KR101382942B1 - 보호 소자, 배터리 제어 장치 및 배터리 팩 - Google Patents

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지사토 고모리
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데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
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Abstract

발열 저항체의 열을 전열 경로를 통해서 효율적으로 저융점 금속체에 전달한다. 전기 회로의 전류 경로 상에 접속되는 보호 소자에 있어서, 절연 기판 (60) 과, 절연 기판 (60) 의 일면에 제 1 절연층 (62) 을 개재하여 형성된 발열 저항체 (64) 와, 발열 저항체 (64) 의 상방에 제 2 절연층 (65) 을 개재하여 배치 형성되며, 전류 경로의 일부를 구성하는 저융점 금속체 (67) 와, 저융점 금속체 (67) 의 양단과 접속되며, 전류 경로와 저융점 금속체 (67) 를 전기적으로 접속시키는 접속부 (611, 612) 를 가지고, 접속부 (611, 612) 는 절연 기판 (60) 의 일면에 제 1 유리층 (70) 을 개재하여 형성되어 있다.

Description

보호 소자, 배터리 제어 장치 및 배터리 팩{PROTECTION ELEMENT, BATTERY CONTROL DEVICE, AND BATTERY PACK}
본 발명은, 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와 충방전 제어 회로를 보호하는 보호 소자와, 이 보호 소자가 장착된 배터리 제어 장치 및 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은, 일본국에 있어서 2010 년 4 월 8 일에 출원된 일본 특허출원번호 특허출원 제2010-89613호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것으로, 이 출원을 참조함으로써, 본 출원에 원용된다.
과전류뿐만 아니라 과전압도 방지할 수 있고, 휴대형 전자 기기용의 배터리 팩 등에 유용한 보호 소자로서 배터리 셀의 충방전 전류 경로 상에 저융점 금속체를 개재시킴과 함께, 이 저융점 금속체의 근방에 발열 저항체를 배치한 보호 소자가 사용되고 있다. 도 9 에 나타내는 바와 같이 이런 종류의 보호 소자 (100) 는, 일반적으로 알루미나 등의 세라믹스를 사용한 절연 기판 (101) 상에 발열 저항체 (102) 를 형성하고 발열 저항체 (102) 상에 저융점 금속체 (104) 를 배치하고 있다.
저융점 금속체 (104) 는, 절연 기판 (101) 에 형성되며, 배터리 셀과 배터리 셀의 충방전 전류 경로가 되는 충방전 회로 사이에 접속된 도전층 (106) 에 접속되어 있다. 도전층 (106) 은, 절연 기판 (101) 의 표면에 서로 대향하며 형성된 1 쌍의 표면 전극 (106a) 과, 절연 기판 (101) 의 이면에 서로 대향하며 형성된 1 쌍의 이면 전극 (106b) 과, 각 표면 전극 (106a) 및 이면 전극 (106b) 을 각각 접속시키는 단자 전극 (106c) 을 구비한다. 이면 전극 (106b) 은, 일방이 배터리 셀에 접속되고, 타방이 충방전 회로에 접속되어 있다.
발열 저항체 (102) 는, 절연 기판 (101) 에 형성된 도시되지 않은 도전 패턴을 개재하여 전류 제어 소자와 접속됨과 함께, 저융점 금속체 (104) 를 개재하여 충방전 전류 경로와 접속되어 있다. 또, 발열 저항체 (102) 는, 절연 기판 (101) 의 표면에 유리층으로 이루어지는 제 1 절연층 (107) 을 개재하여 형성됨과 함께, 상방에 유리층으로 이루어지는 제 2 절연층 (108) 이 형성되어 있다. 또 저융점 금속체 (104) 는, 도체 (109) 를 개재하여 제 2 절연층 (108) 상에 형성됨과 함께, 발열 저항체 (102) 와도 접속되어 있다.
그리고, 보호 소자 (100) 는, 배터리 셀의 과충전이나 과방전 등의 이상시에 발열 저항체 (102) 에 과전류가 흐르면, 전류 제어 소자에 의해 배터리 셀로부터 발열 저항체 (102) 에 전류가 흐르도록 제어되고, 발열 저항체 (102) 로부터 발생된 열에 의해 저융점 금속체 (104) 를 용융시켜 충방전 전류 경로를 차단한다.
: 일본 공개특허공보 2009-259724호
이러한 보호 소자 (100) 에 있어서는, 발열 저항체 (102) 로부터 발생된 열로 저융점 금속체 (104) 를 용융시킴으로써 배터리 셀로부터 흐르는 충방전 전류 경로를 차단하기 때문에, 이상시에 충방전 전류 경로를 신속하게 차단하기 위해서는, 발열 저항체 (102) 의 열을 효율적으로 저융점 금속체 (104) 에 전달시키는 것이 필요하게 된다.
그러나, 종래의 보호 소자 (100) 에서는, 저융점 금속체 (104) 의 주위에 형성되어 있는 제 1, 제 2 절연층 (107, 108) 이 유리에 의해 형성되어 있기 때문에, 열전도율이 낮아 효율적으로 발열 저항체 (102) 의 열을 저융점 금속체 (104) 에 전달시킬 수 없었다.
또, 종래의 보호 소자 (100) 는, 발열 저항체 (102) 로부터 발생된 열이, 저융점 금속체 (104) 및 표면 전극 (106a) 을 통해 절연 기판 (101) 에 전달되고, 또한, 제 1 절연층 (107) 을 통해서도 절연 기판 (101) 에 전달된다. 종래의 보호 소자 (100) 는, 절연 기판 (101) 이 알루미나 등의 열전도율이 높은 재료가 사용되고 있기 때문에, 발열 저항체 (102) 로부터 발생된 열이, 제 1 절연층 (107) 을 통해 절연 기판 (101) 에 전달되는 전열 경로와, 도전층 (106) 을 통해 절연 기판 (101) 에 전달되는 전열 경로가 형성되어 버려, 효율적으로 저융점 금속체 (104) 의 온도를 상승시킬 수 없었다.
그래서, 본 발명은, 발열 저항체로부터 발생된 열이 보호 소자의 전열 경로를 통해서 빠져나가지 않고 효율적으로 저융점 금속체에 전달시켜 배터리 셀의 과충전이나 과방전 등의 이상시에 신속하게 배터리 셀의 충방전 전류 경로를 차단할 수 있는 보호 소자, 배터리 제어 장치 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관련된 보호 소자는, 전기 회로의 전류 경로 상에 접속되는 보호 소자에 있어서, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 일면에 제 1 절연층을 개재하여 형성된 발열 저항체와, 상기 발열 저항체의 상방에 제 2 절연층을 개재하여 배치 형성되며, 전류 경로의 일부를 구성하는 저융점 금속체와, 상기 저융점 금속체의 양단과 접속되며, 상기 전류 경로와 상기 저융점 금속체를 전기적으로 접속시키는 접속부를 가지고, 상기 접속부는, 상기 절연 기판의 상기 일면에 제 3 절연층을 개재하여 형성되어 있는 것이다.
또, 본 발명에 관련된 배터리 제어 장치는, 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리의 충방전 전류 경로 상에 접속되며, 그 배터리의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로와, 상기 배터리 셀의 전압값을 검출하는 검출 회로와, 상기 검출 회로에 의해 검출되는 배터리 셀의 전압값이 소정의 범위 밖이 되었을 때에 상기 충방전 전류 경로를 차단하는 보호 소자와, 상기 보호 소자를 구동시키는 전류 제어 소자를 구비하고, 상기 보호 소자는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 일면에 제 1 절연층을 개재하여 형성된 발열 저항체와, 상기 발열 저항체의 상방에 제 2 절연층을 개재하여 배치 형성되며, 상기 충방전 전류 경로의 일부를 구성하는 저융점 금속체와, 상기 저융점 금속체의 양단과 접속되며, 상기 충방전 전류 경로와 상기 저융점 금속체를 전기적으로 접속시키는 접속부를 가지고, 상기 접속부는, 상기 절연 기판의 상기 일면에 제 3 절연층을 개재하여 형성되어 있는 것이다.
또, 본 발명에 관련된 배터리 팩은, 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와, 상기 배터리의 충방전 전류 경로 상에 접속되며, 그 배터리의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로와, 상기 배터리 셀의 전압값을 검출하는 검출 회로와, 상기 검출 회로에 의해 검출되는 배터리 셀의 전압값이 소정의 범위 밖이 되었을 때에 상기 충방전 전류 경로를 차단하는 보호 소자와, 상기 보호 소자를 구동시키는 전류 제어 소자를 구비하고, 상기 보호 소자는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 일면에 제 1 절연층을 개재하여 형성된 발열 저항체와, 상기 발열 저항체의 상방에 제 2 절연층을 개재하여 배치 형성되며, 상기 충방전 전류 경로의 일부를 구성하는 저융점 금속체와, 상기 저융점 금속체의 양단과 접속되며, 상기 충방전 전류 경로와 상기 저융점 금속체를 전기적으로 접속시키는 접속부를 가지고, 상기 접속부는, 상기 절연 기판의 상기 일면에 제 3 절연층을 개재하여 형성되어 있는 것이다.
본 발명에 따르면, 기판과 접속부 사이에 제 3 절연층을 형성하고 있기 때문에, 발열 저항체의 열이 저융점 금속체를 거쳐 접속부로부터 절연 기판측으로 방열되는 것을 억제할 수 있어, 효율적으로 저융점 금속체에 축열시켜 재빠르게 용단 시킬 수 있다.
도 1 은, 본 발명이 적용된 배터리 팩의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 발명이 적용된 배터리 팩의 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 은, 본 발명이 적용된 보호 소자의 단면도이다.
도 4A 및 도 4B 는, 본 발명이 적용된 보호 소자의 층 구성을 설명하는 평면도이다.
도 5 는, 본 발명이 적용된 보호 소자의 온도 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6 은, 본 발명이 적용된 다른 보호 소자의 단면도이다.
도 7 은, 본 발명이 적용된 다른 보호 소자의 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 8 은, 본 발명이 적용된 다른 보호 소자의 층 구성을 설명하는 평면도이다.
도 9 는, 종래의 보호 소자의 단면도이다.
이하, 본 발명이 적용된 보호 소자, 배터리 제어 장치 및 배터리 팩에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경이 가능한 것은 물론이다.
본 발명이 적용된 보호 소자는, 예를 들어, 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와 충방전 제어 회로를 보호하는 소자로서, 도 1 에 나타내는 바와 같이 복수의, 여기서는 합계 4 개의 충방전 가능한 배터리 셀 (11 ∼ 14) 로 이루어지는 배터리 (10) 를 갖는 배터리 팩 (1) 에 장착되어 사용된다.
배터리 팩 (1) 은, 배터리 (10) 와, 배터리 (10) 의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로 (20) 와, 배터리 (10) 와 충방전 제어 회로 (20) 를 보호하는 보호 소자 (30) 와, 각 배터리 셀 (11 ∼ 14) 의 전압을 검출하는 검출 회로 (40) 와, 검출 회로 (40) 의 검출 결과에 따라 보호 소자 (30) 의 동작을 제어하는 전류 제어 소자 (50) 를 구비한다.
배터리 (10) 는, 상기 서술한 바와 같이 예를 들어 리튬 이온 2 차 전지와 같은 과충전 및 과방전 상태가 되지 않는 제어를 필요로 하는 배터리 셀 (11 ∼ 14) 이 직렬 접속된 것으로, 배터리 팩 (1) 의 정극 단자 (1a), 부극 단자 (1b) 를 개재하여 착탈 가능하게 충전 장치 (2) 에 접속되어, 충전 장치 (2) 로부터의 충전 전압이 인가된다.
충방전 제어 회로 (20) 는, 배터리 (10) 로부터 충전 장치 (2) 에 흐르는 충방전 전류 경로에 직렬 접속된 2 개의 전류 제어 소자 (21, 22) 와 이들 전류 제어 소자 (21, 22) 의 동작을 제어하는 제어부 (23) 를 구비한다. 전류 제어 소자 (21, 22) 는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터 (이하, FET 라고 한다.) 에 의해 구성되고, 제어부 (23) 에 의해 제어되는 게이트 전압에 의해 배터리 (10) 의 충방전 전류 경로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부 (23) 는, 충전 장치 (2) 로부터 전력 공급을 받아 동작하고, 검출 회로 (40) 에 의한 검출 결과에 따라, 배터리 (10) 가 과방전 또는 과충전일 때, 충방전 전류 경로를 차단하도록 전류 제어 소자 (21, 22) 의 동작을 제어한다.
보호 소자 (30) 는, 배터리 (10) 와 충방전 제어 회로 (20) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되어 그 동작이 전류 제어 소자 (50) 에 의해 제어된다.
검출 회로 (40) 는, 각 배터리 셀 (11 ∼ 14) 과 접속되어 각 배터리 셀 (11 ∼ 14) 의 전압값을 검출하고, 각 전압값을 충방전 제어 회로 (20) 의 제어부 (23) 에 공급한다. 또, 검출 회로 (40) 는, 어느 하나의 배터리 셀 (11 ∼ 14) 이 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에 전류 제어 소자 (50) 를 제어하는 제어 신호를 출력한다.
전류 제어 소자 (50) 는, 배터리 셀 (11 ∼ 14) 의 전압값이 소정의 범위 밖이 되었을 때, 구체적으로는 과방전 또는 과충전 상태가 되었을 때, 검출 회로 (40) 로부터 출력되는 제어 신호에 따라, 보호 소자 (30) 를 동작시켜 배터리 (10) 의 충방전 전류 경로를 차단하도록 제어한다.
이어서, 보호 소자 (30) 의 구성에 대해 구체적으로 설명한다. 본 발명이 적용된 보호 소자 (30) 는, 폭넓은 배터리 (10) 의 전압 변동에 대응되어 저항체의 열에 의해 확실히 휴즈를 용융시켜 배터리 (10) 의 충방전 전류 경로를 차단하는 것으로, 도 2 에 나타내는 바와 같은 회로 구성을 갖는다.
즉, 보호 소자 (30) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이 가열에 의해 용단되는 저융점 금속체로 이루어지는 휴즈 (31a, 31b) 와, 통전되면 휴즈 (31a, 31b) 를 용융시키는 열을 발하는 저항체 (32) 를 구비한다.
휴즈 (31a, 31b) 는, 예를 들어, 물리적으로 1 개의 저융점 금속체를 회로 구성 상에서 분리하고, 접속점 (P1) 을 개재하여 직렬 접속되도록 한 소자로서, 배터리 (10) 와 충방전 제어 회로 (20) 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속된다. 예를 들어, 휴즈 (31a) 는, 휴즈 (31b) 와 접속되어 있지 않은 접속점 (A3) 을 개재하여 충방전 제어 회로 (20) 와 접속되고, 휴즈 (31b) 는, 휴즈 (31a) 와 접속되어 있지 않은 접속점 (A1) 을 개재하여 배터리 (10) 와 접속된다.
저항체 (32) 는, 일단에 휴즈 (31a, 31b) 와의 접속점 (P1) 이 형성되고, 타단이 전류 제어 소자 (50) 와 접속되는 단자부 (33) 와 접속되어 있다. 그리고, 저항체 (32) 는, 전류 제어 소자 (50) 에 의해 통전되면, 휴즈 (31a, 31b) 를 구성하는 저융점 금속체를 융해시키는 열을 발한다.
이상과 같은 회로 구성으로 이루어지는 보호 소자 (30) 는, 예를 들어 도 3, 도 4A 및 도 4B 에 나타내는 바와 같은 구조체에 의해 실현된다. 도 3 은, 삼차원 직교 좌표 XYZ 축을 기준으로 하여 배치된 보호 소자 (30) 의 XZ 평면에서 본 단면도이다. 또, 도 4A 및 도 4B 는, XY 평면에서 본 보호 소자 (30) 의 적층 구조에 대해 설명하기 위한 도면이다.
보호 소자 (30) 는, 세라믹스 등의 절연성 직사각형 형상의 기판 (60) 의 일면 (60a) 상에, 절연층을 개재하여 형성된 발열 저항체 (64) 와, 발열 저항체 (64) 의 상방에 절연층을 개재하여 배치 형성되며, 충방전 전류 경로의 일부를 구성하는 저융점 금속체 (67) 와, 저융점 금속체 (67) 의 양단과 접속되며, 충방전 전류 경로와 저융점 금속체 (67) 를 접속시키는 접속부 (611 ∼ 613) 를 갖는다. 그리고, 보호 소자 (30) 는, 접속부 (611, 612) 가 기판 (60) 에 저열전도성 유리층 (70, 71) 을 개재하여 형성되어 있다.
절연 기판 (60) 은, 예를 들어 기계적 강도가 높은 알루미나 등의 세라믹스가 사용된다. 알루미나는, 기판 (60) 의 기계적 강도가 높고, 가공이나 취급의 용이함이 우수한 반면, 열전도율이 약 25 W/mㆍK 로 높다. 또, 기판 (60) 은, 알루미나와 유리계 재료를 혼합한 유리 세라믹스 등의 열전도율이 비교적 낮은 재료를 사용할 수도 있지만, 유리 등을 함유시킨 분만큼 취약해지기 때문에, 가공성이나 내구성 등을 저해시키는 것 외에, 유리계 재료가 균일하게 혼합되지 않는 경우에는 강도나 열전도율에 편차도 발생하고, 또한 제조 비용도 상승된다. 보호 소자 (30) 에서는, 후술하는 바와 같이 기판 (60) 의 양면에 유리층 (70, 71) 을 형성한 적층 구조에 의해, 효율적으로 발열 저항체 (64) 의 열을 저융점 금속체 (67) 에 전달시키고 있기 때문에, 기판 (60) 에 알루미나를 사용할 수도 있다.
이와 같이 기계적 강도, 열전도율을 고려하면, 기판 (60) 에 사용할 수 있는 재료로는, 예를 들어, 알루미나 (Al2O3, 열전도율 25 W/mㆍK), 알루미나 70 ％ 에 뮬라이트 (3Al2O3ㆍ2SiO2) 30 ％ 를 혼합시킨 것 (열전도율 7 W/mㆍK), 알루미나 50 ％ 에 뮬라이트 50 ％ 를 혼합시킨 것 (열전도율 4 W/mㆍK), 지르코니아 (ZrO2, 열전도율 3 W/mㆍK) 등을 들 수 있다.
이 중, 열전도율이 5 W/mㆍK 이하인 알루미나 50 ％ 에 뮬라이트 50 ％ 를 혼합시킨 것이나 지르코니아를 기판 (60) 의 재료로서 사용한 경우, 유리층 (70, 71) 에 의한 방열의 억제에 추가하여 기판 (60) 에 의한 방열이 억제되어, 발열 저항체 (64) 의 열을 더 효율적으로 저융점 금속체 (67) 에 전달시킬 수 있다.
또, 도 3 에 있어서, XY 평면 상에 위치하는 기판 (60) 에는, 측면부에 보호 소자 (30) 와 충전 장치 (2), 배터리 (10) 및 전류 제어 소자 (50) 를 접속시키는 접속부 (611 ∼ 613) 가 형성되어 있다. 접속부 (611 ∼ 613) 는, 각각 기판 (60) 의 일면 (60a) 에 형성된 도체 (61b) 와, 기판 (60) 의 타면 (60b) 에 형성된 도체 (61c) 와, 이들 기판 (60) 내를 Z 방향으로 관통하도록 하여 형성되고 도체 (61b) 및 도체 (61c) 를 접속시키는 스루홀 (61a) 을 갖는다.
이들 3 개의 접속부 (611 ∼ 613) 중, 대향되는 2 개의 접속부 (611, 612) 는, 각 도체 (61c) 가 배터리 (10) 와 충방전 제어 회로 (20) 와 각각 접속되는 접점이 된다. 또한, 다른 접속부 (613) 는 도체 (61c) 가 전류 제어 소자 (50) 와 접속되는 단자부 (33) 로서 기능한다.
접속부 (611 ∼ 613) 는, 도체 (61b), 도체 (61c) 및 스루홀 (61a) 이 기판 (60) 의 소정 지점에 도전 페이스트를 인쇄함으로써 형성된다. 접속부 (611 ∼ 613) 를 구성하는 도전 재료로는, 예를 들어 은, 구리, 텅스텐 (W) 을 사용할 수 있다.
접속부 (611, 612) 는, 각각 도체 (61b) 가 절연층이 되는 제 1 유리층 (70) 을 개재하여 기판 (60) 의 일면 (60a) 상에 형성되어 있다. 또, 접속부 (611, 612) 는, 각각 도체 (61c) 가 절연층이 되는 제 2 유리층 (71) 을 개재하여 기판 (60) 의 타면 (60b) 상에 형성되어 있다.
또, 기판 (60) 의 일면 (60a) 의 중앙부에는, 판상의 제 1 절연층 (62) 이 형성되어 있다. 이 제 1 절연층 (62) 의 표면 (62a) 에는, 도체 패턴 (63a) 과, 도체 패턴 (63a) 과 접속된 발열 저항체 (64) 와, 발열 저항체 (64) 와 접속된 도체 패턴 (63b) 이 실장되어 있다. 여기서, 도체 패턴 (63b) 은 단자부 (33) 로서 기능하는 접속부 (613) 의 도체 (61b) 와 접속되고, 도체 패턴 (63a) 은 도체 (66) 를 개재하여 저융점 금속체 (67) 와 접속된다. 이와 같은 접속 관계에 의해, 보호 소자 (30) 는, 단자부 (33) 로서 기능하는 접속부 (613) 가, 도체 패턴 (63b), 발열 저항체 (64), 도체 패턴 (63a) 을 개재하여 도체 (66) 를 거쳐 저융점 금속체 (67) 와 접속되어 있다.
발열 저항체 (64) 는, 예를 들어, 루테늄 (Ru), 탄화규소 (SiC, 비저항：10Ωㆍcm), 규화 몰리브덴 (MoSi2, 비저항：2.E＋0.5Ωㆍcm), 란탄ㆍ크롬 산화물 (LaCrO3), 카본 (C, 비저항：1.00 E-3Ωㆍcm) 을 사용할 수 있다.
도체 패턴 (63a, 63b) 및 발열 저항체 (64) 는 제 2 절연층 (65) 에 의해 피복되어 있다. 또한, 이 제 2 절연층 (65) 의 피복면에는 도체 (66) 를 개재하여 저융점 금속체 (67) 가 실장된다. 또, 도체 (66) 와 저융점 금속체 (67) 는 땜납 (도시 생략) 에 의해 접속된다.
또한, 도체 패턴 (63a) 의 일방 단부 (P11) 는, 도체 (66) 의 P12 를 개재하여 저융점 금속체 (67) 와 접속된다. 구체적으로 이와 같은 접속을 실시하기 위해서는, 보호 소자 (30) 를 -Z 방향에서 본 도 4A 에 나타내는 바와 같이 제 1 절연층 (62) 상에, 도체 패턴 (63a, 63b) 과 발열 저항체 (64) 가 실장된 실장면의 도체 패턴 (63a) 의 단부에 접점 (P11) 을 형성한다. 그리고, 도 4B 에 나타내는 바와 같이 이 접점 (P11) 과 도체 (66) 의 접점 (P12) 이 접속되도록, 도체 (66) 를 제 2 절연층 (65) 을 개재하여 피복하고, 추가로 도체 (66) 상에 저융점 금속체 (67) 를 실장한다. 즉, 단부 (P11) 를 발열 저항체 (64) 의 외주부보다 외측에 배치하고, 단부 (P12) 를 제 2 절연층 (65) 의 외주부의 외측에 배치하여, 각 부재를 적층시켰을 때에 단부 (P11, P12) 가 일치하도록 한다.
저융점 금속체 (67) 는, 땜납을 통해 배터리 (10) 및 충방전 제어 회로 (20) 와 접속되는 접점으로서 기능하는 접속부 (611, 612) 의 각 도체 (61b) 와 접속된다. 또, 저융점 금속체 (67) 의 상면에는 플럭스 (68) 가 형성된다. 또, 저융점 금속체 (67) 는 상부가 캡 (69) 에 의해 덮인다.
이와 같은 보호 소자 (30) 는, 검출 회로 (40) 가 전압을 검출함으로써 배터리 셀 (11 ∼ 14) 의 과충전이나 과방전 등의 이상을 검출하면, 전류 제어 소자 (50) 에 제어 신호를 출력한다. 전류 제어 소자 (50) 는, 제어 신호를 받으면 발열 저항체 (64) 를 통전, 발열시킨다. 보호 소자 (30) 는, 발열 저항체 (64) 의 열이 제 2 절연층 (65), 도체 (66) 를 개재하여 저융점 금속체 (67) 에 전달하여 저융점 금속체 (67) 가 융해된다. 이로써, 보호 소자 (30) 는, 접속부 (611, 612) 의 각 도체 (61b) 간이 절단되어 배터리 (10) 의 충방전 전류 경로를 차단한다.
여기서, 보호 소자 (30) 는, 발열 저항체 (64) 의 열이 전달되는 경로로서 도 3 에 나타내는 바와 같이 제 1 절연층 (62) 을 통해 기판 (60) 측으로 방열되는 제 1 전열 경로 (A) 와, 제 2 절연층 (65), 도체 (66), 저융점 금속체 (67) 및 도체 (61b) 를 통해 기판 (60) 측으로 방열되는 제 2 전열 경로 (B) 를 갖는다. 또, 보호 소자 (30) 는, 전류 제어 소자 (50) 의 동작에 즉시 응하여 충방전 전류 경로를 차단하는 것이 필요하기 때문에, 발열 저항체 (64) 의 열을 효율적으로 저융점 금속체 (67) 에 전달시키는 것이 바람직하다.
그리고, 보호 소자 (30) 는, 제 2 전열 경로 (B) 상에 위치하는 도체 (61b) 와 기판 (60) 의 일면 (60a) 사이에 제 3 절연층이 되는 제 1 유리층 (70) 을 개재시키고, 또한, 제 2 전열 경로 (B) 상에 위치하는 도체 (61c) 와 기판 (60) 의 타면 (60b) 사이에 제 4 절연층이 되는 제 2 유리층 (71) 을 개재시키고 있다. 이로써, 보호 소자 (30) 는, 발열 저항체 (64) 가 발한 열이 저융점 금속체 (67) 및 도체 (61b) 를 통해 열전도율이 높은 기판 (60) 측으로 방열하는 것을 억제하고, 또, 열전도율이 높은 기판 (60) 으로부터 도체 (61c) 측으로 방열하는 것을 억제하고 있다. 또, 제 3 절연층, 제 4 절연층이 되는 제 1, 제 2 유리층 (70, 71) 으로는, 각종 유리류를 바람직하게 사용할 수 있다.
따라서, 보호 소자 (30) 는, 제 2 전열 경로 (B) 에 있어서의 방열을 억제함으로써 발열 저항체 (64) 의 온도를 효율적으로 상승시켜 전류 제어 소자 (50) 에 의해 통전되면, 바로 저융점 금속체 (67) 를 융해시켜 충방전 전류 경로를 차단할 수 있다. 또, 보호 소자 (30) 는, 발열 저항체 (64) 의 열을 효율적으로 저융점 금속체 (67) 에 전달할 수 있기 때문에, 발열 저항체 (64) 를 작게 해도 충분히 저융점 금속체 (67) 를 융해시킬 수 있어 보호 소자 (30) 전체의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 보호 소자 (30) 는, 발열 저항체 (64) 의 열을 효율적으로 저융점 금속체 (67) 에 전달할 수 있기 때문에, 발열 저항체 (64) 에 통전시키는 전류량을 억제하여 전력 절약화를 도모할 수도 있다.
또한, 보호 소자 (30) 는, 제 1 유리층 (70) 및 제 2 유리층 (71) 이 도체 (61b) 및 도체 (61c) 와 중첩되는 위치에만 형성되고, 기판 (60) 의 타면 (60b) 의 제 2 유리층 (71) 에 끼워진 제 1 전열 경로 (A) 상에는 공기층이 형성되어 있다. 공기층은, 매우 열전도율이 낮기 때문에 (0.0241 W/mㆍK), 이로써, 제 2 유리층 (71) 에 끼워진 제 1 전열 경로 (A) 에 의한 방열을 억제할 수 있고, 그 만큼 제 2 전열 경로 (B) 에 열을 전달할 수 있다.
또, 보호 소자 (30) 는, 제 1, 제 2 절연층 (62, 65) 으로서 유리를 사용함과 함께, 제 2 전열 경로 (B) 상에 위치하는 제 2 절연층 (65) 의 열전도율이, 제 1 전열 경로 (A) 상에 위치하는 제 1 절연층 (62) 의 열전도율 이상인 것이 바람직하다. 이러한 구성을 구비함으로써, 보호 소자 (30) 는, 발열 저항체 (64) 에서 발생된 열이 제 1 전열 경로 (A) 측으로 많이 방열되어 버리는 것 자체를 방지할 수 있다.
또, 보호 소자 (30) 는, 제 2 전열 경로 (B) 상에 위치하는 제 2 절연층 (65) 으로서 제 1 전열 경로 (A) 상에 위치하는 제 1 절연층 (62) 보다 상대적으로 열전도율이 높은 유리를 사용하는 것이 더 바람직하다. 이러한 구성을 구비함으로써, 보호 소자 (30) 는, 발열 저항체 (64) 에서 발생된 열이 저융점 금속체 (67) 와 반대측인 기판 (60) 측으로 방열하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 보호 소자 (30) 는, 그 만큼 발열 저항체 (64) 에서 발생된 열을 제 2 전열 경로 (B) 측에 전달시켜 효율적으로 저융점 금속체 (67) 의 온도를 상승시킬 수 있다.
이와 같이 제 1 절연층 (62) 을 구성하는 열전도율이 상대적으로 낮은 유리로는, 예를 들어 SiO2ㆍB2O3ㆍRO (열전도율 0.83 W/mㆍK) 나 SiO2ㆍB2O3ㆍPbO (열전도율 1.42 W/mㆍK) 를 사용할 수 있다. 또, 제 2 절연층 (65) 을 구성하는 열전도율이 상대적으로 높은 유리로는, 예를 들어 SiO2ㆍB2O3ㆍRO (열전도율 2.1 W/mㆍK) 를 사용할 수 있다.
또한, 제 1 절연층 (62) 을 구성하는 유리는, 제 2 절연층 (65) 을 구성하는 유리에 대해 상대적으로 열전도율이 낮으면 되므로, 예를 들어 제 1 절연층 (62) 을 구성하는 유리로서 SiO2ㆍB2O3ㆍRO (열전도율 0.83 W/mㆍK) 를 사용한 경우에는, 제 2 절연층 (65) 을 구성하는 유리로서 SiO2ㆍB2O3ㆍPbO (열전도율 1.42 W/mㆍK) 를 사용해도 된다.
이와 같은 보호 소자 (30) 는 이하와 같이 제조된다. 먼저, 알루미나나 알루미나 50 ％ 에 뮬라이트 50 ％ 를 혼합시킨 것, 또는 지르코니아 등의 세라믹스 재료에 의해 기판 (60) 을 형성한다. 이어서, 도체 (61b) 및 도체 (61c) 를 접속시키는 스루홀 (61a) 을 구성하는 관통공을 형성하고, 제 3 절연층이 되는 제 1 유리층 (70) 및 제 1 절연층 (62) 을 구성하는 유리 페이스트를 스크린 인쇄 등으로 인쇄하고 소성시킴으로써 제 1 절연층 (62) 및 제 1 유리층 (70) 을 동일 평면에 형성한다. 즉, 보호 소자 (30) 는, 제 1 절연층 (62) 을 구성하는 유리와 제 1 유리층 (70) 을 구성하는 유리는 동일한 재료가 된다.
마찬가지로 하여 제 4 절연층이 되는 제 2 유리층 (71) 을 형성한다. 이어서, 도전 페이스트를 인쇄, 소성시킴으로써 제 1 유리층 (70) 상에 도체 (61b) 를 형성함과 함께, 스루홀 (61a) 을 형성하고, 또한, 발열 저항체 (64), 도체 패턴 (63a) 및 도체 패턴 (63b) 을 형성한다. 또, 도전 페이스트를 인쇄, 소성시킴으로써, 제 2 유리층 (71) 상에 도체 (61c) 를 형성한다.
이어서, 유리 페이스트를 인쇄, 소성시킴으로써 제 2 절연층 (65) 을 형성하고, 도체 (66), 저융점 금속체 (67), 플럭스 (68) 를 실장한 후, 캡 (69) 으로 덮는다. 이상으로 보호 소자 (30) 가 제조된다.
실시예
이어서, 보호 소자 (30) 의 실시예에 대해 설명한다. 이 실시예에서는, 보호 소자 (30) 에 있어서, 제 1 유리층 (70) 및 제 2 유리층 (71) 을 구비하고, 각 유리층 (70, 71) 의 두께가 10 ㎛ 인 것 (실시예 1) 과, 각 유리층 (70, 71) 의 두께가 20 ㎛ 인 것 (실시예 2) 과, 각 유리층 (70, 71) 의 두께가 40 ㎛ 인 것 (실시예 3) 을 준비하였다. 또, 보호 소자 (30) 에 있어서, 제 1 유리층 (70) 만을 구비하고, 유리층 (70) 의 두께가 10 ㎛ 인 것 (실시예 4) 과, 유리층 (70) 의 두께가 20 ㎛ 인 것 (실시예 5) 과, 유리층 (70) 의 두께가 40 ㎛ 인 것 (실시예 6) 을 준비하였다. 그리고, 비교예로서 도 9 에 나타내는 절연 기판 (101) 상에 유리층을 형성하지 않고 도전층 (106) 을 형성한 보호 소자 (100) 를 준비하였다.
이들 실시예 1 ∼ 6 및 비교예 1 에 대해 소정 온도에 도달할 때까지의 시간을 계측하였다. 온도의 계측점은, 발열 저항체 (64) 의 하부에서 저융점 금속체 (67) 의 거의 중앙 부분으로 하였다.
도 5 에 나타내는 바와 같이 계측점이 예를 들어 800 ℃ 까지 상승되는 시간을 계측하면, 실시예 1 ∼ 6 에서는 약 20 초 이내인 반면에, 비교예에서는 약 30 초 걸렸다.
또, 실시예 중에서는, 실시예 3 이 가장 빨리 온도가 상승되고, 이어서 실시예 6, 실시예 2, 실시예 5, 실시예 1, 실시예 4 의 순서로 온도가 상승되었다. 이것으로부터, 기판 (60) 의 일면 (60a) 에만 유리층을 형성한 경우에도, 그 두께를 두껍게 함으로써, 발열 저항체 (64) 에 의한 열이 기판 (60) 측으로 방열되는 것을 억제하여, 효과적으로 저융점 금속체 (67) 에 열을 전할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 보호 소자 (30) 는, 발열 저항체 (64) 와 전류 제어 소자 (50) 를 접속시키는 접속부 (613) 의 도체 (61b) 와, 기판 (60) 의 일면 (60a) 사이에도 제 1 유리층 (70) 을 형성해도 된다. 이 경우, 제 1 유리층 (70) 은, 발열 저항체 (64) 의 열이 도체 패턴 (63b) 을 통해 접속부 (613) 의 도체 (61b) 및 기판 (60) 으로 방열되는 것을 억제할 수 있다.
또, 보호 소자 (30) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이 제 2 유리층 (71) 을 형성하지 않고, 기판 (60) 의 타면 (60b) 에 접속부 (611, 612) 의 도체 (61c) 를 형성해도 된다. 이 경우에도, 보호 소자 (30) 는, 제 2 전열 경로 (B) 상에 위치하는 도체 (61b) 와 기판 (60) 의 일면 (60a) 사이에 제 1 유리층 (70) 을 개재시킴으로써, 발열 저항체 (64) 가 발한 열이 저융점 금속체 (67) 및 도체 (61b) 를 개재하여 열전도율이 높은 기판 (60) 측으로 방열하는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 보호 소자 (30) 는, 제 2 전열 경로 (B) 에서의 방열을 억제함으로써, 발열 저항체 (64) 의 온도를 효율적으로 상승시키고, 전류 제어 소자 (50) 에 의해 통전되면, 바로 저융점 금속체 (67) 를 융해시켜 충방전 전류 경로를 차단할 수 있다.
또, 보호 소자 (30) 는, 제 1 절연층 (62) 의 유리 재료와 제 1 유리층 (70) 의 유리 재료를 바꾸어, 제 1 유리층 (70) 의 열전도율이 제 1 절연층 (62) 의 열전도율보다 작아지도록 해도 된다. 이러한 구성을 구비함으로써, 제 1 전열 경로 (A) 상의 제 1 절연층 (62) 으로부터 제 2 전열 경로 (B) 상의 제 1 유리층 (70) 측으로의 방열을 억제할 수 있다. 이 경우, 제 1 절연층 (62) 과 제 1 유리층 (70) 은, 별도 공정에서 재질이 상이한 유리가 인쇄, 소성됨으로써 형성된다.
또, 보호 소자 (30) 는, 도 7 에 나타내는 바와 같이 저항체 (32) 를 회로 구성상 복수 구비하고 (예를 들어 도 7 에서는 2 개), 각 저항체 (32a, 32b) 의 접점 (P2) 으로부터 단자부 (33a) 를 연장 형성함과 함께, 저항체 (32b) 의 단부로부터 단자부 (33b) 를 연장 형성하고, 배터리 셀의 수에 따라 전류 제어 소자 (50) 와 접속되는 단자부를 선택함으로써, 저항체 (32) 의 발열량을 전환해도 된다. 이 경우, 보호 소자 (30) 는, 예를 들어 도 8 에 나타내는 바와 같이 제 1 절연층 (62) 상에 도체 패턴을 복수 형성하고 발열 저항체 (64) 를 복수로 분할하고 (도 8 에서는 부호 64a 와 64b 의 2 개), 도체 (66) 와 접속되어 있지 않은 나머지 도체 패턴 (63b, 63c) 의 단부를 기판 (60) 의 측면에 형성된 접속부 (613, 614) 와 접속시킨다. 그리고, 배터리 셀의 수에 따라 전류 제어 소자 (50) 와 접속되는 접속부를 선택함으로써, 보호 소자 (30) 통전시에 도통하는 발열 저항체의 저항값을 증감시켜 발열량을 조정할 수 있다.
즉, 보호 소자 (30) 는, 배터리 (10) 의 전압값의 변동 대역에 따라, 발열시키는 저항체의 수를 조정함으로써 다단계로 발열 저항체 전체의 저항값을 조정할 수 있고, 발열 저항체 (64) 에 대해 배터리 수에 따라 변동하는 전압값이 과대해져 발열 저항체 (64) 가 손상되는 사태를 방지할 수 있다. 이로써, 보호 소자 (30) 는, 예를 들어 2 셀의 배터리 팩에 사용하는 경우에는 1 개의 발열 저항체 (64) 에 통전되고, 4 셀의 배터리 팩에 사용하는 경우에는 2 개의 발열 저항체 (64) 에 통전될 수 있는 등, 하나의 소자로 복수의 배터리 팩에 대응할 수 있다.
그리고, 보호 소자 (30) 는, 도 8 에 나타내는 구성에서도, 각 접속부 (611, 612) 외에, 접속부 (613, 614) 의 도체 (61b) 와 기판 (60) 의 일면 (60a) 사이에도 제 1 유리층 (70) 을 형성하고, 또, 접속부 (613, 614) 의 도체 (61c) 와 기판 (60) 의 타면 (60b) 사이에도 제 2 유리층 (71) 을 형성함으로써, 도체 패턴 (63b, 63c) 을 통한 방열도 억제하여, 발열 저항체 (64) 의 열을 효율적으로 저융점 금속체에 축열시킬 수 있다. 또, 보호 소자 (30) 는, 적은 발열량으로도 저융점 금속체 (67) 를 용단시킬 수 있어, 발열 저항체 (64) 의 소형화, 전력 절약화를 도모할 수 있다.
이상, 배터리 팩 내에 배치 형성된 배터리 셀의 충방전 전류 경로 상에 형성된 보호 소자 (30) 에 대해 설명했는데, 보호 소자 (30) 는, 배터리의 충방전 회로 이외에도, 과전류나 과전압으로부터 보호해야 할 모든 전기 회로에 적용할 수 있다.
1 배터리 팩
2 충전 장치
10 배터리
11 ∼ 14 배터리 셀
20 충방전 제어 회로
21, 22 전류 제어 소자
23 제어부
30 보호 소자
31 휴즈
32 저항체
33 단자부
40 검출 회로
50 전류 제어 소자
60 기판
61a 스루홀
61b, 61c 도체
62 제 1 절연층
63 도체 패턴
64 발열 저항체
65 제 2 절연층
66 도체
67 저융점 금속체
68 플럭스
69 캡
70 제 1 유리층
71 제 2 유리층

Claims (10)

  1. 전기 회로의 전류 경로 상에 접속되는 보호 소자에 있어서,
    절연 기판과,
    상기 절연 기판의 일면에, 제 1 전열 경로에 있는 제 1 절연층을 개재하여 형성된 발열 저항체와,
    상기 발열 저항체의 상방에 제 2 전열 경로에 있는 제 2 절연층을 개재하여 배치 형성되며, 전류 경로의 일부를 구성하는 저융점 금속체와,
    상기 저융점 금속체의 양단과 접속되며, 상기 전류 경로와 상기 저융점 금속체를 전기적으로 접속시키는 접속부를 가지고,
    상기 접속부는, 상기 절연 기판의 상기 일면에, 상기 제 2 전열 경로에 있는 제 3 절연층을 개재하여 형성되어 있는, 보호 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접속부의 하부에만 상기 제 3 절연층이 형성되어 있는, 보호 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 접속부는, 상기 절연 기판의 상기 일면과 대향하는 타면에 상기 제 2 전열 경로에 있는 제 4 절연층을 개재하여 형성되어 있는, 보호 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 접속부와 중첩되는 위치에만 상기 제 3 절연층, 상기 제 4 절연층이 형성되어 있는, 보호 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 절연층의 열전도율이 상기 제 1 절연층의 열전도율 이상인, 보호 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 절연층, 상기 제 2 절연층은 유리층인, 보호 소자.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 3 절연층, 상기 제 4 절연층은 유리층인, 보호 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 절연층의 열전도율은 상기 제 1 절연층의 열전도율보다 작은, 보호 소자.
  9. 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리의 충방전 전류 경로 상에 접속되며, 상기 배터리의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로와,
    상기 배터리 셀의 전압값을 검출하는 검출 회로와,
    상기 검출 회로에 의해 검출되는 배터리 셀의 전압값이 소정의 범위 밖이 되었을 때에 상기 충방전 전류 경로를 차단하는 보호 소자와,
    상기 보호 소자를 구동시키는 전류 제어 소자를 구비하고,
    상기 보호 소자는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 일면에 제 1 전열 경로에 있는 제 1 절연층을 개재하여 형성된 발열 저항체와, 상기 발열 저항체의 상방에 제 2 전열 경로에 있는 제 2 절연층을 개재하여 배치 형성되며, 상기 충방전 전류 경로의 일부를 구성하는 저융점 금속체와, 상기 저융점 금속체의 양단과 접속되며, 상기 충방전 전류 경로와 상기 저융점 금속체를 전기적으로 접속시키는 접속부를 가지고, 상기 접속부는, 상기 절연 기판의 상기 일면에 상기 제 2 전열 경로에 있는 제 3 절연층을 개재하여 형성되어 있는, 배터리 제어 장치.
  10. 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와,
    상기 배터리의 충방전 전류 경로 상에 접속되며, 그 배터리의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로와,
    상기 배터리 셀의 전압값을 검출하는 검출 회로와,
    상기 검출 회로에 의해 검출되는 배터리 셀의 전압값이 소정의 범위 밖이 되었을 때에 상기 충방전 전류 경로를 차단하는 보호 소자와,
    상기 보호 소자를 구동시키는 전류 제어 소자를 구비하고,
    상기 보호 소자는, 절연 기판과, 상기 절연 기판의 일면에 제 1 전열 경로에 있는 제 1 절연층을 개재하여 형성된 발열 저항체와, 상기 발열 저항체의 상방에 제 2 전열 경로에 있는 제 2 절연층을 개재하여 배치 형성되며, 상기 충방전 전류 경로의 일부를 구성하는 저융점 금속체와, 상기 저융점 금속체의 양단과 접속되며, 상기 충방전 전류 경로와 상기 저융점 금속체를 전기적으로 접속시키는 접속부를 가지고, 상기 접속부는, 상기 절연 기판의 상기 일면에 상기 제 2 전열 경로에 있는 제 3 절연층을 개재하여 형성되어 있는, 배터리 팩.
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