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KR101081078B1 - 센스 저항 파괴를 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법 - Google Patents

센스 저항 파괴를 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법 Download PDF

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KR101081078B1
KR101081078B1 KR1020080113147A KR20080113147A KR101081078B1 KR 101081078 B1 KR101081078 B1 KR 101081078B1 KR 1020080113147 A KR1020080113147 A KR 1020080113147A KR 20080113147 A KR20080113147 A KR 20080113147A KR 101081078 B1 KR101081078 B1 KR 101081078B1
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Abstract

본 발명은, 센스 저항 파괴를 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 배터리 팩 보호 장치는, 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 회로 경로 상에 접속된 퓨즈 및 센스 저항과, 상기 퓨즈를 제어하는 퓨즈 제어 스위치를 포함하는 배터리 팩 보호 장치에 있어서, 한 단은 상기 센스 저항에 접속되고 다른 단은 상기 퓨즈 제어 스위치에 접속된 쇼트키 다이오드(schottky diode)를 더 포함하여 구성된다.
본 발명에 의하면, 적은 비용으로 배터리 팩 보호 장치의 중요 소자인 센스 저항의 파괴를 감지하여 퓨즈를 융단시킴으로써, 과전류 등으로 인해 부품이 파괴되는 것을 방지할 수 있어, 배터리 팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
배터리, 센스 저항, 쇼트키 다이오드, 퓨즈

Description

센스 저항 파괴를 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법{Apparatus and method protecting battery pack by detecting destruction of sense resistor in battery pack}
본 발명은 배터리 팩 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 팩의 센스 저항의 파괴를 감지함으로써 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법에 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 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
한편, 최근 배터리와 관련하여 사회적으로 가장 큰 이슈가 되고 있는 것이 배터리의 안전성 문제이다. 특히, 노트북이나 휴대폰의 경우, 사용 인구가 급격히 증가하고 있고, 배터리의 폭발은 휴대용 전자제품의 파손을 가져올 뿐만 아니라 화재로 연결될 수 있다는 점에서 배터리의 안전성 확보가 시급하다. 따라서, 종래에는 배터리의 이상상태 감지시 충방전 전류를 차단하여 배터리의 안전성을 확보하는 다양한 보호 장치들이 사용되고 있다. 이러한 배터리 팩의 보호 장치는 일반적으로 과충전, 과방전, 단락, 과전류 등의 이상 상태가 발생되었을 경우 배터리 팩을 보호하기 위해 충방전 전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시켜 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈와 충방전 전류의 크기를 감지하기 위한 센스 저항(sense resistor)을 포함한다.
도 1은, 종래의 배터리 팩 보호 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 배터리 팩 보호 장치(100)는, 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어진 셀 집합체(20)와 연결되고, 충전 장치 또는 부하가 연결되는 고전압 출력단(Pack+) 및 저전압 출력단(Pack-)과, 고전압 라인에 직렬 연결되어 과충전 또는 과방전 여부에 따라 충전 전류 및 방전 전류를 각각 차단하는 충전 제어 스위치(60) 및 방전 제어 스위치(50)와, 보호 장치(100)에 흐르는 전류를 센싱하기 위해 저전압 라인에 직렬 연결된 센스 저항(10)과, 배터리에 과충전, 과방전 등의 이상 상태가 발생된 경우 충방전 전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈(40)와, 상기 퓨즈(40)를 작동시키기 위한 전류의 흐름을 선택적으로 개폐하는 퓨즈 제어 스위치(30)와, 개별 셀 전압을 센싱하여 마이크로컨트롤러(90)로 출력하는 1차 보호 회로(80), 개별 셀 전압을 센싱하여 임계값 이상의 과충전 상태가 검출되는 경우 퓨즈 제어 스위치(30)에 동작 전압을 인가하여 퓨즈(40)를 융단시키는 2차 보호 회로(70), 그리고 1차 보호 회로를 통해 각 셀의 전압을 입력받아 각 셀과 전체 셀의 과충전 여부를 모니터링하고 센스 저항(10)을 통해 배터리의 충방전 전류를 센싱하여 과전류 발생 여부를 모니터링하며, 과방전 또는 과전류 등의 이상 상태가 감지되면 각 스위치(30, 50, 60)의 온/오프 동작을 제어하여 충방전 전류의 흐름을 임시적 또는 영구적으로 차단하는 마이크로컨트롤러(90)를 포함한다.
상기 충전 제어 스위치(60), 방전 제어 스위치(50) 및 퓨즈 제어 스위치(30)는 내부에 기생 다이오드가 포함된 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)로 이루어진다. 상기 충전 제어 스위치(60)와 방전 제어 스위치(50)는 마이크로컨트롤러(90)의 제어에 따라 1차 보호 회로(80) 측으로부터 게이트 단자에 동작 전압을 인가받는다. 그리고 상기 퓨즈 제어 스위치(30)는 마이크로컨트롤러(90) 또는 2차 보호 회로(70) 측으로부터 게이트 단자에 동작 전압을 인가받는다.
또한, 상기 퓨즈(40)는 3단자 퓨즈로 이루어지며, 충전 제어 스위치(60) 또는 방전 제어 스위치(50)의 소손으로 충방전 제어가 원활하게 이루어지지 못하여 개별 셀 또는 셀 집합체(20)가 한계 이상으로 과충전 또는 과방전 되는 경우, 부하측 또는 보호 장치 내에서 단락이 유발되어 과전류가 흐르는 경우, 개별 셀이 소손되어 갑자기 충전 전압이 상승하거나 하강하는 등의 이상 상황이 발생되면 충방전 전류가 흐르는 선로(Pack+ 단의 선로)를 비가역적으로 단선시켜 배터리 팩의 폭발, 배터리 셀의 영구적 손상, 배터리 팩에 연결되는 부하의 파손 등을 방지한다.
한편, 최근에는, 배터리 팩이 사용되는 노트북 등의 소비 전력 증대로 인하여 배터리 팩에 사용되는 안전성 관련 부품들의 소비 용량이 커지고 있으며, 그에 따라 3단자 퓨즈의 전류 용량 또한 7A에서 12A로 점차 증가하는 경향을 보이고 있다. 이러한 상황에서, 종래의 보호 장치의 중요 소자인 센스 저항(10)이 부하에서 발생된 단락 등으로 인해 발생된 과전류에 의해 파괴되면, 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다. 즉, 센스 저항(10)이 파괴되면 센스 저항(10) 양단에 큰 전압이 인가된다. 그 결과, 마이크로컨트롤러(90)에 허용치를 초과하는 과전압이 인가될 수 있다. 이 경우, 마이크로컨트롤러(90)가 손상되어 퓨즈 제어 스위치(30)에 동작 전압을 인가함으로써 퓨즈(40)를 융단시키는 보호 동작을 수행할 수 없게 된다. 그 결과, 배터리가 만방전 상태에 이를 때까지 작은 전류가 꾸준히 흐르게 되고 이 과정에서 배터리의 온도가 상승하여 심한 경우 배터리가 발화되는 문제까지 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 배터리 팩 보호 장치의 중요 소자인 센스 저항의 파괴를 감지하여 퓨즈를 융단시킴으로써, 배터리 팩의 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩 보호 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 회로 경로 상에 접속된 퓨즈 및 센스 저항과, 상기 퓨즈를 제어하는 퓨즈 제어 스위치를 포함하는 배터리 팩 보호 장치에 있어서, 한 단은 상기 센스 저항에 접속되고 다른 단은 상기 퓨즈 제어 스위치에 접속된 쇼트키 다이오드(schottky diode)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 집합체와, 이 배터리 셀 집합체와 전기적으로 결합된 상기 배터리 팩 보호 장치와, 배터리 셀 집합체 및 배터리 팩 보호 장치를 내부 공간에 수납하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
또한, 본 발명은, 충전 또는 방전 전류가 흐르는 회로 경로 상에 접속된 퓨즈 및 센스 저항과, 상기 퓨즈를 제어하는 퓨즈 제어 스위치, 및 상기 센스 저항과 상기 퓨즈 제어 스위치 사이에 연결되는 쇼트키 다이오드를 포함하는 배터리 팩을 보호하는 방법에 있어서, (S1) 상기 센스 저항 양단에 미리 정해진 값 이상의 전압이 인가되면, 상기 쇼트키 다이오드를 통해 전류를 통과시키는 단계; (S2) 상기 쇼트키 다이오드를 통해 전류가 통과하면 상기 퓨즈 제어 스위치를 턴온(turn-on)시켜 상기 퓨즈를 융단시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 적은 비용으로, 배터리 팩 보호 장치의 중요 소자인 센스 저항의 파괴를 감지하여 퓨즈를 융단시킴으로써, 과전류 등으로 인해 부품이 파괴되는 것을 방지할 수 있어, 배터리 팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
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 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(200)는, 종래의 배터리 팩 보호장치(100)와 마찬가지로, 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어진 셀 집합체(220)에 연결되고, 충전 전류 및 방전 전류를 각각 제어하는 충전 제어 스위치(260) 및 방전 제어 스위치(250), 충방전 전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시키는 퓨즈(240), 퓨즈로 흐르는 동작 전류를 선택적으로 개폐하는 퓨즈 제어 스위치(230), 배터리의 충방전 전류를 측정하기 위해 충방전 전류가 흐르는 선로에 설치된 센스 저항(210), 개별 셀 전압을 센싱하여 마이크로컨트롤러(290)로 출력하는 1차 보호 회로(280), 개별 셀 전압을 센싱하여 임계값 이상의 과충전 상태가 검출되는 경우 퓨즈 제어 스위치(230)에 동작 전압을 인가하여 퓨즈(240)를 융단시키는 2차 보호 회로(270), 및 상기 각 스위치(230, 250, 260)를 이용하여 보호 장치(200)의 전반적인 동작을 제어하는 마이크로컨트롤러(290)를 포함한다.
여기서, 상기 각 구성 요소들의 기본적인 동작은 종래의 배터리 팩 보호 장치에 포함된 구성 요소와 실질적으로 동일하므로 반복적인 설명은 생략하기로 한다. 따라서 이하에서는 종래의 배터리 팩 보호 회로와 대비하여 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 회로가 갖는 구성적 상이점을 위주로 본 발명의 구성을 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(200)는, 한 단은 센스 저항(210)에 접속되고 다른 단은 퓨즈 제어 스위치(230)에 접속되는 다 이오드(300)를 더 포함한다. 상기 다이오드(300)는 센스 저항(210) 측으로부터 퓨즈 제어 스위치(230)의 게이트 단자 방향으로 전류가 흐르도록 연결된다. 바람직하게, 상기 다이오드(300)는 쇼트키 다이오드(schottky diode)이다. 일반적으로, 센스 저항(210)은 5~10m ohm 정도의 값을 갖는데, 정상적인 상태라면 배터리 팩 단자를 단락시킨 경우에도 센스 저항(210) 양단에 1V 이상의 전압이 인가되는 경우는 거의 없다. 그러나, 기구적, 또는 전기적인 충격 등 여러 가지 원인으로 인하여 센스 저항(210)이 파괴되면, 센스 저항(210) 양단의 임피던스가 증가되어 그 전압차는 비정상적으로 커지게 된다. 본 발명에 의하면, 이와 같이 센스 저항(210) 양단의 전압차가 소정 레벨 이상으로 커지게 된 경우, 쇼트키 다이오드(300)를 통해 충전 또는 방전 전류가 흐르게 되고, 그 결과 퓨즈 제어 스위치(230)의 게이트 전압은 상승하게 된다. 따라서, 퓨즈 제어 스위치(230)가 턴온되어 결국 퓨즈(240)를 융단시키고 배터리 팩 보호 장치의 내부에는 더 이상 전류가 흐르지 않게 된다. 바람직하게, 상기 쇼트키 다이오드(300)는 상기 센스 저항(210) 양단의 전압차가 임계치, 예컨대 2V 이상인 경우 퓨즈 제어 스위치(230)를 턴온시켜 퓨즈(240)를 융단시킨다.
도 3은, 본 발명의 일실시예에 따라 배터리 팩 보호 장치의 센스 저항 파괴시 배터리 팩을 보호하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 방법에 있어서, 센스 저항이 파괴되면 센스 저항 양단에 미리 정해진 값 이상의 전압이 인가되고(S10), 다음으로 센스 저항과 퓨즈 제어 스위치 사이에 연결된 쇼트키 다이오드에 문턱 전압 이상의 전압이 인가되어 쇼트키 다이오드로 전류가 흐르게 된다(S20). 이와 같이 쇼트키 다이오드로 전류가 흐르면, 퓨즈 제어 스위치를 턴온(turn-on)시켜 퓨즈를 융단시키며(S30), 그로 인하여 배터리 팩 내부의 전류를 차단시킨다. 또한, 도 2에서 상술한 바와 같이, 센스 저항 양단의 전압이 2V 이상인 경우 상기 쇼트키 다이오드를 통해 전류가 흐르도록 함으로써 퓨즈를 융단시키는 것이 바람직하다.
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 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은, 종래의 배터리 팩 보호 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은, 본 발명의 일실시예에 따라 배터리 팩 보호 장치의 센스 저항 파괴시 배터리 팩을 보호하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

Claims (4)

  1. 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르는 회로 경로 상에 접속된 퓨즈 및 센스 저항과, 상기 퓨즈를 제어하는 퓨즈 제어 스위치를 포함하는 배터리 팩 보호 장치에 있어서,
    한 단은 상기 센스 저항에 접속되고 다른 단은 상기 퓨즈 제어 스위치에 접속되어, 상기 센스 저항 양단에 미리 정해진 값 이상의 전압이 인가되는 경우, 전류가 상기 퓨즈 제어 스위치 측으로 흐르게 함으로써, 상기 퓨즈 제어 스위치를 턴온시켜 상기 퓨즈가 융단되도록 하는 쇼트키 다이오드(schottky diode)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 따른 배터리 팩 보호 장치를 포함하는 배터리 팩.
  4. 충전 또는 방전 전류가 흐르는 회로 경로 상에 접속된 퓨즈 및 센스 저항과, 상기 퓨즈를 제어하는 퓨즈 제어 스위치, 및 상기 센스 저항과 상기 퓨즈 제어 스위치 사이에 연결되는 쇼트키 다이오드를 포함하는 배터리 팩을 보호하는 방법에 있어서,
    (S1) 상기 센스 저항 양단에 미리 정해진 값 이상의 전압이 인가되면, 상기 쇼트키 다이오드를 통해 전류가 퓨즈 제어 스위치 측으로 흐르는 단계;
    (S2) 상기 전류의 흐름으로 인해 상기 퓨즈 제어 스위치가 턴온(turn-on)되어 상기 퓨즈를 융단시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 방법.
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