JP6542576B2 - 保護素子、二次電池の保護回路および電池パック - Google Patents

Description

本発明は、例えばリチウムイオン二次電池を使用した電池装置に適用される保護素子、二次電池の保護回路および電池パックに関する。

スマートフォン等のモバイル機器、電動工具の電源、電気自動車の電源等として、リチウムイオンのドープ・脱ドープを利用したリチウムイオン二次電池（以下、リチウムイオン電池と適宜称する）が使用されている。リチウムイオン電池は、リチウム複合酸化物を用いた正極活物質層が正極集電体上に形成された正極と、リチウムをドープ・脱ドープ可能な例えばグラファイトや難黒鉛化性炭素材料等の炭素系材料を用いた負極活物質層が負極集電体上に形成された負極とを有している。この正極および負極はセパレータを介して積層され、屈曲または巻回されて電池素子とされる。この電池素子は、リチウム塩を非プロトン性有機溶媒に溶解させてなる非水電解液とともに、例えば金属缶やラミネートフィルム等のケースに収容されて電池セルが構成されている。上述した電子機器の電源を構成する場合には、１または複数の電池セルが直列および／または並列に接続される。

リチウムイオン電池の過充電、過放電または過電流を阻止するために保護素子が必要とされる。従来、二次電池装置等に搭載される保護素子は、過電流のみならず、過電圧防止機能も有するものが使用されている。この保護素子は、基板上に発熱体と低融点金属体から成る可溶導体が積層され、過電流により可溶導体が溶断されるように形成されていると共に、過剰充電電圧または過剰放電電圧が生じた場合に電池制御部からの外部信号によりスイッチング素子がオンし、保護素子内の発熱体に通電され、発熱体の熱によって可溶導体が溶断されるものである。

しかしながら、可溶導体を使用すると、動作した後では、再利用することができない問題がある。特許文献１には、温度が設定温度より高くなると、オフに切り換えられる感熱遮断部材と、抵抗過熱素子とをケース内に収納したブレーカが記載されている。特許文献１に示されるブレーカでは、感熱遮断部材の中央部の下側を抵抗加熱素子によって支持し、感熱遮断部材の中央部の上側を押圧部によって押圧する構成とされ、押圧部の上側がケースで支持される構成とされている。

特開２００２−２０４５２５号公報

特許文献１に記載のものでは、感熱遮断部材を抵抗加熱素子に対して絶縁物で直に抑える構成とされているので、抵抗加熱素子により発生した熱が絶縁物、ケースに逃げ易いために、部品構成点数が増加するのみならず、回路を遮断する動作が遅くなるおそれがある。

したがって、本発明の目的は、部品構成点数が少なく、熱を逃がし難いので、直ちに回路を遮断することができる保護素子、保護素子を使用した二次電池の保護回路および電池パックを提供することにある。

本発明は、絶縁基板上に積層して形成された発熱体および絶縁層と、
絶縁基板上または絶縁層上に形成された複数の電極と、
内面のほぼ中央部が複数の電極の中の一つの電極に対して固定されると共に、両端が固定されない熱感知金属が複数の電極間に跨がって配置され、両端が電極に向かって断面コ字状に折り曲げられた導電性の熱感知金属とを備え、
発熱体による熱によって熱感知金属の形状を変化させて両端部と電極の接続状態を開放とするようにした保護素子である。

本発明は、絶縁基板上に積層して形成された発熱体および絶縁層と、絶縁基板上または絶縁層上に形成された複数の電極と、内面のほぼ中央部が複数の電極の中の一つの電極に対して固定されると共に、両端が固定されない熱感知金属が複数の電極間に跨がって配置され、両端が電極に向かって断面コ字状に折り曲げられた導電性の熱感知金属とを備え、発熱体による熱によって熱感知金属の形状を変化させて両端部と電極の接続状態を開放とするようにした保護素子と、
少なくとも１以上の二次電池を有し、電流経路中に保護素子の熱感知金属が挿入された電池部とを備え、
電流経路を流れる電流が過大な場合に、熱感知金属の形状を変化させて電流を遮断して電池部の保護を行うようにした二次電池の保護回路である。

本発明は、少なくとも１以上の二次電池を含む電池部と、保護素子および制御回路が実装される配線基板とがケースに収納される電池パックであって、
保護素子は、絶縁基板上に積層して形成された発熱体および絶縁層と、絶縁基板上または絶縁層上に形成された複数の電極と、内面のほぼ中央部が複数の電極の中の一つの電極に対して固定されると共に、両端が固定されない熱感知金属が複数の電極間に跨がって配置され、両端が電極に向かって断面コ字状に折り曲げられた導電性の熱感知金属とを備え、発熱体による熱によって熱感知金属の形状を変化させて両端部と電極の接続状態を開放とする構成とされ、
電池部の電流経路中に保護素子の熱感知金属が挿入された電池パックである。

本発明によれば、熱感知金属を押さえ付けて取り付ける構成と異なり、部品点数を少なくでき、組み立ての工程が簡単となり、熱が押圧部材を通じてケースに逃げることがない。したがって、熱を逃がさないで動作速度が速くできる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であっても良い。

電池パックの一実施の形態のブロック図である。 保護素子の第１の実施の形態の平面図である。 動作前の状態の保護素子の第１の実施の形態の断面図および動作後の状態の保護素子の一例の断面図である。 動作前の保護素子の回路図および動作後の保護素子の回路図である。 動作前の状態の保護素子の第２の実施の形態の断面図および動作後の状態の保護素子の第２の実施の形態の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。

＜１．第１の実施の形態＞
「電池パック」
図１を参照して本発明を適用可能な電池パックの一例について説明する。電池パック１は、二次電池例えばリチウムイオン二次電池の電池セルＢＴ１，ＢＴ２，ＢＴ３およびＢＴ４（これらの電池を特に区別する必要がない場合には、電池セルＢＴと総称する）が直列接続された電池部を有する。一つの電池当たりの満充電電圧が例えば４．２Ｖのリチウムイオン電池を用いた場合、この一実施形態の電池パック１の満充電電圧が１６．８Ｖとなる。

電池部の＋側が電流遮断素子としての保護素子２と、スイッチング素子例えばＦＥＴ(Field Effect Transistor)３ａおよび３ｂを通じて＋側端子として導出される。電池部の
−側が−側端子として導出される。電池パック１の充電時には、電池パック１の＋側端子が充電器２１の＋側出力端子と接続され、電池パック１の−側端子が充電器２１の−側出力端子と接続される。放電時には、電池パック１の＋側端子および−側端子に対して負荷が接続される。電極部の電流経路中に保護素子２の導電性の熱感知金属例えばバイメタルが挿入される。

充電時には、電池パック１と充電器２１との間で認証処理がなされる。例えば相互認証によって互いに相手が正規の電池パックおよび正規の充電器であることが確認される。認証が成立すると充電装置によって通常のリチウムイオン二次電池に対するのと同様の充電動作がなされる。電池パック１に負荷が接続される放電時には、電池パック１の電池セルＢＴの電圧が所定電圧以上であることが確認される。所定電圧以上であると、電池パック１からの放電が開始される。

電池セルＢＴのそれぞれの電圧が制御部４によって測定される。制御部４は、測定された各電池セルの電圧を基準電圧と比較する比較器を有し、電池セルＢＴのそれぞれの電圧が危険と判断されるような過大電圧に達したことを検出することが可能とされている。何れかの電池セルＢＴの電圧が過大電圧に達したことを検出されると、制御部４がスイッチング素子例えばＦＥＴ５に対する制御信号を発生し、ＦＥＴ５をオンとする。

ＦＥＴ５がオンすることによって、後述するように、保護素子２が備えている発熱体に電流が供給され、発熱体の熱によって保護素子２のバイメタルが変形例えば上反りとなる。ＦＥＴ５は、発熱体に対する電流供給部として機能する。変形によって、保護素子２が充電電流を遮断し、過充電状態からさらに充電が進んで、過熱等の危険な状態となることが防止される。

ＦＥＴ３ａおよび３ｂは、制御部６によって制御される。制御部６は、簡略化されているが、電池パック１の＋側端子および−側端子間の電圧、並びに充放電電流を検出し、過充電、過放電、過電流に対して電池パック１を保護するようになされている。制御部６は、例えばマイクロコンピュータにより構成されている。電圧および電流の測定は所定の頻度で自動的に行われる。制御部６による保護動作は、電池セルＢＴの全体の電圧および電流に関してなされるのに対して、制御部４による保護動作は、各電池セルＢＴの電圧に関してなされる。

ＦＥＴ３ａは、例えば充電電流のオン／オフのために接続されており、ＦＥＴ３ｂは、例えば放電電流のオン／オフのために接続されている。図示を省略しているが、充電制御用ＦＥＴ３ａと並列に放電電流を流す方向の極性のダイオードが接続され、放電制御用ＦＥＴ３ｂと並列に充電電流を流す方向の極性のダイオードが接続されている。例えば過充電を防止するためには、充電制御ＦＥＴ３ａがオフとされ、充電電流が遮断される。この場合でも、ダイオードおよび放電制御ＦＥＴ３ｂ（オン）を通じて放電電流が流れることが可能である。過放電を防止するためには、放電制御ＦＥＴ３ｂがオフとされ、放電電流が遮断される。この場合でも、ダイオードおよび充電制御ＦＥＴ３ａ（オン）を通じて充電電流が流れることが可能である。

上述したように、ＦＥＴ３ａおよび３ｂを用いて出力のオン／オフを行うことにより電池パックの過充電保護、過放電保護、過電流保護がなされる。しかしながら、何らかの原因でＦＥＴ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、あるいは電池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、電池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、電池セルの出力を安全に遮断するために、電流経路を遮断する機能を有する保護素子（遮断素子）２が用いられている。

「保護素子の構造」
以下、保護素子２の一例について説明する。保護素子２は、従来の保護素子（ブレーカ）と同様の構造を有する。図２Ａは、熱感知金属例えばバイメタル１６（図２Ｂ）を半田付けする前の状態の平面図である。図２Ｃは、バイメタル１６を半田付けした後の状態の平面図であり、図２Ｄは、絶縁カバー１９で覆った状態の平面図である。保護素子の縦断面図（図２ＤのＡ−Ａ’線断面図）を図３Ａおよび図３Ｂに示す。図３Ａは、保護素子２が通常動作の状態の断面図であり、図３Ｂは、保護素子２が遮断動作した状態の断面図である。

絶縁基板であるベース基板１１上に第１の電極１２および第２の電極１３が形成される。ベース基板１１上に発熱体１７が設けられ、発熱体１７上に絶縁層１８が積層される。絶縁層１８上に第３の電極１４が形成されている。電極１２、電極１３および電極１４は、整列して形成されている。これらの電極１２〜１４間を跨がってバイメタル１６が配置される。バイメタル１６のほぼ中間位置が半田１５によって電極１４に対して固定される。

さらに、バイメタル１６の上面を覆うように絶縁カバー１９が設けられる。絶縁カバー１９は、例えば熱可塑性プラスチック、セラミックス、ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成されている。

第３の電極１４は、例えば絶縁層１８上に形成された電極を通じて発熱体１７の一方の接続用の電極と接続され、発熱体１７の他方の接続用の電極が外部接続用の電極と接続される。

ベース基板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。

発熱体１７は、ベース基板１１の表面に積層され、絶縁層１８によって覆われている。絶縁層１８を介して発熱体１７上に第３の電極１４が形成されている。発熱体１７は、比較的抵抗値が高く通電すると発熱する部材であって、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ベース基板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される。発熱体１７は、第３の電極１４および外部接続用電極と接続されている。

バイメタル１６は、熱膨張率が異なる２枚の金属板を貼り合わせたものである。例えば鉄とニッケルの合金に対して、マンガン、クロム、銅などを添加して熱膨張率が異なる２枚の金属板を作成し、２枚の金属板を貼り合わせてバイメタルが製造される。一例として、貼り合わされる２枚の金属板の上側のものの膨張率に比して下側の金属板の膨張率を大とすることによって、熱によって上側に反るバイメタルが得られる。バイメタル１６の両端が内側に折り曲げられている。この折り曲げ端によって、バイメタル１６の両端と電極１２および電極１３との電気的接続が安定とされる。なお、３枚の金属板を貼り合わせた熱感知金属を使用してもよい。

保護素子２が動作した後、すなわち、バイメタル１６が変形した後の保護素子２の断面を図３Ｂに示す。上述したように、電池パック１の何れかの電池セルＢＴの電圧が過大電圧に達したことを検出されると、制御部４が発生する制御信号によって発熱体１７と直列接続されたＦＥＴ５がオンとされる。ＦＥＴ５がオンすると、発熱体１７に対して電流が流れ、熱が発生する。この熱によって、バイメタル１６の両端が上側に反って、バイメタル１６の両端と電極１２および電極１３とが接触状態から離間状態となり、電流経路が遮断される。熱が加わった場合、半田１５が仮に溶けても、直ぐに合金化して硬くなり、バイメタル１６の支持を維持できる。

「保護素子の回路構成」
保護素子２を回路構成で表すと、図４に示すものとなる。バイメタル１６の一端と第１の電極１２の接触、離間によってオン／オフするスイッチをＳＷ１で示し、バイメタル１６の他端と第２の電極１３の接触、離間によってオン／オフするスイッチをＳＷ２で示す。保護素子２の入力端子および出力端子をそれぞれｔ１およびｔ２で示す。さらに、第３の電極１４が引き出し電極を介して発熱体１７に対応する抵抗Ｒ１７の一端と接続され、抵抗Ｒ１７の他端が端子ｔ３として導出される。端子ｔ３は、ＦＥＴ５を介して接地される。

保護素子２が動作する前の回路構成を図４Ａに示す。電池パック１（図１参照）の電池部の正極側と、ＦＥＴ３ａとの間の電流経路が端子ｔ１およびｔ２間の経路となる。ＦＥＴ５は、上述したように、何れかの電池セルＢＴの電圧が過大電圧に達したことが検出されると、制御部４が発生する制御信号によってオンとされる。ＦＥＴ５がオンすると、発熱体１７に対して電流が流れ、熱が発生する。この熱によって、バイメタル１６が上側に反って、スイッチＳＷ１およびＳＷ２がオフして電流経路が遮断される。保護素子２の動作後の回路構成は、図４Ｂに示すものとなる。

本発明の第１の実施の形態によれば、電池部の異常時に電流経路を遮断して電池パック１を保護する保護素子２を実現できる。バイメタル１６を中間位置で電極１４に半田付けして固定している。バイメタルを上側から押圧する構成と異なり、部品点数を少なくでき、発熱体の熱が他の部材例えばカバーに逃げることがない。したがって、熱を有効に利用でき、動作速度の遅れが生じることを防止できる。

＜２．第２の実施の形態＞
「保護素子の構造」
図５は、保護素子の第２の実施の形態の断面図である。第２の実施の形態による保護素子２’は、バイメタルの構造以外では、ほぼ第１の実施の形態の保護素子２と同様の構成を有している。対応する部分には、同一の参照符号を付して示す。

第２の実施の形態においては、バイメタル２０の断面が凹凸形状またはジグザク形状とされている。このような構造によって、与えられる熱に対するバイメタル２０の変形量が板状のバイメタルに比較して大きくすることができる。したがって、発熱体１７に対する電流供給量が少なくて済む利点がある。第２の実施の形態も、第１の実施の形態と同様に、部品点数を少なくでき、熱がバイメタル２０以外に逃げることがないようにできる。

＜３．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。さらに、発熱体を使用しないで、バイメタルに流れる電流によってジュール熱を発生させ、その結果、バイメタルが変形するようにしてもよい。

ＢＴ１〜ＢＴ４ 電池セル
１ 電池パック
２ 保護素子
４、６ 制御部
１１ ベース基板
１２，１３，１４ 電極
１５ 半田
１６ バイメタル
１７ 発熱体

Claims (7)

1. 絶縁基板上に積層して形成された発熱体および絶縁層と、
   前記絶縁基板上または前記絶縁層上に形成された複数の電極と、
   内面のほぼ中央部が前記複数の電極の中の一つの電極に対して固定されると共に、両端が固定されない熱感知金属が前記複数の電極間に跨がって配置され、両端が電極に向かって断面コ字状に折り曲げられた導電性の熱感知金属とを備え、
   前記発熱体による熱によって前記熱感知金属の形状を変化させて両端部と前記電極の接続状態を開放とするようにした保護素子。
2. 前記熱感知金属の断面が凹凸形状を有する請求項１に記載の保護素子。
3. 絶縁基板上に積層して形成された発熱体および絶縁層と、前記絶縁基板上または前記絶縁層上に形成された複数の電極と、内面のほぼ中央部が前記複数の電極の中の一つの電極に対して固定されると共に、両端が固定されない熱感知金属が前記複数の電極間に跨がって配置され、両端が電極に向かって断面コ字状に折り曲げられた導電性の熱感知金属とを備え、前記発熱体による熱によって前記熱感知金属の形状を変化させて両端部と前記電極の接続状態を開放とするようにした保護素子と、
   少なくとも１以上の二次電池を有し、電流経路中に前記保護素子の前記熱感知金属が挿入された電池部とを備え、
   前記電流経路を流れる電流が過大な場合に、前記熱感知金属の形状を変化させて電流を遮断して前記電池部の保護を行うようにした二次電池の保護回路。
4. 前記熱感知金属の断面が凹凸形状を有する請求項３に記載の二次電池の保護回路。
5. 前記複数の電極の一つの電極が前記発熱体と接続され、
   前記発熱体がスイッチ素子と接続され、
   前記電流経路を流れる電流が過大な場合に、前記スイッチ素子をオンさせて前記熱感知金属の形状を変化させる請求項３または４に記載の二次電池の保護回路。
6. 少なくとも１以上の二次電池を含む電池部と、保護素子および制御回路が実装される配線基板とがケースに収納される電池パックであって、
   前記保護素子は、絶縁基板上に積層して形成された発熱体および絶縁層と、前記絶縁基板上または前記絶縁層上に形成された複数の電極と、内面のほぼ中央部が前記複数の電極の中の一つの電極に対して固定されると共に、両端が固定されない熱感知金属が前記複数の電極間に跨がって配置され、両端が電極に向かって断面コ字状に折り曲げられた導電性の熱感知金属とを備え、前記発熱体による熱によって前記熱感知金属の形状を変化させて両端部と前記電極の接続状態を開放とする構成とされ、
   前記電池部の電流経路中に前記保護素子の前記熱感知金属が挿入された電池パック。
7. 前記熱感知金属の断面が凹凸形状を有する請求項６に記載の電池パック。

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