(57)【要約】動作したときの消費電力をＰ、二次電池セルの満充電時の電圧をＶとした場合に、抵抗値がＶ２／Ｐ以上になると熱暴走する導電性ポリマーを備えた過電圧保護素子を採用した。
2004079852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の充電回路内に設けられ、
動作したときの消費電力をＰ、前記二次電池の満充電時の電圧をＶとした場合に、抵抗値がＶ２／Ｐ以上になると熱暴走するＰＴＣ素子。
【請求項２】
二次電池の充電回路内に設けられ、前記二次電池の過電圧が生じた場合に前記二次電池への電力供給路を絶つ過電圧保護素子であって、
請求項１に記載のＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子に対して熱的かつ電気的に接続され、前記ＰＴＣ素子が熱暴走時の温度以上に達した場合に前記電力供給路を絶つ電気伝導体とを備える過電圧保護素子。
【請求項３】
二次電池を収容する電池収容部と、前記電池収容部内に収容された前記二次電池に電力を供給する充電回路とを備えた電子機器であって、
前記充電回路内に、請求項２に記載の過電圧保護素子が設けられている電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、特にポリマーＰＴＣ素子とされたＰＴＣ素子、過電圧保護素子、及び電子機器に関する。本出願は、特願２００３−６２１３８号を基礎出願とし、その内容を取り込むものとする。
【背景技術】  携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ノートパソコン等の各種携帯用の電子機器は、その電源として、充電による繰り返し使用が可能な二次電池を用いている。この二次電池としては、小型化及び長時間使用の要求より、高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が広く用いられている。ところが、リチウムイオン二次電池は、過充電してしまうと電池性能の劣化や破損の虞があるため、充電時に過充電を防止する必要がある。
例えば特開２０００−３１３０２号公報では、過充電が生じた場合にリチウムイオン二次電池を保護するための保護装置が開示されている。すなわち、この保護装置では、充電回路内にＰＴＣ素子及びヒューズ（低融点金属）を設けており、リチウムイオン二次電池が過充電状態となった場合に、ＰＴＣ素子の抵抗値が増大することによってリチウムイオン二次電池への充電電流を抑制している。この保護装置は、ＰＴＣ素子が繰り返し動作による温度蓄積等の理由で過度に昇温した場合に、前記ヒューズを溶断してリチウムイオン二次電池への充電電流を絶つ。
特開２００２−１５０９１８号公報では、一対の外部接続用端子間にＰＴＣ素子を挟み込むように接続し、いずれか一方の外部接続用端子にヒューズ機能を持たせた保護素子が開示されている。この保護素子では、前記ヒューズ機能が、ＰＴＣ素子の動作温度よりも高い温度条件に達した場合に動作する。
ところで、上記保護装置及び保護素子では、過充電による電池の発熱によってＰＴＣ素子が動作した後に低融点金属を動作させるには、過充電された電池のさらなる発熱を待つ必要がある。これを改善するために、より融点の低い低融点金属を採用し、即座に低融点金属を動作させる手段も考えられる。しかし、これでは、本来の使用時に単に雰囲気が高温になっただけで低融点金属が溶断されてしまうことになり、これでは実用的でない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、充電時の二次電池に過電圧による二次電池の破損や性能低下を防止することができる手段の提供を目的とする。
【発明の開示】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、本発明のＰＴＣ素子は、二次電池の充電回路内に設けられ、動作したときの消費電力をＰ、前記二次電池の満充電時の電圧をＶとした場合に、抵抗値がＶ２／Ｐ以上になると熱暴走することを特徴とする。
上記ＰＴＣ素子によれば、二次電池への過充電が生じると、ＰＴＣ素子にかかる電圧も、二次電池満充電時の電圧Ｖを超える。この場合のＰＴＣ素子は、抵抗値がＶ２／Ｐ以上となるために熱暴走を起こして急激に高温化する。このようにして、二次電池に生じる過電圧を、ＰＴＣ素子の熱暴走という形で検知することができるようになる。
ここで、「抵抗値がＶ２／Ｐ以上になると熱暴走する」とは、抵抗値がＶ２／Ｐを超えたら即座に熱暴走を開始することを意味し、抵抗値がＶ２／Ｐを遙かに超えた後に初めて熱暴走を開始することまでは含まない。この点で、従来のＰＴＣ素子と大きく異なる。特に、過充電が生じて二次電池が発熱した時の熱によって動作するようにＰＴＣ素子を設置しておけば、より有効に過電圧を検知することができる。
したがって、上記ＰＴＣ素子によれば、二次電池に生じる過電圧を、ＰＴＣ素子の熱暴走という形で検知することができるので、例えば、この時のＰＴＣ素子の温度に基づいて充電回路を閉じさせることができる。この場合、充電時の二次電池に過電圧が生じるのを阻止することができるので、二次電池の破損や性能低下を防止することが可能となる。
本発明の過電圧保護素子は、二次電池の充電回路内に設けられ、前記二次電池の過電圧が生じた場合に前記二次電池への電力供給路を絶つ過電圧保護素子であり、上記本発明のＰＴＣ素子と、前記ＰＴＣ素子に対して熱的かつ電気的に接続され、前記ＰＴＣ素子が熱暴走時の温度以上に達した場合に前記電力供給路を絶つ電気伝導体とを備えることを特徴とする。
上記過電圧保護素子によれば、充電時の二次電池に過電圧が加わると、ＰＴＣ素子が熱暴走を起こして高温化する。この高温化による熱は、熱的に接続されている電気伝導体に伝熱してこれを加熱する。この加熱により、電気伝導体はＰＴＣ素子が熱暴走状態にあることを検知し、電力供給路を絶つ。これにより、充電回路は復帰性がなくなり、いわゆるオープンモードとなる。
したがって、上記過電圧保護素子によれば、充電時の二次電池に過電圧が生じた場合に、これをＰＴＣ素子が検知して電気伝導体が電力供給路を絶つので、充電時の二次電池に過電圧が生じるのを確実に阻止してその破損や性能低下を防止することが可能となる。
本発明の電子機器は、二次電池を収容する電池収容部と、前記電池収容部内に収容された前記二次電池に電力を供給する充電回路とを備えた電子機器において、前記充電回路内に、上記本発明の過電圧保護素子が設けられていることを特徴とする。
上記電子機器によれば、過電圧がかかることによる二次電池の損傷を防ぐことができるので、二次電池の破損を防止することが可能となる。これにより、二次電池の破損によって電子機器が損傷を受けるのを防ぐことも可能となる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の過電圧保護素子を備えた電子機器の第１実施形態を示す図であって、バッテリパックの内部構造の説明図である。
図２Ａ、図２Ｂは同過電圧保護素子を示す図であって、図２Ａは平面図、図２Ｂは側面図である。
図３は、同過電圧保護素子に備えられている導電性ポリマーのＰＴＣ特性を示すグラフであり、横軸が導電性ポリマーの温度、縦軸が導電性ポリマーの電気抵抗を示している。
図４Ａ、図４Ｂは、本発明の過電圧保護素子の第２実施形態を示す図であって、図４Ａは平面図、図４Ｂは側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明のＰＴＣ素子、過電圧保護素子、及び電子機器の各実施形態についての説明を、図面を参照しながら以下に行うが、本発明がこれらに限定解釈されるものでないことは勿論である。
各実施形態の説明においては、本発明の電子機器が携帯電話等のバッテリパックである場合を例に説明を行うものとする。しかしながら、本発明の用途が携帯電話に限られるものでなく、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ノートパソコン、その他の電子機器に適用しても良い。
［第１実施形態］
まず、図１から図３を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態のバッテリパック（電子機器）１は、二次電池セル（二次電池）２と、外部からの電力を受けて二次電池２に供給する充電回路３と、これらを収容する収容部４ａが形成されたケース４とを備えて構成されている。
前記二次電池セル２は、正電極材料にマンガンを含有する材料が適用されたリチウムイオン二次電池であり、正極電極２ａ及び負極電極２ｂを備えている。
前記充電回路３は、二次電池セル２の過電圧が生じた場合にこの二次電池セル２への電力供給路を絶つ過電圧保護素子３ａと、この過電圧保護素子３ａ及び前記正極電極２ａ間を接続する配線３ｂと、過電圧保護素子３ａ及び後述の外部負極端子４ｂ間を接続する配線３ｃと、負極電極２ｂ及び後述の外部正極端子４ｃ間を接続する配線３ｄとを備えている。
前記ケース４は、例えば樹脂成形品からなる容器であり、これが装着される電子機器との間で充放電電流を入出力する外部負極端子４ｂ及び外部正極端子４ｃを備えている。
図２Ａ，図２Ｂに示すように、前記過電圧保護素子３ａは、導電性ポリマー（ＰＴＣ素子）５と、この導電性ポリマー５の一端側に直接接続された低融点金属材（電気伝導体）６と、他端側に直接接続されたリード７と、このリード７と共に導電性ポリマー５及び低融点金属材６を間に挟み込むように低融点金属材６側に直接接続された他のリード８とを備えている。
導電性ポリマー５は、平面視した場合に長方形をなす板状部材であり、例えばポリエチレンとカーボンブラックとを混練した混練物に放射線架橋を行って得られる高分子樹脂体である。この導電性ポリマー５の内部は、常温ではカーボンブラックの粒子が互いに繋がって存在するため、電流が流れる多数の導電パスが形成されて良好な導電性を発揮する。一方、周辺の環境温度の上昇や導電パスを流れる電流の超過等によって熱膨張を起こすと、カーボンブラックの各粒子間の距離が広がって導電パスが断ち切られるため、導電性が急激に低下する（電気抵抗が増大する）特性を備えている。この導電性ポリマー５の上下面には、リード７及び低融点金属材６との接合部分における電気抵抗を低くすべく、金属箔が設けられているが、図ではこれの図示を省略している。
このように、導電性ポリマー５は、自らが熱膨張することによって導電性を変化させるＰＴＣ特性（正の抵抗温度特性。ここで、ＰＴＣとはＰｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔの略を示す。）を備えている。このＰＴＣ特性について、図３を用いて説明する。
同図の曲線に示すように、導電性ポリマー５の作動領域は、大まかに３つの領域に区分される。すなわち、第１の領域Ａは、過電流もしくは発熱によって導電性ポリマー５が動作しない領域であり、充電時における通常使用領域である。この第１の領域Ａでは、導電性ポリマー５の抵抗が比較的低い。
第２の領域Ｂは、過電流もしくは熱により導電性ポリマー５が動作する領域である。この第２の領域Ｂでは、過電流もしくは熱により、導電性ポリマー５の電気抵抗が急激に増大する。例えば、二次電池２がショートして過電流が流れた場合、導電性ポリマー５が動作したときの消費電力をＰ、抵抗をＲ、電圧をＶｐ（この電圧Ｖｐは、二次電池セル２の現在の電圧に等しい。）とした場合に、Ｐ＝Ｖｐ２／Ｒとなる。この第２の領域Ｂでは、過電圧が印可されていないので低抵抗（第１の領域Ａ）へと復帰可能（リセッタブル）である。過充電等の動作時に過電圧が印可された場合には、第３の領域Ｃに移行する。
この第３の領域Ｃは、いわゆる熱暴走領域と呼ばれ、電圧Ｖｐの上昇に抵抗Ｒの上昇が追いつかなくなって導電性ポリマー５の温度がＴ２以上に急上昇する。この温度Ｔ２における動作ポイントが熱暴走開始点となっており、その時の抵抗値がＲ２である。従来のリチウムイオン二次電池では、耐電圧性を向上させることのみを考えてこの抵抗値Ｒ２を例えば１０００Ωレベルの高抵抗値に設定している。この抵抗値は、熱暴走開始点における抵抗値よりも遙かに高い抵抗値である。
これに対し、本実施形態の導電性ポリマー５は、消費電力をＰ、二次電池セル２の満充電時の電圧をＶとした場合に、抵抗値がＶ２／Ｐ以上になると熱暴走するように、熱暴走開始点の抵抗値Ｒ２を設定している。この抵抗値Ｒ２は、例えばリチウムイオン二次電池に使用することを想定して、消費電力Ｐを１Ｗ、二次電池セル２の満充電時の電圧Ｖを４．２Ｖとした場合、約１６Ωレベルとなり、従来に比べて極めて低くなる。このような比較的低い抵抗値Ｒ２を熱暴走開始点に採用することにより、二次電池セル２に過電圧がかかって破損する前に、確実に検知することが可能である。
このような低抵抗値を熱暴走開始点とする導電性ポリマー５は、放射線架橋する際の放射線量を減少させたり、添加するカーボンブラックの量を調整することによって得られる。
前記低融点金属材６は、短冊状に形成された金属部品であり、導電性ポリマー５に対して熱的かつ電気的に接続されている。この低融点金属材６は、所定温度以上に加熱された場合に溶断する特性を備えている。本実施形態では、この所定温度を、導電性ポリマー５が熱暴走開始点に達したときの温度Ｔ２に合わせている。
低融点金属材６の溶断位置は、例えば図２Ａ，図２Ｂの破線に示す位置となる。このように２つに溶断することで、リード７，８間を物理的（電気的）に遮断し、充電回路３を開いて電力供給路をすぐさま絶つことが可能である。
前記リード７，８は、それぞれ前記配線３ｂ，３ｃに接続されている。したがって、二次電池セル２の負極電極２ａ、配線３ｂ、リード８、低融点金属材６、導電性ポリマー５、リード７，外部負極端子４ｂの順に電気的に接続される。
以上説明の構成を有する本実施形態の過電圧保護素子３ａを備えたバッテリパック１への充電動作について以下に説明する。
まず、このバッテリパック１を充電器に装着して充電を開始する。または、このバッテリパック１を電源とする電子機器に直接装着し、この電子機器を介して充電する。
この時、充電器や電子機器の不具合により二次電池セル２への過電圧が生じると、二次電池セル２が発熱し、導電性ポリマー５はその発熱で動作する（第２の領域Ｂ）。このとき、導電性ポリマー５にかかる電圧が満充電時の電圧Ｖを超えたものとなる。この場合の導電性ポリマー５は抵抗値がＶ２／Ｐ以上となるため、動作点が前記熱暴走開始点を越えて熱暴走領域（第３の領域Ｃ）に入り、急激に高温化する。この高温化による熱は、熱的に接続されている低融点金属材６に伝熱してこれを加熱する。この加熱によって温度がＴ２以上に達するため、低融点金属材６は導電性ポリマー５が熱暴走状態にあることを検知して自ら溶断し、電力供給路を絶つ。これにより、二次電池セル２への更なる充電電流の供給が遮断される。このように、過電圧によって過充電された場合に、復帰性のない、いわゆるオープンモードとなる充電回路が提供される。
一方、導電性ポリマー５が動作したときに印可される電圧が満充電時の電圧Ｖ以下の場合には、復帰性のある（リセッタブルな）過電流・過熱保護素子として機能する。
以上説明の本実施形態の過電圧保護素子３ａを備えたバッテリパック１によれば、充電時の二次電池セル２に過電圧が生じた場合に、これを導電性ポリマー５が検知して低融点金属材６が電力供給路を絶つので、充電時の二次電池セル２に過電圧が生じるのを確実に阻止してその破損や性能低下を防止することが可能となる。
［第２実施形態］
続いて、本発明の第２実施形態について図４Ａ、図４Ｂを用いて以下に説明する。本実施形態の説明においては、上記第１実施形態との違いを中心に説明し、その他については上記第１実施形態と同様であるとして同一符号を用い、その説明を省略する。
図４Ａ、図４Ｂに示すように、本実施形態の過電圧保護素子３ａは、導電性ポリマー５及び低融点金属材６間の接続を直接接続するのではなく、これらの間にニッケル材または銅材からなるリード１０を介在させて接続している。すなわち、リード１０の一端側に低融点金属材６を接続するとともに、他端側に導電性ポリマー５を接続している。このリード１０は、上記第１実施形態と同様に、導電性ポリマー５及び低融点金属材６間を電気的かつ熱的に接続している。
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。これに加えて、本実施形態の過電圧保護素子３ａは、導電性ポリマー５及び低融点金属材６間の接続強度をリード１０により増強しているため、構造的により高い強度を確保することも可能である。
上記各実施形態では、本発明の過電圧保護３ａが、充電されるバッテリパック１側に装備されるものとしたが、これに限らず、バッテリパック１を充電する充電器や電子機器側に設けるものとしても良い。
上記各実施形態では、導電性ポリマー５の熱を検知して電力供給路を絶つ電気伝導体が低融点金属材６である場合を例に説明したが、電力供給路を絶つことができれば良く、サーミスタスイッチ等、その他のものを採用しても良い。
【産業上の利用可能性】  本発明のＰＴＣ素子によれば、二次電池に生じる過電圧を、ＰＴＣ素子の熱暴走という形で検知することができるので、例えば、この時のＰＴＣ素子の温度に基づいて充電回路を閉じさせることができる。この場合、充電時の二次電池に過電圧が生じるのを阻止することができるので、二次電池の破損や性能低下を防止することが可能となる。
【図１】
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【図３】
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【国際調査報告】
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