KR20090032273A - 배터리 팩의 보호회로, 이를 구비하는 배터리 팩 및 이의동작방법 - Google Patents

배터리 팩의 보호회로, 이를 구비하는 배터리 팩 및 이의동작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온 영역뿐만 아니라 저온 영역에서도 충·방전을 제어하기 위한 구성을 구비하여 고온 및 저온에서의 충·방전 동작을 제어하는 것이 가능하게 함으로써 효율성 및 안전성을 확보할 수 있는 보호회로, 이를 구비하는 배터리 팩 및 이의 동작방법에 관한 것이다.
본 발명의 배터리 팩의 보호회로는 배터리 팩의 대전류 경로 상에 위치하는 충방전 소자부, 상기 배터리 팩 내의 일측에 구비되어 배터리의 온도를 감지하는 온도 센서, 상기 온도 센서 및 상기 충방전 소자부와 연결되며, 상기 온도 센서에 의해 감지되는 온도가 기준 동작온도 내의 온도인지 여부에 따라 상기 충방전 소자부를 제어하는 1차 보호회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 팩은 하나 또는 복수개의 베어 셀을 구비하는 배터리, 상기 배터리와 전기적으로 연결되며, 충방전 소자부, 온도 센서 및 상기 온도 센서로부터 감지되는 배터리의 온도가 기준 동작온도 내의 온도인지 여부에 따라 상기 충방전 소자부를 제어하는 1차 보호회로를 구비하는 보호회로 및 상기 배터리를 외부 전원 또는 부하와 전기적으로 연결하기 위한 외부 단자를 구비하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 고온 영역에서 동작하여 발생하는 발화, 연소 또는 폭발의 위험으로부터 배터리 팩을 보호하여 안전성을 확보할 수 있으며, 또한, 저온 영역에서 충, 방전을 제어할 수 있으므로, 충전이 되지 않는 문제점을 해결할 수 있으며, 전지용 량의 효율성을 높일 수 있다.
Figure P1020070097346
배터리 팩의 보호회로

Description

배터리 팩의 보호회로, 이를 구비하는 배터리 팩 및 이의 동작방법{Protection circuit of battery pack, battery pack using the same and its operating method}
본 발명은 배터리 팩의 보호회로, 이를 구비하는 배터리 팩 및 이의 동작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 영역뿐만 아니라 저온 영역에서도 충·방전을 제어하기 위한 구성을 구비하여 고온 및 저온에서의 충·방전 동작을 제어하는 것이 가능하게 함으로써 효율성 및 안전성을 확보할 수 있는 배터리 팩의 보호회로, 이를 구비하는 배터리 팩 및 이의 동작방법에 관한 것이다.
최근 노트 PC, GPS, 휴대폰 등의 휴대용 단말기의 소형화 및 경량화가 급속하게 진전됨에 따라, 이들의 구동 전원으로 사용하는 배터리의 소형화 및 고용량화에 대한 필요성이 증대되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 동작 전압이 3.6V 이상으로서, 휴대용 단말기의 전원으로 널리 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-수소 전지보다 3배나 높고, 단위 중량당 에너지 밀도가 높다는 장점이 있어 급속하 게 신장되고 있는 추세이다.
하지만, 리튬 이차 전지는 4.5V 이상 충전되면, 전지 내부의 전해액이 분해되면서 발생되는 기체에 의해 전지의 내부 압력이 증가되고, 이는 전해액의 누출을 수반할 수 있다. 또한, 전지를 일정 전압 이하로 방전하게 되면 음극의 집전체인 구리가 전해액 내부로 용융되기 시작하여 전지의 성능이 저하되는 문제점을 지니고 있다.
더욱이, 배터리의 화학적 특성상 과충전, 과방전 또는 단자 간의 쇼트 등에 의한 과전류 상황에서 발화·파열·폭발에 의한 위험이 크다는 문제점이 있다.
따라서, 이차 전지는 베어 셀과 함께 보호회로모듈을 구비하여 이루어지며, 베어 셀은 양극, 음극 및 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체를 철재, 알루미늄 등으로 이루어진 캔에 수납하고, 캔을 캡 조립체로 마감한 뒤, 캔 내부에 전해액을 주입하고 밀봉함으로써 형성된다.
보호회로모듈은 이차 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등에 의해 발생하는 안전사고를 예방하여 안전성과 신뢰성을 확보하기 위한 것으로, 베어 셀을 형성한 후에 베어 셀의 외측에 구비하여 전기적으로 연결된다.
보호회로모듈은 배선 패턴이 형성되어 있는 인쇄회로기판의 일면에 보호회로소자와 전극 단자를 구비하고, 다른 일면에 이차 전지를 채용하는 단말기와 연결하기 위한 외부연결 단자를 구비하고 있으며, 인쇄회로기판과 베어 셀은 인쇄회로기판의 양극/음극 단자와 베어 셀의 양극/음극 단자를 연결하는 양극 리드 플레이트 및 음극 리드 플레이트에 의해 서로 접속된다.
이차 전지는 베어 셀과 보호회로모듈이 연결된 상태에서 베어 셀과 보호회로모듈의 간극을 수지 몰딩 후에 라벨링을 하거나 외장 케이스를 구비한 형태의 배터리 팩을 형성하여 휴대용 단말기에 채용되어 사용된다.
종래의 배터리 팩에서는 외부 포트를 통해 외부의 전원 장치 또는 부하가 연결되어 충전 또는 방전 동작이 이루어진다. 배터리와 외부 포트 사이의 경로는 충방전 경로로 사용되는 대전류 경로이며, 이 대전류 경로를 통해 비교적 큰 전류가 흐른다.
상기 외부 포트에 전원 장치가 연결되면, 충전 동작이 일어나며, 이 때 충전 경로는 외부 포트, 충전 소자, 온도 퓨즈, 퓨즈를 거쳐 배터리로 이어진다.
한편, 상기 외부 포트에 부하가 연결되면, 방전 동작이 일어나며, 이 때 방전 경로는 배터리, 퓨즈, 온도 퓨즈, 방전 소자, 외부 포트를 거쳐 부하로 이어진다.
즉, 상기 충방전 소자부는 충전 또는 방전 모드에 따라 교대로 충전 소자 또는 발전 소자를 동작시킨다.
상기 배터리는 그 내부의 각종 정보, 즉, 셀의 온도, 셀의 충전 전위 및 셀에 흐르는 전류랑 등의 셀 관련 정보를 1차 및 2차 보호회로에 출력하며, 센서 저항은 과충전 또는 과방전 및 과전류 발생을 센싱하여 1차 및 2차 보호회로에 전송한다.
상기 1차 보호회로는 배터리로부터 제공된 셀 관련 정보 및 센서 저항으로부터 센싱되는 정보에 따라 충방전 소자부를 제어하며, 상기 2차 보호회로는 배터리 로부터 제공된 셀 관련 정보 및 센서 저항으로부터 센싱되는 정보에 따라 퓨즈의 차단여부를 제어한다.
온도 퓨즈는 충방전 소자부의 온도 상태를 검출하여 정격 온도 이상인 경우에 양단을 차단시킴으로써, 상기 충방전 소자부가 이상 현상에 의해 발화, 연소 또는 폭발하는 것을 방지한다.
이와 같이 구성된 종래의 배터리 팩에서는 고온 영역에서의 이상 동작을 검출하여 방지할 수 있는 수단을 구비하고 있었으나, 저온 영역에서 발생되는 문제점을 해결할 수 있는 수단이 없었다.
또한, 배터리 셀의 방전용량 효율은 60℃에서는 95%이고, 20℃에서는 100%, 0℃에서는 80%, -10℃에서는 70%이며, -20℃에서는 40%로서, 저온 충전시(0℃ 미만) 배터리 셀에 직접적인 손상을 줄 수 있으며, 저온 동작시에도 40% ~ 80% 정도의 효율을 가지고 동작하기 때문에 현저하게 빨리 방전되어, 전지용량 효율이 현저히 떨어지는 문제점이 있었으며, 충전이 되지 않아 불편함이 많았다.
본 발명의 배터리 팩의 보호회로는 배터리 팩의 대전류 경로 상에 위치하는 충방전 소자부, 상기 배터리 팩 내의 일측에 구비되어 배터리의 온도를 감지하는 온도 센서 및 상기 온도 센서 및 상기 충방전 소자부와 연결되며, 상기 온도 센서에 의해 감지되는 온도가 기준 동작온도 내의 온도인지 여부에 따라 상기 충방전 소자부를 제어하는 1차 보호회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 팩은 하나 또는 복수개의 베어 셀을 구비하는 배터리, 상기 배터리와 전기적으로 연결되며, 충방전 소자부, 온도 센서 및 상기 온도 센서로부터 감지되는 배터리의 온도가 기준 동작온도 내의 온도인지 여부에 따라 상기 충 방전 소자부를 제어하는 1차 보호회로를 구비하는 보호회로 및 상기 배터리를 외부 전원 또는 부하와 전기적으로 연결하기 위한 외부 단자를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 팩의 동작방법은 배터리의 온도를 감지하는 단계, 배터리 팩이 충전 또는 방전 상태인지 여부를 판단하는 단계, 상기 감지된 온도가 상기 배터리 팩이 충전상태인 경우 미리 설정되어 있는 충전시의 기준 동작온도와 비교하여 기준 동작온도 내의 온도인지 아닌지를 판단하고, 상기 배터리 팩이 방전상태인 경우 미리 설정되어 있는 방전시의 기준 동작온도와 비교하여 기준 동작온도 내의 온도인지 아닌지를 판단하는 단계, 상기 감지된 온도가 상기 배터리 팩이 충전상태인 경우 상기 충전 기준 동작온도 내의 온도이면 정상 동작 신호를 출력하고, 상기 충전 기준 동작온도 외의 온도이면 이상 동작 신호를 출력하며, 상기 배터리 팩이 방전상태인 경우 상기 방전 기준 동작온도 내의 온도이면 정상 동작 신호를 출력하고, 상기 방전 기준 동작온도 외의 온도이면 이상 동작 신호를 출력하는 단계 및 상기 충전시의 정상 동작 신호에 따라 충전 소자를 온시키거나, 상기 충전시의 이상 동작 신호에 따라 충전 소자를 오프시키며, 상기 방전시의 정상 동작 신호에 따라 방전 소자를 온시키거나, 상기 방전시의 이상 동작 신호에 따라 방전 소자를 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩의 보호회로 및 이를 구비한 배터리 팩은 배터리의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비하여, 상기 온도 센서에 의해 감지되는 온도에 따라 충방전 소자부를 제어함으로써, 고온 영역에서 동작하여 발생하는 발화, 연소 또는 폭발의 위험으로부터 배터리 팩을 보호하여 안전성을 확보할 수 있으며, 또한, 저온 영역에서 충, 방전을 제어할 수 있으므로, 충전이 되지 않는 문제점을 해결할 수 있으며, 전지용량의 효율성을 높일 수 있다.
본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 과한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 구비되는 베어 셀을 나타낸 분리 사시도로서, 본 예에서는 베어 셀의 형태가 각형인 것을 도시하고 있으나, 본 예의 형태에 한정하는 것이 아니며, 따라서 원통형 또는 파우치형으로 형성된 베어 셀일 수도 있다.
또한, 세트에 장착하기 위한 배터리 팩을 형성할 경우 크게 하드팩 또는 이너팩으로 구분하여 형성되는데, 본 발명은 어느 하나에 한정되지 않으며, 하드팩 및 이너팩에 모두 적용될 수 있다.
도1를 참조하면, 베어 셀은 전극 조립체(100), 상기 전극 조립체(100)와 함께 전해액을 수납하며, 상단부가 개구된 캔(200) 및 상기 캔(200)을 밀봉하며, 상 기 전극 조립체(100)와 전기적으로 연결되는 캡 조립체(300)를 포함한다.
상기 전극 조립체(100)는 양극 집전체에 양극 활물질을 도포해서 형성한 양극판(110), 음극 집전체에 음극 활물질을 도포해서 형성한 음극판(120) 및 두 극판(110, 120) 사이에 개재되어 두 극판(110, 120)의 단락을 방지하고 전해액 이온의 이동을 가능하게 하는 세퍼레이터(130)를 적층 및 권취하여 이루어진다.
이 때 양극판(110) 및 음극판(120)의 일측단에는 양극/음극 활물질이 도포되지 않는 무지부를 형성하여 양극/음극 무지부 각각에 양극탭(140) 및 음극탭(150)이 접합된다.
도1에서는 양극탭(140) 및 음극탭(150)이 모두 캔(200)의 상부로 돌출되는 것으로 도시하였으나, 이와는 달리 양극탭(140) 또는 음극탭(150) 중 어느 하나가 캔(200)의 하부 측으로 돌출되어 캔(200)과 전기적으로 연결되도록 할 수도 있다.
상기 캔(200)은 상단부가 개구된 형태의 금속재로 형성될 수 있으며, 금속재로는 가볍고 연성이 있는 알루미늄 또는 스테인레스강 등의 재질로 형성되도록 하여 양극탭(140) 또는 음극탭(150)과 접촉되는 경우에 단자 역할을 수행할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 캔(200)의 개구된 상부에 결합되는 캡 조립체(300)는 전극 단자(310), 절연 케이스(320), 터미널 플레이트(330), 절연 플레이트(340), 캡 플레이트(350) 및 절연 가스켓(360), 전해액 주입공 마개(370)를 포함한다.
캡 플레이트(350)는 상기 캔(200)의 상단 개구부에 대응되는 크기와 형상을 가지는 금속판으로, 일정 크기의 단자 통공(352) 및 전해액 주입공(354)이 형성되 며, 안전 벤트가 더 형성될 수 있다.
전해액 주입공(354)은 전극 조립체(100)를 수용한 캔(200)에 리튬 이온의 이동을 원활하게 하기 위한 전해액을 주입시키기 위한 것으로, 상기 캔(200)을 상기 캡 조립체(300)로 밀봉한 후, 상기 전해액 주입공(354)을 통해 상기 전해액을 주입하고, 상기 전해액 주입공 마개(370)로 전해액 주입공(354)을 밀봉함으로써, 상기 캔(200)을 밀봉한다.
단자 통공(352)은 상기 전극 단자(310)를 삽입시키기 위한 것으로, 상기 전극 단자(310)는 상기 단자 통공(352)을 통해 상기 캡 플레이트(330)와 전기적으로 연결되며, 상기 전극 단자(310)와 상기 캡 플레이트(350)를 절연시키기 위하여 상기 전극 단자(310)의 외측에 절연성이 좋은 고무 또는 비전도성 물질로 형성된 절연 가스켓(360)을 위치시킨다.
상기 캡 플레이트(350)의 하부면에는 절연 플레이트(340) 및 상기 터미널 플레이트(330)가 순차적으로 위치하며, 상기 터미널 플레이트(330)는 상기 전극 조립체(100)의 음극탭(150)과 전기적으로 연결되어, 상기 전극 단자(310)와 음극탭(150)이 전기적으로 연결되도록 하고, 상기 절연 플레이트(340)는 상기 터미널 플레이트(330)와 상기 캡 플레이트(350)를 전기적으로 절연시킴으로써, 상기 캡 플레이트(350)가 상기 전극 조립체(100)의 양극탭(140)과 전기적으로 연결되더라도 단락되지 않도록 한다.
상기 절연 케이스(320)는 상기 캔(200)의 개구부 상측에 위치하여 상기 전극 조립체(100)의 양극탭(140) 및 음극탭(150)을 고정하기 위한 것으로, 폴리프로필 렌(PP), 폴리페닐렌설파이트(PPS), 폴리에테르술폰(PES), 또는 변성 폴리페닐렌옥사이드(PPO) 등의 절연성 고분자 수지로 형성할 수 있으며, 상기 터미널 플레이트(330) 및 상기 절연 플레이트(340)를 안착시키기 위한 공간을 제공하기 위하여 상기 절연 케이스(320)의 가장자리부에 지지대를 형성할 수도 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 나타낸 회로도로서, 크게 배터리(400), 보호회로(500) 및 상기 배터리(400)와 외부 전원 장치 또는 부하를 전기적으로 연결하는 외부 단자(P+, P-)를 포함한다.
상기 배터리(400)는 충·방전이 가능한 하나 또는 복수 개의 베어 셀로 이루어질 수 있으며, 베어 셀은 상기 도2에서 설명한 바와 같이 각형, 원통형 또는 파우치형 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있으며, 그 내부의 각종 정보, 즉, 셀의 충전 전위 및 셀에 흐르는 전류랑 등의 셀 관련 정보를 1차 및 2차 보호회로(510, 520)에 출력한다.
상기 외부 단자(P+, P-)는 배터리(400)와 병렬로 연결되며, 양극(P+) 및 음극(P-)으로 구성되어 배터리(400)의 양극(미도시) 및 음극(미도시)과 연결된다. 상기 외부 단자(P+, P-)는 상기 배터리(400)를 외부 전원 장치 또는 부하에 연결시켜, 상기 배터리(400)의 충전 또는 방전을 수행할 수 있도록 한다. 보다 자세하게는, 상기 외부 단자(P+, P-)에 외부 전원 장치가 연결되면 상기 배터리(400)는 충전을 수행하며, 상기 외부 단자(P+, P-)에 부하가 연결되면 상기 배터리(400)는 방전을 수행한다.
보호회로는 통상적으로 인쇄회로기판(PCB : Printed circuit board)에 전기 소자를 스폿 용접, 솔더링 등의 방법으로 배치시켜 형성되며, 본 발명의 보호회로(500)는 1차 보호회로(510), 2차 보호회로, 충방전 소자부(530), 온도 센서(540), 온도 퓨즈(550), 퓨즈(560), 센서 저항(570)을 포함하여 이루어지며, 각각의 구성 요소는 블록도로 나타내었다.
1차 보호회로(510)는 본 실시예에 도시되어 있는 FET 구동부(512), 비교기(514), 기준 설정부(516) 이외의 구성 요소를 추가적으로 구비할 수 있으며, 이외의 구성 요소와 관계없이 본 발명의 사상을 설명하기 위한 구성 요소(512, 514, 516)를 구비한다면 본 발명의 범주에 속한다고 할 수 있을 것이다.
1차 보호회로(510)는 배터리(400) 및 센서 저항(570)의 신호를 수신하며, 과방전, 과충전 또는 과전류 발생시에 충방전 소자부(530)를 제어하여 충전 또는 방전이 이루어지지 않도록 전기적 흐름을 차단하는 역할을 한다.
또한, 1차 보호회로(510)는 배터리(400)와 근접한 위치에 구비되는 온도 센서(540)로부터 측정되는 배터리(400)의 온도를 수신하여 기준 설정부(516)에 의해 설정된 온도와 비교하는 비교기(514)를 통해 이상 여부를 확인하고, 이에 따라 FET 구동부(512)를 구동하여 충방전 소자부(530)을 제어한다.
즉, 온도 센서(540)로부터 측정된 온도가 기준 설정부(516)에 설정된 기준 동작온도와 비교하여 배터리(400)의 기준 동작온도 내의 온도이면, 충전 또는 방전 동작이 실시되는 경우 정상적으로 충전 또는 방전 동작이 이루어지도록 충방전 소자부(530)를 제어하지만, 기준 동작온도 이외의 온도이면, 충전 또는 방전 동작이 이루어지지 못하도록 충방전 소자부(530)을 제어한다.
FET 구동부(512)는 충방전 소자부(530)의 방전 소자(531) 및 충전 소자(533)와 연결되며, 비교기(514)에 의해 판단되는 온도 이상 유무를 수신하여 충전시에는 충전 소자(533)를 제어하여 충전 동작을 제어하고, 방전시에는 방전 소자(531)를 제어하여 방전 동작을 제어한다.
비교기(514)는 온도 센서(540) 및 기준 설정부(516)와 연결되며, 온도 센서(540)로부터 수신되는 배터리의 온도와 기준 설정부(516)로부터 수신되는 기준 동작온도를 비교하여, 비교한 결과인 정상 동작 신호 또는 이상 동작 신호를 FET 구동부(512)로 출력한다.
기준 설정부(516)는 배터리(400)의 기준 동작온도를 설정하며, 설정된 기준 동작온도를 비교기에 출력한다. 기준 설정부(516)에 의해 설정되는 배터리(400)의 기준 동작온도는 배터리가 적용되는 경우에 따라서 다양하게 설정될 수 있으며, 충전시에는 0℃ ~ 45℃이고, 방전시에는 -20℃ ~ 60℃으로 하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니고, 기준 설정부(516)를 조절하여 다양한 범위의 온도로 설정하는 것이 가능하다.
따라서, 1차 보호회로(510)는 배터리(400) 및 센서 저항(570)으로부터 입력되는 신호뿐만 아니라 온도 센서(540)에 의해 입력되는 신호에 따라서도 충방전 소자부(530)를 제어하는 것이 가능하기 때문에, 기준 설정부(516)의 온도 설정에 따라 고온 및 저온에서의 제어가 가능하므로, 고온 영역에서의 이상 동작뿐만 아니라 저온 영역에서 발생되는 셀의 손상, 효율의 저하 등의 문제점을 방지할 수 있다.
또한, 퓨즈와 같이 한 번 끊어지면 다시 사용할 수 없는 1회성 소자를 제어 하는 것이 아니라, 충방전 소자부(530)를 제어하는 것이 가능하기 때문에, 일시적인 온도 증가로 인해 배터리 팩을 사용하지 못하게 되는 것을 방지할 수 있다.
하지만, 단락 등의 이유로 배터리 팩 내부에 대전류가 급격히 흐르거나 온도가 올라가서 신속히 전기적 흐름을 차단해야 하다든가 혹은 잠정적 위험을 가진 배터리 팩을 완전히 폐기해야 하는 경우에는 의도적으로 퓨즈와 같은 1회성 소자를 제어하여 배터리 팩을 사용하지 못하도록 구성할 수도 있다.
2차 보호회로(520)는 배터리(400) 및 센서 저항(570)으로부터 입력되는 신호에 응답하여 동작하며, 과전류 등의 이상 동작이 발생하면, 배터리(400)와 외부 단자(P+) 또는 배터리(400)와 외부 단자(P-) 사이인 대전류 경로에 구비되는 퓨즈(560)를 끊어 전기적 흐름을 차단하여 발화, 연소 또는 폭발하는 것을 방지한다.
충방전 소자부(530)는 방전 소자(531) 및 충전 소자(533)를 포함하며, 방전 소자(531) 및 충전 소자(533)는 1차 보호회로(510)의 FET 구동부(512)와 연결되며, FET 구동부(512)의 신호에 따라 방전시에는 방전 소자(531)가 온되고, 충전시에는 충전 소자(533)가 온되어 충전 및 방전이 이루어지도록 한다.
또한, 과방전, 과충전, 과전류 등의 이상 동작 발생시에는 FET 구동부(512)의 제어 신호에 의해 오프되어, 방전 및 충전 동작을 차단한다.
방전 소자(531) 및 충전 소자(533)는 모스 전계 효과 트랜지스터(MOS FET : MOS Field Effect Transistor)로 이루어지며, N형 모스 전계 효과 트랜지스터 또는 P형 모스 전계 효과 트랜지스터일 수 있다.
온도 센서(540)는 일단이 배터리(400)와 연결되고, 다른 일단은 1차 보호회 로(510)의 비교기(514)와 연결되어, 배터리(400)의 온도를 감지하여 비교기(514)에 전달하는 역할을 하며, 온도 센서(540)로는 주변 온도의 변화를 전기저항, 전압 또는 전류의 변화로 바꾸어 주는 소자를 사용하며, 정특성 서미스터 또는 부특성 서미스터를 사용할 수 있다.
온도 퓨즈(550)는 충방전 소자부(530)에 근접하게 위치되어, 충방전 소자부(530)가 과열되어 온도가 상승하는 경우에, 충방전 소자부(530)의 온도를 감지하여 전기적 흐름을 차단함으로써, 과열로 인해 충방전 소자부(530)가 손상 입는 것을 방지하여, 배터리 팩의 안전성을 확보할 수 있다.
퓨즈(560)는 충방전 소자부(530)와 외부 단자(P+) 사이에 구비되어 과충전, 과방전 또는 외부 단락 등으로 인한 과전류가 발생하는 경우 강제로 융단되어 회로를 개방하여 전기적 흐름을 차단한다. 퓨즈(560)는 2차 보호회로(520)에 연결되어 2차 보호회로(520)의 제어 신호에 따라 동작하며, 셀프 컨트롤 프로텍터(SCP :Self Control Protector)일 수 있다.
퓨즈(560)는 통상적인 배터리 팩의 제조 공정에서 사용되는 온도가 110℃미만이고, 상기 배터리 팩의 내부 온도가 130℃를 초과하면 스웰링(swelling) 현상에 의해 발열 또는 폭발될 수 있다는 점을 감안하여, 110℃ 내지 130℃에서 녹아 끊어지도록 하는 것이 바람직하다.
센서 저항(570)은 배터리(400)와 외부 단자(P-) 사이에 구비되며, 1차 보호회로(510) 및 2차 보호회로(520)와 연결되어, 대전류 경로에 흐르는 전류를 감지하여 1차 보호회로(510) 및 2차 보호회로(520)에 인가한다.
또한, 센서 저항(570)의 저항값은 미리 알고 있는 상태이므로, 센서 저항(570)에 인가되는 전압을 감지하면 배터리(120)의 충·방전 전압뿐만 아니라, 충·방전 전류 및 외부 단락 상태도 간접적으로 감지할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 동작방법을 도3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
온도 센서(540)는 항시 배터리(400)의 온도를 감지하고 있으며, 감지되는 온도를 비교기(514)에 전송하며, 비교기(514)는 감지된 온도를 기준 설정부(516)로부터 인가되는 기준 동작온도와 비교한다.
배터리가 충전 상태이고, 감지온도가 충전 기준 동작온도인 0℃ ~ 45℃ 내의 온도이면, 비교기(514)는 FET 구동부(512)에 정상 동작 신호를 출력하고, FET 구동부(512)는 정상 동작 신호에 응답하여 충전 소자(533)를 온 시켜 충전이 실시되도록 하고, 감지온도가 충전 기준 동작온도인 0℃ ~ 45℃ 외의 온도이면, 비교기(514)는 FET 구동부(512)에 이상 동작 신호를 출력하고, FET 구동부(512)는 이상 동작 신호에 응답하여 충전 소자(533)를 오프 시켜 충전이 이루어지지 않도록 한다.
또한, 배터리가 방전 상태이고, 감지온도가 방전 기준 동작온도인 -20℃ ~ 60℃ 내의 온도이면, 비교기(514)는 FET 구동부(512)에 정상 동작 신호를 출력하고, FET 구동부(512)는 정상 동작 신호에 응답하여 방전 소자(531)를 온 시켜 방전이 실시되도록 하고, 감지온도가 방전 기준 동작온도인 -20℃ ~ 60℃ 외의 온도이면, 비교기(514)는 FET 구동부(512)에 이상 동작 신호를 출력하고, FET 구동 부(512)는 이상 동작 신호에 응답하여 방전 소자(531)를 오프 시켜 방전이 이루어지지 않도록 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 보호회로 및 이를 구비한 배터리 팩은 하나 또는 복수개의 베어 셀을 구비하는 배터리의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비하여, 상기 온도 센서에 의해 감지되는 온도에 따라 충방전 소자부를 제어함으로써, 고온 영역에서 동작하여 발생하는 발화, 연소 또는 폭발의 위험으로부터 배터리 팩을 보호하여 안전성을 확보할 수 있으며, 또한, 저온 영역에서 충, 방전이 이루어지지 않도록 제어가 가능함으로써, 충전이 되지 않는 문제점을 해결할 수 있으며, 전지용량의 효율성을 높일 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩에 구비되는 베어 셀을 나타낸 분리 사시도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 나타낸 회로도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 동작방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
[도면의 주요부호에 대한 설명]
110 : 양극판 120 : 음극판
130 : 세러페이터 140 : 양극탭
150 : 음극탭 200 : 캔
310 : 전극 단자 320 : 절연 케이스
330 : 터미널 플레이트 340 : 절연 플레이트
350 : 캡 플레이트 352 : 단자 통공
354 : 전해액 주입공 마개 360 : 절연 가스켓
370 : 전해액 주입공 400 : 배터리
500 : 보호회로 510 : 1차 보호회로
512 : FET 구동부 514 : 비교기
516 : 기준 설정부 520 : 2차 보호회로
530 : 충방전 소자부 531 : 충전 소자
532 : 방전 소자 540 : 온도 센서
550 : 온도 퓨즈 560 : 퓨즈
570 : 센서 저항 P+ , P- : 외부 단자

Claims (18)

  1. 배터리 팩의 대전류 경로 상에 위치하는 충방전 소자부;
    상기 배터리 팩 내의 일측에 구비되어 배터리의 온도를 감지하는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서 및 상기 충방전 소자부와 연결되며, 상기 온도 센서에 의해 감지되는 온도가 기준 동작온도 내의 온도인지 여부에 따라 상기 충방전 소자부를 제어하는 1차 보호회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 보호회로는 충전 및 방전 시의 기준 동작온도를 출력하는 기준 설정부;
    상기 온도 센서와 상기 기준 설정부와 연결되며, 상기 기준 동작온도와 상기 온도 센서에 의해 감지되는 온도를 비교하여 이상 동작 신호 또는 정상 동작 신호를 출력하는 비교기; 및
    상기 비교기 및 상기 충방전 소자부와 연결되며, 상기 이상 동작 신호 또는 정상 동작 신호에 응답하여 상기 충방전 소자부를 제어하는 FET 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충방전 소자부는 충전 소자 및 방전 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 충전 소자 및 방전 소자는 모스 전계 효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 주변 온도의 변화를 전기저항, 전압 또는 전류의 변화로 바꾸어 주는 소자인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 충전 시의 기준 동작온도는 0℃ ~ 45℃ 이고, 상기 방전 시의 기준 동작온도는 -20℃ ~ 60℃ 인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호회로.
  7. 하나 또는 복수개의 베어 셀을 구비하는 배터리;
    상기 배터리와 전기적으로 연결되며, 충방전 소자부, 온도 센서 및 상기 온도 센서로부터 감지되는 배터리의 온도가 기준 동작온도 내의 온도인지 여부에 따라 상기 충방전 소자부를 제어하는 1차 보호회로를 구비하는 보호회로; 및
    상기 배터리를 외부 전원 또는 부하와 전기적으로 연결하기 위한 외부 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 베어 셀은 각형, 원통형 또는 파우치형인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 1차 보호회로는 충전 및 방전 시의 기준 동작온도를 출력하는 기준 설정부;
    상기 온도 센서와 상기 기준 설정부와 연결되며, 상기 기준 동작온도와 상기 온도 센서에 의해 감지되는 온도를 비교하여 이상 동작 신호 또는 정상 동작 신호를 출력하는 비교기; 및
    상기 비교기 및 상기 충방전 소자부와 연결되며, 상기 이상 동작 신호 또는 정상 동작 신호에 응답하여 상기 충방전 소자부를 제어하는 FET 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 충방전 소자부는 충전 소자 및 방전 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 충전 소자 및 방전 소자는 모스 전계 효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 보호회로는 상기 충방전 소자부와 연결되어 온도를 감지하며, 상기 충방전 소자부가 과열되면 전기적 흐름을 차단하는 온도 퓨즈;
    상기 배터리와 상기 외부 단자 사이에 구비되며, 상기 1차 보호회로 및 2차 보호회로와 연결되어 대전류 경로에 흐르는 전류를 감지하여 상기 1차 보호회로 및 상기 2차 보호회로에 인가하는 센서 저항; 및
    상기 배터리 및 상기 센서 저항으로부터 인가되는 신호에 따라 상기 퓨즈를 제어하는 2차 보호회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 1차 보호회로는 상기 배터리 및 상기 센서 저항으로부터 입력되는 신호에 따라 상기 충방전 소자부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 주변 온도의 변화를 전기저항, 전압 또는 전류의 변화로 바꾸어 주는 소자인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 정특성 서미스터 또는 부특성 서미스터인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 충전 시의 기준 동작온도는 0℃ ~ 45℃ 이고, 상기 방전 시의 기준 동작온도는 -20℃ ~ 60℃ 인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  17. 배터리의 온도를 감지하는 단계;
    배터리 팩이 충전 또는 방전 상태인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 감지된 온도가 상기 배터리 팩이 충전상태인 경우 미리 설정되어 있는 충전시의 기준 동작온도와 비교하여 기준 동작온도 내의 온도인지 아닌지를 판단하고, 상기 배터리 팩이 방전상태인 경우 미리 설정되어 있는 방전시의 기준 동작온도와 비교하여 기준 동작온도 내의 온도인지 아닌지를 판단하는 단계;
    상기 감지된 온도가 상기 배터리 팩이 충전상태인 경우 상기 충전 기준 동작온도 내의 온도이면 정상 동작 신호를 출력하고, 상기 충전 기준 동작온도 외의 온도이면 이상 동작 신호를 출력하며, 상기 배터리 팩이 방전상태인 경우 상기 방전 기준 동작온도 내의 온도이면 정상 동작 신호를 출력하고, 상기 방전 기준 동작온도 외의 온도이면 이상 동작 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 충전시의 정상 동작 신호에 따라 충전 소자를 온시키거나, 상기 충전시의 이상 동작 신호에 따라 충전 소자를 오프시키며, 상기 방전시의 정상 동작 신호에 따라 방전 소자를 온시키거나, 상기 방전시의 이상 동작 신호에 따라 방전 소자를 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 동작방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전 시의 기준 동작온도는 0℃ ~ 45℃ 이고, 상기 방전 시의 기준 동작온도는 -20℃ ~ 60℃ 인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 동작방법.
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