DE-102022117805-B4 - Sicherheitseinheit, Batteriepack und elektrisches Gerät

Abstract

Sicherheitseinheit (10, 20), die in einem Batteriepack vorgesehen ist, der eine Batterie (12, 22) enthält, die wenigstens eine Zelle (11, 21) einer Sekundärbatterie, einen ersten externen Anschluss (13, 23) und einen zweiten externen Anschluss (14, 24) umfasst, wobei die Sicherheitseinheit (10, 20) umfasst: ein Sicherheitselement (18, 28), das ein zwischen der Batterie (12, 22) und dem ersten externen Anschluss (13, 23) vorgesehenes Schmelzsicherungselement (16, 26) und einen Wärme erzeugenden Widerstand (17, 27), der das Schmelzsicherungselement (16, 26) erhitzt, umfasst, ein erstes Schaltelement (19, 29), dessen einer Anschluss mit der Batterie (12, 22) und dem zweiten externen Anschluss (14, 24) verbunden ist und dessen anderer Anschluss mit dem Wärme erzeugenden Widerstand (17, 27) verbunden ist, wobei der Wärme erzeugende Widerstand (17, 27) innerhalb des Sicherheitselements (18, 28) angeordnet ist und eingerichtet ist, das Schmelzsicherungselement (16, 26) durchzubrennen, ein zweites Schaltelement (200, 300) und ein Widerstandselement (201, 301), die parallel zu dem ersten Schaltelement (19, 29) vorgesehen sind, wobei das Widerstandselement (201, 301) außerhalb des Sicherheitselements (18, 28) angeordnet ist, und eine Steuereinrichtung 15, 25), die Operationen des ersten Schaltelements (19, 29) und des zweiten Schaltelements (200, 300) in Entsprechung zu einer Spannung der Zelle (11, 21) oder der Batterie (12, 22) steuert, wobei die Steuereinrichtung (15, 25) die Sicherheitseinheit (10, 20) zu einem ersten Zustand, in dem das erste Schaltelement (19, 29) eingeschaltet ist, um Strom durch den Wärme erzeugenden Widerstand (17, 27) fließen zu lassen, und zu einem zweiten Zustand, in dem das zweite Schaltelement (200, 300) eingeschaltet ist, um Strom durch den Wärme erzeugenden Widerstand (17, 27) über das Widerstandselement (201, 301) fließen zu lassen, schaltet.

Inventors

• Tomonari Ueda
• Akira Sasaki

Assignees

• SCHOTT JAPAN CORPORATION

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20220715

Priority Date

20210716

Claims (6)

1. Sicherheitseinheit (10, 20), die in einem Batteriepack vorgesehen ist, der eine Batterie (12, 22) enthält, die wenigstens eine Zelle (11, 21) einer Sekundärbatterie, einen ersten externen Anschluss (13, 23) und einen zweiten externen Anschluss (14, 24) umfasst, wobei die Sicherheitseinheit (10, 20) umfasst: ein Sicherheitselement (18, 28), das ein zwischen der Batterie (12, 22) und dem ersten externen Anschluss (13, 23) vorgesehenes Schmelzsicherungselement (16, 26) und einen Wärme erzeugenden Widerstand (17, 27), der das Schmelzsicherungselement (16, 26) erhitzt, umfasst, ein erstes Schaltelement (19, 29), dessen einer Anschluss mit der Batterie (12, 22) und dem zweiten externen Anschluss (14, 24) verbunden ist und dessen anderer Anschluss mit dem Wärme erzeugenden Widerstand (17, 27) verbunden ist, wobei der Wärme erzeugende Widerstand (17, 27) innerhalb des Sicherheitselements (18, 28) angeordnet ist und eingerichtet ist, das Schmelzsicherungselement (16, 26) durchzubrennen, ein zweites Schaltelement (200, 300) und ein Widerstandselement (201, 301), die parallel zu dem ersten Schaltelement (19, 29) vorgesehen sind, wobei das Widerstandselement (201, 301) außerhalb des Sicherheitselements (18, 28) angeordnet ist, und eine Steuereinrichtung 15, 25), die Operationen des ersten Schaltelements (19, 29) und des zweiten Schaltelements (200, 300) in Entsprechung zu einer Spannung der Zelle (11, 21) oder der Batterie (12, 22) steuert, wobei die Steuereinrichtung (15, 25) die Sicherheitseinheit (10, 20) zu einem ersten Zustand, in dem das erste Schaltelement (19, 29) eingeschaltet ist, um Strom durch den Wärme erzeugenden Widerstand (17, 27) fließen zu lassen, und zu einem zweiten Zustand, in dem das zweite Schaltelement (200, 300) eingeschaltet ist, um Strom durch den Wärme erzeugenden Widerstand (17, 27) über das Widerstandselement (201, 301) fließen zu lassen, schaltet.
2. Sicherheitseinheit (10, 20) nach Anspruch 1 , wobei: die Steuereinrichtung (15, 25) die Sicherheitseinheit (10, 20) zu dem ersten Zustand schaltet, wenn ein Spannungswert der Zelle (11, 21) oder der Batterie (12, 22) niedriger als ein vorgeschriebener Spannungsbereich wird, und die Sicherheitseinheit (10, 20) zu dem zweiten Zustand schaltet, wenn der Spannungswert der Zelle (11, 21) oder der Batterie (12, 22) höher als der vorgeschriebene Spannungsbereich wird.
3. Sicherheitseinheit (10, 20) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei: R2 die Beziehung R2 = {R1×(V2-V1)}/V1 erfüllt, wobei R1 einen Widerstandswert des Wärme erzeugenden Widerstands (17, 27) wiedergibt, V1 einen Nennspannungswert des Sicherheitselements (18, 28) wiedergibt, V2 eine Spannung der Zelle (11, 21) oder der Batterie (12, 22) wiedergibt und R2 einen Widerstandswert des Widerstandselements (201, 301) wiedergibt.
4. Sicherheitseinheit (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei: die Batterie (12, 22) eine Vielzahl von Zellen (11, 21) enthält, und die Steuereinrichtung (15, 25) die Operationen des ersten Schaltelements (19, 29) und des zweiten Schaltelements (200, 300) in Entsprechung zu einer Spannung wenigstens einer der Zellen (11, 21) steuert.
5. Batteriepack, umfassend: die Sicherheitseinheit (10, 20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 , eine Batterie (12, 22), die wenigstens eine Zelle (11, 21) einer Sekundärbatterie enthält, einen ersten externen Anschluss (13, 23), und einen zweiten externen Anschluss (14, 24).
6. Elektrisches Gerät, umfassend: den Batteriepack gemäß dem Anspruch 5 , eine Lade- und Entladevorrichtung, die den Batteriepack lädt und entlädt, und einen Gerätehauptkörper, an dem der Batteriepack entfernbar angebracht ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Erfindungsfeld Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitseinheit, einen Batteriepack und ein elektrisches Gerät, die jeweils ein Sicherheitselement enthalten, das einen Wärme erzeugenden Widerstand und ein Schmelzsicherungselements umfasst. Stand der Technik Wenn eine Sekundärbatterie wie etwa eine Lithiumionenbatterie als eine einzelne Zelle wie etwa eine Sekundärbatterie für ein Mobiltelefon verwendet wird, wird sie in der Form eines Batteriepacks mit einer in einem Gehäuse integrierten Sicherheitseinheit bereitgestellt. Der Grund hierfür ist, dass es schwierig ist, einen ausreichenden Schutz vorzusehen, wenn die Zelle der Sekundärbatterie wie etwa der Lithiumionenbatterie alleine und unabhängig vorgesehen wird. Die Lithiumionenbatterie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie anfällig für eine Überladung und Überhitzung ist. Deshalb ist in dem Batteriepack ein Satz aus der Sicherheitseinheit, die das Sicherheitselement enthält, und der Sekundärbatterie in einem äußeren Gehäuse wie etwa einem Kunststoffgehäuse aufgenommen. Ein Lade- und Entladesteuersystem (ein Batterieverwaltungssystem (Battery Management System bzw. BMS)) steuert das Laden und Entladen der Sekundärbatterie und erfasst hierfür eine Spannung, einen Strom, eine Temperatur oder ähnliches der Sekundärbatterie. Der an einem Notebook oder ähnlichem montierte Batteriepack enthält eine Batterie, in der eine Vielzahl von Zellen wie etwa Lithiumionenbatterien verbunden sind. In den letzten Jahren wird allgemein ein zweiter Schutz an dem Batteriepack der Lithiumionenbatterie montiert, um einen doppelten Schutz vor einer Überladung, Überhitzung und Überentladung vorzusehen. In dem zweiten Schutz wird ein Lade- und Entladepfad irreversibel durch ein als SCP (Self-Control Protector) bezeichnetes Sicherheitselement (einschließlich eines Schmelzsicherungselements) unterbrochen. Insbesondere steuert und aktiviert ein Zweiter-Schutz-IC das in Reihe mit der Batterie verbundene Sicherheitselement, sodass ein Strom unterbrochen wird, wenn die Batterie in einem anormalen Zustand geladen und entladen wird. Das Sicherheitselement enthält einen Wärme erzeugenden Widerstand. Wenn zum Beispiel die Batterie über einen Referenzwert hinaus geladen wird, macht der Zweiter-Schutz-IC den Wärme erzeugenden Widerstand leitend, sodass er sich erhitzt und ein Schmelzsicherungselement aus einem Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt innerhalb kurzer Zeit durchbrennt. Das Sicherheitselement wird auch durch einen anormalen Strom der Batterie aktiviert. Wenn der anormale Strom erzeugt wird, wird das Schmelzsicherungselement aufgrund einer durch einen Überstrom verursachten Joule-Wärme durchgebrannt (siehe das offengelegte japanische Patent Nr. 2017-228379). Das Sicherheitselement ist in der Sicherheitseinheit des Batteriepacks enthalten. Die Sicherheitseinheit enthält einen Zweiter-Schutz-IC, der eine Spannung der Batterie oder jeder Zelle überwacht, und ein Schaltelement wie etwa einen FET. Der Zweiter-Schutz-IC steuert den Betrieb des Schmelzsicherungselements. Zum Beispiel wird in einem Sicherheitselement in einer in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 2012-231649 beschriebenen Lade- und Entladesteuerschaltung eines Batteriepacks eine Schmelzsicherung durchgebrannt, um eine elektrische Schaltung in Reaktion auf einen Überstrom des Batteriepacks und eine Erhöhung der Umgebungstemperatur zu trennen. Alternativ dazu wird ein Durchbrennen der Schmelzsicherung durch einen Wärme erzeugenden Widerstand erzwungen, der unter einer vorgeschriebenen Bedingung leitend gemacht wird, um dadurch die elektrische Schaltung zu trennen. Mit anderen Worten kann dieses Sicherungselement die Schaltung mittels des durch den Überstrom durchgebrannten Schmelzsicherungselements trennen. Wenn die Sicherheitseinheit einen in einem Gerät verursachten anormalen Zustand erfasst, veranlasst das Sicherheitselement mit einem Signalstrom, dass ein Widerstandselement Wärme erzeugt, sodass das aus einer schmelzbaren Legierung bestehende Schmelzsicherungselement durch die Wärme durchgebrannt wird, um die Schaltung zu trennen. Eine herkömmliche Sicherheitseinheit ist derart beschaffen, dass in einem Batteriepack, in dem eine Ladespannung innerhalb eines Bereichs von 8,4 bis 19,1 V geregelt wird, ein Zweiter-Schutz-IC das Auftreten einer Überladung bestimmt, wenn die Ladespannung 19,1 V überschreitet. Der Zweiter-Schutz-IC macht den Wärme erzeugenden Widerstand in einem Sicherheitselement leitend über einen FET, um Wärme zu erzeugen und dadurch das Schmelzsicherungselement durchzubrennen. Wenn die Ladespannung niedriger als 8,4 V wird, bestimmt der Zweiter-Schutz-IC das Auftreten einer Überentladung, sodass das Schmelzsicherungselement durchgebrannt wird. Deshalb schützt die herkömmliche Sicherheitseinheit eine Batterie und ein elektrisches Gerät durch das Trennen einer Schaltung, wenn eine Spannung außerhalb eines relativ schmalen Spannungsbereichs liegt (siehe das offengelegt