WO2019177303A1 - 과방전 방지 장치 - Google Patents

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WO2019177303A1
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battery cell
voltage
processor
limiting resistor
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김경직
손영수
이진현
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the battery management device used in such a battery pack monitors the state of the battery using a temperature sensor, a current sensor, a voltage sensor, and the like, and uses these monitoring results to estimate SOC, SOH, balance the voltage between battery cells, or overcharge the battery. It protects the battery from over discharge, high voltage, over current, low temperature and high temperature.
  • An overdischarge prevention device for solving the technical problem is a first switch located on the first discharge path for electrically connecting the battery cell and the output terminal; A second switch positioned in the first discharge path and electrically connected to one end and the other end of the first switch and the output terminal, respectively; a first node and the second switch located between the first switch and the second switch; A current limiting resistor located on a second discharge path electrically connecting a second node positioned between a second switch and the output terminal, one end of which is electrically connected to the first node; A third switch disposed on the second discharge path, one end and the other end of which are electrically connected to the other end of the current limiting resistor and the second node, respectively; And setting a reference voltage using at least one of a minimum driving voltage of the battery cell, a first drop voltage by the current limiting resistor, and a second drop voltage by the internal resistance of the battery cell, and based on the reference voltage. And a processor configured to control an operating state of the first switch, the second switch
  • the processor may be configured to control the operation state of the first switch and the second switch to the on state, and to control the operation state of the third switch to turn off. .
  • the processor may be configured to compare the cell voltage of the battery cell with the reference voltage, and to control an operating state of the first switch, the second switch, and the third switch in response to the comparison result. .
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of the over-discharge prevention device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating another example of a switch control for preventing the overdischarge by the processor of the overdischarge prevention apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of the over-discharge prevention apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view schematically showing a connection configuration between the over-discharge prevention device, a battery pack and a load according to an embodiment of the present invention to be.
  • the minimum unit of the battery in which the change in the battery pack electrode response resistance is diagnosed includes a plurality of battery cells B electrically connected in series and / or in parallel.
  • the case where the battery pack includes only one unit cell is also included in the scope of the present invention.
  • the battery cell B may be electrically coupled to various electronic devices through output terminals Pack + and Pack ⁇ .
  • the electronic device may be a driving device that is driven using electric power.
  • an electric vehicle a hybrid car, an unmanned aerial vehicle such as a drone, a large-capacity power storage device included in an electric power grid (Energy Storage System), Or a mobile device.
  • the battery cell B when the electronic device connected to the battery cell B is a drone, the battery cell B outputs power to output terminals Pack + and Pack-, thereby providing a motor that is a load L provided in the drone. Can be powered by
  • the current limiting resistor Rptc includes a first node N1, the second switch SW2, and the output terminal Pack +, positioned between the first switch SW1 and the second switch SW2.
  • the second discharge path L2 may be electrically connected to the second node N2 positioned between the packs, and one end may be electrically connected to the first node N1.
  • the current limiting resistor Rptc is closer to the first node N1 than the third switch SW3.
  • the third switch SW3 may be located closer to the second node N2 than the current limiting resistor Rptc.
  • the operating state of the first switch SW1 is controlled to be turned on, the operating state of the second switch SW1 is controlled to be turned off, and the operating state of the third switch SW3 is controlled to be turned on
  • the power output from the battery cell B may be output to the output terminals Pack + and Pack ⁇ through the second discharge path L2.
  • the sensing unit 110 is a cell voltage applied to both ends of the battery cell B at predetermined intervals, and the discharge current of the battery cell B flowing from the battery cell B to the first discharge path L1.
  • the processor 130 may provide a measurement signal indicating the temperature of the battery cell B and the ambient temperature of the current limiting resistor Rptc.
  • the processor 130 receives an output request signal for outputting the power of the battery cell B to the load L of the electronic device.
  • the minimum driving voltage of the battery cell B may be a voltage of the battery cell B that must be kept to a minimum so that the battery cell B does not deteriorate due to over discharge.
  • the processor 130 uses a second temperature-resistance lookup table in which the internal resistance of the battery cell B is matched with the temperature of the battery cell B measured from the sensing unit 110.
  • the second drop voltage can be calculated.
  • the processor 130 controls the operation states of the first switch SW1 and the third switch SW3 to be turned on, The operation state of the second switch SW2 may be controlled to be turned off.

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Abstract

본 발명에 따른 과방전 방지 장치는 배터리 셀과 출력 단자를 전기적으로 연결시키는 제1 방전 경로 상에 위치하는 제1 스위치; 상기 제1 방전 경로에 위치하고, 일단과 타단이 각각 상기 제1 스위치의 타단과 상기 출력 단자에 전기적으로 연결된 제2 스위치; 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 위치하는 제1 노드와 상기 제2 스위치 및 상기 출력 단자 사이에 위치하는 제2 노드를 전기적으로 연결시키는 제2 방전 경로 상에 위치하고, 일단이 상기 제1 노드에 전기적으로 연결된 전류 제한 저항; 상기 제2 방전 경로 상에 위치하고, 일단과 타단이 각각 상기 전류 제한 저항의 타단과 상기 제2 노드에 전기적으로 연결된 제3 스위치; 및 상기 배터리 셀의 최소 구동 전압, 상기 전류 제한 저항에 의한 제1 강하 전압 및 상기 배터리 셀의 내부 저항에 의한 제2 강하 전압 중 하나 이상을 이용하여 기준 전압을 설정하고, 상기 기준 전압에 기초하여 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 동작 상태를 제어하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

과방전 방지 장치
본 출원은 2018년 03월 12일자로 출원된 한국 특허 출원번호 제10-2018-0028619에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 과방전 방지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리의 출력을 서서히 감소시켜 과방전을 방지하는 과방전 방지 장치에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
한편, 이러한 이차 전지는 단일의 이차 전지로 사용되는 경우도 있지만, 고전압 및/또는 대용량의 전력 저장 장치를 제공하기 위해 복수의 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 상태로 사용되는 경우가 많으며, 내부의 이차 전지의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 관리 장치가 포함된 배터리 팩의 형태로 사용되고 있다.
이러한 배터리 팩에 사용되는 배터리 관리 장치는, 온도 센서, 전류 센서, 전압 센서 등을 이용하여 배터리의 상태를 모니터링하고, 이러한 모니터링 결과를 이용하여 SOC, SOH를 추정하거나 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하거나 과충전, 과방전, 고전압, 과전류, 저온, 고온 등으로부터 배터리를 보호하는 기능을 수행한다.
특히, 배터리 관리 장치는, 배터리의 전압이 최소 동작 전압 이하로 과방전되는 것을 방지하기 위하여 보호 회로를 구비할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치는, 배터리의 방전 경로 상에 스위치를 구비하고, 배터리의 전압이 미리 설정된 최소 동작 전압 이하로 강하되는 경우, 상기 스위치를 턴 오프시켜 배터리의 방전을 차단함으로써, 배터리의 과방전을 방지한다.
이러한, 종래의 배터리 관리 장치의 과방전 방지 기술은 배터리의 전압이 최소 동작 전압 이하로 강하되는 순간 배터리의 출력을 차단하므로 배터리로부터 전력을 공급받는 시스템의 전원이 갑작스럽게 꺼지는 문제점이 있다.
본 발명은 배터리 셀의 최소 구동 전압, 온도에 따라 저항값이 가변되는 전류 제한 저항 및 배터리 셀의 내부 저항 각각에 의한 강하 전압을 이용하여 기준 전압을 설정하고, 배터리 셀의 셀 전압과 기준 전압 간의 비교 결과에 기초하여 전류 제한 저항의 통전을 제어함으로써, 배터리 셀의 과방전을 방하는 과방전 방지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 과방전 방지 장치는 배터리 셀과 출력 단자를 전기적으로 연결시키는 제1 방전 경로 상에 위치하는 제1 스위치; 상기 제1 방전 경로에 위치하고, 일단과 타단이 각각 상기 제1 스위치의 타단과 상기 출력 단자에 전기적으로 연결된 제2 스위치;상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 위치하는 제1 노드와 상기 제2 스위치 및 상기 출력 단자 사이에 위치하는 제2 노드를 전기적으로 연결시키는 제2 방전 경로 상에 위치하고, 일단이 상기 제1 노드에 전기적으로 연결된 전류 제한 저항; 상기 제2 방전 경로 상에 위치하고, 일단과 타단이 각각 상기 전류 제한 저항의 타단과 상기 제2 노드에 전기적으로 연결된 제3 스위치; 및 상기 배터리 셀의 최소 구동 전압, 상기 전류 제한 저항에 의한 제1 강하 전압 및 상기 배터리 셀의 내부 저항에 의한 제2 강하 전압 중 하나 이상을 이용하여 기준 전압을 설정하고, 상기 기준 전압에 기초하여 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 동작 상태를 제어하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 온도에 따른 상기 전류 제한 저항의 가변 저항값과 상기 배터리 셀의 방전 전류를 이용하여 상기 제1 강하 전압을 산출하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 온도에 따른 상기 배터리 셀의 내부 저항값과 상기 배터리 셀의 방전 전류를 이용하여 상기 제2 강하 전압을 산출하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 하기의 수학식을 이용하여 상기 기준 전압을 산출하도록 구성될 수 있다.
<수학식>
Figure PCTKR2019002625-appb-img-000001
여기서, V ref는 상기 기준 전압, V min은 상기 배터리 셀의 최소 구동 전압, I o는 상기 배터리 셀의 방전 전류, R v는 온도에 따른 상기 전류 제한 저항의 가변 저항값, R i는 온도에 따른 상기 배터리 셀의 내부 저항값이다.
바람직하게, 상기 프로세서는 출력 요청 신호가 수신되면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 동작 상태를 턴 온 상태로 제어하고, 상기 제3 스위치의 동작 상태를 턴 오프로 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리 셀의 셀 전압과 상기 기준 전압을 비교하고, 상기 비교 결과에 대응하여 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 동작 상태를 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서는 상기 배터리 셀의 셀 전압이 상기 기준 전압 이하이면, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치의 동작 상태를 턴 온 상태로 제어하고, 상기 제2 스위치의 동작 상태를 턴 오프로 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 상기 과방전 방지 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 상기 과방전 방지 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전자 장치는 상기 과방전 방지 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀의 최소 구동 전압, 온도에 따라 저항값이 가변되는 전류 제한 저항 및 배터리 셀의 내부 저항 각각에 의한 강하 전압을 이용하여 기준 전압을 설정하고, 배터리 셀의 셀 전압과 기준 전압 간의 비교 결과에 기초하여 전류 제한 저항에 흐르는 전류의 흐름을 제어함으로써, 배터리 셀의 과방전을 방지하고, 배터리 셀의 출력을 서서히 감소시켜 부하로 공급되는 전력이 한번에 차단되는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과방전 방지 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과방전 방지 장치, 배터리 팩 및 부하 간의 연결 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과방전 방지 장치의 프로세서가 출력 요청 신호를 수신하는 경우, 스위치 제어의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 과방전 방지 장치의 프로세서가 과방전을 방지하기 위한 스위치 제어의 다른 예를 도시한 도면이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 프로세서와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과방전 방지 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과방전 방지 장치, 배터리 팩 및 부하 간의 연결 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
우선, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 과방전 방지 장치(100)는 배터리 팩을 구비하는 전자 장치에 포함되고, 배터리 팩에 구비된 배터리 셀(B)과 연결되어 배터리 셀(B)의 과방전을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 과방전 방지 장치(100)는 배터리 팩에 구비된 배터리 관리 장치(BMS)에 포함될 수도 있다.
상기 과방전 방지 장치(100)는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 전류 제한 저항(Rptc), 제3 스위치(SW3), 센싱부(110), 메모리부(120), 프로세서(130) 및 알림부(140)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩 전극 반응 저항도의 변화가 진단되는 최소 단위의 전지로서, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀(B)들을 포함한다. 물론, 상기 배터리 팩이 하나의 단위 셀만을 포함하는 경우도 본 발명의 범주에 포함된다.
상기 배터리 셀(B)은 반복적인 충방전이 가능하다면 그 종류에 특별한 제한이 없는데, 일 예시로서 파우치 타입으로 이루어진 리튬 폴리머 배터리일 수 있다.
상기 배터리 셀(B)은 출력 단자(Pack+, Pack-)를 통해 다양한 전자 장치에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 전자 장치는, 전력을 이용하여 주행되는 주행 장치일 수 있으며, 일 예시로서 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 드론과 같은 무인 비행체, 전력 그리드에 포함된 대용량의 전력 저장 장치(Energy Storage System, ESS), 또는 모바일 디바이스일 수 있다.
이를 통해, 상기 배터리 셀(B)은 전자 장치에 구비된 부하(L)로 전력을 공급하기 위하여 출력 단자(Pack+, Pack-)로 전력을 출력할 수 있다.
예를 들어, 상기 배터리 셀(B)과 연결된 전자 장치가 드론인 경우, 상기 배터리 셀(B)은 출력 단자(Pack+, Pack-)로 전력을 출력함으로써, 드론에 구비된 부하(L)인 모터로 전력을 공급할 수 있다.
한편, 상기 제1 스위치(SW1)는 배터리 셀(B)과 출력 단자(Pack+, Pack-)를 전기적으로 연결시키는 제1 방전 경로(L1) 상에 위치할 수 있다.
상기 제1 스위치(SW1)는 배터리 셀(B)로부터 출력되는 전력을 출력 단자(Pack+, Pack-)로 출력시키거나 차단시킬 수 있다.
상기 제2 스위치(SW2)는 상기 제1 방전 경로(L1)에 위치하고, 일단과 타단이 각각 상기 제1 스위치(SW1)의 타단과 출력 단자(Pack+, Pack-)에 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 배터리 셀(B)과 출력 단자(Pack+, Pack-)를 전기적으로 연결시키는 제1 방전 경로(L1) 상에는 상기 제1 스위치(SW1)가 상기 제2 스위치(SW2) 보다 배터리 셀(B)에 더 근접하여 위치하고, 상기 제2 스위치(SW2)가 상기 제1 스위치(SW1) 보다 출력 단자(Pack+, Pack-)에 더 근접하여 위치할 수 있다.
한편, 상기 전류 제한 저항(Rptc)은 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2) 사이에 위치하는 제1 노드(N1)와 상기 제2 스위치(SW2) 및 상기 출력 단자(Pack+, Pack-) 사이에 위치하는 제2 노드(N2)를 전기적으로 연결시키는 제2 방전 경로(L2) 상에 위치하고, 일단이 제1 노드(N1)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제3 스위치(SW3)는 상기 제2 방전 경로(L2) 상에 위치하고, 일단과 타단이 각각 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 타단과 제2 노드(N2)에 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2)를 전기적으로 연결시키는 제2 방전 경로(L2) 상에는 상기 전류 제한 저항(Rptc)이 상기 제3 스위치(SW3) 보다 제1 노드(N1)에 더 근접하여 위치하고, 상기 제3 스위치(SW3)가 상기 전류 제한 저항(Rptc) 보다 제2 노드(N2)에 더 근접하여 위치할 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 스위치(SW1)의 동작 상태가 턴 오프로 제어되는 경우, 상기 제2 스위치(SW2)와 상기 제3 스위치(SW3)의 동작 상태와 상관없이 배터리 셀(B)에서 출력 단자(Pack+, Pack-)로 출력되는 전력이 차단될 수 있다.
상기 제1 스위치(SW1)의 동작 상태가 턴 온으로 제어되고, 상기 제2 스위치(SW1)의 동작 상태가 턴 오프로 제어되고, 상기 제3 스위치(SW3)의 동작 상태가 턴 온으로 제어되는 경우, 배터리 셀(B)에서 출력되는 전력은 제2 방전 경로(L2)를 통해 출력 단자(Pack+, Pack-)로 출력될 수 있다.
상기 제1 스위치(SW1)의 동작 상태가 턴 온으로 제어되고, 상기 제2 스위치(SW1)의 동작 상태가 턴 온으로 제어되는 경우, 상기 제3 스위치(SW3)의 동작 상태에 상관없이 배터리 셀(B)에서 출력되는 전력은 제1 방전 경로(L1)를 통해 출력 단자(Pack+, Pack-)로 출력될 수 있다.
한편, 상기 전류 제한 저항(Rptc)는 임계 온도에 도달하면 가변 저항값이 급격히 증가하는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자일 수 있다. 이에 따라, 임계 온도에 도달할 때까지 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 전류가 흐르는 경우, 제2 방전 경로(L2)에 흐르는 전류는 차단될 수 있다. 즉, 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 일정 시간 전류가 흐르는 경우, 배터리 셀(B)에서 제2 방전 경로(L2)를 통해 출력되는 전력은 차단될 수 있다.
상기 센싱부(110)는 프로세서(130)가 후술되는 기준 전압을 설정하는데 있어서 이용되는 측정 데이터를 측정할 수 있다.
이를 위하여, 상기 센싱부(110)는 미리 설정된 주기마다 배터리 셀(B)의 양단에 인가되는 셀 전압, 배터리 셀(B)에서 제1 방전 경로(L1)로 흐르는 배터리 셀(B)의 방전 전류, 배터리 셀(B)의 온도, 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 주변 온도를 나타내는 측정 신호를 프로세서(130)로 제공할 수 있다.
상기 센싱부(110)는 배터리 셀(B)의 양단에 인가되는 배터리 전압을 측정하도록 구성된 전압 센서를 포함할 수 있다. 또한, 상기 센싱부(110)는 배터리 셀(B)에서 제1 방전 경로(L1)로 흐르는 배터리 셀(B)의 방전 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서를 더 포함한다. 또한, 상기 센싱부(110)는 배터리 셀(B)의 온도, 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 주변 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서를 더 포함한다.
상기 프로세서(130)는 상기 센싱부(110)로부터 측정 신호가 수신되면, 신호 처리를 통해 셀 전압, 방전 전류, 배터리 셀(B)의 온도, 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 주변 온도 각각의 디지털 값을 결정하고 상기 메모리부(120)에 저장할 수 있다.
상기 메모리부(120)는 반도체 메모리 소자로서, 상기 프로세서(130)에 의해 생성되는 데이터를 기록, 소거, 갱신하며, 배터리 셀(B)의 균열 여부를 진단하기 위해 마련된 복수의 프로그램 코드를 저장한다. 또한, 상기 메모리부(120)는 본 발명을 실시할 때 사용되는 미리 결정된 각종 파라미터들의 사전 설정 값들을 저장할 수 있다.
상기 메모리부(120)는 데이터를 기록, 소거, 갱신할 수 있다고 알려진 반도체 메모리 소자라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 메모리부(120)는 DRAM, SDRAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등일 수 있다. 상기 메모리부(120)는 상기 프로세서(130)의 제어 로직을 정의한 프로그램 코드들을 저장하고 있는 저장매체를 더 포함할 수 있다. 상기 저장매체는 플래쉬 메모리나 하드디스크와 같은 불활성 기억 소자를 포함한다. 상기 메모리부(120)는 프로세서(130)와 물리적으로 분리되어 있을 수도 있고, 상기 프로세서(130)와 일체로 통합되어 있을 수도 있다.
우선, 상기 프로세서(130)가 배터리 셀(B)의 전력을 전자 장치의 부하(L)로 출력시키기 위한 출력 요청 신호를 수신하는 경우에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과방전 방지 장치의 프로세서가 출력 요청 신호를 수신하는 경우, 스위치 제어의 일 예를 도시한 도면이다.
상기 프로세서(130)는 출력 요청 신호가 수신되면, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)의 동작 상태를 턴 온 상태로 제어하고, 상기 제3 스위치(SW3)의 동작 상태를 턴 오프로 제어할 수 있다.
이에 따라, 배터리 셀(B)로부터 출력된 전력을 제1 방전 경로(L1)을 통해 부하(L)로 출력될 수 있다.
이후, 상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)의 최소 구동 전압, 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 의한 제1 강하 전압 및 배터리 셀(B)의 내부 저항에 의한 제2 강하 전압 중 하나 이상을 이용하여 기준 전압을 설정하고, 기준 전압에 기초하여 상기 제1 스위치(SW1), 상기 제2 스위치(SW2) 및 상기 제3 스위치(SW3)의 동작 상태를 제어할 수 있다.
여기서, 배터리 셀(B)의 최소 구동 전압은 과방전으로 인해 배터리 셀(B)의 열화되지 않도록 최소로 유지해야 하는 배터리 셀(B)의 전압일 수 있다.
예를 들어, 배터리 셀(B)의 최소 구동 전압은 "3V"일 수 있다.
한편, 상기 프로세서(130)는 온도에 따른 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 가변 저항값과 배터리 셀(B)의 방전 전류를 이용하여 상기 제1 강하 전압을 산출할 수 있다. 즉, 상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)로부터 출력된 전력이 전류 제한 저항(Rptc)이 위치하는 제2 방전 경로(L2)로 흐르는 경우를 가정하여 전류 제한 저항(Rptc)에 의한 강하 전압인 제1 강하 전압을 산출할 수 있다.
이때, 상기 프로세서(130)는 상기 센싱부(110)로부터 측정된 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 주변 온도와 온도에 따른 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 가변 저항값이 매칭된 제1 온도-저항값 룩업 테이블을 이용하여 제1 강하 전압을 산출할 수 있다. 여기서, 제1 온도-저항값 룩업 테이블은 상기 메모리부(120)에 미리 저장될 수 있다.
상기 프로세서(130)는 상기 센싱부(110)로부터 측정된 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 주변 온도에 대응하는 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 가변 저항값을 제1 온도-저항값 룩업 테이블로부터 독출할 수 있다.
이후, 상기 프로세서(130)는 독출된 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 가변 저항값과 배터리 셀(B)의 방전 전류를 곱하여 제1 강하 전압을 산출할 수 있다.
한편, 상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)의 내부 저항값과 배터리 셀(B)의 방전 전류를 이용하여 상기 제2 강하 전압을 산출할 수 있다. 즉, 상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)과 연결된 회로의 저항 성분이 아닌 온도에 따라 변화하는 배터리 셀(B)의 내부 저항에 의한 강하 전압인 제2 강하 전압을 산출할 수 있다.
이때, 상기 프로세서(130)는 상기 센싱부(110)로부터 측정된 배터리 셀(B)의 온도와 온도에 따른 배터리 셀(B)의 내부 저항값이 매칭된 제2 온도-저항값 룩업 테이블을 이용하여 제2 강하 전압을 산출할 수 있다.
상기 프로세서(130)는 상기 센싱부(110)로부터 측정된 배터리 셀(B)의 온도에 대응하는 배터리 셀(B)의 내부 저항값을 제2 온도-저항값 룩업 테이블로부터 독출할 수 있다. 여기서, 제2 온도-저항값 룩업 테이블은 상기 메모리부(120)에 미리 저장될 수 있다.
이후, 상기 프로세서(130)는 독출된 배터리 셀(B)의 내부 저항값과 배터리 셀(B)의 방전 전류를 곱하여 제2 강하 전압을 산출할 수 있다.
최종적으로, 상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)의 최소 구동 전압, 제1 강하 전압 및 제2 강하 전압을 합산하여 기준 전압으로 산출할 수 있다.
이때, 상기 프로세서(130)는 하기의 수학식 1을 이용하여 기준 전압을 산출할 수 있다.
<수학식 1>
Figure PCTKR2019002625-appb-img-000002
여기서, V ref는 상기 기준 전압, V min은 상기 배터리 셀의 최소 구동 전압, I o는 상기 배터리 셀의 방전 전류, R v는 온도에 따른 상기 전류 제한 저항의 가변 저항값, R i는 온도에 따른 상기 배터리 셀의 내부 저항값이다.
상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)의 셀 전압과 기준 전압을 비교하고, 비교 결과에 대응하여 상기 제1 스위치(SW1), 상기 제2 스위치(SW2) 및 상기 제3 스위치(SW3)의 동작 상태를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)의 셀 전압이 기준 전압 이하이면, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제3 스위치(SW3)의 동작 상태를 턴 온 상태로 제어하고, 상기 제2 스위치(SW2)의 동작 상태를 턴 오프로 제어할 수 있다.
즉, 상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)의 셀 전압이 기준 전압 이하이면, 제1 방전 경로(L1)를 통해 출력되던 배터리 셀(B)의 전력을 제2 방전 경로(L2)로 출력시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 전류 제한 저항(Rptc)에는 배터리 셀(B)의 방전 전류가 흐를 수 있다. 이후, 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 방전 전류가 계속하여 흐름으로써, 전류 제한 저항(Rptc)의 온도가 상승하여 가변 저항값이 급격하게 증가될 수 있다.
최종적으로, 상기 전류 제한 저항(Rptc)은 방전 전류가 흐름에 따라 가변 저항값이 무한대에 가까운 값으로 증가함으로써, 제2 방전 경로(L2)에 흐르는 방전 전류가 차단되어 출력 단자(Pack+, Pack-)에 출력되는 전력이 서서히 차단될 수 있다.
이러한 본 발명에 구성에 따르면, 배터리 셀(B)의 전압이 최소 구동 전압 이하인 경우, 배터리 셀(B)에서 부하(L)로 출력되는 전력을 바로 차단하는 것이 아니라, 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 방전 전류가 흐름에 따라 증가하는 가변 저항값에 반비례하여 전력이 서서히 감소될 수 있다.
한편, 다른 실시예에 따른 상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)의 방전 전류 및 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 주변 온도를 이용하여 전력 차단 예상 시간을 추정할 수 있다.
보다 구체적으로, 다른 실시예에 따른 상기 프로세서(130)는 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 흐르는 최초 전류값 별로 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 임계 저항 도달 시간이 맵핑된 전류-시간 룩업 테이블을 이용하여 전력 차단 예상 시간을 추정할 수 있다.
여기서, 전류-시간 룩업 테이블은 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 전류가 흐르는 경우, 해당 전류의 최초 전류값에 따라 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 가변 저항값이 무한대에 가까워지는 임계 도달 시간이 맵핑된 룩업 테이블일 수 있다.
예를 들어, 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 최초로 흐르는 전류의 최초 전류값이 "5A"이고, "5A"의 전류가 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 흐르기 시작한지 "10sec" 뒤에 상기 전류 제한 저항(Rptc)의 가변 저항값이 무한대에 가까워진 경우, 전류-시간 룩업 테이블에는 최초 전류값 "5A"와 임계 저항 도달 시간을 "10sec"가 맵핑되어 저장될 수 있다. 여기서, 전류-시간 룩업 테이블은 상기 메모리부(120)에 저장될 수 있다.
다른 실시예에 따른 상기 프로세서(130)는 배터리 셀(B)의 셀 전압이 기준 전압 이하이면, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제3 스위치(SW3)의 동작 상태를 턴 온 상태로 제어하고, 상기 제2 스위치(SW2)의 동작 상태를 턴 오프로 제어할 수 있다.
이후, 다른 실시예에 따른 상기 프로세서(130)는 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 흐르는 방전 전류의 전류값을 이용하여 전류-시간 룩업 테이블로부터 임계 저항 도달 시간을 독출할 수 있다.
다른 실시예에 따른 상기 프로세서(130)는 독출된 임계 저항 도달 시간을 전력 차단 예상 시간으로 추정할 수 있다. 즉, 전력 차단 예상 시간은 상기 프로세서(130)가 상기 전류 제한 저항(Rptc)에 방전 전류가 흐르도록 상기 제1 스위치(SW1), 상기 제2 스위치(SW2) 및 상기 제3 스위치(SW3)의 동작 상태를 제어한 뒤, 배터리 셀(B)의 전력이 차단되는 시점을 추정한 시간일 수 있다.
이러한 본 발명의 구성을 통해, 배터리 셀(B)의 과방전을 방지하기 위해 부하(L)로 공급되는 배터리 셀(B)의 출력이 차단하는 시간을 미리 예측할 수 있다.
상기 프로세서(130)는, 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 프로세서(130)에 의해 실행될 수 있는 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서(130)에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 코드 체계는 캐리어 신호로 변조되어 특정한 시점에 통신 캐리어에 포함될 수 있고, 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
상기 알림부(140)는 상기 프로세서(130)로부터 추정된 임계 저항 도달 시간을 입력받아 외부로 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 알림부(140)는 임계 저항 도달 시간을 기호, 숫자 및 코드 중 하나 이상을 이용하여 표시하는 디스플레이부 및 소리로 출력하는 스피커 장치 중 하나 이상을 구비할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 상술된 과방전 방지 장치를 포함할 수 있다. 이를 통해, 배터리 관리 장치가 관리하는 배터리 셀(B)의 과방전이 방지될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전자 장치는 배터리 셀(B)로부터 전력을 공급받고, 상술된 과방전 방지 장치를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
(부호의 설명)
B: 배터리 셀
L: 부하
100: 과방전 방지 장치
110: 센싱부
120: 메모리부
130: 프로세서
140: 알림부
SW1: 제1 스위치
SW2: 제2 스위치
SW3: 제3 스위치
Rptc: 전류 제한 저항

Claims (9)

  1. 배터리 셀과 출력 단자를 전기적으로 연결시키는 제1 방전 경로 상에 위치하는 제1 스위치;
    상기 제1 방전 경로에 위치하고, 일단과 타단이 각각 상기 제1 스위치의 타단과 상기 출력 단자에 전기적으로 연결된 제2 스위치;
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 위치하는 제1 노드와 상기 제2 스위치 및 상기 출력 단자 사이에 위치하는 제2 노드를 전기적으로 연결시키는 제2 방전 경로 상에 위치하고, 일단이 상기 제1 노드에 전기적으로 연결된 전류 제한 저항;
    상기 제2 방전 경로 상에 위치하고, 일단과 타단이 각각 상기 전류 제한 저항의 타단과 상기 제2 노드에 전기적으로 연결된 제3 스위치; 및
    상기 배터리 셀의 최소 구동 전압, 상기 전류 제한 저항에 의한 제1 강하 전압 및 상기 배터리 셀의 내부 저항에 의한 제2 강하 전압 중 하나 이상을 이용하여 기준 전압을 설정하고, 상기 기준 전압에 기초하여 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 동작 상태를 제어하도록 구성된 프로세서를 포함하는 과방전 방지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    온도에 따른 상기 전류 제한 저항의 가변 저항값과 상기 배터리 셀의 방전 전류를 이용하여 상기 제1 강하 전압을 산출하도록 구성된 과방전 방지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    온도에 따른 상기 배터리 셀의 내부 저항값과 상기 배터리 셀의 방전 전류를 이용하여 상기 제2 강하 전압을 산출하도록 구성된 과방전 방지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    하기의 수학식을 이용하여 상기 기준 전압을 산출하도록 구성된 과방전 방지 장치.
    <수학식>
    Figure PCTKR2019002625-appb-img-000003
    여기서, V ref는 상기 기준 전압, V min은 상기 배터리 셀의 최소 구동 전압, I o는 상기 배터리 셀의 방전 전류, R v는 온도에 따른 상기 전류 제한 저항의 가변 저항값, R i는 온도에 따른 상기 배터리 셀의 내부 저항값이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    출력 요청 신호가 수신되면, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 동작 상태를 턴 온 상태로 제어하고, 상기 제3 스위치의 동작 상태를 턴 오프로 제어하도록 구성된 과방전 방지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 배터리 셀의 셀 전압과 상기 기준 전압을 비교하고, 상기 비교 결과에 대응하여 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치의 동작 상태를 제어하도록 구성된 과방전 방지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 배터리 셀의 셀 전압이 상기 기준 전압 이하이면, 상기 제1 스위치 및 상기 제3 스위치의 동작 상태를 턴 온 상태로 제어하고, 상기 제2 스위치의 동작 상태를 턴 오프로 제어하도록 구성된 과방전 방지 장치.
  8. 상기 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 과방전 방지 장치를 포함하는 배터리 팩.
  9. 상기 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 과방전 방지 장치를 포함하는 전자 장치.
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