KR102280596B1 - 이차전지용 대전류 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지용 대전류 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 본 발명의 이차전지용 대전류 보호소자는, 절연 기판; 상기 절연 기판 상에 배치되는 제1 발열체 연결 전극 및 제2 발열체 연결 전극; 상기 제1 발열체 연결 전극 및 상기 제2 발열체 연결 전극 상에 설치되며 상호 이격되어 배치되는 둘 이상의 발열체; 상기 발열체 상에 배치되는 절연 부재; 상기 절연 부재 상에 배치되는 가용체 전극; 상기 가용체 전극 상에 설치되고 상기 발열체의 상방에 위치하되 상기 발열체 각각에 대하여 중첩되는 영역을 가지며, 상기 발열체에 의해 가열되어 용융 시 이차전지의 전류 경로를 차단시키는 가용체; 및 일단부는 상기 가용체의 중앙부 일측에 접속되며, 타단부는 상기 제1 발열체 연결 전극에 접속되는 중간 전극을 포함하며, 상기 제1 발열체 연결 전극은 상기 절연 기판의 일측 에지부로 인출되어 상기 중간 전극과 접속되는 제1 전극 인출부를 구비하며, 상기 제2 발열체 연결 전극은 상기 절연 기판의 타측 에지부로 인출되되 상기 제1 전극 인출부에 비해 넓은 폭을 갖도록 인출되어 외부단자 중 어느 하나에 접속되는 제2 전극 인출부를 구비한다.
본 발명의 이차전지용 대전류 보호소자에 따르면, 절연 기판 상에 복수개로 분할된 발열체를 배치하고, 발열체 상부에 절연 부재를 매개로 가용체를 배치하되 가용체의 장변 측 양측부가 발열체 각각에 의해 가열되도록 중첩되는 영역을 갖도록 배치함으로써, 가용체의 체적이 큰 경우에도 과전류 및 과전압에 대해 신속한 용단을 보장하여 정격전류가 높은 어플리케이션에 사용 가능하며, 사용체의 집중 가열 부위를 구획함으로써 가용체 용융물이 가용체 전극에 끌리어 집속되도록 할 수 있어 용융물의 비산에 의한 단락 현상이나 고전류에 의해 절연이 파괴되는 현상을 원천적으로 차단할 수 있는 효과가 있다.

Description

이차전지용 대전류 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩{HIGH CURRENT PROTECTION ELEMENT FOR SECONDARY BATTERY AND BATTERY PACK INCLUDING THAT}
본 발명은 이차전지용 대전류 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가용체의 체적이 큰 경우에도 과전류 및 과전압에 대해 고속으로 용단되며 용단 후에 가용체의 용융물에 의한 통전 현상이 발생되는 것을 확실하게 차단할 수 있도록 한 이차전지용 대전류 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지(Secondary Battery)는 재충전이 가능한 전력 저장장치로서 스마트폰과 같은 휴대 단말, 전기 자동차, ESS 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 주로 사용되는 이차전지는 한 쪽 전극으로 리튬-코발트 산화물을 사용하고 다른 쪽 전극으로 흑연을 사용하는 리튬-이온 배터리이다. 리튬-이온 배터리는 니켈 카드뮴이나 니켈 수소 배터리 등에 비해 에너지 밀도가 높고 용적이 적으며 안정적인 이점이 있다. 다만, 충방전 회수가 증가할수록 저장 용량이 감소하고 수명이 줄어드는 문제가 있어, 최근에는 탄소나노튜브(CNT) 등 다른 대체 전극이 개발되고 있다.
리튬-이온 배터리로 대변되는 이차전지는 과충전이나 과방전에 의해 발열될 수 있어 보호회로를 사용하고 있다. 하지만, 그러한 보호회로의 사용에도 불구하고 최근 들어 이차전지의 배터리 팩이 발화하는 사고가 빈발하고 있다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리 팩에 사용되는 FET 등의 스위치가 단락되어 과전류가 흐르거나 서지 전압이 인가되어 과전압이 흐르는 등으로 인해 높은 열이 발생되고, 이러한 이상 과열이 배터리 팩의 화재나 폭발 사고를 유발한다.
이를 방지하기 위해, 이차전지 배터리 팩 내부에 보호회로와 병행하여 과전류 및 과전압에 의해 용단되는 보호소자가 사용되고 있다. 종래 보호소자는 두 개의 전극 사이에 과전류가 인가될 때 가용체가 용융되어 두 전극 사이의 전류 경로를 차단하는 방식으로 과전류에 대한 보호동작을 수행한다. 또한, 과전압에 대하여 동작되기 위해 발열체를 사용하며, 과전압에 의해 발열체가 가열되면 가용체가 용융되어 전류 경로를 차단한다.
그런데, 종래 보호소자는 정격전류가 높아질수록 가용체의 체적이 커지게 되며, 가용체의 체적이 커질 경우 과전압에 대한 용단 동작시간이 지체되는 문제가 발생되었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제10-2043051호 "보호 소자"는 가용체의 하방과 상방에 각각 제1 발열체와 제2 발열체를 적층한 구조의 보호소자를 제안하고 있다. 동 선행문헌에 따르면, 과전압 발생 시에 제1 발열체와 제2 발열체가 각각 가용체의 아래와 위에서 가열함으로써 높은 정격에 대하여 신속한 용단을 가능하게 한다.
하지만, 위 선행문헌의 보호소자는 가용체의 상방에 위치하는 제2 발열체에 전극을 연결하는 것이 구조적으로 어려운 문제가 있다. 이로 인해 위 선행문헌의 도면에서 예시되는 실시예들을 참조하면, 제2 발열체(25)가 상부의 절연 커버 내에 매립되어 배치되며, 절연 커버 내에서 전극들과 연결된다. 따라서, 제2 발열체에서 발생된 열이 가용체에 전달되기 어려우며, 제2 발열체의 발열에 의해 절연 커버가 손상되거나 절연 파괴되는 등의 문제가 발생된다.
대한민국 등록특허 제10-2043051호
본 발명은 가용체의 하방에 전기적으로 절연되도록 복수의 발열체를 배치하되 각각의 발열체는 적어도 가용체와 중첩되는 영역을 갖도록 배치함으로써 가용체의 체적이 큰 경우에도 과전류 및 과전압에 대해 신속한 용단을 보장할 수 있으며, 가용체의 가열 부위를 구획시킴으로써 가용체가 용융될 때 가용체 전극에 끌리어 집속되도록 하여 용융물에 의한 단락 현상이나 고전류에 의한 아킹 현상을 원천적으로 차단할 수 있도록 한 이차전지용 대전류 보호소자 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이차전지용 대전류 보호소자는, 절연 기판; 상기 절연 기판 상에 배치되는 발열체 연결 전극; 상기 발열체 연결 전극 상에 설치되며 상호 이격되어 배치되는 둘 이상의 발열체; 상기 발열체 상에 배치되는 절연 부재;
상기 절연 부재 상에 배치되는 가용체 전극; 및 상기 가용체 전극 상에 설치되고 상기 발열체의 상방에 위치하되 상기 발열체 각각에 대하여 중첩되는 영역을 가지며, 상기 발열체에 의해 가열되어 용융 시 이차전지의 전류 경로를 차단시키는 가용체를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지용 대전류 보호소자는, 상기 발열체 각각은 상기 절연 기판 상에서 장변부가 일정 방향으로 나란하게 배치되되 한 쌍의 상기 발열체 연결 전극에 대해 병렬로 접속되며, 상기 가용체는 그 장변부가 상기 발열체의 장변부에 대해 직교하는 방향으로 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 대전류 보호소자는, 상기 가용체의 중앙부 일측에는 중간 전극이 접속되며, 상기 중간 전극은 상기 발열체 연결 전극 중 어느 하나에 공통 접속된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 대전류 보호소자는, 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극은 상기 절연 기판의 측면과 바닥면으로 연장되어 연장부를 형성하며, 상기 연장부에는 금 또는 백금이 도금처리 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 대전류 보호소자는, 상기 절연 기판의 에지부에는 요부와 돌부가 연속하는 캐스털레이션부가 형성되며, 상기 캐스털레이션부의 요부는 내측으로 상부에서 바라볼 때 다각형 또는 반원형으로 오목하게 형성되며, 상기 절연 기판을 수용하는 절연커버의 바닥면에는 함몰 형성된 함몰부가 구비된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 대전류 보호소자는, 상기 캐스털레이션부의 요부는 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극 상에 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지용 대전류 보호소자는, 상기 가용체의 체적에 비해 상기 가용체의 용융물이 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극에 집속된 체적이 1.1배 이상 크다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀의 충방전 경로에 접속되며, 상기 충방전 경로를 선택적으로 차단하는 보호소자를 포함하며, 상기 보호소자는: 절연 기판; 상기 절연 기판 상에 배치되는 발열체 연결 전극; 상기 발열체 연결 전극 상에 설치되며 상호 이격되어 배치되는 둘 이상의 발열체; 상기 발열체 상에 배치되는 절연 부재; 상기 절연 부재 상에 배치되는 가용체 전극; 및 상기 가용체 전극 상에 설치되고 상기 발열체의 상방에 위치하되 상기 발열체 각각에 대하여 중첩되는 영역을 가지며, 상기 발열체에 의해 가열되어 용융 시 이차전지의 전류 경로를 차단시키는 가용체를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 발열체 각각은 상기 절연 기판 상에서 장변부가 일정 방향으로 나란하게 배치되되 한 쌍의 상기 발열체 연결 전극에 대해 병렬로 접속되며, 상기 가용체는 그 장변부가 상기 발열체의 장변부에 대해 직교하는 방향으로 배치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 가용체의 중앙부 일측에는 중간 전극이 접속되며, 상기 중간 전극은 상기 발열체 연결 전극 중 어느 하나에 공통 접속된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극은 상기 절연 기판의 측면과 바닥면으로 연장되어 연장부를 형성하며, 상기 연장부에는 금 또는 백금이 도금처리 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 절연 기판의 에지부에는 요부와 돌부가 연속하는 캐스털레이션부가 형성되며, 상기 캐스털레이션부의 요부는 내측으로 상부에서 바라볼 때 다각형 또는 반원형으로 오목하게 형성되며, 상기 절연 기판을 수용하는 절연커버의 바닥면에는 함몰 형성된 함몰부가 구비된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 캐스털레이션부의 요부는 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극 상에 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩은, 상기 가용체의 체적에 비해 상기 가용체의 용융물이 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극에 집속된 체적이 1.1배 이상 크다.
본 발명의 이차전지용 대전류 보호소자에 따르면, 절연 기판 상에 복수개로 분할된 발열체를 배치하고, 발열체 상부에 절연 부재를 매개로 가용체를 배치하되 가용체의 장변 측 양측부가 발열체 각각에 의해 가열되도록 중첩되는 영역을 갖도록 배치함으로써, 가용체의 체적이 큰 경우에도 과전류 및 과전압에 대해 신속한 용단을 보장하여 정격전류가 높은 어플리케이션에 사용 가능하며, 사용체의 집중 가열 부위를 구획함으로써 가용체 용융물이 가용체 전극에 끌리어 집속되도록 할 수 있어 용융물의 비산에 의한 단락 현상이나 고전류에 의해 절연이 파괴되는 현상을 원천적으로 차단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 가용체 전극 및 중간 전극이 절연 기판의 측면과 바닥면으로 연장되어 연장부를 형성하며, 이 연장부에는 금 또는 백금이 도금처리 됨으로써, 가용체의 용융물에 대한 젖음성을 향상시키고 용융물의 비산에 의한 단락 현상이나 절연 파괴 현상을 보다 확실하게 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 절연 기판의 에지부에 성곽 형상의 캐스털레이션부를 형성함으로써, 가용체 용융물 중 비산물이 캐스털레이션부의 요부를 따라 하부 절연커버의 함몰부로 유도됨으로써 비산물에 의한 단락 현상이나 절연 파괴 현상을 방지하는 효과를 극대화 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지용 대전류 보호소자가 패키징 된 예를 보인 사시도,
도 2는 도 1의 분해 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 이차전지용 대전류 보호소자를 예시한 분해 사시도,
도 4는 본 발명에서 과전류에 의한 용단 동작을 예시한 등가 회로도,
도 5는 본 발명에서 과전압에 의한 용단 동작을 예시한 등가 회로도,
도 6은 본 발명에서 용단 전 가용체의 적층 상태를 예시한 사시도,
도 7은 본 발명에서 가용체가 용단 후 전극에 끌려져 접촉된 상태를 예시한 사시도,
도 8은 도 7에서 가용체 부분을 분리하여 도시한 사시도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 절연 기판의 에지부에 캐스털레이션이 형성된 예를 보인 사시도, 및
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 절연 기판의 에지부에 캐스털레이션이 형성된 예를 보인 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.
실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차전지용 대전류 보호소자가 패키징 된 예를 보인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지용 대전류 보호소자는 패키지 형태로 제공될 수 있다. 보호소자 패키지(100)의 일측에는 제1 외부단자(110)가 인출되고, 그 반대측에는 제2 외부단자(120)가 인출된다. 그리고 전방을 향해 제3 외부단자(130)가 인출된다. 제1 외부단자(110), 제2 외부단자(120), 제3 외부단자(130)는 각각 배터리 팩 내부에서 배터리 단자 및 보호회로 단자 등과 볼트 체결될 수 있도록 체결공을 구비한다.
후술하는 실시예에서와 같이, 제1 외부단자(110)와 제2 외부단자(120)는 패키지 내부에서 가용체(260)의 양단부에 연결되는 단자로서 과전류 용단을 위한 회로의 단자를 구성한다. 또한, 제1 외부단자(110)와 제3 외부단자(130)는 패키지 내부에서 제1 발열체(232) 및 제2 발열체(234)의 양단부에, 상세하게는 각각 제1 발열체 연결 전극(222) 및 제2 발열체 연결 전극(226)에, 연결되는 단자로서 과전압 용단을 위한 회로의 단자를 구성한다.
한편, 도시된 예에서는 보호소자 패키지(100)가 3단자형으로 구성된 것을 예시하였으나, 본 발명의 기술사상은 이에 국한하지 않고 2단자형 또는 3단자 이상의 형태에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다. 도 2를 참조하면, 보호소자 패키지(100)는 상부 절연커버(140)와 하부 절연커버(150)가 조립되는 구조를 가지며, 상부 절연커버(140)와 하부 절연커버(150) 사이에 보호소자(200)가 설치된다.
상부 절연커버(140)의 코너부 내측에는 결합 돌부(142)가 돌출되며, 하부 절연커버(150)의 코너부 내측에는 결합 돌부(142)의 위치에 대응하여 결합 요부(152)가 형성되어, 상부 절연커버(140)와 하부 절연커버(150)가 유격 없이 견고하게 조립될 수 있다. 절연커버 내측의 보호소자(200)에 대하여는 도 3의 분해사시도를 참조하여 상세하게 설명한다.
한편, 하부 절연커버(150)의 내측에는 하부로 함몰된 함몰부(154)가 형성된다. 이 함몰부(154)는 도 9 및 10을 참조하여 후술하는 바와 같이 가용체(260)의 용융물이 캐스털레이션부를 통해 하부로 유입될 때 용융물을 가두는 공간으로 작용한다. 또한, 도 2에서 묘사되지 않았지만, 상부 절연커버(140)의 내측에도 함몰부(154)에 대응하여 상부로 오목한 공간부가 형성된다. 이 공간부에 의해 후술하는 바와 같이 가용체(260)의 용융물이 가용체 전극(252, 254) 및 중간 전극(256)에 집속될 때 충분한 두께로 집속될 수 있도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 이차전지용 대전류 보호소자를 예시한 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 절연커버의 하방에는 절연 기판(210)이 배치된다. 절연 기판(210)은 예컨대 세라믹 기판이다. 절연 기판(210)의 상부 양측에는 제1 발열체 연결 전극(222)과 제2 발열체 연결 전극(226)이 배치된다. 도 3의 분해사시도는 발명의 이해를 돕기 위해 도 2에 예시된 보호소자(200)를 90도 회전하여 분해한 도면으로, 제1 발열체 연결 전극(222)은 중간 전극(256)을 매개로 하여 가용체(260)에 접속된다. 도시한 예에서 제1 발열체 연결 전극(222)에서 절연 기판(210)의 에지부로 인출된 제1 전극 인출부(224)가 중간 전극(256)과 접속되어 가용체(260)의 중간 접속점에 연결된다. 제2 발열체 연결 전극(226)은 좀 더 넓은 제2 전극 인출부(228)가 절연 기판(210)의 에지부로 인출되어 제3 외부단자(130)에 직접 접속된다.
제1 발열체 연결 전극(222)과 제2 발열체 연결 전극(226) 상에 도시한 바와 같이 제1 발열체(232) 및 제2 발열체(234)가 접속된다. 제1 발열체(232) 및 제2 발열체(234)는 각각 열전도도가 높은 도전체로 구성되며, 장변부가 일정 방향으로 나란하게 배치되어 두 발열체 연결 전극에 대해 병렬로 접속된다. 즉, 두 발열체 연결 전극 사이에 과전압이 인가될 때 제1 발열체(232) 및 제2 발열체(234)가 저항 발열에 의해 발열된다.
제1 발열체(232) 및 제2 발열체(234)의 상부에는 두 발열체를 커버하도록 절연 부재(240)가 배치되며, 절연 부재(240) 상에 제1 가용체 전극(252), 제2 가용체 전극(254), 및 중간 전극(256)이 배치된다. 그리고 제1 가용체 전극(252), 제2 가용체 전극(254), 및 중간 전극(256)의 상부에 각 전극들과 전기적으로 연결되도록 가용체(260)가 접속된다.
제1 가용체 전극(252) 및 제2 가용체 전극(254)은 가용체(260)가 용융될 때 가용체(260)의 용융물을 끌어당겨 집속하기 위한 전극으로서, 충분한 절연 거리를 갖도록 이격 배치된다. 도시한 바와 같이, 제1 가용체 전극(252)과 제2 가용체 전극(254)은 두 발열체 연결 전극과 직교하는 방향으로 배치되며 발열체 연결 전극 및 발열체들과는 전기적으로 절연된다.
중간 전극(256)은 가용체(260)의 중간에서 인출되는 전극으로 가용체(260)와 제1 발열체 연결 전극(222)의 제1 전극 인출부(224)를 연결하여 후술하는 보호회로를 구성하기 위한 전극이다.
도 4는 본 발명에서 과전류에 의한 용단 동작을 예시한 등가 회로도이고, 도 5는 본 발명에서 과전압에 의한 용단 동작을 예시한 등가 회로도로서, 도 4 및 5를 참조하여 본 발명에 따른 이차전지용 대전류 보호소자가 과전류 및 과전압에 의해 용단되는 동작 특성에 대하여 설명한다.
도 4 및 5를 참조하면, 배터리 셀(310)의 양극 단자와 배터리 팩의 양극 출력단 사이에 2개의 직렬 스위칭 FET(322, 324)가 직렬 연결되며, 여기에 과전류 보호를 위한 1차 보호 IC(320)가 설치된다. 배터리 셀(310)의 양극 단자와 음극 단자 사이에는 1개의 병렬 스위칭 FET(332)와 과전압 보호를 위한 2차 보호 IC(330)가 설치된다. 배터리 셀(310)은 리튬이온 2차전지 셀로 예시하였지만, 다른 2차전지로 대체될 수 있음은 물론이다.
도 4에서 예시한 바와 같이, 배터리 셀(310)의 충방전 경로 중 직렬 라인에서 과전류가 흐를 경우, 즉, 제1 외부단자(110)와 제2 외부단자(120) 사이에 과전류가 인가될 경우, 과전류에 의해 가용체(260)가 용단된다. 도 4의 회로에서는 가용체(260)가 2개의 퓨즈를 구성하는 것으로 예시한 것은, 중간 전극(256)을 중심으로 양측의 가용체(260)를 등가회로로 나타낸 것이며, 배터리 셀(310)의 양극 단자와 배터리 팩의 양극 단자 중 더 많은 전류가 흐르는 쪽(대개는 배터리 팩의 양극 단자 쪽)이 먼저 용단되어 전류 경로를 차단한다.
도 5에서 예시한 바와 같이, 배터리 셀(310)의 양단에 과전압이 인가되는 경우, 즉, 보호소자 패키지(100)의 제3 외부단자(130)와 제1 또는 제2 외부단자(110, 120) 사이에 걸리는 과전압에 의해 제1 발열체(232)와 제2 발열체(234)가 동시에 발열되며, 가용체(260)를 가열시켜 용단시킨다. 이때 두 발열체(232, 234)의 가열에 의해 가용체(260)가 신속하게 용단됨은 물론 도 5의 회로도에서와 같이 중간 전극(256)을 중심으로 양측의 가용체(260)가 용단되어 적어도 2개의 크랙이 발생된다.
도 6은 본 발명에서 용단 전 가용체의 적층 상태를 예시한 사시도이고, 도 7은 본 발명에서 가용체가 용단 후 전극에 끌려져 접촉된 상태를 예시한 사시도이고, 도 8은 도 7에서 가용체 부분을 분리하여 도시한 사시도로서, 도 7 및 8은 가용체(260)가 과전압에 의해 용단된 경우를 예시하고 있다.
도 6은 가용체(260)가 용단되기 전 정상상태를 묘사하고 있다. 여기에 도 5의 회로도에서와 같이 과전압이 인가되면, 제1 발열체(232) 및 제2 발열체(234)에 의해 가용체(260)의 양측부가 가열되면서 용융되며, 그 용융물이 제1 가용체 전극(252), 제2 가용체 전극(254), 및 중간 전극(256)에 끌리어 집속되도록 할 수 있다.
도 7은 가용체(260)의 용융물이 각각 제1 가용체 전극(252), 제2 가용체 전극(254), 및 중간 전극(256)에 제1 용융물(262), 제2 용융물(264), 제3 용융물(266)로 집속된 상태를 나타낸다.
여기서, 제1 가용체 전극(252), 제2 가용체 전극(254), 및 중간 전극(256)은 절연 기판(210)의 측면과 바닥면으로 연장되어 연장부를 형성하며, 이 연장부에는 금 또는 백금이 도금처리 될 수 있다. 이와 같이 도금처리 된 연장부는 제1 용융물(262), 제2 용융물(264), 및 제3 용융물(266)을 집속하는 효과를 높여 용융물의 비산에 의한 단락 현상이나, 미세한 크랙에 고전류가 인가되어 아킹 등의 절연 파괴가 발생되는 현상을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 가용체의 용융물이 가용체 전극(252, 254) 및 중간 전극(256)에 집속된 체적, 즉, 용융물(262), 제2 용융물(264), 및 제3 용융물(266)의 체적은 도 8과 같이 묘사할 수 있다.
바람직하게는, 가용체(260)의 체적에 비해 가용체의 용융물이 가용체 전극(252, 254) 및 중간 전극(256)에 집속된 체적, 즉, 용융물(262), 제2 용융물(264), 및 제3 용융물(266)의 체적이 1.1배 이상 크게 설계된다. 그리고 가용체의 용융물(262, 264, 266)이 충분한 두께로 집속될 수 있도록 상부 절연커버(140)의 상부 내측으로 오목한 공간부가 형성된다. 가용체(260)와 가용체의 용융물(262, 264, 266)이 위와 같은 체적 비를 가짐으로써 가용체(260)의 용단 시에 전류의 흐름을 확실하게 차단할 수 있으며, 용융물(262, 264, 266)들 간에 추운한 절연 거리를 확보할 수 있다.
예를 들어, 가용체(260)가 단변부 8mm, 장변부 18mm, 두께 0.3mm의 크기를 가질 때 그 체적은 43.2㎣일 것이다. 이때, 도 8에서 묘사하는 바와 같이 절연 기판(210) 상면의 제1 용융물(262a) 및 제2 용융물(264a)은 각각 장변부 11mm, 단변부 3mm, 두께 0.6mm로 설계할 때 39.6㎣의 체적을 갖는다. 절연 기판(210) 상면의 제3 용융물(266a)은 장변부 2.5mm, 단변부 1.5mm, 두께 0.6mm로 설계할 때 2.25㎣의 체적을 갖는다.
절연 기판(210)의 측면에 대하여 제1 용융물(262b), 제2 용융물(264b), 및 제3 용융물(266b)은 총 합 7.5mm의 폭을 가지며, 높이 0.54mm, 두께는 동일하게 0.6mm로 설계할 때 총 2.43㎣의 체적을 갖는다. 절연 기판(210) 하면에 대하여 제1 용융물(262c), 제2 용융물(264c), 및 제3 용융물(266c)은 총 합 7.5mm의 폭을 가지며, 하면에서의 연장 길이 1.5mm, 두께는 동일하게 0.6mm로 설계할 때 총 6.75㎣의 체적을 갖는다.
도시된 실시예에서 가용체(260)의 체적 43.2㎣에 비해 가용체 용융물의 총 체적이 51.03㎣로서 약 1.18배 크므로 가용체(260) 용융 시에 전류 차단을 보장할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 절연 기판의 에지부에 캐스털레이션이 형성된 예를 보인 사시도이고, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 절연 기판의 에지부에 캐스털레이션이 형성된 예를 보인 사시도이다.
도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지용 대전류 보호소자는 절연 기판(210)의 에지부에 요부와 돌부가 연속하는 캐스털레이션부(270)가 형성될 수 있다. 캐스털레이션부(270)는 하부 절연커버(150)의 상부에서 바라볼 때 도 9와 같은 반원형, 또는 도 10과 같은 사각형 형태로 오목하게 형성될 수 있다. 물론 다른 다각형 형태를 가질수도 있다.
바람직하게는, 캐스털레이션부(270)의 요부는 도시한 바와 같이 가용체 전극(252, 254) 및 중간 전극(256) 상에 형성되며, 그 요부에도 가용체 전극(252, 254) 및 중간 전극(256)의 측면 연장부가 형성될 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 그 요부의 전극 연장부에 금 또는 백금이 도금처리 될 수도 있다.
이와 같은 캐스털레이션부(270)는 가용체(260)의 용융물이 가용체 전극(252, 254) 및 중간 전극(256)으로 집속되는 과정에서 일부 비산물이 존재하여도, 그 비산물을 하부 절연커버(150)의 함몰부(154)로 유도한다. 따라서 용융물의 비산에 의한 단락 현상이나 절연 파괴 현상을 방지하는 효과를 극대화 할 수 있다.
위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
100 : 보호소자 패키지 110 : 제1 외부단자
120 : 제2 외부단자 130 : 제3 외부단자
140 : 상부 절연커버 142 : 결합 돌부
150 : 하부 절연커버 152 : 결합 요부
154 : 함몰부 200 : 보호소자
210 : 절연 기판 222 : 제1 발열체 연결 전극
224 : 제1 전극 인출부 226 : 제2 발열체 연결 전극
228 : 제2 전극 인출부 232 : 제1 발열체
234 : 제2 발열체 240 : 절연 부재
252 : 제1 가용체 전극 254 : 제2 가용체 전극
256 : 중간 전극 260 : 가용체
262 : 제1 용융물 264 : 제2 용융물
266 : 제3 용융물 270 : 캐스털레이션부
310 : 배터리 셀 320 : 1차 보호 IC
322, 324 : 직렬 스위칭 FET 330 : 2차 보호 IC
332 : 병렬 스위칭 FET

Claims (14)

  1. 절연 기판;
    상기 절연 기판 상에 배치되는 제1 발열체 연결 전극 및 제2 발열체 연결 전극;
    상기 제1 발열체 연결 전극 및 상기 제2 발열체 연결 전극 상에 설치되며 상호 이격되어 배치되는 둘 이상의 발열체;
    상기 발열체 상에 배치되는 절연 부재;
    상기 절연 부재 상에 배치되는 가용체 전극;
    상기 가용체 전극 상에 설치되고 상기 발열체의 상방에 위치하되 상기 발열체 각각에 대하여 중첩되는 영역을 가지며, 상기 발열체에 의해 가열되어 용융 시 이차전지의 전류 경로를 차단시키는 가용체; 및
    일단부는 상기 가용체의 중앙부 일측에 접속되며, 타단부는 상기 제1 발열체 연결 전극에 접속되는 중간 전극
    을 포함하며,
    상기 제1 발열체 연결 전극은 상기 절연 기판의 일측 에지부로 인출되어 상기 중간 전극과 접속되는 제1 전극 인출부를 구비하며, 상기 제2 발열체 연결 전극은 상기 절연 기판의 타측 에지부로 인출되되 상기 제1 전극 인출부에 비해 넓은 폭을 갖도록 인출되어 외부단자 중 어느 하나에 접속되는 제2 전극 인출부를 구비하는 이차전지용 대전류 보호소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열체 각각은 상기 절연 기판 상에서 장변부가 일정 방향으로 나란하게 배치되되 한 쌍의 상기 제1 발열체 연결 전극 및 상기 제2 발열체 연결 전극에 대해 병렬로 접속되며,
    상기 가용체는 그 장변부가 상기 발열체의 장변부에 대해 직교하는 방향으로 배치되는 이차전지용 대전류 보호소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극은 상기 절연 기판의 측면과 바닥면으로 연장되어 연장부를 형성하며, 상기 연장부에는 금 또는 백금이 도금처리 되는 이차전지용 대전류 보호소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연 기판의 에지부에는 요부와 돌부가 연속하는 캐스털레이션부가 형성되며, 상기 캐스털레이션부의 요부는 내측으로 상부에서 바라볼 때 다각형 또는 반원형으로 오목하게 형성되며, 상기 절연 기판을 수용하는 절연커버의 바닥면에는 함몰 형성된 함몰부가 구비되는 이차전지용 대전류 보호소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 캐스털레이션부의 요부는 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극 상에 형성되는 이차전지용 대전류 보호소자.
  7. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가용체의 체적에 비해 상기 가용체의 용융물이 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극에 집속된 체적이 1.1배 이상 큰 이차전지용 대전류 보호소자.
  8. 적어도 하나의 배터리 셀; 및
    상기 배터리 셀의 충방전 경로에 접속되며, 상기 충방전 경로를 선택적으로 차단하는 보호소자를 포함하며,
    상기 보호소자는:
    절연 기판;
    상기 절연 기판 상에 배치되는 제1 발열체 연결 전극 및 제2 발열체 연결 전극;
    상기 제1 발열체 연결 전극 및 상기 제2 발열체 연결 전극 상에 설치되며 상호 이격되어 배치되는 둘 이상의 발열체;
    상기 발열체 상에 배치되는 절연 부재;
    상기 절연 부재 상에 배치되는 가용체 전극;
    상기 가용체 전극 상에 설치되고 상기 발열체의 상방에 위치하되 상기 발열체 각각에 대하여 중첩되는 영역을 가지며, 상기 발열체에 의해 가열되어 용융 시 이차전지의 전류 경로를 차단시키는 가용체; 및
    일단부는 상기 가용체의 중앙부 일측에 접속되며, 타단부는 상기 제1 발열체 연결 전극에 접속되는 중간 전극
    을 포함하며,
    상기 제1 발열체 연결 전극은 상기 절연 기판의 일측 에지부로 인출되어 상기 중간 전극과 접속되는 제1 전극 인출부를 구비하며, 상기 제2 발열체 연결 전극은 상기 절연 기판의 타측 에지부로 인출되되 상기 제1 전극 인출부에 비해 넓은 폭을 갖도록 인출되어 외부단자 중 어느 하나에 접속되는 제2 전극 인출부를 구비하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발열체 각각은 상기 절연 기판 상에서 장변부가 일정 방향으로 나란하게 배치되되 한 쌍의 상기 제1 발열체 연결 전극 및 상기 제2 발열체 연결 전극에 대해 병렬로 접속되며,
    상기 가용체는 그 장변부가 상기 발열체의 장변부에 대해 직교하는 방향으로 배치되는 배터리 팩.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극은 상기 절연 기판의 측면과 바닥면으로 연장되어 연장부를 형성하며, 상기 연장부에는 금 또는 백금이 도금처리 되는 배터리 팩.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 절연 기판의 에지부에는 요부와 돌부가 연속하는 캐스털레이션부가 형성되며, 상기 캐스털레이션부의 요부는 내측으로 상부에서 바라볼 때 다각형 또는 반원형으로 오목하게 형성되며, 상기 절연 기판을 수용하는 절연커버의 바닥면에는 함몰 형성된 함몰부가 구비되는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 캐스털레이션부의 요부는 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극 상에 형성되는 배터리 팩.
  14. 제8, 제9항, 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가용체의 체적에 비해 상기 가용체의 용융물이 상기 가용체 전극 및 상기 중간 전극에 집속된 체적이 1.1배 이상 큰 배터리 팩.
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