KR102382961B1

KR102382961B1 - 배터리 팩, 배터리 시스템 및 방전 방법

Info

Publication number: KR102382961B1
Application number: KR1020167031339A
Authority: KR
Inventors: 유지 후루우찌; 토시아키 아라키
Original assignee: 데쿠세리아루즈 가부시키가이샤
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2022-04-06
Also published as: TWI688182B; JP6277057B2; KR20170003565A; CN106463947B; JP2015216814A; TW201607196A; CN106463947A; WO2015174398A1

Abstract

배터리 팩의 내부 전류를 적절하게 방출함과 함께 메인터넌스성(maintainability)을 개선한다. 배터리 시스템은, 리튬 이온 배터리(16)와, 리튬 이온 배터리(16)와 직렬로 접속되고, 전원 공급로가 되는 주회로와, 리튬 이온 배터리(16)와 병렬로 접속되고, 소정의 조건에서 내부 전력을 소비하는 제2 보호 회로(62)와, 리튬 이온 배터리(16)와 주회로를 차단함과 함께, 리튬 이온 배터리(16)와 제2 보호 회로(62)를 접속하는 전환 수단을 갖는 복수의 배터리 팩(200)과, 각 배터리 팩(200)의 주회로 및 제2 보호 회로와 각각 접속되고, 각 배터리 팩(200)으로부터의 입출력을 제어하는 제2 IC(18)를 구비하고, 제2 IC(18)는 배터리 팩(200)의 어느 하나의 보호 회로로부터 출력 전류 또는 전압을 검출했을 때, 배터리 팩의 이상을 통지한다.

Description

배터리 팩, 배터리 시스템 및 방전 방법{BATTERY PACK, BATTERY SYSTEM, AND DISCHARGING METHOD}

본 발명은, 배터리 팩 및 복수의 배터리 팩을 포함하는 배터리 시스템에 관한 것으로, 특히 배터리 팩 내부로부터 잉여적인 전류의 방출을 적절하게 행하는 것이 가능한 배터리 팩, 배터리 시스템 및 방전 방법에 관한 것이다. 본 출원은 일본에서 2014년 5월 13일에 출원된 일본 특허 출원 번호 특원 제2014-099714호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이며, 이들 출원은 참조됨으로써, 본 출원에 원용된다.

충전하여 반복 이용할 수 있는 이차 전지의 대부분은, 배터리 팩으로 가공되어 유저에게 제공된다. 특히 중량 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 이차 전지에 있어서는, 유저 및 전자 기기의 안전을 확보하기 위하여, 일반적으로 과충전 보호, 과방전 보호 등의 몇 개의 보호 회로를 배터리 팩에 내장하고, 소정의 경우에 배터리 팩의 출력을 차단하는 기능을 갖고 있다.

이러한 종류의 보호 소자에는, 배터리 팩에 내장된 FET(Field Effect Transistor) 스위치를 사용하여 출력의 온/오프(ON/OFF)를 행함으로써, 배터리 팩의 과충전 보호 또는 과방전 보호 동작을 행하는 것이 있다. 그러나, 어떠한 원인으로 FET 스위치가 단락 파괴된 경우, 낙뢰 서지 등이 인가되어 순간적인 대전류가 흐른 경우, 혹은 배터리 셀의 수명에 의해 출력 전압이 이상하게 저하되거나, 반대로 과대한 이상 전압을 출력한 경우에도, 배터리 팩이나 전자 기기는 발화 등의 사고로부터 보호되어야 한다. 따라서, 이러한 상정할 수 있는 어떠한 이상 상태에 있어서도, 배터리 셀의 출력을 안전하게 차단하기 위하여, 외부로부터의 신호에 의해 전류 경로를 차단하는 기능을 갖는 퓨즈 소자를 포함하는 보호 소자가 사용되고 있다.

이러한 리튬 이온 이차 전지 등에 적합한 보호 회로의 보호 소자로서는, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 전류 경로 상의 제1 전극, 발열체에 연결되는 도체층, 제2 전극 사이에 걸쳐 가용 도체를 접속하여 전류 경로의 일부를 이루고, 이 전류 경로 상의 가용 도체를, 과전류에 의한 자기 발열, 혹은 보호 소자 내부에 설치한 발열체에 의해 용단되는 것이 있다. 이러한 보호 소자에서는, 용융된 액체상의 가용 도체를 발열체에 연결되는 도체층 상에 모음으로써 전류 경로를 차단한다.

또한, LED 조명 장치에 있어서는, 직렬 접속된 LED(Light Emitting Diode) 소자의 각각에 단락 소자를 병렬로 접속하고, LED의 이상 시에 소정의 전압으로 단락 소자가 단락되어 정상적인 LED를 발광시키는 구성이 제안되고 있다(특허문헌 2). 특허문헌 2에 기재된 단락 소자는, 소정 막 두께의 절연 장벽층을 금속 사이에 두고 구성된 소자를 복수개 직렬로 접속시키고 있다.

일본 특허 공개 제2005-206220호 공보 일본 특허 공개 제2007-012381호 공보

근년, 배터리와 모터를 사용한 EV(Electric Vehicle)나 HEV(Hybrid Electric Vehicle)가 급속하게 보급되고 있다. HEV나 EV의 동력원으로서는, 에너지 밀도와 출력 특성으로부터 리튬 이온 이차 전지가 사용되어 오고 있다. 자동차 용도에서는, 고전압, 대전류가 필요해진다. 이로 인해, 고전압, 대전류에 견딜 수 있는 전용 셀이 개발되고 있지만, 제조 비용 상의 문제로 인하여 많은 경우, 복수의 배터리 셀을 직렬, 병렬로 접속함으로써, 범용 셀을 사용하여 필요한 전압 전류를 확보하고 있다.

또한, 복수의 배터리 셀을 직렬로 접속한 모듈을 배터리 팩으로 하고 이 배터리 팩을 복수 병렬 배치하여 배터리 시스템을 형성하고, 배터리 팩 단위로 부품 교환을 가능하게 함으로써, 메인터넌스성의 향상을 도모하고 있다.

그러나, 상술한 배터리 시스템에 있어서, 1개의 배터리 팩이 고장난 경우에 배터리 팩이 병렬 배치되어 있는 점에서, 출력 전압의 강하는 없기는 하지만 출력 전류는 저하되게 된다. 출력 전류의 저하에 의해 배터리의 고장을 검지할 수 있었다고 해도 어느 배터리 팩이 고장난 것인지 판별할 수 없어, 메인터넌스성의 향상을 저해하는 요인이 되어 있었다.

본 발명은, 상술한 과제를 해결하는 것이며, 배터리 팩의 보호 회로를 사용하여 배터리 팩의 이상을 통지함으로써 배터리 시스템의 안전을 확보함과 함께 메인터넌스성을 향상시키는 배터리 팩, 배터리 시스템 및 방전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 배터리 팩은, 이차 전지와, 이차 전지와 직렬로 접속되고, 이차 전지의 충방전 경로가 되는 주회로와, 이차 전지와 병렬로 접속되고, 소정의 조건에서 이차 전지의 전력을 소비하는 보호 회로와, 소정의 조건에서, 이차 전지와 주회로를 차단함과 함께, 이차 전지와 보호 회로를 접속하는 전환 수단과, 보호 회로에 대한 출력 전류를 에러 신호로서 외부로 출력하는 에러 신호 출력 수단을 구비한 것이다.

또한, 본 발명에 관한 배터리 시스템은, 이차 전지와, 이차 전지와 직렬로 접속되고, 전원 공급로가 되는 주회로와, 이차 전지와 병렬로 접속되고, 소정의 조건에서 내부 전력을 소비하는 보호 회로와, 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 이차 전지와 보호 회로를 접속하는 전환 수단을 갖는 복수의 배터리 팩과, 각 배터리 팩의 주회로 및 보호 회로와 각각 접속되고, 각 배터리 팩으로부터의 입출력을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 제어 수단은, 각 배터리 팩의 어느 하나의 보호 회로로부터 출력된 전류를 검출했을 때, 배터리 팩의 에러를 판단하는 것이다.

또한, 본 발명에 관한 방전 방법은, 배터리 팩의 방전 방법이며, 이차 전지와 직렬로 접속되고 전원 공급로가 되는 주회로와 이차 전지를 차단하고, 이차 전지와 병렬로 접속되고 소정의 조건에서 내부 전력을 소비하는 보호 회로와 이차 전지를 접속하고, 보호 회로에 의해 내부 방전을 행함과 함께 보호 회로에 대한 출력 전류의 적어도 일부를 배터리 팩 외부로 에러 신호로서 출력하는 것이다.

본 발명에 따르면, 배터리 팩의 이상을 검출한 경우에 보호 회로로 전환함과 함께 배터리 팩의 보호 회로에 흐르는 전류를 에러 신호로서 출력할 수 있고, 이 에러 신호에 의해 배터리 팩 및 배터리 시스템의 에러를 통지함과 함께 에러 신호를 출력한 배터리 팩을 특정하는 것이 용이해져, 배터리 팩의 메인터넌스성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 배터리 시스템을 설명하는 블록도이다.
도 2는 배터리 팩의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 3은 배터리 팩의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 4는 전환 소자의 동작을 설명하는 회로도이다.
도 5는 배터리 팩의 동작을 설명하는 회로도이다.
도 6은 배터리 팩의 동작을 설명하는 회로도이다.
도 7은 배터리 팩의 동작을 설명하는 회로도이다.

이하, 본 발명이 적용된 배터리 팩, 배터리 시스템 및 방전 방법에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다. 또한, 도면은 모식적인 것이며, 각 치수의 비율 등은 현실의 것과는 상이한 경우가 있다. 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작하여 판단해야 할 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.

[배터리 시스템]

이하에서는, EV 등에 사용되는 리튬 이온 배터리의 모듈을 복수 병렬 배치한 배터리 시스템을 예로 들어 설명한다.

배터리 시스템(100)은, 도 1에 도시한 바와 같이 복수의 배터리 팩(200)과, 이들 배터리 팩(200)과 접속되어 각 배터리 팩(200)에 대한 충방전 등을 제어하는 컨트롤 유닛(300)과, 후술하는 에러 신호를 출력한 배터리 팩(200)을 나타내고 통지하는 통지부(400)로 구성되어 있다.

각 배터리 팩(200)은, 상세를 후술하겠지만, 리튬 이온 배터리와 보호 회로를 모듈화한 것이며, 배터리 이상 시에 에러 신호를 컨트롤 유닛(300)에 출력함과 함께 내부 전류를 소비할 수 있도록 구성되어 있다.

컨트롤 유닛(300)은 IC 회로 등에 의해 구성되고, 각 배터리 팩(200)에 대한 충전이나, 각 배터리 팩(200)으로부터의 급전을 제어하고, EV 내부의 예를 들어 모터나 각종 전장 부품에 전류를 공급하는 제어를 행한다. 또한, 컨트롤 유닛(300)은, 후술하는 배터리 팩(200)으로부터의 에러 신호에 기초하여, 에러 신호를 발한 배터리 팩(200)의 이상을 검지하고, 통지부(400)를 사용하여 배터리 팩(200)의 이상을 통지한다.

통지부(400)는 컨트롤 유닛(300)과 접속되고, 발광 수단이나 음향 수단을 포함하고, 배터리 팩(200)의 이상을 발광이나 음향에 의해 통지한다. 통지부(400)의 구체적인 구성에 대해서는, 후술하는 배터리 팩(200) 내부에 설치하는 통지 수단과 대략 동등하기 때문에, 설명은 생략한다.

[배터리 팩]

배터리 팩(200)은, 도 2에 도시한 바와 같이 입출력 단자인 마이너스 단자(11) 및 플러스 단자(12)와, 제1 FET(Field Effect Transistor)(13) 및 제2 FET(14)와, 제1 FET(13) 및 제2 FET(14)를 제어하는 제1 IC(Integrated Circuit)(15)와, 리튬 이온 배터리(16)와, 주회로와 보호 회로를 전환하는 전환 소자(17)와, 전환 소자(17)를 제어하는 제2 IC(18)와, 외부 출력 단자(19)와, LED(Light Emitting Diode)(20)와, 발열 저항체(21)를 갖고 있다.

마이너스 단자(11) 및 플러스 단자(12)는 배터리 시스템(100)의 컨트롤 유닛(300)과 접속되고, 리튬 이온 배터리(16)에 대한 충방전을 행하는 주회로(제1 회로)를 형성한다. 또한, 마이너스 단자(11) 및 플러스 단자(12)는, 외부 출력 단자(19)와 함께 컨트롤 유닛(300)과 커넥터 등에 의해 접속되는 인터페이스가 된다.

제1 FET(13) 및 제2 FET(14)는, 주회로 상에 리튬 이온 배터리(16)와 직렬로 배치되어 있는 트랜지스터 소자이다. 제1 IC(15)는 제1 FET(13) 및 제2 FET(14)와 접속되어 있고, 제1 FET(13) 및 제2 FET(14)와 제1 IC(15)에 의해 제1 보호 회로를 형성한다.

제1 보호 회로는, 제1 IC(15)가 도시하지 않은 과열 검지 센서 등과 접속되고 배터리 팩(200)의 내부 온도가 소정값 이상인지의 여부를 판단하여, 소정값 이상이라고 판단한 경우에, 과열 상태에 있어 리튬 이온 배터리(16)를 보호하기 위하여, 제1 FET(13) 또는 제2 FET(14)를 구동하여 주회로를 차단하도록 되어 있다.

또한, 제1 보호 회로는 제1 IC(15)가 도시하지 않은 전류 모니터 등과 접속되고 주회로의 전류값이 소정값 이상인지의 여부를 판단하여, 소정값 이상이라고 판단한 경우에, 과전류 상태에 있어 리튬 이온 배터리(16)를 보호하기 위하여, 제1 FET(13) 또는 제2 FET(14)를 구동하여 주회로를 차단하도록 되어 있다.

리튬 이온 배터리(16)는 복수개의 셀을 다단식으로 직렬 배치하여 원하는 전압값이 되도록 구성되어 있다. 여기서, 리튬 이온 배터리(16)는 납산 배터리나 니켈수소 배터리와 비교하여 에너지 밀도가 높고 기전력도 높기 때문에, EV 등에 사용하는 데 있어서 적합하다.

전환 소자(17)는 주회로 상에 리튬 이온 배터리(16)와 직렬로 배치되고, 제2 IC(18)는 전환 소자(17)와 접속되어 있다. 여기서, 전환 소자(17)는 주회로와 제2 보호 회로를 전환하는 전환 수단을 구성한다.

여기서, 제2 보호 회로는, 리튬 이온 배터리(16)와 병렬로 배치되고, 일단부가 전환 소자(17)에 접속되고 타단부가 제2 FET(14)와 리튬 이온 배터리(16) 사이에 접속되는 바이패스 루트이다. 제2 보호 회로에는 외부 출력 단자(19)와, LED(Light Emitting Diode)(20)와, 발열 저항체(21)가 각각 순서대로 직렬 배치되어 있다. 또한, 이들 배치순은 특별히 한정되지 않지만, 외부 출력 단자(19)는 전환 소자(17)의 바로 근처에 배치하는 것으로 한다.

외부 출력 단자(19)는 배터리 팩(200)의 외부와 접속되는 단자이며, 제2 보호 회로 상에 출력된 전류의 적어도 일부를 외부로 에러 신호로서 출력한다. 구체적으로, 외부 출력 단자(19)는 배터리 시스템(100)의 컨트롤 유닛(300)에 접속되고, 배터리 시스템(100)에 대하여 배터리 팩(200)의 에러를 통지하는 통지 수단의 하나로서 기능한다.

LED(20)는 배터리 팩(200)의 도시하지 않은 외장부에 설치되어 있고, 제2 보호 회로로 전류가 흐르면 발광하는 발광 수단으로서 기능한다. 구체적으로, LED(20)는 배터리 팩(200)의 이상을 외부에 통지하는 통지 수단으로서 기능한다. 또한, 발광 수단으로서는, 그 밖에도 각종 램프를 사용할 수 있지만, 저전력으로 동작하면서, 또한 다른 발광 수단과 비교하여 저비용인 LED가 특히 바람직하다.

또한, LED(20)는, 제2 보호 회로에 있어서, 방전 수단의 일부로서도 기능한다. 즉, 발광에 의한 전력 소비가 이루어지기 때문에, 배터리 팩(200)의 내부 전류를 소비할 수 있어, 배터리 팩(200) 내의 잉여 전력을 소비하여, 리튬 이온 배터리(16)를 보호할 수 있다.

발열 저항체(21)는 제2 보호 회로에 흐르는 전류를 발열에 의해 소비하는 방전 수단의 일부로서 기능한다. 발열 저항체(21)는 배터리 팩(200)의 내부 전류를 소비할 수 있어, 배터리 팩(200) 내의 잉여 전력을 소비하여, 리튬 이온 배터리(16)를 보호할 수 있다.

여기서, 외부 출력 단자(19), LED(20), 발열 저항체(21)는 리튬 이온 배터리(16)와 병렬의 제2 보호 회로 상에 각각 직렬로 배치하고 있지만, 이들 순서는 적절히 바꿀 수도 있고, 제2 보호 회로 상에 각각 병렬 배치할 수도 있고, 배터리 팩(200)의 에러를 통지하는 통지 기능과, 배터리 팩(200) 내의 잉여 전력을 소비하는 방전 기능을 유지할 수 있는 범위에서 적절히 배치 변경이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

이어서, 제2 IC(18)에 의한 회로의 전환에 대하여 설명한다. 배터리 팩(200)은 도 3에 도시한 바와 같이, 과열 검지 센서(22)와 충격 센서(23)와 접속되어 있다. 제2 IC(18)는 이들 과열 검지 센서(22)와 충격 센서(23)에 각각 접속되어 있다.

과열 검지 센서(22)는, 예를 들어 PTC(Positive Temperature Coefficient) 서미스터 등을 사용할 수 있다. 또한, 과열 검지 센서(22)는 배터리 팩(200) 내의 과열을 검지하기 위하여 각 배터리 팩(200)에 내장하는 것이 바람직하지만, 배터리 팩(200)의 외부이며 배터리 시스템(100)이 갖는 구성으로 하여 설명을 진행한다.

충격 센서(23)는 예를 들어 가속도 센서 등을 사용할 수 있다. 가속도 센서를 사용하는 경우에는 배터리 팩(200)의 가속도가 소정값 이상이 된 경우에 EV가 충돌 등의 액시던트가 있던 것을 검지할 수 있다. 또한, 충격 센서(23)는 배터리 팩(200) 내의 충격을 검지하기 위하여 배터리 팩(200)에 내장하는 것이 바람직하지만, 배터리 팩(200)의 외부이며 배터리 시스템(100)이 갖는 구성으로 할 수도 있다.

또한, EV 전체의 일부에 내장할 수도 있고, 예를 들어 도시하지 않은 ECU(Engine Control Unit) 등의 중앙 제어 장부로부터 CAN(Controller Area Network) 신호로서 컨트롤 유닛(300)이 얻도록 할 수도 있고, 컨트롤 유닛(300)이 각 배터리 팩(200)에 대하여 CAN 신호로서 얻은 가속도 정보를 출력하도록 함으로써 EV 전체로서의 센서의 수를 저감시킬 수 있다.

제2 IC(18)는 과열 검지 센서(22)에 의해 배터리 팩(200)의 내부 온도가 소정값 이상인지의 여부를 판단하여, 소정값 이상이라고 판단한 경우에, 과열 상태에 있어 리튬 이온 배터리(16)를 보호하기 위하여, 주회로를 차단하고, 제2 보호 회로로 전환하도록 전환 소자(17)를 제어한다.

또한, 제2 IC(18)는 충격 센서(23)에 의해 배터리 팩(200)에 소정의 충격이 가해진 것을 판단하여, 예를 들어 가속도가 소정값 이상이라고 판단한 경우에 사고 등의 액시던트가 발생한 상태에 있어 리튬 이온 배터리(16)를 보호하기 위하여, 주회로를 차단하고, 제2 보호 회로로 전환하도록 전환 소자(17)를 제어한다.

또한, 상술에서는, 제2 IC(18)는 가열 검지 센서(22) 및 충격 센서(23)와 접속되고, 이들 센서로부터 정보를 얻는다고 기재했지만, 다른 센서 등과 접속하여 배터리 팩(200)의 보호에 필요한 정보를 입력하도록 할 수도 있다. 제2 IC(18)는 적어도 1개의 센서 정보가 입력되도록 되어 있다. 또한, 제2 IC(18)가 타이머 로직에 의해 시한적으로 전환 소자(17)를 제어하는 구성을 방해하는 것은 아니다.

또한, 제1 IC(15)와 제2 IC(18)를 별체로서 기재하고 있지만, 1개의 IC로 구성하도록 할 수도 있다. 1개의 IC로 구성한 경우에는 부품 개수를 삭감할 수 있다. 한편, 각각의 IC를 별체로 한 경우에는 제1 보호 회로와 제2 보호 회로를 독립적으로 동작시킬 수 있고, 보호 기능의 용장성을 갖게 하는 것이 가능해져, 보다 안전하게 배려한 배터리 팩이 된다.

[전환 소자]

전환 소자(17)에 대하여, 구체적으로 설명한다. 전환 소자(17)는 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 단자 a와, 제2 단자 b와, 제3 단자 c와, 제4 단자 d로 이루어지는 4단자 소자이다. 전환 소자(17)는 도시하지 않은 절연 기판 상에 평면 실장된, 발열 저항체(31)와, 가용 도체(32)와, 스위치(33)를 갖고 있다.

전환 소자(17)는 제1 단자 a가 리튬 이온 배터리(16)의 정극에 접속되고, 제2 단자 b가 배터리 팩(200)의 플러스 단자(12)에 접속되고, 제3 단자 c가 제2 IC(18)와 접속되고, 제4 단자 d가 보호 회로에 접속되어 있다.

전환 소자(17)는 내부에 있어서, 제1 단자 a에 발열 저항체(31)의 일단부와, 가용 도체(32)의 일단부와, 스위치(33)의 일단부가 접속되어 있고, 제2 단자 b에 가용 도체(32)의 타단부가 접속되어 있다. 또한, 전환 소자(17)는 제3 단자 c에 발열 저항체(31)의 타단부가 접속되고, 제4 단자 d에 스위치(33)의 타단부가 접속되어 있다.

[전환 소자 회로]

전환 소자(17)는 도 4의 (A)(B)에 도시한 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 전환 소자(17)는 제1 단자 a와 제2 단자 b가 정상 시에 접속되고, 즉, 제1 단자 a와 제3 단자 d가 정상 시에는 절연되어 있다.

전환 소자(17)는 발열 저항체(31)의 발열에 의해 가용 도체(32)가 용융되면, 당해 용융 도체에 의해 단락되는 스위치(33)를 구성한다(도 4의 (B)). 그리고, 제1 단자 a와 제4 단자 d는 스위치(33)의 양쪽 단자를 구성한다. 또한, 가용 도체(32)는 제2 전극 b와 접속되어 있다.

그리고, 전환 소자(17)는 상술한 바와 같이, 배터리 팩(200)에 내장됨으로써, 스위치(33)의 양측의 제1 단자 a 및 제4 단자 d가, 당해 배터리 팩(200)의 주회로와 병렬로 접속되고, 당해 배터리 팩(200)에 이상이 발생한 경우에 스위치(20)를 단락시켜, 당해 배터리 팩(200)을 바이패스하는 바이패스 전류 경로(제2 보호 회로)를 형성한다.

구체적으로, 전환 소자(17)는 병렬 접속되어 있는 리튬 이온 배터리(16) 또는 다른 전자 부품에 이상이 발생하면, 발열 저항체(31)의 제3 단자 c측으로부터 전력이 공급되어, 발열 저항체(31)가 통전함으로써 발열된다. 이 열에 의해 가용 도체(32)가 용융되면, 용융 도체는, 도 4의 (B)에 도시한 바와 같이 스위치(33) 상에 응집된다. 이에 의해 제1 전극 a와 제4 전극 d가 단락된다. 즉, 전환 소자(17)는 스위치(33)의 양쪽 단자 사이가 단락된다(도 4의 (B)).

또한, 발열 저항체(31)로의 통전은, 가용 도체(32)가 용단됨으로써 주회로가 차단되어 제2 보호 회로로 전류가 흐르기 때문에, 이것을 검지하여 제3 단자 c로부터의 전류의 공급을 멈추도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 제어는 제2 IC(18)에 의해 제어할 수 있다.

전환 소자(17)에 의해 제2 보호 회로에 출력된 전류는, 후술하는 에러 신호로서 배터리 팩(200)의 외부로 출력되어, 배터리 팩(200)의 이상을 통지하는 트리거로서 사용된다.

또한, 전환 소자(17)는 상술한 바와 같은 구조에 한정되는 것은 아니며, 적절히, 주회로와 제2 보호 회로를 선택적으로 전환하는 구성으로 할 수 있다. 예를 들어, 제1 보호 회로에서 설명한 2개의 FET를 사용하는 방법을 취하도록 할 수도 있다.

[배터리 팩의 회로 구성]

계속해서, 전환 소자(17)를 내장한 배터리 팩(200)의 회로 구성에 대하여 설명한다. 리튬 이온 배터리(16)가 내장된 배터리 팩(200)의 회로 구성은, 도 5에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 배터리(16)와, 제1 FET(13) 및 제2 FET(14)의 동작을 제어하는 제1 IC(15), 단락 소자(17)와, 단락 소자(17)의 동작을 제어하는 전류 제어 소자(41) 및 제2 IC(18)와, 보호 회로 상에 LED(20) 및 발열 저항체(21)를 구비하고, 배터리 팩(200)의 플러스 단자(11), 마이너스 단자(12), 접지 단자(51), 제어 단자(52, 53) 및 외부 단자(19)를 개재하여 컨트롤 유닛(300)에 접속되어 있다.

여기서, 배터리 팩(200)은, 리튬 이온 배터리(16)의 충방전을 제어하는 제1 보호 회로(61)와, 리튬 이온 배터리(16)의 전압을 검출함과 함께, 전환 소자(17)의 동작을 제어하는 전류 제어 소자(41)에 이상 신호를 출력하는 검출 회로와, 전환 소자(17)에 의해 리튬 이온 배터리(16)와 접속되는 제2 보호 회로(62)를 구비한다.

제1 보호 회로(61)는 컨트롤 유닛(300)으로부터 리튬 이온 배터리(16)에 흐르는 전류 경로에 직렬 접속된 제1 FET(13) 및 제2 FET(14)와, 이들 제1 FET(13) 및 제2 FET(14)의 동작을 제어하는 제1 IC(15)로 구성된다.

배터리 팩(200)은, 전환 소자(17)가 리튬 이온 배터리(16)와 직렬로 접속되어 있고, 전환 소자(17)의 제2 단자 b가 리튬 이온 배터리(16)의 충방전 경로와 접속되고, 제1 단자 a가 리튬 이온 배터리(16)의 정극에 접속됨으로써, 주회로를 형성한다. 또한, 배터리 팩(200)은, 전환 소자(17)의 발열 저항체(31)가 제3 단자 c를 개재하여 전류 제어 소자(41)에 접속되어 있다.

제1 보호 회로(61)는 제2 IC(18)를 개재하여 제1 IC(15)가 리튬 이온 배터리(16)와 접속되고, 각 배터리 셀의 전압값을 검출하여, 리튬 이온 배터리(16)가 과충전 전압 또는 과방전 전압이 되었을 때에, 제1 IC(15)가 제1 FET(13) 및 제2 FET(14)에 이상 신호를 출력한다. 또한, 제1 IC(15)는 리튬 이온 배터리(16)의 전압값을 직접 검출하는 회로 구성으로 할 수도 있다.

전류 제어 소자(41)는 예를 들어 FET이며, 제2 IC(18)로부터 출력되는 검출 신호에 의해, 리튬 이온 배터리(16)의 전압값이 소정의 과방전 또는 과충전 상태를 초과하는 전압이 되었을 때, 발열 저항체(31)에 전류가 흐르도록 동작하는 스위치 소자이다. 전류 제어 소자(41)는 발열 저항체(31)로 전류를 흘림으로써 가용 도체(32)를 용단하고, 스위치(33)가 온(ON)이 되도록 전환 소자(17)를 동작시켜, 리튬 이온 배터리(16)와 주회로를 차단하고 제2 보호 회로를 접속한다.

전류 제어 소자(41)는 제2 IC(18)로부터의 제어에 의해, 리튬 이온 배터리(16)의 충방전 전류 경로를 제1 FET(13) 및 제2 FET(14)의 스위치 동작과 상관없이 차단함과 함께, 전환 소자(17)의 스위치(33)를 단락시켜, 주회로를 바이패스하여 제2 보호 회로(62)를 형성하도록 제어할 수 있다.

이러한 배터리 팩(200)은, 정상 시에는, 도 5에 도시한 바와 같이 전환 소자(17)의 스위치(33)가 단락되어 있지 않기 때문에, 전류는 가용 도체(32)를 통하여 리튬 이온 배터리(16)측으로 흐른다.

리튬 이온 배터리(16)의 전압 이상 등이 검지되면, 제2 IC(18)로부터 전류 제어 소자(41)에 이상 신호가 출력되어, 전환 소자(17)의 제3 단자 c와 접지가 접속된다. 이에 의해, 도 6에 도시한 바와 같이 전환 소자(17)의 발열 저항체(31)에 전류가 흐르게 되어, 발열 저항체(31)가 발열된다.

그리고, 도 7에 도시한 바와 같이, 전환 소자(17)는 발열 저항체(31)에 의해, 가용 도체(32)를 가열, 용융시킴으로써, 제1 단자 a와 제2 단자 b 사이를 차단한다. 이에 의해, 도 7에 도시한 바와 같이 이상한 배터리 셀을 갖는 당해 리튬 이온 배터리(16)를 주회로인 충방전 전류 경로 상으로부터 차단할 수 있다. 또한, 가용 도체(32)가 용단된 후는 제2 IC(18)의 제어에 의해 전류 제어 소자(41)를 동작시키게 하여, 전류를 흘리지 않도록 함으로써 발열 저항체(31)로의 급전은 정지된다.

계속해서, 배터리 팩(200)은 전환 소자(17)의 스위치(33)가 접속되어 리튬 이온 배터리(16)의 전류는 제2 보호 회로(62)로 흐르게 된다. 이에 의해 제2 보호 회로(62)의 LED(20)를 점등함으로써, 배터리 팩(200)의 이상을 통지할 수 있고, 또한, 발열 저항체(21)에 의해 내부 전류의 방전을 행할 수 있다.

여기서, 배터리 팩(200)은, 제2 보호 회로(62)에 외부 단자(19)가 접속되어 있고, 제2 보호 회로(62)에 흐르는 전류의 적어도 일부를 에러 신호로서 컨트롤 유닛(300)에 출력하도록 되어 있다. 컨트롤 유닛(300)은, 에러 신호를 수신한 배터리 팩(200)에 대한 충전을 정지하도록 제어함과 함께, 통지부(400)에 의해 배터리 팩(200)의 이상을 통지하도록 되어 있다.

또한, 컨트롤 유닛(300)은, 에러 신호를 전류값으로 모니터링할 수도 있고, 전압값으로서 모니터링할 수도 있다. 즉, 외부 단자(19)로부터 출력되는 전류의 전류값을 모니터링할 수도 있고, 마이너스 단자(11)와 외부 단자(19) 사이에서의 전압값을 모니터링할 수도 있다. 컨트롤 유닛(300)은, 모니터링한 전류값 또는 전압값이 소정값 이상이면 에러 신호를 수신했다고 판단한다. 또한, 소정값은 노이즈 등을 제외한 정도의 값으로 적절히 설정하는 것이 바람직하다.

이러한 배터리 팩(200)을 복수개 구비하는 배터리 시스템(100)은, 1개의 배터리 팩(200)에 이상이 일어난 경우에도 당해 배터리 팩(200)에 대한 충방전을 멈춤으로써, 나머지의 정상적인 배터리 팩(200)에 의해 기능을 유지할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 예에 의한 배터리 시스템(100)에서는, 배터리 팩(200)이 소정의 조건을 만족했을 때에 내부 전류를 방출함과 함께 외부에 에러 신호를 발하여, 에러를 통지할 수 있기 때문에, 각 배터리 팩(200)의 이상을 개별로 검지하여, 배터리 팩(200)의 고장 교환 등의 메인터넌스성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 예에 의한 배터리 시스템(100)에서는, 고장난 배터리 팩(200)을 LED(20)의 발광에 의해 시인할 수 있는 데다가, 개개의 배터리 팩(200)으로부터 에러 신호도 출력되기 때문에 고장 개소의 특정이 용이해진다. 이에 의해 EV 등과 같이 다수의 배터리 팩(200)을 탑재하여, 배터리 팩(200)의 교환이 요구되는 장치에 있어서는 특히 현저한 효과를 얻을 수 있다.

11: 마이너스 단자
12: 플러스 단자
13: 제1 FET
14: 제2 FET
15: 제1 IC
16: 리튬 이온 배터리
17: 전환 소자
18: 제2 IC
19: 외부 단자
20: LED
21: 발열 저항체
22: 과열 검지 센서
23: 충격 센서
31: 발열 저항체
32: 가용 도체
33: 스위치
41: 전류 제어 소자
51: 접지 단자
52: 제어 단자
53: 제어 단자
61: 제1 보호 회로
62: 제2 보호 회로
100: 배터리 시스템
200: 배터리 팩
300: 컨트롤 유닛
400: 통지부

Claims

이차 전지와,
상기 이차 전지와 직렬로 접속되고, 상기 이차 전지의 충방전 경로가 되는 주회로와,
상기 이차 전지와 병렬로 접속되고, 소정의 조건에서 상기 이차 전지의 전력을 소비하는 보호 회로와,
상기 소정의 조건에서, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 전환 수단(switching means)과,
상기 보호 회로에 대한 출력 전류를 에러 신호로서, 상기 에러 신호를 출력한 배터리 팩을 특정하는 컨트롤 유닛에 출력하는 에러 신호 출력 수단을 구비하는 배터리 팩으로,
복수의 배터리 팩이 병렬 배치되는 배터리 시스템에 사용되는 배터리 팩.
제1항에 있어서, 상기 보호 회로 상에 외부 단자를 더 구비하고,
상기 보호 회로 상의 전류 또는 전압을 상기 외부 단자를 통하여 외부로 에러 신호로서 출력하는 배터리 팩.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보호 회로 상에 발광 수단을 더 구비하고,
상기 발광 수단의 발광에 의해 에러 통지를 행하는 배터리 팩.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보호 회로 상에 음향 수단을 더 구비하고,
상기 음향 수단에 의한 음향 출력에 의해 에러 통지를 행하는 배터리 팩.
제3항에 있어서, 상기 보호 회로 상에 음향 수단을 더 구비하고,
상기 음향 수단에 의한 음향 출력에 의해 에러 통지를 행하는 배터리 팩.
제1항 또는 제2항에 있어서, 온도 상승을 검출하는 과열 검지 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 과열 검지 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제3항에 있어서, 온도 상승을 검출하는 과열 검지 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 과열 검지 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제4항에 있어서, 온도 상승을 검출하는 과열 검지 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 과열 검지 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제5항에 있어서, 온도 상승을 검출하는 과열 검지 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 과열 검지 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제1항 또는 제2항에 있어서, 충격을 검출하는 충격 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 충격 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제3항에 있어서, 충격을 검출하는 충격 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 충격 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제4항에 있어서, 충격을 검출하는 충격 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 충격 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제5항에 있어서, 충격을 검출하는 충격 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 충격 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제6항에 있어서, 충격을 검출하는 충격 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 충격 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제7항에 있어서, 충격을 검출하는 충격 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 충격 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제8항에 있어서, 충격을 검출하는 충격 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 충격 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
제9항에 있어서, 충격을 검출하는 충격 센서를 더 구비하고,
상기 전환 수단은, 상기 충격 센서의 검출 정보에 기초하여, 상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 배터리 팩.
이차 전지와,
상기 이차 전지와 직렬로 접속되고, 전원 공급로가 되는 주회로와,
상기 이차 전지와 병렬로 접속되고, 소정의 조건에서 내부 전력을 소비하는 보호 회로와,
상기 이차 전지와 상기 주회로를 차단함과 함께, 상기 이차 전지와 상기 보호 회로를 접속하는 전환 수단을 갖는 복수의 배터리 팩과,
상기 각 배터리 팩의 상기 주회로 및 상기 보호 회로와 각각 접속되고, 상기 각 배터리 팩으로부터의 입출력을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
상기 보호 회로는, 상기 제어 수단과 접속된 외부 단자를 가지고,
상기 제어 수단은, 상기 각 배터리 팩의 어느 하나의 상기 보호 회로로부터 출력된 전류 또는 전압을 검출했을 때, 상기 배터리 팩의 에러를 판단하고,
상기 복수의 배터리 팩은 병렬 배치되는 것인 배터리 시스템.
제18항에 있어서, 상기 제어 수단은 에러라고 판단한 상기 배터리 팩으로의 전력 공급을 멈추는 배터리 시스템.
제18항 또는 제19항에 있어서, 발광 수단을 더 구비하고,
상기 발광 수단의 발광에 의해 에러 통지를 행하는 배터리 시스템.
제18항 또는 제19항에 있어서, 음향 수단을 더 구비하고,
상기 음향 수단에 의한 음향 출력에 의해 에러 통지를 행하는 배터리 시스템.
제20항에 있어서, 음향 수단을 더 구비하고,
상기 음향 수단에 의한 음향 출력에 의해 에러 통지를 행하는 배터리 시스템.
배터리 팩의 방전 방법이며,
이차 전지와 직렬로 접속되고, 전원 공급로가 되는 주회로와 상기 이차 전지를 차단하고,
상기 이차 전지와 병렬로 접속되고, 소정의 조건에서 내부 전력을 소비하는 보호 회로와 상기 이차 전지를 접속하고,
상기 보호 회로에 의해 내부 방전을 행함과 함께 상기 보호 회로에 대한 출력 전류의 적어도 일부를 에러 신호로서, 상기 에러 신호를 출력한 배터리 팩을 특정하는 컨트롤 유닛에 출력하는 방전 방법으로,
복수의 배터리 팩이 병렬 배치되는 배터리 시스템에서 사용되는 방전 방법.