KR20110134821A - 배터리 보호회로, 그 제어방법 및 배터리 팩 - Google Patents

배터리 보호회로, 그 제어방법 및 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예들은 배터리 팩에 대하여 개시한다. 배터리 팩은 마이크로 컨트롤러에 고장이 발생하였는지를 감지하는 아날로그 프론트 엔드를 포함하며, 고장에 응답하여 배터리의 충전 및 방전을 차단할 수 있다.

Description

배터리 보호회로, 그 제어방법 및 배터리 팩{Battery protecting circuit, controlling method of the same and battery pack}
본 발명은 배터리 보호회로, 그 제어방법 및 배터리 팩에 관한 것이다.
휴대용 전자기기, 예를 들어 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등이 널리 사용됨에 따라서 이들 휴대용 전자기기를 동작시키기 위한 전원을 공급하는 배터리에 대한 개발이 이루어지고 있다.
배터리는 배터리 셀과 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하는 보호회로를 포함하는 배터리 팩 형태로 제공되기도 한다. 배터리는 배터리 셀의 종류에 따라서 리튬 이온(Li-ion) 배터리, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 배터리 등의 종류 중에서 어느 하나로 분류할 수 있다. 이러한 배터리 셀은 재충전이 가능한 이차전지로서 재충전하여 사용할 수 있다.
배터리는, 배터리를 손상시키는 과전류로부터 보호하거나 배터리가 적절하게 동작하도록 하는 것과 같은 배터리의 동작을 제어하는데 사용되는 ,마이크로 컨트롤러나 기타 프로그램 가능한 프로세서들을 포함할 수도 있다. 따라서 마이크로 컨트롤러가 고장난 경우, 배터리에 이상이 발생하기 쉽다.
본 발명의 실시 예들이 해결하고자 하는 과제는 안정적인 동작이 가능한 배터리 보호회로, 그 제어방법 및 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 일 측면은 배터리 팩으로, 배터리 셀과, 단자부와, 배터리 셀과 단자부를 선택적으로 연결하는 스위치를 포함한다. 배터리 팩은 또한 명령을 생성하는 컨트롤 프로세서와, 컨트롤 프로세서로부터 명령을 수신하고, 명령에 따라서 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하는 아날로그 프론트 엔드를 포함한다. 아날로그 프론트 엔드는, 컨트롤 프로세서의 상태를 나타내는 상태 신호를 수신하는 상태 입력 단자와, 상태 신호에 기초하여 컨트롤 프로세서가 고장인지를 판단하고, 이상 신호를 생성하는 이상 판별 프로세서와, 이상 신호에 따라서 스위치를 제어하는 스위치 컨트롤러를 포함한다.
본 발명에 따른 실시 예의 다른 측면은 배터리 팩의 제어방법으로, 배터리 팩은 배터리 셀, 단자부, 컨트롤 프로세서와 통신하는 아날로그 프론트 엔드를 포함한다. 상기 방법은, 아날로그 프론트 엔드가 컨트롤 프로세서의 상태를 나타내는 상태 신호를 수신하는 단계와, 아날로그 프론트 엔드가 컨트롤 프로세서가 고장인지를 판단하는 단계와, 컨트롤 프로세서가 고장인 경우, 아날로그 프론트 엔드가 배터리 셀을 단자부로부터 차단하는 제어 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 보호회로, 그 제어방법 및 배터리 팩에 의하여 마이크로 컨트롤러가 고장 난 경우에도 배터리 팩을 안정적으로 제어할 수 있게 된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타내는 블록도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 상태 표시 회로를 나타내는 회로도이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 상태 표시 회로를 나타내는 회로도이다.
도 4는 다른 실시 예에 따른 상태 표시 회로를 나타내는 회로도이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 상태 표시 회로를 나타내는 회로도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 상태 표시 회로의 입출력 신호를 나타내는 타이밍도이다.
도 7은 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타내는 블록도이다.
도 8은 다른 실시 예에 따른 상태 표시 회로의 입출력 신호를 나타내는 타이밍도이다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 상태 표시 회로의 입출력 신호를 나타내는 타이밍도이다.
도 10은 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
도 11은 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타내는 도면이다.
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 다양한 실시 예를 보다 상세히 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 다양한 특징을 기재하나 특정 특징에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 특별한 언급이 없는 한, 본 명세서에서 사용된 용어는 당업자가 통상적으로 생각할 수 있는 의미를 가지며, 더 나아가 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1)을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(1)은 배터리 보호회로(100, 이하 '보호회로'라고 함)와 배터리 셀(200)을 포함한다.
배터리 셀(200)은 하나 또는 2 이상의 베어 셀을 포함한다. 배터리 셀(200)은 보호회로(100)와 연결되며, 보호회로(100)의 단자부(110)에 외부 장치가 연결되면 충전 또는 방전을 수행한다. 배터리 셀(200)은 충전하여 사용하는 것이 가능한 이차 전지이다.
보호회로(100)는 배터리 셀(200)의 충전 및 방전을 제어하고, 배터리 셀(200)의 이상 상황을 감지하여 배터리 셀(200)의 파손을 방지한다. 이러한 보호회로(100)는 단자부(110), 아날로그 프론트 엔드(AFE: Analog Front End,120), 마이크로 컨트롤러 혹은 프로세서(130), 상태 표시 회로(140), 충방전 스위치(150), 보호소자(160)를 포함한다.
단자부(110)는 배터리 셀(200)을 충전하는 충전기 또는 외부 기기와 연결된다. 여기서 외부 기기란, 배터리 셀(200)에 저장된 전기 에너지를 소비하는 부하를 말한다. 단자부(110)는 양극 단자(111)와 음극 단자(112)를 구비한다. 단자부(110)에 충전기가 연결되면, 충전이 이루어질 수 있다. 충전 동안, 양극 단자(111)를 통하여 전류가 유입되고, 음극 단자(112)를 통하여 전류가 나간다. 단자부(110)에 외부 기기가 연결되면, 방전이 이루어질 수 있다. 방전 동안, 양극 단자(111)를 통하여 전류가 나가고, 음극 단자(112)를 통하여 전류가 유입된다.
아날로그 프론트 엔드(120)는 배터리 셀(200)의 충전 및 방전을 위한 제어를 수행한다. 아날로그 프론트 엔드(120)는 배터리 팩(1) 내부의 전류 흐름 상태와 같은, 배터리 셀(200)의 충전/방전 상태, 배터리 팩(1)의 온도 등을 감지한다. 아날로그 프론트 엔드(120)는 배터리 셀(200)의 상태를 감지한 감지 데이터(Sdata)를 마이크로 컨트롤러(130)에 전송한다. 도 1에서는 감지 데이터(Sdata)를 하나의 선으로 표시하였으나, 감지 데이터(Sdata)는 복수의 데이터를 포함할 수 있으며, 복수의 데이터 라인들을 사용하여 전송할 수 있다. 예를 들어, 감지 데이터는 온도 데이터, 전압 데이터, 전류 데이터 등일 수 있다. 또한 복수의 데이터는 별도의 신호 전송 라인을 통하여 마이크로 컨트롤러(130)에 전송될 수 있을 것이다.
아날로그 프론트 엔드(120)는 배터리 셀(200)의 전압을 사용하여 동작한다. 또한 아날로그 프론트 엔드(120)는 내부에 레귤레이터(Reg, 121)를 구비하여 전원 전압(Vreg)을 생성하며, 생성된 전원 전압(Vreg)을 마이크로 컨트롤러(130)에 인가한다.
아날로그 프론트 엔드(120)는 마이크로 컨트롤러(130)로부터 명령 신호(Scom)를 수신하고, 수신한 명령 신호(Scom)에 따라서 충전 제어 신호(Sc) 또는 방전 제어 신호(Sd)를 충방전 스위치(150)에 인가하여 충방전 스위치(150)의 On/Off 상태를 제어한다.
아날로그 프론트 엔드(120)는 이상 판별 프로세서(123)와 스위치 컨트롤러(124)를 포함할 수 있다. 이상 판별 프로세서(123)는 상태 표시 회로(140)에서 출력되어 상태 입력 단자(P1)를 통하여 인가된 신호를 수신하고, 수신한 신호의 크기가 특정 조건을 만족시키는 경우, 마이크로 컨트롤러(130)가 고장 난 것으로 판단한다. 예를 들어, 이상 판별 프로세서(123)는 수신한 신호가 기준 전압(Vref) 이하로 내려가는 경우에 마이크로 컨트롤러(130)가 고장 난 것으로 판단할 수 있다. 또는 예를 들어, 이상 판별 프로세서(123)는 수신한 신호의 논리 레벨이 하이 레벨에서 로우 레벨로 혹은 로우 레벨에서 하이 레벨로 변하는 경우에 마이크로 컨트롤러(130)가 고장 난 것으로 판단할 수 있다. 이상 판별 프로세서(123)에서 마이크로 컨트롤러(130)가 고장 난 것으로 판단한 경우, 스위치 컨트롤러(124)는 충방전 스위치(150)에 충전 제어 신호(Sc) 또는 방전 제어 신호(Sd)를 전송하여 충방전 스위치(150)를 off 시킨다.
마이크로 컨트롤러(130)는 아날로그 프론트 엔드(120)로부터 전원 전압(Vreg)을 인가받아 전원으로 사용한다. 또한 마이크로 컨트롤러(130)는 아날로그 프론트 엔드(120)에서 전송한 감지 데이터(Sdata)를 수신하고, 감지 데이터(Sdata)에 따라서 아날로그 프론트 엔드(120)에 명령 신호(Scom)를 전송하여 그 동작을 제어한다. 예를 들어, 배터리 셀(200)의 각 베어 셀 들의 전압에 편차가 발생한 경우, 마이크로 컨트롤러(130)는 각 베어 셀 들의 전압이 일정하게 되도록 아날로그 프론트 엔드(120)에서 셀 밸런싱 동작을 제어하도록 한다. 또는 예를 들어, 배터리 셀(200)이 과충전 또는 과방전 상태인 경우, 마이크로 컨트롤러(130)는 배터리 셀(200)의 충전 또는 방전 동작이 중지되도록 제어한다. 도 1에서는 명령 신호(Scom)를 하나의 선으로 표시하였으나 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 명령 신호(Scom)는 복수의 명령을 포함할 수 있다. 또한 다른 실시 예로서, 복수의 명령은 별도의 신호 전송 라인을 통하여 아날로그 프론트 엔드(120)에 전송될 수 있을 것이다.
일 실시 예로서, 마이크로 컨트롤러(130)는 아날로그 프론트 엔드(120)가 오작동하는 경우, 이를 감지하며, 배터리 셀(200)의 보호를 위하여 보호소자(160)가 충전 또는 방전 동작을 차단하도록 제어한다. 다른 실시 예로서, 보호소자(160)는 외부로부터의 제어를 필요로 하지 않고, 자동으로 동작할 수도 있다.
한편, 마이크로 컨트롤러(130)는 아날로그 프론트 엔드(120)가 마이크로 컨트롤러(130)에서 발생한 고장이나 마이크로 컨트롤러(130)의 오작동 등을 검출할 수 있도록 P2 단자를 통하여 상태 표시 회로(140)에 동작상태 신호(Sos)를 출력한다. 예를 들어, 마이크로 컨트롤러(130)가 정상 상태일 때, 동작상태 신호(Sos)로서 하이 레벨 신호가 출력될 수 있다. 혹은 마이크로 컨트롤러(130)가 정상 상태일 때, 동작상태 신호(Sos)로 연속되는 일련의 펄스 파형들이 출력될 수 있다.
상태 표시 회로(140)는 동작상태 신호(Sos)를 수신하고 아날로그 프론트 엔드(120)에 전송될 상태 신호를 생성한다. 상태 표시 회로(140)는 아날로그 프론트 엔드(120)에 마이크로 컨트롤러(130)가 정상 상태인지 비정상 상태인지를 나타내는 상태 신호를 출력하여 이상 판별 프로세서(123)가 이를 감지할 수 있도록 한다.
충방전 스위치(150)는 충전 제어 스위치(151) 및 방전 제어 스위치(152)를 포함한다. 충전 제어 스위치(151)와 방전 제어 스위치(152) 각각은 FET와 기생 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 충전 제어 스위치(151)는 FET11과 D11로 이루어지며, 방전 제어 스위치(152)는 FET12와 D12로 이루어진다. 충전 제어 스위치(151)의 전계효과 트랜지스터(FET11)의 소스와 드레인 사이의 접속방향은 방전 제어 스위치(152)의 전계 효과 트랜지스터(FET12)와는 반대방향으로 설정한다. 다시 말해, 본 실시 예에서, 충전 제어 스위치(151)의 전계 효과 트랜지스터(FET11)는 양극 단자(111)로부터 배터리 셀(200)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 반면에, 방전 제어 스위치(152)의 전계 효과 트랜지스터(FET12)는 배터리 셀(200)로부터 음극 단자(112)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 여기서, 충전 제어 스위치(151) 및 방전 제어 스위치(152)의 전계 효과 트랜지스터(FET11, FET12)는 스위칭 소자이며, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않고 다른 종류의 스위칭 기능을 수행하는 전기소자가 사용될 수 있다. 또한, 충전 제어 스위치(151) 및 방전 제어 스위치(152)에 포함된 기생 다이오드(D11, D12)는 전류가 제한되는 방향에 반대방향으로 전류가 흐르도록 구성한다.
보호소자(160)는 대전류 경로 상에 위치하는 소자로서 배터리 셀(200)로부터의 전류 유출 또는 배터리 셀(200)로의 전류 유입을 제어한다. 보호소자(160)는 아날로그 프론트 엔드(120)가 고장 난 경우에 작동하는 소자이다. 보호소자(160)는 퓨즈나 PTC(Positive Temperature Coefficient) 성질을 갖는 써미스터일 수 있다. 또는 보호소자(160)는 자신을 흐르는 전류에 따라서 자동으로 작동하는 소자일 수 있다. 혹은 보호소자(160)는 마이크로 컨트롤러(130)의 제어에 의하여 작동하는 소자일 수도 있다.
이하, 상태 표시 회로(140)에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3은 각각 도 1의 상태 표시 회로(140)의 실시 예들을 나타내는 회로도들이다.
도 2를 참조하면, 상태 표시 회로(140)는 마이크로 컨트롤러(130)의 P2 단자와 아날로그 프론트 엔드(120)의 상태 입력 단자(P1)를 직접 연결하는 라인일 수 있다. 일 실시 예로서, 마이크로 컨트롤러(130)는 정상상태이면, 동작상태 신호(Sos)로 하이 레벨 신호를 출력한다. 아날로그 프론트 엔드(120)는, 이상 판별 프로세서(123)에서 상태 입력 단자(P1) 및 상태 표시 회로(140)를 통하여 입력된 동작상태 신호(Sos)가 기준 전압(Vref) 이하로 내려가면, 마이크로 컨트롤러(130)가 고장 난 것으로 판단할 수 있다. 기준 전압(Vref)은 배터리 팩(1)의 제조시 미리 설정된 값일 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시 예로서 상태 표시 회로(140)는 복수의 저항들 R31, R32와 스위칭 소자 SW1을 포함하는 레벨 시프트 회로(level shift circuit)를 포함할 수 있다. 저항 R31은 상태 입력 단자(P1)와 제1 전압(Vcc)이 공급되는 전압원 사이에 연결되며, 저항 R32는 상태 입력 단자(P1)와 스위칭 소자 SW1의 제1 전극과 연결된다. 스위칭 소자 SW1은 제1 전극이 저항 R32와 연결되고 제2 전극이 그라운드와 연결된다. 또한 스위칭 소자 SW1의 게이트 전극은 P2 단자와 연결된다. 스위칭 소자 SW1은 p 채널 FET(field effect transistor)일 수 있다.
마이크로 컨트롤러(130)는 정상상태일 때, 동작상태 신호(Sos)로 하이 레벨 신호를 출력한다. 따라서 상태 표시 회로(140)의 스위칭 소자 SW1은 동작상태 신호(Sos)에 의하여 Off 상태가 되며, 상태 입력 단자(P1)에는 제1 전압(Vcc)이 인가된다. 제1 전압(Vcc)은 기준 전압(Vref)보다 큰 전압이다. 이상 판별 프로세서(123)는 상태 입력 단자(P1)를 통하여 인가되는 제1 전압(Vcc)이 기준 전압(Vref)보다 크다고 판단하며, 아날로그 프론트 엔드(120)는 마이크로 컨트롤러(130)가 정상상태라고 판단한다.
한편, 마이크로 컨트롤러(130)는 고장인 경우 또는 오작동하는 경우, 동작상태 신호(Sos)로서 로우 레벨 신호를 출력하거나 신호 출력을 중단한다. 이로 인하여, 상태 표시 회로(140)의 스위칭 소자 SW1은 동작상태 신호(Sos)의 변화에 의하여 On 상태가 되며, 상태 입력 단자(P1)에는 제1 전압(Vcc)이 저항 R31 및 R32에 의하여 분압된 전압이 인가된다. 예를 들어, 상태 입력 단자(P1)에 인가되는 전압은 약 Vcc*R32/(R31+R32)가 된다. 이때, 분압된 전압은 기준 전압(Vref)보다 낮은 값이 되도록 저항 R31 및 R32를 정한다. 이에 의하여 이상 판별 프로세서(123)는 상태 입력 단자(P1)를 통하여 입력된 상태 표시 회로(140)의 출력 신호가 기준 전압(Vref)보다 작다고 판단하며, 아날로그 프론트 엔드(120)는 마이크로 컨트롤러(130)가 고장 난 것으로 판단할 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 1의 상태 표시 회로(140)의 실시 예들을 나타내는 회로도들이다.
도 4를 참조하면, 도 4의 실시 예에 따른 상태 표시 회로(140)는 복수의 저항 R41, R42와 스위칭 소자 SW2를 포함하는 반전 레벨 시프트 회로(inverting level shift circuit)를 포함할 수 있다. 저항 R41은 상태 입력 단자(P1)와 제1 전압(Vcc)이 공급되는 전압원 사이에 연결되며, 저항 R42는 상태 입력 단자(P1)와 스위칭 소자 SW2의 제1 전극과 연결된다. 스위칭 소자 SW2는 제1 전극이 저항 R42와 연결되고 제2 전극이 그라운드와 연결된다. 또한 스위칭 소자 SW2의 게이트 전극은 P2 단자와 연결된다. 스위칭 소자 SW2은 n 채널 FET(field effect transistor)일 수 있다.
마이크로 컨트롤러(130)는 정상상태일 때, 동작상태 신호(Sos)로 하이 레벨 신호를 출력한다. 이로 인하여, 상태 표시 회로(140)의 스위칭 소자 SW2는 동작상태 신호(Sos)에 의하여 On 상태가 되며, 상태 입력 단자(P1)에는 제1 전압(Vcc)이 저항 R41 및 R42에 의하여 분압된 전압이 인가된다. 예를 들어, 상태 입력 단자(P1)에 인가되는 전압은 약 Vcc*R42/(R41+R42)가 된다. 이때, 분압된 전압은 기준 전압(Vref)보다 낮은 값이 되도록 저항 R41 및 R42를 정한다. 이상 판별 프로세서(123)는 상태 입력 단자(P1)를 통하여 입력된 상태 표시 회로(140)의 출력 신호가 기준 전압(Vref)보다 작다고 판단하며, 이 경우 아날로그 프론트 엔드(120)는 마이크로 컨트롤러(130)가 정상상태인 것으로 판단할 수 있다.
한편, 마이크로 컨트롤러(130)는 고장인 경우 또는 오작동하는 경우, 동작상태 신호(Sos)로서 로우 레벨 신호를 출력하거나 신호 출력을 중단한다. 이로 인하여, 상태 표시 회로(140)의 스위칭 소자 SW2는 동작상태 신호(Sos)의 변화에 의하여 Off 상태가 되며, 상태 입력 단자(P1)에는 제1 전압(Vcc)이 인가된다. 제1 전압(Vcc)은 기준 전압(Vref)보다 큰 전압이다. 이상 판별 프로세서(123)는 상태 입력 단자(P1)를 통하여 인가되는 제1 전압(Vcc)이 기준 전압(Vref)보다 크다고 판단하며, 이 경우 아날로그 프론트 엔드(120)는 마이크로 컨트롤러(130)가 고장이라고 판단한다.
도 4의 상태 표시 회로(140)는 도 3의 실시 예에 따른 상태 표시 회로(140)와 반대 극성으로 동작한다.
도 5는 도 1의 상태 표시 회로(140)의 다른 실시 예를 나타내는 회로도이다. 도 5를 참조하면, 도 5의 실시 예에 따른 상태 표시 회로(140)는 복수의 저항 R51 및 R52, 복수의 커패시터 C51 및 C52, 복수의 다이오드 D51 및 D52를 포함할 수 있다.
본 실시 예에서, 상태 입력 단자(P1)와 P2 단자 사이에는 다이오드 D51, 커패시터 C51 및 저항 R51가 직렬로 연결된다. 다이오드 D51는 상태 입력 단자(P1)에 캐소드 전극이, 커패시터 C51에 애노드 전극이 연결되어 상태 입력 단자(P1)로부터 P2 단자로 전류가 역류하는 것을 방지한다. 커패시터 C51은 P2에서 출력되는 동작상태 신호(Sos)에 포함된 오프셋 성분을 제거한다.
또한 상태 입력 단자(P1)와 그라운드 사이에는 커패시터 C52와 저항 R52가 병렬로 연결된다. 그리고 다이오드 D52는 다이오드 D51의 애노드 전극에 캐소드 전극이 연결되고 그라운드에 애노드 전극이 연결된다.
예를 들어, 마이크로 컨트롤러(130)는 정상상태일 때, 동작상태 신호(Sos)로 펄스 신호를 반복되는 일정한 간격으로 출력한다. 동작상태 신호(Soc)가 상태 표시 회로(140)에 인가될 때, 전하가 커패시터 C52에 축적되며, 커패시터 C52의 양단 전압이 상태 입력 단자(P1)로 인가된다. 이상 판별 프로세서(123)는 커패시터 C52의 양단 전압을 기준 전압(Vref)과 비교하는 전압 비교부(122)를 포함하며, 커패시터 C52의 양단 전압이 기준 전압(Vref)보다 큰 경우 마이크로 컨트롤러(130)가 정상상태라고 판단한다. 커패시터 C52의 양단 전압의 크기는 동작상태 신호(Sos)의 듀티비(duty ratio)에 의하여 결정된다. 마이크로 컨트롤러(130)는 동작상태 신호(Sos)의 듀티비를 조절하여, 마이크로 컨트롤러(130)가 정상상태일 때 커패시터 C52의 양단 전압이 기준 전압(Vref)보다 크도록 설정한다.
한편, 마이크로 컨트롤러(130)는 고장인 경우 또는 오작동하는 경우, 동작상태 신호(Sos)로서 로우 레벨 신호 혹은 직류 신호를 출력하거나 신호 출력을 중단한다. 이로 인하여, 커패시터 C52에 축적된 전하는 저항 R52를 통하여 그라운드로 흐르고, 커패시터 C52의 양단 전압이 기준 전압(Vref)보다 낮은 전압으로 감소하며, 아날로그 프론트 엔드(120)는 마이크로 컨트롤러(130)가 고장이라고 판단한다.
도 6은 도 5의 실시 예에 따른 상태 표시 회로(140)의 입출력 신호를 나타내는 타이밍도이다.
도 6을 참조하면, P2 단자로부터 펄스를 수신하는 동안에는 기준 전압(Vref) 이상의 전압이 상태 입력 단자(P1)로 인가된다. 따라서, 아날로그 프론트 엔드(120)는 마이크로 컨트롤러(130)가 정상이라고 판단한다. 그러나 t1에서 펄스파의 출력이 정지되는 경우, 커패시터 C52에 저장된 전하가 방전되기 시작하여 커패시터 C52의 양단 전압이 하강하며, t2에서 양단 전압이 기준 전압(Vref) 이하로 내려가게 된다. t2 시점부터 아날로그 프론트 엔드(120)는 마이크로 컨트롤러(130)가 고장이라고 판단할 수 있다.
이때, 기준 전압(Vref)과 상태 표시 회로(140)의 구성요소들은 t1과 t2 사이의 간격이 P2 단자에서 출력되는 펄스의 로우 레벨 펄스 폭보다 크도록 설계될 수 있다. 펄스의 로우 레벨 펄스 폭이 t1과 t2 사이의 간격보다 큰 경우, P2 단자에서 출력되는 펄스가 로우 레벨일 때, 커패시터 C52의 양단 전압이 기준 전압(Vref)보다 낮아져 마이크로 컨트롤러(130)가 고장이라고 오판할 수 있기 때문에 이러한 설계에 이점이 있을 수 있다.
상기와 같이, 도 1의 배터리 보호회로(100)에 의하면, 마이크로 컨트롤러(130)가 고장 난 경우 아날로그 프론트 엔드(120)에서 이를 감지하여 충방전 동작을 중지시킬 수 있다. 이로 인하여, 배터리 팩(1)을 안정적으로 제어할 수 있게 된다.
도 7은 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(2)을 나타내는 블록도이다. 본 실시 예에 따른 배터리 팩(2)은 도 1의 배터리 팩(1)과 유사한 구성 및 기능을 가진다.
도 7을 참조하면, 배터리 팩(2)은 보호회로(300)와 배터리 셀(400)을 포함하며, 보호회로(300)는 단자부(310), 아날로그 프론트 엔드(320), 마이크로 컨트롤러 혹은 프로세서(330), 상태 표시 회로(340), 충방전 스위치(350), 보호소자(360)를 포함한다.
본 실시 예에서, 이상 판별 프로세서(323)는 타이머(322)를 포함한다. 타이머(322)는 상태 표시 회로(340)에서 출력되어 상태 입력 단자(P1) 및 상태 표시 회로(340)를 통하여 인가된 동작상태 신호(Sos)를 수신하고, 아날로그 프론트 엔드(320)는 동작상태 신호(Sos)가 기준 시간(Δt) 이상 인가되지 않는 경우 마이크로 컨트롤러(330)가 고장 난 것으로 판단한다. 또는 타이머(322)에 기준 전압(Vref) 이상의 크기를 갖는 신호가 기준 시간(Δt) 이상 인가되거나 인가되지 않는 경우 마이크로 컨트롤러(330)가 고장 난 것으로 판단할 수도 있다.
아날로그 프론트 엔드(320)는 마이크로 컨트롤러(330)가 고장 난 것으로 판단한 경우, 충방전 스위치(350)에 충전 제어 신호(Sc) 또는 방전 제어 신호(Sd)를 전송하여 충방전 스위치(350)를 off 시킨다.
본 실시 예에 따른 보호회로(300)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 상태 표시 회로(340)의 입출력 신호를 나타내는 타이밍도이다. 상태 표시 회로(340)는, 예를 들어, 도 2 내지 도 4의 회로 중 어느 하나의 회로가 사용될 수 있다.
예를 들어, 상태 표시 회로(340)가 도 2와 같은 회로로 구성되는 경우, P2 단자로부터 수신하는 동작상태 신호(Sos)가 t3에서 하이 레벨에서 로우 레벨로 변경되면, 상태 입력 단자(P1)에 인가되는 상태 신호도 거의 동일한 타이밍에 하이 레벨에서 로우 레벨로 변경된다. 이상 판별 프로세서(323)는 타이머(322)를 사용하여 상태 입력 단자(P1)를 통하여 인가되는 신호가 하이 레벨에서 로우 레벨로 변경된 t3부터 시간을 측정하고, 기준 시간(Δt)이 경과 하였을 때, 마이크로 컨트롤러(330)가 고장이라고 판단한다. 도 3 및 도 4의 경우도 상태 입력 단자(P1)에 인가되는 전압의 크기가 다를 뿐 동작 원리는 동일하다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 상태 표시 회로(340)의 입출력 신호를 나타내는 타이밍도이다. 상태 표시 회로(340)는 도 5의 회로가 사용될 수 있다.
마이크로 컨트롤러(330)는 정상상태일 때, 동작상태 신호(Sos)로 펄스 신호를 일정한 간격으로 출력한다. 동작상태 신호(Soc)가 상태 표시 회로(340)에 인가되면 커패시터 C52에 전하가 축적되며, 커패시터 C52의 양단 전압이 상태 신호로서 상태 입력 단자(P1)로 인가된다. 이상 판별 프로세서(323)는 타이머(322)를 사용하여 일정 전압을 갖는 상태 신호가 상태 입력 단자(P1)에 지속적으로 인가되면 마이크로 컨트롤러(330)가 정상상태라고 판단한다.
한편, 마이크로 컨트롤러(330)는 고장인 경우 또는 오작동하는 경우, 동작상태 신호(Sos)로서 로우 레벨 신호를 출력하거나 신호 출력을 중단한다. 이러한 경우, 커패시터 C52에 축적된 전하는 방전되며, t6 시점부터 커패시터 C52의 양단 전압이 기준 전압(Vref)보다 낮아진다. 이상 판별 프로세서(323)는 타이머(322)를 사용하여 t6 시점부터 시간을 측정하며, 기준 시간(Δt)이 경과 하였을 때, 마이크로 컨트롤러(330)가 고장이라고 판단한다.
기준 전압(Vref) 및 기준 시간(Δt)은 t5와 t7 사이의 간격이 P2 단자에서 출력되는 펄스의 로우 레벨 펄스 폭보다 크도록 결정할 수 있다. 이는 펄스의 로우 레벨 펄스 폭이 t5와 t7 사이의 간격보다 큰 경우, P2 단자에서 출력되는 펄스가 로우 레벨일 때, 커패시터 C52의 양단 전압이 기준 전압(Vref)보다 낮아질 뿐만 아니라 기준 시간(Δt)마저도 경과하여 마이크로 컨트롤러(330)가 고장이라고 오판할 수 있기 때문이다.
상기와 같이, 배터리 보호회로(300)에서, 마이크로 컨트롤러(330)가 고장 난 경우 아날로그 프론트 엔드(320)에서 이를 감지하여 배터리 팩(2)의 충방전 동작을 중지시킬 수 있다. 이로 인하여, 배터리 팩(2)을 안정적으로 제어할 수 있게 된다.
도 10은 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(3)을 나타내는 블록도이다. 배터리 팩(3)은 도 1의 배터리 팩(1)과 유사한 구성 및 기능을 가진다.
도 10을 참조하면, 배터리 팩(3)은 보호회로(500)와 배터리 셀(600)을 포함하며, 보호회로(500)는 단자부(510), 아날로그 프론트 엔드(520), 마이크로 컨트롤러 혹은 프로세서(530), 충방전 스위치(550), 보호소자(560)를 포함한다.
아날로그 프론트 엔드(520)는 이상 판별 프로세서(523)를 포함한다. 이상 판별 프로세서(523)는 마이크로 컨트롤러(530)로부터 명령 신호(Scom)를 수신한다. 이상 판별 프로세서(523)는 명령 신호(Scom)의 전압 레벨을 기준 전압(Vref)과 비교하여 마이크로 컨트롤러(530)의 고장이나 오작동을 판단할 수 있을 것이다. 또한 마이크로 컨트롤러(530)의 동작 상태를 판단하는데 명령 신호(Scom)를 사용하므로 마이크로 컨트롤러(530) 및 아날로그 프론트 엔드(520)의 포트 수를 감소시킬 수 있다. 이상 판별 프로세서(523)에서 마이크로 컨트롤러(530)의 고장을 판단하는 방법은 다른 실시 예에서 설명한 것과 유사하다.
일 실시 예로서, 명령 신호(Scom)가 이상 판별 프로세서(523)에 의하여 모니터링 되고, 상태 신호가 명령 신호(Scom)의 명령 내에 인코딩될 수 있다. 또 다른 실시 예로서, 마이크로 컨트롤러(530)가 적절히 동작하는지를 판단하기 위하여 명령 생성의 빈도, 주파수를 모니터링할 수 있으며, 명령 생성 빈도가 기준치 미만인 경우, 이상 판별 프로세서(523)는 마이크로 컨트롤러(530)가 고장이라고 판단할 수 있다.
상기와 같이, 본 실시 예에 따른 배터리 보호회로(500)에서, 마이크로 컨트롤러(530)가 고장 난 경우 아날로그 프론트 엔드(520)에서 이를 감지하여 충방전 동작을 중지시킬 수 있다. 이로 인하여, 배터리 팩(3)을 안정적으로 제어할 수 있게 된다.
도 11은 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(4)을 나타내는 블록도이다. 배터리 팩(4)은 도 10의 배터리 팩(3)과 유사한 구성 및 기능을 가진다.
도 11을 참조하면, 배터리 팩(4)은 보호회로(700)와 배터리 셀(800)을 포함한다. 보호회로(700)는 단자부(710), 아날로그 프론트 엔드(720), 마이크로 컨트롤러 혹은 프로세서(730), 충방전 스위치(750), 보호소자(760)를 포함한다.
아날로그 프론트 엔드(720)는 타이머(722)를 포함한다. 그리고 타이머(722)는 마이크로 컨트롤러(730)로부터 전송된 명령 신호(Scom)를 수신한다. 타이머(722)를 사용하여 이상 판별 프로세서(723)는 명령 신호(Scom)가 전달되는지를 판단하고, 기준 시간(Δt) 이상 신호(Scom)가 정상 기능임을 표시하지 않은 경우 마이크로 컨트롤러(730)가 고장이라고 판단할 수 있을 것이다. 따라서 보호회로(700)는 도 1과 같이 상태 표시 회로(140)를 포함할 필요는 없다. 또한 마이크로 컨트롤러(730)의 동작 상태를 판단하기 위하여 명령 신호(Scom)를 사용하므로, 마이크로 컨트롤러(730) 및 아날로그 프론트 엔드(720)의 포트 수를 감소시킬 수 있다. 마이크로 컨트롤러(730)의 고장을 판단하는 방법은 다른 실시 예에서 설명한 것과 유사하다.
상기와 같이, 배터리 보호회로(700)에서, 마이크로 컨트롤러(730)가 고장 난 경우 아날로그 프론트 엔드(720)에서 이를 감지하여 충방전을 중지시킴으로써 배터리 팩(4)을 안정적으로 제어할 수 있게 된다.
이상에서 언급된 본 실시 예 및 그 변형 예들에 따른 제어방법을 배터리 보호회로(100, 300, 500, 700) 및 배터리 팩(1~4)에서 실행시키기 위한 프로그램은 비휘발성 컴퓨터 기록매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 여기서 매체라 함은 반도체 기록매체, 예컨대, 플래시 메모리(Flash memory)를 사용할 수 있다. 상기 매체는 프로세서에 의해 판독 가능하며, 프로세서에서 실행될 수 있는 명령을 포함할 수 있다. 상기 제어 방법은 다양한 모듈에 의해 수행될 수 있다. 각 모듈은 다양한 서브루틴, 프로그램 처리절차, 정의 명령문, 및 매크로를 포함할 수 있음을 당업자는 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 상기 모듈은 각각 독립적으로 컴파일되어 하나의 실행가능한 프로그램으로 조합될 수 있다. 따라서, 편의상 하기에 상기 방법을 단계별로 기술함으로써 상기 제어방법의 기능을 설명하고자 한다. 따라서, 각 모듈이 수행하는 프로세스는 다른 하나의 모듈로 임의로 재분산되어 단일 모듈 내에서 결합되거나 공유 가능한 동적 링크 라이브러리에서 작동 가능하도록 구현될 수 있다. 또한 상기 각 모듈은 하드웨어의 기능 블록으로 구현될 수 있다.
개시된 시스템 및 방법이 다양한 개별 기능 블록의 형태로 구현 가능하지만, 상기 시스템은 상기 블록 중 적어도 한 블록의 기능이나 모든 블록의 기능을, 예를 들어, 적어도 하나의 적절히 프로그래밍이 된 프로세서나 장치가 구현가능한 형태로 구현될 수 있다.
상기 프로세서(들)는 범용 또는 특별한 용도의 프로세서를 포함할 수 있으며, 서로 다른 기능을 수행하는 구성요소를 포함하는, 예를 들면, 칩과 같은 장치에 포함될 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명의 다양한 측면은 디지털 전자 회로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합의 형태로 구현될 수 있다. 또한 본 발명의 일 측면은 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체 내에 프로그램 가능한 프로세서가 실행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따른 방법의 각 단계들은 명령을 실행하여 본 발명에 따른 기능을 수행하는 프로그램 가능한 프로세서에 의해, 예를 들어, 입력 데이터를 연산하여 출력 데이터를 생성함으로써 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 컴퓨터 장치상에서 실행될 경우 상기 방법을 구현할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 또한 본 발명의 실시 예는 컴퓨터로 판독가능한 형태의 상기 컴퓨터 프로그램을 저장하고, 컴퓨터 장치상에서 실행될 경우 상기 방법 중 적어도 하나의 방법을 실행할 수 있는 CD-ROM 이나 디스켓과 같은 데이터 캐리어를 포함한다.
이상 명세서에서 특정 실시 예들이 개시되었으나, 이외의 다양한 형태로 구현 가능함을 이해할 것이다. 본 발명의 특정한 특징이나 측면을 기술하는데 사용한 용어는 여기서 재정의되어 해당용어와 관련된 본 발명의 특징 또는 측면의 특성을 포함하는 한정적인 의미로 해석되어서는 안 된다.
이상 본 발명은 다양한 실시 예를 참고로 설명되었으나, 상기 장치 또는 방법은 당업자에 의해 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 생략, 대체, 변형가능 하다는 점을 이해하여야 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1 배터리 팩
100, 300, 500, 700 배터리 보호회로
200, 400, 600, 800 배터리
110, 310, 510, 710 단자부
120, 320, 520, 720 아날로그 프론트 엔드 (AFE)
130, 330, 530, 730 마이크로 컨트롤러
140, 340, 540, 740 상태 통지 회로
150, 350, 550, 750 충방전 스위치
160, 360, 560, 760 보호소자

Claims (26)

  1. 배터리 셀;
    단자부;
    상기 배터리 셀과 상기 단자부를 선택적으로 연결하는 스위치;
    명령을 생성하는 컨트롤 프로세서; 및
    상기 컨트롤 프로세서로부터 상기 명령을 수신하고, 상기 명령에 따라서 상기 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하는 아날로그 프론트 엔드;를 포함하며,
    상기 아날로그 프론트 엔드는,
    상기 컨트롤 프로세서의 상태를 나타내는 상태 신호를 수신하는 상태 입력 단자;
    상기 상태 신호에 기초하여 상기 컨트롤 프로세서가 고장인지를 판단하고, 이상 신호를 생성하는 이상 판별 프로세서; 및
    상기 이상 신호에 따라서 상기 스위치를 제어하는 스위치 컨트롤러;를 포함하는, 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이상 판별 프로세서는 상기 상태 신호를 기준 전압과 비교하는 전압 비교부를 포함하며,
    상기 이상 판별 프로세서는 상기 상태 신호가 상기 기준 전압보다 크면 상기 컨트롤 프로세서가 고장이라고 판단하는, 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이상 판별 프로세서는 상기 상태 신호를 기준 전압과 비교하는 전압 비교부를 포함하며,
    상기 이상 판별 프로세서는 상기 상태 신호가 상기 기준 전압보다 작으면 상기 컨트롤 프로세서가 고장이라고 판단하는, 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이상 판별 프로세서는 타이머를 포함하며,
    상기 이상 판별 프로세서는 상기 상태 신호가 최소 시간보다 긴 기간 동안 마이크로 프로세서가 고장이라고 나타내면 상기 컨트롤 프로세서가 고장이라고 판단하는, 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 컨트롤 프로세서로부터 수신한 동작 상태 신호에 기초하여 상기 상태 신호를 생성하는 상태 표시 회로를 더 포함하는, 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상태 표시 회로는 저역 통과 필터를 포함하는, 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 동작 상태 신호는, 상기 컨트롤 프로세서가 고장이 아닌 경우, 복수의 펄스들을 포함하는, 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤 프로세서로부터 수신한 동작 상태 신호에 기초하여 상기 상태 신호를 생성하는 상태 표시 회로를 더 포함하는, 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상태 표시 회로는 저역 통과 필터를 포함하는, 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 동작 상태 신호는, 상기 컨트롤 프로세서가 고장이 아닌 경우, 복수의 펄스들을 포함하는, 배터리 팩.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 상태 표시 회로는 레벨 시프트 회로(level shift circuit)를 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레벨 시프트 회로는 인버터를 포함하는, 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 상태 신호는 상기 명령 내에 인코딩되는, 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 상태 신호는 상기 명령 생성의 주파수인, 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이상 판별 프로세서는 상기 명령 생성의 주파수가 기준치 미만인 경우 상기 컨트롤 프로세서가 고장이라고 판단하는, 배터리 팩.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 컨트롤 프로세서는 마이크로 컨트롤러인, 배터리 팩.
  17. 배터리 셀, 단자부, 컨트롤 프로세서와 통신하는 아날로그 프론트 엔드를 포함하는 배터리 팩의 제어방법으로서,
    상기 아날로그 프론트 엔드가 상기 컨트롤 프로세서의 상태를 나타내는 상태 신호를 수신하는 단계;
    상기 아날로그 프론트 엔드가 상기 컨트롤 프로세서가 고장인지를 판단하는 단계; 및
    상기 컨트롤 프로세서가 고장인 경우, 상기 아날로그 프론트 엔드가 상기 배터리 셀을 상기 단자부로부터 차단하는 제어 신호를 생성하는 단계;를 포함하는, 배터리 팩의 제어방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 아날로그 프론트 엔드는 상기 컨트롤 프로세서로부터 상태 신호를 수신하는, 배터리 팩의 제어방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 컨트롤 프로세서는 아날로그 프론트 엔드에 인가하기 위한 명령들을 생성하고,
    상기 상태는 상기 명령들 내에 인코딩되는, 배터리 팩의 제어방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 상태 신호는 상기 명령 생성의 주파수인, 배터리 팩의 제어방법.
  21. 제20항에 있어서,
    이상 판별 프로세서가, 상기 명령 생성의 주파수가 기준치 미만인 경우 상기 컨트롤 프로세서가 고장이라고 판단하는 단계;를 더 포함하는, 배터리 팩의 제어방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 상태 표시 회로를 더 포함하며,
    상기 상태 표시 회로가 상기 컨트롤 프로세서로부터 수신한 동작 상태 신호에 기초하여 상태 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 상태 표시 회로로부터 상기 상태 신호를 수신하는 단계;를 포함하는, 배터리 팩의 제어방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 상태 표시 회로는 저역 통과 필터를 포함하며,
    상기 상태 표시 회로가 상기 컨트롤 프로세서로부터의 상기 동작 상태 신호를 필터링하는, 배터리 팩의 제어방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 동작 상태 신호는, 상기 컨트롤 프로세서가 고장이 아닌 경우 복수의 펄스들을 포함하는, 배터리 팩의 제어방법.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 상태 표시 회로는 레벨 시프트 회로를 포함하는, 배터리 팩의 제어방법.
  26. 제17항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 상기 배터리 셀과 상기 단자부를 전기적으로 연결하는 스위치를 더 포함하고,
    상기 스위치가 상기 아날로그 프론트 엔드로부터 수신한 상기 제어 신호에 응답하여 개방되는, 배터리 팩의 제어방법.
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