KR20160036506A - 충방전 제어 장치 및 배터리 장치 - Google Patents

충방전 제어 장치 및 배터리 장치 Download PDF

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Abstract

(과제)2차 전지의 과충전, 과전류를 검지했을 때만, 보호 소자인 퓨즈 엘리먼트를 용단하고, 오용단이 없는 배터리 장치를 제공한다.
(해결 수단)퓨즈 엘리먼트를 용단시키는 발열 저항체에 접속되는 제어 스위치가 온하는 역치 전압의 절대치를, 과충전 검출 회로의 최저 동작 전압 이상 또한 과충전 검출 전압 이하로 했다.

Description

충방전 제어 장치 및 배터리 장치{CHARGING/DISCHARGING CONTROL DEVICE AND BATTERY DEVICE}
본 발명은, 발열 저항체와 퓨즈 엘리먼트를 설치한 보호 소자를 이용하여, 전지 팩의 과충전이나 과전류를 방지하는 충방전 제어 장치 및 배터리 장치에 관한 것이다.
휴대 전화나 노트 PC 등의 모바일 전자기기의 보급과 함께, 리튬 이온 2차 전지의 시장이 확대되어 왔다. 이들 모바일 전자기기에서는, 통상, 전원으로서 리튬 이온 2차 전지를 1개에서 복수개 직렬로 접속한 전지 팩이 이용되고 있다. 이러한 전지 팩에서는, 리튬 이온 2차 전지를 보호하기 위해서 충방전 제어 장치가 설치되어 있다.
이 충방전 제어 장치는, 리튬 이온 2차 전지를 과전류와 과충전의 쌍방으로부터 보호한다. 충방전 제어 장치는, 발열 저항체와 퓨즈 엘리먼트를 설치한 보호 소자와, 과충전을 검출하는 과충전 검출 회로와, 보호 소자의 발열 저항체에 전류를 흐르게 하는 제어 스위치로 구성되어 있다. 이 충방전 제어 장치는, 과전류시에는 퓨즈 엘리먼트가 용단되고, 2차 전지를 과전류로부터 보호한다. 과충전시에는 과충전 검출 회로가 2차 전지의 과충전을 검출하고, 제어 스위치를 온시킨다. 그리고, 발열 저항체에 전류를 흐르게 하고, 발생한 열로 퓨즈 엘리먼트를 용단시키고, 2차 전지를 과충전으로부터 보호하도록 한 것이다(특허 문헌 1 참조).
일본국 특허공개2008－263776호 공보
근래, 스마트폰이나 태블릿 단말 등, 고전압 또한 대용량의 리튬 이온 2차 전지로 구동되는 기기가 증가하고 있다. 이들 기기의 전지 팩의 과전류와 과충전의 보호에, 발열 저항체와 퓨즈 엘리먼트를 설치한 보호 소자를 이용한 충방전 제어 장치가 이용된다.
그러나, 종래의 기술에서는, 배터리 장치의 조립시나, 리튬 이온 2차 전지의 방전이 진행되어 출력 전압이 저하되었을 때에, 과충전 검출 회로가 동작하기 위해 충분한 전원 전압을 확보할 수 없고, 과충전 검출 회로의 출력이 일정하지 않게 되어 버리는 경우가 있다.
본래, 제어 스위치는 2차 전지가 과충전일 때만 온해야 하지만, 과충전 검출 회로에 대해 동작하기에 충분한 전압이 주어지지 않으면, 원하는 동작을 할 수 없다. 그 과충전 검출 회로가 동작하기에 충분한 전압을 최저 동작 전압이라고 한다. 최저 동작 전압 미만에서는, 과충전 검출 회로의 출력 전압이 일정하지 않게 되어 버리고, 제어 스위치를 온시킬지 오프시킬지는 보증할 수 없다.
배터리 장치를 조립할 때에는, 충방전 제어 장치에 2차 전지를 접속한다는 공정이 존재한다. 이 때에, 과충전 검출 회로에 전압이 인가되어 있지 않은 상태로부터, 2차 전지의 전압까지 상승한다. 과충전 검출 회로는, 인가되는 전압이 최저 동작 전압 미만일 때에, 제어 스위치를 온시키고, 퓨즈 엘리먼트를 용단해 버릴 우려가 있다.
또, 2차 전지의 방전이 진행되고, 2차 전지의 출력 전압이 과충전 검출 회로의 최저 동작 전압을 밑돈 경우도, 제어 스위치를 온시키고, 퓨즈 엘리먼트를 용단시켜 버릴 우려가 있다.
퓨즈 엘리먼트가 용단되면 그 배터리 장치는 다시 사용하는 것은 불가능해지며, 리튬 이온 2차 전지의 과충전을 보호하기 위해 설치한 기구가, 그 이외의 경우에 동작하여, 배터리 장치를 사용 불능으로 해 버리게 된다.
본 발명은, 이상과 같은 과제를 해결하기 위해 고안된 것이며, 과충전 검출 회로의 출력이 일정하지 않게 되어도, 제어 스위치를 온시키는 일은 없고, 퓨즈 엘리먼트를 용단시켜 버릴 우려가 없는 충방전 제어 장치 및 배터리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 과충전 검출 회로의 출력이 일정하지 않게 되는 전압보다 높은 역치 전압을 갖는 스위치를 충방전 제어 장치의 제어 스위치로서 사용하는 것으로 했다.
본 발명에 의하면, 배터리 장치의 조립시나, 리튬 이온 2차 전지의 방전이 진행되어 출력 전압이 저하되었을 때에, 과충전 검출 회로의 출력이 일정하지 않게 되어도, 충방전 제어 장치의 제어 스위치는 온하지 않고, 퓨즈 엘리먼트를 용단시켜 버릴 우려가 없는 충방전 제어 장치 및 배터리 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
도1은, 제1 실시 형태의 배터리 장치의 회로도이다.
도 2는 제2 실시 형태의 배터리 장치의 회로도이다.
도 3은 제３ 실시 형태의 배터리 장치의 회로도이다.
도 4는 제４ 실시 형태의 배터리 장치의 회로도이다.
이하, 본 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
＜제1 실시 형태＞
도 1은, 제1 실시 형태의 배터리 장치의 회로도이다.
제1 실시 형태의 배터리 장치는, 2차 전지(11)와 충방전 제어 장치(22)로 구성되어 있다. 충방전 제어 장치(22)는, 저항(12), 용량(13), 과충전 검출 회로(14), 제어 스위치(18), 보호 소자(19), 외부 단자(20, 21)로 구성되어 있다.
보호 소자(19)는, 발열 저항체와 퓨즈 엘리먼트가 설치되고, 발열 저항체가 통전하여 발열함으로써 퓨즈 엘리먼트가 용단되도록 구성되어 있다.
과충전 검출 회로(14)는, 양극 전원 단자(15)와 음극 전원 단자(16)를 입력 단자로 하고, 출력 단자(17)로부터 양극 전원 단자 전위 혹은 음극 전원 단자 전위를 출력한다.
2차 전지(11)는, 양극은 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트와 저항(12)의 한쪽의 단자에 접속되고, 음극은 용량(13)의 한쪽의 단자, 음극 전원 단자(16), 제어 스위치(18)의 소스 및 백 게이트, 외부 단자(20)와 접속된다. 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트의 다른쪽의 단자는 외부 단자(21)와 접속된다. 양극 전원 단자(15)는, 저항(12)과 용량(13)의 다른쪽의 접속점과 접속된다. 출력 단자(17)는 제어 스위치(18)의 게이트와 접속되고, 제어 스위치(18)의 드레인은 보호 소자(19)의 발열 저항체와 접속된다.
다음에, 제1 실시 형태의 배터리 장치의 동작에 대해 설명한다.
2차 전지(11)가 과충전 검출 회로(14)에서 설정한 과충전 검출 전압 이하일 때, 과충전 검출 회로(14)는 출력 단자(17)로부터 음극 전원 단자 전위를 출력하고 있고, 제어 스위치(18)를 오프시키고 있다. 이 경우는, 외부 단자(20, 21)에 부하나 충전기가 접속되면, 전류를 흐르게 할 수 있고, 충방전 가능한 상태이다.
외부 단자(20, 21)에 저항치가 작은 부하가 접속되고, 보호 소자(19)에서 설정한 과전류치보다 큰 전류가 흐른 경우는, 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트가 용단되고, 2차 전지(11)를 과전류로부터 보호한다.
외부 단자(20, 21)에 충전기가 접속되고 비정상인 충전이 진행되고, 과충전 검출 회로(14)가 2차 전지(11)의 과충전을 검출하면, 출력 단자(17)로부터 양극 전원 단자 전위를 출력하고 제어 스위치(18)를 온시킨다. 그리고, 보호 소자(19)의 발열 저항체에 전류를 흐르게 하고, 발생한 열로 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트를 용단시키고, 2차 전지(11)를 과충전으로부터 보호한다.
본 발명에서는, 제어 스위치(18)가 온하는 역치 전압을 과충전 검출 회로(14)의 최저 동작 전압보다 충분히 높게 하고 있다. 그렇게 함으로써, 만약 과충전 검출 회로(14)가 최저 동작 전압 미만에서 양극 단자 전위를 출력해 버려도, 제어 스위치(18)를 온할 수 없게 했다. 제어 스위치(18)는, 과충전 검출 회로(14)가 검출한 경우만 온하는 것이 바람직한다. 따라서 제어 스위치(18)의 역치 전압은 과충전 검출 회로(14)의 최저 동작 전압 이상 또한 과충전 검출 회로(14)에서 설정한 과충전 검출 전압 이하로 가능한 한 높은 전압으로 설정하면 된다.
이상과 같이, 제어 스위치(18)가 온하는 역치 전압을 과충전 검출 회로(14)의 최저 동작 전압 이상 또한 과충전 검출 전압 이하로 가능한 한 높은 전압으로 설정함으로써, 제어 스위치(18)는 온하지 않고, 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트를 용단시켜 버릴 우려가 없는 충방전 제어 장치 및 배터리 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
＜제2 실시 형태＞
도 2는, 제2 실시 형태의 배터리 장치의 회로도이다. 제1 실시 형태의 배터리 장치와의 차이는, 제어 스위치(23)와 같이 전계 효과 트랜지스터를 다단으로 쌓은 점이다.
제어 스위치(23)는, Nch 전계 효과 트랜지스터(27, 28), 입력 단자(26), 음극 전원 단자(24), 출력 단자(25)로 구성되어 있다. 음극 전원 단자(24)는 Nch 전계 효과 트랜지스터(27)의 소스 및 백 게이트와 접속된다. Nch 전계 효과 트랜지스터(27)의 게이트는, Nch 전계 효과 트랜지스터(27)의 드레인, Nch 전계 효과 트랜지스터(28)의 소스 및 백 게이트와 접속된다. Nch 전계 효과 트랜지스터(28)의 게이트는 입력 단자(26)와 드레인은 출력 단자(25)와 접속되어 있다.
상기와 같이 제어 스위치(23)를 구성함으로써, 제어 스위치(23)가 온하는 역치 전압은, Nch 전계 효과 트랜지스터(27)가 온하는 역치 전압과 Nch 전계 효과 트랜지스터(28)가 온하는 역치 전압을 합산한 것이 된다. 또, Nch 전계 효과 트랜지스터(28)의 백 게이트를 음극 전원 단자(24)와 접속함으로써, 제어 스위치(23)가 온하는 역치 전압은 Nch 전계 효과 트랜지스터(27)가 온하는 역치 전압과 Nch 전계 효과 트랜지스터(28)가 온하는 역치 전압을 합산한 것 보다 높아진다. 일례로서 제어 스위치(23)는 Nch 전계 효과 트랜지스터 2개로 했지만, Nch 전계 효과 트랜지스터(27)와 같은 접속의 Nch 전계 효과 트랜지스터의 수는 몇 개라도 설정 가능하며, 직렬 접속수를 늘림으로써 역치 전압을 상승시킬 수 있다.
이상과 같이, 제어 스위치(23)가 온하는 역치 전압을 과충전 검출 회로(14)의 최저 동작 전압 이상 또한 과충전 검출 전압 이하로 가능한 한 높은 전압으로 설정함으로써, 제어 스위치(23)는 온하지 않고, 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트를 용단시켜 버릴 우려가 없는 충방전 제어 장치 및 배터리 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
＜제３ 실시 형태＞
도 3은, 제３ 실시 형태의 배터리 장치의 회로도이다.
제３ 실시 형태의 배터리 장치는, 2차 전지(11)와 충방전 제어 장치(34)로 구성되어 있다. 충방전 제어 장치(34)는, 저항(12), 용량(13), 과충전 검출 회로(29), 제어 스위치(33), 발열 저항체와 퓨즈 엘리먼트가 설치되고, 발열 저항체가 통전 발열함으로써 퓨즈 엘리먼트가 용단되도록 한 보호 소자(19), 외부 단자(20, 21)로 구성되어 있다.
과충전 검출 회로(29)는, 양극 전원 단자(30)와 음극 전원 단자(31)를 입력 단자로 하고, 출력 단자(32)로부터 양극 전원 단자 전위 혹은, 음극 전원 단자 전위를 출력한다.
2차 전지(11)는, 음극은 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트와 저항(12)의 한쪽의 단자와 접속되고, 양극은 용량(13)의 한쪽의 단자, 양극 전원 단자(30), 제어 스위치(33)의 소스 및 백 게이트, 외부 단자(21)와 접속된다. 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트의 다른쪽의 단자는 외부 단자(20)와 접속된다. 음극 전원 단자(31)는, 저항(12)과 용량(13)의 다른쪽의 단자와 접속된다. 출력 단자(32)는 제어 스위치(33)의 게이트와 접속되고, 제어 스위치(33)의 드레인은 보호 소자(19)의 발열 저항체와 접속된다.
다음에, 제３ 실시 형태의 배터리 장치의 동작에 대해 설명한다.
2차 전지(11)가 과충전 검출 회로(29)에서 설정한 과충전 검출 전압 이하일 때, 과충전 검출 회로(29)는 출력 단자(32)로부터 양극 전원 단자 전위를 출력하고 있고, 제어 스위치(33)를 오프시키고 있다. 이 경우는, 외부 단자(20, 21)에 부하나 충전기가 접속되면, 전류를 흐르게 할 수 있고, 충방전 가능한 상태이다.
외부 단자(20, 21)에 저항치가 작은 부하가 접속되고, 보호 소자(19)에서 설정한 과전류치보다 큰 전류가 흐른 경우는, 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트가 용단되고, 2차 전지(11)를 과전류로부터 보호한다.
외부 단자(20, 21)에 충전기가 접속되어 비정상인 충전이 진행되고, 과충전 검출 회로(29)가 2차 전지(11)의 과충전을 검출하면 출력 단자(32)로부터 음극 전원 단자 전위를 출력하고 제어 스위치(33)를 온시킨다. 그리고, 보호 소자(19)의 발열 저항체에 전류를 흐르게 하고, 발생한 열로 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트를 용단시키고, 2차 전지(11)를 과충전으로부터 보호한다.
본 발명에서는, 제어 스위치(33)가 온하는 역치 전압의 절대치를 과충전 검출 회로(29)의 최저 동작 전압보다 충분히 높게 하고 있다. 그렇게 함으로써, 만약 과충전 검출 회로(29)가 최저 동작 전압 미만에서 음극 단자 전위를 출력해 버려도, 제어 스위치(33)를 온할 수 없게 했다. 제어 스위치(33)는, 과충전 검출 회로(29)가 검출한 경우만 온하는 것이 요구된다. 따라서 제어 스위치(33)의 역치 전압의 절대치는 과충전 검출 회로(29)의 최저 동작 전압 이상 또한 과충전 검출 회로(29)에서 설정한 과충전 검출 전압 이하로 가능한 한 높은 전압으로 설정하면 된다.
이상과 같이, 제어 스위치(33)가 온하는 역치 전압을 과충전 검출 회로(29)의 최저 동작 전압 이상 또한 과충전 검출 전압 이하로 가능한 한 높은 전압으로 설정함으로써, 제어 스위치(33)는 온하지 않고, 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트를 용단시켜 버릴 우려가 없는 충방전 제어 장치 및 배터리 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
＜제４ 실시 형태＞
도 4는, 제４ 실시 형태의 배터리 장치의 회로도이다. 제３ 실시 형태의 배터리 장치와의 차이는, 제어 스위치(35)와 같이 전계 효과 트랜지스터를 다단으로 쌓은 점이다.
제어 스위치(35)는, Pch 전계 효과 트랜지스터(39, 40), 입력 단자(38), 양극 전원 단자(36), 출력 단자(37)로 구성되어 있다. 양극 전원 단자(36)는 Pch 전계 효과 트랜지스터(39)의 소스 및 백 게이트와 접속된다. Pch 전계 효과 트랜지스터(40)의 게이트는, Pch 전계 효과 트랜지스터(39)의 드레인, Pch 전계 효과 트랜지스터(40)의 소스 및 백 게이트와 접속된다. Pch 전계 효과 트랜지스터(40)의 게이트는 입력 단자(38)와, 드레인은 출력 단자(37)와 접속되어 있다.
상기와 같이 제어 스위치(35)를 구성함으로써, 제어 스위치(35)가 온하는 역치 전압은, Pch 전계 효과 트랜지스터(39)가 온하는 역치 전압과 Pch 전계 효과 트랜지스터(40)가 온하는 역치 전압을 합산한 것이 된다. 또, Pch 전계 효과 트랜지스터(40)의 백 게이트를 양극 전원 단자(36)와 접속함으로써, 제어 스위치(35)가 온하는 역치 전압은 Pch계 효과 트랜지스터(39)가 온하는 역치 전압과 Pch 전계 효과 트랜지스터(40)가 온하는 역치 전압을 합산한 것보다 높아진다. 일례로서 제어 스위치(35)는 Pch 전계 효과 트랜지스터 2개로 했지만, Pch 전계 효과 트랜지스터(39)와 같은 접속의 Pch 전계 효과 트랜지스터의 수는 몇 개로라도 설정 가능하고, 직렬 접속수를 늘림으로써 역치 전압의 절대치를 상승시킬 수 있다.
이상과 같이, 제어 스위치(35)가 온하는 역치 전압의 절대치를 과충전 검출 회로(29)의 최저 동작 전압 이상 또한 과충전 검출 전압 이하로 가능한 한 높은 전압으로 설정함으로써, 제어 스위치(35)는 온하지 않고, 보호 소자(19)의 퓨즈 엘리먼트를 용단시켜 버릴 우려가 없는 충방전 제어 장치 및 배터리 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
11:2차 전지 14, 29:과충전 검출 회로
18, 23, 33, 35:제어 스위치 19:보호 소자
22, 34:충방전 제어 장치

Claims (2)

  1. 2차 전지를 보호하는 충방전 제어 장치로서,
    과충전을 검지하는 과충전 검출 회로와, 발열 저항체와 퓨즈 엘리먼트를 설치한 보호 소자와, 상기 과충전 검출 회로가 과충전을 검출한 경우에 상기 발열 저항체에 전류를 흐르게 하는 제어 스위치를 가지며,
    상기 제어 스위치가 온하는 역치 전압의 절대치는, 상기 과충전 검출 회로의 최저 동작 전압 이상 또한 과충전 검출 전압 이하인 것을 특징으로 하는 충방전 제어 장치.
  2. 2차 전지와,
    청구항 1에 기재된 충방전 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
KR1020150134792A 2014-09-25 2015-09-23 충방전 제어 장치 및 배터리 장치 KR20160036506A (ko)

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