KR20160106546A - 보호 회로 및 보호 회로의 제어 방법 - Google Patents

보호 회로 및 보호 회로의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 복수의 배터리의 일부가 전류 경로 상으로부터 제외된 경우에도, 잔존하는 배터리의 출력에 따라 보호 소자를 적절하게 작동시킨다. 복수의 배터리(3)가 병렬로 접속되어 이루어지는 배터리 모듈(4)과, 각 배터리(3)마다 설치되며, 당해 배터리(3)의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제1 보호 소자(5)와, 배터리 모듈(4)의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제2 보호 소자(7)를 구비하고, 제2 보호 소자(7)는, 발열 저항체와, 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성함과 함께 발열 저항체의 열 또는 자기 발열에 의해 용단되는 가용 도체를 갖는 복수의 퓨즈부(20, 21)를 구비하고, 복수의 퓨즈부(20, 21)는, 각 발열 저항체에 의해 각 가용 도체를 개별로 용단 가능하게 되어 있다.

Description

보호 회로 및 보호 회로의 제어 방법{PROTECTION CIRCUIT AND PROTECTION CIRCUIT CONTROL METHOD}
본 발명은, 기판 상에 발열 저항체와 퓨즈 엘리먼트를 설치한 보호 소자를 사용하여, 배터리 팩의 과전류나 과전압을 방지하는 보호 회로, 및 보호 회로의 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 배터리와 모터를 사용한 HEV(Hybrid Electric Vehicle; 하이브리드 전기 자동차)나 EV(Electric Vehicle; 전기 자동차)가 급속히 보급되고 있다. HEV나 EV의 동력원으로서는, 에너지 밀도와 출력 특성으로부터 리튬 이온 이차 전지가 사용되어 오고 있다. 자동차 용도에서는, 고전압, 대전류가 필요해진다. 이로 인해, 고전압, 대전류에 견딜 수 있는 전용 셀이 개발되고 있지만, 제조 비용상의 문제로부터 대부분의 경우, 복수의 배터리 셀을 직렬, 병렬로 접속함으로써, 범용 셀을 사용하여 필요한 전압 전류를 확보하고 있다.
리튬 이온 이차 전지는 우수한 특성을 가지고 있지만, 충방전 특성의 관리가 불가결하며, 이상한 배터리 셀에 대하여 통상 그대로의 처리를 하면, 발화나 폭발과 같은 위험이 발생할지도 모른다. 따라서, 배터리 셀이 복수가 되면, 셀간의 전압 밸런스가 중요해지고, 이상한 셀이 포함되면, 그 이외의 정상적인 셀에도 영향을 주어, 올바른 충방전이 행해지지 않게 되어 버린다는 문제가 있다.
이러한 사태를 피하기 위해, 많은 리튬 이온 이차 전지를 사용한 배터리 시스템에서는, 충방전 경로 상에 접속된 퓨즈 소자와, 배터리 전체를 관리하는 전원 관리 시스템(BMS: Battery Management System)이 내장되어 있다. BMS에서는 배터리 셀마다의 충방전 상태(전압, 용량 등)를 관리하고 있으며, 이상이 검지되면, FET 스위치 등을 사용하여 퓨즈 소자에 외부로부터 신호를 부여하여 회로의 출력 부분을 차단하고, 이상 발열에 의한 출화 등의 트러블을 회피한다.
최근에는, 지금까지 행해져 온 충방전의 상태 관리(SOC: State of Charge) 뿐만 아니라, 배터리 시스템의 용량 열화(SOH: State of Health), 배터리 수명(SOL: State of Life)의 생각에 기초한 배터리 시스템 관리가 중요시되고 있다.
일본 특허 제4207877호 공보
그런데, 고속 이동 중인 자동차 등에서는, 급격한 구동력의 저하나 급정지는 도리어 위험한 경우가 있어, 비상시를 상정한 배터리 관리가 요구되고 있다. 예를 들어, 주행 중에 배터리 시스템의 이상이 일어났을 때에도, 수리 공장 또는 안전한 장소까지 이동하기 위한 구동력, 또는 비상등이나 에어컨용의 구동력을 공급할 수 있는 것이 위험 회피상 바람직하다.
그러나, 도 6에 도시한 바와 같이, 복수의 배터리 스택(51)이 병렬로 접속된 배터리 팩(50)에 있어서, 충방전 경로 상에만 보호 소자(52)를 설치한 경우, 배터리 스택(51)을 구성하는 배터리 셀(53)의 일부에 이상이 발생하여 보호 소자(52)를 작동시키면, 배터리 팩(50) 전체의 충방전 경로가 차단되어 버려, 더 이상 전력을 공급할 수 없다.
따라서, 도 7에 도시한 바와 같이, 배터리 팩(50) 전체의 충방전 경로 상에 회로 전체의 전류 경로를 차단하는 회로 보호 소자(54)를 설치함과 함께, 한쪽 배터리 스택(51a)에 당해 배터리 스택(51a)의 전류 경로를 차단하는 스택 보호 소자(55)를 설치하는 보호 회로가 제안되어 있다. 이에 따르면, 한쪽 배터리 스택(51a)의 배터리 셀(53)에 이상이 발생한 경우, 스택 보호 소자(55)를 작동시킴으로써, 당해 배터리 스택(51)만이 배터리 팩(50)의 충방전 경로 상으로부터 제거되어, 출력은 떨어지지만, 남은 배터리 스택(51b)에 의해 전력을 계속 공급할 수 있다.
회로 보호 소자(54)는, 배터리 팩(50)의 충방전 경로의 일부를 구성함과 함께, 과전류가 흘렀을 때에, 자기 발열에 의해 용융하여 전류 경로를 차단하는 퓨즈 엘리먼트가 사용되고 있다. 이 퓨즈 엘리먼트는, 전체 배터리 스택(51a, 51b)에 의한 통상의 충방전에 충분히 견딜 수 있는 용량을 구비하고, 전체 배터리 스택(51a, 51b)의 통상의 출력에 대하여 예를 들어 1.5배의 과전류가 흐르면 용단되는 용량을 갖는다.
여기서, 한쪽 배터리 스택(51a)의 배터리 셀(53)에 이상이 발생하여, 스택 보호 소자(55)를 작동시켜 당해 한쪽 배터리 셀(51)을 배터리 팩(50)의 충방전 경로로부터 제거한 경우, 회로 보호 소자(54)의 퓨즈 엘리먼트는, 잔존하는 다른 쪽 배터리 스택(51b)에 의한 출력에 대하여 과잉 용량이 되어 버린다. 이로 인해, 다른 쪽 배터리 스택(51b)의 배터리 셀(53)에 이상이 발생하여, 회로 보호 소자(54)의 퓨즈 엘리먼트에 과전류가 흐른 경우에도, 적절하게 용단되지 않아, 열 폭주를 방지할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명은, 복수의 배터리의 일부가 전류 경로 상으로부터 제거된 경우에도, 잔존하는 배터리의 출력에 따라 보호 소자를 적절하게 작동시킬 수 있는 보호 회로, 및 보호 회로의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 보호 회로는, 복수의 배터리가 병렬로 접속되어 이루어지는 배터리 모듈과, 각 상기 배터리에 설치되며, 당해 배터리의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제1 보호 소자와, 상기 배터리 모듈의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제2 보호 소자를 구비하고, 상기 제2 보호 소자는, 발열 저항체와, 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성함과 함께 상기 발열 저항체의 열 또는 자기 발열에 의해 용단되는 가용 도체를 갖는 복수의 퓨즈부를 구비하고, 복수의 상기 퓨즈부는, 각 상기 발열 저항체에 의해 각 상기 가용 도체를 개별로 용단 가능하게 되어 있는 것이다.
또한, 본 발명에 관한 보호 회로의 제어 방법은, 복수의 배터리가 병렬로 접속되어 이루어지는 배터리 모듈과, 각 상기 배터리에 설치되며, 당해 배터리의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제1 보호 소자와, 상기 배터리 모듈의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제2 보호 소자를 구비하고, 상기 제2 보호 소자는, 상기 배터리의 수에 따라, 발열 저항체와, 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성함과 함께 상기 발열 저항체의 열 또는 자기 발열에 의해 용단되는 가용 도체를 갖는 복수의 퓨즈부를 구비하고, 이상이 일어난 상기 배터리에 설치된 상기 제1 보호 소자를 작동시켜, 이상이 일어난 상기 배터리를 전류 경로로부터 차단하고, 이상이 일어난 상기 배터리의 차단에 따라, 각 상기 발열 저항체에 의해 각 상기 가용 도체를 개별로 용단한다.
본 발명에 따르면, 배터리에 과전압 등의 이상이 검지된 경우, 배터리의 스택 보호 소자를 작동시켜, 배터리를 회로 상으로부터 격리함과 함께, 잔존하는 배터리에만 의해 충방전이 가능해진다. 여기서, 본 발명에서는, 배터리의 스택 보호 소자를 작동시킴과 함께, 회로 보호 소자를 작동시키고, 일부의 퓨즈부를 용단시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따르면, 배터리의 감소에 의해 최대 출력이 감소한 경우에도, 배터리 모듈의 충방전 경로의 일부를 구성하는 회로 보호 소자의 정격을 낮출 수 있고, 배터리의 최대 출력에 따른 회로 보호 소자로 할 수 있다.
도 1은, 본 발명이 적용된 보호 회로의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2(a)는, 스택 보호 소자의 구성을 도시하는 단면도이고, 도 2(b)는, 스택 보호 소자의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 3은, 스택 보호 소자의 회로도이다.
도 4는, 회로 보호 소자의 평면도이다.
도 5는, 회로 보호 소자의 회로도이다.
도 6은, 종래의 배터리 팩의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은, 다른 종래의 배터리 팩의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명이 적용된 보호 회로 및 보호 회로의 제어 방법에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시 형태만으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다. 또한, 도면은 모식적인 것이며, 각 치수의 비율 등은 현실의 것과는 상이한 경우가 있다. 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작하여 판단해야 할 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
[보호 회로]
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명이 적용된 보호 회로(1)는, 복수의 배터리 셀(2)이 직렬로 접속된 복수의 배터리 스택(3)을 갖고, 각 배터리 스택(3)끼리가 병렬로 접속된 배터리 모듈(4)을 갖는다. 여기에서는, 설명의 편의상, 2개의 배터리 스택(3a, 3b)이 병렬 접속된 배터리 모듈(4)을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은, 배터리 스택(3)이 3개 이상 병렬 접속되어 있을 수도 있다. 각 배터리 스택(3a, 3b)에는, 각각 스택 보호 소자(5)가 내장되어 있다. 또한, 보호 회로(1)는, 회로 전체의 전류 경로를 차단하는 회로 보호 소자(7)와, 배터리 스택(3a, 3b) 내의 충방전을 제어함과 함께, 각 배터리 셀(2)의 이상 전압을 검출하고, 검출 결과에 따라 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)를 구동하는 BMS 제어 소자(8)를 갖고, 이들 배터리 스택(3a, 3b), 회로 보호 소자(7) 및 BMS 제어 소자(8)가 내장된 배터리 팩(9)을 구성한다.
[스택 보호 소자]
스택 보호 소자(5)는, 배터리 스택(3a 또는 3b)의 출력을 안전하게 차단하기 위해, BMS 제어 소자(8)로부터의 신호에 의해 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자를 포함하고, 전류 경로의 일부를 구성하는 퓨즈 엘리먼트가 용단됨으로써, 불가역적으로 당해 배터리 스택(3a 또는 3b)의 전류 경로를 차단한다.
구체적으로 스택 보호 소자(5)는, 도 2(a) 및 도 2(b)에 도시한 바와 같이 절연 기판(11)과, 절연 기판(11)에 적층되며, 절연 부재(15)에 덮인 발열 저항체(14)와, 절연 기판(11)의 양단부에 형성된 전극(12(A1), 12(A2))과, 절연 부재(15) 상에 발열 저항체(14)와 중첩되도록 적층된 발열체 인출 전극(16)과, 양단부가 전극(12(A1), 12(A2))에 각각 접속되고, 중앙부가 발열체 인출 전극(16)에 접속된 가용 도체(13)를 구비한다.
사각형 형상의 절연 기판(11)은, 예를 들어 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등의 절연성을 갖는 부재에 의해 형성된다. 그 이외에, 유리 에폭시 기판, 페놀 기판 등의 프린트 배선 기판에 사용되는 재료를 사용할 수도 있지만, 퓨즈 용단시의 온도에 유의할 필요가 있다.
발열 저항체(14)는, 비교적 저항값이 높고 통전하면 발열하는 도전성을 갖는 부재이며, 예를 들어 W, Mo, Ru 등을 포함한다. 이들의 합금 또는 조성물, 화합물의 분말 형상체를 수지 결합제 등과 혼합하여, 페이스트상으로 한 것을 절연 기판(11) 상에 스크린 인쇄 기술을 사용하여 패턴 형성하여, 소성하는 등에 의해 형성한다.
발열 저항체(14)를 덮도록 절연 부재(15)가 배치되고, 이 절연 부재(15)를 개재하여 발열 저항체(14)에 대향하도록 발열체 인출 전극(16)이 배치된다. 발열 저항체(14)의 열을 효율적으로 가용 도체에 전달하기 위해, 발열 저항체(14)와 절연 기판(11) 사이에 절연 부재(15)를 적층할 수도 있다.
발열체 인출 전극(16)의 일단부는, 발열체 전극(18(P1))에 접속된다. 또한, 발열 저항체(14)의 타단부는, 다른 쪽 발열체 전극(18(P2))에 접속된다.
가용 도체(13)는 발열 저항체(14)의 발열, 또는 가용 도체(13)의 자기 발열에 의해 빠르게 용단되는 저융점 금속으로 이루어지며, 예를 들어 Sn을 주성분으로 하는 Pb 프리 땜납을 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 가용 도체(13)는, 저융점 금속과, Ag, Cu 또는 이들을 주성분으로 하는 합금 등의 고융점 금속과의 적층체일 수도 있다.
고융점 금속과 저융점 금속을 적층함으로써, 스택 보호 소자(5)를 리플로우 실장하는 경우에, 리플로우 온도가 저융점 금속층의 용융 온도를 초과하여, 저융점금속이 용융되어도, 가용 도체(13)로서 용단되는 것에 이르지 않는다. 이러한 가용 도체(13)는, 고융점 금속에 저융점 금속을 도금 기술을 사용하여 성막함으로써 형성할 수도 있고, 다른 주지된 적층 기술, 막 형성 기술을 사용함으로써 형성할 수도 있다. 또한, 가용 도체(13)는, 저융점 금속을 사용하여 외층을 구성하는 경우에는, 당해 저융점 금속을 이용하여 발열체 인출 전극(16) 및 전극(12(A1), 12(A2))으로 땜납 접속할 수 있다.
또한, 스택 보호 소자(5)는, 외층의 저융점 금속층(13b)의 산화 방지를 위해, 가용 도체(13) 상의 거의 전체면에 플럭스를 도포할 수도 있다. 또한, 스택 보호 소자(5)는, 내부를 보호하기 위해 커버 부재를 절연 기판(11) 상에 적재할 수도 있다.
이상과 같은 본 발명이 적용된 스택 보호 소자(5)는, 도 3에 도시한 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 스택 보호 소자(5)는, 발열체 인출 전극(16)을 개재하여 직렬 접속된 가용 도체(13)와, 가용 도체(13)의 접속점을 개재하여 통전하여 발열시킴으로써 가용 도체(13)를 용융하는 발열 저항체(14)를 포함하는 회로 구성이다. 또한, 스택 보호 소자(5)에서는, 가용 도체(13)가 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되고, 발열 저항체(14)가 BMS 제어 소자(7)와 접속된다. 스택 보호 소자(5)의 2개의 전극(12) 중, 한쪽은 A1에 접속되고, 다른 쪽은 A2에 접속된다. 또한, 발열체 인출 전극(16)과 이것에 접속된 발열체 전극(18)은 P1에 접속되고, 다른 쪽 발열체 전극(18)은 P2에 접속된다.
[회로 보호 소자]
이어서, 회로 전체의 전류 경로를 차단하는 회로 보호 소자(7)에 대하여 설명한다. 회로 보호 소자(7)는, 배터리 팩(9)의 출력을 안전하게 차단하기 위해, BMS 제어 소자(8)로부터의 신호에 의해 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자를 포함하고, 전류 경로의 일부를 구성하는 퓨즈 엘리먼트가 용단됨으로써, 불가역적으로 당해 배터리 팩(9)의 전류 경로를 차단한다.
이하에서는, 도 1에 도시한 바와 같이 2개의 배터리 스택(3a, 3b)이 병렬로 접속되어 있는 배터리 팩(9)에 사용되는 회로 보호 소자(7)에 대하여 설명하지만, 본 발명은 복수의 배터리 스택이 접속된 모든 배터리 팩에 사용할 수 있다.
구체적으로 회로 보호 소자(7)는, 도 4에 도시한 바와 같이 2개의 배터리 스택(3a, 3b)에 대응하여, 개별로 용단 가능한 제1, 제2 퓨즈부(20, 21)를 갖는다. 제1, 제2 퓨즈부(20, 21)는, 절연 기판(22) 상에 형성되어 있다.
제1 퓨즈부(20)는 절연 기판(22)에 적층되며, 제1 절연 부재(23)에 덮인 제1 발열 저항체(24)와, 절연 기판(22)의 양단부에 형성된 제1 전극(25(A1), 25(A2))과, 제1 절연 부재(23) 상에 제1 발열 저항체(24)와 중첩되도록 적층된 제1 발열체 인출 전극(28)과, 양단부가 제1 전극(25(A1), 25(A2))에 각각 접속되며, 중앙부가 제1 발열체 인출 전극(28)에 접속된 제1 가용 도체(29)를 구비한다.
제2 퓨즈부(21)는 절연 기판(22)에 적층되며, 제2 절연 부재(30)에 덮인 제2 발열 저항체(31)와, 절연 기판(22)의 양단부에 형성된 제2 전극(32(A1), 32(A2))과, 제2 절연 부재(30) 상에 제2 발열 저항체(31)와 중첩되도록 적층된 제2 발열체 인출 전극(34)과, 양단부가 제2 전극(32(A1), 32(A2))에 각각 접속되며, 중앙부가 제2 발열체 인출 전극(34)에 접속된 제2 가용 도체(35)를 구비한다.
절연 기판(22), 제1, 제2 절연 부재(23, 30), 제1, 제2 발열 저항체(24, 31), 제1, 제2 발열체 인출 전극(28, 34) 및 제1, 제2 가용 도체(29, 35)는, 각각 상술한 스택 보호 소자(5)의 절연 기판(11), 절연 부재(15), 발열 저항체(14), 발열체 인출 전극(16) 및 가용 도체(13)와 마찬가지의 구성을 갖는다.
또한, 제1 전극(25(A1), 25(A2)) 및 제2 전극(32(A1), 32(A2))도, 상술한 전극(12(A1), 12(A2))과 마찬가지의 구성을 갖는다. 또한, 제1 전극(25(A1)) 및 제2 전극(32(A1))은 전기적으로 접속되어 배터리 팩(9)의 전류 경로에 연속되며, 제1 전극(25(A2)) 및 제2 전극(32(A2))도 전기적으로 접속되어 배터리 팩(9)의 전류 경로에 연속된다.
제1 발열체 인출 전극(28)의 일단부는, 제1 발열체 전극(27(P1))에 접속된다. 또한, 제1 발열 저항체(24)의 타단부는, 제1 발열체 전극(27(P2))에 접속된다. 마찬가지로, 제2 발열체 인출 전극(34)의 일단부는, 제2 발열체 전극(33(P1))에 접속된다. 또한, 제2 발열 저항체(31)의 타단부는, 제2 발열체 전극(33(P2))에 접속된다.
또한, 회로 보호 소자(7)에 있어서도, 제1, 제2 가용 도체(29, 35) 상의 거의 전체면에 플럭스를 도포할 수도 있다. 또한, 회로 보호 소자(7)는, 내부를 보호하기 위해 커버 부재를 절연 기판(22) 상에 적재할 수도 있다.
이상과 같은 본 발명이 적용된 회로 보호 소자(7)는, 도 5에 도시한 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 회로 보호 소자(7)의 제1 퓨즈부(20)는, 제1 발열체 인출 전극(28)을 개재하여 직렬 접속된 제1 가용 도체(29)와, 제1 가용 도체(29)의 접속점을 개재하여 통전하여 발열시킴으로써 제1 가용 도체(29)를 용융하는 제1 발열 저항체(24)를 포함하는 회로 구성이다. 또한, 회로 보호 소자(7)의 제2 퓨즈부(21)는, 제2 발열체 인출 전극(34)을 개재하여 직렬 접속된 제2 가용 도체(35)와, 제2 가용 도체(35)의 접속점을 개재하여 통전하여 발열시킴으로써 제2 가용 도체(35)를 용융하는 제2 발열 저항체(31)를 포함하는 회로 구성이다.
또한, 회로 보호 소자(7)에서는, 제1, 제2 가용 도체(29, 35)가 배터리 팩(9)의 충방전 전류 경로 상에 직렬 접속되며, 제1, 제2 발열 저항체(24, 31)가 BMS 제어 소자(7)와 접속된다. 제1 퓨즈부(20)는, 2개의 제1 전극(25) 중, 한쪽은 A1에 접속되고, 다른 쪽은 A2에 접속되고, 또한, 제1 발열체 인출 전극(28)과 이것에 접속된 제1 발열체 전극(27)은 P1에 접속되고, 다른 쪽의 제1 발열체 전극(27)은 P2에 접속된다. 마찬가지로 제2 퓨즈부(21)의 2개의 제2 전극(32) 중, 한쪽은 A1에 접속되고, 다른 쪽은 A2에 접속되고, 또한, 제2 발열체 인출 전극(34)과 이것에 접속된 제2 발열체 전극(33)은 P1에 접속되고, 다른 쪽의 제2 발열체 전극(33)은 P2에 접속된다.
[BMS 제어 소자]
BMS 제어 소자(8)는, 각 배터리 셀(2)의 전압을 검출함과 함께, 검출 결과에 따라 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)의 각 가용 도체(13, 29, 35)를 용단하는 것이다. BMS 제어 소자(8)는, 스택 보호 소자(5)의 발열 저항체(14) 및 회로 보호 소자(7)의 제1, 제2 발열 저항체(24, 31)와 접속되며, 각 발열 저항체(14, 24, 31)에 개별로 전류를 공급함으로써, 개별로 발열시킬 수 있다. 이에 따라, BMS 제어 소자(8)는 보호 소자(5, 7)의 각 가용 도체(13, 29, 35)를 개별로 용단할 수 있다.
스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)는, 배터리 셀(2)의 이상에 의한 과전류에 의해서도 가용 도체(13, 29, 35)가 자기 발열에 의해 용단되어, 전류 경로를 차단할 수 있다. 또한, 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)는, BMS 제어 소자(8)에 의해 과전류를 검지하고, 발열 저항체(14, 24, 31)를 발열시켜, 가용 도체(13, 29, 35)를 용단시킬 수도 있다.
이와 같이, 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)는, 가용 도체(13, 29, 35)가 발열 저항체(14, 24, 31)의 열에 의해, 또는 자기 발열에 의해 용단되기 때문에, 전류 경로를 불가역적으로 차단할 수 있으며, 회로의 이상 동작에 의한 영향이 없다. 따라서, 보호 소자로서의 기능을 확실하게 실현할 수 있다. 또한, 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)는, 소위 퓨즈 방식의 보호 소자와 같이, 과전류에서만 동작하는 것은 아니고, 이상 전압이나, 후술하는 그 이외의 요인에 의해서도 작동시킬 수 있어, 모든 사태에 대응할 수 있다. 또한, 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)는, 전기 스위치 방식의 보호 소자와 같이 전류 경로의 차단 상태의 유지에 전력을 필요로 하지 않고, 차단 상태를 확실하게 유지할 수 있다.
[보호 회로의 구동 공정]
이어서, 보호 회로(1)의 구동 공정에 대하여 설명한다. 보호 회로(1)는, 배터리 팩(9)에 정격보다도 큰 과전류가 발생하고, 스택 보호 소자(5)의 가용 도체(13)나, 회로 보호 소자(7)의 제1, 제2 가용 도체(29, 35)에 통전하면, 가용 도체(13, 29, 35)가 자기 발열(줄열)에 의해 용단되어, 배터리 팩(9)의 충방전 경로가 차단된다.
또한, 보호 회로(1)는, BMS 제어 소자(8)에 의해 배터리 스택(3a, 3b)을 구성하는 배터리 셀(2)의 전압을 모니터하고, 일부의 배터리 셀(2)에 과전압이 발생하면, BMS 제어 소자(8)에 의해 당해 배터리 셀(2)을 갖는 배터리 스택(3)을 전류 경로로부터 차단하기 위해, 당해 배터리 스택(3)에 설치되어 있는 스택 보호 소자(5)의 발열 저항체(14)에 대하여 개별로 전류를 공급하고, 개별로 발열시킨다. 이에 따라, BMS 제어 소자(8)는, 당해 스택 보호 소자(5)의 가용 도체(13)를 개별로 용단할 수 있으며, 이상이 발생한 배터리 셀(2)을 갖는 배터리 스택(3)만을 회로로부터 차단하고, 잔존하는 배터리 스택(3)에 의해 전력을 공급할 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, BMS 제어 소자(8)는 배터리 스택(3a)의 배터리 셀(2)에 과전압 등의 이상이 검지된 경우, 배터리 스택(3a)의 스택 보호 소자(5)의 발열 저항체(14)에 통전함으로써 가용 도체(13)를 용단하고, 배터리 스택(3a)을 회로 상으로부터 격리한다. 이에 따라, 보호 회로(1)는, 잔존하는 배터리 스택(3b)에만 의해 충방전이 가능해진다.
여기서, 보호 회로(1)는, BMS 제어 소자(8)에 의해 배터리 스택(3a)의 스택 보호 소자(5)를 작동시킴과 함께, 회로 보호 소자(7)를 작동시키고, 제1 퓨즈부(20)를 용단시킨다. 이에 따라, 보호 회로(1)는, 배터리 스택(3)의 감소에 따라, 배터리 팩(9)의 충방전 경로의 일부를 구성하는 회로 보호 소자(7)의 정격을 낮출 수 있다.
즉, 회로 보호 소자(7)는, 배터리 스택(3)의 수에 따라 복수의 퓨즈부를 구비하고, 이에 따라 배터리 스택(3)의 용량에 따른 대용량의 정격을 갖는다. 그리고, 보호 회로(1)는, 일부의 배터리 스택(3)을 배터리 팩(9)의 충방전 경로로부터 차단함과 함께, 회로 보호 소자(7)의 일부 퓨즈부를 작동시켜 충방전 경로로부터 차단한다.
이에 따라, 보호 회로(1)는, 배터리 스택(3)의 감소에 따라 회로 보호 소자(7)의 정격을 낮출 수 있으며, 잔존하는 배터리 스택(3)의 용량에 적합한 정격으로 할 수 있다. 따라서, 보호 회로(1)는, 잔존하는 배터리 스택(3b)의 배터리 셀(2)에 이상이 발생하고, 회로 보호 소자(7)에 과전류가 흐른 경우에도, 배터리 스택(3a)의 감소 전과 동일한 출력으로 잔존하는 제2 퓨즈부(21)의 제2 가용 도체(35)를 적절하게 용단시킬 수 있다. 즉, 보호 회로(1)는, 회로 보호 소자(7)의 작동 조건을 전원 출력에 따라 가변으로 할 수 있으며, 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 회로 보호 소자(7)의 퓨즈부는, 1개의 배터리 스택(3)에 대하여 1개 설치할 수도 있고, 복수의 배터리 스택(3)에 대하여 1개 설치하여, 복수의 배터리 스택(3)의 감소에 따라 퓨즈부를 용단하여, 정격을 낮추도록 할 수도 있다. 또한, 회로 보호 소자(7)의 퓨즈부는, 1개의 배터리 스택(3)에 대하여 복수 설치하여, 1개의 배터리 스택(3)의 감소에 따라 복수의 퓨즈부를 용단하도록 할 수도 있다.
또한, 더욱 안전을 위해, 보호 회로(1)는 전류 경로에 전류 센서를 설치하여, 과전류를 정확하게 검출하여 BMS 제어 소자(8)에 의해 회로 보호 소자(7)를 작동시키고, 회로를 차단하도록 할 수도 있다. 또한, 제1, 제2 퓨즈부(20, 21)는, 도 4에 도시한 바와 같이 절연 기판(22)의 1면 상에 병렬하여 형성될 수도 있고, 절연 기판(22)의 표리에 각각 형성될 수도 있다.
[BMS 제어 소자의 구동 트리거]
또한, 상기에서는, 배터리 스택(3) 내에 있어서의 배터리 셀(2)의 이상 전압을 검지함으로써 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)의 퓨즈부를 용단시켜, 당해 배터리 스택(3)을 전류 경로 상으로부터 분리함과 함께 회로 보호 소자(7)의 정격을 낮추도록 했지만, 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)의 퓨즈부를 용단시키는 트리거로서는, 배터리 모듈(4)이 탑재되는 기기측에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
예를 들어 배터리 모듈(4)을 EV나 HEV에 탑재하는 경우나 전동 공구에 탑재하는 경우, 배터리 셀(2)의 이상 이외에도, 사고에 의한 충격이나, 수몰, 화재 등에 의한 온도 상승과 같은 사태가 일어난 경우에 BMS 제어 소자(8)에 지령이 발신되어, 각 배터리 스택(3)의 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)의 퓨즈부를 용단하여, 전류 경로를 차단하도록 할 수도 있다. 또한, 다른 배터리 셀(2)에 비해 특히 열화가 진행된 배터리 셀(2)이 발생한 경우에도, 당해 배터리 셀(2)의 영향을 억제하기 위해, 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)의 퓨즈부를 용단하여, 전류 경로로부터 분리하도록 할 수도 있다. 또한, 배터리 모듈(4)을 가정용 전원으로서 사용하는 경우, 화재나, 대규모 지진에 의한 도괴, 해일에 의한 수몰 등의 사태가 일어난 경우에도, 각 배터리 스택(3)의 스택 보호 소자(5) 및 회로 보호 소자(7)의 퓨즈부를 용단하고, 전류 경로를 차단하도록 할 수도 있다.
1: 보호 회로
2: 배터리 셀
3: 배터리 스택
5: 스택 보호 소자
7: 회로 보호 소자
8: BMS 제어 소자
9: 배터리 팩
11: 절연 기판
12: 전극
13: 가용 도체
14: 발열 저항체
15: 절연 부재
16: 발열체 인출 전극
17: 플럭스
18: 발열체 전극
19: 커버 부재
20: 제1 퓨즈부
21: 제2 퓨즈부
22: 절연 기판
23: 제1 절연 부재
24: 제1 발열 저항체
25: 제1 전극
27: 제1 발열체 전극
28: 제1 발열체 인출 전극
29: 제1 가용 도체
30: 제2 절연 부재
31: 제2 발열 저항체
32: 제2 전극
33: 제2 발열체 전극
34: 제2 발열체 인출 전극
35: 제2 가용 도체

Claims (6)

  1. 복수의 배터리가 병렬로 접속되어 이루어지는 배터리 모듈과,
    각 상기 배터리에 설치되며, 당해 배터리의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제1 보호 소자와,
    상기 배터리 모듈의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제2 보호 소자를 구비하고,
    상기 제2 보호 소자는, 발열 저항체와, 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성함과 함께 상기 발열 저항체의 열 또는 자기 발열에 의해 용단되는 가용 도체를 갖는 복수의 퓨즈부를 구비하고,
    복수의 상기 퓨즈부는, 각 상기 발열 저항체에 의해 각 상기 가용 도체를 개별로 용단 가능하게 되어 있는 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 보호 소자 및 상기 제2 보호 소자를 작동시키는 제어 소자를 구비하는 보호 회로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 보호 소자는 발열 저항체와, 상기 배터리의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성함과 함께 상기 발열 저항체의 열 또는 자기 발열에 의해 용단되는 가용 도체를 구비하는 보호 회로.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 배터리의 이상 전압을 검지하는 검지 소자가 내장되어 있는 보호 회로.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 배터리는, 복수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 접속된 배터리 스택을 구성하는 보호 회로.
  6. 복수의 배터리가 병렬로 접속되어 이루어지는 배터리 모듈과,
    각 상기 배터리에 설치되며, 당해 배터리의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제1 보호 소자와,
    상기 배터리 모듈의 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성하는 제2 보호 소자를 구비하고,
    상기 제2 보호 소자는, 상기 배터리의 수에 따라, 발열 저항체와, 충전 또는 방전의 전류 경로의 일부를 구성함과 함께 상기 발열 저항체의 열 또는 자기 발열에 의해 용단되는 가용 도체를 갖는 복수의 퓨즈부를 구비하고,
    이상이 일어난 상기 배터리에 설치된 상기 제1 보호 소자를 작동시켜, 이상이 일어난 상기 배터리를 전류 경로로부터 차단하고,
    이상이 일어난 상기 배터리의 차단에 따라, 각 상기 발열 저항체에 의해 각 상기 가용 도체를 개별로 용단하는 보호 회로의 제어 방법.
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