KR20080019447A

KR20080019447A - 배터리 팩

Info

Publication number: KR20080019447A
Application number: KR1020060081805A
Authority: KR
Inventors: 김윤구
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-03-04
Also published as: KR101264428B1

Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 팩의 충방전 중에 베어셀의 온도를 감지하며 베어셀의 이상 작동에 의하여 베어셀의 온도가 상승하는 경우에 전류의 흐름을 차단함으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.

배터리 팩, 베어셀 온도 상승, 전원 제어, 전계효과 트랜지스터

Description

배터리 팩{Battery Pack}

도 1a는 종래의 배터리 팩의 회로도이다.

도 1b는 종래의 배터리 팩의 과충전시 제어 상태를 나타내는 회로도이다.

도 1c는 종래의 배터리 팩의 과방전시 제어 상태를 나타내는 회로도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 회로도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩에서 전원제어부에 의한 충방전제어에 대한 작동 순서도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 - 배터리 팩

110 - 베어셀 120 - 보호회로부

130 - 충방전 스위치 132 - 충전 스위치

134 - 방전 스위치 140 - 전원제어부

142 - 써미스터 144 - 전압비교기

150 - 전원제어 스위치

일반적으로 배터리 팩은 순수하게 충방전 동작만 하는 베어셀과, 상기 베어셀의 충방전 상태를 제어하는 보호회로부를 포함하여 이루어져 있다. 최근의 배터리 팩(예를 들면, 리튬 이온 전지)은 에너지 밀도가 높은 장점이 있지만, 과충전이나 과방전과 같은 이상 작동의 경우에 베어셀의 온도 상승과 함께 폭발과 같은 문제가 발생할 가능성이 크게 되므로 이러한 이상 작동을 방지하여 소비자를 보호하기 위한 보호회로의 기능은 더욱 중요해지고 있다.

이러한 보호회로를 갖는 종래의 배터리 팩에 대한 그 구성 및 작용을 간단히 설명하면 다음과 같다. 도 1a는 종래의 배터리 팩의 회로도를 나타낸다. 도 1b는 종래의 배터리 팩의 과충전시 제어 상태를 나타내는 회로도를 나타낸다. 도 1c는 종래의 배터리 팩의 과방전시 제어 상태를 나타내는 회로도를 나타낸다.

종래의 배터리 팩(10)은, 도 1a를 참조하면, 팩전원단(P+,P-)에 병렬로 연결되는 베어셀(11)과, 상기 베어셀(11)에 병렬로 연결되어 과충전 및 과방전 등을 감지하여 소정 순서에 따라 제어 처리하는 보호회로부(12)와, 상기 베어셀(11)의 일측과 팩전원단(P-)의 일측 사이에 직렬로 연결된 동시에, 상기 보호회로부(12)의 제어를 받는 충방전 스위치(13)로 이루어져 있다. 여기서, 상기 팩전원단(P+,P-)에는 충전기 또는 외부기기가 연결된다.

또한, 상기 충방전 스위치(13)는 충전을 제어하며 기생 다이오드(D1)를 갖는 충전 제어용 전계효과트랜지스터(13a), 방전을 제어하며 기생 다이오드(D2)를 갖는 방전 제어용 전계효과트랜지스터(13b)로 이루어져 있고, 각각의 게이트는 보호회로부(12)에 연결되어 있다.

더불어, 도 1a에서 미설명 부호인 R1, R2는 정전기 방지용 저항이고, C1, C2, C3은 전원 변동 방지용 캐패시터이다.

상기 배터리 팩(10)은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 팩전원단(P+,P-)을 통하여 충전이 진행될 때 보호회로부(12)가 베어셀(11)의 전압을 감지하게 되며, 과충전이 발생하는 경우에 보호회로부(12)가 충전 제어용 전계효과트랜지스터(13a)를 제어하여 충방전 스위치(13)를 오프(off)시킴으로써 과충전 상태가 정지되도록 한다. 또한, 상기 배터리 팩(10)은, 도 1c에 도시된 바와 같이, 팩전원단(P+,P-)을 통하여 방전이 진행될 때 보호회로부(12)가 베어셀(11)의 전압을 감지하게 되며, 과방전이 발생하는 경우에 보호회로부(12)가 방전 제어용 전계효과트랜지스터(13b)를 제어하여 충방전 스위치(13)를 오프(off)시킴으로써 과방전 상태가 정지되도록 한다.

상기에서 살펴본 바와 같이 상기 배터리 팩(10)의 보호회로부(12)는 배터리 팩(10)의 충방전 과정에서 베어셀의 전압을 항상 감지하여 과충전 또는 과방전시에 충방전 스위치(13)를 제어하여 전류의 흐름을 차단하는 역할만을 하게 된다.

또한, 상기 배터리 팩을 충전하는 충전기는 배터리 팩의 온도를 감지하는 기능을 포함하고 있는 경우가 있어 배터리 팩의 충전 과정에서 베어셀의 온도가 상승 하는 경우에 충전을 중단하게 된다.

그러나, 상기 배터리 팩은 휴대폰 단말기와 같은 외부기기에 장착되어 사용되는 과정에서 발열 또는 고온 환경에서의 사용에 따른 이상 작동이 발생되는 경우에 전원을 차단할 수 있는 기능이 없어 전지 열화나 안전성과 관련된 문제가 발생될 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 배터리 팩의 충방전 중에 베어셀의 온도를 감지하며 베어셀의 이상 작동에 의하여 베어셀의 온도가 상승하는 경우에 전류의 흐름을 차단함으로써 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 배터리 팩은 팩전원단과 병렬로 연결되며 충방전이 가능한 베어셀과, 상기 베어셀에 병렬로 연결되어 충방전 전압을 감지하여 충방전 과정을 제어하는 보호회로부와, 상기 팩전원단과 상기 베어셀 사이에 직렬로 연결되며 상기 보호회로부의 제어에 따라 상기 베어셀의 충방전을 제어하는 충방전 스위치와, 상기 베어셀에 병렬로 연결되며 베어셀의 온도를 감지하여 충방전과정을 제어하는 전원제어부 및 상기 팩전원단과 상기 베어셀 사이에 직렬로 연결되며 상기 전원제어부의 제어에 따라 상기 베어셀의 충방전을 제어하는 전원제어 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 베어셀은 양극 셀전원단과 음극 셀전원단을 구비하고, 상기 팩전원단은 양극 팩전원단과 음극 팩전원 단을 구비하며, 상기 충방전스위치는 상기 음극 셀전원단과 음극 팩전원단 사이에 연결되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 충방전 스위치는 과충전시 오프되며 기생 다이오드를 갖는 충전제어용 전계효과트랜지스터와, 과방전시 오프되며 기생다이오드를 갖는 방전 제어용 전계효과트랜지스터를 포함하도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 전원제어부는 상기 베어셀과 병렬로 연결되는 써미스터와, 상기 써미스터의 양단에 걸리는 써미스터 전압을 기준 전압과 비교하여 써미스터 전압이 기준 전압을 초과하는 경우에 상기 전원제어 스위치로 전기 신호를 출력하는 전압비교기를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 써미스터는 정특성 써미스터로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전원제어부는 써미스터와 팩전원단 사이에 분압저항을 더 포함하며, 상기 써미스터와 분압저항의 저항값의 차이로부터 기준 전압이 설정되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 전원제어 스위치는 전계효과트랜지스터로 이루어질 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 회로도를 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(100)은, 도 2를 참조하면, 베어셀(110)과 보호회로부(120)와 충방전 스위치(130)와 전원제어부(140)와 전원제어 스위치(150)를 포함하여 형성된다. 한편, 상기 도 2의 팩전원단(P+, P-)은 배터리 팩(100)의 단자로서 외부의 부하 또는 충전기와 전기적으로 접속된다.

상기 베어셀(110)은 충방전이 가능한 통상의 이차전지로 형성된다. 예를 들 면, 상기 베어셀(110)은 리튬 이온 이차전지, 리튬 폴리머 이차전지와 같은 이차전지로 형성된다. 다만 여기서 이차전지의 종류를 한정하는 것은 아니다. 한편, 상기 베어셀(110)은 비록 도 2에 하나로 도시되어 있으나 두 개 이상이 직렬로 연결되어 형성될 수 있으며, 여기서 베어셀(110)의 개수를 한정하는 것은 아니다.

상기 베어셀(110)은 양극 셀전원단(B+)과 음극 셀전원단(B-)을 구비하며, 팩전원단(P+,P-)과 병렬로 연결되어 있다. 즉, 상기 베어셀(110)의 양극 셀전원단(B+)은 팩전원단의 양극 팩전원단(P+)과 연결되고, 베어셀(110)의 음극 셀전원단(B-)은 팩전원단의 음극 팩전원단(P-)과 연결되어 있다.

상기 보호회로부(120)는 베어셀(110)에 병렬로 연결된다. 따라서, 상기 보호회로부(120)는 베어셀(110)의 충전 전압 및 방전 전압을 감지할 수 있으며, 감지된 충방전 전압에 따라 베어셀(110)의 충방전 과정을 제어하게 된다. 상기 보호회로부(120)는 통상의 집적회로(Integrated Circuit) 또는 그 등가회로로 이루어질 수 있으나, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.

상기 충방전 스위치(130)는 베어셀(110)과 팩전원단(P+,P-) 사이에 직렬로 연결되어 있다. 상기 충방전 스위치(130)는 베어셀(110)의 음극 셀전원단(B-)과 팩전원단의 음극 팩전원단(P-) 사이에 연결되어 있다. 또한, 상기 충방전 스위치(130)는 충전 상태를 제어하는 충전 스위치(132)와 방전 상태를 제어하는 방전 스위치(134)로 이루어질 수 있다. 상기 충전 스위치(132)는 충전 제어용 전계효과트랜지스터로서 기생 다이오드(D1)를 갖는 n채널 전계효과트랜지스터로 이루어진다. 또한, 상기 방전 스위치(134)는 방전 제어용 전계효과트랜지스터로서 역시 기 생 다이오드(D2)를 갖는 n채널 전계효과트랜지스터로 이루어질 수 있다. 물론, 상기 충전스위치(132)와 방전스위치(134)를 구성하는 각 전계효과트랜지스터의 게이트는 보호회로부(120)에 각각 연결되어 있으며, 보호회로부(120)로부터 출력되는 하이 또는 로우 신호에 의해 온, 오프 상태가 제어된다. 또한, 상기 충방전 스위치(130)의 양단에는 전원 변동을 방지하고 정전기 등으로부터 소자를 보호하기 위한 캐패시터(C3)가 병렬로 연결될 수 있다.

한편, 상기 충방전 스위치(130)의 일단은 충방전 전류 감지용 저항(R1)을 경유하여 보호회로부(120)의 VM 단자에 연결되어 있다. 따라서, 보호회로부(120)는 VSS 단자와 VM 단자 사이에 인가되는 전압을 감지함으로써, 충방전 전류를 계산할 수 있게 된다. 즉, 충방전 전류 감지용 저항(R1)의 저항값은 이미 알고 있는 값이기 때문에, 저항(R1)에 인가되는 전압을 감지하여 전류를 계산하게 된다. 더불어, 상기 베어셀(110)에는 병렬로 정전기 방지용 저항(R2) 및 전원 변동 방지용 캐패시터(C2)가 연결되어 있고, 상기 정전기 방지용 저항(R2) 및 전원 변동 방지용 캐패시터(C2) 사이에는 보호회로부(120)의 VDD 단자가 연결되어 있다. 따라서, 상기 보호회로부(120)는 VDD 단자와 VSS 단자를 이용하여 베어셀(110)의 충방전 전압을 감지할 수 있게 된다.

상기 보호회로부(120)는 상기 VDD 단자와 VSS 단자로부터 얻어진 충방전 전압 및 VSS 단자와 VM 단자로부터 얻어진 충방전 전류를 기준값과 비교하여 충방전 과정을 제어할 수 있도록 비교기를 내장하고 있다.

상기 전원제어부(140)는 써미스터(142)와 전압비교기(144)를 포함하며, 베어셀(110)과 병렬로 연결된다. 상기 전원제어부(140)는 써미스터(142)를 사용하여 베어셀(110)의 온도를 측정하고 베어셀(110)의 온도가 설정된 기준 온도보다 높은 경우에 전류의 흐름을 차단하여 베어셀(110)의 충방전을 차단하게 된다. 즉, 상기 전원제어부(140)는 써미스터(142)의 양단에 걸리는 써미스터 전압을 측정하여 써미스터 전압이 기준 전압을 초과하는 경우에 전원제어 스위치(150)로 전기 신호를 출력하게 된다. 여기서, 상기 기준전압은 전원제어부(140)가 전원제어 스위치(150)의 작동을 위하여 전기 신호를 출력하는 기준이 되는 전압 값을 의미한다. 예를 들면 상기 배터리 팩(100)은 베어셀(110)의 적정 기준 온도를 60도로 설정하게 되면 베어셀(110)의 온도가 60도인 경우에 대응되는 써미스터(142)의 써미스터 전압을 기준 전압으로 설정하게 된다. 따라서, 상기 베어셀(110)의 온도가 60도를 초과하게 되면 써미스터 전압이 설정된 기준 전압을 초과하게 되므로 전원제어부(140)가 전원제어 스위치(150)를 작동하여 전류의 흐름을 차단하게 된다.

상기 써미스터(142)는 베어셀(110)에 인접하여 형성되며, 베어셀(110)과 병렬로 연결된다. 상기 써미스터(142)는 베어셀(110)에 인접하여 형성되므로 베어셀(110)의 온도에 따라 전기 저항이 변하게 되어 베어셀(110)의 온도변화를 감지할 수 있도록 하여준다. 상기 써미스터(142)는 바람직하게는 온도에 따라 전기저항이 증가되는 정특성 써미스터(Positive Temperature Coefficient Thermistor ; PTC Thermistor)로 형성된다. 상기 써미스터(142)가 정특성 써미스터로 형성되는 경우에 베어셀(110)의 온도가 증가에 따라 전기저항이 증가되므로 전기저항의 변화를 보다 정확하게 감지할 수 있게 된다. 다만, 상기 써미스터(142)는 온도에 따라 전기저항이 감소되는 부특성 써미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor ; NTC Thermistor)로 형성될 수 있다.

상기 전압비교기(144)는 VCC 단자가 써미스터(142)에 연결되어 써미스터(142)의 양단으로부터 써미스터 전압을 측정하게 된다. 또한, 상기 전압비교기(144)는 OUT단자가 전원제어 스위치(150)에 접속된다. 상기 전압비교기(144)는 써미스터(142)의 양단에 걸리는 써미스터 전압이 기준 전압보다 큰 경우에 하이 레벨의 전기 신호를 OUT 단자를 통하여 전원제어 스위치(150)로 출력하게 된다. 한편, 상세히 도시하지 않았지만, OPAMP로 구성되는 상기 전압비교기(144)는 구성하는 써미스터 전압이 비반전 단자(+)로 입력되고 소정의 기준 전압이 반전 단자(-)에 입력되도록 형성되어 써미스터 전압이 기준 전압보다 클 경우에 하이 레벨의 전기 신호를 출력하도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 전압비교기(144)는 써미스터 전압이 반전 단자(-)로 입력되고, 기준 전압이 비반전 단자(+)로 입력되어 써미스터 전압이 기준 전압보다 클 경우에 로우 레벨의 전기 신호를 출력하도록 형성될 수 있다.

상기 전원제어부(140)는 써미스터와 팩전원단 사이에 분압저항(146)을 더 포함하며, 분압저항과의 차이에 따라 기준 전압이 설정될 수 있다.

상기 전원제어 스위치(150)는 베어셀(110)과 어느 하나의 팩전원단 사이에 직렬로 연결된다. 예를 들면, 상기 전원제어 스위치(150)는 베어셀(110)의 음극 셀 전원단(B-)과 팩전원단의 음극 팩전원단(P-) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 상기 전원제어 스위치(150)는 전원제어부(140)의 OUT단자와 접속되어 전원제어부(140)의 OUT 단자에서 출력되는 전기 신호를 수신하여 작동하게 된다. 상기 전원제어 스위치(150)는 n채널 전계효과트랜지스터로 이루어진다. 한편, 상기 전원제어 스위치(150)는 양단에 전원 변동 및 정전지 방지를 위해 캐패시터(도면에 도시하지 않음)가 병렬로 연결될 수 있다.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 작동에 대하여 설명한다. 이하에서는 본 발명의 특징적인 구성요소인 전원제어부(140)와 전원제어 스위치(150)를 중심으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩에서 전원제어부에 의한 충방전제어에 대한 작동 순서도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩에서 전원제어부가 작동하지 않는 상태의 회로도이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 전원제어부가 작동하는 상태의 회로도이다.

상기 배터리 팩(100)은, 도 3을 참조하면, 휴대폰 단말기 또는 충전기와 같은 외부 부하와 연결되면 충방전 과정을 진행하게 된다(S10). 이때, 상기 전원제어부(140)는 써미스터(142)의 양단으로부터 써미스터 전압을 측정하여 베어셀(110)의 온도를 계속 감지하게 된다. 상기 전원제어부(140)는 써미스터의 써미스터 전압을 측정하여 기준 전압과 비교함으로써 베어셀(110)의 온도가 기준 온도이하로 유지되는지 여부를 판단하게 된다(S20). 상기 전원제어부(140)는 베어셀(110)의 온도가 기준 온도 이하로 판단되는 경우에 도 4에 도시된 바와 같이 전원제어 스위치(150)를 온(on)상태로 유지하게 되며 배터리 팩(100)은 충방전 과정을 진행하게 된다(S30).

상기 전원제어부(140)는 베어셀(110)의 온도가 기준 온도보다 높은 온도로 상승하는 경우에 도 5에 도시된 바와 같이 전원제어 스위치(150)를 오프(off)상태를 유지하게 되며 배터리 팩(100)의 전류 흐름을 차단하여 충방전 과정이 진행되는 것을 차단하게 된다(S40). 상기 전원제어부(140)는 써미스터(142)의 써미스터 전압을 측정하여 써미스터 전압이 기준 전압보다 높게 되면 베어셀(110)의 온도가 기준 온도보다 상승한 것으로 판단하게 된다.

따라서, 상기 배터리 팩(100)은 보호회로부(120)에 의한 베어셀(110)의 과충방전 제어와 함께 베어셀(110)의 이상 작동에 의한 온도 상승의 경우에도 효과적으로 충방전을 제어할 수 있게 된다. 상기 배터리 팩(100)은 베어셀(110)의 온도가 기준 온도보다 높은 경우에 전류를 흐름을 차단함으로써 충방전을 제어하여 베어셀(110)의 추가적인 온도 상승에 따른 발화나 폭발을 방지할 수 있게 되므로 안전성이 향상된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따른 배터리 팩에 의하면 휴대폰 단말기와 같은 외부기기에 장착되어 사용되는 과정에서 발열 또는 고온 환경에서의 사용에 따른 이상 작동이 발생되는 경우에 전원을 차단하게 되므로 배터리 팩의 추가적인 열화가 진행되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 베어셀의 온도 상승에 따른 발화나 폭발과 같은 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

팩전원단과 병렬로 연결되며 충방전이 가능한 베어셀;

상기 베어셀에 병렬로 연결되어 충방전 전압을 감지하여 충방전 과정을 제어하는 보호회로부;

상기 팩전원단과 상기 베어셀 사이에 직렬로 연결되며 상기 보호회로부의 제어에 따라 상기 베어셀의 충방전을 제어하는 충방전 스위치;

상기 베어셀에 병렬로 연결되며 베어셀의 온도를 감지하여 충방전과정을 제어하는 전원제어부 및

상기 팩전원단과 상기 베어셀 사이에 직렬로 연결되며 상기 전원제어부의 제어에 따라 상기 베어셀의 충방전을 제어하는 전원제어 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1항에 있어서,

상기 베어셀은 양극 셀전원단과 음극 셀전원단을 구비하고, 상기 팩전원단은 양극 팩전원단과 음극 팩전원단을 구비하며, 상기 충방전스위치는 상기 음극 셀전원단과 음극 팩전원단 사이에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1항 있어서,

상기 충방전 스위치는 과충전시 오프되며 기생 다이오드를 갖는 충전제어용 전계효과트랜지스터와, 과방전시 오프되며 기생다이오드를 갖는 방전 제어용 전계효과트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1항에 있어서,

상기 전원제어부는 상기 베어셀과 병렬로 연결되는 써미스터와, 상기 써미스터의 양단에 걸리는 써미스터 전압을 기준 전압과 비교하여 써미스터 전압이 기준 전압을 초과하는 경우에 상기 전원제어 스위치로 전기 신호를 출력하는 전압비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 4항에 있어서,

상기 써미스터는 정특성 써미스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 4항에 있어서,

상기 전원제어부는 써미스터와 팩전원단 사이에 분압저항을 더 포함하며, 상기 써미스터와 분압저항의 저항값의 차이로부터 기준 전압이 설정되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제 1항에 있어서,

상기 전원제어 스위치는 전계효과트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하 는 배터리 팩.