KR20230002382A - 보호 회로 - Google Patents

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KR20230002382A
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KR1020227035083A
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요시히로 요네다
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데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
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Abstract

보호 회로 (1A) 는, 보호 소자 (10A), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10A) 는, 양단이 제 1 단자 (11) 와 제 2 단자 (12) 에 접속된 제 1 가용 도체 (15) 와, 제 3 단자 (13) 와 제 4 단자 (14) 사이의 제 1 통전 경로 (P1A) 에 설치된 발열체 (16) 를 갖는다. 보조 전원 (40) 은, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 전기적으로 독립적으로 형성되어 있다. 이 보호 회로 (1A) 에서는, 제 1 제어 디바이스 (50) 로부터의 신호에 의해 스위치 (60) 가 통전하도록 전환되고, 보호 소자 (10A) 의 발열체 (16) 가 발열하여 제 1 가용 도체 (15) 가 용단되어 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 외부 부극 단자 (30b) 사이를 차단한다.

Description

보호 회로
본 발명은, 보호 회로에 관한 것으로, 예를 들어, 이차 전지의 충방전 회로에 형성되는 보호 회로에 관한 것이다.
본원은, 2020년 5월 29일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2020-094274에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
리튬 이온 전지는, 노트북 컴퓨터 등의 모바일 기기의 전원으로서 널리 사용되고 있다. 리튬 이온 전지 등의 이차 전지의 보호 회로에는, 표면 실장형 히터가 부착된 퓨즈 (Self Control Protector, 이하 SCP 라고도 한다) 가 탑재되고, 과전압의 이상시에는 이차 전지 자체로부터 히터에 급전되어 발열하여, 퓨즈 엘리먼트를 용단한다.
예를 들어, 종래의 보호 회로로서, 도 13(a) 및 도 13(b) 에 나타내는 바와 같이, 통전 경로 상에 접속된 퓨즈 엘리먼트 (111, 111) 와, 퓨즈 엘리먼트 (111, 111) 에 접속되고, 퓨즈 엘리먼트 (111, 111) 를 가열에 의해 용단 가능한 히터 (112) 를 갖는 SCP (110) 와, 상기 통전 경로에 접속된 배터리 (120) 의 배터리 셀 (121, 121, ···) 의 이상을 검출하는 IC (130) 와, IC (130) 의 검출 결과에 기초하여, SCP (110) 의 히터 (112) 로의 통전을 실시하도록 동작하는 FET (140) 와, 배터리 (120) 전체의 이상을 검출하는 IC (150) 와, IC (150) 의 검출 결과에 기초하여, SCP (110) 의 히터 (112) 로의 통전을 실시하도록 동작하는 FET (160, 160) 를 구비하는 보호 회로 (100) 가 있다. 이 보호 회로 (100) 에서는, 각 배터리 셀의 이상이 검출된 경우, FET (140) 가 온이 되고, 배터리 (120) 로부터 SCP (110) 의 히터 (112) 에 급전되어 발열하여, 퓨즈 엘리먼트 (111) 가 용단된다.
또, 종래의 다른 보호 회로로서, 데이터 서버와 인터넷 회선 사이에 가용 도체 (퓨즈 엘리먼트) 를 배치하고, 상기 가용 도체와는 독립적으로 형성된 발열체와, 발열체 전용의 외부 전원을 구비한 보호 회로가 제안되어 있다 (특허문헌 1).
일본 공개특허공보 2015-46316호
그러나, 도 13(a) 와 같은 종래의 보호 회로를 동력 용도로서의 대용량 이차 전지의 충방전 회로에 탑재한 경우, 현격한 차이의 고전압, 대전류에 의해 히터가 파괴되어 버린다는 문제가 있다. 요즈음, 이차 전지로서의 리튬 이온 전지는, 모바일 기기 용도로부터 EV 나 축전지 등의 용도로 발전하고 있어, 대용량화가 진행되고 있다. 또, 리튬 이온 전지의 대용량화에 수반하여, 전압은 수백 볼트의 고전압 사양, 전류도 수백 암페어의 대전류 사양이 되고 있어, 이들의 요구에 대응할 수 있는 안전성이 높은 보호 회로가 요구되고 있다.
특허문헌 1 의 보호 회로에서는, 데이터 서버 등의 외부 회로의 종류에 상관없이, 발열체에 대해 가용 도체를 용단시키는 데 충분한 발열량을 얻는 전력을 공급할 수 있고, 외부 회로로서 미약한 전류를 흘리는 디지털 신호 회로에 적용할 수 있다고 되어 있다. 즉, 특허문헌 1 에서는 보호 회로를 신호 회로에 적용하여 해킹 등으로 인한 정보의 유출을 방지하는 구성이 개시되어 있는 정도이고, 보호 회로를 동력 용도로서의 이차 전지의 충방전 회로에 적용하는 것의 개시, 시사는 없다. 또, 회로 전압이 수십 볼트의 저전압 사양이면 상기 보호 회로를 적용할 수 있는 것으로도 생각되지만, 수백 볼트, 수백 암페어와 같은 대전압, 대전류 사양의 경우, 발열체의 내전압이나 가용 도체 차단 후의 절연성의 확보가 곤란하기 때문에, 대용량 이차 전지의 충방전 회로에 상기 보호 회로를 적용하는 것은 곤란하다.
본 발명의 목적은, 이차 전지의 충방전 회로를 확실하게 차단하여, 높은 안전성을 실현할 수 있는 보호 회로를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 수단을 제공한다.
[1] 제 1 단자와, 제 2 단자와, 양단이 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자에 접속된 제 1 가용 도체와, 제 3 단자와, 제 4 단자와, 상기 제 3 단자와 상기 제 4 단자 사이의 제 1 통전 경로에 설치된 발열체를 갖는 보호 소자와,
직렬로 접속된 복수의 이차 전지 셀과,
외부 정극 단자 및 외부 부극 단자와,
상기 복수의 이차 전지 셀과 전기적으로 독립적으로 형성된 보조 전원과,
상기 복수의 이차 전지 셀의 전압을 감시하고 이상을 검지하여 신호를 출력하는 제어 디바이스와,
상기 제어 디바이스의 신호를 받아 통전을 전환하는 스위치를 구비하고,
상기 제어 디바이스는 상기 복수의 이차 전지 셀과 접속되고,
상기 보호 소자의 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는, 상기 복수의 이차 전지 셀의 정극단과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀의 부극단과 상기 외부 부극 단자 사이의 제 2 통전 경로에 설치되고,
상기 보호 소자의 상기 제 3 단자 및 상기 제 4 단자는, 상기 보조 전원 및 상기 스위치와 직렬로 또한 루프상으로 접속되고,
상기 제어 디바이스로부터의 상기 신호에 의해 상기 스위치가 통전하도록 전환되고, 상기 보호 소자의 상기 발열체가 발열하여 상기 제 1 가용 도체가 용단되어 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 부극 단자 사이를 차단하는 보호 회로.
[2] 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이 혹은 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 4 단자 사이에, 제 2 가용 도체를 갖는, 상기 [1] 에 기재된 보호 회로.
[3] 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이에 제 2 가용 도체를 갖고, 상기 발열체와 상기 제 4 단자 사이에 제 3 가용 도체를 갖는, 상기 [1] 에 기재된 보호 회로.
[4] 제 1 단자와, 제 2 단자와, 양단이 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자에 접속된 제 1 가용 도체와, 제 3 단자와, 제 4 단자와, 상기 제 3 단자와 상기 제 4 단자 사이의 제 1 통전 경로에 설치된 발열체를 갖는 보호 소자와,
직렬로 접속된 복수의 이차 전지 셀과,
외부 정극 단자 및 외부 부극 단자와,
보조 전원과,
상기 복수의 이차 전지 셀의 전압을 감시하고 이상을 검지하여 신호를 출력하는 제어 디바이스와,
상기 제어 디바이스의 신호를 받아 통전을 전환하는 스위치를 구비하고,
상기 제어 디바이스는 상기 복수의 이차 전지 셀과 접속되고,
상기 보호 소자의 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는, 상기 복수의 이차 전지 셀의 정극단과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀의 부극단과 상기 외부 부극 단자 사이의 제 2 통전 경로에 설치되고,
상기 보호 소자의 상기 제 3 단자 및 상기 제 4 단자는, 상기 보조 전원 및 상기 스위치와 직렬로 또한 루프상으로 접속되고,
상기 보호 소자의 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자가 접속된 상기 제 2 통전 경로와, 상기 제 3 단자로부터 상기 보조 전원 및 상기 스위치를 통하여 상기 제 4 단자에 연결되는 제 3 통전 경로가 접속되고,
상기 제어 디바이스로부터의 상기 신호에 의해 상기 스위치가 통전하도록 전환되고, 상기 보호 소자의 상기 발열체가 발열하여 상기 제 1 가용 도체가 용단되어 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 부극 단자 사이를 차단하는 보호 회로.
[5] 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이 혹은 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 4 단자 사이에, 제 2 가용 도체를 갖는, 상기 [4] 에 기재된 보호 회로.
[6] 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이에 제 2 가용 도체를 갖고, 상기 발열체와 상기 제 4 단자 사이에 제 3 가용 도체를 갖는, 상기 [4] 에 기재된 보호 회로.
[7] 제 1 단자와, 제 2 단자와, 양단이 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자에 접속된 제 1 가용 도체와, 제 3 단자와, 상기 제 3 단자와 상기 제 1 단자 혹은 상기 제 2 단자 사이의 제 1 통전 경로에 설치된 발열체를 갖는 보호 소자와,
직렬로 접속된 복수의 이차 전지 셀과,
외부 정극 단자 및 외부 부극 단자와,
보조 전원과,
상기 복수의 이차 전지 셀의 전압을 감시하고 이상을 검지하여 신호를 출력하는 제어 디바이스와,
상기 제어 디바이스의 신호를 받아 통전을 전환하는 스위치를 구비하고,
상기 제어 디바이스는 상기 복수의 이차 전지 셀과 접속되고,
상기 보호 소자의 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자는, 상기 복수의 이차 전지 셀의 정극단과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀의 부극단과 상기 외부 부극 단자 사이의 제 2 통전 경로에 설치되고,
상기 보호 소자의 상기 제 3 단자는, 상기 보조 전원과 상기 스위치를 경유하여, 상기 보호 소자의 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자가 접속된 상기 제 2 통전 경로에 접속되고,
상기 제어 디바이스로부터의 상기 신호에 의해 상기 스위치가 통전하도록 전환되고, 상기 보호 소자의 상기 발열체가 발열하여 상기 제 1 가용 도체가 용단되어 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 부극 단자 사이를 차단하는 보호 회로.
[8] 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이에 제 2 가용 도체를 갖는, 상기 [7] 에 기재된 보호 회로.
[9] 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이에 제 2 가용 도체를 갖고, 상기 발열체와 상기 제 1 단자 혹은 상기 제 2 단자 사이에 제 3 가용 도체를 갖는, 상기 [7] 에 기재된 보호 회로.
[10] 상기 보호 소자의 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자가 접속된 상기 제 2 통전 경로의 극과 상기 보조 전원의 상기 제 3 단자에 연결되는 측의 극과 반대의 극이 동극으로 접속되어 있는, 상기 [4] ∼ [9] 중 어느 하나에 기재된 보호 회로.
[11] 상기 제 1 가용 도체는, 저융점 금속층과 고융점 금속층을 포함하는 적층체인, 상기 [4] ∼ [10] 중 어느 하나에 기재된 보호 회로.
[12] 상기 저융점 금속층은, Sn 혹은 Sn 을 주성분으로 하는 합금으로 구성 되고, 상기 고융점 금속층은, Ag 혹은 Cu, 또는 Ag 혹은 Cu 를 주성분으로 하는 합금으로 구성되는, 상기 [11] 에 기재된 보호 회로.
본 발명에 의하면, 이차 전지의 충방전 회로를 확실하게 차단하여, 높은 안전성을 실현할 수 있다.
도 1(a) 는, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 회로도이고, 도 1(b) 는, 보호 소자의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2(a) 및 도 2(b) 는, 도 1(b) 의 보호 소자의 구조예를 나타내는 단면도이다.
도 3(a) 및 도 3(b) 는, 도 1(a) 의 보호 회로 및 도 1(b) 의 보호 소자의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 4(a) 및 도 4(b) 는, 도 1(a) 의 보호 회로 및 도 1(b) 의 보호 소자의 다른 변형예를 나타내는 도면이다.
도 5(a) 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 회로도이고, 도 5(b) 는, 보호 소자의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6(a) 및 도 6(b) 는, 도 5(a) 의 보호 회로 및 도 5(b) 의 보호 소자의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 7(a) 및 도 7(b) 는, 도 5(a) 의 보호 회로 및 도 5(b) 의 보호 소자의 다른 변형예를 나타내는 도면이다.
도 8(a) 는, 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 회로도이고, 도 8(b) 는, 보호 소자의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9(a) 및 도 9(b) 는, 도 8(a) 의 보호 회로 및 도 8(b) 의 보호 소자의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 10(a) 및 도 10(b) 는, 도 8(a) 의 보호 회로 및 도 8(b) 의 보호 소자의 다른 변형예를 나타내는 도면이다.
도 11 은, 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 12 는, 도 8 (a) 의 보호 회로의 다른 변형예를 나타내는 도면이다.
도 13(a) 및 도 13(b) 는, 종래의 보호 회로 및 종래의 보호 소자의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용하는 도면은, 특징을 알기 쉽게 하기 위해서 편의상 특징이 되는 부분을 확대하여 나타내고 있는 경우가 있으며, 각 구성 요소의 치수 비율 등은 실제와는 상이한 경우가 있다. 이하의 설명에 있어서 예시되는 재료, 치수 등은 일례로서, 본 발명은 그것들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위에서 적절히 변경하여 실시하는 것이 가능하다.
도 1(a) 는, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 1(a) 에 나타내는 바와 같이, 보호 회로 (1A) 는, 보호 소자 (10A), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) (제어 디바이스) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 은 직렬로 접속되어 있고, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 정극단 (20a) 이 후술하는 외부 정극 단자에 접속되고, 부극단 (20b) 이 후술하는 외부 부극 단자에 접속되어 있다. 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 은, 이차 전지이고, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지 등을 들 수 있다. 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 전체 전압은, 축전지 용도의 경우에는 적어도 100 V 이상이고, EV 용도가 되면 예를 들어 350 V 이상 800 V 이하이다. 보호 회로 (1A) 는, 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b) 를 갖고 있고, 이들 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b) 를 통하여 외부의 충전 장치에 접속되어 있다.
보호 소자 (10A) 는, 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 제 1 단자 (11) 와, 제 2 단자 (12) 와, 양단이 제 1 단자 (11) 와 제 2 단자 (12) 에 접속된 제 1 가용 도체 (15) 와, 제 3 단자 (13) 와, 제 4 단자 (14) 와, 제 3 단자 (13) 와 제 4 단자 (14) 사이의 제 1 통전 경로 (P1A) 에 설치된 발열체 (16) 를 갖는다. 본 실시형태에서는, 보호 소자 (10A) 의 제 1 단자 (11) 및 제 2 단자 (12) 는, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 부극단 (20b) 과 외부 부극 단자 (30b) 사이의 제 2 통전 경로 (P2A) 에 설치되어 있다. 또, 보호 소자 (10A) 의 제 3 단자 (13) 및 제 4 단자 (14) 는, 보조 전원 (40) 및 스위치 (60) 와 직렬로 또한 루프상으로 접속되어 있다.
제 1 가용 도체 (15) 는, 예를 들어, 도시 생략된 케이스체 내에 수용된 퓨즈 엘리먼트로 구성되어 있다. 퓨즈 엘리먼트는, 예를 들어 박편상 혹은 봉상이다. 제 1 가용 도체 (15) 의 일단 (15a) 은 제 1 단자 (11) 에, 타단 (15b) 은 제 2 단자 (12) 에 각각 접속되어 있다.
제 1 가용 도체 (15) 는, 저융점 금속층과, 그 저융점 금속보다 융점이 높은 고융점 금속으로 구성된 고융점 금속층을 포함하는 적층체인 것이 바람직하다. 또, 제 1 가용 도체 (15) 는, 내층으로서의 저융점 금속층과, 상기 내층으로서의 저융점 금속층을 피복하는 외층으로서의 고융점 금속층으로 구성되는 피복 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다. 예를 들어, 제 1 가용 도체 (15) 는, 내층과, 이를 사이에 두는 외층이 두께 방향으로 적층된 3 층 구조의 적층체로서, 내층과 외층이 연화 온도가 상이한 재료로 이루어지는 것이어도 된다. 이와 같은 제 1 가용 도체 (15) 에서는, 적층체의 내층과 외층 중, 연화 온도가 낮은 재료의 층에 있어서 고상과 액상의 혼재 상태가 먼저 시작되어, 연화 온도가 높은 재료의 층이 연화 온도에 도달하기 전에 절단될 수 있다.
상기 저융점 금속층은, 예를 들어 Sn 혹은 Sn 을 주성분으로 하는 합금으로 구성된다. Sn 의 융점은 232 ℃ 이기 때문에, Sn 을 주성분으로 하는 금속은 저융점이고, 저온에서 부드러워진다. 예를 들어, Sn/Ag 3 ％/Cu 0.5 ％ 합금의 고상선은 217 ℃ 이다. 또, 상기 저융점 금속층을 구성하는 재료로서, 종래부터 퓨즈 재료로서 사용되고 있는 각종 저융점 금속을 사용할 수 있다. 저융점 금속으로는, SnSb 합금, BiSnPb 합금, BiPbSn 합금, BiPb 합금, BiSn 합금, SnPb 합금, SnAg 합금, SnAgCu 합금, PbIn 합금, ZnAl 합금, InSn 합금, PbAgSn 합금 등을 들 수 있다.
상기 고융점 금속층을 구성하는 재료는, 예를 들어 Ag 혹은 Cu, 또는 Ag 혹은 Cu 를 주성분으로 하는 합금으로 구성된다. Ag 의 융점은 962 ℃, 구리의 융점은 1085 ℃ 이기 때문에, Ag 혹은 Cu 를 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 층은, 저융점 금속으로 이루어지는 층이 부드러워지는 온도에서는 강성이 유지된다.
발열체 (16) 는, 판상 부재이고, 예를 들어 절연 기판과, 그 절연 기판 상에 형성된 발열부를 갖는다. 발열체 (16) 는, 예를 들어 제 1 가용 도체 (15) 와 맞닿아 배치되거나 혹은 제 1 가용 도체 (15) 의 바로 위에 배치된다. 이 경우, 발열체 (16) 는, 제 1 가용 도체 (15) 를 가열하여 연화시키는 기능과, 후술하는 가압 수단의 가압력을 제 1 가용 도체 (15) 에 부여하여 당해 제 1 가용 도체 (15) 를 절단하는 기능을 갖는 것이 바람직하다.
상기 절연 기판으로는, 공지된 절연성을 갖는 기판을 사용할 수 있고, 예를 들어, 알루미나, 유리 세라믹스, 멀라이트, 지르코니아 등으로 이루어지는 것을 들 수 있다.
상기 발열부는, 통전됨으로써 발열하는 도전성 재료로 이루어지는 저항체인 것이 바람직하다. 발열부의 재료로는, 예를 들어, 니크롬, W, Mo, Ru 등의 금속을 포함하는 재료를 들 수 있다. 이 발열부는, 예를 들어, 산화루테늄이나 카본 블랙 등의 도전 재료와, 물유리 등의 무기계 바인더나 열경화성 수지 등의 유기계 바인더로 이루어지는 저항 페이스트를 도포하고, 필요에 따라 소성함으로써 형성된다. 또, 발열부로는, 산화루테늄이나 카본 블랙 등의 박막을, 인쇄, 도금, 증착, 스퍼터의 공정을 거쳐 형성해도 되고, 이들 필름의 첩부나 적층 등에 의해 형성해도 된다.
도 2(a) 및 도 2(b) 는, 도 1(b) 의 보호 소자 (10A) 의 구조예를 나타내는 단면도이다. 도 2(a) 및 도 2(b) 의 보호 소자 (10A) 의 구조는 예시이고, 본 발명의 보호 소자의 구조는 이것에 한정되지 않는다.
도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (10A) 는, 일단 (2a) 및 타단 (2b) 사이에 절단부 (2c) 를 갖는 퓨즈 엘리먼트 (제 1 가용 도체) (2) 와, 발열체 (3a) 및 볼록상 부재 (3b) 를 갖는 가동 부재 (3) 와, 오목상 부재 (4) 와, 가압 수단 (5) 과, 케이스 (6) 를 구비하고 있다.
퓨즈 엘리먼트 (2) 의 일단 (2a) 은 제 1 단자 (6a) 에, 타단 (2b) 은 제 2 단자 (6b) 에, 납땜 등으로 각각 접속되어 있다. 발열체 (3a) 의 일단은 도시 생략된 제 3 단자에, 다단은 도시 생략된 제 4 단자에, 각각 접속되어 있다. 볼록상 부재 (3b) 는, 가압 수단 (5) 의 가압력을 퓨즈 엘리먼트 (2) 의 절단부 (2c) 에 부하하는 기능을 갖고 있고, 볼록상 부재 (3b) 의 볼록부 (3c) 가 발열체 (3a) 에 압접되어 있다. 오목상 부재 (4) 는, 가동 부재 (3) 에 대향하여 배치되어 있고, 가동 부재 (3) 와 협동하여 퓨즈 엘리먼트 (2) 의 절단부 (2a) 를 끼워 넣고 있다. 오목상 부재 (4) 의 오목부 (4a) 는, 발열체 (3a) 의 볼록부 (3c) 를 수용 가능하게 형성되어 있다. 가압 수단 (5) 은, 가동 부재 (3) 와 오목상 부재 (4) 가 절단부 (2c) 를 끼워 넣음과 함께, 절단부 (2a) 의 절단시에 이들의 상대적인 거리를 줄이도록, 가동 부재 (3) 에 힘을 가하는 것이다. 가압 수단 (5) 으로는, 예를 들어 스프링이 사용되고, Z 방향으로의 복원력을 유지한 상태에서 볼록상 부재 (3b) 와 케이스 (6) 사이에 수용된다.
이 보호 소자 (10A) 에서는, 가동 부재 (3) 의 발열체 (3a) 가 발열하면, 퓨즈 엘리먼트 (2) 의 연화 온도 이상의 온도에 있어서 퓨즈 엘리먼트 (2) 가 연화하고, 이에 수반하여 가압 수단 (5) 의 가압력에 의해 볼록상 부재 (3b) 의 볼록부 (3c) 가 오목상 부재 (4) 의 오목부 (4a) 내에 들어간다. 그 결과, 절단부 (2c) 가 일단 (2a) (또는 타단 (2b)) 과 분리되고, 퓨즈 엘리먼트 (2) 가 절단된다 (도 2(b)).
보조 전원 (40) 은, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 전기적으로 독립적으로 형성되어 있다. 이 보조 전원 (40) 은, 통전시에 제 1 가용 도체 (15) 를 용단 가능한 전력을 공급할 수 있는 구성이면 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 공지된 일차 전지나 이차 전지 등으로 구성된다. 이차 전지로는, 예를 들어 납 축전지, 리튬 이온 전지 등을 들 수 있다. 보조 전원의 전압은, 예를 들어 10 V 이상 56 V 이하이다.
제 1 제어 디바이스 (50) 는, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 접속되어 있고, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 하나 또는 복수의 전압을 감시하고, 이상을 검지하여 신호를 출력한다. 제 1 제어 디바이스 (50) 는, 예를 들어 IC 이고, 보호 소자 (10A) 의 제 2 통전 경로 (P2A) 에 접속된 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 각각의 전압을 검출하여, 그 전압에 기초하여 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 에 과충전 등의 이상이 발생하였는지의 여부를 판별한다. 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 에서 이상이 발생한 경우, 제 1 제어 디바이스 (50) 는, 보호 소자 (10A) 를 작동시킴으로써 통전 경로를 차단한다.
스위치 (60) 는, 제 1 제어 디바이스 (50) 의 신호를 받아 통전을 전환한다. 스위치 (60) 는, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터 (이하, FET 라고도 한다) 이다. FET 로는, 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 접합형 FET 나 MOS 형 FET 를 사용할 수 있다. 본 실시형태에서는, FET 의 게이트가 제 1 제어 디바이스 (50) 에 접속되고, 드레인이 발열체 (16) 에 접속되어 있다. 스위치 (60) 는, 제 1 제어 디바이스 (50) 로부터 출력되는 제어 신호에 의해 온 또는 오프 동작한다.
본 실시형태에서는, 보호 회로 (1A) 는, 제 2 제어 디바이스 (80) 및 스위치 (90, 90) 를 추가로 구비하고 있다. 제 2 제어 디바이스 (80) 는, 예를 들어 IC 이고, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 전체의 전압을 감시하고, 이상을 검지하여 신호를 출력한다. 스위치 (90, 90) 는, 제 2 제어 디바이스 (80) 의 신호를 받아 통전을 전환한다. 스위치 (90, 90) 는, 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 FET 이다. 보호 회로 (1A) 는, 제 2 제어 디바이스 (80) 및 스위치 (90, 90) 를 구비하고 있는 것이 바람직하지만, 이들을 구비하지 않아도 된다.
상기와 같이 구성되는 보호 회로 (1A) 에 있어서, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 충전시에는, 충전 장치로부터 외부 회로를 통하여 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 에 전력이 공급된다. 또, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 방전시에는, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 로부터 외부 회로에 전력이 공급된다. 외부 회로에는, 예를 들어 도시 생략된 모터나 컨버터 등의 부하가 접속된다.
이 보호 회로 (1A) 에서는, 제 1 제어 디바이스 (50) 로부터의 신호에 의해 스위치 (60) 가 통전하도록 전환되고, 보호 소자 (10) 의 발열체 (16) 가 발열하여 제 1 가용 도체 (15) 가 용단되어 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 외부 부극 단자 (30b) 사이를 차단한다. 구체적으로는, 제 1 제어 디바이스 (50) 는, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 각각의 전압을 검출하고, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 중 어느 것 또는 복수의 전압이 과방전 또는 과충전 상태를 나타내는 소정값으로부터 벗어난 것으로 판단하였을 때에, 스위치 (60) 에 제어 신호를 출력한다. 그리고 제 1 통전 경로 (P1A) 상의 스위치 (60) 가 온 동작함으로써, 보조 전원 (40) 으로부터 발열체 (16) 에 전력이 공급되어 발열체 (16) 가 발열한다. 이 발열체 (16) 의 열에 의해, 제 2 통전 경로 (P2A) 상의 제 1 가용 도체 (15) 가 용단되고, 이로써 보호 회로 (1A) 의 통전 경로가 차단된다.
상기 서술한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 제 1 가용 도체 (15) 를 경유하는 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 이 접속된 제 2 통전 경로 (P2A) 와, 발열체 (16) 와 보조 전원 (40) 을 접속하는 제 1 통전 경로 (P1A) 를 독립시킨 구성으로 함으로써, 제 1 통전 경로 (P1A) 에 있어서 발열체 (16) 의 사양을 적절히 선정할 수 있다. 따라서 제 2 통전 경로 (P2A) 에서 대전압, 대전류가 발생하는 경우여도, 제 1 통전 경로 (P1A) 에서 발열체 (16) 에 인가되는 전압을 내림으로써 내전압을 충분히 확보할 수 있고, 그 결과, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 충방전 회로를 확실하게 차단하여, 높은 안전성을 실현하는 것이 가능해진다. 특히, 전기 자동차 등의 차량의 사용시에 뜻하지 않은 사고나 천재지변 등이 발생한 경우여도, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 충방전 회로로 인한 감전을 방지하는 것이 가능해진다.
또, 보호 소자 (10A) 의 제 1 단자 (11) 및 제 2 단자 (12) 는, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 부극단 (20b) 과 외부 부극 단자 (30b) 사이의 제 2 통전 경로 (P2A) 에 설치되어 있고, 보호 소자 (10A) 의 제 3 단자 (13) 및 제 4 단자 (14) 는, 보조 전원 (40) 및 스위치 (60) 와 직렬로 또한 루프상으로 접속되어 있으므로, 보조 전원 (40) 의 전압만을 발열체 (16) 에 확실하게 인가할 수 있다. 이 때문에, 수백 볼트 (예를 들어, 350 V 이상) 의 대용량 리튬 이온 전지가 탑재된 전기 자동차 등의 동력용의 충방전 회로에 있어서, 안전성이 높은 보호 회로를 구축할 수 있다.
도 3(a) 는, 도 1(a) 의 보호 회로 (1A) 의 변형예를 나타내는 회로도이다. 도 3(a) 의 보호 회로 (1B) 는, 보호 소자 (10A) 대신에 보호 소자 (10B) 를 갖는 점에서 도 1(a) 의 보호 회로 (1A) 와 상이하다. 도 3(a) 의 보호 회로 (1B) 의 다른 구성은, 도 1(a) 의 보호 회로 (1A) 의 구성과 기본적으로 동일하며, 동일한 구성 요소에는, 동일 번호를 부여하여 그 설명을 생략하고, 주로 상이한 부분을 이하에 설명한다.
보호 회로 (1B) 는, 보호 소자 (10B), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10B) 는, 도 3(b) 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (10B) 의 발열체 (16) 와 제 4 단자 (14) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고 있다. 제 2 가용 도체 (17) 는, 제 1 가용 도체 (15) 와 동일하게 발열체 (16) 에서 발생하는 열에 의해 용단되는 구성이어도 되고, 제 1 통전 경로 (P1A) 에 흐르는 전류에 의해 자기 발열 (줄열) 에 의해 용단되는 구성이어도 된다. 또 본 변형예에서는, 보호 소자 (10B) 는, 보호 소자 (10B) 의 발열체 (16) 와 제 4 단자 (14) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 보호 소자 (10B) 의 발열체 (16) 와 제 3 단자 (13) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고 있어도 된다. 이와 같이 보호 소자 (10B) 의 제 1 통전 경로 (P1A) 에 제 2 가용 도체 (17) 를 형성함으로써, 제 2 통전 경로 (P2A) 의 차단에 더하여 제 1 통전 경로 (P1A) 를 차단할 수 있어, 보다 안전성이 높은 보호 회로를 구축할 수 있다.
도 4(a) 는, 도 1(a) 의 보호 회로 (1A) 의 다른 변형예를 나타내는 회로도이다. 도 4(a) 의 보호 회로 (1C) 는, 보호 소자 (10A) 대신에 보호 소자 (10C) 를 갖는 점에서 도 1 의 보호 회로 (1A) 와 상이하다. 도 4(a) 의 보호 회로 (1C) 의 다른 구성은, 도 1(a) 의 보호 회로 (1A) 의 구성과 기본적으로 동일하며, 동일한 구성 요소에는, 동일 번호를 부여하여 그 설명을 생략하고, 주로 상이한 부분을 이하에 설명한다.
도 4(a) 에 나타내는 바와 같이, 보호 회로 (1C) 는, 보호 소자 (10C), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10C) 는, 도 4(b) 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (10B) 의 발열체 (16) 와 제 3 단자 (13) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고, 발열체 (16) 와 제 4 단자 (14) 사이에 제 3 가용 도체 (18) 를 갖고 있다. 제 2 가용 도체 (17) 는, 제 1 가용 도체 (15) 와 동일하게 발열체 (16) 에서 발생하는 열에 의해 용단되는 구성이어도 되고, 제 1 통전 경로 (P1A) 에 흐르는 전류에 의해 자기 발열 (줄열) 에 의해 용단되는 구성이어도 된다. 제 3 가용 도체 (18) 는, 제 1 가용 도체 (15) 와 동일하게 발열체 (16) 에서 발생하는 열에 의해 용단되는 구성이어도 되고, 통전 경로 (P1A) 에 흐르는 전류에 의해 자기 발열 (줄열) 에 의해 용단되는 구성이어도 된다. 또, 도시 생략된 가압 수단의 가압력을 발열체 (16) 에 부여하여 당해 제 2 가용 도체 (17) 와 제 3 가용 도체 (18) 를 절단해도 된다. 이와 같이 보호 소자 (10C) 의 통전 경로 (P1A) 에 제 2 가용 도체 (17) 및 제 3 가용 도체 (18) 를 형성함으로써, 제 2 통전 경로 (P2A) 의 차단에 더하여 제 1 통전 경로 (P1A) 를 확실하게 차단할 수 있어, 더욱 안전성이 높은 보호 회로를 구축할 수 있다.
도 5(a) 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 회로도이고, 도 5(b) 는, 보호 소자의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 5(a) 의 보호 회로 (1D) 의 구성은, 보조 전원 (40) 이 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 전기적으로 접속되어 있는 점에서 보호 회로 (1A) 의 구성과 상이하다. 도 5(a) 의 보호 회로 (1D) 의 다른 구성은, 도 1(a) 의 보호 회로 (1A) 의 구성과 기본적으로 동일하며, 동일한 구성 요소에는, 동일 번호를 부여하여 그 설명을 생략하고, 주로 상이한 부분을 이하에 설명한다.
도 5(a) 에 나타내는 바와 같이, 보호 회로 (1D) 는, 보호 소자 (10A), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10A) 의 발열체 (16) 는, 제 3 단자 (13) 와 제 4 단자 (14) 사이의 제 1 통전 경로 (P1B) 에 설치되어 있다.
본 실시형태에서는, 보조 전원 (40) 의 정극단 (40a) 이 스위치 (60) 에 접속되고, 부극단 (40b) 이 외부 부극 단자 (30b) 에 접속되어 있다. 이 보조 전원 (40) 의 부극단 (40b) 은, 보호 소자 (10A) 의 제 1 가용 도체 (15) 를 통하여 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 부극단 (20b) 과 접속되어 있다. 그리고, 보호 소자 (10A) 의 제 1 단자 (11) 와 제 2 단자 (12) 가 접속된 제 2 통전 경로 (P2B) 와, 제 3 단자 (13) 로부터 보조 전원 (40) 및 스위치 (60) 를 통하여 제 4 단자 (14) 에 연결되는 제 3 통전 경로 (P3B) 가 접속되어 있다.
이 보호 회로 (1D) 에서도, 보호 회로 (1A) 와 동일하게, 제 1 제어 디바이스 (50) 로부터의 신호에 의해 스위치 (60) 가 통전하도록 전환되고, 보호 소자 (10A) 의 발열체 (16) 가 발열하여 제 1 가용 도체 (15) 가 용단되어 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 외부 부극 단자 (30b) 사이를 차단한다.
본 실시형태에 의하면, 제 2 통전 경로 (P2B) 에서 대전압, 대전류가 발생하는 경우여도, 제 1 통전 경로 (P1B) 에서 발열체 (16) 에 인가되는 전압을 내림으로써 내전압을 충분히 확보할 수 있고, 그 결과, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 충방전 회로를 확실하게 차단하여, 높은 안전성을 실현하는 것이 가능해진다. 또, 보호 소자 (10A) 의 회로 배치를 GND 측으로 함으로써, 발열체 (16) 와 제 1 가용 도체 (15) 사이의 전압을 보조 전원 (40) 의 전압만으로 할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차의 충방전 회로에 보호 회로 (1D) 를 적용하는 경우, 동력용의 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과는 별개로 차량에 탑재된 배터리 (예를 들어, 48 V) 를 보조 전원 (40) 으로서 이용함으로써, 안전성을 향상시키면서 범용성이 높은 보호 회로를 구축할 수 있고, 또한, 보호 회로의 공간 절약화나 차량의 중량 증대의 억제를 도모할 수 있다.
도 6(a) 및 도 6(b) 는, 도 5(a) 의 보호 회로 (1D) 및 도 5(b) 의 보호 소자의 변형예를 나타내는 도면이다. 도 6(a) 의 보호 회로 (1E) 는, 보호 소자 (10A) 대신에 보호 소자 (10B) 를 갖는 점에서 도 5(a) 의 보호 회로 (1D) 와 상이하다.
보호 회로 (1E) 는, 보호 소자 (10B), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10B) 는, 도 6(b) 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (10B) 의 발열체 (16) 와 제 4 단자 (14) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고 있다. 본 변형예에서는, 보호 소자 (10B) 는, 보호 소자 (10B) 의 발열체 (16) 와 제 4 단자 (14) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고 있지만, 이에 한정되지 않고, 보호 소자 (10B) 의 발열체 (16) 와 제 3 단자 (13) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고 있어도 된다. 이와 같이 보호 소자 (10B) 의 제 1 통전 경로 (P1B) 에 제 2 가용 도체 (17) 를 형성함으로써, 제 2 통전 경로 (P2B) 의 차단에 더하여 제 1 통전 경로 (P1B) 를 차단할 수 있고, 보다 안전성이 높은 보호 회로를 구축할 수 있다.
도 7(a) 및 도 7(b) 는, 도 5(a) 의 보호 회로 (1D) 및 도 5(b) 의 보호 소자 (10A) 의 다른 변형예를 나타내는 도면이다. 도 7(a) 의 보호 회로 (1F) 는, 보호 소자 (10A) 대신에 보호 소자 (10C) 를 갖는 점에서 도 5 의 보호 회로 (1D) 와 상이하다.
도 7(a) 에 나타내는 바와 같이, 보호 회로 (1F) 는, 보호 소자 (10C), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10C) 는, 도 6(b) 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (10B) 의 발열체 (16) 와 제 3 단자 (13) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고, 발열체 (16) 와 제 4 단자 (14) 사이에 제 3 가용 도체 (18) 를 갖고 있다. 이와 같이 보호 소자 (10C) 의 통전 경로 (P1B) 에 제 2 가용 도체 (17) 및 제 3 가용 도체 (18) 를 형성함으로써, 제 2 통전 경로 (P2B) 의 차단에 더하여 제 1 통전 경로 (P1B) 를 확실하게 차단할 수 있어, 더욱 안전성이 높은 보호 회로를 구축할 수 있다.
도 8(a) 는, 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 회로도이고, 도 8(b) 는, 보호 소자의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 8(a) 의 보호 회로 (1G) 의 구성은, 보호 소자 (10D) 의 제 3 단자 (13) 가 보호 소자 (10D) 내에서 제 2 단자 (12) 에 접속되어 있는 점에서 보호 회로 (1D) 의 구성과 상이하다. 도 8(a) 의 보호 회로 (1G) 의 다른 구성은, 도 5(a) 의 보호 회로 (1D) 의 구성과 기본적으로 동일하며, 동일한 구성 요소에는, 동일 번호를 부여하여 그 설명을 생략하고, 주로 상이한 부분을 이하에 설명한다.
도 8(a) 에 나타내는 바와 같이, 보호 회로 (1G) 는, 보호 소자 (10D), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10D) 는, 제 1 단자 (11) 와, 제 2 단자 (12) 와, 양단이 제 1 단자 (11) 와 제 2 단자 (12) 에 접속된 제 1 가용 도체 (15) 와, 제 3 단자 (13) 와, 제 3 단자 (13) 와 제 2 단자 (12) 사이의 제 1 통전 경로 (P1C) 에 설치된 발열체 (16) 를 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 발열체 (16) 는, 제 3 단자 (13) 와 제 2 단자 (12) 사이의 제 1 통전 경로 (P1C) 에 설치되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 제 3 단자 (13) 와 제 1 단자 (11) 사이의 제 1 통전 경로에 설치되어도 된다.
본 실시형태에서는, 보조 전원 (40) 의 정극단 (40a) 이 스위치 (60) 에 접속되고, 부극단 (40b) 이 외부 부극 단자 (30b) 에 접속되어 있다. 이 보조 전원 (40) 의 부극단 (40b) 은, 보호 소자 (10D) 의 제 1 가용 도체 (15) 를 통하여 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 부극단 (20b) 과 접속되어 있다. 그리고, 보호 소자 (10D) 의 제 3 단자 (13) 는, 보조 전원 (40) 과 스위치 (60) 를 경유하여, 보호 소자 (10D) 의 제 1 단자 (11) 와 제 2 단자 (12) 가 접속된 제 2 통전 경로 (P2C) 에 접속되어 있다. 또, 보호 소자 (10D) 의 제 1 단자 (11) 와 제 2 단자 (12) 가 접속된 제 2 통전 경로 (P2C) 의 극과 보조 전원 (40) 의 제 3 단자 (13) 에 연결되는 측의 극과 반대의 극이 동극으로 접속되어 있어도 된다.
이 보호 회로 (1G) 에서도, 보호 회로 (1D) 와 동일하게, 제 1 제어 디바이스 (50) 로부터의 신호에 의해 스위치 (60) 가 통전하도록 전환되고, 보호 소자 (10D) 의 발열체 (16) 가 발열하여 제 1 가용 도체 (15) 가 용단되어 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 외부 부극 단자 (30b) 사이를 차단한다.
본 실시형태에 의하면, 제 2 통전 경로 (P2C) 에서 대전압, 대전류가 발생하는 경우여도, 제 1 통전 경로 (P1C) 에서 발열체 (16) 에 인가되는 전압을 내림으로써 내전압을 충분히 확보할 수 있고, 그 결과, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 충방전 회로를 확실하게 차단하여, 높은 안전성을 실현하는 것이 가능해진다. 또, 도 5(a) 의 보호 회로 (1D) 와 동일하게, 보호 소자 (10D) 의 회로 배치를 GND 측으로 함으로써, 발열체 (16) 와 제 1 가용 도체 (15) 사이의 전압을 보조 전원 (40) 의 전압만으로 할 수 있으므로, 안전성을 향상시키면서 범용성이 높은 보호 회로를 구축할 수 있고, 또한, 보호 회로의 공간 절약화나 차량의 중량 증대의 억제를 도모할 수 있다. 또한, 보호 소자 (10D) 가 제 4 단자 (14) 를 갖지 않는 구성이므로, 보호 소자 (10D) 의 구성을 간략화하고, 나아가서는 보호 회로 (1G) 의 구성의 간략화, 경량화를 도모할 수 있다.
도 9(a) 및 도 9(b) 는, 도 8(a) 의 보호 회로 (1G) 및 도 8(b) 의 보호 소자 (10D) 의 변형예를 나타내는 도면이다. 도 9(a) 의 보호 회로 (1H) 는, 보호 소자 (10D) 대신에 보호 소자 (10E) 를 갖는 점에서 도 8(a) 의 보호 회로 (1G) 와 상이하다.
보호 회로 (1H) 는, 보호 소자 (10E), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10E) 는, 도 9(b) 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (10E) 의 발열체 (16) 와 제 3 단자 (13) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고 있다. 본 변형예에서는, 보호 소자 (10E) 는, 보호 소자 (10B) 의 발열체 (16) 와 제 3 단자 (13) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고 있지만, 이에 한정되지 않고, 보호 소자 (10E) 의 발열체 (16) 와 제 2 단자 (12) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고 있어도 된다. 이와 같이 보호 소자 (10E) 의 제 1 통전 경로 (P1C) 에 제 2 가용 도체 (17) 를 형성함으로써, 제 2 통전 경로 (P2C) 의 차단에 더하여 제 1 통전 경로 (P1C) 를 차단할 수 있어, 보다 안전성이 높은 보호 회로를 구축할 수 있다.
도 10(a) 및 도 10(b) 는, 도 8(a) 의 보호 회로 (1G) 및 도 8(b) 의 보호 소자 (10D) 의 다른 변형예를 나타내는 도면이다. 도 10(a) 의 보호 회로 (1J) 는, 보호 소자 (10D) 대신에 보호 소자 (10F) 를 갖는 점에서 도 8 의 보호 회로 (1G) 와 상이하다.
도 10(a) 에 나타내는 바와 같이, 보호 회로 (1J) 는, 보호 소자 (10F), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10F) 는, 도 10(b) 에 나타내는 바와 같이, 보호 소자 (10F) 의 발열체 (16) 와 제 3 단자 (13) 사이에 제 2 가용 도체 (17) 를 갖고, 발열체 (16) 와 제 2 단자 (12) 사이에 제 3 가용 도체 (18) 를 갖고 있다. 이와 같이 보호 소자 (10F) 의 통전 경로 (P1C) 에 제 2 가용 도체 (17) 및 제 3 가용 도체 (18) 를 형성함으로써, 제 2 통전 경로 (P2C) 의 차단에 더하여 제 1 통전 경로 (P1C) 를 확실하게 차단할 수 있어, 더욱 안전성이 높은 보호 회로를 구축할 수 있다.
도 11 은, 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 보호 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 회로도이다. 도 11 의 보호 회로 (1K) 의 구성은, 보호 소자 (10D) 가, 외부 정극 단자 (30a) 와 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 사이에 설치되어 있는 점에서 보호 회로 (1D) 의 구성과 상이하다. 도 11 의 보호 회로 (1K) 의 다른 구성은, 도 8(a) 의 보호 회로 (1G) 의 구성과 기본적으로 동일하며, 동일한 구성 요소에는, 동일 번호를 부여하여 그 설명을 생략하고, 주로 상이한 부분을 이하에 설명한다.
도 11 에 나타내는 바와 같이, 보호 회로 (1K) 는, 보호 소자 (10D), 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···), 외부 정극 단자 (30a) 및 외부 부극 단자 (30b), 보조 전원 (40), 제 1 제어 디바이스 (50) 및 스위치 (60) 를 구비한다. 보호 소자 (10D) 는, 제 1 단자 (11) 와, 제 2 단자 (12) 와, 양단이 제 1 단자 (11) 와 제 2 단자 (12) 에 접속된 제 1 가용 도체 (15) 와, 제 3 단자 (13) 와, 제 3 단자 (13) 와 제 1 단자 (11) 사이의 제 1 통전 경로 (P1D) 에 설치된 발열체 (16) 를 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 발열체 (16) 는, 제 3 단자 (13) 와 제 1 단자 (11) 사이의 제 1 통전 경로 (P1C) 에 설치되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 제 3 단자 (13) 와 제 2 단자 (12) 사이의 제 1 통전 경로에 설치되어도 된다.
본 실시형태에서는, 보조 전원 (40) 의 정극단 (40a) 이 외부 정극 단자 (30a) 에 접속되고, 부극단 (40b) 이 스위치 (60) 에 접속되어 있다. 또, 보조 전원 (40) 의 정극단 (40a) 은, 보호 소자 (10D) 의 제 1 가용 도체 (15) 를 통하여 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 정극단 (20a) 과 접속되어 있다. 그리고, 보호 소자 (10D) 의 제 3 단자 (13) 는, 보조 전원 (40) 과 스위치 (60) 를 경유하여, 보호 소자 (10D) 의 제 1 단자 (11) 와 제 2 단자 (12) 가 접속된 제 2 통전 경로 (P2D) 에 접속되어 있다. 또, 보호 소자 (10D) 의 제 1 단자 (11) 와 제 2 단자 (12) 가 접속된 제 2 통전 경로 (P2D) 의 극과 보조 전원 (40) 의 제 3 단자 (13) 에 연결되는 측의 극과 반대의 극이 동극으로 접속되어 있어도 된다.
이 보호 회로 (1K) 에서도, 보호 회로 (1G) 와 동일하게, 제 1 제어 디바이스 (50) 로부터의 신호에 의해 스위치 (60) 가 통전하도록 전환되고, 보호 소자 (10D) 의 발열체 (16) 가 발열하여 제 1 가용 도체 (15) 가 용단되어 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 외부 정극 단자 (30a) 사이를 차단한다. 따라서, 제 2 통전 경로 (P2D) 에서 대전압, 대전류가 발생하는 경우여도, 제 1 통전 경로 (P1D) 에서 발열체 (16) 에 인가되는 전압을 내림으로써 내전압을 충분히 확보할 수 있어, 높은 안전성을 실현하는 것이 가능해진다.
도 12 는, 도 8(a) 의 보호 회로 (1G) 의 다른 변형예를 나타내는 도면이다. 도 12 의 보호 회로 (1L) 의 구성은, 도 8(a) 의 보호 회로 (1G) 의 구성과 기본적으로 동일하며, 동일한 구성 요소에는, 동일 번호를 부여하여 그 설명을 생략하고, 주로 상이한 부분을 이하에 설명한다.
도 12 에 나타내는 바와 같이, 제 1 제어 디바이스 (50) 는, 차량에 탑재된 ECU 등의 제어 장치 (91) 로부터 신호를 수신하고, 그 신호에 기초하여 스위치 (60) 에 신호를 출력해도 된다. 예를 들어, 제어 장치 (91) 는, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 전압의 이상과, 차량에서 발생한 다른 이상 중 어느 것 또는 쌍방을 검지한 경우에, 스위치 (60) 에 신호를 출력한다. 본 변형예에 의하면, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 의 전압의 이상뿐만 아니라, 차량에서 발생한 각종 이상을 검지하여, 복수의 이차 전지 셀 (20, 20, ···) 과 외부 부극 단자 (30b) 사이를 차단하므로, 차량 내의 제어 장치 (91) 와 제휴시킴으로써 보다 높은 안전성을 실현할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대해 상세히 서술하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 특허 청구범위 내에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 각종 변형·변경이 가능하다.
본 발명의 보호 회로는, 리튬 이온 전지 등의 각종 이차 전지의 충방전 회로에 적용할 수 있다. 특히, 전기 자동차 (EV) 등의 차량, 선박, 비행기 등, 이차 전지를 동력원으로 하는 이동체의 충방전 회로에 바람직하다.
1A : 보호 회로
1B : 보호 회로
1C : 보호 회로
1D : 보호 회로
1E : 보호 회로
1F : 보호 회로
1G : 보호 회로
1H : 보호 회로
1J : 보호 회로
1K : 보호 회로
1L : 보호 회로
2 : 퓨즈 엘리먼트
2a : 일단
2b : 타단
2c : 절단부
3a : 발열체
3b : 볼록상 부재
3c : 볼록부
3 : 가동 부재
4 : 오목상 부재
4a : 오목부
5 : 가압 수단
6 : 케이스
6a : 제 1 단자
6b : 제 2 단자
10 : 보호 소자
10A : 보호 소자
10B : 보호 소자
10C : 보호 소자
10D : 보호 소자
10E : 보호 소자
10F : 보호 소자
11 : 제 1 단자
12 : 제 2 단자
13 : 제 3 단자
14 : 제 4 단자
15 : 제 1 가용 도체
15a : 일단
15b : 다단
16 : 발열체
17 : 제 2 가용 도체
18 : 제 3 가용 도체
20 : 이차 전지 셀
20a : 정극단
20b : 부극단
30a : 외부 정극 단자
30b : 외부 부극 단자
40 : 보조 전원
40a : 정극단
40b : 부극단
50 : 제 1 제어 디바이스
60 : 스위치
80 : 제 2 제어 디바이스
90 : 스위치
91 : 제어 장치

Claims (12)

  1. 제 1 단자와, 제 2 단자와, 양단이 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자에 접속된 제 1 가용 도체와, 제 3 단자와, 제 4 단자와, 상기 제 3 단자와 상기 제 4 단자 사이의 제 1 통전 경로에 설치된 발열체를 갖는 보호 소자와,
    직렬로 접속된 복수의 이차 전지 셀과,
    외부 정극 단자 및 외부 부극 단자와,
    상기 복수의 이차 전지 셀과 전기적으로 독립적으로 형성된 보조 전원과,
    상기 복수의 이차 전지 셀의 전압을 감시하고 이상을 검지하여 신호를 출력하는 제어 디바이스와,
    상기 제어 디바이스의 신호를 받아 통전을 전환하는 스위치를 구비하고,
    상기 제어 디바이스는 상기 복수의 이차 전지 셀과 접속되고,
    상기 보호 소자의 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는, 상기 복수의 이차 전지 셀의 정극단과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀의 부극단과 상기 외부 부극 단자 사이의 제 2 통전 경로에 설치되고,
    상기 보호 소자의 상기 제 3 단자 및 상기 제 4 단자는, 상기 보조 전원 및 상기 스위치와 직렬로 또한 루프상으로 접속되고,
    상기 제어 디바이스로부터의 상기 신호에 의해 상기 스위치가 통전하도록 전환되고, 상기 보호 소자의 상기 발열체가 발열하여 상기 제 1 가용 도체가 용단되어 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 부극 단자 사이를 차단하는 보호 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이 혹은 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 4 단자 사이에, 제 2 가용 도체를 갖는, 보호 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이에 제 2 가용 도체를 갖고, 상기 발열체와 상기 제 4 단자 사이에 제 3 가용 도체를 갖는, 보호 회로.
  4. 제 1 단자와, 제 2 단자와, 양단이 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자에 접속된 제 1 가용 도체와, 제 3 단자와, 제 4 단자와, 상기 제 3 단자와 상기 제 4 단자 사이의 제 1 통전 경로에 설치된 발열체를 갖는 보호 소자와,
    직렬로 접속된 복수의 이차 전지 셀과,
    외부 정극 단자 및 외부 부극 단자와,
    보조 전원과,
    상기 복수의 이차 전지 셀의 전압을 감시하고 이상을 검지하여 신호를 출력하는 제어 디바이스와,
    상기 제어 디바이스의 신호를 받아 통전을 전환하는 스위치를 구비하고,
    상기 제어 디바이스는 상기 복수의 이차 전지 셀과 접속되고,
    상기 보호 소자의 상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자는, 상기 복수의 이차 전지 셀의 정극단과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀의 부극단과 상기 외부 부극 단자 사이의 제 2 통전 경로에 설치되고,
    상기 보호 소자의 상기 제 3 단자 및 상기 제 4 단자는, 상기 보조 전원 및 상기 스위치와 직렬로 또한 루프상으로 접속되고,
    상기 보호 소자의 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자가 접속된 상기 제 2 통전 경로와, 상기 제 3 단자로부터 상기 보조 전원 및 상기 스위치를 통하여 상기 제 4 단자에 연결되는 제 3 통전 경로가 접속되고,
    상기 제어 디바이스로부터의 상기 신호에 의해 상기 스위치가 통전하도록 전환되고, 상기 보호 소자의 상기 발열체가 발열하여 상기 제 1 가용 도체가 용단되어 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 부극 단자 사이를 차단하는 보호 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이 혹은 상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 4 단자 사이에, 제 2 가용 도체를 갖는, 보호 회로.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이에 제 2 가용 도체를 갖고, 상기 발열체와 상기 제 4 단자 사이에 제 3 가용 도체를 갖는, 보호 회로.
  7. 제 1 단자와, 제 2 단자와, 양단이 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자에 접속된 제 1 가용 도체와, 제 3 단자와, 상기 제 3 단자와 상기 제 1 단자 혹은 상기 제 2 단자 사이의 제 1 통전 경로에 설치된 발열체를 갖는 보호 소자와,
    직렬로 접속된 복수의 이차 전지 셀과,
    외부 정극 단자 및 외부 부극 단자와,
    보조 전원과,
    상기 복수의 이차 전지 셀의 전압을 감시하고 이상을 검지하여 신호를 출력하는 제어 디바이스와,
    상기 제어 디바이스의 신호를 받아 통전을 전환하는 스위치를 구비하고,
    상기 제어 디바이스는 상기 복수의 이차 전지 셀과 접속되고,
    상기 보호 소자의 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자는, 상기 복수의 이차 전지 셀의 정극단과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀의 부극단과 상기 외부 부극 단자 사이의 제 2 통전 경로에 설치되고,
    상기 보호 소자의 상기 제 3 단자는, 상기 보조 전원과 상기 스위치를 경유하여, 상기 보호 소자의 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자가 접속된 상기 제 2 통전 경로에 접속되고,
    상기 제어 디바이스로부터의 상기 신호에 의해 상기 스위치가 통전하도록 전환되고, 상기 보호 소자의 상기 발열체가 발열하여 상기 제 1 가용 도체가 용단되어 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 정극 단자 사이 혹은 상기 복수의 이차 전지 셀과 상기 외부 부극 단자 사이를 차단하는 보호 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이에 제 2 가용 도체를 갖는, 보호 회로.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 보호 소자의 상기 발열체와 상기 제 3 단자 사이에 제 2 가용 도체를 갖고, 상기 발열체와 상기 제 1 단자 혹은 상기 제 2 단자 사이에 제 3 가용 도체를 갖는, 보호 회로.
  10. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호 소자의 상기 제 1 단자와 상기 제 2 단자가 접속된 상기 제 2 통전 경로의 극과 상기 보조 전원의 상기 제 3 단자에 연결되는 측의 극과 반대의 극이 동극으로 접속되어 있는, 보호 회로.
  11. 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 가용 도체는, 저융점 금속층과 고융점 금속층을 포함하는 적층체인, 보호 회로.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 저융점 금속층은, Sn 혹은 Sn 을 주성분으로 하는 합금으로 구성되고, 상기 고융점 금속층은, Ag 혹은 Cu, 또는 Ag 혹은 Cu 를 주성분으로 하는 합금으로 구성되는, 보호 회로.
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