(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返し充放電が可能な蓄電器と、
前記蓄電器に接続され、前記蓄電器の充放電電流が流れる保護回路とを有する二次電池であって、前記保護回路は、通電によって発熱するヒータと、
前記ヒータに直列接続され、外部直流電圧源から前記蓄電器に充電電流が供給されるときに順バイアスされ、前記ヒータに電流を流して発熱させるダイオードと、
前記ヒータと前記ダイオードの直列接続回路に対して並列接続され、前記ヒータの発熱による温度上昇によって抵抗値が増大するサーミスタと、
前記直列接続回路と前記サーミスタの並列接続回路に対して直列接続され、前記ヒータの発熱によって温度上昇し、溶断するように構成されたフューズとを有する二次電池。
【請求項２】
前記保護回路は前記蓄電器に取り付けられ、前記サーミスタは前記蓄電器の温度上昇によって昇温するように構成された請求項１記載の二次電池。
【請求項３】
出力端子が短絡されると前記ダイオードは逆バイアスされ、前記サーミスタに電流が流れて昇温し、前記サーミスタの抵抗値が増大するように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繰り返し充電が可能な二次電池の技術分野にかかり、特に、保護回路を内蔵する二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、保護回路内蔵の二次電池は、携帯電話や携帯型パーソナルコンピュータに用いられており、充電容量の増大の他、より安全な保護回路が求められている。
【０００３】
図３の符号１０１は、従来技術の二次電池を示しており蓄電器１０７とフューズ１１１とを有している。
【０００４】
フューズ１１１の一端は、蓄電器１０７の高電圧側の端子に接続されており、他端は、高電圧側の外部接続端子１１７に接続されている。蓄電器１０７の低電圧側の端子は、低電圧側の外部接続端子１１８に接続されている。
【０００５】
符号１３０は外部直流電圧源であり、この外部直流電圧源１３０が外部接続端子１１７、１１８に接続されると、外部直流電圧源１３０から供給される電流がフューズ１１１を流れ、蓄電器１０７が充電されるようになっている。
【０００６】
一般に、二次電池内の蓄電器が破壊されると安全性の点で問題があるが、上記のような二次電池１０１では、外部接続端子１１７、１１８間が短絡されたり、規定電圧以上の電圧が出力される外部直流電圧源が接続された場合には、フューズ１１１に大電流が流れ、フューズ１１１が溶断し、蓄電器１０７が保護されるようになっている。
【０００７】
しかしながら、フューズ１１１が溶断すると、二次電池１０１が使用不能になるため、製造ライン等で誤って外部接続端子１１７、１１８間を短絡させた場合、フューズ１１１を交換する必要が生じる。
【０００８】
フューズ１１１に替え、温度上昇によって抵抗値が増大するサーミスタによって保護しようとすると、サーミスタは回路を完全に切断するものではないため、過充電によってサーミスタの抵抗値が増大しても蓄電器１０７が充電され続けてしまうと言う不都合がある。
【０００９】
近年では、携帯型コンピュータ等の電子器機の使用時間を長くするために、高エネルギー密度のリチウムイオン電池が好まれているが、リチウムイオン電池が過充電されると危険な状態になる。
【００１０】
そこでリチウムイオン電池を過電流、過充電から保護するために、ＩＣを使用した保護回路が用いられており、この場合、ＩＣは繰り返し使用が可能なことから、製造ラインにおいて短絡してもＩＣを交換する必要がないという利点がある。
【００１１】
しかしながらＩＣは、フューズとは異なり、静電気等で破壊されるとショートしてしまい、蓄電器を過充電から保護できなくなるという問題がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、回路が簡単で安全性の高い二次電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、繰り返し充放電が可能な蓄電器と、前記蓄電器に接続され、前記蓄電器の充放電電流が流れる保護回路とを有する二次電池であって、前記保護回路は、通電によって発熱するヒータと、前記ヒータに直列接続され、外部直流電圧源から前記蓄電器に充電電流が供給されるときに順バイアスされ、前記ヒータに電流を流して発熱させるダイオードと、前記ヒータと前記ダイオードの直列接続回路に対して並列接続され、前記ヒータの発熱による温度上昇によって抵抗値が増大するサーミスタと、前記直列接続回路と前記サーミスタの並列接続回路に対して直列接続され、前記ヒータの発熱によって温度上昇し、溶断するように構成されたフューズとを有する二次電池である。
請求項２記載の発明は、前記保護回路は前記蓄電器に取り付けられ、前記サーミスタは前記蓄電器の温度上昇によって昇温するように構成された請求項１記載の二次電池である。
請求項３記載の発明は、出力端子が短絡されると前記ダイオードは逆バイアスされ、前記サーミスタに電流が流れて昇温し、前記サーミスタの抵抗値が増大するように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の二次電池である。
【００１４】
本発明は上記のように構成されており、負荷を接続する外部接続端子と蓄電器の間に保護回路が設けられており、蓄電器の充放電電流は保護回路を流れるようになっている。
【００１５】
蓄電器を充電する場合、ダイオードが順バイアスされるが、常温では、ヒータの抵抗はサーミスタよりも高いため、充電電流は主としてサーミスタに流れる。蓄電器が過充電されると蓄電器が昇温し、その熱によってサーミスタが加熱され、サーミスタの抵抗値が増大し、ヒータの抵抗値よりも大きくなる。
【００１６】
この状態では主としてヒータに電流が流れ、ヒータが発熱するので、その熱によってフューズが溶断される。
【００１７】
二次電池が短絡された場合はダイオードが逆バイアスされ、ヒータに電流は流れないのでフューズは溶断しない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１の符号５は、本発明の一例の二次電池を示している。
この二次電池５は、保護回路６と、蓄電器７と、外部接続端子２５と、接地端子２９とを有している。
【００１９】
保護回路６は、内部入出力端子２１と、外部入出力端子２２と、フューズ１１と、ヒータ１３と、サーミスタ１４と、ダイオード１５とを有している。
【００２０】
ダイオード１５のアノード端子には、ヒータ１３の一端が接続されており、カソード端子は、内部入出力端子２１に接続されている。
【００２１】
ヒータ１３の他端は、フューズ１１の一端に接続されており、該フューズ１１の他端は外部入出力端子２２に接続されている。
【００２２】
サーミスタ１４の一端は、フューズ１１とヒータ１３とが接続された部分に接続されており、他端は内部入出力端子２１に接続されている。従って、サーミスタ１４は、ヒータ１３とダイオード１５の直列接続回路に並列接続されている。符号２３は、フューズ１１とヒータ１３とが接続された部分であり、後述する中間電極層である。
【００２３】
蓄電器７は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池であり、その高電圧側の端子は内部入出力端子２１に接続されている。
【００２４】
保護回路６は蓄電器７に固定されており、一つの筺体内に納められている。
外部接続端子２５と接地端子２９は筺体の外部に取り出された電気的な接触部材であり、外部接続端子２５は、保護回路６の外部入出力端子２２に接続されている。
【００２５】
また、接地端子２９は蓄電器７の低電圧側の端子に接続されており、充電時は、直流電圧源を外部接続端子２５と接地端子２９に接続して二次電池５を充電し、使用時にはノートパソコン等の負荷３０に装着し、負荷３０の端子を外部接続端子２５と接地端子２９に接続し、負荷３０に電力を供給するようになっている。
【００２６】
次に、保護回路６の内部構成を説明する。
図２(ａ)は保護回路６の平面図、同図(ｂ)はそのＡ−Ａ線截断面図、同図(ｃ)はＢ−Ｂ線截断面図である。
【００２７】
図２(ａ)〜(ｃ)を参照し、保護回路６は、アルミナから成り、厚さ約０．５ｍｍ程度の絶縁基板２０を有している。
【００２８】
この絶縁基板２０の裏面は、接着剤によって蓄電器７に貼付されており、絶縁基板２０の表面には、銀ペースト(ＱＳ１７４、デュポン(株)社製)と酸化ルテニウム系の抵抗ペースト(ＤＰ１９００、デュポン(株)社製)とが所定パターンに塗布され８７０℃、３０分間焼成され、銀ペーストによって、内部入出力端子２１と、外部入出力端子２と、２本の配線２７1、２７2とが形成されており、抵抗ペーストによってヒータ１３が形成されている。
【００２９】
２本の配線２７1、２７2のうち、一本の配線２７1は内部入出力端子２１に接続され、他方の配線２７2はヒータ１３に接続されている。内部入出力端子２１と外部入出力端子２２同士や、２本の配線２７1、２７2の同士は分離されている。
【００３０】
次に、ヒータ１３の表面にシリカ系絶縁ペースト(ＡＰ５３６４、デュポン(株)製)を塗布し、５００℃、３０分間の焼成によって絶縁層２４を形成した。この絶縁層２４は、ヒータ１３と配線２７1とが接続された部分を覆っている。ヒータ１３と配線膜２７1とが接続された部分とは反対側の部分の表面は露出している。
【００３１】
次に、絶縁層２４の表面とヒータ１３の露出した表面とに上記配線２７1、２７2等を構成する銀ペーストと同じ銀ペーストを塗布し、焼成して中間電極層２３を形成した。焼成条件は配線２７1、２７2等を形成したときと同じ温度、時間である。
【００３２】
この中間電極層２３はヒータ１３の露出面でヒータ１３と電気的に接続されている。
【００３３】
次に、内部入出力端子２１の一隅の上に、予め下記工程によって作製したサーミスタ１４を配置する。
【００３４】
サーミスタ１４の製造工程を説明する。
ポリエチレン(日本ポリケム(株)製、商品名ＬＣ５００)５７容量部と、エチレン−エチルアクリレートコポリマー(ＥＥＡ：日本ユニカー(株)製、商品名ＮＵＣ６１７０)３容量部と、導電粒子(日本カーボン(株)製、商品名ＰＣ１０２０の樹脂粒子に無電解メッキを施した粒子)４０容量部とを、ニーダーを用いて１６０℃で混練りした後、３５μｍ厚の電解ニッケル箔(福田金属箔(株)製)で挟み、ホットプレスで１６０℃、５ｋｇ／ｃｍ2、６０秒の条件で加圧し、厚さ４００μｍに成形し、サーミスタ原反を得た。
【００３５】
そのサーミスタ原反を２ｍｍ×２ｍｍの大きさに切断し、サーミスタ１４とした。電解ニッケル箔から成るサーミスタ１４の２個の電極のうち下側の電極は内部入出力端子２１に電気的に接続されている。
【００３６】
次いで、一枚の低融点金属箔２８の中央を中間電極層２３の表面に接続し、一端をサーミスタ１４の上側の電極に接続し、他端を外部入出力端子２２の表面に接続すると、低融点金属箔２８によって、サーミスタ１４は中間電極層２３に電気的に接続され、この中間電極層２３は外部入出力端子２２に電気的に接続される。
【００３７】
低融点金属箔２８は、鉛、すず、アンチモン、又はそれらの合金から成り、低温で溶断する性質を有している。低融点金属箔２８のうち、外部入出力端子２２と中間電極層２３の間の部分によってフューズ１１が構成されている。また、サーミスタ１４と中間電極層２３の間の部分１２でもフューズが構成されるが、このフューズはサーミスタ１４に直列接続されるため動作しないため、図１の回路図からは省略してある。
【００３８】
最後に、２本の配線２７1、２７2を跨いだ状態でダイオード１５を配置し、該ダイオード１５のアノード電極をヒータ１３側の配線２７2に接続し、カソード電極側を内部入出力端子２１側に接続すると、保護回路６が得られる。
【００３９】
サーミスタ１４の常温での抵抗値は２０ｍΩ程度であり、９０℃では５Ω程度に増大する。ヒータ１３の抵抗値は温度による影響が小さく、１Ω程度である。
【００４０】
負荷３０に替え、この二次電池５の外部接続端子２５と接地端子２９とを外部直流電圧源に接続し、蓄電器７を充電する場合、ダイオード１５は順バイアスされるが、サーミスタ１４の抵抗はヒータ１３とダイオード１５の直列接続回路の抵抗よりも小さいため、直流電圧源から供給される電流はサーミスタ１４を通って流れ、内部入出力端子２１から蓄電器７内に流れ込み、二次電池７が充電される。
【００４１】
外部直流電圧源の出力電圧が規定値である場合は、蓄電池７の電圧は外部直流電圧源の出力電圧と同程度の電圧まで上昇すると電流は流れなくなり、充電は終了する。
【００４２】
外部直流電圧源の出力電圧が規定値よりも大きい場合は、蓄電器７は過充電状態となり、蓄電器７の電圧は規定値よりも上昇する。
【００４３】
保護回路６は蓄電器７に密着されており、保護回路６と蓄電器７とは、高い熱結合で固定されている。蓄電器７が規定電圧以上に充電され、温度上昇すると、サーミスタ１４は蓄電器７と同じ温度に昇温する。
【００４４】
このサーミスタ１４の抵抗値は、９０℃で５Ω程度まで上昇するように設定されており、過充電状態ではサーミスタ１４の抵抗値の方がダイオード１５とヒータ１３の直列接続回路の抵抗値よりも大きくなっている。
【００４５】
従って、過充電状態では、外部直流電圧源から供給される電流は、抵抗１３とダイオード１５を通って流れ、ヒータ１３は、流れる電流によって発熱する。ヒータ１３に生じた熱は、中間電極層２３を介して低融点金属箔２８に伝わり、その結果、低融点金属箔２８の一部で構成されるヒータ１１が溶断すると、外部入出力端子２２と中間電極層２３との間は開放状態になり、蓄電器７に流れる電流は停止する。
【００４６】
この場合、フューズ１１の溶断は過充電状態が解消されても元に戻らないため、過充電された蓄電器７は外部接続端子２５から切り離されるので安全性が確保される。
【００４７】
他方、蓄電器７が充電された状態で誤って外部接続端子２５と接地端子２９とを短絡させた場合、ダイオード１５が逆バイアスされ、ヒータ１３には短絡電流は流れず、サーミスタ１４に流れ、サーミスタ１４は短絡電流によって自己発熱し、５Ω以上に抵抗値が上昇すると電流は小さくなる。
【００４８】
この場合、フューズ１１は溶断しないので、短絡状態が解除されると元の状態に戻る。
【００４９】
なお、上記実施例では、低融点金属箔２８に、スズ・アンチモン合金を使用したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、ビスマス・スズ・鉛合金(Ｂｉ：Ｓｎ：Ｐｂ＝５２．５：３２．０：１５．５、液相点９５℃)や、スズ・銀合金(Ｓｎ：Ａｇ＝９７．５：２．５、液相点２２６℃)等の低融点金属を用いることができる。
【００５０】
【発明の効果】
少ない部品数で過電流と過充電の両方を保護できる。
過充電の場合はフューズが溶断し、蓄電器が外部接続端子から切り離されるが、短絡された場合はフューズは溶断せず、短絡状態が解除されると元の状態に復帰する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次電池を説明するためのブロック図
【図２】(ａ)：その二次電池の平面図    (ｂ)：そのＡ−Ａ線切断面図    (ｃ)：そのＢ−Ｂ線切断面図
【図３】従来技術の二次電池を説明するための図
【符号の説明】
７……蓄電器
６……保護回路
１１……フューズ
１３……ヒータ
１４……サーミスタ
１５……ダイオード
【図１】
0003699381.tif 000002
【図２】
0003699381.tif 000003
【図３】
0003699381.tif 000004