特許 6078332 保護素子、バッテリモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6078332

(24)【登録日】2017年1月20日

(45)【発行日】2017年2月8日

(54)【発明の名称】保護素子、バッテリモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01H 37/76 20060101AFI20170130BHJP

   H01M 2/10 20060101ALI20170130BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20170130BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20170130BHJP

【ＦＩ】

   H01H37/76 F

   H01H37/76 P

   H01M2/10 E

   H01M10/48 P

   H01M10/44 P

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-281451(P2012-281451)

(22)【出願日】2012年12月25日

(65)【公開番号】特開2014-127269(P2014-127269A)

(43)【公開日】2014年7月7日

【審査請求日】2015年12月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000108410

【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100067736

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 晃

(74)【代理人】

【識別番号】100096677

【弁理士】

【氏名又は名称】伊賀 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100106781

【弁理士】

【氏名又は名称】藤井 稔也

(74)【代理人】

【識別番号】100150898

【弁理士】

【氏名又は名称】祐成 篤哉

(72)【発明者】

【氏名】古内 裕治

(72)【発明者】

【氏名】藤畑 貴史

(72)【発明者】

【氏名】新田 響子

【審査官】 澤崎 雅彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１７０８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２２２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３１０２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００３６６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２６５６１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｈ ３７／７６

Ｈ０１Ｈ ６９／０２

Ｈ０１Ｈ ８５／００ − ８５／６２

Ｈ０１Ｈ ８７／００

Ｈ０１Ｍ １０／４２ − １０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁基板と、
上記絶縁基板に形成された発熱抵抗体と、
少なくとも上記発熱抵抗体を覆うように、上記絶縁基板に積層された絶縁部材と、
上記絶縁部材が積層された上記絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、
上記発熱抵抗体と重畳するように上記絶縁部材の上に積層され、上記第１及び第２の電極の間の電流経路上で該発熱抵抗体に電気的に接続された発熱体引出電極と、
上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって積層され、熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、
上記絶縁基板上を覆うカバー部材とを備え、
上記可溶導体は、少なくとも上記発熱体引出電極と重畳する中央部が、上記発熱体引出電極と上記第１及び第２の電極との間の溶断部よりも肉厚に形成されており、上記中央部が上記カバー部材側に突出し、フラックスを保持する保護素子。

【請求項2】

上記可溶導体は、上記第１及び第２の電極と重畳する両端部も、上記発熱体引出電極と上記第１及び第２の電極との間の溶断部よりも肉厚に形成されている請求項１記載の保護素子。

【請求項3】

上記可溶導体は、上記中央部及び／又は上記両端部に、導電材を積層することにより、肉厚に形成されている請求項１又は２記載の保護素子。

【請求項4】

上記導電剤は、上記可溶導体よりも融点が低い請求項３記載の保護素子。

【請求項5】

上記可溶導体は、上記中央部及び／又は上記両端部に、導電ペーストを塗布することにより、肉厚に形成されている請求項１又は２記載の保護素子。

【請求項6】

上記可溶導体は、上記中央部及び／又は上記両端部の内部に、ボイドを内包させている請求項１又は２記載の保護素子。

【請求項7】

１以上の充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと、
上記バッテリと直列に接続され、該バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、
上記バッテリと上記充放電制御回路との間の充放電電流経路上に接続された保護素子と、
上記バッテリの各バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、
上記保護素子に流れる電流を制御する電流制御素子とを備え、
上記保護素子は、
絶縁基板と、
上記絶縁基板に積層された発熱抵抗体と、
少なくとも上記発熱抵抗体を覆うように、上記絶縁基板に積層された絶縁部材と、
上記絶縁部材が積層された上記絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、
上記発熱抵抗体と重畳するように上記絶縁部材の上に積層され、上記第１及び第２の電極の間の電流経路上で該発熱抵抗体に電気的に接続された発熱体引出電極と、
上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって積層され、熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、
上記絶縁基板上を覆うカバー部材とを備え、
上記可溶導体は、少なくとも上記発熱体引出電極と重畳する中央部が、上記発熱体引出電極と上記第１及び第２の電極との間の溶断部よりも肉厚に形成されており、上記中央部が上記カバー部材側に突出し、フラックスを保持し、
上記電流制御素子は、上記検出回路により検出される各バッテリセルの電圧値が所定の範囲外となったときに上記発熱抵抗体に電流が流れるように制御するバッテリモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電流経路を溶断することにより、電流経路上に接続されたバッテリへの充放電を停止し、バッテリの熱暴走を抑制する保護素子に関する。

【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、過放電保護等のいくつもの保護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】

この種の保護素子には、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ものがある。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、逆に過大な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ている。

【0004】

このようなリチウムイオン二次電池等向けの保護回路の保護素子としては、特許文献１に記載されているように、電流経路上の第１及び第２の電極間に亘って可溶導体を接続して電流経路の一部をなし、この電流経路上の可溶導体を、過電流による自己発熱、あるいは保護素子内部に設けた発熱体によって溶断するものがある。このような保護素子では、溶融した液体状の可溶導体を第１及び第２の電極上に集めることにより電流経路を遮断する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−００３６６５号公報

【特許文献2】特開２００４−２６５６１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した可溶導体を用いた保護素子においては、電流経路の遮断時の絶縁性能を向上させるためには、第１及び第２の電極間の距離を離すことが好ましい。しかし、電子機器の小型化、薄型化に伴い、バッテリパックに内蔵される保護素子としても更なる小型化、薄型化が求められ、第１及び第２の電極間の距離を離すことが難しい。また、二次電池の高容量化、高出力化に伴い、保護素子の定格についてより大きなものが求められている。

【0007】

ここで、保護素子の定格を上げるためには、可溶導体の導体抵抗の低減と、電流経路の遮断時における絶縁性能とのバランスを取る必要がある。すなわち、電流をより多く流すためには、導体抵抗を下げる必要があり、よって可溶導体の断面積を大きくする必要がある。しかし、可溶導体の断面積が大きくなるほど、溶融させる可溶導体の量が増大し、その溶断に要する時間が長くなり、安全性を損なうおそれがある。

【0008】

そこで、本発明は、可溶導体の定格容量を向上させるとともに、可溶導体の速やかな溶断を可能とする保護素子、及びこの保護素子が組み込まれたバッテリモジュール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】

【0009】

上述した課題を解決するために、本発明に係る保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に形成された発熱抵抗体と、少なくとも上記発熱抵抗体を覆うように、上記絶縁基板に積層された絶縁部材と、上記絶縁部材が積層された上記絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、上記発熱抵抗体と重畳するように上記絶縁部材の上に積層され、上記第１及び第２の電極の間の電流経路上で該発熱抵抗体に電気的に接続された発熱体引出電極と、上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって積層され、熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、上記絶縁基板上を覆うカバー部材とを備え、上記可溶導体は、少なくとも上記発熱体引出電極と重畳する中央部が、上記発熱体引出電極と上記第１及び第２の電極との間の溶断部よりも肉厚に形成されており、上記中央部が上記カバー部材側に突出し、フラックスを保持するものである。

【0010】

また、本発明に係るバッテリモジュールは、１以上の充放電可能なバッテリセルからなるバッテリと、上記バッテリと直列に接続され、該バッテリの充放電を制御する充放電制御回路と、上記バッテリと上記充放電制御回路との間の充放電電流経路上に接続された保護素子と、上記バッテリの各バッテリセルの電圧値を検出する検出回路と、上記保護素子に流れる電流を制御する電流制御素子とを備え、上記保護素子は、絶縁基板と、上記絶縁基板に積層された発熱抵抗体と、少なくとも上記発熱抵抗体を覆うように、上記絶縁基板に積層された絶縁部材と、上記絶縁部材が積層された上記絶縁基板に積層された第１及び第２の電極と、上記発熱抵抗体と重畳するように上記絶縁部材の上に積層され、上記第１及び第２の電極の間の電流経路上で該発熱抵抗体に電気的に接続された発熱体引出電極と、上記発熱体引出電極から上記第１及び第２の電極にわたって積層され、熱により、該第１の電極と該第２の電極との間の電流経路を溶断する可溶導体と、上記絶縁基板上を覆うカバー部材とを備え、上記可溶導体は、少なくとも上記発熱体引出電極と重畳する中央部が、上記発熱体引出電極と上記第１及び第２の電極との間の溶断部よりも肉厚に形成されており、上記中央部が上記カバー部材側に突出し、フラックスを保持し、上記電流制御素子は、上記検出回路により検出される各バッテリセルの電圧値が所定の範囲外となったときに上記発熱抵抗体に電流が流れるように制御するものである。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、可溶導体の少なくとも中央部を肉厚に形成することにより、低抵抗化によって定格を向上させつつ、溶断特性を良好に維持することができ、定格の向上と溶断特性の維持を両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明が適用された保護素子を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）はカバー部材及びフラックスを除いて示す平面図である。

【図2】可溶導体の溶断部を説明するための断面図である。

【図3】本発明が適用された他の保護素子を示す断面図である。

【図4】本発明が適用された他の保護素子を示す断面図である。

【図5】本発明が適用された他の保護素子を示す断面図である。

【図6】バッテリモジュールを示す回路図である。

【図7】保護素子の回路構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明が適用された保護素子、及びこの保護素子が組み込まれたバッテリモジュールについて、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。

【0014】

［保護素子の構成］
図１に示すように、本発明が適用された保護素子１０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１に積層され、絶縁部材１５に覆われた発熱抵抗体１４と、絶縁基板１１の両端に形成された電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と、絶縁部材１５上に発熱抵抗体１４と重畳するように積層された発熱体引出電極１６と、両端が電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極１６に接続された可溶導体１３とを備える。

【0015】

絶縁基板１１は、たとえば、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略方形状に形成されている。絶縁基板１１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が、ヒューズ溶断時の温度に留意する必要がある。

【0016】

発熱抵抗体１４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絶縁基板１１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。

【0017】

発熱抵抗体１４を覆うように絶縁部材１５が配置され、この絶縁部材１５を介して発熱抵抗体１４に対向するように発熱体引出電極１６が配置される。発熱抵抗体１４の熱を効率良く可溶導体に伝えるために、発熱抵抗体１４と絶縁基板１１の間に絶縁部材１５を積層しても良い。

【0018】

発熱体引出電極１６の一端は、発熱体電極１８（Ｐ１）に接続される。また、発熱抵抗体１４の他端は、他方の発熱体電極１８（Ｐ２）に接続される。

【0019】

可溶導体１３は、発熱抵抗体１４の発熱により速やかに溶断される低融点金属からなり、例えばＰｂを主成分とするハンダや、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダを好適に用いることができる。また、可溶導体１３は、低融点金属と、Ａｇ、Ｃｕ又はこれらを主成分とする合金等の高融点金属との積層体であってもよい。

【0020】

高融点金属と低融点金属とを積層することによって、保護素子１０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、可溶導体１３として溶断するに至らない。かかる可溶導体１３は、高融点金属に低融点金属をメッキ技術を用いて成膜することによって形成してもよく、他の周知の積層技術、膜形成技術を用いることによって形成してもよい。なお、可溶導体１３は、外層を構成する低融点金属を用いて、発熱体引出電極１６及び電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）へ、ハンダ接続することができる。

【0021】

なお、保護素子１０は、外層の低融点金属層１３ｂの酸化防止等のために、可溶導体１３上にフラックス１７を塗布してもよい。また、保護素子１０は、内部を保護するためにカバー部材１９が絶縁基板１１上に載置されている。

【0022】

［溶断部、中央部、両端部］
図１に示すように、本発明が適用された可溶導体１３は、略板状をなし、発熱体引出電極１６を介して第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間にわたって接続される。そして、可溶導体１３は、発熱体引出電極１６と重畳する中央部１３ａが、発熱体引出電極１６と第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）との間の溶断部１３ｂよりも肉厚に形成されている。

【0023】

ここで、可溶導体１３の中央部１３ａは、発熱体引出電極１６と重畳する、第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間に亘って接続されている可溶導体１３の長手方向の中間部分をいう。

【0024】

また、可溶導体１３は、発熱体引出電極１６及び電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間に亘って接続され、過電流による自己発熱（ジュール熱）や、発熱抵抗体１４の熱により溶融し、発熱体引出電極１６と、電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間が溶断される。これにより、保護素子１３は、電流経路を遮断する。

【0025】

可溶導体１３の溶断部１３ｂとは、図２に示すように、発熱体引出電極１６及び電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間に亘って接続された可溶導体１３における溶断箇所をいい、具体的には、発熱体引出電極１６と電極１２（Ａ１）との間、及び発熱体引出電極１６と電極１２（Ａ２）との間をいう。

【0026】

中央部１３ａが溶断部１３ｂよりも肉厚に形成することにより、可溶導体１３は、低抵抗化を図り、保護素子１０の定格を上げることができる。また、可溶導体１３は、溶断部１３ｂは、従来通り薄肉に形成しているため、発熱体引出電極１６及び電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間の溶断特性は良好に維持することができる。

【0027】

［変形例１］
可溶導体１３は、第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）と重畳する両端部１３ｃも、溶断部１３ｂより肉厚に形成されることが好ましい。両端部１３ｃを肉厚に形成することにより、可溶導体１３は、さらに低抵抗化が図られ、保護素子１０の定格を上げることができる。また、この場合も、可溶導体１３は、溶断部１３ｂは、従来通り薄肉に形成しているため、発熱体引出電極１６及び電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）間の溶断特性は良好に維持することができる。

【0028】

［変形例２］
また、可溶導体１３は、中央部１３ａや両端部１３ｃが、カバー部材１９によって覆われる上方に突出することにより肉厚に形成されることが好ましい。可溶導体１３は、中央部１３ａがカバー部材１９側に突出することで、フラックス１７を当該中央部１３ａ上に保持することができる。

【0029】

すなわち、可溶導体１３は、カバー部材１９と対向する上面に、可溶導体１３の酸化を防止すると共に、加熱時には溶融導体を速やかに濡れ広がらせるフラックス１７が設けられている。このフラックス１７は、両溶断部１３ｂにおける可溶導体１３の溶断を図るため、溶断部１３ｂ間の中央部１３ａに保持されていることが望ましい。そして、可溶導体１３は、中央部１３ａがカバー部材１９側に突出することで、確実にフラックス１７を中央部１３ａに保持することができる。なお、可溶導体１３は、中央部１３ａが溶断部より上方に突出していれば、その形状を問わず、断面三角形状や、断面台形状、円柱状、中空円筒状等に形成することができる。

【0030】

なお、可溶導体１３は、中央部１３ａや両端部１３ｃをカバー部材１９と対向する上面と反対側の下面側に突出させてもよい。この場合、中央部１３ａによるフラックス１７の保持効果は期待できないが、肉厚に形成されることによる低抵抗化を図ることはできる。また、可溶導体１３は、中央部１３ａや両端部１３ｃを、カバー部材１９と対向する上面及び、これと反対側の下面の両方に突出させてもよい。

【0031】

［製法１］
このような可溶導体１３は、例えば板状の低融点金属を、上述した所定形状にプレス加工や切削加工をすることにより製造することができる。また、可溶導体１３は、板状の低融点金属を所定形状に鋳造すること、その他公知の製造方法を用いて製造することができる。

【0032】

［製法２］
また、可溶導体１３は、図３に示すように、中央部１３ａや両端部１３ｃに、導電材４０を積層することにより、肉厚に形成してもよい。導電材４０としては、例えばメッキや、金属箔を積層すること等によって形成される。導電材４０の積層数は問わないが、金メッキのような酸化しにくい材料を積層した場合、保護素子１０の経年による可溶導体１３の劣化を防止することができ、信頼性を向上させることができる。

【0033】

［変形例３］
また、導電材４０は、可溶導体１３よりも融点の低い金属を用いてもよい。可溶導体１３は、低融点金属が塗布されることにより、溶断時にこの低融点金属による侵食作用を利用して溶断され、電流経路をより速やかに遮断することができる。

【0034】

［製法３］
また、可溶導体１３は、図４に示すように、中央部１３ａや両端部１３ｃに、導電材４０として、銀ペーストや金ペースト等の金属ペーストやハンダペースト等を１又は複数層に亘って塗布することにより、肉厚に形成してもよい。本製法によれば、金属ペースト等を可溶導体１３上に塗布するのみで肉厚化することができ、簡易な工程で可溶導体１３を製造することができる。なお、このときも、導電材４０として、可溶導体１３よりも融点の低い金属を用いてもよい。

【0035】

［製法４］
また、可溶導体１３は、図５に示すように、肉厚に形成される中央部１３ａや両端部１３ｃの内部にボイド４１が形成されていてもよい。絶縁基板１１の第１及び第２の電極１２（Ａ１），１２（Ａ２）上に、ソルダーペーストが塗布されている場合、リフロー工程等の高温下では、ペースト中の有機物の成分が気化して可溶導体１３と発熱体引出電極１６や電極１２（Ａ１）、１２（Ａ２）との間でボイド４１を形成する。可溶導体１３は、高温下で変形しやすくなっており、ボイド４１が形成されると、その分、ボイド４１の形成箇所が上方に膨出する。

【0036】

この可溶導体１３によっても、中央部１３ａがカバー部材１９側に突出することで、フラックス１７を当該中央部１３ａ上に保持することができる。また、可溶導体１３は、中央部１３ａを肉厚に形成する特別な工程を必要とせず、従来の工程で中央部１３ａを肉厚に形成することができる。

【0037】

［保護素子の使用方法］
図６に示すように、上述した保護素子１０は、リチウムイオン二次電池のバッテリパック２０内の回路に用いられる。

【0038】

たとえば、保護素子１０は、合計４個のリチウムイオン二次電池のバッテリセル２１〜２４からなるバッテリスタック２５を有するバッテリパック２０に組み込まれて使用される。

【0039】

バッテリパック２０は、バッテリスタック２５と、バッテリスタック２５の充放電を制御する充放電制御回路３０と、バッテリスタック２５の異常時に充電を遮断する本発明が適用された保護素子１０と、各バッテリセル２１〜２４の電圧を検出する検出回路２６と、検出回路２６の検出結果に応じて保護素子１０の動作を制御する電流制御素子２７とを備える。

【0040】

バッテリスタック２５は、過充電及び過放電状態から保護するための制御を要するバッテリセル２１〜２４が直列接続されたものであり、バッテリパック２０の正極端子２０ａ、負極端子２０ｂを介して、着脱可能に充電装置３５に接続され、充電装置３５からの充電電圧が印加される。充電装置３５により充電されたバッテリパック２０の正極端子２０ａ、負極端子２０ｂ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。

【0041】

充放電制御回路３０は、バッテリスタック２５から充電装置３５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３１、３２と、これらの電流制御素子３１、３２の動作を制御する制御部３３とを備える。電流制御素子３１、３２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３３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２５の電流経路の導通と遮断とを制御する。制御部３３は、充電装置３５から電力供給を受けて動作し、検出回路２６による検出結果に応じて、バッテリスタック２５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３１、３２の動作を制御する。

【0042】

保護素子１０は、たとえば、バッテリスタック２５と充放電制御回路３０との間の充放電電流経路上に接続され、その動作が電流制御素子２７によって制御される。

【0043】

検出回路２６は、各バッテリセル２１〜２４と接続され、各バッテリセル２１〜２４の電圧値を検出して、各電圧値を充放電制御回路３０の制御部３３に供給する。また、検出回路２６は、いずれか１つのバッテリセル２１〜２４が過充電電圧又は過放電電圧になったときに電流制御素子２７を制御する制御信号を出力する。

【0044】

電流制御素子２７は、たとえばＦＥＴにより構成され、検出回路２６から出力される検出信号によって、バッテリセル２１〜２４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１０を動作させて、バッテリスタック２５の充放電電流経路を電流制御素子３１、３２のスイッチ動作によらず遮断するように制御する。

【0045】

以上のような構成からなるバッテリパック２０において、本発明が適用された保護素子１０は、図７に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子１０は、発熱体引出電極１６を介して直列接続された可溶導体１３と、可溶導体１３の接続点を介して通電して発熱させることによって可溶導体１３を溶融する発熱抵抗体１４とからなる回路構成である。また、保護素子１０では、たとえば、可溶導体１３が充放電電流経路上に直列接続され、発熱抵抗体１４が電流制御素子２７と接続される。保護素子１０の２個の電極１２のうち、一方は、Ａ１に接続され、他方は、Ａ２に接続される。また、発熱体引出電極１６とこれに接続された発熱体電極１８は、Ｐ１に接続され、他方の発熱体電極１８は、Ｐ２に接続される。

【0046】

このような回路構成からなる保護素子１０は、発熱抵抗体１４の発熱により、電流経路上の可溶導体１３を確実に溶断することができる。

【0047】

なお、本発明の保護素子は、リチウムイオン二次電池のバッテリパックに用いる場合に限らず、電気信号による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。

【実施例】

【0048】

次いで、本発明の実施例について説明する。本実施例では、本発明が適用された可溶導体１３を用いた保護素子１０と、従来の可溶導体を用いた保護素子とを作成し、各可溶導体の抵抗値、フラックスの保持性、加熱溶断時間を測定、評価した。

【0049】

実施例及び比較例は、いずれも、絶縁基板として、６ｍｍ×４ｍｍのアルミナセラミック基板（厚さ０．５ｍｍ）を用い、表面にＡｇ−Ｐｄペーストを印刷した後、８５０℃３０分焼成することにより第１、第２の電極、一対の発熱体電極、及び発熱体引出電極を形成した。また、第１及び第２の電極の間に、酸化ルテニウム系抵抗ペーストを印刷し、８５０℃３０分焼成することにより発熱抵抗体を形成した。発熱抵抗体のパターン抵抗値は１Ωである。

【0050】

実施例及び比較例に係る可溶導体は、いずれもＳｎ：Ｓｂ＝９５：５、融点２４０℃を用いて、１ｍｍ×５ｍｍに形成し、融点が２１９℃の接続ハンダペースト（Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ＝９６．５／３／０．５）によって、第１、第２の電極及び発熱体引出電極上に接続した。

【0051】

実施例１に係る可溶導体は、プレス加工によって、発熱体引出電極上の中央部、及び第１、第２の電極上の両端部の厚みを０．１５ｍｍ、第１の電極と発熱体引出電極との間、及び第２の電極と発熱体引出電極との間の溶断部の厚みを０．１０ｍｍに形成した。

【0052】

実施例２に係る可溶導体は、中央部及び両端部の厚みを０．１３ｍｍとした他は、実施例１と同じである。

【0053】

実施例３に係る可溶導体は、中央部及び両端部の厚みを０．１２ｍｍとした他は、実施例１と同じである。

【0054】

実施例４に係る可溶導体は、中央部及び両端部の厚みを０．１１ｍｍとした他は、実施例１と同じである。

【0055】

実施例５に係る可溶導体は、中央部及び両端部に、可溶導体よりも低融点の金属で形成された厚さ０．０５ｍｍの金属箔（Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ＝９６．５／３．０／０．５）を積層して厚さ０．１５ｍｍとし、溶断部を０．１０ｍｍとした。

【0056】

実施例６に係る可溶導体は、中央部及び両端部に、０．０５ｍｍ厚で金属ペースト（Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ＝９６．５／３．０／０．５）を塗布、焼成して厚さ０．１５ｍｍとし、溶断部を０．１０ｍｍとした。

【0057】

実施例７に係る可溶導体は、第１、第２の電極間に亘って載置された後、オーブンで２２０℃、２分間加熱されることにより、中央部及び両端部の内部に、直径０．０５ｍｍのボイドを発生させて厚さ０．１５ｍｍとし、溶断部を０．１０ｍｍとした。

【0058】

比較例１に係る可溶導体は、中央部、両端部及び溶断部のいずれも０．１０ｍｍの平坦構造のものを用いた。

【0059】

比較例２に係る可溶導体は、中央部、両端部及び溶断部のいずれも０．１５ｍｍの平坦構造のものを用いた。

【0060】

以上の実施例及び比較例に係る可溶導体の抵抗値、フラックスの保持性、加熱溶断時間を測定、評価した。可溶導体のフラックス保持性については、実施例及び比較例に係る保護素子をそれぞれ１００個製造し、カバー部材を取り外してフラックスが中央部付近に留まっているか、可溶導体の左右の一方又は他方、あるいはその両方に流れているかを判断した。実施例及び比較例に係る可溶導体の加熱溶断時間は、定格３Ｗの発熱抵抗体に通電して発熱させた時から溶断部が溶断されるまでの時間である。

【0061】

【表1】

表１に示すように、各実施例では、いずれも可溶導体の中央部及び両端部を肉厚に形成しているため、可溶導体の抵抗値を下げることができた。また、各実施例では、いずれもフラックスが中央部付近に留まっており、左右へのフラックス流れは生じなかった。さらに、各実施例では、いずれも溶断時間を短くすることができた。

【0062】

一方、比較例１に係る可溶導体は、中央部、両端部及び溶断部に亘って同じ厚さ（０．１０ｍｍ）で形成しているため、抵抗値が２０ｍΩと高く、保護素子としての定格を向上させることが困難である。また、肉厚な中央部を備えていないため、比較例１に係る保護素子の１０％は、可溶導体の上に塗布したフラックスが流れていた。

【0063】

比較例２に係る可溶導体は、中央部、両端部及び溶断部に亘って同じ厚さ（０．１５ｍｍ）で形成しているため、抵抗値は１０ｍΩと低いものの、逆に加熱溶断時間が４０秒と長くなった。また、比較例２においても、肉厚な中央部を備えていないため、保護素子の５％は、可溶導体の上に塗布したフラックスが流れていた。

【0064】

以上より、可溶導体は、少なくとも中央部を肉厚に形成することにより、低抵抗化による定格の向上と、溶断特性を両立させることができることが分かる。

【0065】

実施例１〜４に示すように、中央部や両端部の肉厚を薄くしていくと、可溶導体の抵抗値は上がるが、溶断時間は短くなる。また、実施例４に示すように、中央部を溶断部より０．０１ｍｍでも肉厚に形成すれば、比較例１に比して、フラックス流れを抑制できることが分かる。

【0066】

実施例５より、可溶導体よりも低融点の金属からなる金属箔を積層することで、実施例１に比して加熱溶断時間を短縮できることが分かる。これは、低融点金属が可溶導体を侵食するためである。

【0067】

実施例６では、金属ペーストが多少溶断部側へ流れてしまい、形状を維持しにくく、抵抗値が若干上昇した。なお、金属ペーストとして、可溶導体より低融点の金属ペーストを用いることにより、加熱溶断時間を短縮することができる。

【0068】

実施例７では、ボイドが内在することから低抵抗化は実現できないが、フラックス流れを抑制でき、また加熱溶断時間も短かった。

【符号の説明】

【0069】

１０ 保護素子、１１ 絶縁基板、１２ 電極、１３ 可溶導体、１３ａ 中央部、１３ｂ 溶断部、１３ｃ 両端部、１４ 発熱体、１５ 絶縁部材、１６ 発熱体引出電極、１８ 発熱体電極、１９ カバー部材、２０ バッテリパック、２１〜２４ バッテリセル、２６ 検出回路、２７ 電流制御素子、３０ 充放電制御回路、３１，３２ 電流制御素子、３３ 制御部、３５ 充電装置、４０ 導電材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】