KR101656056B1 - 단위 전지의 보호 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단위 전지의 보호 회로에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 전지의 보호 회로는, 단위 전지의 제1 전극과 제2 전극 사이에 병렬로 연결되고 제1 분압 저항 및 제2 분압 저항을 포함하는 분압 회로, 상기 제1 분압 저항 및 상기 제2 분압 저항 간의 접속점과 연결되는 제1 스위칭 소자, 상기 제1 전극과 제1 출력 단자 사이에 연결되는 제3 스위칭 소자, 상기 접속점과 상기 제3 스위칭 소자(Q3) 사이에 연결되는 제2 스위칭 소자 및 상기 접속점과 상기 제3 스위칭 소자 사이에 연결되는 제4 스위칭 소자를 포함하고, 상기 단위 전지의 출력 전압이 제1 기준 전압 이하로 낮아지면 상기 제4 스위칭 소자 및 상기 제1 스위칭 소자가 순차적으로 턴오프(turn-off)되고, 상기 제2 스위칭 소자는 턴온(turn-on)되며, 상기 제3 스위칭 소자가 턴오프되어 상기 제1 출력 단자를 통한 전압 출력이 차단되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 단위 전지의 과방전 차단 기능이 시작된 후 실제로 완전한 차단이 이루어지기까지의 시간을 대폭 감축시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

단위 전지의 보호 회로{PROTECTIVE CIRCUIT OF UNIT CELL}

본 발명은 단위 전지의 보호 회로에 관한 것이다.

리튬전지는 전압이 높고, 사용할 수 있는 온도 범위가 넓고, 오랫동안 저장한 후에도 사용이 가능하며, 에너지밀도가 커서 다른 전지 보다 훨씬 오랫동안 사용할 수 있는 장점이 있어 최근 산업용기기나 일반가정용 기계의 전원으로 빠르게 수요가 확산되고 있다. 이러한 리튬전지는 최적 사용 전류 및 최대 사용 전류 등의 조건에 따라서 하나의 기기에 다수의 단위 전지가 사용되는데, 이러한 다수의 단위 전지 모음을 집합 전지라고 한다.

리튬 전지는 효율과 안전성을 고려하여 허용 전압 범위(예컨대, 3.6V~2.0V) 를 가지며, 사용이 허락되는 기준 전압(예컨대, 2.0V)을 종지 전압(cut off voltage)이라고 한다. 종지 전압 이하에서 지속적으로 전지를 사용하게 되면 전지의 내부 저항이 증가하여 전압이 하강하게 되는데, 이렇게 종지 전압 이하에서 계속해서 전지를 사용하는 것을 과방전(over-discharge)이라고 한다. 과방전 상태가 지속되면 단위 전지의 내부 단락을 유발시켜 폭발할 가능성이 있기 때문에, 단위 전지의 과방전 상태는 차단되어야 한다.

도 1은 일반적인 단위 전지가 부하에 접속되어 방전될 때의 전압 곡선을 나타내는 그래프이다. 부하에 접속되기 전, 단위 전지는 약 3.6V의 개회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)을 나타낸다. 그러나 단위 전지가 부하에 접속되면 도 1의 구간 a와 같이 단위 전지의 출력 전압은 일시적으로 TMV(Transition Minimum Voltage)까지 하강한 후, 다시 정상적인 폐회로 전압(Closed Circuit Voltage, CCV)으로 회복된다. 그 후 구간 b와 같이 정상적인 방전 구간을 거치면서 단위 전지의 출력 전압은 점차 낮아진다. 단위 전지의 출력 전압이 종지 전압에 도달하게 되면 전지의 내부 저항 증가로 인해 구간 c와 같이 단위 전지의 출력 전압이 급속도로 낮아지는 과방전 구간이 나타난다.

종래에는 이러한 단위 전지의 과방전 구간에서 단위 전지의 동작을 자동적으로 차단하기 위한 보호 회로가 단위 전지와 연결되어 사용된다. 그러나 이와 같은 종래의 보호 회로는 단위 전지의 과방전으로 인한 차단 동작 시 단위 전지의 방전이 완전히 차단되기까지 일정 시간이 소요됨으로 인해 차단이 시작되더라도 단위 전지의 방전이 미세하게 지속되는 문제가 있다.

또한 종래의 보호 회로는 단위 전지의 과방전 차단 이후 단위 전지가 다시 원래의 OCV를 회복하더라도 이를 인식하지 못하므로 별도의 리셋 과정을 필요로 한다는 문제점도 있다.

본 발명은 단위 전지의 과방전 차단 기능이 시작된 후 실제로 완전한 차단이 이루어지기까지의 시간을 대폭 감축시킬 수 있는 단위 전지의 보호 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 과방전 차단 이후 단위 전지가 개회로 전압을 회복할 때 별도의 과정을 거치지 않고 자동으로 차단을 해제하는 리셋 기능을 갖는 단위 전지의 보호 회로를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 단위 전지의 보호 회로에 있어서, 단위 전지의 제1 전극과 제2 전극 사이에 병렬로 연결되고 제1 분압 저항 및 제2 분압 저항을 포함하는 분압 회로, 상기 제1 분압 저항 및 상기 제2 분압 저항 간의 접속점과 연결되는 제1 스위칭 소자, 상기 제1 전극과 제1 출력 단자 사이에 연결되는 제3 스위칭 소자, 상기 접속점과 상기 제3 스위칭 소자(Q3) 사이에 연결되는 제2 스위칭 소자 및 상기 접속점과 상기 제3 스위칭 소자 사이에 연결되는 제4 스위칭 소자를 포함하고, 상기 단위 전지의 출력 전압이 제1 기준 전압 이하로 낮아지면 상기 제4 스위칭 소자 및 상기 제1 스위칭 소자가 순차적으로 턴오프(turn-off)되고, 상기 제2 스위칭 소자는 턴온(turn-on)되며, 상기 제3 스위칭 소자가 턴오프되어 상기 제1 출력 단자를 통한 전압 출력이 차단되는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 단위 전지의 과방전 차단 기능이 시작된 후 실제로 완전한 차단이 이루어지기까지의 시간을 대폭 감축시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면 과방전 차단 이후 단위 전지가 개회로 전압을 회복할 때 별도의 과정을 거치지 않고 자동으로 차단을 해제하는 리셋 기능을 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 단위 전지가 부하에 접속되어 방전될 때의 전압 곡선을 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 전지의 보호 회로.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 전지의 보호 회로를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 단위 전지(BT)의 제1 전극 및 제2 전극은 각각 도 2에 도시된 바와 같은 보호 회로와 연결되며 제1 출력 단자(EB+) 및 제2 출력 단자(EB-)를 통해 부하와 연결된다. 본 발명의 일 실시예에서 제1 전극은 양극, 제2 전극은 음극을 의미하나, 본 발명의 다른 실시예에서 제1 전극은 음극, 제2 전극은 양극일 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시예에서 제1 출력 단자는 EB-, 제2 출력 단자는 EB+일 수 있다.

단위 전지(BT)의 양단에는 도 2와 같이 제1 분압 저항(R1) 및 제2 분압 저항(R2)을 포함하는 분압 회로가 병렬로 연결된다. 도 2에서 제1 분압 저항(R1) 및 제2 분압 저항(R2)이 연결되는 지점은 '접속점'으로 정의된다.

단위 전지의 제1 전극 및 제2 전극 사이(또는 제1 출력 단자(EB+)와 제2 출력 단자(EB-)의 사이)에는 제1 스위칭 소자(Q1)가 연결된다. 제1 스위칭 소자(Q1)의 게이트는 제1 분압 저항(R1) 및 제2 분압 저항(R2)의 접속점과 연결된다.

한편, 단위 전지의 제1 전극과 제1 출력 단자(EB+) 사이에는 제3 스위칭 소자(Q3)가 연결된다. 도 2와 같이 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3) 사이에는 제3 분압 저항(R3)이 연결될 수 있다.

단위 전지의 제1 전극과 제3 스위칭 소자(Q3) 사이에는 제4 스위칭 소자(Q4)가 연결된다. 그리고 제1 분압 저항(R1) 및 제2 분압 저항(R2)의 접속점과 제3 스위칭 소자(Q3) 사이에는 제2 스위칭 소자(Q2)가 연결된다.

또한 도 2의 보호 회로는 제2 분압 저항(R2)과 병렬로 연결되는 제1 캐패시터(C1)가 포함된다. 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 부하와 연결된 단위 전지의 출력 전압은 일시적으로 TMV까지 하강하게 된다. (도 1의 구간 a) 개회로 상태, 즉, 부하가 단위 전지에 연결되지 않은 상태에서 단위 전지(BT)의 전압은 제1 캐패시터(C1)에 인가되어 제1 캐패시터(C1)가 충전된다. 그 후 단위 전지(BT)에 부하가 연결되면 도 1의 구간 a와 같은 초기 전압 지연 시간 동안 제1 캐패시터(C1)에 충전된 전압이 제1 출력 단자(EB+) 및 제2 출력 단자(EB-)를 통해 출력됨으로써, 부하 연결 시 보호 회로의 과방전 차단 동작이 곧바로 수행되는 것을 방지한다. 초기 전압 지연 시간의 경과 후 도 1의 구간 b와 같은 정상 방전 구간에 진입한 이후에는 제1 캐패시터(C1)가 아닌 단위 전지(BT)에 의해 정상적으로 전압이 공급된다.

이하에서는 도 2의 보호 회로를 참조하여 본 발명에 따른 보호 회로의 과방전 차단 동작 및 리셋 동작에 대해 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 보호 회로의 과방전 차단 동작을 설명하면 다음과 같다. 단위 전지(BT)가 완전 충전 상태, 즉 3.6V와 같은 개회로 전압을 유지한 상태에서 부하에 연결되면, 제4 스위칭 소자(Q4)에는 문턱 전압보다 높은 전압이 인가되므로 제4 스위칭 소자(Q4)가 턴온(turn-on)된다. 이에 따라 접속점에서의 전압, 즉 V(TP3)은 단위 전지의 전압, 즉 V(BT)와 같게 된다. 따라서 접속점과 연결된 제1 스위칭 소자(Q1)에는 문턱 전압보다 높은 전압이 인가되므로 제1 스위칭 소자(Q1)는 턴온된다. 이에 따라 제3 스위칭 소자(Q3)는 턴온 상태를 유지한다. 따라서 제1 출력 단자(EB+)를 통해 단위 전지(BT)의 전압이 그대로 출력된다.

이와 같은 정상적인 방전 과정이 진행되면서 단위 전지(BT)의 출력 전압(V(BT))은 점차 감소한다. V(BT)가 제1 기준 전압(예컨대, 종지 전압 또는 2.0V) 이하로 낮아지게 되면, 제4 스위칭 소자(Q4)로 인가되는 전압 또한 문턱 전압 아래로 낮아지게 되어 제4 스위칭 소자(Q4)는 턴오프(turn-off)된다. 제4 스위칭 소자(Q4)가 턴오프됨에 따라 접속점의 전압(V(TP3))은 V(BT)보다 더 낮아지게 된다. 본 발명의 일 실시예에서, V(TP3) = (3/5) × V(BT) 가 될 수 있으며, 제1 분압 저항(R1) 및 제2 분압 저항(R2)의 크기는 각각 이러한 관계식을 만족하도록 설정될 수 있다.

V(BT)의 하강으로 인해 V(TP3)이 낮아지면 제1 스위칭 소자(Q1)에는 문턱 전압보다 낮은 전압이 인가되며, 이에 따라 제1 스위칭 소자(Q1)의 채널은 점점 닫히게 된다. 이 때 V(TP1)는 V(BT)와 거의 유사하므로 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴온되면서 V(TP3)=0 이 된다. 이처럼 V(TP3)이 0이 됨에 따라 제1 스위칭 소자(Q1)는 완전히 턴오프된다. 제1 스위칭 소자(Q1)가 턴오프되면 TP1에서의 전압, 즉 V(TP1)은 V(BT)와 같게 되고, 이에 따라 제3 스위칭 소자(Q3)에는 문턱 전압보다 낮은 전압이 인가되어 제3 스위칭 소자(Q3)는 턴오프된다. 이와 같은 제3 스위칭 소자(Q3)의 턴오프로 인해 제1 출력 단자(EB+) 및 제2 출력 단자(EB-)를 통한 부하로의 전압 출력은 완전히 차단된다.

다음으로, 본 발명에 따른 보호 회로의 리셋 동작에 대해 설명한다. 앞서 설명한 바와 같은 과방전 차단 과정이 수행된 상태에서 단위 전지(BT)의 출력 전압 V(BT)는 제1 기준 전압(예컨대, 2.0V) 이하이다. 이러한 상태에서 외부로부터의 전원 공급에 의해 단위 전지(BT)를 충전함으로써 단위 전지(BT)의 출력 전압이 제2 기준 전압(예컨대, OCV 또는 3.6V) 이상으로 회복될 수 있다.

이와 같이 V(BT)가 제2 기준 전압까지 높아지는 과정에서 V(TP3)는 V(BT)와 거의 유사해지며 제1 스위칭 소자(Q1)에는 점차 채널이 형성되어 V(TP1)은 0 V까지 하락하게 된다. 결국 V(TP1) = 0 이 되면 제2 스위칭 소자(Q2)는 턴오프된다. 한편, V(BT)가 제2 기준 전압 이상으로 높아지면, 제4 스위칭 소자(Q4)에 인가되는 전압은 다시 문턱 전압을 초과하게 되고, 제4 스위칭 소자(Q4)는 턴온된다. 이와 같이 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴오프되고 제4 스위칭 소자(Q4)가 턴온되면 접속점의 전압(V(TP3))은 V(BT)와 동일하게 유지되고, 이에 따라 제1 스위칭 소자(Q1)에는 V(BT)와 동일한 크기의 전압이 인가되어 제1 스위칭 소자(Q1)가 턴온된다. 제1 스위칭 소자(Q1)의 턴온에 따라 제3 스위칭 소자(Q3)가 턴온된다. 제3 스위칭 소자(Q3)가 턴온됨에 따라서 제1 출력 단자(EB+)는 단위 전지(BT)로부터 공급된 전압을 부하로 출력하게 된다.

이처럼 과방전 기능이 수행되어 제1 출력 단자 및 제2 출력 단자에 의한 전압 출력이 정지된 상태에서 단위 전지(BT)가 충전을 통해 OCV와 같은 제2 기준 전압을 만족하게 되면, 별도의 리셋 과정 없이 자동적으로 전압 공급이 재개된다.

전술한 바와 같은 본 발명의 보호 회로의 과방전 차단 동작 및 리셋 동작에서, 제2 스위칭 소자(Q2)는 TP1의 전압, 즉 V(TP1)이 0V 또는 3.6V 중 어느 하나의 값 만을 가질 수 있도록 함으로써 차단 및 리셋 동작이 보다 정확하고 신속하게 이루어질 수 있게 한다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (4)

1. 단위 전지의 제1 전극과 제2 전극 사이에 병렬로 연결되고 제1 분압 저항 및 제2 분압 저항을 포함하는 분압 회로;
   상기 제1 분압 저항 및 상기 제2 분압 저항 간의 접속점과 연결되는 게이트를 갖는 제1 스위칭 소자;
   상기 제1 전극과 연결되는 소스 및 제1 출력 단자와 연결되는 드레인을 갖는 제3 스위칭 소자;
   상기 접속점과 연결되는 드레인, 상기 제3 스위칭 소자(Q3)의 게이트와 연결되는 게이트, 상기 제2 전극과 연결되는 소스를 갖는 제2 스위칭 소자; 및
   상기 접속점과 연결되는 소스 및 상기 제1 전극과 연결되는 드레인 및 게이트를 갖는 제4 스위칭 소자를 포함하고,
   상기 단위 전지의 출력 전압이 제1 기준 전압 이하로 낮아지면 상기 제4 스위칭 소자 및 상기 제1 스위칭 소자가 순차적으로 턴오프(turn-off)되고, 상기 제2 스위칭 소자는 턴온(turn-on)되며, 상기 제3 스위칭 소자가 턴오프되어 상기 제1 출력 단자를 통한 전압 출력이 차단되고,
   상기 단위 전지의 출력 전압이 제2 기준 전압 이상으로 높아지면, 상기 제4 스위칭 소자 및 상기 제1 스위칭 소자가 순차적으로 턴온되고, 상기 제2 스위칭 소자는 턴오프되며 상기 제3 스위칭 소자가 턴온되어 상기 제1 출력 단자를 통한 전압 출력이 재개되는
   단위 전지의 보호 회로.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 분압 저항과 병렬로 연결되는 제1 캐패시터를
   더 포함하는 단위 전지의 보호 회로.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스위칭 소자의 드레인과 상기 제1 전극 사이에 연결되는 제3 분압 저항을
   더 포함하는 단위 전지의 보호 회로.
4. 삭제

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