KR20060022557A - 배터리 팩의 보호회로 - Google Patents

배터리 팩의 보호회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩의 보호회로에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 온도 퓨즈를 대전류 경로 상에서 제거함으로써, 배터리 팩의 소비 전력을 낮추고, 다른 부품이나 소자의 설계 여유도를 향상시키는데 있다.
이를 위해 본 발명은 대전류 경로 상에 온도 퓨즈를 설치하는 대신, 소전압원에 연결된 온도 퓨즈를 충방전 FET 소자 위에 설치하고, 그 충방전 FET 소자가 과열되어 위의 온도 퓨즈가 융단되었을 때, 이를 멀티플렉서의 입력 신호로 하여 대전류 경로상에 설치된 퓨즈를 강제로 융단시키는 구성을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의해 본 발명은 충방전 FET 소자의 과열로 인한 배터리 셀의 위험을 방지하고, 또한 보호회로 본연의 과충전, 과방전 및 외부 쇼트로부터도 배터리 셀을 안전하게 보호함은 물론, 대전류 경로 상에서 다른 부품이나 소자의 설계 여유도를 향상시킬 수 있게 된다.
배터리 팩, 대전류 경로, 온도 퓨즈, 멀티플렉서, 충방전 FET 소자

Description

배터리 팩의 보호회로{Protect circuit of battery pack}
도 1은 종래 배터리 팩의 보호회로 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예 의한 배터리 팩의 보호회로 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩의 보호회로 구성을 도시한 블럭도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100,200; 본 발명에 의한 배터리 팩의 보호회로
110; 외부 단자 120; 배터리 셀
130; 센서 저항 140; 충방전 FET 소자
141; 충전 FET 소자 142; 방전 FET 소자
150; 퓨즈 160; 제1제어부
170; 온도 퓨즈부 171; 저항
172; 온도 퓨즈 180; 제2제어부
181; 스위치 소자
본 발명은 배터리 팩의 보호회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도 퓨즈를 대전류 경로 상에서 제거함으로써, 배터리 팩의 전력 소비량을 낮출 수 있는 휴대 전자기기용 배터리 팩의 보호회로에 관한 것이다.
일반적으로, 충방전이 가능한 2차 전지(secondary battery)는 셀룰러 폰(cellular phone), PCS(personal communications services), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants) 등 휴대용 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 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩의 외부 단자를 통해 충전과 방전이 이루어진다.
도 1을 참조하면, 종래 배터리 팩의 보호회로(100') 구성이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 배터리 팩은 외부 단자(110'), 배터리 셀(120'), 센서 저항(130'), 충방전 FET 소자(140'), 퓨즈(150'), 제1제어부(160'), 온도 퓨즈(170') 및 제2제어부(180')로 이루어져 있다.
상기와 같이 구성된 종래의 배터리 팩에서는 상기 외부 단자(110')를 통해 외부 세트 또는 충전기가 연결되어 방전 또는 충전 동작이 이루어진다. 상기 외부 단자(110')와 배터리 셀(120') 사이의 경로는 충방전 경로로 사용되는 대전류 경로 이며, 이 대전류 경로를 통해 비교적 큰 전류가 흐른다.
상기 외부 단자(110')에 충전기가 연결되면, 배터리 셀(120')의 충전 동작이 일어나며, 이 때의 충전 경로는 외부 단자(110')(P+), 퓨즈(150'), 온도 퓨즈(170'), 충방전 FET 소자(140'), 배터리 셀(120'), 센서 저항(130') 및 외부 단자(110')(P-)로 볼 수 있다.
상기 외부 단자(110')에 외부 세트가 연결되면, 배터리 셀(120')의 방전 동작이 일어나며, 이 때의 방전 경로는 배터리 셀(120')의 양극, 충방전 FET 소자(140'), 온도 퓨즈(170'), 퓨즈(150'), 외부 단자(110')(P+), 외부 단자(110')(P-), 센서 저항(130') 및 배터리 셀(120')의 음극으로 볼 수 있다.
여기서, 상기 충방전 FET 소자(140')는 배터리 셀(120')이 과충전 또는 과방전 되거나 외부 세트에서 쇼트가 발생했을 때, 제1제어부(160')에 의해 작동(off)된다. 물론, 이러한 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트는 상기 센서 저항(130')에 의해 센싱된다. 또한, 상기 퓨즈(150')는 이러한 제1제어부(160')에 의해 충방전 FET 소자(140')가 제대로 작동되지 않을 때, 퓨즈(150')가 과열되어 융단된다. 물론, 상기 제2제어부(180')와 퓨즈(150') 사이에는 상기 퓨즈(150')에 고열을 제공하는 저항(도시되지 않음)이 연결되어 있다.
한편, 상기 온도 퓨즈(170')는 실제로 상기 온드 FET 소자(140') 위에 설치되어 있다. 따라서, 상기 충방전 FET 소자(140')가 규정 온도 범위가 되었을 때 융단되어 대전류 경로에 전류가 흐르지 않도록 한다.
그러나, 이러한 종래의 배터리 팩 보호회로(100')는 대전류 경로 상에 온도 퓨즈(170')가 설치되어 있으므로, 대전류 경로의 전체 저항값이 증가하여 배터리 셀(120')의 소비 전력을 증가시키는 문제가 있다. 즉, 충방전 FET 소자(140')를 제1저항(R1), 온도 퓨즈(170')를 제2저항(R2), 퓨즈(150')를 제3저항(R3)으로 본다면, 전체 소비 전력은 전압 및 전류를 곱한 I2R 이므로, 상기와 같이 저항(R1,R2,R3)의 갯수가 증가할 수록 배터리 셀(120')의 소비 전력도 증가함을 알 수 있다.
또한, 이와 같은 이유로 대전류 경로 상에서 다른 부품이나 소자의 배치 설계에 어느 정도 제한을 가하는 요소가 된다. 즉, 전체 저항값을 줄이기 위해, 사용 가능한 충방전 FET 소자(140')나 퓨즈(150')의 선택에 제한이 있다.
즉, 종래 배터리 팩의 보호회로(100')는 대전류 경로 상에 전류가 아닌 온도에만 관계하여 작동하는 온도 퓨즈(170')가 설치됨으로써, 전체 저항값이 불필요하게 커져 소비 전력이 증가하고, 또한 고전력을 구현하기 위한 회로 설계가 어려워지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 온도 퓨즈를 대전류 경로 상에서 제거함으로써, 배터리 팩의 전력 소비량을 낮출 수 있는 휴대 전자기기용 배터리 팩의 보호회로를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 배터리 팩의 보호회로는 충전 기 또는 외부 세트와 연결되는 외부 단자와, 상기 외부 단자에 병렬로 연결되어, 상기 충전기에 의해 충전되거나, 외부 세트에 방전을 수행하는 배터리 셀과, 상기 배터리 셀과 외부 단자 사이에 연결되어 상기 배터리 셀의 충방전 상태 및 외부 쇼트를 감지하는 센서 저항과, 상기 배터리 셀과 외부 단자 사이에 연결되어 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 1차로 개방되는 충방전 FET 소자와, 상기 충방전 FET 소자와 외부 단자 사이에 설치되어 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 2차로 개방되는 퓨즈와, 상기 센서 저항으로부터 배터리 상태 정보를 입력받아 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 상기 충방전 FET 소자를 개방시키는 제1제어부와, 상기 충방전 FET 소자와 전기적으로 분리되어 있으며, 상기 충방전 FET 소자의 온도가 일정 온도 이상이 되었을 때 융단되는 온도 퓨즈부와, 상기 온도 퓨즈부의 융단 신호를 입력받아 상기 퓨즈를 융단시키는 제2제어부를 포함한다.
상기 온도 퓨즈부는 소정 전압원에 일단이 연결되고, 타단은 상기 제2제어부에 연결된 저항과, 상기 저항에 병렬로 연결되고, 접지되어 있되, 상기 충방전 FET 소자 위에 위치된 온도 퓨즈로 이루어질 수 있다.
상기 제2제어부는 상기 온도 퓨즈가 융단되면 상기 저항으로부터 소정 전압을 입력받아, 다시 소정 신호를 출력하는 멀티플렉서일 수 있다.
상기 멀티플렉서와 퓨즈 사이에는 스위치 소자가 더 연결될 수 있다.
상기 스위치 소자는 게이트가 상기 멀티플렉서의 출력단에 연결되고, 드레인은 상기 퓨즈에 연결되며, 소스는 접지된 전계효과형 트랜지스터일 수 있다.
상기 온도 퓨즈부는 소정 전압원에 일단이 연결되고, 타단은 상기 제2제어부 에 연결되어 있되, 상기 충방전 FET 소자 위에 위치된 온도 퓨즈와, 상기 온도 퓨즈에 병렬로 연결된 채 접지된 저항으로 이루어질 수 있다.
상기 제2제어부는 상기 온도 퓨즈가 융단되면, 입력단이 상기 저항을 경유하여 접지되고, 다시 소정 접지 신호를 출력하는 멀티플렉서일 수 있다.
상기 멀티플렉서의 출력단에는 그라운드 신호를 소정 전압으로 인버팅하여 출력하는 인버터가 더 연결될 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 배터리 팩의 보호회로는 대전류 경로상에 온도 퓨즈를 결선하는 대신, 저전압원에 연결된 온도 퓨즈부를 충방전 FET 소자 위에 설치하고, 상기 온도 퓨즈부가 작동되었을 때 이를 제2제어부가 감지하여 퓨즈를 강제로 융단시키게 된다. 따라서, 본 발명은 배터리 팩을 과방전, 과충전 및 외부 쇼트로부터 안전하게 보호하는 동시에, 대전류 경로 상에서 전체 저항값의 상승을 억제할 수 있게 된다. 물론, 이러한 전체 저항값 상승의 억제로 인하여 배터리 팩의 자체 소비 전력도 낮출 수 있게 된다.
또한, 대전류 경로 상의 저항값이 감소함으로서, 다른 소자 또는 부품의 사용 가능한 종류 또는 특성값에 대한 자유도가 높아진다.
결론적으로, 본 발명에 개시된 배터리 팩의 보호회로는 배터리 팩 팩의 자체 소비 전력을 최소화할 수 있고, 또한 고전력 회로 설계에 유리해진다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조 하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 의한 배터리 팩의 보호회로(100) 구성이 블럭도로 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 배터리 팩의 보호회로(100)는 외부 단자(110)와, 배터리 셀(120)과, 센서 저항(130)과, 충방전 FET 소자(140)와, 퓨즈(150)와, 제1제어부(160)와, 온도 퓨즈부(170)와, 제2제어부(180)를 포함한다.
상기 외부 단자(110)는 2개로 이루어져 있으며, 이는 충전기 또는 외부 세트에 연결된다. 따라서, 상기 외부 단자(110)가 충전기에 연결되면 배터리 셀(120)이 충전되고, 상기 외부 단자(110)가 외부 세트에 연결되면 배터리 셀(120)이 방전된다.
상기 배터리 셀(120)은 상기 외부 단자(110)와 대략 병렬로 연결되어 있으며, 이는 상술한 바와 같이 충전기에 의해 충전되거나, 또는 외부 세트에 방전을 수행하게 된다.
상기 센서 저항(130)은 상기 외부 단자(110)와 배터리 셀(120) 사이에 직렬로 연결되어 있다. 즉, 대전류 경로상에 연결되어 있다. 따라서, 상기 센서 저항(130)의 저항값은 미리 알고 있는 상태이므로, 상기 센서 저항(130)에 인가되는 전압을 감지하면 배터리 셀(120)의 충방전 전압뿐만 아니라, 충방전 전류 및 외부 쇼트 상태도 간접적으로 감지할 수 있게 된다. 즉, 상기 센서 저항(130)에 의해 배터리 셀(120)의 과충전 전압, 과방전 전압, 과충전 전류, 과방전 전류 및 외부 쇼트 등을 감지할 수 있게 된다. 물론, 이와 같이 감지된 값은 제1제어부(160) 및 제2제 어부(180)에 전달된다.
상기 충방전 FET 소자(140)는 상기 배터리 셀(120)과 외부 단자(110) 사이에 연결되어 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 1차로 회로를 개방한다. 즉, 회로를 오프시킨다. 좀더 구체적으로 상기 충방전 FET 소자(140)는 충전 FET 소자(141)와, 방전 FET 소자(142)로 이루어져 있다. 상기 충전 FET 소자(141)는 배터리 셀(120)의 과충전 전압이나 과충전 전류시 오프된다. 물론, 이러한 충전 FET 소자(141)가 오프되더라도 방전 전류는 충전 FET 소자(140)의 기생 다이오드를 따라 흐를 수 있음으로, 배터리 셀(120)의 방전은 가능하다. 또한 방전 FET 소자(142)는 배터리 셀(120)의 과방전 전압이나 과방전 전류 또는 외부 세트의 쇼트시 오프된다. 물론, 이러한 방전 FET 소자(142)가 오프되더라도 충전 전류는 방전 FET 소자(142)의 기생 다이오드를 따라 흐를 수 있음으로, 배터리 셀(120)의 충전은 가능하다.
상기 퓨즈(150)는 상기 충방전 FET 소자(140)와 외부 단자(110) 사이에 설치되어 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 강제로 융단된다. 좀더 구체적으로 이러한 퓨즈(150)는 상기 충방전 FET 소자(140)가 작동되어야 할 시점에서 작동되지 않으면 작동된다. 즉, 상기 퓨즈(150)에는 도시되지 않은 저항이 함께 형성되어 있는데, 이러한 저항에 전류가 인가됨으로써, 퓨즈(150)가 융단된다. 다른 말로 상기 퓨즈(150)는 온도에 관계없이 전류값에 의해 작동하는 퓨즈(150)이다.
상기 제1제어부(160)는 상기 센서 저항(130)으로부터 소정 신호를 입력받으면 상기 충방전 FET 소자(140)를 작동시킨다. 즉, 상기 센서 저항(130)으로부터 과충전이나 과방전 또는 외부 쇼트 상태라는 신호가 입력되면 상기 충방전 FET 소자 (140)를 작동시켜 대전류 경로를 차단한다. 좀더 구체적으로, 상기 제1제어부(160)는 배터리 셀(120)의 과충전 전압 또는 과충전 전류시에 상기 충방전 FET 소자(140)중 충전 FET 소자(141)의 게이트에 로우 신호를 인가하여 오프되도록 한다. 또한, 상기 제1제어부(160)는 배터리 셀(120)의 과방전 전압, 과방전 전류 또는 외부 세트의 쇼트시에 충방전 FET 소자(140)중 방전 FET 소자(142)의 게이트에 로우 신호를 인가하여 오프되도록 한다.
상기 온도 퓨즈부(170)는 저항(171)과 온도 퓨즈(172)로 이루어져 있다. 상기 저항(171)은 일단이 저전압원(예를 들면, 5V)에 연결되고, 타단은 상기 제2제어부(180)에 연결되어 있다. 또한, 상기 온도 퓨즈(172)는 상기 저항(171)에 일단이 병렬로 연결되고, 타단은 접지되어 있다. 더욱이, 상기 온도 퓨즈(172)는 물리적으로 상기 충방전 FET 소자 위에 설치되어 있다. 따라서, 상기 온도 퓨즈(172)는 상기 충방전 FET 소자(140)가 과열되어 소정 온도(대략 90℃ 이상) 범위가 되면, 융단된다. 즉, 상기 온도 퓨즈(172)는 전류값에 관계없이 충방전 FET 소자(140)의 온도에만 관련하여 작동한다.
이러한 구성에 의해 상기 온도 퓨즈부(170)는 온도 퓨즈(172)가 융단되면 저항(171)을 통해 흐르던 전류를 제2제어부(180)에 인가한다. 물론, 온도 퓨즈(172)가 융단되기 전에는 상기 온도 퓨즈(172)가 접지된 상태이므로, 전류가 제2제어부(180)로 제공되지 않는다.
상기 제2제어부(180)는 온도 퓨즈부(170)와 퓨즈(150) 사이에 형성되어 있다. 더욱이, 상기 제2제어부(180)와 퓨즈(150) 사이에는 스위치 소자(181)가 더 연 결되어 있다. 예를 들어, 상기 스위치 소자(181)는 게이트가 상기 제2제어부(180)의 출력단에 연결되고, 드레인은 상기 퓨즈(150)에 연결되며, 소스는 접지된 전계효과형 트랜지스터일 수 있다. 더욱이, 상기 제2제어부(180)는 다수의 입력신호중 하나를 선택하여 출력하는 멀티플렉서일 수 있다.
이러한 구성에 의해 상기 제2제어부(180)는 온도 퓨즈(172)가 융단되었을 때 소정 신호를 입력 받게 되고, 이어서 상기 스위치 소자(181)에 소정 신호를 출력하게 된다. 예를 들면, 상기 스위치 소자(181)에 하이 신호를 입력한다. 그러면, 상기 스위치 소자(181)는 턴온되면서 드레인으로부터 소스로 전류가 흐르게 된다. 그러면, 상기 퓨즈(150)와 함께 설치된 저항(도시되지 않음)이 발열하게 되고, 따라서 상기 퓨즈(150)는 강제로 융단되어 배터리 셀(120)을 보호하게 된다.
상기와 같은 구성에 의해서 본 발명에 따른 배터리 팩의 보호회로(100)는 다음과 같이 작동된다.
여기서, 상기 센서 저항(130)에 의한 제1제어부(160) 및 충방전 FET 소자(140)의 작동, 그리고 센서 저항(130)에 의한 제2제어부(180) 및 퓨즈(150)의 작동은 종래 기술과 동일하므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
먼저 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트나 어떤 다른 원인으로 인해 충방전 FET 소자(140)가 과열되는 경우가 있다. 이와 같이 충방전 FET 소자(140)가 과열되면, 배터리 셀(120)의 정상적인 충방전이 어려워질 뿐만 아니라, 배터리 셀(120)의 발열이나 폭발 또는 화재의 위험까지 있다.
한편, 이때 상기 충방전 FET 소자(140)는 과열 상태에 있음으로, 그 위에 설 치된 온도 퓨즈부(170)가 작동한다. 즉, 온도 퓨즈부(170)의 한 구성 요소인 온도 퓨즈(172)가 소정 온도 범위에서 융단된다. 이러한 온도 범위는 다양하게 설정 가능하지만 대략 90℃ 내외로 설정함이 바람직하다.
위와 같이 온도 퓨즈(172)가 융단되면, 저전압원(예를 들면, 5V)에 연결된 저항(171)을 통해 흐르던 전류가 제2제어부(180)에 직접 인가된다. 즉, 상기 온도 퓨즈(172)가 융단되기 전에는 전류가 상기 온도 퓨즈(172)를 통해서 모두 접지쪽으로 흐르게 되지만, 온도 퓨즈(172)가 융단되면 저항(171)을 통해 흐르던 전류가 상기 제2제어부(180)쪽으로 모두 흐른다.
또한, 상기 제2제어부(180)는 상술한 바와 같이 멀티플렉서일 수 있다. 따라서, 다수의 입력단중 상기 온도 퓨즈부(170)를 통해서 소정 전류가 입력되면, 다시 출력 단을 통해서 소정 신호를 출력하게 된다. 즉, 제2제어부(180)는 스위치 소자(181)쪽으로 소정 신호를 출력하게 된다. 예를 들면, 상기 제2제어부(180)는 스위치 소자(181)로 이용된 전계효과 트랜지스터의 게이트에 하이 신호를 인가하게 된다.
그러면, 상기 스위치 소자(181)가 작동되어 상기 배터리 셀(120) 또는 충전기(도시되지 않음)로부터의 소정 전류가 상기 퓨즈(150)에 함께 설치된 저항(도시되지 않음)을 경유하게 접지된다. 그러면, 상기 저항이 발열하게 되고, 결국 이러한 발열에 의해 퓨즈(150)가 융단됨으로써, 배터리 셀(120)이 안전하게 보호된다.
물론, 상기 충방전 FET 소자(140)를 제1저항(R1)으로, 상기 퓨즈(150)를 제2저항(R2)으로 본다면, 대전류 경로에서 전체 저항값은 종래에 비하여 감소되고(대 전류 경로에서 온도 퓨즈(172)에 의한 저항값이 제거되었기 때문임), 상기 배터리 셀(120)의 소비 전력도 감소된다.
더욱이, 대전류 라인에서 소비 전력이 감소됨으로써, 다른 소자 또는 부품의 설계 여유도가 증가하게 된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 배터리 팩의 보호회로(200) 구성이 블럭도로서 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명의 또다른 배터리 팩의 보호회로(200)는 외부 단자(210)와, 배터리 셀(220)과, 센서 저항(230)과, 충방전 FET 소자(240)와, 퓨즈(250)와, 제1제어부(260)와, 온도 퓨즈부(270)와, 제2제어부(280)를 포함한다.
상기 외부 단자(210)는 2개로 이루어져 있으며, 이는 충전기 또는 외부 세트에 연결된다. 따라서, 상기 외부 단자(210)가 충전기에 연결되면 배터리 셀(220)이 충전되고, 상기 외부 단자(210)가 외부 세트에 연결되면 배터리 셀(220)이 방전된다.
상기 배터리 셀(220)은 상기 외부 단자(210)와 대략 병렬로 연결되어 있으며, 이는 상술한 바와 같이 충전기에 의해 충전되거나, 또는 외부 세트에 방전을 수행하게 된다.
상기 센서 저항(230)은 상기 외부 단자(210)와 배터리 셀(220) 사이에 직렬로 연결되어 있다. 즉, 대전류 경로상에 연결되어 있다. 따라서, 상기 센서 저항(230)의 저항값은 미리 알고 있는 상태이므로, 상기 센서 저항(230)에 인가되는 전압을 감지하면 배터리 셀(220)의 충방전 전압뿐만 아니라, 충방전 전류 및 외부 쇼 트 상태도 감지할 수 있게 된다. 즉, 상기 센서 저항(230)에 의해 배터리 셀(220)의 과충전 전압, 과방전 전압, 과충전 전류, 과방전 전류 및 외부 세트의 쇼트 등을 감지할 수 있게 된다. 물론, 이와 같이 감지된 값은 제1제어부(260) 및 제2제어부(280)에 전달된다.
상기 충방전 FET 소자(240)는 상기 배터리 셀(220)과 외부 단자(210) 사이에 연결되어 배터리 셀(220)의 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 회로가 1차로 개방된다. 즉, 오프된다. 좀더 구체적으로 상기 충방전 FET 소자(240)는 충전 FET 소자(241)와, 방전 FET 소자(242)로 이루어져 있다. 상기 충전 FET 소자(241)는 배터리 셀(220)이 과충전 전압이나 과충전 전류시 오프된다. 물론, 이러한 충전 FET 소자(241)가 오프되더라도 방전 전류는 충전 FET 소자(241)의 기생 다이오드를 따라 흐를 수 있음으로, 방전은 자유롭게 된다. 또한 방전 FET 소자(242)는 과방전 전압이나 과방전 전류 또는 외부 쇼트시 오프된다. 물론, 이러한 방전 FET 소자(242)가 오프되더라도 충전 전류는 기생 다이오드를 따라 흐를 수 있음으로, 충전은 가능하다.
상기 퓨즈(250)는 상기 충방전 FET 소자(240)와 외부 단자(210) 사이에 설치되어 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 강제로 융단된다. 좀더 구체적으로 이러한 퓨즈(250)는 상기 충방전 FET 소자(240)가 작동되어야 할 시점에서 작동되지 않으면 작동된다. 즉, 상기 퓨즈(250)에는 도시되지 않은 저항이 함께 형성되어 있는데, 이러한 저항에 전류가 인가됨으로써, 퓨즈(250)가 강제로 융단된다. 다른 말로 상기 퓨즈(250)는 온도에 관계없이 전류값에 의해 작동하는 퓨즈(250)이다.
상기 제1제어부(260)는 상기 센서 저항(230)으로부터 소정 신호를 입력받으면 상기 충방전 FET 소자(240)를 작동시킨다. 즉, 상기 센서 저항(230)으로부터 배터리 셀(220)의 과충전이나 과방전 또는 외부 쇼트 상태라는 신호가 입력되면 상기 충방전 FET 소자(240)를 작동시켜 대전류 경로를 차단한다. 좀더 구체적으로, 상기 제1제어부(260)는 배터리 셀(220)의 과충전 전압 또는 과충전 전류시에 상기 충방전 FET 소자(240)중 충전 FET 소자(241)의 게이트에 로우 신호를 인가하여 오프되도록 한다. 또한, 상기 제1제어부(260)는 배터리 셀(220)의 과방전 전압, 과방전 전류 또는 외부 쇼트시에 충방전 FET 소자(240)중 방전 FET 소자(242)의 게이트에 로우 신호를 인가하여 오프되도록 한다.
상기 온도 퓨즈부(270)는 온도 퓨즈(271)와 저항(272)으로 이루어져 있다. 상기 온도 퓨즈(271)는 일단이 저전압원(예를 들면, 5V)에 연결되고, 타단은 상기 제2제어부(280)에 연결되어 있다. 또한, 상기 저항(272)은 상기 온도 퓨즈(271)에 일단이 병렬로 연결되고, 타단은 접지되어 있다. 더욱이, 상기 온도 퓨즈(271)는 물리적으로 상기 충방전 FET 소자(270) 위에 설치되어 있다. 따라서, 상기 온도 퓨즈(271)는 상기 충방전 FET 소자(240)가 과열되어 소정 온도(대략 90℃ 이상) 범위가 되면, 융단된다. 즉, 상기 온도 퓨즈(271)는 전류값에 관계없이 온도에만 관련하여 작동한다.
이러한 구성에 의해 상기 온도 퓨즈부(270)는 온도 퓨즈(271)가 융단되면 상기 저항(272)과 함께 소정 전압이 인가되던 제2제어부(280)의 한 입력단이 접지된다. 물론, 온도 퓨즈(271)가 융단되기 전에는 상기 저항(272)이 접지된 상태이므 로, 소정 전압이 상기 제2제어부(280)에 인가되어 있던 상태이다.
상기 제2제어부(280)는 온도 퓨즈부(270)와 퓨즈(250) 사이에 형성되어 있다. 더욱이, 상기 제2제어부(280)와 퓨즈(250) 사이에는 인버터(281) 및 스위치 소자(282)가 더 연결되어 있다. 이러한 인버터(281)는 정상 작동 조건하에는 제2제어부(280)의 출력 단이 하이 신호를 출력하고 있음으로, 로우 신호로 인버팅하여 출력한다. 그러나, 위와 같이 온도 퓨즈(271)가 융단된 상태에서는 제2제어부(280)가 로우 신호를 출력하므로, 이 신호를 다시 하이 신호로 인버팅하여 스위치 소자(282)에 출력하게 된다. 또한, 상기 스위치 소자(282)는 게이트가 상기 인버터(282)에 연결되고, 드레인은 상기 퓨즈(250)에 연결되며, 소스는 접지된 전계효과 트랜지스터일 수 있다. 더욱이, 상기 제2제어부(280)는 다수의 입력신호중 하나를 선택하여 출력하는 멀티플렉서일 수 있다.
이러한 구성에 의해 상기 제2제어부(280)는 온도 퓨즈(271)가 융단되었을 때 어느 한 입력단이 접지되고, 따라서 인버터(281)에 연결된 출력단은 로우 신호를 출력하게 된다. 그러면, 상기 인버터(281)는 이를 하이 신호로 인버팅하여 상기 스위치 소자(282)에 출력하게 된다. 예를 들면, 상기 스위치 소자(282)에 하이 신호를 입력한다. 그러면, 상기 스위치 소자(282)는 턴온되면서 드레인에서 소스로 전류가 흐르게 된다. 그러면, 상기 퓨즈(250)와 함께 설치된 저항(도시되지 않음)이 발열하게 되고, 따라서 상기 퓨즈(250)는 융단되어 배터리 셀(220)을 안전하게 보호하게 된다. 즉, 더 이상의 충방전 FET 소자(270)의 과열을 방지하게 된다.
상기와 같은 구성에 의해서 본 발명에 따른 배터리 팩의 보호회로(200)는 다 음과 같이 작동된다.
여기서, 상기 센서 저항(230)에 의한 제1제어부(260) 및 충방전 FET 소자(240)의 작동, 그리고 센서 저항(230)에 의한 제2제어부(280) 및 퓨즈(250)의 작동은 종래 기술과 동일하므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
먼저 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트나 어떤 다른 원인으로 인해 충방전 FET 소자(240)가 과열되는 경우가 있다. 이와 같이 충방전 FET 소자(240)가 과열되면, 배터리 셀(220)의 정상적인 충방전이 어려워질 뿐만 아니라, 배터리 셀(220)의 발열이나 폭발 또는 화재의 위험이 발생한다.
한편, 이때 상기 충방전 FET 소자(240)는 과열 상태에 있음으로, 그 위에 설치된 온도 퓨즈부(270)가 작동한다. 즉, 온도 표즈부(270)의 한 구성 요소인 온도 퓨즈(271)가 소정 온도 범위에서 융단된다. 이러한 온도 범위는 다양하게 설정 가능하지만 대략 90℃ 내외로 설정함이 바람직하다.
위와 같이 온도 퓨즈(271)가 융단되면, 저전압원(예를 들면, 5V)에 연결된 저항(272)을 통해 제2제어부(280)에 함께 인가되던 전압이 인가되지 않게 된다. 즉, 제2제어부(280)의 어느 한 입력단이 접지된다. 물론, 상기 온도 퓨즈(271)가 융단되기 전에는 전압이 상기 저항(272)과 함께 제2제어부(280)의 입력단에 인가되고 있었지만, 온도 퓨즈(271)가 융단되면 상기 제2제어부(280)의 입력단이 접지된다.
또한, 상기 제2제어부(280)는 상술한 바와 같이 멀티플렉서일 수 있다. 따라서, 다수의 입력단중 상기 온도 퓨즈부(270)를 통해서 접지 신호가 입력되면, 다시 출력 단을 통해서 소정 접지 신호를 출력할 수 있게 된다. 즉, 로우 신호를 출 력한다. 그러나, 상기 제2제어부(280)의 출력단에는 인버터(281)가 연결되어 있음으로, 상기 로우 신호를 하이 신호로 인버팅하여 상기 스위치 소자(282)쪽으로 인가하게 된다. 예를 들면, 상기 제2제어부(280)는 스위치 소자(282)로 이용된 전계효과 트랜지스터의 게이트에 하이 신호를 인가하게 된다.
그러면, 상기 스위치 소자(282)가 작동되어 소정 전류가 상기 퓨즈(250)에 함께 설치된 저항(도시되지 않음)을 경유하게 접지쪽으로 흐르게 된다. 그러면, 상기 저항이 발열하게 되고, 결국 이러한 발열에 의해 퓨즈(250)가 융단됨으로써, 배터리 셀(220)이 안전하게 보호된다.
물론, 상기 충방전 FET 소자(240)를 제1저항(R1)으로, 상기 퓨즈(250)를 제2저항(R2)으로 본다면, 대전류 경로에서 전체 저항값은 종래에 비하여 감소됨으로써(대전류 경로에서 온도 퓨즈(272)에 대한 저항값이 제거됨), 상기 배터리 셀(220)의 소비 전력도 감소된다.
더욱이, 대전류 라인에서 소비 전력이 감소됨으로써, 다른 소자 또는 부품의 설계 여유도가 증가하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩의 보호회로는 대전류 경로상에 온도 퓨즈를 결선하는 대신, 저전압원에 연결된 온도 퓨즈부를 충방전 FET 소자 위에 설치하고, 상기 온도 퓨즈부가 작동되었을 때 이를 제2제어부가 감지하여 퓨즈를 강제로 융단시키게 된다. 따라서, 본 발명은 배터리 팩을 과방전, 과충전 및 외부 쇼트로부터 안전하게 보호하는 동시에, 대전류 경로 상에서 전체 저항값의 상승 을 억제할 수 있는 효과가 있다. 물론, 이러한 전체 저항값 상승의 억제로 인하여 배터리 팩의 자체 소비 전력도 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 대전류 경로 상의 저항값이 감소함으로서, 다른 소자 또는 부품의 사용 가능한 종류 또는 특성값에 대한 자유도가 높아지는 효과가 있다.
결론적으로, 본 발명에 개시된 배터리 팩의 보호회로는 배터리 팩 팩의 자체 소비 전력을 최소화할 수 있고, 또한 고전력 회로 설계에 유리해지는 효과가 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 팩의 보호회로를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 충전기 또는 외부 세트와 연결되는 외부 단자;
    상기 외부 단자에 병렬로 연결되어, 상기 충전기에 의해 충전되거나, 외부 세트에 방전을 수행하는 배터리 셀;
    상기 배터리 셀과 외부 단자 사이에 연결되어 상기 배터리 셀의 충방전 상태 및 외부 쇼트를 감지하는 센서 저항;
    상기 배터리 셀과 외부 단자 사이에 연결되어 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 1차로 개방되는 충방전 FET 소자;
    상기 충방전 FET 소자와 외부 단자 사이에 설치되어 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 2차로 개방되는 퓨즈;
    상기 센서 저항으로부터 배터리 상태 정보를 입력 받아 과충전, 과방전 또는 외부 쇼트시 상기 충방전 FET 소자를 개방시키는 제1제어부;
    상기 충방전 FET 소자와 전기적으로 분리되어 있으며, 상기 충방전 FET 소자의 온도가 일정 온도 이상이 되었을 때 융단되는 온도 퓨즈부; 및,
    상기 온도 퓨즈부의 융단 신호를 입력 받아 상기 퓨즈를 융단시키는 제2제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 퓨즈부는
    소정 전압원에 일단이 연결되고, 타단은 상기 제2제어부에 연결된 저항; 및,
    상기 저항에 병렬로 연결되고, 접지되어 있되, 상기 충방전 FET 소자 위에 위치된 온도 퓨즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제2제어부는 상기 온도 퓨즈가 융단되면 상기 저항으로부터 소정 전압을 입력받아, 다시 소정 신호를 출력하는 멀티플렉서인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 멀티플렉서와 퓨즈 사이에는 스위치 소자가 더 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스위치 소자는 게이트가 상기 멀티플렉서의 출력단에 연결되고, 드레인은 상기 퓨즈에 연결되며, 소스는 접지된 전계효과형 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 퓨즈부는
    소정 전압원에 일단이 연결되고, 타단은 상기 제2제어부에 연결되어 있되, 상기 충방전 FET 소자 위에 위치된 온도 퓨즈; 및,
    상기 온도 퓨즈에 병렬로 연결된 채 접지된 저항을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2제어부는 상기 온도 퓨즈가 융단되면, 입력단이 상기 저항을 경유하여 접지되고, 다시 소정 접지 신호를 출력하는 멀티플렉서인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 멀티플렉서의 출력단에는 그라운드 신호를 소정 전압으로 인버팅하여 출력하는 인버터가 더 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 인버터와 퓨즈 사이에는 스위치 소자가 더 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 스위치 소자는 게이트가 상기 멀티플렉서의 출력단에 연결되고, 드레인은 상기 퓨즈에 연결되며, 소스는 접지된 전계효과형 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
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