KR20090060023A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적과제는 복수 개의 베어셀들이 일부만 과열되었을 때, 과열된 베어셀을 예측하여 충/방전을 제어하는 배터리 팩을 제공하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 복수 개이며, 재충전 가능한 베어셀; 베어셀의 대전류경로에 전기적으로 연결된 충방전 스위칭 소자; 복수 개의 베어셀에 각각 부착되어 베어셀의 온도에 따라 저항값이 변화하는 센싱부 및; 센싱부와 전기적으로 연결되어 센싱부의 저항값을 비교하며, 베어셀들 각각에 전기적으로 연결되어 베어셀들의 전압을 측정하여 베어셀들의 상태를 검출하고, 센싱부와 전기적으로 연결되어 센싱부에서 측정된 저항값들이 임계값 이상의 편차를 보일 때 충방전 스위칭 소자를 단전시키는 충방전 제어 회로로 이루어진 배터리 팩을 개시한다.
따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩은 복수 개의 베어셀들이 일부만 과열되었을 때, 과열된 베어셀을 예측하고, 배터리 팩의 충방전을 정시시켜 배터리 팩의 과열 및 폭발을 예방한다.
센싱부, 저항 비교부, 충/방전 상태 검지부

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 팩에 실장되는 베어셀들의 온도 변화를 측정하여 배터리 팩의 충방전을 제어하는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근에는 셀루라폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더 등의 콤팩트하고 경량화된 휴대용 전기/전자장치들이 활발하게 개발 및 생산되고 있다. 따라서, 휴대용 전기/전자 장치들은 별도의 전원이 구비되지 않은 장소에서도 작동될 수 있도록 전지 팩을 내장하고 있다. 상기 전지 팩은 경제적인 측면을 고려하여 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 채용하고 있다. 또한, 이차전지는 고밀도에너지와 고출력을 필요로 하는 하이브리드 자동차 배터리용으로도 각광받고 있으며 연구개발 및 제품생산 중에 있다.
이차 전지는 대표적으로, 니켈-카드뮴(Ni-Cd)전지와 니켈-수소(Ni-MH)전지 및 리튬(Li) 전지와 리튬 이온(Li-ion) 이차 전지 등이 있다.
특히, 리튬 이온 이차 전지는 휴대용 전자 장비 전원으로 많이 사용되고 있는 니켈-카드뮴 전지나, 니켈-수소 전지보다 작동 전압이 약 3배나 높다. 또한, 단 위 중량당 에너지 밀도가 높다는 측면에서 널리 사용되고 있다. 상기 리튬 이차 전지는 주로 양극 활물질로 리튬계 산화물, 음극 활물질로는 탄소재를 사용하고 있다. 일반적으로는, 전해질의 종류에 따라 액체 전해질 전지와, 고분자 전해질 전지로 분류되며, 액체 전해질을 사용하는 전지를 리튬 이온 전지라 하고, 고분자 전해질을 사용하는 전지를 리튬 폴리머 전지라고 한다. 또한, 리튬 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는데, 대표적인 형상으로는 원통형과, 각형과, 파우치형을 들 수 있다.
이러한 이차 전지의 제조 과정에 대해 설명하면, 우선, 상기 양극 활물질이 형성된 양극집전체에 양극성의 전극탭이 연결된 양극판, 음극 활물질이 형성된 음극집전체에 음극성의 전극탭이 연결된 음극판 및 상기 양극판과 음극판 사이에 개재되어 있는 세퍼레이터를 적층한 후, 이를 권취하여 전극 조립체를 제조한다. 그리고, 전극조립체를 원통형 캔, 각형 캔 또는 파우치에 전해질과 함께 밀봉하면 베어셀이 완성된다. 이러한 베어셀은 낱개 또는 복수 개가 보호회로 기판과 연결되어 베어셀의 안정성을 높힌다.
특히, 휴대용 전자기기 가운데 노트북과 같이 전력을 많이 소모하는 휴대용 전자 제품들은 복수 개의 베어셀을 직렬 및 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하여 사용한다. 이러한 배터리 팩에 사용되는 베어셀들은 충전으로 인해 과열되거나 과도한 전력을 방출하였을 경우, 충/방전을 금지시키는 안전회로가 탑재되어 있다.
상기 안전회로는 복수 개인 베어셀들 가운데 어느 하나만 과열되거나 혹은 일부의 베어셀들만 과열되었을 때에도 정상적인 충/방전 작동을 하게 된다. 이로 인해 베어셀은 충/방전의 불균형을 초래하게 되고, 이러한 불균형을 안전회로가 예측할 수 없게 된다. 따라서, 복수 개의 베어셀들의 일부만이 손상되어 배터리 팩의 기능을 상실하거나 예측하지 못한 충/방전의 불균형으로 인해 배터리 팩이 폭발할 위험성을 안고 있는 문제가 있다.
상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 복수 개의 베어셀들이 일부만 과열되었을 때, 과열된 베어셀을 예측하는 배터리 팩을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 복수 개의 베어셀들이 일부만 과열되었을 때 베어셀의 충방전을 정지시켜 베어셀의 폭발을 예방하는 배터리 팩을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 기술적 과제는 베어셀의 과충전 및 과방전이 예방되는 배터리 팩을 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 배터리 팩은 복수 개이며, 재충전 가능한 베어셀; 상기 베어셀의 대전류경로에 전기적으로 연결된 충방전 스위칭 소자; 상기 복수 개의 베어셀에 각각 부착되어 상기 베어셀의 온도에 따라 저항값이 변화하는 센싱부; 및 상기 센싱부와 전기적으로 연결되어 상기 센싱부의 저항값을 비교하며, 상기 베어셀들 각각에 전기적으로 연결되어 상기 베어셀들의 전 압을 측정하여 상기 베어셀들의 상태를 검출하고, 상기 센싱부와 전기적으로 연결되어 상기 센싱부에서 측정된 저항값들이 임계값 이상의 편차를 보일 때 상기 충방전 스위칭 소자를 단전시키는 충방전 제어 회로를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센싱부의 각각에는 저항이 병렬로 연결되어 상기 센싱부의 임피던스값을 변화시킬 수 있다.
또한, 상기 충방전 제어 회로는 상기 센싱부와 전기적으로 연결되어 상기 센싱부의 저항값을 비교하는 저항비교부, 상기 베어셀들 각각에 전기적으로 연결되어 상기 베어셀들의 전압을 측정하여 상기 베어셀들의 상태를 검출하는 충방전 상태 감지부, 상기 센싱부와 전기적으로 연결되어 상기 센싱부에서 측정된 저항값들이 임계값 이상의 편차를 보일 때 상기 충방전 스위칭 소자를 단전시키고, 상기 충방전 상태 감지부와 전기적으로 연결되어 상기 베어셀의 만충전 또는 만방전시에 상기 충방전 스위칭 소자를 온 또는 오프시키는 제어부를 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 센싱부는 정특성(Positive Temperature Coefficient:PTC) 서미스터(thermistor), 부특성(Negative Temperature Coefficient) 서미스터(thermistor) 및, IC(Intergrated circuit) 온도 센서로 가운데 어느 하나를 선택하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 복수 개의 베어셀들이 일부만 과열되었을 때, 과열된 베어셀을 예측한다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은 복수 개의 베어셀들이 일부만 과열되었을 때, 정상적인 충/방전을 정지시켜 배터리 팩의 과열 및 폭발을 예방한다.
또한, 본 발명의 따른 배터리 팩은 베어셀의 과충전 및 과방전을 예방한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예들에서는 동일한 구성요소에 대해 동일한 도면부호를 사용하기로 하며, 동일한 구성요소의 중복되는 설명은 하지 않기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 베어셀(110), 충방전 스위칭 소자(120), 센싱부(130) 및, 충방전 제어 회로(140)를 포함하여 형성된다.
상기 베어셀(110)은 복수 개가 직렬 및 병렬로 연결되어 형성될 수 있으며, 베어셀(110)의 대전류경로(111)에는 충전기(미도시)나 전자 제품(미도시)에 연결되는 양극 단자(P+) 및 음극 단자(P-)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 충방전 스위칭 소자(120)는 베어셀의 대전류 경로(111)에 전기적으로 연결된다. 또한, 충방전 스위칭 소자(120)는 충전 스위칭 소자(121)와 방전 스위칭 소자(122)를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 충전 스위칭 소자(121)에는 기생 다이오드(121a)가 병렬로 연결되어 과충전에 의해 충전 스위칭 소자(121)가 턴 (turn) 오프(off)된 상태가 되어도 정상적으로 방전전류를 흘릴 수 있도록 되어 있 으며, 방전 스위칭 소자(122)에도 기생 다이오드(122a)가 병렬로 연결되어 과방전에 의해 방전 스위칭 소자(122)가 턴(turn) 오프(off)된 상태가 되어도 정상적으로 충전 전류를 흘릴 수 있도록 되어 있다.
상기 센싱부(130)는 복수 개의 베어셀(110)에 각각 부착된다. 또한, 센싱부(130)는 베어셀(110)의 온도에 따라 저항값이 변화한다. 이러한 센싱부(130)는 금속산화물을 소결하여 만들며 온도에 따라 저항치가 변하는 특성을 이용한 서미스터(Thermistor)를 사용할 수 있다. 서미스터는 도전성 금속 알갱이가 열팽창율이 높은 비전도성 재질에 함유되어 있으며, 서미스터가 열을 받을시에 열팽창율이 높은 비전도성 재질이 팽창하면서 도정성 금속 알갱이 떨어지게 된다. 이때 서미스터의 저항은 증가하게 된다.
또한, 센싱부(130)의 각각에 저항(131)이 병렬로 연결되어 센싱부(130)의 임피던스값을 변화시킬 수 있다. 상기 저항(131)은 충방전 제어 회로(140)와 센싱부(130)가 전기적으로 연결되었을 때, 충방전 제어 회로(140)의 내부 임피던스에 맞추어 센싱부(130)의 임피던스를 변화시키므로, 충방전 제어 회로(140)가 센싱부(130)의 저항값을 측정할 때 발생하는 측정오차를 줄여준다. 또한, 저항(131)은 센싱부(130)의 저항값이 순간적으로 너무 높아졌을 때, 충방전 제어 회로(140)의 저항값 식별기능이 저하되는 것을 방지한다.
상기 충방전 제어 회로(140)는 센싱부(130)와 전기적으로 연결되어 센싱부(130)의 저항값을 읽어들어 각각의 센싱부(130)들의 저항값들을 비교한다. 또한, 충방전 제어 회로(140)는 베어셀(110)들 각각에 전기적으로 연결되어 베어셀(110) 들의 전압을 측정하여 베어셀(110)들의 상태를 검출한다. 이러한 베어셀(110)들의 상태를 검출하는 예를 들면, 베어셀(110)의 전압이 4.1V 되었을 때 만충전 상태로 인식하고, 베어셀(110)의 전압이 3V로 되었을 때 만방전 상태로 인식하며, 3V 내지 4.1V 사이의 전압에서는 정상 충방전 상태로 인식한다. 이때, 충방전 제어 회로(140)는 베어셀(110)이 전압이 4.1V가 초과되어 과충전 상태인 경우 충전 스위칭 소자(121)를 오프시켜 베어셀(110)의 과충전을 예방한다. 여기서, 충방전 제어 회로(140)는 베어셀(110)의 전압이 3V 미만의 과방전 상태인 경우에 방전 스위칭 소자(122)를 오프시켜 베어셀(110)의 과방전을 예방한다. 또한, 충방전 제어 회로(140)는 센싱부(130)들의 각각에 전기적으로 연결되고, 센싱부(130)들 각각의 저항값들을 측정한다. 이때, 충방전 제어 회로(140)가 측정한 저항값들이 임계값 이상의 편차를 보일 때 충방전 스위칭 소자(120)를 오프시킨다.
상기한 배터리 팩(100)은 충방전 제어 회로(140)가 센싱부(130)들 각각의 저항값을 계속적으로 읽어 들어 비교한다. 이때, 복수 개의 베어셀(110) 가운데 어느 베어셀(110)이 과열되면, 과열된 베어셀(110)에 부착된 센싱부(130)의 저항값이 변화하게 되고, 센싱부(130)의 저항값이 임계값 이상의 편차를 보일 시에 충방전 스위칭 소자(120)을 오프시킨다. 따라서, 베어셀(110)은 충전 및 방전이 정지되므로, 베어셀(110)이 과열되지 않게 되어 배터리 팩(100)의 폭발이 예방된다. 또한, 상기 배터리 팩(100)은 베어셀(110)의 만충전 또는 만방전 상태에 따라 베어셀(110)의 충전 및 방전을 정지시키므로, 베어셀(110)의 과충전 및 과방전을 예방한다.
한편, 센싱부(130)는 정특성(Positive Temperature Coefficient:PTC) 서미스 터(thermistor)로 형성될 수 있다. 정특성 서미스터는 온도에 따라 저항의 증가율이 선형적으로 증가하는 특성을 가지고 있는데, 이러한 정특성 서미스터를 사용하면 저항의 증가율이 선형적으로 변화하므로, 보다 정확한 온도에서 충방전 제어 회로(140)가 충방전 스위치(120)를 단전시킬 수 있다.
또한, 센싱부(130)는 부특성(Negative Temperature Coefficient) 서미스터(thermistor)로 형성될 수 있다. 부특성 서미스터는 저항의 변화율이 온도에 따라 지수함수적으로 변화는 특성을 갖고 있다. 이렇게 순간적으로 높아지는 저항의 변화를 이용하면 충반전 제어 회로(140)가 충방전 스위치(120)를 단전시키는 동작속도를 매우 빠르게 할 수 있다.
또한, 센싱부(130)는 IC(Intergrated circuit) 온도 센서로 형성될 수 있다. IC 온도 센서는 내부에 형성된 P형과 N형 반도체가 접합력이 변화함에 따라 저항값이 변화되어 온도를 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(200)은 베어셀(110), 충방전 스위칭 소자(120), 센싱부(130) 및, 충방전 제어 회로(240)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 충방전 제어 회로(240)는 저항비교부(241), 충방전 상태 감지부(242) 및, 제어부(243)를 포함하여 형성된다. 본 실시예에서의 베어셀(110), 충방전 스위칭 소자(120) 및, 센싱부(130)는 전술한바 있기에 중복되는 설명은 하지 않기로 하며, 이 부분에서는 충방전 제어 회로(240)의 구성과 동작에 대해 중점적으로 설명하기로 한다.
먼저, 상기 저항비교부(241)는 센싱부(130)의 저항값을 비교할 수 있다. 이러한 저항 비교부(241)는 복수 개의 연산증폭기에 서로 다른 기준전압을 인가하여 형성될 수 있는데, 센싱부(130)의 저항값이 변화하여 연산증폭기의 기준전압을 초과하면, 해당하는 연산증폭기에서 제어부(243)에 신호를 출력하므로, 센싱부(130)의 저항값을 알릴 수 있다.
상기 충방전 상태 감지부(242)는 베어셀(110)들의 전압을 측정하여 일정 전압 이상일 때 만충전상태를 검출하고 일정 전압 이하일 때 만방전 상태를 검출한다. 예를 들면, 충방전 상태 감지부(242)는 연산증폭기를 이용한 전압 비교기를 이용하여 베어셀(110)의 전압이 4.1V가 초과 되었을 때 베어셀(110)을 만충전 상태로 인식하고 제어부(243)에 베어셀(110)의 만충전 상태를 알리는 신호를 출력한다. 또한, 베어셀(110)의 전압 3V 미만일 때, 또 다른 연산증폭기를 이용한 전압비교기에서는 제어부(243)에 만방전상태를 알리는 신호를 출력할 수 있다.
상기 제어부(243)는 저항 비교부(241)와 전기적으로 연결되어 저항 비교부(241)에 출력되는 센싱부(130)들의 저항값을 비교한다. 또한, 제어부(243)는 센싱부(130)의 저항값들이 임계값 이상의 편차를 보일시에 충방전 스위칭 소자(120)를 오프시킨다. 또한, 제어부(243)는 충방전 상태 감지부(242)와 전기적으로 연결되고, 충방전 상태 감지부(242)에서 베어셀(110)의 만충전상태를 알리는 신호를 입력받으면, 충전 스위칭 소자(410)를 오프시켜 베어셀(110)의 과충전을 예방한다. 이때, 제어부(243)는 충방전 상태 감지부(242)에서 베어셀(110)의 만방전상태를 알 리는 신호를 입력받으면, 방전 스위칭 소자(122)를 오프시켜 베어셀(110)의 과방전을 예방한다.
상기한 배터리 팩(200)은 베어셀(110) 가운데 일부 베어셀(110)의 온도가 임계값이상의 편차를 보일 시에 센싱부(130)의 저항값을 저항 비교부(241)가 읽어들이고, 제어부(243)가 충방전 스위칭 소자(120)를 단전시킨다. 따라서, 배터리 팩(200)은 베어셀(110)의 일부만이 과열되어 폭발하는 것을 예방할 수 있다. 또한, 배터리 팩(200)은 베어셀(110)의 만충전시 충전 스위칭 소자(121)를 오프시켜 베어셀(110)의 과충전을 예방하고, 베어셀(110)의 만방전시 방전 스위칭 소자(122)를 오프시켜 베어셀(110)의 과방전을 예방한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200; 배터리 팩 110; 베어셀
120; 충방전 스위칭 소자 121; 충전 스위칭 소자
122; 방전 스위칭 소자 130; 센싱부
131; 저항 140, 240; 충방전 제어 회로
241; 저항비교부 242; 충방전 상태 감지부
243; 제어부

Claims (4)

  1. 복수 개이며, 재충전 가능한 베어셀;
    상기 베어셀의 대전류경로에 전기적으로 연결된 충방전 스위칭 소자;
    상기 복수 개의 베어셀에 각각 부착되어 상기 베어셀의 온도에 따라 저항값이 변화하는 센싱부; 및
    상기 센싱부와 전기적으로 연결되어 상기 센싱부의 저항값을 비교하며, 상기 베어셀들 각각에 전기적으로 연결되어 상기 베어셀들의 전압을 측정하여 상기 베어셀들의 상태를 검출하고, 상기 센싱부와 전기적으로 연결되어 상기 센싱부에서 측정된 저항값들이 임계값 이상의 편차를 보일 때 상기 충방전 스위칭 소자를 단전시키는 충방전 제어 회로를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱부의 각각에는 저항이 병렬로 연결되어 상기 센싱부의 임피던스값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 충방전 제어 회로는
    상기 센싱부와 전기적으로 연결되어 상기 센싱부의 저항값을 비교하는 저항비교부, 상기 베어셀들 각각에 전기적으로 연결되어 상기 베어셀들의 전압을 측정 하여 상기 베어셀들의 상태를 검출하는 충방전 상태 감지부, 상기 센싱부와 전기적으로 연결되어 상기 센싱부에서 측정된 저항값들이 임계값 이상의 편차를 보일 때 상기 충방전 스위칭 소자를 단전시키고, 상기 충방전 상태 감지부와 전기적으로 연결되어 상기 베어셀의 만충전 또는 만방전시에 상기 충방전 스위칭 소자를 온 또는 오프시키는 제어부를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱부는 정특성 서미스터, 부특성 서미스터, IC 온도 센서 가운데 어느 하나를 선택하여 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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