KR100965743B1 - 이차전지 전류차단방법 및 이를 이용한 배터리 팩 - Google Patents

이차전지 전류차단방법 및 이를 이용한 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이차전지 전류차단방법과 이를 이용한 배터리 팩에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적과제는 이차전지의 대전류 경로에 흐르는 전류의 차단 시점을 정확하게 산출하는 이차전지 전류차단방법 및 이를 이용한 배터리 팩을 제공하는 데 있다. 이를 위해 이차전지의 대전류경로에 전류가 흐를때 전류값을 측정하는 단계와, 측정된 전류값이 흐를 수 있는 허용 시간을 설정하는 허용시간 설정단계; 전류가 흐른 시간을 측정하는 흐름시간 측정단계; 및 전류가 흐른 시간이 허용시간을 넘었을 때를 검출하여 전류를 차단하는 전류차단단계를 구비하는 이차전지 전류차단방법을 개시한다. 따라서, 이차전지의 대전류 경로에 흐르는 전류를 차단하는 시점이 정확하게 산출되어 이차전지의 과열 및 폭발을 방지할 수 있는 효과가 있다.
전류차단, 과전류, 허용시간, 함수, 전류측정

Description

이차전지 전류차단방법 및 이를 이용한 배터리 팩{ METHOD OF BRAKING CURRENT FOR RECHARGEABLE BATTERY AND BATTERY PACK USING THE SAME}
본 발명은 이차전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전지의 대전류 경로단에 흐르는 전류를 차단하는 방법 및 이를 이용하여 전류차단기능이 구비된 배터리 팩에 관한 것이다.
최근 셀룰라 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 휴대용 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 대표적인 이차전지에는 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion)전지 등이 있다. 특히, 리튬 이온 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 작동 전압이 약 3배나 높다. 또한, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 이온 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이온 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
한편, 기본 충/방전 기능을 수행하는 베어셀 상태의 리튬 이온 전지에는 보호회로가 부착되어 사용되는데, 보호회로는 배터리와 함께 팩 상태를 이루어 배터리 팩이 된다.
배터리 팩에 실장된 보호회로는 리튬 이온 전지가 충전기와 접속되었을 때 충전 경로를 선택하여 리튬 이온 전지를 안정적으로 충전시킨다. 또한, 리튬 이온 전지가 부하인 휴대용 전자제품에 접속되었을 때 방전 경로를 선택하여 리튬 이온 전지를 안정적으로 방전되게 한다. 또한, 리튬 이온 전지가 충전 또는 방전을 할 때, 리튬 이온 전지의 전류값을 읽어 들여 과전류를 검출하고, 검출된 전류값이 어느 일정 값을 넘었을 시에 리튬 이온 전지의 전류를 차단하게 된다.
하지만, 이러한 전류 차단 방법은 전류값이 연속적으로 변화할 때, 변화하는 전류값의 크기에 따른 전류 차단 시점을 정확하게 산출하는데 어려움이 있다.
또한, 리튬 이온 전지는 연속적으로 충전 또는 방전을 할 때 점차적으로 과열된다. 하지만, 보호회로는 어느 임계값 이상으로 전류가 흐를 시에만 전류를 차단하게 된다. 그러므로, 보호회로는 리튬 이온 전지가 과열되는 시간까지 고려하여 전류를 차단할 수 없게 된다.
상기한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 이차전지의 대전류 경로에 흐르는 전류의 차단 시점을 정확하게 산출하는 전류차단방법 및 이를 이용한 배터리 팩을 제공하는 데 있다.
더불어, 본 발명의 다른 기술적 과제는 이차전지의 대전류 경로에 흐르는 전류를 효율적으로 차단하는 전류차단방법 및 이를 이용한 배터리 팩을 제공하는데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 이차전지 전류차단방법은 이차전지의 대전류경로에 전류가 흐를때 전류값을 측정하는 전류측정단계; 상기 전류측정단계에서 측정된 전류값이 흐를 수 있는 허용 시간을 설정하는 허용시간 설정단계; 상기 전류측정단계에서 상기 전류가 흐른 시간을 측정하는 흐름시간 측정단계; 및 상기 전류가 흐른 시간이 상기 허용시간을 넘었을 때를 검출하여, 상기 대전류경로의 차단하는 전류차단 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 허용시간 설정단계와 상기 흐름시간 측정단계는 동시에 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전류측정단계에서 상기 전류값을 측정하는 방법은 상기 이차전지의 대전류 경로단의 임의의 두 지점 전압차를 측정하여 전압차의 변화로 상기 전류값을 측정할 수 있다. 이때, 상기 측정된 전압값을 실시간으로 평균치 또는 실효치로 변환하여 적산한 후, 전류값으로 변환하여 계산할 수 있다.
또 다른 한편, 상기 허용시간 설정단계에서 상기 허용시간의 설정은 상기 측정된 전류값이 클수록 작은 허용시간을 가지며, 상기 측정된 전류값이 작을수록 긴 허용시간을 가질 수 있다.
이때, 상기 전류차단 단계에서 상기 측정된 전류값이 어느 특정한 임계값 이상 흐를시에는 전류를 차단하고, 상기 측정된 전류값이 어느 특정한 임계값 이하로 흐를시에는 상기 전류측정단계로 넘어가 계속적으로 전류를 측정할 수 있다.
또한, 상기 허용시간 설정단계에서 상기 측정된 전류값이 흐를 수 있는 허용 시간의 설정 값은 지수 함수 또는 n차 방정식의 프로파일에 의해 설정될 수 있다.
이때, 지수 함수 또는 n차 방정식 형태의 프로파일은 수치 보간법에 의해 상기 허용시간을 이산 데이타로 설정할 수 있다.
한편, 상기한 이차전지 전류차단방법을 이용한 배터리 팩은 이차전지; 상기 이차전지의 대전류 경로에 전기적으로 연결된 충/방전 스위칭 소자; 및 상기 충/방전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되어 상기 충/방전 스위칭 소자를 온/오프 시키고, 상기 이차전지의 대전류 경로단에 전기적으로 연결되어 상기 대전류 경로에 흐르는 전류를 측정하며, 상기 측정된 전류값에 대응하는 시간이 경과되었을 때 상기 대전류경로에 흐르는 전류를 차단하는 제어부를 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 이차전지의 대전류경로에 흐르는 전류를 측정하며 상기 충/방전 스위칭 소자의 온 또는 오프를 제어하는 1차 보호회로와, 상기 1차 보호회로와 전기적으로 연결되어 상기 1차 보호회로가 측정한 전류값을 받으며 상기 전류값에 따라 상기 1차 보호회로에 상기 충방전 스위칭 소자의 오프 신호를 보내는 2차 보호회로를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 이차전지의 대전류 경로에는 센스 레지스터가 직렬로 설치되고, 상기 센스 레지스터의 두 지점간 양 단 전압차를 상기 제어부가 측정하여 전류값을 연산할 수 있다.
상기한 이차전지 전류차단방법 및 배터리 팩은 이차전지의 대전류 경로에 흐르는 전류를 차단하는 시점이 정확하게 산출되어 이차전지의 과열 및 폭발을 방지한다.
또한, 이차전지 전류차단방법 및 배터리 팩은 이차전지의 대전류 경로에 흐르는 전류를 보다 효율적으로 차단시킨다.
이상의 효과는 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 간결하게 서술했으며, 본 발명의 상세한 설명에서, 본 발명의 특징들과 대응하는 효과를 더 상세하게 기재하였다.
또한, 본 발명은 상술한 특정의 실시예나 도면에 기재된 내용에 그 기술적 사상이 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 내에 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 배터리 팩에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예들에서는 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면부호를 사용하기로 하며, 동일한 구성요소의 중복되는 설명은 가능한 하지 않기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전류차단방법을 이용한 배터리 팩의 블럭도이다. 도 1a의 미설명 부호 111은 이차전지(110)의 대전류 경로를 나타내었다. 또한, 미설명 부호 112는 양극 충방전 단자이고, 미설명 부호 113은 음극 충방전 단자이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 이차전지 전류차단방법을 이용한 배터리 팩(100)은 이차전지(110), 충방전 스위칭 소자(120) 및, 제어부(130)를 포함하여 형성된다.
이차전지(110)는 재충전 가능하며 적어도 하나 이상으로 형성된다. 또한, 이차전지(110)는 파우치형 전지 또는 캔형 전지로 형성될 수 있으며, 이들이 혼합적으로 사용될 수도 있다. 하지만, 본 발명에서 이차전지(110)의 종류 및 그 구성을 한정하는 것은 아니다.
충방전 스위칭 소자(120)는 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 전기적으로 연결 된다. 또한, 충방전 스위칭 소자(120)는 이차전지(110)의 충전 또는 방전시 제어부(130)의 신호에 의해 온(on) 또는 오프(off) 된다. 또한, 충방전 스위칭 소자(120)는 충전 스위칭 소자(121)와 방전 스위칭 소자(122)를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 충전 스위칭 소자(121)에는 방전 경로를 차단하는 기생 다이오드(121a)가 형성될 수 있으며, 방전 스위칭 소자(122)에도 충전 경로를 차단하는 기생 다이오드(122a)가 형성될 수 있다. 도 1a에서는 이차전지(110)가 방전시에 시계방향으로 전류를 흘리며, 충전시에는 반시계 방향으로 전류를 흘리는 것으로 도 시하였다. 또한, 충/방전 스위칭 소자(120)는 전계효과 트랜지스터로 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명에서 충전 스위칭 소자(121) 및 방전 스위칭 소자(122)의 종류와 구성 및 결합관계를 한정하는 것은 아니다.
제어부(130)는 이차전지(110)의 충방전 스위칭 소자(120)와 전기적으로 연결된다. 또한, 제어부(130)는 양극단자(112)와 음극단자(113)에 충전기(미도시)가 접속시 충전 스위칭 소자(121)를 온(on) 시킨다. 또한, 제어부(130)는 양극단자(112)와 음극단자(113)에 부하가 접속시 충전 스위칭 소자(121)를 온(on) 시키고, 방전 스위칭 소자(122)를 온(on) 시킨다. 또한, 제어부(130)는 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 전기적으로 연결되어 대전류 경로(111)에 흐르는 전류를 측정한다. 도 1a에서는 제어부(130)가 대전류경로(111)에 흐르는 전류를 측정하기 위해서, 대전류 경로(111)에 직렬로 설치된 센스 레지스터(131)가 전기적으로 연결되었다. 따라서, 제어부(130)가 센스 레지스터(131)의 두 지점간 양 단 전압차를 측정하여 전류값을 연산할 수 있다. 하지만, 본 발명에서 제어부(130)의 전류 측정 기능을 한정하는 것은 아니다. 또한, 제어부(130)는 측정된 전류값에 따라 전류가 흐를 수 있는 허용시간을 설정하고, 전류가 흐른 시점부터 전류가 흐른 시간을 계산한다. 이때, 제어부(130)는 전류값의 크기가 증가할수록 허용시간을 짧게 설정하고, 전류값의 크기가 작을수록 허용시간을 길게 설정한다. 그리고, 제어부(130)는 전류가 흐른 시간이 허용시간을 경과하였을 때, 충방전 스위칭 소자(120)를 모두 오프(off) 시켜 전류를 차단한다. 제어부(130)는 다수의 전기소자와 함께 펌웨어(firm-ware)를 내장한 마이크로 컨트롤러 유닛으로 형성될 수 있으며, 또는 에이직(Application Specific Integrated Circuit; ASIC)으로 형성될 수 있다.
상기한 배터리 팩(100)은 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 전류가 흐를 때, 전류값에 따른 상대적인 허용시간을 설정한다. 그리고, 배터리 팩(100)은 전류가 흐른 시간을 측정하여 허용시간에 달했을 때, 충방전 스위칭 소자(120)를 모두 오프(off) 시켜 이차전지(110)의 과열 및 폭발을 방지한다. 따라서, 배터리 팩(100)은 전류값에 따른 상대적인 허용시간이 설정되므로 인해, 보다 효율적으로 이차전지(110)를 충방전 시킨다. 가령, 종래의 배터리 팩이 충방전을 진행할 때, 전류 차단값 보다 못 미치는 전류값으로 계속 흐르게 되면, 종래의 배터리 팩은 과열되어 이차전지의 열화가 진행된다. 물론, 과열을 방지하기 위해서 또 다른 과열 방지 수단이 있을 수 있지만, 과열 방지 수단은 온도에 반응하므로 효율적이지 못하다. 따라서, 본 발명의 배터리 팩(100)은 전류값에 대응하는 허용시간을 설정하여 차단하므로, 배터리 팩(100)의 전류 차단시점을 보다 정확하게 산출할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 블럭도이다. 도 1b에서 미설명 부호인 212, 213은 보조단자이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(200)의 제어부(230)는 1차 보호회로(231)와 2차 보호회로(232)를 포함하여 형성된다.
1차 보호회로(231)는 이차전지(110)의 양단 전압차를 측정하여 충방전 스위칭 소자(120)의 온(on) 또는 오프(off)를 제어한다. 또한, 1차 보호회로(231)는 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 전기적으로 연결되어 대전류 경로(111)에 흐르 는 전류를 측정할 수 있다. 도 1b에서는 1차 보호회로(231)가 센스 레지스터(111)와 전기적으로 연결되어 전류를 측정한 상태이다. 또한, 1차 보호회로(231)는 이차전지(110)의 전압측정을 측정할 수 있으며, 측정 전압에 따라 충방전 스위칭 소자(120)의 온(on) 또는 오프(off) 시킬 수 있다. 예를 들어, 이차전지(110)의 과충전 검출시에 충방전 스위칭 소자(120)를 오프(off) 시켜 과충전을 방지할 수 있다. 이러한 1차 보호회로(231)는 에이직(Application Specific Integrated Circuit; ASIC)으로 구현된 로직으로 형성될 수 있다.
2차 보호회로(232)는 1차 보호회로(231)와 전기적으로 연결되어 1차 보호회로(231)가 검출한 데이타, 즉 전압, 전류 및 충방전 상태등의 정보를 얻는다. 또한, 2차 보호회로(232)는 보조 단자(212, 213)와 전기적으로 연결되고, 보조 단자(212, 213)에 휴대용 전자제품 또는 충전기가 전기적으로 접속되어 2차 보호회로(232)와 통신기능을 수행할 수 있다. 또한, 2차 보호회로(232)는 1차 보호회로(231)가 검출한 전류값을 얻고, 검출된 전류값을 연산한다. 또한, 2차 보호회로(232)는 연산된 전류값에 따른 상대적인 허용시간을 설정하고, 전류가 흐른 시간을 계산한다. 그리고, 2차 보호회로(232)는 전류가 흐른 시간이 허용시간에 도달하였을 때, 1차 보호회로(231)에 전류 차단 신호를 보낸다. 그러면, 1차 보호회로(231)는 전류 차단 신호를 인가받아 충방전 스위칭 소자(120)을 오프시켜 이차전지(110)의 충방전을 정지시킨다. 또한, 2차 보호회로(232)는 복수 개의 전기소자와 함께 A/D컨버터, 내장타이머 및, PWM펄스 발생부등을 내장한 마이크로 컨트롤러 유닛으로 형성될 수 있다.
상기한 배터리 팩(200)은 응답속도가 상대적으로 빠른 1 차 보호회로(231)가 전압측정, 전류측정 및, 충방전 스위칭 소자(120)의 제어등의 기본적인 동작을 수행한다. 2차 보호회로(232)는 연산기능이 구비된 마이크로 프로세서 유닛으로 형성되어 전류가 흐르는 시간을 계산하고, 허용시간의 설정한다. 또한, 2차 보호회로(232)는 전류가 흐른 시간이 허용시간에 달했을 때를 계산하여 1 차 보호회로(231)에 신호를 내보낸다. 이 경우, 배터리 팩(200)의 2차 보호회로(232)는 전류값에 대응하는 허용시간을 설정하여 차단하므로, 배터리 팩(100)의 전류 차단시점을 보다 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 배터리 팩(200)은 응답속도가 빠른 1차 보호회로(231)가 전압측정, 전류측정 및, 충방전 스위칭 소자 제어기능을 담당하고, 2 차 보호회로(232)가 연산기능을 분담하므로 인해, 보다 효율적으로 운영되어 전류 차단시점을 보다 정확하게 산출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지 전류차단 방법의 순서도이다. 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간 대 전류의 그래프이다. 도 3에서는 측정된 전류값에 대응하는 허용시간이 설정된 그래프를 나타내고 있으며, 가로축은 전류가 흐르는 시간(RT)이며 세로축은 이차전지(110)에 흐르는 실제전류값(RC)이다. 또한, 이하의 이차전지 전류차단방법의 설명에서는 편의를 위해 도 1a를 더 참조하여 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이차전지 전류차단방법은 전류측정단계(S1), 흐름시간 측정단계(S2), 허용시간 설정단계(S3), 및, 전류차단단계(S4)를 포함하여 형 성된다.
상기 전류측정단계(S1)는 이차전지(110)의 대전류경로(111)에 전류가 흐를때 전류값을 측정한다. 전류는 제어부(130)의 일 구성원이 될 수 있는 마이크로 프로세서 및, A/D 컨버터가 내장된 시그널 마이크로 프로세서가 측정할 수 있다. 이때, 전류값은 마이크로 프로세서 또는 시그널 마이크로 프로세서의 내부메모리에 저장되거나 이들과 전기적으로 연결된 외부메모리에 해당 비트정보를 저장할 수 있다.
또한, 전류측정단계(S1)에서 이차전지(110)의 전류값을 측정하는 방법으로는 여러 가지 방법이 존재할 수 있는데, 그 가운데서도 이차전지(110)의 대전류 경로(111) 단 임의의 두 지점 간 전압차를 측정하여 전압차의 변화로 상기 전류값을 측정할 수 있다. 이때, 두 지점의 저항은 항상 일정한 값을 유지할 수 있다. 즉, 전류측정단계(S1)에서는 두 지점간의 저항을 기억한 상태에서 두 지점간의 전압차가 변화되는것을 측정함으로서 회로의 흐르는 전류량을 알 수 있게 된다.
또한, 전류측정단계(S1)에서는 상기 측정된 전압값을 실시간으로 평균치 또는 실효치로 변환하여 적산한 후, 전류값으로 변환하여 계산할 수 있다. 이러한 계산은 제어부(130)에 의해 이루어 질 수 있다. 이때, 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 일정한 전류가 흐르지 않을 경우에는 평균치 또는 실효치의 전류값으로 변화시켜 실제 이차전지가 충/방전하는 에너지량을 측정할 수 있다. 이때, 평균치 또는 실효치의 전류값으로 변화된 값은 적산되어 누적될 수 있으며, 누적된 전류값의 평균치 또는 실효치는 어느 특정한 양에 한해서 기록될 수 있다. 즉, 전류값의 평균치 또는 실효값은 계속적으로 누적되다가 제어부(130)의 구성원인 마이크로프 로세서의 내부메모리 또는 외부메모리에 설정된 데이타 양이 다 찰 경우, 해당 데이타를 가장 먼저 들어온 순으로 삭제하면서 새로운 전류 데이타를 입력시킬 수 있다. 따라서, 전류측정단계(S1)에서는 순간적으로 유입되는 임펄스 전류와 같은 피크치를 기록하는 데이타가 생성되어도 어느 특정한 양에 한정된 데이타의 평균치 또는 실효치를 계산하므로, 보다 정확한 에너지의 양을 계산할 수 있게 된다.
상기 흐름시간 측정단계(S2)에서는 전류측정단계(S1)에서 측정한 전류가 흐른 시간을 계산한다. 계산방법은 제어부(130)의 일 구성원인 마이크로 프로세서등의 내부 타이머 또는 외부 타이머가 작동되어 전류가 흐른 시간을 마이크로 프로세서의 내부 메모리 또는 외부 메모리에 저장할 수 있다. 이러한 타이머는 마이크로 프로세서 내에 하드웨어 기반의 로직으로 설계되어 마이크로 프로세서의 중앙 처리부가 이를 제어할 수도 있고, 마이크로 프로세서 내의 내부 연산 장치에 알고리즘 형태의 데이타로 상주 될 수도 있다.
상기 허용시간 설정단계(S3)는 전류측정단계(S1)에서 측정된 전류값이 흐를 수 있는 허용 시간을 설정한다. 이러한 허용시간은 제어부(130)에 의해 그 값이 설정될 수 있는데, 이차전지(110)의 충/방전시 흐르는 전류값의 크기에 따라 이차전지(110)가 전류를 흘릴 수 있는 허용시간을 설정한다. 이러한 허용시간을 설정하는 방법에 대해 도 3를 더 참조하여 설명하면, 도 3에서는 측정된 전류값에 대응하는 허용시간이 설정된 그래프를 나타내고 있으며, 가로축은 전류가 흐르는 시간(RT)이며 세로축은 이차전지(110)에 흐르는 실제전류값(RC)이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 최초 전류가 ocp1의 크기로 흐를 때, 전 류가 흐른 시간이 t3초에 이르게 되면 제어부(130)는 충방전 스위칭 소자(120)를 오프시켜 대전류 경로(111)에 흐르는 전류를 차단하게 된다. 즉, 전류값이 ocp1의 크기로 흐를 때 허용시간은 t3초가 된다. 또한, 최초 전류의 크기가 ocp1의 값보다 큰 ocp2의 크기로 흐를 때는 허용시간이 t2로 설정되고 전류가 흐른 시간이 t2에 이르게 되면 대전류 경로(110)에 흐르는 전류를 차단시킨다. 이와 마찬가지로, 최초 전류의 크기가 ocp2의 값보다 큰 ocp3의 크기로 흘렀을 때 설정되는 허용시간은 t1초로 설정되고, 전류가 흐른 시간이 t1초에 이르게 되면 대전류 경로(111)에 흐르는 전류를 차단시킨다. 즉, 전류값(RC)과 시간(t)의 관계가 전류의 흐름을 허용하는 영역(S2a)내에 있게 되면, 전류는 흐를 수 있게 된다. 이와 반대로, ocp1 내지 ocp3 전류값 범위내에서 전류의 흐름을 허용하는 영역(S2a) 이외의 영역에 있게 되면, 제어부(130)는 충/방전 스위칭 소자(120)를 오프시켜 이차전지(110)의 대전류 경로에 흐르는 전류를 차단시킬 수 있다.
이때, 허용시간 설정단계(S3)에서 허용시간의 설정은 측정된 전류값이 클수록 작은 허용시간을 가지며, 측정된 전류값이 작을수록 긴 허용시간을 가질 수 있다. 이에 대해 도 3를 참조하여 설명하면, ocp3일 때의 허용시간은 t1초이며, ocp1일 때의 허용시간은 t3초이다. 즉, ocp3일 때의 허용시간인 t1초는 ocp1의 전류값일때의 허용시간 t3초보다 작다. 상대적으로 ocp1일 때의 허용시간 t3초는 opc3일 때의 허용시간 t1초일 때보다 길다. 이러한 전류값에 대해 변화되는 허용시간을 실험적으로 측정하는 방법의 일 예로서, 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 흐르는 전류를 증가시켜 가며 흘렸을 때 전류값을 측정하고, 측정된 전류값이 증가됨에 따 라 제어부(130)가 충방전 스위칭소자(120)를 차단한 시간을 기록하면, 전류값에 변화하는 허용시간을 측정할 수 있다.
상기 전류차단단계(S4)는 흐름시간 측정단계(S2)에서 전류가 흐른 시간이 허용시간 설정단계(S3)에서 설정된 허용시간이 되었을 때 대전류경로(111)를 차단한다. 대전류경로(111)의 차단은 제어부(130)가 충방전 스위칭 소자(120)를 오프시켜 형성될 수 있다. 도 3를 더 참조하여 설명하면, ocp2의 전류값에서는 허용시간이 t2초이다. 허용시간이 t2초로 설정되었을 때, t2초 이상으로 전류가 흐르게 되어 지연시간이 t2초에 이르게 되면, 제어부(130)가 충방전 스위칭 소자(120)를 오프시키도록 제어명령을 내릴 수 있다.
상기한 이차전지 전류차단방법을 이용하면, 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 흐르는 전류를 차단하여 이차전지(110)의 보호 또는 이차전지(110)의 과열을 방지할 수 있다. 특히, 전류값에 대응하는 허용시간을 설정하고, 허용시간 이상으로 전류가 흐를시에 이차전지(110)에 흐르는 전류를 차단하여 이차전지(110)의 과열을 방지 할 수 있으므로, 보다 능동적인 전류차단을 할 수 있게 된다. 이때, 상기한 전류차단방법은 충전기(미도시)의 대전류 경로 또는 부하인 휴대용 전자제품(미도시)의 대전류 경로에도 적용될 수 있으므로 이차전지(110) 뿐만 아니나, 충전기 또는 휴대용 전자제품도 보호할 수 있게 된다.
한편, 허용시간 설정단계(S3)와 흐름시간 측정단계(S2)는 동시에 이루어 질 수 있다. 즉, 최초 전류가 흘렀을 때 전류값의 크기에 따른 허용시간을 설정하면서, 전류가 흐른 시간을 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간에 대한 전류의 그래프이다. 도 4에서는 측정된 전류값에 대응하는 허용시간이 설정된 그래프를 나타내고 있으며, 가로축은 전류가 흐르는 시간(RT)이며 세로축은 이차전지(110)에 흐르는 실제전류값(RC)이다.
전류차단 단계(S4)에서는 측정된 전류값이 어느 특정한 임계값 이상으로 흐를시에 전류를 차단할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 흐르는 전류값(RC)이 상한 값(ocp3)을 넘을 시에는 과전류로 인식하여 전류를 차단할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 과전류 영역 넘어로 전류가 흐를 경우, 전류차단 단계(S4)는 이차전지(110)의 과열 또는 폭발등의 이상 동작을 방지하기 위하여 충/방전 전류를 차단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간 대 전류의 그래프이다. 도 5에서는 측정된 전류값에 대응하는 허용시간이 설정된 그래프를 나타내고 있으며, 가로축은 전류가 흐르는 시간(RT)이며 세로축은 이차전지(110)에 흐르는 실제전류값(RC)이다.
전류차단단계(S4)에서는 측정된 전류값이 어느 특정한 임계값 이하로 흐를시에 전류측정단계(S1)로 넘어가 계속적으로 전류를 측정한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전류값 크기가 하한 값(ocp1) 이하로 흐를시에 무전류 상태로 인식하여 제어부(130)의 전류차단 기능을 정지할 수 있다. 즉, 전류값이 하한 값(ocp1) 이하로 흐를시에는 이차전지(110)가 충/방전을 하지 않는 상태로 인식하여 전류를 측정하는 기능을 멈추게 되므로, 제어부(130)가 각 단계(S2, S3, S4)들로 넘어가지 않고 초기 상태인 전류측정단계(S1)로 돌아갈 수 있게 한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간 대 전류의 그래프이다. 도 6에서는 측정된 전류값에 대응하는 허용시간이 설정된 그래프를 나타내고 있으며, 가로축은 전류가 흐르는 시간(RT)이며 세로축은 이차전지(110)에 흐르는 실제전류값(RC)이다.
허용시간 설정단계(S3)에서의 허용 시간의 설정은 수학식(1)에 의해 설정될 수 있다.
Y=a*exp(b*t) (Y=전류값, a와b는 상수, t=허용 시간, exp=지수함수)-식(1)
식(1)은 지수함수이며, 이러한 지수함수 형태의 프로파일을 도 6에 나타내었다. 이러한 지수함수 형태의 프로파일은 전류값이 증가될수록 더욱 짧은 허용시간을 갖도록 하여 이차전지(110)의 대전류경로(111)를 차단시킬 수 있다.
이때, 지수함수인 식(1)은 수치 보간법에 의해 이산 데이타로 설정될 수 있다. 즉, 연속성이 있는 지수 함수를 제어부(130)의 일 구성원인 마이크로 프로세서 내의 내부 메모리 또는 외부 메모리에 이산 값으로 저장하여 데이터 처리량을 간소화 할 수 있다. 이러한 이산 데이타는 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 흐르는 전류값을 증가시켜가며 전류값을 측정한 후, 전류가 흐른 시점부터 충/방전 스위칭 소자(120)가 오프될 때까지의 시간을 전류값에 따라 측정하면 얻어질 수 있다. 이때 얻어진 데이터는 커브 피팅이나 스프라인등의 수치 보간법에 의해 연결되면 도 6에서 보는 바와 같이, 지수함수 형태의 그래프로 표현될 수 있다. 여기서, 상수 a와 b는 이산 데이터를 수치보간법에 의해 지수함수 형태의 그래프로 표현하였을 때, 상기 그래프와 대비되는 근사치로 결정될 수 있다.
도 7a 내지 도 7b를 참조하면, 도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간 대 전류의 그래프이다. 도 7a 내지 도 7b에서는 측정된 전류값에 대응하는 허용시간이 설정된 그래프를 나타내고 있으며, 가로축은 전류가 흐르는 시간(RT)이며 세로축은 이차전지(110)에 흐르는 실제전류값(RC)이다.
허용시간 설정단계(S3)에서의 허용 시간의 설정은 식(2)에 의해 설정될 수 있다.
Y=a*tn+btn-1ㆍㆍㆍ+c(Y=전류값, a와 b 및 c는 상수, t=허용 시간, n=차수)-식(2)
식(2)는 시간의 변수인 t의 n차 방정식이며, 이러한 n차 방정식 형태 가운데 1차 방정식 형태의 프로파일에 대해 도 7a에 나타내었다. (Y=전류값, t=지연시간, a와 b 및 c는 상수) 이러한 1차 방정식 형태의 프로파일은 허용시간이 전류값에 대해 선형적으로 반비례하게 설정하였다. 이때, 1차 방적식은 기울기를 조절하여 해당 지연시간에 대응하는 전류값을 선택적으로 조절할 수 있다. 또한, n차 방정식 함수 형태의 또 다른 예에 대해 도 7b를 참조하면, 도 7b에서는 2차 방정식 형태(Y=전류값, t=지연시간, a와 b 및 c는 상수)의 프로파일을 도시하였다. 이러한 2차 방정식 형태의 프로파일은 지연시간의 범위만 한정되면 지연시간과 전류값의 옵셋값을 쉽게 변경할 수 있는 프로파일을 생성할 수 있다.
이때, n차 방정식인 식(2)은 수치 보간법에 의해 이산 데이타로 설정될 수 있다. 즉, 상기한 식(2)와 같이 연속성이 있는 함수는 제어부(130)의 일 구성원인 마이크로 프로세서 내의 내부 메모리 또는 외부 메모리에 이산 값으로 저장되어 데이터 처리량이 간소화 될 수 있다. 이러한 이산 데이타는 이차전지(110)의 대전류 경로(111)에 흐르는 전류값을 증가시켜가며 전류값을 측정한 후, 전류가 흐른 시점부터 충/방전 스위칭 소자(120)가 오프될 때까지의 시간을 전류값에 따라 측정하면 얻어질 수 있다. 이때 얻어진 데이터는 커브 피팅이나 스프라인등의 수치 보간법에 의해 연결되면 도 7a와 도7b 에서 보는 바와 같은 n차 방정식 형태의 그래프로 표현될 수 있다. 여기서, 상수 a와 b 및 c는 이산 데이터를 수치보간법에 의해 n차 방정식 함수 형태의 그래프로 표현하였을 때, 상기 그래프와 대비되는 근사치로 결정될 수 있다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 전류차단방법을 이용한 배터리 팩의 블럭도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 전류차단방법을 이용한 배터리 팩의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차전지 전류차단방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간 대 전류의 그래프이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간 대 전류의 그래프이다.
도 5은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간 대 전류의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간 대 전류의 그래프이다.
도 7a와 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 허용시간을 설정하기 위한 시간 대 전류의 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110; 이차전지 120; 충방전 스위칭 소자
130; 제어부

Claims (15)

  1. 이차전지의 대전류경로에 전류가 흐를때 전류값을 측정하는 전류측정단계;
    상기 전류측정단계에서 상기 전류가 흐른 시점에서 전류가 흐른 시간을 측정하는 흐름시간 측정단계;
    상기 전류측정단계에서 측정된 전류값의 크기에 따라서 전류가 흐를 수 있는 허용 시간을 설정하는 허용시간 설정단계; 및
    상기 전류가 흐른 시간이 상기 허용시간을 넘었을 때를 검출하여, 상기 대전류경로를 차단하는 전류차단단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류측정단계에서
    상기 전류값을 측정하는 방법은 상기 이차전지의 대전류 경로단 임의의 두 지점 전압차를 측정하여 전압차의 변화로 상기 전류값을 측정하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 측정된 전압값을 실시간으로 평균치 또는 실효치로 변환하여 적산한 후, 전류값으로 변환하여 계산하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 허용시간 설정단계와 상기 흐름시간 측정단계는 병행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 허용시간 설정단계에서
    상기 허용시간의 설정은 상기 측정된 전류값이 클수록 작은 허용시간을 가지며, 상기 측정된 전류값이 작을수록 긴 허용시간을 가지는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류차단단계에서
    상기 측정된 전류값이 어느 특정한 임계값 이상 흐를시에는 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류차단단계에서
    상기 측정된 전류값이 어느 특정한 임계값 이하로 흐를시에는 상기 전류측정단계로 넘어가 계속적으로 전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 허용시간 설정단계에서
    상기 측정된 전류값이 흐를 수 있는 허용 시간의 설정 값은 수학식(1)의 지수함수에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
    Y=a*exp(b*t)(Y=전류값, a와b는 상수, t=허용 시간, exp는 지수함수)-식(1)
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 식(1)은 수치 보간법에 의해 상기 허용시간을 이산 데이타로 설정하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 허용시간 설정단계에서
    상기 측정된 전류값이 흐를 수 있는 허용 시간의 설정 값은 식(2)의 n차 방정식에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
    Y=a*tn+b*tn-1ㆍㆍㆍ+c(Y=전류값, a와 b 및 c는 상수, t=허용 시간, n=차수)-식(2)
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 식(2)은 수치 보간법에 의해 상기 허용시간을 이산 데이타로 설정하는 것을 특징으로 하는 이차전지 전류차단방법.
  12. 이차전지;
    상기 이차전지의 대전류 경로에 전기적으로 연결된 충방전 스위칭 소자; 및
    상기 충/방전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되어 상기 충방전 스위칭 소자를 온 또는 오프 시키고, 상기 이차전지의 대전류 경로단에 전기적으로 연결되어 상기 대전류 경로에 흐르는 전류를 측정하며, 상기 측정된 전류값에 대응하는 시간이 경과되었을 때 상기 대전류경로에 흐르는 전류를 차단하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 이차전지의 대전류 경로에 직렬로 설치되는 센스 레지스터를 더 포함하여 형성되고, 상기 제어부는 상기 센스 레지스터의 두 지점간 양 단 전압차를 측정하여 전류값으로 연산하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 이차전지의 대전류경로에 흐르는 전류를 측정하며 상기 충/방전 스위칭 소자의 온 또는 오프를 제어하는 1차 보호회로와, 상기 1차 보호회 로와 전기적으로 연결되어 상기 1차 보호회로가 측정한 전류값을 받으며 상기 전류값에 따라 상기 1차 보호회로에 상기 충방전 스위칭 소자의 오프 신호를 보내는 2차 보호회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 이차전지의 대전류 경로에 직렬로 설치되는 센스 레지스터를 더 포함하여 형성되고, 상기 2차 보호회로는 상기 센스 레지스터의 두 지점간 양 단 전압차를 측정하여 전류값으로 연산하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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