KR101945900B1 - 배터리 팩 및 배터리 팩의 보호 방법 - Google Patents

배터리 팩 및 배터리 팩의 보호 방법 Download PDF

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Abstract

다양한 실시예에 따른 배터리 팩 및 배터리 팩의 보호 방법이 개시된다. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리 셀 간의 전압을 밸런싱하는 밸런싱 장치; 상기 배터리의 대전류 경로 상에 배치되어 상기 대전류 경로 상의 전류의 흐름을 단속하는 제1 스위치; 및 상기 배터리의 전압, 온도 및 전류를 모니터링하고, 상기 제1 스위치를 턴 오프시키는 제어 신호를 제1 스위치에 인가하는 배터리 관리부;를 포함하고, 상기 배터리 관리부는, 상기 제어 신호가 상기 제1 스위치에 인가된 이후에 상기 제1 스위치가 턴 오프되지 않아 상기 대전류 경로 상에 전류가 감지되는 경우, 상기 밸런싱 장치에 포함된 스위치로, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 각각과 병렬로 연결되는 저항과 직렬로 연결되는 스위치들이 전부 턴 온되도록 하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀들의 전력이 상기 적어도 하나의 배터리 셀 각각과 병렬로 연결되는 저항에서 소비되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩이 개시된다.

Description

배터리 팩 및 배터리 팩의 보호 방법{battery pack and protection method of the battery pack}
본 발명은 배터리 팩 및 배터리 팩의 보호 방법에 관한 것이다.
휴대용 전자기기, 예를 들어 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등이 널리 사용됨에 따라서 이들 휴대용 전자기기를 동작시키기 위한 전원을 공급하는 배터리의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 배터리는 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 보호회로와 함께 배터리 팩 형태로 제공되며, 배터리를 효율적으로 충전하기 위한 충전 방법 및 장치에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
배터리 팩은 충전 스위치 및 방전 스위치를 포함하고 있으며, 배터리의 과충전 또는 과방전 등으로 배터리를 보호할 필요가 있는 경우 충전 스위치 및 방전 스위치 중 적어도 하나를 턴 오프시킨다. 그러나, 배터리를 보호할 필요가 있으나 충전 스위치 및 방전 스위치가 작동하지 않은 경우에 배터리는 과충전되어 내부 온도의 급격히 상승하여 손상, 발화 및 폭발되는 열 폭주가 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배터리의 충전 및 방전 전류를 차단시키는 스위치가 오작동하여 개방되지 않았을 때에 퓨즈 등을 포함하는 보호 장치가 2차적으로 동작하기 전에 밸런싱 회로를 작동시켜 배터리의 열폭주에 따른 손상, 발화 및 폭발을 지연시킬 수 있는 배터리 팩을 제공하자고 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리; 상기 배터리 셀 간의 전압을 밸런싱하는 밸런싱 장치; 상기 배터리의 대전류 경로 상에 배치되어 상기 대전류 경로 상의 전류의 흐름을 단속하는 제1 스위치; 및 상기 배터리의 전압, 온도 및 전류를 모니터링하고, 상기 제1 스위치를 턴 오프시키는 제어 신호를 제1 스위치에 인가하는 배터리 관리부;를 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리부는, 상기 제어 신호가 상기 제1 스위치에 인가된 이후에 상기 제1 스위치가 턴 오프되지 않아 상기 대전류 경로 상에 전류가 감지되는 경우, 상기 밸런싱 장치에 포함된 스위치로, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 각각과 병렬로 연결되는 저항과 직렬로 연결되는 스위치들이 전부 턴 온되도록 하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀들의 전력이 상기 적어도 하나의 배터리 셀 각각과 병렬로 연결되는 저항에서 소비되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은 상기 배터리의 대전류 경로 상에 배치되고, 상기 배터리의 내부 온도가 제1 임계값을 초과하면 상기 대전류 경로를 차단하는 보호 장치;를 더 포함할 수 있다.
상기 보호 장치는 상기 밸런싱 장치가 작동된 후에 상기 대전류 경로를 차단시킬 수 있다.
상기 보호 장치는 상기 제1 임계값에서 융단되는 퓨즈 및 자가 제어 보호 소자(Self Control Protector; SCP) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리부는 상기 배터리가 과충전 상태일 때에 상기 밸런싱 장치를 작동시킬 수 있다.
상기 밸런싱 장치는 상기 배터리 셀을 자가 방전시켜 밸런싱할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은 상기 제어 신호에 대응하여 제1 스위치가 턴 오프되지 않아 상기 밸런싱 장치가 작동되면, 경고 신호를 발생시키는 알림부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩의 보호 방법은, 배터리의 과충전 및 과전류 중 적어도 하나를 감지하는 단계; 상기 배터리의 대전류 경로 상에 배치되어 상기 대전류 경로 상의 전류의 흐름을 단속하는 제1 스위치를 턴 오프시키는 제어 신호를 출력하는 단계; 및 상기 제어 신호가 상기 제1 스위치에 인가된 이후에 상기 제1 스위치가 턴 오프되지 않아 상기 대전류 경로 상에 전류가 감지되는 경우, 상기 배터리의 전압을 밸런싱하는 밸런싱 장치에 포함된 스위치로, 적어도 하나의 배터리 셀 각각과 병렬로 연결되는 저항과 직렬로 연결되는 스위치들이 전부 턴 온되도록 하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀들의 전력이 상기 적어도 하나의 배터리 셀 각각과 병렬로 연결되는 저항에서 소비되도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩의 보호 방법은 상기 배터리의 과충전 및 과전류로 상기 배터리의 온도가 제1 임계값을 초과하면 상기 대전류 경로를 차단하는 보호 장치가 작동되는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 보호 장치는 상기 제1 임계값에서 융단되는 퓨즈 및 자가 제어 보호 소자(Self Control Protector; SCP) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩의 보호 방법은, 상기 제어 신호에 대응하여 상기 제1 스위치가 턴 오프 되지 않으면, 경고 신호를 발생시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 배터리 팩은 배터리의 충전 및 방전 전류를 차단시키는 스위치가 오작동하여 개방되지 않아 퓨즈 등 보호 장치가 2차적으로 작동되기 전에 밸런싱 회로를 작동시켜 배터리의 열폭주에 따른 손상, 발화 및 폭발을 지연시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 배터리 팩의 내부 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리부의 동작 모드를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 보호하기 위한 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 보호하기 위한 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 배터리 팩의 내부 구성을 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(100)은 배터리(20), 배터리 관리부(120), 제1 스위치(130), 보호 장치(140) 및 밸런싱 장치(110)를 포함한다.
배터리(20)는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀(21)을 포함한다. 배터리(20)에 하나의 배터리 셀(21)이 포함되거나, 배터리(20)에는 복수의 배터리 셀(21)들이 포함될 수 있으며, 배터리 셀(21)들은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 배터리(20)에 포함되는 배터리 셀(21)들의 개수 및 연결 방식은 요구되는 출력 전압 및 전력 저장 용량에 따라서 결정될 수 있다.
배터리 셀(21)은 충전이 가능한 납 축전지를 제외한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(21)은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery) 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(130)는 배터리(20)의 대전류 경로 상에 배치되어 배터리(20)의 충전 전류 및 방전 전류의 흐름을 단속할 수 있다. 제1 스위치(130)는 배터리 관리부(120)의 제어 신호에 따라 턴 온/턴 오프될 수 있다. 제1 스위치(130)는 릴레이나 FET 스위치를 포함할 수 있다.
한편, 제1 스위치(130)는 충전 전류를 차단하는 충전 스위치와 방전 전류를 차단하는 방전 스위치를 포함한다. 충전 스위치는 충전 FET 스위치와 제1 다이오드를 포함하며, 제1 다이오드는 배터리(20)의 방전 전류의 흐름이 순방향이다. 충전 FET 스위치가 턴 오프되면, 충전 전류는 차단되나, 방전 전류는 차단되지 않는다. 방전 스위치는 방전 FET 스위치와 제2 다이오드를 포함하며, 방전 FET 스위치가 턴 오프되면, 방전 전류는 차단되나 충전 전류는 차단되지 않는다.
배터리 관리부(120)는 배터리(20)의 전류, 전압 및 온도 등 배터리(20)에 대한 정보를 획득하여 배터리(20)의 상태를 분석 및 배터리(20)의 보호 필요성을 판단할 수 있는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
배터리 관리부(120)는 배터리(20)의 전류, 전압, 온도를 감지하고, 상기 감지된 정보에 기초하여 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC)등을 얻을 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(120)는 센서들을 이용하여 배터리 셀(21)의 셀 전압 및 온도를 측정할 수 있다.
배터리 관리부(120)는 배터리 셀(21)들의 전압에 기초하여 배터리 셀(21)들 간의 전기적 연결이 끊어 졌는지, 배터리 셀(21)이 단락되었는지 등 배터리 셀(21)의 전기적 연결 상태를 판단할 수 있다. 배터리 관리부(120)는 배터리 셀(21)의 전기적 연결 상태가 비정상적이면, 상기 제1 스위치(130)에 포함된 방전 FET 스위치 및 충전 FET 스위치를 개방하여 배터리(20)의 충전 전류 및 방전 전류 모두를 차단시킬 수 있다.
보호 장치(140)는 배터리 팩(100)의 내부 온도가 미리 설정된 제1 임계값을 초과하면 스스로 개방되는 소자를 포함할 수 있다. 보호 장치(140)는 배터리(20)가 과충전 및 과전류에 노출되었으나 배터리 관리부(120)가 오작동하여 적절하게 제1 스위치(130)를 개방하지 못한 경우에 배터리(20)의 손상 및 폭발을 방지하기 위해 2차적으로 배터리(20)의 충방전 전류를 차단시키는 장치이다. 상기 제1 임계값은 배터리가 열폭주하여 발화 및 폭발할 위험이 있는 온도로 설정될 수 있고, 예를 들면, 제1 임계값은 90도 이상으로 설정될 수 있다.
보호 장치(140)는 온도 퓨즈(Thermal Fuse)를 포함한다. 상기 온도 퓨즈(Thermal Fuse)는 상기 전지 집합체에 과전류가 흘러 가열되거나 상기 배터리 팩(100)의 내부 온도가 상승하여 온도 퓨즈의 온도가 상기 제1 임계값 이상인 경우, 융단되어 배터리(20)의 충방전을 강제로 중단시킬 수 있다. 또한, 보호 장치(140)는 퓨즈 및 상기 퓨즈의 주위를 감싸는 히터(heater)를 포함하는 자가 제어 보호소자(Self Control Protector; SCP)를 포함할 수 있다. SCP는 배터리(20)가 과충전되면 상기 히터가 가열되어 퓨즈를 융단시켜 배터리(20)의 과충전을 자율적으로 차단시킬 수 있다. 즉, 보호 장치(140)는 배터리(20)의 과충전 및 과전류가 감지되면 배터리(20)의 충방전 전류를 차단시킬 수 있다.
밸런싱 장치(110)는 배터리(20)에 포함된 배터리 셀(21)들의 전압을 측정하고, 상기 배터리 셀(21)들의 전압이 서로 상응한 값을 갖도록 할 수 있다. 밸런싱 장치(110)는 배터리 셀(21)들간 전력을 교환하여 밸런싱하는 능동형과 배터리 셀(21)의 전력을 소비하여 밸런싱하는 수동형 밸런싱 회로가 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 밸런싱 장치(110)는 배터리 셀(21)의 전력을 소비시키는 수동형(passive) 밸런싱 회로를 포함한다.
밸런싱 장치(110)는 적어도 하나의 배터리 셀(21)과 각각 병렬로 연결되는 저항을 포함하고, 상기 저항과 각각 직렬로 연결되는 스위치를 포함한다. 밸런싱 장치(110)는 상기 스위치를 선택적으로 턴 온시켜 상기 스위치와 병렬로 연결된 배터리 셀(21)의 전력을 소비하여 배터리 셀(21)의 전압을 낮출 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(120)는 배터리 셀(21)의 밸런싱할 목적이 아닌 배터리 셀(21)들의 전압을 하강시키기 위해 밸런싱 장치(110) 작동시킬 수 있다. 이 경우, 배터리 관리부(120)는 밸런싱 장치(110)에 포함된 스위치들이 전부 턴 온되도록 제어할 수 있다. 예를 들면, 배터리 셀(21)들이 과충전 상태에 노출된 경우에, 배터리 관리부(120)는 밸런싱 장치(110)의 모든 스위치를 턴 온시켜 배터리(20)의 과충전을 지연 또는 방지시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(120)는 제1 스위치(130)가 정상적으로 동작하지 않은 경우에 밸런싱 장치(110)를 이용하여 배터리 셀(21)들을 방전시킬 수 있다. 배터리(20)가 과충전 상태거나 과전류가 인가되는 경우에 제1 스위치(130)를 턴 오프시키는 제어 신호를 출력한다. 배터리 관리부(120)는 제1 스위치(130)를 턴 오프시키는 제어 신호를 인가한 후에 배터리(20)의 전류를 감지하고, 여전히 배터리(20)의 전류가 감지되면, 밸런싱 장치(110)를 작동시켜 배터리 셀(21)들을 자가 방전시킨다. 예를 들면, 제1 스위치(130)가 단락되어 배터리(20)가 과충전 상태에 노출된 경우, 배터리 셀(21)들은 허용되는 전압을 초과하여 열폭주로 손상, 발화 및 폭발될 수 있다. 이 경우, 배터리 관리부(120)는 밸런싱 장치(110)들에 포함된 스위치들을 턴 온시키는 제어 신호를 출력하여 배터리 셀(21)들의 전압 상승을 저지하여 열폭주에 따른 손상, 발화 및 폭발을 지연시킬 수 있다.
알림부(150)는 배터리 관리부(120)의 제어신호에 따라 경고신호를 사용자에 알리는 장치이다. 알림부(150)는 배터리 팩(100)의 케이스의 겉면에 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 사용자가 경고신호를 인식할 수 있는 위치라면 어느 위치든 배치될 수 있다. 알림부(150)는 경고등이나 스피커가 포함될 수 있다. 배터리 관리부(120)에서 알림부(150)를 턴-온시키는 제어신호가 알림부(150)에 인가되면 알림부(150))는 상기 경고등의 불빛이나 상기 스피커의 음성을 통해 경고신호를 사용자에게 알릴 수 있다.
알림부(150)는 제1 스위치(130)가 정상적으로 동작하지 않아 밸런싱 장치(110)가 작동될 때에 작동될 수 있다. 즉, 배터리 관리부(120)는 제1 스위치(130)의 고장을 검출하면 밸런싱 장치(110)를 작동시키는 제어 신호를 출력하면서 알림부(150)를 작동시키는 제어 신호도 출력할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 팩(100)은 배터리 셀(21)들의 전력을 소비하는 별도의 자가 방전 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 배터리 팩(100)은 제2 보호 모드(209)가 돌입되면, 상기 자가 방전 장치가 최대 출력을 갖도록 제어하면서 밸런싱 장치(110)를 작동시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(120)는 충전기가 연결되고 배터리(20)의 과충전 및 과전류가 감지되나 제1 스위치(130)가 정상적으로 작동되지 않을 때에 밸런싱 장치(110)를 작동시킬 수 있다. 즉, 배터리 셀(21)들의 전압의 상승이 우려되는 경우에 상기 밸런싱 장치(110)를 작동시켜 배터리(20)의 전압 상승을 저지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리부의 동작 모드를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리 관리부(120)는 가동 모드(200), 슬립 모드(201), 대기 모드(203), 셧 다운 모드(205) 및 보호 모드(207) 중 어느 하나의 모드로 작동할 수 있다.
가동 모드(200)는 배터리(20)의 전류, 온도 및 전압 등을 모니터링하여 배터리(20) 상태를 분석하는 배터리 관리부(120)의 동작 모드이다. 가동 모드(200)에서 배터리 관리부(120)는 배터리(20)의 과방전, 과충전, 과전류, 과열 등의 위험이나, 배터리 셀(21)들의 전기적 연결에 문제가 발생하는지 감지할 수 있다.
슬립 모드(201)는 배터리(20)가 미리 설정된 시간 동안 휴지 상태에 있을 때에 배터리(20)의 전력 소모를 최소화하기 위해 배터리 관리부(120)의 최소한 기능만 유지하는 배터리 관리부(120)의 모드이다. 슬립 모드(201)에서 배터리 관리부(120)는 충전기의 연결, 부하의 연결 등 기동 신호가 인가되면 다시 가동 모드(200)로 돌입한다.
대기 모드(203)는 배터리(20)의 휴지 상태에 배터리(20)의 충전 또는 방전을 대비하는 배터리 관리부(120)의 모드이다. 대기 모드(203)는 배터리(20)의 휴지 상태가 미리 설정된 시간 동안 유지되면 슬립 모드(201)로 전환된다.
셧 다운 모드(205)는 배터리 관리부(120)의 동작 전원이 차단되는 경우이거나 배터리 관리부(120)가 동작할 필요가 없는 경우 등을 이유로 배터리 관리부(120)가 동작을 중단할 때의 배터리 관리부(120)의 모드이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리부(120)는 슬립 모드(201), 대기 모드(203) 및 셧 다운 모드(205) 중 적어도 하나의 모드만을 포함할 수 있고, 각 모드에서 배터리 관리부(120)의 작동 방식도 달리 설정될 수 있는바, 본 발명의 사상은 슬립 모드(201), 대기 모드(203) 및 셧 다운 모드(205)에서의 작동 방식에 제한되지 않는다.
보호 모드(207)는 배터리(20)가 과충전, 과전류 및 과방전의 일시적 배터리(20)의 위험 노출에 대해 제1 스위치(130)를 턴 오프하는 경우와, 배터리 셀(21)들의 전기적 단락 및 전기적 개방, 보호 장치(140)의 개방, 배터리 셀(21)들의 과열, 다른 장치들과 통신 문제 등 영구적으로 배터리(20)가 위험에 노출될 수 있어 영구적으로 제1 스위치(130)를 턴 오프시키는 배터리 관리부(120)의 모드를 포함한다.
제1 보호 모드(208)는 후자의 경우로 배터리(20)의 손상을 방지하기 위해 배터리(20)가 점검되기 전까지 제1 스위치(130)를 턴 오프시키는 모드이다.
제2 보호 모드(209)는 제1 보호 모드(208)에서 제1 스위치(130)를 턴 오프하는 제어 신호를 인가하였으나 제1 스위치(130)가 턴 오프되지 않은 경우(제1 스위치(130)의 단락)에 배터리(20)를 보호하기 위한 배터리 관리부(120)의 모드이다. 제2 보호 모드(209)에서 배터리 관리부(120)는 밸런싱 장치(110)를 작동시킨다. 배터리 관리부(120)는 밸런싱 장치(110)에 포함된 스위치들을 턴 온시켜 배터리 셀(21)들의 전력을 밸런싱 장치(110)에 포함된 저항들이 소비하도록 한다. 배터리 셀(21)들은 상기 저항들의 전력 소비로 전압이 하락되거나, 전압 상승률을 감소시킬 수 있다. 한편, 제2 보호 모드(209)는 배터리(20)의 과방전이 감지된 경우에는 돌입되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(120)는 배터리 팩(100)에 충전기가 연결되고 충전이 완료되었으나 지속적으로 배터리 셀(21)의 전압이 상승하는 경우에도 제2 보호 모드(209)에 진입할 수 있다. 배터리 관리부(120)는 배터리(20)의 전압이 충전이 완료되는 완충 전압에 도달하면 제1 스위치(130)를 턴 오프시키는 제어 신호를 인가한다. 그러나, 제1 스위치(130)가 단락될 경우, 배터리(20)와 충전기(미도시) 간의 전기적 연결은 유지되어 배터리(20)가 과충전된다. 이 경우, 배터리 관리부(120)는 밸런싱 장치(110)를 작동시켜 배터리(20)의 과충전 속도를 감소시킬 수 있다.
한편, 배터리(20)의 과충전일 때 보호 장치(140)가 배터리(20)와 상기 충전기의 전기적 연결을 차단시킬 수 있으나 보호 장치(140)는 반응 속도가 느린 점에서, 차단 되기 전에 배터리(20)의 열폭주로 배터리(20)가 발화, 폭발할 위험성이 크다. 이 경우, 배터리 관리부(120)는 보호 회로가 작동하기 전에 밸런싱 장치(110)를 작동시켜 배터리(20)의 열폭주에 따른 배터리(20)의 발화 및 폭발을 지연시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(120)는 제2 보호 모드(209)에서 스스로 배터리(20)의 전력을 소비하는 비율을 상승시킬 수 있다. 배터리 관리부(120)는 배터리(20)로부터 전원을 공급받아 작동할 수 있다. 제2 보호 모드(209)에서 배터리 관리부(120)는 밸런싱 장치(110)를 작동시키면서 내부에 소비되는 전력량을 최대로 증가시킬 수 있다. 이 경우, 배터리(20)의 열폭주에 따른 발화 및 폭발을 지연되며, 보호 장치(140)가 작동되기 전에 발화 및 폭발 되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 보호하기 위한 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3에 도시된 흐름도는 도 1에 도시된 충전 상태 검출 장치에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라도 하더라도, 도 1에서 도시된 구성들에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 3에 도시된 흐름도에도 적용됨을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 배터리 팩(100)은 배터리(20)의 과충전, 과전류, 배터리 셀(21)들 간의 비정상적인 전기적 연결 등이 감지되면 배터리(20)를 보호하기 위해 보호 모드(207)에 돌입한다. 보호 모드(207)에서 배터리 팩(100)은 제1 스위치(130)를 턴 오프시키는 제어 신호를 출력한다(S101).
배터리 팩(100)은 상기 제어 신호를 출력한 후에도 배터리(20)의 전류 신호가 감지되면 제1 스위치(130)가 단락 등으로 고장이 발생한 것으로 판단한다. 배터리 팩(100)은 제1 스위치(130)의 고장이 검출되면, 제2 보호 모드(209)로 돌입한다(S103).
배터리 팩(100)은 제2 보호 모드(209)에 돌입하면 밸런싱 장치(110)를 작동시킨다. 밸런싱 장치(110)에 포함된 저항들은 배터리 셀(21)들의 전력을 소비한다. 배터리 팩(100)은 배터리 셀(21)들의 전압 상승 정도를 낮춰 배터리(20)의 열폭주에 따른 발화 및 폭발을 지연시킬 수 있다(S105).
배터리 팩(100)은 제2 보호 모드(209)에 돌입하면서, 제1 스위치(130)의 이상 및 배터리(20)가 곧 발화 및 폭발될 위험이 있다는 사실을 외부로 알릴 수 있다. 배터리 팩(100)은 알림부(150)에 포함된 스피커를 통해 소리를 통해 위험 사실을 알리거나, LED 램프 등으로 시각적으로 위험 사실을 알릴 수 있다(S107).
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 보호하기 위한 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4에 도시된 흐름도는 도 1에 도시된 충전 상태 검출 장치에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라도 하더라도, 도 1에서 도시된 구성들에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 4에 도시된 흐름도에도 적용됨을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 배터리 팩(100)은 배터리(20)의 과전류 및 과충전 중 적어도 하나를 감지할 수 있다. 배터리 팩(100)은 배터리(20)의 과전류 및 과충전 중 적어도 하나가 감지되면 보호 모드(207)에 돌입한다(S111).
배터리 팩(100)은 제1 스위치(130)를 턴 오프시키는 제어 신호를 출력하여 과충전 및 과전류로부터 배터리(20)를 보호할 수 있다(S113). 배터리 팩(100)은 제1 스위치(130)가 제대로 동작하여 외부 장치와 배터리(20) 간의 전기적 연결이 차단되었는지 감지할 수 있다. 배터리 팩(100)은, 제1 스위치(130)가 단락 등으로 개방되지 않은 경우, 제2 보호 모드(209)로 전환된다(S115).
배터리 팩(100)은 제2 보호 모드(209)에서 밸런싱 장치(110)를 작동시킨다. 밸런싱 장치(110)가 작동되면, 배터리 셀(21)들의 전력은 밸런싱 장치(110)에 포함된 저항들에 의해 소비된다. 배터리 셀(21)들의 전력이 소비되면, 배터리 셀(21)들의 전압의 상승을 지연시키거나 과전류의 크기를 감소시킬 수 있다. 즉, 배터리 팩(100)은 제2 보호 모드(209)에서 밸런싱 장치(110)를 작동시켜 배터리 셀(21)들의 열 폭주에 따른 발화 및 폭발되는 것을 지연시킬 수 있다(S117).
배터리 팩(100)은 퓨즈 및 자기 제어 보호 소자(Self Control Protector; SCP) 중 적어도 하나를 포함하고, 과전류 및 과충전에 대응하여 상기 퓨즈 등이 융단된다. 상기 퓨즈등의 융단으로 배터리(20)와 외부 장치간의 연결이 차단된다(S119).
한편, 상기 퓨즈 등은 과전류 및 과충전에 의해 열이 가해져 융단되는 동작 방식에 의하므로, 융단되는데 상당한 시간이 소요될 수 있다. 이 경우, 충전 장치 등과의 전기적 연결의 차단이 지연되어 배터리 셀(21)들이 열폭주로 발화 및 폭발의 위험성 상승한다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 제1 스위치(130)가 오작동하는 경우에 밸런싱 장치(110)를 작동시켜 배터리 셀(21)들의 전압 상승을 저지하여 열폭주에 따른 발화 및 폭발을 지연시킬 수 있다. 즉, 배터리 팩(100)은 밸런싱 장치(110)의 작동을 통해 퓨즈 등을 포함하는 보호 장치(140)가 작동하는데 필요한 시간을 확보할 수 있다.
본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
20: 배터리
21: 배터리 셀
100: 배터리 팩
110: 밸런싱 장치
120: 배터리 관리부
130: 제1 스위치
150: 알림부
200: 동작 모드
201: 슬립 모드
203: 대기 모드
205: 셧 다운 모드
207: 보호 모드
208: 제1 보호 모드
209: 제2 보호 모드

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀 각각과 병렬로 연결되는 저항들 및 상기 저항들 각각과 직렬로 연결되는 스위치들을 포함하고, 배터리 관리부의 제어에 따라 상기 스위치들을 턴 온 시키는 밸런싱 장치;
    상기 배터리의 대전류 경로 상에 배치되어 상기 대전류 경로 상의 전류 흐름을 단속하는 제1 스위치; 및
    상기 배터리의 전압, 온도 및 전류의 모니터링 결과에 기초하여 동작 모드를 결정하는 배터리 관리부;를 포함하고,
    상기 동작 모드는
    상기 제1 스위치를 일시적으로 턴 오프 시키는 제1 보호 모드 및 상기 밸런싱 장치의 스위치들을 모두 턴 온 되도록 하는 제2 보호 모드를 포함하고,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 제1 보호 모드에서 상기 제1 스위치를 턴 오프 시키는 제어 신호가 상기 제1 스위치에 인가되었음에도 불구하고, 상기 제1 스위치가 턴 오프되지 않아 상기 대전류 경로 상에 전류가 감지되는 경우, 상기 동작 모드를 상기 제2 보호 모드로 전환하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전력이 상기 저항들에서 소비되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩..
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 대전류 경로 상에 배치되고, 상기 배터리의 내부 온도가 제1 임계값을 초과하면 상기 대전류 경로를 차단하는 보호 장치;를 더 포함하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보호 장치는 상기 제2 보호 모드에 따라 상기 밸런싱 장치가 작동된 후에 상기 대전류 경로를 차단시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 보호 장치는 상기 제1 임계값에서 융단되는 퓨즈 및 자가 제어 보호 소자(Self Control Protector; SCP) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리가 과충전 상태일 때에 상기 제1 보호 모드 및 상기 제2 보호 모드 중 어느 하나의 모드로 상기 동작 모드를 전환하는것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱 장치는 상기 배터리 셀을 자가 방전시켜 밸런싱하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은
    상기 제1 보호 모드에서 상기 제2 보호 모드로 전환될 때 경고 신호를 발생시키는 알림부;를 더 포함하는 배터리 팩.
  8. 배터리의 과충전을 감지하는 단계;
    상기 감지 결과에 기초하여 배터리의 대전류 경로 상에 배치되는 제1 스위치를 일시적으로 턴 오프 시키는 제1 보호 모드로 전환하는 단계;
    상기 제1 보호 모드에서 상기 제1 스위치를 턴 오프시키는 제어 신호가 상기 제1 스위치에 인가되었음에도 불구하고, 상기 제1 스위치가 턴 오프되지 않아 상기 대전류 경로 상에 전류가 감지되는지 여부를 확인하는 단계; 및
    상기 확인 결과 상기 대전류 경로 상에 상기 전류가 감지되는 경우, 제2 보호 모드로 전환하여 상기 배터리 내의 적어도 하나의 배터리 셀들의 전력이 밸런싱 장치의 저항들에서 소비되도록 하는 단계;를 포함하고,
    상기 밸런싱 장치는
    상기 적어도 하나의 배터리 셀 각각과 병렬로 연결되는 저항들 및 상기 저항들 각각과 직렬로 연결되는 스위치들을 포함하고, 상기 제2 보호 모드에서 상기 스위치들을 모두 턴 온 시키는, 배터리 팩의 보호 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리의 과충전 및 과전류로 상기 배터리의 온도가 제1 임계값을 초과하면 상기 대전류 경로를 차단하는 보호 장치가 작동되는 단계;를 더 포함하는 배터리 팩의 보호 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보호 장치는 상기 제1 임계값에서 융단되는 퓨즈 및 자가 제어 보호 소자(Self Control Protector; SCP) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀들의 전력이 밸런싱 장치의 저항들에서 소비되도록 하는 단계는
    경고 신호를 발생시키는 단계;를 포함하는 배터리 팩의 보호 방법.
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