KR20220062094A - 보호 회로 - Google Patents

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KR20220062094A
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준페이 히미야마
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데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
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Abstract

이 보호 회로는, 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에, 직렬로 접속된 복수의 보호 소자를 구비하고, 상기 복수의 상기 보호 소자는 각각, 상기 통전 경로 상에 직렬로 접속된 퓨즈 엘리먼트와, 통전에 의해 발열함으로써 상기 퓨즈 엘리먼트를 가열하여 용단시키는 발열체를 갖고, 상기 복수의 상기 보호 소자는 각각, 발열체의 전기 저항값이 다르다.

Description

보호 회로
본 발명은, 보호 회로에 관한 것이다.
본원은, 2019년 11월 13일에, 일본에 출원된 특허 출원 제2019-205362호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래, 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에는, 과전류가 발생하였을 때 등의 이상 시에 통전 경로를 차단하기 위한 보호 회로가 구비되어 있다. 보호 소자로서는, 통전 경로 상에 직렬로 접속된 퓨즈 엘리먼트와, 통전에 의해 발열함으로써 상기 퓨즈 엘리먼트를 가열하여 용단시키는 발열체를 갖는 히터 구비 퓨즈(이하, SCP고도 함)가 알려져 있다(특허문헌 1).
SCP는, 통전 경로에 정격을 초과하는 과전류가 발생하였을 때는, 퓨즈 엘리먼트 자체가 발열하여 용단됨으로써 통전 경로를 차단한다. 또한, 과전류 이외의 이상 시에는, 통전에 의해 발열체를 발열시켜, 퓨즈 엘리먼트를 가열하여 용단시킴으로써 통전 경로를 차단한다.
일본 특허 제2790433호 공보
SCP의 발열체에 통전시키는 전류는, 배터리로부터 공급된다. 이 때문에, SCP의 발열체는, 배터리의 동작 전압 범위에서 퓨즈 엘리먼트를 용단 가능한 온도로 가열할 수 있도록 전기 저항값이 설정되어 있다. 그러나, 배터리의 용도에 따라서는, 충전 시의 최대 전압과 방전 시의 최소 전압에서는 전압이 크게 다른 경우가 있다. 특히, 복수개의 단전지를 조합한 조전지로 이루어지는 배터리에서는, 충전 시의 최대 전압과 방전 시의 최소 전압의 차가 커진다. 이 때문에, 발열체의 전기 저항값을 충전 시의 최대 전압에 맞추어 설정하면, 방전 시에 이상이 발생하였을 때, 발열체에 흐르는 전류가 작아져, 퓨즈 엘리먼트를 용단 가능한 온도로까지 발열체가 발열하지 않는 경우가 있다. 한편, 발열체의 전기 저항값을 방전 시의 최소 전압에 맞추어 설정하면, 충전 시에 이상이 발생하였을 때, 발열체에 과잉의 전류가 흘러 온도가 급격하게 고온으로 되어, 발열체 자체가 용단되어 버리는 경우가 있다. 또한, 근년, 단전지의 전극 재료의 변화에 의해, 동일한 단전지의 수에 있어서도 작동 전압이 다른 경우가 있어, SCP의 동작 전압 범위를 벗어나 정상적으로 동작하지 않을 우려가 있다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에 이상이 발생하였을 때, 통전 경로를 차단할 수 있는 전압 범위가 넓은 보호 회로를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 이하의 수단을 제공한다.
(1) 본 발명의 일 양태에 관한 보호 회로는, 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에, 직렬로 접속된 복수의 보호 소자를 구비하고, 상기 복수의 상기 보호 소자는 각각, 상기 통전 경로 상에 직렬로 접속된 퓨즈 엘리먼트와, 통전에 의해 발열함으로써 상기 퓨즈 엘리먼트를 가열하여 용단시키는 발열체를 갖고, 상기 복수의 상기 보호 소자는 각각, 발열체의 전기 저항값이 다르다.
(2) 상기 (1)에 기재된 양태에 있어서, 상기 복수의 상기 보호 소자 중 상기 발열체의 전기 저항값이 가장 낮은 보호 소자가, 상기 배터리측에 배치되어 있는 구성으로 해도 된다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 양태에 있어서, 상기 복수의 상기 보호 소자의 상기 발열체는 각각, 전기 저항값이 1Ω 이상 다른 구성으로 해도 된다.
본 발명에 따르면, 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에 이상이 발생하였을 때, 통전 경로를 차단할 수 있는 전압 범위가 넓은 보호 회로를 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 특징을 이해하기 쉽게 하기 위해 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있어, 각 구성 요소의 치수 비율 등은 실제와는 다른 경우가 있다. 이하의 설명에 있어서 예시되는 재료, 치수 등은 일례이며, 본 발명은 그것들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위에서 적절히 변경하여 실시하는 것이 가능하다.
[제1 실시 형태]
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1에 있어서, 보호 회로(1)는, 배터리(10)와 외부 회로의 통전 경로 상에, 직렬로 접속된 제1 보호 소자(20a)와 제2 보호 소자(20b)를 구비한다. 제1 보호 소자(20a)는 배터리(10)에 가까운 측에, 제2 보호 소자(20b)는 외부 기기(도시하지 않음)에 가까운 측에 배치되어 있다. 즉, 제1 보호 소자(20a)는, 제2 보호 소자(20b)보다도 배터리(10)의 정극에 가까운 측에 위치한다.
배터리(10)는, 복수개의 단전지(11)를 조합한 조전지로 되어 있다. 단전지(11)는 이차 전지이며, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지이다. 도 1에서는, 배터리(10)는, 4개의 단전지(11)가 직렬로 접속되어 있지만, 단전지(11)의 개수는 특별히 제한은 없고, 단전지(11)는 병렬로 접속되어 있어도 된다. 또한, 배터리(10)는 하나의 단전지(11)여도 된다.
제1 보호 소자(20a)는, 배터리(10)의 정극에 직렬로 접속된 제1 퓨즈 엘리먼트(21a)와, 제1 발열체(22a)를 갖는 SCP이다. 제1 발열체(22a)는, 한쪽의 단부가, 제1 퓨즈 엘리먼트(21a)에 접속되고, 다른 쪽의 단부가 제1 정류 소자(30a)를 통해 스위칭 소자(40)에 접속되어 있다. 스위칭 소자(40)는, 배터리(10)의 부극과 프로텍션 IC(50)에 접속되어 있다.
제2 보호 소자(20b)는, 배터리(10)의 정극에 직렬로 접속된 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)와, 제2 발열체(22b)를 갖는 SCP이다. 제2 발열체(22b)는, 한쪽의 단부가, 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)에 접속되고, 다른 쪽의 단부가 제2 정류 소자(30b)를 통해 스위칭 소자(40)에 접속되어 있다. 이와 같이 복수의 보호 소자의 각각의 퓨즈 엘리먼트는, 발열체 및 정류 소자를 통해 동일한 스위칭 소자와 접속한다. 이 스위칭 소자는, 프로텍션과 접속한다.
제1 퓨즈 엘리먼트(21a) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)는, 통전 경로에 정격을 초과하는 과전류가 발생하였을 때는, 그것 자체가 발열하여 용단됨으로써 통전 경로를 차단할 수 있을 정도의 전기 저항값을 갖는다. 제1 퓨즈 엘리먼트(21a) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)가 용단될 때의 전류값은 동일한 것이 바람직하다. 제1 퓨즈 엘리먼트(21a) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)의 구성이나 재료는 특별히 제한은 없고, 예를 들어 금속 단체여도 되고, 외측을 상대적으로 융점이 높은 고융점 금속층으로 하고, 내측을 상대적으로 융점이 낮은 저융점 금속층으로 한 적층체여도 된다. 금속 단체의 경우, 그 재료로서는 In(인듐), Pb(납), Ag(은), Cu(구리) 또는 이들 중 어느 것을 주성분으로 하는 합금을 사용할 수 있다. 적층체의 경우, 저융점 금속층의 재료는, 주석 혹은 주석을 주성분으로 하는 합금(주석 합금)인 것이 바람직하다. 주석 합금의 주석의 함유량은 40질량％ 이상인 것이 바람직하고, 60질량％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 주석 합금의 예로서는, Sn-Bi 합금, In-Sn 합금, Sn-Ag-Cu 합금을 들 수 있다. 고융점 금속층은, 저융점 금속층의 용융물에 의해 용해되는 금속 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 저융점 금속층의 재료가 주석 혹은 주석 합금인 경우, 고융점 금속층의 재료는, 은 혹은 은을 주성분으로 하는 합금(은 합금)인 것이 바람직하다. 은 합금의 은의 함유량은 40질량％ 이상인 것이 바람직하고, 60질량％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 은 합금의 예로서는, Ag-Pd 합금을 들 수 있다.
제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b)는 각각, 통전에 의해 발열함으로써 제1 퓨즈 엘리먼트(21a) 또는 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)를 가열하여 용단시킬 수 있을 정도의 전기 저항값을 갖는다. 제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b)는 각각 전기 저항값이 다르다. 즉, 제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b)는 각각, 퓨즈 엘리먼트를 용단시킬 수 있는 온도로까지 가열하기 위해 필요한 전력이 다르다. 제1 발열체(22a)와 제2 발열체(22b)는 각각 전기 저항값이 1Ω 이상 다른 것이 바람직하다.
본 실시 형태의 보호 회로(1)에서는, 배터리(10)에 가까운 측에 배치되어 있는 제1 보호 소자(20a)의 제1 발열체(22a)는, 제2 보호 소자(20b)의 제2 발열체(22b)보다도 전기 저항값이 낮게 되어 있다. 즉, 제1 발열체(22a)쪽이, 작은 전력으로 퓨즈 엘리먼트를 용단시킬 수 있는 온도로까지 가열할 수 있도록 되어 있다. 본 실시 형태에 관한 보호 회로에 있어서, 복수의 보호 소자는, 예를 들어 배터리의 정극에 가까운 측의 보호 소자일수록 전기 저항값이 낮아지도록 배치되어 있어도 된다.
제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b)는 통전에 의해 발열하도록 되어 있으면, 구성이나 재료는 특별히 제한은 없다. 제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b)를 구성하는 재료로서는, 산화루테늄이나 카본 블랙을 사용할 수 있다. 제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b)의 전기 저항값은, 제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b)의 폭이나 두께 등의 사이즈나 재료의 조성에 의해 조정할 수 있다.
제1 정류 소자(30a)는, 제2 보호 소자(20b)를 흐르는 전류가 제2 발열체(22b)를 통해, 제1 보호 소자(20a)에 유입되는 것을 억제한다. 제2 정류 소자(30b)는, 제1 보호 소자(20a)를 흐르는 전류가 제1 발열체(22a)를 통해, 제2 보호 소자(20b)에 유입되는 것을 억제한다.
프로텍션 IC(50)는, 예를 들어 통전 경로의 전압이 고전압으로 되는 등의 과전류 이외의 이상을 검출하고, 이상이 검출된 경우에는, 스위칭 소자(40)를 작동시킨다. 스위칭 소자(40)를 작동시킴으로써, 제1 정류 소자(30a)를 통해 제1 발열체(22a)와, 제2 정류 소자(30b)를 통해 제2 발열체(22b)에 전류가 흐른다.
본 실시 형태의 보호 회로(1)에서는, 통전 경로에 정격을 초과하는 과전류가 발생하였을 때는, 제1 퓨즈 엘리먼트(21a) 또는 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)가 발열하여 용단됨으로써 통전 경로를 차단한다. 용단되는 퓨즈 엘리먼트는, 제1 퓨즈 엘리먼트(21a)여도 되고, 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)여도 된다.
또한, 통전 경로에 과전류 이외의 이상이 발생하였을 때는, 프로텍션 IC(50)가 스위칭 소자(40)를 작동시켜, 제1 정류 소자(30a)를 통해 제1 발열체(22a)에, 제2 정류 소자(30b)를 통해 제2 발열체(22b)에, 배터리(10)로부터 전류를 흘린다. 이 통전에 의해, 제1 발열체(22a)와 제2 발열체(22b)의 양쪽이 발열하여, 제1 퓨즈 엘리먼트(21a) 혹은 제2 퓨즈 엘리먼트(21b) 중 한쪽을 용단시킴으로써 통전 경로를 차단한다.
배터리(10)의 작동 전압이 높은 상태(예를 들어, 리튬 이온 이차 전지가 4개 직렬로 접속된 경우에서 13V 이상 18.5V 이하)에서 이상이 발생하였을 때, 제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b)에 흐르는 전류는 커진다. 이 경우, 전기 저항값이 낮은 제1 발열체(22a)는, 온도가 급격하게 고온으로 됨으로써 용단되어도, 전기 저항값이 높은 제2 발열체(22b)가 발열하여, 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)를 가열하여 용단시킴으로써 통전 경로를 차단한다. 한편, 배터리(10)의 작동 전압이 낮은 상태 (예를 들어, 리튬 이온 이차 전지가 4개 직렬로 접속된 경우에서 9V 이상 13V 미만)에서 이상이 발생하였을 때, 제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b)에 흐르는 전류는 작아진다. 이 경우, 전기 저항값이 높은 제2 발열체(22b)는 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)를 용단 가능한 온도까지 발열하지 않아도, 전기 저항값이 낮은 제1 발열체(22a)가 발열하여, 제1 퓨즈 엘리먼트(21a)를 가열하여 용단시킴으로써 통전 경로를 차단한다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시 형태의 보호 회로(1)는, 제1 보호 소자(20a)의 제1 발열체(22a)와 제2 보호 소자(20b)의 제2 발열체(22b)의 전기 저항값이 다르므로, 통전 경로를 차단할 수 있는 전압 범위가 넓어진다. 또한, 본 실시 형태의 보호 회로(1)에서는, 전기 저항값이 낮은 제1 발열체(22a)를 갖는 제1 발열체(22a)가 배터리(10)에 가까운 측에 배치되어 있다. 이에 의해, 배터리(10)의 작동 전압이 낮은 상태에서 이상이 발생하였을 때는, 제1 퓨즈 엘리먼트(21a)가 용단되어 통전 경로를 차단하므로, 제2 보호 소자(20b)에 전류가 흐르지 않는다. 한편, 배터리(10)의 작동 전압이 높은 상태에서 이상이 발생하였을 때는, 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)가 용단되어 통전 경로를 차단함과 함께, 제1 발열체(22a)가 용단되므로, 제1 보호 소자(20a)에 전류가 흐르지 않는다. 또한, 본 실시 형태의 보호 회로(1)에 있어서, 제1 발열체(22a)와 제2 발열체(22b)의 전기 저항값이 1Ω 이상 다른 경우, 통전 경로를 차단할 수 있는 전압 범위를 확실하게 넓게 할 수 있다.
[제2 실시 형태]
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이다.
제2 실시 형태에 관한 보호 회로(2)는, 2개의 발열체의 각각이, 정류 소자와 접속하는 대신에 스위칭 소자와 접속하고 있는 점에 있어서 제1 실시 형태와 상이하다. 즉, 제1 발열체(22a)는, 제1 스위칭 소자(40a)에 접속되어 있고, 제2 발열체(22b)는 제2 스위칭 소자(40b)에 접속되어 있다. 제1 스위칭 소자(40a) 및 제2 스위칭 소자(40b)는 각각 프로텍션 IC(50)에 접속되어 있다. 이와 같이, 제2 실시 형태에서는 복수의 보호 소자가 갖는 각각의 발열체는, 스위칭 소자와 접속한다. 또한, 복수의 보호 소자가 갖는 각각의 발열체가 접속하는 스위칭 소자는, 동일한 프로텍션에 접속한다. 프로텍션 IC(50)는, 배터리(10)의 작동 전압에 의해, 작동시키는 스위칭 소자를 전환하도록 되어 있다. 또한, 제2 실시 형태에 관한 보호 회로(2)와 제1 실시 형태에 관한 보호 회로(1)에서 공통되는 부분은, 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
본 실시 형태의 보호 회로(2)에서는, 배터리(10)의 작동 전압이 낮은 상태에서 이상이 발생하였을 때는, 프로텍션 IC(50)가 제1 스위칭 소자(40a)를 작동시킴으로써, 제1 발열체(22a)를 가열하여 제1 퓨즈 엘리먼트(21a)를 용단시켜 통전 경로를 차단한다. 한편, 배터리(10)의 작동 전압이 높은 상태에서 이상이 발생하였을 때는, 프로텍션 IC(50)가 제2 스위칭 소자(40b)를 작동시켜, 제2 발열체(22b)를 가열하여 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)를 용단시켜 통전 경로를 차단한다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시 형태의 보호 회로(2)는, 프로텍션 IC(50)에서 통전 경로를 차단하는 데 필요한 발열체를 선택하여, 제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b) 중 한쪽에만 전류를 흘리므로, 보호 회로(2)에서 발생하는 열량을 저감할 수 있다. 또한, 정류 소자를 사용하지 않으므로, 구성 부분을 적게 할 수 있다.
[제3 실시 형태]
도 3은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 도시하는 도면이다. 제3 실시 형태에 관한 보호 회로(3)는, 2개의 발열체의 각각이, 정류 소자와 접속하는 대신에 스위칭 소자와 접속하고 있는 점과, 스위칭 소자의 각각이 프로텍션 IC와 접속하고 있는 점에 있어서 제1 실시 형태와 상이하다. 즉, 제1 발열체(22a)는, 제1 스위칭 소자(40a)에 접속되어 있고, 제1 스위칭 소자(40a)는 제1 프로텍션 IC(50a)에 접속되어 있다. 한편, 제2 발열체(22b)는, 제2 스위칭 소자(40b)에 접속되어 있고, 제2 스위칭 소자(40b)는 제2 프로텍션 IC(50b)에 접속되어 있다. 제1 프로텍션 IC(50a)와 제2 프로텍션 IC(50b)는, 이상을 검출하는 전압 범위가 상이하다. 또한, 제3 실시 형태에 관한 보호 회로(3)와 제1 실시 형태에 관한 보호 회로(1)에서 공통되는 부분은, 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
본 실시 형태의 보호 회로(3)에서는, 배터리(10)의 작동 전압이 낮은 상태에서 이상이 발생하였을 때는, 제1 프로텍션 IC(50a)가 그 이상을 검출하여, 제1 스위칭 소자(40a)를 작동시킴으로써, 제1 발열체(22a)를 가열하여 제1 퓨즈 엘리먼트(21a)를 용단시켜 통전 경로를 차단한다. 한편, 배터리(10)의 작동 전압이 높은 상태에서 이상이 발생하였을 때는, 제2 프로텍션 IC(50b)가 그 이상을 검출하여, 제2 스위칭 소자(40b)를 작동시킴으로써, 제2 발열체(22b)를 가열하여 제2 퓨즈 엘리먼트(21b)를 용단시켜 통전 경로를 차단한다. 이와 같이, 제3 실시 형태에서는, 복수의 퓨즈 엘리먼트는, 각각의 발열체 및 스위칭 소자를 통해 각각의 프로텍션에 접속한다.
이상과 같은 구성으로 된 본 실시 형태의 보호 회로(3)는, 제1 발열체(22a) 및 제2 발열체(22b) 중 한쪽에만 전류를 흘리므로, 보호 회로(3)에서 발생하는 열량을 저감할 수 있다. 또한, 정류 소자를 사용하지 않으므로, 구성 부분을 적게 할 수 있다. 또한, 프로텍션 IC에 의해 작동시키는 스위칭 소자를 전환할 필요가 없으므로, 프로텍션 IC의 구조를 간소화할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형·변경이 가능하다.
예를 들어, 본 실시 형태에서는, 제1 보호 소자(20a)와 제2 보호 소자(20b)의 2개의 보호 소자를 사용하고 있지만, 보호 소자는 2개 이상이면 그 개수에 제한은 없다. 3개 이상의 보호 소자를 사용하는 경우에는, 발열체의 저항값이 낮은 보호 소자를, 배터리(10)에 가까운 측으로부터 차례로 배치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 보호 회로는, 작동 전압 범위가 넓은 배터리의 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)으로서 이용할 수 있다.
1, 2, 3: 보호 회로
10: 배터리
11: 단전지
20a: 제1 보호 소자
20b: 제2 보호 소자
21a: 제1 퓨즈 엘리먼트
21b: 제2 퓨즈 엘리먼트
22a: 제1 발열체
22b: 제2 발열체
30a: 제1 정류 소자
30b: 제2 정류 소자
40: 스위칭 소자
40a: 제1 스위칭 소자
40b: 제2 스위칭 소자
50: 프로텍션 IC
50a: 제1 프로텍션 IC
50b: 제2 프로텍션 IC

Claims (3)

  1. 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에, 직렬로 접속된 복수의 보호 소자를 구비하고,
    상기 복수의 상기 보호 소자는 각각, 상기 통전 경로 상에 직렬로 접속된 퓨즈 엘리먼트와, 통전에 의해 발열함으로써 상기 퓨즈 엘리먼트를 가열하여 용단시키는 발열체를 갖고,
    상기 복수의 상기 보호 소자는 각각, 발열체의 전기 저항값이 다른, 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 상기 보호 소자 중 상기 발열체의 전기 저항값이 가장 낮은 보호 소자가, 상기 배터리측에 배치되어 있는, 보호 회로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 상기 보호 소자의 상기 발열체는 각각, 전기 저항값이 1Ω 이상 다른, 보호 회로.
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