KR19990083345A - 전지상태감시회로및전지장치 - Google Patents

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KR19990083345A
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무카이나카노히로시
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핫토리 쥰이치
세이코 인스트루먼트 가부시키가이샤
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Abstract

전압 레귤레이터를 내장한 전지상태 감시회로에서 전압 레귤레이터의 전원은 전지 또는 충전기 중 어느 더 높은 전압으로부터 인가된다. 또한, 전압 레귤레이터의 출력전압이 낮아진 때에는 마이크로콤퓨터에 신호를 송출하는 전압검출회로를 설치하도록 구성하였다.

Description

전지상태 감시회로 및 전지장치{Battery state monitoring circuit and battery device}
본 발명은 2차전지의 전지팩에, 전압이나 충방전 전류 등의 전지상태 감시가 요구되는 회로, 이 회로를 감시하는 전지상태 감시회로, 전지장치의 외부로 외부접속단자, 스위치 소자, 2차전지 및 센스 저항기를 포함하는 전지장치(이하, 전지팩이라 함)에 관한 것이다.
종래의 전지상태 감시회로서는 도 2에 회로 블록을 도시한 바와 같은 장치가 알려져 있다. 예를 들면, 일본 특허 출원 공개 번호 평9-312172호 공보 "전지팩, 충전기, 및 충전 시스템, 및 충전방법"에 이와 같은 구조가 개시되어 있다. 이것은 스마트 전지 시스템(Smart Battery System) 등으로 부르는 전지팩에 관한 것이다. 즉 마이크로컴퓨터를 사용하여 2차전지의 전압이나 충방전 전류를 감시하는 기능을 갖고, 충전기(17), 또는 컴퓨터 등의 부하와 통신을 행하는 전지팩(100a)이다.
이와 같이 구성된 전지팩(110a)을 사용하면, 충전기(17), 개인용 컴퓨터 내 마이콤 또는 부하 등과 통신에 의해 전지상태를 인식하는 것이 가능하다. 이 정보를 이용하면, 전지의 잔류량 표시나 전지충전의 정지 등을 정확하게 행하게 된다. 2차전지에 리튬 이온 전지가 사용되는 경우에, 닉켈 카드뮴 전지와는 달리 자기보호작용이 없으므로 과충전보호 회로가 필요하게 된다. 즉 전지전압을 검출하기 위한 어떤 회로와 외부로부터 충전을 정지하기 위한 스위치 소자가 설치된다.
이와 같이 구성된 전지팩(100a)에서는 마이크로컴퓨터(5a)(이하 마이콤이라 함)가 사용된다. 또한 전지의 전압을 감시하는 증폭기 및 충방전의 전류를 감시하기 위한 센스 저항기(10) 및 증폭기(5a)가 설치된다. 마이콤(5a)에는 전지전압 감시회로(20a) 및 증폭기(3a, 3b)로부터의 전기신호가 입력된다. 마이콤(5a)은 계산기능과 A/D 변환기를 갖고 있어, 전술한 신호로부터 2차전지(6 내지 8)의 전압 및 용량을 산출할 수 있으므로, 전지의 상태를 관리할 수 있다. 스위칭 소자(11a 및 11b)의 온/오프 동작을 마이콤(5a)이 행할 수 있으므로, 마이콤(5a)은 리튬 이온 전지를 사용한 전지팩에서는 과충전에 관하여 안전을 맡고 있다.
구성상 중요한 부품인 마이콤의 전원으로서는 정전압이 공급되는 것이 필요하다. 예를 들면 3.3V나 5.0V의 전압이 일반적인 값이다. 마이콤(5a)의 전원전압이 불안정하면, 전지전압의 검출 정확도 등이 저하된다. 최악의 경우에는 일반적으로 마이콤(5a)의 "폭주"라고 하는 현상이 일어난다. 이 환경에서는 마이콤이 전혀 제어되지 않는 환경이며, 전지팩(100a)의 안정성은 전형 보증되지 않게 되어 버린다. 또한 전지전압 감시회로(20a) 및 증폭기(3a, 3b)도 안정동작을 위하여 일정전압이 공급되는 것이 요망된다.
전지팩(100a) 내의 전지상태 감시회로(18a)의 전원은 2차전지(6 내지 8)이기 때문에 전압은 부하의 상태에 따라 변화한다. 전지팩(100a)이 부하에 방전하고 있는 경우는 전원전압이 낮아지고, 충전될 때에는 전원 전압이 높아진다. 전지팩(100a) 내에 설치된 마이콤(5a) 및 증폭기(3a, 3b)에 일정전압을 공급하기 위해서는 전지팩 내에 전압 레귤레이터가 설치된다. 전압 레귤레이터는 전원전압이 변화하여도 그 출력전압을 일정하게 유지하는 것이다.
그러나, 이러한 전압 레귤레이터가 설치되어도 전원으로 되는 전지전압은 방전이 게속되면 낮아져 간다. 전압 레귤레이터의 전원전압이 낮아지면, 당연히 출력전압도 낮아져 버린다. 이 상태에서는 마이콤 안정동작을 위해 요구되는 전원전압을 공급할 수 없게 되어 버린다. 마이콤의 전원전압이 낮아지면, 마이콤의 폭주가 일어나 전지상태의 감시는 할 수 없게 되어버리는 문제점이 있었다.
도 4는 지금까지 설명한 동작을 설명하는 도면이다. 횡축은 시간, 종축은 전압을 나타내며, 전지전압과 전압 레귤레이터의 출력전압(마이콤의 전원전압)을 도시하고 있다. 시간 0-ta의 기간은 전지팩으로부터 부하에 전류를 공급하고 있고, 전지전압은 시간이 경과함에 따라 저하하고 있다. 시간 ta에서 전지전압은 전압 레귤레이터에 설정된 출력전압과 같게 된다.
시간 ta 이후에는 전압 레귤레이터의 출력전압이 정해진 값보다도 저하한다. 도 4에서는 시간 ta 이후에서, 전압 레귤레이터의 출력전압이 전지전압과 동일하게 되고 있으나 이것은 설명을 간단하게 하기 위한 것이며, 실제로는 전지전압보다도 낮아진다. 시간 tb에서, 전지팩으로부터 부하로의 전류공급이 정지되고, 충전기가 전지팩에 접속된다. 충전기가 전지팩에 접속되는 것에 전압전압은 상승을 시작하여 시간 tc가 되면, 전압 레귤레이터에 설정된 출력전압과 동일하게 된다. 시간 tc이후는 전압 레귤레이터의 출력전압이 일정전압으로 된다.
도 4의 예에서는 시간 ta부터 tc의 기간에 전압 레귤레이터의 출력전압, 즉 마이콤의 전원전압이 저하하기 때문에, 마이콤의 동작이 보증되지 않아, 정확한 전지상태 감시를 할 수 없게 된다.
실제 사용환경에서도 이것은 문제로 된다. 전지팩에 부하가 접속되어 전지전압이 낮아져 전압 레귤레이터 출력전압값이 마이콤이 안정동작하는 전원전압 이하로 되고부터, 충전기가 접속되어 전지전압이 상승하여 마이콤이 안정동작하는 전원전압 이상으로 되기까지의 기간은 마이콤의 동작이 불안정하게 된다. 이 기간은 전지팩의 안정성도 전혀 보증되지 않게 된다.
그래서, 본 발명의 목적은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마이콤에 확실하게 일정전압을 공급할 수 있도록 하여, 마이콤 폭주를 방지할 수 있게 하여 넓은 범위에서 전지상태를 감시할 수 있도록 함과 아울러 전지팩의 안정성을 높이는 것이다.
도 1은 본 발명의 전지상태 감시회로 및 이를 사용한 전지팩을 도시한 도면.
도 2는 종래의 전지상태 감시회로 및 이를 사용한 전지팩을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 전지상태 감시회로 및 이를 사용한 전지팩의 다른 예를 도시한 도면.
도 4는 종래의 전지상태 감시회로 및 이를 사용한 전지팩의 타이밍도.
도 5는 본 발명의 전지상태 감시회로 및 이를 사용한 전지팩의 타이밍도.
도 6은 본 발명에 의한 전압절환 회로의 다른 예를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 전지 상태 감시회로 및 이를 사용한 전지 팩의 다른 예를 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 전압 레귤레이터 1 : 전압검출회로
3 : 증폭기 4 : 전지전압 감시회로
5 : 마이콤 6, 7, 8, 9 : 2차전지
10 : 센스 저항기 11, 12 : 스위치 소자
13, 14 : 다이오드 16 : 부하
17 : 충전기 18 : 전지상태 감시회로
19 : 차단회로 20 : 전지선택기
21 : 전압 절환기
상기의 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 전압 레귤레이터를 내장한 전지 상태 감시회로에서 전압 레귤레이터의 전원은 2차전지 혹은 충전기로부터 어떤 더 높은 전압으로부터 공급되도록 하였다. 또한, 전압 레귤레이터의 출력전압이 낮아진 때에는 마이콤에 신호를 송출하는 전압 검출회로를 설치하도록 구성하였다.
전압 레귤레이터를 내장한 전지상태 감시회로에서 전압 레귤레이터의 전원은 전지 또는 충전기 중 어느 더 높은 전압이 공급되게 하는 회로로부터 공급된다. 또한, 전압 레귤레이터의 출력전압이 낮아진 때에는 마이콤에 신호를 송출하는 전압검출회로를 추가함으로써, 마이콤에 확실하게 일정전압을 공급할 수 있도록 되어, 폭주를 방지할 수 있다. 이 구성에 의해 마이콤의 동작범위가 넓어지므로, 전지팩의 안정성이 높아짐과 동시에, 전지상태 감시가 정확하게 행하여져 양질의 정보가 전지팩으로부터 얻어질 수 있다.
도 1은 본 발명을 적용한 전지상태 감시회로와 이것을 사용한 전지팩의 구성예를 도시한 것이다. 이하에 이 발명의 실시예를 도 1에 기초하여 설명한다.
전지팩은 2차전지(6 내지 9)(예를 들면 리튬 이온 전지의 셀)이 복수개 직렬로 접속되어 있다. 2차전지(9)의 음극은 센스 저항기(10)에 접속되어 있다. 또한, 센스 저항기(10)는 전지팩(100)의 마이너스 단자(103)에 접속되어 있다. 2차전지(6)의 양극은 FET 등으로 구성된 스위치 소자(12)에 접속되어 있다. 스위치 소자(12)와 스위치 소자(11)은 직렬로 접속되어 있고, 스위치 소자(11)는 전지팩(100)의 플러스 단자에 직렬로 접속되어 있다. 스위치 소자(12, 11)은 전지팩(100)으로부터의 방전 및 충전기(17)로부터의 충전을 제어하기 위한 스위치 소자로서 사용되고 있다. 전지팩(100)에의 충전이 금지할 때에는 스위치 소자(11)를 턴오프 할 수도 있다. 또한 전지팩(100)으로부터의 방전을 금지할 때에는 스위치 소자(12)를 턴오프로 할 수도 있다. 스위치 소자(11, 12)는 2차전지(9)의 부극과 센스 저항기(10) 사이에 접속되어도 무방하다. 이 때는 FET의 종류 등을 그 구조에 따라 적당하게 맞추어 변경하는 것이 필요하다. 동일하게 센스 저항기(10)도 전지팩(100)의 플러스 단자(101) 측에 접속되어도 무방하다.
전지상태 감시회로(18)의 전원단자(104)에는 전압절환기(21)가 접속되어 있다. 도 1의 실시예에서는 전압절환기(21)는 다이오드(13) 및 다이오드(14)로 구성되어 있다. 이 경우, 다이오드(13)와 다이오드(14)의 양방의 캐소드가 일점에 접속되어 있다. 상기 다이오드(13)의 애노드는 전지팩(100)의 플러스 단자(101)에 접속되어 있고, 상기 다이오드(14)의 애노드는 2차전지(6)의 양극에 접속되어 있다. 2차전지(6)의 양극의 전압은 2차전지(6-9)의 전지전압이 가산된 값으로 된다(이하, 이 점의 전압을 "합계 전지전압"이라 한다). 이와 같이 접속함으로써, 전지상태 감시회로(18)의 전원단자에는 전지팩(100)의 플러스 단자(101) 혹은 합계 전지전압 중 더 높은 쪽의 전압이 공급된다. 즉, 상기 전지상태 감시회로(18)의 전원은 전지팩(100)의 플러스 단자(101)에 접속되는 충전기 또는 2차전지(6)의 전압 중 더 높은 쪽이 인가된다.
전지상태 감시회로(18)의 전원을 2차전지(6 내지 9)만으로부터 공급되는 식으로 구성하면, 2차전지(6 내지 9)의 전압이 낮을 때에 문제가 있다. 2차전지(6 내지 9)의 전압이 낮아 진 때에는 충전기(17)가 전지상태 감시회로(18)에 접속되어도, 전지상태 감시회로(18)의 전압은 확보할 수 없다. 2차전지(6 내지 9)가 충전되어 전압이 상승하기까지는 전압 레귤레이터(1)의 출력이 안정되지 않으므로, 이 기간은 충전전류를 감시할 수 없어, 전지용량의 잔량표시 정확도가 낮아지게 된다.
그러나, 전술한 바와 같이 전압절환기(21)를 사용하여 회로를 구성하면, 예를 들어 2차전지(6 내지 9)의 전압이 낮아도, 전지상태 감시회로(18)는 충전기로(17)부터 전압이 공급되도록 된다. 이 때문에, 전압 레귤레이터(1) 및 증폭기(3)는 충전기가 접속된 직후에 정상으로 동작할 수 있는 형태로 되어, 전지상태의 감시정확도가 향상한다.
전압절환기(21)의 다른 예를 도 6에 도시하였다. 이 예는 단자 A, 단자 B의 각각에 전원이 접속된 때에, 이들 단자(A 또는 B) 중 어느 더 높은 쪽의 전압을 C 단자에 출력하는 것이다. 이 예에서 비교기(23) 및 스위치(22)로 전압 절환기(21)가 구성되어 있으나, 이 회로구성으로 한정되는 것은 아니며, 요구되는 기능을 실현할 수 있는 임의의 회로라도 무방하다.
2차전지(6-9), 스위치 소자(11, 12), 센스 저항기(10) 및 전압절환기(21)는 각각 전지상태 감시회로(18)에 또한 접속되어 있다. 전지상태 감시회로(18)는 마이콤(5), 전지전압 감시회로(4), 증폭기(3), 전압 레귤레이터(1) 및 전압 검출회로(2)로 구성되어 있다. 전지전압 감시회로(4), 증폭기(3), 전압 레귤레이터(1), 전압 검출회로(2) 등의 전원은 전압 레귤레이터(1)로부터 공급되고 있다.
전지전압 감시회로(4)는 예를 들면 멀티플렉서와 증폭기로 구성되는 회로이며, 2차전지(6-9)의 각각의 전압을 마이콤이 독출가능한 전압으로 변환하여 A/D 포트로 공급하고 있다. 도 1의 실시예에서는 2차전지(6-9)의 각각의 전압이 한개의 신호선으로 순차 출력되는 회로로 구성되어 있다. 전지전압 감시회로(4)의 전원은 전압 레귤레이터(1)로부터 공급되고 있다. 2차전지(6 내지 9)의 전압이 낮아질 때에도, 충전기가 전지팩에 접속된 직후부터 전지전압 감시회로(4)가 정상으로 동작하도록 구성되어 있다.
증폭기(3)는 센스 저항기(10)에서 발생한 전압강하를 마이콤(5)에서 독출이 가능한 레벨로 조정한다. 일반적으로 센스 저항기(10)의 저항값은 수십 mΩ으로 낮아지므로, 증폭기(3)는 센스 저항기 양단자간 전압을 증폭하여 마이콤(5)의 A/D 포트로 공급한다. 증폭기(3)의 전원도 상기 전압 레귤레이터(1)로부터 공급되고 있다.
마이콤(5)은 A/D 변환 및 계산기능 등을 갖고 있어, 전지팩(100) 외부와의 통신도 행한다. 마이콤(5)의 AD 포트에는 전지전압 감시회로(4)로부터의 신호가 입력되고 있다. 2차전지(6 내지 9)가 리튬 이온 전지인 경우는 전지 전압값이 높게 되었을 때에는 발화 등의 우려가 있다. 즉 전지전압을 감시하여 전지 팩(100)에의 충전을 정지할 필요가 있다. 이 경우에는 마이콤(5)이 2차전지(6 내지 9)의 전압에 응하여 스위치 소자(11, 12)의 온/오프 제어한다. 또한, 센스 저항기(10)에서의 전압강하를 감시함으로써 2차전지(6 내지 9)에의 충방전 전류를 산출할 수 있다. 충방전 전류를 산출할 수 있으므로 전지팩의 용량이 구해진다.
마이콤(5)의 전원전압은 전압 레귤레이터(1)로부터 공급되고 있다. 전압 레귤레이터(1)는 전원전압이 변화하여도 그 출력전압을 일정하게 유지하도록 설계된다. 도 1의 실시예에서는 전압 레귤레이터(1)의 전원은 전술한 바와 같이 전지팩(100)의 플러스 단자 혹은 합계 전지전압 중 더 높은 쪽의 전압이 공급된다. 충전기(17)가 전지팩(100)에 접속되어 있지 않을 때에는 합계 전지전압이 저하함에 따라 전압 레귤레이터(1)의 전원전압도 저하한다.
전압 레귤레이터(1)의 출력에는 전압 검출회로(2)가 접속되어 있다. 상기 전압검출회로(2)는 예를 들면 비교기(24)와 기준전압(25)으로 구성되는 것이며, 입력된 전압이 설정전압으로 된 때에 출력전압이 변화하는 것이다. 도 1에서 전압 레귤레이터(1)의 출력전압이 저하하면 전압 검출회로(2)의 출력이 변화한다. 마이콤(5)은 이 출력변화가 일어난 경우에, 계산기능 등을 정지하여, 오동작을 미연에 방지할 수 있다. 통상, 이와 같은 제어방법은 "리셋"이라고 한다.
다음에 본 실시예의 동작에 대해서 도 5를 참조하여 설명한다. 도면에서, 횡축은 시간, 종축은 전압을 나타내며, 합계 전지전압과 마이콤(5)의 전원전압을 도시하였다. 시간 0-ta의 기간은 전지팩(100)으로부터 부하(16)에 전류를 공급하고 있고, 합계 전지전압은 시간과 함께 저하하고 있다. 시간 ta에서 합계 전지전압은 전압 레귤레이터(1)의 출력전압과 같게 된다. 시간 taa에서, 전압 레귤레이터(1)의 출력전압이 전압 검출회로(2)의 검출전압에 이른다. 이 때 전압 검출회로(2)의 출력전압이 변화하여, 마이콤(5)이 리셋되므로, 마이콤(5)이 오동작하는 경우는 없다. 마이콤(5)은 이 신호를 받음과 동시에 전지팩(100)으로부터의 방전 및 외부로부터의 충전을 금지할 수 있으므로, 전지팩(100)의 안정성은 확보된다. 전지팩(100)으로부터 부호(16)에의 방전이 계속하면, 합계 전지전압은 저하한다. 시간 tb에서, 전지팩(100)으로부터 부하(16)에의 전류공급이 정지되고, 충전기(17)가 전지팩(100)에 접속된다. 도 1과 같이 구성된 전지팩(100)에서는 충전기(17)가 전지팩(100)에 접속된 직후 전지상태 감시회로(18)의 전원단자(104)에 전압이 공급된다. 충전기(17)의 전압이 전압 레귤레이터(1)에 설정된 출력전압보다도 높으면, 충전기가 전지팩(100)에 접속된 직후 전압 레귤레이터(1)는 마이콤에 전원을 공급한다.
종래예에서는 시간 tb-tc의 기간은 마이콤(5)이 오동작되어 버리나, 본 실시예에서는 충전기가 전지팩에 접속된 시간 tb로부터 마이콤(5)이 정상으로 동작하도록 전원이 공급된다. 또한 시간 taa부터 tb의 기간은 마이콤(5)은 리셋 신호를 수신하므로, 마이콤(5)의 오동작은 일어나지 않고, 전지팩(100)의 안정성도 확보된다.
도 3은 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예에서는 마이콤(5)과 전지상태 감시회로(180)가 다른 부품으로서 구성되어 있다. 구성요소, 동작원리는 도 1에 설명한 실시예와 완전히 동일하다. 이와 같이 본 발명의 전지팩은 하나의 부품(IC)에 모든 기능이 제공되어도 유효하여, 기판 상에 마이콤(5), 스위치 소자(11, 12) 등을 실장함으로써 복수개의 부품이 구성되어도 동일한 효과가 얻어진다.
도 7의 실시예에서는 전지전압 감시회로(4), 증폭기(3), 전압 레귤레이터(1), 전압검출회로(2) 등의 전원은 전압절환기(21)로부터 공급되고 있다. 이와 같이 구성하여도, 마이콤에 대한 전원으로서 작용하며, 지금까지 설명한 동작이 수행되는이 명확하다.
도 1, 도 3 및 도 7에 도시한 실시예의 형태는 각각의 2차전지(6-9)가 병렬로 접속되어 있지 않은 경우의 구성예에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 복수의 2차전지가 병렬로 접속된 구성에 충방전 제어를 행하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있는 것이다.
본 발명은 이상 설명한 바와 같이 간단한 회로를 단지 추가하여, 마이콤에 확실하게 일정한 전압을 공급할 수 있고, 폭주를 방지할 수 있어 마이콤의 동작범위를 넓히게 되므로, 전지팩의 안정성을 높임과 아울러, 전지상태 감시가 정확하게 행해지므로 양질의 정보가 얻어진다.

Claims (2)

  1. 2차전지의 충반전 제어를 스위치 소자의 온, 오프를 제어함으로써 행하고, 상기 2차전지의 전압, 방전 전류를 감시할 수 있는 전지상태 감시회로에 있어서,
    상기 전지상태 감시회로의 전원전압은 전지장치의 플러스 단자와 상기 스위치 소자간의 전압 및 상기 2차전지 전압 중 어느 더 높은 전압으로부터 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 전지상태 감시회로.
  2. 전지장치의 플러스 단자와 마이너스 단자로 구성된 외부단자에 스위치 소자를 거쳐 직렬로 접속된 2차전지의 충반전 제어를 상기 스위치 소자의 온, 오프를 제어함으로써 행하고, 상기 2차전지의 전압 및 충반전 전류를 감시할 수 있는 전지장치에 있어서,
    상기 전지상태 감시회로의 전원전압은 상기 전지장치의 플러스 단자와 상기스위치 소자간의 전압 및 상기 2차전지 전압 중 어느 더 높은 전압으로부터 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 전지장치.
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