KR100728812B1 - 전지 보호 칩, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

전지 보호 칩, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전지 보호 칩, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로, 제 1 및 제 2 외부 전극 단자와, 제어 전압에 따라 동작하여 상기 제 1 외부 전극 단자와 상기 제 2 외부 전극 단자 간을 도통하는 스위치부와, 온도에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이의 전압을 분배하여 상기 제어전압을 생성하는 제어전압 생성부 및 상기 스위치부와 상기 제어전압 생성부를 패키징하는 몸체부를 포함하는 전지 보호 칩 및 이의 제조 방법을 제공하고, 전지 보호 칩을 포함하는 전지 팩을 제공한다. 이와 같이 온도를 감지할 수 있는 온도 센서와, 소정의 전압 변화에 따라 구동하는 스위칭 소자를 포함하는 간단한 제어 모듈을 원칩화하여 생산단가를 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 과충전을 방지하고, 과전류를 제어하고, 열적안정성을 확보할 수 있고, 다수의 전지 보호 회로 칩 간의 특성 편차를 일정 범위내로 조절할 수 있어 대량생산이 가능하고, 전지 보호 회로 칩의 오동작 및 불량발생을 방지할 수 있다.
전지, 배터리, 스위칭 소자, 전압 분배, 트랜지스터, NTC, PTC, 칩

Description

전지 보호 칩, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지팩{Chip for protecting battery and method of manufacturing the same and battery pack having the chip}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전지 팩의 개념도.
도 2는 제 1 실시예에 따른 전지 보호 칩의 개념도.
도 3 내지 도 5는 본 실시예에 따른 전지 보호 칩의 제조 공정도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전지 팩의 개념도.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전지 팩의 개념도.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 전지팩의 제 4 실시예를 설명하기 위한 개념도.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 전지팩의 제 5 실시예를 설명하기 위한 개념도.
도 10은 본 발명의 전지팩의 제 6 실시예를 설명하기 위한 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전지 본체 100 : 전지팩
200 : 전지 보호 칩 210, 220 : 외부 전극 단자
230 : 스위치부 240 : 제어전압 생성부
250 : 몸체부
본 발명은 전지 보호 칩, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지팩에 관한 것으로, 전지 보호를 위한 회로 소자를 원 칩화(One chip) 하여 회로 소자의 오작동 또는 불량을 방지할 수 있고, 전지의 모든 사용조건에서 과충전, 과전류를 보호할 수 있고, 열안정성을 확보할 수 있는 안정장치를 갖는 전지 보호 칩에 관한 것이다.
일반적으로 배터리는 양과 음의 전극판과 전해액으로 구성되어 있어, 화학작용에 의해 직류기전력을 발생시켜 전원으로 사용할 수 있는 장치를 지칭하는 것으로, 내부에 들어 있는 화학물질의 화학에너지를 전기 화학적 산화-환원반응에 의해 전기 에너지로 변환하는 장치이다.
이러한 전지는 사용한 후 재충전이 불가능한 1차 전지와 전압이 사용구간 이하로 떨어질 경우 재충전하여 다시 사용이 가능한 2차 전지로 나누어진다.
상술한 전지의 동작을 살펴보면, 전지의 음극은 보통 전자를 내어주고 자신은 산화되는 물질이 사용되고 양극은 전자를 받아 자신은 환원되는 물질이 사용된다. 전지가 외부 기기, 예를 들면, 전등, 전자기구와 연결되어 작동할 때, 즉 전지 의 방전 반응이 진행될 때, 두 전극은 각각 전기 화학적으로 다른 상태로의 변화를 일으킨다. 이때 전기적 회로는 음극과 양극 방향으로의 네커티브 이온과 포지티브 이온의 물질 이동에 의해 전해질 내부에서 완성된다.
1차 전지는 이와 반대 반응이 일어날 수 없어 충전이 불가능한 전지이며 2차 전지는 충전이 진행되어 전지 본래의 화학적 상태로 돌아 갈 수 있는 전지이다.
따라서, 2차 전지는 재사용이 가능하며 소형의 사이즈로 제작이 용이하며 무게 또한 경량으로 매우 많은 장점을 갖는 반면, 과충전될 경우 양극에서 산소 가스가 발생하고 음극에서는 리튬 금속이 석출되며 전해액이 가스로 분해될 수 있으며, 이 같은 반응이 지속될 경우 폭발 또는 화재의 위험이 크다. 특히 이러한 2차 전지로 사용되는 리튬전지(리튬 이온 전지와 리튬 폴리머 전지)를 이루는 불안정한 재료로 인해 외부의 기계적 충격, 열적 환경 변화, 전기적인 접속 등에 의해 전지 내부의 온도가 급속히 상승하여 전지의 팽창 및 폭발 등이 발생한다.
이에 이러한 위험을 방지하기 위해 대부분의 2차 전지에서 PCM(Protection Circuit Module)과 같은 보호회로가 사용된다.
PCM은 배터리에서 충전시 과전류 보호, 과충전 보호, 과방전 보호, 단락 보호의 기능을 수행한다. 이를 위해 PCM은 IC 또는 패키징된 FET 등의 능동소자와 저항, 커패시터와 같은 수동소자로 이루어져있다.
이러한 PCM에 관해서는 국내 등록특허공보 제10-301346호, 공개특허공보 제10-2004-13354호 및 등록특허공보 제10-422758호에 개시되어 있다. 등록특허공보 제10-301346호에서는 IC회로를 이용한 PCM을 통해 2차 전지를 보호하고 있지만, IC 회로의 단가가 비싸고 회로가 복잡해지는 문제가 내재되어 있다. 또한, 공개특허공보 제10-2004-13354호에서는 다수의 감지 센서와 방전부를 이용한 PCM을 통해 2차 전지를 보호하고 있다. 즉, 전압 센서 또는 온도 센서로부터 입력된 값을 제어부에서 판단하여 보호회로부 및 충전/방전부를 제어한다. 하지만, 전압센서, 온도센서들에 의해 그 단가가 비싸고, 센서의 값을 판단하여 방전부를 통해 과도 전류를 방전하여야 하기 때문에 그 회로가 매우 복잡해진다. 또한, 이를 실제로 구현할 경우는 전체 전지의 단가를 상승시키게 되는 요인이 된다.
또한, 등록 특허공보 제10-422758호에서는 NTC소자에 과전류 차단 소자 또는 PTC소자가 직렬로 접속된 온도 감지 장치를 통해 NTC소자에 과전류가 흘러드는 것을 차단하여 NTC소자의 소실을 방지하고 있다. 이는 NTC소자가 접속된 온도 감지 단자와 핫측단자와의 접속시 NTC소자를 보호하기 위함을 그 목적으로 할 뿐, 온도 감지 장치를 직접 이용하여 2차 전지를 제어할 수 없다. 따라서, NTC의 변화를 검출하고, 이에 따라 2차 전지를 보호하기 위해서는 별도의 FET와 조절기 IC가 필수적이다. 하지만, 앞서 언급하였듯이 외부의 NTC를 통해 감지된 온도를 조절기 IC와 FET를 이용하여 제어하기 위해서는 회로 구성이 복잡해지고, 이차 전지의 단가를 상승시키는 요인이 된다.
이뿐만 아니라, 종래의 PCM을 구성하는 소자들은 자체 소모전류가 크고, 전지의 누설전류와 합산되어 OCV(Open Circuit Voltage)를 낮추는 원인이 된다. 또한, PCM 자체 소모 전력에 의해 전지의 사용시간을 단축시키는 문제가 발생한다. 또한, PCM은 전지의 충전시 과충전 제어, 과전류 도입 제어 등의 역할로 전지의 안 정성을 확보하고 있지만, 충전 조건을 제외한 일반 사용조건에서는 전지의 안정성을 보장하기 어려운 문제가 있다.
또한, 상기의 PCM은 앞서 언급한 바와 같이 능동소자와 수동소자를 이용하여 제작된 회로이기 때문에 개개의 소자의 특성 편차에 의해 회로 전체의 특성이 변화하게 되는 문제가 발생한다. 즉, 예를 들어 패키징된 트랜지스터의 경우 그동작 전압이 트랜지스터마다 다르게 나타난다. 심지어 동일한 웨이퍼에서 제작한 후, 패키징된 트랜지스터들의 경우에도 그 동작 전압에 있어서 미세한 차이가 발생하고 있으며, NTC의 경우도 온도에 따른 저항값의 변화가 각각의 소자에 따라 다르게 나타난다. 따라서, 이와 같은 회로 소자들을 이용하여 다수의 PCM 회로를 제작하고, 이를 전지 보호를 위해 장착하였을 경우, 회로 소자의 개별적인 편차에 의해 PCM 회로들 간의 특성 편차가 발생한다. 이로인해 일부 PCM 회로가 목적하는 조건에서 동작하지 않게 되어 전지의 사용시간과, 전지의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 전지의 팽창 또는 폭발을 방지하지 못하는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 온도를 감지할 수 있는 온도 센서와, 소정의 전압 변화에 따라 구동하는 스위칭 소자를 포함하는 간단한 제어 모듈을 원칩화하여 생산단가를 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 과충전을 방지하고, 과전류를 제어하고, 열적안정성을 확보할 수 있고, 다수의 제어 모듈간의 특성 편차를 일정 범위 내로 조절할 수 있어 대량생산이 가능하고, 제어모듈 의 오동작 및 불량발생을 방지할 수 있는 전지 보호 칩, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 제 1 및 제 2 외부 전극 단자와, 제어 전압에 따라 동작하여 상기 제 1 외부 전극 단자와 상기 제 2 외부 전극 단자 간을 도통하는 스위치부와, 온도에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이의 전압을 분배하여 상기 제어전압을 생성하는 제어전압 생성부 및 상기 스위치부와 상기 제어전압 생성부를 패키징하는 몸체부를 포함하는 전지 보호 칩을 제공한다.
여기서, 상기 스위치부는, 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자에 각기 콜렉트 단자와 에미터 단자가 접속되고, 상기 제어 전압에 따라 동작하는 트랜지스터를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제 1 외부 전극 단자와 콜렉트 단자 또는 상기 제 2 외부 전극 단자와 에미터 단자 사이에 접속된 저항을 더 포함하고, 상기 저항은 상기 제 1 외부 전극 단자 또는 상기 제 2 외부 전극 단자에 접속되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제어 전압 생성부는, 상기 제 1 외부 전극 단자와 제어전압 노드 사이에 접속된 제 1 전압 분배 수단 및 상기 제 2 외부 전극 단자와 상기 제어전압 노드 사이에 접속된 제 2 전압 분배 수단을 포함하는 것이 효과적이다. 여기서, 상기 제 1 및 제 2 전압 분배 수단은 온도에 따라 저항 값이 변하는 NTC 소자 및 PTC 소자 그리고 분배 저항 소자 중 적어도 어느 하나를 사용하고, 이들이 직렬 또는 병렬 접속될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전지 팩에 있어서, 양전극과 음전극을 갖는 전지 본체 및 온도에 따라 동작하여 상기 양전극과 음전극간을 도통시키는 전지 보호 칩을 포함하는 전지팩을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 스위칭 소자, 전압 분배 소자, 제 1 및 제 2 외부 전극 단자를 마련하는 단계와, 온도에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이의 전압을 분배하여 전압을 가변시키고, 가변된 전압에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이를 도통시키도록 상기 스위칭 소자, 상기 전압 분배 소자와 상기 제 1 및 제 2 외부 전극을 전기적으로 연결하고 패키징하는 단계 및 패키징되고 전기적으로 연결된 회로를 테스트하여 불량을 검출하는 단계를 포함하는 전지 보호 칩의 제조 방법을 제공한다.
여기서, 상기 스위칭 소자로 트랜지스터를 사용하고, 상기 전압 분배 소자로 온도에 따라 저항 값이 변하는 NTC 소자 및 PTC 소자 그리고 분배 저항 소자 중 적어도 어느 하나를 사용하고 또한 이들이 직렬 또는 병렬 접속된 소자를 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 스위칭 소자, 상기 전압 분배 소자와 상기 제 1 및 제 2 외부 전극을 전기적으로 연결하고 패키징하는 단계는, 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이에 각기 상기 전압 분배 소자와 스위칭 소자를 와이어로 연결하고, 상기 전압 분배 소자의 일단과 스위칭 소자를 와이어로 연결하는 단계 및 상기 전압 분배 소자와 상기 스위칭 소자를 패키징하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 스위칭 소자, 상기 전압 분배 소자와 상기 제 1 및 제 2 외부 전극을 전기적으로 연결하고 패키징하는 단계는, 상부 몸체 및 하부 몸체를 마련하는 단계와, 상기 하부 몸체 내에 상기 스위칭 소자와 상기 전압 분배 소자를 배치하고, 상기 하부 몸체의 양단부에 제 1 및 제 2 외부 전극을 배치하는 단계와, 상기 스위칭 소자, 상기 전압 분배 소자와 상기 제 1 및 제 2 외부 전극을 와이어로 연결하는 단계와, 와이어 연결된 상기 스위칭 소자와 상기 전압 분배 소자가 배치된 상기 하부 몸체 상에 상기 상부 몸체를 결합 밀봉하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
물론 상기 스위칭 소자, 상기 전압 분배 소자와 상기 제 1 및 제 2 외부 전극을 전기적으로 연결하고 패키징하는 단계는, 상부 몸체 및 하부 몸체를 마련하는 단계와, 상기 하부 몸체 상에 상기 스위칭 소자 및 상기 전압 분배 소자와 접속될 패드를 형성하고, 상기 패드를 전기적으로 연결하는 단계와, 상기 패드와 상기 스위칭 소자 및 상기 전압 분배 소자를 결합하고, 이들이 제 1 및 제 2 외부 전극 단자에 전기적으로 접속되도록 하는 단계와, 상기 상부 몸체를 상기 하부 몸체와 결합하여 상기 스위칭 소자 및 상기 전압 분배 소자를 패키징하는 단계를 포함할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하 도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전지 팩의 개념도이고, 도 2는 제 1 실시예에 따른 전지 보호 칩의 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(100)은 양전극(11)과 음전극(12)을 갖는 전지 본체(10)와, 온도에 따라 양전극(11)과 음전극(12) 간을 도통시키는 전지 보호 칩(200)을 포함한다. 이때, 음전극(12)에 접속되어 온도에 따라 외부 전류를 차단하는 PTC소자(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
상기 전지로는 2차 전지 또는 연료전지를 포함한 다양한 전지를 사용할 수 있다. 2차 전지로는 납축전지, 알칼리축전지, 기체전지, 리튬이온전지, 니켈-수소전지, 니켈-카드뮴전지, 폴리머전지 등을 사용할 수 있다. 소형 2차전지로는 니켈-카드뮴전지에서 니켈-수소전지와 리튬이온전지로 대체되기 시작하였고, 리튬이온전지에 전해질만 폴리머로 바꾼 리튬폴리머전지도 사용되고 있다. 또한, 연료전지로는 알칼리 수용액을 전해질로 사용하는 용융탄산염 연료전지, 고체전해질 연료전지, 인산전해질 연료전지 등을 사용할 수 있다. 이때, 전해질로는 순수한 수소와 산소를 사용하고, 수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와, 메탄올 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용할 수 있다.
상기의 전지 보호 칩(200)은 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)와, 제어 전압에 따라 동작하여 칩의 제 1 외부 전극 단자(210)와 제 2 외부 전극 단자 (220) 간을 도통하는 스위치부(230)와, 온도에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 사이의 전압을 분배하여 제어전압을 생성하는 제어전압 생성부(240)와 상기 스위치부(230)와 제어전압 생성부(240)를 패키징하는 몸체부(250)를 포함한다. 상기 스위치부(230)로 트랜지스터(230)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기의 제어 전압 생성부(240)는 제 1 외부 전극 단자(210)와 제어전압 노드(Q1) 사이에 접속되고 온도에 따라 저항값이 변하는 NTC(242)와, 제 2 외부 전극 단자(220)와 제어전압 노드(Q1) 사이에 접속된 저항(244)을 포함한다. 상기의 스위치부로 사용되는 트랜지스터(230)의 콜렉터 단자는 제 1 외부 전극 단자(210)에 접속되고, 베이스는 NTC(242)와 저항(244) 사이의 제어전압 노드(Q1)에 접속되고 에미터 단자는 제 2 외부 전극 단자(220)에 접속된다.
여기서, 상기의 트랜지스터(230)는 NPN 타입의 트랜지스터를 사용하는 것이 효과적이다. 턴온전압은 0.3 내지 0.7V인 것이 바람직하다. 물론 PNP 타입의 트랜지스터를 사용할 수도 있다. 상기의 저항(244)으로는 10Ω 내지 50㏀의 저항을 사용하는 것이 바람직하다.
상기의 NTC소자(242)는 온도가 상승할수록 저항값이 비선형적으로 감소하는 소자이다. 예를 들어 NTC소자(242)는 상온에서는 약 100kΩ의 저항값을 갖지만, 100도의 온도에서는 저항값이 급격히 감소하여 약 7.4kΩ의 저항값을 갖게 된다. 본 실시예에서는 18 내지 30도의 온도에서 90 내지 1000kΩ의 저항값을 갖고, 70 내지 120도의 온도에서는 1 내지 100kΩ의 저항값을 갖는 NTC소자(242)를 사용하는 것이 바람직하다. 물론 본 발명의 NTC소자(242)의 특성은 이에 한정되지 않고, 저 항(244) 및 트랜지스터(230)의 특성에 따라 그 값이 다양할 수 있다.
상술한 전지 보호 칩(200)의 동작 범위는 70 내지 100도의 온도에서 동작하여 약 1mA 내지 20A의 전류량을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 이를 통해 전지 팩(100)의 내부 온도가 상기의 동작 범위의 온도보다 낮을 경우에는 동작하지 않다가, 과충전, 외부의 기계적 충격, 열적환경변화, 전기적인 접속 등에 의해 전지 내부의 온도가 급격히 상승하여 상기 동작 범위의 온도까지 상승할 경우 제 1 외부 전극 단자(210)에서 제 2 외부 전극 단자(220)로 전류 패스를 형성하여 과충전을 방지하고, 과전류를 제어하고, 열적안정성을 확보할 수 있다. 즉, 본 발명은 고정저항과, 전지 팩의 온도에 따라 그 저항값이 변화는 가변저항 사이의 전압 분해를 이용하여 전지의 양단자와 음단자 사이의 전류 패스를 형성하는 스위칭 소자의 동작 시점을 제어하여 전지 팩을 보호할 수 있게 된다.
그리고 본 실시예에서는 상기의 전지 보호 칩의 몸체부 일부를 상기 전지 보호 칩과 접속시켜 전지 본체(110)의 온도의 변화를 즉시 감지할 수도 있다.
본 발명의 전지 보호 칩(200)을 구성하고 있는 개개의 소자의 특성을 상술한 값에 한정되지 않고, 전지 본체(110)에서 발생되는 전압, 전류에 따라 그 값이 다양하게 변화될 수 있다.
상술한 전지 보호 칩은 다양한 방법을 통해 제작할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 실시예에 따른 전지 보호 칩의 제조 공정도이다.
도면에서와 같이 전지 보호 칩을 제조하기 위한 다양한 변형예가 가능하다.
도 3을 참조하면, 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)을 마련한다. 상 기에서 트랜지스터(230)는 와이어 본딩되지 않은 베어 칩(bare chip) 소자를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 베이스 단자, 에미터 단자 및 콜렉터 단자를 외부와 연결하기 위한 별도의 전극 단자가 형성되지 않고, 이들이 직접 노출되어 있는 트랜지스터(230)를 사용한다. 상기의 NTC(242)와 저항(244)은 칩형으로 제작된 소자를 사용하는 것이 바람직하다.
이후, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, NTC(242)의 일단자에 제 1 외부 전극 단자(210)을 접속하고, 저항(230)의 일단자에 제 2 외부 전극 단자(220)를 접속한다. 상기 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)을 와이어(231 내지 234)를 이용하여 연결한다. 즉, 상기 트랜지스터(230)의 콜렉터 단자와 제 1 외부 전극 단자(210)가 접속된 NTC(242)의 일단자를 제 1 와이어(231)를 이용하여 연결하고, 트랜지스터(230)의 베이스 단자와 NTC(242)의 타단자 및 저항(244)의 타단자를 제 2 및 제 3 와이어(232, 233)를 이용하여 연결하고, 트랜지스터(230)의 에미터 단자와 제 2 외부 전극 단자(220)가 접속된 저항(244)의 일 단자를 제 4 와이어(234)를 이용하여 연결한다.
다음으로 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 소정의 패키징 공정을 실시하여 상기 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)을 보호하는 몸체부(250)를 형성하여 전지 보호 칩(200)을 제조한다. 상기의 패키징 공정은 소정의 틀 중앙에 와이어로 연결된 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)을 배치시키고, 틀 외부로 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)의 일부를 노출시킨 다음, 틀 내부에 액상의 에폭시 또는 플라스틱 등의 물질을 부은 다음 경화시켜 몸체부(250)를 제조할 수 있다. 즉, 안입형, 유출형, 사출형 및 반압입형 중 어느 하나의 금형을 이용하여 제작할 수도 있다.
이뿐만 아니라, 몸체부를 상부 몸체와 하부 몸체로 구성하여 제작할 수도 있다. 이러한 변형예에 관해 하기에서 도면을 참조하여 설명한다. 하기 설명에서는 앞서 설명한 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)을 마련한다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)을 와이어(231, 232, 233, 244)를 이용하여 서로 연결하여 소정의 보호 회로를 제작한다. 즉, 트랜지스터(230)의 콜렉터 단자와 NTC(242)의 일단자를 제 1 와이어(231)를 이용하여 연결하고, 트랜지스터(230)의 에미터 단자와 저항(244)의 일단자를 제 4 와이어(234)를 이용하여 연결하고, NTC(242)의 타단자와 저항(244)의 타단자를 제 2 와이어(232)를 이용하여 연결하고, 제 2 와이어(232)와 트랜지스터(230)의 베이스 단자를 제 3 와이어(233)를 이용하여 연결한다.
이후, 도 4의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 하부 몸체(251) 상에 와이어(231, 232, 233, 234)로 연결된 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)을 배치하고, 이들을 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)에 접속한다. 즉, 제 1 와이어(231)와 제 1 외부 전극 단자(210)를 제 5 와이어(235)로 연결하고, 제 4 와이어(234)와 제 2 외부 전극 단자(220)를 제 6 와이어(236)를 이용하여 연결한다. 여기서 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)는 하부 몸체의 상부 면에서부터 연장 굴절된다.
다음으로, 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)이 배치된 하부 몸체(251)의 상부에 상부 몸체(252)를 결합시켜 전지 보호 칩(200)을 형성한다.
본 발명의 전지 보호 칩은 이에 한정되지 않고, 다양한 방법이 가능하다. 즉, 상기 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)을 하부 몸체(251)에 배치한 다음, 와이어 또는 금속 배선을 이용하여 이들 간을 연결하고, 제 1 및 제 2 외부 전극 단자에 연결함 다음, 상부몸체로 덮어 패키징할 수도 있다.
또한, 별도의 패드와 금속 배선을 이용하여 트랜지스터, NTC 및 저항을 연결할 수도 있다. 상기의 패드로 범프를 사용할 수도 있다. 이러한 변형예에 관해서는 하기에서 도면을 참조하여 설명한다. 하기 설명에서는 앞서 설명과 중복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 트랜지스터(230), NTC(242), 저항(244), 하부 몸체(251) 및 상부 몸체(252)를 마련한다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 하부 몸체(251) 상에 트랜지스터(230), NTC(242) 및 저항(244)과 접속될 다수의 범프(261 내지 267)를 형성하고, 상기 범프(261 내지 267) 간을 연결하는 금속배선(271 내지 276)을 형성한다.
즉, 하부 몸체(251) 상에 트렌지스터(230)의 콜랙터 단자, 베이스 단자 및 에미터 단자에 각기 접속될 제 1 및 제 3 범프(261, 262, 263)를 형성하고, NTC(242)의 일 단자와 타 단자에 각기 접속될 제 4 및 제 5 범프(264, 265)를 형성하고, 저항(244)의 일 단자와 타 단자에 각기 접속될 제 6 및 제 7 범프(266, 267)를 형성한다. 또한, 상기 제 1 범프(261)와 제 4 범프(264)를 연결하는 제 1 금속 배선(271)과, 제 2 범프(262)와 제 5 범프(265)를 연결하는 제 2 금속배선(272)과, 제 2 범프(262)와 제 7 범프(267)를 연결하는 제 3 금속배선(273)과, 제 3 범프(263)와 제 6 범프(266)를 연결하는 제 4 금속배선(274)과, 제 4 범프(264)에서 하부 몸체(251)의 일단으로 연장되어 제 1 외부 전극 단자(210)와 접속될 제 5 금속 배선(275)과, 제 6 범프(266)에서 하부 몸체(251)의 타단으로 연장되어 제 2 외부 전극 단자(220)와 접속될 제 6 금속 배선(276)을 형성한다.
이후, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 트랜지스터(230)의 콜렉터, 베이스 및 에미터 단자를 각기 제 1 내지 제 3 범프(261, 262, 263)에 결합시키고, NTC(242)를 제 4 및 제 5 범프(264, 265)에 결합시키고, 저항(244)을 제 6 및 제 7 범프(266, 267)에 결합한다. 그리고, 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)를 각기 제 5 및 제 6 금속 배선(275, 276)에 결합한다. 이를 통해 도 2에서 설명한 보호 회로가 제작될 수 있다. 다음으로 상부 몸체(252)로 하부 몸체(251)를 패키징하여 도 5의 (c)에 도시된 바와 같은 전지 보호 칩(200)을 제작한다. 이때, 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)의 일부는 몸체부(250)의 외부로 돌출되고, 굴절되지 않은 직선 형태로 돌출되는 것이 바람직하다.
상기의 전지 보호 칩의 제작 방법은 상술한 설명에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다. 상기에서 범프 대신 금속 패드 형태로 하부 몸체에 제작한 다음 트랜지스터, NTC 및 저항을 납땜을 이용하여 금속패드와 접속시킬 수도 있다. 또한, 별도의 PCB 상에 트랜지스터, NTC 및 저항을 포함하는 보호 회로를 제작한 다음 이를 패키징하고, 보호회로를 외부 전극 단자와 접속시켜 전지 보호 칩을 제작할 수 도 있다.
또한, 반도체 제조 공정을 이용하여 웨이퍼 상에 트랜지스터, NTC 및 저항 소자를 포함하는 회로 소자를 형성하고, 이들 간이 전기적으로 연결된 다수의 다이(die)를 제작하고, 개개의 다이를 패키징하고, 외부 전극 단자와 접속시켜 전지 보호 칩을 제작할 수 있다. 상술한 실시예에서는 전지 보호 칩을 개개의 소자를 형성하고, 이들을 각기 와이어 또는 금속배선을 통해 연결한 다음 패키징한다. 그러나 이에 한정되지 않고, 상기 전지 보호 칩을 구성하는 소자를 단일의 웨이퍼 상에 형성한 다음, 웨이퍼 레벨에서 이들간을 전기적으로 연결하고, 본딩 패드를 통해 외부와 접속되도록 제작할 수도 있다. 즉, 웨이퍼 상에 트랜지스터를 제작한 다음, 트랜지스터의 베이스 전극, 에미터 전극 및 콜렉터 전극에 각기 접속되는 저항과 NTC를 그 상부에 적층되도록 형성한다. 이후, 이들을 패시베이션한 다음 외부와 연결되는 외부 전극 단자인 본딩 패드를 형성한다. 다음으로 웨이퍼를 절단하여 다이 칩을 형성한 다음 다이칩을 패키징하여 전지 보호 칩을 제작한다.
그리고 앞서 설명한 변형예들에 따른 전지 보호 칩의 제작 방법이 한 변형예에 한정되는 것이 아니라 변형예들의 기술이 중복 또는 교환되어 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 보호 칩의 제작 방법은 상술한 바와 같이 패키징 후에 소정의 온도에서 회로의 동작을 테스트한다.
테스트는 상기 패키지에 소정이 열과 전류를 인가하여 전류량을 측정하고 측정된 값이 일정 범위 이내일 경우 합격으로 판단한다. 즉, 패키지를 소정의 온도조절이 가능한 장치 내에 장착하고, 패키지의 양 단자에 전류를 인가하여 테스트한 다. 이때, 약 25도시에서 패키지에 흐르는 전류량이 5㎂이하이고, 80도에서 수백㎃이상일 경우 합격으로 판단한다. 즉, 80도에서 100mA이상일 경우 합격으로 판단한다. 이는 본 발명의 전지 보호 칩은 평상시에는 5㎂이하의 전류가 흘러 누설전류가 발생되지 않아야 하고, 80도 이상의 온도에서는 도통되어 전류가 잘 흐를 수 있어야하기 때문이다.
본 발명의 전지 팩은 상술한 설명에 한정되지 않고 다양한 실시예에 가능하다. 하기에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전지 팩에 관해 설명한다. 하기 실시예에서는 제 1 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전지 팩의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 전지 팩(100)은 양전극(11)과 음전극(12)을 갖는 전지 본체(10)와, 온도에 따라 양전극(11)과 음전극(12) 간을 도통시키는 전지 보호 칩(200)을 포함한다. 그리고, 음전극(12)에 접속되어 온도에 따라 외부 전류를 차단하는 PTC소자(20)를 더 포함한다.
상기의 전지 보호 칩(200)은 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)와, 제어 전압에 따라 동작하여 칩의 제 1 외부 전극 단자(210)와 제 2 외부 전극 단자(220) 간을 도통하는 스위치부(230)와, 온도에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 사이의 전압을 분배하여 제어전압을 생성하는 제어전압 생성부(240)와 상기 스위치부(230)와 제어전압 생성부(240)를 패키징하는 몸체부(250)를 포함한다. 제어 전압 생성부(240)는 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 사이에 접속된 NTC(242)와 제 1 저항(244)을 포함한다. 그리고 스위치부(230)는 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 사이에 접속된 트랜지스터(231)와 제 2 저항(232)을 포함한다.
상기 제어 전압 생성부(240)와 스위치부(230)를 구성하는 소자의 전체적은 연결관계를 바탕으로 설명하면 다음과 같다.
전지 보호 칩(200)의 내부 회로는 제 1 외부 전극 단자(210)에 콜렉터 단자가 접속된 트랜지스터(231)와, 상기 트랜지스터(231)의 베이스 단자와 제 1 외부 전극 단자(210) 사이에 접속된 NTC소자(242)와, 상기 트랜지스터(231)의 베이스 단자와 제 2 외부 전극 단자(220) 사이에 접속된 제 1 저항(244)과, 상기 트랜지스터(231)의 에미터 단자와 제 2 외부 전극 단자(220) 사이에 접속된 제 2 저항(232)을 포함한다. 이때, 도 6에서는 제 1 저항(244)이 베이스 단자와 제 2 외부 전극 단자(220) 사이가 접속된 회로로 도시되었지만, 이에 한정되지 않고, 제 1 저항(244)이 베이스 단자와 에미터 단자 사이에 접속될 수도 있다. 또한, 제 1 외부 전극 단자(210)과 제 2 외부 전극 단자(220) 사이에는 별도의 커패시터를 더 포함할 수 있다. 또한, NTC(242)와 병렬 접속된 커패시터를 더 포함할 수도 있고, 제 1 저항(244)과 병렬 접속된 커패시터를 더 포함할 수도 있다.
여기서, 상기의 제 1 저항(244)의 저항값은 0.5Ω 내지 2㏀인 것이 효과적이며, 제 2 저항(232)의 저항값은 10 내지 50Ω인 것이 효과적이다. 이때, 트랜지스터(231)와 제 2 저항(232)이 하나의 칩에 내장된 디지탈 트랜지스터를 사용할 수도 있다.
상기에서 제 2 저항(232)을 상기의 제 2 외부 전극 단자(220)에 물리적으로 접속시키고, 제 2 외부 전극 단자(220)를 PTC(30)에 물리적으로 접속시켜 스위치부(230)를 통해 전류가 흐를 경우 즉, 과충전, 외부의 기계적 충격, 열적환경변화, 전기적인 접속 등으로 인해 전류가 흐를 경우를 PTC(30)에 물리적으로 접속된 제 2 저항(232)의 온도가 상승하게 되고 이에 따라 PTC(30)에 인가되는 열이 상승하여 외부와 전지 본체간의 전기적 연결을 차단할 수 있다.
상술한 구조와 특성을 갖는 본 실시예의 전지 팩의 동작을 살펴보면 다음과같다.
전지가 통상의 동작을 할 경우를 살펴보면, 전지에서 외부로 일정한 DC전원을 인가하거나, 양전극(11) 및 음전극(12)가 플로팅되어 있을 경우에는 전지 내부의 온도가 상승하지 않아 전지 보호 칩(200) 내의 NTC(242)의 저항 값이 제 1 저항(244) 및 제 2 저항(232)에 비하여 저항값이 매우 크게 된다. 이로써, NTC(242), 제 1 저항(244) 및 제 2 저항(232)에 의한 전압 분배가 발생하게 되지만 전지 본체의 전압 대부분이 NTC(242)에 걸리게 된다. 이로써, 제 1 저항(244) 양단에 걸리는 제어 전압의 크기가 트랜지스터(231)를 턴온시킬 정도의 전압이 되지 않아 트랜지스터(231)가 턴오프 된다. 이로써, 양전극(11)와 음전극(12) 사이에는 전류 패스가 형성되지 않는다. 예를 들어, 전지 본체의 전압이 4.2V이고, 전지 내부의 온도가 25도이고, 이때의 NTC(242)의 저항값이 100kΩ이고, 제 1 저항(244)의 저항값이 1kΩ이며, 제 2 저항(232)의 저항값이 30Ω이면, NTC(242)에 약 4.16V의 전압이 걸리고, 트랜지스터(231)의 베이스와 에미터 단자 사이 즉, 제 1 저항(244) 사이에는 0.04V의 전압이 걸리게 된다. 따라서, 트랜지스터(231)의 베이스와 에미터 단자 사이에 이를 구동하기 위한 충분한 전압이 인가되지 않으므로 인해 트랜지스터(231)는 턴 오프 된다.
한편, 과충전, 외부의 기계적 충격, 열적환경변화, 전기적인 접속 등에 의해 전지 내부의 온도가 급격히 상승할 경우에는 살펴보면, 온도의 상승으로 인해 NTC(242)의 저항값이 감소하게 된다. 이로써, NTC(242)의 양단에 걸린 전압값은 하강하게 되고, 제 1 저항(244)의 양단에 걸리는 전압값은 상승하게 된다.
전지 내부의 온도가 소정 온도까지 상승하여 제 1 저항(244)이 양단에 걸리는 제어 전압이 트랜지스터(231)의 구동전압까지 상승하게 되면 트랜지스터(231)가 턴온되어 콜랙터 단자에서 에미터 단자로 전류 패스가 생성된다. 이로써, 전지의 양전극(11)과 음전극(12) 사이에 전류 패스가 형성되어 전지를 자동으로 방전시켜 전지가 과열됨과 과열로 인해 폭파됨을 방지할 수 있다. 상기의 소정 온도는 전지 팩(100)이 폭파 직전이 온도일 수도 있고, 별도로 설정한 온도일 수도 있다. 이는 NTC(242)의 특성을 조절하거나, 트랜지스터(231)의 구동전압을 조절하거나, 제 1 저항(244)의 저항값을 조절하여 그 값을 설정할 수 있다.
예를 들어, 상기 소정온도를 100도로 설정하여, 이 온도가 될 경우 전지 보호 칩(200)이 동작되도록 설정하였을 경우를 가정하면 다음과 같다. 전지 내부의 온도가 25도에서 점차로 상승하여 100도의 온도가 되었을 경우 NTC(242)의 저항값이 강하되어 약 7.4kΩ이 되고, NTC(242)에는 3.7V의 전압이 걸리게 된다. 반면에 제 1 저항(244)에는 0.5V의 전압(동작전압)이 걸리게 되어 트랜지스터(231)가 턴온된다. 즉, 양전극(11)과 음전극(12) 사이에는 트랜지스터(231)와 제 2 저항(232)이 직렬 접속된 패스가 형성된다. 이로써, 전지를 전기적으로 쇼트(Short)시켜 전지의 전기적 에너지가 높은 상태에서 낮은 상태로 만들어 주어 전지의 팽창과 폭발을 방지하게 된다. 이때, 트랜지스터(231)가 턴온이되면 전지로부터 급격한 전류가 흐르게되나, 제 2 저항(232)에 의해 전류의 급격한 흐름이 제한된다.
또한, 만일 전지팩(100)이 외부 충전기로부터 충전 중, 과충전에 의한 온도 상승일 경우에는 제 2 저항(232)에 흐르는 전류에 의해 제 2 저항(232)의 온도가 상승한다. 이로써, 제 2 저항(232)과 제 2 외부 전극 단자(220)를 통해 물리적으로 접속된 PTC(30)의 저항이 급격히 증가하게 되어 충전기(40) 단자와 전지 팩(100) 간을 단락시켜(음전극), 외부 전류를 차단하여 과충전을 방지한다.
이후, 방전에 의해 전지의 불안정 상태가 안정화되어, 전지의 온도가 하강하게 되면 NTC(242)의 저항값이 상승하고, 이에 따라 제 1 저항(244)의 양단에 걸리는 전압값이 하강하여 트랜지스터(231)를 턴오프 시킨다. 이후, 소정의 충전을 실시하여 전지팩(100)을 다시 사용할 수 있다.
이와 같이, 외부적 요인에 의해 전지의 전기적 에너지가 높은 상태가 될 경우, 전지 보호 칩(200)이 동작하여 전지를 강제적으로 방전시켜 전지의 에너지 상태를 낮은 상태가 되게 하여 전지의 팽창 및 폭발을 방지하게 된다.
상기의 제 1 및 제 2 실시예에서는 온도에 따라 동작하여 전압 분배를 통해 제어전압(동작전압)을 생성하기 위해 NTC를 사용하였지만, 이에 한정되지 않고 온도에 따라 그 저항값이 변하는 다양한 소자를 사용할 수 있다. 온도에 따라 저항값이 변화는 소자로 PTC, CTR 등을 사용할 수 있다. 또한 트랜지스터에 한정되지 않 고, 전압값의 변화에 따라 스위칭 동작을 하는 다양한 소자를 사용할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 NTC와 제 1 저항 간의 저항값 차에 의한 전압 분배에 따라 스위칭 소자인 트랜지스터의 턴온과 턴오프를 제어하였다. 따라서, 온도가 상승함에 따라 저항값이 하강하는 소자는 상술한 NTC 소자 위치에 배치하는 것이 바람직하고, 온도가 상승함에 따라 저항값이 하강하는 소자는 제 1 저항의 위치에 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 전지 팩은 열적 안전성의 확보 뿐아니라 과충전 및 과전류를 보호할 수 있는 칩을 포함할 수 있다. 이와 같은 본 발명의 제 3 실시예에 대하여는 도면을 참조하여 설명한다. 하기 실시예에서는 앞서 설명한 제 1 및 제 2 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전지 팩의 개념도이다.
도 7을 참조하면, 양전극(11)과 음전극(12)을 갖고, 충방전이 가능한 전지 본체(10)와, 전지 본체(10)의 전류/전압 변화에 따라 양전극(11)과 음전극(12) 간을 도통시키는 전지 보호 칩(200)과, 전지 보호 칩(200)의 일부와 물리적으로 접속되고, 온도에 따라 외부 전류를 차단하는 PTC소자(30)를 포함한다.
상술한 전지 보호 칩(200)은 스위치부(230)와 제어 전압 생성부(240)를 포함하고, 각기 양전극(11)과 음전극(12)에 접속된 제 1 및 제 2 외부 단자 전극(210, 220)을 포함한다.
상기의 전지 보호 칩(200)의 회로도에 관해 설명하면 다음과 같다.
전지 보호 칩(200)은 제 1 외부 단자 전극(210)에 콜렉터 단자가 접속된 트 랜지스터(231)와, 상기 트랜지스터(231)의 베이스 단자와 제 1 외부 단자 전극(210) 사이에 접속된 제 3 저항(246)과, 상기 트랜지스터(231)의 베이스 단자와 에미터 단자 사이에 접속된 제 4 저항(248)과, 상기 트랜지스터(231)의 에미터 단자와 제 2 외부 단자 전극(220) 사이에 접속된 제 2 저항(232)을 포함한다.
상술한 전지 팩의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
일반적인 충전에 의해 전지 팩(100)의 전압이 정상상태일 경우에는 전지 팩(100)에 접속된 전지 보호 칩(200)의 제 3 및 제 4 저항(246, 248)에 의해 전압 분배되어 트랜지스터(231)의 베이스와 에이터 단자에 인가되는 전압이 트랜지스터(231)를 구동하기에는 충분하지 않은 전압이 인가되어 트랜지스터(231)를 턴오프시킨다. 따라서, 전지팩(100)의 양단자(11)와 음단자(12) 사이에는 어떠한 전류 패스도 형성되지 않는다. 하지만, 과충전에 의해 전지팩(100)의 전압이 정상상태를 벗어난 경우에는 제 3 및 제 4 저항(246, 248)에 의해 전압 분배되어 트랜지스터(231)의 베이스와 에미터 단자에 인가되는 전압이 트랜지스터(231)를 구동하기에 충분한 전압이 되어 트랜지스터(231)를 턴온시킨다. 트랜지스터(231)가 턴온됨으로 인해 전지팩(100)의 양단자(11)와 음단자(12) 사이에 전류 패스가 형성되어 전지 본체(10)를 강제적으로 방전시킨다. 이와 같이 전지의 전류를 방전시켜 전지의 전압을 강하시킨다. 이때, 전지 보호 칩(200)의 트랜지스터(231)가 턴온될 경우 제 2 저항(232)에 의해 급격한 전류 흐름을 제어한다. 또한, 제 2 저항(232)의 온도가 급격히 상승하게 되어 이와 물리적으로 접속되어 있던 PTC(30)의 저항이 급격히 증가하여 외부 충전기(40) 단자와의 전류 패스를 차단하여, 더 이상의 충전이 이루어지지 않도록 할 수도 있다.
예를 들어 목표로하는 전지팩(100)의 최대 전압을 4.3V이고, 트랜지스터(231)의 동작 전압이 0.5V일 경우, 제 3 저항(246)의 저항값을 304kΩ으로 하고, 제 4 저항(248)의 저항값을 40kΩ으로 하고, 제 2 저항(232)의 저항값을 30Ω으로 하였을 때를 살펴보면 다음과 같다.
정상적인 충전에 의해 전지팩(100)의 전압이 4.3V이하일 경우에는 제 2, 3 및 4 저항(232, 246, 248)에 의해 4.3V이하의 전압은 전압 분배되어 각기 제 3 저항(246)에는 3.799V 이하의 전압이 걸리고, 제 4 저항(248)에는 0.499V 이하의 전압이 걸리고, 제 2 저항(232)에는 0.0003V이하의 전압이 걸린다. 즉, 트랜지스터(231)의 에미터와 베이스 단자 사이에 접속된 제 4 저항(248)에 걸리는 전압이 0.5V이하이므로 트랜지스터(231)는 턴오프된다. 한편, 과충전에 의해 전지팩(100)의 전압이 4.3V이상이 될 경우에는 제 3 저항(246)에는 3.799V이상의 전압이 걸리고, 제 4 저항(248)에도 0.499V 이상의 전압이 걸리게 된다. 즉, 트랜지스터(231)의 에미터와 베이스 단자 사이에 접속된 제 4 저항(248)에 걸리는 전압이 0.5V이상이 걸리므로 트랜지스터(231)가 턴온된다. 이로써, 전지팩(100)의 양전극(11)과 음전극(12) 사이에 전류 패스가 형성되어 전지의 전류를 방전시켜 전지의 전압을 낮출 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 실시예의 전지 보호 칩을 통해 전지의 과충전 보호 및 과전류 보호를 할 수 있어 기존의 전지 보호 시스템을 대체할 수 있고, 회로의 구성이 간단하여 저가의 전지 보호 시스템을 제공할 수 있으며, 이를 칩형으로 제작 하여 대량생산시 회로의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 전지 보호 칩은 상술한 제 2 및 제 3 실시예에 따른 칩을 포함하는 하나의 칩으로 구성할 수도 있다. 이와 같은 본 발명의 제 4 실시예에 대하여는 도면을 참조하여 설명한다. 하기 실시예에서는 앞서 설명한 제 1 내지 제 3 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 전지팩의 제 4 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 실시예의 전지팩(100)은 전지 본체의 양단자(11)와 음단자(12) 사이에 접속된 전지 보호 칩(200)을 포함한다.
여기서 전지 보호 칩(200)은 전지 본체(10)의 양단자와 음단자에 각기 접속된 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)를 포함한다. 그리고, 온도에 따라 그 값이 변화하는 NTC(242)와 제 1 저항(244)에 의해 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 사이의 전압을 분배하고, 분배된 전압에 따라 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 사이에 전류 패스를 형성하는 제 1 트랜지스터(231a)와, 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 사이의 전압을 분배하는 제 3 저항(246) 및 제 4 저항(248)에 의해 전압 분배하고, 전압 분배된 결과에 따라 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 간의 전류 패스를 형성하는 제 2 트랜지스터(231b)와, 각기 제 1 및 제 2 트랜지스터(231a, 231b)와 제 2 외부 전극 단자(220) 사이에 접속된 제 2 저항(232a, 232b)을 포함한다. 이때, 제 2 저항(232a, 232b)은 하나의 저항으로 대치할 수 있다. 즉, 도 8b에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 트랜지스터(231a, 231b)의 베이스 단자와 제 2 외부 전극 단자(220) 사이에 접속된 제 2 저항(231)을 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명은 각기 열적 안정성과 과충전 및 과전류를 보호하는 회로를 통합하여 하나의 스위칭 소자를 이용할 수도 있다. 이와 같은 본 발명의 제 5 실시예에 대하여는 도면을 참조하여 설명한다. 하기 실시예에서는 앞서 설명한 제 1 내지 제 4 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 전지팩의 제 5 실시예를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 실시예의 전지팩(100)은 본 실시예의 전지팩(100)은 전지 본체의 양단자(11)와 음단자(12) 사이에 접속된 전지 보호 칩(200)을 포함한다.
여기서 전지 보호 칩(200)은 전지 본체(10)의 양단자와 음단자에 각기 접속된 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)를 포함한다. 그리고, 온도에 따라 그 값이 변화하는 NTC(242)와 제 3 저항(246)의 병렬 저항값과, 제 1 저항 및 제 4 저항(244, 248)의 병렬 저항값에 따라 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 200)간의 전류 패스를 형성하는 트랜지스터(231)를 포함한다.
상기에서 도 9b에 도시된 바와 같이 제 1 저항(244) 및 제 4 저항(248)은 하나의 저항으로 대치할 수 있다. 즉, 제 1 저항(244)과 제 4 저항(248)의 병렬 저항값을 갖는 하나의 제 5 저항(249)을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 PTC가 양단자 사이에 접속될 수도 있다. 이와 같은 본 발명의 제 6 실시예에 대하여는 도면을 참조하여 설명한다. 하기 실시예에서는 앞서 설명한 제 1 내지 제 5 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 10은 본 발명의 전지팩의 제 6 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예의 전지팩(100)은 본 실시예의 전지팩(100)은 전지 본체의 양단자(11)와 음단자(12) 사이에 접속된 전지 보호 칩(200)을 포함한다.
여기서 전지 보호 칩(200)은 전지 본체(10)의 양단자와 음단자에 각기 접속된 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220)를 포함한다. 그리고, 온도에 따라 그 값이 변화하는 NTC(242)와 제 1 저항(244)에 의해 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 사이의 전압을 분배하고, 분배된 전압에 따라 제 1 및 제 2 외부 전극 단자(210, 220) 간의 전류 패스를 형성하는 트랜지스터(231)와, 트랜지스터(231)의 콜렉터 단자와 제 1 외부 전극 단자(210) 사이에 접속된 제 2 저항(232)을 포함한다.
상기 제 1 외부 전극 단자(210)과 물리적으로 접속되고, 양단자(11)의 전류를 제어하는 PTC(30)를 포함한다. 이와 같이 PTC소자를 양단자에 둠으로 인해 전지의 과열/과충전/과전류 발생시 전지와 이와 접속된 외부 회로간을 전기적으로 분리할 수 있다.
하기에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전지 보호 칩을 포함하는 전지팩을 이용하여 스웰링 테스트(swelling test)와 핫 박스 테스트(hot box test)를 수행하였다. 여기서, 상기 전지 본체로는 4.2V 전압의 리품이온 전지를 사용하였고, 그 용량은 1000mAh급을 사용하였다. 그리고, 트랜지스터로 P채널의 1.24와트급의 2.5V MOFET를 사용하고, 이때 문턱전압이 0.45V인 트랜지스터를 사용하였다. 그리고, 제 1 저항으로 20㏀, 제 2 저항으로 10Ω 그리고, NTC로 25도에서 그 저항값이 875㏀이고 85도에서 그 저항값이 76.2㏀인 소자를 사용하였다.
표 1은 전지 보호 칩을 포함하는 전지팩을 이용하여 스웰링 테스트(swelling test)와 핫 박스 테스트(hot box test)를 수행한 결과표이다.
전지팩 순번 25℃의 전류(㎂) 85℃의 전류(㎃) 스웰일 테스트 (전지두께변화%) 핫 박스 테스트 (발화여부)
1 5.0 11.5 3%이하 발화없음
2 4.5 12.0 3%이하 발화없음
3 4.8 11.3 3%이하 발화없음
4 4.6 13.5 3%이하 발화없음
5 4.4 15.0 3%이하 발화없음
6 4.6 14.0 3%이하 발화없음
7 4.7 12.0 3%이하 발화없음
상기에서 스웰링 테스트는 전지팩의 온도를 약 5℃/min의 승온 속도로 상온에서 85℃까지 상승시킨 다음 약 4시간 동안 유지한 후, 약 5℃/min의 감온 속도로 상온까지 감온한다. 테스트 전후의 변화율㎃을 측정한 것으로 표에서와 같이 7번의 실험결과 그 변화율 모두 3%이하가 되었다.
상기의 핫 박스 테스트는 약 5℃/min의 승온 속도로 상온에서 150℃도 까지 상승시긴 다음 약 10분간 유지한 후, 약 5℃/min의 감온 속도로 상온까지 감온하되, 이때 전지팩의 발화여부를 판단한다. 그러나 본 발명에 따른 전지팩은 모두 발화되지 않음을 알 수 있다.
그리고, 상온 즉, 약 25℃의 온도에서 그 전류가 4.5 내지 5㎂로 전류의 흐름이 거의 없고, 약 85℃에서는 11.3 내지 15㎃로 전류 량이 증가함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 온도를 감지할 수 있는 온도 센서와, 소정의 전압 변화에 따라 구동하는 스위칭 소자를 포함하는 간단한 제어 모듈을 원칩화하여 생산단가를 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 과충전을 방지하고, 과전류를 제어하고, 열적안정성을 확보할 수 있다.
그리고, 다수의 전지 보호 회로 칩 간의 특성 편차를 일정 범위내로 조절할 수 있어 대량생산이 가능하고, 전지 보호 회로 칩의 오동작 및 불량발생을 방지할 수 있다.

Claims (11)

  1. 제 1 및 제 2 외부 전극 단자;
    상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이의 전압을 분배하여 온도에 따라 가변되는 제어전압을 생성하는 제어전압 생성부;
    상기 제어 전압에 따라 동작하여 상기 제 1 외부 전극 단자와 상기 제 2 외부 전극 단자 간을 도통하는 스위치부; 및
    상기 스위치부와 상기 제어전압 생성부를 패키징하는 몸체부를 포함하는 전지 보호 칩.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스위치부는,
    상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자에 각기 콜렉트 단자와 에미터 단자가 접속되고, 상기 제어 전압에 따라 동작하는 트랜지스터를 포함하는 전지 보호 칩.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 외부 전극 단자와 콜렉트 단자 또는 상기 제 2 외부 전극 단자와 에미터 단자 사이에 접속된 저항을 더 포함하고, 상기 저항은 상기 제 1 외부 전극 단자 또는 상기 제 2 외부 전극 단자에 접속된 전지 보호 칩.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제어 전압 생성부는,
    상기 제 1 외부 전극 단자와 제어전압 노드 사이에 접속된 제 1 전압 분배 수단; 및
    상기 제 2 외부 전극 단자와 상기 제어전압 노드 사이에 접속된 제 2 전압 분배 수단을 포함하는 전지 보호 칩.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전압 분배 수단은 온도에 따라 저항 값이 변하는 NTC 소자 및 PTC 소자 그리고 분배 저항 소자 중 적어도 어느 하나를 사용하고, 이들이 직렬 또는 병렬 접속된 전지 보호 칩.
  6. 전지 팩에 있어서,
    양전극과 음전극을 갖는 전지 본체; 및
    상기 양전극에 접속된 제 1 전극 단자와, 상기 음전극에 접속된 제 2 전극 단자와, 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이의 전압을 분배하여 온도에 따라 가변되는 제어 전압을 생성하는 제어 전압 생성부와, 상기 제어 전압에 따라 동작하여 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자간을 도통하는 스위치부와, 상기 스위치부와 상기 제어 전압 생성부를 패키징하는 몸체부를 구비하는 전지 보호 칩을 포함하는 전지 팩.
  7. 스위칭 소자, 전압 분배 소자, 제 1 및 제 2 외부 전극 단자를 마련하는 단계;
    온도에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이의 전압을 분배하여 전압을 가변시키고, 가변된 전압에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이를 도통시키도록 상기 스위칭 소자, 상기 전압 분배 소자와 상기 제 1 및 제 2 외부 전극을 전기적으로 연결하여 회로를 형성하는 단계;
    상기 스위칭 소자, 상기 전압 분배 소자 그리고, 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자의 적어도 일부를 보호하는 몸체부를 형성하고, 상기 몸체부의 외측으로 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자의 일부를 노출시키는 단계를 포함하는 전지 보호 칩의 제조 방법.
  8. 스위칭 소자, 전압 분배 소자, 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 그리고, 상부 몸체 및 하부 몸체를 마련하는 단계;
    상기 하부 몸체 내측 영역에 상기 스위치 소자와 전압 분배 소자를 배치하고, 상기 하부 몸체 단부 영역에 각기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자를 배치하는 단계;
    상기 스위치 소자, 전압 분배 소자, 제 1 및 제 2 외부 전극 단자를 전기적으로 연결하여 온도에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이의 전압을 분배하여 전압을 가변시키고, 가변된 전압에 따라 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자 사이를 도통시키는 회로를 형성하는 단계;
    상기 회로가 형성된 상기 하부 몸체와 상기 상부 몸체를 결합시켜 상기 회로를 보호하는 몸체부를 형성하는 단계를 포함하는 전지 보호 칩의 제조 방법.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 스위칭 소자로 트랜지스터를 사용하고, 상기 전압 분배 소자로 온도에 따라 저항 값이 변하는 NTC 소자 및 PTC 소자 그리고 분배 저항 소자 중 적어도 어느 하나를 사용하고 또한 이들이 직렬 또는 병렬 접속된 소자를 사용하는 전지 보호 칩의 제조 방법.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 몸체부를 형성하고, 상기 몸체부의 외측으로 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자의 일부를 노출시키는 단계는,
    상기 회로를 소정의 틀 내에 위치시키고, 상기 틀의 외부로 상기 제 1 및 제 2 외부 전극 단자의 일부를 노출시키는 단계; 및
    상기 틀 내부에 액상의 에폭시 또는 플라스틱을 부은 다음 경화시키는 단계를 포함하는 전지 보호 칩의 제조 방법.
  11. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 몸체부를 형성한 이후,
    상기 회로에 열과 전류를 인가하여 상기 회로의 전류량을 테스트하여 불량을 검출하는 단계를 더 포함하는 전지 보호 칩의 제조 방법.
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