KR101058682B1 - 배터리 팩의 충방전 전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 멀티 배터리 팩 시스템 - Google Patents

배터리 팩의 충방전 전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 멀티 배터리 팩 시스템 Download PDF

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이달훈
허진석
진창언
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Abstract

본 발명은, 배터리 팩의 충방전 전류를 제어함으로써 배터리 팩을 보호할 수 있는 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 멀티 배터리 팩 시스템을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 팩의 방전전류를 제어하기 위한 배터리 팩 보호 장치는, 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 양단의 전압을 측정하는 셀전압 측정부; 상기 배터리 팩의 출력 단자 양단의 전압을 측정하는 팩전압 측정부; 상기 배터리 셀과 상기 출력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키는 방전 스위칭 소자; 상기 배터리 팩의 방전전류가 한계치를 초과하면 상기 방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 방전스위칭 조절부; 및 상기 셀전압 측정부에 의해 측정된 셀전압과 상기 팩전압 측정부에 의해 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 한계치를 산출하여 상기 방전스위칭 조절부로 제공하고, 상기 방전 스위칭 소자의 온오프를 선택적으로 제어하는 제어부를 제공한다.

Description

배터리 팩의 충방전 전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 멀티 배터리 팩 시스템{Apparatus for protecting battery pack by controlling charging or discharging current of battery pack and battery pack and multi battery pack system including the same}
본 발명은 배터리 팩을 보호하는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 팩에 충방전 회로를 연결하는 사용 초기나 배터리 팩을 사용하는 중간 단계에서 배터리 팩에 과전류가 흐르지 않도록 배터리 팩의 충방전 전류를 제어함으로써 배터리 팩을 보호할 수 있는 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 멀티 배터리 팩 시스템에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
특히, 최근에는 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전 에너지를 이용하여 차량 구동력을 얻기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 많은 소비자들에게 좋은 반응을 얻고 있다. 따라서, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 핵심적 부품인 배터리에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있다.
한편, 최근 배터리와 관련하여 사회적으로 가장 큰 이슈가 되고 있는 것이 배터리의 안전성 문제이다. 노트북이나 휴대폰과 같은 전자제품에 대한 사용 인구가 급격히 증가하고 있고, 배터리의 폭발은 휴대용 전자제품의 파손을 가져올 뿐만 아니라 화재로 연결될 수 있다는 점에서 배터리의 안전성 확보가 시급하다. 특히, 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 사용되는 중대형 배터리는 직병렬로 연결된 다수의 단위 전지셀로 구성되어, 고전압을 공급한다는 점에서 배터리의 안전성 확보는 더욱 중요하다. 따라서, 종래에는 배터리의 이상상태 감지시 충방전 전류를 차단하여 배터리의 안전성을 확보하는 다양한 보호 장치들이 사용되고 있다.
도 1은, 종래의 배터리 팩 보호 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 배터리 팩 보호 장치는, 배터리 셀(10)과 배터리 팩의 입출력 단자(Pack+, Pack-) 사이에 전기적으로 연결될 수 있도록 배터리 팩의 봉입부 내에 구비된다. 그리고, 이러한 보호 장치는, 배터리 팩의 충방전 경로 상에 직렬로 접속되어, 배터리 팩의 입출력 단자(Pack+, Pack-)에 충방전 회로(90)가 연결된 경우, 과충전 또는 과방전 여부에 따라 충전 전류 및 방전 전류를 각각 차단하는 충전 스위치(30) 및 방전 스위치(20)와, 충방전 경로에 흐르는 전류를 센싱하기 위해 충방전 경로 상에 직렬 연결된 센스 저항(40), 그리고 이러한 센스 저항(40)을 통해 배터리의 충방전 전류를 모니터링하고 충전 스위치(30) 및 방전 스위치(20)를 제어하는 제어부(50)를 포함한다. 이때, 제어부(50)는 MCU(Micro Control Unit)와 같은 소자로 구성되어, 배터리 셀(10)의 전압을 검출하여, 충전 전압 이상의 전압이 검출된 경우 충전 스위치(30)를 오프 상태로 제어하여 충전 전류를 차단하고, 방전 전압 이상의 전압이 검출된 경우 방전 스위치(20)를 오프 상태로 제어하여 방전 전류를 차단한다.
그런데, 이와 같은 종래의 배터리 팩 보호 장치에 의할 경우, 충방전 회로(90)의 연결에 따른 초기 과전류를 제대로 제어할 수 없다는 문제가 있다. 도 2는, 종래의 배터리 팩에서 방전 또는 충전 초기에 전류의 크기 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 시간 t0에서 배터리 팩에 방전 회로 또는 충전 회로를 연결하는 경우, 연결 초기에 배터리 팩에 순간적으로 러시 전류라고 하는 과전류가 흐를 수 있다. 즉, 충방전 회로를 연결한 순간(t0)부터 일정 시간(t1)이 경과되기 전까지, 배터리 팩에는 정상적인 전류(i1)보다 많은 양의 전류가 흐를 수 있는데, 이러한 과전류는 배터리 팩 보호 장치 뿐만 아니라, 배터리 셀(10)과 충방전 회로를 손상시키는 원인이 될 수 있다. 특히, 충방전 회로의 연결에 따른 러시 전류는 충방전 회로의 연결 초기에 순간적으로 흐를 수 있다는 점에서 종래의 배터리 팩 보호 장치로 감지 및 제어가 쉽지 않다.
뿐만 아니라, 부하 회로의 연결에 의한 초기 과전류가 사라진 이후에도 외부 단락과 같은 여러 원인에 의해 배터리 팩의 충방전 경로에 과전류가 흐를 수 있는데, 이 경우에도 종래의 배터리 팩 보호 장치는 과전류가 발생할 것을 미리 감지하지 못하므로 그러한 과전류에 의한 회로 등의 손상을 예방할 수 없다는 문제점도 존재한다.
한편, 근래에는 복수의 배터리 팩을 병렬 연결하여 충분한 용량을 제공함으로써 휴대형 전자기기의 안정된 동작을 보증하도록 하고, 다양한 종류의 휴대형 전자기기에 대응할 수 있도록 하기 위해 멀티 배터리 팩 시스템이 제안되고 있다.
이러한 멀티 배터리 팩 시스템에는 여러 가지 형태가 있을 수 있으나, 그 중 대표적인 형태는 복수의 배터리 팩을 하나의 마스터 배터리 팩과 하나 이상의 슬레이브 배터리 팩으로 구분하여 포함하는 멀티 배터리 팩 시스템이다. 이러한 멀티 배터리 팩 시스템에서, 마스터 배터리 팩은 방전 동작시 가장 큰 충전용량을 가진 배터리 팩부터 턴 온시켜 전류를 방전시키다가 방전 중에 있는 배터리 팩의 충전용량이 일정한 레벨 이하로 저하되면 방전 대상 배터리 팩의 수를 점차 늘려나간다. 그리고 충전 동작시에는 가장 작은 충전용량을 가진 배터리 팩부터 턴 온시켜 충전을 진행하다가 충전 중에 있는 배터리 팩의 충전용량이 일정한 레벨 이상으로 증가하면 충전 대상 배터리 팩의 수를 늘려나간다.
그런데, 이와 같은 멀티 배터리 팩 시스템의 경우, 충전 또는 방전 중에 배터리 팩이 신규로 턴 온되는 과정에서, 기존에 턴 온되어 있는 배터리 팩의 전압과 신규로 턴 온되는 배터리 팩의 전압 사이에 전압차가 존재하는 경우, 기존에 턴 온되어 있는 배터리 팩과 신규로 턴 온되는 배터리 팩 사이에 전류가 흐를 수 있다. 그런데, 이때 흐르는 전류의 크기가 배터리 팩의 과전류 보호 기능을 동작시키는 한계 전류보다 크면 배터리 팩의 과전류 보호 기능이 작동되어 배터리 팩이 턴 오프되는 문제가 발생할 수 있다. 배터리 팩의 이와 같은 의도되지 않은 턴 오프는, 복수의 배터리 팩을 이용하여 충분한 배터리 용량을 제공하고자 하는 멀티 배터리 팩 시스템의 효용성을 크게 떨어뜨리는 결과를 가져오게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 팩에 방전 회로나 충전 회로를 연결한 직후 또는 배터리 팩의 사용 중, 배터리 팩에 과전류가 흐르게 되더라도, 이를 미리 예측하여 배터리 팩의 충방전 전류를 제어함으로써 과전류에 의해 배터리 팩이나 충방전 회로가 손상되는 것을 방지하고, 의도하지 않은 턴 오프가 발생하지 않도록 하는 배터리 팩 보호 장치와 이를 포함하는 배터리 팩 및 멀티 배터리 팩 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩의 방전전류를 제어하기 위한 배터리 팩 보호 장치는, 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 양단의 전압을 측정하는 셀전압 측정부; 상기 배터리 팩의 출력 단자 양단의 전압을 측정하는 팩전압 측정부; 상기 배터리 셀과 상기 출력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키는 방전 스위칭 소자; 상기 배터리 팩의 방전전류가 한계치를 초과하면 상기 방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 방전스위칭 조절부; 및 상기 셀전압 측정부에 의해 측정된 셀전압과 상기 팩전압 측정부에 의해 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 한계치를 산출하여 상기 방전스위칭 조절부로 제공하고, 상기 방전 스위칭 소자의 온오프를 선택적으로 제어하는 제어부를 제공한다.
바람직하게는, 상기 방전스위칭 조절부는, 상기 배터리 팩의 방전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하는 증폭기; 상기 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 하프 온 동작 전압을 출력하는 비교기; 및 상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 방전 스위칭 소자의 온 저항을 가변 제어하는 하프 온 스위치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩의 충전전류를 제어하기 위한 배터리 팩 보호 장치는, 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 양단의 전압을 측정하는 셀전압 측정부; 상기 배터리 팩의 입력 단자 양단의 전압을 측정하는 팩전압 측정부; 상기 배터리 셀과 상기 입력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키는 충전 스위칭 소자; 상기 배터리 팩의 충전전류가 한계치를 초과하면 상기 충전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 충전스위칭 조절부; 및 상기 팩전압 측정부에 의해 측정된 팩전압과 상기 셀전압 측정부에 의해 측정된 셀전압 사이의 전압차에 따라 상기 한계치를 산출하여 상기 충전스위칭 조절부로 제공하고, 상기 충전 스위칭 소자의 온오프를 선택적으로 제어하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 충전스위칭 조절부는, 상기 배터리 팩의 충전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하는 증폭기; 상기 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 하프 온 동작 전압을 출력하는 비교기; 및 상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 충전 스위칭 소자의 온 저항을 가변 제어하는 하프 온 스위치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전전류를 제어하기 위한 배터리 팩 보호 장치는, 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 양단의 전압을 측정하는 셀전압 측정부; 상기 배터리 팩의 입출력 단자 양단의 전압을 측정하는 팩전압 측정부; 상기 배터리 셀과 상기 입출력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키는 충방전 스위칭 소자; 상기 배터리 팩의 충방전전류가 한계치를 초과하면 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 스위칭 조절부; 상기 스위칭 조절부를 충전 또는 방전에 따라 충전 스위칭 소자 또는 방전 스위칭 소자에 선택적으로 연결하는 스위칭 소자 선택부; 및 상기 셀전압 측정부에 의해 측정된 셀전압과 상기 팩전압 측정부에 의해 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 한계치를 산출하여 상기 스위칭 조절부로 제공하고, 상기 충방전 스위칭 소자의 온오프를 선택적으로 제어하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스위칭 조절부는, 상기 배터리 팩의 충방전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하는 증폭기; 상기 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 하프 온 동작 전압을 출력하는 비교기; 및 상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 가변 제어하는 하프 온 스위치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 팩 보호 장치를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 복수의 배터리 팩을 포함하는 멀티 배터리 팩 시스템은, 그에 포함된 각각의 배터리 팩이, 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 양단의 전압을 측정하는 셀전압 측정부; 상기 배터리 팩의 입출력 단자 양단의 전압을 측정하는 팩전압 측정부; 상기 배터리 셀과 상기 입출력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키는 충방전 스위칭 소자; 상기 배터리 팩의 충방전전류가 한계치를 초과하면 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 스위칭 조절부; 및 상기 셀전압 측정부에 의해 측정된 셀전압과 상기 팩전압 측정부에 의해 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 한계치를 산출하여 상기 스위칭 조절부로 제공하고, 상기 충방전 스위칭 소자의 온오프를 선택적으로 제어하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수의 배터리 팩은 하나의 마스터 배터리 팩과 하나 이상의 슬레이브 배터리 팩으로 구성되고, 상기 마스터 배터리 팩은 소정 시간마다 각각의 슬레이브 배터리 팩으로부터 전체 전압을 제공받아 자신의 전체 전압과 모든 슬레이브 배터리 팩의 전체 전압을 이용하여 목표 전압을 산출하고, 산출된 목표 전압을 각각의 슬레이브 배터리 팩에 전송하며, 상기 목표 전압과 자신의 전체 전압을 비교하여, 그 결과에 따라 충방전 스위칭 소자를 제어하여 자신의 입출력 단자와 배터리 셀을 연결 또는 해제하고, 상기 슬레이브 배터리 팩은 상기 마스터 배터리 팩의 요청에 따라 자신의 전체 전압을 마스터 배터리 팩으로 전송하고, 상기 마스터 배터리 팩으로부터 목표 전압을 제공받아, 상기 목표 전압과 자신의 전체 전압을 비교하여, 그 결과에 따라 충방전 스위칭 소자를 제어하여 자신의 입출력단자와 배터리 셀을 연결 또는 해제한다.
본 발명에 의하면, 배터리 팩에 방전전류 또는 충전전류로서 과전류가 흐르는 것을 방지한다.
특히, 본 발명에 따르면 배터리 팩에 모터와 같은 방전 회로, 또는 충전 장치나 발전기와 같은 충전 회로가 연결되는 초기에 흐를 수 있는 과전류, 즉 러시 전류를 미리 예측하여 차단할 수 있다. 따라서, 배터리 팩에 방전회로나 충전회로를 연결시 배터리 팩이 손상되지 않고 소프트 스타트가 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 충방전 회로의 연결 이후 배터리 팩의 사용 중에도 외부 단락과 같은 여러 요인에 의해 배터리 팩에 과전류가 흐르게 될 수 있으나, 본 발명에 따르면 이러한 상황을 신속하게 감지하여 배터리 팩에 과전류가 계속하여 흐르는 것을 차단한다.
그러므로 배터리 팩에 충방전 회로를 연결한 초기는 물론 배터리 팩의 사용 계속 중에도, 과전류로 인해 배터리 팩에 포함된 보호 장치나 배터리 셀, 또는 충방전 회로가 손상되는 것을 방지한다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 충방전 스위치의 턴 온 전에, 즉 배터리 팩에 충방전 전류가 전혀 흐르지 않은 상태에서 과전류가 흐를지 미리 예측하여 소프트 스타트 여부를 결정함으로써, 배터리 팩에 잠시라도 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 별도의 소프트 스타트 회로의 탑재 없이 종래의 보호 장치를 그대로 이용할 수 있으므로, 저렴한 비용으로 배터리 팩의 소프트 스타트 및 과전류 방지 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 배터리 팩의 소형화 및 제조 비용 절감에 기여할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 복수의 배터리 팩을 포함하는 멀티 배터리 팩 시스템에 적용되는 경우, 각각의 배터리 팩이 과전류로 인해 손상되는 것을 방지함은 물론, 충전 또는 방전을 위해 병렬 접속되는 과정에서 한계치를 초과하는 팩 간 전류에 의해 과전류 보호 기능이 작동되어 일부 배터리 팩의 의도하지 않은 턴 오프가 일어나는 것을 방지한다. 따라서, 복수의 배터리 팩을 병렬 연결함으로써 충방전 용량을 높여 전자기기의 안정된 동작을 보증하고 다양한 종류의 전자기기에 적용할 수 있도록 하는 멀티 배터리 팩 시스템의 효용성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래의 배터리 팩 보호 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는, 종래의 배터리 팩에서 방전 또는 충전 초기에 전류의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 4는, 이러한 방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치의 각 구성 요소가 배터리 팩 내에서 연결된 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치에 포함된 방전스위칭 조절부의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기에서 출력되는 전압 레벨을 도시하는 그래프이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 비교기에서 출력되는 전압 레벨을 도시하는 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치가 배터리 팩의 방전 전류를 제어하는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 9는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 충전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 10은, 이러한 충전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치의 각 구성 요소가 배터리 팩 내에서 연결된 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치에 포함된 충전스위칭 조절부의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치가 배터리 팩의 충전전류를 제어하는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 13은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 충방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 14는, 이러한 충방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치의 각 구성요소가 배터리 팩 내에서 연결된 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자 선택부의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 배터리 팩 시스템의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 17은, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 배터리 팩 시스템에서, 배터리 팩이 신규로 턴 온되는 과정에서 배터리 팩 사이에 전류가 흐르는 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 또한 도 4는, 이러한 방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(100)의 각 구성 요소가 배터리 팩 내에서 연결된 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)는, 셀전압 측정부(110), 팩전압 측정부(120), 방전 스위칭 소자(130), 방전스위칭 조절부(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
상기 셀전압 측정부(110)는, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀(10)의 양단에 연결되어 셀(10) 양단의 전압을 측정한다. 그리고, 이와 같이 측정된 셀전압에 대한 정보는 제어부(150)로 전송된다.
상기 팩전압 측정부(120)는, 배터리 팩의 출력 단자(Pack+, Pack-) 양단에 연결되어 출력 단자(Pack+, Pack-) 양단의 전압을 측정한다. 즉, 팩전압 측정부(120)는 배터리 팩의 출력 단자(Pack+, Pack-)에 방전 회로가 연결되는 경우, 방전 회로로 출력되는 배터리 팩의 전압을 측정한다. 그리고, 이와 같이 측정된 팩전압에 대한 정보는 제어부(150)로 전송된다.
상기 방전 스위칭 소자(130)는, 배터리 셀(10)과 출력 단자(Pack+, Pack-) 사이의 연결을 턴 온(turn on) 또는 턴 오프(turn off) 시킨다. 즉, 방전 스위칭 소자(130)는 배터리 팩의 방전 경로 상에 마련되어, 방전 전류의 흐름을 선택적으로 차단한다.
상기 방전 스위칭 소자(130)는, 모스전계효과 트랜지스터(MOSFET)로 구현될 수 있다. 이와 같이 방전 스위칭 소자(130)를 모스전계효과 트랜지스터로 구현할 경우, P형 모스전계효과 트랜지스터 또는 N형 모스전계효과 트랜지스터가 사용될 수 있다. 다만, N형 모스전계효과 트랜지스터가 사용되는 경우 게이트 전압을 소스 전압보다 높게 유지하여야 하므로 차지 펌프(Charge Pump)와 같은 승압회로가 필요할 수 있다.
상기 방전스위칭 조절부(140)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 방전 스위칭 소자(130)의 방전전류 입력단과 배터리 팩의 음극 출력 단자(Pack-) 사이에 전기적으로 연결된다. 그리하여, 방전스위칭 조절부(140)는 배터리 팩의 방전전류가 한계치를 초과하면 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항(On-resistance)을 증가시킨다.
바람직하게는, 상기 방전스위칭 조절부(140)는, 증폭기, 비교기 및 하프 온 스위치를 포함한다.
여기서, 상기 증폭기는, 배터리 팩의 방전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하고, 비교기는 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우 하프 온 동작 전압을 출력한다. 그리고, 하프 온 스위치는 이러한 하프 온 동작 전압을 입력받아 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항을 가변 제어한다. 여기서, 하프 온(Half ON)이란, 스위칭 소자의 저항이 증가되어 해당 스위칭 소자를 통해 흐를 수 있는 전류가 전부 흐르지 않고 일부만 흐르도록 제한된 상태를 의미한다.
상기 증폭기 및 비교기는 연산 증폭기(OP-AMP)에 의해 구현될 수 있고, 상기 하프 온 스위치는 구동 트랜지스터(DTR)에 의해 구현될 수 있다.
또한, 방전 스위칭 소자(130)가 모스전계효과 트랜지스터로 구현된 경우라면, 상기 하프 온 스위치는 하프 온 동작 전압을 입력받아 모스전계효과 트랜지스터의 드레인과 소스 사이 저항을 가변 제어한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)에 포함된 방전스위칭 조절부(140)의 구성을 도시하는 회로도이다. 도 5는, 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)의 셀전압 측정부(110), 팩전압 측정부(120) 및 제어부(150)와 배터리 셀(10)을 도시하지 않고, 방전스위칭 조절부(140)를 위주로 도시한 것임을 미리 밝혀둔다.
도 5에서, 방전스위칭 조절부(140)는, 증폭기(141), 비교기(142) 및 하프 온 스위치(143)를 포함한다. 그리고, 증폭기(141) 및 비교기(142)는 연산 증폭기로 구현되고, 하프 온 스위치(143)는 트랜지스터로 구현되어 있다. 또한, 방전 스위칭 소자(130)는 모스전계효과 트랜지스터로 구현되어 있다.
도 5를 참조하면, 방전 스위칭 소자(130)의 게이트 단자는 제어부(150)에 접속되며, 배터리 팩의 방전 동작시 제어부(150)는 게이트 구동 전압(-VGDR)을 방전 스위칭 소자(130)의 게이트 단자에 인가한다.
방전스위칭 조절부(140)의 증폭기(141)는 배터리 팩의 음극 라인 상에 직렬 연결된 센스 저항(144)을 통해 흐르는 방전전류를 센싱하여 센스 저항(144) 양단의 전압을 증폭하여 출력한다. 도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기(141)에서 출력되는 전압 레벨을 도시하는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 증폭기(141)에서는 센스 저항(144)에 흐르는 전류, 즉 방전 전류의 크기에 비례하여 전압이 증폭되어 출력된다. 이와 같이 증폭기(141)를 통하여 출력되는 증폭 전압은 비교기(142)의 일 단자(-)로 인가된다.
한편, 방전전류를 센싱하기 위한 센스 저항(144)은 증폭기(141)의 입력단에 병렬로 접속된다. 그리고, 이러한 센스 저항(144)은 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 센스 저항(40)일 수 있으나, 그와 별도로 구성되어도 무방하다.
비교기(142)는 증폭기(141)로부터 증폭 전압을 입력받고, 제어부(150)로부터 한계치로서 기준 전압(SSTV1)을 입력받는다. 그리고, 기준 전압과 증폭 전압을 비교하여, 증폭 전압이 기준 전압보다 작으면 일정한 레벨의 전압을 출력하고, 증폭 전압이 기준 전압보다 크면 전압차에 비례하여 전압 레벨을 감소하여 출력한다. 도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 비교기(142)에서 출력되는 전압 레벨을 도시하는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 증폭 전압과 기준 전압의 차가 0 이하이면, 즉 증폭 전압이 기준 전압보다 작으면 정전압을 출력한다. 그러나, 증폭 전압과 기준 전압의 차가 0 이상이면, 즉 증폭 전압이 기준 전압보다 크면 증폭 전압과 기준 전압의 차에 비례하는 만큼 레벨이 감소된 하프 온 동작 전압을 출력한다.
하프 온 스위치(143)는, 이와 같이 비교기(142)에서 출력되는 전압 레벨이 감소하면 방전 스위칭 소자(130)의 게이트 전압을 제어하여 스위치의 내부 저항을 증가시킨다. 즉, 비교기(142)를 통하여 출력되는 전압 레벨이 강하하면, 하프 온 스위치(143)를 구성하는 트랜지스터에 전류가 흐르게 되어 방전 스위칭 소자(130)의 게이트 전압이 증가하게 된다. 그러면, 방전 스위칭 소자(130)의 게이트-소스 사이의 전압이 감소되어 공핍층의 소수 캐리어 농도가 감소됨으로써 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항이 증가한다. 그러므로, 방전 스위칭 소자(130)를 경유하는 방전 전류의 양이 제한되어 방전 스위칭 소자(130)는 하프 온 상태가 된다. 이와 같이, 하프 온 스위치(143)는 방전 스위칭 소자(130)의 저항치를 가변 제어하여 방전전류를 제한하는 역할을 한다.
한편, 이와 같이 방전전류가 제한되면, 센스 저항(144)의 양단 전압이 감소되어 증폭기(141)를 통하여 출력되는 증폭 전압이 감소한다. 하지만, 그럼에도 불구하고 증폭 전압이 기준 전압보다 여전히 크다면 비교기(142)에서는 하프 온 동작 전압을 출력하고, 하프 온 스위치(143)의 작동에 의해 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항이 증가 상태가 지속되므로, 방전전류가 여전히 제한된다. 이러한 제어 과정은 증폭기(141)를 통하여 출력되는 증폭 전압이 기준 전압보다 작아질 때까지 반복되므로, 결국 배터리팩에 과도한 방전전류가 흐르는 것을 지속적으로 차단할 수 있다.
바람직하게는, 상기 방전스위칭 조절부(140)는, 방전전류가 한계치를 초과한 양이 많을수록 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항을 크게 증가시킨다. 예를 들어, 상기 도 5의 실시예에서 증폭기(141)에 의한 증폭 전압과 기준 전압의 차이가 크면 클수록, 방전스위칭 조절부(140)는 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항을 크게 하는 것이 좋다. 일례로, 방전스위칭 조절부(140)는 증폭 전압과 기준 전압의 차이가 30V일 때에 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항을 10옴이 되도록 하였다면, 증폭 전압과 기준 전압의 차이가 60V일 때에는 스위칭 소자의 온 저항을 20옴이 되도록 할 수 있다. 이러한 이유는, 방전전류와 한계치의 차이가 클수록 배터리 팩에 보다 큰 과전류가 흐른다는 것을 의미하므로, 이때에는 방전 전류의 양을 더 제한하여 과전류의 크기 정도에 관계없이 배터리 팩에 일정한 크기의 정전류가 흐르도록 하기 위함이다.
상기 제어부(150)는, 방전 스위칭 소자(130)의 온오프를 선택적으로 제어한다. 특히, 제어부(150)는 셀전압 측정부(110)에 의해 측정된 셀전압과 팩전압 측정부(120)에 의해 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 방전 스위칭 소자(130)의 풀 온(Full ON) 또는 하프 온(Half ON) 여부를 결정한다. 예를 들어, 셀전압과 팩전압 사이의 전압차가 미리 저장된 참조 전압보다 작으면 방전 스위칭 소자(130)를 풀 온 상태로 제어한다. 반면, 전압차가 참조 전압보다 크면 방전 스위칭 소자(130)를 하프 온 상태로 제어한다.
또한, 제어부(150)는 셀전압과 팩전압 사이의 전압차에 따라 방전전류에 대한 한계치를 산출한다. 그리고, 제어부(150)는 산출한 한계치를 방전스위칭 조절부(140)로 제공한다. 예를 들어, 도 5의 실시예에서 제어부(150)는 셀전압과 팩전압 사이의 전압차에 따라 방전전류에 대한 한계치로서 기준 전압(SSTV1)을 산출하여 방전스위칭 조절부(140)의 비교기(142)로 제공한다.
바람직하게는, 상기 제어부(150)는, 셀전압과 팩전압 사이의 전압차가 클수록 한계치를 낮게 산출한다. 예를 들어, 도 5의 실시예에서 제어부(150)는 셀전압과 팩전압 사이의 전압차가 클수록 비교기(142)로 입력되는 기준 전압(SSTV1)을 낮게 산출할 수 있다. 일례로, 제어부(150)는 셀전압과 팩전압 사이의 전압차가 50V일 때에 기준 전압을 20V로 산출하였다면, 셀전압과 팩전압 사이의 전압차가 100V일 때에는 기준 전압을 10V로 산출할 수 있다. 이와 같이 제어부(150)가 전압차가 클수록 기준 전압, 즉 한계치를 낮게 산출하면, 동일한 증폭 전압에도 증폭 전압과 기준 전압의 차이가 커지게 되므로, 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항을 보다 크게 할 수 있다. 따라서, 셀전압과 팩전압 사이의 전압차가 크다 하더라도, 방전 스위칭 소자(130)의 저항 또한 증가하므로 결국 배터리 팩에 큰 과전류가 흐르는 것이 차단된다.
한편, 상기 제어부(150)는 MCU에 의해 구현될 수 있다. 여기서, MCU(Micro Controller Unit)란 배터리 팩의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 제어 장치를 의미한다. 그러나, 본 발명이 반드시 이러한 제어부(150)의 실시 형태에 의해 한정되는 것은 아니며, 제어부(150)는 MCU와 별도로 구성될 수 있다. 또한, 제어부(150)는 배터리 팩 외부에 별도로 구성될 수도 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)가 배터리 팩의 방전 전류를 제어하는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 먼저 셀전압 측정부(110) 및 팩전압 측정부(120)가 셀전압(VC)과 팩전압(VP)을 측정한다(S110). 제어부(150)는 이와 같이 측정된 셀전압과 팩전압을 비교하여, 셀전압과 팩전압의 차이가 참조값(VR1) 이상인지 확인한다(S120). 이때, 셀전압과 팩전압의 차이가 참조값 이하이면, 제어부(150)는 배터리 팩에 과도한 방전전류가 흐르지 않을 것으로 판단하여 소프트 스타트를 하지 않고 그대로 방전 스위칭 소자(DFET)(130)를 풀 온(Full ON) 상태로 제어한다(S200). 여기서, 풀 온이란, 하프 온과 대비되는 개념으로서, 방전 스위칭 소자(130)에 대하여 저항을 증가시키지 않음으로써 전류량의 제한 없이 그대로 모든 전류가 흐르도록 하는 것을 의미한다. 따라서, 이 경우, 방전 스위칭 소자(130)를 통해 전류가 그대로 흐르게 된다.
반면, 셀전압과 팩전압의 차이가 참조값보다 크면, 배터리 팩에 과도한 방전전류, 즉 러시 전류가 흐를 것이므로 제어부(150)는 이러한 러시 전류를 제한하기 위해 배터리 팩이 소프트 스타트를 하도록 결정한다. 따라서, 제어부(150)는 셀전압과 팩전압이 어느 정도 크기로 차이나는지에 따라 기준 전압(SSTV1)을 결정하고(S130), 방전 스위칭 소자(130)를 온 상태로 제어한다(S150). 그러면, 배터리 팩에 방전 전류가 흐르게 되고, 증폭기(141)에 의해 센스 저항(144) 양단의 전압이 측정되어 증폭된다(S160). 그리고 나서, 비교기(142)에 의해 증폭 전압과 기준 전압(SSTV1)을 비교하여(S170), 증폭 전압이 기준 전압보다 크면, 하프 온 스위치(143)가 방전 스위칭 소자(130)의 저항을 증가시켜, 방전 스위칭 소자(130)는 하프 온 동작으로 제어된다(S180). 따라서, 이러한 방전 스위칭 소자(130)의 하프 온 동작으로 인해 방전전류는 모두 흐르지 못하고 일부 흐름이 제한된다(S190).
한편, 이후에도 센스 저항(144) 양단 전압은 계속하여 측정될 수 있으며(S160), 측정된 전압의 증폭 전압이 기준 전압보다 크다면, 방전 스위칭 소자(130)는 계속하여 하프 온 동작으로 제어된다(S180). 그러나, 이후 증폭 전압이 기준 전압보다 작아지게 된다면, 방전 스위칭 소자(130)는 더 이상 하프 온 동작으로 제어되지 않고, 풀 온 동작으로 제어된다(S200). 그리고, 상기와 같은 과정은 이후에도 계속하여 반복적으로 수행될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부(150)는, 방전 스위칭 소자(130)를 턴 온 시키기 전에 셀전압과 팩전압 사이의 전압차에 따라 방전스위칭 조절부(140)에 의해 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항을 증가시킨다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(150)는 방전 스위칭 소자(130)를 턴 온(S150) 시키기 전에, 셀전압과 팩전압 사이의 전압차가 참조값 이상이면 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항이 증가되도록 할 수 있다(S140). 이 경우, 방전 스위칭 소자(130)가 턴온되기 전에 방전 스위칭 소자(130)가 하프 온 상태가 되므로, 방전 스위칭 소자(130)가 턴 온 될 때 순간적으로 과전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 제어부(150)가 방전 스위칭 소자(130)를 턴 온 시키기 전에 방전스위칭 조절부(140)로 하여금 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항을 증가시키기 위해서는 여러 가지 방법이 채용될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 실시예에서, 제어부(150)는 방전 스위칭 소자(130)를 턴 온 시키기 전에, 점 A로 표시된 방전스위칭 조절부(140)의 비교기(142)의 일 입력 단자로 기준 전압(SSTV1)보다 높은 전압을 인가할 수 있다. 그러면, 방전스위칭 조절부(140)의 비교기(142)는 이와 같이 제어부(150)로부터 인가된 전압과 기준 전압의 차에 비례하는 만큼 레벨이 감소된 하프 온 동작 전압을 출력하여 하프 온 스위치(143)로 제공한다. 그러면, 하프 온 스위치(143)는 제공된 하프 온 동작 전압에 따라 방전 스위칭 소자(130)의 온 저항을 증가시킨다. 그리고나서, 상기 제어부(150)는 이와 같이 온 저항이 증가된 상태, 즉 하프 온 상태에서 방전 스위칭 소자(130)를 턴 온 시키게 되므로, 이 경우 배터리 팩에 과전류가 흐르는 것을 방전 스위칭 소자(130)의 턴 온 순간부터 방지할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 충전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(200)의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 또한 도 10은, 이러한 충전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(200)의 각 구성 요소가 배터리 팩 내에서 연결된 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 충전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(200)는, 셀전압 측정부(210), 팩전압 측정부(220), 충전 스위칭 소자(230), 충전스위칭 조절부(240) 및 제어부(250)를 포함한다.
본 발명에 따른 충전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(200)는, 방전전류가 아닌 충전전류를 제어한다는 점에서, 상술한 방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(100)와 다를 뿐, 기술적 사상은 유사하다. 따라서, 이하에서는 충전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(200)의 각 구성요소에 대하여, 방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(100)의 각 구성요소에 대한 앞선 설명이 동일하게 적용될 수 있는 경우, 상세한 설명을 생략한다.
상기 셀전압 측정부(210)는, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀(10) 양단의 전압을 측정한다. 그리고, 팩전압 측정부(220)는, 배터리 팩의 입력 단자(Pack+, Pack-) 양단의 전압을 측정한다. 특히, 팩전압 측정부(220)는 입력 단자(Pack+, Pack-)에 연결되는 충전 회로의 충전 전압을 팩전압으로서 측정한다.
상기 충전 스위칭 소자(230)는, 배터리 셀(10)과 입력 단자(Pack+, Pack-) 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프 시키는 구성요소이다. 바람직하게는, 상기 충전 스위칭 소자(230)는 모스전계효과 트랜지스터로 구현될 수 있다.
상기 충전스위칭 조절부(240)는, 배터리 팩의 충전전류가 한계치를 초과하면 충전 스위칭 소자(230)의 온 저항을 증가시킨다.
이때, 상기 충전스위칭 조절부(240)는, 증폭기, 비교기 및 하프 온 스위치를 포함할 수 있다. 여기서, 증폭기는 배터리 팩의 충전전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하고, 비교기는 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 하프 온 동작 전압을 출력한다. 그리고, 하프 온 스위치는 이러한 하프 온 동작 전압을 입력받아 충전 스위칭 소자(230)의 온 저항을 가변 제어한다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치(200)에 포함된 충전스위칭 조절부(240)의 구성을 도시하는 회로도이다. 도 11 또한, 도 5와 마찬가지로 셀전압 측정부(210), 팩전압 측정부(220) 및 제어부(250)와 배터리 셀(10)을 도시하지 않고, 충전스위칭 조절부(240)를 위주로 도시하였다.
도 11에 도시된 바와 같이, 충전스위칭 조절부(240)는, 증폭기(241), 비교기(242) 및 하프 온 스위치(243)를 포함할 수 있다. 그리고, 여기서 증폭기(241) 및 비교기(242)는 연산 증폭기, 하프 온 스위치(243)는 트랜지스터로 구현될 수 있다. 또한, 충전 스위칭 소자(230)는 모스전계효과 트랜지스터로 구현될 수 있다. 이때, 하프 온 스위치(243)는 하프 온 동작 전압을 입력받아 모스전계효과 트랜지스터의 드레인-소스 간 저항을 가변 제어할 수 있다.
도 11을 참조하면, 충전 스위칭 소자(230)의 게이트 단자는 제어부(250)에 접속된다. 그리고, 배터리 팩의 충전 동작시 제어부(250)는 게이트 구동 전압(-VGDR)을 충전 스위칭 소자(230)의 게이트 단자에 인가한다.
충전스위칭 조절부(240)의 증폭기(241)는 센스 저항(244)을 통해 흐르는 충전전류를 센싱하여 센스 저항(244) 양단의 전압을 증폭하여 출력한다. 그리고, 증폭기(241)를 통하여 출력되는 증폭 전압은 비교기(242)의 일 단자(-)로 인가된다.
비교기(242)는 증폭기(241)로부터 증폭 전압을 입력받고, 제어부(250)로부터 기준 전압(SSTV2)을 입력받는다. 그리고, 기준 전압과 증폭 전압을 비교하여, 증폭 전압이 기준 전압보다 작으면 일정한 레벨의 전압을 출력하고, 증폭 전압이 기준 전압보다 크면 전압차에 비례하여 전압 레벨을 감소하여 출력한다.
하프 온 스위치(243)는, 이와 같이 비교기(242)에서 출력되는 전압 레벨이 감소하면 충전 스위칭 소자(230)의 게이트 전압을 제어하여 스위치의 내부 저항을 증가시킨다. 즉, 하프 온 스위치(243)는 충전 스위칭 소자(230)의 저항치를 가변 제어하여 충전전류를 제한한다.
이와 같이 충전전류가 제한되면, 센스 저항(244)의 양단 전압이 감소되어 증폭기(241)를 통하여 출력되는 증폭 전압이 감소된다. 이때, 증폭 전압이 기준 전압보다 크지 않은 경우 제어부(250)는 충전 스위칭 소자(230)를 풀 온(full on) 상태로 제어한다. 반면, 증폭 전압이 기준 전압보다 여전히 크다면 하프 온 스위치(243)의 작동에 의해 충전 스위칭 소자(230)의 온 저항에 대한 증가 상태가 지속되므로, 충전전류가 여전히 제한된다. 따라서, 배터리팩에 과도한 충전전류가 흐르는 것이 계속적으로 차단될 수 있다.
한편, 충전스위칭 조절부(240)는, 충전전류가 한계치를 초과한 양이 많을수록 충전 스위칭 소자(230)의 온 저항을 크게 증가시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 11에서 증폭기(241)에 의한 증폭 전압과 기준 전압의 차이가 크면 클수록 충전스위칭 조절부(240)는 충전 스위칭 소자(230)의 온 저항을 크게 함으로써, 충전전류로서 더 많은 과전류가 흐르는 것을 차단할 수 있다.
상기 제어부(250)는, 충전 스위칭 소자(230)의 온오프를 선택적으로 제어한다. 특히, 제어부(250)는 팩전압 측정부(220)에 의해 측정된 팩전압과 셀전압 측정부(210)에 의해 측정된 셀전압 사이의 전압차에 따라 충전 스위칭 소자(230)의 하프 온 또는 풀 온 여부를 결정한다. 예를 들어, 제어부(250)는 팩전압과 셀전압 사이의 전압차가 기준값보다 작으면 충전 스위칭 소자(230)를 풀 온 상태로 제어하고, 전압차가 기준값보다 크면 충전 스위칭 소자(230)가 하프 온 상태가 되도록 제어한다.
또한, 상기 제어부(250)는 팩전압과 셀전압 사이의 전압차에 따라 충전전류에 대한 한계치를 산출하여 충전스위칭 조절부(240)로 제공한다. 예를 들어, 도 11의 실시예에서, 제어부(250)는 충전전류에 대한 한계치로서 기준 전압(SSTV2)을 산출하여 충전스위칭 조절부(240)의 비교기(242)로 제공한다.
바람직하게는, 상기 제어부(250)는 전압차가 클수록 낮은 한계치를 산출한다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치(200)가 배터리 팩의 충전전류를 제어하는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 먼저 팩전압 측정부(220) 및 셀전압 측정부(210)가 팩전압(VP) 및 셀전압(VC)을 측정한다(S210). 제어부(250)는 이와 같이 측정된 팩전압과 셀전압을 비교하여(S220), 팩전압과 셀전압의 차이가 참조값(VR2) 이하이면, 배터리 팩에 과도한 충전전류가 흐르지 않을 것으로 판단하여 소프트 스타트가 되도록 하지 않고 충전 스위칭 소자(CFET)(230)가 풀 온 상태가 되도록 제어한다(S300). 반면, 팩전압과 셀전압의 차이가 참조값보다 크면, 배터리 팩에 과도한 충전전류가 흐를 것이므로 제어부(250)는 이러한 과도 전류를 제한하기 위해 소프트 스타트를 하도록 결정한다. 따라서, 제어부(250)는 팩전압과 셀전압이 어느 정도 차이가 나는지에 따라 기준 전압(SSTV2)을 결정한 후(S230), 충전 스위칭 소자(230)를 온 상태로 제어한다(S250). 그리하여, 배터리 팩에 충전전류가 흐르게 되면, 증폭기(241)에 의해 센스 저항(244) 양단의 전압이 측정되어 증폭된다(S260). 그리고 나서, 비교기(242)에 의해 증폭 전압과 기준 전압이 비교되어(S270), 증폭 전압이 기준 전압보다 크면, 하프 온 스위치(243)가 증폭 전압과 기준 전압의 차에 비례하여 충전 스위칭 소자(230)의 저항을 증가시킨다(S280). 따라서, 충전 스위칭 소자(230)는 충전 전류가 제한되는 하프 온 동작으로 제어된다(S290).
바람직하게는, 상기 제어부(250)는, 충전 스위칭 소자(230)를 턴 온 시키기 전에, 팩전압과 셀전압 사이의 전압차에 따라 충전스위칭 조절부(240)로 하여금 충전 스위칭 소자(230)의 온 저항을 증가시키도록 한다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 제어부(250)는 충전 스위칭 소자(230)를 온(S250) 시키기 전에, 팩전압과 셀전압 사이의 전압차가 참조값 이상이면 충전 스위칭 소자(230)의 온 저항이 증가되도록 할 수 있다(S240). 이 경우, 충전 스위칭 소자(230)가 턴 온 되기 전에 하프 온 상태가 되므로, 충전 스위칭 소자(230)가 턴온시 순간적으로 흐를 수 있는 과전류를 방지한다.
도 13은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 충방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(300)의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 또한, 도 14는, 이러한 충방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(300)의 각 구성요소가 배터리 팩 내에서 연결된 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 충방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(300)는, 셀전압 측정부(310), 팩전압 측정부(320), 충방전 스위칭 소자(330), 스위칭 조절부(340), 스위칭소자 선택부(360) 및 제어부(350)를 포함한다.
본 발명에 따른 충방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(300)는, 상술한 방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(100) 및 충전 전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(200)와 기술적 사상이 유사하다. 따라서, 이하에서는 충방전 전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(300)의 각 구성요소에 대하여, 방전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(100) 및 충전전류를 제어하는 배터리 팩 보호 장치(200)의 각 구성요소에 대한 설명이 동일하게 적용될 수 있는 경우, 상세한 설명을 생략한다.
상기 셀전압 측정부(310)는 배터리 팩에 포함된 배터리 셀(10) 양단의 전압을 측정하고, 상기 팩전압 측정부(320)는 배터리 팩의 입출력 단자(Pack+, Pack-) 양단의 전압을 측정한다. 특히, 상기 팩전압 측정부(320)는 충전전류 제어시 충전회로의 충전 전압을 측정할 수 있다.
상기 충방전 스위칭 소자(330)는, 배터리 팩의 충방전 경로상에 위치하여 배터리 셀(10)과 입출력 단자(Pack+, Pack-) 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프 시킨다. 이때, 충전 스위칭 소자(332) 및 방전 스위칭 소자(331)는 모스전계효과 트랜지스터일 수 있다.
상기 스위칭 조절부(340)는, 배터리 팩의 충방전전류가 한계치를 초과하면 충방전 스위칭 소자(330)의 온 저항을 상승시킨다.
바람직하게는, 상기 스위칭 조절부(340)는, 배터리 팩의 충방전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하는 증폭기, 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우 하프 온 동작 전압을 출력하는 비교기 및 하프 온 동작 전압을 입력받아 충방전 스위칭 소자(330)의 온 저항을 가변 제어하는 하프 온 스위치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 증폭기 및 비교기는 연산 증폭기, 하프 온 스위치는 구동 트랜지스터에 의해 구현될 수 있다. 만일, 상기 충방전 스위칭 소자(330)가 모스전계효과 트랜지스터일 경우, 상기 하프 온 스위치는 하프 온 동작 전압을 입력받아 모스전계효과 트랜지스터의 드레인과 소스 사이 저항을 가변 제어할 수 있다.
한편, 상기 스위칭 조절부(340)는, 충방전전류가 한계치를 초과한 양이 많을수록 충방전 스위칭 소자(330)의 온 저항을 크게 증가시키는 것이 바람직하다.
상기 스위칭 소자 선택부(360)는, 제어부(350)의 제어 하에 스위칭 조절부(340)를 충전 또는 방전에 따라 충전 스위칭 소자(332) 또는 방전 스위칭 소자(331)에 선택적으로 연결한다. 예를 들어, 배터리 팩에 방전 회로가 연결되면 스위칭 소자 선택부(360)는 스위칭 조절부(340)를 방전 스위칭 소자(331)에 연결한다. 따라서, 스위칭 조절부(340)가 방전 스위칭 소자(331)의 저항을 증가시킬 수 있도록 한다. 반면, 배터리 팩에 충전 회로가 연결되면 스위칭 소자 선택부(360)는 스위칭 조절부(340)를 충전 스위칭 소자(332)에 연결한다. 따라서, 스위칭 조절부(340)가 충전 스위칭 소자(332)의 저항을 증가시킬 수 있도록 한다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자 선택부(360)의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 15를 참조하면, 스위칭 소자 선택부(360)는 스위칭 조절부(340)를 방전 스위칭 소자(331) 또는 충전 스위칭 소자(332)의 전류 입력단에 선택적으로 연결되도록 한다. 또한, 스위칭 소자 선택부(360)는 스위칭 조절부(340)를 방전 스위칭 소자(331) 또는 충전 스위칭 소자(332)의 게이트 입력단에 선택적으로 연결되도록 한다. 예를 들어, 배터리 팩에 충전 회로가 연결되는 경우, 충전 스위칭 소자(332)는 스위칭 조절부(340)를 충전 스위칭 소자(332)의 전류 입력단 및 게이트 입력단에 연결되도록 한다.
도 15에 도시된 스위칭 소자 선택부(360)의 구성은 일례에 불과하며, 스위칭 소자 선택부(360)에 다른 다양한 구성이 존재할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명한 사항이다.
한편, 상기 스위칭 소자 선택부(360)가 스위칭 조절부(340)와 방전 스위칭 소자(331)를 연결한 경우, 스위칭 조절부(340)와 스위칭 소자 선택부(360) 및 방전 스위칭 소자(331)의 연결 구성은 도 5에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 반대로, 상기 스위칭 소자 선택부(360)가 스위칭 조절부(340)와 충전 스위칭 소자(332)를 연결한 경우, 스위칭 조절부(340)와 스위칭 소자 선택부(360) 및 충전 스위칭 소자(332)의 연결 구성은 도 11에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다.
상기 제어부(350)는, 배터리 팩의 충방전에 따라 충방전 스위칭 소자(330), 스위칭 조절부(340) 및 스위칭 소자 선택부(360)를 제어한다.
또한, 제어부(350)는 셀전압 측정부(310)에 의해 측정된 셀전압과 팩전압 측정부(320)에 의해 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 한계치를 산출하여 스위칭 조절부(340)로 제공한다.
바람직하게는, 상기 제어부(350)는, 전압차가 클수록 낮은 한계치를 산출한다.
또한, 상기 제어부(350)는 스위칭 소자 선택부(360)의 동작을 제어한다. 제어부(350)가 스위칭 소자 선택부(360)를 제어하여 스위칭 조절부(340)의 일단을 방전 스위칭 소자(331) 또는 충전 스위칭 소자(332)에 접속되도록 한 경우, 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(300)는 방전 또는 충전 여부에 따라 도 8 또는 도 12의 흐름도에서 설명된 바와 같이 동작한다.
한편, 도 14의 실시예에서는 본 발명에 따른 충방전전류를 제어하기 위한 배터리 팩 보호 장치(300)에 스위칭 조절부(340)가 하나만 있는 것으로 도시되었으나, 스위칭 조절부(340)가 복수 개 존재하는 경우도 가능하다. 예를 들어, 스위칭 조절부(340)가 방전스위칭 조절부 및 충전스위칭 조절부로 2개 존재하여, 방전스위칭 조절부가 방전 스위칭 소자(331)에 연결되고, 충전스위칭 조절부가 충전 스위칭 소자(332)에 연결되는 구성도 가능하다. 뿐만 아니라, 제어부(350)를 비롯한 다른 구성요소들도 충전전류와 방전전류를 제어하기 위해 각각 별도로 존재할 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명한 사항이다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상술한 배터리 팩 보호 장치(100, 200, 300)를 포함한다.
또한, 본 발명은 복수의 배터리 팩을 포함하는 멀티 배터리 팩 시스템에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 멀티 배터리 팩 시스템은 각각의 배터리 팩에 상술한 배터리 팩 보호 장치(100, 200, 300)를 포함할 수 있다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 배터리 팩 시스템의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 멀티 배터리 팩 시스템은, 각각의 배터리 팩에 셀전압 측정부(410, 510), 팩전압 측정부(420, 520), 충방전 스위칭 소자(430, 530), 스위칭 조절부(440, 540) 및 제어부(450, 550)를 포함한다. 여기서, 셀전압 측정부(410, 510), 팩전압 측정부(420, 520), 충방전 스위칭 소자(430, 530), 스위칭 조절부(440, 540) 및 제어부(450, 550)는 멀티 배터리 팩 시스템에 포함된 복수의 배터리 팩 각각에 적용되었다는 점에서만 다를 뿐, 그 기능이나 동작은 앞선 배터리 팩 보호 장치(100, 200, 300)에서 설명한 바와 유사하다. 따라서, 앞선 설명이 동일하게 적용될 수 있는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략한다.
한편, 도 16에서는 제1 배터리 팩 및 제2 배터리 팩에만 셀전압 측정부(410, 510), 팩전압 측정부(420, 520), 충방전 스위칭 소자(430, 530), 스위칭 조절부(440, 540) 및 제어부(450, 550)가 도시되었으나, 제3 배터리 팩 내지 제N 배터리 팩에도 이러한 구성요소들이 구비되어 있음은 물론이다.
각 배터리 팩에 포함된 셀전압 측정부(410, 510)는 각 배터리 셀(10) 양단의 전압을 측정하고, 팩전압 측정부(420, 520)는 각 배터리 팩의 입출력 단자 양단의 전압을 측정한다. 또한, 각 배터리 팩에 포함된 충방전 스위칭 소자(430, 530)는 각 배터리 셀(10)과 입출력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키며, 스위칭 조절부(440, 540)는 배터리 팩의 충방전전류가 한계치를 초과하는 경우 충방전 스위칭 소자(430, 530)의 온 저항을 증가시킨다.
각 배터리 팩에 포함된 제어부(450, 550)는 해당 배터리 팩의 셀전압과 팩전압 사이의 전압차에 따라 한계치를 산출하여 스위칭 조절부(440, 540)로 제공하고, 충방전 스위칭 소자(430, 530)의 온오프를 선택적으로 제어한다.
바람직하게는, 상기 스위칭 조절부(440, 540)는, 해당 배터리 팩의 충방전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하는 증폭기, 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우 하프 온 동작 전압을 출력하는 비교기 및 하프 온 동작 전압을 입력받아 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 가변 제어하는 하프 온 스위치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 증폭기 및 비교기는 연산 증폭기에 의해 구현되고, 상기 하프 온 스위치는 구동 트랜지스터에 의해 구현될 수 있다.
또한, 충방전 스위칭 소자(430, 530)는 모스전계효과 트랜지스터일 수 있는데, 이 경우 하프 온 스위치는 하프 온 동작 전압을 입력받아 모스전계효과 트랜지스터의 드레인과 소스 사이의 저항을 가변 제어할 수 있다.
한편, 상기 스위칭 조절부(440, 540)는, 해당 배터리 팩의 충방전 전류가 한계치를 초과한 양이 많을수록 충방전 스위칭 소자(430, 530)의 온 저항을 크게 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 제어부(450, 550)는, 해당 배터리 팩의 셀전압과 팩전압 사이의 전압차가 클수록 낮은 한계치를 산출하는 것이 바람직하다.
또한 바람직하게는, 상기 제어부(450, 550)는 해당 배터리 팩의 충방전 스위칭 소자(430, 530)를 턴 온 시키기 전에 해당 배터리 팩의 셀전압과 팩전압 사이의 전압차에 따라 스위칭 조절부(440, 540)에 의해 충방전 스위칭 소자(430, 530)의 온 저항을 증가시키도록 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 멀티 배터리 팩 시스템에 따르면, 각각의 배터리 팩에 충방전 전류로서 과전류가 흐르는 것이 방지된다. 특히, 멀티 배터리 팩 시스템에서 특정 배터리 팩이 신규로 턴 온되는 경우, 해당 배터리 팩에 러시 전류가 흐르는 것이 차단될 수 있다.
예를 들어, 도 16의 실시예에서, 제2 배터리 팩이 신규로 턴 온되는 경우, 제2 배터리 팩의 셀전압 측정부(510)는 배터리 셀(10) 양단의 전압을 측정하고, 제2 배터리 팩의 팩전압 측정부(520)는 제2 배터리 팩 입출력 단자 양단의 전압을 측정한다. 제2 배터리 팩의 제어부(550)는 충방전 스위칭 소자(530)를 턴 온시키기 전에 상기 셀전압과 팩전압 사이의 전압차에 따라 한계치를 산출하여 스위칭 조절부(540)로 제공하고 충방전 스위칭 소자(530)를 턴 온시킨다. 그러면, 스위칭 조절부(540)는 제2 배터리 팩에 흐르는 충방전전류가 한계치를 초과하는 경우 충방전 스위칭 소자(530)의 온 저항을 증가시킨다. 따라서, 본 발명에 따른 멀티 배터리 팩 시스템은 배터리 팩이 신규로 턴 온될 때 러시 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 멀티 배터리 팩 시스템은 충전 또는 방전 중에 배터리 팩이 신규로 턴 온되는 과정에서, 기존에 턴 온되어 있는 배터리 팩과 신규로 턴 온되는 배터리 팩 사이에 과전류가 흐르지 않도록 할 수 있다. 즉, 배터리 팩이 턴 온되는 경우 기존에 턴 온되어 있는 배터리 팩과 신규로 턴 온되는 배터리 팩 사이에는 전압차가 존재할 수 있고, 이러한 전압차로 인해 양 배터리 팩 사이에는 전류가 흐를 수 있다. 그런데, 이때 흐르는 전류가 배터리 팩의 과전류 보호 기능을 동작시키는 한계 전류 이상의 크기를 갖는 경우 과전류 보호 기능의 동작으로 해당 배터리 팩이 턴 오프될 수 있는데, 본 발명은 이러한 문제점을 효과적으로 해결할 수 있다. 이에 대하여 도 17을 참조하여 설명한다.
도 17은, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 배터리 팩 시스템에서, 배터리 팩이 신규로 턴 온되는 과정에서 배터리 팩 사이에 전류가 흐르는 구성을 도시하는 도면이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 출력단자 전압 V1인 제1 배터리 팩에 대한 방전이 이루어지는 중에, 셀전압 V2인 제2 배터리 팩이 신규로 턴 온된다고 가정한다. 이때, V1과 V2에는 차이가 있을 수 있는데, 예를 들어 V1이 V2보다 클 경우 도면에 도시된 바와 같이 제1 배터리 팩으로부터 제2 배터리 팩으로 전압차(V1-V2)에 의한 전류(i2)가 흐를 수 있다. 그런데, 통상적인 배터리 팩은 한계 전류 이상의 과전류가 흐르는 경우 퓨즈 등의 차단 수단을 이용하여 해당 전류의 흐름을 차단하는 과전류 보호 기능을 구비하고 있으며, 제2 배터리 팩도 이러한 과전류 보호 기능을 구비하는 것이 일반적이다. 종래 기술에 따르면, 제2 배터리 팩이 신규로 턴 온되는 과정에서 유입되는 전류(i2)가 제2 배터리 팩의 과전류 보호 기능을 동작시키는 한계 전류 이상의 크기를 갖는 경우, 제2 배터리 팩의 퓨즈 등이 차단되어 제2 배터리 팩이 턴 오프될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면 이와 같은 제2 배터리 팩의 의도하지 않은 턴 오프가 방지될 수 있다.
도 17을 참조하면, 팩전압 측정부(520)는 제2 배터리 팩의 출력단자에 연결된 입력 전압, 즉 제1 배터리 팩의 출력전압(V1)을 측정하고, 셀전압 측정부(510)는 제2 배터리 팩의 셀전압(V2)을 측정한다. 제어부(550)는 제1 배터리 팩의 출력전압(V1)과 제2 배터리 팩의 셀전압(V2) 사이의 전압차에 따라 전류 한계치로서 기준전압(SSTV3)을 스위칭 조절부(540)로 제공한다.
도면에 도시된 바와 같이, 제2 배터리 팩의 스위칭 조절부(540)는 연산 증폭기로 구현된 증폭기(541)와 비교기(542), 그리고 트랜지스터로 구현된 하프 온 스위치(543)가 포함될 수 있다. 또한, 충전 스위칭 소자(532)는 모스전계효과 트랜지스터로 구현될 수 있다. 상기와 같이 제2 배터리 팩으로 전류 i2가 유입되면 증폭기(541)가 센스 저항(544)을 통해 i2에 의한 전압을 감지하여 증폭하고, 비교기(542)는 증폭전압을 기준전압(SSTV3)과 비교하여 증폭전압이 기준전압보다 크면 전압 레벨을 감소하여 출력한다. 그러면, 하프 온 스위치(543)는 충전 스위칭 소자(532)의 저항치를 가변 제어하여, 결국에는 제2 배터리 팩으로 유입되는 전류 i2가 일정 크기 이하로 제어될 수 있다. 따라서, 제2 배터리 팩에 흐르는 전류를 제2 배터리 팩의 과전류 보호 기능이 동작하는 한계 전류 크기 이하로 제한할 수 있으므로, 제2 배터리 팩이 신규로 턴 온되는 과정에서 의도하지 않은 턴 오프가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명은 하나의 마스터 배터리 팩과 하나 이상의 슬레이브 배터리 팩으로 구성된 멀티 배터리 팩 시스템에 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 16의 실시예에서, 제1 배터리 팩은 마스터 배터리 팩이고, 제2 배터리 팩 내지 제N 배터리 팩은 슬레이브 배터리 팩일 수 있다.
여기서, 마스터 배터리 팩은 소정 시간이 경과할 때마다 슬레이브 배터리 팩에 전체 전압을 요청하고, 이러한 요청에 따라 각 슬레이브 배터리 팩으로부터 각각의 전체 전압을 제공받는다. 그리고, 자신의 전체 전압과 모든 슬레이브 배터리 팩의 전체 전압을 이용하여 목표 전압을 산출하고, 산출된 목표 전압을 각각의 슬레이브 배터리 팩으로 전송한다. 또한, 마스터 배터리 팩은 산출된 목표 전압과 자신의 전체 전압을 비교하여 그 결과에 따라 충방전 스위칭 소자를 제어하여 자신의 입출력 단자와 배터리 셀을 연결 또는 해제한다. 예를 들어, 마스터 배터리 팩은 방전 모드일 경우 자신의 전체 전압이 목표 전압보다 크거나 같을 경우 자신의 입출력 단자와 배터리 셀을 연결하도록 충방전 스위칭 소자를 제어한다. 반면, 충전 모드일 경우 마스터 배터리 팩은 자신의 전체 전압이 목표 전압보다 작거나 같을 경우 자신의 입출력 단자와 배터리 셀을 연결하도록 충방전 스위칭 소자를 제어한다.
한편, 상기 마스터 배터리 팩은, 모든 배터리 팩, 즉 마스터 배터리 팩 및 슬레이브 배터리 팩에 대한 부하 최대 전류치와 스위치 전류 용량, 온도, 전류, 전체 전압, 배터리 셀의 내부저항 및 특성 등 여러 사항을 고려하여 목표전압을 산출할 수 있다. 여기서, 목표전압을 산출하는 구성요소는 마스터 배터리 팩의 제어부일 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 마스터 배터리 팩은, 충전 모드일 때에는 전체 배터리 팩에 대한 최소 전압을 기준으로 목표 전압을 산출하고, 방전 모드일 때에는 전체 배터리 팩에 대한 최대 전압을 산출한다. 또는, 상기 마스터 배터리 팩은, 충전 모드일 때에는 시간 경과에 따라 단계적으로 상승하도록 목표 전압을 산출하고, 방전 모드일 때에는 시간 경과에 따라 단계적으로 하강하도록 목표 전압을 산출할 수 있다.
슬레이브 배터리 팩은, 마스터 배터리 팩의 요청에 따라 자신의 전체 전압을 마스터 배터리 팩으로 전송한다. 그리고 나서, 마스터 배터리 팩으로부터 목표 전압을 제공받아, 목표 전압과 자신의 전체 전압을 비교하고, 그 결과에 따라 충방전 스위칭 소자를 제어하여 자신의 입출력 단자와 배터리 셀을 연결 또는 해제한다. 예를 들어, 슬레이브 배터리 팩은 방전 모드일 경우 자신의 전체 전압이 목표 전압보다 크거나 같을 경우 자신의 입출력 단자와 배터리 셀을 연결하도록 충방전 스위칭 소자를 제어한다. 반면, 충전 모드일 경우 슬레이브 배터리 팩은 자신의 전체 전압이 목표 전압보다 작거나 같을 경우 자신의 입출력 단자와 배터리 셀을 연결하도록 충방전 스위칭 소자를 제어한다.
한편, 상술한 도 4, 도 10, 도 14, 도 16 및 도 17의 실시예에서는 배터리 팩에 포함된 배터리 셀(10)이 한 개인 것처럼 도시되었으나, 배터리 셀(10)이 다수의 셀로 구성된 셀 그룹일 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 '부'라는 용어를 사용하였으나, 이는 논리적인 구성 단위를 나타내는 것으로서, 반드시 물리적으로 분리될 수 있는 구성요소를 나타내는 것이 아니라는 점은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하다.
110, 210, 310, 410, 510: 셀전압 측정부
120, 220, 320, 420, 520: 팩전압 측정부
130, 331: 방전 스위칭 소자
230, 332, 532: 충전 스위칭 소자
140: 방전스위칭 조절부
240: 충전스위칭 조절부
150, 250, 350, 450, 550: 제어부
330, 430, 530: 충방전 스위칭 소자
360: 스위칭 소자 선택부
440, 540: 스위칭 조절부

Claims (36)

  1. 배터리 팩의 방전전류를 제어하기 위한 배터리 팩 보호 장치에 있어서,
    상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 양단의 전압을 측정하는 셀전압 측정부;
    상기 배터리 팩의 출력 단자 양단의 전압을 측정하는 팩전압 측정부;
    상기 배터리 셀과 상기 출력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키는 방전 스위칭 소자;
    상기 배터리 팩의 방전전류가 한계치를 초과하면 상기 방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 방전스위칭 조절부; 및
    상기 셀전압 측정부에 의해 측정된 셀전압과 상기 팩전압 측정부에 의해 측정된 팩전압을 비교하여, 상기 측정된 셀전압과 상기 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 한계치를 산출하여 상기 방전스위칭 조절부로 제공하고, 상기 방전 스위칭 소자의 온오프를 선택적으로 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전스위칭 조절부는,
    상기 배터리 팩의 방전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하는 증폭기;
    상기 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 하프 온 동작 전압을 출력하는 비교기; 및
    상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 방전 스위칭 소자의 온 저항을 가변 제어하는 하프 온 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 증폭기 및 상기 비교기는 연산 증폭기에 의해 구현되고, 상기 하프 온 스위치는 구동 트랜지스터에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 방전 스위칭 소자는, 모스전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하프 온 스위치는, 상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 모스전계효과 트랜지스터의 드레인과 소스 사이 저항을 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방전스위칭 조절부는, 상기 방전전류가 상기 한계치를 초과한 양이 많을수록 상기 방전 스위칭 소자의 온 저항을 크게 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전압차가 클수록 낮은 한계치를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 방전 스위칭 소자를 턴 온 시키기 전에 상기 셀전압과 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 방전스위칭 조절부에 의해 상기 방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  9. 배터리 팩의 충전전류를 제어하기 위한 배터리 팩 보호 장치에 있어서,
    상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 양단의 전압을 측정하는 셀전압 측정부;
    상기 배터리 팩의 입력 단자 양단의 전압을 측정하는 팩전압 측정부;
    상기 배터리 셀과 상기 입력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키는 충전 스위칭 소자;
    상기 배터리 팩의 충전전류가 한계치를 초과하면 상기 충전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 충전스위칭 조절부; 및
    상기 팩전압 측정부에 의해 측정된 팩전압과 상기 셀전압 측정부에 의해 측정된 셀전압을 비교하여, 상기 측정된 셀전압과 상기 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 한계치를 산출하여 상기 충전스위칭 조절부로 제공하고, 상기 충전 스위칭 소자의 온오프를 선택적으로 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 충전스위칭 조절부는,
    상기 배터리 팩의 충전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하는 증폭기;
    상기 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 하프 온 동작 전압을 출력하는 비교기; 및
    상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 충전 스위칭 소자의 온 저항을 가변 제어하는 하프 온 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 증폭기 및 상기 비교기는 연산 증폭기에 의해 구현되고, 상기 하프 온 스위치는 구동 트랜지스터에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 충전 스위칭 소자는, 모스전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하프 온 스위치는, 상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 모스전계효과 트랜지스터의 드레인-소스 간 저항을 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 충전스위칭 조절부는, 상기 충전전류가 상기 한계치를 초과한 양이 많을수록 상기 충전 스위칭 소자의 온 저항을 크게 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전압차가 클수록 낮은 한계치를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  16. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 충전 스위칭 소자를 턴 온 시키기 전에 상기 셀전압과 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 충전스위칭 조절부에 의해 상기 충전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  17. 배터리 팩의 충방전전류를 제어하기 위한 배터리 팩 보호 장치에 있어서,
    상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 양단의 전압을 측정하는 셀전압 측정부;
    상기 배터리 팩의 입출력 단자 양단의 전압을 측정하는 팩전압 측정부;
    상기 배터리 셀과 상기 입출력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키는 충방전 스위칭 소자;
    상기 배터리 팩의 충방전전류가 한계치를 초과하면 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 스위칭 조절부;
    상기 스위칭 조절부를 충전 또는 방전에 따라 충전 스위칭 소자 또는 방전 스위칭 소자에 선택적으로 연결하는 스위칭 소자 선택부; 및
    상기 셀전압 측정부에 의해 측정된 셀전압과 상기 팩전압 측정부에 의해 측정된 팩전압을 비교하여, 상기 측정된 셀전압과 상기 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 한계치를 산출하여 상기 스위칭 조절부로 제공하고, 상기 충방전 스위칭 소자의 온오프를 선택적으로 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 스위칭 조절부는,
    상기 배터리 팩의 충방전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하는 증폭기;
    상기 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 하프 온 동작 전압을 출력하는 비교기; 및
    상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 가변 제어하는 하프 온 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 증폭기 및 상기 비교기는 연산 증폭기에 의해 구현되고, 상기 하프 온 스위치는 구동 트랜지스터에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 충방전 스위칭 소자는, 모스전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 하프 온 스위치는, 상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 모스전계효과 트랜지스터의 드레인과 소스 사이 저항을 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  22. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 스위칭 조절부는, 상기 충방전전류가 상기 한계치를 초과한 양이 많을수록 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 크게 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전압차가 클수록 낮은 한계치를 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  24. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 충방전 스위칭 소자를 턴 온 시키기 전에 상기 셀전압과 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 스위칭 조절부에 의해 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  25. 제1항, 제9항 및 제17항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩 보호 장치를 포함하는 배터리 팩.
  26. 복수의 배터리 팩을 포함하는 멀티 배터리 팩 시스템에 있어서,
    각각의 배터리 팩은,
    상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀 양단의 전압을 측정하는 셀전압 측정부;
    상기 배터리 팩의 입출력 단자 양단의 전압을 측정하는 팩전압 측정부;
    상기 배터리 셀과 상기 입출력 단자 사이의 연결을 턴 온 또는 턴 오프시키는 충방전 스위칭 소자;
    상기 배터리 팩의 충방전전류가 한계치를 초과하면 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키는 스위칭 조절부; 및
    상기 셀전압 측정부에 의해 측정된 셀전압과 상기 팩전압 측정부에 의해 측정된 팩전압을 비교하여, 상기 측정된 셀전압과 상기 측정된 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 한계치를 산출하여 상기 스위칭 조절부로 제공하고, 상기 충방전 스위칭 소자의 온오프를 선택적으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 팩은 하나의 마스터 배터리 팩과 하나 이상의 슬레이브 배터리 팩으로 구성되고,
    상기 마스터 배터리 팩은 소정 시간마다 각각의 슬레이브 배터리 팩으로부터 전체 전압을 제공받아 자신의 전체 전압과 모든 슬레이브 배터리 팩의 전체 전압을 이용하여 목표 전압을 산출하고, 산출된 목표 전압을 각각의 슬레이브 배터리 팩에 전송하며, 상기 목표 전압과 자신의 전체 전압을 비교하여, 그 결과에 따라 충방전 스위칭 소자를 제어하여 자신의 입출력 단자와 배터리 셀을 연결 또는 해제하고,
    상기 슬레이브 배터리 팩은 상기 마스터 배터리 팩의 요청에 따라 자신의 전체 전압을 마스터 배터리 팩으로 전송하고, 상기 마스터 배터리 팩으로부터 목표 전압을 제공받아, 상기 목표 전압과 자신의 전체 전압을 비교하여, 그 결과에 따라 충방전 스위칭 소자를 제어하여 자신의 입출력단자와 배터리 셀을 연결 또는 해제하는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 마스터 배터리 팩은, 충전 모드일 때에는 전체 배터리 팩에 대한 최소 전압을 기준으로 상기 목표 전압을 산출하고, 방전 모드일 때에는 전체 배터리 팩에 대한 최대 전압을 기준으로 상기 목표 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 마스터 배터리 팩은, 충전 모드일 때에는 시간이 경과됨에 따라 단계적으로 상승하도록 상기 목표 전압을 산출하고, 방전 모드일 때에는 시간이 경과됨에 따라 단계적으로 하강하도록 상기 목표 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
  30. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 스위칭 조절부는,
    상기 배터리 팩의 충방전 전류에 비례하여 증폭 전압을 출력하는 증폭기;
    상기 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 증폭 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 하프 온 동작 전압을 출력하는 비교기; 및
    상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 가변 제어하는 하프 온 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 증폭기 및 상기 비교기는 연산 증폭기에 의해 구현되고, 상기 하프 온 스위치는 구동 트랜지스터에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 충방전 스위칭 소자는, 모스전계효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 하프 온 스위치는, 상기 하프 온 동작 전압을 입력받아 상기 모스전계효과 트랜지스터의 드레인과 소스 사이 저항을 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
  34. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 스위칭 조절부는, 상기 충방전전류가 상기 한계치를 초과한 양이 많을수록 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 크게 증가시키는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
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  36. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 충방전 스위칭 소자를 턴 온 시키기 전에 상기 셀전압과 상기 팩전압 사이의 전압차에 따라 상기 스위칭 조절부에 의해 상기 충방전 스위칭 소자의 온 저항을 증가시키도록 하는 것을 특징으로 하는 멀티 배터리 팩 시스템.
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