KR20100090198A - 배터리 팩의 보호 회로 및 이를 구비하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 팩의 보호 회로 및 이를 구비하는 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩의 보호 회로 및 이를 구비하는 배터리 팩에 관한 것으로, 해결하고자 하는 과제는 배터리 셀이 고온의 환경에 놓일 경우, 배터리 셀의 충전을 정지시킬 뿐만 아니라 배터리 셀을 강제로 자가 방전시킴으로써, 배터리 셀의 스웰링을 방지하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 배터리 셀의 양극과 음극에 전기적으로 연결되는 자가 방전용 스위칭 소자와, 배터리 셀 및 자가 방전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되며, 배터리 셀의 온도에 따라 자가 방전용 스위칭 소자를 턴온 또는 턴오프하는 제어부로 이루어진 배터리 팩의 보호 회로 및 이를 구비하는 배터리 팩을 개시한다.

Description

배터리 팩의 보호 회로 및 이를 구비하는 배터리 팩{PROTECTION CIRCUIT FOR BATTERY PACK AND BATTERY PACK WITH THE SAME}
본 발명은 배터리 팩의 보호 회로 및 이를 구비하는 배터리 팩에 관한 것이다.
휴대용 전자 제품 가운데 차량에 부수적으로 장착되는 전자 제품은 차량 내부의 온도와 직사광선과 같은 외부에서 유입되는 열에 의해 고온의 환경에 노출된다.
차량의 길 안내를 하는 네비게이션과 같은 휴대용 전자 제품은 차량 내부에 장착된 상태로 사용하게 된다. 특히, 여름에는 차량 내부 온도가 대략 섭씨 60도 이상 올라가게 되고, 네비게이션은 고온의 상태에서 사용이 이루어진다.
이러한 네비게이션은 차량의 전력을 공급받지 않아도, 수 시간 동안 동작할 수 있도록 재충전 가능한 배터리 셀(예를 들면, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지)과 보호 회로로 이루어진 배터리 팩이 장착된다.
네비게이션을 이용하는 대부분의 사용자는 차량의 내부 전원과 네비게이션을 전기적으로 연결시켜 놓은 상태로 차량 내부에 비치하여 사용하게 된다.
이 경우, 네비게이션에 장착된 배터리 팩은 계속적인 충전이 이루어지게 되고, 따라서 배터리 팩의 배터리 셀은 상대적으로 과도한 충전 상태를 유지하게 된다.
그러나, 차량 내부에서 방치된 배터리 팩은 여름철과 같이 고온의 상태에 있을 경우, 차량 내부의 온도와 배터리 셀에서 자체적으로 발생하는 열에 의해 과열된 상태로 존재하게 된다.
이 경우, 배터리 셀은 고온에서 과도한 충전 상태를 유지함으로써, 스웰링(swelling)되고, 이에 따라 위험한 상태가 된다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 배터리 셀이 고온의 환경에 놓일 경우, 배터리 셀의 충전을 정지시킬 뿐만 아니라 배터리 셀을 강제로 자가 방전시킴으로써, 배터리 셀의 스웰링을 억제하여 안전성을 향상시키는데 있다.
본 발명은 양극과 음극을 갖는 재충전 가능한 배터리 셀을 구비하는 배터리 팩의 보호 회로에 있어서, 상기 배터리 셀의 양극과 음극에 전기적으로 연결되는 자가 방전용 스위칭 소자; 및 상기 배터리 셀 및 상기 자가 방전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 셀의 온도에 따라 상기 자가 방전용 스위칭 소자를 턴온 또는 턴오프하는 제어부를 포함한다.
상기 배터리 셀 및 상기 제어부와 전기적으로 연결되는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 센서에 의해 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하고, 상기 배터리 셀의 온도가 기준 온도 이상인 경우, 상기 자가 방전용 스위칭 소자를 턴 온시킨다. 상기 기준 온도는 섭씨 45도 내지 70도이다. 상기 온도 센서는 써미스터를 포함한다. 상기 온도 센서는 센싱 온도 설정용 저항을 더 포함하여 이루어진다.
상기 제어부는 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하고, 상기 제어부는 상기 배터리 셀의 전압이 기준 전압 이상인 경우, 상기 자가 방전용 스위칭 소자를 턴 온시킨다. 상기 기준 전압은 3.0V 내지 3.9V이다.
상기 배터리 셀과 상기 자가 방전용 스위칭 소자 사이에 전기적으로 연결되는 자가 방전용 저항을 더 포함한다.
상기 배터리 셀과 상기 자가 방전용 스위칭 소자 사이에 전기적으로 연결되는 자가 방전 지시 부재를 더 포함한다. 상기 자가 방전 지시 부재는 발광 다이오드이다. 상기 배터리 셀과 상기 자가 방전 지시 부재 사이에 전기적으로 연결되는 지시 부재 보호용 저항을 더 포함한다.
상기 배터리 셀과 상기 제어부 사이에 전기적으로 연결되는 충전 스위칭 소자를 더 포함하여 이루어진다. 상기 자가 방전용 스위칭 소자는 상기 충전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되고, 상기 자가 방전용 스위칭 소자가 턴 온되는 경우 상기 충전 스위칭 소자는 턴 오프되고, 상기 자가 방전용 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우 상기 충전 스위칭 소자는 턴 온된다. 상기 제어부는 상기 온도 센서와 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 온도센싱부; 상기 배터리 셀에 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및 상기 충전 스위칭 소자 및 상기 자가 방전용 스위칭 소자에 전기적으로 연결되며, 상기 온도 센싱부에서 센싱된 온도와 상기 전압 센싱부에서 센싱된 전압에 따라 상기 충전 스위칭 소자 및 상기 자가 방전용 스위칭 소자를 턴 온 또는 턴 오프시키는 전력구동회로를 포함한다.
또한, 본 발명은 위의 어느 하나에 기재된 배터리 팩의 보호 회로를 구비하는 배터리 팩을 개시한다.
본 발명은 배터리 셀이 고온의 환경에 놓일 경우, 배터리 셀의 충전을 정지시킬 뿐만 아니라 배터리 셀을 강제로 자가 방전시킴으로써, 배터리 셀의 스웰링을 억제하여 안전성을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 블럭도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 동작 수순을 도시한 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 다른 동작 수순을 도시한 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리 셀(110), 보호 회로(200) 및 배터리 셀(110)의 양극(111)에 대전류 경로(10a)를 통하여 전기적으로 연결되는 양극 단자(11), 배터리 셀(110)의 음극(112)에 대전류 경로(10b)을 통하여 전기적으로 연결되는 음극 단자(12)를 포함한다.
상기 배터리 셀(110)은 양극(111)과 음극(112)을 가지며 재충전 가능하다. 본 실시예의 경우, 배터리 셀(110)은 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지로서, 전극 조립체와 전해액을 케이스에 밀폐시킨 형태일 수 있다. 또한, 본 실시예의 경우, 배터리 셀(110)은 하나로 도시되었으나, 복수 개가 전기적으로 병렬 연결될 수도 있다.
상기 보호 회로(200)는 충/방전 스위칭 소자부(220), 자가 방전용 스위칭 소자(230), 제어부(240), 온도센서(250), 전류 센서(260), 자가 방전 지시 부재(270), 자가 방전용 저항(280)을 포함한다. 이밖에도, 상기 보호 회로(200)는 스위치 안정화용 콘덴서(223), 지시 부재 보호용 저항(271), 전압 감지용 저항(291), 전압 안정화용 콘덴서(292) 및 충방전 전압 안정화용 콘덴서(293)를 더 포함한다. 또한, 상기 온도센서(250)는 써미스터(251) 및 센싱 온도 설정용 저항(252)을 포함한다.
상기 충/방전 스위칭 소자부(220)는 충전 스위칭 소자(221)와 방전 스위칭 소자(222)를 포함한다.
상기 충전 스위칭 소자(221)는 충전 FET(221a) 및 충전 FET용 기생다이오드(221b)를 포함한다. 여기서, 충전 FET용 기생다이오드(221b)는 충전 FET(221a)의 제작 과정시 필요적으로 형성되는 구성이긴 하나, 설명의 편의상 구성 요소를 분리하여 설명 하기로 한다.
상기 충전 FET(221a)는 드레인과 소오스가 배터리 셀(110)의 대전류 경로(10b)에 설치된다. 또한, 충전 FET(221a)는 게이트가 제어부(240)에 전기적으로 연결되고, 제어부(240)에서 출력되는 제어 신호에 의해 턴 온 또는 턴 오프된다. 예를 들면, 충전 FET(221a)는 상기 제어부(240)로부터 하이 레벨의 신호를 인가받을 경우 턴 온 되어, 충전기(미도시)로부터 배터리 셀(110)로 충전 전류가 흐르도록 하거나, 배터리 셀(110)로부터 외부 부하(미도시)로 방전 전류가 흐르도록 한다. 이러한 동작을 위해 본 실시예의 경우, 충전 FET(221a)는 N-채널 FET로 형성될 수 있다.
상기 충전 FET용 기생다이오드(221b)는 충전 FET(221a)에 전기적으로 병렬 연결된다. 충전 FET용 기생다이오드(221b)는 배터리 셀(110)의 방전 전류 방향(시계 방향)에 대하여 순방향으로 연결된다. 따라서, 배터리 셀(110)의 과충전 보호 동작에 의해 충전 FET(221a)가 턴 오프되어 있다고 해도, 배터리 셀(110)의 방전은 가능하다.
상기 방전 스위칭 소자(222)는 방전 FET(222a) 및 방전 FET용 기생다이오드(222b)를 포함한다. 여기서, 방전 FET용 기생다이오드(222b)는 방전 FET(222a)의 제작 과정시 필요적으로 형성되는 구성이긴 하나, 설명의 편의상 구성 요소를 분리하여 설명 하기로 한다.
상기 방전 FET(222a)는 드레인과 소오스가 배터리 셀(110)의 대전류 경로(10b)에 설치된다. 또한, 방전 FET(222a)는 게이트가 제어부(240)와 전기적으로 연결되고, 제어부(240)에서 출력되는 제어 신호에 의해 턴 온 또는 턴 오프된다. 예를 들면, 방전 FET(222a)는 상기 제어부(240)로부터 하이 레벨의 신호를 인가받을 경우 턴 온 되어, 배터리 셀(110)로부터 외부 부하(미도시)로 방전 전류가 흐르도록 하거나, 충전기(미도시)로부터 배터리 셀(110)로 충전 전류가 흐르도록 한다. 이러한 동작을 위해, 본 실시예의 경우, 방전 FET(222a)는 N-채널 FET로 형성될 수 있다.
상기 방전 FET용 기생다이오드(222b)는 방전 FET(222a)에 전기적으로 병렬 연결된다. 방전 FET용 기생다이오드(222b)는 배터리 셀(110)의 충전 전류 방향(반시계 방향)에 대하여 순방향으로 연결된다. 따라서, 배터리 셀(110)의 과방전 보호 동작에 의해 방전 FET(222a)가 턴 오프되어 있다고 해도, 배터리 셀(110)의 충전은 가능하다.
한편, 상기 스위치 안정화용 콘덴서(223)는 상기 충/방전 스위칭 소자부(220)에 병렬로 연결됨으로써, 상기 충/방전 스위칭 소자부(220)의 스위칭 동작시 발생하는 임펄스 성분의 전류를 흡수한다. 따라서, 충/방전 스위칭 소자부(220)의 동작이 안정화된다.
상기 자가 방전용 스위칭 소자(230)는 자가 방전 FET(231)와 자가 방전 FET용 기생 다이오드(232)를 포함한다.
상기 자가 방전 FET(231)는 소오스가 배터리 셀(110)의 양극(111)과 전기적으로 연결되고, 드레인이 배터리 셀(110)의 음극(112)과 전기적으로 연결된다. 다르게 설명하면, 상기 자가 방전 FET(231)는 소오스가 대전류 경로(10a)에 전기적으로 연결되고, 드레인이 대전류 경로(10b)에 전기적으로 연결된다. 또한, 자가 방전 FET(231)는 게이트가 제어부(240)와 전기적으로 연결된다. 또한, 자가 방전 FET(231)는 게이트가 충전 FET(221a)의 게이트와 전기적으로 연결된다. 본 실시예의 경우, 자가 방전 FET(231)는 P채널 FET로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 충전 FET(221a)가 턴 온될 경우, 상기 자가 방전 FET(231)는 턴 오프된다. 또한, 상기 충전 FET(221a)가 턴 오프될 경우, 상기 자가 방전 FET(231)는 턴 온된다.
상기 자가 방전 FET용 기생 다이오드(232)는 자가 방전 FET(231)와 전기적으로 병렬 연결된다. 이 경우, 자가 방전 FET용 기생 다이오드(232)는 배터리 셀(110)의 양극(111)에서 음극(112)으로 흐르는 자가 방전 전류 방향에 대해 역방향으로 형성된다. 따라서, 자가 방전 FET(231)가 제어부(240)에 의해 턴 온되지 않은 상태의 경우, 자가 방전 지시 부재(270), 지시 부재 보호용 저항(271) 및 자가 방전용 저항(280)에 의한 배터리 셀(100)의 전력 소비는 없다.
상기 제어부(240)는 온도 센싱부(241), 전압 센싱부(242), 전류 센싱부(243), 전력구동회로(244) 및 논리 회로(245)를 포함한다.
상기 온도 센싱부(241)는 온도 센서(250)와 전기적으로 연결되어, 온도 센서(250)로부터 얻은 배터리 셀(110)의 아날로그 온도값을 디지털 온도값으로 변환하여 논리 회로(245)에 전달한다. 실질적으로, 온도 센싱부(241)는 아날로그 디지털 컨버터를 포함한다. 상기 논리 회로(245)는 배터리 셀(110)의 온도가 미리 결정된 기준 온도를 넘으면, 전력구동회로(244)에 자가 방전 신호를 출력한다. 즉, 상기 논리 회로(245)는 충전용 전력 구동회로(244a)에 자가 방전 신호를 출력한다. 그러면, 충전용 전력 구동회로(244a)가 충전 스위칭 소자(221)에 로우 레벨의 전기적 신호를 출력함으로써, 충전 스위칭 소자(221)가 턴 오프되도록 한다. 이때, 상기 로우 레벨의 전기적 신호는 자가 방전용 스위칭 소자(230)에도 인가되므로, 자가 방전용 스위칭 소자(230)는 턴 온된다. 그러면, 배터리 셀(110)은 자가 방전용 저항(280)을 통해 전류를 소비함으로써, 자가 방전된다. 여기서, 상술한 바와 같이 충전 스위칭 소자(221)가 턴 오프되면, 자가 방전용 스위칭 소자(230)는 턴 온되며, 충전 스위칭 소자(221)가 턴 온되면, 자가 방전용 스위칭 소자(230)는 턴 오프된다고 설명한바 있다. 이는 상기 충전 스위칭 소자(221)의 N 채널 형태이고, 자가 방전용 스위칭 소자(230)의 P 채널 형태이기 때문이다.
상기 기준 온도는 대략 섭씨 45도 내지 70도 사이에서 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 논리 회로(245)는 배터리 셀(110)의 온도가 기준 온도 미만인 경우 충전용 전력 구동회로(244a)에 자가 방전 신호를 출력하지 않게 하여 배터리 셀(110)이 자가 방전되지 않도록 한다. 또한, 상기 논리 회로(245)는 배터리 셀(110)의 안전성을 위해 배터리 셀(110)의 온도가 기준 온도를 넘을시에 자가 방전 되도록 자가 방전 신호를 충전용 전력 구동회로(244a)에 출력한다. 상기 전압 센싱부(242)는 배터리 셀(110)의 양극(111)과 음극(112)에 전기적으로 연결되어 배터리 셀(110)의 아날로그 전압값을 센싱하고, 이를 디지털 값으로 변환하여 논리 회로(245)에 제공한다. 즉, 상기 전압 센싱부(242)는 전압 센싱용 저항(291)과 전압 안정화용 콘덴서(292) 사이에 전기적으로 연결되어 배터리 셀(110)의 충전 전압 또는 방전 전압을 아날로그 값으로 얻고, 이와 같이 얻은 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하여 논리 회로(245)에 제공한다. 실질적으로, 이러한 전압 센싱부(242)는 아날로그 디지털 컨버터를 포함한다.
한편, 상기 논리 회로(245)는 자가 방전 모드뿐만 아니라, 배터리 셀(110)의 전압에 따라 과방전 보호 모드 및 과충전 보호 모드를 판단하고, 각각의 모드에 따라 전력 구동회로(244)에 제어 신호를 출력하여 충/방전 스위칭 소자부(220) 및 자가 방전용 스위칭 소자(230)를 턴 온 또는 턴 오프시킨다.
상기 논리 회로(245)의 과방전 보호 모드, 과충전 보호 모드 및 자가 방전 모드를 보다 상세히 설명한다.
상기 과방전 보호 모드는 배터리 셀(110)의 전압이 대략 3.0V 미만으로 떨어지는 경우 수행된다. 물론, 이러한 배터리 셀(110)의 전압은 전압 센싱부(242)가 센싱한다. 상기 과방전 보호 모드는 논리 회로(245)가 방전용 전력구동 회로(244b)에 과방전 보호 신호를 출력하여 방전 스위칭 소자(222)가 턴 오프되도록 함으로써, 배터리 셀(110)의 과방전을 방지하는 상태이다. 그러나, 배터리 팩(100)의 양극 단자(11)와 음극 단자(12)에 충전기(미도시)가 접속되는 경우, 충전기에서 입력되는 충전 전류는 배터리 셀(110), 방전 스위칭 소자(222)의 기생 다이오드(222b) 및 충전 스위칭 소자(221)를 통하여 흐름으로써, 배터리 셀(110)의 충전은 가능하다.
상기 과충전 보호 모드는 배터리 셀(110)의 전압이 약 4.5V 이상일 경우 수행된다. 상기 과충전 보호 모드는 배터리 셀(110)이 과충전 되지 않도록 논리 회로(245)가 충전용 전력구동 회로(244a)에 과충전 보호 신호를 출력하여 충전 스위칭 소자(221)가 턴 오프되도록 함으로써, 배터리 셀(110)의 과충전을 방지하는 상태이다. 그러나, 배터리 팩(100)의 양극 단자(11)와 음극 단자(12)에 외부 부하(미도시)가 접속되는 경우, 배터리 셀(110)로부터의 방전 전류는 충전 스위칭 소자(221)의 기생 다이오드(221b) 및 방전 스위칭 소자(222)를 통하여 흐름으로써, 배터리 셀(110)의 방전은 가능하다.
이때, 충전 스위칭 소자(221)가 턴 오프되므로, 자가 방전 스위칭 소자(230)는 턴온된다. 따라서, 배터리 셀(110)의 자가 방전 전류는 지시 부재 보호용 저항(271) 및 자가 방전 지시 부재(270)를 통하여 흐른다. 더욱이, 배터리 셀(110)의 자가 방전 전류는 자가 방전용 저항(280)을 통해 흐른다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)은 기본적으로 배터리 셀(110)의 온도가 미리 결정된 기준 온도를 넘을 때 자가 방전 동작을 수행하지만, 과충전 보호 모드일 때에도 자가 방전 동작을 수행한다. 따라서, 배터리 셀(110)은 온도가 기준 온도를 넘을 때, 그리고 과충전 전압일 때, 강제로 방전됨으로써, 더욱 안정적인 상태로 된다.
상술한 바와 같이, 상기 논리 회로(245)는 배터리 셀(110)의 온도가 기준 온도를 넘을 때 배터리 셀(110)이 자가 방전되도록 자가 방전 모드를 수행한다. 이러한 자가 방전 모드는 기본적으로 배터리 셀(110)의 온도가 미리 결정된 기준 온도를 넘을 때 수행된다. 물론, 배터리 셀(110)의 온도는 온도 센싱부(241)에 의해 센싱된다. 상기 논리 회로(245)는 충전용 전력 구동회로(244a)에 자가 방전 신호를 출력하여 자가 방전 스위칭 소자(230)가 턴온되도록 한다. 실제로, 자가 방전 모드 및 과충전 보호 모드의 동작은 동일하다. 즉, 자가 방전 모드 및 과충전 보호 모드 에서 논리 회로(245)가 충전용 전력 구동회로(244a)에 제어 신호(자가 방전 신호 및 과충전 보호 신호)를 출력함으로써, 자가 방전 스위칭 소자(230)는 턴온되도록 하고, 충전 스위칭 소자(221)는 턴 오프되도록 하기 때문이다.
상기와 같은 동작에 의해, 자가 방전용 스위칭 소자(230)는 턴 온 되어 배터리 셀(110)을 자가 방전시키게 된다. 이 때, 충전 스위칭 소자(221)는 턴 오프된다. 이와 반대로, 자가 방전 모드가 중단된 경우, 논리 회로(245)는 충전 스위칭 소자(221)를 턴 온시키고, 자가 방전용 스위칭 소자(230)를 턴 오프시킨다. 즉, 배터리 팩(100)은 충전과 자가 방전이 동시에 이루어지지 않도록 하여, 안전성이 향상되도록 한다. 더불어, 배터리 팩(100)은 온도가 기준 온도 이상으로 상승시 자가 방전되어, 배터리 셀(110)의 스웰링이 억제되고, 이에 따라 배터리 셀(110)의 안전성이 더욱 향상된다.
또한, 상기 논리 회로(245)는 온도 센싱부(241)가 센싱한 배터리 셀(110)의 온도가 대략 45도 내지 70도 사이에서 설정된 기준 온도에 해당하고, 배터리 셀(110)의 전압이 3.9V 이상인 경우에 충전용 전력 구동 회로(244a)에 자가 방전 신호를 출력하여 자가 방전용 스위칭 소자(230)를 턴 온시킬 수 있다. 즉, 논리 회로(245)는 배터리 셀(110)의 전압이 3.9V 미만인 경우에는, 배터리 셀(110)이 자가 방전되지 않도록 하여, 배터리 셀(110)의 전력이 낭비되지 않도록 한다. 여기서, 논리 회로(245)는 배터리 셀(110)의 안정성을 확보하기 위해 3.9V 이상의 값에서 자가 방전 모드로 전환되면 족하므로, 상한 값의 의미는 없다.
상기 논리 회로(245)는 배터리 셀(110)의 온도, 전압 및 방전 상태에 따라 배터리 셀(110)의 자가 방전이 중단되도록 한다.
온도 센싱부(241)는 배터리 셀(110)의 온도가 기준 온도 미만임을 센싱하고, 이러한 정보를 논리 회로(245)에 제공한다. 그러면, 논리 회로(245)는 충전용 전력 구동회로(244a)에 자가 방전 정지 신호를 출력하여 자가 방전용 스위칭 소자(230)가 턴 오프되도록 한다. 이와 같이 하여, 배터리 셀(110)의 자가 방전이 중단된다. 이때, 충전 스위칭 소자(221)는 턴온됨으로써, 배터리 셀(110)은 충전 가능한 상태가 된다.
또한, 전압 센싱부(242)는 배터리 셀(110)의 전압이 기준 전압 미만임을 센싱하고, 이러한 정보를 논리 회로(245)에 제공한다. 그러면, 논리 회로(245)는 충전용 전력 구동회로(244a)에 자가 방전 정지 신호를 출력하여 자가 방전용 스위칭 소자(230)가 턴 오프되도록 한다. 상기 기준 전압은 대략 3.0V 내지 3.9V 범위 내에서 설정될 수 있다. 즉, 논리 회로(245)는 상기 기준 전압을 과방전 보호 전압과 과충전 보호 전압의 사이에서 설정하여 자가 방전을 중단시킬 수 있다. 바람직하기로, 상술한 바와 같이 기준 전압은 대략 3.9V 정도가 적절하다.
이와 같이 하여, 배터리 셀(110)의 자가 방전이 중단된다. 이때, 충전 스위칭 소자(221)는 턴온됨으로써, 배터리 셀(110)은 충전 가능한 상태가 된다.
상기 전력 구동 회로(244)는 충전용 전력 구동회로(244a) 및 방전용 전력 구동 회로(244b)를 포함한다.
상기 충전용 전력 구동 회로(244a)는 논리 회로(245)와 충전 스위칭 소자(221)의 사이에 전기적으로 연결된다. 충전용 전력 구동회로(244a)는 C-MOS FET와 같은 전력 구동형 스위칭 회로로 형성되며, 논리 회로(245)에서 출력되는 제어 신호에 의해 충전 스위칭 소자(221)를 턴 온 또는 턴 오프시키는 역할을 한다.
상기 방전용 전력 구동 회로(244b) 역시 논리 회로(245)와 방전 스위칭 소자(222) 사이에 전기적으로 연결된다. 방전용 전력 구동회로(244b)는 C-MOS FET와 같은 전력 구동형 스위칭 회로로 형성되며, 논리 회로(245)에서 출력되는 제어 신호에 의해 방전 스위칭 소자(222)를 턴 온 또는 턴 오프시키는 역할을 한다.
상기 온도 센싱부(241), 전압 센싱부(242), 전류 센싱부(243), 전력 구동 회로(244) 및 논리 회로(245)를 포함하는 제어부(240)는 배터리 셀(110)의 양극(111)과 음극(112)에 전기적으로 연결되고, 배터리 셀(110)에서 공급되는 전력에 의해 동작한다. 즉, 제어부(240)는 외부에서 전력을 공급받지 않고 자체적으로 배터리 셀(110)의 전압에 의해 충전, 방전, 자가 방전 및, 과전류 보호 등을 하여 배터리 팩(100)의 안전성을 확보한다.
또한, 상기한 제어부(240)는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit; ASIC)로서, 각각의 모드에 따라 충/방전 스위칭 소자부(220)를 즉각적으로 구동시키기 위한 전력 구동형 회로소자이다. 따라서, 제어부(240)는 각각의 모드에 따라 매우 빠른 응답속도로 충/방전 스위칭 소자부(220) 및 자가 방전 스위칭 소자(230)를 턴 온 또는 턴 오프시켜 배터리 셀(110)을 보호하는 역할을 한다.
한편, 상기 제어부(240)와 배터리 셀(110)의 양극(111) 사이에는 전압 센싱용 저항(291)이 전기적으로 연결된다. 이 경우, 전압 센싱용 저항(291)과 배터리 셀(110)의 음극(112) 사이에는 전압 안정화용 콘덴서(292)가 설치되어 외부로부터 유입되는 정전기로부터 제어부(240)를 보호한다. 또한, 제어부(240)와 배터리 셀(110)의 음극(112) 사이에는 전류 센서(260)가 전기적으로 연결된다. 실질적으로, 이러한 전류 센서(260)는 저항이며, 저항에 인가된 전압을 저항값으로 나눠 전류값을 계산한다. 상기 전류 센서(260)는 전류 센싱부(243)에 서로 전기적으로 연결된다. 따라서, 상기 전류 센싱부(243)는 상기 전류 센서(160)를 이용하여 전류를 감지하고, 감지된 전류 정보를 논리 회로(245)에 출력한다. 물론, 전류 센싱부(243)은 아날로그 값을 디지털값으로 변환하여 논리 회로(245)에 출력할 수 있도록, 아날로그 디지털 컨버터를 포함한다. 또한, 논리 회로(245)는 대전류 경로(10b)에 과전류(충전 전류, 방전 전류 또는 단락 전류)가 흐른다고 판단되면, 충/방전 스위칭 소자부(220)를 턴 오프시켜 배터리 셀(110)을 보호한다.
상기 온도 센서(250)는 배터리 셀(110)의 대전류 경로(10a)와 제어부(240)의 사이에 전기적으로 연결된다. 본 실시예의 경우, 온도 센서(250)는 온도에 따라 저항값이 변하는 써미스터(251)와 고정된 저항값을 갖는 센싱 온도 설정용 저항(252)을 포함한다. 따라서, 온도 센싱부(241)는 상기 써미스터(251)와 센싱 온도 설정용 저항(242)의 전압 분배 원리로 배터리 셀(110)의 온도를 센싱하게 된다.
여기서, 상기 센싱 온도 설정용 저항(252)은 써미스터(251)와 접지단 사이에 전기적으로 연결된다. 동일한 온도에서는, 센싱 온도 설정용 저항(252)의 저항값에 따라, 써미스터(251)와 센싱 온도 설정용 저항(252)에 의한 분압 전압이 바뀌므로, 온도 센싱부(241)에 의한 센싱 온도 범위를 조정할 수 있다.
예를 들어, 써미스터(251)를 R3로, 센싱 온도 설정용 저항(250)을 R4로 정의하면, R3와 R4에 의한 분압 전압 Vth는 통상 아래 수학식 1과 같이 구해진다. 여기서, 분압 전압 Vth가 온도 센싱부(241)에 의해 검출되는 전압이고, VDD는 배터리 셀(110)의 전압이다.
[수학식 1]
Vth＝VDD*R4/(R3＋R4)
또한, 써미스터(251)의 저항값 R3는 통상 아래 수학식 2와 같이 구해진다.
[수학식 2]
R3＝R0expB(1/T - 1/T0)
R3：주위 온도 T(K) 경우의 저항값
R0：주위 온도 T0(K) 경우의 저항값
B：써미스터 정수
따라서, 위의 수학식 1 및 수학식 2로부터 센싱하고자 하는 온도 T에 대응하는 수학식 3을 구할 수 있다.
[수학식 3]
T=1/(1/T0＋(ln(R3/R0)/B)
여기서, R3는 경험적으로 R3=3R4/17이다.
이와 같이 하여, 써미스터(251) 및 센싱 온도 설정용 저항(252)을 적절히 선택함으로써, 센싱하고자 하는 온도 T를 결정할 수 있다.
상기 자가 방전 지시 부재(270)는 자가 방전용 스위칭 소자(230)와 배터리 셀(110)의 대전류 경로(10a) 사이에 전기적으로 연결된다. 자가 방전 지시 부재(270)는 제어부(240)의 제어 신호에 의해 자가 방전용 스위칭 소자(230)가 턴 온되는 경우, 자가 방전용 스위칭 소자(230)가 동작중임을 시각적으로 알린다. 일례로, 상기 자가 방전 지시 부재(270)는 발광 다이오드일 수 있다. 물론, 이러한 자가 방전 지시 부재(270) 역시 배터리 셀(110)의 전류를 소비함으로써, 배터리 셀(110)을 더욱 신속하게 자가 방전시키는 역할도 한다.
상기 지시 부재 보호용 저항(271)은 자가 방전 지시 부재(270)와 배터리 셀(110)의 대전류 경로(10a) 사이에 전기적으로 연결된다. 지시 부재 보호용 저항(271)은 상기 자가 방전 지시 부재(270)에 미리 정해진 전압만큼 인가되도록 함으로써, 상기 자가 방전 지시 부재(270)가 파손 또는 손상되지 않도록 한다. 물론, 이러한 지시 부재 보호용 저항(271) 역시 배터리 셀(110)의 전류를 소비함으로써, 배터리 셀(110)을 더욱 신속하게 자가 방전시키는 역할도 한다.
상기 자가 방전용 저항(280)은 자가 방전용 스위칭 소자(230)와 상기 배터리 셀(110)의 대전류 경로(10a) 사이에 전기적으로 연결된다. 여기서, 자가 방전용 저항(280)은 지시 부재 보호용 저항(271)과 전기적으로 병렬 연결된 형태를 한다. 자가 방전용 저항(280)은 배터리 셀(110)이 보다 빠른 시간내에 방전되도록 하여 배터리 팩(100)의 안전성이 더욱 향상되도록 하는 역할을 한다. 여기서, 상술한 바와 같이 상기 자가 방전용 저항(280)뿐만 아니라, 상기 자가 방전 지시 부재(270) 및 지시 부재 보호용 저항(271) 역시 기본적으로 배터리 셀(110)의 자가 방전을 수행한다. 따라서, 실질적으로 배터리 셀(110)의 자가 방전을 위해 자가 방전용 저항(280)이 없어도 좋다. 더불어, 배터리 셀(110)의 자가 방전을 위해 자가 방전 지시 부재(270) 및 지시 부재 보호용 저항(271)이 없어도 좋다.
상기 충방전 전압 안정화용 콘덴서(293)는 양극 단자(11)와 음극 단자(12)에 전기적으로 연결된다. 충방전 전압 안정화용 콘덴서(293)는 충전기 또는 휴대용 전자 제품과 같은 외부 부하가 양극 단자(11)와 음극 단자(12)에 접속되는 경우에 발생하는 임펄스 성분의 전류를 흡수하여 제어부(240)를 보호하는 역할을 한다.
이하의 설명에서는 상기와 같은 배터리 팩 중에서 제어부의 동작을 설명한다. 즉, 상기 제어부 중에서도 특히 논리 회로의 동작을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 동작 수순을 도시한 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩의 동작 방법은 배터리 셀의 온도 및 전압을 센싱하는 단계(S100), 상기 배터리 셀의 온도가 기준 온도 이상인지 판단하는 단계(S200), 상기 배터리 셀의 전압이 기준 전압 이상인지 판단하는 단계(S400) 및 자가 방전 모드 단계(S500)를 포함한다.
여기서, 상기 단계(S200)에서 배터리 셀의 온도가 기준 온도 미만으로 판단되는 경우, 일반 모드 단계(S300)가 수행된다. 일반 모드는 상술한 과충전 보호 모드, 과방전 보호 모드 또는 과전류 보호 모드를 의미한다.
더불어, 이하의 설명에서 별도의 설명이 없어도 각 단계의 주체는 배터리 팩의 제어부 즉, 논리 회로로 이해한다.
상기 배터리 셀의 온도 및 전압을 센싱하는 단계(S100)에서는, 제어부가 온도 센싱부를 이용하여 배터리 셀의 온도를 감지하고, 전압 센싱부를 이용하여 배터리 셀의 전압을 감지한다.
상기 배터리 셀의 온도가 기준 온도 이상인지 판단하는 단계(S200)에서는, 제어부가 상기와 같이 센싱된 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단한다. 여기서, 상기 기준 온도는 대략 섭씨45도~70도로 설정될 수 있으나, 이러한 온도 범위로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 기준 온도는 배터리 셀의 종류, 형상, 구조 및 용량에 따라 변경될 수 있다. 그러나, 일반적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지는 대략 섭씨45도에서부터 스웰링이 시작될 위험성이 있으므로, 상기 기준 온도는 적어도 대략 섭씨45도로 설정됨이 바람직하다.
상기 단계(S200)에서 배터리 셀의 온도가 기준 온도 이상일 경우, 단계(S400)가 수행된다.
상기 배터리 셀의 전압이 기준 전압 이상인지 판단하는 단계(S400)에서는, 제어부가 상기와 같이 센싱된 배터리 셀의 전압이 기준 전압 이상인지 판단한다. 여기서, 상기 기준 전압은 대략 3.0V~3.9V로 설정될 수 있으나, 이러한 전압으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 기준 전압은 배터리 셀의 종류, 형상, 구조 및 용량에 따라 변경될 수 있다. 그러나, 일반적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지는 대략 섭씨45도 이상의 온도에서 대략 3.9V이상의 전압일 경우, 스웰링이 시작될 위험성이 크므로, 상기 기준 전압은 적어도 3.9V로 설정됨이 바람직하다.
상기 단계(S400)에서 배터리 셀의 전압이 기준 전압 이상인 경우, 단계(S500)가 수행된다.
상기 자가 방전 모드 단계(S500)에서는, 제어부가 상기 배터리 셀의 전압이 소정 레벨이 될 때까지 자가 방전시킨다. 즉, 상기 제어부는 자가 방전 스위칭 소자를 턴온시킴으로써, 배터리 셀의 전압이 예를 들면 대략 3.8V가 될 때까지 자가 방전시킨다. 그러나, 이러한 전압으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 배터리 셀의 자가 방전 정지 전압은 배터리 셀의 종류, 형상, 구조 및 용량에 따라 변경될 수 있다.
한편, 도 2에서와 같이, 본 발명은 상기 단계(S200) 및 단계(S400)의 순서로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이러한 순서가 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 단계(S400) 및 단계(S200)의 순서로 수행될 수 있다. 물론, 최종적으로 상기 2개의 단계(조건)를 모두 만족할 경우, 자가 방전 모드 단계(S500)가 수행된다.
예를 들면, 배터리 셀의 온도가 섭씨45도 이상이고, 배터리 셀의 전압이 3.9V이상일 경우, 자가 방전 모드 단계(S500)가 수행된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 다른 동작 수순을 도시한 순서도.
일반 모드는 배터리 셀의 온도가 기준 온도보다 작을 경우 수행된다. 즉, 단계(S200, 도 2 참조)에서 “아니오”일 경우 일반 모드가 수행된다.
상기 일반 모드는 배터리 셀의 전압이 과충전 전압보다 큰지 판단하는 단계(S310), 상기 단계(S310)에서 “예”일 경우 충전 정지 및 자가 방전 단계(S320), 상기 단계(S310)에서 “아니오”일 경우 배터리 셀의 전압이 과방전 전압보다 작은지 판단하는 단계(S330) 및 상기 단계(S330)에서 “예”일 경우 방전을 정지하는 단계(S340), 배터리 셀의 전류가 기준 전류보다 큰지 판단하는 단계(S350), 상기 단계(S350)에서 예일 경우 충전 또는 방전을 정지하는 단계(S360)를 포함한다.
상기 배터리 셀의 전압이 과충전 전압보다 큰지 판단하는 단계(S310)에서는, 제어부가 전압 센싱부를 이용하여 배터리 셀의 전압이 과충전 전압(예를 들면, 4.5V)보다 큰지 판단한다.
상기 충전 정지 및 자가 방전 단계(S320)에서는, 제어부가 충전 스위칭 소자에 충전 정지 신호를 출력하여, 상기 충전 스위칭 소자가 턴오프되도록 한다. 따라서, 배터리 셀의 충전은 정지된다. 그러나, 이 상태에서도 충전 스위칭 소자의 기생 다이오드에 의해 배터리 셀의 방전은 가능하다. 한편, 이때 자가 방전 스위칭 소자는 턴온됨으로써, 배터리 셀은 자가 방전된다. 즉, 본 발명은 충전 스위칭 소자가 턴오프되면, 자동적으로 자과 방전 스위칭 소자가 턴온되기 때문이다. 이에 따라 배터리 셀의 과충전 상태가 신속히 제거된다.
상기 배터리 셀의 전압이 과방전 전압보다 작은지 판단하는 단계(S330)에서는, 제어부가 전압 센싱부를 이용하여 배터리 셀의 전압이 과방전 전압(예를 들면, 3.0V)보다 작은지 판단한다.
상기 방전을 정지하는 단계(S340)에서는, 제어부가 방전 스위칭 소자에 방전 정지 신호를 출력하여, 상기 방전 스위칭 소자가 턴오프되도록 한다. 따라서, 배터리 셀의 방전은 정지된다. 그러나, 이 상태에서도 방전 스위칭 소자의 기생 다이오드에 의해 배터리 셀의 충전은 가능하다.
상기 배터리 셀의 전류가 기준 전류보다 큰지 판단하는 단계(S350)에서는, 제어부가 전류 센싱부를 이용하여 배터리 셀의 전류(충전 전류 또는 방전 전류)가 미리 결정된 전류보다 큰지 판단한다.
상기 충전 또는 방전을 정지하는 단계(S360)에서는, 제어부가 충전 스위칭 소자 또는 방전 스위칭 소자에 충전 정지 또는 방전 정지 신호를 출력하여, 상기 충전 스위칭 소자 또는 방전 스위칭 소자가 턴오프되도록 한다.
더불어, 상기 단계(310), 단계(330) 및 단계(S350)는 상술한 바와 다른 순서로 수행될 수도 있다. 즉, 단계(330), 단계(350) 및 단계(S310), 또는 단계(350), 단계(310) 및 단계(S320), 또는 단계(330), 단계(310) 및 단계(S350), 또는 단계(350), 단계(330) 및 단계(S310), 또는 단계(310), 단계(330) 및 단계(S350)의 순서로 수행될 수도 있으며, 본 발명에서 상기 단계의 순서를 한정하는 것은 아니다.
100 ; 본 발명에 따른 배터리 팩
110 ; 배터리 셀 200 ; 보호 회로
220 충/방전 스위칭 소자부 221 ; 충전 스위칭 소자
221a ; 충전 FET 221b ; 충전 FET용 기생다이오드
222 ; 방전 스위칭 소자 222a ; 방전 FET
222b ; 방전 FET용 기생다이오드 230 ; 자가 방전용 스위칭 소자
231 ; 자가 방전 FET 232 ; 자가 방전 FET용 기생 다이오드
240 ; 제어부 241 ; 온도 센싱부
242 ; 전압 센싱부 243; 전류 센싱부
244 ; 전력 구동회로 245; 논리 회로
250 ; 온도 센서 270 ; 자가 방전 지시 부재
280 ; 자가 방전용 저항

Claims (15)

  1. 양극과 음극을 갖는 재충전 가능한 배터리 셀을 구비하는 배터리 팩의 보호 회로에 있어서,
    상기 배터리 셀의 양극과 음극에 전기적으로 연결되는 자가 방전용 스위칭 소자; 및
    상기 배터리 셀 및 상기 자가 방전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 셀의 온도에 따라 상기 자가 방전용 스위칭 소자를 턴온 또는 턴오프하는 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 및 상기 제어부와 전기적으로 연결되는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도 센서에 의해 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하고, 상기 배터리 셀의 온도가 기준 온도 이상인 경우, 상기 자가 방전용 스위칭 소자를 턴 온시킴을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기준 온도는 섭씨 45도 내지 70도인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 써미스터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 센싱 온도 설정용 저항을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하고,
    상기 제어부는 상기 배터리 셀의 전압이 기준 전압 이상인 경우, 상기 자가 방전용 스위칭 소자를 턴 온시킴을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기준 전압은 3.0V 내지 3.9V인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀과 상기 자가 방전용 스위칭 소자 사이에 전기적으로 연결되는 자가 방전용 저항을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀과 상기 자가 방전용 스위칭 소자 사이에 전기적으로 연결되는 자가 방전 지시 부재를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 자가 방전 지시 부재는 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 배터리 셀과 상기 자가 방전 지시 부재 사이에 전기적으로 연결되는 지시 부재 보호용 저항을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀과 상기 제어부 사이에 전기적으로 연결되는 충전 스위칭 소자를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 자가 방전용 스위칭 소자는 상기 충전 스위칭 소자와 전기적으로 연결되고, 상기 자가 방전용 스위칭 소자가 턴 온되는 경우 상기 충전 스위칭 소자는 턴 오프되고, 상기 자가 방전용 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우 상기 충전 스위칭 소자는 턴 온되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 온도 센서와 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 셀의 온도를 센싱하는 온도센싱부;
    상기 배터리 셀에 전기적으로 연결되며, 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및
    상기 충전 스위칭 소자 및 상기 자가 방전용 스위칭 소자에 전기적으로 연결되며, 상기 온도 센싱부에서 센싱된 온도와 상기 전압 센싱부에서 센싱된 전압에 따라 상기 충전 스위칭 소자 및 상기 자가 방전용 스위칭 소자를 턴 온 또는 턴 오프시키는 전력구동회로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 보호 회로.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 하나의 청구항에 기재된 배터리 팩의 보호 회로를 구비하는 배터리 팩.
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