KR102519119B1 - 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

배터리 보호 회로는, 직렬 연결되는 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈과 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치, 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및 상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 각각에 연결되며, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 대응하는 셀에 흐르는 전류를 차단하거나 허용하는 복수의 제1 보호 회로를 포함하며, 상기 복수의 제1 보호 회로는 각각, 서로 이웃하는 셀들 사이, 또는 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 복수의 팩 단자 중 제1 팩 단자 사이에 직렬 연결되는 적어도 하나의 스위치, 및 상기 대응하는 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함할 수 있다.

Description

배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩{BATTERY PROTECTION CIRCUIT AND BATTERY PACK INCLUDING SAME}
실시 예는 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
2차 전지(secondary cell)는 충전과 방전을 교대로 반복할 수 있는 전지를 말한다. 2차 전지는 화학적(chemical) 에너지를 전기적(electrical) 에너지로 변환시켜 방전할 수 있으며, 역으로 방전된 상태에서 전기 에너지를 충전하면 이를 화학 에너지의 형태로 다시 저장할 수 있다.
2차 전지는 다양한 휴대 전자 기기에 적용되고 있다. 예를 들어, 노트북 컴퓨터에는, 서로 직렬 연결되는 복수의 2차 전지(이하, '셀'이라 명명하여 사용함)가 충방전 회로와 결합하여 구성된 다직렬 구조의 배터리 팩이 탑재된다.
각형 셀이나 폴리머 셀들이 직렬로 연결되어 구성되는 다직렬 구조의 배터리 팩에는 온도 퓨즈(Thermal Cut-Off, TCO)가 탑재되기되기도 한다. TCO는 주변 온도에 따라 전류를 차단하여 과충전이나 단락(short) 등의 위험으로부터 각 셀의 안전성을 확보하기 위한 소자이다.
TCO는 온도에 의해 동작하는 소자이므로, 셀로부터 온도 전달이 용이하도록 셀과 밀착되어야 한다. 이러한 특징으로 인해 TCO를 배터리 팩에 탑재 하기 위해서는, 테이프(tape), Ni 기판(Ni-plate) 등 추가적인 부자재가 사용되거나, 용접, 셀 밀착, 테이프 공정 등의 추가 공정을 필요로 한다. 또한, TCO의 탑재 불량으로 셀 온도 전달이 제대로 이루어지지 않을 경우, TCO에 의한 보호 동작이 제대로 이루어지지 않는 문제가 발생할 수도 있다.
실시 예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 다직렬 구조의 배터리 팩에서 셀 별로 보호 동작을 지원할 수 있는 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 실시 예에 따른 배터리 보호 회로는, 직렬 연결되는 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈과 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치, 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및 상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 각각에 연결되며, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 대응하는 셀에 흐르는 전류를 차단하거나 허용하는 복수의 제1 보호 회로를 포함하며, 상기 복수의 제1 보호 회로는 각각, 서로 이웃하는 셀들 사이, 또는 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 복수의 팩 단자 중 제1 팩 단자 사이에 직렬 연결되는 적어도 하나의 스위치, 및 상기 대응하는 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호 회로는, 상기 대전류 경로에 직렬 연결되는 퓨즈 소자, 및 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자를 제어하는 제2 보호 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 퓨즈 소자는, 제어 단자, 상기 제어 단자에 연결되며 상기 제어 단자에 인가되는 전압에 따라 발열하는 적어도 하나의 발열용 저항, 및 상기 대전류 경로에 직렬 연결되며, 상기 발열용 저항의 발열에 의해 단선되는 퓨즈를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 보호 회로는 서로 독립적으로 구동될 수 있다.
상기 적어도 하나의 스위치는, 전계 효과 트랜지스터일 수 있다.
상기 적어도 하나의 스위치는, 드레인 단자, 상기 대응하는 셀의 제1 전극에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제1 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 스위치는, 상기 제1 채널 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 대응하는 셀과 이웃하는 셀 또는 상기 제1 팩 단자와 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제2 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 보호 회로 각각은, 상기 대응하는 셀의 제2 전극에 연결되며, 상기 대응하는 셀의 제2 전극의 전압을 상기 셀 제어기로 전달하는 제1 저항, 상기 제1 저항과 상기 대응하는 셀의 제1 전극 사이에 연결되는 캐패시터, 및 상기 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 제1 저항과 전류 제한 저항으로 동작하는 제2 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 대응하는 셀의 제1 전극은, 상기 대응하는 셀의 음극일 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 팩은, 직렬 연결되는 복수의 셀이 포함된 배터리 모듈, 복수의 팩 단자, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치, 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및 상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 각각에 연결되며, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 대응하는 셀에 흐르는 전류를 차단하거나 허용하는 복수의 제1 보호 회로를 포함하며, 상기 복수의 제1 보호 회로는 각각, 서로 이웃하는 셀들 사이, 또는 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 복수의 팩 단자 중 제1 팩 단자 사이에 직렬 연결되는 적어도 하나의 스위치, 및 상기 대응하는 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩은 상기 대전류 경로에 직렬 연결되는 퓨즈 소자, 및 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자를 제어하는 제2 보호 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩의 상기 적어도 하나의 스위치는, 드레인 단자, 상기 대응하는 셀의 제1 전극에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제1 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터, 및 상기 제1 채널 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 대응하는 셀과 이웃하는 셀 또는 상기 제1 팩 단자와 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제2 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩의 상기 복수의 제1 보호 회로 각각은, 상기 대응하는 셀의 제2 전극에 연결되며, 상기 대응하는 셀의 제2 전극의 전압을 상기 셀 제어기로 전달하는 제1 저항, 상기 제1 저항과 상기 대응하는 셀의 제1 전극 사이에 연결되는 캐패시터, 및 상기 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 제1 저항과 전류 제한 저항으로 동작하는 제2 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 셀의 과전압 또는 저전압에 대해서, 상기 배터리 제어기가 상기 셀 제어기보다 보호 동작을 먼저 기동시킬 수 있다.
실시 예에 따른 배터리 보호 회로는 과충전이나 단락 등의 위험으로부터 각 셀의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호 회로는 탑재 공정이 용이하며 TCO를 탑재하는 경우와 대비하여 추가적인 부자재를 필요로 하지 않아, 배터리 팩의 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩의 셀 보호 회로를 구체적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시 예에 따른 셀 보호 회로가 탑재되는 보호 회로 모듈 PCB의 일 예를 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 실시 예들은 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께 및 영역을 과장하여 나타낼 수 있다.
2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 커패시터 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.
이하, 필요한 도면들을 참조하여 실시 예에 따른 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩의 셀 보호 회로를 구체적으로 도시한 것이다. 또한, 도 3은 실시 예에 따른 셀 보호 회로가 실장된 인쇄회로기판의 일 예를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리 모듈(10), 인터페이스(30) 및 배터리 보호 회로를 포함할 수 있다. 한편, 도 1 및 도 2에 도시된 구성요소들은 필수적인 것은 아니어서, 실시 예에 따른 배터리 팩은 그보다 더 많거나 더 적은 구성요소를 포함하도록 구현될 수 있다.
배터리 모듈(10)은 서로 직렬 연결되는 복수의 셀(Cell1, Cell2)을 포함할 수 있다. 한편, 도 1 및 도 2에서는 배터리 모듈(10)이 2개의 셀을 포함하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니다. 다른 실시 예에 따르면, 배터리 모듈은 서로 직렬 연결되는 3개 이상의 셀을 포함할 수도 있다.
인터페이스(30)는 외부 기기와의 인터페이스를 수행하기 위한 복수의 단자들을 포함할 수 있다. 인터페이스(30)는 외부의 부하로 전기 에너지를 공급하거나, 외부의 충전 장치로부터 전기 에너지를 인가 받기 위한 팩 단자들(P+, P-)과, 외부 기기와 통신하기 위한 통신 단자들(T1, T2)을 포함할 수 있다.
배터리 보호 회로는, 충전 제어 스위치(C-SW), 방전 제어 스위치(D-SW), 퓨즈 소자(F), 온도 센서(TS), 션트 저항(SR), 배터리 제어기(110), 보호 회로(120) 및 셀 보호 회로들(131, 132)을 포함할 수 있다.
충전 제어 스위치(C-SW)는 배터리 모듈(10)의 충전 경로에 직렬로 연결되며, 배터리 모듈(10)의 충전 전류를 차단하거나 공급할 수 있다. 충전 경로는, 배터리 팩(100)의 팩 단자들(P+, P-)을 통해 연결되는 충전 장치(미도시)와 배터리 모듈(10) 사이의 전류 흐름 경로로서, 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류를 배터리 모듈(10)로 전달하기 위한 경로이다.
방전 제어 스위치(D-SW)는 배터리 모듈(10)의 방전 경로에 직렬로 연결되며, 배터리 모듈(10)의 방전 전류를 차단하거나 공급할 수 있다. 방전 경로는, 배터리 팩(100)의 팩 단자들(P+, P-)을 통해 연결되는 부하(미도시)와 배터리 모듈(10) 사이의 전류 흐름 경로로서, 배터리 모듈(10)로부터 공급되는 방전 전류를 부하로 전달하기 위한 경로이다.
충전 경로 및 방전 경로는, 배터리 팩(100) 내 다른 전류 흐름 경로에 비해 경로를 통해 흐르는 전류의 크기가 비교적 크다. 본 문서에서는 방전 경로 및 충전 경로를 '대전류 경로'라 명명하여 사용하기도 한다.
충전 제어 스위치(C-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)는 각각 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)(C-FET, D-FET) 및 다이오드(D11, D12)를 포함할 수 있다.
각 FET(C-FET, D-FET)는 대전류 경로에 직렬로 연결되며, 배터리 제어기(110)로부터 제어 단자로 인가되는 제어 신호에 따라 대전류 경로를 통해 공급되는 전류(방전 전류 또는 충전 전류)를 차단하거나 허용할 수 있다.
충전 제어 FET(C-FET)는 외부의 충전 장치로부터 대전류 경로를 통해 배터리 모듈(10)로 공급되는 충전 전류의 흐름을 차단하거나 허용할 수 있다. 충전 제어 FET(C-FET)가 온 되는 경우, 충전 제어 FET(C-FET)의 제1 및 제2 단자가 도통되어 대전류 경로를 통해 충전 장치로부터 배터리 모듈(10)로 충전 전류가 흐를 수 있다. 반면에, 충전 제어 FET(C-FET)가 오프되는 경우, 충전 장치와 배터리 모듈(10) 사이의 대전류 경로를 흐르는 충전 전류의 흐름이 차단될 수 있다.
방전 제어 FET(D-FET)는 대전류 경로를 통해 배터리 모듈(10)로부터 외부의 부하로 공급되는 방전 전류의 흐름을 차단하거나 허용할 수 있다. 방전 제어 FET(D-FET)가 온 되는 경우, 방전 제어 FET(D-FET)의 제1 및 제2 단자가 도통되어 대전류 경로를 통해 배터리 모듈(10)로부터 부하로 방전 전류가 흐를 수 있다. 반면에, 방전 제어 FET(D-FET)가 오프되는 경우, 배터리 모듈(10)과 부하 사이의 대전류 경로를 흐르는 방전 전류 흐름이 차단될 수 있다.
도 2를 예로 들면, 각 FET(D-FET, C-FET)는 N채널 FET로 구성된다. 이 경우, 각 FET(C-FET, D-FET)의 제1 단자, 제2 단자 및 제어 단자는 각각 소스 단자, 드레인 단자 및 게이트 단자가 된다. 또한, 충전 제어 FET(C-FET)와 방전 제어 FET(D-FET)의 드레인 단자가 서로 연결되며, 충전 제어 FET(C-FET)와 방전 제어 FET(D-FET)의 소스 단자는, 배터리 모듈(10) 및 팩 단자(P+) 에 각각 연결된다.
한편, 도 1 및 도 2에서는 충전 제어 스위치(C-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)가 배터리 모듈(10)의 양극과 배터리 팩(100)의 양극 팩 단자(P+) 사이에 연결되는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니다. 다른 실시 예에 따르면, 충전 제어 스위치(C-SW) 또는 방전 제어 스위치(D-SW)가 배터리 모듈(10)의 음극과 배터리 팩(100)의 음극 팩 단자(P-) 사이에 연결될 수도 있다.
각 다이오드(D11, D12)는 각 FET(C-FET, D-FET)의 기생 다이오드(parasitic diode)로서, 대응하는 FET에 의해 전류가 제한되는 방향에 반대 방향으로 전류가 흐르도록 구성된다. 예를 들어, 다이오드(D11)는 방전 경로로 전류가 흐르도록 하며, 다이오드(D12)는 충전 경로로 전류가 흐르도록 한다.
퓨즈 소자(F)는 대전류 경로에 직렬 연결되며, 배터리 모듈(10)의 대전류 경로를 차단할 수 있다.
도 2를 예로 들면, 퓨즈 소자(F)는 자가 제어 보호(Self Control Protection, SCP) 소자로서, 배터리 모듈(10)의 대전류 경로에 직렬 연결되는 한 쌍의 퓨즈(F1, F2)와, 퓨즈들(F1, F2)과 병렬 연결되는 발열용 저항들(RF1, RF2)을 포함할 수 있다.
퓨즈 소자(F)를 구성하는 한 쌍의 퓨즈들(F1, F2)은 배터리 모듈(10)의 양극과 양극 팩 단자(P+) 사이에 직렬로 연결된다. 제1 퓨즈(F1)와 제2퓨즈(F2) 사이의 접점과 퓨즈 소자(F)의 제어 단자 사이에는 발열용 저항들 (RF1, RF2)이 병렬 연결된다. 발열용 저항들(RF1, RF2)은 퓨즈 소자(F)의 제어 단자로 인가되는 전압에 따라서 발열하며, 퓨즈들(F1, F2)은 발열용 저항들 (RF1, RF2)의 발열로 인해 용단되어 배터리 모듈(10)의 대전류 경로를 차단할 수 있다.
온도 센서(TS)는 배터리 모듈(10) 주변의 온도를 검출하여 배터리 제어기(110)로 전달한다.
션트 저항(SR)은 전류 센싱 저항으로, 대전류 경로에 직렬 연결되어 대전류 경로를 통해 흐르는 전류(충전 전류 또는 방전 전류)를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 예로 들면, 션트 저항(SR)은 배터리 모듈(10)의 음극 과 음극 팩 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이로 한정되는 것은 아니어서, 다른 실시 예에 따르면, 션트 저항(SR)은 배터리 모듈(10)의 양극과 양극 팩 단자(Pack+) 사이의 대전류 경로에 연결될 수도 있다.
배터리 제어기(110)는 배터리 보호 회로의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 전압 측정용 단자들을 통해 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)에 연결되는 전압 검출 회로(미도시)를 포함할 수 있다. 전압 검출 회로는 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압과, 배터리 모듈(10)의 양단 전압을 검출할 수도 있다.
배터리 제어기(110)는 전류 측정용 단자들을 통해 션트 저항(SR)의 양 단에 전기적으로 연결되는 전류 검출 회로(미도시)를 포함할 수 있다. 전류 검출 회로는 션트 저항(SR)을 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 션트 저항(SR)은 배터리 모듈(10)과 어느 하나의 팩 단자(Pack-) 사이의 대전류 경로 상에 위치하므로, 전류 검출 회로는 션트 저항(SR)을 흐르는 전류를 측정하여 대전류 경로를 통해 흐르는 전류(충전 전류 또는 방전 전류)를 측정할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 온도 센서(TS)를 통해 배터리 모듈(10)의 주변 온도를 검출할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압, 배터리 모듈(10)의 모듈 전압, 대전류 경로를 흐르는 전류 크기, 배터리 모듈(10)의 주변 온도 등을 토대로 배터리 모듈(10) 또는 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 획득할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(10) 또는 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 토대로 충전 제어 스위치(C-SW) 또는 방전 제어 스위치(D-SW)로 제어 신호를 출력하여, 충전 제어 스위치(C-SW), 또는 방전 제어 스위치(D-SW)의 온/오프를 제어할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 충전 제어 스위치(C-SW), 방전 제어 스위치(D-SW) 또는 퓨즈 소자(F)를 제어하여, 과전압, 과전류, 단락 등으로부터 배터리모듈(10)을 보호하는 보호 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 배터리 제어기(110)는 전압 검출 회로를 통해 검출되는 셀 전압들을 과충전에 의한 과전압을 판단하기 위한 제1 기준 전압 및 과방전에 의한 저전압을 판단하기 위한 제2 기준 전압과 비교한다. 비교 결과 현재 배터리 모듈(10)이 과전압 상태로 판단되면, 배터리 제어기(110)는 충전 제어 스위치(C-SW) 또는, 충전 제어 스위치(C-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)를 턴 오프 시킬 수 있다. 또한, 배터리 제어기(110)는 배터리 모듈(10)이 과전압 상태로 판단되면, 퓨즈 소자(F)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수도 있다. 그리고, 비교 결과 현재 배터리 모듈(10)이 저전압 상태로 판단되면, 배터리 제어기(110)는 방전 제어 스위치(D-SW) 또는, 충전 제어 스위치(C-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)를 턴 오프 시킬 수 있다.
또한, 예를 들어, 배터리 제어기(110)는 대전류 경로를 흐르는 전류를 토대로 배터리 모듈(10)의 과전류(과충전 전류, 과방전 전류) 상태를 검출하고, 배터리 모듈(10)이 과전류 상태이면 충전 제어 스위치(C-SW)를 턴 오프 시키거나, 충전 제어 스위치(C-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)를 턴 오프 시킬 수 있다. 또한, 배터리 제어기(110)는 배터리 모듈(10)이 과전류 상태로 판단되면, 퓨즈 소자(F)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수도 있다.
또한, 예를 들어, 배터리 제어기(110)는 대전류 경로를 흐르는 전류 또는 배터리 모듈(10)의 주변 온도를 토대로 배터리 팩(100) 내 단락(short) 고장을 검출하고, 단락 고장이 검출되면 퓨즈 소자(F)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압을 토대로 배터리 모듈(10)의 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 회로(미도시)의 동작을 제어할 수도 있다.
배터리 제어기(110)는 배터리 팩(100)의 통신 단자들(T1, T2)을 통해 외부 기기와 연결되어, 외부 기기와 통신을 수행할 수도 있다.
배터리 제어기(110)의 각 기능은, 하나 이상의 중앙 처리 유닛(central processing unit, CPU)이나 기타 칩셋, 마이크로컨트롤러(Micro Controller Unit, MCU), 마이크로프로세서(microprocessor) 등으로 구현되는 프로세서에 의해 수행될 수 있다.
보호 회로(120)는, 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)에 연결되는 전압 검출 회로(미도시)를 포함하며, 전압 검출 회로를 통해 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압을 검출할 수 있다.
보호 회로(120)는 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압에 기초하여 각 셀(Cell1, Cell2)의 과전압 상태를 검출하고, 특정 셀이 과전압 상태가 되면 퓨즈 소자(F)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수 있다.
셀 보호 회로들(131, 132)은 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압을 토대로 각 셀(Cell1, Cell2)의 과전압, 단락, 과전류(과충전 전류 또는 과방전 전류) 상태를 검출하고, 이를 토대로 보호 동작을 수행할 수 있다. 즉, 각 셀 보호 회로(131, 132)는 대응하는 셀이 과전압, 과전류 또는 단락 상태이면, 셀들(131, 132) 사이의 전류가 흐르는 대전류 경로를 개방하여 셀들(131, 132) 사이의 전류 흐름을 차단할 수 있다.
각 셀 보호 회로(131, 132)는 대전류 경로 상에서 셀과 셀 사이 또는 셀과 팩 단자 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 도 2를 예로 들면, 각 셀 보호 회로(131, 132)는 셀(Cell1)과 셀(Cell2) 사이, 셀(Cell2)과 팩 단자(P-) 사이에 직렬로 연결된다.
한편, 도 2에서는 각 셀 보호 회로(131, 132)가 대응하는 셀의 음극 에 연결되는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니어서, 셀 보호 회로는 대응하는 셀의 양극에 연결될 수도 있다. 이 경우, 셀 보호 회로(131)는 대응하는 셀(Cell1)의 양극과 양극 팩 단자(P+) 사이에 연결되고, 셀 보호 회로(132)는 대응하는 셀(Cell2)의 양극과, 이웃하는 셀(Cell1)의 음극 사이에 연결될 수 있다. 각 셀 보호 회로(131, 132)가 대응하는 셀의 양극에 연결되는 경우, 배터리 보호 회로는 셀 보호 회로(131, 132) 내 스위칭 소자(FET21, FET22)의 제어를 위해 전압 증폭 회로를 더 포함할 수 있다.
각 셀 보호 회로(131, 132)는 공통 드레인 구조를 가지는 복수의 FET(FET21, FET22), 셀 제어기(210), 복수의 저항(R21, R22) 및 캐패시터(C21)를 포함할 수 있다.
각 FET(FET21, FET22)는 대전류 경로 상에서 대응하는 셀과 직렬로 연결되며, 대전류 경로를 흐르는 전류(충전 전류 또는 방전 전류)의 흐름을 허용하거나 차단할 수 있다.
제1 FET(FET21)는 대응하는 셀의 방전 제어용 스위치로, 대전류 경로를 통해 외부의 부하로 공급되는 방전 전류의 흐름을 차단하거나 허용할 수 있다. 제1 FET(FET21)가 온 되는 경우, 제1 FET(FET21)의 제1 및 제2 단자가 도통되어 대전류 경로를 통해 부하로 방전 전류가 흐를 수 있다. 반면에, 제1 FET(FET21)가 오프되는 경우, 대전류 경로를 흐르는 방전 전류 흐름이 차단될 수 있다.
제2 FET(FET22)는 대응하는 셀의 충전 제어용 스위치로 대전류 경로를 통해 외부의 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류의 흐름을 차단하거나 허용할 수 있다. 제2 FET(FET22)가 온 되는 경우, 제2 FET(FET22)의 제1 및 제2 단자가 도통되어 대전류 경로를 통해 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류가 흐를 수 있다. 반면에, 제2 FET(FET22)가 오프되는 경우, 대전류 경로를 흐르는 충전 전류 흐름이 차단될 수 있다.
도 2를 예로 들면, 각 FET(FET21, FET22)는 N채널 FET로 구성된다. 이 경우, 각 FET(FET21, FET22)의 제1 단자, 제2 단자 및 제어 단자는 각각 소스 단자, 드레인 단자 및 게이트 단자가 된다. 또한, 제1 및 제2 FET(FET21, FET22)의 드레인 단자가 서로 연결되며, 제1 및 제2 FET(FET21, FET22)의 소스 단자는, 대응하는 셀의 음극과, 이웃하는 셀의 양극(또는 음극 팩 단자(P-))에 각각 연결된다.
셀 제어기(210)는 대응하는 셀의 양 단에 연결되어, 대응하는 셀의 셀 전압을 검출한다. 또한, 대응하는 셀의 셀 전압을 토대로 대응하는 셀의 과전압, 단락, 과전류(과충전 전류 또는 과방전 전류) 상태를 검출하고, 이를 토대로 제1 및 제2 FET(FET21, FET22)의 온/오프를 제어한다.
예를 들어, 셀 제어기(210)는 대응하는 셀의 전압이 기 설정된 과전압 이상이면, 충전 제어용 FET인 제2 FET(FET22)를 오프하여 충전 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 이 경우, 제2 FET(FET22)는 대응하는 셀의 전압이 다시 과전압보다 낮아지면 온 되어 대응하는 셀의 충전 전류 흐름을 허용할 수 있다. 여기서, 셀 제어기(210)에서 대응하는 셀의 과전압 상태를 판단하기 위한 기준 전압(과전압)은 배터리 제어기(110)에서 복수의 셀에 대한 과전압을 판단하기 위한 제1 기준 전압보다 높은 값으로 설정될 수 있다. 그러면, 배터리 제어기(110)가 셀 제어기(210)보다 과전압에 대한 보호 동작을 먼저 기동시킬 수 있다.
또한, 셀 제어기(210)는 대응하는 셀의 전압이 기 설정된 저전압 이하이면, 방전 제어용 FET인 제1 FET(FET21)를 오프하여 방전 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 이 경우, 제1 FET(FET21)는 대응하는 셀의 전압이 다시 저전압보다 높아지면 온 되어 대응하는 셀의 방전 전류 흐름을 허용할 수 있다. 여기서, 셀 제어기(210)에서 대응하는 셀의 저전압 상태를 판단하기 위한 기준 전압(저전압)은 배터리 제어기(110)에서 복수의 셀에 대한 저전압을 판단하기 위한 제2 기준 전압보다 낮은 값으로 설정될 수 있다. 그러면, 배터리 제어기(110)가 셀 제어기(210)보다 저전압에 대한 보호 동작을 먼저 기동시킬 수 있다.
제1 및 제2 FET(FET21, FET22)와, 셀 제어기(210)는 하나의 집적 회로(Integrated Circuit, IC)(200)로 구현될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제1 및 제2 FET(FET21, FET22)와, 셀 제어기(210)로 구성되는 IC를 '프로텍션 IC'라 명명하여 사용한다.
각 프로텍선 IC(200)는 대응하는 셀의 양극과 연결되는 VDD 단자, 대응하는 셀의 충방전 상태를 감지하기 위한 V- 단자, 대응하는 셀의 음극과 제1 FET(FET21)의 소스 단자를 연결하는 S1 단자 및 이웃하는 셀의 양극과 제2 FET(FET22)의 소스 단자를 연결하는 S2 단자를 포함할 수 있다.
제1 저항(R21)은 대응하는 셀의 양극에 연결되는 제1 단자와, 대응하는 프로텍션 IC(200)의 VDD 단자에 연결되는 제2 단자를 포함하며, VDD 단자를 통해 대응하는 셀의 양극 전압을 프로텍션 IC(200) 내 셀 제어기(210)로 전달할 수 있다.
캐패시터(C21)는 프로텍션 IC(200)의 VDD 단자(또는 제1 저항(R21)의 제2 단자)와, 프로텍션 IC(200)의 S1 단자 사이에 연결되며, 제1 저항(R21)과 함께 프로텍션 IC(200)로 입력되는 전압(대응하는 셀의 양단 전압)을 안정시키는 기능을 수행할 수 있다.
제2 저항(R22)은 프로텍션 IC(200)의 S2 단자(제2 FET(FET22)의 소스 단자)와 프로텍션 IC(200)의 V- 단자 사이에 연결되며, 제1 저항(R21)과 함께 프로텍션 IC(200)의 절대 최대 정격을 초과하는 고전압 충전 장치가 거꾸로 연결되는 경우에 대해 전류 제한 저항으로 동작할 수 있다.
셀 보호 회로들(131, 132)은 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 보호 회로가 탑재되는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)(300)에 실장될 수 있다.
도 3은 배터리 보호 회로가 탑재되는 PCB(300)의 일 예를 도시한 것으로서, 배터리 보호 회로(120)의 일부 구성 요소(예를 들어, 보호 회로(120))가 생략된 상태를 예로 들어 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, PCB(300)는 복수의 도전성 탭(NT1 ~ NT4)을 포함하며, 각 도전성 탭(NT1 ~ NT4)은 대응하는 셀의 양극 또는 음극에 결합한다. 또한, PCB(300)에는 프로텍션 IC(200), 제1 및 제2 저항(R21, R22), 그리고 캐패시터(C21)로 구성되는 셀 보호 회로(131, 132)가 실장된다.
이와 같이, 셀 보호 회로(131, 132)는 TCO와 달리 인쇄회로기판(300) 상에 실장이 가능하며, 각 셀에 반드시 접하도록 배치될 필요가 없다. 따라서, 셀 별로 보호 동작을 수행하기 위해 TCO를 사용하던 종래의 배터리 팩에 비해, 배터리 팩(100)의 조립 복잡도 및 단가를 낮출 수 있다.
또한, TCO를 사용하던 종래의 배터리 팩에 비해, 주변 온도에 의한 영향이 감소하여 셀 보호 동작의 정확도가 개선될 수 있다.
한편, 배터리 제어기(110), 보호 회로(120) 및 프로텍션 IC(200)의 셀 제어기(210)는, 서로의 보호 기능을 보조할 수 있다. 즉, 배터리 제어기(110), 보호 회로(120) 및 프로텍션 IC(200)의 셀 제어기(210) 중 어느 하나가 오동작하여 배터리 보호 기능을 제대로 수행하지 못하더라도, 나머지가 배터리 보호 기능을 수행하여 배터리 팩(100)의 안전성을 확보하도록 동작한다. 이를 위해, 배터리 제어기(110), 보호 회로(120) 및 프로텍션 IC(200)의 셀 제어기(210)는 서로 독립적으로 구동된다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 배터리 모듈
30: 인터페이스
100: 배터리 팩
110: 배터리 제어기
120: 보호 회로
131, 132: 셀 보호 회로
300: 프로텍션 IC
310: 셀 제어기
400: PCB
C-SW: 충전 제어 스위치
D-SW: 방전 제어 스위치
F: 퓨즈 소자
TS: 온도 센서
FET21: 제1 FET
FET22: 제2 FET
R21: 제1 저항
R22: 제2 저항
C21: 캐패시터
D21, D22: 기생 다이오드

Claims (15)

  1. 직렬 연결되는 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈과 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치,
    상기 복수의 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및
    상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 중 서로 이웃하는 두 개의 셀 사이에 연결되며, 상기 두 개의 셀 중 어느 하나의 셀 전압에 기초하여 상기 두 개의 셀 사이의 전류를 차단하거나 허용하는 제1 보호 회로를 포함하며,
    상기 제1 보호 회로는,
    상기 대전류 경로 상에서 상기 두 개의 셀 사이에 직렬 연결되며, 상기 두 개의 셀 사이의 전류 흐름을 선택적으로 차단하는 적어도 하나의 스위치, 및
    상기 두 개의 셀 중 어느 하나의 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함하는 배터리 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대전류 경로에 직렬 연결되는 퓨즈 소자, 및
    상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자를 제어하는 제2 보호 회로를 더 포함하는 배터리 보호 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 퓨즈 소자는,
    제어 단자,
    상기 제어 단자에 연결되며 상기 제어 단자에 인가되는 전압에 따라 발열하는 적어도 하나의 발열용 저항, 및
    상기 대전류 경로에 직렬 연결되며, 상기 발열용 저항의 발열에 의해 단선되는 퓨즈를 포함하는 배터리 보호 회로.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보호 회로는 서로 독립적으로 구동되는 배터리 보호 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치는, 전계 효과 트랜지스터인 배터리 보호 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치는,
    드레인 단자, 상기 어느 하나의 셀의 제1 전극에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 어느 하나의 셀에 제1 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 배터리 보호 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치는,
    상기 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 어느 하나의 셀과 이웃하는 셀에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 어느 하나의 셀에 제2 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하는 배터리 보호 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 보호 회로 각각은,
    상기 어느 하나의 셀의 제2 전극에 연결되며, 상기 어느 하나의 셀의 제2 전극의 전압을 상기 셀 제어기로 전달하는 제1 저항,
    상기 제1 저항과 상기 어느 하나의 셀의 제1 전극 사이에 연결되는 캐패시터, 및
    상기 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 제1 저항과 전류 제한 저항으로 동작하는 제2 저항을 더 포함하는 배터리 보호 회로.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 어느 하나의 셀의 제1 전극은, 상기 어느 하나의 셀의 음극인 배터리 보호 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 셀의 과전압 또는 저전압에 대해서, 상기 배터리 제어기가 상기 셀 제어기 보다 보호 동작을 먼저 기동시키는 배터리 보호 회로.
  11. 직렬 연결되는 복수의 셀이 포함된 배터리 모듈,
    복수의 팩 단자,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치,
    상기 복수의 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및
    상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 중 서로 이웃하는 두 개의 셀 사이에 연결되며, 상기 두 개의 셀 중 어느 하나의 셀 전압에 기초하여 상기 두 개의 셀 사이의 전류를 차단하거나 허용하는 제1 보호 회로를 포함하며,
    상기 제1 보호 회로는,
    상기 대전류 경로 상에서 상기 두 개의 셀 사이에 직렬 연결되며, 상기 두 개의 셀 사이의 전류 흐름을 선택적으로 차단하는 적어도 하나의 스위치, 및
    상기 두 개의 셀 중 어느 하나의 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 대전류 경로에 직렬 연결되는 퓨즈 소자, 및
    상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자를 제어하는 제2 보호 회로를 더 포함하는 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치는,
    드레인 단자, 상기 어느 하나의 셀의 제1 전극에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 어느 하나의 셀에 제1 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터, 및
    상기 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 어느 하나의 셀과 이웃하는 셀에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 어느 하나의 셀에 제2 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 제1 보호 회로 각각은,
    상기 어느 하나의 셀의 제2 전극에 연결되며, 상기 어느 하나의 셀의 제2 전극의 전압을 상기 셀 제어기로 전달하는 제1 저항,
    상기 제1 저항과 상기 어느 하나의 셀의 제1 전극 사이에 연결되는 캐패시터, 및
    상기 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 제1 저항과 전류 제한 저항으로 동작하는 제2 저항을 더 포함하는 배터리 팩.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 셀의 과전압 또는 저전압에 대해서, 상기 배터리 제어기가 상기 셀 제어기보다 보호 동작을 먼저 기동시키는 배터리 팩.
KR1020170157636A 2017-08-14 2017-11-23 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩 KR102519119B1 (ko)

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