KR20040036441A

KR20040036441A - 열감지 퓨즈를 이용한 배터리 팩

Info

Publication number: KR20040036441A
Application number: KR1020020065487A
Authority: KR
Inventors: 김우철
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-04-30
Also published as: KR100889523B1

Abstract

본 발명은 충방전이 가능한 2차 전지의 일종인, 휴대 전자기기용 배터리 팩(battery pack)에 관한 것이다.

본 발명의 배터리 팩은, 전기 에너지를 저장하고 있으며, 충방전이 가능한 배터리 셀과, 외부의 전원 장치 또는 부하와 연결될 수 있으며, 상기 배터리 셀과 대전류 경로를 통해 연결되어 있는 팩 단자와, 상기 배터리 셀과 팩 단자 사이의 대전류 경로에 대해 병렬적으로 형성되며, 상기 배터리 셀 주변의 온도가 일정 값 이상으로 높아지면 이를 감지하여 양단을 턴오프시키는 열감지 퓨즈와, 상기 열감지 퓨즈와 대전류 경로 사이에 연결되며, 상기 열감지 퓨즈의 양단이 턴오프될 경우에 턴온되어 상기 대전류 경로에 흐르는 전류 흐름을 상기 배터리 셀로부터 바이패스시키는 스위칭 소자를 포함한다.

상기 배터리 팩에서는, 배터리 셀(B)과 팩 단자 사이의 대전류 경로에 대해 병렬적으로 열감지 퓨즈(F)와 스위칭 소자(FET)가 구비되도록 하고, 상기 배터리 셀(B)에서 바이패스(bypass)되는 전류가 상기 열감지 퓨즈(F)를 통해 흐르도록 함으로써, 상기 열감지 퓨즈(F) 자체의 발열이 발생하지 않도록 한다. 따라서, 상기 열감지 퓨즈(F)는 오로지 배터리 셀(B)의 온도에 의해서만 동작되므로, 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.

Description

열감지 퓨즈를 이용한 배터리 팩{A BATTERY PACK USING A THERMAL FUSE}

본 발명은 휴대 전자기기에 적용되는 배터리 팩(battery pack)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 셀의 온도를 감지하여 일정치 이상으로 되면 배터리 셀에 공급되는 전원이 차단되도록 하는 배터리 팩에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 열감지 퓨즈를 상기 배터리 팩의 대전류 경로 상에 위치시키지 않고서도 대전류 경로의 전원 공급 차단을 제어할 수 있도록 한 배터리 팩에 관한 것이다.

일반적으로, 충방전이 가능한 2차 전지(secondary battery)는 셀룰러 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants)등 휴대 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 이러한 2차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH : nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등 다양한 종류가 개발되고 있다.

이러한 2차 전지는 그 충방전 회로와 합쳐진 배터리 팩으로 구성되며, 상기 배터리 팩에 구비된 팩 단자를 통해 외부 전원에 의한 충전과 외부 부하로의 방전이 이루어진다.

도 1에는 종래의 배터리 팩의 회로가 도시되어 있다.

도 1에 도시되어 있듯이, 종래의 배터리 팩은 배터리 셀(B), 팩+ 단자와 팩- 단자로 이루어진 팩 단자, 상기 배터리 셀(B)과 팩 단자 사이에 형성된 열감지 퓨즈(F)를 포함한다. 상기 도 1에서는 설명의 편의를 위하여 충방전 회로가 도시되어 있지 않으나, 실제로는 상기 배터리 셀(B)에 충방전 회로가 연결되어 상기 배터리 셀(B)의 충방전 동작을 제어한다. 그리고, 상기 배터리 셀(B)과 팩 단자는 서로 전기적으로 연결되며, 이 경로를 특히 대전류 경로라고 부른다. 그 이유는 상기 대전류 경로는 상기 배터리 셀과 외부의 전원 장치 또는 부하 사이의 전류 경로이며, 이 경로를 통해 흐르는 전류의 크기가 비교적 크기 때문이다.

도 1에 도시된 열감지 퓨즈(F)는 배터리 셀(B) 주변의 온도 상승을 감지하여 그 온도가 일정값 이상으로 되면, 상기 열감지 퓨즈(F)가 차단된다. 따라서, 상기 배터리 셀(B)에 연결된 대전류 경로가 차단되어 고온의 비정상적인 조건에서 상기배터리 셀(B)이 사용되는 것을 방지함으로써 2차 전지의 안전성을 확보할 수 있도록 한다.

그러나, 상기 종래의 배터리 팩 회로에서는 상기 열감지 퓨즈(F)가 대전류 경로 상에 위치하고 있으므로, 대전류 경로에 흐르는 비교적 큰 전류로 인해 상기 열감지 퓨즈(F)의 자체 발열량도 무시할 수 없는 수준이 된다. 따라서, 배터리 셀의 온도에 상기 퓨즈(F)의 자체 발열로 인한 온도가 합쳐져서 상기 퓨즈(F)가 동작하며, 이로 인해, 상기 열감지 퓨즈(F)의 정격 온도보다 낮은 온도에서 배터리 셀의 동작이 차단된다. 이러한 현상은 상기 구조의 배터리 팩을 채용한 2차 전지의 온도에 따른 동작 차단에 신뢰성의 문제를 일으키며, 특히, 배터리 셀에 대해 고출력이 요구될 때 이러한 문제가 더욱 심각하게 제기될 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 기술적 배경 하에서 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 열감지 퓨즈를 대전류 경로 상에 위치시키지 않고서도 온도 상승을 감지하여 대전류 경로에서의 전원 공급 차단을 제어할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 배터리 팩의 회로를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 회로를 도시한 도면.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

B : 배터리 셀 R1, R2 : 저항

F : 열감지 퓨즈 10 : 보호 회로

FET : 트랜지스터

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 팩은,

전기 에너지를 저장하고 있으며, 충방전이 가능한 배터리 셀;

외부의 전원 장치 또는 부하와 연결될 수 있으며, 상기 배터리 셀과 대전류 경로를 통해 연결되어 있는 팩 단자;

상기 배터리 셀과 팩 단자 사이의 대전류 경로에 대해 병렬적으로 형성되며, 상기 배터리 셀 주변의 온도가 일정 값 이상으로 높아지면 이를 감지하여 양단을 턴오프시키는 열감지 퓨즈; 및,

상기 열감지 퓨즈와 대전류 경로 사이에 연결되며, 상기 열감지 퓨즈의 양단이 턴오프될 경우에 턴온되어 상기 대전류 경로에 흐르는 전류 흐름을 상기 배터리 셀로부터 바이패스시키는 스위칭 소자를 포함한다.

상기 설명된 본 발명의 목적, 기술적 구성 및 그 효과는 아래의 실시예에 대한 설명을 통해 보다 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 회로가 도시되어 있다.

상기 도 2에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은 배터리 셀(B)과, 팩+ 단자와 팩- 단자로 이루어진 팩 단자와, 상기 배터리 셀(B)과 팩+ 단자 사이에 형성된 보호 회로(10)와, 상기 배터리 셀(B)과 보호 회로(10) 사이의 대전류 경로에 대해 병렬적으로 구비된 경로에 각각 형성되는 열감지 퓨즈(F) 및 스위칭 소자(FET)를 포함한다. 상기 열감지 퓨즈(F)의 앞단에는 저항(R1)이 연결되고, 상기 열감지 퓨즈(F)와 스위칭 소자(FET) 사이에는 일단이 접지된 저항(R2)이 연결되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 상기 스위칭 소자(FET)로서 전계효과 트랜지스터(FET : Field Effect Transistor)가 사용되었으나, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않고 다른 종류의 스위칭 기능을 수행하는 전기 소자가 사용될 수 있다. 또한, 상기 보호 회로(10)는 SCP(self-control protector) 소자 등으로 구현되며, 상기 대전류 경로 상에 과전류가 흐르는 것을 감지하여 이를 차단하는 기능을 수행한다.

한편, 상기 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 충방전 회로가 도시되어 있지 않으나, 실제로는 상기 배터리 셀(B)에 충방전 회로가 연결되어 상기 배터리 셀(B)의 충방전 동작을 제어한다. 그리고, 상기 배터리 셀(B)과 팩 단자들은 서로 전기적으로 연결되며, 이 경로가 대전류 경로이다. 배터리 팩에 대해 충방전이 이루어질 때, 상기 팩 단자에 외부의 전원 장치 또는 부하가 연결되며, 상기 대전류 경로를 통해 배터리 셀(B)의 충방전 동작이 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩에서는 배터리 셀(B)과 팩 단자 사이의 대전류 경로에 대해 병렬적으로 열감지 퓨즈(F)와 스위칭 소자(FET)가 구비되어 있다는 점에 특징이 있다. 이렇게 구성함으로써, 상기 대전류 경로를 통해 흐르는 크기가 큰 전류가 아니라 상기 배터리 셀(B)에서 바이패스(bypass)되는 전류가 상기 열감지 퓨즈(F)를 통해 흐르도록 할 수 있다. 여기서, 상기 바이패스되는 전류의크기는 상기 대전류 경로 상의 전류에 비해 그 크기가 매우 작으므로, 상기 열감지 퓨즈(F) 자체의 발열을 야기시키지 않는다. 따라서, 상기 열감지 퓨즈(F)는 오로지 외부의 온도에 의해서만 동작되므로, 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.

상기 도 2의 회로에서, 배터리 셀(B) 주변의 온도가 일정 값 이상으로 되면, 상기 열감지 퓨즈(F)가 동작하여 양단을 턴오프시키며, 이로 인해, 상기 저항(R2)을 통해 스위칭 소자(FET)의 게이트에는 그라운드 전위가 인가된다. 상기 스위칭 소자(FET)는 예를 들면, n채널 증가형 트랜지스터로 구성되어 있으므로, 그라운드 전압 이하의 마이너스 바이어스 전압에 의해 드레인-소스 간이 턴온된다. 따라서, 상기 저항(R2)을 통해 인가되는 그라운드 전위에 의해 상기 스위칭 소자(FET)가 턴온됨으로써, 대전류 경로 상의 보호 회로(10)에 흐르고 있던 대전류가 상기 스위칭 소자(FET)로 흐르게 되며, 배터리 셀(B)로의 전원 공급 또는 팩 단자를 통한 부하로의 전원 공급이 차단될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩을 기존의 배터리 팩과 비교하여 실험한 결과, 정규 규격이 배터리 셀 주변온도 98℃에서 동작하는 열감지 퓨즈의 경우, 본 발명의 배터리 팩에서는 95℃에서 열감지 퓨즈가 턴오프된 반면, 종래의 배터리 팩에서는 80℃에서 퓨즈가 턴오프되었다. 이것은 종래의 배터리 팩에서는 열감지 퓨즈가 대전류 경로 상에 위치함으로써 자체 발열로 인해 실제 스펙(spec)에서 규정하고 있는 것보다 매우 낮은 온도에서 동작하게 됨을 의미한다.

이상으로 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩에서는 배터리 셀(B)과 팩 단자 사이의 대전류 경로에 대해 병렬적으로 열감지 퓨즈(F)와 스위칭 소자(FET)가 구비되도록 하고, 상기 배터리 셀(B)에서 바이패스(bypass)되는 전류가 상기 열감지 퓨즈(F)를 통해 흐르도록 함으로써, 상기 열감지 퓨즈(F) 자체의 발열이 발생하지 않도록 한다. 따라서, 상기 열감지 퓨즈(F)는 오로지 배터리 셀(B)의 온도에 의해서만 동작되므로, 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

전기 에너지를 저장하고 있으며, 충방전이 가능한 배터리 셀;

외부의 전원 장치 또는 부하와 연결될 수 있으며, 상기 배터리 셀과 대전류 경로를 통해 연결되어 있는 팩 단자;

상기 배터리 셀과 팩 단자 사이의 대전류 경로에 대해 병렬적으로 형성되며, 상기 배터리 셀 주변의 온도가 일정 값 이상으로 높아지면 이를 감지하여 양단을 턴오프시키는 열감지 퓨즈; 및,

상기 열감지 퓨즈와 대전류 경로 사이에 연결되며, 상기 열감지 퓨즈의 양단이 턴오프될 경우에 턴온되어 상기 대전류 경로에 흐르는 전류 흐름을 상기 배터리 셀로부터 바이패스시키는 스위칭 소자를 포함하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,

상기 배터리 셀과 팩 단자 사이에는 대전류 경로 상의 전류 흐름을 감지하여 과전류가 흐를 경우에 대전류 경로의 전류 흐름을 차단시키는 보호 회로를 더 포함하는 배터리 팩.
제2항에 있어서,

상기 보호 회로는 SCP(self-control protector) 소자로 구현되는 배터리 팩.
제1항에 있어서,

상기 스위칭 소자는 전계효과 트랜지스터로 구현되는 배터리 팩.
제4항에 있어서,

상기 전계효과 트랜지스터는 그라운드 또는 음의 바이어스 전압이 게이트에 인가될 경우에 소스-드레인 간이 턴온되는 n채널 증가형 트랜지스터인 배터리 팩.