(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電中の電池の異常時に通電発熱される発熱用素子と、該発熱用素子の発生熱により溶断されるヒュ−ズ素子と、ヒュ−ズ素子の溶断により回路から遮断された電池の貯蔵エネルギ−を所定の時定数で放電するための放電用抵抗素子を有し、上記ヒュ−ズ素子が基板の片面に設けられ、該ヒュ−ズ素子にフラックスが塗布され、該フラックス塗布ヒュ−ズ素子が封止材で封止され、上記発熱用素子が基板の他面に設けられ、上記放電用抵抗素子が基板の片面または他面の何れかに設けられていることを特徴とする電池用プロテクタ−。
【請求項２】
封止材が、樹脂である請求項１記載の電池用プロテクタ−。
【請求項３】
封止材が、ケ−ス及び該ケ−スと基板との間を封止する樹脂、またはケ−ス及びケ−スを覆ってケ−スと基板との間を封止する樹脂とからなる請求項１記載の電池用プロテクタ−。
【請求項４】
封止材が、保護プレ−ト及び保護プレ−トとフラックス塗布ヒュ−ズ素子との間を封止する樹脂、または保護プレ−ト及び保護プレ−トを覆って保護プレ−トとフラックス塗布ヒュ−ズ素子との間を封止する樹脂とからなる請求項１記載の電池用プロテクタ−。
【請求項５】
基板他面側の発熱用素子、または発熱用素子と放電用抵抗素子とが保護膜で被覆されている請求項１〜４何れか記載の電池用プロテクタ−。
【請求項６】
保護膜が、ガラス焼付け膜である請求項５記載の電池用プロテクタ−。
【請求項７】
電池に直列に挿入される回路抵抗が基板に付設されている請求項１〜６何れか記載の電池用プロテクタ−。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充放電中の二次電池、特に、リチウムイオン二次電池に対するプロテクタ−に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
充電中のリチウムイオン二次電池等の二次電池の保護方法として、図５に示すように、過充電や過放電により発生する電池Ｅ’の異常電圧を検出回路ＩＣ回路Ｄ’で検出しトランジスタＴｒ’を導通状態にして抵抗体１’に電流を流し、この抵抗体１’の通電発熱でヒュ−ズ素子２’を溶断させて充電源Ｓ’や負荷から遮断することが公知である。
【０００３】
上記のヒュ−ズ素子２’及び抵抗体１’については、図６に示すように絶縁基板４’上に膜電極５１’〜５３’を形成し、膜電極５２’−５３’間に膜抵抗１’を設け、膜電極５１’−５３’間にヒュ−ズ素子２’（低融点可溶合金片）を接続し、この低融点可溶合金片２’にフラックス２１’を塗布し、これらを樹脂で封止した構成、すなわち抵抗体付きヒュ−ズとすることが公知である。
また、上記の二次電池と抵抗体付きヒュ−ズや異常電圧検出回路やトランジスタ等とをまとめて密閉ケ−ス内に収納し、電池パックとすることも公知である。
上記過充電や過放電の電池パックは、通常、廃棄され、ヒュ−ズ素子の溶断時、電池が充電エネルギ−を内蔵しており、旧来では、その電池パックをエネルギ−内蔵のままで廃棄している。
この場合、ヒュ−ズ素子が溶断されたとき電池が満充電状態にあれば、その内蔵エネルギ−が大であり、特にリチウムイオン二次電池においては、エネルギ−密度が高いために、上記電池パックの廃棄中に電池の破裂や液漏れ等が生じ易い。従って、電池の充電中、過充電時にヒュ−ズ素子が溶断されたとき、電池パックをその満充電状態のままで廃棄することは危険である。
【０００４】
そこで、本発明者においては、上記抵抗体付きヒュ−ズに電池放電用の抵抗を付加したプロテクタ−を使用し、前記と同様に、電池異常電圧を検出して発熱用抵抗体に電流を流し、該抵抗体の通電発熱でヒュ−ズ素子を溶断させて回路を遮断したのち、電池の充電エネルギ−を放電用抵抗体を通して放電させることを既に提案した。
この提案によれば、図７において、Ａ’は充放電中の電池Ｅ’の異常時に通電発熱される発熱用素子１’と、該発熱素子１’の発生熱により溶断されるヒュ−ズ素子２１’，２２’と、ヒュ−ズ素子２１’，２２’の溶断により充電源Ｓ’から遮断された電池Ｅ’の貯蔵エネルギ−を所定の時定数で放電するための放電用抵抗素子３’を有するプロテクタ−であり、充電源Ｓ’で充電中の二次電池Ｅ’に異常電圧が発生すると、検出回路Ｄ’の作動でトランジスタＴｒ’が導通され、発熱用抵抗１’の通電発熱によりヒュ−ズ素子２１’，２２’が溶断されて二次電池Ｅ’が充電源Ｓ’より遮断され、次いで、二次電池の貯蔵エネルギ−が放電用抵抗３’を通じて放電されていく。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記において、ヒュ−ズ素子２１’，２２’の溶断温度を余り低くすると、ヒュ−ズ素子がピ−ク負荷電流のもとでのジュ−ル発熱でも溶断される危険があるので、通常ヒュ−ズ素子には溶断温度８０℃〜１５０℃の低融点可溶合金が使用され、ヒュ−ズ素子溶断時のプロテクタ−温度は１２０℃近くであり、相当に高温である。
上記放電中の電池電圧Ｖは、ヒュ−ズ素子溶断時の電池電圧をＶ  、回路の静電容量をＣ、放電用抵抗の抵抗値をＲとすると、
【数１】
Ｖ＝Ｖ  ｅ￣ｔ／ＣＲ                                  （１）
で与えられる。
また、放電初期の電池の貯蔵エネルギ−Ｑは
【数２】
Ｑ＝ＣＶ  ２／２                                    （２）
で与えられる。
【０００６】
而るに、放電を短時間で行うと、単位時間当たりの放電量が大きくなって熱発生が顕著となり、この発生熱量がプロテクタ−の放熱量に較べて無視し得ないほど大きくなる結果、上記放電を終了した時点でも、プロテクタ−温度がまだ高く、常温までの冷却には、まだかなりの時間が必要であり、放電を終了しても、直ちに、電池パックを安心して廃棄し難い。
かかる不具合を回避するために放電を緩慢に行うと、長時間を要し、非能率的である。
【０００７】
本発明の目的は、充放電中の電池の異常時に通電発熱される発熱用素子と、該発熱素子の発生熱により回路から遮断された電池の貯蔵エネルギ−を所定の時定数で放電するための放電用抵抗素子を有する電池用プロテクタ−において、発熱用素子の通電発熱によりヒュ−ズ素子が溶断された後の放電用抵抗素子を通じての電池貯蔵エネルギ−放電中でのプロテクタ−の冷却速度を向上させることにより、放電終了時にプロテクタ−を充分に低温にし、放電終了後、直ちに、安心して電池パックを廃棄・放置処理できるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電池用プロテクタ−は、充放電中の電池の異常時に通電発熱される発熱用素子と、該発熱素子の発生熱により溶断されるヒュ−ズ素子と、ヒュ−ズ素子の溶断により回路から遮断された電池の貯蔵エネルギ−を所定の時定数で放電するための放電用抵抗素子を有し、上記ヒュ−ズ素子が基板の片面に設けられ、該ヒュ−ズ素子にフラックスが塗布され、該フラックス塗布ヒュ−ズ素子が封止材で封止され、上記発熱用素子が基板の他面に設けられ、上記放電用抵抗素子が基板の片面または他面の何れかに設けられていることを特徴とする構成であり、封止材には、（１）封止樹脂、（２）ケ−ス及び該ケ−スと基板との間を封止する樹脂、またはケ−ス及びケ−スを覆ってケ−スと基板との間を封止する樹脂、（３）保護プレ−ト及び保護プレ−トとフラックス塗布ヒュ−ズ素子との間を封止する樹脂、または保護プレ−ト及び保護プレ−トを覆って保護プレ−トとフラックス塗布ヒュ−ズ素子との間を封止する樹脂を使用でき、基板他面側の発熱用素子、または発熱用素子と放電用抵抗素子とは保護膜、例えばガラス焼付け膜で保護できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係るプロテクタ−Ｐを組み込んだ二次電池の充電回路を示し、図中の点線枠内が本発明に係るプロテクタ−部分であり、充放電中の電池の異常時に通電発熱される発熱用素子１と、該発熱素子１の発生熱により溶断されるヒュ−ズ素子２１，２２と、ヒュ−ズ素子２１，２２の溶断により充電源Ｓから遮断された電池Ｅの貯蔵エネルギ−を所定の時定数で放電するための放電用抵抗素子３を有し、上記ヒュ−ズ素子２１，２２が基板の片面に設けられ、該ヒュ−ズ素子にフラックスが塗布され、該フラックス塗布ヒュ−ズ素子が封止材で封止され、上記発熱用素子１が基板の他面に設けられ、上記放電用抵抗素子３が基板の片面または他面の何れかに設けられている。
【００１０】
図１において、Ｅは二次電池、例えばリチウムイオン二次電池である。Ｄは異常電圧検出ＩＣ回路、Ｔｒは異常電圧検出ＩＣ回路Ｄの検出作動により導通状態とされるトランジスタである。Ｓは充電機である。
【００１１】
図１において、過充電により異常電圧が発生すると、この異常電圧を異常電圧検出ＩＣ回路Ｄで検出させ、この検出作動でトランジスタＴｒを導通状態にさせる。
上記発熱用抵抗体１の抵抗値ｒと放電用抵抗体３の抵抗値Ｒとは、ｒ＜Ｒとしてあり（Ｒ／ｒ＞１．１、好ましくはＲ／ｒ＝５〜４０、より好ましくは１０〜３０とされる）、トランジスタＴｒの導通に伴い充電源Ｓの電力で発熱用抵抗体１を通電発熱させ、この発熱でヒュ−ズ素子２１，２２を溶断させる。
このヒュ−ズ素子２１，２２の溶断で電池Ｅと充電源Ｓとの間を遮断させ、この遮断後は電池Ｅの充電エネルギ−を放電用抵抗体３を通じて放電させていく。
【００１２】
この場合、電池電圧Ｖの時間的変化は、電池Ｅの静電容量をＣとすると（ｅ−ｔ／ＣＲ）で与えられ、電池Ｅの放電速度は時定数１／ＣＲで評価できる。
【００１３】
上記において、ヒュ−ズ素子２１，２２には融点８０℃〜１５０℃の低融点可溶合金が使用され、酸化し易いのでその酸化防止のためにフラックスを塗布し、このフラックス塗布ヒュ−ズ素子を後述のように、樹脂、ケ−ス、保護プレ−ト等により封止して外部の酸素から遮断してある。
而るに、発熱用抵抗１を、上記フラックス塗布ヒュ−ズ素子を設けた基板片面とは反対側の面に設けてあるから、上記ヒュ−ズ素子２１，２２を溶断する温度にまで発熱された発熱用抵抗１の熱を放電時に封止部の高熱抵抗を経ることなく放熱でき、発熱抵抗をヒュ−ズ素子側に設けた場合（従って、封止材で覆って設けた場合）に較べその放熱性を著しくアップできる。
従って、放電中、放電用抵抗体３がジュ−ル発熱するにもかかわらず、プロテクタ−を迅速に放熱でき、放電が終了した時点では、プロテクタ−温度をほぼ常温にでき、放電終了後、直ちに、電池を安心して廃棄できる。
【００１４】
図２の（イ）は本発明に係るプロテクタ−の一実施例を示す断面図である。図２の（ロ）は封止前の平面図を、図２の（ハ）は底面図をそれぞれ示している。図２において、３は耐熱性及び良熱伝導性の絶縁基板である。５１〜５４は基板４の片面側に設けた膜電極、２１，２２はヒュ−ズ素子としての低融点可溶合金片であり膜電極５２−５４−５３にまたがって溶接等により接合してある。６は低融点可溶合金片２１，２２に塗布したフラックスであり、例えばロジンを主成分とするものを使用できる。３は基板片面の膜電極５１−５２間に設けた放電用膜抵抗体（抵抗値Ｒ）である。５５〜５６は基板４の他面側に設けた膜電極、１は膜電極５５−５６間に設けた発熱用膜抵抗体（抵抗値ｒ）、前述した通り、ｒ＜Ｒとしてある。ａ〜ｃは膜電極５１〜５３に溶接などにより接合したリ−ド導体である。
７はスルホ−ルまたはヴィアホ−ルであり、このスルホ−ルまたはヴィアホ−ルにより低融点可溶合金片２１，２２と発熱用膜抵抗１と放電用膜抵抗３とリ−ド導体ａ〜ｃとを図１に示す配線パタ−ンに連結してある。
８１はフラックス塗布低融点可溶合金片に被せたケ−スであり、リ−ド線挿通溝を有し、このケ−ス８１と基板４との間、ケ−ス８とリ−ド線ａ〜ｃとの間を樹脂８２で封止してある。９は基板他面の膜抵抗体１上に設けた保護膜（例えば、膜抵抗体の亀裂防止のための保護）であり、例えば、ガラス焼付け膜を使用することができる。この保護膜は、通常、膜抵抗のトリ−ミング前に設けるが、トリミング後に設けることもできる。この保護膜は、放電用膜抵抗３にも設けることができる。
【００１５】
上記絶縁基板４には、セラミックス基板（例えばアルミナ基板、窒化アルミニウム基板）やガラス基板等の無機質基板、セラミックコ−ティング金属板、セラミック含浸ガラス繊維基板、エポキシ樹脂含浸ガラス繊維基板、紙フエノ−ル基板等を使用できる。
【００１６】
上記膜電極は導電ペ−ストの印刷焼付けにより形成でき、導電ペ−ストには金属粉末とガラスと金属混合物に有機質バインダ（ビヒクル）を加えたものを使用できる。例えば、金属粉末がＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔの銀系ぺ−スト、Ａｕの金系ペ−スト、Ｎｉのニッケル系ペ−スト、Ｃｕの銅系ペ−スト等を使用できる。この導電ペ−ストの印刷焼付けに代え、めっき法、金属泊積層絶縁板の金属泊のエッチング法の使用も可能である。
【００１７】
上記膜抵抗１１，１２は抵抗ペ−ストの印刷焼付けにより形成でき、抵抗ペ−ストには酸化金属粉末とガラスと金属混合物に有機質バインダ（ビヒクル）を加えたものを使用できる。例えば、酸化金属粉末に酸化ルテニウムを使用したルテニウム系を使用できる。その外、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ等の配合調整により所定の固有抵抗値に調整した銀系ぺ−スト、抵抗粉末に炭素を用いた炭素系ペ−スト、樹脂に金属粉末を混合した樹脂系等も使用できる。また、チップ抵抗をクリ−ムはんだ等で接合したものを用いることもできる。
また、上記放電用抵抗体３には、前記発熱用素子１との抵抗値条件を満たすものであれば、適宜のものを使用でき、高抵抗の回路素子、例えば発光ダイオ−ド等の半導体の使用も可能である。
上記放電用膜抵抗３はヒューズ素子の上または下に絶縁膜を介して積層配設することも可能である。
【００１８】
上記リ−ド線ａ〜ｃには、銅線の外、溶接が容易なニッケル線、リ−ド線の回路基板へのはんだ付け時に熱がヒュ−ズ素子に伝わるのを防止するのに有利な低熱伝導線、例えば鉄線や銅めっき鉄線を使用できる。また、はんだ付けを容易にするためにこれらのリ−ド線に錫、はんだ、銀、金若しくは鉛・カドミフリ−等の金属をめっきすることもできる。
【００１９】
上記ケ−ス８１には、樹脂製例えばナイロンやフェノ−ル製ケ−ス、絶縁被覆金属ケ−ス等を使用できる。また、金属ケ−スを使用し、このケ−スとリ−ド線との間を絶縁物で絶縁すること、例えばエポキシ樹脂塗料をリ−ド線側に塗布することも可能である。ケ−ス８１内には封止剤、例えばエポキシ樹脂を充填することもできるが、低融点可溶合金片２１，２２に塗布したフラックス６が外部と接触するのを防止し得ればよく、ケ−ス８１と基板４との間を樹脂で固着するだけでもよい。
【００２０】
上記基板片面の封止は、フラックス塗布ヒュ−ズ素子を外気から遮断でき、かつ機械的に保護できるものであればよく、フラックス塗布ヒュ−ズ素子上に保護プレ−トを配し、この保護プレ−トの周囲と基板片面やその片面の電極との間を樹脂で封止する構成（保護プレ−ト直下に空隙が残されていてもよく、または樹脂で充填されていてもよい）、更には保護プレ−ト上をも樹脂で覆う構成、或は樹脂のみで封止する構成とすることもできる。。
上記保護プレ−トには、エンジニアリングプラスチックシ−ト、金属板（例えば、ステンレス板）、セラミックス板等の無機質板等を使用できる。
上記樹脂には、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、紫外線硬化性樹脂、更には熱か塑性樹脂等を使用できる。
【００２１】
本発明に係るプロテクタ−は異常電圧検出回路や電池とで電池パックに組立て、この電池パックを負荷回路と充電回路を有する機器、例えば携帯式パソコン等に装着して使用できる。
【００２２】
上記実施例では、基板の片面側に放電用抵抗を設けているが、図３〔図３の（イ）は断面図、図３の（ロ）は封止前の平面図、図３の（ハ）は底面図〕に示すように、基板４の他面側に発熱用抵抗１と共に放電用抵抗３を設け、これらの抵抗１，３に保護膜９を一括して設けることもできる。
上記放電用膜抵抗３は発熱用抵抗１の上または下に絶縁膜を介して積層配設することも可能である。
図３において、図２と同一符号は、同一の構成部分を示している。
【００２３】
また、前記図１のｒ’で示すように、例えば、充電回路のインピ−ダンスを調整するために回路抵抗を挿入することもでき、この回路抵抗ｒ’を本発明に係るプロテクタ−に付加することもできる。
更に、チップ方式とすることもできる。
図４の（イ）は回路抵抗を付加したチップ方式の実施例をを示す図面であり、図４の（ロ）同実施例の封止前の平面図を、図４の（ハ）は同実施例の底面図をそれぞれ示している。
図４において、４は耐熱性及び良熱伝導性の絶縁基板である。５１〜５５は基板４の片面に設けた膜電極、５６〜５８は基板４の他面に設けた膜電極は、一部の膜電極は絶縁基板４の両面にわたり形成してある。２１，２２は絶縁基板の片面の膜電極５２−５３−５５にまたがって設けた低融点可溶合金片、１は絶縁基板４の他面に設けた発熱用膜抵抗、３は同じく放電用膜抵抗、ｒ’は同じく回路膜抵抗をそれぞれ示し、スルホ−ルまたはヴィアホ−ル７により低融点可溶合金片２１，２２と発熱用膜抵抗１と放電用膜抵抗３と回路膜抵抗ｒ’を図１に示す配線パタ−ンに連結してある。
６は低融点可溶合金片２１，２２に塗布したフラックスである。
８はフラックス塗布低融点可溶合金片の封止材であり、前記と同様、ケ−ス８１及び該ケ−ス８１と基板４との間を封止する樹脂８２、またはケ−ス及びケ−スを覆ってケ−スと基板との間を封止する樹脂、保護プレ−ト及び保護プレ−トとフラックス塗布ヒュ−ズ素子との間を封止する樹脂、または保護プレ−ト及び保護プレ−トを覆って保護プレ−トとフラックス塗布ヒュ−ズ素子との間を封止する樹脂、または樹脂のみから構成することができる。
９は発熱用膜抵抗１と放電用膜抵抗３と回路膜抵抗ｒ’に一括して被覆した保護膜、例えば、ガラス焼付け膜である。
前記発熱用膜抵抗１、放電用膜抵抗３、回路膜抵抗ｒ’は絶縁膜を介して積層配設することも可能である。
【００２４】
図４に示す実施例では、放電用膜抵抗と回路膜抵抗を基板の他面側（発熱用膜抵抗側）に設けてあるが、放電用膜抵抗または回路膜抵抗の一方、或は双方を基板片面側（低融点可溶合金片側）に設けることもできる。この場合、放電用膜抵抗、回路膜抵抗は低融点可溶合金片の上または下に絶縁膜を介して積層配設することも可能である。
【００２５】
【実施例】
図２に示す構成の抵抗体付きヒュ−ズであり、絶縁基板に縦６ｍｍ，横８ｍｍ，厚み０．３ｍｍのアルミナセラミックス基板（９６％アルミナ）を使用し、膜電極をＡｇ−Ｐｔ系導電ペ−ストの印刷焼き付けにより形成し、膜抵抗を酸化ルテニウム系の抵抗ペ−ストの印刷焼き付けにより設け、発熱用抵抗体の抵抗値をトリミングにより４０Ωに、放電用抵抗体の抵抗値をトリミングにより１０００Ωにそれぞれ調整し、各膜抵抗上にガラス系保護膜を印刷焼き付けにより形成した。さらに、固相線温度１１０℃の断面０．５ｍｍ×０．３ｍｍのヒュ−ズ素子を接続し、このヒュ−ズ素子にロジン系フラックスを滴下塗布し、リ−ド線に錫めっき鉄線を使用し、封止にはナイロンケ−スを用い、このケ−ス絶縁基板との間をエポキシ接着剤で接着した。
この抵抗体付きヒュ−ズに１１．８Ｖの過充電の電池を接続したところ、接続後２０秒でヒュ−ズ素子が溶断した。この溶断時の抵抗体付きヒュ−ズの表面温度は約１２０℃であったが、    ２４０分で放電が終了し、その時の抵抗体付きヒュ−ズの表面温度はほぼ常温であった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、充電回路及び負荷回路を有しリチウムイオン二次電池等の電池を電源とする機器（特に携帯式機器、例えばノ−トパソコン）において、異常検出によりヒュ−ズ素子が作動して使用不可となった電池パックを機器から、電池の貯蔵エルネギ−を放電させ、かつ、電池パック温度を常温に戻したうえで取外すことができるから、電池パックを安心して廃棄乃至は放置できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電池用プロテクタ−の等価回路図である。
【図２】本発明に係る電池用プロテクタ−の一例を示す図面である。
【図３】本発明に係る電池用プロテクタ−の上記とは別の例を示す図面である。
【図４】本発明に係る電池用プロテクタ−の上記とは別の例を示す図面である。
【図５】従来の電池用プロテクタ−の等価回路図である。
【図６】従来の電池用プロテクタ−を示す図面である。
【図７】従来の上記とは別の従来の電池用プロテクタ−の等価回路図である。
【符号の説明】
１            発熱用素子
２１          ヒュ−ズ素子
２２          ヒュ−ズ素子
３            放電用抵抗素子
４            基板
６            フラックス
８１          ケ−ス
８２          樹脂
９            保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003618635.tif 000008