KR100739463B1 - 온도 보호기능을 구비한 배터리 보호회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리의 온도가 상승하면 이를 감지하여 충전 또는 방전을 차단시켜, 배터리를 보호하고 그 수명을 연장시킬 수 있는 보호회로에 관한 것이다.

본 발명의 배터리 보호회로는 보호IC의 차단신호 출력단에 정특성 서미스터를 연결하여 온도 상승시 FET에 공급되는 전류를 차단하여 FET를 '오프'상태로 전환하게 하는 것을 특징으로 한다.

배터리, 보호회로, 정특성 서미스터(PTC), FET

Description

온도 보호기능을 구비한 배터리 보호회로 {Battery Protection Circuit With Protection Under High Temperature}

도1은 종래의 배터리 보호회로의 회로도.

도2는 과전류 방지를 위한 PTC를 장착한 종래의 배터리 보호회로의 또다른 일례.

도3은 온도 보호를 위한 PTC를 장착한 배터리 보호회로의 회로도의 일례.

도4는 도3의 저항 대신 NTC를 사용한 배터리 보호회로의 회로도의 일례.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 보호IC 20,30 : 제1,2FET

40 : 배터리 50 : 부하

60,70 : 정특성 서미스터(PTC) 160,170 : 부특성 서미스터(NTC)

80, 90 : 저항 100,110 : 기생 다이오드

120 : 과전류 보호를 위한 정특성 서미스터

본 발명은 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리의 온도가 상승하면 이를 감지하여 충전 또는 방전을 차단시켜, 배터리를 보호하고 그 수명을 연장시킬 수 있는 보호 회로에 관한 것이다.

통상 리튬 이온(Lithium-Ion) 배터리 또는 리튬 폴리머(Lithium-Polymer) 배터리는 그 화학적 특성상 과충전, 과방전, 단자 간의 쇼트(Short) 등에 의한 과전류 상황에서 발화 ·파열·폭발에 의해 화재가 발생할 위험이 크기 때문에, 이를 방지하기 위해 일련의 보호회로 소자와 상기 보호회로 소자로부터 제어 신호를 입력받아 충전 또는 방전을 개시하거나 차단시키는 2개의 FET(Field Effect Transistor)를 부착하여 사용한다.

이러한 보호회로의 일례는 도 1과 같이, 전원단(VDD), 접지단(VSS), 과방전 및 과전류 차단신호를 출력하기 위한 방전 차단신호 출력단(DO), 과충전 차단신호를 출력하기 위한 충전 차단신호 출력단(CO), 과전류 감지단(VM)을 구비하고, 공급되는 전류가 해당 사용기기(50)의 용량을 벗어나지 않도록 과전류 차단값이 내부에 설정되며, 상기 과전류 감지단(VM)을 통해 해당 차단값 이상의 전류가 감지될 경우 배터리(40)의 방전을 차단하기 위한 제어신호를 출력하는 보호 IC(10)를 구비하고, 상기 보호 IC(10)의 과방전 차단신호에 따라 동작하여 배터리의 방전을 차단하기 위한 제1FET(Field Effect Transistor)(20)와, 보호 IC(10)의 과충전 차단신호에 따라 동작하여 배터리의 충전을 차단하기 위한 제2 FET(30)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 종래기술은 과전류나 과충전을 차단할 수는 있었으나, 기 기의 계속적인 사용에 따른 내부 발열 등에 의해 배터리의 온도가 상승하여 배터리가 폭발하게 되는 문제점을 해결할 수 없는 단점이 있었다.

통상 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리의 적정 충전 온도는 0 ~ 45℃이며, 이 범위를 벗어날 경우 배터리의 성능 저하를 불러오기 때문에, 배터리 내부에서 발생하는 열을 고려하여 적정 온도 범위 내에서 충전이 이루어지도록 할 필요성이 있다.

또한 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리의 적정 방전 온도는 -20 ~ 60 ℃이며, 이 범위를 벗어날 경우 배터리의 성능 저하를 불러오기 때문에, 이러한 범위를 넘어선 고온 상황에서의 방전은 배터리의 과열 상황을 초래하여 배터리의 팽창 및 폭발과 화재의 우려가 있다.

그러나 이러한 과열문제를 해결하기 위한 기술은 현재까지 발표된 바가 없고, 단지 도 2와 같은 형태로 배터리 셀과 보호회로 사이에 연결된 정특성 서미스터를 이용하여 과전류 및 쇼트를 방지하기 위한 등록특허 제459423호가 발표된 바 있으나, 이러한 정특성 서미스터는 배터리 셀과 보호회로 사이에 연결되어 과전류가 흐를 경우 정특성 서미스터 자체의 발열에 의해 전류를 차단하게 되는 것이므로 정특성 서미스터를 통해 흐르는 전류가 크서 전류에 따른 정특성 서미스터의 파손이 자주 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 배터리의 온도가 내부 발열에 의해 폭발의 위험이 있는 온도에 달하기 전에 충전 또는 방전을 중지시켜 더 이상의 온도 상승을 방지함으로써 배터리의 폭발을 막을 수 있는 배터리 보호회로를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 사용 중 배터리의 온도가 상승하는 것을 방지하여 배터리의 수명을 연장시킬 수 있는 보호회로를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 배터리의 온도가 상승하는 것을 방지하여 배터리 내부에 내장되는 회로 및 단자의 열화를 방지할 수 있는 보호회로를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명은, 배터리에 장착되어 과전류나 과충전을 방지하는 보호IC와, 충방전시 상기 보호IC의 제어신호에 따라 배터리와 부하 측(충전기 또는 사용기기) 간의 연결을 각각 온-오프 할 수 있는 제1,2 FET와, 상기 제1,2FET의 소스단자 및 드레인 단자 사이에 각각 병렬로 연결된 기생 다이오드로 이루어지는 배터리 보호회로에 있어서,

상기 보호IC의 방전 차단신호 출력단(DO)과 제1FET의 게이트 단자를 정특성 서미스터(Positive Temperature Coefficient Thermistor, 이하 'PTC'라 함.)로 연결함과 동시에,

상기 보호IC의 충전 차단신호 출력단(CO)과 제2FET의 게이트 단자를 또 다른 정특성 서미스터로 연결한 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 제1FET의 게이트 단자와 정특성 서미스터의 연결지점과 제1FET의 소스 단자를 저항으로 연결함과 동시에, 제2FET의 게이트 단자와 정특성 서미스터의 연결지점과 제2FET의 소스 단자를 또 다른 저항으로 연결하는 것도 가능하다.

또한 본 발명은 제1FET의 게이트 단자와 정특성 서미스터의 연결지점과 제1FET의 소스 단자를 부특성 서미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor, 이하 'NTC'라 함.로 연결함과 동시에, 제2FET의 게이트 단자와 정특성 서미스터의 연결지점과 제2FET의 소스 단자를 또 다른 NTC로 연결하는 것이 보다 바람직하다.

이하 본 발명의 구성 및 작동관계를 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 리튬이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리(이하 '배터리'로 통칭한다.)에 사용되는 보호회로(1)의 구성을 나타낸 도이다.

보호IC(10)는 전원단(VDD), 접지단(VSS), 과방전 및 과전류 차단신호를 출력하기 위한 방전 차단신호 출력단(DO), 과충전 차단신호를 출력하기 위한 충전 차단신호 출력단(CO), 과전류 감지단(VM)을 구비하고, 공급되는 전류가 해당 사용기기의 용량을 벗어나지 않도록 과전류 차단값이 보호IC 내부에 설정되며, 상기 과전류 감지단(VM)을 통해 해당 차단값 이상의 전류가 감지될 경우 배터리(40)의 충전 또는 방전을 차단하기 위한 제어신호를 출력하게 된다. 보호IC(10)의 전원단(VDD)는 각각 배터리(40) 또는 부하(50) 측으로 연결된다.

또한, 제1FET(20)의 게이트 단자와 보호IC(10)의 방전 차단신호 출력단(DO) 는 PTC(60)에 의해 연결되며, 제1FET(20)의 소스 단자는 보호IC(10)의 접지단자(VSS)와 함께 배터리(40)의 출력단자로 연결되며, 제1FET(20)의 드레인 단자는 제2FET(30)의 드레인 단자와 연결된다.

또한, 제2FET(30)의 게이트 단자와 보호IC(10)의 충전 차단신호 출력단(CO)은 또 다른 PTC(70)에 의해 연결되며, 제2FET(30)의 소스 단자는 보호IC(10)의 과전류 감지단(VM)과 함께 부하(50) 측으로 연결된다.

제1,2FET(20,30)의 소스 단자와 드레인 단자에 병렬로 연결되는 기생 다이오드(100,110)를 구비하여 제1,2FET(20,30)중 어느 하나가 오프가 되는 충전 또는 방전시에 전원이 기생 다이오드(100,110)를 통해 흘러갈 수 있도록 한다.

제3도에서 저항(80,90)이 생략된 구성으로도 상기와 같은 작동관계를 통하여 보호회로가 정상적으로 작동되지만, 제1FET(20)의 게이트 단자와 PTC(60)의 연결지점과 제1FET(20)의 소스 단자를 저항(80)으로 연결하고, 제2FET(30)의 게이트 단자와 PTC(70)의 연결지점과 제2FET(30)의 소스 단자를 저항(90)으로 연결하는 것도 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가진 배터리 보호회로는 배터리 팩의 내부에서 배터리 셀(Cell)과 밀착되게 또는 배터리 셀과 근접하게 설치되기 때문에, 배터리 셀의 온도가 상승하는 것을 감지하는 것이 가능하다. 특정 온도에 달하면 자체의 저항값이 급격히 상승하는 PTC(60,70)는 통상의 사용온도에서는 낮은 저항값을 가져 보호IC(10)가 제1,2FET(20,30)로 제어신호를 송출하는 것을 차단하지 않으나, 배터리 셀의 온도가 특정 온도 이상이 되면 저항값이 급격히 증가하여 제1,2FET(20,30)로 제어신호가 전달되는 것을 차단하게 되어 제1,2FET(20,30)를 통해 충전되거나 방전되는 것을 방지하게 된다.

충전이나 방전이 정지되어 배터리의 온도가 하강하게 되면, 다시 PTC(60,70)의 저항값이 감소하여 보호IC(10)로부터의 제어신호가 제1,2FET(20,30)로 전달되게 되고, 제1,2FET(20,30)는 보호IC(10)의 제어신호에 따라 충전이나 방전을 제어할 수 있게 된다.

상기 정상 작동상태에서 보호IC(10)로부터 FET(20,30)의 게이트 단자로 전달되는 제어신호는 일반적으로 FET를 '온'상태로 하기 위해 필요한 약 2.3 ~ 4.3 볼트의 전압(이하 'FET 구동전압'라 한다.)을 가진다.

PTC(60,70)는 정상 작동상태에서 이러한 제어신호의 전압을 FET구동전압 정도의 전압값을 가지도록 낮은 저항값을 가지고, 온도가 상승할수록 저항값이 증가하다가 특정 고온에서 제어신호의 전압을 FET구동전압 이하로 감소시킬 정도로 저항값이 증가하여 FET를 '오프'상태로 하는 역할을 하게 된다.

따라서 도2에 나타난 종래 보호회로에 사용되는 PTC와는 달리 본 발명에서는 낮은 전압이 PTC로 흐르게 되어 PTC의 안정성 및 내구성을 확보할 수 있을 뿐 만 아니라, 낮은 전압이 흐르는 PTC를 사용하기 때문에 PTC자체의 크기도 줄일 수 있어 보호회로 내에 실장하는 것도 가능하게 된다.

상기 설명한 바와 같이 PTC는 특정 온도 이상의 고온에서 제어신호가 FET구동전압 이하로 되도록 선택되어야 하지만, 실제 이러한 전압차단에 필요한 만큼의 저항값에 정확히 일치하는 상용 PTC를 채택하기 어려운 경우도 있다.

설정하고자 하는 저항값에 일치하는 PTC를 채택하기 어려운 경우에는 FET(20,30)의 게이트 단자와 PTC(60,70)의 연결지점과 FET(20,30)의 소스 단자를 저항(80,90)으로 각각 연결하여 제어신호의 전압을 적절히 분해함으로써 용이하게 전압의 차단이 가능하다. 즉 온도상승에 따른 증가하는 PTC의 저항값을 참고하여 특정 온도에서 FET로 공급되는 전압이 FET구동전압 이하로 될 수 있도록 연결되는 저항의 저항값을 조정하게 되면, 용이하게 특정 온도의 설정이 가능하게 되는 것이다.

또한, 저항(80,90) 대신에 도4와 같이 NTC를 사용하는 것도 바람직하다. NTC의 경우에는 정상 작동온도에서 그 저항값이 무한히 커져 제1,2FET로 전달되는 신호의 전압이 강해지고, 고온 상황에서는 NTC의 저항값이 작아져 제1,2FET로 전달되는 제어신호의 전압이 약해지기 때문에 보다 효율적으로 특정 온도의 설정이 가능하게 된다.

본 발명의 배터리 보호회로를 사용하게 되면 배터리의 내부 온도가 상승하더라도 배터리가 폭발하는 정도의 온도에 달하지 않도록 할 수 있고, 별도의 온도 감지 센서를 부착할 필요가 없이 용이하게 온도의 설정이 가능하여, 배터리의 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 내부에 내장되는 보호회로 및 단자의 열화 를 방지할 수 있으며, 배터리를 안전하게 사용하는 것을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. 배터리에 장착되어 과전류나 과충전을 방지하는 보호IC와, 상기 보호IC의 방전 차단신호 출력단에 연결되어 배터리와 부하 측 간의 연결을 온-오프 할 수 있는 제 1 FET와, 상기 보호IC의 충전 차단신호 출력단에 연결되어 배터리와 부하 측 간의 연결을 온-오프 할 수 있는 제 2 FET와, 상기 제1 , 2 FET의 소스 단자 및 드레인 단자 사이에 각각 병렬로 연결된 기생 다이오드로 이루어지는 배터리 보호회로에 있어서,

   상기 보호IC의 방전 차단신호 출력단과 제 1 FET의 게이트 단자를 정특성 서미스터로 연결하고, 제 1 FET의 게이트 단자가 정특성 서미스터가 연결되는 연결지점과 제 1 FET의 소스 단자를 부특성 서미스터로 연결하며;

   상기 보호IC의 충전 차단신호 출력단과 제 2 FET의 게이트 단자를 또 다른 정특성 서미스터로 연결하고, 제 2 FET의 게이트 단자가 상기 또 다른 정특성 서미스터가 연결되는 연결지점과 제 2 FET의 소스 단자를 또 다른 부특성 서미스터로 연결한 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.

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