KR20050078285A - 배터리 팩의 충방전 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리의 장착 유무를 확인한 후에 메인 시스템의 충전 단자에 전원이 공급되도록 하여 배터리 팩을 보호할 수 있도록한 배터리 팩의 충방전 회로에 관한 것으로, 화학 물리적 반응을 이용하여 전기적 직류 전원을 얻는 셀부;셀 양단 사이의 전압을 감지하는 1차 보호 회로;상기 1차 보호 회로에 셀 양단간의 전압을 감지하지 못하는 경우에 동작하여 셀 양단에서 셀 최대 전압보다 큰 전압이 감지되는 경우 퓨즈(SCP)를 차단하는 2차 보호 회로;전원 입력 단자(Vin)에서 어댑터 전원이 들어오면 셀로 들어가는 전류를 조절하고 전압이 정해진 레벨로 충전되도록 하는 충전 IC;상기 퓨즈의 일측 단자에 한쪽 전극이 연결되고 다른 쪽 전극이 전원 전압 입력 단자(Vin)에 연결되는 스위칭 트랜지스터(FET)를 감지되는 셀 전원의 레벨에 따라 제어하는 마이컴으로 구성되어 배터리가 장착되는 경우에만 메인 시스템의 충전 단자에 전원이 공급되도록 한다.

Description

배터리 팩의 충방전 회로{Circuit for charging and discharging of battery pack}

본 발명은 배터리 충방전 회로에 관한 것으로, 특히 배터리의 장착 유무를 확인한 후에 메인 시스템의 충전 단자에 전원이 공급되도록 하여 배터리 팩을 보호할 수 있도록한 배터리 팩의 충방전 회로에 관한 것이다.

일반적으로 휴대용 디지털 비디오 디스크(Digital Video Disk;DVD) 플레이어에는 장시간 동안 연속해서 사용할 수 있도록 여러 개의 배터리가 한곳에 수납되어 있는 배터리 팩이 구비된다.

현재 전 세계적으로 널리 보급되고 있는 SONY향 포터블 디브이디 플레이어(Portable DVD Player)에서 적용하고 있는 기술에서의 배터리(Battery)는 배터리 팩(Battery Pack) 내부에 충,방전 회로가 내장되어 있다.

물론, 핸드폰이나 PDA는 별도의 충전 장치를 가지고 있는 충전기를 사용하고 있지만 설계 측면에서의 내용은 유사하다.

종래 기술의 배터리 팩(Battery Pack)의 단자는 3단자인데 그 중에 방전 단자는 충방전 회로 내부의 특정 제어 신호와 관계없이 항상 셀(CELL) 전압이 발생하게 된다.

종래 기술의 배터리 팩 단자는 외부에 노출이 되어 있는데, 충,방전회로 내부의 특정 제어 신호와 관계없이 항상 셀(CELL) 전압이 발생하므로 금속성 이물질 또는 도체 물질들이 포트(port)에 접촉되는 경우에는 단락 현상이 발생하여 배터리 팩 자체가 손상되거나 패터리 팩의 수명이 단축된다.

즉, 종래 기술의 충방전 회로에서는 배터리의 장착 유무에 관계없이 메인 시스템의 충전 단자에 전원을 공급하기 때문에 배터리 출력 전압이 0V이더라도 배터리의 충전이 가능해지는 구조이다.

그러므로 종래 기술의 충방전 회로는 배터리가 장착되지 않은 상태에서도 전원이 공급되는데, 배터리가 장착되지 않은 상태에서는 금속성 이물질 또는 도체 물질들이 포트(port)에 접촉되는 경우가 많이 발생한다.

이와 같은 경우에, 단락 현상이 발생하여 배터리 팩 자체가 손상되거나 패터리 팩의 수명이 단축되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 배터리 충방전 회로의 문제를 해결하기 위한 것으로, 배터리의 장착 유무를 확인한 후에 메인 시스템의 충전 단자에 전원이 공급되도록 하여 배터리 팩을 보호할 수 있도록한 배터리 팩의 충방전 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로는 화학 물리적 반응을 이용하여 전기적 직류 전원을 얻는 셀부;셀 양단 사이의 전압을 감지하는 1차 보호 회로;상기 1차 보호 회로에 셀 양단간의 전압을 감지하지 못하는 경우에 동작하여 셀 양단에서 셀 최대 전압보다 큰 전압이 감지되는 경우 퓨즈(SCP)를 차단하는 2차 보호 회로;전원 입력 단자(Vin)에서 어댑터 전원이 들어오면 셀로 들어가는 전류를 조절하고 전압이 정해진 레벨로 충전되도록 하는 충전 IC;상기 퓨즈의 일측 단자에 한쪽 전극이 연결되고 다른 쪽 전극이 전원 전압 입력 단자(Vin)에 연결되는 스위칭 트랜지스터(FET)를 감지되는 셀 전원의 레벨에 따라 제어하는 마이컴으로 구성되어 배터리가 장착되는 경우에만 메인 시스템의 충전 단자에 전원이 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 배터리의 장착 유무는 배터리 방전 전압으로 감지하고, 과방전 보호 기능이 작동하여 방전 전압이 0V로 출력되는 경우에, 배터리의 (+)(-)단을 통하여 전압은 출력되나 전류는 흐르지 않도록 하기 위하여 스위칭 트랜지스터들과 병렬로 셀부와 (P-) 단자 사이에 제 1,2 콘덴서(C21/C22)가 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고 서로 직렬 연결되는, 1차 보호 회로의 DO(Discharge Output) 단자에 게이트가 연결되고 한쪽 전극이 셀부에 연결되는 방전 스위칭 트랜지스터(D-FET)와,1차 보호 회로의 CO(Chargr Output) 단자에 게이트가 연결되고 한쪽 전극이 (P-) 단자에 연결되는 충전 스위칭 트랜지스터(C-FET)를 더 포함한다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 이하에서의 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로의 바람직한 실시예에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 방전 회로의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로의 구성도이다.

본 발명은 배터리 팩의 충방전 회로는 배터리 팩내의 충방전 회로는 셀과 연결되는데 셀 한 개에서 Max 4.2V의 전압이 만들어지고, 배터리 팩을 Set에 체결하여 배터리 셀이 방전될 때 셀 전압이 기준 레벨 즉, 2.3V 이하로 떨어지면 충방전 회로 내에서 보호 회로가 작동하여 셀 전압이 더 이상 방전(출력)되는 것을 막아준다.

또한, Set와 배터리 팩이 체결되어 있을 때 어댑터(Adaptor)로 충전이 가능한데 셀(방전단자와 연결)에서 전압이 나오지 않으면 메인 시스템(Main System)에서 제어 신호가 동작하도록 하는 전압이 나오지 않도록 하여 충전이 되지 않도록 한다.

즉, 배터리 장착 유무에 관계없이 메인 시스템의 충전 단자에 전원을 공급하여 배터리 출력 전압이 0V 이더라도 배터리 충전이 가능한 구조에서 발생하는 배터리 미장착시에 이물질에 의한 쇼트 현상을 막기 위하여 배터리 장착 유무를 확인 후에 메인 시스템의 충전 단자에 전원이 공급되도록 시스템을 구성한다.

이와 같은 본 발명의 배터리 방전 회로의 구성은 도 1에서와 같이, 한 개의 셀에서 MAX 4.2V의 전압이 출력되는 셀들이 2 시리얼(serial)* 3 패러럴(parallel) 구성되어 화학적 또는 물리적 반응을 이용하여 전기적 직류 전원을 얻는 셀부(11)와, 셀 양단 사이의 전압을 감지하는 1차 보호 회로(12)와, 1차 보호 회로(12)에 셀 양단간의 전압을 감지하지 못하는 경우에 동작하여 셀 양단간의 전압을 감지하는 2차 보호 회로(13)으로 구성된다.

도 1의 (14)는 셀 충전시에 과전압이 흐를 경우 오픈되는 퓨즈(14)이다.

이와 같이 구성된 방전 회로는 배터리가 저전압(Low Voltage) 레벨까지 방전 된 후 오랜 시간 방치되면 배터리 팩 내부의 보호 회로(Over Discharge Protection) 기능이 작동하여 D-FET를 off하여 배터리 방전 전압이 0V가 되도록 한다.

본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로의 전체 구성은 도 2에서와 같이, 한 개의 셀에서 MAX 4.2V의 전압이 출력되는 셀들이 2 시리얼(serial)* 3 패러럴(parallel) 구성되어 화학적 또는 물리적 반응을 이용하여 전기적 직류 전원을 얻는 셀부(21)와, 셀 양단 사이의 전압을 감지하는 1차 보호 회로(22)와, 1차 보호 회로(22)에 셀 양단간의 전압을 감지하지 못하는 경우에 동작하여 셀 양단간의 전압을 감지하는 2차 보호 회로(23)와, 셀 충전시에 과전압이 흐를 경우 오픈되는 퓨즈(24)와, 퓨즈(24)의 일측 단자에 한쪽 전극이 연결되고 다른쪽 전극이 전원 전압 입력 단자(Vin)에 연결되는 FET의 게이트가 연결되어 입력 전압을 인식하고 셀 전원을 감지하여 FET를 조절하는 마이컴(26)과, 전원 입력 단자(Vin)에서 어댑터 전원 10V가 들어오면 마이컴(26)에서 입력 전압을 인식하고 셀 전원을 감지하는데, 셀로 들어가는 전류를 조절하고 전압이 정해진 레벨 8.4V로 충전되도록 하는 충전 IC(25)로 구성된다.

그리고 1차 보호 회로(22)의 DO(Discharge Output) 단자에 게이트가 연결되는 한쪽 전극이 셀부(21)에 연결되는 방전 스위칭 트랜지스터(D-FET)와 1차 보호 회로(22)의 CO(Charge Output) 단자에 게이트가 연결되는 충전 스위칭 트랜지스터(C-FET)가 직렬 연결 구성되고, C-FET는 열 차단기(Thermal Breaker;TB1)를 거쳐 다른 쪽 전극이 (P-) 단자에 연결된다.

그리고 (P+) 단자는 퓨즈(24)에 연결 구성되고, D-FET와 C-FET와 병렬 연결되는 C21/C22가 셀부(21)와 (P-) 단자에 연결 구성된다.

여기서, 배터리 팩 내부의 과방전 보호(Over Discharge Protection) 기능이 작동하여 D-FET를 off하면 출력(방전)전압이 0V로 출력되는데, 이 경우에도 배터리 전압을 출력하기 위하여 C21/C22를 100 kohm으로 구성한다.

이는 배터리의 (+)(-)단을 통하여 전압은 출력되나 전류는 100kohm으로 연결되어 거의 흐르지 않도록 한 것으로, 전압은 출력되나 전류는 거의 흐르지 않기 때문에 이물질(도체성물질)에 의해 쇼트되는 경우에도 배터리 팩에 아무런 문제가 발생되지 않는다.

그리고 1차 보호 회로(22)의 과충전 방지(Over Charge Prevention), 과방전 방지(Over Discharge Prevention), 과방전 전류 방지(Over Discharge Current Prevention)시의 동작은 다음과 같다.

먼저, 과충전 방지(Over Charge Prevention)의 경우에는 셀 양단간의 전압을 감지하여 최대 셀 전압(Max Cell Voltage) ≥4.35V ±0.025V인 경우에 C-FET가 off되어 과충전을 방지한다.(Recovery Vcell < 4.15V ±0.05V)

그리고 과방전 방지(Over Discharge Prevention)의 경우에는 셀 양단간의 전압을 감지하여 최소 셀 전압(Min Cell Voltage) ≤2.30V ±0.08V인 경우에 D-FET가 off되어 과방전을 방지한다.

그리고 과방전 전류 방지(Over Discharge Current Prevention)의 경우에는 디스차지 전류가 5 ~ 10A 이하인 경우에 D-FET가 off된다.

그리고 2차 보호 회로(23)의 과충전 방지(Over Charge Prevention)는 최대 셀 전압(Max Cell Voltage) ≥4.45V ±0.05V인 경우에 SCP(Self Control Protector) 퓨즈(24)가 오픈되어 과충전을 방지한다.

그리고 배터리의 장착 유무에 관계없이 메인 시스템의 충전 단자에 전원을 공급하여 배터리 출력 전압이 0V 이더라도 배터리 충전이 가능하도록 하는 경우의 쇼트(배터리 미장착시 이물질에 의한)를 막기 위하여 본 발명의 배터리 팩 충방전 회로에서는 배터리 장착 유무를 확인한 후에 메인 시스템 충전 단자에 전원이 공급되도록 구성한다. 여기서, 배터리의 장착 유무는 배터리 방전 전압으로 감지한다.

즉, 배터리 팩 내부의 과충전 방지 기능이 작동하여 D-FET를 off하여 배터리 출력 전압이 0V일 경우에는 메인 시스템에서 배터리 장착을 감지하지 못하도록 하여 충전이 이루어지지 않도록한 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로를 제어하기 위한 제어 신호 회로는 다음과 같이 구성된다.

도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로의 제어를 위한 제어 신호 회로 구성도이다.

메인 시스템에서 충전 전압을 배터리로 출력할 때의 제어 신호 회로를 나타낸 것으로, (P+) 단자에 게이트가 연결되고 한쪽 전극이 접지 단자와 (P-) 단자에 공통으로 연결되고 다른 쪽 전극이 저항을 통하여 전원 전압 단자(E+5V)에 연결되는 트랜지스터(Q120)는 배터리 전압이 트랜지스터(Q120)의 문턱 전압(Threshold Voltage), 약2V 이상일 경우에는 배터리 장착으로 감지되어 트랜지스터(Q120)은 턴온된다.

그리고 메인 시스템이 off인 경우에는 NAND 게이트(IC171)의 두 단자에 HIGH 레벨의 신호가 인가되어 NAND 게이트(IC171)의 출력이 LOW가 되어 충전 제어 트랜지스터(Charge Control FET)(Q115)를 턴온시켜 충전 단자에 전원을 공급하여 충전이 가능하게 된다.

그리고 메인 시스템이 on인 경우에는 NAND 게이트(IC171)의 두 단자에 HIGH, LOW 레벨의 신호가 각각 인가되어 NAND 게이트의 출력이 HIGH가 되어 충전 제어 트랜지스터(Charge Control FET Q115)를 턴오프시켜 충전 단자에 공급되는 전원이 차단되어 충전이 불가능하게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로는 배터리 팩의 단자 중에 방전 단자가 충방전 회로 내부의 제어 신호와 관계없이 항상 셀 전압을 발생하는 경우의 문제를 해결하기 위한 것으로, 배터리 팩 단자가 외부에 노출되어 발생하는 금속성 이물질이나 도체 물질에 의한 단락을 방지한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 배터리 장착 유무에 관계없이 메인 시스템의 충전 단자에 전원을 공급하는 것에 의해 배터리 출력 전압이 0V이더라도 배터리 충전이 가능한 상태가 되는 것을 막아 이물질에 의한 단락을 방지한다.

이는 배터리 팩의 수명을 증대시키고 신뢰성을 높이는 효과를 갖는다.

또한, 포터블 DVD뿐만 아니라 노트북 PC, PCS, PDA등 배터리를 사용하는 제품에 적용하는 경우에 제품 적용 가능성을 높이고, 소비자의 안전성 측면에서 유리한 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 방전 회로의 구성도

도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로의 구성도

도 3은 본 발명에 따른 배터리 팩의 충방전 회로의 제어를 위한 제어 회로 구성도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21. 셀 22. 1차 보호 회로

23. 2차 보호 회로 24. 퓨즈부

25. 충전 IC 26. 마이컴

Claims (7)

1. 화학 물리적 반응을 이용하여 전기적 직류 전원을 얻는 셀부;

   셀 양단 사이의 전압을 감지하는 1차 보호 회로;

   상기 1차 보호 회로에 셀 양단간의 전압을 감지하지 못하는 경우에 동작하여 셀 양단에서 셀 최대 전압보다 큰 전압이 감지되는 경우 퓨즈(SCP)를 차단하는 2차 보호 회로;

   전원 입력 단자(Vin)에서 어댑터 전원이 들어오면 셀로 들어가는 전류를 조절하고 전압이 정해진 레벨로 충전되도록 하는 충전 IC;

   상기 퓨즈의 일측 단자에 한쪽 전극이 연결되고 다른 쪽 전극이 전원 전압 입력 단자(Vin)에 연결되는 스위칭 트랜지스터(FET)를 감지되는 셀 전원의 레벨에 따라 제어하는 마이컴으로 구성되어 배터리가 장착되는 경우에만 메인 시스템의 충전 단자에 전원이 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 회로.
2. 제 1 항에 있어서, 배터리의 장착 유무는 배터리 방전 전압으로 감지하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 회로.
3. 제 1 항에 있어서, 과방전 보호 기능이 작동하여 방전 전압이 0V로 출력되는 경우에, 배터리의 (+)(-)단을 통하여 전압은 출력되나 전류는 흐르지 않도록 하기 위하여 스위칭 트랜지스터들과 병렬로 셀부와 (P-) 단자 사이에 제 1,2 콘덴서(C21/C22)가 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 회로.
4. 제 1 항에 있어서, 서로 직렬 연결되는, 1차 보호 회로의 DO(Discharge Output) 단자에 게이트가 연결되고 한쪽 전극이 셀부에 연결되는 방전 스위칭 트랜지스터(D-FET)와,

   1차 보호 회로의 CO(Chargr Output) 단자에 게이트가 연결되고 한쪽 전극이 (P-) 단자에 연결되는 충전 스위칭 트랜지스터(C-FET)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 회로.
5. 제 4 항에 있어서, 1차 보호 회로는 셀 양단간의 전압을 감지하여 최대 셀 전압(Max Cell Voltage) ≥4.35V ±0.025V인 경우에 C-FET를 off시켜 과충전을 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 회로.
6. 제 4 항에 있어서, 1차 보호 회로는 셀 양단간의 전압을 감지하여 최소 셀 전압(Min Cell Voltage) ≤2.30V ±0.08V인 경우에 D-FET를 off시켜 과방전을 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 회로.
7. 제 1 항에 있어서, 2차 보호 회로는 최대 셀 전압(Max Cell Voltage) ≥4.45V ±0.05V인 경우에 SCP(Self Control Protector) 퓨즈를 오픈시켜 과충전을 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 충방전 회로.