KR101687212B1 - 전지 과방전을 예방하기 위한 시스템 - Google Patents

전지 과방전을 예방하기 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

리튬이온 전지 등의 전지 셀의 전압을 관리하기 위한 전지 관리 시스템이 개시된다. 본 전지 관리 시스템은 전지 셀에 연결된 반도체 스위치, 및 상기 반도체 스위치에 연결된 마이크로프로세서를 포함하되, 여기서 상기 반도체 스위치는 상기 전지 셀에 걸린 전압이 상기 제 1 임계전압을 초과할 때 켜지기 되고, 여기서 상기 마이크로프로세서는 상기 반도체 스위치가 켜질 때 상기 전지 셀에 걸린 전압을 모니터하고, 상기 모니터된 전압이 제 2 임계전압 보다 낮을 때 꺼짐으로서, 상기 전지 셀로부터의 추가 전류 누설을 예방한다.

Description

전지 과방전을 예방하기 위한 시스템{SYSTEM FOR PREVENTING DEEP BATTERY DISCHARGE}
본 출원은 2009년 6월 10일에 출원된 미국 가출원 번호 61/185,809의 우선권 주장을 통해서 청구하고, 본 발명의 내용은 전체적으로 상기 문헌의 내용으로 통합된다.
기술분야
본 발명은 전지 팩의 하나 이상의 전지 셀의 과방전을 예방하기 위한 시스템에 관한 것이다.
전지 팩은 예를 들면 전기 운송수단, 하이브리드 운송수단, 휠체어, e-바이크, 및 전기 스쿠터 등의 전기로 구동되는 디바이스들에 전력을 공급하기 위한 것으로 알려져 있다. 전지 팩은 일반적으로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 연결된 복수의 개별 전지 셀을 포함하고, 원하는 출력 전압 및 용량을 공급한다. 전지 관리 시스템(battery management system)이 종종 제공되어 전지 팩 작동을 모니터하고 제어한다. 일반적으로 이러한 전지 관리 시스템은 운송수단이 전지 팩으로부터 전력을 끌어내지 못하는 때에도 자체적으로 전지 팩으로부터 전류를 소모할 수도 있다. 이로 인해 시간이 경과함에 따라 전지 팩에서 누설이 발생되고, 소위 "과방전"(deep discharge) 상태로 불리는 상태로 되고, 전지 팩의 유효 수명을 제한할 수 있다.
본 발명은 상기한 배경기술에서의 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명에 의한 전지 셀의 전지 과방전을 예방하는 회로는,
전지 셀에 걸린 전압을 감지하는 부재;
상기 감지하는 부재에 반응하여, 상기 감지된 전지 전압이 제 1 임계전압보다 낮은지를 결정하는 부재; 및
상기 결정하는 부재에 반응하여, 상기 감지된 전지 전압이 상기 임계전압보다 낮다고 결정될 때 상기 전지 셀로부터 전류 흐름을 방지하는 부재를 포함한다.
본 발명에 의한 전지 셀의 전지 과방전을 예방하는 방법은,
전지 셀에 걸린 전압을 감지하는 단계;
상기 감지된 전지 전압이 제 1 임계전압보다 낮은지를 결정하는 단계; 및
상기 감지된 전지 전압이 상기 임계전압보다 낮다고 결정될 때 상기 전지 셀로부터 전류 흐름을 방지하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 전지 셀의 전압을 관리하기 위한 전지 관리 시스템은,
전지 셀에 걸린 전압이 제 1 임계전압을 초과할 때에 켜지는, 전지 셀에 연결된 반도체 스위치; 및
상기 반도체 스위치에 연결된 마이크로프로세서를 포함하되;
여기서 상기 마이크로프로세서는 상기 반도체 스위치가 켜질 때 상기 전지 셀에 걸린 전압을 모니터하고, 상기 모니터된 전압이 제 2 임계전압 보다 낮을 때 꺼짐으로서, 상기 전지 셀로부터의 추가 전류 누설을 예방하는 것이다.
본 발명에 의한 전지 셀의 전압을 관리하기 위한 전지 관리 시스템은,
제너 다이오드 및 상보 트랜지스터 쌍을 포함하며, 전지 셀과 병렬연결되는, 반도체 스위치; 및
상기 반도체 스위치에 연결된 마이크로프로세서를 포함하되,
여기서 상기 제너 다이오드는 제 1 임계전압에서 작동하기 시작하고, 상기 반도체 스위치는 상기 전지 셀에 걸린 전압이 상기 제 1 임계전압을 초과할 때 켜지는 것이며,
여기서 상기 마이크로프로세서는 상기 반도체 스위치가 켜질 때 상기 전지 셀에 걸린 전압을 모니터하고, 상기 모니터된 전압이 제 2 임계전압 보다 낮을 때 꺼짐으로서, 상기 전지 셀로부터의 추가 전류 누설을 예방하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따라서, 예를 들어 리튬이온 전지 팩 용 전지 관리 시스템에 합체될 수도 있는 전지 과방전 예방 시스템의 개략도이다.
본 발명은 많은 다양한 형태의 실시예를 수용하는 한편, 본 발명의 원리들 중 하나의 예시로서 고려되어야 하며 설명된 특정 실시예로 본 발명을 제한하려는 것이 아니라는 이해를 가지면서 그 특정 실시예가 여기에 상세하게 설명될 것이다.
본 발명에 따른 일반적으로 10으로 표시되는, 전지 과방전(deep battery discharge) 예방 시스템, 또는 저전압 차단 회로(low voltage cut-off circuit)가 도 1에 나타나 있다. 상기 저전압 차단 회로(10)는 전지 관리 시스템(11)의 일부를 구성한다. 상기 저전압 차단 회로(10)는 직렬연결되어 있는 두 개의 리튬이온 전지 셀(12, 14)에 연결된 것으로 보여진다. 일반적으로 전지 팩들은 더욱 많은 전지 셀을 포함하지만, 논의를 위해서 단지 상기 두 개의 전지 셀(12, 14)이 논의될 것이다. 상기 전지 셀(12, 14)은 다른 전지 화학의 것일 수도 있지만, 바람직하게는 리튬이온 포스페이트 전지 셀이다.
본 발명의 설명에 따르면, 상기 전지 셀(12, 14)은 완전히 충전되었을 때 각각 3.6 - 3.7 볼트의 공칭 전압을 가지지만, 일반적으로 3.2 - 3.3 볼트에서 작동한다. 상기 전지 셀(12, 14)은 전기 구동 디바이스(도시되지 않음)에 전력을 공급한다.
알려진 대로 상기 전지 관리 시스템(11)은 다양한 기존의 기능들을 수행한다. 그 하나의 기능은 상기 전지 셀들에 걸린 전압을 개별적으로든지 집합해서 모니터하는 것이다. 상기 전지 관리 시스템(11)이 상기 모니터된 전지 셀들의 전압이 바람직한 작동 임계값, 예를 들면 전지 셀 당 2.3 볼트 아래로 떨어졌는지를 결정할 때에, 상기 전지 관리 시스템(11)은 일반적으로 디바이스에 대한 전지 전원을 끈다. 상기 전지 관리 시스템(11)은 상기 디바이스에 대한 전원이 꺼졌을 때에도 계속 작동해서 예를 들면 낮은 전지 상태로 인해 꺼졌다는 표시를 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 하지만 상기에서 주목한 바대로, 상기 디바이스가 꺼진 경우에도 상기 전지 관리 시스템(11) 자체가 계속해서 전류를 소모한다. 상기 전지 셀들에 걸린 전압이 차단 임계값, 예를 들면 셀 당 대략 2.1 볼트 아래로 떨어질 때, 상기 저전압 차단 회로(11)가 제공되어서 상기 전지 관리 시스템(11)에 대한 전원을 끈다. 이것은 전지 셀 대 전지 셀에 기반하거나, 일련의 전지 셀들에 걸쳐서 집합적으로 달성될 수 있다.
상기 저전압 차단 회로(10)는 제너 다이오드(16, Zener diode), 보통 100 ㏀ 내지 10㏀범위의 높은 임피던스를 갖는 제 1 내지 제 4 저항기(18), 제1 및 제2 상보 트랜지스터(26, 28)를 각각 포함하는 상보 트랜지스터 스위치, 및 메모리와 그 속에 저장된 마이크로프로세서 로직을 갖는 마이크로프로세서(32)를 포함한다. 상기 제1 트랜지스터(26)는 N-채널 MOSFET일 수도 있고, 상기 제2 트랜지스터(28)는 P-채널 MOSFET일 수도 있다. 이와 달리 상기 제1 트랜지스터(26)는 npn 트랜지스터일 수도 있고, 상기 제2 트랜지스터(28)는 상보 pnp 트랜지스터이거나, 또는 또 다른 상보 트랜지스터 디바이스들의 조합체일 수도 있다. 상기 마이크로프로세서는 마이크로칩(Microchip) PIC16F690, 마이크로칩 PIC12F675, 마이크로칩 PIC16F684, 마이크로칩 PIC16F616, 또는 앳멜(Atmel) ATtiny13A 시리즈, 또는 또 다른 종래의 마이크로프로세서일 수도 있다.
본 발명에 따르면, 상기 저전압 차단 회로(10)가 꺼졌을 때, 상기 저전압 차단 회로(10)는 상기 전지 셀(12, 14)로부터 소요 전류 0를 얻는다.
상기 전지 전압이 가용 전압 수준, 일반적으로 현재의 전지 화학에 있어서 셀 당 약 2.1 볼트 (±0.1v) 아래로 떨어지면, 상기 저전압 차단 회로(10)는 꺼지고, 상기 전지 셀(12, 14)에서 전류가 흐르지 못하게 한다.
본 발명에 따르면, 상기 저전압 차단 회로(10)는 상기 전지 팩 전압이 사용 가능한 값으로 상승하면 자동으로 재활성화한다.
도 1을 참조하면, 상기 저전압 차단 회로(10)는 제 1 및 제 2 전지 셀(12, 14)에 걸쳐 합쳐서 상기 전지 전압이 상기 제너 다이오드(16)의 임계 전압 위로 상승할 때까지 꺼져 있다. 상기 제너 다이오드(16)의 임계 전압 (즉, 제너 다이오드가 작동하기 시작하는 전압)은 일반적으로 그것의 공칭 정격 제너 전압보다 약간 낮다. 상기 제너 다이오드(16)의 정격전압은 측정 중인 전지 셀의 개수에 따라서 선택한다. 두 개의 전지 셀에 대한 본 개시물에서는, 상기 제너 다이오드(16)의 정격전압은 4.7v이지만, 원하는 회로 동작에 따라서, 즉 회로를 켜고자 할 때에는, 5.1v 내지 5.7v가 될 수도 있을 것이다.
상기 제 1 및 제 2 전지 셀(12, 14)에 걸린 전압이 상기 제너 다이오드(16)의 임계 전압, "제1" 임계전압 에 도달하게 되면, 상기 제너 다이오드(16)가 작동하기 시작하고, 제 1 저항기(18)를 통해 전류가 흐른다. 이로 인해 제 1 트랜지스터(26) 상의 게이트 전압이 상승하게 되어서, 상기 제 1 트랜지스터(26)가 작동하게 한다. 상기 제 1 트랜지스터(26)가 작동하면, 제 2 저항기(20)를 통해 전류가 흐른다. 이로 인해 상기 제 2 트랜지스터(28)의 게이트 전압이 하강 (즉, 네거티브 방향으로 상승)하게 하고, 전류가 상기 제 2 트랜지스터(28)를 통해서 흐르기 시작한다. 따라서 상기 상보 스위치가 온(ON) 상태, 즉 작동중 상태에 있게 된다
제 3 저항기(22)는 피드백 저항기로서, 상기 제 2 트랜지스터(28)를 통과하여 흐르는 전류의 일부를 상기 제 1 트랜지스터(18)를 통과하여 역류하게 한다. 이로 인해 상기 제 1 트랜지스터(26)와, 이에 따라 작동중인 상기 제 2 트랜지스터(28)를 유지시키는 것을 돕고, 상기 제 1 트랜지스터(26)의 켜짐 전압에 대해 몇 가지 이력현상(hysteresis)을 제공한다. 환언하면, 상기 켜짐 전압 (상기 "제1" 임계전압)은 꺼짐 전압, "제2" 임계전압보다 약간 높아서, 상기 전지 셀(12, 14)의 전압 변동에 따른 진동을 방지한다.
상기 마이크로프로세서(32)는 전지 전압 센싱 입력부(32a), 접지 기준 입력부(32b) 및 홀드 로직 신호 출력부(32c)를 포함한다.
제 4 저항기(24)는 홀드 로직 신호 출력부(32c)에 연결되는데, 상기 홀드 로직 신호 출력부(32c)는 상기 마이크로프로세서(32)의 메모리에 있는 마이크로컨트롤러 로직에 의해 제어된다. 상기 제 2 트랜지스터(28)가 작동할 때, 상기 전지 센싱 입력부(32a)가 상기 제 1 및 제 2 전지 셀(12, 14)에 걸린 전압을 감지하면서, 상기 마이크로프로세서(32)로 하여금 상기 제 1 및 제 2 전지 셀(12, 14)에 걸린 전압을 모니터할 수 있게 한다. 상기 마이크로프로세서(32)에 의해 정해지고 상기 제 2 임계전압 보다 낮은 제 3 임계전압 보다 상기 전지 셀(12, 14)의 감지된 전지 전압이 높은 동안, 상기 홀드 로직 신호 출력부(32c)로부터의 홀드 로직 신호가 높다. 이로 인해 추가 전류를 상기 제 1 트랜지스터(26) 뒤로 공급하면서, 상기 저전압 차단 회로(10)를 활성 상태로 유지시킨다.
상기 전지 셀(12, 14)의 전압 수치가 상기 제너 다이오드(16)의 임계전압, 즉 제 1 임계전압 아래로 하강하게 되면, 상기 제너 다이오드(16)가 작동을 멈출 것이다. 하지만 상기 제 3 저항기(22)를 통하는 전류 및 상기 제 4 저항기(24)를 통하는 홀드 로직 신호로 인해서 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터(26, 28)가 계속 작동하게 될 것이고, 상기 마이크로프로세서(32)가 계속해서 상기 전지 셀(12, 14)에 걸린 전압을 모니터하게 될 것이다. 상기 제 1 및 제 2 전지 셀(12, 14)에 걸린 전압이 상기 제 2 임계전압 아래로 하강하게 되면, 상기 제 3 저항기를 통하는 전류는 더 이상 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터(26, 28)가 계속 작동할 만큼 충분하지 않게 되지만, 상기 홀드 로직 신호로 인해 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터(26, 28)가 계속 작동하게 될 것이고, 상기 마이크로프로세서(32)가 계속해서 상기 전지 셀(12, 14)에 걸린 전압을 모니터하게 될 것이다. 하지만 상기 제 1 및 제 2 전지 셀(12, 14)에 걸린 전압이 상기 제 3 임계전압 아래로 하강하게 되면, 상기 홀드 로직 신호가 낮아질 것이고, 이로 인해 상기 제 1 트랜지스터(26)와, 이에 따라 상기 제 2 트랜지스터(28)의 작동을 멈추게 할 것이다. 이로 인해 상기 마이크로프로세서의 전압 센싱 입력부(32a)로의 입력이 0으로 될 것이다. 상기 마이크로프로세서의 전압 센싱 입력부(32a)로의 입력이 0으로 되는 것에 반응해서, 상기 마이크로프로세서(32)는 스스로 꺼질 것이다. 이로 인해 상기 홀드 로직 신호가 낮아질 것이고, 상기 저전압 차단 회로(10)가 완전히 꺼지게 될 것이다.
상기 제 3 임계 전압의 수치가 상기 마이크로프로세서(23)의 마이크로프로세서 로직에 의해 정해지기 때문에, 상기 수치를 쉽게 조정할 수 있고, 상기 차단 회로(10)가 켜지는 전압을 정교하게 조절할 수 있다.
상기 전지 셀(13, 14)을 교체하거나, 재충전하고, 상기 전압이 상기 제 1 임계전압 (즉, 상기 제너 다이오드(16)의 임계전압)을 초과하는 시점 이후, 상기 제너 다이오드는 다시 작동하기 시작할 것이고, 상기 제 1 트랜지스터(26)가 작동해서, 상기 제 2 트랜지스터(28)를 작동시킬 것이다. 그런 다음 상기 마이크로프로세서(32)가 상기 전지 전압 센싱 입력부(32a)에서 전지 전압을 감지해서, 상기 마이크로프로세서(32)를 켤 것이고, 상기 과정이 스스로 반복된다.
전술한 내용으로부터, 수많은 변형예들과 변화들이 본 발명의 사상과 범주를 넘어서지 않고 만들어질 수도 있음을 알 것이다. 여기에 설명한 특정 장치에 대한 어떠한 제한도 의도되거나 함축되어서는 안된다. 물론 모든 변형예들은 특허청구범위의 범주 내에서 첨부된 특허청구범위에 의해 포괄되어야 한다.

Claims (17)

  1. 로드(load)로 전력을 제공하는 전지 셀의 전압을 관리하기 위한 전지 관리 시스템으로서,
    상기 전지 관리 시스템이 상기 전지 셀로부터 상기 로드로의 전원을 끈 이후에 누설되어 과방전(deep discharge) 상태가 되는 것을 예방하며,
    상기 전지 셀에 병렬로 연결되고, 상기 전지 셀에 걸린 전압이 제 1 임계전압을 초과할 때에 켜짐(on) 상태이고 상기 전지 셀에 걸린 전압이 더 낮은 제 2 임계전압 미만일 때에 꺼짐(off) 상태인, 반도체 스위치; 및
    전지 전압 센싱 입력부를 통해 상기 반도체 스위치에 연결된 마이크로프로세서
    를 포함하고,
    상기 반도체 스위치는 제 1 및 제 2 상보 트랜지스터와 제너 다이오드를 포함하고,
    상기 마이크로프로세서는 상기 반도체 스위치가 켜질 때 상기 전지 셀에 걸린 전압을 모니터하고, 상기 모니터된 전압이 상기 제 2 임계전압 보다 낮을 때 0으로 되는 전지 전압 센싱 입력부에 응답하여 스스로 꺼지며, 이로써 상기 전지 셀로부터의 추가 전류 누설을 예방하는,
    전지 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 임계전압은 상기 마이크로프로세서에 의해서 결정되는 것인, 전지 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는 상기 모니터된 전압이 상기 제 2 임계전압보다 낮을 때까지 상기 반도체 스위치를 켜짐 상태로 유지하는 것인, 전지 관리 시스템.
  4. 로드로 전력을 제공하는 전지 셀의 전압을 관리하기 위한 전지 관리 시스템으로서,
    상기 전지 관리 시스템이 상기 로드로의 전원을 끈 이후에 누설되어 과방전 상태가 되는 것을 예방하며,
    제너 다이오드 및 상보 트랜지스터 쌍을 포함하고, 상기 전지 셀에 병렬로 연결되는 반도체 스위치로서, 상기 제너 다이오드는 제 1 임계전압에서 작동하기 시작하고, 상기 반도체 스위치는 상기 전지 셀에 걸린 전압이 상기 제 1 임계전압을 초과할 때 온 상태가 되는, 반도체 스위치; 및
    전지 전압 센싱 입력부를 통해 상기 반도체 스위치에 연결된 마이크로프로세서
    를 포함하고,
    상기 마이크로프로세서는 상기 반도체 스위치가 켜질 때 상기 전지 셀에 걸린 전압을 모니터하고, 상기 모니터된 전압이 제 2 임계전압 보다 낮을 때 0으로 되는 전지 전압 센싱 입력부에 응답하여 스스로 꺼지며, 이로써 상기 전지 셀로부터의 추가 전류 누설을 예방하는,
    전지 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제 2 임계전압은 상기 마이크로프로세서에 의해서 결정되는 것인, 전지 관리 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제 2 임계전압은 상기 제 1 임계전압 보다 낮은 것인, 전지 관리 시스템.
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