WO2020189225A1 - バッテリパック、保護回路 - Google Patents

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WO2020189225A1
WO2020189225A1 PCT/JP2020/008292 JP2020008292W WO2020189225A1 WO 2020189225 A1 WO2020189225 A1 WO 2020189225A1 JP 2020008292 W JP2020008292 W JP 2020008292W WO 2020189225 A1 WO2020189225 A1 WO 2020189225A1
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battery pack
fuse
battery
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PCT/JP2020/008292
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千智 小森
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デクセリアルズ株式会社
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
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    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present technology relates to a battery pack provided with a protective element that blows a fuse element provided on the charge / discharge current path to cut off the charge / discharge current path, and a protection circuit.
  • lithium-ion secondary batteries have been adopted in many applications from home appliances such as mobile phones and notebook PCs to electric tools and electric vehicles.
  • a lithium-ion secondary battery has a high energy density and is suitable for high output, but when an excessive current is output, it generates heat due to the internal resistance of the battery itself, and there is a risk of causing smoke and ignition. Therefore, in order to ensure the safety of users and electronic devices, in general, a number of protection circuits such as overcharge protection and overdischarge protection are built into the battery pack, and PTC (Positive Temperature Coefficient) elements are charged and discharged. By connecting in series with the current path, it has a function to cut off the input and output of the battery pack in a predetermined case.
  • the element resistance of PTC increases with temperature and the current is limited by that resistance
  • the DC resistance of the circuit increases by connecting PTC, and it is not suitable for applications where a large current is applied.
  • the method of protecting by the protection circuit mainly controls the energizing current by the FET, the DC resistance value can be suppressed low, but the semiconductor has a risk of malfunctioning in a high temperature environment.
  • a method is proposed in which a fuse element is connected on a charge / discharge circuit of a battery cell and the fuse is blown by the heat of a heat generating resistor to cut off the charge / discharge circuit.
  • the FET 102 that switches the energization of the heat generating resistor 101, the battery stack 103 in which the battery cells are connected in series and / or in parallel, and the battery stack 103 are overcharged or overdischarged.
  • a control IC 104 that outputs a control signal to the FET 102 when the battery stack 103 is abnormal, and a fuse 105 connected on the charge / discharge path of the battery stack 103 are provided.
  • the protection circuit 100 when there is no abnormality in the battery stack 103, energization of the heat generating resistor 101 is regulated by the FET 102. Then, when the protection circuit 100 detects an abnormality such as overcharging or overdischarging of the battery stack 103 by the control IC 104, the FET 102 energizes the heat generating resistor 101. As a result, the protection circuit 100 blows the fuse 105 due to the heat generation resistor 101 generating heat, and cuts off the charge / discharge path of the battery stack 103.
  • the control IC 104 for controlling the FET 102 and the FET 102 is required, which causes an increase in the number of parts and an increase in assembling man-hours, and is exposed to a high temperature environment. If the control IC 104 fails in such a case, the fuse 105 may not be blown.
  • This technology has been proposed in view of such conventional circumstances, and is a battery pack and protection using a protective element that can cut off the current path without malfunction even when exposed to a high temperature environment.
  • the purpose is to provide a circuit.
  • the battery pack according to the present technology includes a battery cell, a protective element connected in series with the battery cell, and a heat-sensitive element for controlling the operation of the protective element.
  • the protective element includes an insulating substrate, a first terminal portion and a second terminal portion that are provided apart from the insulating substrate and are connected to the charge / discharge path of the battery cell, and the first terminal portion.
  • a fuse element provided between the second terminal portion and a heat-generating resistor connected in series with the heat-sensitive element to control energization are provided, and the temperature of the heat-sensitive element is at least a predetermined temperature. When heated to, the heat generating resistor is energized so as to generate heat at a temperature at which the fuse element is blown.
  • the protection circuit energizes the first and second electrodes connected to the external circuit and the fuse provided in series on the current path extending between the first and second electrodes. It has a heat-generating resistor that blows the fuse and a heat-sensitive element that controls the energization of the heat-generating resistor. When the heat-sensitive element is heated to a temperature equal to or higher than a predetermined temperature, the heat-generating resistor becomes It is energized so as to generate heat at a temperature at which the fuse is blown.
  • the protective element by operating the protective element with a heat-sensitive element, there is no risk of malfunction even when exposed to a high temperature environment, and the charge / discharge current path of the battery cell can be reliably cut off.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a battery pack to which the present technology is applied.
  • 2A and 2B are views showing a protective element
  • FIG. 2A is a plan view showing the cover member omitted
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line XX'.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an example of the fuse element.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a battery pack using a thermostat as a heat-sensitive element.
  • FIG. 4A shows a state before the thermostat is heated
  • FIG. 4B shows a state where the thermostat is heated and the fuse element is blown.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a battery pack using a thermistor as a heat sensitive element.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a battery pack using a diode as a heat sensitive element.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of a battery pack equipped with a protection IC and a switch for detecting an abnormal voltage of a battery stack or a battery cell in addition to a heat-sensitive element.
  • FIG. 8 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional battery pack.
  • the battery pack to which the present technology is applied can be configured as, for example, the battery pack 10 of a lithium ion secondary battery.
  • the battery pack 10 shown in FIG. 1 controls, for example, the operation of a battery stack 15 composed of battery cells 15a of a plurality of lithium ion secondary batteries, a protective element 11 connected in series with the battery stack 15, and the protective element 11. It has a heat-sensitive element 12 to perform.
  • the protective element 11 cuts off the charge / discharge path of the battery stack 15 when the battery pack 10 is abnormal.
  • the heat-sensitive element 12 operates the protective element 11 when it is heated to a temperature equal to or higher than a predetermined temperature due to fluctuations in electrical characteristics such as conduction on / off, resistance value, and output voltage due to heat. That is, in the battery pack 10, the operation of the protection element 11 is controlled according to the fluctuation of the electrical characteristics of the heat sensitive element 1.
  • the battery stack 15 is formed by connecting battery cells 15a that require control for protection from overvoltage, overcurrent, etc. in series and / or in parallel, and is attached / detached via the positive electrode terminals 10a and the negative electrode terminals 10b of the battery pack 10. It is possible to connect to the charging device 13 and apply the charging voltage from the charging device 13.
  • the battery pack 10 charged by the charging device 13 can operate the electronic device by connecting the positive electrode terminal 10a and the negative electrode terminal 10b to the electronic device operated by the battery.
  • the battery pack 10 has a charge / discharge control circuit 16 that controls charging / discharging of the battery stack 15.
  • the charge / discharge control circuit 16 includes two current control elements 17 and 18 connected in series to the current path flowing from the battery stack 15 to the charging device 13, and a control unit 19 for controlling the operation of these current control elements 17 and 18.
  • the current control elements 17 and 18 are composed of, for example, field effect transistors (hereinafter referred to as FETs), and by controlling the gate voltage by the control unit 19, the charging direction and / or discharging direction of the current path of the battery stack 15 Controls continuity and interruption to.
  • FETs field effect transistors
  • the control unit 19 operates by receiving power from the charging device 13, and when the battery stack 15 is over-discharged or over-charged, depending on the detection result by a detection circuit (not shown) that detects the voltage of each battery cell 15a.
  • the operation of the current control elements 17 and 18 is controlled so as to cut off the current path.
  • the protective element 11 is connected on, for example, a charge / discharge current path between the battery stack 15 and the charge / discharge control circuit 16, and its operation is controlled by the heat-sensitive element 12.
  • the protective element 11 includes an insulating substrate 26, first and second electrodes 22 and 23 formed on the insulating substrate 26, and an insulating substrate 26.
  • the heating element 24 formed on the surface of the heating element 24, the insulating layer 27 covering the heating element 24, the heating element extraction electrode 21 laminated on the insulating layer 27 and connected to the heating element 24, and the first The electrode 22, the heating element extraction electrode 21, and the fuse element 20 mounted over the second electrode 23 via the connecting solder 28 are provided.
  • the first and second electrodes 22 and 23 are first and second terminal portions connected to the charge / discharge path of the battery cell 15a, and the first and second electrodes 22 and 23 are formed on the back surface of the insulating substrate 26, respectively. It is connected to the external connection electrodes 22a and 23a of the above via casting. Further, the heating element 24 is connected to the heating element feeding electrode 25, and is connected to the heat sensitive element 12 via the heating element feeding electrode 25. Further, the heating element 24 is connected to the charge / discharge path of the fuse element 20 and the battery stack 15 by electrically connecting the heating element extraction electrode 21 to the fuse element 20.
  • the insulating substrate 26 is formed in a substantially rectangular shape, for example, by using an insulating member such as alumina, glass ceramics, mullite, or zirconia.
  • the insulating substrate 26 may use a material used for a printed wiring board such as a glass epoxy board or a phenol substrate.
  • the first and second electrodes 22 and 23 are formed on both ends of the insulating substrate 26 facing each other.
  • the first and second electrodes 22 and 23 are each formed by a conductive pattern such as Ag or Cu. Further, the first and second electrodes 22 and 23 are continuous from the front surface 26a of the insulating substrate 26 to the first and second external connection electrodes 22a and 23a formed on the back surface 26b via the casting. ..
  • the first and second external connection electrodes 22a and 23a formed on the back surface 26b of the insulating substrate 26 are connected to the connection electrodes provided on the external circuit board on which the protective element 11 is mounted.
  • the fuse element 20 is incorporated into a part of the current path formed on the circuit board.
  • the heat generation resistor 24 is a conductive member having a relatively high resistance value and generates heat when energized, and is made of, for example, nichrome, W, Mo, Ru, or a material containing these.
  • the heat generation resistor 24 is formed by mixing powders of these alloys, compositions, and compounds with a resin binder or the like to form a paste, forming a pattern on the insulating substrate 26 using screen printing technology, and firing the heat-generating resistor 24. It can be formed by such as.
  • the heat generating resistor 24 is thermally connected by superimposing the fuse element 20, and blows the fuse element 20 when heat is generated by energization. Since one end of the heat generation resistor 24 is connected to the heat sensitive element 12, the current and heat generation are constantly regulated. Then, the heat generating resistor 24 can increase the amount of heat generated by increasing the current due to energization by the heat sensitive element 12 or a decrease in the electric resistance value, and can blow the fuse element 20. As will be described later, the heat generating resistor 24 is also electrically connected to the fuse element 20.
  • the fuse element 20 is connected to the protection element 11 from the first electrode 22 to the second electrode 23 by a connecting solder 28.
  • the fuse element 20 conducts electricity between the first and second electrodes 22 and 23 during normal use, and forms a part of a current path of an external circuit in which the protection element 11 is incorporated. Then, the fuse element 20 is blown by self-heating (Joule heat) when a current exceeding the rating is energized, or blown by the heat generated by the heat generating resistor 24, and cuts off between the first and second electrodes 22 and 23.
  • self-heating Jooule heat
  • the fuse element 20 has a predetermined rated current value, and is quickly blown by the heat generated by the heat generating resistor 24 or by self-heating when a current exceeding the rated current value is applied.
  • the fuse element 20 preferably contains any one selected from nickel, tin, and lead as a main component.
  • a principal component means a component which is 50 wt% or more based on the total mass of a material.
  • the fuse element 20 may have a laminated structure in which the low melting point metal layer 41 and the high melting point metal layer 42 are laminated.
  • the low melting point metal it is preferable to use solder such as Pb-free solder, and as the high melting point metal, it is preferable to use Ag, Cu or an alloy containing these as a main component.
  • the protective element 11 is reflow-mounted by containing the high-melting-point metal and the low-melting-point metal, even if the reflow temperature exceeds the melting temperature of the low-melting-point metal layer and the low-melting-point metal melts, the fuse element 20 It does not melt as.
  • the inner layer may be a low melting point metal and the outer layer may be a high melting point metal.
  • the inner layer is mounted at the time of reflow mounting. The outflow of low melting point metal to the outside can be suppressed. Further, even at the time of fusing, the low melting point metal in the inner layer is melted, so that the high melting point metal in the outer layer is eroded (soldered) and can be quickly melted.
  • the protective element 11 has a cover member 34 mounted on the surface 26a of the insulating substrate 26 provided with the fuse element 20 to protect the inside and prevent the molten fuse element 20 from scattering.
  • the cover member 34 can be formed of a member having an insulating property such as various engineering plastics and ceramics.
  • the cover member 34 is connected to the surface 26a of the insulating substrate 26 with an insulating adhesive or the like, thereby covering the fuse element 20.
  • Heat sensitive element As the heat-sensitive element 12, an electronic component whose electrical characteristics have temperature dependence can be used. For example, as shown in FIG. 4, a thermostat that opens and closes a circuit according to a change in ambient temperature can be used.
  • the heat-sensitive element 3 is thermally connected by being arranged close to or in contact with the battery stack 15, and is heated by abnormal heat generation of the battery stack 15. As a result, the heat-sensitive element 12 changes its electrical characteristics such as resistance value and output voltage.
  • the thermostat 12a is mounted on an insulating substrate (not shown), and as shown in FIG. 4A, one end thereof is an open end of the battery stack 15. The other end is connected to the heat generating resistor 24 of the protection element 11.
  • the thermostat 12a always opens the energization path from the battery stack 15 to the heat generating resistor 24.
  • the thermostat 12a when the thermostat 12a is heated due to abnormal heat generation of the battery stack 15, the thermostat 12a is displaced so as to close the energization path from the battery stack 15 to the heat generating resistor 24, thereby causing a fuse. Sufficient power from the battery stack 15 to blow the element 20 energizes the heating resistor 24.
  • a negative characteristic thermistor 12b (NTC thermistor, CTR thermistor) whose resistance value decreases as the ambient temperature rises can be used as shown in FIG.
  • a diode 12c whose voltage changes when the temperature exceeds the threshold value can be used.
  • examples of the heat-sensitive element 12 include a Peltier element, a thermocouple, a bimetal, and a temperature sensor.
  • the heat sensitive element 12 is thermally connected by being provided in close proximity to or in contact with the exterior of the battery cell 15a.
  • the heat sensitive element 12 may be provided in contact with the exterior of the battery pack 10.
  • a sheet-like or grease-like heat conductive material may be interposed between the heat-sensitive element 12 and the exterior of the battery cell 15a or the exterior of the battery pack 10.
  • the battery pack 10 may be provided with one heat-sensitive element 12 for the battery stack 15, or may be provided with the heat-sensitive element 12 for each battery cell 15a.
  • one heat-sensitive element 12 may be provided for the plurality of battery cells 15a.
  • Such a protection element 11 has a circuit configuration as shown in FIGS. 1 and 4 (A). That is, the protection element 11 blows the fuse element 20 by energizing the fuse element 20 connected in series between the first and second electrodes 22 and 23 and generating heat through the connection point of the fuse element 20. It is a circuit configuration including a heat generating resistor 24. Further, the protective element 11 is formed with an energization path to the heat sensitive element 12 (thermostat 12a), the heating element feeding electrode 25, the heating element 24, and the heating resistor 24 leading to the fuse element 20, and is formed by the heat sensitive element 12. The energization of the heating element is controlled.
  • the first electrode 22 is connected to one open end side of the battery stack 15 via the first external connection electrode 22a, and the second electrode 23 is the second outside. It is connected to the positive electrode terminal 10a side of the battery pack 10 via the connection electrode 23a, whereby the fuse element 20 is placed on the charge / discharge current path of the battery pack 10 via the first and second external connection electrodes 22a and 23a. It is connected in series.
  • the protection element 11 is connected to one open end of the battery stack 15 in which the heating element feeding electrode 25 energizes the heating element 24, and the heat sensitive element 12 (thermostat 12a) regulates the energization of the heating element 24. Has been done. Therefore, the fuse element 20 is not blown by the heat generated by the heat generating resistor 24, and the charge / discharge current path of the battery pack 10 can be energized.
  • the heat sensitive element 12 (thermostat 12a) Is heated and exceeds a predetermined threshold value, the energization path to the heat generating resistor 24 is closed. As a result, the heat generating resistor 24 is energized from the battery stack 15. As a result, in the protection element 11, the heat generation resistor 24 is heated to a high temperature, and the fuse element 20 incorporated in the current path of the battery pack 10 is melted.
  • the molten conductor of the fuse element 20 is attracted to the heating element extraction electrode 21 and the first and second electrodes 22 and 23, which have high wettability, so that the fuse element 20 is blown. Therefore, the battery pack 10 can blow the space between the first electrode 22 and the heating element extraction electrode 21 to the second electrode 23 (FIG. 4B) to cut off the current path of the battery stack 15.
  • Such a battery pack 10 can cut off the charge / discharge current path of the battery stack 15 by operating the protective element by the heat sensitive element 12. Therefore, regardless of the switch operation of the current control elements 17 and 18 and the control IC that controls the protection element, there is no risk of malfunction even when exposed to a high temperature environment, and the charge / discharge current path of the battery stack 15 is cut off. be able to.
  • the protection element 11 constitutes a part of the energization path to the heat generation resistor 24 by connecting the fuse element 20 to the heat generation resistor 24. Therefore, when the fuse element 20 is melted and the connection with the external circuit is cut off, the protection element 11 can stop the heat generation because the energization path to the heat generation resistor 24 is also cut off.
  • the battery pack 10 detects the voltage of the entire battery stack 15 and / or the abnormal voltage of each battery cell 15a in addition to the heat-sensitive element 12, and operates the protection element 11 by operating a switch.
  • a switch circuit 50 may be provided.
  • the switch circuit 50 includes a protection IC 51 that monitors the voltage of the entire battery stack 15 and / or the voltage of each battery cell 15a, and a switch S52 that is operated by the protection IC 51.
  • the switch S52 is, for example, an FET, and is connected to the battery stack 15 or one open end of the battery cell 15a and is connected to the heat generating resistor 24 of the protection element 11 to cause the heat sensitive element 12 (thermistor in FIG. 7). It is in parallel with 12b). Further, the switch S52 is switched and controlled between the ON state and the OFF state by the protection IC 51.
  • the protection IC 51 is connected to, for example, the battery stack 15 and both open ends of each battery cell 15a, constantly monitors the voltage of the entire battery stack 15 and / or the voltage of each battery cell 15a, and switches the switch S52 on when an abnormal voltage is generated.
  • the heat generation resistor 24 is energized.
  • the Protection IC 51 detects whether or not there is an overvoltage based on the voltage across the battery stack 15 and / or the battery cell 15a.
  • the Protection IC 51 detects that the voltage of the battery stack 15 or the battery cell 15a is overvoltage when the battery cell voltage exceeds a preset threshold value during charging.
  • the protection IC 51 controls the switch S52 from the off state to the on state.
  • the protection element 11 operates and the fuse element 20 is blown, so that the charge / discharge current path of the battery stack 15 can be cut off.
  • the heat-sensitive element 12 is provided in parallel with the charge / discharge path of the battery stack 15, but the heat-sensitive element 12 is on a path electrically independent of the charge / discharge path of the battery stack 15. Power may be supplied from a power source provided separately.
  • the battery pack of the present invention is not limited to the case of being used for the battery pack 10 of the lithium ion secondary battery, and of course, it can be applied to various applications requiring interruption of the current path in the event of abnormal overheating.

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Abstract

高温環境にさらされた場合にも誤作動することなく、電流経路を遮断できる保護素子を用いたバッテリパックを提供する。　バッテリセル１５ａと、バッテリセル１５ａと直列に接続された保護素子１１と、保護素子１１の動作を制御する熱感応素子１２を有し、保護素子１１は、絶縁基板２６と、絶縁基板２６に離間して設けられ、バッテリセル１５ａの充放電経路上に接続される第１の端子部２２及び第２の端子部２３と、第１の端子部２２と第２の端子部２３との間にわたって設けられたヒューズエレメント２０と、熱感応素子１２と直列に接続された発熱抵抗体２４とを備え、熱感応素子１２が所定の温度以上の温度に加熱されると、発熱抵抗体２４がヒューズエレメント２０を溶断させる温度に発熱するように通電される。

Description

バッテリパック、保護回路
　本技術は、充放電電流経路上に設けられたヒューズエレメントを溶断して当該充放電電流経路を遮断する保護素子を備えたバッテリパック、及び保護回路に関する。本出願は、日本国において２０１９年３月１５日に出願された日本特許出願番号特願２０１９－０４８０９２を基礎として優先権を主張するものであり、この出願は参照されることにより、本出願に援用される。
　近年、携帯電話、ノートＰＣ等の家電から電動工具、電気自動車まで多くの用途にリチウムイオン二次電池が採用されている。リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く高出力に適する電池であるが、過大な電流を出力した場合に電池そのものの内部抵抗によって発熱し、発煙発火を引き起こすリスクがある。このため、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たり、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子を充放電電流経路に直列に接続したりすることにより、所定の場合にバッテリパックの入出力を遮断する機能を有している。
　しかし、ＰＴＣは温度によって素子抵抗が上昇し、その抵抗によって電流を制限させているため、ＰＴＣを接続することで回路の直流抵抗が増大し、大電流を通電する用途には向かない。また、保護回路によって、保護する手法は主にＦＥＴによって、通電電流を制御するため、直流抵抗値は低く抑えることが出来るが、半導体は高温環境下によって、誤動作を起こすリスクが有る。
　また、リチウムイオン二次電池等のバッテリシステムにおいては、バッテリセルの充放電回路上にヒューズ素子を接続し、発熱抵抗体の熱でヒューズを溶断することにより当該充放電回路を遮断する方法が提案されている。例えば図８に示す保護回路１００では、発熱抵抗体１０１への通電を切り替えるＦＥＴ１０２と、バッテリセルが直列及び／又は並列に接続されたバッテリスタック１０３と、バッテリスタック１０３の過充電や過放電等をモニタするとともに、バッテリスタック１０３の異常時にはＦＥＴ１０２に制御信号を出力する制御ＩＣ１０４と、バッテリスタック１０３の充放電経路上に接続されたヒューズ１０５を備える。
　保護回路１００は、バッテリスタック１０３に異常がない場合は、ＦＥＴ１０２によって発熱抵抗体１０１への通電が規制されている。そして、保護回路１００は、制御ＩＣ１０４によってバッテリスタック１０３の過充電や過放電等の異常を検知すると、ＦＥＴ１０２によって発熱抵抗体１０１へ通電させる。これにより、保護回路１００は、発熱抵抗体１０１が発熱することによりヒューズ１０５を溶断し、バッテリスタック１０３の充放電経路を遮断する。
特開２００６－１０９５９６号公報
　しかし、保護回路１００では、発熱抵抗体１０１の通電を制御するために、ＦＥＴ１０２及びＦＥＴ１０２を制御する制御ＩＣ１０４が必要となり、部品点数の増加や組み立て工数の増加を招き、また、高温環境にさらされた場合に制御ＩＣ１０４の故障が起きると、ヒューズ１０５を溶断できない恐れがある。
　本技術は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、高温環境にさらされた場合にも誤作動することなく、電流経路を遮断できる保護素子を用いたバッテリパック、及び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、本技術に係るバッテリパックは、バッテリセルと、上記バッテリセルと直列に接続された保護素子と、上記保護素子の動作を制御する熱感応素子を有し、上記保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に離間して設けられ、上記バッテリセルの充放電経路上に接続される第１の端子部及び第２の端子部と、上記第１の端子部と上記第２の端子部との間にわたって設けられたヒューズエレメントと、上記熱感応素子と直列に接続され、通電を制御される発熱抵抗体とを備え、上記熱感応素子が所定の温度以上の温度に加熱されると、上記発熱抵抗体が上記ヒューズエレメントを溶断させる温度に発熱するように通電されるものである。
　また、本技術に係る保護回路は、外部回路に接続される第１、第２の電極と、上記第１、第２の電極間にわたる電流経路上に直列に設けられたヒューズと、通電することにより上記ヒューズを溶断する発熱抵抗体と、上記発熱抵抗体の通電を制御する熱感応素子とを有し、上記熱感応素子が所定の温度以上の温度に加熱されると、上記発熱抵抗体が上記ヒューズを溶断させる温度に発熱するように通電されるものである。
　本技術によれば、熱感応素子によって保護素子を作動させることにより、高温環境にさらされた場合にも誤作動する危険がなく、確実にバッテリセルの充放電電流経路を遮断することができる。
図１は、本技術が適用されたバッテリパックの一構成例を示す回路図である。 図２は、保護素子を示す図であり、（Ａ）はカバー部材を省略して示す平面図であり、（Ｂ）はＸ－Ｘ‘断面図である。 図３は、ヒューズエレメントの一例を示す斜視図である。 図４は、熱感応素子としてサーモスタットを用いたバッテリパックの回路図であり、（Ａ）はサーモスタットが加熱される前を示し、（Ｂ）はサーモスタットが加熱されヒューズエレメントが溶断された状態を示す。 図５は、熱感応素子としてサーミスタを用いたバッテリパックの回路図である。 図６は、熱感応素子としてダイオードを用いたバッテリパックの回路図である。 図７は、熱感応素子に加え、バッテリスタックやバッテリセルの異常電圧を検出するＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩＣ及びスイッチを搭載したバッテリパックの回路図である。 図８は、従来のバッテリパックの回路構成を示す図である。
　以下、本技術が適用されたバッテリパック、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、本技術は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本技術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。
　［バッテリパック］
　本技術が適用されたバッテリパックは、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として構成することができる。図１に示すバッテリパック１０は、例えば、複数のリチウムイオン二次電池のバッテリセル１５ａからなるバッテリスタック１５と、バッテリスタック１５と直列に接続された保護素子１１と、保護素子１１の動作を制御する熱感応素子１２を有する。
　保護素子１１は、バッテリパック１０の異常時にバッテリスタック１５の充放電経路を遮断する。熱感応素子１２は、熱により導通のオン・オフや抵抗値、出力電圧等の電気特性が変動し、所定の温度以上の温度に加熱されると保護素子１１を作動させる。すなわち、バッテリパック１０は、熱感応素子１の電気特性の変動に応じて保護素子１１の動作が制御される。
　バッテリスタック１５は、過電圧や過電流等から保護するための制御を要するバッテリセル１５ａが直列及び／又は並列接続されたものであり、バッテリパック１０の正極端子１０ａ、負極端子１０ｂを介して、着脱可能に充電装置１３に接続され、充電装置１３からの充電電圧が印加される。充電装置１３により充電されたバッテリパック１０は、正極端子１０ａ、負極端子１０ｂ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。
　なお、バッテリパック１０は、バッテリスタック１５の充放電を制御する充放電制御回路１６を有する。充放電制御回路１６は、バッテリスタック１５から充電装置１３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１７，１８と、これらの電流制御素子１７，１８の動作を制御する制御部１９とを備える。電流制御素子１７，１８は、たとえば電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ。）により構成され、制御部１９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１５の電流経路の充電方向及び／又は放電方向への導通と遮断とを制御する。制御部１９は、充電装置１３から電力供給を受けて動作し、各バッテリセル１５ａの電圧を検出する図示しない検出回路による検出結果に応じて、バッテリスタック１５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１７，１８の動作を制御する。
　［保護素子］
　保護素子１１は、たとえば、バッテリスタック１５と充放電制御回路１６との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が熱感応素子１２によって制御される。具体的に、保護素子１１は、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、絶縁基板２６と、絶縁基板２６上に形成された第１、第２の電極２２、２３と、絶縁基板２６の表面に形成された発熱抵抗体２４と、発熱抵抗体２４を被覆する絶縁層２７と、絶縁層２７上に積層されるとともに発熱抵抗体２４と接続された発熱体引出電極２１と、第１の電極２２、発熱体引出電極２１、及び第２の電極２３にわたって接続用ハンダ２８を介して搭載されるヒューズエレメント２０とを備える。
　第１、第２の電極２２，２３は、バッテリセル１５ａの充放電経路上に接続される第１、第２の端子部であり、それぞれ絶縁基板２６の裏面に形成された第１、第２の外部接続電極２２ａ，２３ａとキャスタレーションを介して接続されている。また、発熱抵抗体２４は、発熱体給電電極２５と接続され、発熱体給電電極２５を介して熱感応素子１２と接続されている。また、発熱抵抗体２４は、発熱体引出電極２１がヒューズエレメント２０と電気的に接続されることにより、ヒューズエレメント２０及びバッテリスタック１５の充放電経路と接続されている。
　［絶縁基板］
　絶縁基板２６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を用いて、例えば略方形状に形成されている。絶縁基板２６は、その他にも、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。
　絶縁基板２６の相対向する両端部には、第１、第２の電極２２，２３が形成されている。第１、第２の電極２２，２３は、それぞれ、ＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成されている。また、第１、第２の電極２２，２３は、絶縁基板２６の表面２６ａより、キャスタレーションを介して裏面２６ｂに形成された第１、第２の外部接続電極２２ａ，２３ａと連続されている。保護素子１１は、絶縁基板２６の裏面２６ｂに形成された第１、第２の外部接続電極２２ａ，２３ａが、保護素子１１が実装される外部回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、ヒューズエレメント２０が回路基板上に形成された電流経路の一部に組み込まれる。
　［発熱抵抗体］
　発熱抵抗体２４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、例えばニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ等又はこれらを含む材料からなる。発熱抵抗体２４は、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２６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ことができる。
　発熱抵抗体２４は、ヒューズエレメント２０が重畳されることにより熱的に接続され、通電によって発熱するとヒューズエレメント２０を溶断する。発熱抵抗体２４は、一端が熱感応素子１２と接続されることにより、常時、電流及び発熱が規制されている。そして、発熱抵抗体２４は、熱感応素子１２による通電や電気抵抗値の低下等により電流が増加することにより発熱量が増大し、ヒューズエレメント２０を溶断することができる。なお、後述するように、発熱抵抗体２４は、ヒューズエレメント２０と電気的にも接続されている。
　［ヒューズエレメント］
　保護素子１１は、第１の電極２２から第２の電極２３に跨ってヒューズエレメント２０が接続用ハンダ２８により接続されている。ヒューズエレメント２０は、通常使用時には第１、第２の電極２２，２３間を導通させ、保護素子１１が組み込まれた外部回路の電流経路の一部を構成する。そして、ヒューズエレメント２０は、定格を超える電流が通電することによって自己発熱（ジュール熱）により溶断し、あるいは発熱抵抗体２４の発熱により溶断し、第１、第２の電極２２，２３間を遮断する。
　ヒューズエレメント２０は、所定の定格電流値を有し、発熱抵抗体２４の発熱や定格電流値を超える電流が通電された際の自己発熱により速やかに溶断する。ヒューズエレメント２０は、ニッケル、錫、鉛から選択されるいずれか１種を主成分とすることが好ましい。なお、本明細書において、主成分とは、材料全質量を基準として、５０ｗｔ％以上である成分をいう。
　また、ヒューズエレメント２０は、低融点金属層４１と高融点金属層４２とを積層させた積層構造を有していてもよい。低融点金属としては、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、保護素子１１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、ヒューズエレメント２０として溶断するに至らない。
　図３に示すように、ヒューズエレメント２０は、内層を低融点金属とし、外層を高融点金属としてもよい。内層の低融点金属層４１の全表面を外層の高融点金属層４２で被覆した可溶導体を用いることにより、リフロー温度よりも融点の低い低融点金属を用いた場合でも、リフロー実装時に、内層の低融点金属の外部への流出を抑制することができる。また、溶断時も、内層の低融点金属が溶融することにより、外層の高融点金属を溶食（ハンダ食われ）し、速やかに溶融させることができる。
　［カバー部材］
　また、保護素子１１は、ヒューズエレメント２０が設けられた絶縁基板２６の表面２６ａ上に、内部を保護するとともに溶融したヒューズエレメント２０の飛散を防止するカバー部材３４が取り付けられている。カバー部材３４は、各種エンジニアリングプラスチック、セラミックス等の絶縁性を有する部材により形成することができる。カバー部材３４は、絶縁基板２６の表面２６ａ上に絶縁性接着剤等によって接続され、これにより、ヒューズエレメント２０を覆う。
　［熱感応素子］
　熱感応素子１２は、電気特性が温度依存性を有する電子部品を用いることができ、例えば図４に示すように、周囲の温度変化に伴い回路を開閉させるサーモスタットを用いることができる。熱感応素子３はバッテリスタック１５に近接又は接触して配置されることにより熱的に接続され、バッテリスタック１５が異常発熱することにより熱せられる。これにより熱感応素子１２は、抵抗値や出力電圧等の電気特性が変化する。
　熱感応素子１２としてサーモスタット１２ａを用いた場合を例に説明すると、サーモスタット１２ａは、図示しない絶縁基板に実装されるとともに、図４（Ａ）に示すように、一端がバッテリスタック１５の開放端と接続され、他端が保護素子１１の発熱抵抗体２４と接続されている。サーモスタット１２ａは、常時、バッテリスタック１５から発熱抵抗体２４への通電経路を開放している。
　そして、バッテリパック１０は、バッテリスタック１５が異常発熱する等によりサーモスタット１２ａが加熱されると、サーモスタット１２ａがバッテリスタック１５から発熱抵抗体２４への通電経路を閉路するように変位することにより、ヒューズエレメント２０を溶断させるに十分なバッテリスタック１５の電力が発熱抵抗体２４へ通電する。
　熱感応素子１２としては、サーモスタット１２ａの他にも、図５に示すように周囲の温度上昇に伴い抵抗値が低下する負特性サーミスタ１２ｂ（ＮＴＣサーミスタ、ＣＴＲサーミスタ）を用いることができる。また、熱感応素子１２としては、図６に示すように閾値となる温度を超えると電圧が変化するダイオード１２ｃを用いることができる。その他、熱感応素子１２としては、ペルチェ素子、熱電対、バイメタル、温度センサ等が挙げられる。
　また、熱感応素子１２は、バッテリセル１５ａの外装に近接又は接触して設けられることにより熱的に接続されている。あるいは、熱感応素子１２は、バッテリパック１０の外装に接触して設けられてもよい。また、熱感応素子１２とバッテリセル１５ａの外装やバッテリパック１０の外装との間にシート状又はグリス状の熱伝導材を介在させてもよい。また、バッテリパック１０は、バッテリスタック１５に対して１つの熱感応素子１２を設けてもよく、バッテリセル１５ａ毎に熱感応素子１２を設けてもよい。あるいは、複数のバッテリセル１５ａに対して１つの熱感応素子１２を設けてもよい。
　［保護回路］
　このような保護素子１１は、図１、図４（Ａ）に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１１は、第１、第２の電極２２，２３間にわたって直列接続されたヒューズエレメント２０と、ヒューズエレメント２０の接続点を介して通電して発熱させることによってヒューズエレメント２０を溶断する発熱抵抗体２４とからなる回路構成である。また、保護素子１１は、熱感応素子１２（サーモスタット１２ａ）、発熱体給電電極２５、発熱抵抗体２４、及びヒューズエレメント２０に至る発熱抵抗体２４への通電経路が形成され、熱感応素子１２によって発熱抵抗体への通電が制御されている。
　また、図１に示す保護素子１１は、第１の電極２２が第１の外部接続電極２２ａを介してバッテリスタック１５の一方の開放端側に接続され、第２の電極２３が第２の外部接続電極２３ａを介してバッテリパック１０の正極端子１０ａ側に接続され、これにより、ヒューズエレメント２０が第１、第２の外部接続電極２２ａ，２３ａを介してバッテリパック１０の充放電電流経路上に直列接続されている。
　保護素子１１は、発熱体給電電極２５が発熱抵抗体２４に通電させるバッテリスタック１５の一方の開放端と接続されるとともに、熱感応素子１２（サーモスタット１２ａ）によって発熱抵抗体２４への通電が規制されている。そのため、ヒューズエレメント２０は発熱抵抗体２４の発熱により溶断することなく、バッテリパック１０の充放電電流経路は通電可能とされている。
　そして、バッテリパック１０は、バッテリセル１５ａの過電圧等による異常発熱や火災などによる周囲の温度の異常過熱等、バッテリパック１０の電流経路を遮断する必要が生じると、熱感応素子１２（サーモスタット１２ａ）が加熱され、所定の閾値を超えると発熱抵抗体２４への通電経路を閉路する。これにより、バッテリスタック１５から発熱抵抗体２４へ通電される。これにより、保護素子１１は、発熱抵抗体２４が高温に発熱され、バッテリパック１０の電流経路上に組み込まれたヒューズエレメント２０が溶融される。ヒューズエレメント２０の溶融導体は、濡れ性の高い発熱体引出電極２１及び第１、第２の電極２２，２３に引き寄せられることによりヒューズエレメント２０が溶断される。したがって、バッテリパック１０は、第１の電極２２～発熱体引出電極２１～第２の電極２３の間を溶断させ（図４（Ｂ））、バッテリスタック１５の電流経路を遮断することができる。
　このようなバッテリパック１０は、熱感応素子１２によって保護素子を作動させることによりバッテリスタック１５の充放電電流経路を遮断することができる。したがって、電流制御素子１７，１８のスイッチ動作や保護素子を制御する制御ＩＣによらず、高温環境にさらされた場合にも誤作動する危険がなく、バッテリスタック１５の充放電電流経路を遮断することができる。
　保護素子１１は、ヒューズエレメント２０が発熱抵抗体２４と接続されることにより、発熱抵抗体２４への通電経路の一部を構成する。したがって、保護素子１１は、ヒューズエレメント２０が溶融し、外部回路との接続が遮断されると、発熱抵抗体２４への通電経路も遮断されるため、発熱を停止させることができる。
　［スイッチ回路］
　なお、図７に示すように、バッテリパック１０は、熱感応素子１２に加え、バッテリスタック１５全体の電圧及び／又は各バッテリセル１５ａの異常電圧を検出し、スイッチ操作によって保護素子１１を作動させるスイッチ回路５０を設けてもよい。スイッチ回路５０は、バッテリスタック１５全体の電圧及び／又は各バッテリセル１５ａの電圧をモニタするＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩＣ５１と、ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩＣ５１によって操作されるスイッチＳ５２を有する。
　スイッチＳ５２は、例えばＦＥＴであり、バッテリスタック１５あるいはバッテリセル１５ａの一方の開放端と接続されるとともに保護素子１１の発熱抵抗体２４と接続されることにより、熱感応素子１２（図７ではサーミスタ１２ｂ）と並列されている。また、スイッチＳ５２は、ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩＣ５１によってＯＮ状態とＯＦＦ状態とに切替制御される。
　ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩＣ５１は、例えばバッテリスタック１５や各バッテリセル１５ａの両開放端と接続され、常時バッテリスタック１５全体の電圧及び／又は各バッテリセル１５ａの電圧をモニタし、異常電圧時にスイッチＳ５２をオンに切替え、発熱抵抗体２４に通電させる。具体的に、ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩＣ５１は、バッテリスタック１５及び／又はバッテリセル１５ａの両端の電圧に基づき、過電圧であるか否かを検出する。例えば、ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩＣ５１は、充電中にバッテリセル電圧が予め設定されている所定の閾値を超えた場合、バッテリスタック１５又はバッテリセル１５ａの電圧が過電圧であると検出する。ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＩＣ５１は、過電圧を検出した場合、スイッチＳ５２をオフ状態からオン状態にする制御を行う。これにより、保護素子１１が作動し、ヒューズエレメント２０を溶断することにより、バッテリスタック１５の充放電電流経路を遮断することができる。
　［その他］
　なお、上述した保護回路では、熱感応素子１２がバッテリスタック１５の充放電経路と並列に設けられているが、熱感応素子１２はバッテリスタック１５の充放電経路と電気的に独立した経路上に設け、別途設けられる電源から電力が供給されてもよい。また、本発明のバッテリパックは、リチウムイオン二次電池のバッテリパック１０に用いる場合に限らず、異常過熱の際に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。
１０　バッテリパック、１１　保護素子、１２　熱感応素子、１２ａ　ＣＴＲサーミスタ、１３　充電装置、１５　バッテリスタック、１６　充放電制御回路、１７　電流制御素子、１８　電流制御素子、１９　制御部、２０　ヒューズエレメント、２１　発熱体引出電極、２２　第１の電極、２２ａ　第１の外部接続電極、２３　第２の電極、２３ａ　第２の外部接続電極、２４　発熱抵抗体、２５　発熱体給電電極、２６　絶縁基板、２７　絶縁層、２８　接続用ハンダ

Claims (8)

  1. 　バッテリセルと、
    　上記バッテリセルと直列に接続された保護素子と、
    　上記保護素子の動作を制御する熱感応素子を有し、
    　上記保護素子は、
    　絶縁基板と、
    　上記絶縁基板に離間して設けられ、上記バッテリセルの充放電経路上に接続される第１の端子部及び第２の端子部と、
    　上記第１の端子部と上記第２の端子部との間にわたって設けられたヒューズエレメントと、
    　上記熱感応素子と直列に接続され、通電を制御される発熱抵抗体とを備え、
    　上記熱感応素子が所定の温度以上の温度に加熱されると、上記発熱抵抗体が上記ヒューズエレメントを溶断させる温度に発熱するように通電される
    　バッテリパック。
  2. 　上記熱感応素子は、サーモスタット、サーミスタ、又はダイオードのいずれかである請求項１に記載のバッテリパック。
  3. 　上記熱感応素子は、上記バッテリセルの近傍又は接触して配置され、上記バッテリセルと熱的に接続されている請求項１又は２に記載のバッテリパック。
  4. 　上記発熱抵抗体及び上記熱感応素子は、上記バッテリセルの充放電経路と並列に接続されている請求項１又は２に記載のバッテリパック。
  5. 　外部回路に接続される第１、第２の電極と、
    　上記第１、第２の電極間にわたる電流経路上に直列に設けられたヒューズと、
    　通電することにより上記ヒューズを溶断する発熱抵抗体と、
    　上記発熱抵抗体の通電を制御する熱感応素子とを有し、
    　上記熱感応素子が所定の温度以上の温度に加熱されると、上記発熱抵抗体が上記ヒューズを溶断させる温度に発熱するように通電される保護回路。
  6. 　上記熱感応素子は、上記外部回路の開放端と接続されている請求項５記載の保護回路。
  7. 　上記熱感応素子は、サーモスタット、サーミスタ、又はダイオードのいずれかである請求項５又は６に記載の保護回路。
  8. 　上記発熱抵抗体及び上記熱感応素子は、上記バッテリセルの充放電経路と並列に接続されている請求項５又は６に記載の保護回路。
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