KR102320116B1 - 배터리 팩 보호 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩 보호장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리 팩과 BMS 사이에 구성된 충/방전 경로의 전류를 감지하여 감지된 전류가 과전류인 경우, 자체적으로 전류를 차단하는 배터리 팩 보호장치에 관한 것이다.

Description

배터리 팩 보호 장치{BATTERY PACK PROTECTION APPARATUS}
본 발명은 배터리 팩 보호장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리 팩과 BMS 사이에 구성된 충/방전 경로의 전류를 감지하여 감지된 전류가 과전류인 경우, 자체적으로 전류를 차단하는 배터리 팩 보호장치에 관한 것이다.
최근 노트 PC, GPS, 휴대폰 등의 휴대용 단말기의 소형화 및 경량화가 급속하게 진전됨에 따라, 이들의 구동 전원으로 사용하는 배터리의 소형화 및 고용량화에 대한 필요성이 증대되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 동작전압은 휴대용 단말기의 전원으로 널리 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점이 있어 급속하게 신장되고 있는 추세이다.
그러나 리튬 이차 전지가 과충전되면, 전지 내부의 전해액이 분해되면서 발생되는 기체에 의해 전지의 내부 압력이 증가되고, 이는 전해액의 누출을 수반할 수 있다.
또한, 리튬 이차 전지에 과방전이 수행되는 경우, 음극의 집전체인 구리가 전해액 내부로 용융되기 시작하여 전지의 성능이 저하되는 문제점을 지니고 있다.
더욱이, 배터리의 화학적 특성상 과충전, 과방전 또는 단자 간의 쇼트 등에 의한 과전류 상황에서 발화, 파열, 및 폭발 등이 발생할 위험이 크다는 문제점이 있다.
따라서, 이와 같은 문제를 해결하고자 배터리(팩)는 보호회로를 구성하며, 보호회로는 BMS(Battery Management System)를 통해 전력 스위칭 소자인 충전 FET/방전 FET를 온/오프(ON/OFF)제어하여 배터리를 보호한다.
그러나 종래의 보호회로는 BMS에 과전류가 들어오는 경우에만 보호제어를 하므로 BMS로 들어오는 경로에서 과전류가 발생되는 경우에는 보호제어를 수행할 수 없으며, 이는 발열 등으로 인하여 화재 및 폭발을 발생시킬 수 있다.
따라서 배터리 팩과 BMS 사이 경로에서 과전류를 감지하여 보호함에 따라 배터리 팩의 안정성을 보완할 수 있는 기술 개발이 요구된다.
KR 2012-0061352 A
본 발명은 배터리 팩에서 BMS로 전류가 들어오는 경로에 과전류 유입 시 배터리 팩을 보호하는 배터리 팩 보호장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치는 과전류로부터 배터리 팩을 보호하는 장치에 있어서, 배터리 팩, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 또는 방전로드, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 및/또는 방전로드 사이에 연결되는 충전 및/또는 방전 제어 스위치, 상기 충전 및/또는 방전 제어 스위치를 제어하여 충/방전 시 발생되는 이상상태로부터 배터리 팩을 보호하는 배터리 보호회로를 포함하는 BMS 및 상기 BMS 및 배터리 보호회로와는 별개로 상기 배터리 팩과 BMS 사이에 형성된 충/방전 경로 상에 연결되어 충/방전 경로의 전류를 감지하고 감지된 전류가 소정 값 이상인 경우, 전류를 차단하는 전류차단부를 포함하여 구성된다.
상기 전류차단부는 배터리 팩의 양(+)극 리드 경로 및/또는 음(-)극 리드 경로에 구성된다.
상기 전류차단부는, 상기 충/방전 경로에서 감지된 전류가 소정 값 이상인 경우, 융단되어 전류를 차단하는 퓨즈를 포함하여 구성된다.
한편, 본 발명의 이 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치는 배터리 팩, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 또는 방전로드, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 및/또는 방전로드 사이에 연결되는 충전 및/또는 방전 제어 스위치, 상기 충전 및/또는 방전 제어 스위치를 제어하여 충/방전 시 발생되는 이상상태로부터 배터리 팩을 보호하는 배터리 보호회로를 포함하는 BMS 및 상기 배터리 팩과 BMS사이에 형성된 충/방전 경로 상에 연결되어 충/방전 경로의 전류를 측정하는 충/방전 경로 전류센서를 포함하여 구성되고, 상기 BMS는 상기 충/방전 경로 전류센서에서 측정된 전류를 근거로 하여 상기 배터리 보호회로를 구동한다.
상기 전류센서는, 배터리 팩의 양(+)극 리드 경로 및/또는 음(-)극 리드 경로에 구성된다.
한편, 본 발명의 삼 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치는 배터리 팩, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 또는 방전로드, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 및/또는 방전로드 사이에 연결되는 충전 및/또는 방전 제어 스위치, 상기 충전 및/또는 방전 제어 스위치를 제어하여 충/방전 시 발생되는 이상상태로부터 배터리 팩을 보호하는 배터리 보호회로를 포함하는 BMS 및 상기 배터리 팩과 BMS사이에 형성된 충/방전 경로 상에 연결되어 충/방전 경로의 온도를 감지하는 충/방전 경로 온도센서를 포함하여 구성되고, 상기 BMS는 상기 충/방전 경로 온도센서에서 감지된 온도를 근거로 하여 상기 배터리 보호회로를 구동한다.
상기 온도센서는, 배터리 팩의 양(+)극 리드 경로 및/또는 음(-)극 리드 경로에 구성된다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치는 배터리 팩과 BMS 사이에 구성된 경로의 전류를 감지하고 과전류 유입 시 차단하여 신속하게 배터리를 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치의 개략적인 회로도.
도 2는 본 발명의 이 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치의 개략적인 회로도.
도 3은 본 발명의 삼 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치의 평면도.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때. 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 식별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
<실시 예 1>
다음으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치에 대하여 설명한다.
본 발명의 배터리 팩 보호장치는 배터리 팩과 BMS 사이의 경로에 전류를 감지하고 차단하는 전류차단부를 구성하여 과전류 시 신속하게 배터리 팩을 보호할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치의 개략적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치(100)는 배터리 팩(110), 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 또는 방전로드(pack +, pack-), 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 및/또는 방전로드(pack +, pack-) 사이에 연결되는 충전 및/또는 방전 제어 스위치(미도시), 상기 충전 및/또는 방전 제어 스위치(미도시)를 제어하여 충/방전 시 발생되는 이상상태로부터 배터리 팩을 보호하는 배터리 보호회로를 포함하는 BMS(120) 및 상기 BMS(120) 및 배터리 보호회로와는 별개로 상기 배터리 팩(110)과 BMS(120) 사이에 형성된 충/방전 경로 상에 연결되어 충/방전 경로의 전류를 감지하여 감지된 전류가 소정 값 이상인 경우, 전류를 차단하는 전류차단부(130)를 포함하여 구성된다.
여기서 상기 전류차단부(130)는 배터리 팩의 양(+)극 리드에 연결된 경로와 음(-)극 리드에 연결된 경로, 배터리 팩의 양(+)극 리드에 연결된 경로 또는 배터리 팩의 음(-)극 리드에 연결된 경로에 구성될 수 있다.
또한, 상기 전류차단부(130)는 퓨즈 등으로 구성되어 과전류 시 자동으로 차단될 수 있다.
또한, 충/방전 시 배터리 팩 보호장치의 구동방법을 아래에서 상세하게 설명한다.
충전 시 상기 전류차단부(130)는 상기 배터리 팩(110)으로 들어오는 전류를 감지하고, 과전류가 흐르는 경우에는 자체적으로 전류를 차단하여 과전류가 배터리 팩(110)으로 들어가지 않도록 한다.
또한, 방전 시 상기 전류차단부(130)는 상기 배터리 팩(110)에서 나가는 전류를 실시간으로 감지하고, 과전류가 감지되는 경우에는 자체적으로 전류를 차단하여 과전류의 열로 인해 발생되는 배터리 팩의 폭발 및 발화를 방지한다.
<실시 예 2>
다음으로 본 발명의 이 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치에 대하여 설명한다.
한편, 상기 일 실시 예에서 사용되는 퓨즈는 한번 사용되면 다시 사용할 수 없으므로, 과전류가 발생되는 경우에는 자동으로 다시 사용할 수 없다. 따라서, 이 실시 예와 삼 실시 예에서는 과전류 발생 시 일시적으로 충/방전을 중지하고, 일시적인 오류이거나 배터리 팩 자체적으로 문제가 해결되는 경우, 자동으로 다시 배터리 팩을 사용할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 이 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치의 개략적인 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 이 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치는 배터리 팩, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 또는 방전로드, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 및/또는 방전로드 사이에 연결되는 충전 및/또는 방전 제어 스위치, 상기 충전 및/또는 방전 제어 스위치를 제어하여 충/방전 시 발생되는 이상상태로부터 배터리 팩을 보호하는 배터리 보호회로를 포함하는 BMS 및 배터리 팩과 BMS 사이에 형성된 충/방전 경로 상에 연결되어 충/방전 경로의 전류를 측정하는 충/방전 경로 전류센서를 포함하여 구성되어, BMS는 상기 충/방전 경로 전류센서에서 측정된 전류를 근거로 하여 상기 배터리 보호회로를 구동한다.
여기서 상기 전류센서는 배터리 팩의 양(+)극 리드에 연결된 경로와 음(-)극 리드에 연결된 경로, 배터리 팩의 양(+)극 리드에 연결된 경로 또는 배터리 팩의 음(-)극 리드에 연결된 경로에 구성될 수 있다.
또한, 상기 전류센서는 배터리 팩의 전류를 측정하는 전류센서와는 별개의 구성으로 상기 충/방전 경로 상의 과전류를 측정하기 위하여 구성된다.
또한, 충/방전 시 배터리 팩 보호장치의 구동방법을 아래에서 상세하게 설명한다.
충전 시 상기 전류센서는 상기 배터리 팩으로 들어오는 전류를 감지하고, BMS 로 감지된 전류 값을 전송한다. 전송된 전류 값이 과전류 기준 값 이상인 경우, 상기 BMS는 충전 FET를 오프 시켜 충전 전류가 차단될 수 있도록 한다.
또한, 방전 시 상기 전류센서는 상기 배터리 팩에서 나가는 전류를 감지하고, BMS로 감지된 전류 값을 전송한다. 전송된 전류 값이 과전류 기준 값 이상인 경우, 상기 BMS는 방전 FET를 오프 시켜 방전 전류가 차단될 수 있도록 한다.
과전류 발생이 일시적인 오류이거나 배터리 팩 자체적으로 문제가 해결되는 경우, BMS는 각각의 FET를 온 시켜 충전 및/또는 방전이 다시 수행될 수 있도록 한다.
또한, 상기 전류센서는 자체적으로 과전류를 탐지하여 BMS에 과전류 발생을 알릴 수 있다.
<실시 예 3>
다음으로 본 발명의 삼 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치에 대하여 설명한다.
또한, 열은 전류의 제곱에 비례하기 때문에 과전류가 발생하는 경우, 온도센서를 통해 발열을 감지하여 과전류가 발생되는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 삼 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치의 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 삼 실시 예에 따른 배터리 팩 보호장치는 배터리 팩, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 또는 방전로드, 상기 배터리 팩과 연결되는 충전원 및/또는 방전로드 사이에 연결되는 충전 및/또는 방전 제어 스위치, 상기 충전 및/또는 방전 제어 스위치를 제어하여 충/방전 시 발생되는 이상상태로부터 배터리 팩을 보호하는 배터리 보호회로를 포함하는 BMS 및 상기 배터리 팩과 BMS사이에 형성된 충/방전 경로 상에 연결되어 충/방전 경로의 온도를 감지하는 충/방전 경로 온도센서를 포함하여 구성되어 상기 BMS는 상기 충/방전 경로 온도센서에서 감지된 온도를 근거로 하여 상기 배터리 보호회로를 구동한다.
여기서 상기 온도센서는 배터리 팩의 양(+)극 리드에 연결된 경로와 음(-)극 리드에 연결된 경로, 배터리 팩의 양(+)극 리드에 연결된 경로 또는 배터리 팩의 음(-)극 리드에 연결된 경로에 구성될 수 있다.
또한, 상기 온도센서는 서미스터, 금속 온도 측정 저항체, 자기 온도 센서, 초전형 온도 센서, 서모 파일, 열전대, IC 온도센서 또는 그 등가물이 이용될 수 있으나 온도센서의 종류를 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 온도센서는 BMS에 구성되어 소자에서 발생되는 열을 측정하는 온도센서와는 별개의 구성으로 상기 충/방전 경로 상의 과전류로부터 발생되는 열을 측정하기 위하여 구성된다.
또한, 충/방전 시 배터리 팩 보호장치의 구동방법을 아래에서 상세하게 설명한다.
충전 시 상기 온도센서는 상기 배터리 팩으로 들어오는 전류로부터 발생되는 열에 의한 온도를 감지하고, BMS로 감지된 온도 값을 전송한다. 전송된 온도 값이 과전류 발생 시의 기준 온도 값 이상인 경우, 상기 BMS는 충전 FET를 오프 시켜 충전 전류가 차단될 수 있도록 한다.
또한, 방전 시 상기 온도센서는 상기 배터리 팩에서 나가는 전류로부터 발생되는 열에 의한 온도를 감지하고, BMS로 감지된 온도 값을 전송한다. 전송된 온도 값이 과전류 발생 시의 기준 온도 값 이상인 경우, 상기 BMS는 방전 FET를 오프 시켜 방전 전류가 차단될 수 있도록 한다.
과전류 발생이 일시적인 오류이거나 배터리 팩 자체적으로 문제가 해결되는 경우, 상기 BMS는 각각의 FET를 온 시켜 충전 및/또는 방전이 다시 수행될 수 있도록 한다.
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 통상의 지식을 가진 자는 서술한 특허청구범위 기술 내에서 다양한 실시 예가 가능할 수 있을 것이다.
100: 배터리 팩 보호장치
110: 배터리 팩
120: BMS
130: 전류 차단부

Claims (7)

  1. 과전류로부터 배터리 팩을 보호하는 장치에 있어서,
    배터리;
    상기 배터리의 상태에 따라 배터리의 충/방전 제어 및 보호회로를 동작하는 BMS;
    상기 BMS와 배터리 사이에 형성되는 배터리 충/방전 경로;
    상기 배터리의 충/방전을 제어하기 위해서 상기 배터리 충/방전 경로상에 형성되는 충/방전 스위치;
    상기 충/방전 경로에서의 발열을 감지하기 위하여 충/방전 경로에 장착하는 온도센서;를 포함하여 구성되며,
    상기 충/방전 경로는,
    상기 배터리의 양(+)극에 전기접속되는 양(+)극 접속배선 및 배터리의 음(-)극에 전기 접속되는 음(-)극 접속배선을 포함하여 구성되고,
    상기 온도센서는,
    상기 배터리의 양(+)극 접속배선 및 음(-)극 접속배선에 각각 장착되어,
    상기 양(+)극 접속배선 및 음(-)극 접속배선에 흐르는 전류로 인하여 발생하는 온도정보를 검출하고,
    검출된 온도를 상기 BMS로 전송하는 것;
    을 특징으로 하는 배터리 팩 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리로 전류가 들어오는 배터리 충전 시, 상기 온도센서에서 검출된 온도 값과 과전류 발생으로 판단되는 기준 온도 값과 비교하여,검출된 온도 값이 기준 온도 값 이상일 경우 충전 스위치를 오프 시켜 충전 전류를 차단하는 것;
    을 특징으로 하는 배터리 팩 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리로부터 전류가 나가는 배터리 방전 시, 온도센서에서 검출된 온도 값과 과전류 발생으로 판단되는 기준 온도 값을 비교하여, 검출된 온도 값이 기준 온도 값 이상일 경우 방전 스위치를 오프 시켜 방전 전류를 차단하는 것;
    을 특징으로 하는 배터리 팩 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 온도센서는,
    서미스터, 금속 온도 측정 저항체, 자기 온도 센서, 초전형 온도 센서, 서모 파일, 열전대, IC 온도 센서중의 하나인 것로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 장치.

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