KR20190031392A - 통신 단 절연 기능을 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 하나 이상의 배터리 셀을 포함하여 구성되는 배터리 팩을 제어하는 방법은, 각각의 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하여, 배터리 셀들의 과충전 또는 과방전 상태를 판단하는 상태 판단단계; 상기 상태 판단단계에서 배터리 셀들이 과방전인 것으로 판단되는 경우, 과방전 보호 단계; 가 동작하는 것을 포함하여 구성되며, 상기 과방전 보호 단계는, 방전 전류의 흐름을 차단하기 위하여 아날로그 프런트 엔드(AFE)로 과방전 판단 신호를 출력하는 과방전 판단 신호 출력단계; 상기 배터리 팩과 외부 시스템과의 통신 경로 상에 구성된 통신 제어 FET을 차단하는 통신 제어 FET 차단단계; 상기 배터리 셀들로부터 외부 단자로의 방전 전류의 흐름을 차단하는 방전 FET 차단단계; 를 포함하여 구성된다.

Description

통신 단 절연 기능을 포함하는 배터리 팩{Battery pack with communication stage isolation}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 팩과 연결된 외부 시스템과의 통신 단 절연 기능을 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로, 노트북, 휴대폰, 카메라 등을 포함하는 다양한 휴대용 전자기기(이하, ‘외부 시스템’ 이라 지칭함)에는 충전 및 방전이 가능한 다수 개의 배터리 셀을 포함하여 구성되는 배터리 팩이 장착되어 사용된다.
상기 배터리 팩에는 통신 단을 포함하는 외부 단자가 마련되어 있어, 외부 시스템과 연결되어 이를 통하여 배터리 팩에 포함된 배터리 셀들이 충전 및 방전 동작되고, 외부 시스템과 통신 연결된다.
한편, 상기 배터리 팩과 외부 시스템이 통신 연결되는 통신 단이 절연 되어 있지 않으면 배터리 팩의 보호 동작, 구체적으로는 방전 전류의 흐름을 차단하는 경우 서지 전류(Surge Current)가 발생하며, 발생한 서지 전류가 통신 단을 통해 외부 시스템으로 흘러 들어가 외부 시스템에 좋지 않은 영향을 미치게 될 수 있다.
또한, 이는 외부 시스템뿐만 아니라 통신 단을 통해 배터리 팩으로도 유입되어 배터리 팩의 전체적인 제어 역할을 수행하는 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)을 파괴할 수 있고, 따라서 배터리 팩의 정상적인 동작을 제어하는 데에 문제가 발생하게 되어 배터리 팩의 안전성 문제까지 초래하게 된다.
이와 같은 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해서는 배터리 팩과 외부 시스템과의 통신 단을 절연 처리해야 하나, 이를 위해서는 절연 기능을 수행하는 별도의 부품, 예를 들어 Isolator IC가 추가로 구성하여 통신 단이 절연되도록 해야 한다.
그러나 이를 구현하기 위해서는 추가 부품으로 인해 별도의 비용이 발생하는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 비용 발생 없이 통신 단 절연 처리가 가능한 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 하나 이상의 배터리 셀을 포함하며 통신 단 절연기능을 포함하여 구성되는 배터리 팩은, 상기 배터리 셀들의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱부; 상기 각각의 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하고, 상기 셀 밸런싱부를 제어하는 아날로그 프런트 엔드(AFE); 상기 아날로그 프런트 엔드(AFE)에서 모니터링한 각각의 배터리 셀의 전압 상태를 바탕으로 하여 상기 아날로그 프런트 엔드(AFE)를 제어하는 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU); 상기 배터리 팩과 외부 시스템이 연결되는 외부 단자; 를 포함하여 구성된다.
한편, 상기 외부 단자는, 상기 배터리 셀과 외부 시스템 사이에 전류가 흐르도록 하는 출력 단자; 상기 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)과 외부 시스템과의 통신을 위한 통신 단자; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 배터리 셀과 출력 단자 사이에 흐르는 전류 경로 상에 구성되어, 상기 출력 단자로부터 배터리 셀로의 전류 흐름을 차단하는 충전 FET; 및 상기 배터리 셀로부터 출력 단자로의 전류 흐름을 차단하는 방전 FET; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 충전 FET 및 방전 FET은, 상기 아날로그 프런트 엔드(AFE)에 의해 온/오프 동작하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)와 통신 단자 사이에는 통신 경로가 형성되며, 상기 통신 경로 상에는 상기 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)의 제어에 의해 통신 단자와 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)의 사이의 경로를 차단하는 통신 제어 FET; 이 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)은, 상기 배터리 셀의 과충전인 것으로 판단되면 과충전 판단 신호를 생성하여 아날로그 프런트 엔드(AFE)로 출력하는 과충전 판단부; 상기 배터리 셀이 과방전인 것으로 판단되면 과방전 판단 신호를 생성하여 아날로그 프런트 엔드(AFE)로 출력하는 과방전 판단부; 상기 과방전 판단부에서 과방전 판단 신호가 출력되는 것을 감지하고, 통신 제어 FET으로 통신 제어 FET 오프 신호를 출력하여 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)과 통신 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 통신 제어 FET 차단부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 아날로그 프런트 엔드(AFE)는, 상기 과충전 판단 신호를 입력받은 경우 충전 FET 오프 신호를 출력하여 충전 전류의 흐름을 차단하고, 상기 과방전 판단 신호를 입력받은 경우 방전 FET 오프 신호를 출력하여 방전 전류의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
여기서, 상기 방전 FET 오프 신호는, 상기 통신 제어 FET 오프 신호가 출력된 후 소정의 시간 후에 출력되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하나 이상의 배터리 셀을 포함하여 구성되는 배터리 팩을 제어하는 방법은, 각각의 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하여, 배터리 셀들의 과충전 또는 과방전 상태를 판단하는 상태 판단단계; 상기 상태 판단단계에서 배터리 셀들이 과방전인 것으로 판단되는 경우, 과방전 보호 단계; 가 동작하는 것으로 구성되며,
상기 과방전 보호 단계는, 방전 전류의 흐름을 차단하기 위하여 아날로그 프런트 엔드(AFE)로 과방전 판단 신호를 출력하는 과방전 판단 신호 출력단계; 상기 배터리 팩과 외부 시스템과의 통신 경로 상에 구성된 통신 제어 FET을 차단하는 통신 제어 FET 차단단계; 상기 배터리 셀들로부터 외부 단자로의 방전 전류의 흐름을 차단하는 방전 FET 차단단계; 를 포함하여 구성된다.
한편, 상기 과방전 보호 단계 동작 후에는, 각각의 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하여, 배터리 셀들의 과방전 해제 여부를 판단하는 과방전 해제 판단단계; 상기 배터리 셀들의 과방전 상태가 해제되는 것으로 판단된 경우, 상기 배터리 셀들의 과방전 보호 상태를 해제하는 과방전 해제단계가 동작하며, 상기 과방전 해제단계는, 방전 FET 온 신호를 생성 및 출력하여 방전 FET 차단을 해제하는 방전 FET 차단 해제단계; 상기 통신 제어 FET 온 신호를 생성 및 출력하여 통신 제어 FET 차단을 해제하는 통신 제어 FET 차단 해제단계; 가 동작하며, 통신 제어 FET 차단 해제단계는, 상기 방전 FET 차단 해제단계가 동작한 후, 소정의 시간 후에 동작하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 방전 FET 차단단계는, 상기 통신 제어 FET 차단단계가 동작한 후, 소정의 시간 후에 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배터리 팩에 일반적으로 구성되는 회로를 활용하여 통신 단 절연 처리를 가능하게 함으로써 별도의 비용을 발생시키지 않아 저가형 제품에도 적용 가능한 이점이 있다.
또한, 이를 통하여 배터리 팩의 MCU를 보호 가능함으로써 배터리 팩의 향상된 안정성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩을 제어하는 방법을 나타내는 블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 하며, 이하 설명에서는 편의상 아날로그 프런트 엔드를 그 약자인 ‘AFE’로, 마이크로 컴퓨터 유닛을 그 약자인 ‘MCU’로 기재하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩에 구성을 간략하게 나타내는 회로도이다.
상기 도 1을 참조하면, 배터리 팩(100)은 배터리 셀(110), 셀 밸런싱부(120), 아날로그 프런트 엔드(AFE, 130), 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU, 140), 외부 단자(150), 충전 FET(160) 및 방전 FET(170), 그리고 통신 제어 FET(180)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 외부 단자(150)는 배터리 팩(100)과 외부 시스템(200)이 연결되는 위한 구성으로, 상기 외부 시스템(200)은 예를 들어, 노트북, 휴대폰, 카메라 등으로 포함하는 배터리 팩이 장착/연결 가능한 기기일 수 있다.
이에 따라, 상기 외부 시스템(200)에 어댑터(충전기)와 같은 전원 공급 장치나 외부 부하 장치가 연결됨에 따라 외부 단자(150)를 통하여 배터리 셀들(110)이 충전 또는 방전될 수 있다.
이와 같은 동작에 대해서는 외부 단자(150)의 설명 시 상세하게 설명하도록 한다.
여기서, 상기 아날로그 프런트 엔드(AFE)와 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)는 집적회로(Integrated Circuit)일 수 있다.
배터리 셀(110)은 MCU(140)의 제어에 따라 충전 및 방전되며, 편의상 도면에는 하나의 블록으로 도시하였지만 상기 배터리 셀(110)은 직렬 또는 병렬로 연결되는 하나 이상의 배터리 셀들로 구성될 수 있다.
셀 밸런싱부(120)는, 상기 복수 개의 배터리 셀(110)들과 연결되어 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 상기 셀 밸런싱부(120)는 AFE(130)에 의해 배터리 셀들(110)의 전압이 균형을 이루도록 밸런싱을 수행할 수 있으며, 보다 정확하게는 상기 AFE(130)의 동작을 전체적으로 제어하는 MCU(140)의 제어에 따라 밸런싱 동작을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 셀 밸런싱부(120)에는 각각의 배터리 셀들(110)과 연결되어 전압을 센싱하는 전압 센싱부가 포함될 수도 있고, 또는 별도의 구성으로 마련될 수도 있다. 상기 전압 센싱부(미도시)는 각각의 배터리 셀들(110)의 전압을 센싱하여 후술하는 AFE(130)로 그 정보를 제공할 수 있다.
아날로그 프런트 엔드(AFE, 130)는, 상기 센싱된 각각의 배터리 셀들(110)의 전압 정보를 주기적으로 수신하여 배터리 셀들(110)의 전압 상태를 모니터링할 수 있다.
또한, 모니터링한 배터리 셀들(110)의 전압 상태에 대한 정보를 MCU(140)로 전달하며, 이를 전달받은 MCU(140)의 제어 명령에 따라 충전 FET(160) 및 방전 FET(170)의 온/오프 동작시키고, 배터리 셀들(110)의 전압이 균형을 이루도록 셀 밸런싱부(120)를 동작시킬 수 있다.
즉, 상기 AFE(130)는 도면에서 나타내는 바와 같이 배터리 셀들(110)/셀 밸런싱부(120)와 MCU(130) 사이에 구성되어 MCU(130)의 전체적인 제어 하에 충. 방전 FET(160, 170) 및 셀 밸런싱부(120)를 동작시키는 역할을 수행한다.
MCU(140)는, 상기에서 설명한 바와 같이 AFE(130)로부터 배터리 셀들(110)의 전압 상태에 대한 정보를 전달받아 이를 바탕으로 배터리 셀들(110)의 충전 및 방전, 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
보다 정확하게는, 배터리 셀들(110)의 전압 상태에 따라 충전 및 방전, 그리고 셀 밸런싱 동작이 수행되도록 제어 신호/명령을 내리고, 이를 전달받은 AFE(130)가 그 제어신호/명령에 대응하여 충전 FET(160), 방전 FET(170) 그리고 셀 밸런싱부(120)를 동작시키는 것이다.
상기 MCU(140)는, AFE(130)로부터 전달받은 각각의 배터리 셀들(110)의 전압 상태를 기 설정된 판단 값과 비교하여 배터리 셀(110)의 과충전 또는 과방전을 판단할 수 있다.
상기 배터리 셀(110)의 전압이 기 설정된 과충전 판단 값 이상인 경우에는 과충전 상태로 판단하고, 그에 대응하는 과충전 판단 신호를 생성하여 AFE(130)로 출력하는 과충전 판단부(142)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀(110)의 전압이 기 설정된 과방전 판단 값 이하인 경우에는 과방전 상태로 판단하고, 그에 대응하는 과방전 판단 신호를 생성하여 AFE(130)로 출력하는 과방전 판단부(144)를 포함하여 구성될 수 있다.
이에, 상기 AFE(130)는 과충전 판단 신호를 입력받은 경우는 배터리 팩에 더 이상이 충전 전류가 유입되는 것을 차단하기 위하여 충전 FET(160)을 오프 제어할 수 있고, 과방전 판단 신호를 입력받은 경우는 배터리 팩의 방전 전류의 흐름을 차단하기 위하여 방전 FET(170)을 오프 제어할 수 있다.
또한, 상기 MCU(140)는 배터리 팩(100)과 외부 시스템(200)과의 통신할 수
있다. 상기 MCU(140)는 그 내부에 구성되는 SMBUS를 통해 외부 단자(150)에 연결되는 외부 시스템(200)과 통신할 수 있으며, 예를 들어 AFE(130)로부터 전달 받은 배터리 셀들(110)의 전압 상태 등과 같은 셀 데이터를 MCU(140)와 외부 단자(150) 사이에 구성되는 통신 경로를 통하여 외부 시스템(200)으로 전달할 수 있다.
이 때, 상기 셀 데이터는 SMBUS로부터 통신 경로(제1,2 경로)를 통해 통신 단자의 클럭신호(CLK)에 동기화되어 외부 시스템(200)으로 전달될 수 있다.
한편, 상기 MCU(140)는, 상기 MCU(140)와 외부 단자(150)의 통신 단자(154) 사이의 통신 경로에 구성되는 통신 제어 FET(180)의 온/오프를 제어하는 통신 제어 FET 차단부(146)를 포함하여 구성될 수 있다. 이에 대한 설명은 구성 통신 제어 FET(180)에 대한 설명 시 상세히 설명하도록 한다.
한편, 외부 단자(150)는, 도면에 도시된 바와 같이 출력단자(152) 및 통신단자(154)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 출력단자(152)는, 배터리 셀들(110)이 충전 및 방전되도록 하는 외부 시스템(200)과의 충전 및 방전 통로일 수 있다. 즉, 배터리 셀들(110)과 출력단자(150)의 P+ 및 P- 사이의 각각의 경로를 통하여 전류가 흐르게 되며, 이에 따라 배터리 셀들(110)이 충전 및 방전될 수 있다. 즉, 이 경로를 충. 방전 경로로 설명할 수 있다.
예를 들어, 배터리 팩(100)의 외부 단자(150)와 연결된 외부 시스템(150)에 그 전압 공급원인 어댑터(충전기)가 연결되면 상기 출력단자(152)를 통하여 충전 전류가 유입되고 이에 따라 배터리 셀들(110)이 충전되는 것이다.
반면, 외부 시스템(150)과 어댑터(충전기)가 분리되고 외부 부하와 연결되면, 외부 단자(150)의 출력단자(152)를 통해 배터리 셀들(110)로부터 외부 시스템(200)의 외부 부하로 전류가 흐르게 되어(방전 전류) 배터리 셀들(110)이 방전된다.
이 때, 배터리 셀들(110)과 출력단자(152) 사이에 형성되는 충. 방전 경로 상에는 충전 FET(160) 및 방전 FET(170)이 구성되어 있으며, 상술한 바와 같이 MCU(140)의 제어 하에 AFE(130)가 상기 충전 FET(160) 및 방전 FET(170)을 온. 오프 동작시킴으로 배터리 셀들의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다.
즉, 상기에서 설명한 바와 같이, MCU(140)에서 과충전 판단 신호가 출력되면 AFE(130)는 충전 FET(160)에 오프 신호를 출력하여 외부 시스템(200)의 어댑터(충전기)로부터 배터리 셀들(110)로 충전 전류가 유입되는 것을 차단하며, MCU(140)에서 과방전 판단 신호가 출력되면 AFE(130)는 방전 FET(170)에 오프 신호를 출력하여 배터리 셀들(110)로부터 외부 시스템(200)의 외부 부하로 전류가 흐르는, 즉 방전 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
또한, 배터리 셀들의 과충전 상태가 해제되면 충전 FET(160)을 온 시키고, 과방전 상태가 해제되면 방전 FET(170)을 온 시키는 제어를 통하여 배터리 셀들이 충전 및 방전될 수 있도록 한다.
여기서, 상기 충전 FET(160)과 방전 FET(170)은 하나의 경로 상에 접속되어 있으며, 서로 전류 흐름의 방향이 반대 방향으로 접속되어 있어 충전 및 방전 전류의 흐름을 제한할 수 있다.
한편, 상기 통신단자(154)는 MCU(140)이 외부 시스템(200)으로 배터리 셀들(110)의 데이터, 예를 들어 전압 상태 정보 등을 전달하기 위한 통로일 수 있다.
상기 MCU(140)와 통신단자(154) 사이에는 외부 시스템(200)의 통신을 위한 통신 경로가 형성되어 있고, 이와 연결되는 외부 시스템(200) 쪽의 통신 경로를 통하여 MCU(140)에서 외부 시스템(200)으로 배터리 셀들(110)의 데이터를 전달할 수 있다.
이 때, MCU(140)와 통신 단자(154) 사이의 상기 통신 경로에는 통신 단자(154)에서 MCU(140)로의 전류 흐름을 차단하기 위한 통신 제어 FET(180)이 구성될 수 있다.
여기서, 보다 구체적으로는 도면에 도시된 바와 같이 통신단자(154)의 C(Clock)단자와 D(Date)단자에 각각 연결되는 제 1, 2경로로 구성될 수 있으며, 상기 통신 제어 FET(180)은 제 1, 2경로 각각에 구성되는 제 1통신 제어FET(182), 제 2통신 제어 FET(184)으로 구성될 수 있다. 각 제 1, 2통신 제어 FET(182, 184)은 MCU(1410)로부터 하나의 신호를 통하여 같은 상태로 제어되는 것으로 설명의 편의를 위하여 이후 설명에서는 통신 제어 FET(180)으로 설명하도록 한다.
상기 통신 제어 FET(180)은, 상기에서 설명한 MCU(140)의 통신 제어 FET 차단부(146)에 의해 온/오프 제어될 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 통신 제어 FET 차단부(146)는 과방전 판단부(144)에서 과방전 판단 신호가 출력되는 경우, 이를 감지하고 통신 제어 FET 오프 신호를 생성하여 이를 통신 제어 FET(180)으로 출력할 수 있다.
따라서, 통신 제어 FET(180)이 오프 제어되어 MCU(140)와 통신 단자(154) 사이의 전류 흐름이 차단될 수 있다.
이 때, 과방전 판단 신호가 생성되어 출력됨에 따라, AFE(130)는 방전 전류의 흐름을 차단하는 방전 FET 오프 신호를 출력하게 되는데, 상기 통신 제어 FET 오프 신호가 방전 FET 오프 신호보다 소정의 시간 먼저 출력되도록 구성된다.
예를 들어, 도면에는 별도로 표시되지 않았지만 상기 AFE(130)와 방전 FET(170) 사이에 딜레이 버퍼(Delay Buffer) 등과 같은 구성을 배치하여 통신 제어 FET 오프 신호가 출력되고, 소정의 시간 딜레이 후 방전 FET 오프 신호가 방전 FET에 출력될 수 있도록 할 수도 있고 또는 MCU(140) 내부에서 과방전 판단 신호를 생성한 후 소정의 시간 후에 AFE(130)로 출력하도록 구성하여 통신 제어 FET 오프 신호가 먼저 출력될 수 있도록 할 수도 있다. 하나의 특정 방식에 한정하는 것이 아니며, 방전 FET(170)은 통신 제어 FET(180)이 먼저 차단된 후 소정의 시간 후에 차단될 수 있도록 하는 다양한 방식을 통하여 구현될 수 있다.
이와 같이 통신 제어 FET(180)은 방전 FET(170)은 동일한 상태로 제어되도록 구성하여, 방전 전류 흐름 차단 시 발생하는 서지 전류가 통신 경로를 통하여 배터리 팩으로 흘러들어와 MCU(140)를 파괴하는 위험 상황을 방지할 수 있는 것이다.
상기에서 설명하지는 않았지만, 과방전 상태 해제 시, 즉 오프 처리된 방전 FET(170)과 통신 제어 FET(180)을 온 처리하는 경우에도 두 FET은 동일한 상태로 제어되며, 그 순서는 과방전 상태와 역순인 방전 FET(170) -> 통신 제어 FET(180)의 순서로 제어된다. 이에 대해서는 후술하는 동작 단계 설명 시 상세하게 설명하도록 한다.
여기서, 상기 소정의 시간은 예를 들어 250ms로 설정될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 제어회로의 동작 단계를 나타내는 블록도이다.
우선, 각각의 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하여 배터리 셀들의 과충전 또는 과방전 상태를 판단하는 상태 판단단계(S100)가 동작한다. 이는 도 1 및 2를 참조하여 설명한 바와 같이, AFE(130)는 각각의 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하고, 이에 대한 정보를 MCU(140)로 전달함에 따라 MCU(140)는 기 설정된 과충전 판단 값 및 과방전 판단 값을 이용하여 배터리 셀들(110)의 과충전 또는 과방전 상태 여부를 판단할 수 있다.
상기와 같이, MCU(140)의 판단에 따라 배터리 셀(110)이 과방전인 것으로 판단되면 과방전에 대한 배터리 셀의 보호 동작을 수행하는 과방전 보호 단계(S200)가 동작한다.
과방전 보호 단계(S200)는, 과방전 판단 신호 출력단계(S210), 통신 제어 FET 차단단계(S220) 및 방전 FET 차단단계(S230)의 순서로 동작할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 상태 판단단계(S100)를 통해 배터리 셀들이 과방전 상태인 것으로 판단되면 배터리 셀들이 방전되는 것을 차단하기 위하여 배터리 셀들(110)로부터 출력단자(152), 즉 외부 시스템(200)의 외부 부하로 전류가 흐르는 것을 차단하는 동작이 수행되어야 한다. 따라서, MCU(140)에서 배터리 셀이 과방전 상태인 것으로 판단되면 AFE(130)로 과방전 판단 신호를 생성하여 출력하는 과방전 판단 신호 출력단계(S210)가 동작된다.
이 때, MCU(140)의 통신 제어 FET 차단부(146)는 과방전 판단 신호가 생성되어 출력되는 것을 감지하고, 통신 경로 상의 통신 제어 FET(180)을 차단하는 통신 제어 FET 차단단계(S220)를 수행한다.
보다 구체적으로는, 통신 제어 FET 차단부(146)는 과방전 판단 신호가 생성되어 출력되는 것을 감지하고 통신 제어 FET 오프 신호를 생성하여 통신 제어 FET(180)에 출력하여 통신 제어 FET(180)을 오프 제어한다. 따라서, MCU(140)와 외부 시스템(200)과의 통신 경로에 전류 흐름을 차단할 수 있다.
상기 통신 제어 FET 차단단계(S220)가 동작된 후, 배터리 셀들(110)과 출력단자(152) 사이의 충. 방전 경로에 방전 전류 흐름을 차단하는 방전 FET 차단단계(S230)가 동작된다.
보다 구체적으로는, MCU(140)로부터 과방전 판단 신호를 입력받은 AFE(130)는 이를 방전 전류의 흐름을 차단하라는 명령으로 인식하고, 배터리 셀들(110)과 출력단자(152, P-) 사이의 충. 방전 경로 상에 구성된 방전 FET을 오프 제어하는 방전 FET 오프 신호를 생성한다.
이 때, 생성된 방전 FET 오프 신호를 방전 FET(170)으로 바로 출력하지 않고, 상기 통신 제어 FET 차단단계(S220)가 동작한 후 출력하여 방전 FET(170)을 오프 제어한다.
상술한 바와 같이, 예를 들어 AFE(130)과 방전 FET(170) 사이에 딜레이 버퍼(Delay Buffer) 등과 같은 구성을 배치할 수도 있고, AFE(130)의 시스템 구성 시 방전 FET 오프 신호가 생성된 후 소정의 시간 후에 출력될 수 있도록 하는 등의 다양한 방식을 통하여 통신 제어 FET(180)이 오프된 후 소정의 시간 후에 방전 FET(170)이 차단될 수 있도록 할 수 있다.
즉, 과방전 보호 동작 시 방전 FET(170)을 오프 제어하기 전에 통신 제어 FET(180)을 이용하여 통신 경로 상의 전류 흐름을 먼저 차단하여 외부 시스템(200)과의 통신 경로를 절연함으로써 전류가 순간적으로 통신 경로로 유입되지 않도록 한 후, 방전 전류의 흐름을 차단하고자 하는 것이다.
이와 같이 방전 FET 오프 시, 즉 방전 전류 흐름을 차단하여 발생하는 서지 전류가 통신 경로를 통하여 MCU(140)를 파괴하지 못하도록 함으로써 MCU(140)를 보호할 수 있고, 이는 나아가 배터리 팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 소정의 시간은 예를 들어 250ms로 설정될 수 있다.
상기와 같이 배터리 셀들의 과방전 보호 단계(S200)가 동작한 후에는, 각각의 배터리 셀들의 전압 상태를 모니터링하여 과방전 보호 상태의 해제 여부 즉, 정상 상태로 복원되었음을 판단하는 과방전 해제 판단단계(S300), 상기 과방전 보호 상태가 해제된 것으로 판단된 경우, 과방전 보호 동작을 해제하는 과방전 해제단계(S400)가 수행된다.
MCU(140)는 과방전 보호 동작 후, 배터리 셀들의 전압 상태와 기 설정된 과방전 판단 값과의 비교를 통하여 과방전 상태의 해제 여부를 판단한다. (S300)
이에, 상기 MCU(140)는 과방전 해제 신호를 생성하여 AFE(130)로 출력하고, 이를 입력 받은 AFE(130)는 차단된 방전 전류의 흐름을 해제하라는 명령으로 인식하고, 방전 FET 온 신호를 생성 및 출력하여 방전 FET 차단을 해제하는 방전 FET 차단 해제단계(S410)가 동작된다.
한편, 상기 MCU(140)는 방전 FET 온 신호가 출력됨을 감지하고, 차단된 통신 경로를 해제하기 위하여 통신 제어 FET 온 신호를 생성 및 출력하여 통신 제어 FET 차단을 해제할 수 있다. 즉, MCU(140)와 외부 시스템(200)과의 통신 경로에 전류 흐름이 진행될 수 있다. (S420)
여기서, 과방전 보호 단계의 경우와 같이 방전 FET 제어와 통신 제어 FET을 제어하는 그 사이에는 소정의 시간 간격이 존재하도록 동작된다.
즉, MCU(140)에서 방전 FET 온 신호가 출력되는 것을 감지하여 통신 제어 FET 온 신호를 생성하고 출력함으로써 이는 방전 FET 차단 해제단계(S410) 동작 후에 통신 제어 FET 차단 해제단계(S420)가 동작되는 것이며, 그 시간 간격을 미리 설정하여 일정 시간 간격을 두고 두 단계가 동작하도록 구성되며, 상기 소정의 시간은 예를 들어 250ms로 설정될 수 있다.
결론적으로, 상기와 같이 과방전 보호 단계(S200)와 과방전 해제단계(S320)의 각 단계를 서로 역순으로 동작되는 것으로 설명할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 과방전 보호 단계(S200)에서는 통신 제어 FET을 먼저 오프 제어한 후(S220), 소정의 시간 후에 방전 FET을 오프 제어(S230)하도록 단계 구성된다.
반면, 상기 과방전 해제단계(S320)에서는 방전 FET을 먼저 온 제어한 후(S322), 소정의 시간 후에 통신 제어 FET을 온 제어(S324)하도록 단계 구성된다.
즉, 과방전 보호 시에는 방전 전류 흐름을 차단하기 전에 통신 경로를 먼저 절연/차단하고, 과방전 해제 시에는 방전 FET을 온 제어하여 방전 전류가 흐르도록 한 후 통신 경로에 전류가 흐르도록 함으로써 방전 전류의 흐름이 차단되었을 시 발생하는 서지 전류가 통신 경로를 통하여 유입되어 MCU(140)가 파괴되는 것을 방지하고자 하는 것이다.
이와 같은 단계 구성을 통하여 방전 FET(170)과 통신 제어 FET(180)을 동일한 상태(온/오프)로 제어하고, 그 순서를 방전 전류 차단 시에는 통신 제어 FET(180)->방전 FET(170)의 순서로 오프 제어하고, 방전 전류 차단 해제 시에는 방전 FET(170)->통신 제어 FET(180)의 순서로 온 제어함으로써 방전 전류의 흐름이 차단됨에 따라 서지 전류가 통신 단자(150)를 통하여 배터리 팩으로 흘러들어와 MCU(140)에 좋지 않은 영향을 미치게 되는 것을 방지할 수 있어 보다 안정성이 향상된 배터리 팩을 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
110: 배터리 셀
120: 셀 밸런싱부
130: AFE
140: MCU
150: 외부 단자
160: 충전 FET
170: 방전 ET
180: 통신 제어 FET
200: 외부 시스템

Claims (11)

  1. 하나 이상의 배터리 셀을 포함하여 구성되는 배터리 팩에 있어서,
    상기 배터리 셀들의 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱부;
    상기 각각의 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하고, 상기 셀 밸런싱부를 제어하는 아날로그 프런트 엔드(AFE);
    상기 아날로그 프런트 엔드(AFE)에서 모니터링한 각각의 배터리 셀의 전압 상태를 바탕으로 하여 상기 아날로그 프런트 엔드(AFE)를 제어하는 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU);
    상기 배터리 팩과 외부 시스템이 연결되는 외부 단자;
    를 포함하여 구성되는 배터리 팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 단자는,
    상기 배터리 셀과 외부 시스템 사이에 전류가 흐르도록 하는 출력 단자;
    상기 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)과 외부 시스템과의 통신이 가능하도록 하는 통신 단자;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 셀과 출력 단자 사이에 흐르는 전류 경로 상에 구성되어, 상기 출력 단자로부터 배터리 셀로의 전류 흐름을 차단하는 충전 FET; 및 상기 배터리 셀로부터 출력 단자로의 전류 흐름을 차단하는 방전 FET; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 충전 FET 및 방전 FET은, 상기 아날로그 프런트 엔드(AFE)에 의해 온/오프 동작하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)와 통신 단자 사이에는 통신 경로가 형성되며, 상기 통신 경로 상에는 상기 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)의 제어에 의해 통신 단자와 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)의 사이의 경로를 차단하는 통신 제어 FET; 이 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)은, 상기 배터리 셀의 과충전인 것으로 판단되면 과충전 판단 신호를 생성하여 아날로그 프런트 엔드(AFE)로 출력하는 과충전 판단부;
    상기 배터리 셀이 과방전인 것으로 판단되면 과방전 판단 신호를 생성하여 아날로그 프런트 엔드(AFE)로 출력하는 과방전 판단부;
    상기 과방전 판단부에서 과방전 판단 신호가 출력되는 것을 감지하고, 통신 제어 FET으로 통신 제어 FET 오프 신호를 출력하여 마이크로 컴퓨터 유닛(MCU)과 통신 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 통신 제어 FET 차단부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 아날로그 프런트 엔드(AFE)는, 상기 과충전 판단 신호를 입력받은 경우에는 충전 FET 오프 신호를 출력하여 충전 전류의 흐름을 차단하고, 상기 과방전 판단 신호를 입력받은 경우에는 방전 FET 오프 신호를 출력하여 방전 전류의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.

  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 방전 FET 오프 신호는, 상기 통신 제어 FET 오프 신호가 출력된 후 소정의 시간 후에 출력되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 하나 이상의 배터리 셀을 포함하여 구성되는 배터리 팩을 제어하는 방법에 있어서,
    각각의 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하여, 배터리 셀들의 과충전 또는 과방전 상태를 판단하는 상태 판단단계;
    상기 상태 판단단계에서 배터리 셀들이 과방전인 것으로 판단되는 경우, 과방전 보호 단계; 가 동작하는 것으로 구성되며,

    상기 과방전 보호 단계는,
    방전 전류의 흐름을 차단하기 위하여 아날로그 프런트 엔드(AFE)로 과방전 판단 신호를 출력하는 과방전 판단 신호 출력단계;
    상기 배터리 팩과 외부 시스템과의 통신 경로 상에 구성된 통신 제어 FET을 차단하는 통신 제어 FET 차단단계;
    상기 배터리 셀들로부터 외부 단자로의 방전 전류의 흐름을 차단하는 방전 FET 차단단계;
    를 포함하여 구성되는 배터리 팩 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 과방전 보호 단계 동작 후에는,
    각각의 배터리 셀의 전압 상태를 모니터링하여, 배터리 셀들의 과방전 해제 여부를 판단하는 과방전 해제 판단단계;
    상기 배터리 셀들의 과방전 상태가 해제되는 것으로 판단된 경우, 상기 배터리 셀들의 과방전 보호 상태를 해제하는 과방전 해제단계; 가 동작하며,
    상기 과방전 해제단계는,
    방전 FET 온 신호를 생성 및 출력하여 방전 FET 차단을 해제하는 방전 FET 차단 해제단계;
    상기 통신 제어 FET 온 신호를 생성 및 출력하여 통신 제어 FET 차단을 해제하는 통신 제어 FET 차단 해제단계; 를 포함하여 구성되고,

    통신 제어 FET 차단 해제단계는, 상기 방전 FET 차단 해제단계가 동작한 후, 소정의 시간 후에 동작하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제어방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 방전 FET 차단단계는, 상기 통신 제어 FET 차단단계가 동작한 후, 소정의 시간 후에 동작하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제어 방법.


















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