[논문]휴대용 이차전지 보호 시스템용 전류 감지 동작형 보호소자의 퓨즈 가용체 설계

강창룡; 김은민

doi:10.5370/kiee.2018.67.12.1619

휴대용 이차전지 보호 시스템용 전류 감지 동작형 보호소자의 퓨즈 가용체 설계
Design of Fuse Elements of Current Sensing Type Protection Device for Portable Secondary Battery Protection System 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.12, 2018년, pp.1619 - 1625

강창룡 (Dept. of Metallurgical Engineering, Pukyong National University) , 김은민 (Seoul National University Electric Power Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

Portable electronic devices secondary batteries can cause fire and explosion due to micro-current change in addition to the situation of short-circuit inrush current, safety can not be secured with a general operation limited current fuse. Therefore, in secondary battery, it is necessary for the protector to satisfy both the limit current type operation in the open-short-circuit inrush current and the current detection operation characteristic in the micro current change situation and for this operation, a fuse for the current detection type secondary battery protection circuit can be applied. The purpose of this study is to design a protection device that operates stably in the hazardous situation of small capacity secondary battery for portable electronic devices through the design of low melting fuse elements alloy of sensing type fuse and secures stability in abnormal current state. As a result of the experiment, I-T and V-T operation characteristics are satisfied in a the design of the alloy of the current sensing type self-contained low melting point fuse and the resistance of the heating resistor. It is confirmed that it can prevent accidents of short circuit over-current and micro current change of secondary battery.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1 휴대용 전자 제품 사고 사례 Fig. 1 Portable electronic product accident case
그림 그림 2 이차전지의 전기영동 Fig. 2 Electrophoresis process of Secondary Battery
그림 그림 3 한류형 퓨즈의 동작 특성 I-T 커브 Fig. 3 Operating characteristics of the current limited fuse in I-T curve
그림 그림 4 자기 제어 보호소자 회로 Fig. 4 Circuit of self-control protection devices
그림 그림 5 실험 샘플 내부 구조 Fig. 5 Inner structure of sample for test
그림 그림 6 샘플의 외부 치수 Fig. 6 External dimension of sample
그림 그림 7 PCB 접합 용가재의 표면실장공정 온도 프로파일 Fig. 7 Surface mounting process temperature profile of PCB soldering metal-filler
표 표 1 퓨즈 가용체 합금 성분 Table 1 Alloy component of fuse element
그림 그림 8 저융점 금속 가용체 조직 및 성분 분석 Fig. 8 Analysis of metal structure and EDS contents with low melting point fuse elements
그림 그림 9 가용체 두께에 따른 퓨즈의 저항 값 측정 결과 Fig. 9 Result measurement of resistance for fuse according to elements thickness
그림 그림 10 전류 감지 동작형 퓨즈의 전류 동작 특성 I-T 커브 Fig. 10 Current operation characteristics I-T curve of a current sensing type fuse
그림 그림 11 가용체 두께에 따른 전류 감지 동작형 퓨즈의 전류 동작 특성 I-T 커브 Fig. 11 Current operation characteristics I-T curve of a current sensing type fuse according to fuse element thickness
그림 그림 12 전류 감지 동작형 퓨즈의 감지 동작 특성 V-T 커브 Fig. 12 Sensing operation characteristics V-T curve of a current sensing type fuse
그림 그림 13 발열 저항 변경을 통한 V-T 커브의 이동 Fig. 13 Movement of V-T curve by changing the heating resistor
그림 그림 14 발열 저항의 병렬연결에 의한 V-T 커브의 이동 Fig. 14 Movement of V-T Curve by parallel connection of heating resistor
그림 그림 15 전류 감지 동작 퓨즈의 동작 선(Pb-Sn) Fig. 15 Fuse acting line of current sensing type fuse(Pb-Sn)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 중소형 휴대용 이차전지의 안전한 사용을 위하여, 정격전류의 20% 이하, 비교적 적은 전류변화를 감지 후 능동적으로 동작하는 보호회로에 적합한 퓨즈와 퓨즈 가용체를 개발 하여 제시하였다.
본 연구는 휴대용 이차전지의 이상전류 발생에 따른 폭발 및 화재를 방지하기 위하여 정격전류의 125% 이하 미소전류 변화와 완전 단락 전류에 동시에 동작하는 전류 감지 동작형 보호회로의 퓨즈를 제작하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

실험은 각 합금에 따라 제품을 제작하여 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 확인하였다. 각 시료군은 최소 50개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기저항을 측정하고 주기하였다. 이후 파워 서플라이를 사용하여 전기적 특성 실험을 실시하였고, 전류에 따라 동작되는 시간을 분석하여 시험 결과를 도출하였다.
그림 9에서 각 통전 점에서의 퓨즈의 저항 값을 측정 하였다. 넓은 범위의 I-T 동작 특성을 확보하기 위하여 정격전류 12A를 기준으로 퓨즈 가용체의 두께를 0.5mm, 0.6mm, 0.7mm, 0.8mm 로 나누어 전기적 특성의 변화를 확인하였다.
실험은 각 합금에 따라 제품을 제작하여 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 확인하였다. 각 시료군은 최소 50개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기저항을 측정하고 주기하였다.
또한, 회로 내에 이상상태로 인한 정격전류의 20% 이내 미소전류 상승이 지속적으로 유입될 경우 전류를 센싱하여 전류의 흐름 방향을 FET 소자 방향으로 변경하게 된다. 이때, 발열저항에 적용된 전압에 의해 발열 저항의 온도가 상승하게 되고 해당 열로 인해 퓨즈의 가용체를 용단하는 동작특성을 함께 구성하였다.
각 시료군은 최소 50개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기저항을 측정하고 주기하였다. 이후 파워 서플라이를 사용하여 전기적 특성 실험을 실시하였고, 전류에 따라 동작되는 시간을 분석하여 시험 결과를 도출하였다. 동작 실험간 파워 서플라이 전류는 ICE60127-1에 정의된 DC 정 전류에서 변동 전압이 60V 이내가 되도록 유지하였다.
중소형 이차전지 보호 소자에 사용될 금속 가용체는 발열 저항의 열에 의해 용단이 가능한 금속으로 설계가 가능하며, 때문에 표 1와 같이 접합 용가재에서 적용하는 주석(Sn) 계열의 저 융점 금속을 적용 하였다. 접합 저 융점 금속이 퓨즈 가용체로 사용되기 위한 조건은 과전류 및 과전압에 의해 퓨즈 가용체가 용단 후 충분한 절연거리를 확보할 것과 전류가 유입되어 퓨즈 가용체를 용단하는 한류형 퓨즈 특성을 만족할 것 등의 특성이 필요하다.

대상 데이터

실험은 파워 서플라이 BOB社 SGI 330/150, 오실로스코프 Tektronix社 DPO 3022, 저항계측기 Hiyoki社 3227 mΩ Hitester를 사용하였다.
접합 저 융점 금속이 퓨즈 가용체로 사용되기 위한 조건은 과전류 및 과전압에 의해 퓨즈 가용체가 용단 후 충분한 절연거리를 확보할 것과 전류가 유입되어 퓨즈 가용체를 용단하는 한류형 퓨즈 특성을 만족할 것 등의 특성이 필요하다. 해당 특성을 구현하기 위하여 저 융점 합금의 납 계열 금속을 선택하였고, 상용적용 되어 일반적인 금속을 대상으로 시험 하였다.

성능/효과

따라서 해당 합금의 조직은 Sn이 10% 이상 첨가되어 있기 때문에 Pb기지에 고용되고 남은 Sn이 입자 형상이 존재하고 있는 조직으로 되어 있는 것을 알 수 있다[7]. 그리고 그림 8(c) EDS의 결과로부터 오차 범위 1% 이내로 합금의 성분이 원하는 비율로 제작되었음을 확인할 수 있다. 이상의 금속 미세 조직 사진 결과로부터 합금이 올바르게 제작되었음을 확인할 수 있다.
실험결과로부터 제작된 가용체 합금 금속의 조성을 확인하기 위해 미세 조직 분석을 수행하였으며, 설계한 합금의 조성이 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 각 저융점 가용체를 적용한 전류 감지형 이차전지 보호 회로용 퓨즈의 I-T, V-T 커브의 한계를 확인 하였고, 실험 결과로부터 제작 퓨즈는 통전 전류의 미소전류 변화와 돌입 모두에 동작하며, 가용체의 합금과 발열 저항의 사용에 따라 동작 범위와 시간의 이동이 가능하였다. 이와 같은 특성으로 인해 전류 감지형 보호 회로용 저융점 금속 가용체 적용 퓨즈는 이차전지의 메인 퓨즈로의 적용에 적합함을 확인하였다.
그림 10에 전류감지 동작형 퓨즈의 한계전류 동작 특성 즉 I-T 동작 특성을 나타내었다. 결과로부터 Pb-Sn 합금 두께 0.5mm 샘플은 정격 전류가 약 12A이고 정격전류의 1000% 인가 전류에서 0.014초의 동작 시간을 가지는 일반 동작형 퓨즈 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
그림 12에 Pb-Sn-Ag 합금 가용체로 제작된 전류 감지 동작형 퓨즈의 발열 히터 저항의 변경에 따른 용단 범위의 이동을 나타내었다. 결과로부터 기존 6V에서 10V까지 동작하던 가용체 조건을 최대 19V까지 동작 가능함을 저항 변경을 통해 확인하였고 결과를 이용하여 전류 감지 동작의 안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한 기존에 한 개의 발열 저항 히터를 구성하는 전류 감지 동작 구조에서 히터를 2개, 혹은 3개를 구성한 동작 구성 시 그림 13과 같이 한쪽 히터의 용단 후 나머지 히터의 발열을 이용한 발열 범위를 넓힐 수 있다.
그림 9의 결과로부터 미소 전류에 대한 감지 동작 후 히터 발열 동작을 하는 방향의 저항은 평균 6.3 Ω~4 Ω까지로 가용체의 두께에 따라 변하고, 퓨즈 가용체의 한류 동작을 위한 통전 방향으로의 저항은 약 3.85m Ω~1.98m Ω까지 나타남을 확인할 수 있다.
휴대용 이차전지는 단락 돌입 전류의 상황 외에도 미소 전류 변화에 대한 화재 및 폭발이 발생할 수 있으며, 일반적인 수동 동작 한계 전류형 퓨즈로는 안전을 확보할 수 없다. 때문에 완전단락돌입 전류에서의 한계 전류형 동작과 미소 전류 변화 상황에서의 전류 감지 동작의 특성을 모두 만족하는 보호소자가 이차전지에서 필요하고 전류 감지형 이차전지 보호회로용 퓨즈가 연구의 결과로 부터 적용이 적합함을 확인하였다.
실험결과로부터 제작된 가용체 합금 금속의 조성을 확인하기 위해 미세 조직 분석을 수행하였으며, 설계한 합금의 조성이 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 각 저융점 가용체를 적용한 전류 감지형 이차전지 보호 회로용 퓨즈의 I-T, V-T 커브의 한계를 확인 하였고, 실험 결과로부터 제작 퓨즈는 통전 전류의 미소전류 변화와 돌입 모두에 동작하며, 가용체의 합금과 발열 저항의 사용에 따라 동작 범위와 시간의 이동이 가능하였다.
이상과 같은 본 연구의 결과로부터 휴대용 이차전지의 화재 및 폭발에 대한 안전을 확보하기 위하여 적용한 전류 감지형 퓨즈는 기본 보호 특성을 만족하며, 미소전류변화 상황에 대응할 수 있는 적절한 보호소자 설계가 이루어졌다고 판단할 수 있다.
이상의 결과로부터 제작된 퓨즈의 동작은 휴대용 이차전지에서 정격 전류의 105% 이상 낮은 과전류의 발생에 따라 감지 회로가 동작하여 발열 저항에 의해 모든 조건에서 10초 이내에 동작하였고, 단락 돌입 과전류는 10ms~20초 이내에 모두 동작하여 휴대용 이차전지를 안전하게 보호함을 확인할 수 있다. 일반적인 수동 동작형 한계전류형 퓨즈의 적용 위치와 달리 전력 원의 안전, 즉 이차전지로 충방전 시 유입되는 전력 이상상태에서 화재 및 폭발을 방지하기 위해서는 전류감지 형태의 보호소자가 필요하고, 제작된 전류 감지 동작형 보호 회로용 퓨즈의 실제 동작 특성은 전류 특성과 전압 특성이 중첩되는 그림 15와 같이 넓은 이상상태 범위에서 안전을 확보할 수 있다.
그리고 그림 8(c) EDS의 결과로부터 오차 범위 1% 이내로 합금의 성분이 원하는 비율로 제작되었음을 확인할 수 있다. 이상의 금속 미세 조직 사진 결과로부터 합금이 올바르게 제작되었음을 확인할 수 있다.
각 저융점 가용체를 적용한 전류 감지형 이차전지 보호 회로용 퓨즈의 I-T, V-T 커브의 한계를 확인 하였고, 실험 결과로부터 제작 퓨즈는 통전 전류의 미소전류 변화와 돌입 모두에 동작하며, 가용체의 합금과 발열 저항의 사용에 따라 동작 범위와 시간의 이동이 가능하였다. 이와 같은 특성으로 인해 전류 감지형 보호 회로용 저융점 금속 가용체 적용 퓨즈는 이차전지의 메인 퓨즈로의 적용에 적합함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬이온 저용량 이차전지의 문제점은 무엇인가?	리튬이온 저용량 이차전지는 전기 설비용 대용량 이차전지 제품에 비하여 상대적으로 작은 제품 크기와 공간 확보가 부족하여 그림 2와 같이 전기영동 등의 셀간 거리에서 발생하는 사고가 빈번히 발생하는 편이다. 전기영동에 의한 이차전지 화재 발생 프로세스는 순차적으로 충격 및 전기영동 현상에 의한 분리막 손상, 충전 방전 동작 시 전류의 지속적 이동, 이차전지 전해질이 분해되어 가스 발생, 가스의 압력이 분리막을 이동시켜 전해액 혼합, 전해액이 혼합된 후에도 충전은 계속 유지, 폭발 및 화재 발생의 과정으로 이루어진다.
	전기영동에 의한 이차전지 화재 발생 프로세스는 어떠한가?	리튬이온 저용량 이차전지는 전기 설비용 대용량 이차전지 제품에 비하여 상대적으로 작은 제품 크기와 공간 확보가 부족하여 그림 2와 같이 전기영동 등의 셀간 거리에서 발생하는 사고가 빈번히 발생하는 편이다. 전기영동에 의한 이차전지 화재 발생 프로세스는 순차적으로 충격 및 전기영동 현상에 의한 분리막 손상, 충전 방전 동작 시 전류의 지속적 이동, 이차전지 전해질이 분해되어 가스 발생, 가스의 압력이 분리막을 이동시켜 전해액 혼합, 전해액이 혼합된 후에도 충전은 계속 유지, 폭발 및 화재 발생의 과정으로 이루어진다. 이와 같은 전기영동에 의한 이차전지의 화재 및 폭발을 방지하기 위해서는 유입전류 상승 시 동작하여 전류 유입을 막아주는 퓨즈의 역할이 중요하다.
	IC-FET 회로의 작동원리 및 이상전류 발생 시 어떻게 대처하는가	적용 보호회로는 그림 4와 같이 일반으로 전압과 전류가 정상 작동을 할 경우 전류 충전 방향으로 회로가 정상 작동하게 된다. 그리고 완전 단락 돌입전류 및 과전류가 발생할 경우 순간적으로 발생하는 화재 위험에 퓨즈 가용체가 한류형 퓨즈 동작을 하여 용단하게 된다. 또한, 회로 내에 이상상태로 인한 정격전류의 20% 이내 미소전류 상승이 지속적으로 유입될 경우 전류를 센싱하여 전류의 흐름 방향을 FET 소자 방향으로 변경하게 된다. 이때, 발열저항에 적용된 전압에 의해 발열 저항의 온도가 상승하게 되고 해당 열로 인해 퓨즈의 가용체를 용단하는 동작특성을 함께 구성하였다.

참고문헌 (8)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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