KR102666299B1 - 배터리 제어 장치 및 배터리를 포함하는 전자기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치는, 제1 배터리에서 출력부로 흐르는 제1 전류를 감지하도록 구성된 제1 전류 감지부와, 제1 전류 감지부의 감지결과를 이용하여 제1 전류가 기준전류를 초과할 경우에 제1 전류의 증가를 제한하도록 구성된 제1 전류 제한부와, 제1 전류 제한부의 제한 동작에 기반하여 제2 배터리의 제2 전류를 출력부로 통과시키도록 구성된 제2 전류 활성부를 포함할 수 있다.

Description

배터리 제어 장치 및 배터리를 포함하는 전자기기{Apparatus for controlling batteries and electronic device including batteries}
본 발명은 배터리 제어 장치 및 배터리를 포함하는 전자기기에 관한 것이다.
최근, 컴퓨터, 휴대전화 단말기 등의 전자기기의 보급에 수반해, 그 전원인 배터리는 더욱 더 소형화, 고용량화가 요구되고 있다. 현재, 에너지 밀도가 높고 소형 경량화를 도모할 수 있는 리튬이온 이차전지가 실용화되어 있고 휴대용 전원으로서 수요가 증대되어 있다. 그러나 사용되는 전자기기의 종류에 따라서는 이 리튬 이차전지에서는 아직 충분한 연속 사용시간을 보증하기까지는 도달하지 않았다.
예를 들어, 전자기기는 다양한 기능을 제공하기 위해 다양한 크기의 전류나 고전류를 필요로 할 수 있으나, 배터리의 수명은 이러한 다양하거나 큰 전류를 제공함에 따라 줄어들 수 있다.
휴대용 단말기 등의 전자기기의 수명은 실질적으로 배터리의 수명에 의해 결정되므로, 배터리의 수명 감소는 전자기기에도 치명적일 수 있다.
일본 공개특허공보 특개2008-4379
본 발명은 배터리 제어 장치 및 배터리를 포함하는 전자기기를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치는, 제1 배터리에서 출력부로 흐르는 제1 전류를 감지하도록 구성된 제1 전류 감지부; 상기 제1 전류 감지부의 감지결과를 이용하여 상기 제1 전류가 기준전류를 초과할 경우에 상기 제1 전류의 증가를 제한하도록 구성된 제1 전류 제한부; 및 상기 제1 전류 제한부의 제한 동작에 기반하여 제2 배터리의 제2 전류를 상기 출력부로 통과시키도록 구성된 제2 전류 활성부; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기기는, 부하의 배치공간을 제공하는 기판; 상기 부하로 제1 전력을 제공하고 액체 전해질을 포함하는 제1 배터리; 상기 기판 상에 실장되고 고체 전해질을 포함하는 제2 배터리; 및 상기 부하의 입력전류가 기준전류 이하일 경우에 상기 제2 배터리에서 상기 부하로 제공되는 제2 전력을 차단하고 상기 부하의 입력전류가 기준전류를 초과할 경우에 상기 제2 전력의 상기 부하로의 공급을 활성화하도록 구성된 배터리 제어부; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치는, 배터리의 수명을 쉽게 연장시킬 수 있으며, 배터리에 요구되는 규격(예: 최대전류, 정격용량)의 완화에 따라 배터리의 사이즈를 더욱 쉽게 줄일 수 있으며, 배터리의 안전성(예: 고온환경에서의 폭발 가능성)을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리를 포함하는 전자기기는, 배터리의 수명단축을 실질적으로 유발하지 않으면서도 부하의 실질적 성능을 향상시킬 수 있으므로, 보다 개선된 어플리케이션(예: 통신, 디스플레이, 빅데이터 관리 등) 성능을 확보할 수 있으며, 배터리의 안정성 및 내구성을 향상시켜서 보다 개선된 전자기기의 안정성 및 내구성을 가질 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 배터리 제어 장치보다 배터리 개수가 더 많아진 구조를 나타낸 도면이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 배터리 제어 장치에 전압 조정부가 추가된 구조를 나타낸 도면이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리를 포함하는 전자기기를 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 각 구성요소간 연결관계를 나타낸 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치를 나타낸 회로도이다.
도 2c는 제1 전류가 기준전류 이하일 경우의 도 2b에 도시된 제1 전류 제한부의 등가회로를 나타낸 회로도이다.
도 2d는 제1 전류가 기준전류 초과일 경우의 도 2b에 도시된 제1 전류 제한부의 등가회로를 나타낸 회로도이다.
도 2e는 도 2d에 도시된 제1 전류 제한부 및 제2 전류 활성부의 전압 기반 동작 구조를 나타낸 회로도이다.
도 2f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 능동 제어 구조를 나타낸 회로도이다.
도 2g는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 전압 조정부가 생략된 구조를 나타낸 회로도이다.
도 2h는 도 1b에 도시된 배터리 제어 장치를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 부하로 흐르는 전류의 변화에 따른 제1 및 제2 배터리의 제1 및 제2 전류의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 제어대상인 제2 배터리를 나타낸 측면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 제2 배터리의 기판 상의 실장을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치 및/또는 전자기기의 제어를 나타낸 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치를 나타낸 도면이고, 도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 각 구성요소간 연결관계를 나타낸 도면이다.
도 1a 및 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치(100a)는, 출력부(50)에서 부하(40)로 흐르는 출력전류(I0)에 따른 제1 및 제2 전류(I1, I2)의 크기를 조절할 수 있다. 여기서, 출력전류(I0)는 제1 배터리(10)의 제1 전류(I1)와 제2 배터리(20)의 제2 전류(I2)의 합에 대응될 수 있다.
배터리 제어 장치(100a)는 제1 배터리(10)와 제2 배터리(20)에 대한 제어를 통해 제1 및 제2 전류(I1, I2)를 조절할 수 있다.
제1 배터리(10)와 제2 배터리(20)는 서로 다른 특성(예: 정격전압, 정격용량, 전기적 안정성, 물리적/화학적 내구성, 사이즈 등)을 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 배터리(10)는 제1 전류(I1)의 크기를 비교적 쉽게 증가시킬 수 있고, 큰 용량을 가짐에 따라 제1 전류(I1)를 안정적으로 부하(40)로 제공하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 배터리(10)는 액체 전해질을 포함하도록 구성될 수 있으며, 제2 배터리(20)에 비해 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가지거나 단위 에너지 기준으로 상대적으로 저렴하게 제작될 수 있다. 따라서, 제1 배터리(10)는 제2 배터리(20)의 제2 전류(I2)보다 더 큰 제1 전류(I1)를 부하(40)로 비교적 쉽게 공급할 수 있다.
예를 들어, 제2 배터리(20)는 비교적 소전류인 제2 전류(I2)를 유연하게 부하(40)로 제공할 수 있고, 높은 안정성/내구성을 가지거나 비교적 쉽게 소형화될 수 있다.
예를 들어, 제2 배터리(20)는 고체 전해질을 포함하도록 구성될 수 있으며, 제1 배터리(10)에 비해 상대적으로 온도 변화와 외부 충격에 강한 특성을 가질 수 있으며, 고체 전해질의 안정적인 상태에 기반하여 부하(40)로 공급되는 제2 전류(I2)의 변화에 더욱 효율적으로 대처할 수 있다.
배터리 제어 장치(100a)는 서로 다른 특성의 제1 배터리(10)와 제2 배터리(20)에 대해 서로 다른 원리 및/또는 방식으로 제어함으로써, 서로 다른 특성의 제1 및 제2 전류를 효율적으로 조합하여 출력전류(I0)를 제공할 수 있다.
도 1a 및 도 2a를 참조하면, 제1 전류 감지부(110), 제1 전류 제한부(120) 및 제2 전류 활성부(130)를 포함한다.
예를 들어, 제1 전류 감지부(110), 제1 전류 제한부(120) 및 제2 전류 활성부(130)는 단일 IC(Integrated Circuit)으로 구성될 수 있으며, 전력관리회로와 함께 단일 IC로 구성될 수 있으며, 복수의 IC로 구성될 수 있다.
제1 전류 감지부(110)는 제1 배터리(10)에서 출력부(50)로 흐르는 제1 전류(I1)를 감지하도록 구성된다.
제1 전류 제한부(120)는 제1 전류 감지부(110)의 감지결과를 이용하여 제1 전류(I1)가 기준전류(예: 3A)를 초과할 경우에 제1 전류(I1)의 증가를 제한하도록 구성된다.
제2 전류 활성부(130)는 제1 전류 제한부(120)의 제한 동작에 기반하여 제2 배터리(20)의 제2 전류(I2)를 출력부(50)로 통과시키도록 구성된다.
예를 들어, 출력전류(I0)의 크기가 기준전류 이하일 경우, 배터리 제어 장치(100a)는 실질적으로 제1 배터리(10)만 부하(40)로 제1 전류(I1)를 공급하도록 제1 및 제2 배터리(10, 20)를 제어할 수 있다.
예를 들어, 출력전류(I0)의 크기가 기준전류 초과인 경우, 배터리 제어 장치(100a)는 제1 배터리(10)가 기준전류와 실질적으로 동일한 크기의 제1 전류(I1)를 부하(40)로 공급하고 제2 배터리(20)가 출력전류(I0)에서 제1 전류(I1)를 제외한 나머지에 대응되는 제2 전류(I2)를 부하(40)로 공급하도록 제1 및 제2 배터리(10, 20)를 제어할 수 있다.
이에 따라, 배터리 제어 장치(100a)는 제1 전류(I1)의 크기가 너무 커지는 것을 제한할 수 있으므로, 제1 배터리(10)의 수명을 쉽게 연장시킬 수 있으며, 제1 배터리(10)에 요구되는 규격(예: 최대전류, 정격용량)의 완화에 따라 제1 배터리(10)의 사이즈를 더욱 쉽게 줄일 수 있으며, 제1 배터리(10)의 안전성(예: 고온환경에서의 폭발 가능성)을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 배터리 제어 장치(100a)는 제2 배터리(20)의 최대전류 및/또는 정격용량에 상관없이 큰 출력전류(I0)를 부하(40)로 제공할 수 있다.
또한, 부하(40)는 제1 배터리(10)의 수명단축을 실질적으로 유발하지 않으면서도 넓은 범위의 출력전류(I0)를 유연하게 제공받을 수 있으므로, 다양한 회로 동작을 효율적으로 수행하거나 다양한 에너지 수요에 효율적으로 대처할 수 있다. 예를 들어, 부하(40)는 비교적 큰 출력전류(I0)를 원활하게 제공받음으로써, 사용하는 신호의 왜곡현상(예: 펄스 파형의 상승/하강 속도 한계, 상승/하강 포화 등)을 방지할 수 있다.
도 1b는 도 1a에 도시된 배터리 제어 장치보다 배터리 개수가 더 많아진 구조를 나타낸 도면이다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치는, 제3 배터리(31, 32, 33)를 더 제어할 수 있다.
제2 전류 활성부(130)는 제1 전류 제한부(120)의 제한 동작에 기반하여 제2 배터리(20)에 전기적으로 연결된 제3 배터리(31, 32, 33)의 제3 전류를 출력부(50)로 통과시키도록 구성될 수 있다.
제3 배터리(31, 32, 33)가 제2 배터리(20)에 병렬로 연결될 경우, 부하로 제공되는 출력전류의 크기는 제1 배터리(10)의 제1 전류의 실질적 증가 없이도 더욱 커질 수 있다.
제3 배터리(31, 32, 33)가 제2 배터리(20)에 직렬로 연결될 경우, 제2 배터리(20)와 제3 배터리(31, 32, 33)의 총 전압은 제2 배터리(20)의 제2 전압에 비해 더욱 높아질 수 있다.
따라서, 제2 배터리(20)와 제3 배터리(31, 32, 33)의 총 전압은 제1 배터리(10)의 제1 전압이 비교적 높을 경우에 상기 제1 전압에 더욱 쉽게 맞춰질 수 있다.
도 1c는 도 1a에 도시된 배터리 제어 장치에 전압 조정부가 추가된 구조를 나타낸 도면이다.
도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치는, 전압 조정부(140)를 더 포함할 수 있다.
전압 조정부(140)는 제2 배터리(20)의 제2 전압이 제1 배터리(10)의 제1 전압에 더 가까워지도록 제2 전압을 조정하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 전압 조정부(140)는 부스트(boost) DC-DC 컨버터 회로나, 차치 펌프 회로로 구현될 수 있으며, 제1 배터리(10)와 제2 배터리(20)의 사이에서 충방전을 지원할 수 있다.
제2 배터리(20)의 제2 전압이 제1 배터리(10)의 제1 전압에 가까울수록, 제2 배터리(20)의 제2 전류의 크기의 변화에 따른 부하의 전압의 변화율은 작아질 수 있다. 따라서, 부하는 제1 및 제2 배터리(10, 20)로부터 비교적 큰 출력전류를 안정적으로 제공받을 수 있으며, 부하에 연계될 수 있는 저전압 보호 회로 등의 동작을 방지할 수 있다.
도 1d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리를 포함하는 전자기기를 나타낸 도면이다.
도 1d를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리를 포함하는 전자기기는, 기판(60), 제1 배터리(10), 제2 배터리(20) 및 배터리 제어부(100b)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기기의 종류는, 스마트 폰(smart phone), 개인용 정보 단말기(personal digital assistant), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 네트워크 시스템(network system), 컴퓨터(computer), 모니터(monitor), 태블릿(tablet), 랩탑(laptop), 넷북(netbook), 텔레비전(television), 비디오 게임(video game), 스마트 워치(smart watch), 오토모티브(Automotive) 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
기판(60)은 부하(40)의 배치공간을 제공할 수 있다.
예를 들어, 기판(60)은 인쇄회로기판(PCB)와 같이 배선과 절연층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있으며, 부하(40)와 배터리 제어부(100b) 사이를 전기적으로 연결시키는 제1 배선과, 제2 배터리(20)와 배터리 제어부(100b) 사이를 전기적으로 연결시키는 제2 배선이 배치된 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 부하(40)는 중앙처리장치(CPU)나 애플리캐이션 프로세서(application processor)의 일부 또는 주변 구성요소일 수 있으며, 제1 배터리(10) 및/또는 제2 배터리(20)로부터 공급받는 출력전류에 기반하여 디지털 및/또는 아날로그 신호를 생성하거나 신호에 기반하여 정보를 처리/출력할 수 있다. 예를 들어, 상기 신호 및/또는 정보는 통신모뎀이나 고주파회로 등으로 전달되어 통신에 사용되거나 디스플레이 장치나 영상처리유닛에 전달되어 디스플레이에 사용될 수 있다.
예를 들어, 부하(40)는 PMIC(Power Management Integrated Circuit)를 통해 배터리 제어부(100b)의 출력전류를 조절할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 배터리(10)는 부하(40)로 제1 전력을 제공하고 액체 전해질을 포함할 수 있다.
제2 배터리(20)는 기판(60) 상에 실장되고 고체 전해질을 포함할 수 있다.
배터리 제어부(100b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치에 대응될 수 있다. 배터리 제어부(100b)는 부하(40)의 입력전류가 기준전류 이하일 경우에 제2 배터리(20)에서 부하(40)로 제공되는 제2 전력을 차단하고 부하(40)의 입력전류가 기준전류를 초과할 경우에 제2 전력의 부하(40)로의 공급을 활성화하도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 부하(40)는 제1 배터리(10)의 수명단축을 실질적으로 유발하지 않으면서도 넓은 범위의 출력전류를 유연하게 제공받을 수 있으므로, 다양한 회로 동작을 효율적으로 수행하거나 다양한 에너지 수요에 효율적으로 대처할 수 있다. 예를 들어, 부하(40)는 비교적 큰 출력전류를 원활하게 제공받음으로써, 사용하는 신호의 왜곡현상(예: 펄스 파형의 상승/하강 속도 한계, 상승/하강 포화 등)을 방지할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리를 포함하는 전자기기는, 제1 배터리(10)의 수명단축을 실질적으로 유발하지 않으면서도 부하(40)의 실질적 성능을 향상시킬 수 있으므로, 보다 개선된 어플리케이션(예: 통신, 디스플레이, 빅데이터 관리 등) 성능을 확보할 수 있으며, 제1 및 제2 배터리(10, 20)의 안정성 및 내구성을 향상시켜서 보다 개선된 전자기기의 안정성 및 내구성을 가질 수 있다.
한편, 도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치(100a) 및/또는 배터리 제어부(100b)는, 제1 양극 접속부(LB+), 제1 음극 접속부(LB-), 제2 양극 접속부(SB+) 및 제2 음극 접속부(SB-)를 포함할 수 있다.
제1 양극 접속부(LB+)는 제1 배터리(10)의 양극이 접속되도록 구성될 수 있다.
제1 음극 접속부(LB-)는 제1 배터리(10)의 음극이 접속되도록 구성될 수 있다.
제2 양극 접속부(SB+)는 제2 배터리(20)의 양극이 접속되도록 구성될 수 있다.
제2 음극 접속부(SB-)는 제2 배터리(20)의 음극이 접속되도록 구성될 수 있다.
즉, 제1 배터리(10)와 제2 배터리(20)는 서로 다른 전기적 경로를 통해 배터리 제어 장치(100a) 및/또는 배터리 제어부(100b)에 전기적으로 연결될 수 있다.
따라서, 제1 배터리(10)와 제2 배터리(20)는 각각 전자기기 내에서 서로에게 적합한 위치에 배치될 수 있으므로, 전자기기 내에서의 제1 배터리(10)와 제2 배터리(20)의 배치 자유도는 향상될 수 있다.
예를 들어, 제1 배터리(10)가 비교적 큰 사이즈를 가질 경우, 제1 배터리(10)는 기판(60)으로부터 분리되어 배치될 수 있다.
예를 들어, 배터리 제어부(100b)와 제2 배터리(20)가 기판(60)에 전기적으로 연결될 경우, 제2 양극 접속부(SB+)와 제2 음극 접속부(SB-)는 기판(60)의 서로 다른 복수의 배선을 통해 제2 배터리(20)의 양극 및 음극에 각각 접속될 수 있다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치를 나타낸 회로도이다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치는, 제1 전류 감지부(110a), 제1 전류 제한부(120a) 및 제2 전류 활성부(130a)를 포함할 수 있으며, 부하(40a)로 공급되는 출력전류에 따라 제1 배터리(10a) 및 제2 배터리(20a)를 제어할 수 있다.
제1 배터리(10a)는 제1 및 제2 캐패시터(C1, C2)와 제0, 제1 및 제2 저항(R0, R1, R2)와 개방회로전압(Voc)의 조합으로 모델링될 수 있다.
제2 배터리(20a)는 제3 캐패시터(Cs)와 제3 저항(Rs)의 조합으로 모델링될 수 있다.
부하(40a)는 최대저항(Rmax)과 최소저항(Rmin)과 스위치(ton, toff)의 조합으로 모델링될 수 있으며, 출력부(50)에 연결될 수 있다.
제1 전류 감지부(110a)는 제1 전류에 기반하여 감지전류를 생성하는 변류기를 포함할 수 있다. 변류기의 1차측(CT11)은 제1 배터리(10a)와 부하(40a) 사이에 전기적으로 연결될 수 있으며, 변류기의 2차측(CT12)은 제1 전류 제한부(120a)에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전류 제한부(120a)는 변류기의 2차측(CT12)에 흐르는 감지전류에 대응되는 감지전압을 제공하는 임피던스 소자(RCT)를 포함할 수 있다.
제1 전류 제한부(120a)는 상기 감지전압이 기준전류에 대응되는 기준전압에 도달할 경우에 항복 상태가 되는 다이오드(U1)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다이오드(U1)는 제너 다이오드일 수 있다.
다이오드(U1)에 역방향 바이어스가 인가되고 상기 감지전압이 상기 기준전압에 도달하지 못한 경우, 다이오드(U1)의 전류는 매우 작을 수 있다.
다이오드(U1)에 역방향 바이어스가 인가되고 상기 감지전압이 기준전압에 도달한 경우, 다이오드(U1)의 전류는 다이오드(U1)의 항복 상태에 따라 급격히 커질 수 있다.
또한, 다이오드(U1)가 항복 상태일 경우, 다이오드(U1)의 전류 변화에 따른 전압 변화율은 매우 작을 수 있다.
제1 전류 제한부(120a)는 다이오드(U1)의 전압을 게이트 단자를 통해 입력 받는 전류 제한 트랜지스터(M1)을 포함할 수 있다.
다이오드(U1)가 항복 상태일 경우, 다이오드(U1)의 전압이 거의 변하지 않으므로, 전류 제한 트랜지스터(M1)의 드레인 단자와 소스 단자 사이를 흐르는 전류도 거의 변하지 않을 수 있다.
전류 제한 트랜지스터(M1)는 드레인 단자와 소스 단자 사이 경로를 제1 배터리(10a)의 제1 전류에 대응되는 전류가 흐르는 경로로 사용할 수 있다.
다이오드(U1)가 항복 상태일 경우, 전류 제한 트랜지스터(M1)의 드레인 단자와 소스 단자 사이를 흐르는 전류가 거의 변하지 않으므로, 제1 배터리(10a)의 제1 전류의 증가는 제한될 수 있다.
즉, 제1 전류 제한부(120a)는 다이오드(U1)의 항복전압을 이용하여 제1 배터리(10a)의 제1 전류의 증가를 제한하도록 구성될 수 있다.
다이오드(U1)의 전류는 구동저항(RM)을 통해 제2 전류 활성부(130a)로 전달될 수 있다.
제2 전류 활성부(130a)는 다이오드(U1)의 전류를 베이스 단자를 통해 입력 받는 전류 활성화 트랜지스터(Q2)를 포함할 수 있다.
전류 활성화 트랜지스터(Q2)는 에미터 단자와 콜렉터 단자 사이의 경로를 제2 배터리(20)와 출력부(50) 사이의 전기적 경로로 사용할 수 있다.
다이오드(U1)가 항복 상태가 아닐 경우, 전류 활성화 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자의 베이스 전류는 매우 작을 수 있으며, 전류 활성화 트랜지스터(Q2)의 에미터 단자와 콜렉터 단자 사이의 전류도 작을 수 있다. 따라서, 전류 활성화 트랜지스터(Q2)는 경로를 제2 배터리(20)와 출력부(50) 사이의 전기적 경로를 차단할 수 있다.
다이오드(U1)가 항복 상태일 경우, 전류 활성화 트랜지스터(Q2)의 베이스 단자의 베이스 전류는 커질 수 있으며, 전류 활성화 트랜지스터(Q2)의 에미터 단자와 콜렉터 단자 사이의 전류도 커질 수 있다. 따라서, 전류 활성화 트랜지스터(Q2)는 경로를 제2 배터리(20)와 출력부(50) 사이의 전기적 경로를 활성화시킬 수 있다.
결국, 제2 전류 활성부(130a)는 제1 전류 제한부(120a)의 제1 전류 증가 제한 동작에 기반하여 제2 배터리(20)의 제2 전류를 출력부(50)로 통과시킬 수 있다.
한편, 전류 제한 트랜지스터(M1)는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)이고, 전류 활성화 트랜지스터(Q2)는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 전류 활성화 트랜지스터(Q2)는 베이스 단자의 전류에 기반하여 동작하는 다른 유형의 트랜지스터로 구성될 수도 있다.
도 2c는 제1 전류가 기준전류 이하일 경우의 도 2b에 도시된 제1 전류 제한부의 등가회로를 나타낸 회로도이다.
도 2c를 참조하면, 출력전류(I0) 또는 제1 전류(I1)가 기준전류(IR) 이하일 경우, 다이오드(D1)의 전압(VB)은 기준전압(VR)에 도달하지 못하며, 다이오드(D1)의 전류(IB)는 거의 0A에 가까울 수 있다.
이에 따라, 제2 전류(I2)도 거의 0A에 가까울 수 있으며, 출력전류(I0)와 제1 전류(I1)는 거의 동일할 수 있다.
도 2d는 제1 전류가 기준전류 초과일 경우의 도 2b에 도시된 제1 전류 제한부의 등가회로를 나타낸 회로도이다.
도 2d를 참조하면, 출력전류(I0) 또는 제1 전류(I1)가 기준전류(IR) 초과일 경우, 다이오드는 항복 상태에 따라 정전압원(VS)으로 동작할 수 있다.
이에 따라, 다이오드의 전압(VB)의 변화는 제한될 수 있으며, 제1 전류(I1)의 증가는 제한될 수 있다.
또한, 다이오드의 전류(IB)는 보다 자유롭게 변동될 수 있으므로, 0A보다 커질 수 있으며, 제2 전류(I2)도 0A보다 커질 수 있다. 따라서, 출력전류(I0)는 거의 변화가 없는 제1 전류(I1)와 유동적인 제2 전류(I2)의 합에 대응되는 크기를 가질 수 있다.
또한, 다이오드의 항복 상태에 따른 정전압원(VS) 동작은 전압 조정부(140)의 동작(예: 전하 충방전)도 지원할 수 있다.
도 2e는 도 2d에 도시된 제1 전류 제한부 및 제2 전류 활성부의 전압 기반 동작 구조를 나타낸 회로도이다.
도 2e를 참조하면, 제2 전류 활성부(130b)는 설계에 따라 제2 전계 효과 트랜지스터(M2)로 구현될 수도 있다. 따라서, 제2 전류 활성부(130b)에 포함된 트랜지스터의 종류는 특별히 제한되지 않는다.
여기서, 제2 전계 효과 트랜지스터(M2)의 게이트 단자는 다이오드 게이트 저항(RB)에 연결될 수 있으며, 다이오드 게이트 저항(RB)은 접지에 연결될 수 있다.
다이오드의 항복 상태에 기반한 정전압원(VS)에 다른 전류는 다이오드 게이트 저항(RB)을 통해 접지로 흐를 수 있으며, 다이오드 게이트 저항(RB)과 상기 게이트 단자의 사이의 전압은 다이오드의 전류에 대응될 수 있다.
도 2f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 능동 제어 구조를 나타낸 회로도이다.
도 2f를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치는, 제1 전류 감지부(110b)의 감지결과(VD)에 기반하여 제어신호(VC)를 생성하는 제어부(150)를 더 포함할 수 있다. 즉, 제1 전류 감지부(110b)의 동작 원리는 항복전압으로 한정되지 않는다.
제1 전류 제한부(120b)는 상기 제어신호(VC)에 따라 제1 배터리(10a)의 제1 전류의 증가 제한 여부가 선택되도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 전류 제한부(120b)는 상기 제어신호(VC)에 따라 온/오프 상태가 결정되는 스위치(T1)를 포함할 수 있다. 여기서, 스위치(T1)는 드레인 단자와 소스 단자 사이의 전기적 경로의 활성화 여부를 게이트 단자에 입력되는 제어신호(VC)에 따라 결정하도록 트랜지스터로 구성될 수 있다.
도 2g는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 전압 조정부가 생략된 구조를 나타낸 회로도이다.
도 2g를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 전압 조정부는 생략될 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2 배터리(10a, 20a)의 제1 및 제2 전압이 서로 유사할 경우, 전압 조정부는 쉽게 생략될 수 있다.
예를 들어, 부하(40a)에서 요구되는 전압 안정성이 낮거나 부하(40a)가 전압 변동을 완화시키는 보조 구조를 더 포함할 경우, 전압 조정부는 쉽게 생략될 수 있다.
도 2h는 도 1b에 도시된 배터리 제어 장치를 나타낸 회로도이다.
도 2h를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치는, 제3 배터리(31, 32, 33)의 전류를 제2 전류 활성부(130a)의 활성화 여부에 따라 선택적으로 부하(40a)로 제공할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 회로 구조에서 배터리의 개수는 특별히 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 부하로 흐르는 전류의 변화에 따른 제1 및 제2 배터리의 제1 및 제2 전류의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 부하로 공급되는 총 전류(IO)가 증가시간(TL) 동안에 최대전류(Imax)로 증가할 때, 제1 배터리의 제1 전류(I1)는 기준전류(IR)까지 증가할 수 있으며, 제2 배터리의 제2 전류(I2)는 제1 전류(I1)가 기준전류(IR)까지 증가한 순간부터 증가할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치의 제어대상인 제2 배터리를 나타낸 측면도이다.
도 4a를 참조하면, 제2 배터리(20a)는 고체 전해질(21), 내부양극(22a), 내부음극(22b), 양극 차단부(23a), 음극 차단부(23b), 양극 마진부(24a), 음극 마진부(24b), 외부양극(25a) 및 외부음극(25b)을 포함할 수 있다.
내부양극(22a)은 고체 전해질(21)의 상면 및 하면 중 하나에 배치될 수 있다. 내부음극(22b)은 고체 전해질(21)의 상면 및 하면 중 다른 하나에 배치될 수 있다.
예를 들어, 내부양극(22a)과 내부음극(22b)은 고체 전해질(21)을 사이에 두고 교대로 적층될 수 있다. 예를 들어, 내부음극(22b)과 내부양극(22a)은 세라믹 산화물계 재료를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 고체 전해질(21)은 리튬 이온이 내부양극(22a)과 내부음극(22b)의 사이에서 이동하는 영역으로 작용할 수 있으며, 세라믹 산화물계 재료를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 고체 전해질(21)과 내부양극(22a)과 내부음극(22b)은 슬러리 상태 또는 페이스트 상태에서 적층된 후에 소성될 수 있다. 슬러리는 닥터 블레이드 법 등으로 적층될 수 있으며, 페이스트는 스크린 인쇄법 또는 그라비아 인쇄법 등으로 소정의 형태로 인쇄될 수 있다.
외부양극(25a)은 내부양극(22a)에 접속되고 고체 전해질(21)의 제1 측면에 배치될 수 있다.
외부음극(25b)은 내부음극(22b)에 접속되고 고체 전해질(21)의 제2 측면에 배치될 수 있다.
예를 들어, 외부양극(25a)과 외부음극(25b)은 귀금속(예: Pt, Au, Ag)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, Cu, Pd, Pb, Ni, Sn과 같은 금속을 포함하도록 구성될 수도 있으며, 도금층을 포함할 수 있다.
외부양극(25a)과 외부음극(25b)의 외부표면은 솔더 페이스트에 접촉할 수 있으며, 솔더 페이스트를 통해 PCB와 같은 기판에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 솔더 페이스트는 전고체전지(110)가 기판 상에 실장된 상태에서 굳어질 수 있다.
도 4b는 도 4a에 도시된 제2 배터리의 기판 상의 실장을 나타낸 사시도이다.
도 4b를 참조하면, 제2 배터리(20a)의 외부양극(25a)과 외부음극(25b)은 각각 제1 및 제2 전기연결구조체(61a, 61b)의 상면 상에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 전기연결구조체(61a, 61b)은 기판(60) 상에 배치될 수 있다.
여기서, 외부양극(25a)과 외부음극(25b)은 주석이나 주석을 포함하는 합금 기반의 솔더에 의해 제1 및 제2 전기연결구조체(61a, 61b)에 각각 고정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치 및/또는 전자기기의 제어를 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 장치 및/또는 전자기기는, 제1 단계(S110)에서, 제1 배터리의 제1 전류 또는 출력전류를 감지할 수 있다.
상기 배터리 제어 장치 및/또는 전자기기는, 제2 단계(S115)에서, 제1 전류가 기준 전류를 초과하는지 여부를 확인할 수 있다.
상기 배터리 제어 장치 및/또는 전자기기는, 제3 단계(S120)에서, 제1 전류가 기준 전류를 초과하는 경우에 제1 전류의 증가를 제한할 수 있다.
상기 배터리 제어 장치 및/또는 전자기기는, 제4 단계(S131)에서, 제1 전류가 기준 전류를 초과하는 경우에 제2 배터리의 제2 전류를 활성화할 수 있다.
상기 배터리 제어 장치 및/또는 전자기기는, 제5 단계(S132)에서, 제1 전류가 기준 전류 이하인 경우에 제2 배터리의 제2 전류를 차단할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자기기는, 도 5에 도시된 제어 방법을 배터리 제어 장치를 통해 수행할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, PMIC에 의해 수행하거나, 프로세서 등에 의해 소프트웨어적으로 수행할 수도 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
10: 제1 배터리
20: 제2 배터리
31, 32, 33: 제3 배터리
40: 부하
50: 출력부
100a: 배터리 제어 장치
100b: 배터리 제어부
110: 제1 전류 감지부
120: 제1 전류 제한부
130: 제2 전류 활성부
140: 전압 조정부
150: 제어부
LB+: 제1 양극 접속부
LB-: 제1 음극 접속부
SB+: 제2 양극 접속부
SB-: 제2 음극 접속부

Claims (16)

  1. 제1 배터리에서 출력부로 흐르는 제1 전류를 감지하도록 구성된 제1 전류 감지부;
    상기 제1 전류 감지부의 감지결과를 이용하여 상기 제1 전류가 기준전류를 초과할 경우에 상기 제1 전류의 증가를 제한하도록 구성된 제1 전류 제한부; 및
    상기 제1 전류 제한부의 제한 동작에 기반하여 제2 배터리의 제2 전류를 상기 출력부로 통과시키도록 구성된 제2 전류 활성부; 를 포함하며,
    상기 제1 전류 제한부는, 다이오드, 그리고 상기 제1 전류에 대응되는 전류가 흐르는 경로를 제공하고 상기 다이오드의 항복전압에 대응되는 입력전압을 입력 받고 상기 제1 전류의 증가를 제한하며 상기 제1 배터리와 접지 사이에 연결되는 전류 제한 트랜지스터를 포함하는
    배터리 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배터리는 액체 전해질을 포함하고,
    상기 제2 배터리는 고체 전해질을 포함하는 배터리 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 배터리는,
    상기 고체 전해질의 상면 및 하면 중 하나에 배치된 내부양극;
    상기 고체 전해질의 상면 및 하면 중 다른 하나에 배치된 내부음극;
    상기 내부양극에 접속되고 상기 고체 전해질의 제1 측면에 배치되는 외부양극; 및
    상기 내부음극에 접속되고 상기 고체 전해질의 제2 측면에 배치되는 외부음극; 을 더 포함하는 배터리 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전류 활성부는 상기 제1 전류 제한부의 제한 동작에 기반하여 상기 제2 배터리에 전기적으로 연결된 제3 배터리의 제3 전류를 상기 출력부로 통과시키도록 구성된 배터리 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 배터리의 제2 전압이 상기 제1 배터리의 제1 전압에 더 가까워지도록 상기 제2 전압을 조정하도록 구성된 전압 조정부를 더 포함하는 배터리 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다이오드는 제너 다이오드인 배터리 제어 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전류 활성부는, 상기 다이오드의 전류를 입력 받는 제어 단자, 상기 제2 배터리에 연결되는 제1 단자, 그리고 상기 출력부에 연결되는 제2 단자를 가지며 상기 다이오드의 전류에 대응하여 상기 제2 배터리와 상기 출력부 사이의 전기적 경로를 제공하는 전류 활성화 트랜지스터를 포함하는 배터리 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류 감지부는 상기 제1 전류에 기반하여 감지전류를 생성하는 변류기를 포함하고,
    상기 제1 전류 제한부는,
    상기 감지전류에 대응되는 감지전압을 제공하는 임피던스 소자; 및
    상기 감지전압이 상기 기준전류에 대응되는 기준전압에 도달할 경우에 항복 상태가 되는 다이오드; 를 포함하는 배터리 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류 감지부의 감지결과에 기반하여 제어신호를 생성하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제1 전류 제한부는 상기 제어신호에 따라 상기 제1 전류의 증가 제한 여부가 선택되도록 구성된 배터리 제어 장치.
  11. 부하의 배치공간을 제공하는 기판;
    상기 부하로 제1 전력을 제공하고 액체 전해질을 포함하는 제1 배터리;
    상기 기판 상에 실장되고 고체 전해질을 포함하는 제2 배터리; 및
    상기 제1 배터리로부터 상기 부하로 흐르는 제1 전류가 기준전류 이하일 경우에 상기 제2 배터리에서 상기 부하로 제공되는 제2 전력을 차단하고 상기 제1 전류가 상기 기준전류를 초과할 경우에 상기 제2 전력의 상기 부하로의 공급을 활성화하도록 구성된 배터리 제어부; 를 포함하며,
    상기 배터리 제어부는, 상기 제1 전류를 감지하는 제1 전류 감지부, 상기 제1 전류가 상기 기준 전류를 초과할 경우 상기 제1 전류의 증가를 제한하는 제1 전류 제한부, 그리고 상기 제1 전류 제한부의 제한 동작에 기반하여 상기 제2 배터리의 제2 전류를 상기 부하로 통과시키는 제2 전류 활성부를 포함하며,
    상기 제1 전류 제한부는, 다이오드, 그리고 상기 제1 전류에 대응되는 전류가 흐르는 경로를 제공하고 상기 다이오드의 항복전압에 대응되는 입력전압을 입력 받고 상기 제1 전류의 증가를 제한하며 상기 제1 배터리와 접지 사이에 연결되는 전류 제한 트랜지스터를 포함하는
    전자기기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 배터리는,
    상기 고체 전해질의 상면 및 하면 중 하나에 배치된 내부양극;
    상기 고체 전해질의 상면 및 하면 중 다른 하나에 배치된 내부음극;
    상기 내부양극에 접속되고 상기 고체 전해질의 제1 측면에 배치되는 외부양극; 및
    상기 내부음극에 접속되고 상기 고체 전해질의 제2 측면에 배치되는 외부음극; 을 더 포함하고,
    상기 기판은,
    상기 외부양극이 배치되는 상면을 가지는 제1 전기연결구조체; 및
    상기 외부음극이 배치되는 상면을 가지는 제2 전기연결구조체; 를 포함하는 전자기기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 배터리 제어부는,
    상기 제1 배터리의 양극이 접속되는 제1 양극 접속부;
    상기 제1 배터리의 음극이 접속되는 제1 음극 접속부;
    상기 제2 배터리의 양극이 접속되는 제2 양극 접속부; 및
    상기 제2 배터리의 음극이 접속되는 제2 음극 접속부; 를 더 포함하는 전자기기.
  14. 제11항에 있어서, 상기 배터리 제어부는,
    상기 기판의 배선을 통해 상기 제2 배터리의 양극이 접속되는 제2 양극 접속부; 및
    상기 기판의 배선을 통해 상기 제2 배터리의 음극이 접속되는 제2 음극 접속부; 를 포함하는 전자기기.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 다이오드는 제너 다이오드를 포함하는 전자기기.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 전류 제한 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 전자기기.
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