KR20110134751A - 배터리 팩 및 이의 제어 방법 - Google Patents

배터리 팩 및 이의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 직렬 및 병렬 연결된 다수의 배터리 셀에서, 전압 측정시 병렬 연결된 셀 들 간의 전류 흐름을 차단함으로써 특정 배터리 셀이 저 전압인 경우에 나머지 병렬 연결된 배터리 셀 들을 통해 자동 충전되는 것을 방지하고, 직렬 연결된 배터리 셀의 전압을 각각 검출하여 특정 배터리 셀의 이상 유무를 정확하게 판단하고, 이에 따른 보호 조치를 취할 수 있는 배터리 팩 및 배터리 팩의 제어 방법을 제공하는 것이다.

Description

배터리 팩 및 이의 제어 방법{A battery pack and method for controlling the battery pack}
본 발명은 배터리 팩 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 배터리 팩의 셀 간 불균형 또는 저전압을 방지하기 위한 배터리 팩 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 충방전이 가능한 이차 전지(rechargeable battery)는 셀룰러 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants) 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 이러한 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadimium 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 이차 전지는 회로와 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩의 외부 단자를 통해 충전과 방전이 이루어진다.
종래의 배터리 팩은 크게 배터리 셀과, 충방전 회로를 포함하는 주변회로를 포함하여 이루어지며, 이 주변회로는 인쇄 회로 기판으로 제작된 후, 상기 배터리 셀과 결합된다. 배터리 팩의 외부 단자를 통해 외부 전원이 연결되면, 외부 단자와 충방전 회로를 통해 공급되는 외부 전원에 의해 배터리 셀이 충전되며, 외부 단자를 통해 부하(load)가 연결되면, 배터리 셀의 전원이 충방전 회로와 외부 단자를 통해 부하에 공급되는 동작이 일어난다. 이때, 충방전 회로는 외부 단자와 배터리 셀 사이에서 배터리 셀의 충방전을 제어한다. 일반적으로 배터리 셀은 부하의 소모 용량에 맞도록 다수의 배터리 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 사용한다.
본 발명의 일 실시 예는 특정 배터리 셀의 이상 유무를 판단할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 실시 예는 직렬 및 병렬 연결된 다수의 배터리 셀에서, 전압 측정시 병렬 연결된 셀 들 간의 전류 흐름을 차단함으로써 특정 배터리 셀이 저전압인 경우에 나머지 병렬 연결된 배터리 셀 들을 통해 자동 충전되는 것을 방지하고, 직렬 연결된 배터리 셀의 전압을 각각 검출하여 특정 배터리 셀의 이상 유무를 정확하게 판단하고, 이에 따른 보호 조치를 취할 수 있는 배터리 팩 및 배터리 팩의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다수의 배터리 셀 및 이의 보호회로를 포함하는 배터리 팩은 상기 다수의 배터리 셀은 직렬 및 병렬로 연결되고, 상기 병렬로 연결된 배터리 셀 사이에 접속된 전류 제한 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제한 소자는 적어도 2 이상이고, 적어도 2 이상의 병렬로 연결된 배터리 셀에 대해 각각 접속된 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 팩은 상기 전류 제한 소자와 병렬로 연결된 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치는 상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전시 턴 온 되는 것을 특징으로 한다.
상기 보호회로는 적어도 2 이상의 직렬로 연결된 배터리 셀에 대해 배터리 셀 전압을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치는 상기 적어도 2 이상의 직렬로 연결된 배터리 셀에 대해 전압 측정시 턴 오프 되는 것을 특징으로 한다.
상기 보호회로는 상기 측정한 전압을 기준 전압과 비교하고, 상기 측정한 전압과 기준 전압의 차이가 제1 임계값 이상인 경우, 상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어하는 충전 스위치 또는 방전 스위치를 턴 오프 시키거나, 상기 다수의 배터리 셀의 대전류 경로에 배치된 퓨즈를 용단시키는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치는 FET(Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제한 소자는 PTC 소자인 것을 특징으로 한다.
상기 전류 제한 소자는 저항인 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다수의 배터리 셀 및 이의 보호회로를 포함하는 배터리 팩은 상기 다수의 배터리 셀은 적어도 2 이상의 배터리 셀이 적어도 2 이상의 직렬 및 병렬로 연결되고, 적어도 2 이상의 병렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀의 양극 단자 사이에 접속된 적어도 2 이상의 전류 제한 소자; 및 상기 적어도 2 이상의 전류 제한 소자 중 상기 다수의 배터리 셀의 대전류단 측에 접속된 전류 제한 소자와 병렬로 연결된 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 보호 회로는 상기 적어도 2 이상의 직렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀 각각에 대해 배터리 셀 전압을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치는 상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전시 턴 온 되고, 상기 적어도 2 이상의 직렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀 각각에 대해 배터리 셀 전압 측정시 턴 오프 되는 것을 특징으로 한다.
상기 보호회로는 상기 측정한 배터리 셀 전압을 기준 전압과 비교하고, 상기 측정한 배터리 셀 전압과 기준전압의 차이가 제1 임계값 이상인 경우, 상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어하는 충전 스위치 또는 방전 스위치를 턴 오프시키거나, 상기 다수의 배터리 셀의 대전류 경로에 배치된 퓨즈를 용단시키는 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 다수의 배터리 셀 및 이의 보호회로를 포함하는 배터리 팩의 제어 방법은 적어도 2 이상의 직렬 및 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀에 대해 상기 병렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀 사이의 전류 흐름을 제한하는 단계; 상기 적어도 2 이상의 직렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀 각각에 대해 배터리 셀 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정한 배터리 셀 전압을 기준 전압과 비교함으로써 상기 다수의 배터리 셀의 이상 유무를 판단하는 단계를 포함한다.
상기 제어 방법은 상기 측정한 배터리 셀 전압과 기준 전압의 차이가 제1 임계값 이상인 경우, 상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어하는 충전 스위치 또는 방전 스위치를 턴 오프시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어 방법은 상기 측정한 배터리 셀 전압과 기준 전압의 차이가 제1 임계값 이상인 경우, 상기 다수의 배터리 셀의 대전류 경로에 배치된 퓨즈를 용단시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제한 단계는 상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전시, 상기 다수의 배터리 셀의 대전류단 측의 제한된 전류 흐름을 해제시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 특정 배터리 셀의 이상 유무를 정확하게 판단할 수 있다.
또한, 직렬 및 병렬 연결된 다수의 배터리 셀에서, 전압 측정시 병렬 연결된 셀 들 간의 전류 흐름을 차단함으로써 특정 배터리 셀이 저전압인 경우에 나머지 병렬 연결된 배터리 셀 들을 통해 자동 충전되는 것을 방지하고, 직렬 연결된 배터리 셀의 전압을 각각 검출하여 특정 배터리 셀의 이상 유무를 정확하게 판단하고, 이에 따른 보호 조치를 취함으로써 배터리 팩의 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(100)의 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 다수의 배터리 셀(100)의 연결 관계 및 배터리 셀의 전압 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(100)의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(100)은 충전 가능한 배터리 셀(130)과 보호 회로를 포함하여 이루어지며, 휴대용 노트북 컴퓨터와 같은 외부 시스템에 탑재되어 배터리 셀(130)로의 충전 및 배터리 셀(130)에 의한 방전을 수행한다.
배터리 팩(100)은 배터리 셀(130), 배터리 셀(130)과 병렬로 연결되는 외부 단자(미 도시), 및 배터리 셀(130)과 외부 단자 사이 대전류 경로(High Current Path, 이하 'HCP'라 한다)에 직렬로 연결된 충전소자(140) 및 방전소자(150), 방전소자(150)와 외부 단자 사이 대전류 경로(HCP)에 직렬로 연결된 퓨즈(160), 배터리 셀(130)과 충전소자(140) 및 방전소자(150)와 병렬로 연결된 아날로그 프런트 엔드(Analog Front End, 이하 'AFE'라 한다)IC(120), 일단은 AFE IC(120)와 타단은 퓨즈(160)에 연결된 마이크로 컴퓨터(110)를 포함하는 보호 회로를 구비하여 이루어진다. 또한, 마이크로 컴퓨터(110) 또는 외부 시스템의 제어에 따라 퓨즈(160)를 용단시키기 위한 자가 보호 제어 장치(미 도시)를 더 포함할 수 있다.
마이크로 컴퓨터(110)는 배터리 셀(130)을 과충전 및 과방전 상태로 판단했을 때, 상술한 바와 같이 충전소자(140) 및 방전소자(150)를 오프시키거나, 퓨즈(160)를 용단시켜 배터리 셀(130)의 과충전 및 과방전을 차단한다. 즉, 마이크로 컴퓨터(110)는 배터리 셀(130)을 과충전 및 과방전 상태로 판단하면 그에 대응하는 제어 신호를 출력하여 제어 스위치(미 도시)와 히터(미 도시)를 통해 퓨즈(160)를 용단시킨다.
상기와 같이 구성된 배터리 팩(100)은 외부 단자를 통해 외부 시스템과 연결되어 충전 또는 방전이 이루어진다. 상기 외부 단자와 배터리 셀(130) 사이의 경로의 대전류 경로(HCP)는 충방전 경로로 사용되며, 이 대전류 경로(HCP)를 통해 큰 전류가 흐른다. 이러한 배터리 팩(100)은 외부 시스템과의 통신을 위해 보호회로의 마이크로 컴퓨터(110)와 외부 단자 사이에는 SMBUS(System Management BUS)를 더 포함한다.
여기서, 외부 단자를 통해 연결되는 외부 시스템은 휴대용 전자기기, 예를 들어 휴대용 노트북 컴퓨터로, 별도로 전원공급을 위한 어댑터를 포함할 수 있다. 이에, 외부 시스템이 어댑터와 연결되면, 외부 시스템은 어댑터의 의해 동작할 수 있으며, 어댑터의 전원은 외부 단자를 통해 대전류 경로(HCP)를 거쳐 배터리 셀(130)로 공급되어 배터리 셀(130)을 충전시킬 수 있다. 그리고 외부 시스템이 어댑터와 분리되면, 배터리 셀(130)로부터 외부 단자를 통해 외부 시스템의 부하로의 방전이 이루어질 수 있다. 즉, 상기 외부 단자에 어댑터가 연결된 외부 시스템이 연결되면, 충전 동작이 일어나며, 이때의 충전 경로는 어댑터로부터 외부 단자, 방전소자(150), 충전소자(140)를 거쳐 배터리 셀(130)로 이어진다. 상기 외부 시스템에서 어댑터가 분리되고 상기 외부 단자에 외부 시스템의 부하가 연결되면, 방전 동작이 일어나며, 이때의 방전 경로는 배터리 셀(130)로부터 충전소자(140), 방전소자(150), 외부 단자를 거쳐 외부 시스템의 부하로 이어진다.
여기서, 배터리 셀(130)은 충전 및 방전 가능한 2차 배터리 셀로, 도면에서 B+, B-는 대전류 단을 표시하고, 직렬로 연결된 배터리 셀의 양 끝단을 나타낸다. 이러한 배터리 셀(130)은 그 내부의 각종 정보, 즉, 셀의 온도, 셀의 충전 전압 및 셀에 흐르는 전류량 등의 셀 관련 정보를 하기할 AFE IC(120)에 출력시킨다.
충전소자(140) 및 방전소자(150)는 외부 단자와 배터리 셀(130) 사이의 대전류 경로(HCP) 상에 직렬로 연결되어 배터리 팩의 충전 또는 방전을 수행한다. 충전소자(140) 및 방전소자(150) 각각은 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, 이하 'FET'라 한다)로 구성된다.
AFE IC(120)는 배터리 셀(130)과 충전소자(140) 및 방전소자(150) 사이에서 병렬로 연결되고, 배터리 셀(130)과 하기될 마이크로 컴퓨터(110) 사이에서 직렬로 연결된다. AFE IC(120)는 배터리 셀(130)의 전압을 검출하여 검출된 전압을 마이크로 컴퓨터(110)에 전달하고, 마이크로 컴퓨터(110)의 제어에 의해 상기 충전소자(140) 및 방전소자(150)의 동작을 제어한다.
마이크로 컴퓨터(110)는 AFE IC(120)와 외부 시스템 사이에 직렬로 연결되는 집적회로(Integrated Circuit)로서, AFE IC(120)를 통해 충전소자(140) 및 방전소자(150)를 제어함으로써 배터리 셀(130)의 과충전, 과방전 및 과전류를 차단하는 역할을 한다. 즉, 배터리 셀(130)로부터 AFE IC(120)를 통해 수신한 배터리 셀(130)의 전압을 내부에 설정된 전압 레벨 값과 비교하여, 비교 결과에 따른 제어신호를 AFE IC(120)로 출력하여 충전소자(140) 및 방전소자(150)를 온 또는 오프시킴으로써, 배터리 셀(130)의 과충전, 과방전을 차단한다.
예를 들면, 마이크로 컴퓨터(110)로 수신된 배터리 셀(130)의 전압이 내부에 설정된 과충전 레벨 전압 값, 예를 들어 4.35V 이상이면, 마이크로 컴퓨터(110)는 과충전 상태로 판단하고 그에 대응하는 제어신호를 AFE IC(120)에 출력하여 충전소자(140)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)를 오프시킨다. 그럼, 외부 시스템(200)의 어댑터(221)로부터 배터리 셀(130)로의 충전이 차단된다. 반대로, 마이크로 컴퓨터(110)로 수신된 배터리 셀(130)의 전압이 내부에 설정된 과방전 레벨 전압 값, 예를 들어 2.30V 이하이면, 마이크로 컴퓨터(110)는 과방전 상태로 판단하고 그에 대응하는 제어신호를 AFE IC(120)에 출력하여 방전소자(150)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)를 오프시킨다. 그럼, 배터리 셀(130)로부터 외부 시스템의 부하로의 방전이 차단된다. 여기서는, 마이크로 컴퓨터(110)의 제어에 따라 AFE IC(120)가 충전 소자(140) 또는 방전 소자(150)의 스위칭을 제어하는 것으로 설명하였지만, 마이크로 컴퓨터(110)가 직접 충전 소자(140) 또는 방전 소자(150)의 스위칭 동작을 제어할 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 다수의 배터리 셀(100)의 연결 관계 및 배터리 셀의 전압 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 2를 함께 참조하면, 다수의 배터리 셀(231 내지 236)이 직렬 및 병렬로 접속되어 있고, 배터리 셀(231)과 배터리 셀(234), 배터리 셀(232)과 배터리 셀(235) 및 배터리 셀(233)과 배터리 셀(236), 즉 병렬 연결된 배터리 셀의 전압을 AFE IC(120)가 측정하고, 측정한 배터리 셀 전압(V1, V2, V3)을 마이크로 컴퓨터(110)에 전달한다. 여기서, 측정한 전압은 병렬 연결된 배터리 셀의 전압이다. 마이크로 컴퓨터(110)는 측정 전압과 기준 전압을 비교하여 과충전 또는 과방전을 판단한다. 그리고 설정된 기준 레벨에 따라 배터리 팩(100)의 보호 조치, 예를 들면 충전 소자(140) 또는 방전 소자(150)를 오프시키거나, 퓨즈를 용단시킨다. 하지만, 병렬 연결된 배터리 셀 전압을 측정하는 경우, 각각의 병렬 연결된 배터리 셀 전압(V1,V2,V3)을 감지하여 보호하기 때문에, 특정 배터리 셀, 예를 들면 배터리 셀(232)이 저전압인 경우에도, 이와 병렬 연결된 배터리 셀(235)로부터 자동 충전되기 때문에, 배터리 셀(232)이 저전압 상태인 것으로 파악하고, 대응하기가 어렵다는 문제가 있다. 특히, 여기서는 2 병렬 연결된 것을 설명하였지만, 배터리 용량을 늘리기 위해, 그 이상의 개수, 예를 들면 4 병렬 이상으로 연결된 경우에는 4개의 배터리 셀 중 어느 것이 불량 또는 저전압인지를 파악하기가 더욱 어려워진다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 다수의 배터리 셀(331 내지 336)이 직렬 및 병렬로 접속되어 있고, 병렬 연결된 배터리 셀들(331 및 334, 332 및 335, 333 및 336)의 양극들 사이에 각각 전류 제한 소자들(337 내지 339)이 접속되어 있다. 즉, 이러한 구성을 통해 병렬 연결된 셀들 간의 전류 흐름을 차단함으로써 특정 배터리 셀이 저전압인 경우에 나머지 병렬 연결된 배터리 셀들을 통해 자동 충전되는 것을 방지한다.
도 1 및 3을 함께 참조하면, 다수의 배터리 셀(331 내지 336)이 직렬 및 병렬로 접속되어 있고, 배터리 셀(331)과 배터리 셀(334), 배터리 셀(332)과 배터리 셀(335) 및 배터리 셀(333)과 배터리 셀(336) 사이에 각각 전류 제한 소자들(337 내지 339)이 접속되어 있다. 여기서, 직렬 연결된 배터리 셀들(331,332,333)의 전압(V3a)과 직렬 연결된 배터리 셀들(334,335,336)의 전압을 AFE IC(120)가 측정하고, 측정한 배터리 셀 전압(V3a, V3b)을 마이크로 컴퓨터(110)에 전달한다. 여기서, 측정한 전압은 직렬 연결된 배터리 셀의 전압이다. 마이크로 컴퓨터(110)는 측정 전압과 기준 전압을 비교하여 과충전 또는 과방전을 판단한다. 그리고 설정된 기준 레벨에 따라 배터리 팩(100)의 보호 조치, 예를 들면 충전 소자(140) 또는 방전 소자(150)를 오프시키거나, 퓨즈를 용단시킨다. 따라서, 특정 배터리 셀(332)의 불균형 또는 저전압인 경우에 직렬 연결된 배터리 셀 전압(V3a)을 측정하여 기준 전압과 비교함으로써 이상 유무를 알 수 있다. 예를 들면, 다수의 배터리 셀(331 내지 336)의 전압이 3V가 정상 범위인 경우에, 배터리 셀(332)이 2.8V이고, 배터리 셀(335)이 3.2V인 경우라면, 배터리 셀(332)은 과방전 상태이고, 배터리 셀(335)은 과충전 상태라고 판단할 수 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 방법과 같이 병렬 연결된 배터리 셀 전압을 측정한다면 전체 배터리 셀 전압이 9V로 정상범위 내라고 판단하게 된다. 하지만, 도 3에 도시된 방법과 같이 직렬 연결된 배터리 셀 전압(V3a 및 V3b)을 측정하기 때문에, V3a는 8.8V이고, V3b는 9.2V로 측정하게 되며, 정상 범위인 9.0V를 벗어나는 것으로 판단한다. 즉, 측정한 직렬 연결된 배터리 전압 값이 8.8V 또는 9.2V이고, 기준 전압 값이 9V이고, 차이를 판단하는 임계값을 0.2V라고 한다면, 측정한 전압 값과 기준 전압 값의 차이는 ±0.2 V이고, 이는 임계값 이상이므로 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단하여 보호 동작, 충방전 금지 또는 퓨즈 용단 등의 조치를 취할 수 있다.
도 3에 도시된 전류 제한 소자(337 내지 339)는 저항일 수 있으며, 특히, PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자일 수 있다. PTC 소자는 특정 온도에 도달하면 온도 상승에 대하여 급격히 저항값이 증가하는 정 특성 계수를 갖는 소자로서, BaTiO3를 주성분으로 하고 도펀트를 첨가해서 도전성을 갖게 한 N형 반도체의 하나이다. 본 발명의 일 실시 예에서, 저항 또는 PTC 소자를 예로써 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 병렬 연결된 배터리 셀 간의 전류 흐름을 제한할 수 있는 소자는 본 발명의 범위에 포함된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 다수의 배터리 셀(431 내지 436)이 직렬 및 병렬로 접속되어 있고, 병렬 연결된 배터리 셀들(431 및 434, 432 및 435, 433 및 436)의 양극들 사이에 각각 전류 제한 소자들(437 내지 439)이 접속되어 있다. 또한, 전류 제한 소자(437)와 병렬로 접속된 스위치(440)가 도시되어 있다. 즉, 이러한 구성을 통해 병렬 연결된 셀들 간의 전류 흐름을 차단함으로써 특정 배터리 셀이 저전압인 경우에 나머지 병렬 연결된 배터리 셀들을 통해 자동 충전되는 것을 방지함과 동시에, 배터리 셀(430)의 충전 또는 방전시에는 스위치(440)를 턴 온시켜 전류 제한 소자를 단락시킴으로써 차단된 전류 흐름을 해제시켜 배터리 셀(430)로의 충전 전류 또는 배터리 셀(430)로부터의 방전 전류의 흐름을 제한하지 않도록 한다. 이를 위해, 대전류가 나가는 측, 즉 대전류단 측에 배치된 전류 제한 소자(437)를 통한 전류 제한을 해제시킨다. 즉, 배터리 셀(430)의 전압 검출 시에는 스위치는 턴 오프 상태를 유지하고, 충전 또는 방전시에만 턴 온 되어 전류 제한을 해제시킨다.
이러한 스위치(440)는 설정에 따라 나머지 전류 제한 소자들(438 및 439)과도 병렬로 접속되도록 추가할 수 있다. 또한, 스위치(440)는 FET를 사용할 수 있으며, 제어 신호(control signal)에 의해 턴 온 또는 턴 오프되며, 이러한 제어 신호는 도 1에 도시된 AFE IC(120) 또는 마이크로 컴퓨터(110)로부터 전달될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 팩의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 단계 500 및 502에서, 2 이상의 직렬 및 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀에 대해, 2 이상의 병렬로 연결된 배터리 셀 사이의 전류 흐름을 제한한다. 여기서, 2 이상의 병렬로 연결된 배터리 셀 사이에 전류 제한 소자, 예를 들면 PTC 소자를 배치함으로써 배터리 셀의 온도 상승에 따라 증가한 저항 성분으로 인하여 병렬 연결된 배터리 셀 사이의 전류 흐름을 제한한다.
단계 504에서, 배터리 셀의 충전 또는 방전 상태인지를 판단하고, 충전 또는 방전 상태인 경우에는 단계 514로 진행하여 대전류단 측의 제한된 전류 흐름을 해제하여 배터리 셀로의 충전 전류 또는 배터리 셀로부터의 방전 전류가 제한되지 않도록 한다.
단계 504에서, 충전 또는 방전 상태가 아닌 경우에는, 단계 506에서, 배터리 셀 전압 측정 단계인지 판단한다. 배터리 셀 전압 측정은 주기적 또는 비주기적으로 보호회로 측에서 모니터링을 통해 수행할 수 있다. 단계 508에서, 2 이상의 직렬 연결된 배터리 셀의 전압을 측정한다. 단계 502에서, 2 이상의 병렬 연결된 배터리 셀 사이의 전류 흐름이 차단되었으므로, 병렬 연결된 배터리 셀 간의 자동 충전의 문제는 발생하지 않는다. 따라서, 직렬 연결된 배터리 셀 전압의 측정을 통해 특정 배터리 셀의 불균형 또는 저전압 상태임을 판단할 수 있다. 이를 위해, 단계 510에서, 측정한 배터리 셀 전압과 기준 전압을 비교하여, 측정한 배터리 셀 전압, 즉 측정한 직렬 연결된 배터리 셀 전압과 기준 전압의 차이가 제1 임계값 이상인 경우에는 단계 512에서, 충전 또는 방전 스위치를 오프시키거나, 대전류 경로 상에 배치된 퓨즈를 용단시킴으로써 배터리 팩의 안정성을 확보할 수 있다. 여기서, 제1 임계값은 임의로 결정할 수 있는 값이며, 배터리 팩의 안정성 설계 사양에 따라 다르게 결정할 수 있는 값이다. 예를 들면, 2 이상의 직렬 및 병렬 연결된 배터리 셀의 전압을 측정하는 경우, 어느 한 직렬 배터리 셀 전압을 8.8V 또는 9.2V로 측정하더라도, 이를 기준 전압 값, 예를 들면 9V와 비교하여 일정한 차이, 예를 들면 0.2V 이상이므로, 이는 정상 범위를 벗어나는 것으로 판단하여 보호 동작, 충방전 금지 또는 퓨즈 용단 등의 조치를 취할 수 있다.
한편, 본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
100: 배터리 팩
110: 마이크로 컴퓨터
120: AFE IC
130,230,330,430: 배터리 셀
140: 충전 소자
150: 방전 소자
337,338,339: 전류 제한 소자
440: 스위치

Claims (18)

  1. 다수의 배터리 셀 및 이의 보호회로를 포함하는 배터리 팩에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 직렬 및 병렬로 연결되고,
    병렬로 연결된 배터리 셀 사이에 접속된 전류 제한 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한 소자는,
    적어도 2 이상을 포함하고,
    적어도 2 이상의 병렬로 연결된 배터리 셀에 대해 각각 접속된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한 소자와 병렬로 연결된 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전시 턴 온 되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 보호회로는,
    적어도 2 이상의 직렬로 연결된 배터리 셀에 대해 배터리 셀 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 적어도 2 이상의 직렬로 연결된 배터리 셀에 대해 전압 측정시 턴 오프 되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 보호회로는,
    상기 측정한 전압과 기준 전압과 비교하고, 상기 측정한 전압과 상기 기준 전압의 차이가 제1 임계값 이상인 경우, 상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어하는 충전 스위치 또는 방전 스위치를 턴 오프 시키거나, 상기 다수의 배터리 셀의 대전류 경로에 배치된 퓨즈를 용단시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 스위치는,
    FET(Field Effect Transistor)인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한 소자는,
    PTC 소자인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한 소자는,
    저항인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 다수의 배터리 셀 및 이의 보호회로를 포함하는 배터리 팩에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 적어도 2 이상의 배터리 셀이 적어도 2 이상의 직렬 및 병렬로 연결되고,
    적어도 2 이상의 병렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀의 양극 단자 사이에 접속된 적어도 2 이상의 전류 제한 소자; 및
    상기 적어도 2 이상의 전류 제한 소자 중 상기 다수의 배터리 셀의 대전류단 측에 접속된 전류 제한 소자와 병렬로 연결된 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 보호 회로는,
    상기 적어도 2 이상의 직렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀 각각에 대해 배터리 셀 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전시 턴 온 되고,
    상기 적어도 2 이상의 직렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀 각각에 대해 배터리 셀 전압 측정시 턴 오프 되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 보호회로는,
    상기 측정한 전압과 기준 전압과 비교하고, 상기 측정한 전압과 상기 기준 전압의 차이가 제1 임계값 이상인 경우, 상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어하는 충전 스위치 또는 방전 스위치를 턴 오프 시키거나, 상기 다수의 배터리 셀의 대전류 경로에 배치된 퓨즈를 용단시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 다수의 배터리 셀 및 이의 보호회로를 포함하는 배터리 팩의 제어 방법에 있어서,
    적어도 2 이상의 직렬 및 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀에 대해 상기 병렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀 사이의 전류 흐름을 제한하는 단계;
    상기 적어도 2 이상의 직렬로 연결된 적어도 2 이상의 배터리 셀 각각에 대해 배터리 셀 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정한 배터리 셀 전압을 기준 전압과 비교함으로써 상기 다수의 배터리 셀의 이상 유무를 판단하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 측정한 배터리 셀 전압과 상기 기준 전압의 차이가 제1 임계값 이상인 경우, 상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어하는 충전 스위치 또는 방전 스위치를 턴 오프시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 측정한 배터리 셀 전압과 상기 기준 전압의 차이가 제1 임계값 이상인 경우, 상기 다수의 배터리 셀의 대전류 경로에 배치된 퓨즈를 용단시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제한 단계는,
    상기 다수의 배터리 셀의 충전 또는 방전시, 상기 다수의 배터리 셀의 대전류단 측의 제한된 전류 흐름을 해제시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제어 방법.
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