KR100453898B1

KR100453898B1 - 휴대 전자기기용 배터리 팩

Info

Publication number: KR100453898B1
Application number: KR10-2002-0020395A
Authority: KR
Inventors: 김종삼
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2004-10-20
Also published as: CN1452265A; CN1320693C; US20030194603A1; USRE42592E1; US7288337B2; KR20030081933A; JP4167924B2; JP2003331800A

Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 2차 전지의 일종인, 휴대 전자기기용 배터리 팩(battery pack)에 관한 것이다.

본 발명의 배터리 팩은, (+)단자와 (-)단자를 가지며, 외부에서 공급되는 전원에 의해 충전이 가능한 배터리, 외부 전원과 연결되어 충전을 수행하거나 외부의 부하에 상기 배터리의 전원을 공급하기 위한 팩의 (+), (-)단자, 상기 배터리의 (+), (-)단자와 상기 팩의 (+), (-)단자 사이에 위치하는 부품들 중에서, 전류의 세기가 큰 경로 상에 위치하는 부품들이 실장되어 있는 상부 기판 및, 상기 배터리의 충방전을 제어하기 위한 주변회로들이 실장되어 있는 하부 기판을 포함한다.

상기 배터리 팩에서는, 전류의 세기가 큰 경로 상에 위치하는 부품들이 상부 기판에 실장되게 하고, 배터리의 충방전을 제어하기 위한 주변회로들이 하부 기판에 실장되도록 함으로써, 큰 전류에 의한 발열이 집적회로로 구현되는 주변회로에 영향을 미치지 않도록 한다.

Description

휴대 전자기기용 배터리 팩{A BATTERY PACK FOR A PORTABLE ELECTRONIC DEVICE}

본 발명은 휴대 전자기기용 배터리 팩(battery pack)에 관한 것으로서, 더욱상세하게는 배터리 팩에서 큰 전류가 흐르는 부품과 다른 부품을 분리시킴으로써 큰 전류가 흐르는 부품에서의 발열에 의한 영향을 감소시킬 수 있는 휴대 전자기기용 배터리 팩에 관한 것이다.

일반적으로, 충방전이 가능한 2차 전지(secondary battery)는 셀룰러 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants) 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 이러한 2차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH : nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등 다양한 종류가 개발되고 있다.

이러한 2차 전지는 그 충방전 회로와 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩의 외부 단자를 통해 충전과 방전이 이루어진다. 그런데, 종래의 배터리 팩에서는, 큰 전류가 흐르는 경로 상의 부품에서 열이 발생하는 문제가 있다. 이러한 발열은 주변의 집적회로 칩(integrated circuit chip)에 나쁜 영향을 미쳐서 오작동을 일으키거나, 배터리 팩의 안정성을 떨어뜨려서 에너지 효율을 감소시킨다.

본 발명은 상기한 바와 같은 기술적 배경 하에 이루어진 것으로서, 배터리 팩의 주변회로 중에서 큰 전류가 흐르는 경로 상의 부품들과 다른 부품들을 격리시킴으로써, 전류에 의한 발열의 영향이 다른 회로 부품에 전달되지 않도록 한 휴대 전자기기용 배터리 팩을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 배터리 팩의 기판 구조를 도시한 도면.

도 2는 상기 도 1에 도시된 배터리 팩에서의 전류 흐름을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩의 구성도.

도 4는 상기 도 3의 등가 회로.

도 5는 본 발명에 따른 배터리 팩의 상부 기판에 대한 평면도.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1 : 상부 기판 2 : 하부 기판

3 : 외부 커넥터 4 : 코일

5 : 제1층간 커넥터 6, 7, 8 : 집적회로 칩

9 : 제2층간 커넥터

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 팩은,

(+)단자와 (-)단자를 가지며, 외부에서 공급되는 전원에 의해 충전이 가능한 배터리;

외부 전원과 연결되어 충전을 수행하거나 외부의 부하에 상기 배터리의 전원을 공급하기 위한 팩의 (+), (-)단자;

상기 배터리의 (+), (-)단자와 상기 팩의 (+), (-)단자 사이에 위치하는 부품들 중에서, 전류의 세기가 큰 경로 상에 위치하는 부품들이 실장되어 있는 상부 기판; 및,

상기 배터리의 충방전을 제어하기 위한 주변회로들이 실장되어 있는 하부 기판을 포함한다.

상기 배터리 팩에서는, 전류의 세기가 큰 경로 상에 위치하는 부품들이 상부 기판에 실장되어 있고, 배터리의 충방전을 제어하기 위한 주변회로들이 하부 기판에 실장됨으로써, 큰 전류에 의한 발열이 집적회로로 구현되는 주변회로에 영향을 미치지 않게 된다. 따라서, 배터리 팩을 구성하는 제어회로에서 발열에 의한 나쁜 영향을 제거할 수 있다.

상기 설명된 본 발명의 목적, 기술적 구성 및 그 효과는 아래의 실시예에 대한 설명을 통해 보다 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명의 개념을 설명하기 위한 배터리 팩의 기판 구조가 도시되어 있다.

상기 도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명에 따른 배터리 팩은 상부 기판(1)과 하부 기판(2)으로 이루어져 있다. 상기 상부 기판(1)에는 배터리 팩에서 큰 전류가 흐르는 부품들이 실장된다. 보다 구체적으로, 상기 배터리 팩의 충전 및 방전 경로 상에 위치하는 부품, 예를 들어, 코일(coil), 퓨즈(fuse), 캐패시터(capacitor) 및 스위칭을 위한 트랜지스터 소자 등은 상기 상부 기판(1) 상에 실장된다. 도 1에서 도면 부호 3은 배터리 팩의 외부 커넥터로서, (+)와 (-)단자로 이루어진다. 상기 외부 커넥터(3)는 충전시에 전원과 연결되고, 방전시에 휴대용 전자기기와 연결된다. 도면 부호 4는 코일이다. 상기 언급된 배터리 팩의 모든 부품이 도 1에 도시되지는 않았다. 한편, 하부 기판(2)에는 기타 주변회로로서 집적회로 칩들(6, 7, 8)이 실장되어 있다. 도면 부호, 5와 9는 각각 제1 및 제2층간 커넥터로서, 상부 기판(1)과 하부 기판(2) 상의 부품들을 전기적으로 연결시킨다.

도 2에는 상기 도 1에 도시된 배터리 팩에서의 대전류(전류의 세기가 크다는 의미임) 흐름이 도시되어 있다. 상기 도 2에 도시되어 있듯이, 두 종류의 대전류 흐름은 배터리의 (+)단자와 팩의 (+)단자 사이의 대전류 흐름 I, 배터리의 (-)단자와 팩의 (-)단자 사이의 대전류 흐름 II로 구성된다. 도 2의 상부 기판(1)의 우측은 배터리의 (-)단자와 연결되고, 좌측은 배터리의 (+)단자와 연결된다. 도 2에서 외부 커넥터(3)의 좌측에는 팩의 (+)단자가 형성되어 있고, 상기 외부 커넥터(3)의 우측에는 팩의 (-)단자가 형성되어 있다. 따라서, 상기 두 개의 대전류 흐름 I, II는 서로 분리되어 있고, 두 전류 흐름 간의 간섭이 줄어들 수 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 배터리 팩의 전체 구성이 도시되어 있다.

상기 도 3에 도시되어 있듯이, 본 발명에 따른 배터리 팩은 배터리와 그 주변회로로 이루어진다. 상기 배터리는 4S2P 형태이며, "4S2P"는 직렬 연결된 4개의 단위 셀 2쌍이 서로 병렬로 연결되는 형태를 의미한다. 보다 구체적으로, 배터리 팩의 (+)단자와 배터리의 (+)단자 사이에는 충전 FET(FET2), 코일(L). 방전 FET(FET3), 퓨즈(F)가 차례로 연결되어 있다. 또한, 상기 충전 FET(FET2)와 코일(L)에 병렬로 보조 방전 FET(FET1)가 연결되고, 팩의 (+)단자와 충전 FET(FET2) 사이의 노드에는 제1캐패시터(C1)가 연결되며, 충전 FET(FET2)와 코일(L) 사이의 노드에는 다이오드(D)가 연결되며, 코일(L)과 방전 FET(FET3) 사이의 노드에는 제2캐패시터(C2)가 연결되며, 방전 FET(FET3)와 퓨즈(F) 사이의 노드에는 제3캐패시터(C3)가 연결된다. 한편, 배터리의 (-)단자와 배터리 팩의 (-)단자 사이에는 센서 저항(Rs)이 연결된다. 또한, 상기 배터리의 소정 셀의 전위를 통해 과충전 여부를 판단하는 과충전 보호회로(10), 상기 과충전 보호회로(10)와 센서 저항(Rs)의 출력으로부터 배터리의 충전 상태를 외부에 알리기 위한 게이징부(30) 및 통신 라인(40), 상기 배터리의 소정 셀의 전위와 상기 센서 저항(Rs)의 출력으로부터 상기 각 FET(FET1, FET2, FET3)의 스위칭 상태를 온/오프시킴으로써 배터리의 충방전을 제어하는 충방전 제어 및 보호회로(20)가 구비되어 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 상기 배터리 팩의 (+)단자와 배터리의 (+)단자 사이의 경로 상에 존재하는 부품에는 대전류가 흐르며, 상기 배터리 팩의 (-)단자와 배터리의 (-)단자 사이의 경로 상에 존재하는 센서 저항(Rs)에도 대전류가 흐른다. 따라서, 이들 경로 상에 위치하는 부품들은 상기 도 1의 상부 기판(1)에 실장된다. 그리고, 상기 도 3의 회로에서 과충전 보호회로(10), 충방전 제어 및 보호회로(20), 게이징부(30) 및 통신라인(40)은 상기 도 1의 하부 기판(2)에 실장된다. 이와 같이 함으로써, 대전류가 흐르는 부품들과 미세 전류로 동작하는 부품들이 서로 격리되므로, 대전류로 인한 발열이 상기 과충전 보호회로(10), 충방전 제어 및 보호회로(20), 게이징부(30) 등에 영향을 미치지 않게 된다.

도 4에는 상기 도 3에 도시된 배터리 팩의 등가 회로가 도시되어 있으며, 이 등가 회로를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 팩의 동작에 대해 간략히 설명한다.

먼저, 충방전 제어 및 보호회로(20)는 센서 저항(Rs)과 배터리의 소정 셀의 전위에 따라 상기 트랜지스터(FET1, FET2, FET3)를 온/오프시키기 위한 신호(G1, G2, G3)를 생성하며, 이 신호들(G1, G2, G3)은 해당하는 FET의 게이트에 인가된다.

충전시에는 팩의 (+)단자에서 배터리의 (+)단자로 전류가 흘러야 하므로, 두 개의 FET(FET2, FET3)가 모두 턴온되어야 한다. 충전시의 전류 경로는 팩의 (+)단자에서 시작하여, FET2, 코일(L), FET3 및 퓨즈(F)를 거쳐 배터리의 (+)단자에서 종료한다.

방전시에는 배터리의 (+)단자에서 팩의 (+)단자로 전류가 흐르며, 세 개의 FET(FET1, FET2, FET3)가 모두 턴온된다. 방전시의 전류 경로는 두 개이다. 그 하나는 배터리의 (+)단자에서 시작하여, 퓨즈(F), FET3, 코일(L) 및 FET2를 거쳐 팩의 (+)단자에서 종료한다. 다른 하나는 배터리의 (+)단자에서 시작하여, 퓨즈(F),FET3 및 FET1을 거쳐 팩의 (+)단자에서 종료한다.

한편, 과충전 보호회로(10)는 배터리의 소정 셀의 전위를 검출하고, 이 전위에 따라 배터리가 과충전인 것으로 판단될 경우에는 퓨즈(F)의 양단을 오프(OFF)시킨다. 게이징부(30)는 상기 과충전 보호회로(10)의 출려과 센서 저항(Rs)의 출력을 이용하여 배터리의 충전 상태를 검출하고, 이 검출된 충전 상태를 통신 라인(40)을 통해 외부에 전송한다. 충방전 제어 및 보호회로(20)는 배터리의 소정 셀의 전위와 상기 센서 저항(Rs)의 출력을 이용하여 FET 소자들(FET1, FET2, FET3)의 온/오프를 제어하기 위한 신호(G1, G2, G3)를 생성한다.

도 5에는 본 발명에 따른 배터리 팩의 상부 기판에 대한 평면도가 도시되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 배터리 팩의 상부 기판에는 큰 전류가 흐르는 경로 상의 부품들이 실장되어 있다. 즉, 팩의 (+)단자와 배터리의 (+)단자 사이의 경로에 위치하는 소자들과, 팩의 (-)단자와 배터리의 (-)단자 사이의 경로에 위치하는 소자들이 실장되어 있다.

도 5에서, 도면 부호 51은 팩의 (+)단자와 (-)단자가 형성된 외부 단자, 52는 보조 방전 FET, 53은 충전 FET, 54는 코일, 55는 방전 FET, 56은 퓨즈, 57과 58은 캐패시터, 59는 센서 저항이다. 상기 도 5에서, 화살표(I, II, III)는 전류 경로를 나타내며, 화살표 I은 팩의 (-)단자와 배터리의 (-)단자 사이의 전류 경로이고, 화살표 II는 배터리의 (+)단자에서 팩의 (+)단자까지의 방전시의 전류 흐름을 나타내고, 화살표 III은 팩의 (+)단자에서 배터리의 (+)단자까지의 충전시의 전류흐름을 나타낸다.

이상으로 설명된 바와 같이, 본 발명에서는 배터리 팩의 구성요소 중에서 전류 흐름이 큰 경로 상에 위치하는 부품과 그 외 다른 부품이 상하의 이중 기판에 의해 서로 격리되도록 구성함으로써, 대전류로 인한 발열에 의해 배터리 팩 내의 집적회로가 손상되거나 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

Claims

(+)단자와 (-)단자를 가지며 전기적으로 연결되는 외부단자에 따라 충방전이 가능한 배터리를 포함하는 배터리 팩에 있어서,

상기 외부 단자들을 전기적으로 연결하는 팩(+)단자와 팩(-)단자 및, 상기 배터리의 (+)단자 및 (-)단자와 상기 팩(+)단자 및 팩(-)단자를 각각 전기적으로 연결하며 제1 전류세기를 갖는 전류경로를 형성하는 복수의 연결소자들이 마련되는 상부 기판; 및,

상기 제1 전류세기보다 작은 제2 전류세기를 갖는 전류경로를 형성하며 상기 상기 배터리의 충방전을 제어하기 위한 주변회로들이 실장되는 하부 기판을 포함하는 배터리 팩.
삭제
제1항에 있어서,

상기 상부 기판과 하부 기판 사이에는 두 기판 사이의 전기적 신호 연결을 위한 적어도 하나의 커넥터가 구비되는 배터리 팩.
제1항에 있어서,

상기 상부 기판에는

상기 제2 (+)단자와 상기 배터리의 제1 (+)단자 사이에 전기적으로 연결되는 충방전 트랜지스터 소자, 코일 및 퓨즈가 실장되고,

상기 제2 (-)단자와 상기 배터리의 제1 (-)단자 사이에 전기적으로 연결되는 센서 저항이 실장되는 배터리 팩.
제4항에 있어서,

상기 하부 기판에는

상기 배터리의 소정 셀의 전위에 따라 과충전 여부를 판단하기 위한 과충전 보호회로;

상기 과충전 보호회로의 출력과 상기 센서저항의 출력에 기초하여 상기 배터리의 충전 상태를 측정하는 게이징부;

상기 배터리의 충전 상태를 외부에 표시하기 위한 통신라인; 및

상기 배터리의 소정 셀의 전위와 상기 센서 저항의 출력에 따라 상기 트랜지스터의 온/오프를 제어하기 위한 충방전 제어 및 보호회로

가 실장되는 배터리 팩.