KR101089833B1 - Soft start circuit for protecting battery and Battery pack having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩을 개시한다. 본 발명에 따른 전지 보호용 소프트 스타트 회로는, 이차 전지에 내장되어 방전 회로 연결에 따른 방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서, 방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 방전 스위칭 소자; 및 방전 스위칭 소자와 이차 전지 사이에 전기적으로 병렬 연결되어, 방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부;를 포함하되, 스위칭 소자 구동부는 방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a soft start circuit for battery protection and a battery pack having the same. A battery protection soft start circuit according to the present invention includes a battery protection circuit for controlling a discharge current according to a discharge circuit connected to a secondary battery, the battery protection circuit comprising: a discharge switching element configured to limit the discharge current to a constant current; And a switching element driver electrically connected in parallel between the discharge switching element and the secondary battery to control an operation of the discharge switching element, wherein the switching element driver outputs a sensed voltage according to the detection of the discharge current as an amplified voltage. Compared to the voltage, when the amplification voltage exceeds the reference voltage, the operation control so that the resistance of the discharge switching element is variable, it characterized in that the negative feedback of the output limited discharge current by the discharge switching element.
본 발명은 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하고, 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백함으로써, 이차 전지 및 충ㆍ방전 회로의 연결시, 구성 회로의 손상없이 소프트 스타트 제어가 가능한 장점이 있다.According to the present invention, the resistance value of the charge / discharge switching element is variably controlled, and the negative feedback of the charge / discharge current limited by the charge / discharge switching element is reduced so that the secondary battery and the charge / discharge circuit are softly connected without damaging the configuration circuit. Start control is possible.
이차 전지, 소프트 스타트, 충방전, 정전류, 네거티브 피드백 Secondary Battery, Soft-Start, Charge / Discharge, Constant Current, Negative Feedback
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings, which are attached to this specification, illustrate exemplary embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention, serve to further understand the technical spirit of the present invention. It should not be construed as limited to.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 보호 회로를 도시하는 회로도.1 is a circuit diagram showing a battery protection circuit according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 따른 다른 전지 보호 회로를 도시하는 회로도.2 is a circuit diagram showing another battery protection circuit according to the prior art.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소프트 스타트 회로를 도시하는 회로도.3 is a circuit diagram showing a soft start circuit according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 소자 구동부를 도시하는 회로도.4 is a circuit diagram showing a switching element driver according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 회로 연결에 따른 방전 전류를 제어하는 과정을 설명하기 위한 순서도.5 is a flowchart illustrating a process of controlling the discharge current according to the discharge circuit connection in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 회로 연결에 따른 방전 전류를 도시하는 그래프.6 is a graph showing the discharge current according to the discharge circuit connection according to a preferred embodiment of the present invention.
도 7은 도 4의 A 지점에서 측정된 제 1 연산 증폭기의 출력 전압을 도시하는 그래프.FIG. 7 is a graph showing the output voltage of the first operational amplifier measured at point A of FIG.
도 8은 도 4의 B 지점에서 측정된 제 2 연산 증폭기의 출력 전압을 도시하는 그래프.8 is a graph showing the output voltage of the second operational amplifier measured at point B of FIG.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 회로 연결에 따른 충전 전류를 제어하는 과정을 설명하기 위한 순서도.9 is a flowchart illustrating a process of controlling a charging current according to a charging circuit connection according to a preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명><Description of Major Reference Marks in Drawings>
100...이차 전지 200...제어부100
300...소프트 스타트 회로 310...DFET300 ...
320...CFET 330...스위칭 소자 구동부320 ... CFET 330 ... Switching Device Driver
331...제 1 연산 증폭기 331a...센싱 저항331 The first
332...제 2 연산 증폭기 333...구동 트랜지스터 332 Second
340...충ㆍ방전 연동 스위치340 ... Charge and discharge interlock switch
본 발명은 전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차 전지의 충ㆍ방전 회로 연결에 따른 초기 과도 전류의 제어가 가능한 전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩에 관한 것이다.The present invention relates to a soft start circuit for battery protection and a battery pack having the same. More particularly, a soft start circuit for battery protection capable of controlling an initial transient current according to connection of a charge / discharge circuit of a secondary battery, and a battery pack having the same. It is about.
일반적으로, 이차 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방전과, 그 변환과 역방향인 충전 과정을 통하여 반복 사용이 가능한 전지이며, 그 종류로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬-이온 전지 및 리튬-이온 폴리머 전지 등이 있다.In general, a secondary battery is a battery that can be repeatedly used through a discharge that converts chemical energy into electrical energy and a charging process reverse to the conversion thereof, and types thereof include nickel-cadmium batteries, nickel-hydrogen batteries, and lithium-ions. Batteries and lithium-ion polymer batteries.
최근, 이차 전지의 성장은 디지털 가전 기기와 휴대 단말기 등을 포함하는 신규 시장의 급성장에 기인한다. 이러한 이차 전지는 리튬 계열 전지와 니켈-수소 계열의 전지로 분류된다.Recently, the growth of secondary batteries is due to the rapid growth of new markets including digital home appliances, portable terminals and the like. Such secondary batteries are classified into lithium based batteries and nickel-hydrogen based batteries.
리튬 계열의 소형 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 제품에 적용되며, 니켈-수소 계열의 중대형 이차 전지는 HUV(Hybrid Electric Vehicle) 등의 전기 자동차에 적용된다.Lithium-based small secondary batteries are applied to products such as digital cameras, P-DVDs, MP3Ps, mobile phones, PDAs, portable game devices, power tools, and e-bikes. Nickel-hydrogen medium and large secondary batteries are HUV (Hybrid Electric). Applied to electric vehicles such as vehicles.
전기 자동차의 동력으로 사용되는 중대형 이차 전지는 직ㆍ병렬로 연결된 다수의 단위 전지셀로 구성되며, 이러한 구성의 이차 전지 모듈은 자동차의 구동에 사용되는 모터에 고전압을 공급한다.A medium-large secondary battery used as a power of an electric vehicle is composed of a plurality of unit battery cells connected in series and parallel, and the secondary battery module of such a configuration supplies a high voltage to a motor used to drive a vehicle.
한편, 이차 전지는 비정상적인 상황 즉, 과충전, 과전류 또는 과방전 등에서 폭발 및 발화가 일어나게 된다. 특히, 리튬계 이차 전지가 일정 범위의 전압을 넘어 작동하면 이차 전지의 열화나 손상을 받는 정도가 크기 때문에, 전지 보호 회로를 이용하여 이차 전지를 보호한다.On the other hand, the secondary battery is exploded and ignited in an abnormal situation, that is, overcharge, overcurrent or overdischarge. In particular, when the lithium-based secondary battery operates over a range of voltages, the secondary battery is greatly deteriorated or damaged, and thus the secondary battery is protected using a battery protection circuit.
일본공개특허 제1997-117072호에는 이차 전지의 전압차를 검출하기 위한 전압차 검출 수단과, 검출된 전압차가 소정치를 넘었는지 판정하기 위한 판정 수단과, 판정 수단의 판정에 따라 전류를 차단하는 전류 차단 수단을 구비하는 이차 전 지의 보호 회로가 개시되어 있고, 일본공개특허 제2003-143751호에는 충전 전류와 방전 전류를 차단하기 위한 한 쌍의 전계 효과 트랜지스터(이하, 'FET'라 함.)와, FET를 온/오프(ON/OFF) 제어하고 전지를 보호하기 위한 보호 IC를 구비한 보호 회로가 개시되어 있는데, 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 전지 보호 회로를 설명하면 다음과 같다.Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1997-117072 discloses a voltage difference detecting means for detecting a voltage difference of a secondary battery, a judging means for judging whether the detected voltage difference has exceeded a predetermined value, and a current cutoff according to the judging of the judging means. A secondary battery protection circuit having a current blocking means is disclosed, and Japanese Patent Laid-Open No. 2003-143751 discloses a pair of field effect transistors (hereinafter referred to as FETs) for blocking charge current and discharge current. And a protection circuit including a protection IC for controlling the FET ON / OFF (ON / OFF) and to protect the battery is disclosed, the battery protection circuit according to the prior art with reference to Figure 1 as follows.
도 1에 도시된 바와 같이, 전지 보호 회로(20)는 이차 전지(10)와 부하 회로(30) 사이에 전기적으로 연결될 수 있도록 전지팩의 봉입부 내에 구비되며, 전지팩의 양극(+) 라인 상에 직렬로 접속된 제 1 및 제 2 FET(22, 23)와, 제 1 및 제 2 FET(22, 23)을 제어하는 제어부(21)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the
여기서, 제어부(21)는 이차 전지(10)의 전압을 검출하여, 충전 전압 이상의 전압이 검출될 경우, 제 1 FET(22)을 오프(OFF) 상태로 제어하여 충전 전류를 차단하고, 방전 전압 이상의 전압이 검출될 경우, 제 2 FET(23)을 오프(OFF) 상태로 제어하여 방전 전류를 차단한다.Here, the
상술한 전지 보호 회로(20)는 이차 전지(10)를 과충전 또는 과방전으로부터 보호할 수 있으나, 부하 회로(30) 연결에 따른 초기 과전류의 제어가 어려운 문제점이 있다.The
즉, 대용량 커패시터(31), 인버터(32) 및 구동 모터(33)를 포함하는 부하 회로(30)가 전지팩에 연결되면, 이차 전지(20)는 대용량 커패시터(31)의 충전을 위해 순간적으로 많은 전류를 방전하게 되는데, 이는 전지 보호 회로(20)뿐만 아니라, 이차 전지(10) 및 부하 회로(30)를 손상시키는 부정적인 요인으로 작용한다.That is, when the
이러한 종래 기술에 따른 초기 과전류의 제어를 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 FET(22, 23)의 양단에 전류 제한 저항(24) 및 충ㆍ방전용 스위치(25)를 전기적으로 연결하여 대용량 커패시터(31)의 예비 충전이 가능하나, 저전류로 대용량 커패시터(31)를 충전할 경우, 충전 시간이 많이 소요되며, 충전 시간을 단축시키기 위해서는 대용량의 전류 제한 저항(24)이 요구되는 문제점이 있다.As shown in FIG. 2, the current limiting
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 충ㆍ방전 FET의 저항치를 가변 제어하여, 이차 전지 및 충ㆍ방전 회로의 연결에 따른 초기 과도 전류를 정전류로 제어할 수 있는 전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the battery protection software that can control the initial transient current according to the connection of the secondary battery and the charge and discharge circuit with a constant current by variable control of the resistance of the charge and discharge FET It is an object of the present invention to provide a start circuit and a battery pack having the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 보호용 소프트 스타트 회로는, 이차 전지에 내장되어 방전 회로 연결에 따른 방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서, 방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 방전 스위칭 소자; 및 상기 방전 스위칭 소자와 이차 전지 사이에 전기적으로 병렬 연결되어, 상기 방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부;를 포함하되, 상기 스위칭 소자 구동부는 방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 한다.In the battery protection soft start circuit according to the present invention for achieving the above object, the battery protection circuit for controlling the discharge current according to the discharge circuit is built in the secondary battery, the discharge to limit the discharge current to a constant current discharge Switching elements; And a switching element driver electrically connected in parallel between the discharge switching element and the secondary battery to control the operation of the discharge switching element, wherein the switching element driver converts the sensed voltage according to the detection of the discharge current into an amplification voltage. The output voltage is compared with a reference voltage, and when the amplification voltage exceeds the reference voltage, operation control of the resistance of the discharge switching element is variable, and negative feedback of the output limited discharge current is performed by the discharge switching element.
본 발명에 있어서, 상기 스위칭 소자 구동부는, 방전 전류의 경로상에 구비된 센싱 저항의 양단 전압을 증폭하여 증폭 전압으로 출력하는 제 1 연산 증폭기(OP AMP 1); 상기 증폭 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하여, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 증폭 전압을 감소시켜 감소 전압으로 출력하는 제 2 연산 증폭기(OP AMP 2); 및 상기 감소 전압에 의해 턴 온 동작되고, 상기 방전 스위칭 소자로 동작 제어 전압을 출력하여, 상기 방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하는 구동 트랜지스터(DTR);를 포함한다.In the present invention, the switching element driver comprises: a first operational amplifier (OP AMP 1) for amplifying the voltage of both ends of the sensing resistor provided on the path of the discharge current to output as an amplified voltage; A second operational amplifier (OP AMP 2) for comparing the amplified voltage with a preset reference voltage and reducing the amplified voltage and outputting the reduced voltage when the amplified voltage exceeds the reference voltage; And a driving transistor (DTR) which is turned on by the reduction voltage and outputs an operation control voltage to the discharge switching element, and variably controls the resistance value of the discharge switching element.
바람직하게, 상기 방전 스위칭 소자는 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)이고, 상기 모스 전계 효과 트랜지스터의 게이트(G) 구동은 스위칭 소자 구동부의 동작 제어 전압에 의해 이루어지며, 상기 게이트 구동에 의해 모스 전계 효과 트랜지스터의 소스(S) 및 드레인(D) 간 저항치가 가변 제어된다.Preferably, the discharge switching element is a MOS field effect transistor (MOSFET), the driving of the gate (G) of the MOS field effect transistor is made by the operation control voltage of the switching element driver, the MOS field effect transistor by the gate drive. The resistance value between the source S and the drain D is variably controlled.
더욱 바람직하게, 상기 모스 전계 효과 트랜지스터는 그 내부에 기생 다이오드가 구비되고, 상기 기생 다이오드는 방전 전류와 역방향이 되도록 소스 및 드레인 사이에 접속된다.More preferably, the MOS field effect transistor is provided with a parasitic diode therein, and the parasitic diode is connected between the source and the drain so as to be reverse to the discharge current.
본 발명에 따르면, 상기 저항치의 가변 제어에 의해 방전 전류가 정전류로 제어된다.According to the present invention, the discharge current is controlled to the constant current by the variable control of the resistance value.
본 발명에 의하면, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단은 이차 전지의 양극(+) 라인에 구비된 방전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결되고, 상기 이차 전지의 음극(-) 라인에 그 타단이 전기적으로 연결된다.According to the present invention, one end of the switching element driver is electrically connected to the current input terminal of the discharge switching element provided in the positive (+) line of the secondary battery, and the other end thereof is electrically connected to the negative (-) line of the secondary battery. Connected.
바람직하게, 상기 방전 회로는, 대용량 콘덴서를 포함한다.Preferably, the discharge circuit includes a large capacity capacitor.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차 전지에 내장되어 충전 회로 연결에 따른 충전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서, 충전 전류를 정전류로 출력 제한하는 충전 스위칭 소자; 및 상기 충전 스위칭 소자와 충전 회로 사이에 전기적으로 병렬 연결되어, 상기 충전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부;를 포함하되, 상기 스위칭 소자 구동부는 충전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 충전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 충전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로를 제공한다.According to another aspect of the invention, the battery protection circuit for controlling the charging current according to the connection of the charging circuit is built in the secondary battery, the charge switching device for output limiting the charging current to a constant current; And a switching element driver electrically connected in parallel between the charging switching element and the charging circuit to control an operation of the charging switching element, wherein the switching element driver converts the sensed voltage according to the sensing of the charging current into an amplification voltage. Outputs and compares it with a reference voltage, and when the amplification voltage exceeds the reference voltage, operates to control the resistance of the charging switching element to be variable, and negatively feedbacks the output limited charging current by the charging switching element. Provide a protective soft-start circuit.
본 발명에 따르면, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단은 이차 전지의 양극 라인에 구비된 충전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결되고, 상기 이차 전지의 음극 라인에 그 타단이 전기적으로 연결된다.According to the present invention, one end of the switching element driving unit is electrically connected to the current input terminal of the charging switching element provided in the positive electrode line of the secondary battery, and the other end thereof is electrically connected to the negative electrode line of the secondary battery.
본 발명에 의하면, 상기 감소 전압은 기준 전압 이하이고, 상기 증폭 전압의 세기와 반비례한다.According to the present invention, the reduction voltage is equal to or less than the reference voltage and is inversely proportional to the strength of the amplification voltage.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이차 전지에 내장되어 충ㆍ방전 회로 연결에 따른 충ㆍ방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서, 충ㆍ방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 충ㆍ방전 스위칭 소자; 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부; 및 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 충전 또는 방전에 따라 충전 또는 방전 스위칭 소자의 전류 입력단에 선택적으로 연결하는 충ㆍ방전 연동 스위치;를 포함하되, 상기 스위칭 소자 구동부는 충ㆍ방전 전류 의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로를 제공한다.According to still another aspect of the present invention, a battery protection circuit for controlling a charge and discharge current according to a charge and discharge circuit connection built in a secondary battery, the charge and discharge switching element for limiting the output of the charge and discharge current to a constant current ; A switching element driver for controlling the operation of the charge / discharge switching element; And a charge / discharge interlock switch for selectively connecting one end of the switching element driver to a current input terminal of a charge or discharge switching element according to charging or discharging. The voltage is output as an amplification voltage and compared with a reference voltage. When the amplification voltage exceeds the reference voltage, operation control is performed so that the resistance of the charge / discharge switching element is varied, and the charge / discharge switching element limited by the charge / discharge switching element is controlled. Provided are a soft start circuit for battery protection, characterized by negative feedback of a discharge current.
바람직하게, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자는 이차 전지의 양극 라인에 직렬 연결된다.Preferably, the charge / discharge switching element is connected in series to the positive line of the secondary battery.
본 발명에 의하면, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치는 충전 회로의 연결시, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 충전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결하고, 상기 방전 회로의 연결시, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 방전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결한다.According to the present invention, the charge / discharge interlock switch electrically connects one end of the switching element driver to a current input terminal of a charge switching element when the charging circuit is connected, and one end of the switching element driver when the discharge circuit is connected. Is electrically connected to the current input of the discharge switching element.
본 발명에 있어서, 상기 스위칭 소자 구동부의 타단은 이차 전지의 음극 라인에 전기적으로 연결된다.In the present invention, the other end of the switching element driver is electrically connected to the negative electrode line of the secondary battery.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이차 전지에 내장되어 충ㆍ방전 회로 연결에 따른 충ㆍ방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로를 구비하는 전지팩에 있어서, 충ㆍ방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 충ㆍ방전 스위칭 소자; 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부; 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 충전 또는 방전에 따라 충전 또는 방전 스위칭 소자의 입력측에 선택적으로 연결하는 충ㆍ방전 연동 스위치; 및 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자 및 충ㆍ방전 연동 스위치의 온ㆍ오프를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 스위칭 소자 구 동부는 충ㆍ방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로를 구비하는 전지팩을 제공한다.According to still another aspect of the present invention, a battery pack provided in a secondary battery and having a battery protection circuit for controlling charging and discharging current due to connection of a charging and discharging circuit, the output limiting of the charging and discharging current to a constant current Charge / discharge switching elements; A switching element driver for controlling the operation of the charge / discharge switching element; A charge / discharge interlock switch for selectively connecting one end of the switching element driver to an input side of a charge or discharge switching element according to charge or discharge; And a controller for controlling on / off of the charge / discharge switching element and the charge / discharge interlock switch, wherein the switching element is configured to output a sensed voltage according to the detection of the charge / discharge current as an amplified voltage. In comparison with the above, when the amplification voltage exceeds the reference voltage, the control of the charge / discharge switching element is controlled to vary, and the negative feedback of the charge / discharge current limited by the charge / discharge switching element is output. A battery pack having a soft start circuit for protecting a battery is provided.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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. 따러서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, which can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be various equivalents and variations.
본 발명에 따른 전지 보호용 소프트 스타트(Soft Start) 회로는 스위칭 소자 구동부를 통하여 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하는 구조적 특징이 있으며, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자로는 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 이용하는데, 본 발명의 실시예에서는 충전 스위칭 소자를 'CFET'으로 정의하고, 방전 스위칭 소자를 'DFET'으로 정의한다.The soft start circuit for protecting a battery according to the present invention has a structural feature of variably controlling the resistance value of a charge / discharge switching element through a switching element driver, and the charge / discharge switching element is a MOSFET. In the embodiment of the present invention, the charge switching device is defined as 'CFET' and the discharge switching device is defined as 'DFET'.
본 발명에 따른 소프트 스타트 회로를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같 다.The soft start circuit according to the present invention will be described with reference to FIG. 3.
도 3에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100) 및 제어부(200)를 포함하는 전지팩의 봉입부 내에 구비되는 소프트 스타트 회로(300)는 전지팩의 양극 라인(Pack +)에 직렬 연결되는 DFET(310) 및 CFET(320)과, 상기 DFET(310) 또는 CFET(320)의 전류 입력단에 일단이 전기적으로 연결되고, 상기 전지팩의 음극 라인(Pack -)에 타단이 전기적으로 연결되는 스위칭 소자 구동부(330)와, 상기 스위칭 소자 구동부(330)의 일단을 DFET(310) 또는 CFET(320)의 전류 입력단에 선택적으로 연결하는 충ㆍ방전 연동 스위치(340)을 포함한다.As shown in FIG. 3, the
상기 이차 전지(100)는 다수의 단위 전지셀이 직렬 또는 병렬 연결된 단위 전지셀 어셈블리이고, 상기 제어부(200)는 이차 전지(100)의 전압을 검출하고, 상기 이차 전지(100)의 충ㆍ방전에 따라 DFET(310), CFET(320), 스위칭 소자 구동부(330) 및 충ㆍ방전 연동 스위치(340)를 제어한다.The
상기 제어부(200)는 전지팩이 충전 회로와 접속되면, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치(340)를 제어하여, 상기 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 CFET(320)의 충전 전류 입력단에 전기적으로 연결되도록 하고, 상기 전지팩이 방전 회로와 접속되면, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치(340)를 제어하여, 상기 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 DFET(310)의 방전 전류 입력단에 전기적으로 연결되도록 한다.When the battery pack is connected to the charging circuit, the
상기 DFET(310) 및 CFET(320)은 전지팩과 충ㆍ방전 회로 간에 순간적으로 흐르는 과전류를 정전류로 출력하고, 상기 스위칭 소자 구동부(330)는 전지팩 내에 흐르는 과전류를 감지하여 DFET(310) 및 CFET(320)의 저항이 가변되도록 동작 제어 한다.The
본 발명의 실시예에서, 상기 전지팩에 충전 회로가 전기적으로 연결되면, 상기 전지팩 내에 초기 과충전 전류가 흐르고, 상기 초기 과충전 전류의 발생에 따라 CFET(320)은 스위칭 소자 구동부(330)에 의해 저항치가 가변되는 하프 온(Half ON) 상태로 제어되고, 상기 CFET(320)의 제어에 따라 초기 과충전 전류는 제한된다.In an embodiment of the present invention, when a charging circuit is electrically connected to the battery pack, an initial overcharge current flows in the battery pack, and the
한편, 상기 전지팩에 방전 회로가 전기적으로 연결되면, 상기 전지팩 내에 초기 과방전 전류가 흐르고, 상기 초기 과방전 전류의 발생에 따라 DFET(310)은 스위칭 소자 구동부(330)에 의해 저항치가 가변되는 하프 온(Half ON) 상태로 제어되고, 상기 DFET(320)의 제어에 따라 초기 과방전 전류는 제한된다.On the other hand, when the discharge circuit is electrically connected to the battery pack, the initial over-discharge current flows in the battery pack, the resistance value of the
상기 초기 과전류가 제한되어 전류 안정화가 된 이후, 상기 제어부(200)는 상기 전지팩의 양극 및 음극 라인(Pack +, Pack -)에 정상 상태의 충ㆍ방전 전류가 검출되면, 상기 DFET(310) 및 CFET(320)을 온(ON) 상태로 제어하여 충ㆍ방전 전류를 도통시킨다.After the initial overcurrent is limited and the current is stabilized, the
전술한 바와 같이, 상기 소프트 스타트 회로(300)는 전지팩과 충ㆍ방전 회로의 전기적 접속에 따른 초기 과전류를 정전류로 제한하여 소프트 스타트의 실행을 가능하게 하고, 상기 이차 전지 및 충ㆍ방전 회로를 보호하며, 상기 소프트 스타트 회로(300)에 구비된 스위칭 소자 구동부(330)는 초기 과충전 또는 초기 과방전 전류를 감지하여 DFET(310) 또는 CFET(320)으로 동작 제어 전압을 출력하고, 상기 동작 제어 전압에 의해 저항치가 가변되는 DFET(310) 또는 CFET(320)은 초기 과충전 또는 초기 과방전 전류를 정전류로 제한하여 출력한다.As described above, the
전술한 DFET 또는 CFET으로 동작 제어 전압을 출력하는 스위칭 소자 구동부의 구성을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 소자 구동부를 도시하는 회로도이고, 상기 스위칭 소자 구동부는 방전 회로의 전기적 연결에 따른 DFET을 동작 제어한다.The configuration of the switching element driver for outputting the operation control voltage to the above-described DFET or CFET will be described with reference to FIG. 4. 4 is a circuit diagram showing a switching device driver according to a preferred embodiment of the present invention, wherein the switching device driver controls the operation of the DFET according to the electrical connection of the discharge circuit.
도 4에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자 구동부(330)는 전지팩의 양극 라인(Pack +) 즉, 이차 전지의 양극 라인에 직렬 접속된 DFET(310) 및 CFET(320)과 전기적으로 병렬 연결된다.As shown in FIG. 4, the switching
본 발명의 실시예에서, 상기 스위칭 소자 구동부(330)는 방전 전류를 제한하도록 그 일단이 DFET(310)의 방전 전류 입력단에 전기적으로 접속되고, 그 타단이 전지팩의 음극 라인(Pack -) 즉, 이차 전지의 음극 라인에 전기적으로 접속되나, 상기 전지팩에 충전 회로가 접속되면, 상기 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 제어부에 의해 제어되는 충ㆍ방전 연동 스위치에 의해 CFET(320)의 충전 전류 입력단에 전기적으로 접속됨은 자명하다.In the exemplary embodiment of the present invention, one end of the switching
상기 스위칭 소자 구동부(330)는 방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭하여 증폭 전압으로 출력하는 제 1 연산 증폭기(OP AMP 1)(331)와, 상기 제 1 연산 증폭기(331)의 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 조건부 전압을 출력하는 제 2 연산 증폭기(OP AMP 2)(332)와, 상기 제 2 연산 증폭기(332)의 조건부 전압에 의해 동작 제어 전압을 DFET(310)으로 출력하는 구동 트랜지스터(DTR)(333)를 포함한다.The
상기 제 1 연산 증폭기(331)는 전지팩의 음극 라인상에 직렬 연결된 센싱 저항(331a)의 양단 전압을 증폭하여 증폭 전압으로 출력한다. 여기서, 상기 센싱 저 항(331a)은 제 1 연산 증폭기(331)의 입력단에 병렬로 접속된다.The first
상기 제 2 연산 증폭기(332)는 제 1 연산 증폭기(331)에서 출력된 증폭 전압과 제어부로부터 출력된 기준 전압을 입력으로 하고, 상기 증폭 전압 및 기준 전압을 비교하여, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 증폭 전압과 기준 전압의 차에 해당하는 만큼 증폭 전압을 감소시킨다. 이하에서는 설명의 편의상 감소된 증폭 전압을 '감소 전압'이라 칭한다.The second
상기 구동 트랜지스터(333)는 제 2 연산 증폭기(332)에서 출력되는 전압 레벨이 기준 전압보다 강하되면 턴 온(Turn ON) 동작되어 에미터(E)로부터 콜렉터(C) 방향으로 증폭된 전류가 흐르게 되고 그 결과 DFET(310)의 게이트(G) 전압이 상승하게 된다. 이렇게 DFET(310)의 하프 온을 야기하는 전압 상승분을 게이트 구동 전압이라 정의할 수 있다.When the voltage level output from the second
상기 DFET(310)의 하프 온 구동은 구동 트랜지스터(333)의 동작 전류에 의한 게이트 전압의 상승에 의해 이루어지고, 상기 게이트 전압 상승에 의해 DFET(310)의 소스(S) 및 드레인(D) 간 저항치가 가변 제어되고, 상기 DFET(310)에 의해 출력 제한된 방전 전류는 스위칭 소자 구동부(330)로 네거티브 피드백(Nagative Feedback)된다.Half-on driving of the
즉, 상기 DFET(310)은 게이트 구동 전압이 커질수록 소스 및 드레인 간 저항치는 증가하게 되어, 상기 전지팩의 음극 라인을 통해서 흐르는 방전 전류는 감소되고, 상기 감소된 방전 전류는 스위칭 소자 구동부(330)로 네거티브 피드백되고, 상기 스위칭 소자 구동부(330)에 의해 반복적으로 제어된다.That is, as the gate driving voltage of the
한편, 상기 DFET(310)은 게이트 구동 전압이 작아질수록 소스 및 드레인 간 저항치는 감소하게 되어, 상기 전지팩의 음극 라인을 통해서 흐르는 전류량은 증가하게 된다.Meanwhile, as the gate driving voltage of the
본 발명의 실시예에서, 상기 구동 트랜지스터(333)는 PNP형 트랜지스터이고, 상기 DFET(310)은 방전 전류와 역방향으로 소스 및 드레인 간을 전기적으로 연결하는 기생 다이오드를 구비하는 파워 MOSFET이며, 상기 구동 트랜지스터(333)의 콜렉터(C) 및 에미터(E)는 DFET(310)의 게이트 및 드레인에 각각 전기적으로 연결된다.In the embodiment of the present invention, the driving
전술한 구성의 스위칭 소자 구동부를 포함하는 소프트 스타트 회로의 동작을 도 5를 중심으로 도 3, 4, 6, 7, 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 상기 소프트 스타트 회로는 충전 또는 방전 회로의 연결에 따라 충전 또는 방전 전류를 정전류로 제한하는데, 본 발명의 실시예에서는 방전 전류를 정전류로 제한하는 과정을 설명한다.The operation of the soft start circuit including the switching element driver having the above-described configuration will be described below with reference to FIGS. 3, 4, 6, 7, and 8 with reference to FIG. 5. Here, the soft start circuit limits the charging or discharging current to the constant current according to the connection of the charging or discharging circuit. An embodiment of the present invention describes a process of limiting the discharging current to the constant current.
도면들을 참조하면, 이차 전지(100), 제어부(200) 및 소프트 스타트 회로(300)를 포함하는 전지팩에 방전 회로가 접속되면, 상기 방전 회로의 접속 타임(t0)과 동시에 충ㆍ방전 연동 스위치(340)가 제어부(200)의 제어에 따라 방전 스위칭된다(S110 및 S120).Referring to the drawings, when the discharge circuit is connected to the battery pack including the
이때, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치(340)는 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 DFET(310)의 방전 전류 입력단에 전기적으로 연결되도록 한다.In this case, the charge /
다음으로, 상기 방전 회로의 접속에 의해 전지팩 내부에 방전 전류가 흐르게 되면, 상기 전지팩의 음극 라인상에 구비된 센싱 저항(331a)에 의해 방전 전류가 감지되고, 상기 센싱 저항(331a)의 양단 전압이 제 1 연산 증폭기(331)에 의해 증폭 전압으로 출력된다(S130 및 S140).Next, when the discharge current flows inside the battery pack by the connection of the discharge circuit, the discharge current is sensed by the
이때, 상기 방전 전류(ID)는 도 6에 도시된 바와 같이, 방전 초기에 순간적으로 과방전 전류 즉, 정상 스타트 전류(ISST) 이상으로 흐르게 되며, 상기 방전 초기에 W 구간에서의 증폭 전압(V1)은 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 방전 전류(ID)의 세기에 비례하여 증가한다.In this case, as shown in FIG. 6, the discharge current I D is instantaneously flowed above the overdischarge current, that is, the normal start current I SST at the beginning of discharge, and the amplification voltage in the W section at the beginning of the discharge. As shown in FIG. 7, V 1 increases in proportion to the intensity of the discharge current I D.
상기 S140 단계 이후, 상기 제 1 연산 증폭기(331)에서 출력된 증폭 전압과 제어부(200)에서 출력된 기준 전압이 제 2 연산 증폭기(332)에 의해 비교되고, 상기 증폭 전압(V1)과 기준 전압(VSST)이 V1>VSST 이면, 상기 제 2 연산 증폭기(332)는 증폭 전압(V1)을 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 기준 전압 이하로 반비례 감소시켜 감소 전압을 출력한다(S150 및 S160).After the step S140, the amplified voltage output from the first
상기 S160 단계 이후, 상기 제 2 연산 증폭기(332)에서 출력된 감소 전압에 의해 구동 트랜지스터(333)는 턴 온 동작 즉, 통전되고, 상기 구동 트랜지스터(333)는 DFET(310)의 게이트에 게이트 구동 전압을 인가한다(S170).After the operation S160, the driving
상기 S170 단계 이후, 상기 게이트 구동 전압에 의해 DFET(310)의 소스 및 드레인 간 저항치가 상승 제어되어, 상기 DFET(310)은 하프 온 동작되고, 상기 하프 온 동작에 의해 방전 전류가 제한된다(S180 및 S190).After the step S170, the resistance between the source and the drain of the
상기 S190 단계 이후, 상기 DFET(310)에 의해 제한된 방전 전류는 다시 스위칭 소자 구동부(300)로 네거티브 피드백되어, 상기 S130 내지 S190 단계를 통해서 정전류로 제어된다.After the step S190, the discharge current limited by the
본 발명의 실시예에서, 상기 S150 단계에서, 상기 증폭 전압(V1)과 기준 전압(VSST)이 V1≤VSST 이면, 상기 제 2 연산 증폭기(332)의 출력은 DFET(310)의 소스 전압이 되고, 상기 제어부(200)는 DFET(310)이 온 동작되도록 제어한다(S180').In an embodiment of the present invention, in the step S150, the amplification voltage (V 1 ) and the reference voltage (V SST ) is V 1 ≤ V SST In this case, the output of the second
한편, 충전 전류를 정전류로 제한하는 과정을 도 9를 중심으로 도 3, 4, 6, 7, 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, a process of limiting the charging current to the constant current will be described with reference to FIGS. 3, 4, 6, 7, and 8 with reference to FIG. 9.
도면들을 참조하면, 전지팩에 충전 회로가 접속되면, 상기 충전 회로의 접속 타임(t0)과 동시에 충ㆍ방전 연동 스위치(340)가 제어부(200)의 제어에 따라 충전 스위칭된다(S210 및 S220).Referring to the drawings, when the charging circuit is connected to the battery pack, at the same time as the connection time (t 0 ) of the charging circuit, the charge and discharge
이때, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치(340)는 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 CFET(320)의 충전 전류 입력단에 전기적으로 연결되도록 한다.In this case, the charge /
다음으로, 상기 충전 회로의 접속에 의해 충전 전류가 흐르게 되면, 상기 전지팩의 음극 라인상에 구비된 센싱 저항(331a)에 의해 충전 전류가 감지되고, 상기 센싱 저항(331a)의 양단 전압이 제 1 연산 증폭기(331)에 의해 증폭 전압으로 출력된다(S230 및 S240).Next, when the charging current flows through the connection of the charging circuit, the charging current is sensed by the
상기 S240 단계 이후, 상기 제 1 연산 증폭기(331)에서 출력된 증폭 전압과 제어부(200)에서 출력된 기준 전압이 제 2 연산 증폭기(332)에 의해 비교되고, 상 기 증폭 전압(V1')과 기준 전압(VSST')이 V1'>VSST' 이면, 상기 제 2 연산 증폭기(332)는 증폭 전압(V1')을 기준 전압 이하로 반비례 감소시켜 감소 전압을 출력한다(S250 및 S260).After the step S240, the amplified voltage output from the first
상기 S260 단계 이후, 상기 제 2 연산 증폭기(332)에서 출력된 감소 전압에 의해 구동 트랜지스터(333)는 턴 온 동작 즉, 통전되고, 상기 구동 트랜지스터(333)는 CFET(320)의 게이트에 게이트 구동 전압을 인가한다(S270).After the operation S260, the driving
상기 S270 단계 이후, 상기 게이트 구동 전압에 의해 CFET(320)의 소스 및 드레인 간 저항치가 상승 제어되어, 상기 CFET(320)은 하프 온 동작되고, 상기 하프 온 동작에 의해 충전 전류가 제한된다(S280 및 S290).After the step S270, the resistance between the source and the drain of the
상기 S290 단계 이후, 상기 CFET(320)에 의해 제한된 충전 전류는 다시 스위칭 소자 구동부(300)로 네거티브 피드백되어, 상기 S230 내지 S290 단계를 통해서 정전류로 제어된다.After the step S290, the charging current limited by the
본 발명의 실시예에서, 상기 S250 단계에서, 상기 증폭 전압(V1')과 기준 전압(VSST')이 V1'≤VSST' 이면, 상기 제 2 연산 증폭기(332)의 출력은 CFET(320)의 소스 전압이 되고, 상기 제어부(200)는 CFET(320)이 온 동작되도록 제어한다(S280').In an exemplary embodiment of the present invention, when the amplification voltage V1 'and the reference voltage VSST' are V1'≤VSST ', the output of the second
전술한 바와 같이, 전지팩의 봉입부 내에 구비되는 소프트 스타트 회로는 충ㆍ방전 회로 연결시, 상기 전지팩 및 충ㆍ방전 회로 간의 초기 과전류를 정전류로 제한 출력하여 소프트 스타트의 구현이 가능하다.As described above, the soft start circuit provided in the encapsulation part of the battery pack may implement soft start by limiting the initial overcurrent between the battery pack and the charge / discharge circuit to a constant current when the charge and discharge circuit is connected.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below by the person skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.
상술한 바와 같이, 본 발명은 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하고, 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백함으로써, 이차 전지 및 충ㆍ방전 회로의 연결시, 구성 회로의 손상없이 소프트 스타트 제어가 가능한 장점이 있다.As described above, the present invention is constructed by connecting the secondary battery and the charge / discharge circuit by negatively controlling the resistance value of the charge / discharge switching element and negative feedback of the charge / discharge current limited by the charge / discharge switching element. The advantage is that soft-start control is possible without damaging the circuit.
또한, 종래와 대비하여 별도의 소프트 스타트 회로의 탑재없이 저렴한 비용으로 소프트 스타트 회로의 설계 및 제조가 가능하므로, 전지팩의 소형화 및 제조 비용 절감을 이룰 수 있다.In addition, since it is possible to design and manufacture a soft start circuit at a low cost without installing a separate soft start circuit as compared with the related art, it is possible to miniaturize a battery pack and reduce manufacturing costs.
아울러, 이차 전지와 충방전 회로의 연결에 따른 초기 충ㆍ방전 전류를 정전류로 제한함으로써, 이차 전지 및 부하 회로의 손상을 효율적으로 억제할 수 있다.In addition, damage to the secondary battery and the load circuit can be efficiently suppressed by limiting the initial charge / discharge current due to the connection between the secondary battery and the charge / discharge circuit to a constant current.
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JP2004304914A (en) | 2003-03-31 | 2004-10-28 | Sanyo Electric Co Ltd | Battery pack, overcurrent protective circuit and overcurrent protecting method therefor |
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