KR101542283B1 - 이차 전지의 충전 보호 장치, 충전기 및 전지 팩 - Google Patents

이차 전지의 충전 보호 장치, 충전기 및 전지 팩 Download PDF

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Abstract

이차 전지의 충전 보호 장치는 전지 팩과 충전기 사이를 접속시켜, 상기 충전기가 상기 전지 팩을 충전하도록 하는 스위치부, 상기 스위치부와 상기 충전기 사이에 병렬로 배치되는 복수의 수동 소자를 포함하고, 상기 스위치부에 의해 상기 전지 팩과 상기 충전기가 연결됨에 따라 상기 전지 팩의 과충전 여부를 검출하는 과충전 검출부, 및 상기 전지 팩의 과충전이 검출되면 상기 전지 팩과 상기 충전기의 연결을 차단하는 차단부를 포함한다.

Description

이차 전지의 충전 보호 장치, 충전기 및 전지 팩{CHARGE PROTECTION APPARATUS FOR SECONDARY BETTERY, CHARGER AND BATTERY PACK}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차 전지의 충전 보호 장치와 이를 이용한 충전기 및 전지 팩에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차 전지에 대한 중요성이 증가되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 기존의 납 축전지와, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차 전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다. 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하다.
리튬 이차 전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
이차 전지가 과충전 또는 과전류 상태가 되면, 안전성을 보장하기 어렵기 때문에 이차 전지의 상태를 감지하고 보호하기 위한 다양한 방법이 개시되고 있다.
한국공개특허 제10-2010-0018056호 "충방전　보호　회로, 충방전　보호　회로를 포함하는 배터리 팩, 및 전자 장치"은 방전 제어용 FET(Field Effect Transistor)를 이용하여 이차 전지를 보호하는 충방전 보호 회로를 게시하고 있다.
한국공개특허 제10-2011-0101418호 "배터리 상태 감시 회로 및 배터리 장치"은 과충전 검출 회로의 출력 신호로 제어되는 출력 트랜지스터를 이용한 배터리 상태 감지 회로를 게시하고 있다.
일반적으로 과충전 방지 회로는 FET와 같은 능동 소자 또는 논리적 회로로 구성되고, BMS(Battery Management System)에 포함된다. BMS는 복잡한 하드웨어와 소프트웨어로 구성된다.
따라서, 구동 전원 이상이나 고장 상태에서 과충전 방지 회로가 정상적으로 동작하지 못할 수 있다.
본 발명은 수동 소자를 이용한 이차 전지의 충전 보호 장치를 제공한다.
본 발명은 또한 수동 소자를 이용한 이차 전지의 충전 보호 장치를 포함하는 충전기를 제공한다.
본 발명은 또한 수동 소자를 이용한 이차 전지의 충전 보호 장치를 포함하는 전지 팩을 제공한다.
일 양태에 있어서, 이차 전지의 충전 보호 장치는 전지 팩과 충전기 사이를 접속시켜, 상기 충전기가 상기 전지 팩을 충전하도록 하는 스위치부, 상기 스위치부와 상기 충전기 사이에 병렬로 배치되는 복수의 수동 소자를 포함하고, 상기 스위치부에 의해 상기 전지 팩과 상기 충전기가 연결됨에 따라 상기 전지 팩의 과충전 여부를 검출하는 과충전 검출부, 및 상기 전지 팩의 과충전이 검출되면 상기 전지 팩과 상기 충전기의 연결을 차단하는 차단부를 포함한다.
상기 과충전 검출부는 상기 전지 팩과 상기 충전기 사이에 병렬로 연결되는 클램프 소자, 및 상기 전지 팩의 과충전으로 인해 상기 클램프 소자를 통해 전류가 흐름에 따라 동작되어, 상기 차단부를 동작시키는 스위치 소자를 포함할 수 있다.
상기 클램프 소자는 TVS 다이오드 또는 제너 다이오드일 수 있다.
상기 스위치 소자는 SCR(silicon controlled rectifier)을 포함할 수 있다.
상기 차단부는 퓨즈를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 이차 전지의 충전을 보호하는 충전기는 전지 팩과 충전소 사이를 접속시켜, 상기 충전소가 상기 전지 팩을 충전하도록 하는 스위치부, 상기 스위치부와 상기 충전소 사이에 병렬로 배치되는 복수의 수동 소자를 포함하고, 상기 스위치부에 의해 상기 전지 팩과 상기 충전소가 연결됨에 따라 상기 전지 팩의 과충전 여부를 검출하는 과충전 검출부, 및 상기 전지 팩의 과충전이 검출되면 상기 전지 팩과 상기 충전소의 연결을 차단하는 차단부를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 이차 전지의 충전을 보호하는 전지 팩은 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 전지 모듈, 및 상기 전지 모듈의 충전 상태를 모니터링하고, 상기 전지 모듈의 과충전을 보호하는 충전 보호 장치를 포함하는 전지 관리 모듈을 포함하되, 상기 충전 보호 장치는 상기 전지 모듈과 충전기 사이를 접속시켜, 상기 충전기가 상기 전지 모듈을 충전하도록 하는 스위치부, 상기 스위치부와 상기 충전기 사이에 병렬로 배치되는 복수의 수동 소자를 포함하고, 상기 스위치부에 의해 상기 전지 모듈과 상기 충전기가 연결됨에 따라 상기 전지 모듈의 과충전 여부를 검출하는 과충전 검출부, 및 상기 전지 모듈의 과충전이 검출되면 상기 전지 모듈과 상기 충전기의 연결을 차단하는 차단부를 포함한다.
이차 전지의 수명이나 안전에 영향을 주지 않고, 이차 전지의 과충전을 방지할 수 있다.
과충전 보호는 이차 전지를 충전할 때만 동작하여, 전류 누설(current leakage)로 인한 영향을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 보호 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 보호 장치를 나타낸 블록도이다.
전기 자동차(electric vehicle)는 추진력으로 하나 또는 그 이상의 전기 모터를 포함하는 차량을 말한다. 전기 자동차를 추진하는 데 사용되는 에너지는 재충전가능한 배터리 및/또는 연료 전지와 같은 전기적 소스(electrical source)를 포함한다. 전기 자동차는 내연 기관(combustion engine)을 또 하나의 동력원으로 사용하는 하이브리드 전기 자동차일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 시스템을 나타낸 개략도이다.
충전 시스템은 차량(100), 충전기(300) 및 충전소(400)를 포함한다.
차량(100)은 내부에 전지 팩(200)을 포함한다. 전지 팩(200)은 차량(100)의 구동에 사용되는 전기적 축전 소스이다. 전지 팩(200)은 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 전지 모듈(210) 및 상기 전지 모듈(210)의 충전 상태를 모니터링하는 전지 관리 모듈(220)을 포함한다. 전지 관리 모듈(220)는 후술하는 전지 모듈의 과충전을 보호하는 충전 보호 장치를 포함할 수 있다.
충전기(300)는 차량(100)과 충전소(400)를 전기적으로 접속시키는 장치이다. 충전기(300)를 통해 차량(100)과 충전소(400)가 연결되면, 전지 팩(200)을 충전할 수 있다.
충전소(300)는 송전선(power line)을 통해 파워 그리드(미도시)와 연결되고, 파워 그리드로부터 전력을 제공받는다. 파워 그리드는 전력을 생성하는 하나 또는 그 이상의 발전 설비를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 보호 장치를 나타낸 블록도이다. 이는 충전 보호 장치(500)가 전지 관리 모듈(220)의 일부인 예를 나타낸다.
충전 보호 장치(500)는 스위치부(510), 과충전 검출부(520) 및 차단부(530)를 포함한다.
스위치부(510)는 전지 모듈(210)과 충전기(300) 사이를 접속시켜, 충전기(300)가 상기 전지 모듈(210)을 충전하도록 한다. 잘 알려진 바와 같이, 전지 모듈(210)은 직렬로 연결되는 복수의 이차 전지 셀(211)을 포함한다.
스위치부(510)는 전지 모듈(210)의 음극과 양극에 각 배치되는 2개의 스위치를 포함하고, 상기 2개의 스위치는 동시에 개폐될 수 있다.
과충전 검출부(520)는 스위치부(510)에 의해 전지 모듈(210)과 충전기(300)가 연결됨에 따라 전지 모듈(210)의 과충전 여부를 검출한다.
과충전 검출부(520)는 스위치부(510)와 충전기(300) 사이에 병렬로 배치되는 복수의 수동 소자를 포함한다. 보다 구체적으로, 과충전 검출부(520)는 클램프 소자(521), 스위치 소자(522) 및 3개의 저항(523, 524, 525)를 포함할 수 있다.
클램프 소자(521)는 전지 모듈(210)과 충전기(300) 사이에 병렬로 연결되는 TVS 다이오드 또는 제너 다이오드를 포함할 수 있다.
스위치 소자(522)는 클램프 소자(521)에 의해 동작하고, SCR(silicon controlled rectifier) 또는 사이리스터(thyristor)를 포함할 수 있다.
제1 저항(523) 및 제2 저항(524)는 클램프 소자(521)에 직렬로 연결되고, 제3 저항(525)는 상기 스위치 소자(522)에 직렬로 연결된다.
차단부(530)는 전지 모듈(210)의 과충전이 검출되면 전지 모듈(210)과 충전기(300)의 연결을 차단한다.
차단부(530)는 퓨즈를 포함할 수 있으나, 전지 모듈(210)과 충전기(300) 사이의 연결을 차단하기 위한 다양한 기법이 적용될 수 있다.
충전 보호 장치(500)의 동작은 다음과 같다.
스위치부(510)에 의해 전지 모듈(210)과 충전기(300)가 연결된다고 하자. 전지 모듈(210)의 전압이 클램프 소자(521)를 동작시킬 수 있는 전압보다 낮으면 충전이 계속된다. 전지 모듈(210)의 전압이 클램프 소자(521)를 동작시킬 수 있는 전압보다 높아지면, 클램프 소자(521)를 통해 전류가 흐른다. 이 전류는 제1 저항(523)과 제2 저항(524)을 통과하게 된다. 만약 스위치 소자(522)를 동작시킬 수 있을 정도로 충분한 전압이 형성되면, 제3 저항(525)에 전류가 흐르게 된다.
제3 저항(525)과 전지 모듈(210)의 전압에 의해 차단부(530)가 동작될 정도의 전류가 흐르면, 차단부(530)에 의해 전지 모듈(210)의 충전이 차단된다. 예를 들어, 제3 저항(525)과 전지 모듈(210)의 전압에 의해 일정 수준 이상의 전류가 흐르면 퓨즈가 끊어져 전지 모듈(210)과 충전기(300) 사이의 연결이 차단되는 것이다.
제안된 충전 보호 장치(300)는 수동 소자 만으로 구성된다. 설정된 전압 이상으로 이차 전지의 전압이 올라가면, 전지 보호 장치(300)는 이차 전지의 수명이나 안전에 영향을 주지 않고 과충전을 방지한다.
충전 보호 장치(300)는 이차 전지와 충전기 사이에 배치되고, 이차 전지를 충전할 때만 동작한다. 따라서, 클램프 소자(521)의 전류 누설(current leakage)로 인한 영향을 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충전 보호 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2의 실시예와 비교하여, 충전 보호 장치(500)는 충전기(300)의 일부이다.
충전 보호 장치(500)는 스위치부(510), 과충전 검출부(520) 및 차단부(530)를 포함한다.
스위치부(510)는 전지 모듈(210)과 충전소(400) 사이를 접속시켜, 충전소(400)가 전지 모듈(210)을 충전하도록 한다.
과충전 검출부(510)는 스위치부(510)에 의해 전지 모듈(210)과 충전소(400)가 연결됨에 따라 전지 모듈(210)의 과충전 여부를 검출한다. 과충전 검출부(510)는 클램프 소자(521), 스위치 소자(522) 및 3개의 저항(523, 524, 525)를 포함할 수 있다.
차단부(530)는 전지 모듈(210)의 과충전이 검출되면 전지 모듈(210)과 충전소(400)의 연결을 차단한다.
스위치부(510)에 의해 전지 모듈(210)과 충전소(400)가 연결된다고 하자. 전지 모듈(210)의 전압이 클램프 소자(521)를 동작시킬 수 있는 전압보다 낮으면 충전이 계속된다. 전지 모듈(210)의 전압이 클램프 소자(521)를 동작시킬 수 있는 전압보다 높아지면, 클램프 소자(521)를 통해 전류가 흐른다. 이 전류는 제1 저항(523)과 제2 저항(524)을 통과하게 된다. 만약 스위치 소자(522)를 동작시킬 수 있을 정도로 충분한 전압이 형성되면, 제3 저항(525)에 전류가 흐르게 된다.
제3 저항(525)과 전지 모듈(210)의 전압에 의해 차단부(530)가 동작될 정도의 전류가 흐르면, 차단부(530)에 의해 전지 모듈(210)의 충전이 차단된다. 예를 들어, 제3 저항(525)과 전지 모듈(210)의 전압에 의해 일정 수준 이상의 전류가 흐르면 퓨즈가 끊어져 전지 모듈(210)과 충전소(400) 사이의 연결이 차단되는 것이다.

Claims (11)

  1. 수동 소자로 구성되며, 전지 팩과 충전기 사이를 접속시켜, 상기 충전기가 상기 전지 팩을 충전하도록 하는 스위치부;
    상기 스위치부와 상기 충전기 사이에 병렬로 배치되는 복수의 수동 소자를 포함하고, 상기 스위치부에 의해 상기 전지 팩과 상기 충전기가 연결됨에 따라 상기 전지 팩의 과충전 여부를 검출하는 과충전 검출부; 및
    수동 소자로 구성되며, 상기 전지 팩의 과충전이 검출되면 상기 전지 팩과 상기 충전기의 연결을 차단하는 차단부를 포함하고,
    상기 과충전 검출부는 상기 전지 팩과 상기 충전기 사이에 병렬로 연결되는 클램프 소자; 및 상기 전지 팩과 상기 충전기 사이에 상기 클램프 소자와 병렬로 연결되고, 상기 전지 팩의 과충전으로 인해 상기 클램프 소자를 통해 전류가 흐르면 상기 클램프 소자와 병렬로 연결된 저항에 전류를 흐르게 하여 상기 차단부를 동작시키는 스위치 소자;를 포함하며, 그리고
    상기 과충전 검출부는 상기 전지 팩 내에 제공되는 전지 모듈의 전압값에 따라 전류가 상기 클램프 소자 및 스위치 소자를 통해 상기 차단부에 공급될 수 있도록 순차적으로 흐르게 하고, 그리고 상기 차단부에 공급되는 전류의 전압값이 상기 차단부를 동작시킬 수 있는 전압보다 높아지는 경우 상기 차단부의 동작을 온 시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 보호 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 차단부는 퓨즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 충전 보호 장치.
  6. 전지 팩과 충전소 사이를 접속시키고, 이차 전지의 충전을 보호하는 충전기에 있어서,
    수동 소자로 구성되며, 상기 전지 팩과 상기 충전소 사이를 접속시켜, 상기충전소가 상기 전지 팩을 충전하도록 하는 스위치부;
    상기 스위치부와 상기 충전소 사이에 병렬로 배치되는 복수의 수동 소자를 포함하고, 상기 스위치부에 의해 상기 전지 팩과 상기 충전소가 연결됨에 따라 상기 전지 팩의 과충전 여부를 검출하는 과충전 검출부; 및
    수동 소자로 구성되며, 상기 전지 팩의 과충전이 검출되면 상기 전지 팩과 상기 충전소의 연결을 차단하는 차단부를 포함하고,
    상기 과충전 검출부는 상기 전지 팩과 상기 충전기 사이에 병렬로 연결되는 클램프 소자; 및 상기 전지 팩과 상기 충전기 사이에 상기 클램프 소자와 병렬로 연결되고, 상기 전지 팩의 과충전으로 인해 상기 클램프 소자를 통해 전류가 흐르면 상기 클램프 소자와 병렬로 연결된 저항에 전류를 흐르게 하여 상기 차단부를 동작시키는 스위치 소자;를 포함하며, 그리고
    상기 과충전 검출부는 상기 전지 팩 내에 제공되는 전지 모듈의 전압값에 따라 전류가 상기 클램프 소자 및 스위치 소자를 통해 상기 차단부에 공급될 수 있도록 순차적으로 흐르게 하고, 그리고 상기 차단부에 공급되는 전류의 전압값이 상기 차단부를 동작시킬 수 있는 전압보다 높아지는 경우 상기 차단부의 동작을 온 시키 것을 특징으로 하는 충전기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 이차 전지의 충전을 보호하는 전지 팩에 있어서,
    복수의 이차 전지 셀을 포함하는 전지 모듈; 및
    상기 전지 모듈의 충전 상태를 모니터링하고, 상기 전지 모듈의 과충전을 보호하는 충전 보호 장치를 포함하는 전지 관리 모듈을 포함하되,
    상기 충전 보호 장치는 수동 소자로 구성되며, 상기 전지 모듈과 충전기 사이를 접속시켜, 상기 충전기가 상기 전지 모듈을 충전하도록 하는 스위치부;
    상기 스위치부와 상기 충전기 사이에 병렬로 배치되는 복수의 수동 소자를 포함하고, 상기 스위치부에 의해 상기 전지 모듈과 상기 충전기가 연결됨에 따라 상기 전지 모듈의 과충전 여부를 검출하는 과충전 검출부; 및
    수동 소자로 구성되며, 상기 전지 모듈의 과충전이 검출되면 상기 전지 모듈과 상기 충전기의 연결을 차단하는 차단부를 포함하고,
    상기 과충전 검출부는 상기 전지 팩과 상기 충전기 사이에 병렬로 연결되는 클램프 소자; 및 상기 전지 팩과 상기 충전기 사이에 상기 클램프 소자와 병렬로 연결되고, 상기 전지 팩의 과충전으로 인해 상기 클램프 소자를 통해 전류가 흐르면 상기 클램프 소자와 병렬로 연결된 저항에 전류를 흐르게 하여 상기 차단부를 동작시키는 스위치 소자;를 포함하며, 그리고
    상기 과충전 검출부는 상기 전지 팩 내에 제공되는 전지 모듈의 전압값에 따라 전류가 상기 클램프 소자 및 스위치 소자를 통해 상기 차단부에 공급될 수 있도록 순차적으로 흐르게 하고, 그리고 상기 차단부에 공급되는 전류의 전압값이 상기차단부를 동작시킬 수 있는 전압보다 높아지는 경우 상기 차단부의 동작을 온 시키는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  10. 삭제
  11. 삭제
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