JP4886212B2 - 保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池を過剰な充電や過大な放電電流から保護する保護回路に関する。

図９は、背景技術に係る電池パックの構成を示す回路図である。図９に示す電池パック１０１は、保護回路１０２と、二次電池１０３とを備えている。二次電池１０３は、例えばリチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素二次電池、あるいはニッケルカドミウム二次電池等の充電可能な二次電池である。このような二次電池は、過剰に充電されたり放電電流が過大になったりすると、サイクル寿命等の特性が劣化したり、電池の膨張や変形等を招いたりする場合がある。そこで、電池パック１０１は、二次電池１０３を過剰な充電や、過大な放電電流から保護する保護回路１０２を備えている（例えば、特許文献１参照。）。

保護回路１０２は、外部接続端子１０４，１０５と、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）１０６，１０７と、基準電圧源１０８，１０９と、コンパレータ１１０，１１１と、抵抗１１２と、論理回路１１３とを備えている。

外部接続端子１０４，１０５は、二次電池１０３を充電するための充電装置を接続したり、二次電池１０３からの放電電流により駆動される携帯電話機やデジタルカメラ等のモバイル機器、電動工具、ロボット、電動自転車等の駆動用電源を接続したりするための接続端子である。そして、外部接続端子１０４と、二次電池１０３と、ＦＥＴ１０６と、ＦＥＴ１０７と、外部接続端子１０５とが直列に接続されている。

ＦＥＴ１０６は、寄生ダイオードのアノードが二次電池１０３側になる方向にされており、ＦＥＴ１０７は、寄生ダイオードのアノードが外部接続端子１０５側になる方向にされている。そして、ＦＥＴ１０６は、二次電池１０３の放電電流が過大になった場合に放電電流を遮断する過放電保護用のスイッチとして用いられ、ＦＥＴ１０７は、二次電池１０３が過充電になった場合に充電電流を遮断する過充電保護用のスイッチとして用いられる。

また、二次電池１０３の正極端子がコンパレータ１１０の＋端子に印加され、基準電圧源１０８から出力された基準電圧Ｖｒｅｆ１がコンパレータ１１０の−端子に印加され、コンパレータ１１０の出力端子が論理回路１１３に接続されている。基準電圧Ｖｒｅｆ１としては、二次電池１０３の過充電を検出するための電圧が設定されている。そして、コンパレータ１１０は、外部接続端子１０４，１０５に接続された図略の充電装置によって二次電池１０３が充電され、二次電池１０３の端子電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えると、過充電を示す検知信号を論理回路１１３へ出力するようになっている。

また、ＦＥＴ１０６とＦＥＴ１０７との接続点が、抵抗１１２を介してコンパレータ１１１の−端子に接続され、基準電圧源１０９から出力された基準電圧Ｖｒｅｆ２がコンパレータ１１１の＋端子に印加されている。これにより、二次電池１０３からの放電電流がＦＥＴ１０６を流れ、ＦＥＴ１０６のオン抵抗により生じた電圧降下が抵抗１１２を介してコンパレータ１１１の−端子へ印加される。また、基準電圧Ｖｒｅｆ２は、例えば二次電池１０３の特性劣化を招かない範囲での最大の放電電流がＦＥＴ１０６を流れた場合にＦＥＴ１０６のオン抵抗で生じる電圧降下に相当する電圧が設定されている。

そして、コンパレータ１１１は、例えば外部接続端子１０４，１０５が、金属片に接触したり、外部接続端子１０４，１０５に接続された負荷機器が故障したりすること等によって短絡し、二次電池１０３から過大な放電電流が流れると、ＦＥＴ１０６における電圧降下の上昇を検知して、過電流の放電を示す検知信号を論理回路１１３へ出力するようになっている。

論理回路１１３は、コンパレータ１１０から過充電を示す検知信号が出力されると、二次電池１０３の充電を停止させるべくＦＥＴ１０７をオフさせ、コンパレータ１１１から過電流の放電を示す検知信号が出力されると、二次電池１０３の放電を停止させるべくＦＥＴ１０６をオフさせる。これにより、保護回路１０２は、二次電池１０３を、過剰な充電や過電流の放電から保護するようになっている。

また、このように二次電池を過剰な充電や、過電流の放電から保護する保護回路としては、図１０に示す電池パック１２１のように、二次電池１２２とＰＴＣ素子１２３とを直列に接続し、例えば外部接続端子１２４，１２５に接続された充電装置１２６が故障した場合等、充電が過剰となって二次電池１２２が発熱したりＰＴＣ素子１２３が自己発熱したりすることによって、ＰＴＣ素子１２３が加熱されると、ＰＴＣ素子１２３がオフして充電電流を遮断し、二次電池１２２を保護するようにしたものが知られている。

また、図１１に示す電池パック１３１のように、所定の温度を超えた場合にオフするサーミスタであるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子であるＰＴＣ素子１３２を用いて、二次電池１３３とＰＴＣ素子１３２とを直列に接続し、例えば外部接続端子１３４，１３５に接続された充電装置１３６が故障した場合等、充電が過剰となって二次電池１３３が発熱したりＰＴＣ素子１３２が自己発熱したりすることによって、ＰＴＣ素子１３２が加熱されると、ＰＴＣ素子１３２がオフして充電電流を遮断し、二次電池１３３を保護するようにしたものが知られている。
特開平４−７５４３０号公報

しかしながら、図９に示す保護回路１０２は、ＦＥＴには寄生ダイオードが有るために、電流の流れる方向が異なる放電電流と充電電流とを一つのＦＥＴで遮断することができず、放電電流を遮断するＦＥＴ１０６と、充電電流を遮断するＦＥＴ１０７とを備える必要があった。また、過充電を検出するために基準電圧源１０８とコンパレータ１１０とを必要とし、過大な放電電流を検出するために基準電圧源１０９とコンパレータ１１１と抵抗１１２とを必要とし、コンパレータ１１０，１１１の出力信号に基づき２つのＦＥＴ１０６，１０７をオン・オフさせる論理回路１１３を必要とするため、保護回路１０２の回路規模が増大するという不都合があった。

更に、図１０や図１１に示すように、ＰＴＣ素子等の温度によって動作する温度スイッチを二次電池と直列に接続することで二次電池を過充電から保護する構成では、過充電を検出する精度が低いため、例えば充電電圧の制御精度の低い粗悪な充電装置によって電池パックの充電が行われた場合のように、温度が急激に上昇しない程度の充電電流で二次電池の充電が継続されると、温度スイッチが動作しないまま二次電池が過充電され、二次電池の特性が劣化したり、電池の膨張や変形等を招いたりするおそれがあるという不都合があった。

本発明は、このような問題に鑑みて為された発明であり、簡素な回路で二次電池を過剰な充電や過大な放電電流から保護することができる保護回路を提供することを目的とする。

本発明による保護回路は、二次電池を充電する充電装置及び／又は前記二次電池からの放電電流により駆動される負荷機器を接続するための第１及び第２の接続端子と、二次電池の両極に接続される第３及び第４の接続端子と、前記第１及び第３の接続端子間に直列接続され、所定の温度を超えた場合にオフする第１及び第２のＰＴＣ素子と、前記第１のＰＴＣ素子と前記第２のＰＴＣ素子との間に一端が接続され、前記第１及び第２のＰＴＣ素子を加熱するヒータと、一端が前記ヒータの他端に接続され、他端が前記第２及び第４の接続端子に接続されたスイッチング素子と、前記二次電池の電圧が所定の基準電圧を超えた場合、前記スイッチング素子をオンさせ、前記二次電池の電圧が前記基準電圧以下の場合、前記スイッチング素子をオフさせる過充電検知部とを備える保護回路であって、前記保護回路は回路基板に実装され、前記ヒータは、前記回路基板の所定位置に形成された孔の内部に、その下面が前記回路基板の裏面と連続するように取り付けられ、前記第１及び第２のＰＴＣ素子は、各々一部が前記ヒータの下面に接するように前記回路基板の裏面に取り付けられ、前記ヒータを前記回路基板の表面側から裏面側に向けて押えるように前記回路基板の表面に取り付けられた板金と、前記第１のＰＴＣ素子を前記回路基板の裏面側から表面側に向けて押えるように前記回路基板の裏面に取り付けられた第１の固定部材と、前記第２のＰＴＣ素子を前記回路基板の裏面側から表面側に向けて押えるように前記回路基板の裏面に取り付けられた第２の固定部材とを備える。

また、上記構成において、前記過充電検知部は、出力端子が前記スイッチング素子に接続されたコンパレータと、前記コンパレータの一方の入力端子に前記基準電圧を印加する基準電圧源と、前記コンパレータの他方の入力端子と前記第３の接続端子との間に接続された抵抗とを備えることが好ましい。

また、上記構成において、前記スイッチング素子は、前記過充電検知部の出力端子がゲートに接続された電界効果型トランジスタであることが好ましい。

また、上記構成において、前記スイッチング素子と前記過充電検知部とを１つの集積回路により構成したことが好ましい。

また、上記構成において、前記スイッチング素子は、オンしたときの消費電力によって前記第１及び第２のＰＴＣ素子を加熱し、前記ヒータを当該スイッチング素子により構成したことが好ましい。

また、上記構成において、前記第１及び第２のＰＴＣ素子は、平板状のマイナス電極と、前記マイナス電極の上側に積層された低抵抗ポリマーと、前記低抵抗ポリマーの上側に積層された複数個のプラス電極と、前記低抵抗ポリマーの上側に積層され、前記複数個のプラス電極の間に交互に配設された複数個の制御電極とによって櫛形状に構成され、前記プラス電極の前記低抵抗ポリマー側の断面積を前記制御電極の前記低抵抗ポリマー側の断面積より大きくすることが好ましい。

請求項１記載の発明によれば、二次電池からの放電電流が所定の電流値を超えた場合に第１及び第２のＰＴＣ素子が自己発熱によりオフして放電電流を遮断するので、二次電池を過大な放電電流から保護することができる。そのため、図９示すような過放電防止用のＦＥＴ１０６、基準電圧源１０９、及び過大な放電電流を検出するためのコンパレータ１１１が不要となり、回路の簡素化を図ることができる。また、二次電池の電圧が予め設定された基準電圧を超えた場合に、過充電検知部によりスイッチング素子がオンされ、ヒー
タに充電電流が流れ、第１及び第２のＰＴＣ素子がヒータにより加熱されてオフされ、二次電池への充電電流が遮断され過充電保護状態となるため、二次電池を過充電から保護することができる。
また、請求項１記載の発明によれば、回路基板の所定の位置に形成された孔の内部にヒータを取り付け、ヒータの裏面には第１及び第２のＰＴＣ素子が取り付けられ、ヒータと第１のＰＴＣ素子とは、板金と第１の固定部材とによって挟持され、また、ヒータと第２のＰＴＣ素子とは板金と第２の固定部材とによって挟持されているため、第１及び第２のＰＴＣ素子にヒータを接触させつつ、ヒータ、第１のＰＴＣ素子、及び第２のＰＴＣ素子を安定して回路基板に取り付けることができる。

更に、放電電流と充電電流とを第１及び第２のＰＴＣ素子により遮断することができるため、回路を簡素化することができる。更に、第１及び第２のＰＴＣ素子間にヒータを接続したため、上記過充電保護動作時において、充電器から二次電池に供給される微弱な過充電電流はヒータ側へ流れ、ヒータによって放電されるため、過充電保護動作時での微弱な電流による二次電池の過充電の進行を防ぐことができる。

更に、２個のＰＴＣ素子を備えているため、一方のＰＴＣ素子が破損しても、他方のＰＴＣ素子により二次電池を過充電及び過大な放電電流から保護することができ、安全性及び信頼性を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、コンパレータが基準電圧と二次電池の電圧とを比較してスイッチング素子のオン・オフを制御するため、二次電池の過充電をより正確に検知することができる。

請求項３記載の発明によれば、スイッチング素子として、電界効果型のトランジスタを用いたため、過充電保護動作時において、より確実に第１及び第２のＰＴＣ素子をオフさせることができる。

請求項４記載の発明によれば、回路基板の所定の位置に形成された孔の内部にヒータを取り付け、ヒータの裏面には第１及び第２のＰＴＣ素子が取り付けられ、ヒータと第１のＰＴＣ素子とは、板金と第１の固定部材とによって挟持され、また、ヒータと第２のＰＴＣ素子とは板金と第２の固定部材とによって挟持されているため、第１及び第２のＰＴＣ素子にヒータを接触させつつ、ヒータ、第１のＰＴＣ素子、及び第２のＰＴＣ素子を安定して回路基板に取り付けることができる。

請求項４記載の発明によれば、スイッチング素子と過充電検知部とを１つの集積回路により構成したため、回路の小型化を図ることができる。

請求項５記載の発明によれば、スイッチング素子がオンしたときに発生する熱を利用して第１及び第２のＰＴＣ素子を加熱しているため、ヒータが不要となり部品点数の削減及び回路の小型化を図ることができる。

請求項６記載の発明によれば、複数個の制御電極と複数個のプラス電極とを低抵抗ポリマーの同じ面上に積層したため、図９に示す従来の構造に比べて素子の薄型化を図ることができる。また、低抵抗ポリマーの同一面上に複数個の制御電極を配列すると共に、複数個の制御電極の間に複数個のプラス電極を交互に櫛形状に配列し、かつ、プラス電極の低抵抗ポリマー側の断面積を、制御電極の低抵抗ポリマー側の断面積より大きくしたため、プラス電極及びマイナス電極間に大きな電流を流しつつ、プラス電極及び制御電極間に流れる小さな電流により低抵抗ポリマーを発熱することができ、効率良く第１及び第２のＰＴＣ素子を動作させることができる。更に、第１及び第２のＰＴＣ素子を一体形成することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る電池パックの一例を示す分解斜視図である。図１に示す電池パック１は、有底の容器２と、外部接続端子ユニット３と、容器２と外部接続端子ユニット３との間に挿入される板状のスペーサ４とを備えている。容器２には、二次電池６が収容され、かしめ封口されており、二次電池６に凸状に設けられた正極端子６１が容器２の開口端から突出するようにされている。また、容器２は、ニッケルメッキを表面に施した鋼板から構成されており、二次電池６の負極が容器２の内部で容器２と接続されている。

外部接続端子ユニット３は、例えば樹脂成形されたケース３１を備えて構成され、充電装置や負荷機器を接続するための接続端子Ｔ１，Ｔ２がケース３１の表面に露出して設けられている。また、接続端子Ｔ２と接続された、例えば板状の金属により構成された接続端子Ｔ４が、容器２と接続される方向に突出して設けられている。

図２は、図１に示す電池パック１の電気的構成の一例を示す回路図である。図１に示す電池パック１は、保護回路５と、二次電池６とを備えている。二次電池６は、例えばリチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素二次電池、あるいはニッケルカドミウム二次電池等の充電可能な二次電池である。保護回路５は、二次電池６を過剰な充電や、過大な放電電流から保護する保護回路である。

保護回路５は、外部接続端子ユニット３の内部に配設されており、接続端子Ｔ１（第１の接続端子）、接続端子Ｔ２（第２の接続端子）、接続端子Ｔ３（第３の接続端子）、接続端子Ｔ４（第４の接続端子）、２個のＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２、コンパレータＣＭＰ１、基準電圧源Ｅ１、抵抗Ｒ１、トランジスタＱ１、及びヒータＲ２を備えている。接続端子Ｔ３及び接続端子Ｔ４は、二次電池６の両極に、それぞれ接続される接続端子である。

接続端子Ｔ１及び接続端子Ｔ２は、二次電池６を充電する図略の充電装置及び／又は二次電池６からの放電電流により駆動される負荷機器を接続するための接続端子である。負荷機器は、例えば携帯電話機、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯型パーソナルコンピュータ、電動工具等、電池で駆動される種々の電気機器である。

ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２は、ポリマ系のＰＴＣサーミスタ（ＰＴＣ：Positive Temperature Coefficient＝正の温度係数を持つサーミスタ）で、素子温度がある温度より上昇すると急減に抵抗値が変化する復帰型の感熱スイッチである。

図３は、ＰＴＣ素子の温度特性を示したグラフであり、縦軸は抵抗の値を示し横軸は素子温度を示している。図３に示すように、温度が８５℃より低い領域では、ＰＴＣ素子の抵抗はなだらかに上昇しているが、８５℃を超えたあたりから抵抗の値が急激に上昇していることが分かる。

ここで、グラフの傾きが急峻となる変曲点の温度を動作温度Ｔｓｗ１と呼ぶことにする。従って、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２は、過電流により内部の温度が動作温度Ｔｓｗ１を超える、又は、外部加熱により内部の温度が動作温度Ｔｓｗ１を超えるとオフすることになる。動作温度Ｔｓｗ１としては、例えば二次電池６の特性を劣化させない温度範囲における最高温度が設定されているものとする。

図２に示すヒータＲ２は、ＰＴＣ素子ＳＷ１とＰＴＣ素子ＳＷ２との間に接続され、例えば正の温度特性、すなわち温度の増減に応じて抵抗値が増減するＰＴＣサーミスタが用いられる。これにより、ヒータＲ２に電圧を印加すると、ヒータＲ２の自己発熱によってヒータＲ２の抵抗値が増大し、ヒータＲ２を流れる電流が減少する結果、ヒータＲ２の温度は最終的に、最終到達温度Ｔｈで一定となる。最終到達温度Ｔｈは、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の動作温度Ｔｓｗ１を超える温度であって、二次電池６や保護回路５を損傷しない程度の温度が設定されている。これにより、ヒータＲ２の発熱によって二次電池６や保護回路５を損傷したりすることを抑制することができる。

接続端子Ｔ３は、二次電池６の正極に接続され、二次電池６の負極は接続端子Ｔ４に接続されている。また、接続端子Ｔ１は、ＰＴＣ素子ＳＷ２，ＳＷ１を介してコンパレータＣＭＰ１の電源供給端子に接続され、接続端子Ｔ２はコンパレータＣＭＰ１のグラウンド端子に接続され、二次電池６からコンパレータＣＭＰ１の動作用電源電圧が供給される。

トランジスタＱ１は、ｎチャネル電界効果型トランジスタであり、ゲートがコンパレータＣＭＰ１の出力端子に接続され、ドレインがヒータＲ２に接続され、ソースが接続端子Ｔ２に接続されている。

基準電圧源Ｅ１は、二次電池６の過充電を検出するための判断基準となる基準電圧Ｖｒｅｆ１を出力する電圧発生回路である。これにより、コンパレータＣＭＰ１の反転入力端子（−端子）に基準電圧Ｖｒｅｆ１が印加され、接続端子Ｔ３，Ｔ４間の端子電圧、すなわち二次電池６の充電電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えるとコンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１のゲート電圧がハイレベルにされ、トランジスタＱ１がオンされて、ヒータＲ２が発熱する。

また、コンパレータＣＭＰ１は、充電電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｒｅｆ１付近となった場合におけるノイズの影響を低減するために、入力電圧にヒステリシスを有するコンパレータが用いられている。コンパレータＣＭＰ１の非反転入力端子（＋端子）には、抵抗Ｒ１を介してＰＴＣ素子ＳＷ１が接続されている。

なお、コンパレータＣＭＰ１、抵抗Ｒ１、及び基準電圧源Ｅ１は、例えば集積化されて構成され、集積回路ＩＣ１とされている。この場合、集積回路ＩＣ１は、過充電検知部の一例に相当し、スイッチＱ１がスイッチング素子の一例に相当し、ＰＴＣ素子ＳＷ１が第１のＰＴＣ素子に相当し、ＰＴＣ素子ＳＷ２が第２のＰＴＣ素子に相当している。

次に、図２に示す保護回路５の構造について説明する。図４及び図５は保護回路５の構造を示す図面であり、図４（ａ）は保護回路５の配線パターンを示し、（ｂ）はＡ−Ａ方向からの断面図を示し、図５（ａ）は保護回路５の上面図を示し、（ｂ）は保護回路５の回路基板の下側に形成された配線パターンを示した図面である。
図４（ａ）において、点線は部品の実装位置を示している。

図４（ａ）に示す配線パターンＰ１〜Ｐ７は、回路基板３５の表面に印刷形成されている。また、回路基板３５の裏面には、配線パターンＰ８，Ｐ９が印刷形成されている。回路基板３５は表面が、図１に示す外部接続端子ユニット３におけるケース３１の内部底面３１ａ側となるようにケース３１の内部に取り付けられている。配線パターンＰ１〜Ｐ９は、例えば金属微粒子により構成されたペースト状の導電性配線材料により回路基板３５に印刷形成されている。

そして、この配線パターンＰ１〜Ｐ７が形成された内部底面３１ａ上に、集積回路ＩＣ１及びトランジスタＱ１が固着されている。配線パターンＰ８にはＰＴＣ素子ＳＷ１を回路基板３５に固定するための固定部材（第１の固定部材）３４が接続され、配線パターンＰ９にはＰＴＣ素子ＳＷ２を回路基板３５に固定するための固定部材（第２の固定部材）３３が接続されている。固定部材３４の右端には、二次電池６の正極が接続される舌状の接続端子Ｔ３が取り付けられている。回路基板３５の右方には、円形の孔３５ａが形成され、この孔３５ａ内に円盤状のヒータＲ２が、その下面が回路基板３５の裏面と連なるように取り付けられている。ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２は、上面の一部がヒータＲ２の下面に接するように回路基板３５に取り付けられている。そのため、ヒータＲ２による熱がＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２へと伝わる。

ヒータＲ２の上面には板金３２が取り付けられている。板金３２は中心部に凹部を備え、ヒータＲ２は、この凹部とＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２とによって挟持され、孔３５ａ内に固定されている。板金３２の左方と右方とは各々配線パターンＰ３と配線パターンＰ２と接続されている。配線パターンＰ９と配線パターンＰ１とは図略のスルーホールにより電気的に接続され、パターンＰ１は図１に示す接続端子Ｔ１と電気的に接続されている。

次に、上述のように構成された保護回路５の動作について図２を用いて説明する。まず、保護回路５による過充電の保護動作について説明する。まず、ＰＴＣ素子ＳＷ１がオンしている状態で接続端子Ｔ１，Ｔ２に図略の充電装置が接続され、充電装置から充電電圧Ｖｃが接続端子Ｔ１，Ｔ２間に印加されると、ＰＴＣ素子ＳＷ１、及び接続端子Ｔ３を介して二次電池６へ充電電圧Ｖｃによる充電が行われる。

充電電圧Ｖｃは、正常時は例えば最大４．２Ｖであり、基準電圧源Ｅ１は、基準電圧Ｖｒｅｆ１として例えば４．３Ｖが設定されている。

従って、充電装置が故障する或いは充電装置の出力電圧精度が低い等の理由によって充電電圧ＶｃがＶｒｅｆ１を超えると、コンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１がオンされ、接続端子Ｔ１からＰＴＣ素子ＳＷ２を介してヒータＲ２に電流が流れ、ヒータＲ２が発熱し、ヒータＲ２によってＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２が加熱される。そして、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の温度が動作温度Ｔｓｗ１に達すると、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフして充電電流が遮断されて過充電保護状態となり、二次電池６が過充電から保護される。

次に、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフして充電電流が遮断された後、充電電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｒｅｆ１以下になると、コンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１がオフされ、ヒータＲ２に流れる電流がゼロとなる。そして、自然冷却によりＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の温度が動作温度Ｔｓｗ１を下回ると、再び、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンして過充電保護状態から通常状態に復帰する。

この場合、コンパレータＣＭＰ１によって過充電が検出され、ヒータＲ２によりＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を加熱することによってＰＴＣ素子ＳＷ１をオフさせるので、例えば図１０や図１１に示すように二次電池と直列に接続された温度スイッチのみによって過充電保護を行う場合よりも過充電を検出する精度を向上させることができ、過充電保護動作が行われないまま二次電池６が過充電されたり、二次電池６の特性が劣化したり、二次電池６の膨張や変形等を招いたりするおそれを低減することができる。

次に、二次電池６からの放電電流が過大になった場合の保護回路５による保護動作について説明する。まず、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンしている状態で、例えば接続端子Ｔ１，Ｔ２に金属片が接触したり、接続端子Ｔ１，Ｔ２に接続された図略の携帯電話機等の負荷機器が故障したりすることによって、接続端子Ｔ１，Ｔ２が短絡、又は接続端子Ｔ１，Ｔ２間の抵抗値が低抵抗になると、二次電池６からＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を介して流れる放電電流が増大し、この放電電流により自己発熱してＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２が加熱される。

そして、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の温度が動作温度Ｔｓｗ１に達すると、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフして二次電池６の放電電流が遮断され、二次電池６が過大な放電電流から保護される。

次に、充電中に集積回路ＩＣ１が故障した場合について、説明する。充電中に集積回路ＩＣ１が故障し、充電器の電圧制御も働かなくなると、二次電池６は、満充電を通り超して過充電状態となる。

しかしながら、二次電池６が過充電されると、二次電池６自身の温度が上昇し、二次電池６とＰＴＣ素子ＳＷ１とが熱結合されているため、この温度によってＰＴＣ素子ＳＷ１は加熱され、動作温度Ｔｓｗ１に達するとオフ状態となって、充電器からの充電電流を遮断する。このようにして、保護回路５ａは、過充電保護動作を行う。

このように第１実施形態の保護回路１によれば、二次電池からの放電電流が所定の電流値を超えた場合に自己発熱によりＰＴＣ素子がオフして放電電流を遮断するので、二次電池を過大な放電電流から保護することができる。また、充電電圧が予め設定された基準電圧を超えた場合に、過充電保護制御部によってヒータが発熱され、ヒータによりＰＴＣ素子が加熱されることによってＰＴＣ素子がオフして充電電流を遮断するので、二次電池を過剰な充電から保護することができる。更に、放電電流と充電電流とを２個のＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２により遮断することができるので、回路を簡素化することができる。更に、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２は二次電池６により加熱され、動作温度Ｔｓｗ１に達すると、充電器からの充電電流を遮断するため、充電中に集積回路ＩＣ１が故障しても、二次電池６を過充電から保護することができる。

更に、放電電流と充電電流とをＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２により遮断することができるため、保護回路５を簡素化することができる。更に、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２間にヒータＲ２を接続したため、上記過充電保護動作時において、充電器から二次電池６に供給される微弱な過充電電流はヒータＲ２側へ流れ、ヒータＲ２によって放電されるため、過充電保護動作時での微弱な電流による二次電池６の過充電の進行を防ぐことができる。

更に、２個のＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を備えているため、一方のＰＴＣ素子が破損しても、他方のＰＴＣ素子により二次電池６を過充電及び過大な放電電流から保護することができ、安全性及び信頼性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る保護回路を備えた電池パックについて説明する。本発明の第２実施形態に係る電池パック１ａの外観は、図１に示す電池パック１と同様である。図６は、本発明の第２実施形態に係る電池パック１ａの電気的構成の一例を示す回路図である。図６に示す電池パック１ａは、図２に示す電池パック１とは、保護回路５の構成が異なる。すなわち、第２実施形態の保護回路５ａは、トランジスタＱ１を集積回路ＩＣ１に含ませ、集積回路ＩＣ１によって生じる熱によってＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を加熱することを特徴としている。そのため、第１実施形態のヒータＲ２が削除されている。

集積回路ＩＣ１でＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を加熱させるために、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２は、例えば集積回路ＩＣ１のパッケージの上側に配設されている。

図７は、２個のＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の構造を示す図面であり、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を保護回路５に取り付けた状態を模式的に示した図面であり、（ｃ）は（ａ）に示すＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の断面図を模式的に示した図面である。図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２は、マイナス電極４１、３個の制御電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃ、プラス電極４３ａ，４３ｂ、及び低抵抗ポリマー４４を備えている。なお、図７において、制御電極の個数を３個、プラス電極の個数を２個としたがこれに限定されず、制御電極の個数を４個以上、プラス電極の個数を３個以上にしても図７と同様の効果を得ることができる。

マイナス電極４１、制御電極４２ａ〜４２ｃ、プラス電極４３ａ，４３ｂはいずれも平板状の部材である。プラス電極４３ａ，４３ｂの低抵抗ポリマー４４側の断面積は、制御電極４２ａ〜４２ｃの低抵抗ポリマー４４側の断面積よりも大きい。

低抵抗ポリマー４４は、マイナス電極４１の上側に積層されている。低抵抗ポリマー４４の上側には、左側から制御電極４２ａ、プラス電極４３ａ、制御電極４２ｂ、プラス電極４３ｂ、制御電極４２ｃがこの順番で配列されている。

（ｂ）に示すように、マイナス電極４１は、二次電池６の正極に接続され、制御電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃはトランジスタＱ１に接続され、プラス電極４３ａ，４３ｂは接続端子Ｔ１に接続されている。マイナス電極４１、低抵抗ポリマー４４、制御電極４２ａ、プラス電極４２ａがＰＴＣ素子ＳＷ１に相当し、制御電極４２ｂ、プラス電極４３ｂ、制御電極４２ｃがＰＴＣ素子ＳＷ２に相当する。なお、図７（ｃ）に示す矢印は電流の流れを示し、矢印が太さで電流の大きさを示している。

図８は、従来のＰＴＣ素子の構造を示す図面である。図８に示すように、従来のＰＴＣ素子は、平板状の制御電極５５と、制御電極５５の上側に積層された直方体形状を有する高抵抗ポリマー５４と、高抵抗ポリマー５４の上側に積層されたマイナス電極５１と、マイナス電極５１の上側に積層された低抵抗ポリマー５３と、低抵抗ポリマー５３の上側に積層されたプラス電極５２とにより構成されている。マイナス電極５１は二次電池６に接続され、プラス電極５２は第１の接続端子Ｔ１に接続され、制御電極５５はトランジスタＱ１に接続されている。

図８に示す従来のＰＴＣ素子は、低抵抗ポリマー５３と高抵抗ポリマー５４との２種類のポリマーが積層された構成を採用しているため、部品点数が多く、コスト高となっていた。また、高抵抗ポリマー５３を使用しているため、厚みが多く必要となり小型化することが困難であった。

一方、本実施形態によるＰＴＣ素子は、図７（ｃ）に示すように制御電極４２ａ〜４２ｃ及びプラス電極４３ａ，４３ｂが共に、低抵抗ポリマーの同じ面上に形成されているため、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の高さを低くすることが可能となる。また、制御電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃの低抵抗ポリマー側の断面積が、プラス電極４３ａ，４３ｂの低抵抗ポリマー４４側の断面積よりも小さくなっているため、プラス電極４３ａ，４３ｂと制御電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃとの間の抵抗は、プラス電極４３ａ，４３ｂとマイナス電極４１との間の抵抗よりも大きくなる結果、接続電極Ｔ１と二次電池６との間において大きな電流を流しつつ、プラス電極４３ａ，４３ｂと制御電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃとの間に流れる小さな電流によって低抵抗ポリマーを発熱させることが可能となり、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を効率良く動作させることができる。

次に第２実施形態に係る保護回路５ａの動作について説明する。まず、保護回路５ａによる過充電の保護動作について説明する。ＰＴＣ素子ＳＷ１がオンしている状態で接続端子Ｔ１，Ｔ２に図略の充電装置が接続され、充電装置から充電電圧Ｖｃが接続端子Ｔ１，Ｔ２間に印加されると、ＰＴＣ素子ＳＷ１及び接続端子Ｔ３を介して二次電池６へ充電電圧Ｖｃによる充電が行われる。

充電電圧Ｖｃは、正常時は例えば最大４．２Ｖであり、基準電圧源Ｅ１は、基準電圧Ｖｒｅｆ１として例えば４．３Ｖが設定されている。

従って、充電装置が故障する或いは充電装置の出力電圧精度が低い等の理由によって充電電圧ＶｃがＶｒｅｆ１を超えると、コンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１がオンし、これによって集積回路ＩＣ１が発熱し、この発熱によりＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２が加熱される。そして、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の温度が動作温度Ｔｓｗ１に達すると、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフして充電電流が遮断されて過充電保護状態となり、二次電池６が過充電から保護される。

次に、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフして充電電流が遮断された後、充電電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｒｅｆ１以下になると、コンパレータＣＭＰ１によってトランジスタＱ１がオフされ、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の集積回路ＩＣ１による加熱が停止される。そして、自然冷却によりＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の温度が動作温度Ｔｓｗ１を下回ると、再び、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンして過充電保護状態から通常状態に復帰する。

二次電池６からの放電電流が過大になった場合の保護回路５ａによる保護動作、及び充電中に集積回路ＩＣ１が故障した場合の保護回路５ａの動作は第１実施形態の動作と同一であるため、説明を省略する。

以上説明したように第２実施形態による保護回路５ａによれば、第１実施形態の保護回路５と同一の作用効果を奏することができることに加えて、集積回路ＩＣ１によりＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を加熱しているため、ヒータＲ２が不要となり部品点数の削減、回路の小規模化、及び回路の低コスト化を図ることができる。なお、第２実施形態では、トランジスタＱ１を集積回路ＩＣ１に含ませたが、これに限定されず、第１実施形態同様、トランジスタＱ１に集積回路ＩＣ１を含めなくとも良い。この場合、トランジスタＱ１の近傍にＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を配設し、トランジスタＱ１がオンしたときに生じる熱によって、ＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を加熱すればよい。

本発明の保護回路及び電池パックは、簡素な回路で二次電池を過剰な充電や過大な放電電流から保護することができる保護回路及び電池パックを実現することができ、モバイル機器や駆動用電源として有用である。

本発明の一実施形態に係る電池パックの一例を示す分解斜視図である。 図１に示す電池パックの電気的構成の一例を示す回路図である。 ＰＴＣ素子の温度特性を示したグラフであり、縦軸は素子抵抗を示し横軸は素子温度を示している。 保護回路の構造を示す図面である。 保護回路の構造を示す図面である。 本発明の第２実施形態に係る電池パックの電気的構成の一例を示す回路図である。 ２個のＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の構造を示す図面であり、（ａ）は斜視図を示し、（ｂ）はＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２を保護回路に取り付けた状態を模式的に示した図面であり、（ｃ）は（ａ）に示すＰＴＣ素子ＳＷ１，ＳＷ２の断面図を模式的に示した図面である。 従来のＰＴＣ素子の構造を示す図面である。 背景技術に係る電池パックの構成を示す回路図である。 背景技術に係る電池パックの構成を示す回路図である。 背景技術に係る電池パックの構成を示す回路図である。

符号の説明

１，１ａ 電池パック
２ 容器
３ 外部端子接続ユニット
４ スペーサ
５，５ａ 保護回路
６ 二次電池
３１ ケース
ＣＭＰ１ コンパレータ
Ｅ１ 基準電圧源
ＩＣ１ 集積回路
Ｑ１ トランジスタ
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ ヒータ
ＳＷ１ ＰＴＣ素子
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４ 接続端子

Claims (6)

1. 二次電池を充電する充電装置及び／又は前記二次電池からの放電電流により駆動される負荷機器を接続するための第１及び第２の接続端子と、
   二次電池の両極に接続される第３及び第４の接続端子と、
   前記第１及び第３の接続端子間に直列接続され、所定の温度を超えた場合にオフする第１及び第２のＰＴＣ素子と、
   前記第１のＰＴＣ素子と前記第２のＰＴＣ素子との間に一端が接続され、前記第１及び第２のＰＴＣ素子を加熱するヒータと、
   一端が前記ヒータの他端に接続され、他端が前記第２及び第４の接続端子に接続されたスイッチング素子と、
   前記二次電池の電圧が所定の基準電圧を超えた場合、前記スイッチング素子をオンさせ、前記二次電池の電圧が前記基準電圧以下の場合、前記スイッチング素子をオフさせる過充電検知部とを備える保護回路であって、
   前記保護回路は回路基板に実装され、
   前記ヒータは、前記回路基板の所定位置に形成された孔の内部に、その下面が前記回路基板の裏面と連続するように取り付けられ、
   前記第１及び第２のＰＴＣ素子は、各々一部が前記ヒータの下面に接するように前記回路基板の裏面に取り付けられ、
   前記ヒータを前記回路基板の表面側から裏面側に向けて押えるように前記回路基板の表面に取り付けられた板金と、
   前記第１のＰＴＣ素子を前記回路基板の裏面側から表面側に向けて押えるように前記回路基板の裏面に取り付けられた第１の固定部材と、
   前記第２のＰＴＣ素子を前記回路基板の裏面側から表面側に向けて押えるように前記回路基板の裏面に取り付けられた第２の固定部材とを備えることを特徴とする保護回路。
2. 前記過充電検知部は、
   出力端子が前記スイッチング素子に接続されたコンパレータと、
   前記コンパレータの一方の入力端子に前記基準電圧を印加する基準電圧源と、
   前記コンパレータの他方の入力端子と前記第３の接続端子との間に接続された抵抗とを備えることを特徴とする請求項１記載の保護回路。
3. 前記スイッチング素子は、前記過充電検知部の出力端子がゲートに接続された電界効果型トランジスタであることを特徴とする請求項１又は２記載の保護回路。
4. 前記スイッチング素子と前記過充電検知部とを１つの集積回路により構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の保護回路。
5. 前記スイッチング素子は、オンしたときの消費電力によって前記第１及び第２のＰＴＣ素子を加熱し、前記ヒータを当該スイッチング素子により構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の保護回路。
6. 前記第１及び第２のＰＴＣ素子は、
   平板状のマイナス電極と、
   前記マイナス電極の上側に積層された低抵抗ポリマーと、
   前記低抵抗ポリマーの上側に積層された複数個のプラス電極と、
   前記低抵抗ポリマーの上側に積層され、前記複数個のプラス電極の間に交互に配設された複数個の制御電極とによって櫛形状に構成され、
   前記プラス電極の前記低抵抗ポリマー側の断面積を前記制御電極の前記低抵抗ポリマー側の断面積より大きくしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の保護回路。
   

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