JP2015228302A - Protection element and battery pack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電流経路を溶断することにより、電流経路上に接続された回路を保護する保護素子、及びこれを用いたバッテリパックに関する。 The present invention relates to a protection element for protecting a circuit connected on a current path by fusing the current path, and a battery pack using the same.
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、過放電保護等のいくつもの保護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。 Many secondary batteries that can be charged and used repeatedly are processed into battery packs and provided to users. Particularly in lithium ion secondary batteries with high weight energy density, in order to ensure the safety of users and electronic devices, in general, a battery pack incorporates a number of protection circuits such as overcharge protection and overdischarge protection, It has a function of shutting off the output of the battery pack in a predetermined case.
多くのリチウムイオン二次電池を用いた電子装置においては、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、瞬間的な大電流が流れた場合、或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。 In many electronic devices using lithium ion secondary batteries, an overcharge protection or an overdischarge protection operation of the battery pack is performed by turning on / off the output using an FET switch built in the battery pack. However, when the FET switch is short-circuited for some reason, a lightning surge, etc. is applied, an instantaneous large current flows, or the output voltage drops abnormally due to the life of the battery cell. The battery pack and the electronic device must be protected from accidents such as ignition even when the is output. Therefore, 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.
このようなリチウムイオン二次電池等向けの保護回路の保護素子として、特許文献1に記載されているように、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体の発熱によって電流経路上の可溶導体を溶断する構造が用いられている。
As a protection element of such a protection circuit for a lithium ion secondary battery or the like, as described in
特許文献1に記載されている保護素子において、携帯電話やノートパソコンのような電流容量が比較的低い用途に用いるために、可溶導体(ヒューズ)は、最大でも15A程度の電流容量を有している。リチウムイオン二次電池の用途は、近年拡大しており、より大電流の用途、例えば電動ドライバ等の電動工具や、ハイブリッドカー、電気自動車、電動アシスト自転車等の輸送機器に採用が検討され、一部採用が開始されている。これらの用途において、特に起動時等には、数10A〜100Aを超えるような大電流が流れる場合がある。このような大電流容量に対応した保護素子の実現が望まれている。
In the protective element described in
この種の大電流に対応する保護素子100としては、図11に示すように、第1、第2の外部電極101,102と、第1、第2の外部電極101,102間に配設された絶縁基板103と、第1、第2の外部電極101,102間にわたって接続されるとともに絶縁基板103の表面に形成された表面電極104及び一対のサイド電極105a,105bに支持された可溶導体106とを備えるものが提案されている。
As shown in FIG. 11, the
保護素子100は、第1、第2の外部電極101,102が外部回路に接続されることにより当該外部回路の電流経路に組み込まれるとともに、可溶導体106が当該電流経路の一部を構成し、定格を超える過電流が流れると可溶導体106が自己発熱によって溶断することにより当該電流経路を遮断することができる。
The
また、保護素子100は、絶縁基板103に通電されることにより発熱する発熱体107が形成されている。発熱体107は、WやMo、Ru等の高融点金属によって形成され、ガラス等の絶縁層108によって被覆されている。表面電極104は、発熱体107の一端と電気的に接続されるとともに、絶縁層108の表面上に形成され、発熱体107と重畳される。また、発熱体107は、図示しない発熱体電極と接続され、発熱体電極を介して外部回路と接続され、通電が制御されている。保護素子100は、過電流状態により溶断させる場合以外にも、バッテリセルの過電圧状態を検出して、抵抗体で形成された発熱体107に電流を流して、その発熱によって可溶導体106を切断する。
Further, the
保護素子100は、大電流に対応するために、可溶導体106の断面積が増大され低抵抗化が図られている。ここで、大電流に対応するために断面積を増大させると、発熱体107による加熱溶断に相当の時間を要し、また、溶断時の可溶導体106の溶融量が多くなるため、可溶導体を安定して溶断させる必要も生じる。このため、保護素子100は、絶縁基板103の表面の表面電極104の外側に、離間してサイド電極105a,105bが設けられている。サイド電極105a,105bは、可溶導体106がハンダ接続され、発熱体107が発熱した際には、発熱体107の熱を効率よく可溶導体106に伝え、速やかに加熱、溶断させる。また、サイド電極105a,105bは、可溶導体106が溶融したときには、ぬれ性によって、溶融導体の一部を、表面電極104や第1、第2の外部電極101,102と離間して保持する。これにより、保護素子100は、第1及び第2の外部電極101,102間の電流経路上にある可溶導体106を確実に溶断することができる。
In the
しかし、保護素子100は、絶縁基板103の限られた面内スペースに表面電極104及び一対のサイド電極105a,105bを配置しているため、表面電極104と一対のサイド電極105a,105bとの距離も狭小化され、可溶導体106の溶断後において、溶融導体が各電極間を連続し、絶縁抵抗を確保することができない恐れがある。
However, since the
また、絶縁基板103は耐熱衝撃性に優れるとともに熱伝導性にも優れるセラミック基板が好適に用いられるが、この場合、可溶導体106と可溶導体106が接続された絶縁基板103との熱膨張係数の差が大きく、高温環境と低温環境に繰り返し置かれると、表面電極104及び一対のサイド電極105a,105b間において可溶導体106に熱膨張係数差に基づく歪みが蓄積されて歪みが生じ、その結果、抵抗値にばらつきが生じ、保護素子100の高定格を維持することが困難となる恐れもある。さらに、可溶導体106と絶縁基板103との熱膨張係数差に起因する歪みにより可溶導体106やサイド電極105a,105bにクラックや剥離等が生じる恐れもあった。このような傾向は、保護素子100の定格を向上させるために可溶導体106を大型化にするほど顕著に現れる。
The
そこで、本発明は、大電流に対応するために大型の可溶導体を用いた場合にも、溶断後における絶縁抵抗を確保し、かつ可溶導体の変形も抑えることができる保護素子、及びこれを用いたバッテリパックを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a protective element that can secure insulation resistance after fusing and suppress deformation of the fusible conductor even when a large fusible conductor is used to cope with a large current, and this An object of the present invention is to provide a battery pack using the.
上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、第1、第2の外部電極と、上記第1、第2の外部電極間に配設された絶縁基板と、上記絶縁基板の表面に形成された表面電極と、上記第1、第2の外部電極間にわたって接続された可溶導体とを備え、上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面上において、上記表面電極のみに支持されているものである。 In order to solve the above-described problems, a protective element according to the present invention includes first and second external electrodes, an insulating substrate disposed between the first and second external electrodes, and the insulating substrate. A surface electrode formed on the surface and a soluble conductor connected between the first and second external electrodes, and the soluble conductor is supported only on the surface electrode on the surface of the insulating substrate. It is what has been.
また、本発明に係るバッテリパックは、1つ以上のバッテリセルと、上記バッテリセルに流れる電流を遮断するように接続された保護素子と、上記バッテリセルそれぞれの電圧値を検出して上記保護素子を加熱する電流を制御する電流制御素子とを備え、上記保護素子は、第1、第2の外部電極と、上記第1、第2の外部電極間に配設された絶縁基板と、上記絶縁基板の表面に形成された表面電極と、上記第1、第2の外部電極間にわたって接続された可溶導体とを備え、上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面上において、上記表面電極のみに支持されているものである。 The battery pack according to the present invention includes one or more battery cells, a protection element connected to cut off a current flowing through the battery cell, and a voltage value of each of the battery cells to detect the protection element. A current control element for controlling a current for heating the protective element, wherein the protection element includes first and second external electrodes, an insulating substrate disposed between the first and second external electrodes, and the insulation. A surface electrode formed on the surface of the substrate and a soluble conductor connected between the first and second external electrodes, and the soluble conductor is formed only on the surface electrode on the surface of the insulating substrate. It is supported by.
本発明によれば、保護素子は、可溶導体が絶縁基板上において表面電極にのみ支持されているため、表面電極の寸法や配置の設計の自由度が高く第1、第2の外部電極との距離を容易に調整することができる。したがって、保護素子は、表面電極と第1、第2の外部電極との距離を十分確保することにより、溶融導体が絶縁基板の表面を伝って第1、第2の外部電極と連続することを防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。 According to the present invention, since the fusible conductor is supported only on the surface electrode on the insulating substrate, the protection element has a high degree of freedom in designing the dimensions and arrangement of the surface electrode and the first and second external electrodes. Can be easily adjusted. Therefore, the protective element ensures that the molten conductor is continuous with the first and second external electrodes along the surface of the insulating substrate by ensuring a sufficient distance between the surface electrode and the first and second external electrodes. Can be prevented, and high insulation resistance can be maintained.
以下、本発明が適用された保護素子、及びこれを用いたバッテリパックについて、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。 Hereinafter, a protection element to which the present invention is applied and a battery pack using the same will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Further, the drawings are schematic, and the ratio of each dimension may be different from the actual one. Specific dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
[保護素子:凝集タイプ]
本発明が適用された保護素子1は、図1に示すように、第1及び第2の外部電極2,3と、第1、第2の外部電極2,3間に配設された絶縁基板4と、絶縁基板4の表面4aに形成された表面電極5と、第1、第2の外部電極2,3間にわたって接続された可溶導体6とを備える。そして、保護素子1は、可溶導体6が、絶縁基板4の表面4a上において、表面電極5のみに支持されている。
[Protective element: Aggregation type]
The
保護素子1は、第1、第2の外部電極2,3が外部回路の接続端子と接続されることにより当該外部回路に組み込まれるとともに、可溶導体6が当該外部回路の電流経路の一部を構成し、定格を超える過電流によって溶断することにより電流経路を遮断するものである(図2)。
The
第1及び第2の外部電極2,3は、保護素子1を外部回路に接続する接続端子であり、それぞれ保護素子1の内部でハンダ等の接続材料7を介して可溶導体6と接続され、可溶導体6を介して接続されている。第1及び第2の外部電極2,3は、保護素子1の外筐体10に支持されることにより保護素子1の内外にわたって配設されている。なお、第1及び第2の外部電極2,3は、絶縁基板4と隣接するエポキシ樹脂等からなる絶縁素材に形成するようにしてもよい。
The first and second
保護素子1は、第1、第2の外部電極2,3が外筐体10に支持されることにより、筐体内に臨まされるとともに、外筐体10の中央のスペースに絶縁基板4が配設され、これにより第1、第2の外部電極2,3と絶縁基板4とが隣接されている。
The
外筐体10は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド:Polyphenylenesulfide)等の耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチックを用いて形成することができる。また、外筐体10は、所定の形状に成形する際に、インサート成型等により第1、第2の外部電極2,3を一体成型してもよい。
The
絶縁基板4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。
The insulating
絶縁基板4の表面4aには表面電極5が形成されている。表面電極5は、ハンダ等の接続材料7を介して、第1、第2の外部電極2,3間を接続する可溶導体6と接続されている。表面電極5は、第1、第2の外部電極2,3間にわたって接続された可溶導体6を支持する支持電極である。また、表面電極5は、可溶導体6が過電流による自己発熱により溶融すると、溶融導体6aを凝集し、第1、第2の外部電極2,3間の電流経路を遮断する。
A
なお、表面電極5は、可溶導体6の溶断後における絶縁抵抗を維持するために、第1、第2の外部電極2,3との十分な距離を隔てて設けることが好ましい。図1に示すように、第1、第2の外部電極2,3が外筐体10内において対向されている場合、表面電極5は、絶縁基板4の略中央に配設することで、第1、第2の外部電極2,3とそれぞれ所定の距離を隔てて溶融導体6aを保持し、また絶縁基板4の表面4aに飛散した溶融導体6aによる短絡のリスクを低減することができる。
The
また、保護素子1は、絶縁基板4の表面4aにサイド電極を設けず、表面電極5でのみ可溶導体6を支持しているため、表面電極5の寸法や配置の自由度が高く、可溶導体6の溶断後における短絡のリスクを考慮した設計の自由度が高い。したがって、保護素子1は、表面電極5と第1、第2の外部電極2,3との距離を十分確保することにより、溶融導体6aが絶縁基板4の表面4aを伝って第1、第2の外部電極2,3と連続することを防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
Moreover, since the
可溶導体6は、過電流状態によって溶融するものであり、したがって、溶断する導電性の材料であればよく、例えば、SnAgCu系のPbフリーハンダのほか、BiPbSn合金、BiPb合金、BiSn合金、SnPb合金、PbIn合金、ZnAl合金、InSn合金、PbAgSn合金等を用いることができる。なお、可溶導体6は、Ag若しくはCu又はAg若しくはCuを主成分とする金属からなる高融点金属と、ハンダ又はSnを主成分とするPbフリーハンダ等の低融点金属との積層体であってもよい。
The
このような可溶導体6は、低融点金属箔に、高融点金属層をメッキ技術を用いて成膜することによって形成することができ、あるいは、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いて形成することもできる。なお、可溶導体6は、高融点金属層を内層とし、低融点金属層を外層として構成してもよく、また低融点金属層と高融点金属層とが交互に積層された4層以上の多層構造とするなど、様々な構成によって形成することができる。
Such a
また、可溶導体6は、所定の定格電流が流れている間は、自己発熱によっても溶断することがない。そして、定格よりも高い値の電流が流れると、自己発熱によって溶融し、第1、第2の電極2,3間の電流経路を遮断する。このとき、可溶導体6は、溶融した低融点金属が高融点金属を浸食することにより、高融点金属が溶融温度よりも低い温度で溶融する。したがって、可溶導体6は、低融点金属による高融点金属の浸食作用を利用して短時間で溶断することができる。
Further, the
また、可溶導体6は、内層となる低融点金属に高融点金属が積層されて構成することにより、溶断温度を従来の高融点金属からなるチップヒューズ等よりも大幅に低減することができる。したがって、可溶導体6は、同一サイズのチップヒューズ等に比して、断面積を大きくでき電流定格を大幅に向上させることができる。また、同じ電流定格をもつ従来のチップヒューズよりも小型化、薄型化を図ることができ、速溶断性に優れる。
Further, the
また、可溶導体6は、保護素子1が組み込まれた電気系統に異常に高い電圧が瞬間的に印加されるサージへの耐性(耐パルス性)を向上することができる。すなわち、可溶導体6は、例えば100Aの電流が数msec流れたような場合にまで溶断してはならない。この点、極短時間に流れる大電流は導体の表層を流れることから(表皮効果)、可溶導体6は、外層として抵抗値の低いAgメッキ等の高融点金属を設けることにより、サージによって印加された電流を流しやすく、自己発熱による溶断を防止することができる。したがって、可溶導体6は、高融点金属で被覆することにより、ハンダ合金からなるヒューズに比して、大幅にサージに対する耐性を向上させることができる。
Further, the
なお、可溶導体6は、酸化防止、及び溶断時の濡れ性の向上等のため、フラックス(図示せず)が塗布されている。
The
このような構成を有する保護素子1は、可溶導体6が絶縁基板4上において表面電極5にのみ支持されているため、絶縁基板4として耐熱衝撃性に優れるとともに熱伝導性にも優れるセラミック基板を用いた場合等において、高温環境と低温環境に繰り返し置かれた場合にも、可溶導体6に絶縁基板4との熱膨張係数の差に起因する歪みが生じることもなく、外形や寸法の安定性を有する。これにより、保護素子1は、可溶導体6の抵抗値が安定し、高定格を維持することができる。
In the
[保護素子の動作]
また、定格を超える過電流が通電されると、保護素子1は、図2に示すように、可溶導体6が自己発熱により溶融し、可溶導体6と第1、第2の外部電極2,3の一方との間で溶断することにより、外部回路の充放電経路を遮断する。このとき、保護素子1は、可溶導体6が絶縁基板4上において表面電極5にのみ支持されているため、表面電極5の寸法や配置の設計の自由度が高く第1、第2の外部電極2,3との距離を容易に調整することができる。したがって、保護素子1は、表面電極5と第1、第2の外部電極2,3との距離を十分確保することにより、溶融導体6aが絶縁基板4の表面4aを伝って第1、第2の外部電極2,3と連続することを防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
[Operation of protection element]
When an overcurrent exceeding the rating is energized, the
[外筐体と可溶導体の熱膨張係数]
なお、保護素子1は、可溶導体6の熱膨張係数と外筐体10の熱膨張係数とが同一又は近似していることが好ましい。例えば、保護素子1は、可溶導体6としてハンダ箔の表面をAgメッキしたもの(熱膨張係数:22ppm/℃)を用い、外筐体10としてガラス繊維含有PPS樹脂(熱膨張係数:20ppm/℃)を用いた場合、熱膨張係数が近似していることから、高温環境と低温環境に繰り返し置かれた場合にも、表面電極5と第1の外部電極2との間、及び表面電極5と第2の外部電極3との間に歪みが蓄積されることなく、可溶導体6の変形等による抵抗値の変動も抑制され、高定格を維持することができる。
[Coefficient of thermal expansion of outer casing and soluble conductor]
In addition, as for the
[発熱体]
また、本発明が適用された保護素子は、図3に示すように、絶縁基板4に可溶導体6を溶断する発熱体11を設けてもよい。なお、以下の説明において上述した保護素子1と同じ部材については同じ符号を付して、その詳細を省略する。
[Heating element]
Moreover, the protection element to which the present invention is applied may be provided with a
発熱体11が設けられた保護素子12は、例えばバッテリパックに組み込まれると、過電流時における可溶導体6の自己溶断に加え、バッテリセルの過電圧を検知して発熱体11を通電、発熱させ、可溶導体6を溶断させることにより、バッテリパックの充放電経路を遮断することができる。
For example, when the
発熱体11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、絶縁基板4の表面4a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。
The
発熱体11は、絶縁基板4の表面4a上において絶縁層13に被覆されている。絶縁層13上には、表面電極5が積層される。絶縁層13は、発熱体11の保護及び絶縁を図るとともに、発熱体11の熱を効率よく表面電極5及び可溶導体6へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。表面電極5は、発熱体11によって加熱されることにより、可溶導体6の溶融導体6aを凝集しやすくする。
The
発熱体11は、一端が表面電極5と接続され、表面電極5を介して、表面電極5上に搭載された可溶導体6と電気的に接続される。また、発熱体11は、他端が図示しない発熱体電極と接続されている。発熱体電極は、絶縁基板4の表面4aに形成されるとともに、裏面4bに形成された第3の外部接続電極15(図6参照)と接続され、この第3の外部接続電極15を介して外部回路と接続される。そして、保護素子1は、外部回路と接続されることにより、第3の外部接続電極15を介して発熱体11が回路基板に形成された発熱体11への給電経路に組み込まれる。
One end of the
また、図4に示すように、保護素子12は、発熱体11を絶縁基板4の裏面4bに形成してもよい。発熱体11は、絶縁基板4の裏面4bに形成されるとともに、裏面4b上において絶縁層13に被覆される
As shown in FIG. 4, the
発熱体11は、一端が図示しない発熱体電極を介して表面電極5及び表面電極5上に搭載された可溶導体6と電気的に接続される。また、発熱体11は、他端が図示しない発熱体電極を介して第3の外部接続電極15と接続される。
One end of the
また、図5に示すように、保護素子12は、発熱体11を絶縁基板4の内部に形成してもよい。この場合、発熱体11は、ガラス等の絶縁層によって被覆する必要はない。また、発熱体11は、一端が図示しない発熱体電極を介して表面電極5及び表面電極5上に搭載された可溶導体6と電気的に接続される。また、発熱体11は、他端が図示しない発熱体電極を介して第3の外部接続電極15と接続される。
Further, as shown in FIG. 5, the
[回路構成]
このような保護素子12は、図6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30内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック30は、例えば、合計4個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル31〜34からなるバッテリスタック35を有する。
[Circuit configuration]
As shown in FIG. 6, such a
バッテリパック30は、バッテリスタック35と、バッテリスタック35の充放電を制御する充放電制御回路40と、バッテリスタック35の異常時に充電を遮断する本発明が適用された保護素子12と、各バッテリセル31〜34の電圧を検出する検出回路36と、検出回路36の検出結果に応じて保護素子12の動作を制御するスイッチ素子となる電流制御素子37とを備える。
The
バッテリスタック35は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル31〜34が直列接続されたものであり、バッテリパック30の正極端子30a、負極端子30bを介して、着脱可能に充電装置45に接続され、充電装置45からの充電電圧が印加される。充電装置45により充電されたバッテリパック30は、正極端子30a、負極端子30bをバッテリで動作する電子機器に接続することによって、この電子機器を動作させることができる。
The
充放電制御回路40は、バッテリスタック35から充電装置45に流れる電流経路に直列接続された2つの電流制御素子41、42と、これらの電流制御素子41、42の動作を制御する制御部43とを備える。電流制御素子41、42は、たとえば電界効果トランジスタ(以下、FETという。)により構成され、制御部43によりゲート電圧を制御することによって、バッテリスタック35の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部43は、充電装置45から電力供給を受けて動作し、検出回路36による検出結果に応じて、バッテリスタック35が過放電又は過充電であるとき、電流経路を遮断するように、電流制御素子41、42の動作を制御する。
The charge /
保護素子12は、例えば、バッテリスタック35と充放電制御回路40との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が電流制御素子37によって制御される。
The
検出回路36は、各バッテリセル31〜34と接続され、各バッテリセル31〜34の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路40の制御部43に供給する。また、検出回路36は、いずれか1つのバッテリセル31〜34が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子37を制御する制御信号を出力する。
The
電流制御素子37は、たとえばFETにより構成され、検出回路36から出力される検出信号によって、バッテリセル31〜34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12を動作させて、バッテリスタック35の充放電電流経路を電流制御素子41、42のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。
The
以上のような構成からなるバッテリパック30に用いられる、本発明が適用された保護素子12は、図7に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子12は、第1の外部電極2がバッテリスタック35側と接続され、第2の外部電極3が正極端子30a側と接続され、これにより可溶導体6がバッテリスタック35の充放電経路上に直列に接続される。また、保護素子12は、発熱体11が発熱体電極及び第3の外部接続電極15を介して電流制御素子37と接続されるとともに、発熱体11がバッテリスタック35の開放端と接続される。これにより、発熱体11は、一端を表面電極5を介して可溶導体6及びバッテリスタック35の一方の開放端と接続され、他端を第3の外部接続電極15を介して電流制御素子37及びバッテリスタック35の他方の開放端と接続され、電流制御素子37によって通電が制御される発熱体11への給電経路が形成される。
The
[保護素子の動作]
バッテリパック30に定格を超える過電流が通電されると、保護素子12は、可溶導体6が自己発熱により溶融し、バッテリパック30の充放電経路を遮断する。
[Operation of protection element]
When an overcurrent exceeding the rating is applied to the
また、検出回路36がバッテリセル31〜34のいずれかの異常電圧を検出すると、電流制御素子37へ遮断信号を出力する。すると、電流制御素子37は、発熱体11に通電するよう電流を制御する。保護素子12は、バッテリスタック35から、第1の電極11、可溶導体6及び表面電極5を介して発熱体11に電流が流れ、これにより発熱体11が発熱を開始する。保護素子12は、発熱体11の発熱により可溶導体6が溶断し、バッテリスタック35の充放電経路を遮断する。
Further, when the
このとき、過電流時における自己溶断及び過電圧時における発熱体11による溶断のいずれにおいても、保護素子12は、可溶導体6が絶縁基板4上において表面電極5にのみ支持されているため、表面電極5の寸法や配置の設計の自由度が高く第1、第2の外部電極2,3との距離を容易に調整することができる。したがって、保護素子12は、表面電極5と第1、第2の外部電極2,3との距離を十分確保することにより、溶融導体6aが絶縁基板4の表面4aを伝って第1、第2の外部電極2,3と連続することを防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
At this time, since the
また、保護素子12は、可溶導体6を高融点金属と低融点金属とを含有させて形成することにより、溶融した低融点金属による高融点金属の溶食作用を利用して短時間で溶断することができる。
In addition, the
なお、保護素子12は、可溶導体6が溶断することにより、発熱体11への給電経路も遮断されるため、発熱体11の発熱が停止される。
In addition, since the power supply path | route to the
本発明に係る保護素子は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電気信号による電流経路の遮断を必要とする様々な用途にももちろん応用可能である。 The protection element according to the present invention is not limited to use in a battery pack of a lithium ion secondary battery, and can of course be applied to various uses that require interruption of a current path by an electric signal.
[保護素子:吸引タイプ]
また、本発明が適用された保護素子は、図8に示すように、絶縁基板4に可溶導体6の溶融導体6aを吸引する吸引孔51を設けてもよい。なお、以下の説明において上述した保護素子1と同じ部材については同じ符号を付して、その詳細を省略する。
[Protective element: Suction type]
Moreover, the protection element to which the present invention is applied may be provided with a
吸引孔51が設けられた保護素子50は、可溶導体6が過電流による自己発熱、あるいは過電圧に伴う発熱体11の発熱により溶融すると、毛管現象によってこの溶融導体6aを吸引孔51内に吸引し、溶融導体6aの体積を減少させる。保護素子50は、大電流用途に対応するために可溶導体6の断面積を増大させることにより、溶融量が増大した場合にも、吸引孔51に吸引させることで、溶融導体6aの体積を減少させることができる。
The
これにより、保護素子50は、可溶導体6を速やかに、かつ確実に溶断することができる。また、保護素子50は、過電流に伴う自己発熱遮断時に生じるアーク放電による溶融導体6aの飛散を軽減し、絶縁抵抗の低下を防止するとともに、可溶導体6の搭載位置の周辺回路への付着による短絡故障を防止することができる。
Thereby, the
吸引孔51は、内面に導電層52が形成されている。導電層52が形成されることにより、吸引孔51は、溶融導体6aを吸引しやすくすることができる。導電層52は、例えば銅、銀、金、鉄、ニッケル、パラジウム、鉛、錫のいずれか、又はいずれかを主成分とする合金によって形成され、吸引孔51の内面を電解メッキや導電ペーストの印刷等の公知の方法により形成することができる。
The
また、吸引孔51は、絶縁基板4の厚さ方向に貫通する貫通孔として形成されることが好ましい。これにより、吸引孔51は、溶融導体6aを絶縁基板4の裏面4b側まで吸引することができ、より多くの溶融導体6aを吸引し、溶断部位における溶融導体6aの体積を減少させることができる。なお、吸引孔51は、非貫通孔として形成してもよい。
Further, the
また、図9に示すように、吸引孔51は、絶縁基板4の表面4aに絶縁層13を介して積層された表面電極5の幅方向の中央に設けられる。なお、吸引孔51は、複数設けることで、可溶導体6の溶融導体6aを吸引する経路を増やし、より多くの溶融導体6aを吸引することで、溶断部位における溶融導体6aの体積を減少させるようにしてもよい。ここでは、複数の吸引孔51が直線状に一列に並んで設けられている。
As shown in FIG. 9, the
また、吸引孔51の内面に設けられた導電層52は、表面電極5と連続されている。したがって、保護素子50は、表面電極5に凝集した溶融導体6aを、導電層52を介して吸引孔51内に導きやすくすることができる。
The
また、絶縁基板4の裏面4bには、吸引孔51の導電層52と接続された裏面電極53が形成されている。図10に示すように、裏面電極53は、導電層52と連続することにより、可溶導体6が溶融すると、吸引孔51を介して移動した溶融導体6aが凝集する。これにより、保護素子1は、より多くの溶融導体6aを吸引し、溶断部位における溶融導体6aの体積を減少させることができる。
A
なお、保護素子50は、発熱体11を設けずに過電流による可溶導体6の自己発熱溶断のみを行う構成としてもよく、発熱体11を設け、過電流に加えて過電圧に伴う発熱体11の発熱によって可溶導体6が溶断する構成としてもよい。また、保護素子50は、発熱体11を、絶縁基板4の表面4a、裏面4b又は絶縁基板4の内部に設けてもよい。
The
発熱体11は、絶縁基板4の裏面に設ける場合、一端が裏面電極53と連続するとともに、導電層52及び表面電極5を介して可溶導体6と電気的に接続され、他端が図示しない発熱体電極を介して第3の外部接続電極15と接続される。同様に、発熱体11は、絶縁基板4の内部に設ける場合、一端が表面電極5を介して可溶導体6と電気的に接続され、他端が第3の外部接続電極15と接続される。
When the
発熱体11を絶縁基板4の裏面4bに形成することにより、保護素子50は、裏面電極53が発熱体11によって加熱されることにより、より多くの溶融導体6aを凝集しやすくなる。したがって、保護素子50は、表面電極5から導電層52を介して裏面電極53へ溶融導体6aを吸引する作用を促進させ、確実に可溶導体6を溶断することができる。
By forming the
また、発熱体11を絶縁基板4の内部に形成することにより、保護素子50は、導電層52を介して表面電極5及び裏面電極53が発熱体11によって加熱されることにより、より多くの溶融導体6aを凝集しやすくなる。したがって、保護素子50は、表面電極5から導電層52を介して裏面電極53へ溶融導体6aを吸引する作用を促進させ、確実に可溶導体6を溶断することができる。
In addition, by forming the
なお、発熱体11は、絶縁基板4の表面4b、裏面4b又は内部に形成するいずれの場合においても、吸引孔51の両側に形成することが、表面電極5及び裏面電極53を加熱し、またより多くの溶融導体6aを凝集、吸引するうえで好ましい。
Note that the
また、保護素子50は、吸引孔51内に可溶導体6と同一若しくは類似の材料又は可溶導体6より融点の低い予備ハンダ55や、フラックスを充填してもよい。保護素子50は、発熱体11が発熱したとき、熱伝導に優れる導電層52や表面電極5や裏面電極53が絶縁基板4より先に温度が高くなることによって、予備ハンダ55等が可溶導体6より先に溶融し、溶融導体6aを吸引孔51に呼び込むことができる。これにより、溶融導体6aは、絶縁基板4の表面4aから裏面4bに移動し、姿勢に拘わらず、第1の外部電極2と第2の外部電極3との間の電流経路を確実に遮断することができる。
Further, the
[第1、第2の外部電極と絶縁基板との間のクリアランス]
なお、保護素子1,12,50は、それぞれ外筐体10に支持された第1、第2の外部電極2,3と絶縁基板4との間にクリアランスを設けることが好ましい。保護素子1,12,50は、クリアランスを設けることにより、絶縁基板4と外筐体10との熱膨張係数との違いに起因する歪みを吸収し、素子の破損を防止することができる。また、保護素子12,50は、クリアランスを設けることにより、絶縁基板4と第1、第2の外部電極2,3との間の熱経路を遮断することができ、より効率よく表面電極5から可溶導体6の接続部位に熱を伝え、速やかに可溶導体6を溶断することができる。
[Clearance between first and second external electrodes and insulating substrate]
The
また、第1、第2の外部電極2,3と絶縁基板4との間にクリアランスを設けることで、第1、第2の外部電極2,3と表面電極5とが同一平面上に並ばないことから、保護素子1は、溶融導体6aが絶縁基板4の表面4aを伝って第1、第2の外部電極2,3と連続することを確実に防止でき、高い絶縁抵抗を維持することができる。
Further, by providing a clearance between the first and second
次いで、本発明の実施例について説明する。本実施例では、可溶導体が絶縁基板上において表面電極のみに支持された保護素子(実施例:図1参照)と、可溶導体が絶縁基板上において表面電極及び一対のサイド電極に支持された保護素子(比較例:図11参照)を用意し、電流遮断時における絶縁性、発熱体の発熱による溶断特性、及び温度サイクル試験による信頼性について評価した。 Next, examples of the present invention will be described. In this example, the soluble conductor is supported by the surface electrode and the pair of side electrodes on the insulating substrate, and the protection element (example: see FIG. 1) supported only by the surface electrode on the insulating substrate. A protective element (comparative example: see FIG. 11) was prepared and evaluated for insulation at the time of current interruption, fusing characteristics due to heat generated by the heating element, and reliability by a temperature cycle test.
実施例及び比較例に係る保護素子は、いずれも絶縁基板として裏面に発熱体が設けられたセラミック基板(熱膨張係数:7ppm/℃)を用いた。また、第1、第2の外部電極間にわたって支持される可溶導体として、厚さ0.35mm、幅5.4mmのSn‐Ag‐Cu系金属箔(熱膨張係数:22ppm/℃)に厚さ6μmのAgメッキ処理を施したものを用いた。可溶導体と各電極とはハンダによって接続した。また、第1、第2の外部電極は、PPS製の外筐体(熱膨張係数:20ppm/℃)によって支持した。 As the protective elements according to the examples and comparative examples, ceramic substrates (thermal expansion coefficient: 7 ppm / ° C.) each having a heating element on the back surface as an insulating substrate were used. Further, as a soluble conductor supported between the first and second external electrodes, a thickness of 0.35 mm thick and 5.4 mm wide Sn—Ag—Cu based metal foil (thermal expansion coefficient: 22 ppm / ° C.) is used. A 6 μm Ag-plated one was used. The soluble conductor and each electrode were connected by solder. The first and second external electrodes were supported by an outer casing made of PPS (thermal expansion coefficient: 20 ppm / ° C.).
これら実施例及び比較例に係る保護素子に対して、190A、35Vの電流を通電させ、自己発熱によって可溶導体を溶断させた。溶断時間は実施例及び比較例に係る保護素子とも、約5秒であった。溶断後、第1、第2の外部電極間の絶縁抵抗値を測定し、106Ω以上の絶縁抵抗が確保されているか確認した。測定結果を表1に示す。 Currents of 190 A and 35 V were applied to the protection elements according to these examples and comparative examples, and the soluble conductor was blown out by self-heating. The fusing time was about 5 seconds for the protective elements according to the example and the comparative example. After fusing, the insulation resistance value between the first and second external electrodes was measured to confirm whether an insulation resistance of 10 6 Ω or more was secured. The measurement results are shown in Table 1.
表1に示すように、実施例に係る保護素子では、全16個のサンプルの全てにおいて106Ω以上の絶縁抵抗が確保されている。一方、比較例に係る保護素子では、全8個のサンプル中、3個のサンプルにおいて絶縁抵抗値が106Ω未満となった。これは、比較例においては、サイド電極を設けることにより、第1、第2の外部電極、サイド電極及び表面電極の各距離が短く、アーク放電により飛散した溶融導体が連続することにより短絡が生じやすくなったことによる。これより、可溶導体を絶縁基板上において表面電極のみに支持させる構成が、高い絶縁抵抗を維持するために有効であることが分かる。 As shown in Table 1, in the protection element according to the example, an insulation resistance of 10 6 Ω or more is ensured in all 16 samples. On the other hand, in the protective element according to the comparative example, the insulation resistance value was less than 10 6 Ω in 3 samples out of all 8 samples. This is because, in the comparative example, by providing the side electrode, the distances between the first and second external electrodes, the side electrode, and the surface electrode are short, and a short circuit occurs due to the continuous molten conductor scattered by arc discharge. Because it became easier. From this, it can be seen that the configuration in which the soluble conductor is supported only on the surface electrode on the insulating substrate is effective for maintaining a high insulation resistance.
また、実施例及び比較例に係る保護素子に対して、発熱体に通電、発熱させることにより可溶導体を溶断させたところ、実施例及び比較例に係る保護素子のいずれも、30W印加時で溶断時間約10秒、90W印加時で溶断時間約1.5秒であった。すなわち、サイド電極を持たない実施例に係る保護素子は、サイド電極を備えた比較例に係る保護素子と同様に、広い動作電力範囲で迅速に可溶導体を溶断させることができることがわかる。 In addition, when the fusible conductor was blown off by energizing and heating the heating element with respect to the protection element according to the example and the comparative example, both of the protection elements according to the example and the comparative example were applied when 30 W was applied. The fusing time was about 10 seconds, and the fusing time was about 1.5 seconds when 90 W was applied. That is, it can be seen that the protection element according to the example having no side electrode can quickly melt the soluble conductor in a wide operating power range, similarly to the protection element according to the comparative example including the side electrode.
次いで、実施例及び比較例に係る保護素子に対して温度サイクル試験を施し、初期導通抵抗値と温度サイクル試験後の導通抵抗値を測定した。温度サイクル試験の条件は、−40℃、30min⇔100℃、30min、300サイクルである。 Next, a temperature cycle test was performed on the protection elements according to Examples and Comparative Examples, and an initial conduction resistance value and a conduction resistance value after the temperature cycle test were measured. The conditions of the temperature cycle test are −40 ° C., 30 min⇔100 ° C., 30 min, 300 cycles.
表2に示すように、実施例に係る保護素子では、温度サイクル試験後における抵抗値の上昇率が1.4%に止まったのに対し、比較例に係る保護素子は、温度サイクル試験後における抵抗値の上昇率が3.9%と高くなった。 As shown in Table 2, in the protection element according to the example, the rate of increase in the resistance value after the temperature cycle test stopped at 1.4%, whereas the protection element according to the comparative example had a resistance value after the temperature cycle test. The rate of increase in resistance value was as high as 3.9%.
これは、比較例に係る可溶導体では、可溶導体が絶縁基板上においてサイド電極及び表面電極の複数個所で固定されているため、温度サイクル試験により、絶縁基板と可溶導体との熱膨張係数差による応力が繰り返し発生すると、可溶導体を絶縁基板に固定するサイド電極と表面電極との間に歪みとして現れたことによる。このため、比較例に係る保護素子では、可溶導体に生じた変形により抵抗値が変動し、定格の維持や速溶断性等において信頼性に劣るものとなった。 This is because, in the fusible conductor according to the comparative example, the fusible conductor is fixed on the insulating substrate at a plurality of positions of the side electrode and the surface electrode. This is because when stress due to the coefficient difference is repeatedly generated, it appears as strain between the side electrode and the surface electrode for fixing the soluble conductor to the insulating substrate. For this reason, in the protection element according to the comparative example, the resistance value fluctuates due to the deformation generated in the fusible conductor, and the reliability is inferior in the maintenance of the rating, the quick fusing property, and the like.
一方、実施例に係る保護素子においては、可溶導体が絶縁基板上において表面電極1か所で固定されているため、歪みの発生が抑えられている。また、実施例に係る保護素子は、第1、第2の外部電極を支持する外筐体と可溶導体のとの熱膨張係数差が小さいことから、第1、第2の外部電極と表面電極との間の歪みは殆ど生じなかった。これにより、可溶導体を絶縁基板上において表面電極のみに支持させる構成を採ることにより、様々な温度環境下に晒された場合においても高定格の維持や速溶断性において信頼性を有することが分かる。 On the other hand, in the protection element according to the example, since the fusible conductor is fixed at one surface electrode on the insulating substrate, the occurrence of distortion is suppressed. Further, since the protective element according to the example has a small difference in thermal expansion coefficient between the outer casing supporting the first and second external electrodes and the soluble conductor, the first and second external electrodes and the surface Almost no distortion between the electrodes occurred. As a result, by adopting a configuration in which the soluble conductor is supported only on the surface electrode on the insulating substrate, it is reliable in maintaining a high rating and fast fusing property even when exposed to various temperature environments. I understand.
1 保護素子、2 第1の外部電極、3 第2の外部電極、4 絶縁基板、4a 表面、4b 裏面、5 表面電極、6 可溶導体、7 接続材料、10 外筐体、11 発熱体、12 保護素子、13 絶縁層、15 第3の外部接続電極、30 バッテリパック、31〜34 バッテリセル、35 バッテリスタック、36 検出回路、37 電流制御素子、40 充放電制御回路、41,42 電流制御素子、43 制御部、45 充電装置、50 保護素子、51 吸引孔、52 導電層、53 裏面電極、55 予備ハンダ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
上記第1、第2の外部電極間に配設された絶縁基板と、
上記絶縁基板の表面に形成された表面電極と、
上記第1、第2の外部電極間にわたって接続された可溶導体とを備え、
上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面上において、上記表面電極のみに支持されている保護素子。 First and second external electrodes;
An insulating substrate disposed between the first and second external electrodes;
A surface electrode formed on the surface of the insulating substrate;
A fusible conductor connected between the first and second external electrodes,
The soluble conductor is a protective element supported only on the surface electrode on the surface of the insulating substrate.
上記第1、第2の外部電極は、上記外筐体に支持されている請求項1記載の保護素子。 With an outer housing,
The protection element according to claim 1, wherein the first and second external electrodes are supported by the outer casing.
上記バッテリセルに流れる電流を遮断するように接続された保護素子と、
上記バッテリセルそれぞれの電圧値を検出して上記保護素子を加熱する電流を制御する電流制御素子とを備え、
上記保護素子は、
第1、第2の外部電極と、
上記第1、第2の外部電極間に配設された絶縁基板と、
上記絶縁基板の表面に形成された表面電極と、
上記第1、第2の外部電極間にわたって接続された可溶導体とを備え、
上記可溶導体は、上記絶縁基板の表面上において、上記表面電極のみに支持されているバッテリパック。 One or more battery cells;
A protective element connected to cut off the current flowing through the battery cell;
A current control element that detects a voltage value of each of the battery cells and controls a current for heating the protection element;
The protective element is
First and second external electrodes;
An insulating substrate disposed between the first and second external electrodes;
A surface electrode formed on the surface of the insulating substrate;
A fusible conductor connected between the first and second external electrodes,
The fusible conductor is a battery pack supported only on the surface electrode on the surface of the insulating substrate.
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