KR101828617B1 - 보호 회로, 배터리 제어 장치 및 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 폭넓은 배터리의 전압 변동에 대응하여 발열체의 손상을 방지하고, 배터리의 충방전 경로를 차단할 수 있는 보호 회로를 제공한다. 배터리 (10) 와 충방전 제어 회로(20) 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속된 퓨즈 (31a), (31b) 와 저항체 (32a), (32b) 가 직렬 접속된 발열부 (32) 를 구비하고, 저항체 (32a), (32b) 의 단부 중, 다른 저항체와 접속되어 있지 않은 2 개의 단부의 일방이, 퓨즈 (31a), (31b) 의 전류 경로 상에 접속되어 있고, 퓨즈 (31a), (31b) 와 접속되어 있지 않은 저항체 (32a), (32b) 의 각 단부에는, 배터리 (10) 의 전압값의 변동 대역에 따라 선택되고, 발열부 (32) 에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 소자 (50) 와 접속되는 단자부 (33a), (33b) 가 형성되어 있다.

Description

보호 회로, 배터리 제어 장치 및 배터리 팩{PROTECTION CIRCUIT, BATTERY CONTROL DEVICE, AND BATTERY PACK}

본 발명은, 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와 충방전 제어 회로를 보호하는 보호 회로와, 이 보호 회로가 장착된 충방전 제어 장치 및 배터리 팩에 관한 것이다.

본 출원은, 일본국에서 2010 년 2 월 19 일에 출원된 일본 특허 출원번호 특원 2010-034436호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것으로, 이 출원을 참조함으로써, 본 출원에 원용된다.

과전류뿐만 아니라 과전압도 방지할 수 있어, 휴대용 전자기기 등의 2 차 전지에 유용한 보호 소자로서, 기판 상에 발열체와 저융점 금속체를 배치한 보호 소자가 종래부터 사용되어 왔다.

복수의 배터리 셀로 구성되는 배터리의 동작을 보호하는 보호 회로에서는, 배터리 셀 내부에서 쇼트 등이 발생하여, 회로 내의 전압이 대폭 변화하는 경우가 있다. 이와 같이 배터리 셀의 일부가 고장난 경우, 배터리의 전압이 대폭 저하됨으로써, 발열체의 열량이 저하되어, 저융점 금속을 용단 (溶斷) 시킬 수 없게 되는 문제가 발생된다. 또, 어떠한 사정으로 배터리의 전압이 급격히 상승한 경우, 발열체로부터 과잉의 열이 발생하게 되어, 발열체가 타서 고장나, 저융점 금속을 용단시킬 수 없는 문제가 발생된다.

상기 서술한 바와 같은 가열 저항 소자의 손상을 확실히 방지하여, 가열 저항 소자로 저융점 금속체를 확실히 용단시키기 위해, 예를 들어 특허문헌 1 에는, 다음과 같은 보호 소자가 기재되어 있다. 즉, 특허문헌 1 에는, 소정의 공급 전압이 가열 저항 소자에 공급되면, 가열 저항 소자와 접속하고 있는 PTC 의 저항값을 증가시켜 가열 저항에 흐르는 전류를 감소시킴으로써, 가열 저항 소자에 대 (大) 전류가 흘러 소손되는 것을 방지하는 보호 소자가 기재되어 있다.

: 일본 공개특허공보 2007-135359호

그러나, 특허문헌 1 에 기재된 보호 소자에서는, 가열 저항 소자에 인가되는 전압이 낮은 상태에서도, PTC 가 가열되어 저항값이 높아지면 발열체의 동작이 저하되어 저융점 금속체를 용해시킬 수 없게 되어 버린다. 또, 이 보호 소자는, PTC 의 온도 특성에 따라 발열체 전체의 저항값이 변화하기 때문에, 발열량이 안정되지 않아, 결과적으로 저융점 금속체의 용단 시간이 안정되지 않는다는 문제가 있었다. 또한, 배터리의 전압이 급격히 변화했을 때에는, PTC 의 저항값이 충분히 증가하기 전에, 발열체에 과대한 전압이 인가되어 고장나, 저융점 금속체를 용융시킬 수 없는 경우가 있었다.

본 발명은, 이와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 폭넓은 배터리의 전압 변동에 대응하여 발열체의 손상을 방지하고, 발열체의 열에 의해 확실히 저융점 금속체를 용융시켜, 배터리의 충방전 경로를 차단할 수 있는 보호 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은, 이 보호 회로가 장착된 배터리 제어 장치 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 서술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 관련된 보호 회로는, 1 이상의 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와 충방전 제어 회로 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되어, 가열에 의해 용단 (溶斷) 되는 저융점 금속체와, 통전되면 상기 저융점 금속체를 용융시키는 열을 발하는 복수의 저항체가 직렬 접속된 발열부를 구비하고, 상기 복수의 저항체의 단부 (端部) 중, 다른 저항체와 접속되어 있지 않은 2 개의 단부의 일방이, 상기 저융점 금속체의 전류 경로 상에 접속되어 있고, 상기 저융점 금속체와 접속되어 있지 않은 상기 저항체의 각 단부에는, 상기 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택되고, 상기 발열부에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 소자와 접속되는 단자부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 배터리 제어 장치는, 1 이상의 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와 직렬로 접속되어, 그 배터리의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로와, 상기 배터리와 상기 충방전 제어 회로 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되어, 가열에 의해 용단되는 저융점 금속체와, 통전되면 상기 저융점 금속체를 용융시키는 열을 발하는 복수의 저항체가 직렬 접속된 발열부와, 상기 배터리의 각 배터리 셀의 전압값을 검출하는 검출 회로와, 상기 검출 회로에 의해 검출되는 각 배터리 셀의 전압값이 소정 범위 밖이 되었을 때에 상기 저융점 금속체로부터 상기 발열부에 전류를 흐르도록 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고, 상기 복수의 저항체의 단부 중, 다른 저항체와 접속되어 있지 않은 2 개의 단부의 일방이, 상기 저융점 금속체의 전류 경로 상에 접속되어 있고, 상기 전류 제어 소자는, 상기 저융점 금속체가 접속되어 있지 않은 상기 저항체의 단부에 형성된 단자부 중, 상기 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택된 단자부와 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 관련된 배터리 팩은, 1 이상의 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와, 상기 배터리와 직렬로 접속되어 그 배터리의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로와, 상기 배터리와 상기 충방전 제어 회로 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되어, 가열에 의해 용단되는 저융점 금속체와, 통전되면 상기 저융점 금속체를 용융시키는 열을 발하는 복수의 저항체가 직렬 접속된 발열부와, 상기 배터리의 각 배터리 셀의 전압값을 검출하는 검출 회로와, 상기 검출 회로에 의해 검출되는 각 배터리 셀의 전압값이 소정 범위 밖이 되었을 때에 상기 저융점 금속체로부터 상기 발열부에 전류를 흐르도록 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고, 상기 복수의 저항체의 단부 중, 다른 저항체와 접속되어 있지 않은 2 개의 단부의 일방이, 상기 저융점 금속체의 전류 경로 상에 접속되어 있고, 상기 전류 제어 소자는, 상기 저융점 금속체가 접속되어 있지 않은 상기 저항체의 단부에 형성된 단자부 중, 상기 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택된 단자부와 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 저융점 금속체와 접속되어 있지 않은 저항체의 각 단부에, 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택되고, 저융점 금속체로부터 발열부에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 소자와 접속되는 단자부가 형성되어 있다. 이와 같이 하여, 본 발명은, 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라, 발열부 중에서 발열 동작을 시키는 저항체를 선택하고, 저융점 금속체를 발열시키는 발열량을 조정할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택한 단자부에 전류 제어 소자를 접속시킴으로써, 폭넓은 배터리의 전압 변동에 대응하여 발열체의 손상을 방지하면서, 발열체의 열에 의해 확실히 저융점 금속체를 용융시켜 배터리의 충방전 경로를 차단할 수 있다.

도 1 은, 본 발명이 적용된 배터리 팩의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 발명이 적용된 보호 회로의 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 은, 종래예에 관련된 보호 회로의 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 4a 는, 배터리 셀의 접속 수가 2 일 때의, 제 1 접속예에 관련된 배터리 팩의 구성에 대해 설명하기 위한 도면이고, 도 4b 는, 배터리 셀의 접속 수가 3 일 때의, 제 1 접속예에 관련된 배터리 팩의 구성에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 는, 제 2 접속예에 관련된 배터리 팩의 구성에 대해 설명하기 위한 도면이고, 도 5b 는, 보호 회로에 인가되는 전압을 변화시켰을 때의, 제 2 접속예에 관련된 배터리 팩의 동작에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 6 은, 본 발명이 적용된 보호 회로를 실현하는 제 1 구조체의 단면도이다.
도 7a 는, 제 1 구조체에 있어서의 접점 (P11) 과 접점 (P12) 의 접속에 대해 설명하기 위한 도면이고, 도 7b 는, 제 1 구조체에 있어서의 접점 (P11) 과 접점 (P12) 의 접속에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 는, 제 1 구조체의 변형예에 관련된 구조에 대해 설명하기 위한 도면이고, 도 8b 는, 제 1 구조체의 변형예에 관련된 등가 회로의 회로 구성에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 9 는, 본 발명이 적용된 보호 회로를 실현하는 제 2 구조체의 단면도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지의 변경이 가능한 것은 물론이다.

＜전체 구성＞

본 발명이 적용된 보호 회로는, 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와 충방전 제어 회로를 보호하는 회로로서, 예를 들어, 도 1 에 나타내는 바와 같은 합계 4 개의 충방전 가능한 배터리 셀 (11 ∼ 14) 로 이루어지는 배터리 (10) 를 갖는 배터리 팩 (1) 에 장착되어 사용된다.

즉, 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 회로 (30) 와, 각 배터리 셀 (11 ∼ 14) 의 전압을 검출하는 검출 회로 (40) 와, 검출 회로 (40) 의 검출 결과에 따라 보호 회로 (30) 의 동작을 제어하는 전류 제어 소자 (50) 를 구비한다.

배터리 (10) 는, 상기 서술한 바와 같이, 예를 들어 리튬 이온 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 전류 경로에 직렬 접속된 2 개의 전류 제어 소자 (21, 22) 와, 이들의 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 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 충방전일 때, 전류 경로를 차단하도록, 전류 제어 소자 (21, 22) 의 동작을 제어한다.

보호 회로 (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 1 개의 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, 검출 회로 (40) 로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 배터리 셀 (11 ∼ 14) 의 전압값이 소정 범위 밖이 되었을 때, 구체적으로는 과방전 또는 과충전 상태가 되었을 때, 보호 회로 (30) 를 동작시켜, 배터리 (10) 의 충방전 전류 경로를 차단하도록 제어한다.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 배터리 팩 (1) 에 있어서, 이하에서는, 보호 회로 (30) 의 구성에 대해 구체적으로 설명한다.

＜보호 회로의 구성＞

본 발명이 적용된 보호 회로 (30) 는, 폭넓은 배터리 (10) 의 전압 변동에 대응하여 저항체의 열에 의해 확실히 저융점 금속체를 용융시키고, 배터리 (10) 의 충방전 전류 경로를 차단하기 위해, 도 2 에 나타내는 바와 같은 회로 구성으로 되어 있다.

즉, 보호 회로 (30) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 가열에 의해 용단되는 저융점 금속체로 이루어지는 퓨즈 (31a, 31b) 와, 통전되면 퓨즈 (31a, 31b) 를 용융시키는 열을 발하는 2 개의 저항체 (32a, 32b) 가 직렬 접속된 발열부 (32) 를 구비한다.

퓨즈 (31a, 31b) 는, 예를 들어, 물리적으로 1 개의 저융점 금속체를 회로 구성 상에서 분리하여, 접속점 (P1) 을 개재하여 직렬 접속되도록 한 소자로서, 배터리 (10) 와 충방전 제어 회로 (20) 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속된다. 예를 들어, 퓨즈 (31a) 는, 퓨즈 (31b) 와 접속되어 있지 않은 접속점 (A3) 을 개재하여 충방전 제어 회로 (20) 와 접속되고, 퓨즈 (31b) 는, 퓨즈 (31a) 와 접속되어 있지 않은 접속점 (A1) 을 개재하여 배터리 (10) 와 접속된다.

발열부 (32) 는, 저항체 (32a, 32b) 가 접속점 (P2) 을 개재하여 서로 직렬 접속되어, 통전되면 퓨즈 (31a, 31b) 를 융해시키는 열을 발한다.

보호 회로 (30) 에서는, 2 개의 저항체 (32a, 32b) 의 단부 중, 서로의 저항체와 접속되어 있지 않은 2 개의 단부의 일방, 예를 들어, 저항체 (32a) 의 단부의 일방이 접속점 (P1) 을 개재하여 퓨즈 (31a, 31b) 에 접속되어 있다. 또, 보호 회로 (30) 에서는, 퓨즈 (31a, 31b) 에 접속되어 있지 않은 저항체 (32a, 32b) 의 각 단부에, 발열부 (32) 에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 소자 (50) 와 접속되는 단자부 (33a, 33b) 가 형성되어 있다. 보호 회로 (30) 에서는, 이 단자부 (33a, 33b) 중, 배터리 (10) 의 전압값의 변동 대역에 따라 선택된 단자부가, 전류 제어 소자 (50) 와 접속된다.

이와 같이 하여, 보호 회로 (30) 는, 배터리 (10) 의 전압값의 변동 대역에 따라, 발열부 (32) 중에서, 발열 동작을 시키는 저항체를 선택하고, 퓨즈 (31a, 31b) 를 발열시키는 발열량을 조정할 수 있다. 따라서, 보호 회로 (30) 는, 배터리 (10) 의 전압값의 변동 대역에 따라, 단자부 (33a, 33b) 에 전류 제어 소자 (50) 를 접속시킴으로써, 폭넓은 배터리의 전압 변동에 대응하여 저항체 (32a, 32b) 의 손상을 방지하면서, 저항체 (32a, 32b) 의 열에 의해 확실히 퓨즈 (31a, 31b) 를 용융시켜, 배터리 (10) 의 충방전 전류 경로를 확실히 차단할 수 있다.

또한, 보호 회로 (30) 는, 합계 2 개의 단자부 (33a, 33b) 에 의해, 발열부 (32) 의 전류 경로를 2 계통으로 전환하여 발열량을 조정하는 데에 한정되는 경우는 없다. 즉, 본 발명이 적용된 보호 회로는, 발열부를 구성하는 저항체를 더 많게 하여, 이들 저항체 중 저융점 금속체와 접속되어 있지 않은 각 단부에, 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택되어 전류 제어 소자와 접속되는 단자부를 형성하도록 해도 된다.

＜보호 회로의 구체적인 접속예＞

상기 서술한 구성을 갖는 보호 회로 (30) 에 형성된 단자부 (33a, 33b) 와 전류 제어 소자 (50) 와 접속된 구체적인 접속예에 대해 설명한다.

＜제 1 접속예＞

제 1 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 은, 보호 회로 (30) 에 형성된 단자부 (33a, 33b) 로부터, 배터리 셀의 접속 수에 따라 결정되는 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택된 단자부에 전류 제어 소자 (50) 를 접속시킴으로써, 퓨즈 (31a, 31b) 를 발열시키는 발열량을 조정한다.

여기서, 제 1 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 의 설명에 앞서, 도 3 에 나타내는 바와 같은 종래예에 관련된 보호 회로 (100) 에 대해 설명한다. 즉, 보호 회로 (100) 는, 직렬 접속된 퓨즈 (101, 102) 와, 퓨즈 (101, 102) 의 접속점을 개재하여 통전되면 퓨즈 (101, 102) 를 용융시키는 저항체 (103) 로 이루어지는 회로이다. 또, 보호 회로 (100) 에서는, 퓨즈 (101, 102) 가 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되고, 또한, 저항체 (103) 가 전류 제어 소자와 접속된다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 보호 회로 (100) 에 있어서, 배터리 셀의 접속 수를 2 와 3 으로 각각 대응시키기 위해서는, 저항체 (103) 가 고소비 전력에 대응할 필요가 있어, 저항체 (103) 자체가 대형화되어 버린다.

예를 들어, 저항체 (103) 의 저항값을 R＝2.2[Ω], 인가되는 전압을 V [V], 소비 전력을 P [W] 로 한 경우의, 배터리 셀의 접속 수에 따른 소비 전력의 변화에 대해 설명한다.

배터리 셀의 접속 수가 2 인 배터리에 있어서, 1 개의 배터리 셀이 쇼트되고, 예를 들어 V＝4 [V] 가 저항체 (103) 에 인가된 경우, 소비 전력 (P) 은 다음과 같이 하여 산출된다.

P＝4×4/2.2＝7.4 [W]

배터리 셀의 접속 수가 2 인 배터리에 있어서, 2 개의 배터리 셀이 과전압 상태가 되고, 배터리 셀의 접속 수가 3 인 배터리에 있어서, 1 개의 배터리 셀이 쇼트되고, 예를 들어 V＝9 [V] 가 저항체 (103) 에 인가된 경우, 소비 전력 (P) 은 다음과 같이 하여 산출된다.

P＝9×9/2.2＝37.7 [W]

배터리 셀의 접속 수가 3 인 배터리에 있어서, 3 개의 배터리 셀이 과전압 상태가 되고, 예를 들어 V＝13.8 [V] 가 저항체 (103) 에 인가된 경우, 소비 전력 (P) 은 다음과 같이 하여 산출된다.

P＝13.8×13.8/2.2＝88.6 [W]

이와 같이, 인가 전압 V 가 커짐에 따라, 저항체에 흐르는 전류값과 소비 전력이 증대하기 때문에, 저항체 (103) 가 고소비 전력에 대응할 필요가 있어, 저항체 (103) 자체가 대형화되어 버린다. 따라서, 저소비 전력화를 도모하기 위해서는, 종래의 보호 회로 (100) 에서는, 배터리 셀의 접속 수에 각각 대응시켜, 저항체로서 사용하는 저항값을 개별적으로 설계해야 한다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 보호 회로 (100) 에 대해, 제 1 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 에서는, 보호 회로 (30) 에 형성된 단자부 (33a) 를, 예를 들어, 배터리 셀의 접속 수가 2 일 때에 사용되는 것으로 하고, 단자부 (33b) 를, 배터리 셀의 접속 수가 3 일 때에 사용되는 것으로 한다. 여기서, 보호 회로 (30) 는, 배터리 셀의 접속 수가 2, 3 일 때의 발열부의 동작 전압과, 조정되는 발열부의 저항값을 하기의 표 1 과 같이 설계할 수 있다.

동작 전압 (접속 수가 2)	4.0-9.0V
저항값 (접속 수가 2)	1.7-2.6Ω
동작 전압 (접속 수가 3)	7.4-13.8V
저항값 (접속 수가 3)	5.5-9.1Ω

이와 같이 설계된 보호 회로 (30) 는, 배터리 셀의 접속 수에 따라, 다음과 같이 제 1 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 내에 장착되어 사용된다.

배터리 (10) 가 2 개의 배터리 셀 (11, 12) 을 구비하고, 배터리 셀의 접속 수가 2 일 때에는, 보호 회로 (30) 에서는, 예를 들어 도 4a 에 나타내는 바와 같이, 전류 제어 소자 (50) 를, 단자부 (33a) 와 접속시켜, 발열부 (32) 중 저항체 (32a) 에만 전류 (I1) 가 흐르도록 한다. 또, 배터리 (10) 가 3 개의 배터리 셀 (11 ∼ 13) 을 구비하고, 배터리 셀의 접속 수가 3 일 때에는, 보호 회로 (30) 에서는, 예를 들어 도 4b 에 나타내는 바와 같이, 전류 제어 소자 (50) 를, 단자부 (33b) 와 접속시켜, 발열부 (32) 중 저항체 (32a, 32b) 의 양방에 전류 (I2) 가 흐르도록 한다.

이와 같이 하여, 제 1 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 에서는, 보호 회로 (30) 가, 배터리 셀의 접속 수가 적어서 발열부 (32) 에 인가되는 전압값이 작을 때에는, 발열부 (32) 의 동작 저항값을 낮게 할 수 있다. 또, 제 1 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 에서는, 보호 회로 (30) 가, 배터리 셀의 접속 수가 많아서 발열부 (32) 에 인가되는 전압값이 클 때에는, 발열부 (32) 의 동작 저항값을 높게 할 수 있다.

이상과 같이 하여, 제 1 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 에서는, 전류 제어 소자 (50) 가, 배터리 셀의 접속 수의 증가에 따라 결정되는 배터리의 전압값의 변동 대역이 고역 (高域) 이 되는 것에 수반되어, 발열부 (32) 와 접속된 복수의 단자부 (33a, 33b) 중, 더 많은 저항체 (32a, 32b) 에 전류가 흐르는 전류 경로 상의 단자부 (33a, 33b) 가 선택되어 접속된다. 따라서, 보호 회로 (30) 는, 상기 서술한 바와 같은 배터리 셀의 접속 수에 따라 선택 가능하게 전류 제어 소자 (50) 와 접속되는 단자부가 복수 형성되어 있으므로, 보호 회로 (100) 에 비해, 저소비 전력의 저항체를 사용하여, 배터리 셀의 접속 수가 상이한 복수 종류의 배터리 팩에 장착할 수 있다.

＜제 2 접속예＞

제 2 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 은, 도 5a 에 나타내는 바와 같이 하여, 보호 회로 (30) 에 형성된 2 개의 단자부 (33a, 33b) 의 각각에, 전류 제어 소자 (51, 52) 를 접속시킴으로써, 특히 배터리 셀의 접속 수가 많은 배터리 팩에 장착될 때에, 폭넓은 배터리의 전압 변동에 대응하여 저항체 (32a, 32b) 의 손상을 방지하여 충방전 경로를 차단할 수 있다.

구체적으로는, 제 2 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 에서는, 예를 들어, 배터리 셀 (11 ∼ 15) 의 접속 수가 5 인 배터리 (10) 에 있어서, 배터리 셀이 쇼트 될 수 있는 상태에도 대응하여, 보호 회로 (30) 에 인가되는 전압값이 4 ∼ 20 [V] 인 범위 내에서, 저항체 (32a, 32b) 의 손상을 방지하면서, 확실히 충방전 경로를 차단하는 것으로 한다.

이와 같은 제어를 실시하기 위해, 제 2 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 에서는, 도 5b 에 나타내는 바와 같이, 보호 회로 (30) 에 인가되는 전압값이 비교적 저전압인 4 ∼ 8 [V] 일 때, 전류 제어 소자 (51, 52) 를 각각 ON, OFF 로 하여 저항체 (32a) 에만 전류 (I1) 를 흐르게 하고, 보호 회로 (30) 에 인가되는 전압값이 비교적 고전압인 8 ∼ 20 [V] 일 때, 전류 제어 소자 (51, 52) 를 각각 OFF, ON 으로 하여 저항체 (32a, 32b) 의 양방에 전류 (I2) 를 흐르게 한다. 예를 들어, 보호 회로 (30) 에 인가되는 전압값은, 검출 회로 (40) 에 의해 검출된다. 그리고, 검출 회로 (40) 는, 이 전압값이 8 [V] 이상인지의 여부를 판단하여, 이 판단 결과에 따라, 전류 제어 소자 (51, 52) 의 동작을 각각 제어한다.

도 5b 는, 보호 회로 (30) 에 인가되는 전압을 변화시켰을 때의, 저항체 (32a) 의 저항값 (R1) 과, 저항체 (32b) 의 저항값 (R2) 과, 저항체 (32a) 에 흐르는 전류값을 나타내는 「전류 1」과, 저항체 (32b) 에 흐르는 전류값을 나타내는 「전류 2」와, 저항체 (32a) 의 소비 전력량을 나타내는 「전력 1」과, 저항체 (32b) 의 소비 전력량을 나타내는 「전력 2」와, 전류 제어 소자 (51) 의 상태를 나타내는 「FET1」과, 전류 제어 소자 (52) 의 상태를 나타내는 「FET2」의 대응 관계를 나타내는 표이다.

이상과 같이 하여, 제 2 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 에서는, 보호 회로 (30) 에 형성된 2 개의 단자부 (33a, 33b) 를 각각 전류 제어 소자 (51, 52) 에 접속시켜, 보호 회로 (30) 에 인가되는 전압에 따라, 보호 회로 (30) 내의 전류 경로를 전환하도록 제어한다.

이와 같이 하여, 제 2 접속예에 관련된 배터리 팩 (1) 에서는, 복수의 전류 제어 소자 (51, 52) 를 구비하고, 각 전류 제어 소자 (51, 52) 가, 2 개의 단자부 중, 배터리의 전압값의 변동 대역이 분할된 대역마다 선택된 각 단자부 (33a, 33b) 와 각각 접속된다. 그리고, 배터리 팩 (1) 에서는, 배터리의 전압값의 변동 대역이 고역이 되는 것에 수반되어, 전류 제어 소자 (51, 52) 와 접속된 단자부 (33a, 33b) 중, 더 많은 저항체 (32a, 32b) 에 전류가 흐르는 전류 경로 상의 단자부 (33b) 와 접속된 전류 제어 소자 (52) 에 의해, 퓨즈 (31a) 로부터 발열부 (32) 에 전류가 흐르도록 제어한다.

따라서, 제 2 접속예에 관련된 보호 회로 (30) 에서는, 배터리 셀의 접속 수가 많은 배터리 팩에 장착될 때에, 폭넓은 배터리 (10) 의 전압 변동에 대응하여 저항체 (32a, 32b) 의 손상을 방지하여 충방전 경로를 차단할 수 있다.

＜보호 회로를 실현하는 제 1 구조체＞

이상과 같은 회로 구성으로 이루어지는 보호 회로 (30) 는, 예를 들어 도 6 및 도 7 에 나타내는 바와 같은 구조체 (60) 에 의해 실현된다.

도 6 은, 삼차원 직교 좌표 XYZ 축을 기준으로 하여 배치된 구조체 (60) 의 XZ 평면에서 본 단면도이다. 또, 도 7a 및 도 7b 는, XY 평면에서 본 구조체 (60) 의 적층 구조에 대해 설명하기 위한 도면이다.

구조체 (60) 는, 세라믹 등의 절연성의 사각형 형상의 기판 (60a) 상에 다음과 같은 부재가 실장 (實裝) 됨으로써 구성된다.

즉, XY 평면 상에 위치하는 기판 (60a) 에는, 그 4 개 측면부에, 각각, 기판 (60a) 내를 Z 방향으로 관통하도록 하여 형성된 스루홀 (61a) 을 개재하여 접속된 도체 (61b, 61c) 로 이루어지는 접속 부재 (611 ∼ 614) 가 각각 실장되어 있다.

이들 4 개의 접속 부재 (611 ∼ 614) 중, 대향되는 2 개의 접속 부재 (611, 612) 가 배터리 (10) 와 충방전 제어 회로 (20) 와 각각 접속되는 접점으로서 기능하고, 나머지의 2 개의 접속 부재 (613, 614) 가, 상기 서술한 배터리 (10) 의 전압값의 변동 대역에 따라 선택되는 단자부 (33a, 33b) 로서 기능한다.

또, 기판 (60a) 의 표면의 중앙부에는, 판상의 절연 부재 (62) 가 실장된다. 이 판상의 절연 부재 (62) 의 표면 (62a) 에는, 도체 (63a) 와, 도체 (63a) 와 접속된 저항체 (64a) 와, 저항체 (64a) 와 접속된 도체 (63b) 와, 도체 (63b) 와 접속된 저항체 (64b) 와, 저항체 (64b) 와 접속된 도체 (63c) 가 실장되어 있다. 여기서, 도체 (63b) 는, 단자부 (33a) 로서 기능하는 접속 부재 (613) 의 도체 (61c) 와 접속되고, 도체 (63c) 는, 단자부 (33b) 로서 기능하는 접속 부재 (614) 의 도체 (61c) 와 접속된다. 이와 같은 접속 관계에 따라, 단자부 (33a, 33b) 로서 기능하는 접속 부재 (613, 614) 가, 각 저항체 (64a, 64b) 로부터 이들 저항체와 접속된 배선으로서 기능하는 도체 (63b, 63c) 를 개재하여 분기되어 형성된 구조로 되어 있다.

저항체 (64a, 64b) 가 실장된 실장면은, 절연 부재 (65) 에 의해 피복된다.또한, 이 절연 부재 (65) 의 피복면에는, 도체 (66) 를 개재하여 저융점 금속체 (67) 가 실장된다. 또한, 도체 (66) 와 저융점 금속체 (67) 는 땜납 (67a) 에 의해 접속된다.

또, 도체 (63a) 의 일방의 단부 (P11) 는, 도체 (66) 의 P12 를 개재하여 저융점 금속체 (67) 와 접속된다. 구체적으로, 이와 같은 접속을 실시하려면, 구조체 (60) 를 -Z 방향에서 본 도 7a 에 나타내는 바와 같이, 절연 부재 (62) 상에 도체 (63a, 63b, 63c) 와, 저항체 (64a, 64b) 가 실장된 실장면의 도체 (63a) 의 단부에 접점 (P11) 을 형성한다. 그리고, 도 6 에 나타내는 바와 같이 하여, 이 접점 (P11) 과, 도체 (66) 의 접점 (P12) 이 접속되도록, 도체 (66) 를 절연 부재 (65) 를 개재하여 피복하고, 또한 도체 (66) 상에 저융점 금속체 (67) 를 실장한다. 즉, 단부 (P11) 를 저항체 (64a, 64b) 의 외주부보다 외측에 배치하고, 단부 (P12) 를 절연 부재 (65) 의 외주부의 외측에 배치하여, 각 부재를 적층했을 때에 단부 (P11, P12) 가 일치하도록 한다.

저융점 금속체 (67) 는, 땜납 (67b) 을 개재하여 배터리 (10) 및 충방전 제어 회로 (20) 와 접속되는 접점으로서 기능하는 접속 부재 (611, 612) 의 도체 (61c) 와 접속된다. 또, 저융점 금속체 (67) 의 상면에는 플럭스 (68) 가 형성된다. 또, 저융점 금속체 (67) 의 상부에는 캡 (69) 에 의해 덮인다. 또한, 캡 (69) 은, 4 개의 접속 부재 (61) 와 접착제 (69a) 에 의해 접착된다.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 구조체 (60) 에서는, 각 저항체 (64a, 64b) 가, 절연 부재 (62) 의 동일 평면 상에 형성되고, 각각 단자부 (33a, 33b) 로서 기능하는 접속 부재 (61) 와 접속된 도체 (63b, 63c) 에 의해, 저항체끼리가 분리되어 있다. 이와 같이 하여, 구조체 (60) 에서는, 저항체 (64a, 64b) 를 동일 평면 상에 배치함으로써, 보호 회로 (30) 의 박형화를 도모할 수 있다.

＜제 1 구조체의 변형예＞

또한, 구조체 (60) 에서는, 도체 (63a, 63b, 63c) 에 의해, 2 개의 저항체 (64a, 64b) 가 동일 평면 상에 있어서 서로 분리된 구성을 취하고 있지만, 상기 서술한 바와 같이 저항체의 수는 더 많아도 되고, 예를 들어 도 8a 에 나타내는 바와 같이 하여, 도체 (71a, 71b, 71c, 71d) 에 의해 동일 평면 상에 서로 분리된 3 개의 저항체 (72a, 72b, 72c) 를, 절연 부재 (70a) 의 표면에 실장하도록 해도 된다. 이와 같은 구조를 갖는 구조체 (70) 에서는, 합계 6 개의 접속 부재 (731 ∼ 736) 가 형성되어 있다. 여기서, 2 개의 접속 부재 (731, 732) 는, 저융점 금속체가 배터리 (10) 및 충방전 제어 회로 (20) 와 각각 접속되는 접점 (P21, 22) 으로서 기능한다. 1 개의 접속 부재 (733) 는, 저융점 금속체와 저항체의 접점 (P23) 으로서 기능한다. 3 개의 접속 부재 (734, 735, 736) 는, 전류 제어 소자와 접속되는 단자부로서 기능한다.

이와 같은 구조체 (70) 의 실장 상태로 이루어지는 보호 회로 (80) 에서는, 도 8b 에 나타내는 바와 같이, 저융점 금속체를 2 개로 분리한 퓨즈 (81a, 81b) 가, 접점 (P21, P22) 을 개재하여 각각 배터리 (10) 및 충방전 제어 회로 (20) 와 접속된다. 또, 보호 회로 (80) 는, 저항체 (82a, 82b, 82c) 가 직렬 접속된 발열부 (82) 가, 저항체 (72a, 72b, 72c) 에 의해 실현된다. 또, 보호 회로 (80) 는, 저항체 (82a, 82b, 82c) 에, 3 개의 접속 부재 (734, 735, 736) 에 의해 실현되는 단자부 (83a, 83b, 83c) 가 형성된 회로 구성으로 되어 있다. 이 보호 회로 (80) 에서는, 단자부 (83a, 83b, 83c) 중, 어느 하나의 단자부 (83a, 83b, 83c) 와 전류 제어 소자를 접속시킴으로써, 하기의 표 2 에 나타내는 바와 같이, 3 단계에서 저항값을 조정할 수 있다. 이와 같이 하여, 보호 회로 (80) 는, 3 단계에서 발열부 (82) 의 저항값을 조정할 수 있고, 소자 사이즈의 증대를 억제하면서, 더 미세하게 배터리의 전압 변동에 대응할 수 있다.

접속 대상	저항값 [Ω]
단자부 83a	14.7
단자부 83b	7.3
단자부 83c	2.15

＜보호 회로를 실현하는 제 2 구조체＞

또, 보호 회로 (30) 는, 예를 들어 도 9 에 나타내는 바와 같은 구조체 (90) 에 의해 실현된다.

도 9 는, 삼차원 직교 좌표 XYZ 축을 기준으로 하여 배치된 구조체 (90) 의 XZ 평면에서 본 단면도이다.

구조체 (90) 는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 세라믹 등의 절연성의 사각형 형상의 기판 (90a) 상에 다음과 같은 부재가 실장됨으로써 구성된다.

즉, XY 평면 상에 위치하는 기판 (90a) 에는, 그 4 개 측면부에, 각각 기판 (90a) 내를 Z 방향으로 관통하도록 하여 형성된 스루홀 (91a) 을 개재하여 접속된 도체 (91b, 91c) 로 이루어지는 접속 부재 (91) 가 각각 실장되어 있다.

이들 4 개의 접속 부재 (91) 중, 대향되는 2 개의 접속 부재가 배터리 (10) 와 충방전 제어 회로 (20) 와 각각 접속되는 접점으로서 기능하고, 나머지 2 개의 접속 부재 (91) 가, 상기 서술한 배터리 (10) 의 전압값의 변동 대역에 따라 선택되는 단자부 (33a, 33b) 로서 기능한다.

또, 기판 (90a) 의 표면의 중앙부에는, 판상의 절연 부재 (92) 가 실장된다. 이 판상의 절연 부재 (92) 의 표면 (92a) 에는, 도체 (921) 와, 도체 (921) 와 접속된 저항체 (922) 와, 저항체 (922) 와 접속된 도체 (923) 가 실장되어 있다. 여기서, 도체 (923) 는, 단자부 (33b) 로서 기능하는 접속 부재 (91) 의 도체 (91c) 와 접속된다.

저항체 (922) 가 실장된 절연 부재 (92) 의 실장면에는, 추가로 판상의 절연 부재 (93) 가 실장된다. 이 판상의 절연 부재 (93) 의 표면 (93a) 에는, 도체 (931) 와, 도체 (931) 와 접속된 저항체 (932) 와, 저항체 (932) 와 접속된 도체 (933) 가 실장되어 있다. 여기서, 도체 (933) 는, 단자부 (33a) 로서 기능하는 접속 부재 (91) 의 도체 (91c) 와 접속된다.

저항체 (932) 가 실장된 절연 부재 (93) 의 실장면은, 절연 부재 (94) 에 의해 피복된다. 또한, 이 절연 부재 (94) 의 피복면에는, 도체 (95) 를 개재하여 저융점 금속체 (96) 이 실장된다. 또한, 도체 (95) 와 저융점 금속체 (96) 는 땜납 (96a) 에 의해 접속된다.

또, 도체 (921) 의 일방의 단부 및 도체 (931) 의 일방의 단부는, 도체 (95) 를 개재하여 저융점 금속체 (96) 와 접속된다. 구체적으로는, 도체 (921) 의 일방의 단부를 저항체 (922) 의 외주부보다 외측에 배치하고, 도체 (931) 의 일방의 단부를 절연 부재 (93) 의 외주부의 외측에 배치하고, 도체 (95) 의 단부를 절연 부재 (94) 의 외주부보다 외측에 배치하여, 각 부재를 적층했을 때에 각 단부가 일치하도록 한다.

저융점 금속체 (96) 는, 땜납 (96b) 을 개재하여 배터리 (10) 및 충방전 제어 회로 (20) 와 접속되는 접점으로서 기능하는 접속 부재 (91) 의 도체 (91c) 와 접속된다. 또, 저융점 금속체 (96) 의 상면에는 플럭스 (97) 가 형성된다.

또, 구조체 (90) 는, 저융점 금속체 (96) 의 상부에, 저융점 금속체 (96) 표면을 외부에 노출시키지 않도록 하기 위한 캡 (98) 이 형성된다. 또한, 캡 (98) 은, 4 개의 접속 부재 (91) 와 접착제 (98a) 에 의해 접착된다.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 구조체 (90) 에서는, 저항체 (922, 932) 가, 절연 부재 (93) 를 개재하여 서로 다른 저항체와 분리된 적층체에 의해 구성됨으로써, 예를 들어 상기 서술한 구조체 (60) 에 비해, 각 저항체를 실장하는 면적을 넓게 할 수 있고, 더 저융점 금속체를 보다 균일하게 가열하여 용융시킬 수 있다.

Claims (8)

1 이상의 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와 충방전 제어 회로 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되어, 가열에 의해 용단 (溶斷) 되는 저융점 금속체와,
통전되면 상기 저융점 금속체를 용융시키는 열을 발하는 복수의 저항체가 직렬 접속된 발열부를 구비하고,
상기 복수의 저항체의 단부 (端部) 중, 다른 저항체와 접속되어 있지 않은 2 개의 단부의 일방이, 상기 저융점 금속체의 전류 경로 상에 접속되어 있고,
상기 저융점 금속체와 접속되어 있지 않은 상기 저항체의 각 단부에는, 상기 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택되고, 상기 발열부에 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 소자와 접속되는 단자부가 형성되어 있고,
상기 단자부는, 상기 각 저항체의 단부로부터 배선을 개재하여 분기되어 형성되고 있고,
상기 발열부는, 상기 복수의 저항체가, 동일 평면 상에 형성되고, 상기 단자부와 접속된 배선에 의해 다른 저항체와 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 회로.

삭제

삭제

제 1 항에 있어서,
상기 저융점 금속체와 접속되어 있는 상기 저항체의 단부는, 그 저융점 금속체에 흐르는 전류 경로 상의 중간점에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 보호 회로.

1 이상의 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와 직렬로 접속되어, 그 배터리의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로와,
상기 배터리와 상기 충방전 제어 회로 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되어, 가열에 의해 용단되는 저융점 금속체와,
통전되면 상기 저융점 금속체를 용융시키는 열을 발하는 복수의 저항체가 직렬 접속된 발열부와,
상기 배터리의 각 배터리 셀의 전압값을 검출하는 검출 회로와,
상기 검출 회로에 의해 검출되는 각 배터리 셀의 전압값이 소정 범위 밖이 되었을 때에 상기 저융점 금속체로부터 상기 발열부에 전류를 흐르도록 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
상기 복수의 저항체의 단부 중, 다른 저항체와 접속되어 있지 않은 2 개의 단부의 일방이, 상기 저융점 금속체의 전류 경로 상에 접속되어 있고,
상기 전류 제어 소자는, 상기 저융점 금속체가 접속되어 있지 않은 상기 저항체의 단부에 형성된 단자부 중, 상기 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택된 단자부와 접속되어 있고,
상기 단자부는, 상기 각 저항체의 단부로부터 배선을 개재하여 분기되어 형성되고 있고,
상기 발열부는, 상기 복수의 저항체가, 동일 평면 상에 형성되고, 상기 단자부와 접속된 배선에 의해 다른 저항체와 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 제어 장치.

제 5 항에 있어서,
상기 전류 제어 소자는, 상기 배터리 셀의 접속 수의 증가에 따라 결정되는 상기 배터리의 전압값의 변동 대역이 고역 (高域) 이 되는 것에 수반되어, 상기 발열부와 접속된 복수의 단자부 중, 더 많은 상기 저항체에 전류가 흐르는 전류 경로 상의 단자부가 선택되어 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 제어 장치.

제 5 항에 있어서,
상기 전류 제어 소자를 복수 구비하고 있고,
상기 각 전류 제어 소자는, 상기 단자부 중, 상기 배터리의 전압값의 변동 대역이 분할된 대역마다 선택된 각 단자부와 각각 접속되고,
상기 배터리의 전압값의 변동 대역이 고역이 되는 것에 수반되어, 상기 전류 제어 소자와 접속된 단자부 중, 더 많은 상기 저항체에 전류가 흐르는 전류 경로 상의 단자부와 접속된 전류 제어 소자가, 상기 저융점 금속체로부터 상기 발열부에 전류가 흐르도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 제어 장치.

1 이상의 충방전 가능한 배터리 셀로 이루어지는 배터리와,
상기 배터리와 직렬로 접속되어 그 배터리의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로와,
상기 배터리와 상기 충방전 제어 회로 사이의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되어, 가열에 의해 용단되는 저융점 금속체와,
통전되면 상기 저융점 금속체를 용융시키는 열을 발하는 복수의 저항체가 직렬 접속된 발열부와,
상기 배터리의 각 배터리 셀의 전압값을 검출하는 검출 회로와,
상기 검출 회로에 의해 검출되는 각 배터리 셀의 전압값이 소정 범위 밖이 되었을 때에 상기 저융점 금속체로부터 상기 발열부에 전류를 흐르도록 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
상기 복수의 저항체의 단부 중, 다른 저항체와 접속되어 있지 않은 2 개의 단부의 일방이, 상기 저융점 금속체의 전류 경로 상에 접속되어 있고,
상기 전류 제어 소자는, 상기 저융점 금속체가 접속되어 있지 않은 상기 저항체의 단부에 형성된 단자부 중, 상기 배터리의 전압값의 변동 대역에 따라 선택된 단자부와 접속되어 있고,
상기 단자부는, 상기 각 저항체의 단부로부터 배선을 개재하여 분기되어 형성되고 있고,
상기 발열부는, 상기 복수의 저항체가, 동일 평면 상에 형성되고, 상기 단자부와 접속된 배선에 의해 다른 저항체와 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

Images