KR20170010584A

KR20170010584A - 배터리 팩

Info

Publication number: KR20170010584A
Application number: KR1020150102402A
Authority: KR
Inventors: 최지연; 한종찬; 김기영
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2017-02-01
Also published as: US10298030B2; KR102460960B1; US20170025871A1

Abstract

다양한 실시예들에 따른 배터리 팩이 제공된다. 상기 배터리 팩은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하고 제1 및 제2 배터리 단자를 갖는 배터리, 제1 및 제2 팩 단자 및 제1 감지 단자를 포함하는 단자부, 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하기 위한 충전 및 방전 스위치들을 포함하고 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 팩 단자 사이에서 상기 배터리의 충전 전류 및 방전 전류가 흐르는 제1 대전류 경로 및 상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 팩 단자 사이의 제2 대전류 경로 및 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 감지 단자 사이에서 상기 배터리의 배터리 단자 전압의 기초를 제공하는 제1 전압 감지 경로를 포함한다.

Description

배터리 팩{Battery pack}

본 발명의 실시 예들은 배터리 팩에 관한 것이다.

휴대용 전자기기, 예를 들어 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등이 널리 사용됨에 따라서 이들 휴대용 전자기기를 동작시키기 위한 전원을 공급하는 배터리의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 배터리는 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 보호회로와 함께 배터리 팩 형태로 제공되며, 배터리를 효율적으로 충전하기 위한 충전 방법 및 장치에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다.

배터리는 정전류 충전 후에 정전압 충전을 수행하는 정전류-정전압(CC-CV) 충전 방식에 의해 충전될 수 있다. 정전류 충전 시의 충전 전류를 크게 하고 정전류 충전 구간을 길게 할 경우, 배터리의 충전 시간이 감소될 수 있다. 그러나, 배터리의 안전 충전 전류치를 초과하는 충전 전류로 충전을 하거나, 배터리의 전압이 소정의 전압치 이상인 경우에도 정전류 방식으로 충전될 경우, 배터리의 열화 속도가 크게 증가하는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 충전 장치는 배터리 팩의 단자간 전압 크기를 기준으로 소정의 전압치를 도달했는지 판단한다. 배터리 팩의 단자간 전압은 배터리의 전압보다 큰 값을 가지며, 배터리의 전압이 상기 소정의 전압치에 도달하기 전에 정전류 충전에서 정전압 충전으로 전환되어, 배터리의 충전 시간이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 배터리의 실제 전압에 근접한 전압 정보를 충전 장치에 제공하는 단자를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하고 제1 및 제2 배터리 단자를 갖는 배터리, 제1 및 제2 팩 단자 및 제1 감지 단자를 포함하는 단자부, 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하기 위한 충전 및 방전 스위치들을 포함하고 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 팩 단자 사이에서 상기 배터리의 충전 전류 및 방전 전류가 흐르는 제1 대전류 경로, 상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 팩 단자 사이의 제2 대전류 경로 및 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 감지 단자 사이에서 상기 배터리의 배터리 단자 전압의 기초를 제공하는 제1 전압 감지 경로를 포함한다.

상기 배터리 팩의 일 예에 따르면, 상기 배터리 단자 전압은 상기 제2 팩 단자와 상기 제1 감지 단자 사이의 전압으로 할 수 있다.

상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 제1 전압 감지 경로는 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 감지 단자 사이에 제1 저항을 더 포함할 수 있다.

상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 단자부는 제2 감지 단자를 더 포함할 수도 있다. 상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 감지 단자 사이에서 상기 배터리의 배터리 단자 전압의 기초를 제공하는 제2 전압 감지 경로를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 단자 전압은 상기 제1 감지 단자와 상기 제2 감지 단자 사이의 전압이 된다. 상기 제1 감지 단자와 상기 제2 감지 단자 사이의 전압은 상기 배터리 팩에서 정전류 정전압 충전제어 장치에 제공하는 배터리 단자의 전압으로 할 수 있다.

상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 제2 전압 감지 경로는 상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 감지 단자 사이에 제2 저항을 더 포함한다.

상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 팩은 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 대전류 경로는 상기 제1 대전류 경로를 제공하는 인쇄 회로 기판의 제1 배선 패턴으로 할 수 있다. 상기 제2 대전류 경로는 상기 제2 대전류 경로를 제공하는 인쇄 회로 기판의 제2 배선 패턴으로 할 수 있다. 상기 제1 전압 감지 경로는 상기 제1 전압 감지 경로를 제공하는 인쇄 회로 기판의 제3 배선 패턴으로 할 수 있다. 상기 제2 전압 감지 경로는 상기 제2 전압 감지 경로를 제공하는 인쇄 회로 기판의 제4 배선 패턴으로 할 수 있다.

상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 제1 배선 패턴은 상기 인쇄 회로 기판의 제1 면 상에 배치된다. 상기 제2 배선 패턴은 상기 인쇄 회로 기판의 제2 면 상에 상기 제1 배선 패턴과 중첩하도록 배치된다. 상기 제3 배선 패턴은 상기 인쇄 회로 기판의 상기 제1 면 상에 상기 제1 배선 패턴과 이격하여 인접하도록 배치된다. 상기 제4 배선 패턴은 상기 인쇄 회로 기판의 상기 제2 면 상에 상기 제2 배선 패턴과 이격하여 인접하도록 배치된다.

상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 제3 배선 패턴은 상기 제1 배선 패턴보다 폭이 좁고, 상기 제4 배선 패턴은 상기 제2 배선 패턴보다 폭이 좁게 할 수 있다.

상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 팩은 상기 제1 및 제2 팩 단자들 사이의 팩 단자 전압을 감지하고, 상기 팩 단자 전압을 기초로 상기 충전 및 방전 스위치들을 제어하는 보호회로를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 제1 대전류 경로 상에 상기 제1 배터리 단자와 상기 충전 및 방전 스위치들 사이에 연결되는 퓨즈를 더 포함하고, 제1 전압 감지 경로는 상기 퓨즈와 상기 충전 및 방전 스위치들 사이에서 분기된다.

본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 배터리의 전압과 실질적으로 동일한 전압이 외부에 제공될 수 있다. 충전 장치는 이 전압에 기초하여 정전류 충전에서 정전압 충전으로 전환할 수 있으므로, 정전류 충전의 구간이 증가되고 충전 시간이 단축될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 3은 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 충전 장치와 연결된 배터리 팩의 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 5a는 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 인쇄 회로 기판의 패턴을 개략적으로 도시한다
도 5b는 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 인쇄 회로 기판의 패턴을 개략적으로 도시한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시 예로부터 다른 실시 예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다. 즉 설명된 특정 세부사항들은 단순한 예시이다. 특정 구현들은 이러한 예시적인 세부사항들로부터 변할 수 있고, 본 발명의 정신 및 범위 내에서 계속 고려될 수 있다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.

도 1를 참조하면, 배터리 팩(10)은 배터리(20), 단자부(101), 및 스위치부(200)를 포함한다. 단자부(101)는 제1 팩 단자(113), 제2 팩 단자(115), 및 제1 감지 단자(111)를 포함한다. 배터리 팩(10)은 보호회로(203)를 더 포함할 수 있다.

스위치부(200)는 충전 스위치(201) 및 방전 스위치(202)를 포함한다. 배터리 팩(10)은 제1 대전류 경로(BR1), 제2 대전류 경로(BR2) 및 제1 전압 감지 경로(SR1)를 포함한다.

제1 배터리 단자(23)는 도 1에서 양극으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고 배터리(20)의 양극 단자나 음극 단자일 수 있다. 제2 배터리 단자(25)는 제1 배터리 단자(23)의 반대 극성 단자이다. 이하 제1 배터리 단자(23)는 배터리(20)의 양극으로 제2 배터리 단자(25)는 배터리(20)의 음극으로 가정한다.

배터리(20)는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀(21)을 포함한다. 배터리(20)에 하나의 배터리 셀(21)이 포함되거나, 배터리(20)에는 복수의 배터리 셀(21)들이 포함될 수 있으며, 배터리 셀(21)들은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 배터리(20)에 포함되는 배터리 셀(21)들의 개수 및 연결 방식은 요구되는 출력 전압 및 전력 저장 용량에 따라서 결정될 수 있다.

배터리 셀(21)은 충전이 가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(21)은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전치, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

보호회로(203)는 배터리(20)를 보호하기 위해 스위치부(200)를 제어한다. 보호회로(203)는 제1 대전류 경로(BR1)와 제2 대전류 경로(BR2) 상의 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 예컨대, 보호회로(203)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다.

보호회로(203)는 배터리(20)의 전류, 전압, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC)등을 얻을 수 있다. 예컨대, 보호회로(203)는 센서들을 이용하여 배터리 셀(21)의 셀 전압 및 온도를 측정할 수 있다.

배터리(20)에 과충전, 과방전, 과전류, 및 고온 등과 같은 이상 상황이 발생하였음을 감지하는 경우, 보호회로(203)는 충전 스위치(201) 및/또는 방전 스위치(202)를 개방하여 배터리(20)를 보호할 수 있다. 보호회로(203)는 충전 스위치(201) 및/또는 방전 스위치(202)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.

스위치부(200)는 제1 배터리 단자(23)와 제1 팩 단자(113) 사이의 충전 전류 및 방전 전류가 흐르는 제1 대전류 경로(BR1) 상에 배치된다. 스위치부(200)는 제어 신호에 따라 배터리(20)의 충전 및 방전을 차단할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 스위치부(200)는 배터리(20)의 제1 배터리 단자(23)와 제1 팩 단자(113) 사이에 배치될 수 있다. 스위치부(200)는 트랜지스터 또는 릴레이로 구성될 수 있다. 스위치부(200)는 각각 트랜지스터로 구성되는 방전 스위치(202)와 충전 스위치(201)를 포함할 수 있다.

충전 스위치(201)의 기생 다이오드(미도시)는 배터리(20)의 방전 전류가 흐르는 방향(배터리(20)의 제1 배터리 단자(23)로부터 제1 팩 단자(113)로 향하는 방향)이 순방향이 되도록 배치된다. 충전 스위치(201)가 오프되면, 배터리(20)의 충전 전류가 차단된다. 방전 스위치(202)의 기생 다이오드(미도시)는 배터리(20)의 충전 전류가 흐르는 방향(제1 팩 단자(113)로부터 배터리(20)의 제1 배터리 단자(23)로 향하는 방향)이 순방향이 되도록 배치된다. 방전 스위치(202)가 오프되면, 배터리(20)의 방전 전류가 차단된다.

다른 실시예에 따르면, 스위치부(200)는 충전과 방전을 모두 차단할 수 있는 하나의 릴레이 스위치를 포함할 수 있다.

제1 팩 단자(113)와 제2 팩 단자(115)는 외부 장치와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 예컨대 제1 및 제2 팩 단자들(113,115)은 전극이나 커넥터, 단자대, 랜드나 패드 등의 배선 패턴일 수 있다. 배터리(20)는 제1 팩 단자(113) 또는 제2 팩 단자(115)를 통해 외부 장치, 예컨대, 부하 장치에 전류나 전압을 공급하거나, 외부 장치, 예컨대, 충전 장치는 제1 팩 단자(113) 또는 제2 팩 단자(115)를 통해 배터리(20)에 충전 전류를 공급할 수 있다.

제1 대전류 경로(BR1)는 제1 팩 단자(113)와 제1 배터리 단자(23)를 양 끝점으로 하는 경로이다. 제2 대전류 경로(BR2)는 제2 팩 단자(115)와 제2 배터리 단자(25)를 양 끝점으로 하는 경로이다. 제1 및 제2 대전류 경로(BR1, BR2)는 각각 충전 전류 및 방전 전류가 흐르는 도선을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 대전류 경로(BR1, BR2)에는 도선 저항(미도시)이 존재한다. 또한, 제1 대전류 경로(BR1)상에는 충전 스위치(201) 및 방전 스위치(202)가 배치되므로, 충전 스위치(201) 및 방전 스위치(202)가 턴 온되더라더 충전 스위치(201) 및 방전 스위치(202)의 턴 온 저항(미도시)이 존재한다.

제1 팩 단자(113)와 제2 팩 단자(115) 사이의 팩 단자 전압(V1)은 실제 배터리(20)의 전압과 다소 차이가 있다. 제1 및 제2 대전류 경로(BR1, BR2) 상에 존재하는 저항들(예컨대, 도선 저항 및 턴 온 저항)로 인하여 제1 및 제2 대전류 경로(BR1, BR2)에 충전 전류 및 방전 전류가 흐르면 전압 강하가 발생하기 때문이다. 예컨대, 정전류 충전하는 경우, 수 암페어(A)의 충전 전류가 제1 및 제2 대전류 경로(BR1, BR2) 상에 흐를 수 있다. 상기 도선 저항은 수 밀리 옴(Ω)의 저항 값을 갖고 상기 턴 온 저항은 수십 밀리 옴(Ω)의 저항 값을 가질 수 있다. 이때, 제1 팩 단자(113)와 제2 팩 단자(115) 사이의 팩 단자 전압(V1)의 크기는 배터리(20)의 배터리 단자 전압(V0)의 크기보다 수백 밀리 볼트(V)정도 클 수 있다.

제1 감지 단자(111)는 제1 전압 감지 경로(SR1)가 최단 경로를 가질 수 있도록 배치될 수 있다. 제1 감지 단자(111)는 제1 팩 단자(113)의 근처에 배치될 수 있다. 제1 감지 단자(111)는 외부 장치에 제1 및 제2 배터리 단자들(23, 25) 사이의 배터리 단자 전압(V0)의 기초를 제공하며, 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 외부 장치는 제1 감지 단자(111)와 제2 팩 단자(115) 사이의 전압(V2)을 감지할 수 있다.

제1 전압 감지 경로(SR1)는 제1 배터리 단자(23)와 제1 감지 단자(111)를 양 끝점으로 하는 경로이다. 제1 전압 감지 경로(SR1)는 제1 배터리 단자(23)의 전압을 제1 감지 단자(111)에 전달하기 위한 도선을 포함할 수 있다. 제1 전압 감지 경로(SR1)는 제1 배터리 단자(23)의 전압을 제1 감지 단자(111)에 전달할 뿐이므로 제1 전압 감지 경로(SR1)에는 미세한 전류 또는 무시할 수 있는 전류만이 흐른다. 제1 전압 감지 경로(SR1)에 수 밀리 옴(Ω)의 도선 저항(미도시)이 존재하더라도, 제1 전압 감지 경로(SR1)에는 미세한 전류만이 흐르므로, 제1 전압 감지 경로(SR1) 상의 전압 강하는 무시할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제2 대전류 경로(BR2) 상에는 스위치가 배치되지 않으므로, 제2 대전류 경로(BR2)는 제1 대전류 경로(BR1)에 비해 낮은 저항값을 갖는다. 따라서, 충전 전류 및 방전 전류가 흐르더라도, 제2 대전류 경로(BR2)의 전압 강하의 크기는 제1 대전류 경로(BR1)의 전압 강하에 비해 작다.

일 실시예에 따르면, 제1 감지 단자(111)는 제2 팩 단자(115)와 함께 제1 및 제2 배터리 단자들(23, 25) 사이의 배터리 단자 전압(V0)에 근사한 전압(V2)을 제공할 수 있다. 제1 감지 단자(111)와 제2 팩 단자(115) 사이의 전압(V2)은 제1 팩 단자(113)와 제2 팩 단자(115) 사이의 전압(V1)에 비해 배터리(20)의 실제 전압, 즉, 제1 및 제2 배터리 단자들(23, 25) 사이의 배터리 단자 전압(V0)에 근사하다.

도 2은 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 개략적인 구성을 도시한다.

도 2를 참조하면, 배터리 팩(10a)은 배터리(20), 단자부(101a), 및 스위치부(200)를 포함한다. 배터리(20), 및 스위치부(200)는 도 1의 배터리(20), 및 스위치부(200)와 각각 대응하므로 반복하여 설명하지는 않는다.

단자부(101a)는 제1 팩 단자(113), 제2 팩 단자(115), 제1 감지 단자(111), 및 제2 감지 단자(117)를 포함한다. 제1 팩 단자(113), 제2 팩 단자(115), 및 제1 감지 단자(111)는 도 1을 참조로 앞에서 설명하였으므로, 반복하여 설명하지 않는다.

제2 감지 단자(117)는 제2 전압 감지 경로(SR2)가 최단 경로를 가질 수 있도록 배치될 수 있다. 제2 감지 단자(117)는 제2 팩 단자(115)의 근처에 배치될 수 있다. 제1 감지 단자(111)와 제2 감지 단자(117)는 외부 장치에 연결될 수 있으며, 제1 및 제2 배터리 단자들(23, 25) 사이의 배터리 단자 전압(V0)과 실질적으로 동일한 감지 단자 전압(V3)을 상기 외부 장치에 제공할 수 있다.

제2 전압 감지 경로(SR2)는 제2 배터리 단자(25)와 제2 감지 단자(117)를 양 끝점으로 하는 경로를 나타낸다. 제2 전압 감지 경로(SR2)는 제2 배터리 단자(25)의 전압을 제2 감지 단자(117)에 전달하기 위한 도선을 포함할 수 있다. 도 1를 참조하여 설명한 바와 같이, 제2 전압 감지 경로(SR2)는 제1 전압 감지 경로(SR1)와 마찬가지로 미세한 전류만이 흐르므로, 제2 전압 감지 경로(SR2) 상의 전압 강하는 무시할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제2 감지 단자(117)와 제1 감지 단자(111)는 제1 및 제2 배터리 단자들(23, 25) 사이의 배터리 단자 전압(V0)과 실질적으로 동일한 감지 단자 전압(V3)을 제공한다. 제1 및 제2 전압 감지 경로(SR1, SR2) 상의 전압 강하는 무시할 수 있으므로, 제1 감지 단자(111)와 제2 감지 단자(117) 사이의 감지 단자 전압(V3)은 제1 및 제2 배터리 단자들(23, 25) 사이의 배터리 단자 전압(V0)과 실질적으로 동일한 크기를 갖는다.

한편, 충전 장치는 배터리(20)의 급속 충전을 위해 충전 전류의 크기를 증가시킬 수 있다. 상기 충전 전류의 크기가 증가되어도 제1 및 제2 전압 감지 경로(SR1, SR2)에 흐르는 전류의 크기는 변하지 않는다. 제1 감지 단자(111)와 제2 감지 단자(117)는 상기 충전 전류의 크기의 변화에 영향을 받지 않고 실제 배터리(20)의 배터리 단자 전압(V0)과 실질적으로 동일한 감지 단자 전압(V3)을 제공할 수 있다.

제1 팩 단자(113)와 제2 팩 단자(115) 사이의 팩 단자 전압(V1)은 제1 및 제2 대전류 경로(BR1, BR2) 상의 전압 강하에 의해 배터리(20)의 배터리 단자 전압(V0)과 수백 밀리 볼트(V) 정도의 차이가 날 수 있다. 한편, 급속 충전을 위해 충전 전류의 크기를 증가시키면, 제1 및 제2 대전류 경로(BR1, BR2) 상에 흐르는 전류의 크기가 증가함에 따라 전압 강하도 커진다. 제1 및 제2 팩 단자들(113, 115) 사이의 팩 단자 전압(V1)은 상기 충전 전류의 크기가 커질수록 배터리(20)의 배터리 단자 전압(V0)과 더 큰 차이를 갖게 된다.

도 3은 도 2에 도시된 배터리 팩과 이에 연결되는 충전 장치의 구성을 도시한다.

도 3을 참조하면, 충전 장치(301)는 전압 검출부(311)와 정전류-정전압 충전 제어부(313) 및 충전부(315)를 포함한다. 충전 장치(301)는 외부 전원을 이용하여 배터리 팩(10a)을 충전할 수 있다. 충전 장치(301)는 제1 및 제2 팩 단자들(113, 115) 및 제1 및 제2 감지 단자들(111, 117)을 통해 배터리 팩(10a)에 연결될 수 있다.

충전부(315)는 외부 전원을 정전류 및 정전압으로 변환하는 정전류 및 정전압을 출력하는 장치이다. 충전부(315)는 정전류-정전압 충전 제어부(313)로부터의 제어 신호에 따라 정전류를 출력하거나 정전압을 출력할 수 있다. 충전부(315)는 제1 팩 단자(113) 및 제2 팩 단자(115)를 통해 배터리 팩(10a)에 정전류 및 정전압을 공급한다.

전압 검출부(311)는 제1 감지 단자(111)와 제2 감지 단자(117) 사이의 감지 단자 전압(V3)을 검출한다. 전압 검출부(311)는 검출된 감지 단자 전압(V3)에 관한 전압 정보를 정전류-정전압 충전 제어부(313)에 제공한다.

정전류-정전압 충전 제어부(313)는 전압 검출부(311)에 의해 검출된 감지 단자 전압(V3)을 기초로 충전 장치(301)의 충전 모드를 정전류 충전 모드와 정전압 충전 모드 중 하나로 결정한다.

정전류 충전 모드에서, 충전부(315)는 정전류-정전압 충전 제어부(313)의 제어에 따라 정전류를 배터리 팩(10a)에 공급한다. 배터리 팩(10a)은 충전부(315)에 의해 공급되는 정전류에 의해 충전되며, 배터리(20)의 배터리 단자 전압(V0)의 레벨은 점점 상승한다. 전압 검출부(311)는 배터리 팩(10a)의 제1 및 제2 감지 단자들(111, 117) 사이의 감지 단자 전압(V3)을 검출한다. 상술한 바와 같이, 제1 및 제2 감지 단자들(111, 117) 사이의 감지 단자 전압(V3)의 레벨은 배터리(20)의 배터리 단자 전압(V0)의 레벨과 실질적으로 동일하다. 전압 검출부(311)에 의해 검출된 배터리 팩(10a)의 감지 단자 전압(V3)이 미리 결정된 모드 전환 전압에 도달하면, 정전류-정전압 충전 제어부(313)는 충전 모드를 정전류 충전 모드에서 정전압 충전 모드로 전환할 수 있다.

정전압 충전 모드에서, 충전부(315)는 정전류-정전압 충전 제어부(313)의 제어에 따라 정전압을 배터리 팩(10a)에 공급한다. 배터리 팩(10a)은 충전부(315)에 의해 공급되는 정전압에 의해 충전되며, 배터리(20)의 배터리 단자 전압(V0)의 레벨은 충전부(315)에 의해 공급되는 정전압의 레벨과 동일해질 때까지 상승한다. 배터리(20)의 배터리 단자 전압(V0)의 레벨이 상승함에 따라, 배터리(20)에 인가되는 충전 전류는 점점 감소한다. 배터리(20)의 배터리 단자 전압(V0)의 레벨이 충전부(315)에 의해 공급되는 정전압의 레벨과 실질적으로 동일해지면, 배터리(20)에 인가되는 충전 전류는 실질적으로 0이 된다. 충전부(315)에서 출력하는 전류가 실질적으로 0이 되면, 배터리 팩(10a)의 충전이 완료된 것이므로, 정전류-정전압 충전 제어부(313)는 충전 동작을 종료할 수 있다.

제1 및 제2 팩 단자들(113, 115) 사이의 팩 단자 전압(V1)을 기초로 정전류 충전 모드와 정전압 충전 모드 간의 전환을 결정할 경우, 정전류 충전 구간이 짧아지게 되어, 총 충전 시간이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제1 및 제2 대전류 경로(BR1, BR2)에는 상당한 크기의 저항, 예컨대, 도선 저항 및 스위치의 턴 온 저항이 존재할 뿐만 아니라, 상당한 크기의 충전 전류 및 방전 전류가 흐른다. 따라서, 제1 및 제2 팩 단자(들113, 115) 사이의 팩 단자 전압(V1)과 배터리 단자 전압(V0) 간에는 상당한 차이가 존재한다. 예컨대, 충전 모드에서, 팩 단자 전압(V1)은 배터리 단자 전압(V0)에 비해 수백 밀리볼트(mV) 정도 클 수 있다. 따라서, 팩 단자 전압(V1)이 상기 모드 전환 전압에 도달하더라도, 실제 배터리 단자 전압(V0)은 상기 모드 전환 전압에 도달하지 않은 상태이다. 즉, 정전류 충전 모드로 배터리 팩(10a)을 충전할 수 있는 상황임에도, 정전압 충전 모드로 전환되므로, 정전류 충전 구간이 짧아지게 된다.

구체적인 실험결과에 따르면, 전압 검출부(311)가 제1 팩 단자(113)와 제2 팩 단자(115) 사이의 팩 단자 전압(V1)을 측정하는 경우, 배터리의 충전 상태(SOC)가 80%되는데 걸리는 충전시간은 평균 67.77분이고, 제1 및 제2 감지 단자들(111, 117) 사이의 감지 단자 전압(V3)을 기준으로 하는 경우에는 배터리의 충전 상태(SOC)가 80%되는데 걸리는 충전시간은 평균 52.49분이다. 제1 및 제2 감지 단자들(111, 117) 사이의 감지 단자 전압(V3)을 기준으로 정전류 모드 종료여부를 판단하는 것이 제1 및 제2 팩 단자들(113,115) 사이의 팩 단자 전압(V1)을 기준으로 하는 것보다 15.28분이 단축된다. 결국 제1 및 제2 감지 단자들(111, 117)을 포함하는 배터리 팩(10a)이 22.54%정도의 충전 시간을 단축한다.

도 4는 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 개략적인 구성을 도시한다.

도 4를 참조하면 배터리 팩(10b)은 배터리(20), 단자부(101a), 보호회로(203), 스위치부(200)를 포함한다. 배터리(20), 보호회로(203), 스위치부(200) 및 단자부(101a)는 도 2에 도시된 배터리(20), 보호회로(203), 스위치부(200) 및 단자부(101a)에 각각 대응하므로 반복하여 설명하지는 않는다.

제1 저항(R1)은 제1 감지 단자(111)와 제1 배터리 단자(23) 사이에 연결된다. 제2 저항(R2)은 제2 감지 단자(117)와 제2 배터리 단자(25) 사이에 연결된다. 상기 저항들은, 단자부(101a)의 단자들간 단락된 경우, 제1 및 제2 전압 감지 경로(SR1, SR2)에 흐르는 전류의 크기를 일정 범위로 제한하기 위해 상기 경로에 배치된다.

일 실시예에 따르면, 제1 전압 감지 경로(SR1)에는 제1 저항(R1)이, 제2 전압 감지 경로(SR2)에는 제2 저항(R2)이 배치된다. 제1 감지 단자(111)가 제2 팩 단자(115) 또는 제2 감지 단자(117)와 단락된 경우, 제1 전압 감지 경로(SR1)에 단락 전류가 흐르게 된다. 이때 제1 저항(R1)은 상기 단자간 단락으로 발생하는 상기 전류의 크기를 일정 범위 내로 제한할 수 있다. 마찬가지로, 제2 저항(R2)은 제2 감지 단자(117)와 다른 단자가 단락된 경우를 대비하여 제2 전압 감지 경로(SR2)에 배치할 수 있다. 구체적으로, 배터리(20)가 상기 단자간 단락으로 발생한 전류에 의해 손상되지 않도록, 제1 및 제2 저항(R1, R2)의 값을 결정할 수 있을 것이다.

다른 실시예에 따르면, 퓨즈(400)는 제1 배터리 단자(23)와 제1 전압 감지 경로(SR1) 및 제1 대전류 경로(BR2)의 분기점 사이에 배치된다. 제1 또는 제2 전압 감지 경로(SR1, SR2)에 단자부의 단자간 단락으로 단락 전류가 흐르는 경우, 퓨즈(400)는 일정크기 이상의 단락전류가 흐르게 되면 대전류 경로를 차단시켜 배터리(20)의 손상을 최소화할 수 있다.

도 5a는 일 실시예에 따른 배터리 팩에 포함된 인쇄 회로 기판의 패턴을 개략적으로 도시한다.

도 5a를 참조 하면, 배터리 팩(10a)은 인쇄 회로 기판(31)을 더 포함한다. 제1 대전류 경로(BR1)를 제공하는 제1 배선 패턴(33)과 제1 전압 감지 경로(SR1)를 제공하는 제3 배선 패턴(35)은 인쇄 회로 기판(31)의 제1 면상에 배치된다. 상기 제3 배선 패턴(35)은 상기 제1 배선 패턴(33)과 이격하여 인접하도록 배치되어 절연된다. 한편, 제3 배선 패턴(35)에는 충방전 전류가 흐르지 않으므로, 제3 배선 패턴(35)의 폭은 제1 배선 패턴(33)의 폭보다 좁게 인쇄 회로 기판(31)의 제2면 상에 배치된다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 단자 패드(24)는 제1 배터리 단자(미도시)에 직접 접촉된다. 제1 배터리 단자(미도시)에 제1 단자 패드(24)를 직접 접촉함으로써 제1 배터리 단자(23)의 전압이 왜곡되어 전달되는 것을 최소화 할 수 있다. 제1 배선 패턴(33)상에 스위치부(200)가 배치될 수 있다. 상기 스위치부(200)는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 보호회로(203)의 제어신호에 따라 턴온/턴오프된다. 제3 배선 패턴(35)상에 제1 저항(R1)이 배치될 수 있다. 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 저항(R1)은 상기 패턴들이 단락된 경우에 제3 배선 패턴(35)에 흐르는 단락 전류를 제한할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 제1 배선 패턴(33)은 제1 배터리 단자(23)와 스위치부(200) 사이에 연결되는 퓨즈를 더 포함하고, 제3 배선 패턴(35)은 상기 퓨즈와 스위치부(200) 사이에서 분기된다. 상기 퓨즈는 일정크기 이상의 단락전류가 흐르게 되면 대전류 경로를 차단시켜 배터리(20)의 손상을 최소화할 수 있다.

도 5b는 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 인쇄 회로 기판의 패턴을 개략적으로 도시한다

도면 5b를 참조 하면, 제2 대전류 경로(BR2)를 제공하는 제2 배선 패턴(34)과 제2 전압 감지 경로(SR2)를 제공하는 제4 배선 패턴(36)은 인쇄 회로 기판(31)의 제1 면상에 배치된다. 상기 제4 배선 패턴(36)은 상기 제2 배선 패턴(34)과 이격하여 인접하도록 배치되어 상호간 절연된다.

제2 배선 패턴(34)은 인쇄 회로 기판(31)의 제2 면 상에 제1 배선 패턴(33)과 중첩되도록 배치된다. 상기 제4 배선 패턴(36)에는 충방전 전류가 흐르지 않는바 상기 제4 배선 패턴(36)의 폭은 제2 배선 패턴(34)의 폭보다 좁게 상기 인쇄 회로 기판(31)의 제2면 상에 배치된다.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 단자 패드(26)는 제2 배터리 단자(미도시)에 직접 접촉된다. 제2 배터리 단자(미도시)에 제2 단자 패드(26)를 직접 접촉함으로써 제2 배터리 단자(미도시)의 전압이 왜곡되어 전달되는 것을 최소화 할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 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 실시예들은 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.

10: 배터리 팩 20: 배터리 21: 배터리의 셀
23: 제1 배터리 단자 24: 제1 단자 패드 25: 제2 배터리 단자
26: 제2 단자 패드 31: 인쇄 회로 기판 33: 제1 배선 패턴
34: 제2 배선 패턴 35:제3 배선 패턴 36:제4 배선 패턴
101: 단자부 111: 제1 감지 단자 113: 제1 팩 단자
115: 제2 팩 단자 117: 제2 감지 단자 200: 스위치부
201: 충전 스위치 202: 방전 스위치 203: 보호회로
301: 충전 장치 311: 전압 검출부
313: 정전류-정전압 충전 제어부 315: 충전부 400: 퓨즈 SR1: 제1 전압 감지 경로 SR2: 제2 전압 감지 경로BR1: 제1 대전류 경로 BR2: 제2 대전류 경로

Claims

적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하고 제1 및 제2 배터리 단자를 갖는 배터리;
제1 및 제2 팩 단자 및 제1 감지 단자를 포함하는 단자부;
상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하기 위한 충전 및 방전 스위치들을 포함하고, 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 팩 단자 사이에서 상기 배터리의 충전 전류 및 방전 전류가 흐르는 제1 대전류 경로;
상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 팩 단자 사이의 제2 대전류 경로; 및
상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 감지 단자 사이에서 상기 배터리의 배터리 단자 전압의 기초를 제공하는 제1 전압 감지 경로;를 포함하는 배터리 팩.
제1 항에 있어서,
상기 배터리 단자 전압은 상기 제2 팩 단자와 상기 제1 감지 단자 사이의 전압인 배터리 팩.
제1 항에 있어서,
상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 감지 단자 사이의 상기 제1 전압 감지 경로 상의 제1 저항을 더 포함하는 배터리 팩.
제1 항에 있어서,
상기 단자부는 제2 감지 단자를 더 포함하고,
상기 배터리 팩은 상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 감지 단자 사이에서 상기 배터리의 배터리 단자 전압의 기초를 제공하는 제2 전압 감지 경로를 더 포함하는 배터리 팩.
제4 항에 있어서
상기 배터리 단자 전압은 상기 제1 감지 단자와 상기 제2 감지 단자 사이의 전압인 배터리 팩.
제4 항에 있어서,
상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 감지 단자 사이의 상기 제2 전압 감지 경로 상에 제2 저항을 더 포함하는 배터리 팩.
제4 항에 있어서,
상기 제1 대전류 경로를 제공하는 제1 배선 패턴, 상기 제2 대전류 경로를 제공하는 제2 배선 패턴, 상기 제1 전압 감지 경로를 제공하는 제3 배선 패턴, 및 상기 제2 전압 감지 경로를 제공하는 제4 배선 패턴을 포함하는 인쇄 회로 기판을 더 포함하는 배터리 팩.
제4 항에 있어서,
상기 제1 배선 패턴은 상기 인쇄 회로 기판의 제1 면 상에 배치되고,
상기 제2 배선 패턴은 상기 인쇄 회로 기판의 제2 면 상에 상기 제1 배선 패턴과 중첩하도록 배치되며,
상기 제3 배선 패턴은 상기 인쇄 회로 기판의 상기 제1 면 상에 상기 제1 배선 패턴과 이격하여 인접하도록 배치되며,
상기 제4 배선 패턴은 상기 인쇄 회로 기판의 상기 제2 면 상에 상기 제2 배선 패턴과 이격하여 인접하도록 배치되는 배터리 팩.
제4 항에 있어서,
상기 제3 배선 패턴은 상기 제1 배선 패턴보다 폭이 좁고, 상기 제4 배선 패턴은 상기 제2 배선 패턴보다 폭이 좁은 배터리 팩.
제1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 팩 단자들 사이의 팩 단자 전압을 감지하고, 상기 팩 단자 전압을 기초로 상기 충전 및 방전 스위치들을 제어하는 보호회로를 더 포함하는 배터리 팩.
제1 항에 있어서,
상기 제1 대전류 경로 상에 상기 제1 배터리 단자와 상기 충전 및 방전 스위치들 사이에 연결되는 퓨즈를 더 포함하고, 제1 전압 감지 경로는 상기 퓨즈와 상기 충전 및 방전 스위치들 사이에서 분기되는 배터리 팩.