WO2022045687A1 - 배터리 보호회로 및 그 보호 방법 - Google Patents

배터리 보호회로 및 그 보호 방법 Download PDF

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장지욱
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery protection circuit and a method for protecting the same, and more particularly, to a battery protection circuit for protecting a battery from overcharge, overdischarge and overcurrent, and a method for protecting the same.
  • Batteries are widely used in various fields ranging from small electronic devices such as smart phones, laptops, and tablet PCs to electric vehicles and energy storage systems (ESS).
  • ESS energy storage systems
  • a battery protection circuit for protecting the battery from overcharge, overdischarge, overcurrent, and short circuit is used.
  • the battery protection circuit 20 generally configures the charge/discharge FETs 22a and 22b on the current path between the battery cell 10 and the output unit 30 to the external system as shown in FIG.
  • an abnormality such as , overcharge, overdischarge, or overcurrent occurs
  • the battery is protected by turning off the charge/discharge FETs 22a and 22b to cut off the abnormal current.
  • the charge/discharge FETs 22a and 22b configured on the current path must use a low-resistance FET with a small resistance value in order to prevent current loss and heat generated by the current flowing in the current path.
  • the low-resistance FET has a disadvantage in that it is larger and more expensive than a general FET, which causes problems such as an increase in the price and size of the battery protection circuit, and an increase in the internal resistance of the battery.
  • Patent Document 1 KR2045999 B1
  • An object of the present invention is to solve the above problem, and to provide a battery protection circuit and method for protecting a battery from abnormal situations such as overcharge, overdischarge, and overcurrent by using a general FET.
  • a battery protection circuit for protecting one or more battery cells from abnormal situations including overcharging, overdischarging and overcurrent is provided on a current output path formed between one terminal of the battery cell and an output unit to an external system.
  • a current sensing unit connected in series to sense a current of a battery cell flowing in the path;
  • a voltage sensing unit connected to a voltage sensing line connected to both ends of the battery cell to sense the voltage of the battery cell;
  • a voltage information transfer unit transmitting the voltage value of the battery cell sensed by the voltage sensing unit to the external system;
  • a sensing line blocking FET provided on the voltage sensing line to be turned off under the control of the controller to disconnect the voltage sensing line.
  • control unit compares whether the voltage value of the battery cell sensed by the voltage sensing unit is equal to or greater than a predetermined first reference value, determines that the battery cell is in an overcharge state, and outputs an overcharge signal when the voltage value is equal to or greater than a predetermined first reference value.
  • judging unit a second determination unit that compares whether the voltage value of the battery cell sensed by the voltage sensing unit is equal to or less than a predetermined second reference value, determines that the battery cell is in an overdischarge state and outputs an overdischarge signal when the voltage value is equal to or less than a predetermined second reference value; a third determining unit that compares whether the current value of the battery cell sensed by the current sensing unit is equal to or greater than a predetermined third reference value, determines that the battery cell is in an overcurrent state, and outputs an overcurrent signal; and a cut-off FET control unit configured to disconnect the voltage sensing line by turning off the sensing line cut-off FET when any one of overcharge, overdischarge, and overcurrent signals are output from the first, second, and third determination units; It is characterized in that it comprises a.
  • the voltage of the battery cell sensed by the voltage sensing unit is 0V.
  • the external system detects that the current battery cell is in a low voltage state and turns off the system power by itself.
  • a method for protecting one or more battery cells from abnormal situations including overcharging, overdischarging and overcurrent includes a sensing resistor provided on a current output path between the battery cell and an output unit to an external system and a battery cell a cell state information measurement step of measuring current and voltage values of a battery cell at predetermined periodic intervals through a voltage sensing line connected to both ends of the ; an abnormal condition determination step of determining whether an abnormal condition has occurred in the battery cell using the current and voltage values of the battery cell measured in the cell state information measuring step; a voltage sensing line disconnection step of disconnecting the voltage sensing line when it is determined that an abnormal condition has occurred in the battery cell by the abnormal condition occurrence determination step; a cell voltage information transfer step of transferring the voltage value of the battery cell measured through the voltage sensing line disconnected by the voltage sensing line disconnection step to an external system; and an external system power-off step of automatically turning off the system power in the external system receiving the voltage value of the battery cell measured through the disconnected voltage sensing line through the cell voltage information
  • the determining whether or not the abnormal situation occurs may include comparing whether the voltage value of the battery cell measured in the cell state information measuring step is equal to or greater than a predetermined first reference value, and determining that the battery cell is in an overcharged state if it is equal to or greater than a first reference value overcharge determination step; an over-discharge determination step of comparing whether the voltage value of the battery cell measured in the cell state information measurement step is equal to or less than a predetermined second reference value, and determining that the battery cell is in an over-discharge state when the voltage value is equal to or less than a predetermined second reference value; and comparing whether the current value of the battery cell measured in the cell state information measurement step is equal to or greater than a predetermined third reference value, and determining that the battery cell is in the overcurrent state when the value is equal to or greater than a third reference value; It is configured to include, and when any one of the overcharging, overdischarging and overcurrent is determined, it is characterized in that it is determined that an abnormal situation
  • the step of disconnecting the voltage sensing line is characterized in that it consists of turning off a sensing line blocking FET configured on the voltage sensing line.
  • the voltage value of the battery cell transferred to the external system is 0V.
  • the step of turning off the external system when the 0V voltage value of the battery cell is transmitted by the step of transferring the cell voltage information from the external system, detecting that the current battery cell is in a low voltage state and turning off the system power characterized.
  • Such a battery protection circuit may be included in the battery pack.
  • the battery protection circuit of the present invention uses a general FET instead of a low resistance FET to protect the battery from abnormal situations such as overcharge, overdischarge, and overcurrent, thereby reducing the price and size of the battery protection circuit. In addition, there is an effect that the internal resistance of the battery is reduced.
  • 1 is a circuit diagram schematically showing a conventional battery protection circuit.
  • FIG. 2 is a circuit diagram schematically illustrating a battery protection circuit according to the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a detailed configuration of a battery protection circuit according to the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a battery protection method using a battery protection circuit according to the present invention.
  • the battery protection circuit 200 of the present invention is a configuration that protects the battery cells from abnormal situations including overcharge, overdischarge, and overcurrent, and may include the following configuration.
  • the current output path is formed between one terminal of the battery cell 100 and the output unit 300 to an external system (not shown), and the current flows from the battery cell 100 to the output unit 300 .
  • power may be supplied to an external system (not shown) through this.
  • the external system refers to an electronic device including, for example, a mobile phone, a laptop computer, a tablet PC, etc. that is connected to a connector (not shown) of the battery pack and uses the current from the battery cell 100 as driving power.
  • the present invention is not limited thereto, and there may be more than one battery cell.
  • the voltage sensing line is a configuration for sensing the voltage of the battery cell 100 , and is connected to both ends of the battery cell 100 as shown in FIG. 2 , and is a voltage sensing line connected to the negative side of the battery cell 100 .
  • (L2) may be configured to be connected in parallel to the current output path (L1).
  • Such a voltage sensing line is a general configuration configured in a battery protection circuit to sense the voltage of the battery cell 100, but the voltage sensing line of the present invention is different from the conventional voltage sensing line in the FET 240 that disconnects the voltage sensing line. ) is different in that it is published in the middle.
  • the charge/discharge FETs 22a and 22b are connected on the current output path from the battery cell 10 to the external system (not shown). Due to the fact that the charge/discharge FETs 22a and 22b must be configured as low-resistance FETs because it is a method of blocking the abnormal current of the battery, there are problems in that the price and size of the protection circuit increase and the internal resistance of the battery pack increases.
  • the present invention is to solve the above-mentioned problems by connecting the FET 240 to the voltage sensing line L2 instead of connecting the charge/discharge FET to the current output path L1. The principle will be described in detail when the controller 250 is described below.
  • the current sensing unit is connected in series on the current output path L1 and senses the current of the battery cell 100 flowing in the path, and may include, for example, a shunt resistor.
  • the shunt resistor is a resistor for measuring current with a very low resistance value and high precision, and measures the current by using the voltage applied to the resistor generated according to the size of the current.
  • the voltage sensing unit is connected to both ends of the battery cell 100 through the voltage sensing line L2 to sense the voltage of the battery cell 100 .
  • the voltage sensing unit may sense the voltage of the battery cell 100 at predetermined periodic intervals.
  • the voltage sensing unit senses a voltage at the rear end of the sensing line blocking FET 240 provided on the voltage sensing line L2, the sensing line blocking FET 240 provided on the voltage sensing line L2 is turned off ( Off) is controlled and when the line L2 is disconnected, the voltage value of the battery cell 100 sensed by the voltage sensing unit becomes 0V.
  • the voltage information transfer unit transmits the voltage value of the battery cell 100 sensed by the voltage sensing unit 220 to an external system (not shown), which is a battery cell through a connector (not shown) of the battery pack.
  • the voltage value may be transferred to an external system (not shown).
  • the sensing line blocking FET is provided on the voltage sensing line L2 to disconnect the voltage sensing line L2 under the control of the controller 250 to be described later.
  • the sensing line blocking FET is turned on in a normal state in which abnormal conditions including overcharging, overdischarging, and overcurrent do not occur in the battery cell 100, but is turned off when the abnormal situation occurs. switched to disconnect the voltage sensing line L2.
  • the voltage sensing unit 220 sensing the voltage of the battery cell through the voltage sensing line L2 senses the voltage of the battery cell as 0V.
  • the control unit determines whether an abnormal situation including overcharging, overdischarging, and overcurrent has occurred in the battery cell using the sensing values of the current sensing unit 210 and the voltage sensing unit 220, and based on the determination result Accordingly, the voltage sensing line L2 is disconnected by turning off the sensing line blocking FET 240 .
  • Such a control unit may be configured to include the following detailed configuration.
  • the first determining unit may compare whether the voltage value sensed by the voltage sensing unit 220 is equal to or greater than a predetermined first reference value, and when the voltage value is equal to or greater than a predetermined first reference value, may determine that the current battery cell 100 is in an overcharged state. In this case, an overcharge signal indicating an overcharge state of the battery cell 100 may be output.
  • the predetermined first reference value means an over voltage protection (OVP) value, which is a reference voltage value set to block in advance to protect the battery cell from overcharging.
  • OVP over voltage protection
  • the second determination unit may compare whether the voltage value sensed by the voltage sensing unit 220 is equal to or less than a predetermined second reference value, and when the voltage value is equal to or less than a predetermined second reference value, may determine that the current battery cell 100 is in an overdischarge state. In this case, an overdischarge signal indicating an overdischarge state of the battery cell 100 may be output.
  • the predetermined second reference value means a UVP (Under voltage protection, over-discharge voltage protection) value, which is a reference voltage value that is set to block in advance in order to protect the battery cells from over-discharge.
  • UVP Under voltage protection, over-discharge voltage protection
  • the third determining unit may compare whether the current value sensed by the current sensing unit 210 is equal to or greater than a predetermined third reference value, and when the current value is equal to or greater than a predetermined value, determine that the current battery cell 100 is in an overcurrent state. In this case, the overcurrent signal indicating the overcurrent state of the battery cell 100 may be output.
  • the predetermined third reference value means an over current protection (OCP) value, which is a reference current value that is set to cut off the battery cells in advance to protect the battery cells from overcurrent.
  • OCP over current protection
  • the cut-off FET control unit when any one of the overcharge, overdischarge and overcurrent signals are output from the first, second and third determination units 252, 254, and 256, the current battery cell 100 is in a state in which an abnormal situation has occurred By recognizing that the voltage sensing line L2 is disconnected by turning off the sensing line blocking FET 240 configured in the voltage sensing line L2, the abnormal current of the battery cell can be cut off.
  • the voltage sensing line L2 when the voltage sensing line L2 is disconnected, the voltage of the battery cell sensed by the voltage sensing unit 220 becomes 0V. Then, the external system (not shown) recognizes that the voltage of the current battery cell is 0V by the voltage information transfer unit 230, and the external system self-protection circuit detects a low voltage state of the battery and turns off the system power by itself ( Off). Accordingly, current does not flow in the current output path L1 between the battery cell 100 and the output unit 300 of the external system, so that the abnormal current of the battery can be blocked.
  • the battery protection circuit according to the present invention provides 0V voltage to the battery cell to an external system through disconnection of the voltage sensing line. It is a method to cut off the abnormal current of the battery in the external system.
  • the voltage sensing unit 220 , the voltage information transmitting unit 230 , and the control unit 250 described above may be implemented in the protection IC.
  • a method for protecting a battery from abnormal situations including overcharge, overdischarge and overcurrent by using the battery protection circuit 200 according to the present invention may include the following steps.
  • the sensing resistor 210 provided on the current output path L1 between the battery cell 100 and the output unit 300 to the external system and the voltage connected to both ends of the battery cell 100 .
  • the step of measuring the current and voltage values of the battery cell 100 through the sensing line L2 may be performed at predetermined periodic intervals.
  • step of determining whether an abnormal situation occurs using the current and voltage values of the battery cell measured in the cell state information measuring step (S100), an abnormal situation including overcharge, overdischarge and overcurrent has occurred in the battery cell. It is the judgment stage.
  • the overcharging determination step it is possible to compare whether the voltage value of the battery cell measured in the cell state information measuring step S100 is equal to or greater than a predetermined first reference value, and when the voltage value is equal to or greater than a predetermined first reference value, it may be determined that the battery cell is in the overcharge state (first 1 Judgment Unit, 252)
  • the over-discharge determination step compares whether the voltage value of the battery cell measured in the cell state information measurement step S100 is equal to or less than a predetermined second reference value, and when the voltage value is equal to or less than a second reference value, it can be determined that the battery cell is in the over-discharge state. (Second judgment unit, 254).
  • the overcurrent determination step it is possible to compare whether the voltage value of the battery cell measured in the cell state information measurement step S100 is equal to or greater than a predetermined third reference value, and when the voltage value is equal to or greater than a third reference value, it may be determined that the battery cell is in the overcurrent state (first 3 Judgment Unit, 256).
  • the overcharge, overdischarge and overcurrent state of the battery cell is determined through the overcharge determination step S210, the overdischarge determination step S220 and the overcurrent determination step S230. It may be determined that an abnormal situation has occurred in the cell.
  • the voltage sensing line may be disconnected.
  • Disconnecting the voltage sensing line consists of turning off the sensing line blocking FET 240 configured on the voltage sensing line L2 connected to both ends of the battery cell. Such a step is performed by the blocking FET control unit 258 of the above-described control unit 250 .
  • the cell voltage information transfer step is a step of transferring the voltage value of the battery cell measured through the voltage sensing line disconnected by the voltage sensing line disconnection step S300 to an external system (voltage information transfer unit 230). Through these steps, the external system can recognize the voltage state of the battery cell.
  • the voltage value of the battery cell transferred to the external system in this step is 0V because it is a value measured through the disconnected voltage sensing line.
  • the step of turning off the external system as the voltage value of the battery cell measured through the voltage sensing line disconnected by the cell voltage information transfer step S400 from an external system (not shown) is transmitted, that is, the 0V value, the current battery It is a step of automatically turning off the system power by detecting the cell as being in a low voltage state. Accordingly, the charging/discharging current does not flow between the battery cell 100 and the external system (not shown), resulting in blocking the abnormal current of the battery corresponding to the above abnormal situation.
  • the FET is connected on the voltage sensing line, and the voltage sensing line is disconnected when an abnormal condition occurs in the battery to reduce the battery to a low voltage in the external system.

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Abstract

본 발명은 배터리 보호회로 및 그 보호 방법에 관한 것으로서, 배터리와 외부 시스템 사이의 전류 경로 상에 충/방전 FET를 연결하지 않고, 배터리의 이상 상황 발생 시 전압 센싱 라인의 단선을 통해 외부 시스템으로 배터리 셀 0V 전압을 전달하여 외부 시스템에서 배터리의 이상 전류를 차단하는 방식을 사용하는 배터리 보호회로 및 그 보호 방법에 관한 것이다.

Description

배터리 보호회로 및 그 보호 방법
본 발명은 배터리 보호회로 및 그 보호 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리를 과충전, 과방전 및 과전류로부터 보호하는 배터리 보호회로 및 그 보호 방법에 관한 것이다.
배터리는 스마트 폰, 노트북, 태블릿 PC 등의 소형 전자기기 분야뿐만 아니라 전기 자동차, 에너지저장시스템(ESS)에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
그런데, 이러한 배터리는 다양한 분야에서 사용 가능한 효율성 및 편리성을 가진 반면에 에너지 밀도가 높은 특성으로 인해 어떠한 원인에 의해 과열되면 발화하는 위험성을 가지고 있다. 또한, 과방전 되는 경우 배터리의 성능이 저하될 뿐만 아니라 나아가 안전성이 저해되는 상황도 발생할 수 있다.
이러한 배터리의 안전성을 확보하기 위하여 과충전, 과방전, 과전류, 단락으로부터 배터리를 보호하는 배터리 보호회로가 사용되고 있다.
한편, 배터리 보호회로(20)는 일반적으로 도 1에 보이는 것과 같이 배터리 셀(10)과 외부 시스템으로의 출력부(30) 사이의 전류 경로 상에 충/방전 FET(22a, 22b)를 구성하고, 과충전, 과방전, 과전류 등과 같은 이상 발생 시 상기 충/방전 FET(22a, 22b)를 오프 시켜 이상 전류를 차단함으로써 배터리를 보호하는 방식을 사용하고 있다.
그런데, 상기 전류 경로 상에 구성되는 충/방전 FET(22a, 22b)는 전류 경로 상에 흐르는 전류 손실 및 전류에 의한 발열을 방지하기 위해 저항 값이 작은 저저항 FET를 사용해야 한다. 하지만, 저저항 FET는 일반 FET에 비해 크기가 크고 가격이 비싼 단점이 있어 이로 인해 배터리 보호회로의 가격 상승과 크기가 증가하고, 배터리의 내부 저항이 증가하는 등의 문제가 발생하게 된다.
(특허문헌 1) KR2045999 B1
본 발명은 상술한 문제를 해결하고자 하는 것으로서, 일반 FET를 사용하여 과충전, 과방전, 과전류 등의 이상 상황으로부터 배터리를 보호하는 배터리 보호회로 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 하나 이상의 배터리 셀을 과충전, 과방전 및 과전류를 포함하는 이상 상황으로부터 보호하는 배터리 보호회로는, 상기 배터리 셀의 일측 단자와 외부 시스템으로의 출력부 사이에 형성되는 전류 출력 경로 상에 직렬 연결되어, 상기 경로에 흐르는 배터리 셀의 전류를 센싱하는 전류 센싱부; 상기 배터리 셀의 양단에 연결된 전압 센싱 라인에 연결되어, 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 전압 센싱부; 상기 전압 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전압 값을, 상기 외부 시스템으로 전달하는 전압 정보 전달부; 상기 전류 센싱부 및 전압 센싱부의 센싱 값을 이용하여 배터리 셀에 이상 상황이 발생하였는지의 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 상기 전압 센싱 라인을 단선시키는 제어부; 및 상기 전압 센싱 라인 상에 구비되어, 상기 제어부의 제어에 의해 오프(Off) 되어 전압 센싱 라인을 단선하는 센싱 라인 차단 FET; 를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 제어부는, 상기 전압 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제1 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과충전 상태인 것으로 판단하고 과충전 신호를 출력하는 제1 판단부; 상기 전압 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제2 기준 값 이하인지를 비교하여, 이하인 경우 배터리 셀이 과방전 상태인 것으로 판단하고 과방전 신호를 출력하는 제2 판단부; 상기 전류 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전류 값이 소정의 제3 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과전류 상태인 것으로 판단하고 과전류 신호를 출력하는 제3 판단부; 및 상기 제1, 2 및 3 판단부로부터 과충전, 과방전 및 과전류 신호 중 어느 하나라도 출력되는 경우, 상기 센싱 라인 차단 FET를 오프(Off) 제어하여 전압 센싱 라인을 단선시키는 차단 FET 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 차단 FET 제어부에 의해 상기 전압 센싱 라인이 단선되는 경우, 상기 전압 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전압은 0V인 것을 특징으로 한다.
이에 따라 상기 전압 정보 전달부에서 배터리 셀의 0V 전압 값을 외부 시스템으로 전달하면, 상기 외부 시스템은 현재 배터리 셀이 저전압 상태인 것으로 감지하여 자체적으로 시스템 전원을 오프(Off) 시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하나 이상의 배터리 셀을 과충전, 과방전 및 과전류를 포함하는 이상 상황으로부터 보호하는 방법은, 상기 배터리 셀과 외부 시스템으로의 출력부 사이의 전류 출력 경로 상에 구비된 센싱 저항 및 배터리 셀의 양단에 연결된 전압 센싱 라인을 통해, 소정의 주기 간격으로 배터리 셀의 전류 및 전압 값을 측정하는 셀 상태 정보 측정 단계; 상기 셀 상태 정보 측정 단계에서 측정되는 배터리 셀의 전류 및 전압 값을 이용하여 배터리 셀에 이상 상황이 발생하였는지의 여부를 판단하는 이상 상황 발생 여부 판단 단계; 상기 이상 상황 발생 여부 판단 단계에 의해 배터리 셀에 이상 상황이 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 전압 센싱 라인을 단선시키는 전압 센싱 라인 단선 단계; 상기 전압 센싱 라인 단선 단계에 의해 단선된 전압 센싱 라인을 통해 측정되는 배터리 셀의 전압 값을 외부 시스템으로 전달하는 셀 전압 정보 전달 단계; 및 상기 셀 전압 정보 전달 단계를 통해 단선된 전압 센싱 라인을 통해 측정된 배터리 셀의 전압 값을 전달 받은 외부 시스템에서, 자체적으로 시스템 전원을 오프(Off) 하는 외부 시스템 전원 오프 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 이상 상황 발생 여부 판단 단계는, 상기 셀 상태 정보 측정 단계에서 측정되는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제1 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과충전 상태인 것으로 판단하는 과충전 판단 단계; 상기 셀 상태 정보 측정 단계에서 측정되는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제2 기준 값 이하인지를 비교하여, 이하인 경우 배터리 셀이 과방전 상태인 것으로 판단하는 과방전 판단 단계; 및 상기 셀 상태 정보 측정 단계에서 측정되는 배터리 셀의 전류 값이 소정의 제3 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과전류 상태인 것으로 판단하는 과전류 판단 단계; 를 포함하여 구성되며, 상기 과충전, 과방전 및 과전류 중 어느 하나라도 판단되는 경우, 상기 배터리 셀에 이상 상황이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 전압 센싱 라인 단선 단계는, 상기 전압 센싱 라인 상에 구성되는 센싱 라인 차단 FET를 오프(Off) 시키는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에, 상기 셀 전압 정보 전달 단계에서, 상기 외부 시스템으로 전달하는 배터리 셀의 전압 값은, 0V인 것을 특징으로 한다.
이에 따라 상기 외부 시스템 오프 단계는, 상기 외부 시스템에서 상기 셀 전압 정보 전달 단계에 의해 배터리 셀의 0V 전압 값이 전달되면, 현재 배터리 셀이 저전압 상태인 것으로 감지하여 시스템 전원을 오프(Off)하는 것을 특징으로 한다.
한편, 이와 같은 배터리 보호회로는 배터리 팩에 포함될 수 있다.
본 발명의 배터리 보호회로는 저저항 FET가 아닌 일반 FET를 사용하여 과충전, 과방전, 과전류 등의 이상 상황으로부터 배터리를 보호하므로, 배터리 보호회로의 가격을 절감하고 크기가 감소되는 효과가 있다. 또한, 배터리의 내부 저항이 감소되는 효과도 있다.
도 1은 종래의 배터리 보호회로를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 보호회로를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 보호회로의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 보호회로를 이용한 배터리 보호 방법을 나타내는 흐름도이다.
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 부 분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
1. 본 발명에 따른 배터리 보호회로
도 2 및 3을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 보호회로에 대하여 설명한다. 본 발명의 배터리 보호회로(200)는 배터리 셀을 과충전, 과방전 및 과전류를 포함하는 이상 상황으로부터 보호하는 구성으로서, 하기와 같은 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
1.1. 전류 출력 경로(L1)
먼저, 전류 출력 경로는 배터리 셀(100)의 일측 단자와 외부 시스템(미도시)으로의 출력부(300) 사이에 형성되어, 상기 배터리 셀(100)로부터 출력부(300)로 전류가 흐르는 경로로서, 이를 통해 외부 시스템(미도시)으로 전력을 공급할 수 있다.
여기서, 외부 시스템이란 배터리 팩의 커넥터(미도시)로 연결되어 배터리 셀(100)로부터의 전류를 구동 전원으로 사용하는 예를 들어 휴대폰, 노트북, 태블릿 PC 등을 포함하는 전자기기를 의미한다.
한편, 도 2에는 하나의 배터리 셀(100)만을 도시하였지만, 이에 한정하는 것은 아니며 배터리 셀은 하나 이상일 수 있다.
1.2. 전압 센싱 라인(L2)
전압 센싱 라인은, 배터리 셀(100)의 전압을 감지하기 위한 구성으로서, 도 2에 보이는 것과 같이 배터리 셀(100)의 양단에 연결되며, 배터리 셀(100)의 음극 부에 연결되는 전압 센싱 라인(L2)은 상기 전류 출력 경로(L1)에 병렬 연결되는 형태로 구성될 수 있다.
이러한 전압 센싱 라인은, 배터리 셀(100)의 전압을 감지하기 위하여 배터리 보호회로에 구성되는 일반적인 구성이지만, 본 발명의 전압 센싱 라인은 기존의 전압 센싱 라인과 달리 전압 센싱 라인을 단선하는 FET(240)가 중간에 게재된다는 점에서 차이가 있다.
보다 구체적으로, 앞서 설명하였듯이 도 1에 보이는 종래의 배터리 보호회로의 경우, 배터리 셀(10)에서 외부 시스템(미도시)으로의 전류 출력 경로 상에 충/방전 FET(22a, 22b)를 연결하여 배터리의 이상 전류를 차단하는 방식이기 때문에 충/방전 FET(22a, 22b)를 저저항 FET로 구성해야 하는 점으로 인해 보호회로 가격 및 크기 상승과 배터리 팩 내부 저항이 증가하는 문제가 있었다. 이에 비해 본 발명은 전류 출력 경로(L1)에 충/방전 FET를 연결하는 대신에 전압 센싱 라인(L2) 상에 FET(240)를 연결하여 상술한 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것이다. 그 원리에 대해서는 아래의 제어부(250)에 대한 설명 시 구체적으로 설명 하도록 한다.
1.3. 전류 센싱부(210)
전류 센싱부는, 상기 전류 출력 경로(L1) 상에 직렬 연결되어 경로에 흐르는 배터리 셀(100)의 전류를 센싱하는 구성으로서, 예를 들어 션트 저항(Shunt Resistor)으로 구성될 수 있다. 션트 저항은 저항 값이 매우 낮고 고 정밀도의 특성을 가지는 전류 측정용 저항으로서, 전류의 크기에 따라 발생하는 저항에 걸리는 전압을 이용하는 방식으로 전류를 측정한다.
1.4. 전압 센싱부(220)
전압 센싱부는, 상기 전압 센싱 라인(L2)을 통해 배터리 셀(100)의 양단에 연결되어, 배터리 셀(100)의 전압을 센싱하는 구성이다. 전압 센싱부는 소정의 주기 간격으로 배터리 셀(100)의 전압을 센싱할 수 있다.
여기서, 전압 센싱부는 전압 센싱 라인(L2) 상에 구비된 센싱 라인 차단 FET(240)의 후단에서 전압을 센싱하므로, 전압 센싱 라인(L2) 상에 구비된 센싱 라인 차단 FET(240)가 오프(Off) 제어되어 라인(L2)이 단선되면, 전압 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀(100)의 전압 값은 0V가 된다.
1.5. 전압 정보 전달부(230)
전압 정보 전달부는, 상기 전압 센싱부(220)에서 센싱하는 배터리 셀(100)의 전압 값을 외부 시스템(미도시)으로 전달하는 구성으로서, 이는 배터리 팩의 커넥터(미도시)를 통해 배터리 셀의 전압 값을 외부 시스템(미도시)로 전달할 수 있다.
1.6. 센싱 라인 차단 FET(240)
센싱 라인 차단 FET는, 상기 전압 센싱 라인(L2) 상에 구비되어 후술하는 제어부(250)의 제어에 따라 전압 센싱 라인(L2)을 단선하는 구성이다. 센싱 라인 차단 FET는, 배터리 셀(100)에 과충전, 과방전 및 과전류를 포함하는 이상 상황이 발생하지 않은 정상 상태에서는 온(On) 상태이되, 상기 이상 상황이 발생하는 경우 오프(Off) 상태로 전환되어 전압 센싱 라인(L2)을 단선한다. 이러한 경우, 전압 센싱 라인(L2)을 통해 배터리 셀의 전압을 센싱하는 전압 센싱부(220)는 배터리 셀의 전압을 0V로 센싱하게 된다.
1.7. 제어부(250)
제어부는, 상기 전류 센싱부(210) 및 전압 센싱부(220)의 센싱 값을 이용하여 배터리 셀에 과충전, 과방전 및 과전류를 포함하는 이상 상황이 발생하였는지의 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 상기 센싱 라인 차단 FET(240)를 오프(Off) 시켜 전압 센싱 라인(L2)을 단선시키는 구성이다. 이러한 제어부는, 아래와 같은 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
가. 제1 판단부(252)
제1 판단부는, 상기 전압 센싱부(220)에서 센싱하는 전압 값이 소정의 제1 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 현재 배터리 셀(100)이 과충전 상태인 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(100)의 과충전 상태를 나타내는 과충전 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 소정의 제1 기준 값은 배터리 셀을 과충전으로부터 보호하기 위하여 사전에 차단하도록 설정되는 기준 전압 값인 OVP(Over voltage protection, 과충전 전압 보호) 값을 의미한다.
나. 제2 판단부(254)
제2 판단부는, 상기 전압 센싱부(220)에서 센싱하는 전압 값이 소정의 제2 기준 값 이하인지를 비교하여, 이하인 경우 현재 배터리 셀(100)이 과방전 상태인 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(100)의 과방전 상태를 나타내는 과방전 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 소정의 제2 기준 값은 배터리 셀을 과방전으로부터 보호하기 위하여 사전에 차단하도록 설정되는 기준 전압 값인 UVP(Under voltage protection, 과방전 전압 보호) 값을 의미한다.
다. 제3 판단부(256)
제3 판단부는, 상기 전류 센싱부(210)에서 센싱하는 전류 값이 소정의 제3 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 현재 배터리 셀(100)이 과전류 상태인 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(100)의 과전류 상태를 나타내는 과전류 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 소정의 제3 기준 값은 배터리 셀을 과전류로부터 보호하기 위하여 사전에 차단하도록 설정되는 기준 전류 값인 OCP(Over current protection, 과전류 보호) 값을 의미한다.
라. 차단 FET 제어부(258)
차단 FET 제어부는, 상기 제1, 2 및 3 판단부(252, 254, 256)로부터 과충전, 과방전 및 과전류 신호 중 어느 하나라도 출력되는 경우, 현재 배터리 셀(100)에 이상 상황이 발생한 상태인 것으로 인지하여 상기 전압 센싱 라인(L2)에 구성된 센싱 라인 차단 FET(240)를 오프(Off) 시켜 전압 센싱 라인(L2)을 단선시킴으로써 배터리 셀의 이상 전류를 차단할 수 있다.
그 원리를 설명하면, 전압 센싱 라인(L2)이 단선되는 경우 전압 센싱부(220)에서 센싱하는 배터리 셀의 전압은 0V가 된다. 그러면, 전압 정보 전달부(230)에 의해 외부 시스템(미도시)은 현재 배터리 셀의 전압이 0V인 것으로 인식하게 되어 외부 시스템 자체 보호회로에서 배터리의 저전압 상태로 감지하여 시스템 전원을 자체적으로 오프(Off) 시킨다. 이에 따라, 배터리 셀(100)과 외부 시스템의 출력부(300) 사이의 전류 출력 경로(L1)에 전류가 흐르지 않게 되어 배터리의 이상 전류를 차단할 수 있는 것이다.
다시 말해, 종래의 배터리 보호회로의 경우 보호회로 내부에서 직접 배터리의 이상전류를 차단하는 방식인 것에 비해, 본 발명에 따른 배터리 보호회로는 전압 센싱 라인의 단선을 통해 외부 시스템으로 배터리 셀 0V 전압을 전달하여 외부 시스템에서 배터리의 이상 전류를 차단하게 하는 방식인 것이다.
이 때, 전압 센싱 경로(L2)는 전류가 흐르지 않기 때문에 기존과 같이 전류 손실 및 발열 방지를 위해 저저항 FET를 사용할 필요 없이 일반 FET로도 전류 손실 및 발열 문제가 없고, 상술한 종래의 문제점을 해결함과 동시에 과충전, 과방전 및 과충전을 포함하는 이상 상황으로부터 배터리를 보호하는 것이 가능하다.
한편, 상술한 전압 센싱부(220), 전압 정보 전달부(230), 제어부(250)는 보호 IC 내에 구현될 수 있다.
2. 본 발명에 따른 배터리 보호 방법(도 4 참조)
본 발명에 따른 배터리 보호회로(200)를 이용하여 과충전, 과방전 및 과전류를 포함하는 이상 상황으로부터 배터리를 보호하는 방법은, 아래와 같은 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
2.1. 셀 상태 정보 측정 단계(S100)
셀 상태 정보 측정 단계는, 배터리 셀(100)과 외부 시스템으로의 출력부(300) 사이의 전류 출력 경로(L1) 상에 구비된 센싱 저항(210) 및 배터리 셀(100)의 양단에 연결된 전압 센싱 라인(L2)을 통해, 배터리 셀(100)의 전류 및 전압 값을 측정하는 단계로서, 소정의 주기 간격으로 수행될 수 있다.
2.2. 이상 상황 발생 여부 판단 단계(S200)
이상 상황 발생 여부 판단 단계는, 상기 셀 상태 정보 측정 단계(S100)에서 측정되는 배터리 셀의 전류 및 전압 값을 이용하여 배터리 셀에 과충전, 과방전 및 과전류를 포함하는 이상 상황이 발생하였는지의 여부를 판단하는 단계이다.
가. 과충전 판단 단계(S210)
과충전 판단 단계는, 상기 셀 상태 정보 측정 단계(S100)에서 측정되는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제1 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과충전 상태인 것으로 판단할 수 있다(제1 판단부, 252)
나. 과방전 판단 단계(S220)
과방전 판단 단계는, 상기 셀 상태 정보 측정 단계(S100)에서 측정되는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제2 기준 값 이하인지를 비교하여, 이하인 경우 배터리 셀이 과방전 상태인 것으로 판단할 수 있다(제2 판단부, 254).
다. 과전류 판단 단계(S230)
과전류 판단 단계는, 상기 셀 상태 정보 측정 단계(S100)에서 측정되는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제3 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과전류 상태인 것으로 판단할 수 있다(제3 판단부, 256).
이상 상황 발생 여부 판단 단계는, 상기 과충전 판단 단계(S210), 과방전 판단 단계(S220) 및 과전류 판단 단계(S230)를 통해 배터리 셀의 과충전, 과방전 및 과전류 상태 중 어느 하나라도 판단되면, 배터리 셀에 이상 상황이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
2.3. 전압 센싱 라인 단선 단계(S300)
전압 센싱 라인 단선 단계는, 상기 이상 상황 발생 여부 판단 단계(S200)에서 배터리 셀이 과충전, 과방전 및 과전류 상태 중 어느 하나라도 해당하는 것으로 판단한 경우, 상기 전압 센싱 라인을 단선시킬 수 있다. 상기 전압 센싱 라인을 단선시키는 것은, 배터리 셀의 양단에 연결된 전압 센싱 라인(L2) 상에 구성된 센싱 라인 차단 FET(240)를 오프(Off) 시키는 것으로 이루어진다. 이와 같은 단계는, 상술한 제어부(250)의 차단 FET 제어부(258)에 의해 수행된다.
2.4. 셀 전압 정보 전달 단계(S400)
셀 전압 정보 전달 단계는, 상기 전압 센싱 라인 단선 단계(S300)에 의해 단선된 전압 센싱 라인을 통해 측정되는 배터리 셀의 전압 값을 외부 시스템으로 전달하는 단계이다(전압 정보 전달부, 230). 이러한 단계를 통해 외부 시스템은 배터리 셀의 전압 상태를 인식할 수 있다.
이 때, 이 단계에서 외부 시스템으로 전달하는 배터리 셀의 전압 값은 단선된 전압 센싱 라인을 통해 측정된 값이므로 0V이다.
2.5. 외부 시스템 오프 단계(S500)
외부 시스템 오프 단계는, 외부 시스템(미도시)에서 상기 셀 전압 정보 전달 단계(S400)에 의해 단선된 전압 센싱 라인을 통해 측정된 배터리 셀의 전압 값, 즉 0V 값을 전달 받음에 따라, 현재 배터리 셀을 저전압 상태인 것으로 감지하여 자체적으로 시스템 전원을 오프(Off) 하는 단계이다. 이에 따라, 배터리 셀(100)과 외부 시스템(미도시) 간에 충/방전 전류가 흐르지 않게 되어 상기 이상 상황에 해당하는 배터리의 이상 전류를 차단하는 결과를 가져온다.
이와 같이, 배터리 셀과 외부 시스템 사이의 전류 출력 경로에 충/방전 FET를 구성하지 않고 전압 센싱 라인 상에 FET를 연결하여, 배터리의 이상 상황 발생 시 전압 센싱 라인을 단선시켜 외부 시스템에서 배터리를 저전압 상태로 인식시켜 자체적으로 전원을 오프(Off) 하도록 함으로써, 배터리의 이상 전류를 차단하는 것이 가능하다.
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.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 배터리 셀을 과충전, 과방전 및 과전류를 포함하는 이상 상황으로부터 보호하는 배터리 보호회로에 있어서,
    상기 배터리 셀의 일측 단자와 외부 시스템으로의 출력부 사이에 형성되는 전류 출력 경로 상에 직렬 연결되어, 상기 경로에 흐르는 배터리 셀의 전류를 센싱하는 전류 센싱부;
    상기 배터리 셀의 양단에 연결된 전압 센싱 라인에 연결되어, 상기 배터리 셀의 전압을 센싱하는 전압 센싱부;
    상기 전압 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전압 값을, 상기 외부 시스템으로 전달하는 전압 정보 전달부;
    상기 전류 센싱부 및 전압 센싱부의 센싱 값을 이용하여 배터리 셀에 이상 상황이 발생하였는지의 여부를 판단하고, 그 판단 결과에 따라 상기 전압 센싱 라인을 단선시키는 제어부; 및
    상기 전압 센싱 라인 상에 구비되어, 상기 제어부의 제어에 의해 오프(Off)되어 전압 센싱 라인을 단선하는 센싱 라인 차단 FET;
    를 포함하여 구성되는 배터리 보호회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전압 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제1 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과충전 상태인 것으로 판단하고 과충전 신호를 출력하는 제1 판단부;
    상기 전압 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제2 기준 값 이하인지를 비교하여, 이하인 경우 배터리 셀이 과방전 상태인 것으로 판단하고 과방전 신호를 출력하는 제2 판단부;
    상기 전류 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전류 값이 소정의 제3 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과전류 상태인 것으로 판단하고 과전류 신호를 출력하는 제3 판단부; 및
    상기 제1, 2 및 3 판단부로부터 과충전, 과방전 및 과전류 신호 중 어느 하나라도 출력되는 경우, 상기 센싱 라인 차단 FET를 오프(Off) 제어하여 전압 센싱 라인을 단선시키는 차단 FET 제어부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 차단 FET 제어부에 의해 상기 전압 센싱 라인이 단선되는 경우, 상기 전압 센싱부에서 센싱하는 배터리 셀의 전압은 0V인 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압 정보 전달부에서 배터리 셀의 0V 전압 값을 외부 시스템으로 전달하면, 상기 외부 시스템은 현재 배터리 셀이 저전압 상태인 것으로 감지하여 자체적으로 시스템 전원을 오프(Off) 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
  5. 하나 이상의 배터리 셀을 과충전, 과방전 및 과전류를 포함하는 이상 상황으로부터 보호하는 방법에 있어서,
    상기 배터리 셀과 외부 시스템으로의 출력부 사이의 전류 출력 경로 상에 구비된 센싱 저항 및 배터리 셀의 양단에 연결된 전압 센싱 라인을 통해, 소정의 주기 간격으로 배터리 셀의 전류 및 전압 값을 측정하는 셀 상태 정보 측정 단계;
    상기 셀 상태 정보 측정 단계에서 측정되는 배터리 셀의 전류 및 전압 값을 이용하여 배터리 셀에 이상 상황이 발생하였는지의 여부를 판단하는 이상 상황 발생 여부 판단 단계;
    상기 이상 상황 발생 여부 판단 단계에 의해 배터리 셀에 이상 상황이 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 전압 센싱 라인을 단선시키는 전압 센싱 라인 단선 단계;
    상기 전압 센싱 라인 단선 단계에 의해 단선된 전압 센싱 라인을 통해 측정되는 배터리 셀의 전압 값을 외부 시스템으로 전달하는 셀 전압 정보 전달 단계; 및
    상기 셀 전압 정보 전달 단계를 통해 단선된 전압 센싱 라인을 통해 측정된 배터리 셀의 전압 값을 전달 받은 외부 시스템에서, 자체적으로 시스템 전원을 오프(Off) 하는 외부 시스템 전원 오프 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이상 상황 발생 여부 판단 단계는,
    상기 셀 상태 정보 측정 단계에서 측정되는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제1 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과충전 상태인 것으로 판단하는 과충전 판단 단계;
    상기 셀 상태 정보 측정 단계에서 측정되는 배터리 셀의 전압 값이 소정의 제2 기준 값 이하인지를 비교하여, 이하인 경우 배터리 셀이 과방전 상태인 것으로 판단하는 과방전 판단 단계; 및
    상기 셀 상태 정보 측정 단계에서 측정되는 배터리 셀의 전류 값이 소정의 제3 기준 값 이상인지를 비교하여, 이상인 경우 배터리 셀이 과전류 상태인 것으로 판단하는 과전류 판단 단계;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 과충전, 과방전 및 과전류 중 어느 하나라도 판단되는 경우, 상기 배터 리 셀에 이상 상황이 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전압 센싱 라인 단선 단계는,
    상기 전압 센싱 라인 상에 구성되는 센싱 라인 차단 FET를 오프(Off) 시키는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 셀 전압 정보 전달 단계에서,
    상기 외부 시스템으로 전달하는 배터리 셀의 전압 값은, 0V인 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 외부 시스템 오프 단계는,
    상기 외부 시스템에서 상기 셀 전압 정보 전달 단계에 의해 배터리 셀의 0V 전압 값이 전달되면, 현재 배터리 셀이 저전압 상태인 것으로 감지하여 시스템 전원을 오프(Off)하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 배터리 보호회로를 포함하는 배터리 팩.
PCT/KR2021/011156 2020-08-31 2021-08-20 배터리 보호회로 및 그 보호 방법 WO2022045687A1 (ko)

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