KR101386896B1 - Ｐｔｃ를 이용한 배터리 보호장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기기에 구비되는 배터리를 보호하기 위한 배터리 보호장치에 관한 것으로서, 배터리 보호장치에 구비되는 부품의 수를 감소시켜 제조비용의 절감시킬 수 있고, 제품의 품질 및 생산성을 높여 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있는PTC를 이용한 배터리 보호장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 바닥면에 전도성 단자판을 구비한 본체 케이스; 상기 전도성 단자판의 상부면과 전기적으로 접촉되도록 상기 본체 케이스에 설치되는 PTC 소자; 적어도 일부분이 바이메탈(bimetal) 재질로 이루어지며, 일측은 상기 전도성 단자판의 상부면과 접촉 또는 분리되고, 다른 일측은 상기 PTC 소자의 상부면과 접촉 또는 분리되는 스냅판을 구비하는 가동아암을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＰＴＣ를 이용한 배터리 보호장치{Battery protection device using PTC}
본 발명은 휴대폰, 노트북 등의 전자기기에 구비되는 배터리를 보호하기 위한 배터리 보호장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 보호장치에 구비되는 부품의 수를 감소시켜 제조비용을 절감시킬 수 있고, 제품의 품질 및 생산성을 높여 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 PTC를 이용한 배터리 보호장치에 관한 것이다.
일반적으로 휴대폰, 노트북, 가전기기, 산업기기, 충전기 등의 각종 전자기기에는 과전류나 비정상적인 높은 온도로부터 배터리를 보호하기 위한 배터리 보호장치가 구비된다.
이러한 배터리 보호장치의 일 예로, 한국 등록특허 제10-0656504호에는 내부 또는 외부 요인에 의해 과전류가 발생했을 때 배터리를 안전하게 보호할 수 있도록 하는 회로 차단기에 관한 기술이 개시되어 있다.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 회로 차단기는 고정접점(10a)을 구비함과 아울러 제1출력단자의 역할을 수행하는 전도성 베이스플레이트(10)가 부분적으로 인서트 몰딩되고 적어도 하나의 수납공간(4a,4'a)이 형성된 본체케이스(4)와, 이 본체케이스(4) 내부의 한 수납공간(4a)을 가로지르는 베이스플레이트(10)의 상부부분에 배치되는 PTC 소자(11)와, 이 PTC 소자(11)의 일부분을 덮도록 상기 본체케이스(4)의 다른 수납공간(4'a) 안에 배치되어 온도에 따라 일방향으로 변형되는 바이메탈디스크(5)와, 일부분이 상기 바이메탈디스크(5)와 마주하도록 배치되고 선단부측 가동접점(12a)이 그 바이메탈디스크(5)의 변형 또는 복귀에 따라 상기 베이스플레이트(10)의 고정접점(10a)에 대해 접촉 또는 분리되며 후부가 제2출력단자의 역할을 수행하고 상기 PTC 소자(11)를 일정 탄성력으로 가압할 수 있도록 그 PTC 소자의 대응부분에 리브(12b)가 구비된 가동아암(12)과, 이 가동아암(12)의 일부분을 덮도록 상기 본체케이스(4)와 마주하게 배치되어 그 본체케이스(4)의 일부분과 일체로 고정된 커버케이스(7)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
이와 같은 구성을 갖는 회로 차단기(9)는 본체케이스(4)측 베이스플레이트(10)와 가동아암(12) 사이에 정상적인 범위의 전류가 흐르거나 또는 배터리의 온도가 정상적인 범위로 유지되는 경우 그 베이스플레이트(10)와 가동아암(12)은 베이스플레이트의 고정접점(10a)과 가동아암(12)의 가동접점(12a) 간의 접촉을 통해 전기적으로 접속된다. 한편, 상기와 달리 회로 차단기(9)의 베이스플레이트(10)와 가동아암(12) 사이에 과전류가 흘러 그 가동아암의 내부저항으로 인하여 열이 발생되거나 또는 배터리로부터 내부 또는 외부의 원인에 의해 열이 발생되는 경우, 상기 가동아암(12)의 하측 본체케이스(4)의 수납공간(4'a) 안에 배치된 바이메탈디스크(5)가 변형되어 상기 가동아암(12)을 상부로 들어올리게 되며, 그 결과 가동아암의 가동접점(12a)과 베이스플레이트(10)의 고정접점(10a)이 분리되어 배터리와 전자기기간의 전류흐름이 차단된다. 이때, 상기 바이메탈디스크(5)의 하측 본체케이스(4)의 수납공간(4a) 안에 수용된 PTC 소자(11)는 각각 상기 가동아암(12)과 베이스플레이트(10)에 전기적으로 통전 가능하게 연결되기 때문에 그 PTC 소자는 고유저항에 의해 발열을 일으키게 되며, 그 결과 PTC 소자(11)로부터 발생되는 열은 상기 바이메탈디스크(5)에 가해져 상기 가동아암(12)의 복귀를 차단시킬 수 있게 된다.
그러나, 상기와 같은 구성을 갖는 종래의 회로 차단기 구조는 예컨대, 휴대폰 등의 소형 전자기기에 적용될 경우 초소형으로 제품이 구현되기 때문에 제품을 구성하는 부품의 수가 많아질수록 제품 생산성이 떨어지고 제품의 제조비용이 상승하게 되며 제품 품질이 저하되는 문제가 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 소형 전자기기(예를 들어, 휴대폰, 노트북 등)의 배터리 보호장치에 구비되는 가동아암을 바이메탈 소재로 구성하여 가동아암과 바이메탈을 하나의 부품으로 일체화시키는 한편 상기 가동아암의 변형시 반대방향으로 변형되어 PTC 소자와 접속되는 스냅판을 구비하여 과전류 인가시 상기 스냅판에 의해 PTC 소자의 전기 도전 경로가 형성되도록 함으로써 배터리가 과전류에 의해 과열되는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 장치 내에 구비되는 부품 수를 감소시켜 제조비용을 절감시킬 수 있으며, 제품의 품질 및 생산성을 높여 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있는 PTC를 이용한 배터리 보호장치를 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 보호장치는, 바닥면에 전도성 단자판을 구비한 본체 케이스; 상기 전도성 단자판의 상부면과 전기적으로 접촉되도록 상기 본체 케이스에 설치되는 PTC 소자; 적어도 일부분이 바이메탈(bimetal) 재질로 이루어지며, 일측은 상기 전도성 단자판의 상부면과 접촉 또는 분리되고, 다른 일측은 상기 PTC 소자의 상부면과 접촉 또는 분리되는 스냅판을 구비하는 가동아암을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전도성 단자판은 상기 본체 케이스와 일체로 인서트 성형될 수 있다.
그리고, 상기 전도성 단자판의 상부면과 접촉 또는 분리되는 상기 가동아암 부분에는 가동접점이 부착될 수 있다.
이때, 상기 가동아암은 그 전체 부분을 바이메탈 소재로 구성하거나, 또는 상기 스냅판이 위치한 가동아암의 일부분만 바이메탈 소재로 구성할 수 있다.
또한, 상기 PTC 소자는 BaTiO3(티탄산바륨) 소재를 채용하여 구성할 수 있다.
한편, 상기 가동아암은, 상기 전도성 단자판과 평행을 이루며 본체 케이스 내부에 배치되고, 저면부에 상기 가동접점이 부착 고정되는 접접부와; 상기 접점부 반대편의 본체 케이스 외부에 노출되어 외부 단자와 연결되는 단자부와; 상기 접점부와 단자부 사이에 위치된 부분으로서 상기 본체 케이스 내에서 상기 PTC 소자와 마주보는 상부측에 배치되고, 완만한 곡면을 이루며 상부로 볼록하게 형성되어 온도변화시 일방향으로 휘어져 변형될 수 있는 바이메탈 재질로 구성된 변형부와; 상기 변형부 부분에 위치하며 상기 변형부의 변형 여부에 따라 상기 PTC 소자의 상부면과 접촉 또는 분리되는 스냅판;을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 본체 케이스와 조립되는 커버 케이스를 더 포함하되, 상기 커버 케이스의 외곽 모서리 부분에 하방으로 돌출된 결합돌기를 형성하고, 상기 본체 케이스의 외곽 모서리 부분에 상기 결합돌기가 결합되는 결합홈을 형성하여, 상기 결합돌기와 결합홈의 상호 결합을 통해 본체 케이스와 커버 케이스가 조립되도록 구성할 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 기존의 소형 전자기기(휴대폰, 노트북 등)의 배터리 보호장치에 구비되는 가동아암의 전체 또는 일부분을 바이메탈 소재로 구성하여 가동아암과 바이메탈을 하나의 부품으로 일체화시켜 구성함으로써, 배터리 보호장치 내의 설치 부품 수를 감소시켜 제조비용을 절감시킬 수 있고, 제품의 품질 및 생산성을 높여 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 가동아암의 내측 부분에 가동아암의 변형시 반대방향으로 변형되어 PTC 소자와 접속될 수 있는 스냅판을 구성하여 과전류 인가시 상기 스냅판에 의해 PTC 소자의 전기 도전 경로가 형성되도록 함으로써, 배터리에 비정상적으로 과전류가 인가될 경우에도 배터리를 과열로부터 효과적으로 보호하여 안정성을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 배터리 보호장치의 구성을 도시한 분리 사시도.
도 2는 도 1은 도 1의 결합 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 보호장치를 도시한 사시도.
도 4는 도 3의 분리 사시도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 배터리 보호장치의 정상상태 및 과전류 인가상태에서의 작동모습을 비교 도시한 작동 상태도.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 소형 전자기기용 배터리 보호장치를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 분리 사시도이다. 그리고, 도 5는 본 발명에 따른 캐터리 보호장치의 정상상태 및 과전류 인가상태에서의 작동모습을 비교하여 보여주는 작동 상태도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 전자기기용 배터리 보호장치(100)는 크게 본체 케이스(110), 전도성 단자판(120), PTC 소자(130), 바이메탈(bimetal)로 이루어진 가동아암(140), 커버 케이스(160)로 구성된다.
상기 본체 케이스(110)는 직사각형의 외형을 가지며 내부에는 PTC 소자(130) 및 가동아암(140)의 일부분이 수납되는 수납공간(111)을 갖는다. 그리고, 상기 본체 케이스(110)의 바닥면에는 외부의 배터리측 단자와 연결되는 제1출력단자의 역할을 수행하게 되는 전도성 금속으로 이루어진 전도성 단자판(120)이 구비된다. 이때, 상기 전도성 단자판(120)은 본체 케이스(110)의 제조시 인서트 되어 상기 본체 케이스(110)와 일체로 사출성형된다.
상기 전도성 단자판(120)은 계단식으로 절곡된 단차진 형상을 가지며, 단차진 하부(121)는 본체 케이스(110)의 바닥면에 매립되고, 단차진 상부(122)는 본체 케이스(110) 외부에 노출되어 배터리의 일측 단자와 연결된다. 아울러, 상기 전도성 단자판(120)의 단차진 하부(121)는 본체 케이스(110) 내측 바닥면 상부로 노출되도록 형성된다.
한편, PTC(Positive Thermal Coefficient) 소자(130)는 온도가 상승함에 따라 내부 저항이 증가하는 특성을 갖는 써미스터(Thermistor)로서, 티탄산바륨계(BaTiO3)의 세라믹스 소자로 구성된다. 이러한 PTC 소자(130)는 납작한 원판모양의 몸체를 형성하며 상기 몸체의 양면에 전도성 도전재료가 도포된 구조를 갖는다. 상기 PTC 소자(130)는 본체 케이스(110) 내부의 바닥면 중앙에 설치되는 상기 본체 케이스(110) 바닥면상에 부분적으로 매립된 전도성 단자판(120)의 상부면과 접촉되며 전기접촉 상태를 유지하게 된다. 이와 같은 PTC 소자(130)는 단시간 내에 과도전류가 인가될 경우 자체적인 온도상승에 의해 전기적인 부도체로서 작용하여 내부를 통한 전류의 흐름을 억제시키는 역할을 하게 된다.
상기 가동아암(140)은 전도성 금속으로 이루어진 구조물로서, 온도 변화시(온도 상승시) 일방향으로 휘어져서 변형되는 특성을 갖는 바이메탈(bimetal)로 구성된다. 이러한 가동아암(140)은 기존의 배터리 보호장치에 구비되던 가동아암과 바이메탈 디스크를 하나의 구조물로 일체화시킨 것이다.
구체적으로, 상기 가동아암(140)은 일측 끝단에 형성되어 가동접점(150)이 부착되는 접점부(141)와, 상기 접점부(141)의 반대편 타측 끝단에 배치되어 외부 단자(미도시)와 연결되는 단자부(142)와, 상기 접점부(141)와 단자부(142) 사이에 위치하며 온도 증가시 일방향으로 변형되는 변형부(143)와, 상기 변형부(143)의 내측부에 구비되며 상기 변형부(143)의 변형시 그와 반대방향으로 변형되는 스냅판(144)으로 구성된다.
상기 접점부(141)는 가동아암(140)의 선단부에 위치된 부분으로서, 본체 케이스(110) 내부에서 전도성 단자판(120)과 서로 평행을 이루며 배치되고 그 저면부에는 가동접점(150)이 부착 고정된다.
그리고 상기 단자부(142)는 상기 접점부(141)의 반대편측 본체 케이스(110)의 외부로 노출되어 외부 단자(배터리 보호회로 기판)와 연결된다. 상기 단자부(142)는 위의 접점부(141)와 마찬가지로 전도성 단자판(120)과 평행을 이루도록 배치되고 본체 케이스(110)의 일측에 지지되는 선단부는 폭이 좁아진 형상을 갖는다.
또한, 상기 변형부(143)는 상기 접점부(141)와 단자부(142) 사이에 위치된 영역으로서 완만한 곡면을 이루며 상부로 볼록하게 형성되고, 본체 케이스(110) 내에서 PTC 소자(130)와 마주보는 상부측에 배치되어 과전류 인가시 온도 상승에 의해 상부방향으로 휘어지며 변형이 이루어지도록 되어 있다.
아울러, 상기 스냅판(144)은 상기 변형부(143)의 내측 부분에 구비된 것으로서, 직사각형을 이루는 4개의 변 중에서 3개의 변이 절개된 형태의 구조를 갖는다. 이러한 상기 스냅판(144)은 상기 변형부(143)의 변형 여부에 따라 PTC 소자(130)의 상부면과 접촉 또는 분리되도록 되어 있는데, 즉, 전류가 정상적으로 흐르는 평상시에는 변형부(143)와 동일한 곡면형상을 유지하며 PTC 소자(130)로부터 분리된 상부측에 위치하게 되고, 과전류 인가시에는 변형부(143)가 상부방향으로 휘어지며 변형됨에 따라 상대적으로 하부방향으로 휘어져서 PTC 소자(130)의 상부면과 접촉상태를 유지하게 된다.
여기서 상기한 본 발명의 실시 예에서는 가동아암(140) 전체를 변형가능한 바이메탈 소재로 구성한 것을 일 예로 들어 설명하였지만, 이 밖에 상기 가동아암(140) 중에서 접점부(141) 및 단자부(142)는 일반 전도성 금속으로 채용하고, 상기 스냅판(144)이 형성된 변형부(143) 부분만을 바이메탈 소재로 채용하여 구성할 수 있다. 또한, 상기 변형부(143) 및 스냅판(144)을 바이메탈 소재로 구성함에 있어, 상기 스냅판(144) 부분을 상기 변형부(143)와 반대되는 변형방향을 갖는 바이메탈 소재로 구성할 수도 있다.
상기 커버 케이스(160)는 본체 케이스(110) 내부에 배치된 가동아암(140) 부분, 즉, 변형부(143)와 접점부(141)의 상부를 커버하도록 본체 케이스(110)의 상부에 결합된다. 이때, 상기 커버 케이스(160)의 외곽 4개의 모서리 부분에는 하방으로 돌출된 후크 형상의 결합돌기(162)가 형성된다. 그리고, 상기 본체 케이스(110)의 외곽 4개의 모서리 부분에는 상기 커버 케이스(160)의 결합돌기(162)가 결합되는 결합홈(112)을 갖는 사각홈 형상의 면취부(114)가 형성된다. 이에 따라, 상기 커버 케이스(160)와 본체 케이스(110)는 상기 결합돌기(162)와 면취부(114) 일측에 형성된 결합홈(112)의 상호 후크 결합을 통해 조립이 이루어지도록 되어 있다.
한편, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 배터리 보호장치의 정상상태 및 과전류 인가상태에서의 작동모습을 비교 도시한 작동 상태도이다.
도 5를 참조하면, 일정한 전류가 흐르는 정상상태의 경우에는, 가동아암(140)의 변형부(143)와 그 내측에 구비된 스냅판(144)이 모두 상부로 볼록한 완만한 곡면형상을 유지하게 되어 상기 스냅판(144)이 하부에 위치한 PTC 소자(130)로부터 분리된 비접촉 상태로 유지되는 한편 접점부(141)의 하단에 부착된 가동접점(150)은 전도성 단자판(120)의 상부면에 접촉되어 전기적 접속상태를 유지하게 된다. 따라서, 가동아암(140) -> 가동접점(150) -> 전도성 단자판(120)으로 이어지는 전기 도전 경로를 형성하게 된다.
반면, 배터리 보호장치에 과전류가 인가될 경우, 도 6에서 보는 바와 같이, 과전류에 따른 온도상승에 의해 가동아암(140)의 변형부(143)가 하부로 볼록한 형상을 가지며 상부방향으로 휘어져 변형되는데, 이러한 변형과정에서 가동아암(140) 끝단에 부착된 가동접점(150)은 전도성 단자판(120)으로부터 분리되는 동시에 가동아암(140)에 구비된 스냅판(144)은 상기 변형부(143)와 반대되는 하부방향으로 휘어져 하부측에 있는 PTC 소자(130)의 상부면과 접촉하게 됨으로써, 가동아암(140) -> 스냅판(144) -> PTC 소자(130) -> 전도성 단자판(120)으로 이어지는 전기적 도전 경로가 형성된다.
상기와 같은 가동아암(140)의 변형 동작시에는 과전류 유입으로 인해 주위온도가 상승되어 있는 상태이며, PTC 소자(130)는 상승된 주위 온도로 인해 자체저항이 증가하게 되어 상기 PTC 소자(130) 내부를 통해 흐르는 전류량이 급격하게 낮아지게 되어 주위온도를 감소시키게 됨으로써 배터리가 과열되는 것을 방지할 수 있게 된다. 그리고 이후에 PTC 소자(130) 주위온도가 점차 낮아지게 되면 바이메탈로 구성된 상기 가동아암(140)이 도 5와 같은 원래의 모양으로 다시 복귀됨으로써 가동아암(140) -> 가동접점(150) -> 전도성 단자판(120)으로 이어지는 정상적인 전기 도전 경로를 형성하게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 배터리 보호장치 110 : 본체 케이스
111 : 수납공간 112 : 결합홈
120 : 전도성 단자판 130 : PTC 소자
140 : 가동아암 141 : 접점부
142 : 단자부 143 : 변형부
144 : 스냅판 150 : 가동접점
160 : 커버 케이스 162 : 결합돌기

Claims (8)

  1. 바닥면에 전도성 단자판을 구비한 본체 케이스;
    상기 전도성 단자판의 상부면과 전기적으로 접촉되도록 상기 본체 케이스에 설치되는 PTC 소자; 및
    적어도 일부분이 바이메탈(bimetal) 재질로 이루어져서 온도변화에 따라 상기 전도성 단자판의 상부면과 접촉 또는 분리되는 접점부와, 상기 접점부의 변형 방향과 반대로 변형되어 상기 PTC 소자의 상부면과 분리 또는 접촉되는 스냅판을 구비하는 가동아암;을 포함하고,
    이에 따라, 정상상태에서는 가동아암, 접점부, 전도성 단자판을 흐르는 도전 경로를 형성하고, 과열 또는 과충전 상태에서는 가동아암, 스냅판, PTC 소자, 전도성 단자판을 흐르는 또 다른 도전 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 PTC를 이용한 배터리 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 단자판은 본체 케이스와 일체로 인서트 성형되는 것을 특징으로 하는 PTC를 이용한 배터리 보호 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전도성 단자판의 상부면과 접촉 또는 분리되는 상기 가동아암의 접점부에는 가동접점이 부착된 것을 특징으로 하는 PTC를 이용한 배터리 보호 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가동아암은,
    상기 전도성 단자판과 평행을 이루며 본체 케이스 내부에 배치되고, 저면부에 가동접점이 부착 고정되는 접점부와;
    상기 접점부 반대편의 본체 케이스 외부에 노출되어 외부 단자와 연결되는 단자부와;
    상기 접점부와 단자부 사이에 위치된 부분으로서 상기 본체 케이스 내에서 상기 PTC 소자와 마주보는 상부측에 배치되고, 완만한 곡면을 이루며 상부로 볼록하게 형성되어 온도변화시 일방향으로 휘어져 변형될 수 있는 바이메탈 재질로 구성된 변형부와;
    상기 변형부 내측 부분에 구비되고, 상기 변형부의 변형 방향과 반대로 변형되어 상기 PTC 소자의 상부면과 접촉 또는 분리되는 스냅판;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 PTC를 이용한 배터리 보호장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 변형부 부분이 바이메탈로 구성된 것을 특징으로 하는 PTC를 이용한 배터리 보호장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 변형부 및 스냅판이 바이메탈로 구성되되 상기 스냅판 부분은 상기 변형부와 반대되는 변형방향을 갖는 바이메탈로 구성된 것을 특징으로 하는 PTC를 이용한 배터리 보호장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 본체 케이스와 조립되는 커버 케이스를 더 포함하되, 상기 커버 케이스의 외곽 모서리 부분에는 하방으로 돌출된 결합돌기가 형성되고, 상기 본체 케이스의 외곽 모서리 부분에는 상기 결합돌기가 결합되는 결합홈이 형성된 것을 특징으로 하는 PTC를 이용한 배터리 보호장치.
  8. 삭제
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