KR20010082004A - 2차 전지의 보호회로 및 보호소자 - Google Patents

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KR20010082004A
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Abstract

본 발명은 과충전 상태가 계속됨에 따라 전지 파괴를 방지하는 2차 전지의 보호회로와, 이 회로에 적용하는 보호소자로 구성된다. 2차 전지(3)의 과충전, 과방전, 과대방전전류를 검출하여 제 1 FET(11) 또는 제 2 FET(12)를 차단상태로 제어하는 주제어회로(1)를 구비한 주보호회로(A)와, 주제어회로(1)에 의한 과충전 저지기능이 정상적으로 동작하지 않을 때 제 3 FET(13)를 차단상태로 제어하는 부제어수단(2)을 구비한 부보호회로(B)에 의해 과충전으로부터 2차 전지(3)를 이중으로 보호한다.

Description

2차 전지의 보호회로 및 보호소자{CIRCUIT AND DEVICE FOR PROTECTING SECONDARY BATTERY}
2차 전지에 있어서, 적정한 충전조건을 넘은 과충전은 전해액의 분해에 따르는 가스의 발생이나 발열의 원인이 되어 전지성능의 열화나 파손 등을 초래하게 된다. 특히 리튬계 2차 전지가 일정 범위의 전압을 넘어 작동하면 전지의 열화나 손상을 받는 정도가 크기 때문에 잘못된 전지사용으로부터 2차 전지를 보호하기 위해 전지보호장치가 설치된다.
상기 전지보호장치는 PTC(Positive Temperature Coefficient)나 전류차단밸브로서 2차 전지 자체에 장착되는 것과, 2차 전지의 충전/방전회로를 이상상태에 따라 차단하는 전지보호회로를 형성한 회로기판 등으로 구성된다. 상기 PTC는 2차 전지의 충전/방전회로에 직렬로 접속되고, 과대전류에 의해 자기발열하며, 온도상승에 의한 저항값의 급증에 따라 과대전류를 저지하는 것으로, 비교적 대형의 2차 전지에서는 전지의 봉입부 내에 설치된다. 또 상기 전류차단밸브는 2차 전지의 봉입부에 장착되는 것으로, 2차 전지 내에 발생한 가스에 의한 내압의 상승에 의해변형되고, 허용치를 넘는 내압이 가해졌을 때에 파열되어 가스를 방출하는 동시에, 파열에 의해 충전/방전회로의 통전전류를 차단한다. 이 PTC 및 전류차단밸브는 비교적 대형이며 원통형의 리튬이온 2차 전지에 있어서는 2차 전지 자체가 구비되는 기구로서 공지되어 있다.
또 상기 전지보호회로는 일본국 특허 2872365호 공보 등에 개시되어 있고, 도 12에 도시된 바와 같은 구성으로 되어 있다. 제어수단(33)에 의해 2차 전지(30)의 전압을 검출하고, 충전가능전압 이상의 전압이 검출되었을 때 충전/방전회로에 직렬로 접속된 MOSFET(31)을 차단상태로 제어하고, 충전/방전회로를 차단하여 충전전류를 저지한다. 또 방전가능전압 이하의 전압이 검출되었을 때, 충전/방전회로에 직렬로 접속된 MOSFET(32)을 차단상태로 제어하여 충전/방전회로를 차단하여 방전전류를 저지한다. 이 제어에 의해 2차 전지(30)를 과충전이나 과방전에 의한 파손이나 열화로부터 보호할 수 있다.
그러나 전지보호회로가 정상으로 동작하지 않을 때, 특히 과충전 방지의 제어가 정상으로 기능하지 않을 때, 2차 전지(30)는 과충전상태로 진행되므로 전해액이 분해되어 온도상승과 함께 가스의 발생에 의해 파열할 우려가 있다. 따라서 도 13에 도시된 바와 같이, 과충전, 과방전 및 과전류를 방지하는 제어를 행하는 제어수단(34)과, 이 제어수단(34)에 동작이상이 생겼을 때에 과충전상태를 정지시키는 과충전 제어수단(36)을 설치한 전지보호회로로 구성되어 있다.
이 구성에서는 제어수단(34)에 의해 과충전, 과방전 및 과전류를 제어하고, 이 제어수단(34)의 과충전방지의 제어기능에 고장이나 오동작 등의 동작이상이 발생되었을 때, 과충전 제어수단(36)에 의해 과충전상태에 대응하는 전압이 검출되므로 과충전 제어수단(36)은 MOSFET(35)을 도통상태로 제어한다. 이 MOSFET(35)의 도통에 의해 저항기(18)는 발열하여 열결합된 온도퓨즈(19)를 용단시켜 2차 전지(30)의 충전/방전회로를 차단한다.
상기 구성에 의해 2차 전지(30)가 가장 나쁜 상태에 빠지는 과충전의 계속상태를 피할 수 있고, 과충전을 저지하는 구성이 이중으로 설치되게 되어, 과충전상태가 계속되어 가스발생이 방지되므로, 상술한 바와 같이 기계적으로 통전회로를 차단하는 전류차단밸브를 닫는 것도 가능해진다.
그러나 상기 종래 구성에 의한 이중으로 설치된 과충전 방지회로는 과충전상태가 계속되는 경우에 전지파괴를 방지하는 데에 유효하지만, 제 1 제어수단에 결함이 생겼을 때에 동작하는 제 2 제어수단은 비복귀 차단수단을 동작시키기 때문에 그 동작을 검사할 수 없어, 개개의 동작상태를 검사함으로써 확실한 동작을 확보하여 신뢰성을 얻을 수는 없다. 과충전 보호회로는 리튬이온 2차 전지 등의 에너지밀도가 높은 2차 전지에서는 확실한 동작이 불가결하고, 개개의 2차 전지 또는 전지 팩에 보호회로의 동작을 검사하여 신뢰성의 확보가 필요하다.
또 온도퓨즈나 가열수단 등은 집적회로에 내장하는 것이 불가능하고, 그것을 설치할 공간이 필요하기 때문에 소형의 2차 전지를 이용하여 콤팩트한 전지 팩을 구성하거나, 2차 전지에 보호회로를 일체화시킨 보호회로가 부착된 2차 전지를 구성하는 데 장해가 된다.
또 휴대기기를 소형화하기 위해서는 2차 전지의 소형화가 중요한 과제로 되어 있고, 또 소형화하더라도 용적당 에너지 밀도를 향상시킬 필요가 있다. 이것을 달성하기 위해 기계적으로 통전회로를 차단하는 전류차단밸브를 전기적인 구성으로 대신하는 것이 유효한 수단이 되고, 종래 기술에 나타낸 전기적인 통전회로차단의 구성을 더욱 소형화하여 2차 전지를 과충전이 계속된 상태로부터 유효하게 보호하는 보호회로와, 이것에 이용되는 보호소자의 개발이 기대되고 있다.
본 발명은 2차 전지의 보호동작을 확실하게 행할 수 있는 보호회로를 콤팩트하게 구성하는 동시에 이 보호회로에 적합한 보호소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 리튬이온 2차 전지 등의 2차 전지를 과충전으로부터 보호하는 보호회로 및 보호소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 전지보호회로의 구성을 도시한 블록도
도 2는 과충전상태가 계속되었을 때의 전지전압과 전지온도의 변화를 도시한 그래프
도 3은 MOSFET에 내장되는 기생 다이오드를 도시한 FET 회로도
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 전지보호회로의 구성을 도시한 블록도
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 관한 전지보호회로의 구성을 도시한 블록도
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 관한 보호회로의 구성을 도시한 블록도
도 7은 보호소자의 구성을 분해하여 도시한 사시도
도 8A는 보호소자의 측면도, 도 8B는 보호소자의 전기기호도
도 9는 보호소자의 다른 형태를 도시한 사시도
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 관한 보호회로의 구성을 도시한 블록도
도 11A는 본 발명의 제 5 실시예에 관한 보호소자의 측면도, 도 11B는 본 발명의 제 5 실시예에 관한 보호소자의 평면도
도12는 종래기술이 되는 전지보호회로의 구성을 도시한 블록도
도13은 종래기술에 관한 전지보호회로의 구성을 도시한 블록도
상기 목적을 달성하기 위한 본 출원의 제 1 발명에 관한 전지보호회로는 2차 전지의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여, 검출전압이 제 1 충전금지전압 이하일 때 2차 전지의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 1 스위칭수단을 도통상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 1 충전금지전압 이상이 되었을 때 상기 제 1 스위칭수단의 충전방향을 차단상태로 제어하고, 제 1 충전해제전압 이하가 될 때까지 차단상태를 유지하는 주보호회로와, 2차 전지의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여, 검출전압이 상기 제 1 충전금지전압을 넘는 제 2 충전금지전압 이하일 때 2차 전지의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 2 스위칭수단을 도통상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 2 충전금지전압 이상이 되었을 때 상기 제 2 스위칭수단의 충전방향을 차단상태로 제어하는 부보호회로를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의하면, 주보호회로에 고장, 오동작 등의 결함이 생겨 과충전저지동작이 이루어지지 않았을 때에는 부보호회로가 과충전을 검출하여 2차 전지의 충전/방전회로를 차단한다. 이 구성에 의해 이중의 과충전 보호회로가 구성되고, 2차 전지의 과충전은 확실히 저지되며, 2차 전지의 파괴로 이어지는 과충전의 진행이 방지된다. 이 이중의 과충전보호의 구성은 그 동작을 과충전보호회로마다 검사할 수 있어, 신뢰성이 높은 전지보호가 가능해진다. 또 이중의 과충전 보호회로는 과충전을 확실히 방지할 수 있으므로 과충전에 따르는 가스발생이 없고, 가스발생에 의한 전지 내의 이상 내압을 방출하는 가스배출밸브 등의 기구가 없어도 되므로 가스배출밸브 등을 설치할 공간이 필요없는 소형의 2차 전지의 구성이 용이하게 된다. 또 반도체 소자에 의한 회로구성이 가능하기 때문에 보호회로를 집적회로로서 구성할 수 있고, 전지 팩의 소형화나 2차 전지 내에 보호회로를 수용하는 것도 가능해진다.
상기 구성에 있어서, 부보호회로는 제 2 충전금지전압의 검출에 의해 제 2 스위칭수단의 충전방향을 차단상태에 제어하고, 차단상태를 제 2 충전해제전압이 검출될 때까지 유지하도록 구성할 수 있게 된다. 즉 제 2 충전해제전압을 제 1 충전금지전압 이하로 설정함으로써 부보호회로에 의한 제 2 스위칭수단의 차단상태에 의해 충전을 불가능하게 할 수 있다. 또 제 2 스위칭수단에 의한 차단동작에 의해 충전회로가 개방되었을 때의 전지전압의 저하에 의해 차단상태에서 도통상태로 복귀하여 과충전 보호상태가 개방되는 것을 방지할 수도 있다.
또 부보호회로는 제 2 충전금지전압의 검출에 의해 제 2 스위칭수단의 충전방향을 차단상태로 제어한 후 차단상태를 고정하도록 구성함으로써, 과충전 검출에의한 제 2 스위칭수단의 차단상태를 고정하여 주보호회로의 고장에 의한 전지보호기능의 상실로부터 2차 전지를 보호할 수 있다.
또 제 1 및 제 2 각 스위칭수단이 그 내부에 기생 다이오드를 갖는 파워 MOSFET이고, 상기 기생 다이오드의 순방향이 2차 전지의 방전방향이 되도록 접속하여 구성함으로써 과충전상태의 검출에 의해 제 1 및 제 2 각 스위칭수단이 차단상태로 되어도 기생 다이오드를 통한 방전이 가능해져, 과충전 저지기능이 동작된 상태에서도 2차 전지의 사용이 가능해진다.
또 상기 목적을 달성하기 위한 본 출원의 제 2 발명에 관한 전지보호회로는 2차 전지의 양극과 음극 사이의 전압 및 방전전류를 검출하여, 검출전압이 제 1 충전금지전압 이하이고 제 1 방전금지전압 이상일 때 2차 전지의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 1 스위칭소자를 도통상태로 제어하고, 검출전류가 소정값 이상일 때 상기 제 1 스위칭소자를 차단상태로 제어하고, 검출전압이 제 1 충전금지전압 이상이 되었을 때 상기 제 1 스위칭소자를 충전방향 차단/방전방향 도통 상태로 제어하고, 검출전압이 방전금지전압 이하가 되었을 때 상기 제 1 스위칭소자를 방전방향 차단/충전방향 도통 상태로 제어하는 주보호회로와, 2차 전지의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 검출전압이 제 2 충전금지전압 이하일 때 2차 전지의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 2 스위칭수단을 도통상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 2 충전금지전압 이상일때 상기 제 2 스위칭수단의 충전방향을 차단상태로 제어하고, 차단상태를 제 2 충전해제전압이 검출될 때까지 유지하는 부보호회로를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의하면, 주제어회로는 2차 전지의 전압 및 방전전류를 검출하여, 정상일 때는 스위칭소자를 도통상태로 제어하여 2차 전지를 사용 가능한 상태로 제어하지만, 이상상태에 따라 제 1 스위칭수단을 차단상태 또는 충전만 가능하거나, 방전만 가능한 상태로 제어한다. 이 주보호회로에 고장이나 오동작 등의 결함이 생겨 과충전 저지동작이 이루어지지 않았을 때에는 부보호회로가 과충전을 검출하여 2차 전지의 충전/방전회로를 차단하므로 이중의 과충전 보호회로가 구성되어, 2차 전지의 과충전이 확실히 저지되며, 2차 전지의 파괴상태로 이어지는 과충전의 진행이 방지된다. 이 이중의 과충전보호의 구성은, 그 동작을 개개로 검사할 수 있어 신뢰성이 높은 전지보호가 가능해진다. 또 이중의 과충전 보호회로는 과충전을 확실하게 방지할 수 있으므로 과충전에 따르는 가스발생이 없고, 가스발생에 의한 전지 내의 이상 내압을 방출하는 가스배출밸브 등의 기구를 폐지하는 것도 가능해져, 가스배출밸브 등을 설치할 공간이 필요없는 소형의 2차 전지의 구성이 용이해진다. 또 반도체 소자에 의한 회로구성이 가능하기 때문에 보호회로를 집적회로로서 구성할 수 있고, 전지 팩의 소형화나 2차 전지 내에 보호회로를 수용하는 것도 가능해진다.
상기 구성에 있어서, 제 1 스위칭소자는 그 내부에 기생 다이오드가 없는 FET이고, 그 게이트전압에 의해 각 상태로 되는 것으로, 1개의 FET에 의해 과충전, 과방전 및 과전류의 저지동작으로 제어할 수 있어, 전지보호회로를 소형화하는 것이 가능해진다.
또 상기 목적을 달성하기 위한 본 출원의 제 3 발명에 관한 전지보호회로는,2차 전지의 충전/방전회로에 직렬 접속된 PTC에 가열수단을 열결합시켜, 그 가열수단으로의 통전을 제어하는 제 1 스위칭수단을 설치하고, 2차 전지의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 검출전압이 제 1 규정전압 이하일 때 상기 제 1 스위칭수단을 차단상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 1 규정전압 이상일 때 상기 제 1 스위칭수단을 도통상태로 제어하여 상기 가열수단에 통전하고, 도통상태를 제 1 해제전압이 검출될 때까지 유지하는 주보호회로와, 2차 전지의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 검출전압이 상기 제 1 규정전압을 넘는 제 2 규정전압 이하일 때 2차 전지의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 2 스위칭수단을 도통상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 2 규정전압 이상일 때 상기 제 2 스위칭수단의 충전방향을 차단상태로 제어하고, 차단상태를 제 2 해제전압이 검출될 때까지 유지하는 부보호회로를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의하면, 주보호회로는 2차 전지의 전압으로부터 과충전상태가 검출되었을 때, 제 1 스위칭수단을 도통상태로 제어하여 가열수단에 통전하고, 2차 전지의 충전/방전회로에 직렬 접속된 PTC를 가열수단에 의해 가열한다. PTC 소자는 온도상승에 의해서 급격히 저항값을 증가시켜 2차 전지로의 충전전류를 제어하며, 2차 전지를 과충전상태로부터 보호한다. 이 주보호회로에 고장이나 오동작 등의 결함이 생겨 과충전 저지동작이 이루어지지 않았을 때에는 부보호회로가 과충전을 검출하여 2차 전지의 충전/방전회로를 차단하므로 이중의 과충전 보호회로가 구성되어, 2차 전지의 과충전은 확실히 저지되므로, 2차 전지의 파괴상태로 이어지는 과충전의 진행이 방지된다. 이 이중의 과충전보호의 구성은 그 동작을 개별적으로 검사할 수 있어, 신뢰성이 높은 전지보호가 가능해진다. 또 이중의 과충전 보호회로는 과충전을 확실히 방지할 수 있으므로 과충전에 따르는 가스발생이 없고 가스발생에 의한 전지 내의 이상 내압을 방출하는 가스배출밸브 등의 기구가 없어도 되므로, 가스배출밸브 등을 설치할 공간이 필요없는 소형의 2차 전지의 구성이 용이해진다. 또 반도체 소자에 의한 회로구성이 가능하기 때문에 보호회로를 집적회로로 구성할 수 있어서, 전지 팩의 소형화나 2차 전지 내에 보호회로를 수용하는 것도 가능해진다.
상기 구성에 있어서, 가열수단은 PTC에 열결합된 제 2 PTC에 의해 구성할 수 있다. PTC는 평판형상으로 형성할 수 있고, 2개의 PTC를 면접합하여 열결합이 양호한 상태를 얻을 수 있다. 또한 제 2 PTC에 통전하는 것에 의한 온도상승에 의해 PTC를 가열하고, 그 저항값을 증가시켜 충전전류를 규제하는 구조를 콤팩트하게 구성할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 출원의 제 4 발명에 관한 전지보호회로는, 2차 전지의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 소정값을 넘는 전압이 검출되었을 때 제어신호를 출력하는 전압검출수단과, 상기 2차 전지에 직렬로 접속된 PTC에 열결합되어 통전에 의해 온도가 상승하는 가열수단과, 상기 전압검출수단으로부터의 제어신호에 의해 상기 가열수단에 통전하는 스위칭수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로, 전압검출수단이 소정값을 넘는 전압, 예를 들어 과충전상태가 계속될 때의 전압을 검출하는 경우 출력되는 제어신호에 의해 스위칭수단이 동작하여 가열수단에 통전되고, 가열수단은 열결합된 PTC를 가열한다. PTC는 온도에 대하여 양의 특성의 저항값 변화를 나타내며, 특히 소정의 임계온도 이상으로 저항값이 격증하는 트립상태가 되는 특징을 갖는 것으로, 평상시에는 미소한 저항값으로 2차 전지의 입출력 전류에 의한 전압 강하는 작고 입출력회로에 지장을 주지 않지만, 과대한 전류가 흘렀을 때에는 자기발열에 의해 저항값을 격증시켜 과대전류를 저지한다. 이 PTC는 가열수단에 의해 가열되었을 때에도 온도상승에 의해 저항값이 격증되어 2차 전지의 입출력회로의 전류를 제어한다. 따라서 상기 전압검출수단이 과충전상태가 계속되는 등의 이상상태를 나타내는 전압을 검출하였을 때 PTC의 트립에 의해 2차 전지의 입출력전류를 제어하므로 과충전상태의 계속에 의한 2차 전지의 파손이 방지된다.
상기 구성에 있어서, 가열수단은 상기 PTC에 열결합시킨 제 2 PTC로서 구성할 수 있고, 제 2 PTC에 통전하여 온도를 상승시키면 열결합된 PTC를 가열하여 PTC를 트립상태로 할 수 있다.
또 본 출원의 제 5 발명에 관한 전지보호회로는, 2차 전지의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 소정값을 넘는 전압이 검출되었을 때 제어신호를 출력하는 전압검출수단과, 상기 2차 전지에 직렬로 접속된 온도퓨즈에 열결합된 가열용 PTC과, 상기 전압검출수단으로부터의 제어신호에 의해 상기 가열용 PTC에 통전하는 스위칭수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로, 전압검출수단이 소정값을 넘는 전압, 예를 들어 과충전상태가 계속되었을 때의 전압을 검출하였을 때 출력되는 제어신호에 의해 스위칭수단이 동작하여 가열용 PTC에 통전되고, 가열용 PTC는 통전전류에 의해 온도가 상승되어, 열결합된 온도퓨즈를 용단시킨다. 따라서상기 전압검출수단이 과충전상태의 계속 등의 이상상태를 나타내는 전압을 검출하였을 때 2차 전지의 입출력회로가 차단되므로 과충전상태가 계속됨에 따르는 2차 전지의 파손이 방지된다.
상기 제 4 및 제 5의 각 발명에 있어서, 전압검출수단에 의해 검출되는 소정값을 넘는 전압은 과충전상태가 검출되는 전압보다 높은 전압으로 설정함으로써 2차 전지는 과충전에 의한 손상으로부터 이중으로 보호된다. 즉 과충전이나 과방전 등의 상태를 검출하여 2차 전지의 입출력회로를 차단하는 제어회로가 별도로 구성되어 있을 때, 과충전상태의 초기값은 상기 제어회로에 의해 검출되어 과충전은 저지되지만, 이 제어회로에 이상이 생겼을 때 2차 전지는 과충전이 계속됨에 따르는 파열 등의 손상이 생긴다. 전압검출수단이 상기 초기값보다 높은 전압검출에 의해 제어신호를 출력하도록 구성함으로써 과충전이 계속됨에 따라 상승한 전압이 검출되어 과충전상태를 저지하는 동작이 이루어져 제어회로에 이상이 생겼을 때에도 2차 전지는 보호된다.
또 본 출원의 제 6 발명에 관한 보호소자는 평판형상으로 형성된 복수의 PTC 소자를 열결합된 상태로 적층형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로, 하나의 PTC 소자를 2차 전지와 직렬로 접속하고, 다른 PTC 소자를 그 통전을 제어하는 통전 제어회로에 접속하면 2차 전지와 직렬로 접속된 쪽의 PTC 소자에 열결합시킨 다른 PTC 소자에 통전되었을 때 통전에 의한 가열에 의해 2차 전지와 직렬로 접속된 PTC 소자는 온도가 상승되어 저항값이 급증한 트립상태로 되었을 때, 2차 전지의 입출력전류를 제어할 수 있다. 따라서 통전제어회로는 과충전 등의 2차 전지의 이상 상태의 검출에 의해 가열하는 쪽의 PTC 소자에 통전하도록 구성함으로써 복수의 PTC 소자를 열결합시킨 보호소자는 2차 전지의 보호소자로서 유효하게 작용한다.
상기 구성에 있어서, 각 PTC 소자의 형상크기 및 전기적 특성을 임의로 선택하여 조합할 수 있고, 보호회로의 회로구성에 따라 적정한 조합을 구성할 수 있다.
또 평판형상으로 형성된 2장의 PTC 소자를 그 평판면 사이에 전극재를 개재하여 접합하는 동시에, 각 PTC 소자의 외면측에도 각각 전극재를 접합하여 보호소자를 구성함으로써 열결합시킨 2장의 PTC 소자를 공간을 절감하여 구성할 수 있다.
또 임의의 전극재는 동니켈합금 또는 동니켈합금과 니켈의 피복재로 형성함으로써 납땜이나 용접성이 뛰어나고, 도전성 및 열전도성도 우수하므로 요소에 이것을 채용함으로써 작업성이나 전기적 및 기계적인 성능을 향상시킬 수 있다.
또 각 전극재로부터 리드부를 연장하여 형성함으로써 회로접속을 쉽게 할 수 있다.
또 각 전극재로부터의 리드부의 연장방향은 상반되는 2방향으로 형성할 수도 있고, 각각 다른 방향으로 형성할 수도 있어, 회로구성의 상태에 따라 임의로 선택할 수 있다.
또 각 전극재는 접합하는 PTC 소자의 외형치수보다 작게 형성함으로써 전극재와 PTC 소자 사이의 접합을 위한 납땜을 적절하게 실행할 수 있다.
또 본 출원의 제 7 발명에 관한 2차 전지의 보호소자는, 온도퓨즈와 PTC 소자가 열결합된 상태로 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것으로, 온도퓨즈를 2차 전지와 직렬로 접속하고, PTC 소자를 그 통전을 제어하는 통전제어회로에 접속하면 PTC 소자에 통전되었을 때 통전에 의한 가열에 의해 온도퓨즈는 용단되어 2차 전지의 입출력전류를 차단할 수 있다. 따라서 통전제어회로는 과충전 등의 2차 전지의 이상상태의 검출에 의해 PTC 소자에 통전하도록 구성함으로써, 2차 전지의 보호소자로서 유효하게 작용한다.
또 열결합시킨 복수의 PTC를 단열재로 덮어 구성함으로써 열의 발산이 억제되므로 열결합이 효과적으로 이루어진다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명하여 본 발명의 이해를 돕기로 한다. 한편 이하에 나타내는 실시예는 본 발명을 구체화한 일례로서 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 전지보호회로의 구성을 도시한 것으로, 리튬이온 2차 전지로서 구성된 2차 전지(3)를 과충전, 과방전 및 과전류로부터 보호하는 주보호회로 A와, 2차 전지(3)를 상기 주보호회로 A에 더불어 과충전으로부터 이중으로 보호하는 부보호회로 B를 구성하고 있다.
도 1에 있어서, 2차 전지(3)의 음극측과 마이너스 입출력단자(5) 사이에는 주보호회로 A를 구성하는 제 1 FET(제 1 스위칭수단)(11) 및 제 2 FET(12)와, 부보호회로 B를 구성하는 제 3 FET(제 2 스위칭수단)(13)이 직렬로 접속되어 있다. 제 1∼제 3의 각 FET(11∼13)는 각각 파워 MOSFET를 이용하여 구성되고, 제 1 및 제 2의 각 FET(11, 12)은 주제어수단(1)에 의해 각각 도통/차단의 상태로 제어되며, 제 3 FET(13)는 부제어수단(2)에 의해 도통/차단의 상태로 제어된다. 이들은 2차 전지(3)의 정상적인 충방전 조건 하에서는 모두 도통상태로 제어되어 2차 전지(3)의 음극과 마이너스 입출력단자(5) 사이를 도통상태로 접속하며, 플러스 입출력단자(4)와 마이너스 입출력단자(5) 사이에 2차 전지(3)가 접속된 상태로 한다.
상기 주제어수단(1)은 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 이것이 미리 설정된 과충전상태라고 판정되는 제 1 충전금지전압(예를 들어, 4.30 V) 이상이 되었을 때, 제 1 FET(11)를 차단상태로 제어하여 충전전류를 차단하고, 2차 전지(3)를 과충전으로부터 보호한다. 2차 전지(3)는 과충전에 의해 전해액이 분해되고, 이것에 따르는 가스발생에 의한 전지파손을 발생시킬 우려가 있으나, 이 과충전 방지기능에 의해 2차 전지(3)의 손상을 방지할 수 있다. 주제어수단(1)에 의한 제 1 FET(11)의 차단상태는 제 1 충전금지전압보다 낮은 제 1 충전해제전압이 검출될 때까지 유지된다.
또 주제어수단(1)은 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여, 이것이 미리 설정된 과방전상태라고 판정되는 방전금지전압(예를 들어, 2.60V) 이하가 되었을 때, 제 2 FET(12)를 차단상태로 제어하여 방전전류를 차단하고, 2차 전지(3)를 과방전으로부터 보호한다. 2차 전지(3)는 과방전에 의해 전지성능의 열화를 초래하지만，이 과방전 방지기능에 의해 2차 전지(3)의 열화를 방지할 수 있다. 주제어수단(1)에 의한 제 2 FET(12)의 차단상태는 방전금지전압보다 높은 방전해제전압이 검출될 때까지 유지된다.
또 주제어수단(1)은 제 2 FET(12)의 양단전압을 검출하여, 이것이 미리 설정된 과대한 방전전류에 대응하는 전압 이상이 되었을 때 제 1 및 제 2의 각 FET(11, 12)를 차단상태로 제어하여 방전전류를 차단하고, 2차 전지(3)를 과대한 방전전류에 의한 손상으로부터 보호한다. 플러스 입출력단자(4)와 마이너스 입출력단자(5) 사이, 혹은 이들에 접속되는 기기측에서 단락이 생긴 경우에 2차 전지(3)는 과대한방전전류에 노출되게 되는데, 이때 제 2 FET(12)의 내부저항이 적더라도(20∼50㏁) 과대한 방전전류에 의해 그 양단전압이 상승되므로 이것을 검출하여 과전류를 차단할 수 있다.
상기한 바와 같이 제 1 주보호회로 A는 과충전, 과방전, 과전류를 저지하는 기능을 구비하고 있으므로 이것을 2차 전지(3)와 함께 전지 팩의 형태로 구성함으로써, 2차 전지(3)는 기기의 고장이나 잘못된 사용에 의한 손상으로부터 보호된다. 그러나 주보호회로 A에 동작 이상이 생겼을 때, 2차 전지(3)는 현저한 손상을 받게 된다. 이 동작 이상은 주보호회로 A가 고장난 경우에 2차 전지(3)는 과충전의 진행과 함께 전해액의 분해에 의한 가스발생이 전지내압의 이상 상승을 초래하고, 온도상승을 수반하여 파열의 사태에 빠지게 된다. 이러한 전지내압의 이상 상승에 대비하여 상술한 전류차단밸브가 구비되는데, 2차 전지(3)가 소형화되고 슬림화된 것일 때 전류차단밸브를 전지 내에 구성하기가 곤란하게 되어 확실한 동작을 기대할 수 없는 상태가 된다. 과충전이 확실히 저지되면 상기 전류차단밸브가 없어도 되므로 소형화, 슬림화된 2차 전지(3)의 보호가 이루어지게 된다.
상기 부보호회로 B는 과충전으로부터 2차 전지를 이중으로 보호하기 위해 설치된 것으로, 주보호회로 A에 의한 과충전의 저지기능이 정상으로 이루어지지 않았을 때 이 부보호회로 B에 의해 과충전이 저지된다. 부보호회로 B는 부제어수단(2)에 의해 2차 전지(3)의 전압을 검출하고, 주제어수단(1)이 과충전방지의 목적으로 검출하는 충전금지전압보다 높은 제 2 충전금지전압(예를 들어, 4.45V) 이상의 전압이 검출되었을 때, 제 3 FET(13)를 차단상태로 제어하고, 제 2 충전해제전압이검출될 때까지 차단상태를 유지하여 충전전류를 차단한다.
도 2는 과충전상태가 계속되었을 때의 2차 전지(3)의 전압변화와 온도변화를 측정한 시험 데이터를 도시한 것으로, 주보호회로 A에 의해 과충전 저지동작이 정상으로 이루어지지 않았을 때, 과충전상태의 진행과 함께 전지전압은 서서히 상승하고, 전지온도는 급격한 상승을 맞이하는 것이 나타나 있다. 전지온도가 급격히 상승하기 시작하였을 때의 전지전압은 4.5V를 넘어 있기 때문에 부보호회로 B의 부제어수단(2)에 있어서 제 2 충전금지전압을 상기와 같이 4.45V로 설정해 둠으로써 이 제 2의 충전금지전압이 검출되었을 때, 부제어수단(2)에 의해 제 3 FET(13)가 차단상태로 제어되고, 전지온도가 급격히 상승되기 시작하기 이전에 충전전류가 차단되어 과충전상태의 계속에 의한 전지파손은 방지된다.
이상 설명한 제 1 실시예에 관한 전지보호회로에 이용된 제 1∼제 3의 각 FET(11, 12, 13)는 도 3에 도시된 바와 같이, 각각 드레인-소스 사이에 기생 다이오드 D를 갖는 것으로, 과충전을 방지하기 위해 제 1 FET(11) 또는 제 3 FET(13)가 차단상태로 제어되었을 때에도 제 1 및 제 3의 각 FET(11, 13)의 기생 다이오드 D의 순방향으로 방전전류방향이 되도록 접속되어 있으므로, 2차 전지(3)로부터의 방전이 가능해진다. 또 과방전을 방지하기 위해 제 2 FET(12)가 차단상태로 제어되었을 때에도 제 2 FET(12)의 기생 다이오드 D의 순방향으로 충전전류방향이 되도록 접속되어 있는 것에 의해, 2차 전지(3)로의 충전이 가능해진다.
이어서, 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 도 4는 제 2 실시예에 관한 전지보호회로의 구성을 도시한 것으로, 이 전지보호회로는 주보호회로C와 부보호회로 B를 구비하고 있다. 부보호회로 B는 제 1 실시예에 나타낸 것과 공통되는 구성이다.
도 4에서 주보호회로 C는 주제어수단(6)과 제 1 FET(14)를 집적회로 칩으로서 구성한 것으로, 제 1 FET(14)는 주제어수단(6)으로부터 인가되는 게이트 전압에 의해 (1)도통상태, (2)차단상태, (3)충전방향 도통/방전방향 차단, (4)충전방향 차단/방전방향 도통의 네 가지 상태로 동작한다. 이 주제어수단(6)과 제 1 FET(14)에 의한 주보호회로 C의 구성은, 유니트로드(Unitrode)사 제품의 집적회로 칩으로서 시판되고 있고, 미국 특허 제 5,581,170호에 개시되어 있다.
상기 제 1 FET(14)는 제 1 실시예에서의 제 1 및 제 2의 각 FET(11, 12)와 같이 기생 다이오드 D를 갖는 것이 아니고, 또 1개의 스위칭 소자로서 그 게이트 전압의 변화에 의해 상기한 바와 같이 네가지 상태로 동작한다.
네가지 상태 중, 도통상태는 2차 전지(3)가 정상인 사용상태에 있는 경우에 제 2 주제어수단(6)이 검출하는 2차 전지(3)의 전압이 정상인 충방전 조건 하에 있는 상태이다. 또 차단상태는 2차 전지(3)의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 1 FET(14)의 양단전압으로부터 허용값 이상이 과대한 방전전류가 검출되었을 때, 충전/방전회로를 차단하여 과대전류로부터 2차 전지(3)를 보호하는 상태이다. 또 충전방향 도통/방전방향 차단은 주제어수단(6)에 의해 2차 전지(3)의 과방전상태에 대응하는 전압이 검출되었을 때, 방전해제전압이 검출될 때까지 방전방향을 차단상태로 하여 방전을 정지하고, 충전방향을 도통상태로 함으로써 충전이 가능하게 된다. 또 충전방향 차단/방전방향 도통은 주제어수단(6)에 의해 2차 전지(3)의 과충전상태에 대응하는 전압이 검출되었을 때, 충전해제전압이 검출될 때까지 충전방향을 차단상태로 하여 충전을 정지하고, 방전방향을 도통상태로 함으로써 방전이 가능하게 된다.
이 주보호회로 C의 구성에 의해 2차 전지(3)는 과충전, 과방전 및 과전류로부터 보호된다. 그러나 이 주보호회로 C에서도 제 1 실시예에서 설명한 바와 같이, 오동작이나 고장 등의 동작 이상이 생겼을 때, 2차 전지(3)는 현저한 손상을 받게 된다. 그 중에서도 과충전 방지기능이 정지된 경우에는, 2차 전지(3)는 과충전의 진행과 함께 전해액의 분해에 의한 가스발생이 전지내압의 이상 상승을 초래하고, 온도상승을 수반하여 파열의 사태에 빠지게 된다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같이, 주보호회로 C에 부보호회로 B를 병설함으로써 2차 전지(3)가 가장 심한 파손상태에 빠지기 쉬운 과충전으로부터 이중으로 보호되고, 전지보호회로는 2차 전지(3)를 확실하게 보호할 수 있게 된다. 즉 부보호회로 B는 부제어수단(2)에 의해 2차 전지(3)의 전압을 검출하고 있고, 주보호회로 C에 의해 과충전 저지동작이 정상으로 이루어지지 않았을 때 주제어수단(6)이 과충전방지의 목적으로 검출하는 충전금지전압보다 높은 제 2 충전금지전압(예를 들어, 4.45V) 이상의 전압이 검출되므로 그 때에는 FET(13)을 차단상태로 제어하고, 제 2 충전해제전압이 검출될 때까지 차단상태를 유지하여 충전전류를 차단한다. 이 부보호회로 B의 동작에 의해 과충전의 진행에 의해 전지온도가 급격히 상승하기 시작하기 이전에 충전전류는 차단되어 과충전상태가 계속됨에 따르는 전지파손이 방지된다.
이어서, 본 발명의 제 3 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 도 5는 제 3 실시예에 관한 전지보호회로를 도시한 것으로, 이 전지보호회로는 주보호회로 E와 부보호회로 B를 구비하고 있고, 부보호회로 B는 제 1 및 제 2의 각 실시예에 나타낸 것과 공통되는 구성이다.
도 5에서 2차 전지(3)의 양극측은 주보호회로 E를 구성하는 제 1 PTC(21)를 통해 플러스 입출력단자(4)에 접속되고, 제 1 PTC(21)에는 제 2 PTC(가열수단)(22)가 열결합된 상태로 보호소자(10)가 구성되어 있다. PTC는 주지하는 바와 같이 전류가 흐르는 것에 의한 자기발열 또는 가열에 따라 온도상승에 의해 소정온도 이상이 되었을 때, 그 저항값이 급격히 증가하는 양극특성 서미스터에 속하는 것으로, 소정온도 이하의 평상시에는 저항값이 미소하므로 통전에 의한 전압 강하는 근소하게 되어 충전/방전회로에 지장을 주지 않는다.
상기 보호소자(10)는 판형상으로 형성된 제 1 PTC(21)와 제 2 PTC(22)를 전극판을 개재하여 면접합함으로써 제 2 PTC(22)의 온도가 제 1 PTC(21)에 전도하기 쉬운 열결합상태로 형성된다. 이 보호소자(10)의 구조에 대해서는 후술하는 제 4 실시예에서 상술하기로 한다. 한편 제 2 PTC(22)는 저항기 혹은 히터 등의 전류가 흐르는 것에 따라 빠르게 온도가 상승하는 가열수단으로 할 수도 있다.
또 2차 전지(3)의 음극측은 부보호회로 B를 구성하는 제 3 FET(13)를 통해 마이너스 입출력단자(5)에 접속되어 있고, 2차 전지(3)가 정상적인 충방전 조건 하에 있는 상태에서는 제 3 FET(13)가 부제어수단(2)에 의해 도통상태로 제어되고, 2차 전지(3)의 음극측을 마이너스 입출력단자(5)에 접속한 상태로 되어 있다.
주보호회로 E는 주제어수단(7)에 의해 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여, 이것이 미리 설정된 과충전상태라고 판정되는 제 1 충전금지전압(예를 들어, 4.30V) 이하일 때는 제 1 FET(15)를 차단상태로 제어한다. 과충전에 의해 상기 제 1 충전금지전압을 넘는 전압이 검출되었을 때에는, 주제어수단(7)은 제 1 FET(15)를 제 1 충전금지전압보다 낮은 제 1 충전해제전압이 검출될 때까지 도통상태로 제어한다. 제 1 FET(15)의 도통에 의해, 제 2 PTC(22)의 통전회로가 형성되고, 그 발열에 의해 열결합된 제 1 PTC(21)가 가열된다. 이 가열에 의해 제 1 PTC(21)는 저항값이 급증하는 트립상태로 되고, 그 증대된 저항값에 의해 2차 전지(3)의 충전/방전회로에 흐르는 전류를 규제하여 2차 전지(3)의 과충전상태를 저지한다.
그러나 이 주보호회로 E에서도 제 1 및 제 2의 각 실시예에서 설명한 바와 같이, 오동작이나 고장 등의 동작 이상이 생겼을 때, 2차 전지(3)는 현저한 손상을 받게 된다. 그 중에서도 과충전 방지기능이 정지된 경우에는 2차 전지(3)는 과충전의 진행과 함께 전해액의 분해에 의한 가스발생이 전지 내압의 이상 상승을 초래하고, 온도상승을 수반하여 파열의 사태에 빠지게 된다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 구성이 되는 주보호회로 E에 부보호회로 B를 병설함으로써 2차 전지(3)가 가장 심한 파손상태에 빠지기 쉬운 과충전으로부터 이중으로 보호되어, 전지보호회로는 2차 전지(3)를 확실하게 보호할 수 있게 된다. 즉 부보호회로 B는 부제어수단(2)에 의해 2차 전지(3)의 전압을 검출하고, 주보호회로 E에 의해 과충전 저지동작이 정상적으로 이루어지지 않았을 때 주제어수단(7)이 과충전방지의 목적으로 검출하는 충전금지전압보다 높은 제 2 충전금지전압(예를 들어, 4.45V) 이상의 전압이 검출되므로 그 때에는 FET(13)를 차단상태로 제어하고, 제 2 충전해제전압이 검출될 때까지 차단상태를 유지하여 충전전류를 차단한다. 이 부보호회로 B의 동작에 의해 과충전의 진행에 따라 전지온도가 급격히 상승하기 시작하기 이전에 충전전류는 차단되어 과충전상태가 계속됨에 따르는 전지파손이 방지된다.
이어서, 본 발명의 제 4 실시예에 대하여 도 6을 참조하여 설명하기로 한다. 제 4 실시예에 관한 전지보호회로는 주보호회로 A와 부보호회로 F를 구비하고 있고, 주보호회로 A는 제 1 실시예에 나타내는 것과 공통되는 구성이다.
도 6에서 2차 전지(3)의 양극측은 보호소자(10)를 구성하는 제 1 PTC(21)를 통해 플러스 입출력단자(4)에 접속되고, 음극측은 제 1 FET(11) 및 제 2 FET(12)를 통해 마이너스 입출력단자(5)에 접속되어 있다. 또 이 2차 전지(3) 및 보호회로의 온도를 기기측, 특히 충전기에서 검지할 수 있도록 서미스터(43)가 온도검출단자(47)에 접속되어 있다. 이와 같이 2차 전지(3)의 양극측 및 음극측에 각각 직렬로 배치된 상기 제 1 PTC(21), 제 1 FET(11) 및 제 2 FET(12)는 2차 전지(3)의 여러가지 이상 상태에 따라 통전전류를 규제 혹은 차단하기 위해 설치된 것으로, 이상시의 통전회로의 차단동작에 대하여 이하에 설명하기로 한다.
상기 제 1 PTC(21)는 2차 전지(3)의 온도가 소정온도 이하인 평상시에는 저항값이 미소하므로 통전에 의한 전압강하는 근소하게 되어 충전/방전회로에 지장을 주는 일은 없으나, 소정온도 이상으로 상승되었을 때의 급격한 저항값의 증가에 의해 통전회로의 전류를 제어한다. 이 저항값의 급증(이하, 트립이라 한다)으로 저항값이 평상시의 10의 3승에서 4승으로 증대하는 것이다. 이 트립상태는 제 1PTC(21)에 흐르는 전류에 의해 PTC(21)가 자기발열함으로써 야기되므로 단락 등에 의해 과대한 전류가 흘렀을 때 자기발열하여 저항값이 급증하고, 2차 전지(3)의 입출력전류를 규제하므로 단락 등에 의한 2차 전지(3)의 손상이 방지된다.
또 제 1 및 제 2의 각 FET(11, 12)는 스위칭소자로서 동작하고, 주제어수단(1)에 의해 도통/차단의 두 가지 상태로 제어된다. 이들은 2차 전지(3)의 정상적인 충방전 조건 하에서는 모두 도통상태로 제어되어 2차 전지(3)의 음극과 마이너스 입출력단자(5)의 사이를 도통상태로 접속된 상태로 한다.
상기 주제어수단(1)은 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여, 이것이 미리 설정된 과충전상태라고 판정되는 제 1 충전금지전압(예를 들어, 4.30V) 이상으로 되었을 때 제 1 FET(11)를 차단상태로 제어하여 충전전류를 차단하고, 2차 전지(3)를 과충전으로부터 보호한다. 이 과충전 방지기능에 의해 2차 전지(3)의 손상을 방지할 수 있다. 주제어수단(1)에 의한 제 1 FET(11)의 차단상태는 제 1 충전금지전압보다 낮은 제 1 충전해제전압이 검출될 때까지 유지된다.
또 주제어수단(1)은 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여, 이것이 미리 설정된 과방전상태라고 판정되는 방전금지전압(예를 들어, 2.60V) 이하가 되었을 때, 제 2 FET(12)를 차단상태로 제어하여 방전전류를 차단하고, 2차 전지(3)를 과방전으로부터 보호한다. 이 과방전 방지기능에 의해 2차 전지(3)의 열화를 방지할 수 있다. 주제어수단(1)에 의한 제 2 FET(12)의 차단상태는 방전금지전압보다 높은 방전해제전압이 검출될 때까지 유지된다.
또 주제어수단(1)은 제 2 FET(12)의 양단전압을 검출하여, 이것이 미리 설정된 과대한 방전전류에 대응하는 전압 이상으로 되었을 때, 제 1 및 제 2의 각 FET(11, 12)를 차단상태로 제어하여 방전전류를 차단하고, 2차 전지(3)를 과대한 방전전류에 의한 손상으로부터 보호한다. 플러스 입출력단자(4)와 마이너스 입출력단자(5) 사이 혹은 이들에 접속하는 기기측에서 단락이 생긴 경우에, 2차 전지(3)는 과대한 방전전류에 노출되는데, 이 때 제 2 FET(12)의 내부저항이 조금이더라도(20∼50mΩ) 과대한 방전전류에 의해 그 양단전압이 상승되므로 이것을 검출하여 과전류를 차단할 수 있다.
이 주보호회로 A에 의한 통전회로의 차단동작이 정상으로 기능하지 않고, 과충전상태가 계속되었을 때 2차 전지(3)는 전해액의 분해에 의해 내압이 상승하여 2차 전지(3)의 파열을 초래할 우려가 있다. 이러한 예측하지 못한 사태에 대비하여 부보호회로 F가 설치되어 있다.
부보호회로 F는 부제어수단(40)에 의해 2차 전지(3)의 전압을 검출하여, 이것이 설정전압 이상으로 되었을 때 제 3 FET(41)를 도통상태로 제어한다. 제 3 FET(41)의 도통에 의해 상기 제 1 PTC(21)와 열결합시켜 보호소자(10)의 형태로 형성되어 있는 제 2 PTC(22) 및 방전저항(24)에 통전된다. 이 통전에 의해 제 2 PTC(22)는 온도가 상승되어 열결합된 제 1 PTC(21)를 가열함으로써 트립시키고, 그 저항값의 급증에 의해 2차 전지(3)로의 충전전류를 제어한다.
상기 부제어수단(40)에 의해 제 3 FET(41)를 도통 동작시키는 설정전압은 주제어수단(1)이 과충전을 검출하는 충전정지전압보다 큰 검출전압값에 설정된다. 예를 들어, 충전기측에서 설정되어 있는 충전완료전압이 4.20V일 때 주제어수단(1)에의한 충전정지전압은 4.30V로 설정되고, 부제어수단(40)에 의한 과충전 계속상태의 검출설정전압은 4.45V로 설정된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 과충전상태의 진행과 함께 전지전압은 서서히 상승하고, 전지온도는 급격한 상승을 맞게 되는데, 전지온도가 급격히 상승하기 시작하였을 때의 전지전압은 4.5V를 넘어 있기 때문에 부제어수단(40)의 검출설정전압을 상기와 같이 4.45V로 설정해둠으로써 전지온도가 급격히 상승하기 시작하기 전에 제 1 PTC(21)가 트립하여 충전전류가 규제되므로 과충전상태의 계속에 의한 전지 파손은 방지된다.
또 부제어수단(40)은 과충전 계속상태의 검출설정전압보다 낮은 소정전압 이하의 전압이 검출될 때까지 과충전계속을 검출한 상태를 유지하고, 제 3 FET(41)의 도통상태를 유지한다. 따라서, 부제어수단(40)이 과충전의 계속을 검출한 상태는 유지되고, 주보호회로 A나 충전기의 동작에 의한 2차 전지(3)의 파손은 방지된다.
상기 구성에서의 제 2 PTC(22)에 의한 제 1 PTC(21)의 가열은 간접적인 가열이 되므로 열결합에 의한 열전도가 확실하게 이루어지는 것이 불가결하며, 본 실시예에서는 제 1 PTC(21)와 제 2 PTC(22)를 일체적으로 구성한 보호소자(10)로 구성하고 있다. 이 보호소자(10)의 상세한 구성에 대하여 이하에 설명하기로 한다.
도 7은 보호소자(10)를 분해하여 도시한 것으로, 제 1 PTC 소자(21a)와 제 2의 PTC 소자(22a) 사이에 중간전극재(45), 제 1 PTC 소자(21a)의 외측면에 하전극재(46), 제 2 PTC 소자(22a)의 외측면에 상전극재(44)를 배치하고 있다. 이들은 도 8A에 도시된 바와 같이, 적층간에서 서로 접합되어 적층 일체화된다. 제 1 및 제 2의 각 PTC 소자(21a, 22a)에 접합되는 각 전극재(44, 45, 46)는 각각 대면하는 각PTC 소자(21a, 22a)보다 한단계 작은 외형형상으로 형성되고, 그 주위에 생기는 각 PTC 소자(21a, 22a)의 노출면과 납땜 등의 접합수단으로 서로 접합된다. 또 각 전극재(44, 45, 46)에는 각각 배선접속을 위한 리드(44a, 45a, 46a)가 연장성형된다. 각 리드(44a, 45a, 46a)는 동일평면 상에 위치하도록 가공해 둠으로써 보호회로를 구성하는 회로기판 상으로의 실장이 용이해진다. 이와 같이 형성된 보호소자(10)는 전기기호로 나타내면 도 8B에 도시된 바와 같이 되고, 제 1 PTC(21)와 제 2 PTC(22)가 열결합한 상태로 일체화된다.
이 보호소자(10)를 구성하는 제 1 PTC(21)는 도 6에 도시된 바와 같이, 2차 전지(3)에 직렬 접속되고, 단락 등으로 과대전류가 흘렀을 때 과대전류에 의해 자기발열하여, 그 온도가 트립온도가 되었을 때 저항값이 급증하므로 2차 전지(3)의 입출력전류는 제어되고, 과대전류는 저지된다. 또 상술한 바와 같이 부제어수단(40)에 의해 과충전의 계속상태를 나타내는 전압이 검출되었을 때 부제어수단(40)은 제 3 FET(41)를 도통 동작시켜 제 2 PTC(22)에 통전한다. 이 통전에 의해 제 2 PTC(22)는 온도가 상승되어 제 1 PTC(21)를 가열한다. 이 가열에 의해 제 1 PTC(21)가 트립상태가 되면 상술한 과대전류의 저지동작과 마찬가지로 2차 전지(3)의 충전전류를 제어한다.
보호소자(10)의 리드형성은 도 9에 도시된 바와 같이, 각 전극재(44, 45, 46)로부터 리드(44b, 45b, 46b)를 각각 다른 3방향으로 연출 형성하여 구성할 수도 있다. 또 각 전극재(44, 45, 46)는 그 재질로서 동니켈합금을 이용하여 형성함으로써 땜납 등에 의한 접합성이나 열결합을 위한 열전도성이 우수한 것으로 할 수 있다. 이 동니켈합금의 사용은 모든 전극재(44, 45, 46)에 적용하지 않고, 열결합하기 위한 열전도체가 되는 중간전극재(45)에만 적용하도록 선택적으로 채용할 수도 있다. 또 동니켈합금 대신에 동니켈합금과 니켈의 피복재를 이용해도 동일한 기능을 얻을 수 있다.
또 제 1 PTC(21) 및 제 2 PTC(22)는 각각의 형상치수, 전기적 특성을 선택하여 조합할 수 있다. 제 1 PTC(21)는 평상시에는 가능한 한 낮은 저항값으로 2차 전지(3)의 입출력전류에 의한 전압강하를 낮게 억제하고, 설정된 과대한 전류값 이상의 과대전류에 의해 빠르게 온도가 상승되어 저항값을 급증시키는 트립상태가 되도록 그 형상치수 및 전기적 특성이 선택된다. 한편 제 2 PTC(22)는 평상시의 저항값을 크게 하여 통전되었을 때의 발열량을 크게 하고, 그 온도에 의해 제 1 PTC(21)를 트립상태로 하는 발열량을 나타내는 것이 되도록 그 형상치수 및 전기적 특성이 선택된다.
이상 설명한 보호소자(10)는 두 가지의 PTC 소자를 조합하여 구성하고 있지만, 제 1 PTC(21)를 2장의 제 2 PTC(22)에 의해 샌드위치 상태로 끼워넣고, 열결합에 의한 가열을 촉진할 수도 있다. 또 제 1 PTC(21)를 가열하는 것은 PTC 소자가 아니고, 통전에 의해 온도가 상승하는 저항체 등을 이용하여 구성할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 제 5 실시예에 관한 전지보호회로에 대하여 설명하기로 한다. 한편 본 구성은 도 10에 도시된 바와 같이, 가열용 PTC(49)와 온도퓨즈(48)를 조합한 보호소자(50)를 이용하여 구성한 것으로, 다른 구성은 제 4 실시예의 구성과 마찬가지이고, 공통되는 요소에는 동일한 부호를 부여하고 그 설명은 생략하기로 한다.
도 10에서 부제어수단(40)이 과충전 계속상태의 검출설정전압을 검출하였을 때 제 3 FET(41)를 도통시키면 가열용 PTC(49)에 전류가 흐름으로써 온도가 상승되어 온도퓨즈(48)를 가열한다. 이 가열용 PTC(49)의 가열에 의해 온도퓨즈(48)가 용단되었을 때, 2차 전지(3)로의 충전전류는 차단되고, 과충전이 계속됨에 따른 2차 전지(3)의 파손이 방지된다.
상기 보호소자(50)는 도 11A, 도 11B에 도시된 바와 같이, 온도퓨즈(48)와 가열용 PTC(49)을 겹쳐 열결합된 상태로 구성되어 있다. 이 보호소자(50)는 도시하는 바와 같이, 온도퓨즈(48)에는 리드(48a, 48a)가 부착되고, 가열용 PTC(49)에는 리드(49a, 49a)가 부착되도록 회로기판 상에 장착하여 보호회로를 구성할 수 있다.
이상 설명한 각 실시예에서의 전지보호회로는, 종래기술이 되는 과충전으로부터 이중으로 보호하는 구성에 있어서는 비복귀 차단수단을 부보호회로로서 구성하고 있음으로써 그 동작이 정상으로 이루어지는지의 여부를 검사할 수 없기 때문에신뢰성이 저하되는 결점을 개량할 수 있다. 즉, 부보호회로 B는 부제어수단(2)에 제 2 충전금지전압 이하의 전압을 인가하여 제 3 FET(13)가 도통상태로 되고, 제 2 충전금지전압 이상의 전압을 인가하여 제 3 FET(13)가 차단상태가 되는 것을 검사할 수 있어, 신뢰성이 높은 전지보호회로를 구성할 수 있다.
또 각 실시예에서의 전지보호회로는 요부를 집적회로로서 구성할 수 있고, 사용하는 전자부품의 수도 적으므로 소형화, 슬림화된 2차 전지(3)와 함께 콤팩트하게 전지 팩을 구성할 수 있다. 또 2차 전지(3) 내에 보호회로를 수용하여 보호회로를 내장한 2차 전지(3)로서 구성하는 것도 가능해진다. 또 이중의 과충전 저지기능을 구비하고 있음으로써 과충전에 의한 가스발생이 억제되므로 내압방출을 위한 전류차단밸브를 폐지하는 것도 가능하고, 소형화, 슬림화되어 기계적 구조의 전류차단밸브의 설치공간을 얻기 어려운 경우에도 과충전에 의한 전지파손을 방지할 수 있다.
이상 설명한 보호소자(10, 50)는 단열재로 피복하여 구성함으로써, 열이 외부로 발산되는 것이 억제되고, PTC(22, 49)에 의한 가열이 더욱 효율적으로 이루어진다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 과충전을 저지하는 이중 기능의 과충전 보호회로가 설치되고, 과충전에 의한 전지파괴를 방지하는 구성을 기계적인 전류차단수단이 아닌 전기적인 전류차단수단으로 할 수 있으므로 전류를 기계적으로 차단하는 구성을 설치할 공간이 적은 소형의 2차 전지에도 용이하게 적용할 수 있다.
또 주보호회로에 병설된 부보호회로는 온도퓨즈 등의 비복귀 회로차단수단을 이용하지 않는 복귀 가능한 타입의 구성이므로 과충전상태가 해제되었을 때에는 정상시의 상태로 복귀시키는 것이 가능하다. 또 비복귀 타입에서는 불가능하던 부보호회로의 동작의 검사가 행해져, 전지보호회로가 확실히 동작하는 것을 개별적으로 검사하여 제품을 출하할 수 있으므로 소형이면서 신뢰성이 높은 전지보호회로를 구성하는 데에 유용하다.

Claims (23)

  1. 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여, 검출전압이 제 1 충전금지전압 이하일 때 2차 전지(3)의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 1 스위칭수단(11)을 도통상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 1 충전금지전압 이상일 때 상기 제 1 스위칭수단(11)의 충전방향을 차단상태로 제어하고, 검출전압이 충전금지전압을 하회하는 제 1 충전해제전압 이하가 될 때까지 차단상태를 유지하는 주보호회로(A)와, 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여, 검출전압이 상기 제 1 충전금지전압을 상회하는 제 2 충전금지전압 이하일 때 2차 전지의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 2 스위칭수단(13)을 도통상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 2 충전금지전압 이상이 되었을 때 상기 제 2 스위칭수단(13)의 충전방향을 차단상태로 제어하는 부보호회로(B)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 부보호회로(B)는 제 2 충전금지전압의 검출에 의해 제 2 스위칭수단(13)의 충전방향을 차단상태로 제어하고, 차단상태를 제 2 충전해제전압이 검출될 때까지 유지하는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 부보호회로(B)는 제 2 충전금지전압의 검출에 의해 제 2 스위칭수단(13)의 충전방향을 차단상태로 제어한 후 차단상태를 고정하는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭수단(11) 및 제 2 스위칭수단(13)이 그 내부에 기생 다이오드(D)를 갖는 파워 MOSFET이고, 상기 기생 다이오드(D)의 순방향이 2차 전지(3)의 방전방향으로 되도록 접속되는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  5. 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압 및 방전전류를 검출하여, 검출전압이 제 1 충전금지전압 이하이고 제 1 방전금지전압 이상일 때 2차 전지(3)의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 1 스위칭수단(14)을 도통상태로 제어하고, 검출전류가 소정값 이상일 때 상기 제 1 스위칭수단(14)을 차단상태로 제어하고, 검출전압이 제 1 충전금지전압 이상일 때 상기 제 1 스위칭수단(14)을 충전방향 차단/방전방향 도통 상태로 제어하고, 그 상태를 제 1 충전금지전압을 하회하는 제 1 충전해제전압이 검출될 때까지 유지하고, 검출전압이 방전금지전압 이하일 때 상기 제 1 스위칭수단(14)을 방전방향 차단/충전방향 도통 상태로 제어하여, 그 상태를 제 1 방전금지전압을 상회하는 제 1 방전해제전압이 검출될 때까지 유지하는 주보호회로(C)와, 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 검출전압이 상기 제 1 충전금지전압을 상회하는 제 2 충전금지전압 이하일 때 2차 전지(3)의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 2 스위칭수단(13)을 도통상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 2 충전금지전압 이상일 때 상기 제 2 스위칭수단(13)의 충전방향을 차단상태로 제어하고, 차단상태를 제 2 충전해제전압이 검출될 때까지 유지하는 부보호회로(B)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭수단(14)은 그 내부에 기생 다이오드가 없는 FET이고, 그 게이트전압에 의해 각 상태가 되는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  7. 2차 전지(3)의 충전/방전회로에 직렬 접속된 PTC(21)에 가열수단(22)을 열 결합시키고, 이 가열수단(22)으로의 통전을 제어하는 제 1 스위칭수단(15)을 설치하고, 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 검출전압이 제 1 충전금지전압 이하일 때 상기 제 1 스위칭수단(15)을 차단상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 1 충전금지전압 이상일 때 상기 제 1 스위칭수단(15)을 도통상태로 제어하여 상기 가열수단(22)에 통전하고, 도통상태를 제 1 충전해제전압이 검출될 때까지 유지하는 주보호회로(E)와, 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 검출전압이 상기 제 1 충전금지전압을 넘는 제 2 충전금지전압 이하일 때 2차 전지(3)의 충전/방전회로에 직렬 접속된 제 2 스위칭수단(13)을 도통상태로 제어하고, 검출전압이 상기 제 2 충전금지전압 이상일 때 상기 제 2 스위칭수단(13)의 충전방향을 차단상태로 제어하고, 차단상태를 제 2 충전해제전압이 검출될 때까지 유지하는 부보호회로(B)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 가열수단은 PTC(21)에 열결합된 제 2 PTC(22)인 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  9. 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 소정값을 넘는 전압이 검출될 때 제어신호를 출력하는 전압검출수단(40)과, 상기 2차 전지(3)에 직렬로 접속된 PTC(21)에 열결합되어 통전에 의해 온도가 상승하는 가열수단(22)과, 상기 전압검출수단(40)으로부터의 제어신호에 의해 상기 가열수단(22)에 통전하는 스위칭수단(41)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 전압검출수단에 의해 검출되는 소정값을 넘는 전압이 과충전상태가 검출되는 전압보다 높은 전압으로 설정되는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 가열수단은 PTC(21)에 열결합된 제 2 PTC(22)인 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  12. 2차 전지(3)의 양극과 음극 사이의 전압을 검출하여 소정값을 넘는 전압이 검출될 때 제어신호를 출력하는 전압검출수단(40)과, 상기 2차 전지(3)에 직렬로 접속된 온도퓨즈(48)에 열결합된 가열용 PTC(49)와, 상기 전압검출수단(40)으로부터의 제어신호에 의해 상기 가열용 PTC(49)에 통전하는 스위칭수단(41)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 전압검출수단에 의해 검출되는 소정값을 넘는 전압이 과충전상태가 검출되는 전압보다 높은 전압으로 설정되는 것을 특징으로 하는 전지보호회로.
  14. 평판형상으로 형성된 복수의 PTC 소자(21a, 22a)를 열결합된 상태로 적층형성하는 것을 특징으로 하는 보호소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 PTC 소자(21a, 22a)는 그 형상, 크기 및 전기적 특성을 임의로 선택하여 조합하는 것을 특징으로 하는 보호소자.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 PTC 소자는 평판형상으로 형성된 2장의 PTC 소자(21a, 22a)를 그 평판면 사이에 전극재(45)를 개재하여 접합하는 동시에, 각 PTC 소자(21a, 22a)의 외면측에도 각각 전극재(44, 46)를 접합하는 것을 특징으로 하는 보호소자.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 전극재(44, 45, 46)는 동니켈합금 혹은 동니켈합금과 니켈의 피복재로 형성되는 것을 특징으로 하는 보호소자.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 각 전극재(44, 45, 46)로부터 리드부(44a, 45a, 46a)가 연장되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 보호소자.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 각 전극재(44, 45, 46)로부터의 리드부의 연장방향이 상반되는 2방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 보호소자.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 각 전극재(44, 45, 46)로부터의 리드부(44b, 45b, 46b)의 연장방향이 다른 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 보호소자.
  21. 제 15항에 있어서,
    상기 각 전극재(44, 45, 46)는 접합하는 PTC 소자(21a, 22a)의 외형치수보다작게 형성되는 것을 특징으로 하는 보호소자.
  22. 온도퓨즈(48)와 PTC 소자(49)는 열결합된 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 보호소자.
  23. 제 14항 또는 제 22항에 있어서,
    상기 열결합된 부위가 단열재로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 보호소자.
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