KR20150040955A - Protective element and battery pack - Google Patents

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Abstract

용이하게 용단시킬 수 있고, 확실하게 용융 땜납을 분단할 수 있는 보호 소자를 얻기 위해, 보호 소자(10)는 절연 기판(11)과, 절연 기판(11)에 적층되고 절연 부재(15)에 덮인 발열체(14)와, 전극(12(A1), 12(A2))과, 절연 부재(15) 상에 발열체(14)와 중첩하도록 적층된 발열체 인출 전극(16)과, 양단이 전극(12(A1), 12(A2))에 접속되고 중앙부가 보호막(8)을 갖는 발열체 인출 전극(16)에 접속된 가용 도체(13)를 구비한다. 가용 도체(13)는 후육부(13a)와, 얇고 편평하게 성형된 박육부(13b)를 포함한다. 가용 도체(13)의 길이 방향과 직각의 방향으로 연신된 발열체 인출 전극(16)은 그 형상이, 가용 도체(13)의 박육부(13b)와의 접속 위치에 있어서의 면적에 비하여, 발열체(14)의 전극(18a(P1))측의 면적이 커지도록 설정된다.The protective element 10 has an insulating substrate 11 and an insulating substrate 11 which is laminated on the insulating substrate 11 and is covered with the insulating member 15 so as to be able to be easily melted and to reliably separate the molten solder. A heating element lead-out electrode 16 laminated so as to overlap the heating element 14 on the insulating member 15 and a heating element lead-out electrode 16 laminated so as to overlap the electrode 12 (A1 A1 and 12 (A2), and a central portion thereof is connected to the heating-element lead-out electrode 16 having the protective film 8. The usable conductor 13 includes a thick portion 13a and a thin and flatly formed thin portion 13b. The shape of the heating element lead-out electrode 16 stretched in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the usable conductor 13 is larger than the area at the connection position of the thinner portion 13b of the usable conductor 13 with respect to the heating element 14 ) On the electrode 18a (P1) side is increased.

Description

보호 소자 및 배터리 팩{PROTECTIVE ELEMENT AND BATTERY PACK}[0001] PROTECTIVE ELEMENT AND BATTERY PACK [0002]

본 발명은 전류 경로를 용단함으로써, 전류 경로 상에 접속된 회로를 보호하는 보호 소자에 관한 것이다. 본 출원은 일본에서 2012년 8월 1일에 출원된 일본 특허 출원 번호 특원2012-171334를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것으로, 이 출원을 참조함으로써 본 출원에 원용된다.The present invention relates to a protection device for protecting a circuit connected on an electric current path by fusing an electric current path. The present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2012-171334, filed on August 1, 2012 in Japan, which is hereby incorporated by reference in its entirety.

충전하여 반복 이용할 수 있는 이차 전지의 대부분은 배터리 팩으로 가공되어서 유저에게 제공된다. 특히 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지에 있어서는, 유저 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위해, 일반적으로, 과충전 보호, 과방전 보호 등의 몇가지 보호 회로를 배터리 팩에 내장하고, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 갖고 있다.Most of the secondary batteries that can be charged and used repeatedly are processed into battery packs and provided to the user. Particularly, in a lithium ion secondary battery having a high weight energy density, in order to secure the safety of the user and the electronic equipment, generally, some protection circuit such as overcharge protection and over discharge protection is built in the battery pack, It has a function to block the output of the pack.

대부분의 리튬 이온 이차 전지를 사용한 전자 장치에 있어서는, 배터리 팩에 내장된 FET 스위치를 사용하여 출력의 ON/OFF를 행함으로써, 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호 동작을 행한다. 그러나, 어떠한 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴된 경우, 뇌 서지(lightning surge) 등이 인가되어 순간적인 대전류가 흐른 경우, 또는 배터리 셀의 수명에 의해 출력 전압이 매우 저하되거나, 반대로 과대 이상 전압을 출력한 경우에도 배터리 팩이나 전자 기기는 발화 등의 사고로부터 보호되어야 한다. 따라서, 이러한 상정할 수 있는 어떠한 이상 상태에서 배터리 셀의 출력을 안전하게 차단하기 위해, 외부로부터의 신호에 의해 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자를 포함하는 보호 소자가 사용된다.BACKGROUND ART [0002] In an electronic device using most lithium ion secondary batteries, an output is turned ON / OFF using an FET switch incorporated in a battery pack to perform overcharge protection or over-discharge protection operation of the battery pack. However, when the FET switch is short-circuited for some reason, a momentary large current flows due to a lightning surge or the like, or the output voltage greatly decreases due to the life of the battery cell, Even in such a case, the battery pack or the electronic device must be protected from accidents such as ignition. Therefore, in order to safely shut off the output of the battery cell in any such abnormal state that can be assumed, a protection element including a fuse element having a function of cutting off the current path by an external signal is used.

이러한 리튬 이온 이차 전지 등에 적합한 보호 회로의 보호 소자로서, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 보호 소자 내부에 발열체를 갖고, 이 발열체의 발열에 의해 전류 경로 상의 가용 도체를 용단하는 구조가 일반적으로 사용되고 있다.As a protection element for a protection circuit suitable for such a lithium ion secondary battery, as disclosed in Patent Document 1, a structure is known in which a heating element is provided inside a protective element and the usable conductor on the current path is fused by heat generation of the heating element. .

일본 특허 공개 제2010-3665호 공보Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-3665

특허문헌 1에 기재되어 있는 보호 소자에 있어서는, 휴대 전화나 노트북 컴퓨터와 같은 전류 용량이 비교적 낮은 용도에 사용하기 위해, 가용 도체(퓨즈)는 최대로도 15A 정도의 전류 용량을 갖고 있다. 리튬 이온 이차 전지의 용도는 최근 확대되고 있어, 보다 대전류의 용도, 예를 들어 전동 드라이버 등의 전동 공구나, 하이브리드카, 전기 자동차, 전동 어시스트 자전거 등의 수송 기기에 채용이 검토되고, 일부 채용이 개시되고 있다. 이들 용도에 있어서는, 특히 기동 시에, 수 10A 내지 100A를 초과하는 대전류가 흐르는 경우가 있다. 이러한 전류 용량에 대응한 보호 소자의 실현이 요망되고 있다.In the protection device described in Patent Document 1, the usable conductor (fuse) has a current capacity of about 15 A at the maximum for use in applications where the current capacity is comparatively low such as a cellular phone or a notebook computer. The use of lithium ion secondary batteries has recently been expanded, and applications for larger currents, such as electric power tools such as electric drivers, and hybrid electric vehicles, electric vehicles, electric bicycles, and the like, . In these applications, large currents exceeding several tens of amperes to 100 amperes may flow, particularly at startup. It is desired to realize a protection device corresponding to such current capacity.

대전류에 대응하는 보호 소자를 실현하기 위해는, 가용 도체의 단면적을 증대시키면 된다. 1.6mmφ의 선상으로 성형한 Sn/Ag/Cu계 땜납을 사용하면, 50A 정도의 전류 용량을 얻을 수 있다. 그러나, 보호 소자는, 과전류 상태에 의해 용단시키는 경우 이외에도, 전지 셀의 과전압 상태를 검출하고, 보호 소자의 저항 발열체에 전류를 흘리고, 그 발열에 의해 가용 도체를 절단할 필요가 있다. 이로 인해, 「굵은」 가용 도체에서는, 발열체로부터의 열전도가 저하되어, 가용 도체의 절단을 하는 것이 곤란해진다라는 문제가 있다. 또한, 「굵은」 가용 도체를 용단시키는 경우에, 용융한 땜납을 확실하게 분단하지 않으면, 회로의 차단을 할 수 없다는 문제가 있다.In order to realize a protection element corresponding to a large current, it is sufficient to increase the cross-sectional area of the usable conductor. When a Sn / Ag / Cu-based solder molded into a line of 1.6 mm? Is used, a current capacity of about 50 A can be obtained. However, in addition to the case where the protection element is fused by the overcurrent state, it is necessary to detect the overvoltage state of the battery cell, to supply current to the resistance heating element of the protection element, and to cut the usable conductor by the heat generation. As a result, there is a problem in that, in the "thick" usable conductor, the heat conduction from the heating element is lowered, and it becomes difficult to cut the usable conductor. Further, there is a problem in that, in the case of melting the "thick" usable conductor, the circuit can not be cut unless the molten solder is surely divided.

따라서, 과전류 보호 시의 전류 용량을 확보하면서, 발열체에 의한 발열에 의해 용이하게 용단시킬 수 있고, 확실하게 용융 땜납을 분단하여 회로 차단하는 것을 가능하게 하는 보호 소자를 얻는 것을 목적으로 한다.Therefore, it is an object of the present invention to provide a protection device which can easily fuse by heat generated by a heating element while securing the current capacity at the time of overcurrent protection, and to divide molten solder reliably to cut off the circuit.

상술한 과제의 해결 수단으로서, 본 발명에 따른 보호 소자는, 절연 기판과, 절연 기판에 적층된 발열체와, 적어도 발열체를 덮도록 절연 기판에 적층된 절연 부재와, 제1 및 제2 전극과, 발열체와 중첩하도록 절연 부재 상에 적층되고, 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로와 발열체의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속되어, 외부 회로와 전기적 접속을 하는 발열체 인출 전극과, 발열체 인출 전극으로부터 제1 및 제2 전극에 걸쳐 접속되고, 가열에 의해, 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 구비한다. 그리고, 발열체 인출 전극은, 가용 도체의 길이 방향과는 다른 방향으로 연신하도록 배치되고, 발열체 인출 전극과 가용 도체의 접속 위치에 있어서의 면적보다도 발열체 인출 전극이 연신하는 측의 면적쪽이 크다.According to an aspect of the present invention, there is provided a protection element comprising: an insulating substrate; a heating element laminated on the insulating substrate; an insulating member laminated on the insulating substrate so as to cover at least the heating element; A heating element lead-out electrode laminated on the insulating member so as to overlap with the heating element and electrically connected to a current path between the first and second electrodes and one terminal of the heating element, And an available conductor which is connected across the first and second electrodes and which fuses the current path between the first electrode and the second electrode by heating. The heating-element lead-out electrode is disposed so as to extend in a direction different from the longitudinal direction of the usable conductor, and the area of the heating-element lead-out electrode is larger than the area at the connection position of the heating-element lead-out electrode and the usable conductor.

본 발명에 따른 배터리 팩은, 1개 이상의 배터리 셀과, 배터리 셀에 흐르는 전류를 차단하도록 접속된 보호 소자와, 배터리 셀 각각의 전압값을 검출하여 보호 소자를 가열하는 전류를 제어하는 전류 제어 소자를 구비한다. 그리고, 보호 소자는, 절연 기판과, 절연 기판에 적층된 발열체와, 적어도 상기 발열체를 덮도록 절연 기판에 적층된 절연 부재와, 제1 및 제2 전극과, 발열체와 중첩하도록 절연 부재 상에 적층되고, 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로와 발열체의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속되어, 외부 회로와 전기적 접속을 하는 발열체 인출 전극과, 발열체 인출 전극으로부터 제1 및 제2 전극에 걸쳐 접속되고, 가열에 의해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 갖고, 발열체 인출 전극은, 가용 도체의 길이 방향과는 다른 방향으로 연신하도록 배치되고, 발열체 인출 전극과 가용 도체의 접속 위치에 있어서의 면적보다도, 발열체 인출 전극이 연신하는 측의 면적쪽이 크다.A battery pack according to the present invention includes at least one battery cell, a protection element connected to cut off a current flowing in the battery cell, and a current control element for detecting a voltage value of each battery cell, Respectively. The protection element includes an insulating substrate, a heating element laminated on the insulating substrate, an insulating member laminated on the insulating substrate so as to cover at least the heating element, first and second electrodes, A heating-element lead-out electrode electrically connected to a current path between the first and second electrodes and to one terminal of the heating-element and electrically connected to the external circuit; and a heating-element lead-out electrode connected to the first and second electrodes from the heating- And a heating conductor for heating the current conductor between the first electrode and the second electrode, wherein the heating conductor lead electrode is arranged to extend in a direction different from the longitudinal direction of the usable conductor, The area of the side where the heating-element lead-out electrode extends is larger than the area at the connecting position.

본 발명은 발열체 인출 전극의 형상이 가용 도체의 길이 방향과는 다른 방향으로 연신하도록 배치되고, 발열체 인출 전극과 가용 도체의 접속 위치에 있어서의 면적보다도 발열체 인출 전극이 연신하는 측의 면적쪽이 크므로, 용융한 땜납을 면적이 큰 측에 가까이 끌어당기는 것에 의해, 안정적으로 용융 땜납을 분단하는 것을 가능하게 한다.The present invention is characterized in that the shape of the heating-element lead-out electrode is arranged so as to extend in a direction different from the longitudinal direction of the usable conductor, and the area on the side where the heating-element lead-out electrode extends is larger than the area at the connection position of the heating- , The molten solder is pulled close to the side having a large area, whereby the molten solder can be stably divided.

도 1A는 본 발명이 적용된 보호 소자의 평면도이다. 도 1B는 도 1A의 AA'선에 있어서의 단면도이다.
도 2A 내지 C는 본 발명이 적용된 보호 소자의 용단 동작을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명이 적용된 보호 소자의 응용예를 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 발명이 적용된 보호 소자의 회로 구성예를 도시하는 도면이다.
도 5A 내지 D는 본 발명이 적용된 보호 소자의 발열체 인출 전극의 형상 변형을 도시하는 평면도이다.
도 6A는 본 발명의 변형예에 관한 발열체 인출 전극의 평면도이다. 도 6B는 도 6A의 AA'선에 있어서의 단면도이다.
1A is a plan view of a protection device to which the present invention is applied. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG. 1A.
2A to 2C are plan views for explaining a fusing operation of a protection element to which the present invention is applied.
3 is a block diagram showing an application example of a protection element to which the present invention is applied.
4 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a protection device to which the present invention is applied.
5A to 5D are plan views showing the shape deformation of the heating element lead-out electrode of the protection element to which the present invention is applied.
6A is a plan view of a heating element lead-out electrode according to a modification of the present invention. 6B is a cross-sectional view taken along line AA 'of Fig. 6A.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다.Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It is needless to say that the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope not departing from the gist of the present invention.

[보호 소자의 구성][Configuration of Protection Device]

본 발명에 따른 보호 소자에서는, 용융 땜납을 분단하여 확실하게 회로 차단하기 위해, 이하에 설명하는 발열체 인출 전극의 형상을 연구하였다.In the protection device according to the present invention, the shape of the heating-element lead-out electrode to be described below was studied in order to separate the molten solder and reliably cut off the circuit.

도 1A 및 도 1B에 도시한 바와 같이, 보호 소자(10)는 절연 기판(11)과, 절연 기판(11)에 적층되고, 절연 부재(15)에 덮인 발열체(14)와, 절연 기판(11)의 양단에 형성된 전극(12(A1), 12(A2))과, 절연 부재(15) 상에 발열체(14)와 중첩하도록 적층된 발열체 인출 전극(16)과, 양단이 전극(12(A1), 12(A2))에 접속된 가용 도체(13)를 구비한다. 발열체(14)의 양단에는, 발열체에 전류를 흘려서 발열시키기 위하여 전원을 접속하는 발열체 전극(18(P1), 18(P2))이 접속된다. 가용 도체(13)는 바람직하게는 1.6mmφ의 환선상의 후육부(13a)와, 발열체(14)에 중첩하는 위치에 있어서 두께가 거의 균일해지도록 후육부(13a)보다도 얇고 편평하게 성형된 박육부(13b)를 포함한다. 박육부(13b)의 두께는, 후육부(13a)의 두께(굵기)의 예를 들어 1/2이다. 또한, 후육부(13a) 및 박육부(13b)의 단면적 또는 전류 용량은 거의 동일한 것이 바람직하다. 가용 도체(13)의 박육부(13b)는 발열체 인출 전극(16)과 전기적으로 접속된다.1A and 1B, the protection element 10 includes an insulating substrate 11, a heat generating element 14 laminated on the insulating substrate 11, covered with the insulating member 15, and an insulating substrate 11 Electrodes 12 (A1 (A1) and 12 (A2) formed on both ends of the electrode 12 (A1 ) And 12 (A2), respectively. At both ends of the heat generating element 14, heating element electrodes 18 (P1) and 18 (P2) for connecting a power source are connected so as to generate current by flowing a current to the heating element. The usable conductor 13 preferably has a thicker portion 13a of a round wire of 1.6 mmφ and a thicker and thinner portion 13a which is thinner and thicker than the thicker portion 13a so that the thickness is almost uniform at a position overlapping the heating element 14. [ (13b). The thickness of the thin portion 13b is, for example, 1/2 of the thickness (thickness) of the thick portion 13a. It is preferable that the cross-sectional area or the current capacity of the thick portion 13a and the thin portion 13b are substantially the same. The thin-walled portion 13b of the usable conductor 13 is electrically connected to the heating-element lead-out electrode 16.

가용 도체(13)를, 발열체(14)에 중첩하는 위치를 박육화한 박육부(13b)로 함으로써, 박육부(13b)에 있어서의 두께 방향의 열전도가 향상되어, 가용 도체(13)를 용이하게 용단시킬 수 있다. 또한, 박육부(13b)를 편평하게 성형함으로써, 발열체(14)의 중첩부와의 접촉 면적을 증대시킬 수 있어, 발열체(14)로부터의 열을 효율적으로 전달할 수 있어, 안정된 용단 특성을 실현할 수 있다. 또한, 후육부(13a) 및 박육부(13b)의 단면적을 거의 동일하게 한 경우에는, 가용 도체(13)의 전류 용량이 동일해지므로, 가용 도체(13)의 통전 방향의 단면적 및 가용 도체(13)의 재질(비저항)에 따른 전류를 흘릴 수 있다.By making the thin conductor 13b thinner at the position where the conductor 13 is superimposed on the heating element 14, thermal conduction in the thickness direction of the thin portion 13b is improved and the conductor 13 can be easily It can be fused. In addition, by forming the thin portion 13b flat, it is possible to increase the contact area with the overlap portion of the heat generating element 14, efficiently transmit the heat from the heat generating body 14, have. When the cross-sectional areas of the thick portion 13a and the thin portion 13b are substantially the same, the current capacity of the usable conductor 13 becomes the same, so that the cross-sectional area of the usable conductor 13 in the current- 13) can be made to flow in accordance with the material (resistivity).

2개의 전극(12(A1), 12(A2))은 가용 도체(13)를 보호 소자(10)의 내부에서 접속하고, 이 2개의 전극(12(A1), 12(A2))을 통하여 외부 회로에 접속한다. 2개의 전극(12(A1), 12(A2))은 절연 기판(11) 상에 형성할 수도 있고, 또는 절연 기판(11)과 일체로 된 에폭시 수지 등을 포함하는 절연 소재로 형성하도록 할 수도 있다.The two electrodes 12 (A1) and 12 (A2) connect the usable conductors 13 in the inside of the protective element 10 and are connected to the outside through the two electrodes 12 (A1) and 12 Circuit. The two electrodes 12 (A1) and 12 (A2) may be formed on the insulating substrate 11 or may be formed of an insulating material including an epoxy resin or the like integrated with the insulating substrate 11 have.

발열체 인출 전극(16)의 일단부는, 발열체 전극(18(P1)) 및 발열체(14)의 일단부에 접속된다. 또한, 발열체(14)의 타단부는 다른쪽의 발열체 전극(18(P2))에 접속된다.One end of the heating-element lead-out electrode 16 is connected to one end of the heating-element electrode 18 (P1) and the heating element 14. The other end of the heating element 14 is connected to the other heating element electrode 18 (P2).

절연 기판(11)은, 예를 들어 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재에 의해 형성된다. 그 외, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용할 수도 있지만, 퓨즈 용단 시의 온도에 유의할 필요가 있다.The insulating substrate 11 is formed of a member having an insulating property such as alumina, glass ceramics, mullite, zirconia, or the like. In addition, a material used for a printed wiring board such as a glass epoxy substrate or a phenol substrate can be used, but it is necessary to pay attention to the temperature at the time of fusing.

발열체(14)는 비교적 저항값이 높고 통전하면 발열하는 도전성을 갖는 부재이며, 예를 들어 W, Mo, Ru 등을 포함한다. 이 합금 또는 조성물, 화합물의 분상체를 수지 바인더 등과 혼합하여 페이스트상으로 한 것을 절연 기판(11) 상에 스크린 인쇄 기술을 사용하여 패턴 형성하고, 소성하는 등에 의해 형성한다.The heat generating element 14 is a member having conductivity having a relatively high resistance value and generating heat when energized, and includes, for example, W, Mo, Ru, and the like. The alloy, the composition, or the compound thereof is mixed with a resin binder or the like to form a paste, is formed on the insulating substrate 11 by patterning using a screen printing technique, and baked.

발열체(14)를 덮도록 절연 부재(15)가 배치되고, 이 절연 부재(15)를 개재하여 발열체(14)에 대향하도록 발열체 인출 전극(16)이 배치된다. 이 절연 부재(15)는 발열체(14)가 내부에 일체적으로 적층된 적층 기판일 수도 있는 것은 물론이다.An insulating member 15 is disposed so as to cover the heating element 14 and a heating element lead-out electrode 16 is disposed so as to face the heating element 14 via the insulating member 15. It goes without saying that the insulating member 15 may be a laminated substrate in which the heating elements 14 are integrally laminated.

가용 도체(13)는 과전류 상태에 의해 및 발열체(14)의 발열에 의해 용융하여 용단하는 도전성의 재료이면 되고, 예를 들어 SnAgCu계의 Pb 프리 땜납 이외에, BiPbSn 합금, BiPb 합금, BiSn 합금, SnPb 합금, PbIn 합금, ZnAl 합금, InSn 합금, PbAgSn 합금 등을 사용할 수 있다.The usable conductor 13 may be any conductive material that melts and fuses by the overcurrent state and the heat generated by the heating element 14. For example, in addition to SnAgCu-based Pb-free solder, BiPbSn alloy, BiPb alloy, BiSn alloy, SnPb Alloy, PbIn alloy, ZnAl alloy, InSn alloy, PbAgSn alloy and the like can be used.

또한, 가용 도체(13)는 Ag 혹은 Cu 또는 Ag 혹은 Cu를 주성분으로 하는 금속을 포함하는 고융점 금속과, Sn을 주성분으로 하는 Pb 프리 땜납 등의 저융점 금속의 적층체일 수도 있다.The usable conductor 13 may be a laminate of a refractory metal containing Ag or Cu or a metal mainly composed of Ag or Cu and a refractory metal such as Pb-free solder containing Sn as a main component.

또한, 가용 도체(13)를 절연 기판(11)에 대하여 지지하고, 가용 도체(13)의 기계적 강도를 향상시키기 위해, 절연 기판(11) 상에 형성된 전극(2) 상에 지지 부재(3)를 형성하고, 지지 부재(3)에 가용 도체(13)를 접속하도록 할 수도 있다.The supporting member 3 is formed on the electrode 2 formed on the insulating substrate 11 in order to support the usable conductor 13 against the insulating substrate 11 and to improve the mechanical strength of the usable conductor 13. [ And the usable conductor 13 may be connected to the support member 3. [

본 발명에 따른 보호 소자에서는, 큰 전류 용량에 대응하기 위해, 「굵은」 가용 도체를 사용한다. 가용 도체가 용단되는 경우에, 용융되는 땜납의 양이 많기 때문에, 용융 땜납의 분단을 확실하게 해서, 회로를 차단하기 위해, 용융 땜납의 처리를 고려할 필요가 있다.In the protection device according to the present invention, a "thick" usable conductor is used in order to cope with a large current capacity. In the case where the usable conductor is fused, since the amount of the solder to be melted is large, it is necessary to consider the treatment of the molten solder in order to secure the division of the molten solder and cut off the circuit.

따라서, 도 1A에 도시한 바와 같이, 발열체 인출 전극(16)은 가용 도체(13)의 길이 방향과는 상이한 방향, 예를 들어 가용 도체(13)의 길이 방향과 직각의 방향으로 연신되고, 연신된 한쪽의 측이 가용 도체(13)의 박육부(13b)에 접속되고, 연신된 다른쪽의 측이 절연 부재(15)에 형성된 발열체(14)를 위한 전극(18a(P1))에 접속된다. 발열체 인출 전극(16)의 형상은, 가용 도체(13)의 박육부(13b)와의 접속 위치에 있어서의 면적에 비하여 발열체(14)의 전극(18a(P1))측의 면적이 커지도록, 예를 들어 박육부(13b)와의 접속 위치의 측을 정점으로 하고, 연신된 측의 전극(18a(P1)) 측을 저변으로 하는 이등변 삼각형의 형상으로 설정된다.1A, the heating element lead-out electrode 16 is elongated in a direction different from the longitudinal direction of the usable conductor 13, for example, in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the usable conductor 13, One side is connected to the thin portion 13b of the usable conductor 13 and the other side is connected to the electrode 18a (P1) for the heating element 14 formed on the insulating member 15 . The shape of the heating element lead-out electrode 16 is set so that the area of the heating element 14 on the electrode 18a (P1) side is larger than the area of the heating conductor 14 at the connection position with the thinner portion 13b of the usable conductor 13, And the electrode 18a (P1) side on the extended side is set as the bottom side, as shown in Fig.

이와 같이, 발열체 인출 전극(16)의 형상을 이등변 삼각형으로 하면, 도 2A에 도시한 바와 같이, 가용 도체(13)의 박육부(13b)는 발열체(14)의 가열에 의해, 발열체(14)에 중첩하는 부분이 용융하기 시작한다. 용융한 땜납은, 보다 면적이 넓고 습윤성이 높은 쪽으로 이동하는 성질이 있어서, 박육부(13b)는 도 2B의 화살표 방향으로 가까이 끌어당겨진다. 그리고, 도 2C에 도시한 바와 같이, 발열체 인출 전극(16)의 면적 넓은 측, 즉 이등변 삼각형의 저변 측에 용융한 땜납이 흐르려고 하므로, 용융 땜납이 흐르는 힘을 이용하여 보다 빠르게 땜납을 분단할 수 있다. 이에 의해, 가용 도체(13)는 분단되어서, 회로의 안정된 차단이 가능해진다.2A, the thin-walled portion 13b of the usable conductor 13 is heated by the heating of the heating element 14, and the heating element 14 is heated by the heating element 14. As a result, The portion that overlaps with the first portion starts to melt. The melted solder has a property that it is larger in area and moves to the higher wettability side, so that the thin portion 13b is pulled close to the direction of the arrow in Fig. 2B. Then, as shown in Fig. 2C, since the molten solder tries to flow on the large-area side of the heating-element lead-out electrode 16, that is, the bottom side of the isosceles triangle, the solder is more quickly divided by the force of the molten solder . Thereby, the usable conductor 13 is divided and the circuit can be stably intercepted.

또한, 주지의 패턴 성형 기술을 사용함으로써 절연 부재(15) 상에 직접 이러한 이등변 삼각형의 전극을 형성할 수 있다. 또한, 대략 직사각형의 발열체 인출 전극(16)의 표면에 이등변 삼각형의 형상의 개구를 갖는 절연성의 보호층을 설치함으로써 형성할 수도 있다.Further, by using a well-known pattern forming technique, such an isosceles triangular electrode can be formed directly on the insulating member 15. [ Alternatively, it may be formed by providing an insulating protective layer having an opening in the shape of an isosceles triangle on the surface of the substantially rectangular heating element lead-out electrode 16.

[보호 소자의 사용 방법][How to use the protection device]

도 3에 도시한 바와 같이, 상술한 보호 소자(10)는 리튬 이온 이차 전지의 배터리 팩 내의 회로에 사용된다.As shown in Fig. 3, the above-described protection element 10 is used in a circuit in a battery pack of a lithium ion secondary battery.

예를 들어, 보호 소자(10)는 합계 4개의 리튬 이온 이차 전지의 배터리 셀(21 내지 24)을 포함하는 배터리 스택(25)을 갖는 배터리 팩(20)에 내장되어서 사용된다.For example, the protection element 10 is used by being embedded in a battery pack 20 having a battery stack 25 including battery cells 21 to 24 of a total of four lithium ion secondary batteries.

배터리 팩(20)은 배터리 스택(25)과, 배터리 스택(25)의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로(30)와, 배터리 스택(25)과 충방전 제어 회로(30)를 보호하는 본 발명이 적용된 보호 소자(10)와, 각 배터리 셀(21 내지 24)의 전압을 검출하는 검출 회로(26)와, 검출 회로(26)의 검출 결과에 따라서 보호 소자(10)의 동작을 제어하는 전류 제어 소자(27)를 구비한다.The battery pack 20 includes a battery stack 25, a charge / discharge control circuit 30 for controlling charge / discharge of the battery stack 25, The detection circuit 26 for detecting the voltage of each battery cell 21 to 24 and the control circuit 10 for controlling the operation of the protection element 10 in accordance with the detection result of the detection circuit 26 And a current control element 27 are provided.

배터리 스택(25)은 과충전 및 과방전 상태를 보호하기 위한 제어를 필요로 하는 배터리 셀(21 내지 24)이 직렬 접속된 것이며, 배터리 팩(20)의 정극 단자(20a), 부극 단자(20b)를 통하여 착탈 가능하게 충전 장치(35)에 접속되고, 충전 장치(35)로부터의 충전 전압이 인가된다. 충전 장치(35)에 의해 충전된 배터리 팩(20)의 정극 단자(20a), 부극 단자(20b)를 배터리로 동작하는 전자 기기에 접속함으로써, 이 전자 기기를 동작시킬 수 있다.The battery stacks 25 are connected in series to the battery cells 21 to 24 that require control to protect the overcharged and overdischarged states and are connected in series between the positive terminal 20a and the negative terminal 20b of the battery pack 20, And the charging voltage from the charging device 35 is applied. The electronic device can be operated by connecting the positive electrode terminal 20a and the negative electrode terminal 20b of the battery pack 20 charged by the charging device 35 to an electronic device that operates as a battery.

충방전 제어 회로(30)는 배터리 스택(25)으로부터 충전 장치(35)에 흐르는 전류 경로에 직렬 접속된 2개의 전류 제어 소자(31, 32)와, 이 전류 제어 소자(31, 32)의 동작을 제어하는 제어부(33)를 구비한다. 전류 제어 소자(31, 32)는, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터(이하, FET라고 칭함)에 의해 구성되고, 제어부(33)에 의해 게이트 전압을 제어함으로써, 배터리 스택(25)의 전류 경로의 도통과 차단을 제어한다. 제어부(33)는 충전 장치(35)로부터 전력 공급을 받아서 동작하고, 검출 회로(26)에 의한 검출 결과에 따라, 배터리 스택(25)이 과방전 또는 과충전일 때, 전류 경로를 차단하도록 전류 제어 소자(31, 32)의 동작을 제어한다.The charge / discharge control circuit 30 includes two current control elements 31 and 32 connected in series to the current path from the battery stack 25 to the charging device 35, and the operation of the current control elements 31 and 32 And a control section 33 for controlling the control section 33. The current control elements 31 and 32 are constituted by, for example, a field effect transistor (hereinafter referred to as an FET) and control the gate voltage by the control unit 33 to conduct the current path of the battery stack 25 And blocking. The control unit 33 operates by receiving the power supply from the charging device 35 and controls the current control to block the current path when the battery stack 25 is overdischarged or overcharged in accordance with the detection result by the detection circuit 26 Thereby controlling the operation of the elements 31 and 32.

보호 소자(10)는, 예를 들어 배터리 스택(25)과 충방전 제어 회로(30) 사이의 충방전 전류 경로 상에 접속되고, 그 동작이 전류 제어 소자(27)에 의해 제어된다.The protection element 10 is connected, for example, on the charging / discharging current path between the battery stack 25 and the charging / discharging control circuit 30, and its operation is controlled by the current control element 27. [

검출 회로(26)는 각 배터리 셀(21 내지 24)과 접속되고, 각 배터리 셀(21 내지 24)의 전압값을 검출하고, 각 전압값을 충방전 제어 회로(30)의 제어부(33)에 공급한다. 또한, 검출 회로(26)는 어느 하나의 배터리 셀(21 내지 24)이 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에 전류 제어 소자(27)를 제어하는 제어 신호를 출력한다.The detection circuit 26 is connected to each of the battery cells 21 to 24 and detects the voltage value of each battery cell 21 to 24 and supplies each voltage value to the control section 33 of the charge / discharge control circuit 30 Supply. Further, the detection circuit 26 outputs a control signal for controlling the current control element 27 when any one of the battery cells 21 to 24 becomes an overcharge voltage or an overdischarge voltage.

전류 제어 소자(27)는 검출 회로(26)로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 배터리 셀(21 내지 24)의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 보호 소자(10)를 동작시켜서, 배터리 스택(25)의 충방전 전류 경로를 전류 제어 소자(31, 32)의 스위치 동작에 의존하지 않고 차단하도록 제어한다.The current control element 27 is turned on when the voltage value of the battery cells 21 to 24 becomes a voltage exceeding a predetermined overdischarge or overcharge state by the detection signal outputted from the detection circuit 26, To control the charging / discharging current path of the battery stack 25 to be interrupted without depending on the switching operation of the current control devices 31 and 32. [

이상과 같은 구성을 포함하는 배터리 팩(20)에 있어서, 보호 소자(10)의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.The configuration of the protection device 10 in the battery pack 20 including the above configuration will be described in detail.

먼저, 본 발명이 적용된 보호 소자(10)는 예를 들어 도 4에 도시한 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 보호 소자(10)는 발열체 인출 전극(16)을 통하여 직렬 접속된 가용 도체(13)와, 가용 도체(13)의 접속점을 통하여 통전하여 발열시킴으로써 가용 도체(13)를 용융하는 발열체(14)를 포함하는 회로 구성이다. 또한, 보호 소자(10)에서는, 예를 들어 가용 도체(13)가 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되고, 발열체(14)가 전류 제어 소자(27)와 접속된다. 보호 소자(10)에 2개의 전극(12, 12) 중, 한쪽은 A1에 접속되고, 다른쪽은 A2에 접속된다. 또한, 발열체 인출 전극(16)과 이것에 접속된 발열체 전극(18)은 P1에 접속되고, 다른쪽의 발열체 전극(18)은 P2에 접속된다.First, the protection device 10 to which the present invention is applied has, for example, a circuit configuration as shown in Fig. That is, the protection element 10 is connected to the heating conductor 14, which is connected in series via the heating element lead-out electrode 16, with the heating element 14 ). In the protection element 10, for example, the usable conductor 13 is connected in series on the charging / discharging current path, and the heating element 14 is connected to the current control element 27. One of the two electrodes 12 and 12 is connected to the protection element 10, and the other is connected to the protection element A2. Further, the heating-element lead-out electrode 16 and the heating-element electrode 18 connected thereto are connected to P1, and the other heating-element electrode 18 is connected to P2.

이러한 회로 구성을 포함하는 보호 소자(10)는 저배화(低背化)를 실현하면서, 발열체(14)의 발열에 의해 전류 경로 상의 가용 도체(13)를 확실하게 용단시킬 수 있다.The protection element 10 including such a circuit configuration can reliably melt the usable conductor 13 on the current path by heat generation of the heating element 14 while realizing a low profile.

[변형예][Modifications]

발열체 인출 전극(16)의 절연 부재(15) 상에 있어서의 형상은, 가용 도체(13)의 박육부(13b)와의 접속 위치에 있어서의 면적이, 이 위치로부터 이격됨에 따라서 넓어지는 것이라면 어떠한 형상일 수도 있지만, 상술한 이등변 삼각형(도 5A)이나, 도 5B에 도시한 바와 같이, 이등변 삼각형의 2개의 변이 곡선상인 쐐기형일 수도 있다. 또한, 도 5C 및 도 5D와 같이 가용 도체(13) 박육부(13b)의 접속 위치에 대하여 양측에 면적이 넓은 부분을 갖는 형상일 수도 있다.The shape of the heating element lead-out electrode 16 on the insulating member 15 may be any shape as long as the area at the connection position with the thin portion 13b of the usable conductor 13 becomes wider as it is spaced apart from this position However, the isosceles triangle (Fig. 5A) described above or the two sides of the isosceles triangle may be wedge-shaped, which is a curve, as shown in Fig. 5B. Further, as shown in Figs. 5C and 5D, the connecting portion of the thin portion 13b of the usable conductor 13 may have a portion having a large area on both sides.

한편, 발열체 인출 전극(16)은, 통상, Cu나 Ag(Ag 페이스트 등)에 의해 패턴 형성되는데, 이 금속(또는 이들을 주성분으로 하는 합금)은 땜납이 용융할 때에 용융 땜납 중에 용해되는 땜납 용식 현상이 알려져 있다. 15A 정도까지의 전류 용량을 갖는 종래의 보호 소자에 있어서는, 발열체 인출 전극에 사용하는 금속의 양에 비하여 가용 도체(땜납)의 양이 적기 때문에, 땜납 용식 현상에 대하여 고려할 필요가 없었다. 여기서, 보호 소자의 대전류 용량화에 수반하여, 「굵은」 땜납을 가용 도체(13)로서 사용하게 되면, 보호 소자(10)의 동작 시에 있어서 땜납 용식이 현저해져서, 보호 소자의 동작 중에 발열체 인출 전극(16)이 소실되어, 발열체(14)에의 전력 공급이 정지되어, 용단 동작이 정지하게 되는 경우가 있다. 이것을 방지하기 위해, 도 6A 및 도 6B에 도시한 바와 같이, 발열체 인출 전극(16)의 표면에 땜납 용식에 견디는 보호막(8)을 형성한다. 보호막(8)을 통하여 가용 도체(13)를 접속함으로써, 가용 도체(13)의 땜납은, 발열체 인출 전극(16)을 침식하지 않고, 발열체(14)는 전력의 공급을 계속하여 받을 수 있으므로, 안정적으로 가용 도체(13)를 용단할 수 있다. 보호막(8)으로서는, 땜납 용식에 대한 내성 및 제조의 용이함 등에 따라 임의의 재료를 사용할 수 있지만, 예를 들어 Ni/Au 도금을 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, the heating-element lead-out electrode 16 is usually patterned by Cu or Ag (Ag paste or the like). This metal (or an alloy mainly composed of these metals) is a solder dissolution phenomenon which is dissolved in molten solder Is known. In the conventional protection device having the current capacity up to about 15 A, since the amount of the usable conductor (solder) is smaller than the amount of the metal used for the heating element lead-out electrode, there is no need to consider the phenomenon of solder dissolution. Here, when "thick" solder is used as the usable conductor 13 due to the large current capacity of the protective element, the solderability becomes significant during the operation of the protective element 10, The electrode 16 disappears, the power supply to the heating element 14 is stopped, and the fusing operation is stopped in some cases. In order to prevent this, as shown in Figs. 6A and 6B, a protective film 8 which is resistant to solder is formed on the surface of the heating-element lead-out electrode 16. By connecting the usable conductor 13 through the protective film 8, the solder of the usable conductor 13 does not corrode the heating element lead-out electrode 16, and the heating element 14 can continue to receive power supply, The usable conductor 13 can be fused stably. As the protective film 8, any material can be used depending on resistance to soldering and easiness of manufacturing. For example, Ni / Au plating is preferably used.

2: 전극
3: 지지 부재, 개구
8: 보호막
10: 보호 소자
11: 절연 기판
12(A1), 12(A2): 전극
13: 가용 도체
13a: 후육부
13b: 박육부
14: 발열체
15: 절연 부재
16: 발열체 인출 전극
18(P1), 18(P2): 발열체 전극
18a(P1), 18a(P2): 전극
20: 배터리 팩
20a: 정극 단자
20b: 부극 단자
21 내지 24: 배터리 셀
25: 배터리 스택
26: 검출 회로
27, 31, 32: 전류 제어 소자
30: 충방전 제어 회로
33: 제어부
35: 충전 장치
2: Electrode
3: Support member, opening
8: Shield
10: Protection element
11: insulating substrate
12 (A1), 12 (A2): electrode
13: Available conductor
13a: thickening
13b: Thin wall
14: Heating element
15: Insulation member
16: Heating element extraction electrode
18 (P1), 18 (P2): Heating element electrode
18a (P1), 18a (P2): electrode
20: Battery pack
20a: Positive electrode terminal
20b: negative terminal
21 to 24: Battery cell
25: Battery stack
26: Detection circuit
27, 31, 32: current control element
30: charge / discharge control circuit
33:
35: Charging device

Claims (10)

절연 기판과,
상기 절연 기판에 적층된 발열체와,
적어도 상기 발열체를 덮도록 상기 절연 기판에 적층된 절연 부재와,
제1 및 제2 전극과,
상기 발열체와 중첩하도록 상기 절연 부재 상에 적층되고, 상기 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로와 그 발열체의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속되어, 외부 회로와 전기적 접속을 하는 발열체 인출 전극과,
상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제1 및 제2 전극에 걸쳐 접속되고, 가열에 의해 그 제1 전극과 그 제2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 구비하고,
상기 발열체 인출 전극은, 상기 가용 도체의 길이 방향과는 다른 방향으로 연신하도록 배치되고, 그 발열체 인출 전극과 그 가용 도체의 접속 위치에서의 면적보다도 그 발열체 인출 전극이 연신하는 측의 면적쪽이 큰 것을 특징으로 하는 보호 소자.
An insulating substrate,
A heating element laminated on the insulating substrate;
An insulating member laminated on the insulating substrate so as to cover at least the heating element;
First and second electrodes,
A heating element lead-out electrode laminated on the insulating member so as to overlap with the heating element and electrically connected to a current path between the first and second electrodes and one terminal of the heating element,
And an available conductor which is connected to the first and second electrodes from the heating element lead-out electrode and fuses a current path between the first electrode and the second electrode by heating,
Wherein the heating-element lead-out electrode is arranged to extend in a direction different from a longitudinal direction of the usable conductor, and an area of a side on which the heating-element lead-out electrode is drawn is larger than an area at a connecting position of the heating-element lead-out electrode and the usable conductor Wherein the protection element is a protection element.
제1항에 있어서, 상기 발열체 인출 전극은, 상기 가용 도체의 길이 방향과 직각의 방향으로 연신하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 보호 소자.The protection device according to claim 1, wherein the heating-element lead-out electrode is arranged to extend in a direction perpendicular to a longitudinal direction of the usable conductor. 제1항에 있어서, 상기 발열체 인출 전극은, 그 형상이 상기 가용 도체와 접속되는 측에 정점을 이루고, 그 발열체 인출 전극이 연신되는 측에서 저변을 이루는 삼각형인 것을 특징으로 하는 보호 소자.The protection device according to claim 1, wherein the heating-element lead-out electrode is a triangle having a shape at a side connected to the usable conductor and forming a bottom at a side where the heating-element lead-out electrode is extended. 제3항에 있어서, 상기 발열체 인출 전극은, 상기 가용 도체의 길이 방향을 대칭축으로 하는 선 대칭의 위치로 연신되는 것을 특징으로 하는 보호 소자.4. The protective device according to claim 3, wherein the heating element lead-out electrode is elongated to a line-symmetrical position with the longitudinal direction of the usable conductor as a symmetrical axis. 제1항에 있어서, 상기 발열체 인출 전극은, Ag 또는 Ag를 주성분으로 하는 금속 혹은 Cu 또는 Cu를 주성분으로 하는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 소자.The protective device according to claim 1, wherein the heating-element lead-out electrode comprises a metal containing Ag or Ag as a main component or a metal containing Cu or Cu as a main component. 제5항에 있어서, 상기 발열체 인출 전극은 그 표면에 보호층을 갖는 것을 특징으로 하는 보호 소자.The protection device according to claim 5, wherein the heating-element lead-out electrode has a protective layer on its surface. 제6항에 있어서, 상기 보호층은 Ni/Au 도금인 것을 특징으로 하는 보호 소자.The protective device according to claim 6, wherein the protective layer is Ni / Au plating. 제1항에 있어서, 상기 가용 도체는, 후육부와, 상기 발열체에 중첩하여 위치하는 부분이 오목 형상으로 두께가 얇고 편평하게 성형된 박육부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 소자.The protection device according to claim 1, wherein the usable conductor includes a thick portion and a thin portion formed in a concave shape and thinly formed and flatly formed in a portion overlapping the heating element. 제8항에 있어서, 상기 가용 도체는, 상기 후육부 및 상기 박육부에서의 단면적이 거의 동일한 것을 특징으로 하는 보호 소자.The protective device according to claim 8, wherein the permissible conductor has substantially the same cross sectional area in the thick portion and the thin portion. 1개 이상의 배터리 셀과,
상기 배터리 셀에 흐르는 전류를 차단하도록 접속된 보호 소자와,
상기 배터리 셀 각각의 전압값을 검출하여 상기 보호 소자를 가열하는 전류를 제어하는 전류 제어 소자를 구비하고,
상기 보호 소자는,
절연 기판과,
상기 절연 기판에 적층된 발열체와,
적어도 상기 발열체를 덮도록 상기 절연 기판에 적층된 절연 부재와,
제1 및 제2 전극과,
상기 발열체와 중첩하도록 상기 절연 부재 상에 적층되고, 상기 제1 및 제2 전극 사이의 전류 경로와 그 발열체의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속되어, 외부 회로와 전기적 접속을 하는 발열체 인출 전극과,
상기 발열체 인출 전극으로부터 상기 제1 및 제2 전극에 걸쳐 접속되고, 가열에 의해 그 제1 전극과 그 제2 전극 사이의 전류 경로를 용단하는 가용 도체를 갖고,
상기 발열체 인출 전극은, 상기 가용 도체의 길이 방향과는 다른 방향으로 연신하도록 배치되고, 그 발열체 인출 전극과 그 가용 도체의 접속 위치에서의 면적보다도 그 발열체 인출 전극이 연신하는 측의 면적쪽이 큰 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
At least one battery cell,
A protection element connected to cut off a current flowing in the battery cell,
And a current control element for detecting a voltage value of each of the battery cells and controlling a current for heating the protection element,
The protection device includes:
An insulating substrate,
A heating element laminated on the insulating substrate;
An insulating member laminated on the insulating substrate so as to cover at least the heating element;
First and second electrodes,
A heating element lead-out electrode laminated on the insulating member so as to overlap with the heating element and electrically connected to a current path between the first and second electrodes and one terminal of the heating element,
And an available conductor which is connected to the first and second electrodes from the heating element lead-out electrode and which fuses a current path between the first electrode and the second electrode by heating,
Wherein the heating-element lead-out electrode is arranged to extend in a direction different from a longitudinal direction of the usable conductor, and an area of a side on which the heating-element lead-out electrode is drawn is larger than an area at a connecting position of the heating-element lead-out electrode and the usable conductor And a battery pack.
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