KR20180062634A - 홀센서를 이용한 배터리상태 감지장치 및 이를 적용한 배터리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀센서를 이용한 배터리상태 감지장치 및 이를 적용한 배터리에 관한 것이다. 본 발명은 배터리(B)의 일면에 위치되고 내부에는 홀 플레이트(10')가 구비된 홀센서본체부(10)와, 상기 홀센서본체부(10)가 구비된 일면의 반대편에 해당하는 배터리(B)의 타면에 위치되고 상기 홀 플레이트(10') 방향으로 자기력을 발생시키는 마그네틱부(30)를 포함하여 구성된다. 본 발명에서는 홀센서를 이용하여 배터리(B)의 두께 변화를 미리 감지할 수 있다. 배터리(B)의 두께 변화를 감지함으로써 배터리(B)의 이상유무를 간단하게 확인할 수 있다.

Description

홀센서를 이용한 배터리상태 감지장치 및 이를 적용한 배터리{Battery condition detection device using magnetic sensor and battery using this}

본 발명은 배터리상태 감지장치 및 배터리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대폰 등 다양한 장치에 사용되는 배터리에 홀센서를 적용하여 배터리의 이상유무를 감지할 수 있는 감지장치와 이를 적용한 배터리에 관한 것이다.

휴대폰을 비롯한 다양한 전자제품에는 전원공급을 위해 배터리가 사용된다. 모든 배터리는 정상적인 상태가 아닌 상태, 즉 충전의 이상, 과도한 방전상태, 적정치 이상의 온도 등에서 배터리 내부의 화합물질의 반응 등에 의하여 가스가 발생하거나 배터리의 부피가 변하게 된다. 특히, 리튬계 전지는 과충전, 과방전 상태에 노출되면 폭발이나 고장으로 이어질 수가 있다.

실제로, 사용단계에서 차량 속에 넣어둔 휴대폰이 폭발하거나, 배터리가 크게 부풀어 오르는 현상도 종종 발생하고 있으며, 통풍이 안된 상태에서 노트북을 사용하면 CPU 등 내부 전기소자의 온도상승으로 인하여 배터리의 발화로 이어지는 경우가 자주 발생하곤 하였다.

현재의 리튬계 배터리들은 내부에 보호회로 및 충전, 방전상태에서 안전을 확보할 수 있는 안전장치가 내장되어 있다. 그러나 이는 대부분 전기적 이상현상에 의해 동작되는 것으로, 배터리이상의 주원인인 과충전과 과방전, 외부의 숏트 등으로부터 배터리를 보호할 수 있는 기능으로만 구성된다. 즉, 종래의 안전장치는 배터리가 부풀어 오르는 등 외형의 변화를 감지하지는 못하므로 보다 직접적인 안전진단은 할 수 없는 한계가 있고, 그 전기적 구조가 복잡한 단점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2013-0026218호 대한민국 공개특허 제10-2012-0003818호

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 배터리의 이상유무를 홀센서를 이용하여 간단하게 확인할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 배터리의 일면에 위치되고 내부에는 홀플레이트가 구비된 홀센서본체부와, 상기 홀센서본체부가 구비된 일면의 반대편에 해당하는 배터리의 타면에 위치되고 상기 홀플레이트 방향으로 자기력을 발생시키는 마그네틱부를 포함하여 구성된다.

상기 홀센서본체부에 구비된 홀플레이트에는 터미널이 구비되어 외부와 전기적으로 연결되고, 상기 홀플레이트에 발생되는 홀전압은 외부로 전달되어 홀전압의 변화에 따라 상기 배터리의 이상유무가 감지된다.

상기 홀센서본체부는 제어부와 연결되고, 상기 제어부는 상기 홀센서본체부에서 전달된 홀전압이 기준값 이하 또는 기준값 이상인지 여부를 판단하여 배터리이상유무를 감지한다.

상기 홀센서본체부와 상기 마그네틱부는 상기 배터리의 중심의 서로 반대면에 각각 설치된다.

상기 홀플레이트는 메인부와, 상기 메인부의 외측으로 돌출되어 터미널을 형성하는 연결부를 포함한다.

상기 마그네틱부는 상기 배터리의 타면에 위치되는 영구자석 또는 전자석으로 구성된다.

위에서 살핀 바와 같은 본 발명에 의한 홀센서를 이용한 배터리상태 감지장치 및 이를 적용한 배터리에는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에서는 홀센서를 이용하여 배터리의 두께 변화를 미리 감지할 수 있다. 배터리의 두께 변화를 감지함으로써 배터리의 이상유무를 간단하게 확인할 수 있다. 그리고 이를 통해 배터리상태를 정확하게 판단하여 배터리의 폭발 등 보다 심각한 손상이 발생하는 것을 미연에 방지하여 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명에서는 기존의 복잡한 보호회로나 안정장치 없이, 간단한 홀센서 구조를 이용하여 보다 직접적이고 확실하게 배터리 이상유무를 확인할 수 있어 감지효과 향상과 제조비용 감소의 효과를 모두 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 홀센서를 이용한 배터리상태 감지장치의 일실시례를 보인 사시도.
도 2는 도 1의 일실시례를 구성하는 홀센서본체부에 구비된 홀플레이트를 개략적으로 도시한 개념도.
도 3은 도 1의 일실시례의 구성을 보인 측면도.
도 4는 도 3에서 배터리가 부풀어 오른 상태를 보인 측면도.

이하, 본 발명의 일부 실시례들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1에는 배터리(B)에 본 발명에 의한 홀센서를 이용한 배터리상태 감지장치가 적용된 모습이 도시되어 있다. 도 1은 하나의 실시례로서, 배터리상태 감지장치의 구조를 보이기 위해 간략하게 표현된 것이다. 실제로는 외부와의 전기적 연결을 위한 리드나 와이어가 더 추가될 수 있다.

배터리(B)는 전기배터리로서, 휴대폰이나 기타 다양한 전자제품에 내장되어 전력을 공급하는 역할을 한다. 본 실시례에서는 상기 배터리(B)가 납작한 형태로 구성되는데, 그 크기나 두께는 다양한 변형이 가능하고, 도 1에 도시된 것은 하나의 예에 불과하다.

상기 배터리(B)의 일면에는 홀센서본체부(10)가 구비된다. 상기 홀센서본체부(10)는 외부로부터 전류가 인가되면 홀전압을 발생시키는 부분으로, 내부에는 홀 플레이트(10')가 구비된다. 도시되지는 않았으나 상기 홀센서본체부(10)에는 외부와의 연결을 위한 리드가 더 구비될 수 있고, 별도의 회로기판 상에 설치될 수도 있다.

도 2를 참조하여 홀 플레이트(10') 구조를 설명하면, 도 2에는 본 발명에 적용된 홀 플레이트(10')의 구조를 개략적으로 도시되어 있다. 이에 보듯이, 자기장의 변화량을 전기적 신호로 변환하는 홀 플레이트(10')가 있다. 상기 홀 플레이트(10')는 CMOS 공정 등을 사용하여 제조될 수 있는데, 일반적으로 수십 mV의 홀전압(hall voltage)을 출력한다.

본 발명을 구성하는 하나의 홀 플레이트(10')의 네 변 중 한쪽으로 전류(I)를 인가하면, 홀 플레이트(10')에는 전류가 발생한다. 발생한 전류는 홀 플레이트(10')로부터 발생한 출력전류(홀전류)이다. Bz는 홀 플레이트(10')에 수직한 방향으로 인가되는 자기장을 나타낸다. 본 발명에서는 마그네틱부(30)에 의해 상기 홀 플레이트(10')에 수직한 방향으로 자기장이 인가된다. 이에 따라 전류 및 자기장과 직교한 방향으로 기전력(Fm)이 발생한다. 보다 정확하게는, 이러한 홀효과는 플레밍의 왼손법칙에 따라 전류와 자계 양쪽에 대해 직각인 방향으로 로렌츠의 힘이 발생하여 전하를 편향시키는 것을 의미한다. 그리고 이러한 전하의 편향에 의해 전류와 자계 양쪽에 대해 직각인 방향으로 기전력이 발생하는 것이다.

본 발명은 메인부(11)와 그 주변에 돌출되는 연결부(21~24)를 포함한다. 달리 표현하면 본 발명의 홀 플레이트(10')는 N-Well과 주변의 터미널로 구성된다고 할 수도 있다. 본 발명의 일실시례에 의한 홀 플레이트(10')는 크게 중심을 형성하는 메인부(11)와, 상기 메인부(11)의 외측으로 돌출되는 연결부(21~24)로 구성된다. 상기 메인부(11)는 사각형상이고, 상기 연결부(21~24)는 상기 메인부(11)의 네 변으로부터 각각 연장되어 전체적으로 십자형상을 형성한다. 이것은 하나의 실시례이며, 도 2에 도시된 형상에 한정될 필요는 없다. 예를 들어 상기 연결부(21~24)의 돌출된 정도와, 폭 등은 변경될 수 있고, 메인부(11)로부터 돌출되지 않을 수도 있다. 본 실시례에서 상기 연결부(21~24)는 총 4개로 구성되는데, 이들에는 각각 21 내지 24의 도면부호를 부여하였다.

한편, 도 3에서 보듯이, 홀센서본체부(10)의 반대편에는 마그네틱부(30)가 위치된다. 상기 마그네틱부(30)는 상기 홀센서본체부(10)가 구비된 일면의 반대편에 해당하는 배터리(B)의 타면에 위치되는 것으로, 상기 홀 플레이트(10') 방향으로 자기력을 발생시킨다. 즉, 상기 마그네틱부(30)는 홀 플레이트(10')에 수직한 방향으로 자기장을 인가하여 전류 및 자기장과 직교한 방향으로 기전력(Fm)을 발생시키게 된다.

결과적으로 상기 홀센서본체부(10)와 마그네틱부(30)는 배터리(B)를 기준으로 서로 반대편에 위치하게 된다. 따라서 배터리(B)의 두께에 따라 상기 홀센서본체부(10), 보다 정확하게는 홀 플레이트(10')에 가해지는 자기력의 크기가 달라진다. 배터리(B)의 두께가 두껍다면 자기력의 크기가 상대적으로 작아질 것이다. 이때 배터리(B)의 두께는 정해진 수치를 가지므로, 홀 플레이트(10')에서 발생하는 홀전압의 크기가 변한다면 배터리(B)의 두께가 변한 것으로 판단할 수 있다. 상기 홀 플레이트(10')에 발생되는 홀전압은 외부로 전달되어 홀전압의 변화에 따라 상기 배터리(B)의 이상유무가 감지된다.

보다 구체적으로는, 상기 홀센서본체부(10)는 제어부(미도시)와 연결되고, 상기 제어부는 상기 홀센서본체부(10)에서 전달된 홀전압이 기준값 이하 또는 기준값 이상인지 여부를 판단하여 배터리이상유무를 감지하게 된다. 여기서 제어부는 예를 들어 휴대폰의 CPU등과 같은 메인제어부일 수 있다. 홀전압이 기준값 이하라면 상기 배터리(B)의 두께가 증가한 것으로 판단하고, 기준값 이상이라면 배터리(B)의 두께가 감소한 것으로 판단할 수 있다. 이를 통해서 배터리(B)의 이상유무가 판단된다.

바람직하게는, 상기 홀센서본체부(10)와 상기 마그네틱부(30)는 상기 배터리(B)의 중심의 서로 반대면에 각각 설치된다. 이는 배터리(B)가 부풀어 외형이 변할 때 가장 변화가 심하게 일어나는 중심부에 상기 홀센서본체부(10)와 상기 마그네틱부(30)를 설치함으로써 배터리(B)의 이상유무를 쉽게 감지할 수 있도록 하기 위한 것이다. 물론, 상기 홀센서본체부(10)와 상기 마그네틱부(30)는 배터리(B)의 중심에서 벗어난 위치에 설치될 수도 있다.

상기 마그네틱부(30)는 상기 배터리(B)의 타면에 위치되는 영구자석 또는 전자석으로 구성될 수 있다. 본 실시례에서 상기 마그네틱부(30)는 영구자석으로 구성된다. 상기 마그네틱부(30)는 배터리(B)를 통과하여 상기 홀 플레이트(10')에 자기력을 부여하게 된다. 상기 마그네틱부(30)의 크기나 형상은 도면에 표현된 형태에 한정되지 않고, 다양한 변형이 가능하다.

한편, 본 실시례에서는 배터리(B)의 외면에 홀센서본체부(10)와 상기 마그네틱부(30)가 설치된 것을 예로 들었다. 하지만 홀센서본체부(10)와 마그네틱부(30)는 배터리(B)의 내부에 일체로 구비될 수도 있다. 이 경우에는 홀센서본체부(10)와 마그네틱부(30)가 외부로 드러나지 않고 배터리(B) 내부에 실장된 형태가 되며, 배터리(B)의 이용이 보다 편리해질 수 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 홀센서를 이용한 배터리상태 감지장치를 이용해서 배터리의 이상유무를 판단하는 과정을 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 홀센서를 이용한 배터리상태 감지장치가 적용된 배터리(B)가 전자제품 내부에 설치되면, 배터리(B)에 의해 전자제품 내부에 전원이 공급된다. 이 과정에서 배터리(B)가 과열되는 등의 이유로 배터리(B)가 변형될 수 있다. 예를 들어 배터리(B)가 부풀어오를 수 있고, 심할 경우 배터리(B)의 폭발로 이어질 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 홀센서를 이용한 배터리상태 감지장치는 배터리(B)의 이상유무를 사전에 감지하여 이를 다양한 방식으로 사용자에게 알린다.

배터리(B)의 이상유무를 감지하는 과정을 살펴보면, 먼저 홀센서본체부(10)에 전류가 인가된다. 전류는 배터리(B)를 이용하여 홀센서본체부(10)에 인가될 수 있다. 홀센서본체부(10)에 인가된 전류는 홀 플레이트(10')로부터 발생한 출력전류(홀전류)가 된다. 그리고 본 발명에서는 마그네틱부(30)에 의해 상기 홀 플레이트(10')에 수직한 방향으로 자기장이 인가된다. 이에 따라 전류 및 자기장과 직교한 방향으로 기전력(Fm)이 발생한다.

이때, 마그네틱부(30)는 배터리(B) 반대편에 위치한 홀 플레이트(10')에 자기력을 전달하기 때문에 배터리(B)의 두께가 일정하면 일정한 수준의 자기력을 가하게 된다. 하지만 배터리(B)의 두께가 변한다면 자기력의 크기가 변하게 되고, 결과적으로 홀전압도 변하게 된다.

예를 들어 도 4와 같이 배터리(B)의 중심부가 부풀어 오르게 되면, 상기 마그네틱부(30)로부터 홀 플레이트(10') 사이의 거리가 변하게 되는 것이다. 이때 상기 홀센서본체부(10)는 제어부와 연결되고, 상기 제어부는 상기 홀센서본체부(10)에서 전달된 홀전압이 기준값 이하 또는 기준값 이상인지 여부를 판단하여 배터리이상유무를 감지하게 된다. 만약 홀전압이 기준값 이하라면 제어부는 상기 배터리(B)의 두께가 증가한 것으로 판단하고, 기준값 이상이라면 제어부는 배터리(B)의 두께가 감소한 것으로 판단할 수 있다. 이를 통해서 배터리(B)의 이상유무가 판단된다.

따라서, 배터리(B)의 두께 변화를 미리 감지하여 배터리(B)의 폭발 등이 이루어지기 전에 배터리(B)이 이상유무를 사용자에게 알릴 수 있다.

이상에서, 본 발명에 따른 실시례를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 홀센서본체부 10': 홀 플레이트
11: 메인부 21~24: 연결부
30: 마그네틱부 B: 배터리

Claims (7)

1. 배터리의 일면에 위치되고 내부에는 홀플레이트가 구비된 홀센서본체부와,
   상기 홀센서본체부가 구비된 일면의 반대편에 해당하는 배터리의 타면에 위치되고 상기 홀플레이트 방향으로 자기력을 발생시키는 마그네틱부를 포함하여 구성되는 홀센서를 이용한 배터리이상 감지장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 홀센서본체부에 구비된 홀플레이트에는 터미널이 구비되어 외부와 전기적으로 연결되고, 상기 홀플레이트에 발생되는 홀전압은 외부로 전달되어 홀전압의 변화에 따라 상기 배터리의 이상유무가 감지되는 홀센서를 이용한 배터리이상 감지장치.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 홀센서본체부는 제어부와 연결되고, 상기 제어부는 상기 홀센서본체부에서 전달된 홀전압이 기준값 이하 또는 기준값 이상인지 여부를 판단하여 배터리이상유무를 감지하는 홀센서를 이용한 배터리이상 감지장치.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 홀센서본체부와 상기 마그네틱부는 상기 배터리의 중심의 서로 반대면에 각각 설치되는 홀센서를 이용한 배터리이상 감지장치.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 홀플레이트는 메인부와, 상기 메인부의 외측으로 돌출되어 터미널을 형성하는 연결부를 포함하는 홀센서를 이용한 배터리이상 감지장치.
   
6. 제 1 항에 있어서, 상기 마그네틱부는 상기 배터리의 타면에 위치되는 영구자석 또는 전자석으로 구성되는 홀센서를 이용한 배터리이상 감지장치.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 배터리이상 감지장치를 적용한 배터리.
   
   

Images