KR100962497B1 - 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치 - Google Patents

지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1차 보호회로의 이상 동작 또는 파손이 아닌, 오동작에 의해 순간적인 IC 출력 또는 외부에 의한 잡음으로 인한 퓨즈의 오픈 불량을 개선할 수 있는 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치를 제공하기 위한 것으로서, 다수의 셀이 겹겹이 쌓여 생성된 리튬 이온 배터리(Li-ion cell stack)와, 각 셀의 전압을 모니터링하여 1차 전압 이상 충전되거나 방전되었을 때 충전, 방전을 제어하는 1차 보호회로와, 각 셀의 전압을 모니터링하여 상기 1차 전압보다 높은 전압 레벨이 발생되면 이를 출력하는 2차 보호회로와, 상기 2차 보호회로에서 출력되는 전압 레벨이 유지되는 시간을 체크하여 정의된 임계 치 이상으로 시간이 유지되면 제 1 스위칭 소자를 턴 온(turn-on)시켜 퓨즈가 오픈되도록 제어하는 지연회로를 포함하는데 있다.
배터리팩, 보호회로, 2차 보호회로, 퓨즈 오픈

Description

지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치{Apparatus for stabilizing second protection using delay circuit}
본 발명은 휴대용 전기통신기기에 사용되는 배터리팩에 관한 것으로, 특히 셀의 충전, 방전을 제어하는 1차 보호회로(primary protection)가 손상되었을 때에 동작하는 2차 보호회로(second protection)의 오동작에 의한 퓨즈(fuse) 오픈(open) 불량을 방지할 수 있도록 하는 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 이동통신기기, 노트북, PC, 휴대용 개인정보 단말기(PDA : Personal Digital Assistants) 등의 휴대용 전기통신기기는 충전, 방전이 가능한 2차 전지인 축전지가 포함된 배터리팩을 단말기 일 측면에 탈, 부착 가능하도록 결합하여 사용하기 때문에, 이동성이 보장되고 휴대가 간편하여 널리 사용되고 있다.
이러한 휴대용 전기통신기기의 경우, 일정시간동안 사용하게 되면 단말기에 결합된 축전지가 방전되어, 상기 축전지로부터 단말기로 충분한 전원공급이 이루어 지지 않게 되어 단말기를 사용하지 못하게 된다.
따라서 상기 휴대용 전기통신기기를 재사용하기 위해서는 충전기를 이용하여 상기 방전된 축전지를 충전하여 사용하거나, 여분의 충전된 다른 축전지로 교체한 후 사용하게 된다.
상기와 같이 휴대용 전기통신기기에 사용되는 배터리팩은 과 전류 또는 과 전압이 인가되면 상기 배터리팩이 소손되는 등의 안전사고가 발생하는 문제점이 있는 바, 대부분의 배터리팩에는 안전사고를 방지하기 위하여 보호회로가 구비되어 있다.
그리고 상기 보호회로는 셀의 전압을 모니터링하여 일정 전압 이상 충전되거나 방전되었을 때, 충전, 방전을 다회성으로 제어하는 1차 보호회로와, 셀의 전압을 모니터링하여 일정 전압 이상 충전되었을 경우 퓨즈(fuse)를 오픈(open)시켜 영구히 배터리팩을 사용하지 못하도록 제어하는 2차 보호회로로 구성된다.
이처럼, 상기 2차 보호회로는 1차 보호회로가 이상 동작 또는 파손될 경우 1차 전압보다 높은 전압 레벨에서 충전을 금하도록 하는 최종 보호회로로서, 퓨즈를 오픈하면 배터리팩을 폐기하여야 하기 때문에 이는 정말 마지막에만 동작되어야 하며, 퓨즈가 한번 오픈되면 그 배터리팩은 더 이상 사용할 수 없게 된다.
그러나 2차 보호회로는 아래의 경우와 같은 불안정한 조건에서 순간적인 오동작이 발생할 수 있으며, 이 경우 퓨즈(fuse)를 오픈시켜 배터리팩이 폐기되는 문제점이 발생하게 된다.
첫째, 배터리팩을 제조하는 과정, 배터리와 보호회로를 연결하는 중에는 보 호회로 IC에 안정적인 전원공급이 되지 않는 불안정한 상태
둘째, 배터리팩을 시스템과 결합 시에 돌입전류가 발생하는 경우
셋째, 외부로부터의 인가되는 전기적인 잡음
도 1 는 종래 기술에 따른 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1과 같이, 다수의 셀이 겹겹이 쌓여 생성된 리튬 이온 배터리(Li-ion cell stack)와, 각 셀의 전압을 모니터링하여 1차 전압 이상 충전되거나 방전되었을 때 충전, 방전을 제어하는 1차 보호회로와, 각 셀의 전압을 모니터링하여 상기 1차 전압보다 높은 전압 레벨이 발생되는 경우에 스위칭 소자(FET)를 턴 온시켜 퓨즈가 오픈되도록 제어하는 2차 보호회로로 구성된다.
따라서 상기 1차 보호회로가 이상 동작 또는 파손된 경우가 아닌, 위의 세 가지 경우와 같은 오동작에 의한 순간적인 IC 출력 또는 외부에 의한 잡음으로 인해 1차 전압보다 높은 레벨의 전압이 입력되는 경우에도 상기 2차 보호회로는 스위칭 소자에 일정한 전류를 공급하여 턴 온(turn-on)이 되도록 제어하여 퓨즈(FUSE)가 오픈되어 버리게 된다.
이처럼 배터리팩을 제조하는 과정 및 배터리와 보호회로를 연결하는 등 보호회로 IC에 안정적인 전원공급이 되지 않는 불안정한 상태에서는 단순한 오동작으로 인한 퓨즈(FUSE)의 오픈이 계속적으로 발생되어 배터리팩을 폐기하게 되어 배터리팩의 제조 원가를 증가시키는 원인이 된다.
또한, 사용 중 일반적으로 일어날 수 있는, 즉 사용자가 배터리팩을 시스템 과 결합하거나, 또는 외부로부터의 인가되는 전기적인 잡음 등으로 순간적인 돌입전류가 발생하는 경우에 배터리팩의 고장이 유발되게 됨에 따라, 사용 중 제품의 고장률을 증가시키는 결과를 초래하게 된다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 1차 보호회로의 이상 동작 또는 파손이 아닌, 오동작에 의해 순간적인 IC 출력 또는 외부에 의한 잡음으로 인한 퓨즈의 오픈 불량을 개선할 수 있는 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 2차 보호회로의 오동작에 의한 퓨즈 오프의 오동작을 방지하여 배터리팩의 안전성 및 상품성을 크게 향상시킬 수 있는 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치의 특징은, 다수의 셀이 겹겹이 쌓여 생성된 리튬 이온 배터리(Li-ion cell stack)와, 각 셀의 전압을 모니터링하여 1차 전압 이상 충전되거나 방전되었을 때 충전, 방전을 제어하는 1차 보호회로와, 각 셀의 전압을 모니터링하여 상기 1차 전압보다 높은 전압 레벨이 발생되면 이를 출력하는 2차 보 호회로와, 상기 2차 보호회로에서 출력되는 전압 레벨이 유지되는 시간을 체크하여 정의된 임계 치 이상으로 시간이 유지되면 제 1 스위칭 소자를 턴 온(turn-on)시켜 퓨즈가 오픈되도록 제어하는 지연회로를 포함하는데 있다.
바람직하게 상기 지연회로는 상기 2차 보호회로의 출력신호가 입력되면 턴 온 되어 일 측에 연결된 커패시터를 충전하는 제 2 스위칭 소자와, 상기 제 2 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우에 상기 커패시터를 방전하는 제 3 스위칭 소자와, 상기 커패시터에 충전된 전압의 크기와 기준전압의 크기를 비교하여, 상기 기준전압의 크기보다 상기 커패시터에 충전된 전압이 크면, 하이(High) 신호를 출력하여 상기 제 1 스위칭 소자를 턴 온(turn-on)시키는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 제 1 스위칭 소자의 일단은 퓨즈와 연결되고, 다른 일단은 접지되며, 상기 제 2 스위칭 소자의 일단은 전원과 연결되고, 다른 일단은 커패시터의 일단과 연결되며, 상기 제 3 스위칭 소자의 일단은 커패시터 및 비교기의 플러스(+) 입력신호와 병렬로 연결되고, 다른 일단은 접지되며, 상기 커패시터의 일단은 제 2 스위칭 소자 및 제 3 스위칭 소자와 병렬로 연결되고, 다른 일단은 접지된 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 지연회로는 캐퍼시터를 이용하는 적분회로인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 지연회로는 타이머를 이용한 IC 회로인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 배터리팩 제조 시 발생되는 퓨즈 오프의 오동작을 방지하여 배터리팩 제조 시 불량률을 줄일 수 있게 되므로 배터리팩의 제조 원가를 절감하게 되고, 이에 따라 상품성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
둘째, 퓨즈 오프의 오동작을 방지하여 외부로부터의 인가되는 전기적인 잡음 또는 시스템과의 결합 시 발생되는 돌입전류로 인한 배터리팩의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회 로 안정화 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2와 같이, 다수의 셀이 겹겹이 쌓여 생성된 리튬 이온 배터리(Li-ion cell stack)와, 각 셀의 전압을 모니터링하여 1차 전압 이상 충전되거나 방전되었을 때 충전, 방전을 제어하는 1차 보호회로와, 각 셀의 전압을 모니터링하여 상기 1차 전압보다 높은 전압 레벨이 발생되면 이를 출력하는 2차 보호회로와, 상기 2차 보호회로에서 출력되는 전압 레벨이 유지되는 시간을 체크하여 정의된 임계 치 이상으로 시간이 유지되면 제 1 스위칭 소자(FET)를 턴 온(turn-on)시켜 퓨즈가 오픈되도록 제어하는 지연회로를 포함한다.
이때, 상기 1차 보호회로 및 2차 보호회로의 상세한 회로도는 선 출원된 배터리팩의 보호회로들을 통해 이미 공지된 기술로서, 이에 따른 상세한 설명은 생략하고, 본 발명의 핵심 구성요소인 상기 지연회로에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
도 3 은 도 2의 지연회로의 구조를 상세히 나타낸 회로도이고, 도 4a 내지 도 4d는 오동작 또는 노이즈 입력 시에 지연회로에서 출력되는 제어신호를 설명하기 위한 도면이며, 도 5a 내지 도 5d는 정상적인 동작의 신호 입력 시에 지연회로에서 출력되는 제어신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 3과 같이, 지연회로는 상기 2차 보호회로의 출력신호가 입력되면 턴 온되어 일 측에 연결된 커패시터(C1)를 충전하는 제 2 스위칭 소자(Q2)와, 상기 제 2 스위칭 소자(Q2)가 턴 오프되는 경우에 상기 커패시터(C1)를 방전하는 제 3 스위칭 소자(Q3)와, 상기 커패시터(C1)에 충전된 전압의 크기와 기준전압(V1)의 크기를 비 교하여, 상기 기준전압(V1)의 크기보다 상기 커패시터(C1)에 충전된 전압이 크면, 하이(High) 신호를 출력하여 제 1 스위칭 소자(FET)를 턴 온(turn-on)시키는 비교기(U1A)를 포함한다.
이때 상기 제 1, 2, 3 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3)는 FET(Field Effect Transistor)로 구성된다.
그리고 제 1 스위칭 소자(Q1/FET)의 일단은 퓨즈와 연결되고, 다른 일단은 접지된다.
또한 제 2 스위칭 소자(Q2)의 일단은 전원(Vcc)과 연결되고, 다른 일단은 커패시터(C1)의 일단과 연결된다.
또한 제 3 스위칭 소자(Q3)의 일단은 커패시터(C1) 및 비교기의 플러스(+) 입력신호와 병렬로 연결되고, 다른 일단은 접지된다.
또한 상기 커패시터(C1)의 일단은 제 2 스위칭 소자(Q2) 및 제 3 스위칭 소자(Q3)와 병렬로 연결되고, 다른 일단은 접지된다.
도 3과 같이 구성되는 경우에, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 오동작 또는 노이즈 입력이 발생되어 순간적으로 1차 전압보다 높은 전압 레벨이 발생되는 경우에 지연회로에서 출력되는 제어신호를 설명하면 다음과 같다.
도 4a와 같이, 오동작 또는 노이즈의 발생에 따라 상기 2차 보호회로에서 입력되는 입력신호가 1차 전압보다 높은 전압 레벨의 하이(High)인 구간에 제 2 스위칭 소자(Q2)가 턴 온되고, 제 3 스위칭 소자(Q3)는 턴 오프되어 커패시터(C1)를 충전시킨다.
그리고 비교기(U1A)는 플러스(+) 입력 신호가 마이너스(―) 입력 신호보다 클 경우 출력이 하이(High)로 동작하기 때문에 도 4b 및 도 4c와 같이, 커패시터(C1)가 충전되어 기준전압(V1)보다 크게 될 때까지는 상기 비교기(U1A)는 출력이 로우(Low)를 유지된다.
이에 따라, 도 4d와 같이 제 1 스위칭 소자(Q1/FET)가 턴 오프를 유지하여 불안정한 조건(1. 배터리팩을 제조하는 과정, 배터리와 보호회로를 연결하는 중에는 보호회로 IC에 안정적인 전원공급이 되지 않는 불안정한 상태, 2. 배터리팩을 시스템과 결합 시에 돌입전류가 발생하는 경우, 3. 외부로부터의 인가되는 전기적인 잡음)에서 순간적인 오동작이 발생하는 경우에는 퓨즈 오프의 오동작이 발생되지 않게 된다.
한편, 상기 2차 보호회로에서 입력되는 입력신호가 로우(Low)로 변화되면 제 2 스위칭 소자(Q2)는 턴 오프되고, 제 3 스위칭 소자(Q3)는 턴 온되어 커패시터(C1)를 방전시켜 상기 커패시터(C1)의 크기가 제로(zero)가 된다.
아울러 도 3과 같이 구성되는 경우에, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 1차 보호회로의 이상 동작 또는 파손 등에 따른 1차 전압보다 높은 전압 레벨이 발생되는 경우에 지연회로에서 출력되는 제어신호를 설명하면 다음과 같다.
도 5a와 같이, 1차 보호회로의 이상 동작 또는 파손 등에 따라 상기 2차 보호회로에서 입력되는 입력신호가 1차 전압보다 높은 전압 레벨의 하이(High)인 구간에 제 2 스위칭 소자(Q2)가 턴 온되고, 제 3 스위칭 소자(Q3)는 턴 오프되어 커패시터(C1)를 충전시킨다.
그리고 비교기(U1A)는 +입력 신호가 ―입력 신호보다 클 경우 출력이 하이(High)로 동작하기 때문에 도 5b와 같이, 커패시터(C1)가 충전되어 기준전압(V1)보다 크게 될 때까지 상기 비교기(U1A)는 출력이 로우(Low)를 유지한다.
이때, 상기 2차 보호회로에서 입력되는 입력신호가 연속적으로 입력되므로, 상기 커패시터(C1)에 충전되는 전압의 크기는 어느 순간에 기준전압(V1)보다 커지게 된다.
그리고 도 5c와 같이, 상기 커패시터(C1)에 충전된 전압의 크기가 기준전압(V1)의 크기보다 커지는 순간에는 상기 비교기(U1A)는 출력이 하이(High)를 유지하게 된다.
이에 따라, 도 5d와 같이 제 1 스위칭 소자(Q1/FET)는 커패시터(C1)에 충전되는 전압의 크기가 기준전압(V1)의 크기보다 작은 경우에는 턴 오프를 유지하다가, 커패시터(C1)에 충전되는 전압의 크기가 기준전압(V1)의 크기보다 커지는 경우에 턴 온을 유지하여 상기 제 1 스위칭 소자(Q1/FET)를 턴 온(turn-on)시킨다.
이처럼, 상기 2차 보호회로에서 입력되는 입력신호가 1차 전압보다 높은 전압 레벨의 하이(High)로 일정시간이상 유지된다면, 커패시터(C1)가 지속적으로 충전되어 기준전압(V1)보다 큰 시점에서 비교기(U1A)의 출력신호가 하이(high)로 되고, 제 1 스위칭 소자(Q1/FET)가 턴 온이 되어 퓨즈를 오픈시킨다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예로서 설명을 하기 위한 것으로 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
따라서 타이머 등의 IC 지연회로의 구현 및 캐퍼시터를 이용하는 적분회로로 지연회로를 구현한다면 동일한 효과를 나타낼 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있어 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1 는 종래 기술에 따른 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치의 구성을 나타낸 블록도
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치의 구성을 나타낸 블록도
도 3 은 도 2의 지연회로의 구조를 상세히 나타낸 회로도
도 4a 내지 도 4d는 오동작 또는 노이즈 입력 시에 지연회로에서 출력되는 제어신호를 설명하기 위한 도면
도 5a 내지 도 5b는 정상적인 동작의 신호 입력 시에 지연회로에서 출력되는 제어신호를 설명하기 위한 도면

Claims (6)

  1. 다수의 셀이 겹겹이 쌓여 생성된 리튬 이온 배터리(Li-ion cell stack)와,
    각 셀의 전압을 모니터링하여 1차 전압 이상 충전되거나 방전되었을 때 충전, 방전을 제어하는 1차 보호회로와,
    각 셀의 전압을 모니터링하여 상기 1차 전압보다 높은 전압 레벨이 발생되면 이를 출력하는 2차 보호회로와,
    상기 2차 보호회로에서 출력되는 전압 레벨이 유지되는 시간을 체크하여 정의된 임계 치 이상으로 시간이 유지되면 제 1 스위칭 소자를 턴 온(turn-on)시켜 퓨즈가 오픈되도록 제어하는 지연회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 지연회로는
    상기 2차 보호회로의 출력신호가 입력되면 턴 온되어 일 측에 연결된 커패시터를 충전하는 제 2 스위칭 소자와,
    상기 제 2 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우에 상기 커패시터를 방전하는 제 3 스위칭 소자와,
    상기 커패시터에 충전된 전압의 크기와 기준전압의 크기를 비교하여, 상기 기준전압의 크기보다 상기 커패시터에 충전된 전압의 크기가 크면, 하이(High) 신 호를 출력하여 상기 제 1 스위칭 소자를 턴 온(turn-on)시키는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자 내지 제 3 스위칭 소자가 FET(Field Effect Transistor)로 구성된 것을 특징으로 하는 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭 소자가 일단은 퓨즈와 연결되고, 다른 일단은 접지되며,
    상기 제 2 스위칭 소자가 일단은 전원과 연결되고, 다른 일단은 커패시터의 일단과 연결되며,
    상기 제 3 스위칭 소자가 일단은 커패시터 및 비교기의 플러스(+) 입력신호와 병렬로 연결되고, 다른 일단은 접지되며,
    상기 커패시터가 일단은 제 2 스위칭 소자 및 제 3 스위칭 소자와 병렬로 연결되고, 다른 일단은 접지된 것을 특징으로 하는 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 지연회로가 캐퍼시터를 이용하는 적분회로인 것을 특징으로 하는 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 지연회로가 타이머를 이용한 IC 회로인 것을 특징으로 하는 지연회로를 이용한 배터리팩의 2차 보호회로 안정화 장치.
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