KR20220065859A - 보호 회로, 배터리 팩 및 보호 회로의 동작 방법 - Google Patents

보호 회로, 배터리 팩 및 보호 회로의 동작 방법 Download PDF

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데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
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Abstract

과전류 혹은 차단 후의 스니크 전류를 확실하게 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있고, 또한 종래보다 간단한 장치 구성으로 비용 저감을 실현할 수 있으며, 나아가서는 장치의 고장률을 저감할 수 있는 보호 회로를 제공한다. 보호 회로(1)에서는, 통전 경로에 과전류가 흐름으로써, 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C) 각각에 설치된 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 한쪽이 용단(溶斷)된 후, 나머지 통전 경로 상의 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C)를 통해 흐르는 스니크 전류에 의해 상기 복수의 보호 소자 중 적어도 1개에 설치된 히터가 발열하고, 당해 히터의 파괴에 의해 상기 나머지 통전 경로가 차단된다.

Description

보호 회로, 배터리 팩 및 보호 회로의 동작 방법
본 발명은, 보호 회로, 배터리 팩 및 보호 회로의 동작 방법에 관한 것이고, 예를 들면, 이차 전지의 충방전 회로에 있어서 이차 전지와 충전기 사이에 설치되는 보호 회로에 관한 것이다.
본원은, 2019년 11월 8일에, 일본에 출원된 특허출원 2019-203246호에 의거하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래, 보호 회로는, 휴대 전화나 휴대형 컴퓨터 등, 이차 전지가 탑재된 다양한 모바일 기기에 실장되어 있다. 종래의 보호 회로로서, 예를 들면, 축전 장치와, 복수의 보호 회로와, 제1, 제2 출력 단자를 갖고, 상기 보호 회로는, 직렬 접속된 2개의 퓨즈 엘리먼트를 각각 가지며, 상기 제1, 제2 출력 단자에 외부 회로를 접속했을 때에, 상기 축전 장치로부터 상기 외부 회로에 공급되는 방전 전류와, 상기 외부 회로로부터 상기 축전 장치에 공급되는 충전 전류가, 상기 복수의 보호 회로 내의 직렬 접속된 2개의 퓨즈 엘리먼트를 통과하여 흐르도록 구성된 이차 전지 장치가 있다(특허문헌 1).
이 이차 전지 장치는, 일단이 퓨즈 엘리먼트들의 접속점에 접속된 히터를 갖고, 각 히터의 타단에는, 각각 정류 소자의 일단이 접속되고, 상기 각 정류 소자의 타단에는, 스위치 소자가 접속되어 있으며, 스위치 소자가 도통하면, 그 스위치 소자와 각 정류 소자를 통과하여, 각 보호 회로의 히터에 전류가 흐르도록 구성되어 있다.
또, 이 이차 전지 장치에서는, 보호 회로의 히터의 단자들을 접속하는 전류 경로 도중에 정류 소자가 적어도 2개 삽입되어 있고, 단락 전류가 흘러, 한쪽의 퓨즈 엘리먼트가 용단(溶斷)된 상태에서, 2개의 보호 회로의 히터의 단자 간에 전압 차가 발생해도, 적어도 1개의 정류 소자가 역바이어스되도록 되어 있다. 따라서, 하나의 보호 회로의 히터의 단자로부터, 다른 보호 회로의 히터의 단자에는 전류는 흘러들지 않아, 그에 따른 잔존 전류가 발생하지 않도록 되어 있다.
일본국 특허 제4095426호 공보
그러나, 상기 특허문헌 1의 보호 회로에서는, 히터가 달린 퓨즈(이하, SCP라고도 한다)가 좌우 대칭의 구조를 갖고 있기 때문에, 전류 차단을 행한 경우, 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 한쪽이 차단될 확률은 50%이다. 이 때문에, 보호 회로에 있어서 복수의 SCP를 병렬 접속한 경우, 전류 차단되는 부위가 각 SCP에 있어서의 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 어느 것인지를 특정할 수 없다. 따라서, 각 SCP에서 발생하는 차단의 부위에 따라서는, 보호 회로에 스니크 전류가 발생하여, 축전 장치로부터 외부 회로에 과전류가 흘러버리는 경우가 있다. 이에, 계(系) 전체적으로 과전류를 방지하기 위해서, 복수의 SCP에 일대일 대응시킨 복수의 정류 소자(다이오드)를 실장하지 않으면 안 되고, 회로의 복잡화, 비용 증가, 나아가서는 부품점수의 증대에 수반하는 장치의 고장률의 증대라는 문제가 있다.
또, SCP의 2개의 퓨즈 엘리먼트의 좌우 밸런스를 바꿈으로써, 전류 차단되는 부위를 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 어느 것인지를 특정할 수 있는 구성을 생각할 수 있다. 그러나, 본 구성에서는 SCP 주변의 회로 부품이나 SCP의 하우징 등을 포함시킨 열 용량 밸런스 상태에 따라서는, 의도하지 않은 측의 퓨즈 엘리먼트가 용단될 가능성을 완전하게는 부정할 수 없고, 히터에 대한 통전 상태가 계속됨으로써 의도하지 않은 회로 발열이 발생하고, 나아가서는 발연, 발화 등을 초래할 우려가 있다.
또한, 최근, 모바일 기기의 추가적인 고성능화, 고기능화가 진행되고 있는 점에서, 이차 전지의 충전 용량의 추가적인 증대에 수반하여, 과전류를 확실하게 방지할 수 있는 안전성이 높은 보호 회로가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 과전류 혹은 차단 후의 스니크 전류를 확실하게 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있고, 또한 종래보다 간단한 장치 구성으로 비용 저감을 실현할 수 있으며, 나아가서는 장치의 고장률을 저감할 수 있는 보호 회로, 배터리 팩 및 보호 회로의 동작 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
[1] 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에, 병렬 접속된 복수의 보호 소자를 구비하는 보호 회로로서,
상기 보호 소자가, 상기 통전 경로 상에 직렬 접속된 2개의 퓨즈 엘리먼트와, 통전에 의해 상기 퓨즈 엘리먼트를 용단하는 발열체를 갖고,
상기 통전 경로에 과전류가 흐름으로써, 상기 복수의 보호 소자 각각에 설치된 상기 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 한쪽이 용단된 후, 나머지 통전 경로 상의 상기 복수의 보호 소자를 통해 흐르는 스니크 전류에 의해 상기 복수의 보호 소자 중 적어도 1개에 설치된 발열체가 발열하고, 상기 발열체의 파괴에 의해 상기 나머지 통전 경로가 차단되는, 보호 회로.
[2] 상기 발열체의 저항 온도 계수가, 500ppm/℃ 미만인, 상기 [1]에 기재된 보호 회로.
[3] 상기 보호 소자의 동작 전력의 하한값이, 상기 배터리의 전압과 상기 나머지 통전 경로 상의 상기 복수의 발열체의 합성 저항을 포함하는 저항에 의거하여 산출되는 전력보다 커지도록 설정되는, 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 보호 회로.
[4] 상기 배터리의 전압은, 당해 배터리의 전압 범위의 하한값이며,
상기 복수의 발열체의 합성 저항은, 상기 발열체의 저항 공차의 하한값 및 상한값으로부터 산출되고,
상기 보호 소자의 동작 전력의 하한값은, 상기 배터리의 충방전에 있어서의 전압 범위의 하한값, 그리고 상기 발열체의 저항 공차의 하한값 및 상한값으로부터 산출되는, 상기 [3]에 기재된 보호 회로.
[5] 병렬 접속된 2개의 저항과, 1개의 저항이 직렬 접속된 등가 회로를 이용하여,
상기 배터리의 충방전에 있어서의 전압 범위의 상기 하한값을, 상기 등가 회로의 양단에 인가되는 전압으로 하고,
상기 발열체의 저항 공차의 하한값을, 상기 1개의 저항의 저항값, 및 상기 2개의 저항 중 한쪽의 저항값으로 하고,
상기 발열체의 저항 공차의 상한값을, 상기 2개의 저항 중 다른 쪽의 저항값으로 하고,
상기 등가 회로의 양단에 인가되는 전압과, 상기 2개의 저항과 상기 1개의 저항의 합성 저항에 의거하여 산출되는 전력을, 상기 보호 소자의 동작 전력의 하한값보다 작아지도록 설정하는, 상기 [4]에 기재된 보호 회로.
[6] 상기 보호 소자는,
직렬 접속된 제1 퓨즈 엘리먼트 및 제2 퓨즈 엘리먼트와,
상기 제1 퓨즈 엘리먼트의 상기 제2 퓨즈 엘리먼트와는 반대 측에 접속된 제1 전극부와,
상기 제2 퓨즈 엘리먼트의 제1 퓨즈 엘리먼트와는 반대 측에 접속된 제2 전극부와,
상기 제1 퓨즈 엘리먼트와 상기 제2 퓨즈 엘리먼트 사이에 접속되고, 또한 상기 발열체와 직렬 접속된 제3 전극부와,
상기 발열체의 상기 제3 전극부와는 반대 측에 접속된 제4 전극부를 갖는, 상기 [1]에 기재된 보호 회로.
[7] 상기 제1 퓨즈 엘리먼트가, 상기 배터리 측에 접속되고,
상기 제2 퓨즈 엘리먼트가, 상기 외부 회로 측에 접속되며,
상기 발열체는, 그 일단이 상기 제3 전극부를 통해 상기 제1 퓨즈 엘리먼트 및 상기 제2 퓨즈 엘리먼트에 접속되고, 다단이 상기 제4 전극부를 통해 상기 배터리에 접속되어 있는, 상기 [6]에 기재된 보호 회로.
[8] 상기 발열체와 상기 배터리 사이에 접속된 스위칭 소자를 추가로 갖는, 상기 [7]에 기재된 보호 회로.
[9] 상기 [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 기재된 보호 회로가 탑재된 배터리 팩.
[10] 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에, 병렬 접속된 복수의 보호 소자를 구비하는 보호 회로의 동작 방법으로서,
상기 통전 경로에 과전류가 흐름으로써, 상기 복수의 보호 소자 각각에 설치된 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 한쪽이 용단된 후, 나머지 통전 경로 상의 상기 복수의 보호 소자를 통해 흐르는 스니크 전류에 의해 상기 복수의 보호 소자 중 적어도 1개에 설치된 발열체가 발열하고, 상기 발열체의 파괴에 의해 상기 나머지 통전 경로가 차단되는, 보호 회로의 동작 방법.
본 발명에 의하면, 과전류 혹은 차단 후의 스니크 전류를 확실하게 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있고, 또한 종래보다 간단한 회로 구성으로 비용 저감을 실현할 수 있으며, 나아가서는 장치의 고장률을 저감할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 도 1의 보호 회로에 설치된 보호 소자의 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 도 1의 보호 회로에서 전류 차단이 행해지는 제1 케이스를 설명하는 도면이다.
도 4는, 도 3의 제1 케이스에 대응하는 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는, 도 1의 보호 회로에서 전류 차단이 행해지는 제2 케이스를 설명하는 도면이다.
도 6은, 도 5의 제2 케이스에 대응하는 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 7은, 도 1의 보호 회로의 변형예에서 전류 차단이 행해지는 제3 케이스를 설명하는 도면이다.
도 8은, 도 7의 제3 케이스에 대응하는 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 9는, 도 1의 보호 회로의 변형예에서 전류 차단이 행해지는 제4 케이스를 설명하는 도면이다.
도 10은, 도 9의 제4 케이스에 대응하는 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 11(a) 및 도 11(b)는, 도 10의 계속을 나타내는 도면이다.
도 12는, 도 1의 보호 회로의 변형예에서 전류 차단이 행해지는 제5 케이스를 설명하는 도면이다.
도 13은, 도 12의 제5 케이스에 대응하는 등가 회로를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 이용하는 도면은, 특징을 알기 쉽게 하기 위해서 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있고, 각 구성 요소의 치수 비율 등은 실제와는 상이한 경우가 있다. 이하의 설명에 있어서 예시되는 재료, 치수 등은 일례이며, 본 발명은 그들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위에서 적절히 변경하여 실시하는 것이 가능하다.
[보호 회로의 구성]
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 본 실시 형태의 보호 회로에서는, 후술하는 보호 소자의 복수가 표면 실장되어 있다. 이 보호 회로는, 예를 들면 리튬 이온 이차 전지 등의 배터리 팩에 탑재된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 보호 회로(1)는, 이차 전지(2)(배터리)와 외부 회로의 통전 경로 상에, 병렬 접속된 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C)를 구비한다. 구체적으로는, 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C)의 복수의 제1 전극부(15A, 15B, 15C)는, 통전 경로를 통해 병렬 접속점(A)에 접속되고, 또한 이차 전지(2, 2, …)의 양극에 접속되어 있다. 또, 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C)의 복수의 제2 전극부(16A, 16B, 16C)는, 통전 경로를 통해 병렬 접속점(B)에 접속되고, 또한 충전기(3)의 양극에 접속되어 있다. 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C)의 복수의 제3 전극부(17A, 17B, 17C)는, 각각, 히터(14A, 14B, 14C)(발열체)를 통해 제4 전극부(18A, 18B, 18C)에 접속되어 있다. 제4 전극부(18A, 18B, 18C)는, 예를 들면 이차 전지(2, 2, …)의 음극 및 충전기(3)의 음극의 쌍방에 접속되어 있다. 제4 전극부(18A, 18B, 18C)의 하류 측에는, FET 등의 스위칭 소자(4)가 설치되어 있다.
이차 전지(2)는, 하나 또는 복수의 전지 셀(20, 20, …)로 구성되어 있고, 본 실시 형태에서는 복수의 전지 셀(20, 20, …)이 직렬 접속되어 있다. 이차 전지(2)의 충전 시에는, 충전기(3)로부터 통전 경로를 통해 이차 전지(2)에 전력이 공급된다. 또, 이차 전지의 방전 시에는, 이차 전지(2)로부터 통전 경로에 전력이 공급된다. 이와 같이, 이차 전지(2)의 충전 시 및 방전 시 중 어느 경우에도, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A(12B, 12C))와 제2 퓨즈 엘리먼트(13A(13B, 13C))의 쌍방에 동일한 전력이 공급된다.
보호 회로(1)는, 복수의 전지 셀(20, 20, …)의 각각과 접속되고, 또한 스위칭 소자(4)에 접속된 도시되지 않은 검출 소자를 갖고 있어도 된다. 이 검출 소자는, 고전압 상태, 특히 과전압이 되어 있는지 여부를 상시 모니터하여, 고전압 상태가 된 경우에 스위칭 소자(4)에 제어 신호를 출력한다. 이 경우, 스위칭 소자(4)는, 검출 신호에 따라, 히터(14A(14B, 14C))에 이차 전지(2)로부터 전류를 흘림으로써, 당해 히터(14A(14B, 14C))를 발열시킨다. 이에 의해, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A(12B, 12C)) 및/또는 제2 퓨즈 엘리먼트(13A(13B, 13C))를 용단할 수 있다.
[보호 소자의 구성]
도 2는, 도 1의 보호 회로(1)에 설치된 보호 소자(10A)의 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 보호 소자(10B, 10C)의 구성은, 보호 소자(10A)의 구성과 같으므로, 그 설명을 생략한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 보호 소자(10A)는, 기판(11A)과, 기판(11A) 상에서 직렬 접속된 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)(2개의 퓨즈 엘리먼트)와, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)와 제2 퓨즈 엘리먼트(13A) 사이에 접속되고, 통전에 의해 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및/또는 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)를 용단하는 히터(14A)(발열체)를 갖는다. 또, 보호 소자(10A)는, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)의 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)와는 반대 측에 접속된 제1 전극부(15A)와, 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)의 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)와는 반대 측에 접속된 제2 전극부(16A)와, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)와 제2 퓨즈 엘리먼트(13A) 사이에 접속되고, 또한 히터(14A)와 직렬 접속된 제3 전극부(17A)와, 히터(14A)의 제3 전극부(17A)와는 반대 측에 접속된 제4 전극부(18A)를 갖는다.
본 실시 형태에서는, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)가, 이차 전지(2) 측에 접속되고, 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)가, 충전기(3) 측(외부 회로 측)에 접속되어 있다. 히터(14A)는, 그 일단이 제3 전극부(17A)를 통해 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)에 접속되고, 다단이 제4 전극부(18A)를 통해 이차 전지(2)에 접속되어 있다.
기판(11A)은, 절연성을 갖는 재질의 것이면 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 세라믹스 기판이나 유리 에폭시 기판과 같은 프린트 배선 기판에 이용되는 기판 이외에, 유리 기판, 수지 기판, 절연 처리 금속 기판 등을 이용할 수 있다. 또한, 이들 중에서, 내열성이 우수하고, 열 양(良)전도성의 절연 기판인 세라믹스 기판이 적합하다.
제1 퓨즈 엘리먼트(12A)는, 예를 들면 기판(11A)의 한쪽의 주면 측에 설치되고, 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)도 마찬가지로, 기판(11A)의 한쪽의 주면 측에 설치되어 있다. 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)는, 일체로 형성되어 있어도 되고, 별도의 부재로 구성되어도 된다. 또, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)의 형상은, 예를 들면 박편형상인데, 이에 한정되지 않고, 봉형상이어도 된다.
제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)는, 예를 들면 고른 폭 및 두께의 박편형상을 갖고 있고, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)의 길이가, 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)의 길이와 같다. 이 경우, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)의 열 저항은, 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)의 열 저항과 같다.
제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)를 구성하는 재료로서는, 종래부터 퓨즈 재료로서 사용되고 있는 다양한 저융점 금속을 이용할 수 있다. 저융점 금속으로서는, SnSb 합금, BiSnPb 합금, BiPbSn 합금, BiPb 합금, BiSn 합금, SnPb 합금, SnAg 합금, PbIn 합금, ZnAl 합금, InSn 합금, PbAgSn 합금 등을 들 수 있다. 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)를 구성하는 재료는, 동일한 것이 바람직하지만, 상이해도 된다.
히터(14A)는, 예를 들면 기판(11A)의 다른 쪽의 주면 측에 설치되어 있다. 이 히터(14A)는, 기판(11A)의 다른 쪽의 주면에 맞닿아 배치되고, 또한 제3 전극부(17A)의 바로 아래에 배치된다. 히터(14A)는, 기판(11A)의 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)와는 반대 측에 설치되는데, 이에 한정되지 않고, 기판(11A)의 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)와 같은 측에 설치되어도 된다.
히터(14A)는, 예를 들면, 산화루테늄이나 카본 블랙 등의 도전 재료와, 물유리 등의 무기계 바인더나 열경화성 수지 등의 유기계 바인더로 이루어지는 저항 페이스트를 도포하고, 필요에 따라 소성함으로써 형성된다. 또, 히터(14A)로서는, 산화루테늄이나 카본 블랙 등의 박막을, 인쇄, 도금, 증착, 스퍼터의 공정을 거쳐 형성해도 되고, 이들 필름의 부착이나 적층 등에 의해 형성해도 된다.
히터(14A)에는, 그 외표면을 덮도록 도시하지 않은 절연 부재가 설치되어도 된다.
절연 부재를 구성하는 재료로서는, 히터(14A)와 외부를 절연 가능한 재료이면 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 유리(SiO2)를 들 수 있다.
히터(14A)가 저항 공차를 갖는 경우, 후술하는 보호 소자의 전력의 산출에 있어서, 그 저항 공차가 고려되는 것이 바람직하다. 히터(14A)의 저항 공차의 범위는, 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 4.8Ω~8.0Ω이다.
본 실시 형태에서는, 히터(14A)는, 후술하는 스니크 전류에 의한 통전 과열에 의해 파괴되는 구성을 갖는다. 이 경우, 히터(14A)가 온도 의존성이 낮은 저항을 갖는 것이 바람직하다. 히터(14A)의 저항 온도 계수(이하, TCR이라고도 한다)는, 500ppm/℃ 미만인 것이 바람직하고, 400ppm/℃ 이하인 것이 보다 바람직하고, 300ppm/℃ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 히터(14A)의 TCR이 500ppm/℃ 이상이면, 히터(14A)의 발열에 시간이 걸려, 히터(14A)를 신속하게 파괴할 수 없다. 또, 히터(14A)에서 발생한 열이 보호 소자(10A)의 상부에 설치된 수지제 등의 도시하지 않은 외장 부재에 전파되고, 당해 외장 부재가 용융에 의해 변형되어, 기기나 인체에 대한 악영향을 초래할 우려가 있다. 따라서 히터(14A)의 TCR을 상기 범위 내의 값으로 한다.
히터(14A)의 일례로서 산화루테늄 87질량%, 산화납 9질량% 및 산화붕소 4질량%로 구성되는 히터를 준비하고, 이 히터를 갖는 3개의 보호 소자가 병렬 접속된 보호 회로에 소정 전력을 인가하고, 각 보호 소자의 외관을 검사한 결과를 표 1에 나타낸다. 3개의 보호 소자에 설치된 히터의 TCR은, 모두 300ppm/℃이며, 히터의 통전 시에 당해 히터에 인가되는 전력은 9.7W이다. 또, 다른 예로서, 산화루테늄 91질량%, 산화납 5질량% 및 산화붕소 4질량%로 구성되는 히터를 갖는 보호 소자를 3개 준비하고, 3개의 보호 소자에 설치된 히터의 TCR이 모두 100ppm/℃인 것 이외에는, 상기와 동일하게 하여 각 보호 소자의 외관을 검사한 결과를, 표 1에 나타낸다.
또한, 다른 예로서, 산화루테늄 85질량%, 산화납 12질량% 및 산화붕소 3질량%로 구성되는 히터를 갖는 보호 소자를 3개 준비하고, 3개의 보호 소자에 설치된 히터의 TCR이 모두 500ppm/℃인 것 이외에는, 상기와 동일하게 하여 각 보호 소자의 외관을 검사한 결과를, 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1에 나타내는 바와 같이, 히터의 TCR이 300ppm/℃인 경우, 통전 개시부터 30초간 경과 후에 히터의 저항이 2.0MΩ이 되어, 히터의 파괴에 의해 통전 경로가 차단되었다. 통전 개시부터 경로 차단까지의 동안에, 보호 소자의 외관에 변화는 없었다. 또, 히터의 TCR이 100ppm/℃인 경우, 통전 개시부터 10초간 경과 후에 히터의 저항이 1.0MΩ이 되어, 히터의 TCR이 300ppm/℃인 경우와 비교해서, 보다 단시간에 히터가 파괴되었다. 또, 통전 개시부터 경로 차단까지의 동안에, 보호 소자의 외관에 변화는 없었다.
한편, 히터의 TCR이 500ppm/℃인 경우, 통전 개시부터 80초간 경과 후에 히터의 저항이 1.0MΩ이 되어, 장시간을 필요로 한 결과, 보호 소자의 상부에 설치된 외장 부재의 중앙부가 용융되고, 변형되었다.
따라서, 히터의 TCR을 500ppm/℃ 미만, 바람직하게는 400ppm/℃ 미만으로 함으로써, 히터를 신속하게 파괴할 수 있고, 또, 보호 소자에 설치된 외장 부재의 열 변형을 방지할 수 있다.
제1 전극부(15A), 제2 전극부(16A) 및 제3 전극부(17A)는, 각각, 용융한 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 혹은 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)가 흘러들어가게 되는 전극이다. 이들 제1 전극부(15A), 제2 전극부(16A) 및 제3 전극부(17A)를 구성하는 재료는, 특별히 제한되지 않고, 용융 상태의 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 혹은 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)와 젖음성이 양호한 금속을 들 수 있다. 제1 전극부(15A), 제2 전극부(16A) 및 제3 전극부(17A)를 구성하는 재료로서는, 구리(Cu) 등의 금속 단체나, 적어도 표면이 Ag(은), Ag(은)-Pt(백금), Ag(은)-Pd(팔라듐), Au(금) 등으로 형성되어 있는 것을 이용할 수 있다.
제1 전극부(15A), 제2 전극부(16A) 및 제4 전극부(18A)에 대응하는 위치에는, 각각 도시하지 않은 땜납부가 설치된다. 제1 전극부(15A), 제2 전극부(16A) 및 제4 전극부(18A)는, 각각 도시하지 않은 땜납부를 통해 보호 회로(1)에 접속된다.
보호 소자(10A)에서는, 보호 소자(10A)에 정격을 초과하는 대전류(과전류)가 흘렀을 때에, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및/또는 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)가 자기 발열(줄 열)에 의해 용단되거나, 혹은, 도시하지 않은 검출 소자가, 배터리가 고전압 상태, 특히 과전압이 되어 있는지 여부를 상시 모니터하여, 고전압 상태가 된 경우에 스위칭 소자(4)에 제어 신호를 출력함으로써, 히터(14A)의 발열에 의해 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및/또는 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)가 용단되고, 이에 의해 통전 경로가 차단된다.
상기와 같이 구성되는 보호 회로(1)에서는, 통전 경로에 과전류가 흐름으로써, 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C) 중 각각에 설치된 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 한쪽이 용단된 후, 나머지 통전 경로 상의 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C)를 통해 흐르는 스니크 전류에 의해 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C) 중 적어도 1개에 설치된 히터가 발열하고, 당해 히터의 파괴에 의해 나머지 통전 경로가 차단된다.
여기서, 상기 나머지 통전 경로 상의 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C)를 통해 흐르는 스니크 전류에 의해 당해 보호 소자(예를 들면, 보호 소자(10A))의 히터(예를 들면, 히터(14A))가 발열하고, 상기 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 다른 쪽이 용단되면, 나머지 통전 경로가 차단되게 된다. 그러나, 이차 전지(2)의 전압과 상기 나머지 통전 경로 상의 복수의 히터(14A, 14B, 14C)의 합성 저항에 의거하여 산출되는 전력이, 당해 보호 소자(예를 들면, 보호 소자(10A))의 동작 전력에 못 미치는 경우에는, 그 보호 소자가 정상적으로 동작하지 않고, 스니크 전류에 의해 상기 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 다른 쪽을 용단할 수 없는 경우가 있다. 이에 본 실시 형태에서는, 스니크 전류에 의해 히터(14A)를 과열하고, 열에 의해 히터(14A) 그 자체를 파괴함으로써, 통전 경로를 차단하는 구성으로 하고 있다.
보호 회로(1)에서 상기 동작을 행하게 하기 위해서, 예를 들면, 각 보호 소자의 동작 전력의 하한값은, 이차 전지(2)의 전압과 상기 나머지 통전 경로 상의 복수의 히터(14A, 14B, 14C)의 합성 저항을 포함하는 저항에 의거하여 산출되는 전력보다 커지도록 설정되는 것이 바람직하다. 「합성 저항을 포함하는 저항」이란, 상기 통전 경로에 도시하지 않은 별도 부품이 탑재되어 있는 경우에는, 상기 나머지 통전 경로 상의 복수의 히터(14A, 14B, 14C)의 합성 저항과, 당해 별도 부품의 저항의 합을 가리키고, 상기 통전 경로에 상기 별도 부품이 탑재되어 있지 않은 경우에는, 상기 나머지 통전 경로 상의 복수의 히터(14A, 14B, 14C)의 합성 저항 그 자체를 가리킨다.
또, 배터리 팩 혹은 주위의 별도 부품을 포함하는 보호 회로(1)가 실장된 기판의 열 용량이나 방열성이 큰 경우, 각 보호 소자(예를 들면, 보호 소자(10A))의 동작 전력의 범위 내, 즉 제1, 제2 퓨즈 엘리먼트(예를 들면, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A))의 동작 전력의 범위 내의 전압이어도, 히터(예를 들면, 히터(14A))의 발열이 배터리 팩이나 기판에 빼앗겨버리기 때문에, 제1, 제2 퓨즈 엘리먼트를 정상적으로 용단할 수 없는 경우가 있다. 본 구성에 의하면, 이러한 경우에도, 스니크 전류에 의해 히터(14A)를 과열하여, 열에 의해 히터(14A) 그 자체를 파괴하는 구성으로 함으로써, 통전 경로를 차단할 수 있다. 이 경우, 각 보호 소자의 동작 전력의 하한값이 상술한 산출 전력보다 커지도록 설정될 필요는 없고, 상술한 산출 전력 이하여도 된다.
보호 소자의 동작 전력이란, 각 보호 소자에 있어서 제1 퓨즈 엘리먼트 및/또는 제2 퓨즈 엘리먼트를 정상적으로 용단하는 데에 필요한 전력값 혹은 전력 범위를 말하고, 각 보호 소자의 특성(사양)으로서 부여되는 값을 말한다. 보호 소자의 동작 전력의 범위는, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면 13W~130W이다.
이차 전지(2)의 전압이란, 이차 전지(2)가 1개의 전지 셀로 구성되는 경우에는 셀 전압의 특성(사양)으로서 부여되는 값을 말한다. 이차 전지(2)가 복수의 전지 셀로 구성되는 경우에는, 이차 전지(2)의 전압이란, 그들의 합성 전압(배터리 팩 전압)의 특성(사양)으로서 부여되는 값을 말한다. 셀 전압의 범위는, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면 2.5V~4.5V이다. 팩 전압의 범위도, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면 5개의 상기 셀 전압을 직렬 접속한 구성인 경우, 12.5V~22.5V이다.
또, 나머지 통전 경로란, 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C) 각각에 설치된 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 한쪽이 용단된 상태에서, 복수의 보호 소자(10A, 10B, 10C)를 통해 스니크 전류가 흐르는 경로를 말한다.
[보호 회로의 동작 방법 및 동작 원리]
다음에, 본 실시 형태의 보호 회로의 동작 원리를, 이하의 제1~제6 케이스를 예로 들어 구체적으로 설명한다. 제1~제6 케이스에서는, 설명의 편의상, 통전 경로에 별도 부품이 탑재되어 있지 않은 경우를 설명한다.
도 3은, 도 1의 보호 회로(1)에서 전류 차단이 행해지는 제1 케이스를 설명하는 도면이다. 제1 케이스로서, 외부 단락 등의 발생에 기인하여 과전류가 흘러, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13B, 13C)가 용단된 경우를 상정한다.
이 경우, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)가 이차 전지 측의 퓨즈 엘리먼트이고, 제2 퓨즈 엘리먼트(13B, 13C)가 충전기 측의 퓨즈 엘리먼트이기 때문에, 이차 전지(2) 측과 충전기(3) 측이 전류 차단되어 있지 않은 상태이며, 제1 퓨즈 엘리먼트(12B, 12C) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)를 통해 스니크 전류가 흐른다. 이 스니크 전류에 의해 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)가 용단되면, 이차 전지(2) 측과 충전기(3) 측이 전류 차단되게 된다.
이에 본 실시 형태에서는, 보호 소자(10A)의 동작 전력의 하한값이, 이차 전지(2)의 전압과 나머지 통전 경로 상의 히터(14A, 14B, 14C)의 합성 저항에 의거하여 산출되는 전력보다 커지도록 설정되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 나머지 통전 경로를 흐르는 스니크 전류에 의해, 당해 나머지 통전 경로 상의 보호 소자(10A)에 있어서의 히터(14A)가 과열되고, 열에 의한 히터(14A)의 파괴에 의해 나머지 통전 경로가 차단된다.
이차 전지(2)는, 통상, 과방전 영역 및 과충전 영역을 제외한 정상 영역으로서의 전압 범위를 갖고 있다. 이 때문에, 전력(W)을 산출할 때에 이용되는 이차 전지(2)의 전압은, 당해 이차 전지의 전압 범위의 하한값인 것이 바람직하다. 또, 각 보호 소자의 히터가 저항 공차를 갖는 경우에는, 나머지 통전 경로 상의 히터(14A, 14B, 14C)의 합성 저항은, 당해 히터의 저항 공차의 하한값 및 상한값으로부터 산출되는 것이 바람직하다. 이 경우, 보호 소자(10A)의 동작 전력의 하한값은, 이차 전지(2)의 충방전에 있어서의 전압 범위의 하한값, 그리고 히터의 저항 공차의 하한값 및 상한값으로부터 산출된다. 이에 의해, 나머지 통전 경로를 흐르는 스니크 전류에 의해 보호 소자(10A)에 인가되는 전력에 불균일이 생기는 경우여도, 히터(14A)의 파괴에 의해 나머지 통전 경로를 확실하게 차단할 수 있다.
도 3 상태의 보호 회로(1)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 병렬 접속된 2개의 저항(R2, R3)과, 1개의 저항(R1)이 직렬 접속된 등가 회로(EC1)로 나타낼 수 있다. 이 등가 회로(EC1)에 전류(IEC1)(스니크 전류)가 흘러 저항(R1)이 파괴되었을 때에, 병렬 접속점(A)과 병렬 접속점(B)이 전류 차단된다.
따라서, 도 4의 등가 회로(EC1)에 있어서, 이 등가 회로(EC1) 내에 있어서의 저항(R1, R2, R3)의 합성 저항(R0)을 구함과 더불어, 옴의 법칙을 이용하여 당해 합성 저항으로부터 등가 회로(EC1)에 흐르는 전류(IEC1)를 구하고, 또한, 병렬 접속점(A)과 병렬 접속점(B) 사이의 전압(V)으로부터, 저항(R1)에서의 전력(W1)을 산출한다(W1=(IEC1)2×R1). 그리고, 상기에서 산출된 전력(W1)보다 큰 전력을, 보호 소자(10A)의 동작 전력으로서 설정할 수 있다.
산출의 일례로서, 예를 들면, 이차 전지(2)의 충방전에 있어서의 전압 범위가 12.5V~22.5V이며, 히터(14A, 14B, 14C)의 저항 공차가 4.8Ω~8.0Ω인 경우를 상정한다. 이 경우, 이차 전지(2)의 전압 범위의 하한값은 12.5V이며, 히터(14A, 14B, 14C)의 저항 공차의 하한값은 4.8Ω, 상한값은 8.0Ω이다.
히터의 저항 공차의 하한값 및 상한값을 이용한 경우, 등가 회로(EC1)에 있어서의 저항(R1, R2, R3)의 저항값의 조합 패턴은 4가지이다. 각 조합 패턴으로 전력(W1, W2, W3)을 산출한 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2에 있어서, 조합 패턴 4에서는, 이차 전지(2)의 충방전에 있어서의 전압 범위의 하한값(12.5V)을, 등가 회로(EC1)의 양단에 인가되는 전압(V)으로 하고, 또, 히터(14A, 14C)의 저항 공차의 하한값(4.8V)을, 저항(R1, R3)의 저항값으로 하고, 히터(14B)의 저항 공차의 상한값(8.0V)을, 저항(R2)의 저항값으로 하고 있다. 그리고 이 조합 패턴 4일 때에, 저항(R1)에 인가되는 전력(W1)(12.3W)이 최대값이 되어 있다. 따라서, 본 제1 케이스에서는, 등가 회로(EC1)의 양단에 인가되는 전압(V)과, 저항(R1, R2, R3)의 합성 저항(R0)에 의거하여 산출되는 전력(W1)을, 보호 소자(10A)의 동작 전력의 하한값보다 작아지도록 설정하는 것이 바람직하다.
도 5는, 도 1의 보호 회로(1)에서 전류 차단이 행해지는 제2 케이스를 설명하는 도면이다. 제2 케이스에서는, 외부 단락 등의 발생에 기인하여 과전류가 흘러, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A, 12B) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13C)가 용단된 경우를 상정한다.
이 경우, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A, 12B)가 이차 전지 측의 퓨즈 엘리먼트이며, 제2 퓨즈 엘리먼트(13C)가 충전기 측의 퓨즈 엘리먼트이기 때문에, 이차 전지(2) 측과 충전기(3) 측이 전류 차단되어 있지 않은 상태이며, 제1 퓨즈 엘리먼트(12C) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A, 13B)를 통해 스니크 전류가 흐른다. 이 스니크 전류에 의해 히터(14C)가 파괴되면, 이차 전지(2) 측과 충전기(3) 측이 전류 차단되게 된다.
도 5의 상태의 보호 회로(1)는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 1개의 저항(R3)과, 병렬 접속된 2개의 저항(R1, R2)이 직렬 접속된 등가 회로(EC2)로 나타낼 수 있다. 이 등가 회로(EC2)에 전류(IEC2)(스니크 전류)가 흘러 저항(R3)이 파괴되었을 때에, 병렬 접속점(A)과 병렬 접속점(B)이 전류 차단된다.
도 6의 등가 회로(EC2)에 있어서도, 도 4의 등가 회로(EC1)와 마찬가지로, 등가 회로(EC2) 내에 있어서의 저항(R1, R2, R3)의 합성 저항(R0)을 구함과 더불어, 옴의 법칙을 이용하여 당해 합성 저항으로부터 등가 회로(EC2)에 흐르는 전류(IEC2)를 구하고, 또한, 병렬 접속점(A)과 병렬 접속점(B) 사이의 전압(V)으로부터, 저항(R3)에서의 전력(W3)을 산출한다(W3=(IEC2)2×R3). 그리고, 상기에서 산출된 전력(W3)보다 큰 전력을, 보호 소자(10C)의 동작 전력으로서 설정할 수 있다.
또, 본 제2 케이스에서는, 등가 회로(EC2)의 양단에 인가되는 전압(V)을, 이차 전지(2)의 충방전에 있어서의 전압 범위의 하한값으로 하고, 또, 저항(R1, R3)의 저항값을, 히터(14A, 14C)의 저항 공차의 하한값으로 하고, 저항(R2)의 저항값을, 히터(14B)의 저항 공차의 상한값으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우도, 상기 제1 케이스와 마찬가지로, 등가 회로(EC2)의 양단에 인가되는 전압(V)과, 저항(R1, R2, R3)의 합성 저항(R0)으로부터 산출되는 전력(W3)을, 보호 소자(10C)의 동작 전력의 하한값보다 작아지도록 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 보호 소자(10B)의 동작 전력의 하한값도, 상기와 동일한 산출에 의거하여 설정할 수 있다. 또, 등가 회로(EC2)는, 등가 회로(EC1)와 실질적으로 같은 점에서, 전력(W3)은 전력(W1)과 같다.
따라서, 도 1에 나타내는 3개의 보호 소자가 병렬 접속된 보호 회로(1)에서는, 보호 소자(10A, 10B, 10C)의 동작 전력의 하한값이, 전력(W1(=W3))보다 커지도록 설정되면 된다.
도 7은, 도 1의 보호 회로(1)의 변형예에서 전류 차단이 행해지는 제3 케이스를 설명하는 도면이다. 본 제3 케이스에서는, 보호 회로(1)에 2개의 보호 소자(10A, 10B)가 설치되어 있고, 외부 단락 등의 발생에 기인하여 과전류가 흘러, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13B)가 용단된 경우를 상정한다.
이 경우, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)가 이차 전지 측의 퓨즈 엘리먼트이고, 제2 퓨즈 엘리먼트(13B)가 충전기 측의 퓨즈 엘리먼트이기 때문에, 이차 전지(2) 측과 충전기(3) 측이 전류 차단되어 있지 않은 상태이며, 제1 퓨즈 엘리먼트(12B) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)를 통해 스니크 전류가 흐른다. 이 스니크 전류에 의해 히터(14A) 또는 히터(14B)가 파괴되면, 이차 전지(2) 측과 충전기(3) 측이 전류 차단되게 된다.
도 7의 상태의 보호 회로는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 2개의 저항(R1, R2)이 직렬 접속된 등가 회로(EC3)로 나타낼 수 있다. 이 등가 회로(EC3)에 전류(IEC3)(스니크 전류)가 흘러 저항(R1) 또는 저항(R2)이 파괴됨으로써, 병렬 접속점(A)과 병렬 접속점(B)이 전류 차단된다.
따라서, 도 8의 등가 회로(EC3)에 있어서도, 등가 회로(EC3) 내에 있어서의 저항(R1, R2)의 합성 저항(R0)을 구함과 더불어, 옴의 법칙을 이용하여 당해 합성 저항으로부터 등가 회로(EC3)에 흐르는 전류(IEC3)를 구하고, 또한, 병렬 접속점(A)과 병렬 접속점(B) 사이의 전압(V)으로부터, 저항(R1)에서의 전력(W1)을 산출한다(W1=(IEC3)2×R1). 그리고, 상기에서 산출된 전력(W1)보다 큰 전력을, 보호 소자(10A)의 동작 전력으로서 설정할 수 있다.
또, 본 제3 케이스에서는, 등가 회로(EC3)의 양단에 인가되는 전압(V)을, 이차 전지(2)의 충방전에 있어서의 전압 범위의 하한값으로 하고, 또, 저항(R1) 및 저항(R2)의 저항값을, 히터(14A, 14B)의 저항 공차의 하한값으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 등가 회로(EC3)의 양단에 인가되는 전압(V)과, 저항(R1, R2)의 합성 저항(R0)에 의거하여 산출되는 전력(W1)(또는 전력(W2))을, 보호 소자(10A, 10B)의 동작 전력의 하한값보다 작아지도록 설정할 수 있다.
도 9는, 도 1의 보호 회로(1)의 변형예에서 전류 차단이 행해지는 제4 케이스를 설명하는 도면이다. 제4 케이스로서, 보호 회로에 4개의 보호 소자(10A, 10B, 10C, 10D)가 설치되어 있고, 외부 단락 등의 발생에 기인하여 과전류가 흘러, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A, 12B) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13C, 13D)가 용단된 경우를 상정한다. 또, 보호 소자(10A, 10B, 10C, 10D)는, 기본적으로 동일 구성을 갖는 것으로 한다.
이 경우, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A, 12B)가 이차 전지 측의 퓨즈 엘리먼트이고, 제2 퓨즈 엘리먼트(13C, 13D)가 충전기 측의 퓨즈 엘리먼트이기 때문에, 이차 전지(2) 측과 충전기(3) 측이 전류 차단되어 있지 않은 상태이며, 제1 퓨즈 엘리먼트(12C, 12D) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A, 13B)를 통해 스니크 전류가 흐른다. 도 9의 상태의 보호 회로는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 병렬 접속된 2개의 저항(R3, R4)과, 병렬 접속된 2개의 저항(R1, R2)이 직렬 접속된 등가 회로(EC4)로 나타낼 수 있다.
그 후, 보호 회로의 나머지 통전 경로에 스니크 전류가 계속 흐름으로써, 제1 퓨즈 엘리먼트(12C, 12D) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A, 13B) 중 어느 하나가 용단된다. 예를 들면, 스니크 전류에 의해 제2 퓨즈 엘리먼트(13B)가 용단된 경우, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 제2 퓨즈 엘리먼트(13B)에 대응하는 퓨즈(H2)의 경로가 없어지고, 등가 회로(EC4)는, 도 4의 등가 회로(EC1)와 동일한 등가 회로(EC5)가 된다. 따라서, 도 9에 나타내는 제4 케이스에서는, 보호 소자(10A)로서, 동작 전력의 하한값이 전력(W1)보다 큰 보호 소자를 선정하면 되는 것이 된다.
또, 도 10의 상태로부터 스니크 전류에 의해 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)가 용단된 경우에도, 등가 회로(EC4)는, 도 11(a)의 등가 회로(EC5)와 동일한 등가 회로가 된다. 따라서, 도 9에 나타내는 제4 케이스에서는, 보호 소자(10B)로서, 동작 전력의 하한값이 전력(W1)보다 큰 보호 소자를 선정하면 된다.
또, 도 10의 상태로부터 스니크 전류에 의해 제1 퓨즈 엘리먼트(12D)가 용단된 경우, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 등가 회로(EC4)는, 도 6의 등가 회로(EC2)와 동일한 등가 회로(EC6)가 된다. 또, 도 10의 상태로부터 스니크 전류에 의해 제1 퓨즈 엘리먼트(12C)가 용단된 경우에도, 등가 회로(EC4)는, 도 11(b)의 등가 회로(EC6)와 동일한 등가 회로가 된다. 따라서, 도 9에 나타내는 제4 케이스에서는, 보호 소자(10C, 10D)로서, 동작 전력의 하한값이 전력(W1(=W3))보다 큰 보호 소자를 선정하면 되는 것이 된다.
도 12는, 도 1의 보호 회로(1)의 변형예에서 전류 차단이 행해지는 제5 케이스를 설명하는 도면이다. 제6 케이스로서, 보호 회로(1)에 4개의 보호 소자(10A, 10B, 10C, 10D)가 설치되어 있고, 외부 단락 등의 발생에 기인하여 과전류가 흘러, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13B, 13C, 13D)가 용단된 경우를 상정한다.
이 경우, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A)가 이차 전지 측의 퓨즈 엘리먼트이고, 제2 퓨즈 엘리먼트(13B, 13C, 13D)가 충전기 측의 퓨즈 엘리먼트이기 때문에, 이차 전지(2) 측과 충전기(3) 측이 전류 차단되어 있지 않은 상태이며, 제1 퓨즈 엘리먼트(12B, 12C, 12D) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13A)를 통해 스니크 전류가 흐른다. 이 스니크 전류에 의해 히터(14A)가 파괴되면, 이차 전지(2) 측과 충전기(3) 측이 전류 차단되게 된다.
도 12 상태의 보호 회로는, 도 13에 나타내는 바와 같이, 병렬 접속된 3개의 저항(R2, R3, R4)과, 1개의 저항(R1)이 직렬 접속된 등가 회로(EC7)로 나타낼 수 있다.
그 후, 보호 회로의 나머지 통전 경로에 스니크 전류가 계속 흐름으로써, 제1 퓨즈 엘리먼트(12B, 12C, 12D) 중 어느 하나가 용단된다. 이 경우, 등가 회로(EC7)는, 도 4의 등가 회로(EC1)와 동일한 등가 회로가 된다. 따라서, 도 12에 나타내는 제5 케이스에서도, 보호 소자(10A)로서, 동작 전력의 하한값이 전력(W1)보다 큰 보호 소자를 선정하면 되는 것이 된다.
또, 도 13에서는, 제1 퓨즈 엘리먼트(12A) 및 제2 퓨즈 엘리먼트(13B, 13C, 13D)가 용단된 경우를 설명했는데, 복수의 제1 퓨즈 엘리먼트(12A, 12B, 12C, 12D) 중 어느 하나가 용단되고, 또한, 용단된 제1 퓨즈 엘리먼트를 갖는 보호 소자 이외의 모든 보호 소자에 있어서의 제2 퓨즈 엘리먼트가 용단된 경우도, 상기와 동일한 고찰을 적용할 수 있다.
따라서, 도 9에 나타내는 4개의 보호 소자가 병렬 접속된 보호 회로에서도, 보호 소자(10A, 10B, 10C, 10D)의 동작 전력의 하한값이, 전력(W1)보다 커지도록 설정되면 되는 것으로 추측된다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 이차 전지(2)와 외부 회로의 통전 경로에 과전류가 흐름으로써, 복수의 보호 소자(10A, 10B, …) 각각에 설치된 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 한쪽이 용단된 후, 나머지 통전 경로 상의 복수의 보호 소자(10A, 10B, …)를 통해 흐르는 스니크 전류에 의해 복수의 보호 소자 중 적어도 1개에 설치된 히터가 발열하고, 상기 히터의 파괴에 의해 나머지 통전 경로가 차단되므로, 제1 퓨즈 엘리먼트(또는 제2 퓨즈 엘리먼트)의 일방측의 회로와 타방측의 회로를 차단할 수 있다. 따라서, 보호 회로(1)에 다이오드 등의 정류 소자를 설치하는 일 없이, 간단한 회로 구성으로 과전류 혹은 차단 후의 스니크 전류를 확실하게 방지할 수 있다. 또, 보호 회로(1)의 회로 설계에 있어서, SCP 주변의 회로 부품이나 SCP의 하우징 등을 포함시킨 열 용량 밸런스를 고려하지 않아도, 확실하게 회로를 차단할 수 있어, 용이한 회로 설계를 실현하면서, 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 다이오드 등의 정류 소자를 설치할 필요가 없기 때문에, 비용 저감을 실현하면서, 부품점수를 적게 하여 회로의 고장률을 저감할 수 있다.
또, 히터(14A, 14B, 14C)의 저항 온도 계수가, 500ppm/℃ 미만이므로, 과전류에 의해 히터(14A, 14B, 14C)를 신속하게 파괴할 수 있고, 또, 보호 소자(10A, 10B, 10C)를 구성하는 부재의 열 변형 등을 방지할 수 있음과 더불어, 기기나 인체에 대한 악영향을 방지할 수 있다.
또, 각 보호 소자의 동작 전력의 하한값이, 이차 전지(2)의 전압과 상기 나머지 통전 경로 상의 복수의 히터(14A, 14B, …)의 합성 저항을 포함하는 저항에 의거하여 산출되는 전력보다 커지도록 설정되므로, 나머지 통전 경로를 흐르는 과전류에 의해, 당해 나머지 통전 경로 상의 보호 소자를 구성하는 히터를 용이하게 파괴할 수 있다.
또한, 각 보호 소자의 동작 전력의 하한값은, 이차 전지(2)의 충방전에 있어서의 전압 범위의 하한값, 그리고 히터의 저항 공차의 하한값 및 상한값으로부터 산출되므로, 보다 동작 정밀도가 높은 보호 회로(1)를 구축할 수 있어, 보호 회로(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또, 각 보호 소자의 히터의 저항을 선별하는 등에 의해 저항 공차를 작게 함으로써, 각 보호 소자의 전압 동작 범위를 넓게 할 수 있기 때문에, 적절히 그러한 조정을 행함으로써, 동작 정밀도나 신뢰성을 높일 수도 있다.
또, 보호 회로(1)의 설계에 있어서, 병렬 접속된 2개의 저항(R2, R3)과, 1개의 저항(R1)이 직렬 접속된 등가 회로(EC1)를 이용하여, 이차 전지(2)의 전압 범위의 하한값을, 등가 회로(EC1)의 양단에 인가되는 전압(V)으로 하고, 히터의 저항 공차의 하한값을, 저항(R1, R3)의 저항값으로 하고, 당해 히터의 저항 공차의 상한값을, 저항(R2)의 저항값으로 한다. 그리고, 전압(V)과 저항(R1, R2, R3)의 합성 저항(R0)에 의거하여 산출되는 전력(W)을, 보호 소자(10A, 10B, 10C)의 동작 전력의 하한값보다 작아지도록 설정하므로, 3개 이상의 보호 소자가 탑재되는 보호 회로를, 더욱 용이하게 설계할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 설명했는데, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위 내에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형·변경이 가능하다.
1: 보호 회로 2: 이차 전지
3: 충전기 4: 스위칭 소자
10A: 보호 소자 10B: 보호 소자
10C: 보호 소자 10D: 보호 소자
11A: 기판 12A: 제1 퓨즈 엘리먼트
12B: 제1 퓨즈 엘리먼트 12C: 제1 퓨즈 엘리먼트
12D: 제1 퓨즈 엘리먼트 13A: 제2 퓨즈 엘리먼트
13B: 제2 퓨즈 엘리먼트 13C: 제2 퓨즈 엘리먼트
13D: 제2 퓨즈 엘리먼트 14A: 히터
14B: 히터 14C: 히터
15A: 제1 전극부 15B: 제1 전극부
15C: 제1 전극부 16A: 제2 전극부
16B: 제2 전극부 16C: 제2 전극부
17A: 제3 전극부 17B: 제3 전극부
17C: 제3 전극부 18A: 제4 전극부
18B: 제4 전극부 18C: 제4 전극부
20: 전지 셀

Claims (10)

  1. 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에, 병렬 접속된 복수의 보호 소자를 구비하는 보호 회로로서,
    상기 보호 소자가, 상기 통전 경로 상에 직렬 접속된 2개의 퓨즈 엘리먼트와, 통전에 의해 상기 퓨즈 엘리먼트를 용단(溶斷)하는 발열체를 갖고,
    상기 통전 경로에 과전류가 흐름으로써, 상기 복수의 보호 소자 각각에 설치된 상기 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 한쪽이 용단된 후, 나머지 통전 경로 상의 상기 복수의 보호 소자를 통해 흐르는 스니크 전류에 의해 상기 복수의 보호 소자 중 적어도 1개에 설치된 발열체가 발열하고, 상기 발열체의 파괴에 의해 상기 나머지 통전 경로가 차단되는, 보호 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열체의 저항 온도 계수가 500ppm/℃ 미만인, 보호 회로.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 보호 소자의 동작 전력의 하한값이, 상기 배터리의 전압과 상기 나머지 통전 경로 상의 상기 복수의 발열체의 합성 저항을 포함하는 저항에 의거하여 산출되는 전력보다 커지도록 설정되는, 보호 회로.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 배터리의 전압은, 당해 배터리의 전압 범위의 하한값이며,
    상기 복수의 발열체의 합성 저항은, 상기 발열체의 저항 공차의 하한값 및 상한값으로부터 산출되고,
    상기 보호 소자의 동작 전력의 하한값은, 상기 배터리의 충방전에 있어서의 전압 범위의 하한값, 그리고 상기 발열체의 저항 공차의 하한값 및 상한값으로부터 산출되는, 보호 회로.
  5. 청구항 4에 있어서,
    병렬 접속된 2개의 저항과, 1개의 저항이 직렬 접속된 등가 회로를 이용하여,
    상기 배터리의 충방전에 있어서의 전압 범위의 상기 하한값을, 상기 등가 회로의 양단에 인가되는 전압으로 하고,
    상기 발열체의 저항 공차의 하한값을, 상기 1개의 저항의 저항값, 및 상기 2개의 저항 중 한쪽의 저항값으로 하고,
    상기 발열체의 저항 공차의 상한값을, 상기 2개의 저항 중 다른 쪽의 저항값으로 하고,
    상기 등가 회로의 양단에 인가되는 전압과, 상기 2개의 저항과 상기 1개의 저항의 합성 저항에 의거하여 산출되는 전력을, 상기 보호 소자의 동작 전력의 하한값보다 작아지도록 설정하는, 보호 회로.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호 소자는,
    직렬 접속된 제1 퓨즈 엘리먼트 및 제2 퓨즈 엘리먼트와,
    상기 제1 퓨즈 엘리먼트의 상기 제2 퓨즈 엘리먼트와는 반대 측에 접속된 제1 전극부와,
    상기 제2 퓨즈 엘리먼트의 제1 퓨즈 엘리먼트와는 반대 측에 접속된 제2 전극부와,
    상기 제1 퓨즈 엘리먼트와 상기 제2 퓨즈 엘리먼트 사이에 접속되고, 또한 상기 발열체와 직렬 접속된 제3 전극부와,
    상기 발열체의 상기 제3 전극부와는 반대 측에 접속된 제4 전극부를 갖는, 보호 회로.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 퓨즈 엘리먼트가, 상기 배터리 측에 접속되고,
    상기 제2 퓨즈 엘리먼트가, 상기 외부 회로 측에 접속되며,
    상기 발열체는, 그 일단이 상기 제3 전극부를 통해 상기 제1 퓨즈 엘리먼트 및 상기 제2 퓨즈 엘리먼트에 접속되고, 다단이 상기 제4 전극부를 통해 상기 배터리에 접속되어 있는, 보호 회로.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 발열체와 상기 배터리 사이에 접속된 스위칭 소자를 추가로 갖는, 보호 회로.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 보호 회로가 탑재된, 배터리 팩.
  10. 배터리와 외부 회로의 통전 경로 상에, 병렬 접속된 복수의 보호 소자를 구비하는 보호 회로의 동작 방법으로서,
    상기 통전 경로에 과전류가 흐름으로써, 상기 복수의 보호 소자 각각에 설치된 2개의 퓨즈 엘리먼트 중 한쪽이 용단된 후, 나머지 통전 경로 상의 상기 복수의 보호 소자를 통해 흐르는 스니크 전류에 의해 상기 복수의 보호 소자 중 적어도 1개에 설치된 발열체가 발열하고, 상기 발열체의 파괴에 의해 상기 나머지 통전 경로가 차단되는, 보호 회로의 동작 방법.
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