JP4368039B2 - 自己発熱素子を有する温度ヒューズとこの温度ヒューズを内蔵するパック電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の温度に加熱して溶断金属を熱で溶断する温度ヒューズと、この温度ヒューズを内蔵しているパック電池に関し、とくに、溶断金属と並列に寄生抵抗を接続して、寄生抵抗で溶断金属を加熱して速やかに溶断する温度ヒューズとこれを内蔵するパック電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
温度ヒューズは、所定の温度に加熱されると溶断して電流を遮断するものであって、安全回路として使用される。温度ヒューズを電池と直列に接続しているパック電池は、大電流が流れて電池温度が異常に高くなると、温度ヒューズが溶断されて電流を遮断して、電池の温度上昇を防止している。温度ヒューズは、所定の温度に加熱されと溶断される合金製の溶断金属で製作される。温度ヒューズが溶断される温度は、合金の材質で設定できる。ただ、温度ヒューズは、設定温度に加熱されると溶断する性質があるので、保存環境が高温になると溶断してしまうことがある。たとえば、溶断温度を１００℃に設定している温度ヒューズは、保存環境の温度が１００℃になると溶断して使用できなくなる。この弊害は、温度ヒューズの溶断温度を高くして解消できる。ただ、温度ヒューズは、機器が異常な温度に上昇するのを防止するための安全部品であるから、溶断温度は組み込まれる機器によって特定される。たとえば、溶断温度が高すぎる温度ヒューズをパック電池等に組み込むと、電池が異常な高温になっても溶断されないことがあり、安全性が低下してしまう。
【０００３】
この欠点は、たとえば、図１に示すように、温度ヒューズ１に熱結合して加熱抵抗２を接続し、この加熱抵抗２で温度ヒューズ１を溶断することで解消できる。加熱抵抗２は、スイッチング素子３に接続され、スイッチング素子３は保護回路４に接続されてオンオフに切り換えられる。この図のパック電池は、異常な状態で使用されて電池が異常な温度に加熱されると、保護回路４がスイッチング素子３をオンに切り換える。オンになったスイッチング素子３は、加熱抵抗２に電流を流してジュール熱で加熱し、加熱された加熱抵抗２が温度ヒューズ１を加熱して溶断する。ヒューズ１が溶断されると、電池電流が遮断されて、電池の温度が上昇しなくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の機構で溶断される温度ヒューズは、スイッチング素子３とこれを制御する保護回路４を必要とするので、回路構成が複雑になる。また、スイッチング素子３をオンにして、電池で加熱抵抗２を加熱して温度ヒューズ１を溶断するので、電池で加熱抵抗２を加熱して温度ヒューズ１を溶断できるように設計する必要がある。電池は充放電の状態によって残容量が大幅に変化し、さらに、電池の温度が異常に上昇する環境においても、電池の状態が著しく変動する、たとえば、４個の電池を直列に接続しているパック電池において、１〜３個の電池がショートして電池の出力電力が大幅に変動することもあるので、電池で確実に温度ヒューズを溶断するように設計するのが難しくなることがある。
【０００５】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、極めて簡単な構造であるにもかわらず、優れた保存特性を実現しながら、異常な状態になると簡単な回路で確実に溶断される温度ヒューズと、この温度ヒューズを内蔵するパック電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の温度ヒューズは、所定の温度になると溶断される溶断金属５と、この溶断金属５に熱結合されてなる寄生抵抗６とを備える。寄生抵抗６は、溶断金属５に並列に接続され、かつ、溶断金属５よりも高い抵抗値を有する。この温度ヒューズ１は、流れる電流を溶断金属５と加熱抵抗２とに分流して流す。溶断金属５に流れる電流は、ジュール熱で溶断金属５を加熱する。寄生抵抗６に流れる電流はジュール熱で寄生抵抗６を加熱する。したがって、溶断金属５は、周囲から加熱され、さらに、寄生抵抗６のジュール熱によっても加熱されて溶断される。この温度ヒューズ１は、周囲温度を検出して溶断される機能に加えて、流れる電流に依存しても溶断される特性を備える。
【０００７】
温度ヒューズ１は、好ましくは、溶断金属５に、寄生抵抗６を実現する金属層を積層する構造として、寄生抵抗６を溶断金属５に熱結合する。この構造の温度ヒューズ１は、溶断金属５に、寄生抵抗６を実現する金属層を積層してなる２層構造の金属、すなわち、バイメタル構造として製作される。
【０００８】
寄生抵抗６の抵抗値は、好ましくは、溶断金属５の抵抗値の１００００倍以上とする。寄生抵抗６は、溶断金属５と並列に接続される。したがって、本発明の温度ヒューズは、溶断金属５が溶断された状態においても、電気抵抗は無限大にはならず、寄生抵抗６の抵抗値となる。温度ヒューズ１は、溶断された状態で電流を完全に遮断するのを理想とする。溶断された状態での電流を少なくするためには、寄生抵抗６の抵抗値を大きくする。ただ、寄生抵抗６の抵抗値を大きくすることは、寄生抵抗６のジュール熱による発熱を少なくする。したがって、寄生抵抗６は、溶断された状態での電流値と、溶断金属５を加熱する熱量の両方を考慮して、たとえば、寄生抵抗６の抵抗値を溶断金属５の１００００倍以上とする。また、溶断金属５の溶断温度も用途によって最適温度が異なるが、好ましくは、８０〜１２０℃に設定される。
【０００９】
さらに、本発明のパック電池は、前述の温度ヒューズ１を電池７と直列に接続している。温度ヒューズ１は、電池７が異常な温度に上昇し、さらに、電池７に大電流が流れるときに、寄生抵抗６で溶断金属５を加熱して確実に溶断して、より安全なパック電池としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための温度ヒューズとパック電池を例示するものであって、本発明は温度ヒューズとパック電池を以下のものに特定しない。
【００１１】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１２】
図２と図３に示す温度ヒューズ１は、所定の温度になると溶断される溶断金属５と、この溶断金属５に熱結合して並列に接続している寄生抵抗６とを備える。溶断金属５は、たとえば、８０〜１２０℃になると溶断する合金で製作される。溶断金属５が溶断する温度は、温度ヒューズを装着する機器により最適値に設定される。たとえば、パック電池に内蔵される温度ヒューズは、約１００℃で溶断される溶断金属を使用する。
【００１３】
図の温度ヒューズ１は、寄生抵抗６から溶断金属５への熱伝導を効率よくするために、溶断金属５と寄生抵抗６とを板状に成形して、寄生抵抗６と溶断金属５を積層している。この温度ヒューズ１は、溶断金属５と寄生抵抗６とを実現する、電気抵抗が異なる合金を積層してなるバイメタルである。溶断金属５と寄生抵抗６は、積層面を互いに絶縁する必要がない。それは、溶断金属５と寄生抵抗６との接触面の電圧値が等しくなるからである。この温度ヒューズ１は、大きい金属板を製作し、これを所定の形状に切断して能率よく製造できる。さらに、溶断金属５と寄生抵抗６とを熱膨張率が異なる金属で製作し、溶断状態で溶断金属５側が伸びて寄生抵抗６側が伸縮するようにすると、熱変形によって、より確実に溶断金属５を溶断できる。
【００１４】
寄生抵抗は、必ずしも合金で製作する必要はない。たとえば、板状である溶断金属の片面または両面に導電ペーストを塗布し、あるいは線状である溶断金属の周囲に導電ペーストを塗布して、溶断金属に熱結合している寄生抵抗を設けることもできる。この構造の温度ヒューズは、導電ペーストに混合する金属粉やカーボン等の添加量と、塗布する厚さとで寄生抵抗の抵抗値を調整できる。
【００１５】
さらに、本発明の温度ヒューズは、図４に示すように、寄生抵抗６の両端に、線状あるいは細長い板状に成形している溶断金属５を接続して製作することもできる。この温度ヒューズ１は、溶断金属５を寄生抵抗６の表面に接触し、あるいは接近させて、寄生抵抗６を溶断金属５に熱結合する。
【００１６】
溶断金属５は、機器に組み込んで温度ヒューズ１による無駄な電力消費を少なくするために、電気抵抗をできるかぎり小さくするのが良い。温度ヒューズ１は、流れる電流によって電圧降下が発生し、これによって無駄な電力を消費するからである。温度ヒューズ１の電力損失少は、電流の自乗と抵抗値の積となる。このため、抵抗を少なくするほど電力損失を小さくできる。ただ、本発明の温度ヒューズは、溶断金属５と並列に寄生抵抗６を接続し、この寄生抵抗６にも電流を流して、寄生抵抗６のジュール熱で溶断金属５を加熱して速やかに溶断することを特徴としている。寄生抵抗６がジュール熱で加熱される割合は、溶断金属５の抵抗値に影響を受ける。溶断金属５の抵抗値を大きくすると、寄生抵抗６の発生熱量は増加する。それは、溶断金属５の両端に発生する電圧降下が、寄生抵抗６の両端に印加され、この電圧で寄生抵抗６が加熱されるからである。したがって、本発明の温度ヒューズは、無駄な電力損失を少なくしながら、寄生抵抗６で溶断金属５を加熱できるように、溶断金属５の抵抗値を特定する。
【００１７】
溶断金属５の最適な抵抗値は、用途によって変化して一定ではない。一般的には、温度ヒューズに流れる電流が大きい用途においては、溶断金属の抵抗値を小さくして、小さい電流で使用される用途においては溶断金属の抵抗値を大きくする。それは、大電流で使用する用途では、溶断金属の両端に発生する電圧が高くなり、小電流で使用する用途においては、溶断金属の両端に発生する電圧が低くなるからである。たとえば、パック電池に内蔵される温度ヒューズにおいては、溶断金属の抵抗値を最適には約０．０１Ωとする。ただ、パック電池やその他の用途において、溶断金属の抵抗値は、たとえば、０．１〜０．００１Ωの範囲とすることもできる。
【００１８】
さらに、寄生抵抗６の抵抗値は、溶断金属５を加熱する発生熱量と、溶断金属５を溶断した状態における電流値とを考慮して最適値に設定される。寄生抵抗６は抵抗値を小さくて発生熱量を大きくできる。それは、寄生抵抗６の消費電力（Ｐ）が、以下の式で示すように、寄生抵抗６の抵抗値（Ｒ）に反比例するからである。ただし、この式において、Ｅは溶断金属両端に発生する電圧である。
Ｐ＝Ｅ^２／Ｒ
【００１９】
寄生抵抗６のジュール熱発生量を大きくして、寄生抵抗６が効率よく溶断金属５を加熱するには、抵抗値を小さくすればよい。ただ、寄生抵抗６は溶断金属５と並列に接続して、溶断金属５が溶断された状態においても溶断されないので、溶断金属５が溶断された状態で、温度ヒューズ１の抵抗値となる。温度ヒューズ１は、溶断された状態では、抵抗を無限大として電流を完全に遮断するのを理想とする。このことからすれば、寄生抵抗６の抵抗値は大きいのが良いことになる。したがって、寄生抵抗６の抵抗値は、ジュール熱による発熱量と、溶断金属５を溶断した状態で電流を少なくすることの両方を考慮して最適値とする。
【００２０】
パック電池に使用する温度ヒューズ１は、好ましくは寄生抵抗６の抵抗値を、溶断金属の約１００００倍である約１ｋΩとする。ただ、パック電池やその他の用途に使用する温度ヒューズは、寄生抵抗６の抵抗値を、たとえば、溶断金属５の１０００〜１０００００倍とし、その抵抗値を１００Ω〜１０ｋΩとすることもできる。
【００２１】
以上の温度ヒューズを内蔵するパック電池の回路図を図５に示す。この図のパック電池は、電池７と、電池７と直列に接続している温度ヒューズ１と、電池７と直列に接続しているスイッチング素子３と、このスイッチング素子３をオンオフに制御して、電池７の過充電や過放電を防止する保護回路４とを備える。
【００２２】
温度ヒューズ１は、電池７で加熱されるように、電池７に密着して、あるいは電池７に接近して配設される。温度ヒューズ１は、電池７で溶断金属５を効率よく加熱できるように、溶断金属５側を電池７に接近して配設している。温度ヒューズ１は、電池温度が異常に高くなると電池７で加熱される。さらに、このとき温度ヒューズ１に電流が流れていると、この電流で寄生抵抗６がジュール熱で加熱され、寄生抵抗６が溶断金属５を加熱して、溶断金属５を速やかに溶断する。
【００２３】
さらに、この図のパック電池は、温度ヒューズ１に加えて、電子回路で構成される別系列の温度のよる電流遮断回路を内蔵している。この電流遮断回路は、スイッチング素子３と、このスイッチング素子３をオンオフに接続する保護回路４と、保護回路４に電池７の温度信号を入力する温度センサー８を備える。保護回路４は、温度センサー８からの信号で電池温度が異常に高いことを検出すると、スイッチング素子３をオフにして電池７の電流を遮断する。このパック電池は、電池温度が異常に高くなると、スイッチング素子３で電流を遮断し、さらに、温度ヒューズ１の溶断金属５を溶断して電流を著しく減少させる。このパック電池は、温度に対する二重の安全回路を内蔵しているので、温度に対して極めて高い信頼性を実現する。さらに、このパック電池は、保護回路４で電池７の過充電や過放電を防止するように、スイッチング素子３を制御することができる。
【００２４】
温度ヒューズを内蔵するパック電池は、必ずしも、図５に示すように別系列で、電流を遮断する回路を内蔵させる必要はない。電池温度が高くなると、温度ヒューズ１の溶断金属５が溶断して、電池７の電流を実質的にほとんど０に減少できるからである。
【００２５】
【実施例】
図２に示す温度ヒューズ１を内蔵するパック電池の特性は、以下のようになる。
ただし、パック電池は、電池温度を検出してスイッチング素子をオフにする保護回路を内蔵しないものである。温度ヒューズ１は、図２に示すように、溶断金属５の片面に、寄生抵抗６を実現する合金を積層してバイメタルとして製作する。溶断金属５が溶断される温度は１１０℃±３℃とし、溶断金属５の抵抗値を０．０１Ωとする。寄生抵抗６の抵抗値は１ｋΩとする。この温度ヒューズ１に１Ａの電流を流すと、溶断金属５には約０．９９９９９Ａの電流が流れ、寄生抵抗６には約０．００００１Ａの電流が流れる。溶断金属５が溶断される定格を０．００００１Ｗとすると、温度ヒューズ１に流れる電流が１Ａ以上になると、定格以上の消費電力となり発熱が大きくなる。この発熱により、温度ヒューズ１に通電しない状態に比べて温度ヒューズ１の溶断時期が速くなる。
【００２６】
リチウムイオン二次電池を内蔵するパック電池が３Ａで過充電されて、温度ヒューズ１が溶断される状態は、以下の表１のようになる。また、このパック電池や温度ヒューズを高温で保存して、温度ヒューズが溶断される状態も表１で示すようになる。さらに、この表に示すパック電池の電池温度と電圧と電流は図６に示すように変化する。
【００２７】
【表１】

【００２８】
この表において、比較例１と２は寄生抵抗のない温度ヒューズであり、比較例１の温度ヒューズは、溶断する温度を８９±３℃としたもの、比較例２は、溶断温度を１１０±３℃としたものである。
【００２９】
この表から、比較例１の電池は、温度ヒューズが溶断されて、電池温度が異常な状態になることはないが、表１に示すように、１００℃で２４時間保存されると、温度ヒューズが溶断されるので、その後に全く使用できなくなる。比較例２のパック電池は、温度ヒューズが溶断されず、電池温度が異常に高くなって、電池が破壊されて電流が遮断される。本発明の実施例のパック電池は、溶断金属５が溶断されて、電池温度が異常に上昇しない。また、１００℃で２４時間保存されても、溶断金属５は溶断されず、その後に正常に動作する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の温度ヒューズとこの温度ヒューズを内蔵するパック電池は、極めて簡単な構造であるにもかわらず、優れた高温保存特性を実現しながら、異常な高温加熱状態になると、簡単な回路で確実に溶断して電流を制限できる特長がある。それは、本発明の温度ヒューズが、溶断金属に熱結合して寄生抵抗を並列に接続し、この寄生抵抗に流れる電流で発生するジュール熱でもって、溶断金属を加熱して速やかに、確実に溶断させるからである。
【００３１】
とくに、本発明の請求項２に記載しているように、溶断金属に寄生抵抗を積層する構造は、寄生抵抗の発生熱で溶断金属を極めて有効に加熱して、寄生抵抗で溶断金属を速やかに溶断できる特長がある。さらに、溶断金属と寄生抵抗との積層面の電圧が等しくなるために、溶断金属と寄生抵抗との境界を絶縁する必要がない。このため、寄生抵抗を溶断金属に直接に接触して、寄生抵抗がより効率よく溶断金属を加熱できる構造として、溶断金属を確実に溶断できる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の温度ヒューズを内蔵するパック電池の回路図
【図２】本発明の実施例の温度ヒューズを示す正面図
【図３】図１に示す温度ヒューズの等価回路図
【図４】本発明の他の実施例にかかる温度ヒューズの正面図
【図５】本発明の実施例のパック電池を示す回路図
【図６】本発明の実施例の温度ヒューズと比較例の温度ヒューズを内蔵するパック電池の温度と電圧と電流の関係を示すグラフ
【符号の説明】
１…温度ヒューズ
２…加熱抵抗
３…スイッチング素子
４…保護回路
５…溶断金属
６…寄生抵抗
７…電池
８…温度センサー

Claims (7)

1. 所定の温度になると溶断される溶断金属(5)と、この溶断金属(5)に熱結合されてなる寄生抵抗(6)とを備え、寄生抵抗(6)は溶断金属に並列に電気接続されると共に、溶断金属(5)よりも高い抵抗値を有し、
   溶断金属(5)が、周囲から加熱され、かつ、寄生抵抗(6)のジュール熱によっても加熱されて溶断されるようにしてなる自己発熱素子を内蔵する温度ヒューズ。
2. 溶断金属(5)に、寄生抵抗(6)を実現する金属層を積層して、寄生抵抗(6)を溶断金属(5)に熱結合している請求項１に記載の自己発熱素子を有する温度ヒューズ。
3. 寄生抵抗(6)の抵抗値が溶断金属(5)の抵抗値の１００００倍以上である請求項１に記載の自己発熱素子を有する温度ヒューズ。
4. 溶断金属(5)の溶断温度が８０〜１２０℃である請求項１に記載の自己発熱素子を有する温度ヒューズ。
5. 内蔵する電池(7)と直列に接続された温度ヒューズ(1)を備え、温度ヒューズ(1)が、所定の温度になると溶断する溶断する溶断金属(5)と、この溶断金属(5)に熱結合してなる寄生抵抗(6)とを備え、寄生抵抗(6)は溶断金属(5)に並列に電気接続されると共に、溶断金属(5)よりも高い抵抗値を有し、
   温度ヒューズ(1)の溶断金属(5)が、周囲から加熱され、かつ、寄生抵抗(6)のジュール熱によっても加熱されて溶断されるようにしてなる温度ヒューズを内蔵するパック電池。
6. 温度ヒューズ(1)が、溶断金属(5)に、寄生抵抗(6)を実現する金属層を積層して、寄生抵抗(6)を溶断金属(5)に熱結合しているバイメタルである請求項５に記載の温度ヒューズを内蔵するパック電池。
7. 寄生抵抗(6)の抵抗値が溶断金属(5)の抵抗値の１００００倍以上である請求項５に記載の温度ヒューズを内蔵するパック電池。

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