(57)【要約】【課題】検出素子やスイッチ素子を用いる必要のないバッテリ回路を提供する。【解決手段】バッテリスタック２と、バッテリスタック２の充放電電流経路に接続された可溶導体５と、発熱することにより可溶導体５を溶断させ充放電電流経路を遮断する発熱体６とを備えた保護回路部３と、発熱体６と直列に接続されるとともに、バッテリスタック２と並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると発熱体６に通電させる電流制御素子４とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリスタックと、
上記バッテリスタックの充放電電流経路に接続された可溶導体と、発熱することにより上記可溶導体を溶断させ上記充放電電流経路を遮断する発熱体とを備えた保護回路部と、
上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記バッテリスタックと並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると上記発熱体に通電させる電流制御素子とを有するバッテリ回路。
【請求項２】
上記電流制御素子は、ツェナーダイオードである請求項１記載のバッテリ回路。
【請求項３】
通電方向の異なる複数の上記ツェナーダイオードが設けられている請求項２記載のバッテリ回路。
【請求項４】
上記電流制御素子が上記バッテリスタックのバッテリセル毎に並列に接続されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリ回路。
【請求項５】
上記バッテリスタックの異常電圧を検出する検出素子と、
上記発熱体と接続され、上記検出素子からの検出信号を受けて上記発熱体に通電させるスイッチ素子を備え、
上記電流制御素子は、上記スイッチ素子と並列に接続されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリ回路。
【請求項６】
上記電流制御素子は、アンチヒューズである請求項１記載のバッテリ回路。
【請求項７】
外部回路の電流経路に接続される可溶導体と、
発熱することにより上記可溶導体を溶断させ上記外部回路を遮断する発熱体と、
上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記外部回路と並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると上記発熱体に通電させる電流制御素子とを有する保護回路。
【請求項８】
上記電流制御素子は、ツェナーダイオードである請求項７記載の保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流経路を遮断する保護回路に関し、特にリチウムイオン二次電池等の緊急時に速やかに電流経路を遮断する必要のあるバッテリ回路や、バッテリ回路に用いて好適な保護回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、過放電保護等のための保障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。
【０００３】
この種の回路では、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て瞬間的な大電流が流れた場合、ある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。
【０００４】
このようなリチウムイオン二次電池等向けのバッテリ回路の保護素子として、保護素子内部に発熱体を有し、この発熱体によって電流経路上のヒューズを溶断する構造が一般的に用いられている。
【０００５】
本発明の関連技術として、図８にバッテリ回路５０を示す。保護回路５０は、例えば、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いられるバッテリ回路であり、リチウムイオン二次電池のバッテリセルを備えたバッテリスタック５１と、バッテリスタック５１の異常時に充電を遮断する保護素子５２と、バッテリスタック５１の電圧を検出する検出素子５３と、検出素子５３の検出結果に応じて保護素子５２の動作を制御するスイッチ素子５４を備える。
【０００６】
保護素子５２は、バッテリスタック５１の充放電電流経路上に直列に接続され、該充放電電流経路の一部を構成するヒューズ５５と、スイッチ素子５４と接続されバッテリスタック５１から電力が供給されることにより発熱し、ヒューズ５５を溶断させる発熱体５６とを有する。保護素子５２は、スイッチ素子５４によって発熱体５６への給電が制御されている。
【０００７】
検出素子５３は、バッテリスタック５１の電圧をモニタし、過充電電圧又は過放電電圧になったときにスイッチ素子５４を制御する制御信号を出力する。
【０００８】
スイッチ素子５４は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出素子５３から出力される検出信号によって、バッテリスタック５１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５２を動作させて、バッテリスタック５１の充放電電流経路を遮断するように制御する。
【０００９】
このような回路構成からなるバッテリ回路５０は、検出素子５３がバッテリスタック５１の異常電圧を検出すると、スイッチ素子５４に検出信号を出力する。検出信号を受けたスイッチ素子５４は、保護素子５２の発熱体５６にバッテリスタック５１から給電されるように電流を制御する。これにより、バッテリ回路５０は、発熱体５６が発熱して、ヒューズ５５が溶断することにより、充放電電流経路を遮断することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２４３６５２号公報
【特許文献２】特開２００６−２２１９１９号公報
【特許文献３】特開２００９−２６７２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
近年の電子機器の小型化、薄型化に伴い、リチウムイオン二次電池のバッテリパックも小型化、薄型化が求められている。また、リチウムイオン二次電池の普及に伴い、バッテリパック内の保護回路には、安全性を維持しつつ比較的構造がシンプルで且つ安価なものが求められている。
【００１２】
しかし、図８に示すバッテリ回路５０では、電圧を検出する検出素子５３によってバッテリスタック５１の電圧を常時モニタし、異常電圧となった際にはＦＥＴ等のスイッチ素子５４に検出信号を出力し、スイッチ素子５４によって保護素子５２の発熱体５６へ通電するように制御する。したがって、バッテリ回路５０は、電圧を検出する検出素子５３、及び発熱体５６へ通電させるスイッチ素子５４が必須となり、これら検出素子５３及びスイッチ素子５４を配置するスペースを確保する必要がある。
【００１３】
そのため、図８に示すバッテリ回路５０では、小型化、薄型化が困難となり、バッテリパック等のバッテリ素子５０が搭載される電子機器の小型化、薄型化を阻害してしまう。また、図８に示すバッテリ回路５０では、部品点数も多く、製造工数やコスト上も不利である。
【００１４】
そこで、本発明は、保護素子の他に検出素子やＦＥＴ等のスイッチ素子を用いる必要のないバッテリ回路、保護回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決するために、本発明に係るバッテリ回路は、バッテリスタックと、上記バッテリスタックの充放電電流経路に接続された可溶導体と、発熱することにより上記可溶導体を溶断させ上記充放電電流経路を遮断する発熱体とを備えた保護回路部と、上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記バッテリスタックと並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると上記発熱体に通電させる電流制御素子とを有するものである。
【００１６】
また、本発明に係る保護回路は、外部回路の電流経路に接続される可溶導体と、発熱することにより上記可溶導体を溶断させ上記外部回路を遮断する発熱体と、上記発熱体と直列に接続されるとともに、上記外部回路と並列に接続され、所定の電圧以上の電圧になると上記発熱体に通電させる電流制御素子とを有するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、バッテリスタックが定格を超える高電圧となった場合に、電流制御素子によって発熱体に電流を流すように制御されることから、バッテリスタックの電圧値をモニタする検出素子や、検出素子の結果に応じて通電を制御するＦＥＴ等のスイッチ素子を設ける必要がないため、バッテリパックの小型化も容易となる他、部品点数の増加や、組み立て工数の増加を招くこともない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明が適用されたバッテリ回路を示す回路図である。
【図２】図２は、本発明が適用された他のバッテリ回路を示す回路図である。
【図３】図３は、本発明が適用された他のバッテリ回路を示す回路図である。
【図４】図４は、アンチヒューズの一構成例を示す断面図である。
【図５】図５は、電流制御素子としてアンチヒューズを用いたバッテリ回路を示す回路図である。
【図６】図６は、本発明が適用された他のバッテリ回路を示す回路図である。
【図７】図７は、本発明が適用された保護回路を示す回路図である。
【図８】図８は、従来例に係るバッテリ回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明が適用されたバッテリ回路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。
【００２０】
本発明が適用されたバッテリ回路１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内の回路に組み込まれて用いられる。バッテリパック１０は、バッテリスタック２と、バッテリスタック２の異常電圧時に充放電電流経路を遮断する保護回路部３と、保護回路部３に流れる電流を制御する電流制御素子４とを有する。
【００２１】
バッテリスタック２は、一又は複数のリチウムイオン二次電池のバッテリセル１１を有する。
【００２２】
保護回路部３は、バッテリスタック２の充放電電流経路に接続された可溶導体５と、発熱することにより可溶導体５を溶断させ充放電電流経路を遮断する発熱体６とを有する。
【００２３】
可溶導体５は、発熱体６の発熱により速やかに溶断されるいずれの金属を用いることができ、例えば、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の低融点金属を好適に用いることができる。
【００２４】
また、可溶導体５は、低融点金属と高融点金属とを積層して形成してもよい。低融点金属と高融点金属との積層構造としては、例えば、低融点金属箔を高融点金属メッキによって被覆する構造を挙げることができる。低融点金属としては、Ｓｎを主成分とする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、保護回路１を構成する保護素子をリフロー実装する場合に、リフロー温度が低融点金属の溶融温度を超えて、低融点金属が溶融しても、低融点金属の外部への流出を抑制し、可溶導体５の形状を維持することができる。また、溶断時も、低融点金属が溶融することにより、高融点金属を溶食（ハンダ食われ）することで、高融点金属の融点以下の温度で速やかに溶断することができる。
【００２５】
可溶導体５は、互いに分離されて形成されバッテリスタック２の充放電経路と接続された一対の電極間にハンダ付けされること等により、バッテリスタック２の充放電経路上に直列に接続され、これにより充放電経路の一部を構成し、発熱体６の発熱によって溶断することにより、充放電経路を遮断することができる。
【００２６】
発熱体６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、保護回路１が形成される絶縁基板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。
【００２７】
バッテリ回路１は、発熱体６が電流制御素子４と直列に接続されるとともに、これら発熱体６及び電流制御素子４がバッテリスタック２と並列に接続される。これにより、バッテリ回路１は、発熱体６に電力を供給する給電経路７が形成される。給電経路７は、バッテリスタック２のバッテリセル１１が定格電圧の状態においては、電流制御素子４によって発熱体６への通電が規制されている。そして、バッテリ回路１は、何らかの原因によりバッテリセル１１が過充電の状態となりバッテリスタック２が定格を超えた高電圧となった場合には、電流制御素子４によって給電経路７が通電されることにより、発熱体６が発熱を開始し、可溶導体５を溶断する。
【００２８】
電流制御素子４は、バッテリスタック２の電圧が定格の範囲内である場合は、発熱体６側への通電を規制している。そして、電流制御素子４は、バッテリスタック２の電圧が所定の値以上になると、発熱体６へバッテリスタック２の電流を通電させて発熱させる。
【００２９】
このような電流制御素子４としては、例えばツェナーダイオード１２を用いることができる。バッテリ回路１は、ツェナーダイオード１２の降伏電圧を、バッテリセル１１の過充電時において検出される電圧値（例えば、４．５ｖ）に設定することにより、正常時の電圧下（例えば、４．２ｖ）においては発熱体６への通電が規制され、通常の電源回路として使用できる。そして、バッテリ回路１は、バッテリセル１１の過充電によりバッテリスタック２が高電圧となった場合には、ツェナーダイオード１２の降伏電圧を超える電圧が印加されることにより、給電経路７に電流を流し、発熱体６を発熱させることができる。
【００３０】
バッテリ回路１は、発熱体６の発熱により可溶導体１が溶融し、溶融導体が互いに分離した一対の電極上に凝集することにより分断され、これによりバッテリスタック２の充放電経路を遮断することができる。ここで、バッテリ回路１は、保護回路部３の可溶導体５を溶断することにより充放電経路を遮断することから、不可逆的に充放電経路を遮断する。
【００３１】
このように、バッテリ回路１は、バッテリセル１１の過充電によりバッテリスタック２が定格を超える高電圧となった場合に、電流制御素子４によって発熱体６の給電経路７に電流を流すように制御されることから、バッテリスタック２の電圧値をモニタする検出素子や、検出素子の結果に応じて給電経路７の電流を制御するＦＥＴ等のスイッチ素子を設ける必要がないため、バッテリパック１０の小型化も容易となる他、部品点数の増加や、組み立て工数の増加を招くこともない。
【００３２】
また、バッテリ回路１によれば、可溶導体５の溶断により、不可逆的に充放電経路を遮断することから、スイッチ素子の故障やハッキング、クラッキング対する脆弱性にも対応でき、安定的、かつ確実に充放電経路を遮断することができる。
【００３３】
なお、バッテリ回路１は、可溶導体５の溶断後は、バッテリセル１１の放電による電圧降下によってツェナーダイオード１２の降伏電圧を下回ることにより、発熱体６への給電が止まり、発熱が停止される。
【００３４】
また、バッテリ回路１は、図２に示すように、給電経路７上に、２つのツェナーダイオード１２を、降伏電圧を印加したときの通電方向が互いに逆向きになるように配置してもよい。通電方向が異なるように複数のツェナーダイオード１２を設けることにより、バッテリ回路１は、１つのツェナーダイオード１２を用いた場合に逆に接続し、通常使用時おいて給電経路７が通電し、発熱体６の発熱により可溶導体５が溶断する事態を防止できる。
【００３５】
また、バッテリ回路１は、図３に示すように、バッテリスタック２を構成する複数のバッテリセル１１毎に電流制御素子４を並列接続してもよい。例えば、バッテリスタック２は、４個のバッテリセル１１ａ〜１１ｂが直列に接続されて構成され、各バッテリセル１１ａ〜１１ｄには、通電方向を逆にした一対のツェナーダイオード１２ａ〜１２ｄが並列に接続される。なお、ツェナーダイオード１２ａ〜１２ｄは、バッテリセル１１ａ〜１１ｄとの接続箇所における電圧値に応じて、降伏電圧値も高くなるように設定される。
【００３６】
このように、ツェナーダイオード１２が複数のバッテリセル１１毎に接続されることにより、バッテリ回路１は、バッテリスタック２の全電圧値が正常であるがバッテリセル１１のいずれかが過充電による高電圧状態となっている場合においても、給電経路７を通電させ、発熱体６により可溶導体５を溶断させて充放電経路を遮断することができる。
【００３７】
なお、バッテリ回路１は、電流制御素子４として、ツェナーダイオード１２を用いる他に、アンチヒューズ素子を用いてもよい。アンチヒューズ素子１３は、所定以上の電圧になると短絡し、電流が流れるようになる素子であり、一例として図４に示すように、絶縁基板２０上に、空隙２１を隔てて配線パターン２２ａ、２２ｂを形成するとともに、配線パターン２２ａ、２２ｂの両方に接し、空隙２１を跨ぐように絶縁体層２３を形成する。この絶縁体層２３は、ＳｉＯ２等により形成することができる。
【００３８】
配線パターン２２ａ、２２ｂ間は、空隙２１によって絶縁されているが、所定の電圧以上の電圧が印加されると、絶縁体層２３による絶縁が破壊され、電流が、一方の配線パターン２２ａから、絶縁体層２３を通り、他方の配線パターン２２ｂに流れる。
【００３９】
このようなアンチヒューズ素子１３によっても、バッテリスタック２、あるいはバッテリセル１１のいずれかが高電圧状態となったときに、配線パターン２２ａ、２２ｂ間が短絡することにより給電経路７を通電させ、発熱体６の発熱により可溶導体５を溶断させることができる。
【００４０】
なお、アンチヒューズ素子１３は、図４に示す構成に限らず、同等の機能を発揮するあらゆる構成が含まれる。
【００４１】
また、バッテリ回路１は、電流制御素子４としてアンチヒューズ１３を用いる場合には、図５に示すように、発熱体６との接続端の両側に可溶導体５を設けることが好ましい。この場合、バッテリ回路１は、発熱体６が発熱することにより、発熱体６との接続端の両側に設けられた一対の可溶導体５が共に溶断する。これにより、バッテリ回路１は、バッテリセル１１の充放電経路が遮断されるとともに、発熱体６への給電経路７も遮断され、発熱体６の発熱が停止される。なお、バッテリ回路１は、電流制御素子４としてツェナーダイオード１２を用いた場合においても、発熱体６との接続端の両側に可溶導体５を設けてもよい。
【００４２】
また、バッテリ回路１は、図６に示すように、バッテリスタック２の異常電圧を検出する検出素子８と、発熱体と接続され、検出素子８からの検出信号を受けて発熱体６の給電経路７を通電させるスイッチ素子９を備え、電流制御素子４をスイッチ素子９と並列に接続させてもよい。
【００４３】
検出素子８は、バッテリスタック２あるいはバッテリスタック２を構成する各バッテリセル１１と接続され、高電圧状態となっているか否かを常時モニタするとともに、高電圧状態となった場合には、スイッチ素子９に制御信号を出力する。
【００４４】
スイッチ素子９は、検出素子８の検出結果に応じて保護回路部３の動作を制御するものであり、たとえばＦＥＴにより構成され、給電経路７への通電を規制し、検出素子８からの制御信号を受けて給電経路７を通電させる。
【００４５】
バッテリ回路１は、スイッチ素子９と電流制御素子４とが給電経路７上に並列に接続されている。そして、バッテリ回路１は、充放電経路の遮断を、検出素子８及びスイッチ素子９による方法、又は上述したツェナーダイオード１２又はアンチヒューズ素子１３等の電流制御素子４によって行う方法の２つの方法を備える。
【００４６】
これにより、バッテリ回路１は、検出素子８及びスイッチ素子９、又は電流制御素子４のいずれか一方が故障した場合にも、他方の素子によってバッテリスタック２やバッテリセル１１の高電圧状態に対して給電経路７を通電させ、充放電経路を遮断することができる。
【００４７】
なお、バッテリ回路１においては、保護回路部３と電流制御素子４とを別個に設けたが、本発明は、図７に示すように、電流制御素子４と、可溶導体５と、発熱体６とを１チップ上に形成することにより、保護回路３０としてもよい。
【００４８】
保護回路３０は、可溶導体５の両端が、バッテリ回路等の外部回路３１に接続され、当該外部回路３１の電流経路の一部を構成する。また、保護回路３０は、電流制御素子４及び発熱体６が、外部回路３１における、バッテリスタック等の高電圧状態を検出する必要のあるデバイスと並列に接続される。
【００４９】
かかる保護回路３０によっても、外部回路３１に組み込まれることにより、正常時においては、電流制御素子４によって給電経路７の通電を規制し、外部回路３１が高電圧状態になると給電経路７を通電させて、発熱体６を発熱により可溶導体５を溶断させ、当該外部回路３１の電流経路を遮断することができる。
【００５０】
保護回路３０は、バッテリ回路に用いる他にも、高電圧状態を検出することにより電流経路を遮断する必要のある各種外部回路に用いることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  バッテリ回路、２  バッテリスタック、３  保護回路部、４  電流制御素子、５  可溶導体、６  発熱体、７  給電経路、８  検出素子、９  スイッチ素子、１０  バッテリパック、１１  バッテリセル、１２  ツェナーダイオード、１３  アンチヒューズ素子、２０  絶縁基板、２１  空隙、２２  配線パターン、２３  絶縁体層、３０  保護回路、３１  外部回路
【図１】
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【図２】
2015053779.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015053779.tif 000007
【図６】
2015053779.tif 000008
【図７】
2015053779.tif 000009
【図８】
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