KR20010006107A - 배터리 보호 시스템 - Google Patents

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엘. 스톡스타드트로이
알버크랙제이드
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조지 윌리엄 엘.
세미컨덕터 콤포넨츠 인더스트리즈 엘엘씨
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Abstract

배터리 보호 시스템(20)은 배터리 팩(15)을 충전하는 공정을 제어한다. 히스테리시스 비교기(54)는 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 충전 전류를 감지한다. 충전 전류가 상부 제한에 도달할 때 충전 전류를 저지하도록 충전 스위치(31)를 오프시킨다. 과도 전류는 그후에 인덕터(34)에 의해 발생된다. 히스테리시스 비교기(54)는 배터리 팩(31)을 통해 흐르는 과도 전류를 감지하고, 과도 전류가 실질적으로 0으로 감소할 때 충전 전류가 재생되도록 충전 스위치(31)를 온 시킨다. 주기적으로 배터리 모니터링(monitoring)회로(40)는 충전 스위치를 오프시키고, 배터리 팩(15)내의 각 배터리 셀 양단의 개방 회로 전압을 측정한다. 완전 충전 전압에 도달하는 배터리 셀의 개방 회로 전압에 응답하여, 배터리 모니터링 회로(40)는 충전 공정을 종료시키도록 충전 스위치(31)를 오프시킨다.

Description

배터리 보호 시스템{Battery protection system}
리튬-이온 배터리들은 가벼운 무게 및 높은 에너지 밀도 때문에, 휴대용 전자 장치들용 니켈-카드뮴 배터리들 및 니켈 금속-하이드라이드(hydride) 배터리들과 같은 다른 형태의 재충전가능한 배터리들에 비해 선호된다. 그러나, 리튬-이온 배터리들은 과충전에 매우 민감하고, 안전성은 상기 배터리들을 사용함에 있어 주요한 관심사이다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리들의 안전에 대한 관심사는 그것이 과충전됐을 때, 상기 배터리 셀내의 상기 전극들중의 하나에 금속 리튬이 도금될 수있다는 점이다. 도금된 리튬은 금속 리튬의 가연성 성질 때문에 화재 위험이 제기된다. 또 다른 안전에 대한 관심사는 배터리 셀의 온도가 매우 높게 될 때, 유해 가스의 배출구에 관한 것이다. 또한, 과-충전 상태에서, 리튬-이온 배터리 셀 양단의 전압은 불충분한 전압 한계 아래로 떨어져서, 배터리 셀내의 전해질의 화학적 합성의 변화를 초래한다. 그 결과, 배터리 셀의 수명은 현저히 줄어들게 된다. 따라서, 리튬-이온 배터리들을 정확히 모니터하고, 안전 동작 영역들내에서 동작함을 보증하는 배터리 보호 시스템을 갖는 것은 중요하다.
본 발명은 통상적으로 배터리 시스템들에 관한 것이며, 특히 재충전가능한 배터리들의 모니터링과 보호에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 배터리 시스템의 블록도.
도2는 본 발명에 따른 배터리 충전 공정의 흐름도.
종래에는, 리튬-이온 배터리를 충전할 때 전용 리튬 배터리 충전기가 필요했다. 충전된 리튬-이온 배터리 전압이 배터리의 완전 충전된 전압보다 현저히 작을 때, 전용 리튬 배터리 충전기는 일정한 전류 모드에서 동작하고, 일정한 충전 전류로 배터리를 충전시킨다. 배터리 전압이 배터리의 완전 충전 전압부근에 있을 때, 전용 리튬 배터리 충전기는 일정한 전압 모드로 절환(switch)한다. 일정한 전압 모드에서, 배터리내에 흐르는 충전 전류는 배터리 전압이 완전 충전 전압에 접근할 때 지수적으로 감소하여, 배터리가 과충전되는 것을 방지한다. 전용 리튬 배터리 충전기는 전용 리튬 배터리 충전기가 일정한 전류 모드로부터 일정한 전압 모드로 절환할 때, 얼마나 많은 충전 전류가 일정한 전압 모드동안에 배터리를 통해 흐르는 지 그리고 배터리가 완전 충전될 때를 결정하는 충전 제어 회로를 포함한다. 배터리를 최대 용량으로 충전하고 효과적으로 과충전을 피하기 위해서, 충전 제어 회로는 매우 정확히 설계된다. 통상적으로, 충전 제어 회로의 전압 변동은 1 퍼센트(%)보다 작다.
매우 정확한 충전 제어 회로는 전용 리튬 배터리 충전기의 비용을 현저히 증가시켜, 리튬-이온 배터리의 사용 비용을 증가시킨다. 또한, 배터리 전압은 일정한 전압 모드에서 완전 충전 전압에 접근할 때, 배터리 내에 흐르는 충전 전류가 지수적으로 감소하므로, 충전 공정은 시간 효율적이지 않다. 예를 들어, 리튬 배터리는 1 시간 및 2시간사이의 시간 간격 범위에서 일정한 전류 모드 동작동안에 용량의 80(%)까지 통상적으로 충전된다. 그후에, 전용 리튬 배터리 충전기는 일정한 전압 모드로 절환되고, 리튬 배터리를 전체 용량으로 충전시키기 위해 적어도 3시간 이상의 시간이 소요된다.
따라서, 배터리 보호 시스템 및 배터리 충전 공정을 갖는 것은 유리하다. 상기 시스템 및 상기 충전 공정이 비용면에서 효율적인 것은 바람직하다. 상기 충전 공정이 편리하고 시간 효율적인 것 또한 바람직하다.
통상적으로, 본 발명은 배터리 보호 시스템 및 배터리 충전 공정을 제공한다. 본 발명에 따라, 배터리 보호 시스템은 배터리를 보호할 뿐만아니라 배터리 충전 공정을 제어하는 정확한 제어 회로를 포함한다. 따라서, 본 발명은 전용 배터리 충전기에 대한 필요성을 제거하며, 따라서 배터리 사용 비용을 감소시킨다. 또한, 본 발명의 충전 공정은 일정한 전류/일정한 전압 충전 공정인 종래 기술과 비교하여, 시간 효율적이다.
도1은 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 블록도이다. 배터리 시스템(10)은 4개의 직렬 연결된 재충전가능한 리튬이온 배터리 셀들(12,14,16,18)로 이루어진 배터리 팩(15)을 포함한다. 따라서, 배터리 시스템(10)은 또한 재충전가능한 배터리 시스템으로 언급되고, 배터리 팩(15)은 또한 재충전가능한 배터리 팩으로 언급된다. 배터리 시스템(10)은 배터리 팩(15)을 모니터링하는 배터리 보호 시스템 (20)을 또한 포함하며, 배터리 팩(15)이 안전 동작 영역에서 동작함을 보증하도록 적절한 동작들을 수행한다. 배터리 보호 시스템(20)은 각각 배터리 시스템(10)의 양 및 음 단자들로 작용하는 양 단자(22) 및 음 단자(24)를 가진다. 배터리 보호 시스템(20)은 양 배터리 전극(26) 및 음 배터리 전극(28)을 또한 가지며, 이는 각각 배터리 팩(15)의 양 및 음 단자들에 연결된다. 양호하게, 배터리 시스템(10)은 완전한 배터리 패키지(package)이고, 배터리 팩(15) 및 배터리 보호 시스템(20)은 상기 완전한 배터리 패키지내에 조립된다.
배터리 보호 시스템(20)은 P-채널 절연 게이트 전계 효과 트랜지스터 들(FETs)(31,32), 인덕터(34), 전류 감지 레지스터(36) 및 제너 다이오드(37)와 쇼트기 다이오드(39)를 포함하는 정류기(38)를 포함한다. 제너 다이오드(37)의 애노드와 쇼트기 다이오드(39)의 애노드는 정류기(38)의 애노드 전극을 형성하도록 함께 연결된다. 제너 다이오드(37)의 캐소드와 쇼트기 다이오드(39)의 캐소드는 정류기(38)의 캐소드 전극을 형성하도록 함께 연결된다. FET(31)는 배터리 보호 시스템(20)의 양 단자(22)에 연결된 소오스 전극 및 FET(32)의 드레인 전극에 연결된 드레인 전극을 가진다. 인덕터(34)는 FET(32)의 소오스 전극과 정류기(38)의 캐소드 전극에 연결된 제1 전극 및 배터리 보호 시스템(20)의 양 배터리 전극(26)에 연결된 제2 전극을 가진다. 전류 감지 저항기(36)는 배터리 보호 시스템(20)의 음 배터리 전극(28)에 연결된 제1 전극 및 정류기(38)의 애노드 전극과 배터리 보호 시스템(20)의 음 단자(24)에 연결된 제2 전극을 가진다.
배터리 보호 시스템(20)은 전압 감지 입력들(41,42,43,44,45), 전류 감지 입력들(46,47), 및 출력들(48,49)을 가지는 배터리 모니터링 회로(40)를 또한 포함한다. 전압 감지 입력(41)은 배터리 셀(12)의 양 전극에 연결된다. 전압 감지 입력(42)은 배터리 셀(12)의 음 전극 및 배터리 셀(14)의 양 전극에 연결된다. 전압 감지 입력(43)은 배터리 셀(14)의 음 전극과 배터리 셀(16)의 양 전극에 연결된다. 전압 감지 입력(44)은 배터리 셀(16)의 음 전극과 배터리 셀(18)의 양 전극에 연결된다. 전압 감지 입력(45)은 배터리 셀(18)의 음 전극에 연결된다. 전류 감지 입력들(46,47)은 각각 전류 감지 저항기(36)의 제1 및 제2 전극에 연결된다. 출력(49)은 FET(32)의 게이트 전극에 연결된다.
배터리 보호 시스템(20)은 비교기(52), 히스테리시스 비교기(54), 및 FET 드라이버(56)를 더 포함한다. 비교기(52)는 각각 전류 감지 저항기(36)의 제1 및 제2 전극에 연결된 비-반전 입력 및 반전 입력을 가진다. 히스테리시스 비교기(54)는 각각 전류 감지 저항기(36)의 제1 및 제2 전극들에 연결된 비-반전 입력 및 반전 입력을 가진다. 비교기(52)의 출력은 히스테리시스 비교기(54)의 인에이블 단자에 연결된다. 히스테리시스 비교기(54)의 출력은 FET 드라이버(56)의 제1 입력에 연결된다. FET 드라이버(56)의 제2 입력은 배터리 모니터링 회로(40)의 출력(48)에 연결된다. FET 드라이버(56)의 출력은 FET(31)의 게이트 전극에 연결된다.
비록 도1이 4개의 배터리 셀을 가지는 배터리 팩(15)을 도시하지만, 이는 본 발명을 제한하지 않는다고 이해해야 한다. 본 발명에 따라, 배터리 팩(15)은 하나, 둘, 셋, 다섯, 여섯 등과 같은 임의의 수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 양호하게, 배터리 모니터링 회로(40)의 전압 감지 입력들의 수는 배터리 팩(15)내의 각각의 배터리 셀의 전압이 측정될 수 있도록 존재한다. 배터리 셀들(12,14,16,18)은 리튬이온 배터리 셀들로 한정되지 않는다고 또한 이해해야 한다. 그것들은 예를 들어 니켈-카드뮴 배터리 셀들, 니켈 금속-하이드라이드 배터리 셀들 등과 같은 다른 형태의 배터리 셀들로 대체될 수 있다.
배터리 보호 시스템(20)에 있어서, FET들(31,32)은 각각의 과충전 및 과-방전 상태들이 나타날 때, 각각 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 전류들을 충전하거나 방전시킴을 저지하는 스위치들로 작용한다. FET들의 바디(body) 다이오드들 때문에, FET(31)은 스위치 오프될 때 충전 전류만을 저지하고, FET(32)는 스위치 오프될 때 방전전류만을 저지한다. 충전 전류는 양 단자로부터 음 단자로 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 전류이다. 방전 전류는 음 단자로부터 양 단자로 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 전류이다. FET들(31,32)은 절연 게이트 FET들로 한정되지 않는다고 이해해야 한다. 제어 전극 및 2 개의 전류 전도 전극들을 가지는 임의의 스위칭 디바이스는 FET(31)또는 FET(32)를 대체할 수 있다. 상기 기술에 숙련된자들에 공지되어 있으므로, FET가 스위치로 작용할 때, FET의 게이트 전극은 스위치의 제어 전극으로 작용하고, FET의 소오스 및 드레인 전극은 스위치의 전류 전도 전극들로 작용한다. 배터리 보호 시스템(20)은 배터리 팩(15)을 보호하도록 FET들(31,32)과 같은 하이 사이드 스위치들(high side switchs)을 사용함에 있어 한정 받지 않음을 이해해야 한다. 대안적인 실시예에 있어서, 배터리 보호 시스템(20)은 각각의 과충전 및 과 방전 상태들이 나타날 때, 각각 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 전류들을 충전하거나 방전함을 저지하는 전류 감지 저항기(36) 및 음 단자(24)사이에 연결된 두 개의 로 사이드 스위치들(low side switchs)(도시되지 않음)을 포함한다. 다른 대안적인 실시예에 있어서, 배터리 보호 시스템(20)은 각각의 과충전 및 과-방전 상태들이 나타날 때, 충전 전류를 저지하도록 하는 FET(31)와 같은 하이 사이드 스위치와 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 전류를 방전시킴을 저지하도록 하는 전류 감지 저항기(36)와 음 단자(24)사이에 연결된 로 사이드 스위치(도시되지 않음)를 포함한다. 또 다른 대안적인 실시예에 있어서, 배터리 보호 시스템(20)은 각각의 과충전 및 과-방전 상태들이 나타날 때, 방전 전류를 저지하도록 하는 FET(32)와 같은 하이 사이드 스위치와 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 전류를 충전시킴을 저지하도록 하는 전류 감지 저항기(36)와 음 단자(24)사이에 연결된 로 사이드 스위치(도시 되지 않음)를 포함한다. 양호하게, FET(31)또는 FET(32)와 같은 하이 사이드 스위치는 p-채널 절연 게이트 FET를 포함하고, 로 사이드 스위치는 n-채널 절연 게이트 FET를 포함한다.
전류 감지 저항기(36)에 전류가 그것을 통해 흐를 때, 2개의 전극양단에 전압이 나타난다. 이는 예를 들어 필라멘트(filament)등과 같은 다른 형태의 전류 감지 소자들로 대체될 수 있다. 배터리 시스템(10)은 단자들(22,24)양단에 연결된 로드(load)에 에너지를 공급할 때, 전력 손실을 최소화 하기 위해, 전류 감지 저항기(36)는 양호하게 즉, 약 1오옴(Ω)보다 적은 작은 저항을 가진다. 본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 전류 감지 저항기(36)의 저항은 약 10밀리 오옴(mΩ)이다.
정류기(38)에 있어서, 제너 다이오드(37)는 배터리 팩(15)내에 흐르는 큰 방전 전류가 저지될 때, 큰 과도 전압이 FET(31)양단에서 떨어지는 현상이 발생함을 방지하며, 쇼트기 다이오드(39)는 순 방향 바이어스일 때, 저 저항 전도 경로를 제공하여, 정류기(38)의 전력 소비를 최소화한다. 양호하게, 제너 다이오드(37)는 배터리 팩(15)의 완전 충전 전압보다 훨씬 큰 항복 전압을 가진다. 정류기(38)는 다른 형태의 정류 디바이스들 및 회로 소자들에 의해 대체될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 정류기(38)는 배터리 팩(15)의 완전 충전 전압보다 훨씬 큰 항복 전압을 가지는 단일 다이오드를 포함할 수 있다.
비교기(52)는 충전 전류가 배터리 팩(15)을 통하여 흐를 때, 단지 히스테리시스 비교기(54)를 턴 온 시키고, 충전 제어 회로를 인에이블시킨다. 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 충전 전류가 존재 하거나 배터리 팩(15)이 아이들(idle)상태에 있을 때, 비교기(52)는 출력에서 저 논리 전압 레벨을 발생시킨다. 저 논리 전압 레벨은 히스테리시스 비교기(54)의 인에이블 단자에 송신되고 히스테리시스 비교기(54)를 턴 오프시켜, 충전 제어 회로를 디스에이블시키고, 배터리 시스템(10)의 전류 소모를 최소화한다. 이는 비록 양호하다 할지라도 비교기(52)가 본 발명의 선택적인 특징임을 이해해야 한다.
히스테리시스 비교기(54)는 배터리 팩(15)내에 흐르는 충전 전류가 상부 제한을 초과할 때, FET 드라이버(56)를 통해 FET(31)를 스위치 오프시킨다. 히스테리시스 비교기(54)는 전류 감지 저항기(36)양단의 전압 강하를 감지함에 의해 배터리 팩(12)내에 흐르는 충전 전류를 감지한다. 이전에 논의 되었으므로, 전류 감지 저항기(36)는 양호하게 작은 저항을 가진다. 따라서, 히스테리시스 비교기(54)는 양호하게, 예를 들어 10 미리 볼트(mV)정도의 전압을 가지는 입력 신호들와 같은 히스테리시스 비교기(54)의 입력들에서의 작은 입력 신호들에 응답하여 FET 드라이버(56)을 통해 FET(31)를 스위치 오프 시킬수 있다. 또한, 히스테리시스 비교기(54)는 온도 보상 회로(도시되지 않음)를 포함할수 있으므로, 배터리 시스템(10)내의 온도 변동들에 대한 충전 전류의 안정한 상부 제한을 제공한다.
FET 드라이버(56)는 배터리 모니터링 회로(40) 및 히스테리시스 비교기(54)로부터 FET 드라이버(56)의 2개의 입력으로 송신된 신호들에 응답하여 FET(31)를 스위치 온 또는 오프시키는 버퍼로 작용한다. 양호하게, FET 드라이버(56)는 예를 들어 약 100 킬로-헤르쯔(kHz)또는 그보다 더 큰것과 같은 높은 주파수에서 FET(31)를 스위치 온 또는 오프시킬 수 있다. FET 드라이버(56)는 배터리 보호 시스템(20)에서 선택적임을 이해되야 한다. 본 발명의 대안적인 실시예에 있어서, 히스테리시스 비교기(54)의 출력 및 배터리 모니터링 회로(40)의 출력(48)은 FET(31)의 게이트 전극에 직접 연결된다. 배터리 팩(15)을 충전 공정동안에 FET(31)가 스위치 온 또는 오프되는 주파수는 인덕터(34)의 인덕턴스에 의해 결정된다. 더 큰 인덕턴스는 FET(31)가 더 낮은 주파수에서 절환 되도록하나, 인덕터(34)의 크기, 무게, 비용등을 증가시킨다. 양호하게, 인덕터(34)의 인덕턴스는 약 1 마이크로-헨리(μH) 및 약 100(μH)사이의 범위에 존재한다. 인덕터(34)의 인덕턴스에 대한 공칭 값은 약 10(μH)이다.
배터리 모니터링 회로(40)은 주기적으로 배터리 팩(15)상에 안전 모니터링 동작을 수행한다. 전압 감지 입력들(41,42,43,44,45)을 통해서, 배터리 모니터링 회로(40)는 배터리 팩(15)내의 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)의 전압을 측정한다. 전류 감지 입력들(46,47)을 통해, 배터리 모니터링 회로(40)는 전류 감지 저항기(36)양단의 전압을 측정함에 의해 배터리 팩(15)내에 흐르는 전류를 측정한다. 이 측정들에 근거하여, 배터리 모니터링 회로(40)내의 제어 논리 회로(50)는 배터리 팩(15)이 안전 동작 영역에서 동작함을 보증하도록 적절한 동작들을 수행한다.
안전 동작 영역은 배터리 팩(15)내의 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)양단의 전압에 대한 상한(upper limit) 및 하한(lower limit)을 포함한다. 이는 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 충전 및 방전 전류들에 대한 상한들을 또한 포함한다. 만일 안전 동작 한계들중 어떤 것이 초과되면, 제어 논리 회로(50)는 한계들내에 존재 하도록 대응하는 파라미터들을 조절하거나 대응하는 파라미터들이 안전 동작 한계들을 초과하도록 하는 상태를 종료시킨다. 예를 들어, 과-전압 상태가 감지되면, 제어 논리 회로(50)는 FET(31)를 스위치 오프 시키고, 만일 필요하다면, 배터리 팩(15)상의 배터리 셀 평형 동작들을 수행한다. 만일 불충분한전압 상태가 감지되면, FET(32)는 스위치 오프되고, 배터리 보호 시스템(20)은 매우 낮은 전력 소비로 특징지워진 하이버네이션(hibernation)상태로 들어간다. 양 단자(22)내에 흐르는 전류가 감지될 때, 전류 배터리 보호 시스템(20)은 활성화 된다. 즉, 하이버네이션 상태를 벗어나고 정상 동작 상태로 되돌아 온다. 만일 과-전류 상태가 감지되면, 제어 논리 회로(50)는 과-전류 상태를 종료시키도록 FET(31)또는 FET(32)를 스위치 오프시킨다. 만일 과-전류가 양 배터리 전극(26)으로부터 음 배터리 전극(28)으로의 방향으로 배터리 팩(15)내에 흐르면, FET(31)는 스위치 오프되고, 만일 과-전류가 음 배터리 전극(28)으로부터 양 배터리 전극(26)으로의 방향으로 배터리 팩(15)내에 흐르면, FET(32)는 스위치 오프됨을 주목해야 한다. 안전 동작을 보장하고, 배터리 팩(15)의 최대 에너지 효율을 얻기위해서, 배터리 모니터링 회로(40)내의 제어 논리 회로(50)는 매우 정확하게 설계된다. 통상적으로, 제어 논리 회로(50)의 전압 변동은 양호하게 약 1퍼센트(%)보다 더 작다.
배터리 모니터링 회로(40)는 각 배터리 셀의 전압 및 배터리 팩(15)내에 흐르는 전류를 모니터링함에 제한 받지 않음을 이해해야 한다. 본 발명의 대안적인 실시예에서, 배터리 모니터링 회로(40)는 배터리 팩(15)의 주변 온도를 또한 모니터한다. 본 발명의 다른 대안적인 실시예에 있어서, 배터리 모니터링 회로(40)는 배터리 팩(15)내의 배터리 셀들의 수를 감지하는 배터리 셀 감지 회로(도시 되지 않음)를 포함한다. 배터리 모니터링 회로(40)와 같은 배터리 제어 회로의 동작은 Troy L. Stockstad 등에 의해 “배터리 충전 제어용 회로 및 방법”이라고 명칭된 공동 출원중인 미국 특허 애플리케이션 08/398,255, attorney's docket NO. SC09078C 에 공지되어 있고, 이는 모토롤라 주식회사에 양도되었다.
도2는 본 발명에 따른 배터리를 충전하는 공정의 흐름도(60)이다. 예를 들어, 배터리는 배터리 보호 시스템(20)에 연결된 배터리 팩(15)으로서 도1에 도시된다.
도1의 배터리 시스템(10)내의 배터리 팩(15)을 충전시키도록, 전압 원(도시 되지 않음)의 양 및 음 단자들은 각각 배터리 시스템(10)의 양 단자(22)와 음 단자(24)에 연결된다. FET(31)는 게이트 전극에서 저 논리 전압 레벨에 의해 스위치 온 되어, 충전 전류는 발생되고(도2의 참조 번호(61)) 전도성 FET(31), FET(32), 인덕터(34), 배터리 팩(15) 및 전류 감지 저항기(36)을 통하여 전압원(도시되지 않음)의 양 단자로부터 전압원(도시되지 않음)의 음 단자로 흐른다. 정류기(38)는 역방향 바이어스되고 비전도성이 된다. 인덕터(34) 때문에, 충전 전류는 0 으로부터 점차 증가한다. 또한, 충전 전류내의 전기 에너지의 일부는 전자기 에너지로 변환된다. 즉, 전자기 에너지는 충전 전류를 사용하여 발생되고(도2의 참조 번호(62)), 인덕터(34)에 저장된다.
충전 전류는 전류 감지 저항기(36)양단의 전압차를 나타나게 한다. 비교기(52)는 전류 감지 저항기(36)양단의 전압차를 감지한다. 반전 입력보다 훨씬 더 높은 전압 레벨에서의 비 반전 입력으로, 비교기(52)는 출력에서 고 논리 전압 레벨을 발생시킨다. 고 논리 전압 레벨은 히스테리시스 비교기(54)의 인에이블 단자에 송신된다. 히스테리시스 비교기(54)는 인에이블되고 2개의 입력양단의 전압차를 감지하여, 배터리 팩(15) 및 전류 감지 저항기(36)내에 흐르는 충전 전류를 감지한다(도2의 참조 번호(63)).
히스테리시스 비교기(54)의 2개 입력양단의 전압차는 배터리 팩(15)내에 흐르는 전류에 비례한다. 배터리 팩(15)을 통해 흐르는 충전 전류가 소정의 전류 값,예를 들어 약 3 암페어(A),보다 더 작을 때, 히스테리시스 비교기(54)의 2개 입력양단의 전압차는, 예를 들어 약 30 mV 인, 히스테리시스 비교기(54)의 제1 임계 전압 값보다 더 작다. 히스테리시스 비교기(54)는 출력에서 저 논리 전압 레벨을 발생시킨다. 저 논리 전압 레벨은 FET 드라이버(56)을 통해 FET(31)의 게이트 전극에 송신된다. FET(31)는 전도성이고 충전 전류는 배터리 팩(15)을 통해 계속해서 흐른다. 충전 전류가, 예를 들어 약 3(A)인 소정의 전류 값 이상으로 상승하면, 히스테리시스 비교기(54)의 비-반전 입력의 전압 레벨은 히스테리시스 비교기(54)의 반전 입력의 전압 레벨보다 더 크고, 전압 차는, 예를 들어 약 30 mV 인 제1 임계 전압 값보다 훨씬 더 크다. 히스테리시스 비교기(54)는 출력에서 고 논리 전압 레벨을 발생시킨다. FET 드라이버(56)는 FET(31)의 게이트 전극에 고 논리 전압 레벨을 송신하며, 상기 FET 드라이버(56)은 전압원(도시되지 않음)으로부터 배터리 팩(15)으로 흐르는 충전 전류를 저지하기 위해 스위치 오프시킨다(도2의 참조 번호(64)).
스위치 오프된 FET(31) 및 저지된 충전 전류에 응답하여, 인덕터(34)내에 저장된 전자기 에너지는 배터리 팩(15), 전류 감지 저항기(36) 및 순 방향 바이어스 정류기(38)을 통해 흐르는 과도 전류를 발생시키도록 방출된다(도2의 참조 번호 (65)). 히스테리시스 비교기(54)는 2개의 입력양단의 전압차를 계속해서 감지하여 배터리 팩(15)내에 흐르는 과도 전류를 감지한다(도2의 참조 번호(66)). 과도 전류가, 예를 들어 전류 값이 실질적으로 0과 같은, 다른 소정의 전류 값으로 감소될 때, 히스테리시스 비교기(54)의 2개 입력양단의 전압차는, 예를 들어 실질적으로 0과 같은 전압 값인, 대응하는 전압 값으로 떨어지고, 이는 히스테리시스 비교기(54)의 제2 임계 전압 값보다 작다. 히스테리시스 비교기(54)의 출력에서의 전압 레벨은 저 논리 전압 레벨로 스위치 백(switch back)시킨다. 저 논리 전압 레벨은 FET 드라이버(56)을 통해 FET(31)의 게이트 전극에 송신되어, FET(31)를 스위치 온시키고 전도성 FET(31)를 통해 전압원(도시되지 않음)으로부터 배터리 팩(15)으로 흐르는 충전 전류를 재발생 시킨다(도2의 참조 번호(67)). 그후에, 인덕터(34)는 충전 전류를 사용하여 전자기 에너지를 발생시키는 단계(도2의 참조 번호(62))를 반복하고, 히스테리시스 비교기(54)는 배터리 팩(15)내에 흐르는 충전 전류를 감지하는 단계(도2의 참조 번호(63))를 반복한다.
위에 기술되었으므로, 충전 공정동안에 배터리 팩(15)내에 흐르는 전류는 FET(31), 인덕터(34) 및 히스테리시스 비교기(54)에 의해 변조된 펄스 전류이다. 충전 전류가 저지되고 재발생되는 주파수는 인덕터(34)의 인덕턴스, 양 단자(22) 및 음 단자(24)에 연결된 전압원(도시되지 않음)에 의해 공급된 충전 전압, 배터리 팩(15)의 전압, 및 히스테리시스 비교기(54)가 출력 전압 레벨을 절환하는 임계 전압들에 의존한다. 통상적으로, 작은 인덕턴스 및/또는 충전 전압과 배터리 팩(15)의 전압사이의 큰 전압차는 충전 전류가 저지되고 재발생되는 높은 주파수를 발생시킬 것이다. 통상적으로, 주파수는 약 50 kHz와 약 200kHz사이에 존재한다. 공칭 주파수는 약 100 kHz이다.
충전 공정동안에, 배터리 모니터링 회로(40)의 제어 논리 회로(50)는 출력(48)에서 주기적으로 고 논리 전압 레벨을 발생시킨다. 출력(48)에서의 고 논리 전압 레벨은 FET 드라이버(56)를 통해 FET(31)의 게이트 전극에 송신되고 FET(31)를 스위치 오프 시켜, 배터리 팩(15)내에 흐르는 충전 전류를 저지시킨다. 양호하게, FET(31)는 배터리 팩(15)내에 흐르는 과도 전류가 실질적으로 0으로 감소하도록 하는 충분히 긴 시간 간격동안 비전도적인 상태로 존재한다. 배터리 모니터링 회로(40)는 그후에 배터리 팩(15)내의 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)양단의 전압을 감지한다(도2의 참조 번호(68)). 배터리 팩(15)내에 흐르는 전류가 실질적으로 0 이므로, 배터리 모니터링 회로(40)에 의해 감지된 각각의 배터리 셀들(12,1 4,16,18)의 전압은 각각의 배터리 셀의 개방 회로 전압과 실질적으로 같다. 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)의 감지된 전압은 제어 논리 회로(50)의 기준 전압과 비교된다(도2의 참조번호(69)). 양호하게, 기준전압은 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)의 완전히 충전된 전압과 같다.
만일 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)의 감지된 전압이 기준 전압보다 낮을 경우에는, 제어 논리 회로(50)는 출력(48)에서 저 논리 전압 레벨을 발생시킨다. 저 논리 전압 레벨은 FET 드라이버(56)을 통해 FET(31)의 게이트 전극에 송신된다. FET(31)가 스위치 온되고, 충전 전류를 발생시키고, 전자기 에너지를 발생시키고, 충전 전류를 감지하고, 전자기 에너지를 발생시키고, 충전 전류를 감지하고, 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)양단의 전압을 감지하는 단계들(도2의 참조 번호(61,62,63,68))이 반복된다.
만일 배터리 팩(15)내의 배터리 셀의 감지된 전압이 실질적으로 기준 전압과 같거나 보다 크다면, 배터리 모니터링 회로(40)의 출력(48)의 전압 레벨은 고 논리 전압 레벨상태로 존재하며, FET(31)는 래치(latch) 오프 되고 충전 공정이 종료된다(도2의 참조 번호(70)). 만일 필요하다면, 배터리 모니터링 회로(40)는 매우 높은 전압을 가지는 배터리 셀을 방전시킴에 의해 배터리 팩(15)상에 배터리 셀 평형 동작을 수행한다. 배터리 셀 평형 동작후에, 만일 배터리 팩(15)내의 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)의 전압이 제어 논리 회로(50)내의 기준 전압보다 더 작다면, 배터리 모니터링 회로(40)는 FET(31)를 스위치 온시킴에 의해 충전 공정을 재개할 수 있다.
충전 공정 동안에 FET(31)를 스위치 오프 시키고, 배터리 팩(15)내의 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)양단의 전압을 감지하는 배터리 모니터링 회로(40)의 주파수는 제어 논리 회로(50)내의 타이머(timer)(도시되지 않음)에 의해 결정된다. 타이머는 FET(31)가 배터리 모니터링 회로(40)에 의해 스위치 오프되는 될 때마다, FET(31)가 얼마나 오래 비전도성을 나타내는지를 또한 결정한다. 예를 들어, 배터리 모니터링 회로(40)는 충전 공정동안에 약 1초(s)의 시간 주기내에서 한 번 FET(31)를 스위치 오프시킨다. 또한, FET(31)는 상기 FET(31)가 배터리 모니터링 회로(40)에 의해 스위치 오프될 때마다, 약 20 밀리초(ms)의 시간 간격동안 비전도성을 나타낸다. 그러나, 충전 공정동안에 배터리 모니터링 회로(40)에 의해 스위치 오프되는 FET(31)의 주파수 및 시간 간격은 이 값들에 의해 제한받지 않음을 이해해야 한다. 본 발명의 대안적인 실시예들에서, FET(31)는 배터리 시스템(10)의 충전 공정동안에, 0.5초, 1.5초 또는 2초인 시간 주기에서 10 ms, 15 ms 또는 25 ms인 시간 간격동안에 한 번 배터리 모니터링 회로(40)에 의해 스위치 오프 될 수 있다. 더 높은 주파수 및 더 긴 시간 간격 동안에 FET(31)를 스위치 오프시킴에 의해, 각각의 배터리 셀들(12,14,16,18)의 각각의 전압은 더욱더 면밀하고 정확하게 모니터링 되어, 배터리 팩(15)이 안전 동작 영역에서 동작함을 보증한다. 그러나, 충전 공정은 시간 효율이 떨어지게 된다.
따라서, FET(31), 인덕터(34), 전류 감지 저항기(36), 정류기(38), 배터리 모니터링 회로(40), 비교기(52), 히스테리시스 비교기(54) 및 FET 드라이버(56)는 배터리 시스템(10)내의 배터리 팩(15)의 충전 공정동안에, 배터리 팩(15)내에 흐르는 충전 전류를 제어하도록 작용한다. 즉, 배터리 모니터링 회로(40)내의 제어 논리 회로(50)는 배터리 팩(15)을 보호할 뿐만 아니라 충전 공정을 제어 하도록 작용한다. 따라서, 매우 정확한 충전 제어 회로를 포함하는 전용 리튬 배터리 충전기에 대한 필요성을 제거한다. 배터리 시스템(10)은 충전 배터리 팩(15)의 조절되지 않은 전압원에 연결될 수 있다. 즉, 종래 기술의 충전 공정에서 필요한, 배터리 보호 시스템내의 회로 및 전용 리튬 배터리 충전기내의 회로인, 2개의 정확한 제어 회로를 가지는 중복성을 제거한다. 배터리 보호 시스템(20)에 연결되고 배터리 시스템(10)내에 패키지화된 리튬-이온 배터리 팩의 사용 비용은 종래 기술의 배터리 보호 시스템에 연결된 리튬-이온 배터리 팩의 사용 비용과 비교하여 현저히 감소된다. 또한, 충전 공정동안에 배터리 팩(15)내에 흐르는 전류는 펄스 전류이다. 배터리 팩(15)내에 흐르는 평균 충전 전류는 종래 기술인 일정한 전류/일정한 전압 충전 공정에서의 평균 충전 전류보다 더 크다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 충전 공정은 종래 기술인 일정한 전류/일정한 전압 충전 공정보다 더욱더 시간 효율적이다.
지금쯤이면 배터리 보호 시스템 및 배터리 충전 공정이 제공되었음을 알고 있을 것이다. 본 발명에 따라, 배터리 보호 시스템내의 정확한 제어 회로는 배터리 팩을 보호할 뿐만아니라 배터리 충전 공정을 제어하여, 전용 배터리 충전기에 대한 필요성을 제거시킨다. 배터리는 조절되지않은 전압원을 사용하여 충전 될 수 있고, 상기 배터리는 비싸지 않고, 널리 이용되며, 사용하기 쉽다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 충전은 편리하고 비용면에서 효율적이다. 또한, 본 발명의 충전 공정은 종래 기술인 일정한 전류/일정한 전압 충전 공정보다 더욱더 시간 효율적이다.

Claims (10)

  1. 제1 단자(22), 제2 단자(24), 제1 배터리 전극(26) 및 제2 배터리 전극(28)을 가지는 배터리 보호 시스템(20)으로서,
    제어 전극, 상기 배터리 보호 시스템(20)의 상기 제1 단자(22)에 연결된 제1 전류 전도 전극, 제2 전류 전도 전극을 가지는 제1 스위치(31)와,
    상기 제1 스위치(31)의 상기 제2 전류 전도 전극에 연결된 제1 전극과 상기 배터리 보호 시스템(20)의 상기 제1 배터리 전극(26)에 연결된 제2 전극을 가지는 인덕터(34)와,
    상기 배터리 보호 시스템(20)의 상기 제2 배터리 전극(28)에 연결된 제1 전극과 상기 배터리 보호 시스템(20)의 상기 제2 단자(24)에 연결된 제2 전극을 가지는 저항기(36)와,
    상기 저항기(36)의 상기 제2 전극에 연결된 제1 전극과 상기 인덕터(34)의 상기 제1 전극에 연결된 제2 전극을 가지는 정류기(38)와,
    상기 저항기(36)의 상기 제1 전극에 연결된 제1 입력, 상기 저항기(36)의 상기 제2 전극에 연결된 제2 입력, 및 상기 제1 스위치(31)의 상기 제어 전극에 연결된 출력을 가지는 제1 비교기(54)와,
    다수의 입력들과 제1 출력(48)을 가지는 배터리 모니터링 회로(40)로서,
    상기 다수의 입력들중의 제1 입력(41)은 상기 인덕터(34)의 상기 제2 전극에 연결되며, 상기 다수의 입력들중의 제2 입력(45)은 상기 저항기(36)의 상기 제1 전극에 연결되고, 상기 출력(48)은 상기 제1 스위치(31)의 상기 제어 전극에 연결되는 배터리 모니터링 회로(40)를 포함하는, 배터리 보호 시스템(20).
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 비교기(54)는 히스테리시스 비교기인, 배터리 보호 시스템(20).
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 비교기(54)는 인에이블 단자를 더 포함하고, 상기 배터리 보호 시스템(20)은 상기 저항기(36)의 상기 제1 전극에 연결된 제1 입력, 상기 저항기(36)의 상기 제2 전극에 연결된 제2 입력,및 상기 제1 비교기(54)의 상기 인에이블 단자에 연결된 출력을 가지는 제2 비교기(52)를 더 포함하는, 배터리 보호 시스템(20).
  4. 제1항에 있어서, 상기 인덕터(34)의 상기 제1 전극은 제2 스위치(32)를 통해 상기 제1 스위치(31)의 상기 제2 전류 전도 전극에 연결되는데, 상기 제2 스위치(32)는 제어 전극, 상기 인덕터(34)의 상기 제1 전극에 연결된 제1 전류 전도 전극, 및 상기 제1 스위치(31)의 상기 제2 전류 전도 전극에 연결된 제2 전류 전도 전극을 가지며, 상기 배터리 모니터링 회로(40)는 상기 제2 스위치(32)의 상기 제어 전극에 연결된 제2 출력(49)을 더 포함하는, 배터리 보호 시스템(20).
  5. 재충전가능한 배터리 시스템(10)으로서,
    제1 단자와 제2 단자를 가지는 재충전가능한 배터리 팩(15)과,
    상기 재충전가능한 배터리 팩(15)의 상기 제1 단자에 연결된 제1 전극 및 제2 전극을 가지는 인덕터(34)와,
    게이트 전극, 소오스 전극, 및 상기 인덕터(34)의 상기 제2 전극에 연결된 드레인 전극을 가지는 제1 전계 효과 트랜지스터(31)와,
    재충전가능한 배터리 팩(15)의 상기 제2 단자에 연결된 제1 전극 및 제2 전극을 가지는 전류 감지 소자(36)와,
    상기 전류 감지 소자(36)의 상기 제2 전극에 연결된 제1 전극 및 상기 인덕터(34)의 상기 제2 전극에 연결된 제2 전극을 가지는 정류기(38)와,
    상기 전류 감지 소자(36)의 상기 제1 전극에 연결된 제1 입력, 상기 전류 감지 소자(36)의 상기 제2 전극에 연결된 제2 입력, 및 출력을 가지는 히스테리시스 비교기(54)와,
    다수의 입력들과 제1 출력(48)을 가지는 배터리 모니터링 회로(40)로서,
    상기 다수의 입력들중의 제1 입력(41)은 상기 재충전가능한 배터리 팩(15)의 상기 제1 단자에 연결되고, 상기 다수의 입력들중의 제2 입력(45)은 상기 재충전가능한 배터리 팩(15)의 상기 제2 단자에 연결되는, 배터리 모니터링 회로(40)와,
    상기 히스테리시스 비교기(54)의 상기 출력에 연결된 제1 입력, 상기 배터리 모니터링 회로(40)의 상기 제1 출력(48)에 연결된 제2 입력, 및 상기 제1 전계 효과 트랜지스터(31)의 상기 게이트 전극에 연결된 출력을 가지는 트랜지스터 드라이버(56)를 포함하는, 재충전가능한 배터리 시스템(10).
  6. 제5항에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리 시스템(10)은 상기 전류 감지 소자(36)의 상기 제1 전극에 연결된 제1 입력, 상기 전류 감지 소자(36)의 상기 제2 전극에 연결된 제2 입력, 및 출력을 가지는 비교기(52)를 더 포함하며,
    상기 히스테리시스 비교기(54)는 상기 비교기(52)의 상기 출력에 연결된 인에이블 단자를 더 포함하는, 재충전가능한 배터리 시스템(10).
  7. 제5항에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리 팩(15)은 다수의 재충전가능한 배터리 셀들(12,14,16,18)을 포함하는데,
    상기 다수의 재충전가능한 배터리 셀들(12,14,16,18)중의 제1 재충전가능한 배터리 셀(12)은 상기 재충전가능한 배터리 팩(15)의 상기 제1 단자에 연결된 제1 전극과 상기 배터리 모니터링 회로(40)의 상기 다수의 입력들중의 제3 입력(42)에 연결된 제2 전극을 가지며,
    상기 다수의 재충전가능한 배터리 셀들(12,14,16,18)중의 제2 재충전가능한 배터리 셀(14)은 상기 제1 재충전가능한 배터리 셀(12)의 상기 제2 전극에 연결된 제1 전극과 상기 재충전가능한 배터리 팩(15)의 상기 제2 단자에 연결된 제2 전극을 가지는, 재충전가능한 배터리 시스템(10).
  8. 배터리 충전 공정(60)으로서,
    상기 배터리를 통해 흐르는 제1 전류를 발생시키는 단계(61)와,
    제1 전류 값보다 큰 상기 제1 전류에 응답하여 상기 제1 전류를 저지하는 단계(64)와,
    상기 저지된 제1 전류에 응답하여 상기 배터리를 통해 흐르도록 제2 전류를 유도하는 단계(65)와,
    제2 전류 값보다 더 작은 상기 제2 전류에 응답하여 상기 제1 전류를 재발생시키는 단계(67)로서, 상기 제2 전류 값은 상기 제1 전류 값보다 작은, 상기 제1 전류를 재발생시키는 단계(67)와,
    상기 배터리양단의 전압을 감지하는 단계(68)와,
    상기 제1 전류를 발생시키는 단계(61), 전자기 에너지를 발생시키는 단계(62), 상기 제1 전류를 감지하는 단계(63), 및 전압 값보다 작은 상기 전압에 응답하여 상기 배터리양단의 상기 전압을 감지하는 단계(66)들을 반복하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 공정(60).
  9. 제 8항에 있어서, 제2 전류를 유도하는 상기 단계(65)는 정류기를 통해 상기 배터리의 음 단자로부터 상기 배터리의 양 단자로의 전도 경로를 설정하는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 공정(60).
  10. 제8항에 있어서, 상기 배터리양단의 전압을 감지하는 상기 단계는,
    상기 제1 전류를 저지하는 단계와,
    상기 제2 전류가 실질적으로 0 일 때, 상기 배터리내의 다수의 직렬 연결 배터리 셀들의 배터리 셀양단의 개방 회로 전압을 감지하는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 공정(60).
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