TW201419350A

TW201419350A - 保護元件及電池組

Info

Publication number: TW201419350A
Application number: TW102127205A
Authority: TW
Inventors: Takeo Kimura; Kazuo Goto; Yoshihiro Yoneda
Original assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2014-05-16
Also published as: JP5952674B2; HK1208760A1; CN104508783A; KR20150040954A; JP2014032769A; WO2014021156A1

Abstract

本發明之目的在於獲得一種保護元件，可藉由因發熱體之發熱而使其容易地熔斷，且可確實地分離熔融焊料而阻斷電路。保護元件(10)係具備：絕緣基板(11)；發熱體(14)，其積層於絕緣基板(11)，且被絕緣構件(15)包覆；電極(12)(A1)、(12)(A2)；發熱體引出電極(extracting electrode)(16)，其於絕緣構件(15)上以與發熱體(14)重疊之方式積層；保護層(6)，其以包圍發熱體引出電極(16)之周緣部之方式形成；可熔導體(13)，其兩端連接於電極(12)(A1)、(12)(A2)，中央部在保護層(6)之開口(6a)連接至發熱體引出電極(16)。可熔導體(13)係由厚壁部(13a)與薄且扁平地成型之薄壁部(13b)所構成。保護層(6)係於可熔導體(13)之薄壁部(13b)與發熱體引出電極(16)之連接部分開口，且以包圍發熱體引出電極(16)之周緣的方式形成。

Description

保護元件及電池組

本發明係關於一種保護元件，其藉由熔斷電流路徑來保護連接於電流路徑上之電路。本申請案係以2012年8月1日於日本提出申請之日本專利申請編號特願2012-171332為基礎而主張優先權者，該申請案係藉由參照而引用於本申請案中。

可充電而重複利用之二次電池之多數被加工成電池組而提供給使用者。尤其是，於重量能量密度較高之鋰離子二次電池中，為了確保使用者及電子機器之安全，一般而言，將過充電保護、過放電保護等多個保護電路內置於電池組中，且具有於特定之情況下阻斷電池組之輸出之功能。

於多數之使用有鋰離子二次電池之電子裝置中，藉由使用內置於電池組中之FET(Field Effect Transistor，場效電晶體)開關進行輸出之ON/OFF(導通/斷開)，而進行電池組之過充電保護或過放電保護動作。然而，即便於FET開關因某種原因而短路破壞之情形時，於施加雷電電湧(lightning surge)等，瞬間流動大電流之情形時，或者因電池單元之壽命而輸出電壓異常地降低，或相反輸出過大異常電壓之情形時，亦必需保護電池組或電子機器免遭著火等事故之影響。因此，於此種可假定之任何異常狀態中，為了安全地阻斷電池單元之輸出，使用由具有藉由來自外部之訊號而阻斷電流路徑之功能之保險絲元件所構成的保護元件。

作為此種適用於鋰離子二次電池等之保護電路之保護元件，如專利文獻1所記載般，一般使用如下構造：於保護元件內部具有發熱體，且藉由該發熱體的發熱而熔斷電流路徑上之可熔導體。

【專利文獻1】日本特開2010-3665號公報

於專利文獻1所記載之保護元件中，為了用於行動電話、個人電腦般之電流容量較低之用途，可熔導體(保險絲)係具有最大亦僅15A左右之電流容量。鋰離子二次電池之用途近年正在擴大，且更大電流之用途例如研究採用至電動螺絲起子等電動工具、油電混合車、電動汽車、電動輔助自行車等輸送機器，並開始部份採用。於該等用途中，尤其於啟動時等，有超過數10A~100A般之大電流流通之情形。期望實現有對應此種大電流容量之保護元件。

為了實現對應大電流之保護元件，只要增大可熔導體之截面積即可。若使用成型為1.6mmΦ之線狀之Sn/Ag/Cu系焊料，可獲得50A左右之電流容量。然而，保護元件係於藉由過電流狀態而使之熔斷之情形以外，亦需要檢測電池單元之過電壓狀態，電流流動至保護元件之電阻發熱體，藉由其發熱切斷可熔導體。因此，於「厚」可熔導體之情形有如下問題：自發熱體之熱傳導下降，變得難以使可熔導體切斷。進而，於使「厚」可熔導體熔斷之情形，若不確實地分離經熔融之焊料，會有無法阻斷電路之問題。

因此，本發明之目的為：獲得一種保護元件，其可確保過電流保護時之電流容量，同時藉由因發熱體之發熱而使其容易地熔斷，且可確實地分離熔融焊料而阻斷電路。

作為用以解決上述問題之手段，本發明之保護元件係具備：絕緣基板；發熱體，其積層於絕緣基板，且具有用以接受來自外部電源的電流供給之兩個端子；絕緣構件，其以至少包覆發熱體之方式積層於絕緣基板；第1及第2電極；發熱體引出電極，其以與發熱體重疊之方式積層於絕緣構件之上方，與第1及第2電極之間之電流路徑及發熱體之一發熱體端子電性連接，並與外部電路電性連接；保護層，其積層於發熱體引出電極上之一部分，由絕緣材料構成；可熔導體，其以自發熱體引出電極橫跨至第1及第2電極的方式連接，經加熱會熔斷第1電極與第2電極之間的電流路徑。而且，可熔導體係於發熱體引出電極之未積層保護層之部分與發熱體引出電極連接，保護層積層於利用一發熱體端子來確保與外部電路之連接之位置。

本發明之電池組係具備：一個以上之電池單元；保護元件，其以阻斷於電池單元流通之電流之方式連接；電流控制元件，其檢測電池單元各自之電壓值而控制加熱保護元件之電流。而且，保護元件具有如下構件：絕緣基板；發熱體，其積層於絕緣基板，具有用以接受來自外部電源的電流供給之兩個端子；絕緣構件，其以至少包覆發熱體之方式積層於絕緣基板；第1及第2電極；發熱體引出電極，其以與發熱體重疊之方式積層於絕緣構件之上方，與第1及第2電極之間之電流路徑及發熱體之一發熱體端子電性連接，並與外部電路電性連接；保護層，其積層於發熱體引出電極上之一部分，由絕緣材料構成；可熔導體，其以自發熱體引出電極橫跨至第1及第2電極的方式連接，經加熱會熔斷第1電極與第2電極之間的電流路徑；可熔導體係於發熱體引出電極之未積層保護層之部分與發熱體引出電極連接，保護層積層於利用一發熱體端子來確保與外部電路之連接之位置。

本發明係於發熱體引出電極上之一部分形成保護層，於不存在保護層之部位連接可熔導體之薄壁部，而可於連接薄壁部之部位產生焊料溶蝕現象，並可熔融焊料穩定分離，並阻斷電路。

2‧‧‧電極

3‧‧‧支撐構件

6‧‧‧保護層

6a‧‧‧開口

10‧‧‧保護元件

11‧‧‧絕緣基板

12(A1)、12(A2)‧‧‧電極

13‧‧‧可熔導體

13a‧‧‧厚壁部

13b‧‧‧薄壁部

14‧‧‧發熱體

15‧‧‧絕緣構件

16‧‧‧發熱體引出電極

18(P1)、18(P2)‧‧‧發熱體電極

18a(P1)、18a(P2)‧‧‧電極

20‧‧‧電池組

20a‧‧‧正極端子

20b‧‧‧負極端子

21~24‧‧‧電池單元

25‧‧‧電池堆

26‧‧‧檢測電路

27、31、32‧‧‧電流控制元件

30‧‧‧充放電控制電路

33‧‧‧控制部

35‧‧‧充電裝置

圖1(A)係應用本發明之保護元件之俯視圖。圖1(B)係於圖1(A)之AA’線之剖面圖。圖1(C)係可熔導體經熔斷之狀態的剖面圖。

圖2(A)~(C)係用以說明製造應用本發明之保護元件之程序之俯視圖。

圖3(A)~(B)係表示應用本發明之保護元件之保護層之形狀的變形之圖。

圖4係表示應用本發明之保護元件之應用例的方塊圖。

圖5係表示應用本發明之保護元件之電路構成例之圖。

以下，一面參照圖式一面對用以實施本發明之形態詳細地進行說明。再者，當然本發明並不僅限於以下之實施形態，可於不脫離本發明之主旨之範圍內進行各種變更。

[保護元件之構成]

如圖1(A)及圖1(B)所示，保護元件10係具備：絕緣基板11；發熱體14，其積層於絕緣基板11，且被絕緣構件15包覆；電極12(A1)、12(A2)，其形成於絕緣基板11之兩端；發熱體引出電極16，其以與發熱體14重疊之方式積層於絕緣構件15上；保護層6，其以包圍發熱體引出電極之周緣部之方式形成；可熔導體13，其兩端連接於電極12(A1)、12(A2)，中央部在保護層6之開口6a連接至發熱體引出電極16。為了使電流流動至發熱體並使之發熱，連接電源之發熱體電極18(P1)、18(P2)連接於發熱體14之兩端。

可熔導體13係較佳由1.6mmΦ之圓線狀之厚壁部13a與薄壁部13b所構成，該薄壁部13b為發熱體14對向之部分在重疊於發熱體14之位置，以厚度成為大致均勻之方式且薄於厚壁部13a而扁平地成型。薄壁部13b之厚度例如為厚壁部13a之厚度(粗度)的1/2。再者，厚壁部13a及薄壁部13b之截面積較佳為大致相同。可熔導體13之薄壁部13b係與發熱體引出電極16電性連接。

藉由將可熔導體13製成重疊於發熱體14之位置經薄壁化的薄壁部13b，而提高薄壁部13b之厚度方向之熱傳導，亦增大與發熱源之接觸面積，因此可藉由發熱體14之發熱而變得容易地熔斷可熔導體13。再者，於厚壁部13a及薄壁部13b之截面積係大致相同之情形時，電流容量不變，可流通對應可熔導體13之通電方向之截面積及可熔導體13之材質(比電阻)之電流。

發熱體引出電極16一般係由Cu、Ag(Ag糊等)形成圖案，但已知該等之金屬(或該等為主成分之合金)有下述現象：若構成可熔導體13之焊料熔融，則有溶解於熔融焊料之焊料溶蝕現象。於具有至15A左右之電流容量的先前之保護元件，因與用於發熱體引出電極之金屬量相比，可熔導體(焊料)之量較少，故不需考慮焊料溶蝕現象。於此，隨著保護元件之大電流容量化，當使用「厚的」焊料作為可熔導體13時有如下問題：在保護元件10之作動時產生焊料溶蝕，發熱體引出電極16於保護元件作動中消失，供給至發熱體14之電力停止而熔斷動作停止。

又，於可熔導體13之熔斷動作，若經熔融之焊料滯留於發熱體引出電極16上，則因對應大電流而焊料之量較多，故確實分離熔融焊料成為問題。因此，考慮積極地利用焊料溶蝕現象而更確實進行熔融焊料之分離。

於發熱體引出電極16與可熔導體13之薄壁部13b之連接部，若產生焊料溶蝕現象，則構成發熱體引出電極16之金屬會消失，造成發熱體引出電極16基底之絕緣構件15露出，則經熔融之焊料不易停留，使之可朝其他路徑流出。於此，若連接於薄壁部13b發熱體引出電極16全部因焊料溶蝕現象而消失，則變的無法朝發熱體14供給電力，且變的無法維持薄壁部13b之熔融狀態。因此，為了留下朝發熱體14之通電路徑，於發熱體引出電極16上形成保護層6，而一面維持朝發熱體14供給電力，一面使發熱體引出電極16消失而促進熔融焊料之分離。

具體而言，如圖1(A)所示，將以露出發熱體引出電極16之一部分之方式而開口之保護層6形成於發熱體引出電極16上。發熱體引出電極16係延伸於與可熔導體13之長度方向不同之方向，例如與可熔導體13之長度方向垂直之方向，經延伸之一側連接於可熔導體13之薄壁部13b，且經延伸之另一側連接於用於形成於絕緣導體15之發熱體14之電極18a(P1)。保護層6係於可熔導體13之薄壁部13b與發熱體引出電極16之連接部分開口，並以包圍發熱體引出電極16之周圍之方式形成。

若電力供給至發熱體14而發熱，則可熔導體13之薄壁部13b開始熔融。構成薄壁部13b之焊料於高溫會熔融，且構成經由保護層6之開口6a而連接於薄壁部13b之發熱體引出電極16的金屬產生焊料溶蝕，溶出至經熔融之焊料。結果於絕緣構件15上之配置有可熔導體13的部位，發熱體引出電極16消失，絕緣構件15露出。若如此，如圖1(C)所示，可熔導體13之經熔融之焊料於潤濕性低之絕緣構件15及保護層6上無法停留，而促進熔融焊料之分離。

保護層6可如圖2(A)~(C)所示般地形成。如圖2(A)所示，使用周知之印刷技術並於絕緣構件15上圖案化發熱體引出電極16。此時，亦可同時形成用於發熱體14之電極18a(P1)、18a(P2)。如圖2(B)所示，以環狀地積層於發熱體引出電極16之周邊部之方式形成保護層6。如圖2(C)所示，形成有保護層6之絕緣構件15(於內部積層有發熱體14之積層基板)焊料接合於絕緣基板11上。其後，於保護層6之開口6a，以連接可熔導體13之薄壁部13b之方式載置可熔導體。保護層6係例如可使用玻璃、聚醯亞胺等具耐熱性之周知的絕緣材料。

兩個電極12(A1)、12(A2)係於保護元件10之內部將可熔導體13連接，且經由此兩個電極12(A1)、12(A2)，連接於外部電路。兩個電極12(A1)、12(A2)可形成於絕緣基板11上，或亦可形成於與絕緣基板11成為一體之由環氧樹脂等所構成的絕緣材料。

發熱體引出電極16之一端連接於發熱體電極18(P1)及發熱體14之一端。又，發熱體14之另一端連接於另一個發熱體電極18(P2)。

絕緣基板11例如由氧化鋁、玻璃陶瓷、富鋁紅柱石(mullite)、氧化鋯等具有絕緣性之構件形成。另外，亦可使用環氧玻璃基板、酚基板等用於印刷電路板之材料，但必需留意保險絲熔斷時之溫度。

發熱體14係電阻值較高且具有若通電則發熱之導電性的構件，例如由W、Mo、Ru等所構成。藉由該等之合金或組成物、化合物之粉狀體與樹脂黏結劑混合，利用絲網印刷技術於絕緣基板11上將成為糊狀者形成圖案並燒成而形成。

以包覆發熱體14之方式配置絕緣構件15，經由該絕緣構件15以與發熱體14對向之方式配置發熱體引出電極16。當然該絕緣構件15亦可為於內部一體地積層有發熱體14之積層基板。

可熔導體13只要為藉由過電流狀態、及藉由發熱體14之發熱而熔融且熔斷之導電性之材料即可，例如可使用SnAgCu系之無Pb之焊料、除此以外、可使用BiPbSn合金、BiPb合金、BiSn合金、SnPb合金、PbIn合金、ZnAl合金、InSn合金、PbAgSn合金等。

又，可熔導體13亦可為高熔點金屬與低熔點金屬之積層體，該高熔點金屬為Ag或Cu或由Ag或Cu作為主成分之金屬所構成者，該低熔點金屬為以Sn作為主成分之無Pb焊料等。

再者，為了將可熔導體13對絕緣基板11支撐，且使可熔導體13之機械強度提高，可在形成於絕緣基板11上之電極2上形成支撐構件3，並於支撐構件3連接可熔導體13。

[變形例]

可以藉由至發熱體引出電極16延伸側的電極18a(P1)為止之路徑來確保與外部電路之連接之方式，形成保護層6。於上述之實施型態中，以包圍發熱體電極16之周圍之方式形成保護層6，但亦可於發熱體引出電極16與可熔導體13之薄壁部13b之交叉部位以包覆發熱體引出電極16之金屬部分的方式形成保護層6。

因此，如圖3(A)所示，可以包覆發熱體引出電極16兩側之緣部的方式形成保護層6。又，如圖3(B)所示，亦可以包覆發熱體引出電極16單側之緣部的方式形成保護層6。於任一種情形時，於可熔導體13與發熱體引出電極16之交叉位置均形成保護層6以防止焊料溶蝕。

[保護元件之使用方法]

如圖4所示，上述之保護元件10係用於鋰離子二次電池之電池組內之電路。

例如，保護元件10係組入具有由合計4個鋰離子2次電池之電池單元21~24所構成之電池堆25的電池組20中而使用。

電池組20具備：電池堆25；充放電控制電路30，其控制電池堆25之充放電；應用本發明之保護元件10，其保護電池堆25及充放電控制電路30；檢測電路26，其檢測各電池單元21~24之電壓；及電流控制元件27，其根據檢測電路26之檢測結果控制保護元件10之動作。

電池堆25係串聯連接有電池單元21~24，該電池單元21~24需要用於保護過充電及過放電狀態之控制者，且經由電池組20之正極端子20a、及負極端子20b而可裝卸地連接於充電裝置35，且被施加來自充電裝置35之充電電壓。將利用充電裝置35而被充電之電池組20之正極端子20a、及負極端子20b連接於藉由電池而進行動作之電子機器，藉此可使該電子機器進行動作。

充放電控制電路30具備：兩個電流控制元件31、32，其等串聯連接於自電池堆25流動至充電裝置35之電流路徑；及控制部33，其控制該等電流控制元件31、32之動作。電流控制元件31、32例如由場效電晶體(以下，稱為FET)構成，且藉由控制部33而控制閘極電壓，藉此控制電池堆25之電流路徑之導通及阻斷。控制部33以如下方式控制電流控制元件31、32之動作：自充電裝置35接收電力供給而進行動作，且根據利用檢測電路26所得之檢測結果，於電池堆25為過放電或過充電時，阻斷電流路徑。

保護元件10例如連接於電池堆25與充放電控制電路30之間之充放電電流路徑上，且藉由電流控制元件27而控制其動作。

檢測電路26與各電池單元21~24連接，檢測各電池單元21~24之電壓值，且將各電壓值供給至充放電控制電路30之控制部33。又，檢測電路26於任一個電池單元21~24變為過充電電壓或過放電電壓時，輸出控制電流控制元件27之控制訊號。

電流控制元件27以如下方式進行控制：藉由自檢測電路26輸出之檢測訊號，於電池單元21~24之電壓值變為超過特定之過放電或過充電狀態之電壓時，使保護元件10動作，無論電流控制元件31、32之開關動作均阻斷電池堆25之充放電電流路徑。

於由如上之構成所構成之電池組20中，對保護元件10之構成具體地進行說明。

首先，應用本發明之保護元件10例如具有如圖5所示之電路構成。即，保護元件10係由經由發熱體引出電極16而串聯連接之可熔導體13、及經由可熔導體13之連接點通電使之發熱而將可熔導體13熔融之發熱體14所構成之電路構成。又，於保護元件10中，例如可熔導體13串聯連接於充放電電流路徑上，且發熱體14與電流控制元件27連接。保護元件10之兩個電極12、12之中，其中一個連接於A1，另一個連接於A2。又，發熱體引出電極16及與其連接之發熱體電極18連接於P1，另一個發熱體電極18連接於P2。

由此種電路構成所構成之保護元件10可實現低背化，並且可藉由發熱體14之發熱而確實地熔斷電流路徑上之可熔導體13。