KR20180050960A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 청소기 - Google Patents

배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 청소기 Download PDF

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Abstract

배터리 팩 및 전기 청소기의 다양한 실시예가 개시된다. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 상기 배터리와 전기적으로 연결되고, 외부 부하와 연결되는 제1 팩 단자 및 제2 팩 단자, 제1 제어 신호에 따라 상기 배터리의 방전 전류를 단속하는 제1 스위치, 제2 제어 신호에 따라 개폐되고, 상기 제1 팩 단자 및 상기 제2 팩 단자의 전압 중 어느 한 전압을 이용하여 상기 제1 제어 신호에 의해 턴 온된 상기 제1 스위치를 개방시키는 제2 스위치, 및 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 출력하는 배터리 팩을 개시하고, 상기 배터리 팩을 포함하는 전기 청소기를 개시한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 청소기{The battery pack and a vacuum cleaner including the same}
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 청소기에 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 충전 스위치 및 방전 스위치를 포함하고 있으며, 배터리의 과충전 또는 과방전 등으로 배터리를 보호할 필요가 있는 경우 충전 스위치 및 방전 스위치 중 적어도 하나를 턴 오프시킨다. 배터리를 보호할 필요가 없는 상황에서는 충전 스위치 및 방전 스위치를 계속하여 턴온시켜 배터리를 충전 또는 방전시키는 것이 일반적이다.
한편, 배터리 팩이 큰 파워를 필요로 하는 전동공구, 전기 청소기 등에 포함된 모터에 전력을 공급하는 경우에, 상기 모터를 안정적으로 구동시키기 위해 상기 배터리 팩의 양단에 고용량의 커패시터가 장착되는게 일반적이다. 이 경우, 상기 모터를 작동시키기 위해 커패시터와 배터리 팩이 전기적으로 연결되는 순간에 상기 커패시터로 유입되는 큰 돌입 전류가 상기 배터리 팩에서 발생하고, 상기 돌입전류의 흐름으로 상기 배터리 팩의 보호 소자들이 손상될 우려가 큰 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배터리 팩 단자의 전압을 이용하여 상기 방전 스위치를 강제로 개폐시킬 수 있는 별도의 스위치를 더 포함하고, 상기 별도의 스위치를 제어하여 방전 스위치의 단위 시간 당 턴 온되는 비율을 조정하여 배터리 팩에 연결된 부하로 초기에 돌입되는 돌입 전류의 크기를 제어할 수 있고, 저전력으로 방전 스위치를 펄스 폭 변조 신호에 대응하여 개폐시킬 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 청소기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 상기 배터리와 전기적으로 연결되고, 외부 부하와 연결되는 제1 팩 단자 및 제2 팩 단자, 제1 제어 신호에 따라 상기 배터리의 방전 전류를 단속하는 제1 스위치, 제2 제어 신호에 따라 개폐되고, 상기 제1 팩 단자 및 상기 제2 팩 단자의 전압 중 어느 한 전압을 이용하여 상기 제1 제어 신호에 의해 턴 온된 상기 제1 스위치를 개방시키는 제2 스위치, 및 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 출력하는 배터리 관리부를 포함한다.
배터리 팩의 일 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 듀티비에 따라 펄스 폭이 변경되는 펄스 폭 변조 신호를 제2 제어 신호로 출력하는 것을 특징으로 한다.
배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 방전을 시작하는 방전 개시점에 미리 설정된 제1 듀티비를 갖는 상기 제2 제어 신호를 출력하여 상기 배터리의 방전 전류의 크기를 제한하는 것을 특징으로 한다.
배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 방전 개시점은 상기 제1 팩 단자 및 상기 제2 팩 단자 사이에 상기 외부 부하의 전기적 연결을 감지하거나, 외부로부터 기동 신호를 인가로 상기 외부 부하가 상기 제1 팩 단자 및 상기 제2 팩 단자 사이에 전기적으로 연결되는 시점인 것을 특징으로 한다.
배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 제1 듀티비를 갖는 제2 제어 신호를 출력한 후에 상기 제2 제어 신호의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 전압을 센싱하고 상기 제1 제어 신호를 출력하는 보호 회로 및 상기 제2 제어 신호를 출력하는 마이크로 컨트롤러 유닛을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기 청소기는 배터리 팩, 상기 배터리 팩과 전기적으로 연결되는 커패시터, 및 상기 커패시터와 병렬로 연결되는 모터를 포함하고, 상기 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 상기 배터리와 전기적으로 연결되고 상기 커패시터 및 모터와 전기적으로 연결되는 제1 팩 단자 및 제2 팩 단자, 제1 제어 신호에 따라 상기 배터리의 방전 전류를 단속하는 제1 스위치, 제2 제어 신호에 따라 개폐되고, 상기 제1 팩 단자 및 상기 제2 팩 단자의 전압 중 어느 한 전압을 이용하여 상기 제1 제어 신호에 의해 턴 온된 제1 스위치를 개방시키는 제2 스위치, 및 상기 제1 제어 신호 및 제2 제어 신호를 출력하는 배터리 관리부를 포함한다.
전기 청소기의 일 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 듀티비에 따라 펄스 폭이 변경되는 펄스 폭 변조 신호를 상기 제2 제어 신호로 출력하는 것을 특징으로 한다.
전기 청소기의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리가 방전을 시작하는 방전 개시점에, 미리 설정된 제1 듀티비를 갖는 제2 제어 신호를 출력하여 상기 커패시터로 초기에 유입되는 전류인 돌입 전류의 크기를 저감시키는 것을 특징으로 한다.
전기 청소기의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 제1 듀티비를 갖는 상기 제2 제어 신호를 출력한 후에 상기 제2 제어 신호의 듀티비를 점차 감소시키는 것을 특징으로 한다.
다양한 실시예에 따른 배터리 팩 및 이를 포함하는 전기 청소기는 배터리 팩 단자의 전압을 이용하여 상기 방전 스위치를 강제로 개폐시킬 수 있는 별도의 스위치를 더 포함하고, 상기 별도의 스위치를 제어하여 방전 스위치의 단위 시간 당 턴 온되는 비율을 조정하여 배터리 팩에 연결된 부하로 초기에 돌입되는 돌입 전류의 크기를 제어할 수 있고, 저전력으로 방전 스위치를 펄스 폭 변조 신호에 대응하여 개폐시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩이 외부 부하와 연결된 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성을 간략하게 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 청소기의 내부 구성을 간략하게 도시한 블록도이다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩과 외부 부하가 연결된 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 외부 부하(200)는 부하(220) 및 부하(220)에 안정적인 전원을 제공하도록 배터리 팩(100)과 병렬로 연결된 커패시터(210)를 포함한다.
배터리 팩(100)은 외부 계통으로부터 전원을 공급받아 저장하고, 부하(220)에 저장한 전력을 공급할 수 있다. 배터리 팩(100)은 과전류에 의해 배터리 팩(100)에 포함된 배터리 셀(113)이나 보호 소자(미도시)들이 손상 또는 폭발되지 않도록 내부에 과전류가 흐르면 개방되는 보호 스위치를 포함하고 있다.
부하(220)는 배터리(110)와 커패시터(210)에 저장된 전원을 공급받아 배터리 팩(100)에 저장된 전력을 소비한다. 부하(220)는 진공 전기 청소기나 전동 공구등 모터를 포함하는 장치일 수 있다. 부하(220)는 배터리 팩(100)에 저장된 전력을 공급받아 상기 모터를 회전시킬 수 있다.
커패시터(210)는 부하(220)에 배터리 팩(100)의 전력을 안정적으로 공급시키기 위해 배터리 팩(100)과 부하(220) 사이에 배치된다. 커패시터(210)는 배터리 팩(100)의 전압이 일정한 값으로 부하(220)에 인가될 수 있도록 배터리 팩(100)의 전압을 안정화시킬 수 있다. 예컨대, 커패시터(210)는 모터로부터 발생하는 노이즈를 흡수할 수 있다. 또한, 커패시터(210)는 모터와 같은 인덕터 부하(220)와 연결된 경우에 상기 역률을 보상할 수 있다.
배터리 팩(100)은 커패시터(210)와 전기적으로 연결되면 방전하여 커패시터(210)를 충전시킨다. 커패시터(210)의 충전이 완료되면, 부하(220)는 작동을 시작(기동)한다. 커패시터(210)의 충전이 시작되고 부하(220)가 작동을 시작되기까지 소요되는 시간을 지연 시간(start delay time)이라 하며, 예컨대, 상기 지연 시간은 전기 청소기나 전동 공구에서 기동 신호가 인가된 후 전기 청소기나 전동 공구에 포함된 모터가 작동되기까지 시간이다.
배터리 팩(100)이 기동 신호 등에 의해 커패시터(210)와 전기적으로 연결되는 시점(이하, 방전 개시점)에 배터리 팩(100)과 커패시터(210) 사이에 별도의 저항 소자가 없는 경우, 배터리 팩은 상당히 큰 전류를 방전하여 커패시터(210)를 충전시킨다. 상기 방전 개시점에 커패시터로 유입되는 전류를 돌입 전류라 한다. 구체적으로, 배터리 팩(100)이 커패시터(210)를 충전시키기 위해 방전하는 전류의 크기는 배터리 팩(100)의 전압 및 커패시터(210)의 전압 차이, 커패시터(210)와 배터리 팩(100) 사이의 도선의 저항과 배터리 팩(100)의 내부 저항에 의해 결정된다. 즉, 커패시터(210)를 충전시키는 전류의 크기는 배터리 팩(100)의 전압에 커패시터(210)의 전압을 뺀 값에서 상기 도선의 저항과 배터리 팩(100)의 내부 저항의 합으로 나눈 값이 된다. 배터리 팩(100)이 커패시터(210)를 충전시키기 시작하는 시점에 커패시터(210)의 양단에 걸리는 전압은 0V 근방의 값을 갖는다. 예를 들면, 배터리 팩(100)의 전압이 37.8V이고 커패시터(210)가 충전되기 전에의 전압이 0V이고 상기 내부 저항 및 도선의 저항 합이 150mΩ인 경우, 커패시터(210)의 충전을 시작하는 시점에 방전 전류(이를, 돌입 전류라 한다)의 크기는 37.8/015로 약 252A가 된다.
한편, 상기 방전 개시점은 외부로부터 기동 신호를 인가 받아 배터리 팩과(100)과 커패시터(210)를 전기적으로 연결시키는 시점으로, 상기 기동 신호에 따라 배터리 팩(100)에 포함된 별도의 스위칭 소자 또는 외부 부하(200)에 포함된 별도의 스위칭 소자의 턴 온으로 배터리 팩과(100)과 커패시터(210)이 전기적으로 연결되거나, 배터리 팩(100)의 제1 스위치(130)가 턴 온되어 배터리 팩과(100)과 커패시터(210)이 전기적으로 연결될 수 있다.
이처럼, 커패시터(210)의 충전을 시작하는 시점에 배터리 팩(100)이 방전하여 커패시터(210)에 유입되는 돌입 전류의 크기는 상당히 큰 값을 갖는다. 상기 돌입 전류의 크기를 제한하지 않으면 배터리 팩(100)의 보호 소자(미도시)인 퓨즈(미도시)나 릴레이(미도시) 등이 비정상적으로 개방될 수 있어 상기 부하(220)에 정상적으로 전력을 공급할 수 없다.
이런 점을 고려하여, 상기 배터리 팩(100)은 커패시터(210)의 초기 충전 전류인 상기 돌입 전류를 제한하기 위해 저항 및 스위치를 포함하는 별도의 경로를 형성할 수 있다. 이 경우, 배터리 팩(100)은 저항 및 고성능의 FET 스위치를 포함해야 한다. 커패시터(210)의 충전이 진행되어 커패시터(210)의 양단의 전압과 배터리 팩(100)의 전압간 차이(이하, 돌입 전압)가 작아지더라도 상기 저항 소자에 의한 전류 값으로 커패시터(210)를 충전시킨다. 즉, 커패시터(210)의 충전이 진행될수록 커패시터(210)를 충전시키는 방전 전류의 크기는 점차 작아지게 된다. 이런 점에서, 상기 별도의 경로를 형성하는 것은 커패시터(210)의 만충전까지 소요되는 시간을 상당히 늦추게 되고, 상기 방전 개시점부터 부하(220)를 작동시키는데 소요되는 시간인 지연 시간도 상당히 길어지게 되어 비효율적이다. 이런 점에서, 커패시터(210)에 유입되는 상기 돌입 전류의 크기를 제한하되, 부하(220)의 상기 지연 시간을 줄일 수 있는 새로운 방안의 모색이 필요하고, 이하에서 이에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성을 간략하게 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩(100)은 배터리(110), 배터리 관리부(120), 제1 팩 단자(P+), 제2 팩 단자(P-), 제1 스위치(130) 및 제2 스위치(140)를 포함한다.
배터리(110)는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀(113)을 포함한다. 배터리(110)에는 복수의 배터리 셀(113)들이 포함될 수 있으며, 배터리 셀(113)들은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 배터리(110)에 포함되는 배터리 셀(113)들의 개수 및 연결 방식은 요구되는 출력 전압 및 전력 저장 용량에 따라서 결정될 수 있다.
배터리 셀(113)은 충전이 가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(113)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.
배터리 관리부(120)는 배터리(110)에 연결되며, 배터리(110)의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다. 배터리 관리부(120)는 배터리(110)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링 할 수 있다. 배터리 관리부(120)는 배터리(110)가 미리 설정된 전압을 초과하거나, 미리 설정된 전류의 크기를 초과하는 등 배터리(110)가 손상될 우려가 있는 상황을 감지하여 제1 스위치(130)를 개방시켜 배터리(110)를 보호할 수 있다. 즉, 배터리 관리부(120)는 배터리(110)의 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능 등을 수행할 수 있다.
제1 팩 단자(P+)는 배터리의 양극과 전기적으로 연결되어 있고, 제2 팩 단자(P-)는 배터리(110)의 음극과 전기적으로 연결된다. 제1 팩 단자(P+)와 제2 팩 단자(P-)는 배터리 팩(100)의 전력을 외부의 부하(220)에 공급 또는 외부로부터 전력을 공급받기 위해 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 팩 단자(P+) 및 제2 팩 단자(P-)들은 외부 장치와 전기적 연결을 위해 전극이나 커넥터, 단자대, 랜드나 패드 등의 배선 패턴으로 형성될 수 있다.
제1 스위치(130)는 배터리(110)와 제2 팩 단자(P-) 사이에 배치된다. 제1 스위치(130)는 배터리 관리부(120)로부터 제1 제어 신호(CS1)를 인가 받아 배터리(110)의 충전 및 방전 전류를 단속할 수 있다. 제1 스위치(130)는 릴레이나 FET 스위치를 포함할 수 있다.
한편, 설명의 편의를 위해 제1 스위치(130)는 로우레벨 전압이 제어 신호로 인가되면 턴 오프되고, 하이레벨 전압이 제어 신호로 인가되면 턴 온되는 스위치로 가정하여 이하 설명한다.
제2 스위치(140)는 배터리 관리부(120) 및 제1 스위치(130)가 전기적으로 연결된 노드인 제2 노드(N2)와 제1 팩 단자(P+)와 제1 스위치(130)의 사이 및 배터리(110)와 제1 스위치(130)의 사이 중 어느 한 곳인 제1 노드(N1) 사이에 전기적으로 연결된다. 제2 스위치(140)는 제1 노드(N1)의 전압(즉, 제2 팩 단자의 전압)을 상기 제2 노드(N2)에 인가하여 제1 스위치(130)를 강제로 턴 오프시킬 수 있다. 예를 들면, 제1 제어 신호(CS1)가 하이 레벨 전압 신호에서 로우 레벨 전압 신호로 천이될 때 제1 스위치(130)가 턴 오프되고 제2 팩 단자(P-)는 배터리(110)의 음극과 연결되어 로우레벨 전압을 갖는 경우, 제2 스위치(140)가 턴 온되면, 제2 노드(N2)의 전압은 제2 팩 단자(P-)에 걸리는 로우레벨 전압 신호와 상응하는 전압이 걸리게 된다. 이 경우, 배터리 관리부(120)가 하이 레벨 전압을 갖는 제1 제어 신호(CS1)를 출력하더라도, 제1 스위치(130)는 제2 스위치(140)의 턴 온으로 강제로 로우레벨 신호가 제어 신호로 인가되어 턴 오프된다. 즉, 제2 스위치(140)는 제1 노드(N1)의 전압을 이용하여 제1 스위치(130)를 강제로 턴 오프시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(120)는 제1 제어 신호(CS1)와 독립하여 제2 제어 신호(CS2)를 제2 스위치(140)에 인가하여 제1 스위치(130)를 개폐시킬 수 있다. 제2 제어 신호(CS2)는 듀티비(duty cycle)에 따라 펄스 폭이 변조되는 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM)신호이다. 제2 스위치(140)는 상기 펄스 폭 변조 신호에 따라 주기적으로 턴 온/턴 오프를 반복한다. 제2 스위치(140)가 턴 온된 경우, 제1 스위치(130)의 제어 신호로 로우 레벨 전압이 인가되어 제1 스위치(130)는 강제로 턴 오프되고, 제2 스위치(140)가 턴 오프된 경우에만 제1 스위치(130)가 턴 온되어 배터리(110)의 방전 전류는 제2 팩 단자(P-)로 흐를 수 있다. 이런 방식으로, 배터리(110)의 방전 전류의 크기를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(120)는 제1 스위치(130)를 턴 온시키는 제1 제어 신호(CS1)가 제1 스위치(130)로 지속하여 출력되더라도 제2 스위치(140)를 턴 온시키는 제2 제어 신호(CS2)를 출력하여 제1 스위치(130)를 턴 오프시킬 수 있다. 구체적으로, 배터리(110)의 방전 전류의 크기를 조정 중에 배터리(110)를 보호할 상황이 발생한 경우, 배터리 관리부(120)는 제2 제어 신호(CS2)를 출력하는 것과 독립하여 로우 레벨 전압의 제1 제어 신호(CS1)를 제1 스위치(130)로 출력하여 제1 스위치(130)를 턴 오프시킬 수 있다. 예컨대, 배터리(110)가 고온에 노출되어 방전을 중단할 상황이 발생한 경우, 배터리 관리부(120)는 제2 제어 신호(CS2)를 출력하더라도 로우 레벨 전압 신호를 제1 제어 신호(CS1)로 출력하여 제1 스위치(130)를 개방시킬 수 있다. 이 경우, 제1 제어 신호(CS1)는 로우 레벨 전압을 갖는바, 제2 스위치(140)가 제2 제어 신호(CS2)에 따라 턴 오프되더라도 제1 스위치(130)는 여전히 로우 레벨 전압이 인가되어 턴 오프 상태가 유지된다. 즉, 배터리 관리부(120)는 제2 스위치(140)를 제어하여 제1 제어 신호(CS1)에 따른 배터리(110)의 보호를 보장하면서 배터리(110)의 방전 전류의 크기를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 배터리 관리부(120)는 보호 회로(121)와 마이크로 컨트롤러 유닛(micro controller unit, MCU, 123)를 포함한다. 제1 스위치(130)는 충전 스위치(132)와 방전 스위치(131)를 포함한다.
한편, 이하에서는 제1 스위치(130)의 방전 스위치(131)에 로우 레벨 전압 신호가 제어 신호로 인가되면 턴 오프되며, 제2 팩 단자(P-)는 배터리(110)의 음극과 전기적으로 연결되어 로우레벨 전압 신호를 갖는다고 설명한다.
보호 회로(121)는 배터리 셀(113)과 충전 스위치(132) 및 방전 스위치(131) 사이에서 병렬로 연결되고, 배터리 셀(113)과 하기될 마이크로 컨트롤러 유닛(123) 사이에서 직렬로 연결된다. 보호 회로(121)는 배터리 셀(113)들의 전압, 전류, 온도 및 충전 상태 등을 모니터링 한다. 보호 회로(121)는 모니터링한 배터리 셀(113)들의 전압, 전류, 온도 및 충전 상태에 대한 정보를 마이크로 컨트롤러 유닛(123)에 전달하고, 마이크로 컨트롤러 유닛(123)의 제어에 의해 상기 충전 스위치(132) 및 방전 스위치(131)를 동작시키는 역할을 한다.
마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 보호 회로(121)와 전기적으로 연결되는 집적회로(Integrated Circuit; IC)로서, 보호 회로(121)를 통해 수신한 배터리 셀(113)의 전압, 전류, 온도 및 충전 상태 등에 기초하여 배터리(110)의 상태를 분석할 수 있다. 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 배터리(110)의 상태에 대응하는 제어신호를 보호 회로(121)로 출력하여 충전 스위치(132) 및 방전 스위치(131)를 온/오프(on/off) 시킨다.
마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 발생시킨다. 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 제2 제어 신호(CS2)로 출력하여 제2 스위치(140)에 인가할 수 있다. 제2 스위치(140)는 인가된 펄스 폭 변조 신호(PWM)에 의해 온/오프(on/off)를 반복할 수 있다. 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 상기 펄스 폭 변조 신호(PWM)의 듀티비를 조정하여 제2 스위치(140)의 턴 온 비율을 조절한다.
충전 스위치(132)와 방전 스위치(131)는 모스펫(MOSFET)으로 구성할 수 있다. 충전 스위치(132)의 드레인과 소스는 배터리(110)의 대전류 경로상에 배치된다. 방전 스위치(131)의 드레인 및 소스 중 어느 하나를 제1 전극으로, 나머지를 제2 전극으로 가정한다. 방전 스위치(131)의 제1 전극과 제2 전극은 배터리(110)의 대전류 경로상에 배치된다. 충 방전 스위치(131)의 게이트(이하, 제1 제어 전극)는 보호 회로(121)와 전기적으로 연결되어 상기 제1 제어신호가 인가된다.
충전 스위치(132)의 기생 다이오드는 배터리(110)의 방전 전류가 흐르는 방향이 순방향이 되도록 배치된다. 충전 스위치(132)가 턴 오프되면, 배터리(110)의 충전 전류가 차단된다. 방전 스위치(131)의 기생 다이오드는 배터리(110)의 충전 전류가 흐르는 방향이 순방향이 되도록 배치된다. 방전 스위치(131)가 오프되면, 배터리(110)의 방전 전류가 차단된다. 한편, 방전 스위치(131)는 배터리(110)의 음극과 전기적으로 연결되어 있다. 이 경우, 방전 스위치(131)는 N형 모스펫(MOSFET)으로 구성된다.
제2 스위치(140)는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 어느 한 전극과 상기 제1 제어 전극 사이에 연결된다. 제2 스위치(140)의 제어 전극인 제2 제어 전극은 마이크로 컨트롤러 유닛(123)과 전기적으로 연결된다. 제2 스위치(140)의 드레인 및 소스 중 어느 하나를 제3 전극으로, 나머지를 제4 전극이며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 어느 한 전극과 연결되는 전극을 제3 전극으로, 제1 제어 전극과 전기적으로 연결된 전극을 제4 전극으로 가정하며, 상기 제3 전극 및 제4 전극 각각은 제2 스위치(140)의 드레인 및 소스 중 어느 하나에 해당한다. 한편, 도 2에 도시된 제2 스위치(140)는 N형 모스펫(MOSFET)으로 제2 제어 신호(CS2)가 로우 레벨일 때 턴 오프되고, 하이 레벨일 때 턴 온된다. 한편, 제2 스위치(140)는 P형 모스펫(MOSFET) 등으로 구성할 수도 있으나, 설명의 편의를 위해 N형 모스펫(MOSFET)으로 구성된 것으로 가정하여 이하 설명한다.
일 실시예에 따르면, 제2 스위치(140)가 턴 온되면, 상기 제3 전극과 상기 제4 전극은 전기적으로 연결되어 제2 팩 단자(P-)의 전압이 상기 제1 제어 전극에 인가 된다. 이 경우, 제2 팩 단자(P-)의 전압은 로우 레벨 전압으로, 상기 제1 제어 전극에 로우 레벨 전압이 걸리게 된다. 제1 스위치(130)에 하이 레벨 전압 신호의 제1 제어 신호가 인가되더라도, 제2 스위치(140)가 도 2를 참조하여 설명한 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이를 단락시켜, 강제로 상기 제1 제어 전극에 로우 레벨 신호가 인가시킨다. 이 경우, 제1 스위치(130)는 턴 오프되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 전류 흐름이 차단된다.
일 실시예에 따르면, 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 상기 펄스 폭 변조 신호(PWM)의 듀티비를 조정하여 배터리(110)가 방전하는 시간을 조절할 수 있다. 구체적으로, 제2 스위치(140)는 제2 제어 신호(CS2)의 펄스 폭 변조 신호(PWM)에 따라 턴 온/턴 오프의 반복한다. 이에 따라, 방전 스위치(131)는, 제2 스위치(140)가 턴 온되면, 제2 팩 단자(P-)의 전압이 상기 제1 제어 전극에 걸리게 되어 턴 오프된다. 방전 스위치(131)는, 제2 스위치(140)가 턴 오프되면, 제1 제어 신호(CS1)에 따른 하이 레벨 전압이 상기 제1 제어 전극으로 인가되어 턴 온 된다. 이러한 방식으로 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 제2 스위치(140)를 제어하여 강제로 상기 듀티비에 대응하여 방전 스위치(131)를 턴 오프시킬 수 있다. 즉, 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 상기 듀티비를 조정하여 방전 스위치(131)의 턴 온 비율을 조절할 수 있다. 이 경우, 단위 시간당 배터리(110)가 방전되는 비율을 제어할 수 있고, 단위 시간 당 상기 방전 전류의 크기도 상기 듀티비에 의해 조절된다. 한편, 배터리(110)가 위험 상황에 노출된 경우, 보호 회로(121)는 로우 레벨 전압 신호를 제1 제어 신호로 방전 스위치(131)에 인가한다. 이 경우, 제2 스위치(140)가 턴 온/턴 오프를 반복하여도 방전 스위치(131)의 턴 오프 상태는 유지된다.
일 실시예에 따르면, 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 상기 방전 개시점에 제1 듀티비를 갖는 제2 제어 신호(CS2)를 출력할 수 있다. 상기 방전 개시점은 상기 제1 팩 단자(P+) 및 제2 팩 단자(P-) 사이에 커패시터(210)의 전기적 연결을 감지하거나 외부로부터 기동 신호를 인가로 커패시터(210)가 제1 팩 단자(P+) 및 제2 팩 단자(P-) 사이에 전기적으로 연결되는 시점이다. 상기 방전 개시점에서 제1 팩 단자(P+) 및 제2 팩 단자(P-)와 커패시터(210) 사이에 별도의 저항 소자가 없다면 큰 돌입 전류가 발생한다. 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 상기 제1 듀티비를 큰 값으로 설정하여 방전 스위치(131)의 단위 시간 당 턴 온되는 비율을 낮춰 상기 돌입 전류의 크기를 저감시킬 수 있다. 한편, 상기 제1 듀티비는 배터리 팩(100)에 포함된 보호 소자들의 개방되는 방전 전류의 크기에 기초하여 설정될 수 있다. 예를 들면, 50A를 초과하는 방전 전류가 흐르면 상기 보호 소자들이 개방되고, 방전 스위치(131)가 턴 온된 상태를 유지하는 경우의 상기 돌입 전류의 크기가 200A인 경우, 상기 제1 듀티비는 80%를 초과하는 값을 갖도록 설정된다. 이 경우, 배터리 팩(100)은 상기 돌입 전류의 크기를 50A 미만의 값으로 제한할 수 있다.
한편, 상기 방전 개시점 이후에 커패시터(210)는 배터리(110)로부터 전원을 공급받아 충전되고, 커패시터(210)의 양단에 걸리는 전압이 증가된다. 이 경우, 커패시터(210) 양단에 걸리는 전압과 제1 팩 단자(P+) 및 제2 팩 단자(P-) 사이의 전압의 차이인 돌입 전압의 크기가 줄어들고, 커패시터(210)로 유입되는 배터리(110)의 방전 전류의 크기도 작아진다. 이 경우, 마이크로 컨트롤러 유닛(123)이 제2 제어 신호(CS2)의 듀티비를 감소시켜도, 상기 보호 소자가 개방되는 전류 값(이하, 허용 전류) 이하의 방전 전류가 흐르도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은, 상기 방전 개시점에 상기 제1 듀티비를 갖는 제2 제어 신호(CS2)를 출력한 후에 점차 듀티비를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 또한, 제2 제어 신호(CS2)의 듀티비가 감소하면 제1 스위치(130)가 턴 온되는 비율이 높아진바, 상기 커패시터(210)는 더 빠른 속도로 만충전될 수 있다. 즉, 마이크로 컨트롤러 유닛(123)은 상기 제1 듀티비를 갖는 제2 제어 신호(CS2)를 출력하여 상기 돌입 전류를 상기 허용 전류 미만으로 제어한 후에, 제2 제어 신호(CS2)의 듀티비를 감소시켜 커패시터(210)의 충전 시간을 증가시킬 수 있고, 커패시터(210)를 더 신속하게 만충전시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 청소기의 내부 구성을 간략하게 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 전기 청소기(10)는 배터리 팩(100), 커패시터(210) 및 모터(221)를 포함한다. 전기 청소기(10)는 사용자의 입력 신호에 의해 기동할 수 있다. 예컨대, 전기 청소기(10)는 외면 상에 위치하는 스위치나 버튼 등을 통해 기동 신호를 인가 받아 기동할 수 있다. 기동 신호를 인가 받으면, 커패시터(210)는 배터리 팩(100)과 전기적으로 연결되어 배터리 팩(100)으로부터 전원을 공급받아 충전을 시작한다.
한편, 배터리 팩(100)에 포함된 방전 스위치(131)는 배터리(110)의 음극과 제2 팩 단자(P-) 사이에 배치되고 N형 모스펫으로 구성된 것으로 가정하여 후술한다.
배터리 팩(100)은, 기동 신호를 인가 받으면(즉, 방전 개시점), 제1 팩 단자(P+) 및 제2 팩 단자(P-) 사이에 연결된 커패시터(210)를 충전시키기 위해 방전을 시작한다. 도 1를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 팩 단자(P+) 및 제2 팩 단자(P-)와 커패시터(210) 사이에 별도의 저항 소자가 없다면 큰 돌입 전류가 커패시터(210)로 유입된다. 상기 돌입 전류의 크기가 도 3을 참조하여 설명한 허용 전류보다 크면, 배터리 팩(100)의 퓨즈나 릴레이 등 보호 소자가 개방되어, 전기 청소기(10)가 제대로 동작하지 않는다. 따라서, 상기 돌입 전류의 크기는 상기 허용 전류보다 낮도록 제어될 필요가 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 팩(100)은 도 3을 참조하여 설명한 제1 듀티비를 갖는 펄스폭 변조 신호를 제2 제어 신호(CS2)로 출력하여 상기 돌입 전류의 크기를 제한시킬 수 있다. 예를 들면, 50A를 초과하는 방전 전류가 흐르면 상기 보호 소자들이 개방되고 돌입 전류의 크기가 200A인 경우, 제2 제어 신호(CS2)의 듀티비는 80%를 초과하는 값을 갖도록 설정된다. 이 경우, 배터리 팩(100)은 상기 돌입 전류의 크기를 50A 미만의 값으로 제한할 수 있다.
한편, 전기 청소기(10)는 상기 방전 개시점부터 상기 모터가 기동되는데 소요되는 시간은 도 3을 참조하여 설명한 지연 시간 이내가 되도록 설계 되어야 한다. 일반적으로, 전기 청소기(10)는 커패시터(210)를 충전시키는데 소요되는 시간을 단축시켜 상기 지연 시간 내에 모터(221)를 작동시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 팩(100)은 상기 방전 개시점에 제1 듀티비의 제2 제어 신호(CS2)를 제2 스위치(140)에 인가하여 커패시터(210)에 유입되는 돌입 전류의 크기를 제한한 후, 제2 제어 신호(CS2)의 듀티비를 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 배터리 팩(100)은 제2 제어 신호(CS2)의 듀티비를 감소시켜 단위 시간 당 커패시터(210)에 인가되는 방전 전류량을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 배터리 팩(100)은 시간 경과에 따라 듀티비를 점차 감소시켜 배터리(110)의 방전 전류로 커패시터(210)를 충전시키는 시간(즉, 배터리의 방전 시간 증가)을 증가시켜, 커패시터(210)가 만충전되는데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있다. 즉, 배터리 팩은 상기 방전 개시점에 제1 듀티비의 제2 제어 신호(CS2)로 상기 돌입 전류의 크기를 상기 허용 전류 미만의 크기로 제한하면서, 제2 제어 신호(CS2)의 듀티비를 점차 감소시켜 커패시터(210)를 신속하게 만충전시킬 수 있다.
이로써, 배터리 팩(100)은 상기 돌입 전류를 저감하는데 있어서, 저용량의 제2 스위치(140)에 PWM 신호를 인가하여 팩 단자 전압을 이용하여 방전 스위치(131)를 간접적으로 제어함으로써 직접 방전 스위치(131)를 PWM 신호로 제어하는 것보다 작은 제어 전류로 방전 스위치(131)를 개폐시킬 수 있다. 또한, 제1 팩 단자(P-) 전압을 이용하여 방전 스위치(131)를 개방시키는 점에서, 배터리(110)가 손상될 위험한 상황이 감지되면 방전 스위치(131)는 여전히 제1 제어 신호에 의한 개방을 보장할 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 수 있다. 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: 청소기
100: 배터리 팩
110: 배터리
113: 배터리 셀
120: 배터리 관리부
121: 보호 회로
123: 마이크로 컨트롤러 유닛
130: 제1 스위치
131: 방전 스위치
132: 충전 스위치
140: 제2 스위치
200: 외부 부하
210: 커패시터
220: 부하
221: 모터

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 배터리와 전기적으로 연결되고, 외부 부하와 연결되는 제1 팩 단자 및 제2 팩 단자를 포함하는 단자부;
    제1 제어 신호에 따라 상기 배터리의 방전 전류를 단속하는 제1 스위치;
    제2 제어 신호에 따라 개폐되고, 상기 제1 팩 단자 및 상기 제2 팩 단자의 전압 중 어느 한 전압을 이용하여 상기 제1 제어 신호에 의해 턴 온된 상기 제1 스위치를 개방시키는 제2 스위치; 및
    상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호를 출력하는 배터리 관리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 듀티비에 따라 펄스 폭이 변경되는 펄스 폭 변조 신호를 제2 제어 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 방전을 시작하는 방전 개시점에 미리 설정된 제1 듀티비를 갖는 상기 제2 제어 신호를 출력하여 상기 배터리의 방전 전류의 크기를 제한하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방전 개시점은 상기 제1 팩 단자 및 상기 제2 팩 단자 사이에 상기 외부 부하의 전기적 연결을 감지하거나, 외부로부터 기동 신호를 인가로 상기 외부 부하가 상기 제1 팩 단자 및 상기 제2 팩 단자 사이에 전기적으로 연결되는 시점인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 제1 듀티비를 갖는 제2 제어 신호를 출력한 후에 상기 제2 제어 신호의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 전압을 센싱하고 상기 제1 제어 신호를 출력하는 보호 회로 및 상기 제2 제어 신호를 출력하는 마이크로 컨트롤러 유닛을 포함하는 배터리 팩.
  7. 배터리 팩;
    상기 배터리 팩과 전기적으로 연결되는 커패시터; 및
    상기 커패시터와 병렬로 연결되는 모터;를 포함하고,
    상기 배터리 팩은,
    적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 배터리와 전기적으로 연결되고, 상기 커패시터 및 모터와 전기적으로 연결되는 제1 팩 단자 및 제2 팩 단자;
    제1 제어 신호에 따라 상기 배터리의 방전 전류를 단속하는 제1 스위치;
    제2 제어 신호에 따라 개폐되고, 상기 제1 팩 단자 및 상기 제2 팩 단자의 전압 중 어느 한 전압으로 상기 제1 제어 신호에 의해 턴 온된 제1 스위치를 개방시키는 제2 스위치; 및
    상기 제1 제어 신호 및 제2 제어 신호를 출력하는 배터리 관리부;를 포함하는 전기 청소기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 듀티비에 따라 펄스 폭이 변경되는 펄스 폭 변조 신호를 상기 제2 제어 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 전기 청소기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리가 방전을 시작하는 방전 개시점에, 미리 설정된 제1 듀티비를 갖는 제2 제어 신호를 출력하여 상기 커패시터로 초기에 유입되는 전류인 돌입 전류의 크기를 저감시키는 것을 특징으로 하는 전기 청소기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 제1 듀티비를 갖는 상기 제2 제어 신호를 출력한 후에 상기 제2 제어 신호의 듀티비를 점차 감소시키는 것을 특징으로 하는 전기 청소기.
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