電池保護電路的製作方法
2023-04-26 14:44:11
專利名稱：電池保護電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電池保護電路，特別涉及用來防止短路或過充電時流過電池的電流值上升到允許電流以上的電路結構。
背景技術：
近年來，筆記本電腦和攝像機等可攜式信息終端正在普及。這些可攜式信息終端使用用來供給電能的電池。該電池作為可充電的二次電池使用。
當因某種原因(電路短路或高電壓充電等)使流過電池的電流變大時，電池過度發熱，有時可以使電池劣化或受到損傷。
因此，以往，在這些機器中，安裝有用來保護電池的保護電路。作為該電池保護電路的一個例子，可以舉出PTC元件(正溫度係數)或過熱保護器等。PTC元件或過熱保護器隨流過元件的電流值增大和溫度上升而電阻增大，當到達某一溫度時，電阻急劇上升，起電流溫度檢測電路的作用。此外，熱敏電阻具有當周圍溫度上升時電阻值變化的作用。
但是，先有的電池保護電路存在以下問題。下面，使用
圖12說明先有的電池保護電路的問題。
在圖12中，縱軸表示電壓，橫軸表示電流，A表示可進行充電的充電允許區域，BZ表示由PTC元件或過熱保護器等電流溫度檢測電路控制的保護區。
充電允許區A表示流過電池的電流和電池兩端的電壓的關係。保護區BZ表示流過PTC元件等(和電池)的電流和PCT元件等兩端的電壓的關係。
充電允許區A是電池本身能進行保護的區域，保護區BZ是電流溫度檢測電路作用的區域。
當因某種原因使流過電池的電流值進入保護區BZ時，PTC元件等的內阻增大。結果，流過電路的電流減小。
但是，先有的保護電路如圖12所示那樣，當流過大電流時發揮保護作用，而與充電允許區A無關。
因此，充電允許區A和保護區BZ之間的電流值對電池的安全性和可靠性沒有保證。因此，不能根據電池的種類對電池進行保護，而且，不能保證利用該電池工作的裝置的安全性和可靠性。
因此，本發明是為了解決上述問題而提出的，其目的在於提供一種電池保護電路，能夠確保可充放電的電池和利用該電池工作的裝置的安全性和可靠性。
發明的公開本發明的第1方面的電池保護電路是對可充電的電池設置的電池保護電路，具有包含電流溫度檢測電路的電流控制電路，該電流溫度檢測電路設在電池附近，檢測流過電池的電流值和周圍溫度，當電流值和周圍溫度達到保護區的值時，使電流值減小，保護區中的最小電流值比允許對電池進行充電的充電允許區中的最大電流值小，而且，保護區中的最大電流值比充電允許區中的最大電流值大。
本發明的第2方面的電池保護電路是對可充電的電池設置的電池保護電路，具有包含電流溫度檢測電路的電流控制電路和包含可熔融部分且供給流過電池的電流的布線層，該電流溫度檢測電路設在電池附近，檢測流過電池的電流值和周圍溫度，當電流值和周圍溫度達到保護區的值時，使電流值減小，該布線層的熔融部分在流過電池的電流值達到第2保護區的值時被熔融切斷。第1保護區中的最小電流值比允許對電池進行充電的充電允許區中的最大電流值小，而且，第1保護區中的最大電流值比充電允許區中的最大電流值大，第2保護區中的最小電流值比第1保護區中的最大電流值小，而且，第2保護區中的最小電流值比充電允許區中的最大電流值大，在布線層中，可熔融部分具有相對小的截面積，布線層的可熔融部分之外的部分具有相對大的截面積。
布線層的可熔融部分最好配置2個以上。
若按照上述電池保護電路，即使流入電池的電流值增大，也可以在電池劣化或損傷之前使電流值減小。
結果，可以可靠性保護電池，提高電池和利用該電池工作的裝置的可靠性和安全性。
此外，當因過充電或反充電等而使電流值接近電流溫度檢測電路的工作條件的邊界區時，電流控制電路可以在電池未損壞之前及時熔斷布線層而切斷電流。
因此，電池的溫度不會過高，也不會給電流控制電路造成負擔。結果，提高了包含電池和電流控制電路的整個裝置可靠性和安全性。
本發明的第3方面的電池保護電路是對可充電的電池設置的電池保護電路，具有包含電流溫度檢測電路的電流控制電路和包含可熔融部分且供給流過電池的電流的布線層，該電流溫度檢測電路設在電池附近，檢測流過電池的電流值和周圍溫度，當電流值和周圍溫度達到保護區的值時，使電流值減小，該布線層的熔融部分在流過電池的電流值達到第2保護區的值時被熔融切斷。第1保護區中的最小電流值比允許對電池進行充電的充電允許區中的最大電流值小，而且，第1保護區中的最大電流值比充電允許區中的最大電流值大，第2保護區中的最小電流值比第1保護區中的最大電流值小，而且，第2保護區中的最小電流值比充電允許區中的最大電流值大。在布線層中，可熔融部分具有相對小的截面積，布線層的可熔融部分之外的部分具有相對大的截面積。在布線層中，可熔融部分熔斷的時間隨第2保護區中的電流值的增大而變短。
若按照上述電池保護電路，即使流入電池的電流值增大，也可以在電池劣化或損傷之前使電流值減小，所以，可以可靠性保護電池，提高電池和利用該電池工作的裝置的可靠性和安全性。此外，當因過充電或反充電等而使電流值接近電流溫度檢測電路的工作條件的邊界區時，電流控制電路可以在電池未損壞之前及時熔斷布線層而切斷電流。因此，電池的溫度不會過高，也不會給電流控制電路造成負擔。結果，提高了包含電池和電流控制電路的整個裝置可靠性和安全性。此外，因可熔融部分熔斷的時間隨第2保護區中的電流值的增大而變短，故即使流過大電流，只要流過的時間短，可熔融部分就不會熔斷。結果，即使電池端子瞬間短路，因只要短路時間短可熔融部分就不會熔斷，所以，安全性沒有問題的短時間的短路不會給電池帶來故障。
附圖的簡單說明圖1是表示第1實施形態的可攜式電話機的一例主要部分的構成的圖。
圖2是用來說明第1實施形態的電流控制電路50的電池保護功能的圖。
圖3是表示第1實施形態的可攜式電話機的一例主要部分的構成的圖。
圖4是表示第2實施形態的可攜式電話機的一例主要部分的構成的圖。
圖5A是用來說明第2實施形態的布線層24的結構的截面圖，是表示沿圖4的A-A線的截面的圖。
圖5B是用來說明第2實施形態的布線層24的結構的截面圖，是表示沿圖4的B-B線的截面的圖。
圖5C是用來說明第2實施形態的布線層24的結構的截面圖，是表示沿圖4的C-C線的截面的圖。
圖6是第2實施形態的布線層24和用來說明電流控制電路50的電池保護功能的圖。
圖7是表示第2實施形態的可攜式電話機的一例主要部分的構成的圖。
圖8是表示第2實施形態的可攜式電話機的一例主要部分的構成的圖。
圖9是表示第2實施形態的可攜式電話機的一例主要部分的構成的圖。
圖10是表示本發明的第2實施形態的電池保護電路中的電流值和各要素的作用時間的關係的曲線圖。
圖11是表示本發明的第2實施形態的電池保護電路中的電流值和各要素的作用時間的具體關係的曲線圖。
圖12是用來說明先有的電池保護電路的問題的圖。
實施發明的最佳形態使用附圖詳細說明本發明的實施形態。再有，對圖中的同一部分或相當部分附加同一符號並省略其說明。
使用圖1說明第1實施形態的電池保護電路的構成。再有，在以下的說明中，作為可攜式信息終端之一，說明一例可攜式電話機。圖1是表示第1實施形態的可攜式電話機的一例主要部分的構成的圖。
參照圖1，可攜式電話機包括包含收發信號的處理電路等的主電路30、用來向主電路30供給電能的電池塊60和控制電路80。
電池塊60包含電池20和用來保護電池20的電流控制電路50。對電池20充電時，將AC適配器70與AC適配器端子72連接。從與AC適配器端子72電連接的節點P向電池20流入電流。
電池塊60裝在可攜式電話機的筐體內。也可以是能夠從可攜式電話機的筐體取出那樣的的結構。
電流控制電路50例如由作為電流溫度檢測電路的PTC元件或作為溫度檢測元件的熱敏電阻等或它們的複合元件構成。這裡，電流溫度檢測電路是指PTC元件或熱敏電阻等，具有經常檢測電流值和溫度並控制電流值的功能。當到達一定的電流值和溫度時，利用電流溫度檢測電路切斷電流。在圖1中，電流控制電路50由PTC元件55構成。PTC元件55連接在電池20的負極端子一側。
主電路30與節點P連接。主電路30由布線、電阻、電容、線圈等電子元件構成，從電池20供給電源進行工作。主電路30可以監視電流控制電路50中電阻的變化(信號S)。例如，主電路30包含利用信號S控制充電的電路，使節點電壓為恆定值。
再有，主電路30包含通過從與AC適配器72電連接的節點R接收的電源電壓來工作電路(時鐘等)。
控制電路80控制從AC適配器70向電池20和主電路30供給電壓和電流。控制電路80包含電阻元件RE和電晶體T。電晶體T連接在節點R和電阻元件RE的一個端子之間，電阻元件的另一個端子與節點P連接。電晶體T與從主電路30接收的控制信號對應導電。由控制電路80控制電池的充電電流和電壓。
構成電流控制電路50的PTC元件55隨流過元件電流值的增大和周圍溫度的升高，其電阻值慢慢上升。而且，當電流值和周圍溫度超過規定值時，電阻值急劇增大。因此，PTC元件55與流過電池20的電流值和周圍溫度對應使流過電池20的電流值減小。
這裡，使用圖2說明第1實施形態的電流控制電路50的電池保護功能。在圖2中，縱軸表示電壓，橫軸表示電流，A表示可進行電池無損傷充電的充電允許區域，B表示第1實施形態的電流溫度檢測電路(PTC元件55)的保護區。
充電允許區A是可進行電池無損傷充電的區域，即是能保護電池本身的區域。充電允許區A從0安培到F0安培。圖中，F0大約是(2+α)安培(電流值隨電池額定容量變化)。
電流溫度檢測電路的保護區B是保護電池的區域。保護區B從電流值F1到電流值F2，包含在充電允許區A的邊界區域內。圖中，F1約2安培，F2約(12+β)安培。
電流溫度檢測電路在流入電池20的電流值進入保護區B時，使電阻增大，減小流入電池20的電流。這時，電流溫度檢測電路在電池20的充電允許區A的邊界值附近發揮保護功能。因此，當流過電池20的電流值達到充電允許區A的邊界值附近時，可以使流入電池20的電流值移到充電允許區A內。
結果，可以可靠地防止電池20的劣化或損傷，可以提高包含電池的整個裝置的安全性和可靠性。
再有，電流控制電路50的構成不限於圖1所示的電路。作為電流控制電路50的一個例子，也可以使用過熱保護器。此外，如圖3所示，也可以將PTC55配置在電池20的正極端，將作為溫度檢測元件的熱敏電阻56等配置在負極端。
說明第2實施形態的電池保護電路的構成。在第2實施形態中，對電池20，除上述電流控制電路50之外，還配置具有與電流值對應熔斷的克熔融部分的布線層。
圖4是表示第2實施形態的可攜式電話機的一例主要部分的構成的圖。由圖4可知，可攜式電話機1包括筐體2、作為絕緣襯底的印刷電路板10、主電路30、電池20和天線40。天線40的大部分裝在筐體2內，當使用可攜式電話機1時，將其從筐體2中拔出來使用。
印刷電路板10固定在筐體2上。印刷電路板10上設有主電路30。從電池20向主電路30供給電能。
電池20固定在印刷電路板10上。電池20具有作為產生電能的元件的電池芯21、包裝材料26、正極端子22和負極端子23。正極端子22和負極端子23與電池芯21電連接。
在印刷電路板10上進而配置布線層24和作為電流控制電路的PTC元件55。PTC元件55和布線層24連接在正極端子22和主電路30之間。負極端子23和主電路30之間連接布線層31。
布線層24由銅形成。布線層24兩端的布線部分24b的寬度相對寬一些，而位於中央部的可熔融部分24a的寬度相對窄一些。
圖5A是表示沿圖4的A-A線的截面的圖，圖5B是表示沿圖4的B-B線的截面的圖。圖5C是表示沿圖4的C-C線的截面的圖。
由圖5A可知，可熔融部分24a在印刷電路板10上形成。可熔融部分24a的截面大致呈長方形。可熔融部分24a的高度是T1，寬度是W1。由圖5B可知，布線部分在印刷電路板10上形成。布線部分24b的截面大致呈長方形。布線部分24b的高度是T1，寬度W2＞W1。在圖5C中，可熔融部分24a的長度是L。
可熔融部分24a的截面積比布線部分24b的截面積小。因此，當向布線層24供給電流時，通過布線部分24b的電流的電流密度相對小一些，通過布線部分24b的電流的電流密度大一些。因此，可熔融部分24a在電流超過規定值時急劇發熱。可熔融部分因發熱而熔融，由此使布線層24斷線。
若可熔融部分24a的截面積(T1×W1)小，則可熔融部分24a的電阻變大，小的電流就可使可熔融部分24a熔斷。此外，若可熔融部分24a的長度L長，則可熔融部分24a的電阻變大，小的電流就可使可熔融部分24a熔斷。因此，通過調整可熔融部分24a的長度和截面積，可以設定可熔融部分24a的熔斷電流值。例如，若設高度T1大約是35μm，寬度W1約為150μm，長度L約為10mm，大約7安培的電流可使可熔融部分24A熔斷。若將2個這樣的布線層並聯，則大約14安培的電流可使可熔融部分24A熔斷。
這裡，使用圖6說明布線層24和電流控制電路50的電池保護功能。在圖6中，縱軸表示電壓，橫軸表示電流，A表示可進行電池無損傷充電的充電允許區域，B表示構成電流控制電路50的電流溫度檢測電路(PTC元件或過熱保護器等)的保護區。C表示布線層保護區。
可進行電池無損傷充電的充電允許區A從0安培到F0安培。圖中，F0大約是(2+α)安培。
電流溫度檢測電路的保護區B從電流值F1到電流值F2，電流值F1包含在充電允許區A的邊界區域中。圖中，F1大約2安培，F2大約是(12+β)安培。
與此對應，布線層24的形成使得當流過電池的電流值到達F3以上時其可熔融部分24a熔斷。這裡，電流值F3設定為包含在電流溫度檢測電路的保護區的邊界區域中的值。圖中，F3大約是12安培。
即，在第2實施形態中，形成布線層24，使布線層24的保護區(可熔融部分24a熔融，布線層切斷的電流區域)與電流溫度檢測電路的保護區的邊界值重合。
若流過電池的電流是充電允許區A(0安培～F0安培)內的電流值，則可以進行電池無損傷充電。
當流過電池的電流值進入保護區B時，使電流溫度檢測電路的電阻增大，減小流過電池20的電流。這時，電流控制電路50從電池充電允許區A的邊界值附近開始發揮保護功能。
進而，當流過電池的電流值達到保護區B的邊界值附近時，可熔融部分24a熔融，布線層斷開，切斷流過電流控制電路50和電池20的電流。因此，可以防止因超過保護區B的電流引起的PTC元件的炭化而使PTC元件間短路。此外，雖然PTC元件55的電流抑制效果有時間延遲，但可以抑制該時間延遲對電池20的影響。
再有，在2個區域重疊的部分，例如，在充電允許區A和電流溫度檢測電路的保護區B重合的部分(電流值在F1以上F0以下的部分)中，設計成使左側的電池充電允許區A優先起作用。在電流溫度檢測電路的保護區B和布線層的保護區C重合的部分(電流值在F3以上F2以下的部分)中，設計成使左側的電流溫度檢測電路的保護區B優先起作用。
這樣，若按照第2實施形態，當因短路等原因而使電池芯21內流過大電流時，可以通過PTC元件55的作用使流過電池芯21的電流值降低。進而，當因過電壓充電或反向充電等原因使PTC元件55接近超過其正常工作條件的環境時，可熔融部分24a熔斷。
由此可以切斷電流，所以，可以防止電池芯21過熱。此外，也可以防止電流控制電路50的劣化和損傷。結果，可以保證包含電池在內的整個裝置的安全性和可靠性。
圖7～圖9示出這樣的布線層24和電流控制電路的關係的一個例子。在圖7所示的例子中，電流控制電路50由PTC元件55和熱敏電阻56構成。布線層24和PTC元件55連接在電池的正極斷線和主電路30之間，熱敏電阻56連接在電池20的負極端子一側。
在圖8所示的例子中，布線層24配置在主電路30和電池20的正極端子之間，構成電流控制電路50的PTC元件55和熱敏電阻56連接在電池20的負極端子一側。
在圖9所示的例子中，構成電流控制電路50的PTC元件55和熱敏電阻56連接在電位低的一側，而且，布線層24連接在PTC元件和接地端子之間。
在是7～圖9中，示出了構成電流控制電路50的PTC元件55和熱敏電阻56，但不限於此。
圖10是表示本發明的第2實施形態的電池保護電路中的電流值和各要素的作用時間的關係的曲線圖。在圖10中，縱軸表示各元件開始動作的時間，橫軸表示電流值。曲線110表示構成電流控制電路50的電流溫度檢測電路(PTC元件或過熱保護器等)工作的電流值和時間的關係。曲線120表示熔斷布線層24的可熔融部分24a必要的電流值和時間的關係。參照圖10，如曲線110所示，電流控制電路50開始動作的時間隨流過電流溫度檢測電路(PTC元件或過熱保護器等)的電流的電流值的增大而變短。同樣，如曲線120所示，可熔融部分24a熔斷的時間隨流過布線24的電流的電流值的增大而變短。曲線110和曲線120都具有下凸的形狀，各自開始動作的時間隨電流值的增大而變短。
電流溫度檢測電路的保護區是從電流值F1到電流值F2，電流值F1包含在充電允許區的邊界區域內。
與此對應，在布線層24中，當流過電池的電流值在F3以上時，可熔融部分24a熔斷。這裡，電流值F3設定為包含在電流溫度檢測電路的保護區的邊界區域中的值。
其次，準備3個圖5A所示的布線層24，其可熔融部分24a的寬度W1是0.2mm，厚度T1是35μm，長度是10mm。將它們並聯連接，在高溫環境和低溫環境下，對該布線層測定了可熔融部分的熔斷的時間和電流值。此外，在高溫環境和低溫環境下，測定了PTC動作的電流值和時間。結果如圖11所示。在圖11中，縱軸表示各元件動作開始的時間，橫軸表示電流值。曲線201表示在高溫環境下PTC動作所必要的電流值和時間的關係。曲線202表示在高溫環境下PTC動作所必要的電流值和時間的關係。曲線203表示在高溫環境下可熔融部分24a熔斷所必要的電流值和時間的關係。曲線204表示在低溫環境下可熔融部分24a熔斷所必要的電流值和時間的關係。由圖11可知，在本發明的布線層中，可熔融部分24a熔斷的時間隨可熔融部分24a熔斷時的電流的電流值的增大而變短。進而可知，在高溫環境下，比低溫環境相比，可熔融部分24a可以在較短的時間內熔斷。
在本發明的這樣的保護電路中，對於電阻值在50mΩ以下，短路時間為1秒左右的外部短路(所謂鏈短路)，可熔融部分24a不熔斷，電池可以再使用。
以上，說明了第1和第2實施形態，但這裡示出的實施形態可以有各種變形。
作為可攜式信息終端，雖然說明了一個可攜式電話機的例子，但不限於此，也可以適用於筆記本電腦和錄像機。
電池20可以使用鋰電池、鎳鎘電池、聚合物電池等任何一種電池。
對電池的正極端子22和負極端子23配置的PTC元件55、熱敏電阻56和布線層24的關係不限於上述形式。
布線層24的材料可以不使用銅，而使用其他各種材料。此外，也可以用熔點高的材料構成布線部分24b，用熔點低的材料構成布線部分24a。
此外，布線層24的數量不限於一個，必要時可以進行必要的變更。當設置多個布線層24時，因任何一個可熔融部分24a確實熔融，故可以進一步提高裝置的可靠性。
此外，布線層的可熔融部分的形狀不限於已圖示的直線形狀，為了確保長度，例如也可以呈蛇行狀。
若按照本發明，即使流入電池的電流值增大，也可以減小電流值，不使電池劣化或損傷。結果，能夠可靠地保護電池，可以提高電池和利用該電池工作的裝置的可靠性和安全性。
若按照本發明，當因過充電或反充電等而使電流值接近電流溫度檢測電路的工作條件的邊界區時，電流控制電路可以在未損壞之前及時熔斷布線層而切斷電流。
因此，電池的溫度不會過高，也不會給電流控制電路造成負擔。結果，提高了包含電池和電流控制電路的整個裝置可靠性和安全性。
進而，若按照本發明，通過設置多個具有可熔融部分的布線層，當進入布線層的保護區時，可以分別在不同的位置切斷電流。特別是，當並聯設置同一布線層時，可以提高可靠性。
這次公開的實施形態只是所有各方面的例子，而不應該局限於這些實施形態。本發明的範圍不是上述說明的內容，而由權利要求的範圍示出，和權利要求的範圍均等的內容和範圍之內的一切變更都應該包含在本發明的權利要求範圍之內。
工業上利用的可能性本發明的電池保護電路可以用於可攜式電話機、筆記本電腦、字處理機、液晶電視和與照相機一體的VTR等中。
權利要求
1一種電池保護電路，是對可充電的電池設置的電池保護電路，其特徵在於具有包含電流溫度檢測電路的電流控制電路，該電流溫度檢測電路設在上述電池附近，檢測流過上述電池的電流值和周圍溫度，當上述電流值和上述周圍溫度達到保護區的值時，使上述電流值減小，上述保護區中的最小電流值比允許對上述電池進行充電的充電允許區中的最大電流值小，而且，上述保護區中的最大電流值比上述充電允許區中的最大電流值大。
2.一種電池保護電路，是對可充電的電池設置的電池保護電路，其特徵在於具有包含電流溫度檢測電路的電流控制電路和包含可熔融部分且供給流過上述電池的電流的布線層，該電流溫度檢測電路設在上述電池附近，檢測流過上述電池的電流值和周圍溫度，當上述電流值和上述周圍溫度達到第1保護區的值時，使上述電流值減小，該布線層的可熔融部分在流過上述電池的電流值達到第2保護區的值時被熔融切斷，上述第1保護區中的最小電流值比允許對上述電池進行充電的充電允許區中的最大電流值小，而且，上述第1保護區中的最大電流值比上述充電允許區中的最大電流值大，上述第2保護區中的最小電流值比上述第1保護區中的最大電流值小，而且，上述第2保護區中的最小電流值比上述充電允許區中的最大電流值大，在上述布線層中，上述可熔融部分具有相對小的截面積，上述布線層的可熔融部分之外的部分具有相對大的截面積。
3.權利要求2記載的電池保護電路，其特徵在於上述布線層的可熔融部分最好配置2個以上。
4.一種電池保護電路，是對可充電的電池設置的電池保護電路，其特徵在於具有包含電流溫度檢測電路的電流控制電路和包含可熔融部分且供給流過上述電池的電流的布線層，該電流溫度檢測電路設在上述電池附近，檢測流過上述電池的電流值和周圍溫度，當上述電流值和上述周圍溫度達到第1保護區的值時，使上述電流值減小，該布線層的可熔融部分在流過上述電池的電流值達到第2保護區的值時被熔融切斷，上述第1保護區中的最小電流值比允許對上述電池進行充電的充電允許區中的最大電流值小，而且，上述第1保護區中的最大電流值比上述充電允許區中的最大電流值大，上述第2保護區中的最小電流值比上述第1保護區中的最大電流值小，而且，上述第2保護區中的最小電流值比上述充電允許區中的最大電流值大，在上述布線層中，上述可熔融部分具有相對小的截面積，上述布線層的可熔融部分之外的部分具有相對大的截面積，在上述布線層中，上述可熔融部分熔斷的時間隨上述第2保護區中的電流值的增大而變短。
全文摘要
提高一種能夠確保可充電的二次電池的安全性和可靠性的電池保護電路。可攜式信息終端具有主電路(30)和電池塊(60)。電池塊(60)包含電池(20)和電流控制電路(50)。電池(20)經AC適配器充電。電流控制電路(50)包含電流溫度檢測電路(PTC元件等),在流過電池(20)的電流值接近允許對電池(20)進行充電的充電允許區的邊界值附近時,使電流減小。
文檔編號H01M10/42GK1350712SQ00807620
公開日2002年5月22日 申請日期2000年9月29日 優先權日2000年3月15日
發明者花房潔, 石田博一 申請人:三菱電機株式會社