴスイッチなどを使ってヒューズ素子に外部から信号を与えて回路の出力部分を遮断し、異常発熱による出火等のトラブルを回避する。
　近年では、これまで行われてきたような充放電の状態管理（ＳＯＣ：State of Charge）だけではなく、バッテリーシステムの容量劣化（ＳＯＨ：State of Health）、バッテリ寿命（ＳＯＬ：State of Life）の考えに基づくバッテリーシステム管理が重要視されてきている。
特許第４２０７８７７号公報
　ところで、高速移動中の自動車等では、急激な駆動力の低下や急停止は却って危険な場合があり、非常時を想定したバッテリ管理が求められている。例えば、走行中にバッテリーシステムの異常が起きた際にも、修理工場若しくは安全な場所まで移動するための駆動力、あるいはハザードランプやエアコン用の駆動力を供給できることが、危険回避上、好ましい。
　しかし、図６に示すように、複数のバッテリスタック５１が並列に接続されたバッテリパック５０において、充放電経路上にのみ保護素子５２を設けたような場合、バッテリスタック５１を構成するバッテリセル５３の一部に異常が発生し保護素子５２を作動させると、バッテリパック５０全体の充放電経路が遮断されてしまい、これ以上、電力を供給することができない。
　そこで、図７に示すように、バッテリパック５０全体の充放電経路上に回路全体の電流経路を遮断する回路保護素子５４を設けるとともに、一方のバッテリスタック５１ａに当該バッテリスタック５１ａの電流経路を遮断するスタック保護素子５５を設ける保護回路が提案されている。これによると、一方のバッテリスタック５１ａのバッテリセル５３に異常が発生した場合、スタック保護素子５５を作動させることで、当該バッテリスタック５１のみがバッテリパック５０の充放電経路上から除去され、出力は落ちるものの、残ったバッテリスタック５１ｂによって電力を供給し続けることができる。
　回路保護素子５４は、バッテリパック５０の充放電経路の一部を構成するとともに、過電流が流れた際に、自己発熱により溶融して電流経路を遮断するヒューズエレメントが用いられている。このヒューズエレメントは、全バッテリスタック５１ａ，５１ｂによる通常の充放電に十分耐えられる容量を備え、全バッテリスタック５１ａ，５１ｂの通常の出力に対して例えば１．５倍の過電流が流れると溶断する容量を有する。
　ここで、一方のバッテリスタック５１ａのバッテリセル５３に異常が生じ、スタック保護素子５５を作動させて当該一方のバッテリセル５１をバッテリパック５０の充放電経路から除去した場合、回路保護素子５４のヒューズエレメントは、残存する他方のバッテリスタック５１ｂによる出力に対して、過剰容量となってしまう。このため、他方のバッテリスタック５１ｂのバッテリセル５３に異常が発生し、回路保護素子５４のヒューズエレメントに過電流が流れた場合にも、適切に溶断されず、熱暴走を防止することができなくなる。
　そこで、本発明は、複数のバッテリの一部が電流経路上から除かれた場合にも、残存するバッテリの出力に応じて保護素子を適切に作動させることができる保護回路、及び保護回路の制御方法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、本発明に係る保護回路は、複数のバッテリが並列に接続されてなるバッテリモジュールと、各上記バッテリに設けられ、該バッテリの充電又は放電の電流経路の一部を構成する第１の保護素子と、上記バッテリモジュールの充電又は放電の電流経路の一部を構成する第２の保護素子とを備え、上記第２の保護素子は、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに上記発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを有する複数のヒューズ部を備え、複数の上記ヒューズ部は、各上記発熱抵抗体によって各上記可溶導体を個別に溶断可能とされているものである。
　また、本発明に係る保護回路の制御方法は、複数のバッテリが並列に接続されてなるバッテリモジュールと、各上記バッテリに設けられ、該バッテリの充電又は放電の電流経路の一部を構成する第１の保護素子と、上記バッテリモジュールの充電又は放電の電流経路の一部を構成する第２の保護素子とを備え、上記第２の保護素子は、上記バッテリの数に応じて、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに上記発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを有する複数のヒューズ部を備え、異常が起きた上記バッテリに設けられた上記第１の保護素子を作動させ、異常が起きた上記バッテリを電流経路から遮断し、異常が起きた上記バッテリの遮断に応じて、各上記発熱抵抗体によって各上記可溶導体を個別に溶断する。
　本発明によれば、バッテリに過電圧等の異常が検知された場合、バッテリのスタック保護素子を作動させて、バッテリを回路上から隔離するとともに、残存するバッテリのみによって充放電が可能となる。ここで、本発明では、バッテリのスタック保護素子を作動させるとともに、回路保護素子を作動させ、一部のヒューズ部を溶断させる。これにより、本発明によれば、バッテリの減少によって最大出力が減少した場合であっても、バッテリモジュールの充放電経路の一部を構成する回路保護素子の定格を下げることができ、バッテリの最大出力に応じた回路保護素子とすることができる。
図１は、本発明が適用された保護回路の構成を示す図である。 図２Ａは、スタック保護素子の構成を示す断面図、図２Ｂは、スタック保護素子の構成を示す平面図である。 図３は、スタック保護素子の回路図である。 図４は、回路保護素子の平面図である。 図５は、回路保護素子の回路図である。 図６は、従来のバッテリパックの回路構成を示す図である。 図７は、他の従来のバッテリパックの回路構成を示す図である。
　以下、本発明が適用された保護回路、及び保護回路の制御方法について、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。
　［保護回路］
　図１に示すように、本発明が適用された保護回路１は、複数のバッテリセル２が直列に接続された複数のバッテリスタック３を有し、各バッテリスタック３同士が、並列に接続されたバッテリモジュール４を有する。ここでは、説明の便宜上、２つのバッテリスタック３ａ，３ｂが並列接続されたバッテリモジュール４を例に説明するが、本発明は、バッテリスタック３が３つ以上並列接続されていてもよい。各バッテリスタック３ａ，３ｂには、それぞれ、スタック保護素子５が組み込まれている。また、保護回路１は、回路全体の電流経路を遮断する回路保護素子７と、バッテリスタック３ａ，３ｂ内の充放電を制御するとともに、各バッテリセル２の異常電圧を検出し、検出結果に応じてスタック保護素子５及び回路保護素子７を駆動するＢＭＳ制御素子８とを有し、これらバッテリスタック３ａ，３ｂ、回路保護素子７及びＢＭＳ制御素子８が組み込まれたバッテリパック９を構成する。
　［スタック保護素子］
　スタック保護素子５は、バッテリスタック３ａ又は３ｂの出力を安全に遮断するために、ＢＭＳ制御素子８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り、電流経路の一部を構成するヒューズエレメントが溶断することにより、不可逆的に当該バッテリスタック３ａ又は３ｂの電流経路を遮断する。
　具体的に、スタック保護素子５は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱抵抗体１４と、絶縁基板１１の両端に形成された電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と、絶縁部材１５上に発熱抵抗体１４と重畳するように積層された発熱体引出電極１６と、両端が電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。
　方形状の絶縁基板１１は、例えば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアなどの絶縁性を有する部材によって形成される。その他、ガラスエポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよいが、ヒューズ溶断時の温度に留意する必要がある。
　発熱抵抗体１４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、例えば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絶縁基板１１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。
　発熱抵抗体１４を覆うように絶縁部材１５が配置され、この絶縁部材１５を介して発熱抵抗体１４に対向するように発熱体引出電極１６が配置される。発熱抵抗体１４の熱を効率良く可溶導体に伝えるために、発熱抵抗体１４と絶縁基板１１の間に絶縁部材１５を積層しても良い。
　発熱体引出電極１６の一端は、発熱体電極１８（Ｐ１）に接続される。また、発熱抵抗体１４の他端は、他方の発熱体電極１８（Ｐ２）に接続される。
　可溶導体１３は、発熱抵抗体１４の発熱、又は可溶導体１３の自己発熱により速やかに溶断される低融点金属からなり、例えばＳｎを主成分とするＰｂフリーハンダを好適に用いることができる。また、可溶導体１３は、低融点金属と、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金等の高融点金属との積層体であってもよい。
　高融点金属と低融点金属とを積層することによって、スタック保護素子５をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属層の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、可溶導体１３として溶断するに至らない。かかる可溶導体１３は、高融点金属に低融点金属をメッキ技術を用いて成膜することによって形成してもよく、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いることによって形成してもよい。なお、可溶導体１３は、低融点金属を用いて外層を構成する場合には、当該低融点金属を利用して発熱体引出電極１６及び電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）へ、ハンダ接続することができる。
　なお、スタック保護素子５は、外層の低融点金属層１３ｂの酸化防止のために、可溶導体１３上のほぼ全面にフラックスを塗布してもよい。また、スタック保護素子５は、内部を保護するためにカバー部材を絶縁基板１１上に載置してもよい。
　以上のような本発明が適用されたスタック保護素子５は、図３に示すような回路構成を有する。すなわち、スタック保護素子５は、発熱体引出電極１６を介して直列接続された可溶導体１３と、可溶導体１３の接続点を介して通電して発熱させることによって可溶導体１３を溶融する発熱抵抗体１４とからなる回路構成である。また、スタック保護素子５では、可溶導体１３が充放電電流経路上に直列接続され、発熱抵抗体１４がＢＭＳ制御素子７と接続される。スタック保護素子５の２個の電極１２のうち、一方は、Ａ１に接続され、他方は、Ａ２に接続される。また、発熱体引出電極１６とこれに接続された発熱体電極１８は、Ｐ１に接続され、他方の発熱体電極１８は、Ｐ２に接続される。
　［回路保護素子］
　次いで、回路全体の電流経路を遮断する回路保護素子７について説明する。回路保護素子７は、バッテリパック９の出力を安全に遮断するために、ＢＭＳ制御素子８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り、電流経路の一部を構成するヒューズエレメントが溶断することにより、不可逆的に当該バッテリパック９の電流経路を遮断する。
　以下では、図１に示すように２つのバッテリスタック３ａ，３ｂが並列に接続されているバッテリパック９に用いられる回路保護素子７について説明するが、本発明は複数のバッテリスタックが接続されたあらゆるバッテリパックに用いることができる。
　具体的に、回路保護素子７は、図４に示すように、２つのバッテリスタック３ａ，３ｂに対応して、個別に溶断可能な第１、第２のヒューズ部２０，２１を有する。第１、第２のヒューズ部２０，２１は、絶縁基板２２上に形成されている。
　第１のヒューズ部２０は、絶縁基板２２に積層され、第１の絶縁部材２３に覆われた第１の発熱抵抗体２４と、絶縁基板２２の両端に形成された第１の電極２５（Ａ１），２５（Ａ２）と，第１の絶縁部材２３上に第１の発熱抵抗体２４と重畳するように積層された第１の発熱体引出電極２８と、両端が第１の電極２５（Ａ１），２５（Ａ２）にそれぞれ接続され、中央部が第１の発熱体引出電極２８に接続された第１の可溶導体２９とを備える。
　第２のヒューズ部２１は、絶縁基板２２に積層され、第２の絶縁部材３０に覆われた第２の発熱抵抗体３１と、絶縁基板２２の両端に形成された第２の電極３２（Ａ１），３２（Ａ２）と，第２の絶縁部材３０上に第２の発熱抵抗体３１と重畳するように積層された第２の発熱体引出電極３４と、両端が第２の電極３２（Ａ１），３２（Ａ２）にそれぞれ接続され、中央部が第２の発熱体引出電極３４に接続された第２の可溶導体３５とを備える。
　絶縁基板２２、第１、第２の絶縁部材２３，３０、第１、第２の発熱抵抗体２４，３１、第１、第２の発熱体引出電極２８，３４、及び第１、第２の可溶導体２９，３５は、それぞれ、上述したスタック保護素子５の絶縁基板１１、絶縁部材１５、発熱抵抗体１４、発熱体引出電極１６、及び可溶導体１３と同様の構成を有する。
　また、第１の電極２５（Ａ１），２５（Ａ２）、及び第２の電極３２（Ａ１），３２（Ａ２）も、上述した電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と同様の構成を有する。また、第１の電極２５（Ａ１）及び第２の電極３２（Ａ１）は電気的に接続されてバッテリパック９の電流経路に連続され、第１の電極２５（Ａ２）及び第２の電極３２（Ａ２）も電気的に接続されてバッテリパック９の電流経路に連続される。
　第１の発熱体引出電極２８の一端は、第１の発熱体電極２７（Ｐ１）に接続される。また、第１の発熱抵抗体２４の他端は、第１の発熱体電極２７（Ｐ２）に接続される。同様に、第２の発熱体引出電極３４の一端は、第２の発熱体電極３３（Ｐ１）に接続される。また、第２の発熱抵抗体３１の他端は、第２の発熱体電極３３（Ｐ２）に接続される。
　なお、回路保護素子７においても、第１、第２の可溶導体２９，３５上のほぼ全面にフラックスを塗布してもよい。また、回路保護素子７は、内部を保護するためにカバー部材を絶縁基板２２上に載置してもよい。
　以上のような本発明が適用された回路保護素子７は、図５に示すような回路構成を有する。すなわち、回路保護素子７の第１のヒューズ部２０は、第１の発熱体引出電極２８を介して直列接続された第１の可溶導体２９と、第１の可溶導体２９の接続点を介して通電して発熱させることによって第１の可溶導体２９を溶融する第１の発熱抵抗体２４とからなる回路構成である。また、回路保護素子７の第２のヒューズ部２１は、第２の発熱体引出電極３４を介して直列接続された第２の可溶導体３５と、第２の可溶導体３５の接続点を介して通電して発熱させることによって第２の可溶導体３５を溶融する第２の発熱抵抗体３１とからなる回路構成である。
　また、回路保護素子７では、第１、第２の可溶導体２９，３５がバッテリパック９の充放電電流経路上に直列接続され、第１、第２の発熱抵抗体２４，３１がＢＭＳ制御素子７と接続される。第１のヒューズ部２０は、２つの第１の電極２５のうち、一方はＡ１に接続され、他方はＡ２に接続され、また、第１の発熱体引出電極２８とこれに接続された第１の発熱体電極２７はＰ１に接続され、他方の第１の発熱体電極２７はＰ２に接続される。同様に第２のヒューズ部２１の２つの第２の電極３２のうち、一方はＡ１に接続され、他方はＡ２に接続され、また、第２の発熱体引出電極３４とこれに接続された第２の発熱体電極３３はＰ１に接続され、他方の第２の発熱体電極３３はＰ２に接続される。
　［ＢＭＳ制御素子］
　ＢＭＳ制御素子８は、各バッテリセル２の電圧を検出するとともに、検出結果に応じて、スタック保護素子５及び回路保護素子７の各可溶導体１３，２９，３５を溶断するものである。ＢＭＳ制御素子８は、スタック保護素子５の発熱抵抗体１４及び回路保護素子７の第１、第２の発熱抵抗体２４，３１と接続され、各発熱抵抗体１４，２４，３１に個別に電流を供給することにより、個別に発熱させることができる。これにより、ＢＭＳ制御素子８は、保護素子５，７の各可溶導体１３，２９，３５を個別に溶断することができる。
　スタック保護素子５及び回路保護素子７は、バッテリセル２の異常による過電流によっても、可溶導体１３，２９，３５が自己発熱によって溶断し、電流経路を遮断することができる。なお、スタック保護素子５及び回路保護素子７は、ＢＭＳ制御素子８によって過電流を検知し、発熱抵抗体１４，２４，３１を発熱させ、可溶導体１３，２９，３５を溶断させてもよい。
　このように、スタック保護素子５及び回路保護素子７は、可溶導体１３，２９，３５が発熱抵抗体１４，２４，３１の熱によって、あるいは自己発熱によって溶断するため、電流経路を不可逆的に遮断することができ、回路の異常動作による影響がない。したがって、保護素子としての機能を確実に実現することができる。また、スタック保護素子５及び回路保護素子７は、いわゆるヒューズ方式の保護素子のように、過電流でのみ動作するものではなく、異常電圧や、後述するその他の要因によっても作動させることができ、あらゆる事態に対応することができる。また、スタック保護素子５及び回路保護素子７は、電気スイッチ方式の保護素子のように、電流経路の遮断状態の維持に電力を必要とせず、遮断状態を確実に維持することができる。
　［保護回路の駆動工程］
　次いで、保護回路１の駆動工程について説明する。保護回路１は、バッテリパック９に定格よりも大きな過電流が生じ、スタック保護素子５の可溶導体１３や、回路保護素子７の第１、第２の可溶導体２９，３５に通電すると、可溶導体１３，２９，３５が自己発熱（ジュール熱）によって溶断し、バッテリパック９の充放電経路が遮断される。
　また、保護回路１は、ＢＭＳ制御素子８によってバッテリスタック３ａ，３ｂを構成するバッテリセル２の電圧をモニタし、一部のバッテリセル２に過電圧が生じると、ＢＭＳ制御素子８によって、当該バッテリセル２を有するバッテリスタック３を電流経路から遮断するために、当該バッテリスタック３に設けられているスタック保護素子５の発熱抵抗体１４に対して個別に電流を供給し、個別に発熱させる。これにより、ＢＭＳ制御素子８は、当該スタック保護素子５の可溶導体１３を個別に溶断することができ、異常が生じたバッテリセル２を有するバッテリスタック３のみを回路から遮断し、残存するバッテリスタック３によって電力を供給することができる。
　例えば、図１に示すように、ＢＭＳ制御素子８は、バッテリスタック３ａのバッテリセル２に過電圧等の異常が検知された場合、バッテリスタック３ａのスタック保護素子５の発熱抵抗体１４に通電することにより可溶導体１３を溶断し、バッテリスタック３ａを回路上から隔離する。これにより、保護回路１は、残存するバッテリスタック３ｂのみによって充放電が可能となる。
　ここで、保護回路１は、ＢＭＳ制御素子８によってバッテリスタック３ａのスタック保護素子５を作動させるとともに、回路保護素子７を作動させ、第１のヒューズ部２０を溶断させる。これにより、保護回路１は、バッテリスタック３の減少に応じて、バッテリパック９の充放電経路の一部を構成する回路保護素子７の定格を下げることができる。
　すなわち、回路保護素子７は、バッテリスタック３の数に応じて複数のヒューズ部を備え、これにより、バッテリスタック３の容量に応じた大容量の定格を有する。そして、保護回路１は、一部のバッテリスタック３をバッテリパック９の充放電経路から遮断するとともに、回路保護素子７の一部のヒューズ部を作動させ充放電経路から遮断する。
　これにより、保護回路１は、バッテリスタック３の減少に応じて回路保護素子７の定格を下げることができ、残存するバッテリスタック３の容量に適した定格とすることができる。したがって、保護回路１は、残存するバッテリスタック３ｂのバッテリセル２に異常が発生し、回路保護素子７に過電流が流れた場合にも、バッテリスタック３ａの減少前と同じ出力で、残存する第２のヒューズ部２１の第２の可溶導体３５を適切に溶断させることができる。すなわち、保護回路１は、回路保護素子７の作動条件を、電源出力に応じて可変とすることができ、安全性を向上させることができる。
　なお、回路保護素子７のヒューズ部は、一つのバッテリスタック３に対して一つ設けてもよく、複数のバッテリスタック３に対して一つ設け、複数のバッテリスタック３の減少に応じてヒューズ部を溶断し、定格を下げるようにしてもよい。また、回路保護素子７のヒューズ部は、一つのバッテリスタック３に対して複数設け、一つのバッテリスタック３の減少に応じて複数のヒューズ部を溶断するようにしてもよい。
　また、より一層の安全のため、保護回路１は、電流経路に電流センサーを設置して、過電流を正確に検出してＢＭＳ制御素子８により回路保護素子７を作動させ、回路を遮断するようにしてもよい。また、第１、第２のヒューズ部２０，２１は、図４に示すように、絶縁基板２２の一面上に並列して形成されてもよく、絶縁基板２２の表裏にそれぞれ形成されてもよい。
　［ＢＭＳ制御素子の駆動トリガー］
　なお、上記では、バッテリスタック３内におけるバッテリセル２の異常電圧を検知することによりスタック保護素子５及び回路保護素子７のヒューズ部を溶断させて、当該バッテリスタック３を電流経路上から切り離すとともに回路保護素子７の定格を下げるようにしたが、スタック保護素子５及び回路保護素子７のヒューズ部を溶断させるトリガーとしては、バッテリモジュール４が搭載される機器側に応じて種々設定することができる。
　例えばバッテリモジュール４をＥＶやＨＥＶに搭載する場合や電動工具に搭載する場合、バッテリセル２の異常の他にも、事故による衝撃や、水没、火災等による温度上昇といった事態が起きた場合にＢＭＳ制御素子８に指令が発信され、各バッテリスタック３のスタック保護素子５及び回路保護素子７のヒューズ部を溶断し、電流経路を遮断するようにしてもよい。また、他のバッテリセル２に比して、特に劣化が進んだバッテリセル２が生じた場合にも、当該バッテリセル２の影響を抑えるために、スタック保護素子５及び回路保護素子７のヒューズ部を溶断し、電流経路から切り離すようにしてもよい。また、バッテリモジュール４を家庭用電源として用いる場合、火災や、大規模地震による倒壊、津波による水没等の事態が起きた場合にも、各バッテリスタック３のスタック保護素子５及び回路保護素子７のヒューズ部を溶断し、電流経路を遮断するようにしてもよい。
１　保護回路、２　バッテリセル、３　バッテリスタック、５　スタック保護素子、７　回路保護素子、８　ＢＭＳ制御素子、９　バッテリパック、１１　絶縁基板、１２　電極、１３　可溶導体、１４　発熱抵抗体、１５　絶縁部材、１６　発熱体引出電極、１７　フラックス、１８　発熱体電極、１９　カバー部材、２０　第１のヒューズ部、２１　第２のヒューズ部、２２　絶縁基板、２３　第１の絶縁部材、２４　第１の発熱抵抗体、２５　第１の電極、２７　第１の発熱体電極、２８　第１の発熱体引出電極、２９　第１の可溶導体、３０　第２の絶縁部材、３１　第２の発熱抵抗体、３２　第２の電極、３３　第２の発熱体電極、３４　第２の発熱体引出電極、３５　第２の可溶導体

Claims (6)

  1. 　複数のバッテリが並列に接続されてなるバッテリモジュールと、
    　各上記バッテリに設けられ、該バッテリの充電又は放電の電流経路の一部を構成する第１の保護素子と、
    　上記バッテリモジュールの充電又は放電の電流経路の一部を構成する第２の保護素子とを備え、
    　上記第２の保護素子は、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに上記発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを有する複数のヒューズ部を備え、
    　複数の上記ヒューズ部は、各上記発熱抵抗体によって各上記可溶導体を個別に溶断可能とされている保護回路。
  2. 　上記第１の保護素子及び上記第２の保護素子を作動させる制御素子を備える請求項１記載の保護回路。
  3. 　上記第１の保護素子は、発熱抵抗体と、上記バッテリの充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに上記発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを備える請求項１又は２に記載の保護回路。
  4. 　上記各バッテリの異常電圧を検知する検知素子が組み込まれている請求項１又は２に記載の保護回路。
  5. 　上記各バッテリは、複数のバッテリセルが直列又は並列に接続されたバッテリスタックを構成する請求項１又は２に記載の保護回路。
  6. 　複数のバッテリが並列に接続されてなるバッテリモジュールと、
    　各上記バッテリに設けられ、該バッテリの充電又は放電の電流経路の一部を構成する第１の保護素子と、
    　上記バッテリモジュールの充電又は放電の電流経路の一部を構成する第２の保護素子とを備え、
    　上記第２の保護素子は、上記バッテリの数に応じて、発熱抵抗体と、充電又は放電の電流経路の一部を構成するとともに上記発熱抵抗体の熱又は自己発熱によって溶断する可溶導体とを有する複数のヒューズ部を備え、
    　異常が起きた上記バッテリに設けられた上記第１の保護素子を作動させ、異常が起きた上記バッテリを電流経路から遮断し、
    　異常が起きた上記バッテリの遮断に応じて、各上記発熱抵抗体によって各上記可溶導体を個別に溶断する保護回路の制御方法。
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