KR101084217B1 - 배터리 팩, 및 배터리 팩의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 팩 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀과 부하 사이에 접속되어 배터리 셀의 방전 전류를 변환하는 전류 변환부와 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하고, 방전 전류량을 기초로 전류 변환부를 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함함으로써, 부하에 필요한 전류를 배터리 팩 자체에서 조절할 수 있다.

Description

배터리 팩, 및 배터리 팩의 제어 방법{Battery pack, and method for controlling the battery pack}

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 더 상세하게는 능동형 배터리 팩 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 충 방전이 가능한 이차 전지(rechargeable battery)는 셀룰러 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants) 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 이러한 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadimium 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 이차 전지는 회로와 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩의 외부 단자를 통해 충전과 방전이 이루어진다.

종래의 배터리 팩은 크게 배터리 셀과, 충 방전 회로를 포함하는 주변회로를 포함하여 이루어지며, 이 주변회로는 인쇄 회로 기판으로 제작된 후, 상기 배터리 셀과 결합된다. 배터리 팩의 외부 단자를 통해 외부 전원이 연결되면, 외부 단자와 충 방전 회로를 통해 공급되는 외부 전원에 의해 배터리 셀이 충전되며, 외부 단자를 통해 부하(load)가 연결되면, 배터리 셀의 전원이 충 방전 회로와 외부 단자를 통해 부하에 공급되는 동작이 일어난다. 이때, 충 방전 회로는 외부 단자와 배터리 셀 사이에서 배터리 셀의 충 방전을 제어한다.

본 발명의 일 실시 예는 부하에 필요한 전류를 배터리 팩 자체에서 조절할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것이다.

또한, 부하에 필요한 전류를 배터리 팩 자체에서 조절하기 위한 배터리 팩의 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀, 상기 배터리 셀과 부하 사이에 접속되어 상기 배터리 셀의 방전 전류를 변환하는 전류 변환부 및 상기 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하고, 상기 방전 전류량을 기초로 상기 전류 변환부를 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함하여 이루어진다.

상기 전류 변환부는 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 상기 배터리 셀의 방전 전류를 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 컴퓨터는 상기 배터리 셀의 잔량을 검출하고, 상기 검출한 잔량과 상기 부하의 사용 시간에 따른 전류 소모량을 기초로 상기 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 컴퓨터는 사용자로부터 상기 부하의 사용 시간을 입력받는 사용자 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전류 변환부는 적어도 하나 이상의 스위치를 포함하며, 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라, 상기 적어도 하나 이상의 스위치 중 하나가 온 되는 것을 특징으로 한다.

상기 전류 변환부는 적어도 하나 이상의 스위치 및 상기 적어도 하나 이상의 스위치에 각각 직렬로 접속된 적어도 하나 이상의 저항을 포함하고, 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 상기 적어도 하나 이상의 스위치 중 하나가 온 되는 것을 특징으로 한다.

상기 전류 변환부는 가변 저항을 포함하고, 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 상기 가변 저항의 저항값이 변하는 것을 특징으로 한다.

상기 배터리 팩은 상기 배터리 셀과 상기 부하 사이에 접속된 충전 소자 및 상기 배터리 셀과 상기 부하 사이에 상기 전류 변환부와 병렬로 접속된 방전 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀, 상기 배터리 셀과 제1 노드 사이에 접속된 충전 소자, 상기 제1 노드와 부하 사이에 접속된 방전 소자, 상기 방전 소자와 병렬로 접속된 전류 변환부 및 상기 충전 소자, 상기 방전 소자 및 상기 전류 변환부를 각각 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함하여 이루어진다.

상기 전류 변환부는 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 상기 부하로의 방전 전류를 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 전류 변환부는 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 온/오프되는 스위치 및 상기 스위치와 직렬로 접속된 가변 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전류 변환부는 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 온/오프되는 적어도 둘 이상의 스위치 및 상기 적어도 둘 이상의 스위치에 각각 직렬로 접속되고, 각각 다른 저항값을 갖는 적어도 둘 이상의 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 컴퓨터는 상기 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하고, 상기 방전 전류량을 기초로 상기 전류 변환부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 컴퓨터는 상기 배터리 셀의 잔량을 검출하고, 상기 검출한 잔량과 상기 부하의 사용 시간에 따른 전류 소모량을 기초로 상기 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법은 배터리 셀의 잔량을 검출하는 단계, 상기 검출한 잔량과 부하의 사용 시간에 따른 예상 전류 소모량을 비교하는 단계, 상기 비교 결과에 따라 방전 전류량을 판단하는 단계 및 상기 방전 전류량에 따라 상기 부하로의 방전 전류를 변환하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 제어 방법은 사용자로부터 상기 부하의 예정 사용 시간을 입력받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀과 부하 사이에 접속되어 배터리 셀의 방전 전류를 변환하는 전류 변환부와 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하고, 방전 전류량을 기초로 전류 변환부를 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함함으로써, 부하에 필요한 전류를 배터리 팩 자체에서 조절할 수 있다.

도 1은 종래의 배터리 팩(100)의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(200)의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전류 변환부의 일 실시 예를 도시한 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시된 전류 변환부의 다른 실시 예를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 수 있다.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 종래의 배터리 팩(100)의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 배터리 팩(100)은 충전 가능한 배터리 셀(120)과 보호 회로를 포함하여 이루어지며, 휴대용 노트북 컴퓨터(PC)와 같은 외부 시스템에 탑재되어 배터리 셀(120)로의 충전 및 배터리 셀(120)에 의한 방전을 수행한다.

배터리 팩(100)은 배터리 셀(120), 배터리 셀(120)과 병렬로 연결되는 외부 단자(미 도시), 및 배터리 셀(120)과 외부 단자 사이 대전류 경로(High Current Path, 이하 'HCP'라 한다)에 직렬로 연결된 충전 소자(130) 및 방전 소자(120), 배터리 셀(120)과 충전 소자(130) 및 방전 소자(120)와 병렬로 연결된 마이크로 컴퓨터(110)를 포함하는 보호 회로를 구비하여 이루어진다.

도면에 도시되지는 않았지만, 배터리 팩(100)의 보호 회로는 배터리 셀(120)과 외부 단자 사이 대전류 경로(HCP)에 직렬로 연결되고 마이크로 컴퓨터(110)와도 연결된 전류 감지부, 마이크로 컴퓨터(110) 또는 외부 시스템의 제어에 따라 대전류 경로 상에 위치한 퓨즈를 용단시키기 위한 자가 보호 제어 장치를 더 포함할 수 있다. 마이크로 컴퓨터(110)는 배터리 셀(120)을 과충전 및 과방전 상태로 판단했을 때, 충전 소자(130) 및 방전 소자(120)를 오프시키거나, 퓨즈를 용단시켜 배터리 셀(120)의 과충전 및 과방전을 차단한다. 즉, 마이크로 컴퓨터(110)는 배터리 셀(120)을 과충전 및 과방전 상태로 판단하면 그에 대응하는 제어 신호를 출력하여 자가 보호 제어 장치를 통해 퓨즈를 용단시킨다.

상기와 같이 구성된 배터리 팩(100)은 외부 단자를 통해 외부 시스템과 연결되어 충전 또는 방전이 이루어진다. 상기 외부 단자와 배터리 셀(120) 사이의 경로의 대전류 경로(HCP)는 충방전 경로로 사용되며, 이 대전류 경로(HCP)를 통해 큰 전류가 흐른다. 이러한 배터리 팩(100)은 외부 시스템과의 통신을 위해 보호회로의 마이크로 컴퓨터(110)와 외부 단자 사이에는 SMBUS(System Management BUS)를 더 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(200)의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 배터리 팩(200)은 마이크로 컴퓨터(210), 배터리 셀(220) 및 전류 변환부(230)를 포함한다. 도 2에서는 상기 구성들만이 도시되었지만, 이에 한정되지 않고, 일반적인 배터리 팩의 구성요소들, 예를 들면 충전 소자, 방전 소자, 아날로그 프런트 엔드, 전류 감지부, 퓨즈 등을 포함하는 보호 회로를 포함하여 구성할 수 있음은 물론이다.

전류 변환부(230)는 배터리 셀(220)과 부하(미 도시) 사이에 접속되어 배터리 셀(220)의 방전 전류를 변환한다. 전류 변환부(230)는 대전류 경로에 직렬로 접속되어, 배터리 셀(220)의 방전 전류를 변환한다. 방전 전류의 변환은 2개 이상의 스위치를 통해 방전 경로를 변경하거나, 대전류 경로에 가변 저항을 배치하여 구성할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

마이크로 컴퓨터(210)는 배터리 셀(220)의 방전 전류량을 판단하고, 방전 전류량을 기초로 전류 변환부(230)를 제어한다. 마이크로 컴퓨터(210)는 배터리 셀(220)의 배터리 잔존 용량을 검출한다. 여기서, 마이크로 컴퓨터(210)는 배터리 셀 전압을 측정하는 아날로그 프런트 엔드(미 도시)로부터 배터리의 전압 정보를 제공받을 수 있다. 마이크로 컴퓨터(210)는 배터리 셀(220)의 잔량과 부하의 사용 시간에 따른 전류 소모량을 기초로 배터리 셀(220)의 방전 전류량을 판단한다. 그리고, 판단한 방전 전류량을 출력할 수 있도록 전류 변환부(230)를 제어하여 방전 전류를 변환시킨다.

또한, 마이크로 컴퓨터(210)는 사용자로부터 상기 부하의 사용 시간을 입력받는 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 마이크로 컴퓨터(210)는 사용자 인터페이스를 통해 외부 단자(240)를 통해 입력된 부하의 예정 사용 시간을 입력받을 수 있다. 마이크로 컴퓨터(210)는 입력받은 부하의 예정 사용 시간, 예를 들면 사용자가 4시간 동안 노트북을 사용한다는 정보를 입력받으면, 현재 배터리 잔존 용량이 3mAh, 즉 3mA의 소모 전류량으로 1시간 사용할 수 있는 용량만이 남았다면, 4시간 사용을 위해 필요한 소모 전류량인 약 0.73mA를 방전 전류량으로 결정하고, 0.73mA의 방전 전류를 출력할 수 있도록 전류를 변환한다.

도 3은 도 1에 도시된 전류 변환부의 일 실시 예를 도시한 개략도이다.

도 3을 참조하면, 전류 변환부(330)는 스위치(331), 스위치(331)와 직렬로 연결된 가변저항(332)을 포함한다. 여기서, 스위치(331)는 마이크로 컴퓨터(310)의 제어에 따라 온 또는 오프되며, 가변저항(332)은 마이크로 컴퓨터(310)의 제어에 따라 저항값이 다르게 설정될 수 있다. 여기서, 스위치(331)는 FET(Field Effect Transister)일 수 있으며, 가변저항(332)의 저항값의 범위는 배터리 셀의 용량 또는 부하의 소모 전류량에 따라 임의로 결정될 수 있다.

도 3에 도시된 배터리 팩(300)은 마이크로 컴퓨터(310), 배터리 셀(320) 및 전류 변환부(330)만이 도시되어 있지만, FET로 이루어진 충전 소자 및 방전 소자를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 전류 변환부(330)는 방전 소자와 병렬로 구성될 수 있으며, 방전 소자를 통해서 부하의 소모 전류량에 따라 방전 전류가 흐르고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방전 전류량을 능동적으로 조절할 필요가 있을 때, 방전 소자를 오프시키고, 스위치(331)를 온 시켜 상기 방전 소자를 통해 흐르는 전류량보다 작은 전류를 부하로 흐르게 한다. 이 경우, 스위치(331)로 방전 소자로 사용되는 FET보다 작은 허용 전류를 갖는 FET를 사용할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 단자(340)를 통해 사용자로부터 부하의 예정 사용 시간을 입력받을 수 있다. 마이크로 컴퓨터(310)는 입력된 부하의 예정 사용 시간에 따라 예상 전류 소모량에 비해 배터리 잔량이 부족한 경우, 예정 사용 시간에 따른 방전 전류량을 결정하고, 이에 따라 스위치(331)를 온 시켜 방전 전류를 변환한다.

도 4는 도 1에 도시된 전류 변환부의 다른 실시 예를 도시한 개략도이다.

도 4를 참조하면, 전류 변환부(430)는 3개의 전류 경로로서 배터리 셀(320)과 부하(미 도시) 사이에 준비된다. 제1 전류 경로는 제1 스위치(431) 및 제1 저항(434)으로 구성되고, 제2 전류 경로는 제2 스위치(432) 및 제2 저항(435)으로 구성되고, 제3 전류 경로는 제3 스위치(433) 및 제3 저항(436)으로 구성된다. 여기서, 제1 내지 제3 스위치(431 내지 433)는 마이크로 컴퓨터(410)의 제어에 따라 온 또는 오프되며, 제1 내지 제3 저항(434 내지 436)은 각각 서로 다른 저항값을 갖는다. 또한, 마이크로 컴퓨터(410)는 도 3에 도시된 단자(450)를 통해 부하의 예정 사용 시간을 입력받아, 배터리 잔량과 예정 사용 시간에 따라 부하의 소모 전류량을 비교하여 방전 전류량을 결정한다. 그리고 방전 전류량만큼의 전류를 부하로 보낼 수 있는 경로를 제1 내지 제3 전류 경로 중에서 선택하고, 해당 스위치를 온 시킨다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 단계 500에서, 부하의 예정 사용 시간이 설정된다. 여기서, 부하의 예정 사용 시간은 사용자 인터페이스를 통해 사용자로부터 입력받을 수 있다.

단계 502에서, 배터리 잔량을 검출한다. 단계 504에서, 검출한 잔량과 부하의 사용 시간에 따른 예상 전류 소모량을 비교한다. 단계 506에서, 단계 504에서의 비교 결과에 따라 방전 전류량을 판단한다.

단계 508에서, 방전 전류량에 따라 부하로의 방전 전류를 변환한다. 여기서, 방전 전류 변환은 방전 경로를 분리하거나, 방전 경로 상에 가변 저항을 추가하여 흐르는 전류를 변환시킬 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

100,200,300,400: 배터리 팩 110,210,310,410: 마이크로 컴퓨터
120,220,320,420: 배터리 셀 230,330,430: 전류 변환부

Claims (16)

1. 배터리 셀;
   상기 배터리 셀과 부하 사이에 접속되어 상기 배터리 셀의 방전 전류를 변환하는 전류 변환부; 및
   상기 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하고, 상기 방전 전류량을 기초로 상기 전류 변환부를 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 배터리 팩.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전류 변환부는,
   상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 상기 배터리 셀의 방전 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 마이크로 컴퓨터는,
   상기 배터리 셀의 잔량을 검출하고, 상기 검출한 잔량과 상기 부하의 사용 시간에 따른 전류 소모량을 기초로 상기 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 마이크로 컴퓨터는,
   사용자로부터 상기 부하의 사용 시간을 입력받는 사용자 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 전류 변환부는,
   적어도 하나 이상의 스위치를 포함하며,
   상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라, 상기 적어도 하나 이상의 스위치 중 하나가 온 되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전류 변환부는,
   적어도 하나 이상의 스위치 및 상기 적어도 하나 이상의 스위치에 각각 직렬로 접속된 적어도 하나 이상의 저항을 포함하고,
   상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 상기 적어도 하나 이상의 스위치 중 하나가 온 되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 전류 변환부는,
   가변 저항을 포함하고,
   상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 상기 가변 저항의 저항값이 변하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 배터리 셀과 상기 부하 사이에 접속된 충전 소자; 및
   상기 배터리 셀과 상기 부하 사이에 상기 전류 변환부와 병렬로 접속된 방전 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
9. 배터리 셀;
   상기 배터리 셀과 제1 노드 사이에 접속된 충전 소자;
   상기 제1 노드와 부하 사이에 접속된 방전 소자;
   상기 방전 소자와 병렬로 접속된 전류 변환부; 및
   상기 충전 소자, 상기 방전 소자 및 상기 전류 변환부를 각각 제어하는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 배터리 팩.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류 변환부는,
    상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 상기 부하로의 방전 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전류 변환부는,
    상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 온/오프되는 스위치; 및
    상기 스위치와 직렬로 접속된 가변 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전류 변환부는,
    상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 따라 온/오프되는 적어도 둘 이상의 스위치; 및
    상기 적어도 둘 이상의 스위치에 각각 직렬로 접속되고, 각각 다른 저항값을 갖는 적어도 둘 이상의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 마이크로 컴퓨터는,
    상기 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하고, 상기 방전 전류량을 기초로 상기 전류 변환부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 마이크로 컴퓨터는,
    상기 배터리 셀의 잔량을 검출하고, 상기 검출한 잔량과 상기 부하의 사용 시간에 따른 전류 소모량을 기초로 상기 배터리 셀의 방전 전류량을 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
15. 배터리 셀의 잔량을 검출하는 단계;
    상기 검출한 잔량과 부하의 사용 시간에 따른 예상 전류 소모량을 비교하는 단계;
    상기 비교 결과에 따라 방전 전류량을 판단하는 단계; 및
    상기 방전 전류량에 따라 상기 부하로의 방전 전류를 변환하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 제어 방법.
16. 제 15 항에 있어서,
    사용자로부터 상기 부하의 예정 사용 시간을 입력받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어 방법.

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