KR102117315B1 - 배터리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 배터리 장치는 복수의 배터리 셀과, 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 측정하고 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 배터리 관리부와, 상기 복수의 배터리 셀과 상기 배터리 관리부를 연결시키는 복수의 연결 라인와, 인접한 두 연결 라인 사이에 마련된 복수의 저항을 포함한다.

Description

배터리 장치{Battery apparatus}
본 발명은 배터리 장치에 관한 것으로, 특히 복수의 배터리 셀과 배터리 관리 장치 사이를 연결하는 연결 라인의 상태를 검출할 수 있는 배터리 장치에 관한 것이다.
스마트 폰, 노트북 컴퓨터 등의 휴대용 전기/전자 기기는 별도의 전원이 구비되지 않아도 구동될 수 있도록 배터리를 내장하고 있다. 이러한 배터리는 충방전이 가능한 복수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 구성될 수 있다.
그런데, 배터리 셀의 전기화학적 비선형성 및 불안정성으로 인해 과충전, 과방전 또는 가혹한 운용 환경에서 배터리 셀이 손상될 수 있고, 그에 따른 폭발 위험성을 내재하고 있다. 따라서, 배터리의 관리 및 제어를 위한 알고리즘을 수행하는 배터리 관리 장치(Battery Management System: 이하 BMS라 함)를 이용하여 최적 충방전량, 부하 특성 모니터링 및 열관리 등을 통해 배터리의 안정성을 확보하고 있다. 예를 들어, BMS는 배터리 셀의 전압을 측정하여 SOC(State Of Charge)를 추정하고 이를 이용하여 최적 충방전량을 제어할 수 있다.
배터리 셀의 전압을 측정하기 위해 복수의 배터리 셀은 연결 라인을 통해 BMS와 연결된다. 즉, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀 각각의 일 단자 및 타 단자가 연결 라인을 통해 BMS와 연결된다. 이러한 배터리 장치의 예가 한국공개특허 제2014-0092554호에 제시되어 있다.
그런데, 연결 라인의 적어도 어느 하나가 단선(open)될 경우 해당 연결 라인과 연결된 배터리 셀이 플로팅(floating)된다. 따라서, 해당 배터리 셀이 과충전 또는 과방전되어도 BMS는 해당 배터리 셀의 전압을 측정할 수 없어 배터리의 충방전을 제어할 수 없고, 그에 따라 배터리의 폭발 위험성을 갖게 된다.
본 발명은 복수의 배터리 셀의 전압을 측정하여 배터리 셀의 충방전을 관리하는 배터리 장치를 제공한다.
본 발명은 복수의 배터리 셀과 연결된 복수의 연결 라인의 상태를 검출할 수 있는 배터리 장치를 제공한다.
본 발명은 인접한 두 연결 라인 사이에 저항을 연결하여 연결 라인의 단선을 검출할 수 있는 배터리 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리 장치는 복수의 배터리 셀; 상기 복수의 배터리 셀의 전압을 측정하고 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 배터리 관리부; 상기 복수의 배터리 셀과 상기 배터리 관리부를 연결시키는 복수의 연결 라인; 및 인접한 두 연결 라인 사이에 마련된 복수의 저항을 포함한다.
상기 배터리 관리부는, 상기 복수의 배터리 셀과 상기 복수의 연결 라인을 통해 연결되어 상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부; 상기 전압 측정부의 측정 전압과 설정 전압을 비교하여 제어 신호를 생성하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어 신호에 따라 구동되어 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 스위칭부를 포함한다.
상기 연결 라인은 상기 배터리 셀의 수보다 적어도 하나 더 많은 수로 마련된다.
상기 복수의 배터리 셀의 갯수가 n이라 할 때 제 1 내지 제 n 배터리 셀이 직렬 연결되고, 상기 제 1 배터리 셀의 일 단자 및 상기 제 n 배터리 셀의 타 단자는 상기 연결 라인을 통해 상기 전압 측정부의 전원 단자 및 접지 단자와 연결되며, 제 2 내지 제 n-1 배터리 셀은 인접한 배터리 셀의 접속점이 상기 연결 라인을 통해 상기 전압 측정부의 복수의 입력 단자에 연결된다.
상기 저항은 상기 제 1 및 제 n 배터리 셀 이외의 배터리 셀과 각각 병렬 연결된다.
상기 저항은 일 배터리 셀과 병렬 연결되고 다음 배터리 셀을 건너뛰어 그 다음 배터리 셀과 병렬 연결된다.
상기 저항은 이와 연결된 상기 연결 라인이 단선되면 풀업 또는 풀다운의 역할을 한다.
상기 저항은 1㏁ 이상의 저항값을 갖는다.
상기 제어부는 상기 전압 측정부로부터 측정된 상기 배터리 셀의 측정 전압이 상기 배터리 셀 각각의 충전 최대 전압보다 크거나 같은 경우 상기 연결 라인의 단선으로 판단한다.
상기 제어부는 상기 전압 측정부로부터 측정된 배터리 셀의 전압이 상기 복수의 배터리 셀의 전압 분포보다 높은 경우 상기 연결 라인의 단선으로 판단한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 장치는 복수의 배터리 셀과 배터리 관리부를 연결하는 연결 라인 사이에 저항을 마련하여 연결 라인의 단선 시 저항이 풀업 또는 풀다운의 역할을 하도록 한다. 즉, 연결 라인의 단선 시 저항의 상단 또는 하단에 큰 전압이 측정되고, 이렇게 큰 전압이 측정되면 해당 연결 라인이 단선된 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 연결 라인의 상태를 검출하여 배터리 셀의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있고, 그에 따라 배터리 셀 또는 이를 장착하는 전자기기를 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예의 확대 예에 따른 배터리 장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 장치의 스위칭부의 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 장치의 개략도이고, 도 2는 확대 실시 예에 따른 배터리 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 장치는 복수의 배터리 셀(101, 102, 103, …, 10n; 100)과, 복수의 배터리 셀(100)의 전압을 측정하고 그에 따라 배터리 셀(100)의 충방전을 관리하는 배터리 관리부(200)와, 배터리 셀(100)과 배터리 관리부(200)를 연결시키는 복수의 연결 라인(301, 302, 303, …, 30n+1; 300)과, 인접한 두 연결 라인(300) 사이에 마련된 복수의 저항(400)을 포함할 수 있다.
1. 배터리 셀
복수의 배티리 셀(101, 102, 103, …, 10n; 100)은 충방전 가능한 이차 전지를 포함할 수 있는데, 예를 들어 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-H) 전지 및 리튬(Li) 전지 등의 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 셀(100)은 짝수개가 연결되거나 홀수개가 연결될 수 있다. 즉, n은 짝수일 수 있고, 홀수일 수 있는데, 본 실시 예에서는 배터리 셀(100)이 짝수개 연결되고 그에 따라 n이 짝수인 경우를 설명한다. 또한, 복수의 배터리 셀(100)은 직렬 연결될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 셀(100)은 일 단자 및 타 단자, 즉 양극 및 음극을 가지는데, 일 배터리 셀의 일 단자가 타 배터리 셀의 타 단자가 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 배터리 셀(101)의 음극과 제 2 배터리 셀(102)의 양극이 직렬 연결될 수 있고, 제 2 배터리 셀(102)의 음극이 제 3 배터리 셀(103)의 양극과 직렬 연결될 수 있다. 또한, 복수의 배터리 셀(100)은 동일 용량을 가질 수 있고 그에 따라 최대 충전 전압이 동일할 수 있는데, 예를 들어 최대 충전 전압이 5V일 수 있다. 한편, 복수의 배터리 셀(100)은 배터리 모듈을 이룰 수 있고, 이러한 배터리 모듈이 적어도 둘 이상 마련될 수 있다.
2. 배터리 관리부
배터리 관리부(200)는 연결 라인(300)을 통해 연결된 복수의 배터리 셀(100)의 전압을 측정하고, 측정된 복수의 배터리 셀(100)의 전압에 따라 배터리 셀(100)의 충방전을 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리부(200)는 배터리 셀(100)의 전압이 설정된 전압보다 높을 경우 배터리 셀(100)의 충방전을 제어할 수 있고, 소정 수의 배터리 셀(100)에 대해 셀 밸런싱을 실시할 수 있다. 이러한 배터리 관리부(200)는 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 측정하는 적어도 하나의 전압 측정부(210)와, 전압 측정부(210)로부터 측정된 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압에 따라 배터리 셀(100)의 충방전을 제어하는 제어부(220)와, 제어부(220)의 제어 신호에 따라 배터리 셀(100)과 외부 전원 사이의 연결을 스위칭하는 스위칭부(230)를 포함할 수 있다. 한편, 도시되지 않았지만, 배터리 관리부(200)는 배터리 셀(100)의 전압 뿐만 아니라 전류 및 온도 등을 측정할 수 있고, 그에 따라 전류 측정부 및 온도 측정부를 더 포함할 수 있다.
2.1. 전압 측정부
전압 측정부(210)는 배터리 셀(100) 각각의 전압을 측정할 수 있다. 이를 위해 전압 측정부(210)는 복수의 연결 라인(300)을 통해 복수의 배터리 셀(100)과 연결될 수 있다. 전압 측정부(210)는 전원 단자(Vcc)와 접지 단자(GND), 그리고 복수의 입력 단자를 포함할 수 있다. 전압 측정부(210)의 전원 단자(Vcc)는 제 1 배터리 셀(101)의 일 단자, 즉 양극과 연결 라인(300)을 통해 연결되고, 접지 단자(GND)는 제 n 배터리 셀(10n)의 타 단자, 즉 음극과 연결되며, 복수의 입력 단자는 제 2 내지 제 n-1 배터리 셀(102, 103, …, 10n-1) 사이의 접속 단자와 연결 라인(300)을 통해 연결될 수 있다. 따라서, 전압 측정부(210)는 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 연결 라인(300)을 통해 측정하고, 측정된 전압을 제어부(220)로 전달한다. 한편, 본 발명의 실시 예에서는 전압 측정부(210)가 하나로 구성되는 경우를 도시하여 설명하였으나, 필요에 따라 복수의 배터리 셀(100) 각각 대응하도록 복수 마련될 수도 있고, 적어도 둘 이상의 배터리 모듈에 대응하도록 적어도 둘 이상 마련될 수도 있다. 또한, 도시되지 않았지만, 제어부(220)의 용이한 구성 및 빠른 처리 속도를 위하여 전압 측정부(210)와 제어부(220) 사이에 아날로그/디지털 변환부를 마련하여 전압 측정부(210)에서 측정된 배터리 셀(100) 각각의 전압을 디지털 신호로 변환하여 제어부(220)에 전달할 수도 있다.
2.2. 제어부
제어부(220)는 전압 측정부(210)로부터 측정된 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압에 따라 제어 신호를 생성하여 배터리 셀(100)과 외부 전원 사이의 스위칭부(230)를 제어함으로써 배터리 셀(100)의 충방전을 제어하고, 그에 따라 배터리 셀(100)의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있다. 예를 들어, 제어부(220)는 충전 동작을 정지시키기 위한 제 1 설정 전압 및 충전 동작을 실시하기 위한 제 2 설정 전압과 전압 측정부(210)에서 측정된 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 비교하여 측정 전압이 제 1 설정 전압보다 높거나 같을 경우 배터리 셀(100)의 충전 동작을 정지하기 위한 제어 신호를 생성하고, 측정 전압이 제 2 설정 전압보다 낮거나 같을 경우 배터리 셀(100)의 충전 동작을 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 제 1 설정 전압은 복수의 배터리 셀(100) 각각의 최대 충전 전압이 5V라 할 경우 과충전을 방지하기 위해 예를 들어 4.5V로 설정될 수 있고, 제 2 설정 전압은 복수의 배터리 셀(100) 각각의 과방전을 방지하기 위해 예를 들어 1.5V로 설정될 수 있다. 또한, 제어부(220)는 연결 라인(300)의 단선을 판단하기 위한 제 3 설정 전압과 전압 측정부(210)로부터 측정된 배터리 셀(100) 각각의 전압을 비교하여 측정 전압이 제 3 설정 전압 이상일 경우 연결 라인(300)의 단선으로 판단하고 스위칭부(230)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 제 3 설정 전압은 배터리 셀(100) 각각의 최대 전압보다 예를 들어 1.2 배 이상의 전압, 즉 5V로 설정할 수 있고, 제 3 설정 전압보다 크거나 같은 전압이 측정되는 경우 연결 라인(300)이 단선된 것으로 판단할 수 있다. 한편, 제어부(220)는 연결 라인(300)의 단선을 판단하기 위해 복수의 배터리 셀(100)의 전압 분포를 이용할 수 있는데, 적어도 하나의 측정 전압이 제 3 설정 전압보다 작지만 복수의 배터리 셀(100)의 전압 분포보다 크면 연결 라인(300)의 단선으로 판단하고 스위칭부(300)를 제어할 수도 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(100)의 측정 전압이 3V 정도로 분포하는데, 어느 하나의 측정 전압이 이보다 예를 들어 1.5배 높은 4.5V인 경우 연결 라인(300)의 단선으로 판단할 수 있다.
2.3. 스위칭부
스위칭부(230)는 배터리 셀(100)과 외부 전원 사이의 전류 경로 사이에 마련되어 배터리 셀(100)의 충전 및 방전을 제어한다. 이러한 스위칭부(230)는 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 스위치(232) 및 제 2 스위치(234)를 포함할 수 있다. 즉, 스위칭부(230)는 복수의 배터리 셀(100)과 외부 전원 사이에 마련되는데, 제 1 스위치(232)가 배터리 셀(100) 측에 마련되고, 제 2 스위치(234)가 외부 전원 측에 마련될 수 있다. 제 1 및 제 2 스위치(232, 234)는 제어부(220)에서 생성된 제어 신호에 따라 구동되며, 배터리 셀(100)의 충전 및 방전 시 동시에 구동될 수 있고, 어느 하나가 구동될 수도 있다.
제 1 스위치(232)는 제 1 FET(232a) 및 제 1 기생 다이오드(232b)를 포함할 수 있다. 제 1 FET(232a)는 드레인 단자와 소오스 단자가 배터리 셀(100)의 전류 경로, 즉 배터리 셀(100)과 제 1 노드(Q1) 사이에 마련된다. 또한, 제 1 FET(232a)는 게이트 단자가 제어부(220)와 연결된다. 따라서, 제 1 FET(232a)는 제어부(220)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 구동되며, 충전 시 배터리 셀(100)로 전류를 인가하고 방전 시 배터리 셀(100)의 방전 전류를 이와 연결된 전자기기에 인가시키는 역할을 한다. 제 1 기생 다이오드(232b)는 제 1 FET(232a)에 병렬 연결된다. 즉, 제 1 기생 다이오드(232b)는 제 1 FET(232a)의 소오스 단자와 드레인 단자 사이에 순방향으로 연결된다. 이러한 제 1 기생 다이오드(232b)는 제 1 FET(232a)가 턴온되어 배터리 셀(100)의 충전 및/또는 방전 시 충전 전류의 경로를 차단한다. 따라서, 제 1 기생 다이오드(232b)에 의해 배터리 셀(100)이 충전과 방전이 동시에 진행되는 현상이 방지되어 배터리 셀(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
제 2 스위치(234)는 제 2 FET(234a) 및 제 2 기생 다이오드(234b)를 포함할 수 있다. 제 2 FET(234a)는 소오스 단자와 드레인 단자가 배터리 셀(100)의 전류 경로, 즉 제 1 노드(Q1)와 외부 전원 단자 또는 전자기기 사이에 마련된다. 또한, 제 2 FET(234a)는 게이트 단자가 제어부(220)와 연결된다. 따라서, 제 2 FET(234a)는 제어부(220)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 구동되며, 충전 시 배터리 셀(100)로 전류를 인가하고 방전 시 배터리 셀(100)의 방전 전류를 이와 연결된 전자기기에 인가시키는 역할을 한다. 제 2 기생 다이오드(234b)는 제 2 FET(234a)에 병렬 연결된다. 즉, 제 2 기생 다이오드(234b)는 제 2 FET(234a)의 소오스 단자와 드레인 단자 사이에 순방향으로 연결된다. 이러한 제 2 기생 다이오드(234b)는 배터리 셀(100)의 충전 및/또는 방전 시 충전 전류의 경로를 차단한다. 따라서, 제 2 기생 다이오드(234b)에 의해 배터리 셀(100)이 충전과 방전이 동시에 진행되는 현상이 방지되어 배터리 셀(100)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
제 1 FET(232a)의 게이트 단자와 제 2 FET(234a)의 게이트 단자에 제어부(220)가 연결되어 제어부(220)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 제 1 및 제 2 FET(232a, 234a)가 각각 구동된다. 제어부(220)는 배터리 셀(100)의 충전 및 방전 시 제 1 및 제 2 FET(232a, 234b)를 각각 턴온시키고, 그 이외의 경우에는 각각 턴오프시킬 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 FET(232a, 234a)를 턴온시키는 제어 신호는 로직 하이 신호일 수 있고, 제 1 및 제 2 FET(232a, 234a)를 턴오프시키는 제어 신호는 로직 로우 신호일 수 있다.
한편, 스위칭부(230)를 보호하기 위한 보호부로서 복수의 저항(R1 내지 R4)를 포함할 수 있다. 제 1 저항(R1)은 제 1 FET(232a)의 게이트 단자와 제어부(220) 사이, 즉 제 2 노드(Q2)와 제 4 노드(Q4) 사이에 연결되고, 제 2 저항(R2)는 제 2 FET(234a)의 게이트 단자와 제어부(220) 사이, 즉 제 3 노드(Q3)와 제 4 노드(Q4) 사이에 연결된다. 또한, 제 3 저항(R3)은 제 1 FET(232a)의 게이트 단자와 소오스 단자 사이, 즉 제 1 노드(Q1)와 제 2 노드(Q2) 사이에 연결되고, 제 4 저항(R4)는 제 2 FET(234a)의 게이트 단자와 소오스 단자 사이, 즉 제 1 노드(Q1)와 제 3 노드(Q3) 사이에 연결된다. 여기서, 제 1 및 제 2 저항(R1 및 R2)는 제어부(220)에서 출력되는 신호의 임펄스(impulse) 성분을 흡수하는 역할을 하여 각각 제 1 및 제 2 FET(232a, 234a)을 보호하는 역할을 한다. 또한, 제 3 및 제 4 저항(R3 및 R4)는 제 1 및 제 2 FET(232a, 234a)의 게이트 단자와 소오스 단자 사이의 음의 전압차를 형성하여 소오스 단자에서 드레인 단자로 흐르는 초기 전류량을 조절하는 역할을 한다.
3. 연결 라인
연결 라인(300)은 전압 측정부(210)가 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 측정할 수 있도록 복수의 배터리 셀(100)과 전압 측정부(110)를 연결한다. 또한, 연결 라인(300)은 최소의 수로 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 전달하기 위하여 인접한 두 배터리 셀의 접속점을 전압 측정부(210)와 연결하여 인접한 두 개의 배터리 셀(100)의 전압을 3개의 연결 라인(300)을 통해 전달되도록 한다. 예를 들어, 제 1 연결 라인(301)은 제 1 배터리 셀(101)의 일 단자와 전압 측정부(210)의 전원 단자(Vcc) 사이에 마련되고, 제 2 연결 라인(302)은 제 1 배터리 셀(101)의 타 단자와 제 2 배터리 셀(102)의 일 단자 사이의 접속점과 전압 측정부(210)의 일 입력 단자 사이에 마련된다. 그리고, 제 n 연결 단자(30n)은 제 n-1 배터리 셀(10n-1)의 타 단자와 제 n 배터리 셀(10n)의 일 단자의 접속점과 전압 측정부(210)의 일 입력 단자 사이에 마련되며, 제 n+1 연결 단자(30n+1)은 제 n 배터리 셀(30n)의 타 단자와 전압 측정부(210)의 접지 단자(GND) 사이에 마련된다. 즉, 연결 라인(300)은 복수의 배터리 셀(100)의 수보다 하나 더 많은 수로 마련될 수 있다. 전압 측정부(210)가 제 2 배터리 셀(102)의 전압을 측정하기 위해서는 제 1 배터리 셀(101)과 제 2 배터리 셀(102)의 접속점에 연결된 제 2 연결 라인(302) 및 제 2 배터리 셀(102)과 제 3 배터리 셀(103)의 접속점에 연결된 제 3 연결 라인(303)을 통해 전달된 전압을 이용한다.
4. 저항
저항(400)은 인접한 두 연결 라인(300) 사이에 배터리 셀(100)과 병렬로 마련될 수 있다. 그런데, 저항(400)은 인접한 두 연결 라인(300)의 단선을 검출하기 위해 이용되므로 하나의 연결 라인(300)에 두개의 저항(400)이 연결될 필요가 없다. 따라서, 저항(400)은 일 배터리 셀(100)과 병렬로 연결되고 다음 배터리 셀(100)을 건너뛰어 그 다음 배터리 셀(100)과 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 저항(400)은 짝수번째 배터리 셀(102, 104, …, 10n)과 병렬로 두 연결 라인(300) 사이에 마련될 수 있다. 즉, 제 2 및 제 3 연결 라인(302, 303) 사이에 제 1 저항(401)이 마련되고, 제 4 및 제 5 연결 라인(304, 305) 사이에 제 2 저항(402)이 마련될 수 있다. 물론, 저항(400)은 홀수번째 배터리 셀(101, 103, …, 10n-1)과 병렬로 두 연결 라인(300) 사이에 마련될 수도 있다. 그런데, 첫번째와 마지막 배터리 셀, 즉 제 1 및 제 n 배터리 셀(101, 10n)은 저항(400)을 연결하기 않아도 이와 연결된 연결 라인(301, 30n+1)이 단선된 경우 전압 검출기(210)에 전원이 인가되지 않으므로 전압 검출기(210)가 인에이블되지 않고, 그에 따라 제 1 및 제 n+1 연결 라인(301, 30n+1)의 단선으로 판단할 수 있다. 따라서, 저항(400)은 제 1 및 제 n 배터리 셀(101, 10n)을 제외한 나머지 배터리 셀들중에서 짝수번째 배터리 셀(102, 104, …, 10n-2)과 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 저항(400)은 이와 연결된 연결 라인(300)의 적어도 어느 하나가 단선된 경우 풀업(pull up) 또는 풀다운(pull down)의 역할을 한다. 즉, 복수의 배터리 셀(100)과 연결된 연결 라인(300)의 적어도 어느 하나가 단선되는 경우 단선된 연결 라인(300)과 연결된 저항(400)을 통해 단선되지 않은 연결 라인(300)으로 전류가 흐르게 되고, 이때 저항(400)의 상단 또는 하단이 두 배터리 셀(100)의 전압의 합으로 전압 측정부(210)에 측정된다. 예를 들어, 제 3 연결 라인(303)이 단선되는 경우 제 2 연결 라인(302)으로부터 제 1 저항(401)을 통해 제 3 연결 라인(303)으로 전류가 흐르게 된다. 따라서, 제 2 연결 라인(302)을 통해서는 0V의 전압이 측정되고, 제 3 연결 라인(303)을 통해서는 제 1 및 제 2 배터리 셀(101, 102)의 전압의 합이 측정된다. 또한, 제 2 연결 라인(302)이 단선되는 경우 제 3 연결 라인(303)으로부터 제 1 저항(401)을 통해 제 2 연결 라인(302)으로 전류가 흐르게 된다. 따라서, 제 2 연결 라인(302)을 통해서는 제 2 및 제 3 배터리 셀(302, 303)의 전압의 합이 측정되고, 제 3 연결 라인(303)을 통해서는 0V의 전압이 측정된다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(100)이 약 4V 정도의 최대 전압을 유지할 수 있는 경우, 연결 라인(300)의 어느 하나가 단선되면 전압 측정부(210)의 어느 한 입력 단자를 통해 두 배터리 셀(100)의 전압의 합인 약 8V가 측정될 수 있다. 즉, 연결 라인(300)이 단선되는 경우 배터리 셀(100)의 최대 충전 전압보다 높은 전압이 전압 측정부(210)에 측정되고, 그에 따라 제어부(220)는 연결 라인(300)이 단선된 것으로 판단할 수 있다. 한편, 두 배터리 셀(100)의 전압의 합이 일 배터리 셀(100)의 최대 전압보다 낮은 경우에는 제어부(220)는 복수의 배터리 셀(100)의 전압 분포를 확인하고 전압 분포보다 과도하게 높은 전압, 예를 들어 전압 분포의 평균보다 1.5배 정도 높은 전압이 인가될 때 연결 라인(300)이 단선된 것으로 판단할 수 있다. 이렇게 저항(400)을 연결함으로써 연결 라인(300)의 단선으로 인한 배터리 셀(100)의 전압 측정 불가능을 판단하여 배터리 셀(100)의 충방전을 중지함으로써 배터리 셀(100) 또는 배터리 셀(100)이 장착된 전기/전자기기의 보호가 가능하게 된다. 한편, 저항(400)은 수㏁ 내지 수십㏁ 이상의 저항을 가질 수 있고, 그에 따라 저항으로 인한 용량 감소를 최소화할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 장치는 복수의 배터리 셀(100)과 배터리 관리부(200)를 연결하는 연결 라인(300) 사이에 저항(400)을 마련하여 연결 라인(300)의 단선 시 저항(400)이 풀업 또는 풀다운의 역할을 하도록 한다. 즉, 복수의 배터리 셀(100)과 연결된 연결 라인(300)의 적어도 어느 하나가 단선되는 경우 단선된 연결 라인(300)과 연결된 저항(400)을 통해 단선되지 않은 연결 라인(300)으로 전류가 흐르게 되고, 이때 저항(400)의 상단 또는 하단이 두 배터리 셀(100)의 전압으로 전압 측정부(210)에 입력된다. 따라서, 연결 라인(300)의 단선을 검출하여 배터리 셀(100)의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있고, 그에 따라 배터리 셀(100) 또는 이를 장착하는 전자기기를 보호할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동 방법은 복수의 배터리 셀(100)을 충방전하는 단계(S110)와, 배터리 셀(100)의 전압을 측정하는 단계(S120)와, 배터리 셀(100)의 전압을 설정 전압과 비교하는 단계(S130)와, 배터리 셀(100)의 전압이 설정 전압보다 높으면 연결 라인의 단선으로 판단하고 충방전을 종료하는 단계(S140)와, 배터리 셀(100)의 전압이 설정 전압보다 낮으면 연결 라인이 정상으로 판단하고 충방전을 진행하는 단계(S110)를 포함한다. 이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 장치의 구동 방법을 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 복수의 배터리 셀(100)을 충전 또는 방전한다(S110). 즉, 복수의 배터리 셀(100)을 외부 전원과 연결하여 외부 전원으로부터 전원을 공급받아 충전하거나, 배터리 셀(100)을 전자기기와 연결하여 배터리 셀(100)으로부터의 방전 전압을 전자기기의 구동에 이용할 수도 있다.
배터리 셀(100)의 충전 또는 방전 과정에서 배터리 셀(100)의 전압을 측정한다(S120). 즉, 전압 측정부(210)는 복수의 배터리 셀(100)과 연결된 연결 라인(300)을 통해 복수의 배터리 셀(100)의 전압을 측정한다. 여기서, 연결 라인(300)은 인접한 두 배터리 셀(100)의 접속점을 전압 측정부(210)와 연결하여 인접한 두 개의 배터리 셀(100)의 전압을 3개의 연결 라인(300)을 통해 전달되도록 한다.
제어부(220)는 전압 측정부(210)로부터 측정된 배터리 셀(100)의 전압과 설정 전압을 비교하여(S130) 배터리 셀(100)의 충방전을 제어하고 연결 라인(300)의 상태, 즉 단선 여부를 판단한다. 즉, 제어부(220)는 충전 동작을 정지시키기 위한 제 1 설정 전압, 충전 동작을 실시하기 위한 제 2 설정 전압, 그리고 연결 라인(300)의 단선을 판단하기 위한 제 3 설정 전압을 저장하고, 전압 측정부(210)에서 측정된 복수의 배터리 셀(100) 각각의 전압을 이러한 설정 전압과 비교한다. 측정 전압이 제 1 설정 전압보다 높거나 같을 경우 배터리 셀(100)의 충전 동작을 정지하기 위한 제어 신호를 생성하고, 측정 전압이 제 2 설정 전압보다 낮거나 같을 경우 배터리 셀(100)의 충전 동작을 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 또한, 측정 전압이 제 3 설정 전압 이상일 경우 연결 라인(300)의 단선으로 판단하고 스위칭부(230)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 제 1 설정 전압은 복수의 배터리 셀(100) 각각의 최대 충전 전압이 5V라 할 경우 과충전을 방지하기 위해 예를 들어 4.5V로 설정될 수 있고, 제 2 설정 전압은 복수의 배터리 셀(100) 각각의 과방전을 방지하기 위해 예를 들어 1.5V로 설정될 수 있다. 또한, 제 3 설정 전압은 배터리 셀(100) 각각의 최대 전압보다 예를 들어 1.2 배 이상의 전압, 즉 5V로 설정할 수 있고, 제 3 설정 전압보다 크거나 같은 전압이 측정되는 경우 연결 라인(300)이 단선된 것으로 판단할 수 있다. 한편, 제어부(220)는 연결 라인(300)의 단선을 판단하기 위해 복수의 배터리 셀(100)의 전압 분포를 이용할 수 있는데, 적어도 하나의 측정 전압이 제 3 설정 전압보다 작지만 복수의 배터리 셀(100)의 전압 분포보다 크면 연결 라인(300)의 단선으로 판단하고 스위칭부(300)를 제어할 수도 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(100)의 측정 전압이 3V 정도로 분포하는데, 어느 하나의 측정 전압이 이보다 예를 들어 1.5배 높은 4.5V인 경우 연결 라인(300)의 단선으로 판단할 수 있다.
제어부(220)의 판단 결과, 측정된 배터리 셀(100)의 전압이 제 3 설정 전압보다 높으면 연결 라인(300)의 단선으로 판단하고 충방전을 종료한다(S140). 즉, 제어부(220)는 충방전 종료를 위한 제어 신호를 생성하고, 이를 스위칭부(230)에 인가하여 스위칭부(230)를 턴오프시킨다. 따라서, 배터리 셀(100)과 외부 전원 또는 배터리 셀(100)과 전자기기 사이의 연결을 끊어주게 된다.
제어부(220)의 판단 결과, 측정된 배터리 셀(100)의 전압이 제 3 설정 전압보다 낮으면 연결 라인(300)이 정상으로 판단하고 충방전을 계속 진행한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 복수의 배터리 셀 200 : 배터리 관리부
300 : 연결 라인 400 : 저항
210 : 전압 측정부 220 : 제어부
230 : 스위칭부

Claims (10)

  1. 직렬 연결된 제1 배터리 셀 내지 제n(n은 2 이상의 자연수) 배터리 셀을 포함하여 구성되는 배터리 장치에 있어서,
    상기 직렬 연결된 제1 배터리 셀 내지 제n배터리 셀 각각의 전압을 측정하고 상기 제1 배터리 셀 내지 제 n 배터리 셀의 충방전을 제어하는 배터리 관리부;
    상기 제1 배터리 셀 내지 제n 배터리 셀과 상기 배터리 관리부를 연결시키는 복수의 연결 라인; 및
    상기 복수의 연결라인 중에서, 인접한 두 연결 라인 사이에 마련되어 상기 제1 배터리 셀 내지 제n 배터리 셀 중에서 짝수번째 배터리 셀과 병렬 연결되는 복수의 저항;
    을 포함하는 배터리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 배터리 관리부는,
    상기 복수의 배터리 셀과 상기 복수의 연결 라인을 통해 연결되어 상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 전압 측정부의 측정 전압과 설정 전압을 비교하여 제어 신호를 생성하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 구동되어 상기 배터리 셀의 충방전을 제어하는 스위칭부를 포함하는 배터리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 연결 라인은 상기 배터리 셀의 수보다 적어도 하나 더 많은 수로 마련되는 배터리 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 배터리 셀의 일 단자 및 상기 제 n 배터리 셀의 타 단자는 상기 연결 라인을 통해 상기 전압 측정부의 전원 단자 및 접지 단자와 연결되며, 제 2 내지 제 n-1 배터리 셀은 인접한 배터리 셀의 접속점이 상기 연결 라인을 통해 상기 전압 측정부의 복수의 입력 단자에 연결되는 배터리 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 저항은 이와 연결된 상기 연결 라인이 단선되면 풀업 또는 풀다운의 역할을 하는 배터리 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 저항은 1㏁ 이상의 저항값을 갖는 배터리 장치.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 제어부는 상기 전압 측정부로부터 측정된 상기 배터리 셀의 측정 전압이 상기 배터리 셀 각각의 충전 최대 전압보다 크거나 같은 경우 상기 연결 라인의 단선으로 판단하는 배터리 장치.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 제어부는 상기 전압 측정부로부터 측정된 배터리 셀의 전압이 상기 복수의 배터리 셀의 전압 분포보다 높은 경우 상기 연결 라인의 단선으로 판단하는 배터리 장치.
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