KR102381932B1 - 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과전압 용단부와 과전류 용단부가 구획되어 배치되는 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 보호소자는, 절연 기판; 상기 절연 기판의 양측 단부에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 절연 기판 상에서 상기 제1 전극과 외부 접속 전극 사이에 연결되는 발열체; 상기 발열체 상에 적층되는 절연 부재; 상기 절연 부재 상에 타 전극과 고립되어 적층되는 제1 용융체 집속 전극; 적어도 일부 영역이 상기 절연 부재 상에 위치하도록 상기 절연 기판 상에 타 전극과 고립되어 적층되는 제2 용융체 집속 전극; 및 상기 절연 기판 상에서 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 설치되며, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되도록 위치하여 상기 발열체에 의해 가열되어 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전압 용단부와, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되지 않는 영역에 위치하며 전체 전류 경로에서 과전류에 의해 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전류 용단부를 구비하는 가용도체를 포함한다.
본 발명에 따르면, 가용도체가 과전압 용단부와 과전류 용단부로 구획되며, 과전압 용단부의 수직 방향으로는 발열체 인출 전극 및 발열체를 배치하고, 과전류 용단부는 발열체 및 발열체 인출 전극과 수직 방향으로 중첩되지 않는 전류 경로에 배치함으로써, 과전압 용단과 과전류 용단을 기능적으로 분리시켜 확실한 용단 동작을 보장할 수 있으며, 가용도체가 용융된 이후 융융체 집속 전극에 집속되도록 하여 완전한 용단을 보장하며, 용단 이후 통전 경로가 발생되는 것을 확실하게 차단할 수 있으며, 정격전류가 증가하는 경우에는 과전류 용단부의 폭을 조절하는 것으로서 쉽게 설계 변경할 수 있으며, 과전압 용단부 및 히터의 면적과 규격은 일정하게 생산할 수 있으면서 전압의 증감에 따라 단지 히터의 저항만 조정하는 것으로 대응할 수 있어, 생산성을 크게 향상시키고 고객의 설계 변경 요구에 유연하게 대처할 수 있는 효과가 있다.

Description

보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩{PROTECTION ELEMENT AND BATTERY PACK INCLUDING THAT}

본 발명은 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과전압 용단부와 과전류 용단부가 구획되어 배치됨으로써, 과전압 용단 기능과 과전류 용단 기능을 분리하여 완전한 용단 동작을 보장할 수 있으며, 용단 후에 용융물을 확실하게 이격시켜 용단 후 도통 현상을 방지하며, 정격전류가 증가하는 경우에도 과전류 용단부의 폭을 조절하는 간단한 설계 변경으로 대응할 수 있고 과전압 용단부를 일정한 규격으로 생산할 수 있도록 한 새로운 구조의 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.

일반적으로 퓨즈(fuse)란 전기적인 회로에서 과전류를 차단하고, 과전류에서 용단되는 특성을 가진 보호소자를 의미한다. 다양한 전기 회로에서, 특히 이차 전지(secondary battery) 보호회로 등에서 보호소자가 사용되고 있으며, 최근에는 과전류뿐만 아니라 과전압에서도 용단되는 복합적인 기능의 보호소자가 이차 전지 보호를 위해 사용되고 있다.

리튬-이온 배터리로 대변되는 이차전지는 과충전이나 과방전에 의해 발열될 수 있어 보호회로를 사용하고 있다. 하지만, 그러한 보호회로의 사용에도 불구하고 최근 들어 이차전지의 배터리 팩이 발화하는 사고가 빈발하고 있다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리 팩의 보호회로에 사용되는 FET 등의 부품 이상 시에, 과전류가 흐르거나 서지 전압이 인가되어 과전압이 흐르는 등으로 인해 높은 열이 발생되고, 이러한 이상 과열이 배터리 팩의 화재나 폭발 사고를 유발한다.

이를 방지하기 위해, 이차전지 배터리 팩 내부에 보호회로와 병행하여 과전류 및 과전압에 의해 용단되는 보호소자가 사용된다. 종래 보호소자는 두 개의 전극 사이에 과전류가 인가될 때 가용도체가 용융되어 두 전극 사이의 전류 경로를 차단하는 방식으로 과전류에 대한 보호동작을 수행한다. 또한, 과전압에 대하여 동작되기 위해 발열체를 사용하며, 과전압에 의해 발열체가 가열되면 가용도체가 용융되어 경로를 차단한다.

이와 같은 보호소자는 정격전류가 증가할수록 특수한 설계를 요구하고 있다. 예를 들어, 정격전류가 증가할수록 가용도체의 면적이 증가하여야 한다. 이때, 과전압에 의한 용단 설계를 위해서는 가용도체의 면적 증가에 대응하여 히터의 발열량도 증가하여야 하므로 히터의 면적을 줄이거나 두께를 얇게 설치하는 등의 특수한 설계가 요구된다.

대한민국 등록특허 제10-2214299호 및 대한민국 등록특허 제10-2228110호는 높은 정격전류에 대응하여 가용도체의 면적 증가를 방지하기 위해 가용도체를 분리하는 구조를 제안하고 있다. 하지만, 분리된 두 가용도체가 발열체 인출 전극 상에 탑재되는 구조를 가지고 있으며, 발열체에 의해 두 가용도체를 용융시키는 구조를 가지고 있으므로 히터의 발열량 증가가 반드시 요구된다. 이러한 설계 구조에서는 과전압 발생 시에 신속한 용단이 어려운 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-2214299호 대한민국 등록특허 제10-2228110호

본 발명은 가용도체를 과전압 용단부와 과전류 용단부로 구획하여 형성하고, 과전압 용단부의 수직 방향으로는 발열체 인출 전극 및 발열체를 배치하며, 과전류 용단부는 발열체 및 발열체 인출 전극과 수직 방향으로 중첩되지 않는 전류 경로에 배치함으로써, 과전압 용단과 과전류 용단을 기능적으로 분리시켜 확실한 용단 동작을 보장할 수 있으며, 용단 후에 용융물이 식어가는 과정에서 재융착 되어 재도통되는 현상을 방지하며, 정격전류가 증가하는 경우에는 과전류 용단부의 폭을 조절하는 것으로서 쉽게 설계 변경할 수 있으며, 과전압 용단부 및 히터의 면적과 규격은 일정하게 생산할 수 있으면서 전압의 증감에 따라 단지 히터의 저항만 조정하는 것으로 대응할 수 있어, 생산성을 크게 향상시키고 고객의 설계 변경 요구에 유연하게 대처할 수 있도록 한 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 보호소자는, 절연 기판; 상기 절연 기판의 양측 단부에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 절연 기판 상에서 상기 제1 전극과 외부 접속 전극 사이에 연결되는 발열체; 상기 발열체 상에 적층되는 절연 부재; 상기 절연 부재 상에 타 전극과 고립되어 적층되는 제1 용융체 집속 전극; 적어도 일부 영역이 상기 절연 부재 상에 위치하도록 상기 절연 기판 상에 타 전극과 고립되어 적층되는 제2 용융체 집속 전극; 및 상기 절연 기판 상에서 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 설치되며, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되도록 위치하여 상기 발열체에 의해 가열되어 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전압 용단부와, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되지 않는 영역에 위치하며 전체 전류 경로에서 과전류에 의해 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전류 용단부를 구비하는 가용도체를 포함한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 보호소자는, 상기 발열체는 좌측단의 일부가 상기 제1 전극에 중첩되도록 배치되며, 우측단의 일부가 상기 제2 용융체 집속 전극에 대하여 절연된 상태에서 수직 방향으로 중첩되도록 배치된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 보호소자는, 상기 과전압 용단부와 상기 과전류 용단부는 수평 방향으로 구획되어 배치된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 보호소자는, 상기 과전류 용단부는 상기 과전압 용단부에 비해 작은 폭을 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 보호소자는, 상기 보호소자의 정격 전류가 증감함에 따라 상기 과전류 용단부는 그 폭이 증감된다.

또한, 본 발명은 전술한 일실시예의 보호소자; 및 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하며, 상기 배터리 셀의 충방전 경로에 상기 보호소자가 접속되어 상기 충방전 경로를 선택적으로 차단하는 배터리 팩을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 보호소자는, 제1 절연 기판; 상기 제1 절연 기판의 일측 단부에 배치되는 제1 전극; 상기 제1 절연 기판 상에서 상기 제1 전극과 외부 접속 전극 사이에 연결되는 발열체; 상기 발열체의 상부에 적층되는 제2 절연 기판; 상기 제2 절연 기판 상부의 일측 단부에 배치되며 상기 제1 전극과 접속되는 공통 제1 전극; 상기 제2 절연 기판 상부의 타측 단부에 배치되는 제2 전극; 상기 제2 절연 기판의 상부 중앙에 타 전극들과 고립되며 서로 나란하게 배치되는 제1 용융체 집속 전극 및 제2 용융체 집속 전극; 및 상기 제2 절연 기판 상에서 상기 공통 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 설치되며, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되도록 위치하여 상기 발열체에 의해 가열되어 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전압 용단부와, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되지 않는 영역에 위치하며 전체 전류 경로에서 과전류에 의해 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전류 용단부를 구비하는 가용도체를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보호소자는, 상기 발열체는 상기 공통 제1 전극, 상기 제1 용융체 집속 전극, 및 상기 제2 용융체 집속 전극에 대하여 수직 방향을 기준으로 적어도 일부 영역이 중첩되도록 배치된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보호소자는, 상기 발열체는 좌측단의 일부가 상기 공통 제1 전극의 우측단 일부에 대하여 중첩되며, 중앙부는 상기 제1 용융체 집속 전극의 폭방향 전체 영역에 중첩되며, 우측단의 일부가 상기 제2 용융체 집속 전극의 좌측단 일부에 대하여 중첩되도록 배치된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보호소자는, 상기 과전압 용단부와 상기 과전류 용단부는 수평 방향으로 구획되어 배치된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보호소자는, 상기 과전류 용단부는 상기 과전압 용단부에 비해 작은 폭을 갖는다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 보호소자는, 상기 보호소자의 정격 전류가 증감함에 따라 상기 과전류 용단부는 그 폭이 증감된다.

또한, 본 발명은 전술한 다른 실시예의 보호소자; 및 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하며, 상기 배터리 셀의 충방전 경로에 상기 보호소자가 접속되어 상기 충방전 경로를 선택적으로 차단하는 배터리 팩을 제공한다.

본 발명의 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩에 따르면, 가용도체가 과전압 용단부와 과전류 용단부로 구획되며, 과전압 용단부의 수직 방향으로는 발열체 인출 전극 및 발열체를 배치하고, 과전류 용단부는 발열체 및 발열체 인출 전극과 수직 방향으로 중첩되지 않는 전류 경로에 배치함으로써, 과전압 용단과 과전류 용단을 기능적으로 분리시켜 확실한 용단 동작을 보장할 수 있으며, 가용도체가 용융된 이후 융융체 집속 전극에 집속되도록 하여 완전한 용단을 보장하며, 용단 이후 통전 경로가 발생되는 것을 확실하게 차단할 수 있으며, 정격전류가 증가하는 경우에는 과전류 용단부의 폭을 조절하는 것으로서 쉽게 설계 변경할 수 있으며, 과전압 용단부 및 히터의 면적과 규격은 일정하게 생산할 수 있으면서 전압의 증감에 따라 단지 히터의 저항만 조정하는 것으로 대응할 수 있어, 생산성을 크게 향상시키고 고객의 설계 변경 요구에 유연하게 대처할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 보호소자의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 보호소자의 일실시예를 보인 분해 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 보호소자의 일실시예에 따른 부분 결합 사시도,
도 4는 도 3에 가용도체가 결합된 상태를 보인 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 보호소자의 다른 실시예를 보인 분해 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 보호소자의 다른 실시예에 따른 부분 결합 사시도,
도 7은 도 6의 결합 상태를 예시한 평면도, 및
도 8은 본 발명에서 가용도체가 용융된 이후의 상태를 예시한 사시도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.

실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 보호소자의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 보호소자(100)는 SMD(Surface Mount Device) 타입으로 제공될 수 있다. SMD 타입의 보호소자는 PCB(Printed Circuit Board)를 사용하는 다양한 산업군에서 높은 호환성으로 적용 가능하다는 이점이 있다. 예를 들어, 스마트폰, 태블릿, 노트북, 데스크탑 PC 등 최근 시장이 급성장한 제품들은 물론 TV 등의 가전제품 상당수에 SMD 타입의 보호소자를 탑재하는 것은 매우 용이하다. 물론 본 발명의 보호소자는 SMD 타입이 아닌 다른 타입으로 제공될 수 있으며, 알려진 다양한 제조 공정을 통해 제조될 수 있다.

또한, 도 1에서 도 8의 예시는 본 발명의 보호소자를 예시하고 있지만, 본 발명의 기술사상은 아래에 기술하는 보호소자를 포함하는 배터리 팩으로 확장될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀들을 직, 병렬 연결한 어레이의 양극 단자와 음극 단자 사이에 과전류 보호를 위한 IC와 과전압 보호를 위한 IC가 설치되고, 본 발명의 보호소자가 추가로 설치되어 배터리 팩을 구성할 수 있다. 본 출원인의 등록특허 제10-2227864호에 언급된 바와 같이, 배터리 셀(또는, 배터리 셀들이 집합된 어레이)의 충방전 경로 중 직렬 라인에서 과전류가 흐를 경우, 아래에서 설명하는 제1 전극(182)과 제2 전극(198) 사이에 과전류가 인가되어 가용도체(150)의 과전류 용단부(154)가 용단되며, 이를 통해 과전류가 배터리 셀에 인가되는 것을 차단할 수 있다. 또한, 과전압이 인가될 경우 아래에서 설명하는 제1 전극(182)과 외부 접속 전극(184) 사이에 과전압 신호가 인가되며 발열체(140)의 발열에 의해 가용도체(150)의 과전압 용단부(152)가 용단되며, 이를 통해 과전압이 배터리 셀에 인가되는 것을 차단할 수 있다.

도 1과 같이 보호소자 조립체의 상부에는 보호캡(110)이 설치될 수 있다. 보호캡(110)은 보호소자를 외부의 충격으로부터 보호하고 내부 구성품들이 외부에 대하여 절연 상태를 유지하도록 한다. 보호캡(110)은 상면이 밀폐되며 하면은 상측을 향해 함몰되어 가용도체 등의 구성품을 수용하는 공간을 형성한다. 도 1에서와 같이, 보호캡(110)의 양 단변부에는 상측을 향해 절개된 통기 단홈부(112)가 형성되며, 양 장변부에는 상측을 향해 절개된 통기 장홈부(114)가 형성된다. 통기 단홈부(112)와 통기 장홈부(114)는 가용도체가 용융될 때 발생되는 열을 외부로 방출함으로써 보호캡(110)이 고온의 열에 의해 녹는 현상을 방지한다.

도 2 내지 4는 본 발명에 따른 보호소자의 일실시예를 보인 도면으로 한 장의 절연 기판(120) 상에 구성품들이 실장되는 예를 나타내고 있으며, 도 5 내지 8은 본 발명에 따른 보호소자의 다른 실시예를 보인 도면으로 두 장의 절연 기판(120, 130) 상에 구성품들이 실장되는 예를 나타내고 있다. 본 발명에 따른 보호소자는 가용도체(150)가 과전압 용단부(152)와 과전류 용단부(154)로 구획되어 배치되는 특징을 갖는 발명으로, 과전압 용단부(152)는 발열체(140)의 상방에 수직 방향으로 중첩되도록 위치하여 발열체의 가열에 의해 용융되는 구성이며, 과전류 용단부(154)는 발열체(140)와 중첩되지 않는 전류 경로에서 과전류에 의해 용융되는 구성이다. 본 발명은 종래 보호소자의 가용도체가 과전류와 과전압에 의해 모두 용융되도록 구성되던 것과 달리, 과전압 용단부(152)와 과전류 용단부(154)를 구획하고 기능적으로 분리함으로써 정격전류의 증감에도 보호소자의 특수한 설계를 요구하지 않도록 함에 특징이 있는 발명이다. 또한, 본 발명은 타 전극들과 고립되어 배치되는 제1 용융체 집속 전극(194) 및 제2 용융체 집속 전극(196)을 이용하여 가용도체가 용융된 이후 용융물을 확실하게 이격시킴으로써, 용융물이 식어가는 과정에서 달라붙거나 미세한 균열만을 일으켜 재도통되는 현상을 방지하는 구조를 제공한다.

이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 기술사상을 잘 나타내는 실시예일 뿐이며, 본 발명은 3장 이상의 절연 기판을 포함할 수도 있음은 물론이다. 이하에서는 도 2 내지 4를 참조하여 한 장의 절연 기판(120)으로 구성되는 실시예를 먼저 설명하고, 도 5 내지 8을 참조하여 두 장의 절연 기판(120, 130)으로 구성되는 실시예를 나중에 설명한다. 도 5 내지 8의 실시예를 설명함에 있어 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 보호소자의 일실시예를 보인 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 보호소자의 일실시예에 따른 부분 결합 사시도이고, 도 4는 도 3에 가용도체가 결합된 상태를 보인 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 보호소자는 절연 기판(120)과, 발열체(140)와, 가용도체(150)와, 절연 부재(160)로 구성된다. 절연 기판(120)은 세라믹 등과 같은 재질로 형성되는 절연성 부재의 기판으로 구성품들이 실장되는 기판이이다. 절연 기판(120)의 하부에는 제1 하부 전극(172)과, 제2 하부 전극(174)과, 제3 하부 전극(176)이 접속된다. 제1 하부 전극(172)과 제2 하부 전극(174)은 주 전류 경로를 형성하는 전극으로 각각 절연 기판(120) 상부의 제1 전극(182) 및 제2 전극(198)과 접속된다. 제3 하부 전극(176)은 외부 접속 전극(184)이 접속되는 전극으로, 제1 하부 전극(172)과의 사이에서 과전압 신호(또는 발열체 동작 신호)를 인가하기 위한 전극이다. 제1 하부 전극(172), 제2 하부 전극(174), 및 제3 하부 전극(176)은 SMD 타입의 보호소자가 인쇄회로기판 위에 실장되기 위한 하부 전극을 형성한다. 또한, 고전류 보호소자의 경우 제1 하부 전극(172), 제2 하부 전극(174), 및 제3 하부 전극(176)에 도시 안된 외부 연결 터미널이 더 접속될 수도 있다.

도시한 바와 같이, 절연 기판(120)을 길이 방향을 따라 이등분 했을 때, 절연 기판(120)의 일측부에는 발열체 인출 전극(180)이 탑재된다. 발열체 인출 전극(180)은 발열체에 과전압 신호를 인가하기 위한 전극으로서, 발열체 인출 전극(180)의 일단부는 절연 기판(120)의 일측 단부에 배치되는 제1 전극(182)에 연결된다. 발열체 인출 전극(180)의 타단부는 외부 접속 전극(184)에 연결된다.

도 2를 참조하면, 발열체 인출 전극(180)과 외부 접속 전극(184) 사이에 발열체(140)가 탑재된다. 발열체(140)는 제1 전극(182)과 외부 접속 전극(184) 사이에 과전압이 인가될 때 전기 저항에 의해 발열되는 물질로 구성된다. 그리고 발열체(140) 위에는 발열체(140), 발열체 인출 전극(180), 및 외부 접속 전극(184)을 커버하도록 절연 부재(160)가 적층된다. 절연 부재(160)는 가용도체(150)가 발열체(140), 발열체 인출 전극(180), 및 외부 접속 전극(184)에 대하여 절연되도록 하는 부재로서, 과전압 신호가 가용도체(150)에 직접 전달되지 않도록 하는 부재이다. 절연 부재(160)는 세라믹 박막 또는 유리 박막 등의 절연 물질로 구성될 수 있다.

도시한 바와 같이, 절연 기판(120)을 길이 방향을 따라 이등분 했을 때, 절연 기판(120)의 타측 단부에는 제2 전극(198)이 탑재된다. 제1 전극(182)이 주 전류의 인입 전극이라면 제2 전극(198)은 주 전류의 인출 전극으로 기능한다. 물론, 그 반대의 전류 경로를 형성할 수도 있다.

도 2 및 3을 참조하면, 절연 기판(120) 상에는 제1 전극(182) 및 제2 전극(198)과 나란하게 배치되되 서로 이격되도록 두 개의 용융체 집속 전극(194, 196)이 배치된다. 도시한 바와 같이, 제1 용융체 집속 전극(194) 및 제2 용융체 집속 전극(196)은 다른 전극들과 연결되지 않고 고립되도록(마치 섬(island)과 같이) 배치된다.

도 3에서 점선으로 묘사한 바와 같이, 발열체(140)는 좌측단의 일부가 제1 전극(182)의 우측단 일부 영역에 중첩되도록 배치되며, 중앙부는 제1 용융체 접속 전극(194)의 폭 방향 전체 영역에 중첩되도록 배치되며, 우측단의 일부가 제2 용융체 집속 전극(196)의 좌측단 일부 영역에 중첩되도록 배치된다. 그리고, 제1 용융체 집속 전극(194)은 절연 부재(160)를 벗어나지 않도록 절연 부재(160) 위에 고립된 상태로 배치된다. 제2 용융체 집속 전극(196)은 폭방향의 일부 영역 또는 전체 영역이 절연 부재(160) 상에 고립된 상태로 배치된다. 따라서 제1 용융체 집속 전극(194) 및 제2 용융체 집속 전극(196)은 발열체(140), 발열체 인출 전극(180), 및 외부 접속 전극(184)에 대하여 절연된 상태를 유지한다.

도 2 및 4를 참조하면, 제1 전극(182), 제1 용융체 집속 전극(194), 제2 용융체 집속 전극(196), 및 제2 전극(198)을 모두 횡단하도록 가용도체(150)가 배치된다. 가용도체(150)는 발열체(140)의 상방에 수직 방향으로 중첩되도록 위치하여 발열체(140)에 의해 가열되어 용융되는 과전압 용단부(152)와, 발열체(140)와 중첩되지 않는 전류 경로에서 과전류에 의해 용융되는 과전류 용단부(154)를 구비한다.

과전압 용단부(152)와 과전류 용단부(154)는 수평 방향으로 구획되어 배치된다. 도시된 예시에서 과전류 용단부(154)는 과전압 용단부(152)에 비해 작은 폭을 가진다. 물론, 과전압 용단부(152)와 과전류 용단부(154)는 동일한 폭으로 설계될 수도 있고, 과전류 용단부(154)가 과전압 용단부(152)에 비해 더 큰 폭으로 설계될 수도 있다. 본 발명에 따르면, 과전압 용단부(152)는 보호소자의 정격전류와 관계없이 일정한 크기와 면적을 가질 수 있다. 이에 따라 정격전류가 달라져도 과전압 용단부(152)를 일정하게 설계할 수 있다. 반면, 과전류 용단부(154)는 보호소자의 정격 전류가 증감함에 따라 그 폭이 증감될 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 정격전류가 증감되는 경우에도 과전류 용단부(154)의 폭만을 변경하여 가용도체를 설계할 수 있어 양산성을 향상시키며 고객사의 요구에 즉각 대응하여 설계를 변경할 수 있는 자유도를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 보호소자의 과전류 용단 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제1 전극(182)과 제2 전극(198)이 각각 이차 전지의 배터리 충방전 경로에 연결되었을 때, 이 충방전 경로를 따라 과전류가 흐른다고 가정해보자. 제1 전극(182)으로부터 제2 전극(198)을 향해 흐르는 과전류에 의해 상대적으로 폭이 좁은 과전류 용단부(154)가 과전압 용단부(152)에 비해 먼저 용융된다. 이때, 가용도체(150)가 용융된 용융체는 제2 전극(198)과 제2 용융체 집속 전극(196)에 집속될 것이다. 이에 따라 전체 전류 경로가 차단되며, 비록 과전압 용단부(152)가 후속하여 용단되지 않고 잔존하여도, 완전한 차단 동작을 이룰 수 있다.

다음으로, 이차 전지 팩에 과전압이 발생하는 경우, 제1 전극(182)과 외부 접속 전극(184) 사이에 과전압 신호가 인가되며 발열체(140)가 발열을 개시하게 된다. 발열체(140)의 발열에 의해 과전압 용단부(152)가 용융되며, 용융체는 제1 전극(182)과 제1 용융체 집속 전극(194)에 집속될 것이다. 그리고 과전류 용단부(154)가 잔존하여 제2 용융체 집속 전극(196)과 제2 전극(198)에 걸쳐 있는 상태라 하여도 제1 용융체 집속 전극(194)에 집속된 용융부와 제2 용융체 집속 전극(196)에 집속된 용융부가 이격되므로 도 8에서 묘사하는 바와 같이 2곳의 단절부가 생성된다. 따라서 완전한 차단 동작을 이룰 수 있다.

한편, 절연 기판(120)의 장변부와 단변부에는 각각 내측으로 오목한 캐스털레이션부(122, 124)가 형성될 수 있다. 그리고 제1 전극(182)과 제1 하부 전극(172), 제2 전극(198)과 제2 하부 전극(174), 외부 접속 전극(184)와 제3 하부 전극(176)의 대응하는 부분 역시 내측으로 오목하게 형성되어 상하의 전극들이 상호 접속된다. 캐스털레이션부(122, 124)는 상하의 전극들이 접속되는 면적을 증가시키며, 가용도체가 용융된 용융체가 절연 기판(120)의 에지부를 따라 아래로 흘러 내리도록 유도함으로써, 용융체가 굳어져 단락을 일으키는 것을 방지하도록 기능할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 보호소자의 다른 실시예를 보인 분해 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 보호소자의 다른 실시예에 따른 부분 결합 사시도이고, 도 7은 도 6의 결합 상태를 예시한 평면도이고, 도 8은 본 발명에서 가용도체가 용융된 이후의 상태를 예시한 사시도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명은 과전압 용단을 위한 구성품들과 과전류 용단을 위한 구성품들이 서로 다른 절연 기판 상에 실장될 수도 있다. 이 경우, 앞선 실시예에서 설명한 절연 부재(160)는 필요하지 않다.

도 5를 참조하면, 제1 절연 기판(120)의 일측부에는 발열체 인출 전극(180)이 탑재된다. 발열체 인출 전극(180)의 일단부는 제1 전극(182)에 연결되며, 발열체 인출 전극(180)의 타단부는 외부 접속 전극(184)에 연결된다. 그리고 발열체 인출 전극(180) 상에 발열체(140)가 탑재된다.

제1 절연 기판(120) 상에는 동일한 평면적을 갖는 제2 절연 기판(130)이 적층된다. 제2 절연 기판(130)은 제1 절연 기판(120)과 동일한 세라믹 재질의 기판으로 구성될 수 있다.

제2 절연 기판(130) 상에는 공통 제1 전극(192), 제1 용융체 집속 전극(194), 제2 용융체 집속 전극(196), 및 제2 전극(198)이 순차로 배치된다. 도시한 바와 같이, 공통 제1 전극(192), 제1 용융체 집속 전극(194), 제2 용융체 집속 전극(196), 및 제2 전극(198)은 모두 나란하게 배치되되 서로 이격되도록 배치된다. 공통 제1 전극(192)은 제2 절연 기판(130)의 일측 단부에 배치되는 전극으로서, 수직 하방에 위치한 제1 전극(182)와 접속되며, 주 전류의 인입 전극으로서 기능한다. 제2 전극(198)은 제2 절연 기판(130)의 타측 단부에 배치되는 전극으로서 주 전류의 인출 전극으로서 기능한다. 물론, 그 반대의 전류 경로를 형성할 수도 있다.

앞선 실시예와 마찬가지로, 제1 용융체 집속 전극(194) 및 제2 용융체 집속 전극(196)은 다른 전극들과 연결되지 않고 고립되도록(마치 섬(island)과 같이) 배치된다.

도 6을 참조하면, 공통 제1 전극(192), 제1 용융체 집속 전극(194), 제2 용융체 집속 전극(196), 및 제2 전극(198)을 모두 횡단하도록 가용도체(150)가 배치된다. 가용도체(150)가 발열체(140)의 상방에 수직 방향으로 중첩되도록 위치하여 발열체(140)에 의해 가열되어 용융되는 과전압 용단부(152)와, 발열체(140)와 중첩되지 않는 전류 경로에서 과전류에 의해 용융되는 과전류 용단부(154)를 구비하는 것은 앞선 실시예와 동일하다. 또한, 과전압 용단부(152)의 용단 동작과 과전류 용단부(154)의 용단 동작 역시 앞선 실시예와 동일하다.

과전압 용단부(152)와 과전류 용단부(154)는 수평 방향으로 구획되어 배치된다. 또한, 과전류 용단부(154)는 과전압 용단부(152)에 비해 작은 폭을 가질 수 있다. 과전압 용단부(152)는 보호소자의 정격전류와 관계없이 일정한 크기와 면적을 가질 수 있다. 반면, 과전류 용단부(154)는 보호소자의 정격 전류가 증감함에 따라 그 폭이 증감될 수 있다.

한편, 제2 절연 기판(130)의 장변부와 단변부에도 각각 내측으로 오목한 캐스털레이션부(132, 134)가 형성될 수 있으며, 캐스털레이션부(132, 134)는 상하의 전극들이 접속되는 면적을 증가시키며, 가용도체가 용융된 용융체가 제2 절연 기판(130)의 에지부를 따라 아래로 흘러 내리도록 유도함으로써, 용융체가 굳어져 단락을 일으키는 것을 방지하도록 기능할 수 있다.

도 7을 참조하면, 제2 절연 기판(130)을 길이방향 중심선(A-A')을 따라 가상의 절취선으로 구분할 때, 본 발명의 보호소자는 좌측의 과전압 용단부와 우측의 과전류 용단부가 구획되어 배치되는 구조를 갖는다. 이는 종래의 보호소자가 가용도체를 기준으로 할 때 과전압에 의한 용단 기능을 하는 구성과 과전류에 의한 용단 기능을 하는 구성들이 모두 수직적으로 설계된 것과 대비하여, 서로 다른 두 기능의 구성들이 수평적으로 구획되어 설계된다는 차이를 보인다. 즉, 본 발명의 보호소자는 종래기술에 비해 수직 적층 구조를 최소화 할 수 있다.

도 6 및 7에서 점선으로 묘사한 바와 같이, 발열체(140)는 좌측단의 일부가 공통 제1 전극(192)의 우측단 일부 영역에 중첩되도록 배치되며, 중앙부는 제1 용융체 접속 전극(194)의 폭 방향 전체 영역에 중첩되도록 배치되며, 우측단의 일부가 제2 용융체 집속 전극(196)의 좌측단 일부 영역에 중첩되도록 배치된다. 즉, 발열체(140)에 의해 공통 제1 전극(192), 제1 용융체 집속 전극(194), 및 제2 용융체 집속 전극(196)이 모두 가열된다. 다만, 제2 절연 기판(130)에 의해 공통 제1 전극(192), 제1 용융체 집속 전극(194), 및 제2 용융체 집속 전극(196)은 발열체(140)에 대하여 절연된 상태를 유지할 수 있다.

도 8은 본 발명에서 가용도체가 용융된 이후의 상태를 예시한 사시도로서, 과전압이 발생한 경우를 예시하고 있다. 발열체(140)가 과전압 용단부(152)의 거의 전 영역을 가열함으로써, 그리고, 발열체(140)가 공통 제1 전극(192), 제1 용융체 집속 전극(194), 및 제2 용융체 집속 전극(196)을 모두 가열함으로써, 가용도체(150)가 용융된 용융물은 3개의 용융부(제1 용융부, 제2 용융부, 제3 용융부)로 분리되어 각각 가열된 전극들에 집속된다. 제1 용융부(210)는 공통 제1 전극(192)에 이끌리어 집속된다. 제2 용융부(220)는 제1 용융체 집속 전극(194)에 이끌리어 집속된다. 제3 용융부(230)는 제2 용융체 집속 전극(196)에 이끌리어 집속된다. 도시한 바와 같이, 제1 용융부(210)와 제2 용융부(220)의 사이, 그리고, 제2 용융부(220)와 제3 용융부(230)의 사이, 두 곳의 단절부가 발생되어 전체 전류 경로를 완전하게 차단할 수 있다. 또한, 각 용융부들 사이를 충분히 이격시킴으로써, 가용도체의 용융물이 식어가는 과정에서 재도통 되는 것을 방지할 수 있다.

나아가, 본 발명의 보호소자(및 이를 포함하는 배터리 팩)는 과전압 용단과 과전류 용단을 기능적으로 분리시켜 과전류의 발생 시에는 물론 과전압의 발생 시에도 확실한 용단 동작을 보장할 수 있다. 또한, 종래에는 보호소자의 정격전류가 증가함에 따라 점차 특수한 설계가 요구되던 것에 반해, 정격전류가 증가하는 경우에도 과전류 용단부의 폭을 조절하고 발열체의 저항을 조정하는 것만으로 쉽게 대응할 수 있다. 즉, 본 발명은 보호소자의 정격전류가 증감함에도 불구하고 과전압 용단부 및 발열체의 면적과 규격은 일정하게 유지할 수 있다는 기술적 장점을 갖는다. 이는 보호소자의 정격전류 증가 시에 가용도체의 면적 증가에 의해 과전압에 대한 속응성이 떨어지는 종래의 문제점을 해결하고 과전압에 대한 속응성을 좋게 할 수 있도록 하며, 보호소자의 양산성을 양호하게 하고 불량률을 감소시키며, 고객의 설계 변경 요구에 신속하고 유연하게 대처할 수 있는 기술적 장점을 발생시킨다.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

100 : 보호소자 110 : 보호캡
112 : 통기 단홈부 114 : 통기 장홈부
120 : 절연 기판(제1 절연 기판) 122, 124 : 캐스털레이션부
130 : 제2 절연 기판 132, 134 : 캐스털레이션부
140 : 발열체 150 : 가용도체
152 : 과전압 용단부 154 : 과전류 용단부
160 : 절연 부재 172 : 제1 하부 전극
174 : 제2 하부 전극 176 : 제3 하부 전극
180 : 발열체 인출 전극 182 : 제1 전극
184 : 외부 접속 전극 192 : 공통 제1 전극
194 : 제1 용융체 집속 전극 196 : 제2 용융체 집속 전극
198 : 제2 전극 210 : 제1 용융부
220 : 제2 용융부 230 : 제3 용융부

Claims (13)

1. 절연 기판;
   상기 절연 기판의 양측 단부에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;
   상기 절연 기판 상에서 상기 제1 전극과 외부 접속 전극 사이에 연결되는 발열체;
   상기 발열체 상에 적층되는 절연 부재;
   상기 절연 부재 상에 타 전극과 고립되어 적층되는 제1 용융체 집속 전극;
   적어도 일부 영역이 상기 절연 부재 상에 위치하도록 상기 절연 기판 상에 타 전극과 고립되어 적층되는 제2 용융체 집속 전극; 및
   상기 절연 기판 상에서 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 설치되며, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되도록 위치하여 상기 발열체에 의해 가열되어 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전압 용단부와, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되지 않는 영역에 위치하며 전체 전류 경로에서 과전류에 의해 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전류 용단부를 구비하는 가용도체
   를 포함하는 보호소자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 발열체는 좌측단의 일부가 상기 제1 전극에 중첩되도록 배치되며, 우측단의 일부가 상기 제2 용융체 집속 전극에 대하여 절연된 상태에서 수직 방향으로 중첩되도록 배치되는 보호소자.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 과전압 용단부와 상기 과전류 용단부는 수평 방향으로 구획되어 배치되는 보호소자.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 과전류 용단부는 상기 과전압 용단부에 비해 작은 폭을 갖는 보호소자.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 보호소자의 정격 전류가 증감함에 따라 상기 과전류 용단부는 그 폭이 증감되는 보호소자.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 보호소자; 및
   적어도 하나의 배터리 셀을 포함하며,
   상기 배터리 셀의 충방전 경로에 상기 보호소자가 접속되어 상기 충방전 경로를 선택적으로 차단하는 배터리 팩.
   
7. 제1 절연 기판;
   상기 제1 절연 기판의 일측 단부에 배치되는 제1 전극;
   상기 제1 절연 기판 상에서 상기 제1 전극과 외부 접속 전극 사이에 연결되는 발열체;
   상기 발열체의 상부에 적층되는 제2 절연 기판;
   상기 제2 절연 기판 상부의 일측 단부에 배치되며 상기 제1 전극과 접속되는 공통 제1 전극;
   상기 제2 절연 기판 상부의 타측 단부에 배치되는 제2 전극;
   상기 제2 절연 기판의 상부 중앙에 타 전극들과 고립되며 서로 나란하게 배치되는 제1 용융체 집속 전극 및 제2 용융체 집속 전극; 및
   상기 제2 절연 기판 상에서 상기 공통 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 설치되며, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되도록 위치하여 상기 발열체에 의해 가열되어 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전압 용단부와, 상기 발열체의 상방에 수직 방향으로 중첩되지 않는 영역에 위치하며 전체 전류 경로에서 과전류에 의해 용융됨으로써 전체 전류 경로를 차단하는 과전류 용단부를 구비하는 가용도체
   를 포함하는 보호소자.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 발열체는 상기 공통 제1 전극, 상기 제1 용융체 집속 전극, 및 상기 제2 용융체 집속 전극에 대하여 수직 방향을 기준으로 적어도 일부 영역이 중첩되도록 배치되는 보호소자.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 발열체는 좌측단의 일부가 상기 공통 제1 전극의 우측단 일부에 대하여 중첩되며, 중앙부는 상기 제1 용융체 집속 전극의 폭방향 전체 영역에 중첩되며, 우측단의 일부가 상기 제2 용융체 집속 전극의 좌측단 일부에 대하여 중첩되도록 배치되는 보호소자.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 과전압 용단부와 상기 과전류 용단부는 수평 방향으로 구획되어 배치되는 보호소자.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 과전류 용단부는 상기 과전압 용단부에 비해 작은 폭을 갖는 보호소자.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 보호소자의 정격 전류가 증감함에 따라 상기 과전류 용단부는 그 폭이 증감되는 보호소자.
    
13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항의 보호소자; 및
    적어도 하나의 배터리 셀을 포함하며,
    상기 배터리 셀의 충방전 경로에 상기 보호소자가 접속되어 상기 충방전 경로를 선택적으로 차단하는 배터리 팩.

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