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WO2025110401A1 - 배터리 출력 차단 회로 및 이를 구비하는 충방전 제어 회로 - Google Patents

배터리 출력 차단 회로 및 이를 구비하는 충방전 제어 회로 Download PDF

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WO2025110401A1
WO2025110401A1 PCT/KR2024/011233 KR2024011233W WO2025110401A1 WO 2025110401 A1 WO2025110401 A1 WO 2025110401A1 KR 2024011233 W KR2024011233 W KR 2024011233W WO 2025110401 A1 WO2025110401 A1 WO 2025110401A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery
fuse
terminal
output
circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/KR2024/011233
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
정원전
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Energy Solution Ltd
Original Assignee
LG Energy Solution Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Energy Solution Ltd filed Critical LG Energy Solution Ltd
Publication of WO2025110401A1 publication Critical patent/WO2025110401A1/ko
Pending legal-status Critical Current
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/569—Constructional details of current conducting connections for detecting conditions inside cells or batteries, e.g. details of voltage sensing terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/581—Devices or arrangements for the interruption of current in response to temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection
    • H02H5/04—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to abnormal temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery output cut-off circuit, and more particularly, to a battery output cut-off circuit that cuts off the output of a battery when the battery overheats, and a charge/discharge control circuit having the same.
  • Batteries are widely used as energy sources for mobile devices such as smartphones.
  • batteries are also used as energy sources for eco-friendly vehicles such as electric vehicles and hybrid electric vehicles, which are proposed as a solution to air pollution caused by gasoline vehicles and diesel vehicles that use fossil fuels.
  • eco-friendly vehicles such as electric vehicles and hybrid electric vehicles, which are proposed as a solution to air pollution caused by gasoline vehicles and diesel vehicles that use fossil fuels.
  • the types of applications that use batteries are becoming increasingly diverse, and batteries are expected to be applied to many more fields and products in the future than they are now.
  • lithium ion batteries are in the spotlight because they have almost no memory effect compared to nickel-based batteries, so they can be freely charged and discharged, have a very low self-discharge rate, and have high energy density.
  • lithium ion batteries can be manufactured to be small and lightweight, so they are used as power supplies for mobile devices, and their range of use has expanded to power supplies for electric vehicles, drawing attention as a next-generation energy storage medium.
  • lithium ion batteries have the characteristic of being somewhat unsafe because they are more active than other batteries.
  • the battery pack includes at least one battery module, and the battery module may be composed of multiple battery cells.
  • a battery management system (BMS) is provided to manage the overall status of the battery cell, battery module, or battery pack.
  • the BMS performs battery performance, status checks, and diagnosis to ensure stable operation of the battery.
  • This protection circuit is a cut-off circuit that cuts the electrical connection between the battery and the electrical device to cut off the output of the battery.
  • the cut-off circuit can use, for example, a fuse connected between the output terminal of the battery and the electrical device.
  • the fuse can be blown when the battery is overheated, such as when the battery cell is overcharged or over-discharged.
  • a temperature sensor for detecting the temperature of the battery can be used, or a current sensor or voltage sensor for detecting overcharge or over-discharge of the battery cell can be used.
  • the component that detects the temperature of the battery i.e., the temperature sensor
  • the component that detects overcharge or overdischarge of the battery cell i.e., the voltage sensor or current sensor
  • the fuse will not be blown. Accordingly, even if the battery overheats, the connection between the battery and the electrical device will not be cut off, which may cause a problem in that the electrical device cannot be prevented from overheating.
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1709540 (February 17, 2017)
  • Patent Document 2 Japanese Publication No. JP 2003-297206 A (October 17, 2003)
  • the present invention proposes a battery output cut-off circuit capable of blowing a fuse when a battery overheats even in the event of a failure of a component related to temperature detection, and a charge/discharge control circuit having the same.
  • the present invention proposes a battery output cut-off circuit capable of melting and cutting a fuse at high temperatures using a three-terminal fuse and a thermistor, and a charge/discharge control circuit having the same.
  • a battery output cut-off circuit is a battery output cut-off circuit that cuts off battery output, and includes a three-terminal fuse provided in an output path between a battery and a battery output terminal, and an NTC thermistor having one end connected to the three-terminal fuse and the other end connected to a ground terminal.
  • the above three-terminal fuse includes a first fuse having one end connected to the battery side, a second fuse having one end connected to the other end of the first fuse and the other end connected to the battery output terminal, and a fuse resistor having one end connected between the first and second fuses.
  • the above NTC thermistor has one end connected to the above fuse resistor and the other end connected to a ground terminal.
  • the resistance value of the above fuse resistor is set so that the total resistance value with the resistance value of the NTC thermistor at the set output blocking temperature is not less than the fuse rupture current flowing through the first fuse or the second fuse.
  • a charge/discharge control circuit includes: a battery having a plurality of battery cells; a battery output cut-off circuit connected to the battery and including a three-terminal fuse and an NTC thermistor to cut off the output of the battery depending on temperature; a switching unit having one end connected to the battery output cut-off circuit and the other end connected to a battery output terminal to set a charge/discharge path; a first control unit measuring a state of the battery; and a second control unit controlling the switching unit depending on charge/discharge of the battery.
  • the above three-terminal fuse includes a first fuse having one end connected to the battery side, a second fuse having one end connected to the other end of the first fuse and the other end connected to the switching unit, and a fuse resistor having one end connected between the first and second fuses, and the NTC thermistor has one end connected to the fuse resistor and the other end connected to a ground terminal.
  • the NTC thermistor has a lower resistance at a temperature higher than a set output cut-off temperature, so that the current flowing through the fuse resistor increases, and the fuse resistor is heated according to the increase in current to melt and cut at least one of the first and second fuses.
  • the resistance value of the above fuse resistor is set so that the total resistance value with the resistance value of the NTC thermistor at the set output blocking temperature is not less than the fuse rupture current flowing through the first fuse or the second fuse.
  • a battery output cut-off circuit may include a three-terminal fuse provided between a battery and a battery output terminal, and an NTC thermistor provided between the three-terminal fuse and a ground terminal.
  • the three-terminal fuse may include first and second fuses connected between the battery and the battery output terminal, and a fuse resistor having one end connected to a connection point of the first and second fuses, and the NTC thermistor is connected between the other end of the fuse resistor and the ground terminal.
  • the fuse resistance i.e., the current flow of the heater section increases. Accordingly, the fuse resistance generates heat, and at least one of the first and second fuses is melted accordingly, thereby cutting off the output of the battery.
  • the present invention can protect the system by permanently cutting off the fuse in a high-temperature situation even if an abnormality occurs in a component or circuit related to temperature detection.
  • it can be used as a redundant circuit for pin shortage of the temperature sensor or MCU signal error (single fault).
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a battery output cut-off circuit according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of a battery output cut-off circuit according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a battery charge/discharge control circuit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a battery output cut-off circuit according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of a battery output cut-off circuit according to an embodiment of the present invention.
  • a battery output cut-off circuit may include a three-terminal fuse (10) connected on an output path between a battery and a battery output terminal, and a thermistor (20) having one end connected to a control terminal of the three-terminal fuse (10) and the other end connected to a ground terminal.
  • a three-terminal fuse (10) is connected to the output path between the battery and the output terminal to block the flow of current when an abnormal situation occurs. That is, the three-terminal fuse (10) is blocked when the battery temperature is higher than the set temperature and the battery overheats, thereby blocking the output path between the battery and the output terminal.
  • This three-terminal fuse (10) may include a first fuse (11) having one end connected to the battery, a second fuse (12) having one end connected to the other end of the first fuse (11) and the other end connected to the output terminal, and a fuse resistor (13) having one end connected between the first fuse (11) and the second fuse (12).
  • this three-terminal fuse (10) when the temperature of the battery is lower than the set temperature, an output path is formed between the battery and the battery output terminal through the first and second fuses (11, 12). However, when the temperature of the battery is higher than the set temperature, at least one of the first and second fuses (11, 12) is blown by the fuse resistor (13) to cut off the output path. That is, when the battery overheats, the fuse resistor (13) of the three-terminal fuse (10) heats, and when the fuse resistor (13) is heated above a predetermined temperature, at least one of the first and second fuses (11, 12) is cut off to cut off the connection.
  • the fuse resistor (13) is not heated when a current lower than the set value flows from the battery or the temperature of the battery is lower than the set temperature, and the output of the battery is transmitted to the output terminal through the first and second fuses (11, 12).
  • the fuse resistor (13) is heated, and if the fuse resistor (13) is heated above the set temperature, at least one of the first and second fuses (11, 12) is melted to block the output path between the battery and the output terminal.
  • the fuse resistor (13) is set so that the combined resistance value with the resistance value of the thermistor (20) at the set predetermined output blocking temperature is not smaller than the fuse rupture current of the current value flowing through the first fuse (11) or the second fuse (12).
  • the thermistor (20) has one end connected to the fuse resistor (13) and the other end connected to the ground terminal.
  • This thermistor (20) is a device that has a characteristic in which the resistance value changes greatly according to temperature change by adding impurities such as cobalt, copper, manganese, nickel, and titanium to a ceramic material.
  • the thermistor (20) of the present invention may be an NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor that has a characteristic of a negative temperature coefficient in which the resistance decreases as the temperature increases. That is, the NTC thermistor has a high initial resistance value, and as current flows, the thermistor temperature increases and the resistance value decreases accordingly.
  • NTC Negative Temperature Coefficient
  • the battery output cut-off circuit including a three-terminal fuse (10) and an NTC thermistor (20) according to the present invention
  • the resistance of the NTC thermistor (20) decreases.
  • the current flow to the fuse resistor (13) increases, and accordingly, the fuse resistor (13) generates heat.
  • the fuse resistor (13) generates heat and the temperature of the fuse resistor (13) rises above a predetermined temperature, at least one of the first and second fuses (11, 12) is melted, and accordingly, the output path between the battery and the output terminal is blocked.
  • a battery output cut-off circuit may include a three-terminal fuse (10) provided between a battery and a battery output terminal, and an NTC thermistor (20) provided between the three-terminal fuse (10) and a ground terminal.
  • the three-terminal fuse (10) may include first and second fuses (11, 12) connected between the battery and the battery output terminal, and a fuse resistor (13) having one end connected to a connection point of the first and second fuses (11, 12), and the NTC thermistor (20) is connected between the other end of the fuse resistor (13) and the ground terminal.
  • the NTC thermistor (20) that maintains an initial high resistance when exposed to a high temperature, the resistance of the NTC thermistor (20) decreases, and as the resistance of the NTC thermistor (20) decreases, the current flow of the fuse resistor (13), i.e., the heater part, increases. Accordingly, the fuse resistor (13) generates heat and, accordingly, melts at least one of the first and second fuses (11, 12), thereby cutting off the output of the battery.
  • a battery output cut-off circuit can permanently cut off a power source by melting and cutting the fuse at high temperatures using the characteristics of a three-terminal fuse (10) and an NTC thermistor (20) without a separate signal for diagnosing the battery. Accordingly, even if a problem occurs in a component or circuit related to temperature detection, the fuse can be permanently cut off in a high-temperature situation to protect the system. In addition, it can be used as a redundant circuit for a temperature sensor pin shortage or an MCU signal error (single fault).
  • FIG. 3 is a drawing for explaining a battery charge/discharge control circuit according to another embodiment of the present invention having a battery output cut-off circuit according to the present invention.
  • a charge/discharge control circuit may include a battery output cutoff circuit (200) provided in an output path between a battery (100) and a battery output terminal, i.e., a load, a switching unit (300) provided between the battery output cutoff circuit (200) and the battery output terminal, a first control unit (400) connected to the battery (100) and measuring the state of the battery, and a second control unit (500) that controls the switching unit (300).
  • a battery output cutoff circuit (200) provided in an output path between a battery (100) and a battery output terminal, i.e., a load
  • a switching unit (300) provided between the battery output cutoff circuit (200) and the battery output terminal
  • a first control unit (400) connected to the battery (100) and measuring the state of the battery
  • a second control unit (500) that controls the switching unit (300).
  • the battery (100) is an electric energy source that can be charged and discharged and provides energy to an electric device to drive the electric device.
  • the battery (100) may include at least one battery pack, and each of the at least one battery packs may include a plurality of battery modules, and the battery modules may include a plurality of battery cells that can be charged and discharged. That is, the battery (100) may include a plurality of battery cells, and a plurality of battery cells may be grouped into a predetermined unit to form a battery module, and a plurality of battery modules may form a single battery pack.
  • an embodiment of the present invention may include at least one battery pack. Meanwhile, the plurality of battery cells may be connected in series and/or in parallel in various ways to meet the specifications of the electric device.
  • the battery cell may include a lithium ion battery.
  • the battery cell may be configured as not only a lithium ion battery but also a lithium polymer battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a nickel zinc battery, etc.
  • the battery output cut-off circuit (200) may include a three-terminal fuse (10) connected on an output path between a battery (100) and a battery output terminal, and a thermistor (20) having one end connected to a control terminal of the three-terminal fuse (10) and the other end connected to a ground terminal.
  • the three-terminal fuse (10) is connected on an output path between the battery and the output terminal so as to cut off the flow of current when an abnormal situation occurs. That is, the three-terminal fuse (10) is cut off when the battery overheats, that is, the temperature of the battery is higher than a set temperature, thereby cutting off the output path between the battery and the output terminal.
  • This three-terminal fuse (10) may include a first fuse (11) whose end is connected to a battery, a second fuse (12) whose end is connected to the other end of the first fuse (11) and whose end is connected to an output terminal to output the output of the battery passing through the first fuse (11) to the other end, and a fuse resistor (13) whose end is connected to a fuse control terminal connected between the first fuse (11) and the second fuse (12).
  • a thermistor (20) has one end connected to the fuse resistor (13) and the other end connected to a ground terminal.
  • the thermistor (20) of the present invention may be an NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor having the characteristic of a negative temperature coefficient of resistance in which the resistance decreases as the temperature increases. That is, the NTC thermistor has an initial high resistance value, and as current flows, the thermistor temperature increases and the resistance value decreases accordingly.
  • NTC Negative Temperature Coefficient
  • this battery output cut-off circuit (200) if a current below a set value flows from the battery or the temperature of the battery is below a set temperature, the fuse resistor (13) is not heated and the output of the battery is transmitted to the output terminal through the first and second fuses (11, 12). However, if a current above a set value flows from the battery or the temperature of the battery is above a set temperature, the NTC thermistor (20) is exposed to high temperature and the resistance of the NTC thermistor (20) decreases. When the resistance of the NTC thermistor (20) decreases, the current flow to the fuse resistor (13) increases and the fuse resistor (13) heats up accordingly.
  • the fuse resistor (13) heats up and the temperature of the fuse resistor (13) rises above a predetermined temperature, at least one of the first and second fuses (11, 12) is blown, and accordingly, the output path between the battery and the output terminal is cut off.
  • the fuse resistance (13) is set so that the combined resistance value with the resistance value of the thermistor (20) at the set predetermined output blocking temperature is not less than the fuse rupture current of the current flowing through the first fuse (11) or the second fuse (12).
  • the switching unit (300) may include a charge switch (310) and a discharge switch (320).
  • the charge switch (310) and the discharge switch (320) are installed on the charge/discharge path of the battery (100) and selectively block the flow of charge current and discharge current. Accordingly, a charge/discharge path is formed from the battery (100) to the load via the fuse (11, 12) of the battery output cutoff circuit (200), the charge switch (310), and the discharge switch (320).
  • the switching unit (300) is provided between the current path between the battery (100) and the load and controls the charging and discharging of the battery (100) by the second control unit (500).
  • the switching unit (300) is provided between the battery (100) and the load, and the charging switch (310) may be provided on the battery (100) side and the discharging switch (320) may be provided on the load side.
  • the charging and discharging switches (310, 320) are driven according to a control signal generated by the second control unit (500), and may be driven simultaneously during charging and discharging of the battery (100), or one of them may be driven.
  • the charging switch (310) may be driven during charging of the battery (100) and the discharging switch (320) may be driven during discharging of the battery (100).
  • the load may include an external power source for charging the battery (100) and an electronic device equipped with a battery (100) that is driven according to the discharge voltage of the battery (100). That is, the battery (100) may be connected to an external power source when charging and connected to an electronic device when discharging.
  • the charging switch (310) may include a first FET (310a) and a first parasitic diode (310b).
  • the first FET (310a) has a source terminal and a drain terminal provided between the battery (100) and the second FET (320a), and a gate terminal connected to the second control unit (500). Therefore, the first FET (310a) is driven according to a control signal output from the second control unit (500), and serves to supply current to the battery (100) during charging.
  • the first parasitic diode (310b) is connected in parallel to the first FET (310a). That is, the first parasitic diode (310b) is connected in a forward direction between the battery (100) and the second FET (320a).
  • This first parasitic diode (310b) sets a discharge path for the battery (100) when the first FET (310a) is turned off. That is, the battery (100) can be charged through the first FET (310a), and the battery (100) can be discharged through the first parasitic diode (310b).
  • the discharge switch (320) may include a second FET (320a) and a second parasitic diode (320b).
  • the second FET (320a) has a source terminal and a drain terminal provided between the first FET (310a) and a load, and a gate terminal connected to the second control unit (500). Therefore, the second FET (320a) is driven according to a control signal output from the second control unit (500), and serves to apply the discharge current of the battery (100) to an electronic device connected thereto during discharge.
  • the second parasitic diode (320b) is connected in parallel to the second FET (320a). That is, the second parasitic diode (320b) is connected in the reverse direction between the first FET (310a) and the load.
  • This second parasitic diode (320b) sets a path for the charging current during charging of the battery (100). That is, the battery (100) can be discharged through the second FET (320a), and the battery (100) can be charged through the second parasitic diode (320b).
  • a second control unit (500) is connected to the gate terminal of the first FET (310a) and the gate terminal of the second FET (320a), and the first and second FETs (310a, 320a) are driven respectively according to a control signal output from the second control unit (500).
  • the first control unit (400) may be connected to both ends of the battery (100) and/or both ends of the battery cells included in the battery (100) to measure a state such as a voltage across the battery (100) or the battery cells. At this time, the first control unit (400) may measure the temperature of the battery (100) and the current of the battery (100) or the battery cells. Meanwhile, the first control unit (400) may be electrically connected to a three-terminal fuse (10) to control the melting of the three-terminal fuse (10). To this end, the first control unit (400) may be equipped with a fuse control switch (not shown), and the first control unit (400) may melt the three-terminal fuse (10) through the fuse control switch.
  • the fuse control switch may be formed of a FET having a parasitic diode included therein.
  • the present invention can blow the three-terminal fuse (10) at high temperatures by utilizing the change in resistance according to the temperature change of the three-terminal fuse (10) and the NTC thermistor (20) without providing a separate fuse control switch in the first control unit (400).
  • the present invention can also provide the fuse control switch and the battery output cut-off circuit (200) provided in the first control unit (400) at the same time. In this case, even if the fuse control switch does not function properly due to a breakdown or the like, the battery output cut-off circuit (200) can cut off the battery output according to the temperature change.
  • the second control unit (500) controls charging and discharging of the battery (100) according to the state of the battery cell.
  • the second control unit (500) can control charging and discharging of the battery (100) according to the voltage of the battery (100) measured from the first control unit (400). That is, the second control unit (500) can control charging and discharging of the battery (100) by controlling the charging switch (310) and the discharging switch (320) of the switching unit (300).
  • the second control unit (500) is connected to the gate terminal of the first FET (310a) and the gate terminal of the second FET (320a) and can drive the first and second FETs (310a, 320a) respectively according to a control signal.
  • the second control unit (500) turns on the first FET (310a) and turns off the second FET (320b) when charging the battery (100). Therefore, the battery (100) is charged from a load, i.e., an external power source, through the second parasitic diode (320b) and the first FET (310a).
  • the second control unit (500) turns on the second FET (320a) and turns off the first FET (310a) when discharging the battery (100).
  • the battery (100) is discharged from the battery (100) through the first parasitic diode (310b) and the second FET (320a).
  • the control signal for turning on the first and second FETs (310a, 320a), respectively may be a logic high signal
  • the control signal for turning off the first and second FETs (310a, 320a), respectively may be a logic low signal.
  • another embodiment of the present invention may include a battery output cut-off circuit (200) provided in a charge/discharge control circuit including a charge/discharge switch (310, 320). Accordingly, charging and discharging of the battery (100) may be performed through the first and second fuses (11, 12) of the battery output cut-off circuit (200) in a normal temperature range, and at a high temperature higher than a set temperature, at least one of the first and second fuses (11, 12) of the battery output cut-off circuit (200) may be melted by the characteristics of the NTC thermistor (20) and the fuse resistor (13), thereby cutting off the battery (100) and the output path.
  • Fuse resistor 10 3-terminal fuse
  • Thermistor 100 Battery
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Abstract

본 발명은 배터리 출력을 차단하는 배터리 출력 차단 회로로서, 배터리와 배터리 출력단 사이의 출력 경로에 마련된 3단자 퓨즈와, 일단이 상기 3단자 퓨즈와 연결되고 타단이 접지 단자에 연결된 NTC 서미스터를 포함하는 배터리 출력 차단 회로 및 이를 구비하는 충방전 제어 회로를 제시한다.

Description

배터리 출력 차단 회로 및 이를 구비하는 충방전 제어 회로
본 발명은 배터리 출력 차단 회로에 관한 것으로, 특히 배터리 과열 시 배터리의 출력을 차단하는 배터리 출력 차단 회로 및 이를 구비하는 충방전 제어 회로에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지, 즉 배터리(battery)는 스마트폰 등의 모바일 기기의 에너지원으로 널리 이용되고 있다. 뿐만 아니라, 배터리는 화석 연료를 이용하는 가솔린 차량, 디젤 차량 등에 의한 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 친환경 자동차의 에너지원으로도 이용되고 있다. 배터리를 이용하는 애플리케이션의 종류는 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 배터리가 적용될 것으로 예상된다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리, 리튬 이온 배터리 등이 있다. 이 중에서 리튬 이온 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 또한, 리튬 이온 배터리는 소형, 경량으로 제작할 수 있으므로 이동 기기의 전원으로 사용되며, 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다. 그러나, 리튬 이온 배터리는 나머지 다른 배터리들에 비해 활성이 강하므로 다소 안전성이 부족하다는 특성을 가지고 있다.
이러한 배터리는 단일의 배터리 셀로 사용되기보다는 배터리 팩의 형태로 사용되는 것이 일반적이다. 배터리 팩은 적어도 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하며, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀로 이루어질 수 있다. 또한, 배터리 셀, 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 전반적인 상태를 관리하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)을 구비한다. BMS는 배터리의 성능, 상태 확인, 그리고 진단 등을 수행하여 배터리를 안정적으로 운용할 수 있도록 한다
한편, 배터리의 적용 영역이 더욱 확장됨에 따라 배터리에 대한 안전성이 매우 중요한 이슈로 부각되고 있다. 예컨대, 노트북, 휴대폰, 전기 자동차 등의 경우 사용 인구가 급격히 증가하고 있고, 배터리의 폭발은 제품의 파손을 가져올 뿐만 아니라 인명 피해나 화재로 연결될 수 있다는 점에서 배터리의 안전성 확보가 시급하다. 특히, 활성이 강한 리튬 이온 배터리를 이용하는 제품에서는 안전성의 확보 때문에 배터리에 이상이 생긴 경우 배터리 또는 배터리에 접속되는 전기기기를 보호하는 보호 회로가 필요하다.
이러한 보호 회로는 배터리와 전기기기의 전기적 접속을 끊어 배터리의 출력을 차단하는 차단 회로이다. 차단 회로는 예를 들어 배터리의 출력 단자와 전기기기 사이에 연결되는 퓨즈를 사용할 수 있다. 퓨즈는 배터리 셀의 과충전 또는 과방전 등과 같은 배터리의 과열 시 용단될 수 있다. 퓨즈를 용단시키기 위해서는 배터리의 온도를 감지하기 위한 온도 센서를 이용하거나, 배터리 셀의 과충전 또는 과방전을 감지하는 전류 센서 또는 전압 센서를 이용할 수 있다.
그런데, 배터리의 온도를 감지하는 부품(즉 온도 센서)이나, 배터리 셀의 과충전 또는 과방전을 감지하는 부품(즉 전압 센서 또는 전류 센서)이 고장 등의 이유로 제기능을 못하는 경우 퓨즈를 용단시키지 못하게 된다. 따라서, 배터리의 과열에도 배터리와 전기기기의 연결을 차단하지 못해 전기기기의 과열을 방지하지 못하는 문제가 발생될 수 있다.
관련 선행발명으로는 다음과 같은 것들이 있다.
특허문헌 1: 한국등록특허 제10-1709540호(2017. 02. 17)
특허문헌 2: 일본 공개특허 JP 2003-297206 A(2003. 10. 17)
본 발명은 온도 감지와 관련된 부품의 고장에도 배터리 과열 시 퓨즈를 용단시킬 수 있는 배터리 출력 차단 회로 및 이를 구비하는 충방전 제어 회로를 제시한다.
본 발명은 3단자 퓨즈와 서미스터를 이용하여 고온에서 퓨즈를 용융 절단시킬 수 있는 배터리 출력 차단 회로 및 이를 구비하는 충방전 제어 회로를 제시한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 출력 차단 회로는 배터리 출력을 차단하는 배터리 출력 차단 회로로서, 배터리와 배터리 출력단 사이의 출력 경로에 마련된 3단자 퓨즈와, 일단이 상기 3단자 퓨즈와 연결되고 타단이 접지 단자에 연결된 NTC 서미스터를 포함한다.
상기 3단자 퓨즈는, 일단이 배터리 측에 연결되는 제 1 퓨즈와, 일단이 상기 제 1 퓨즈의 타단에 연결되고, 타단이 상기 배터리 출력단에 연결된 제 2 퓨즈와, 상기 제 1 및 제 2 퓨즈 사이에 일단이 연결되는 퓨즈 저항을 포함한다.
상기 NTC 서미스터는, 일단이 상기 퓨즈 저항에 연결되며, 타단이 접지 단자에 연결된다.
상기 퓨즈 저항의 저항값은, 설정된 출력 차단 온도에서의 상기 NTC 서미스터의 저항값과의 합산 저항값이 상기 제 1 퓨즈 또는 제 2 퓨즈에 흐르는 퓨즈 파단 전류보다 작지 않도록 설정된다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 충방전 제어 회로는 복수의 배터리 셀을 구비하는 배터리; 상기 배터리와 연결되며, 3단자 퓨즈 및 NTC 서미스터를 포함하여 온도에 따라 배터리의 출력을 차단하는 배터리 출력 차단 회로; 일측이 상기 배터리 출력 차단 회로와 연결되고 타측이 배터리 출력단과 연결되어 충방전 경로를 설정하는 스위칭부; 상기 배터리의 상태를 측정하는 제 1 제어부; 및 상기 배터리의 충방전에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제 2 제어부를 포함한다.
상기 3단자 퓨즈는 일단이 배터리 측에 연결되는 제 1 퓨즈와, 일단이 상기 제 1 퓨즈의 타단에 연결되고 타단이 상기 스위칭부에 연결된 제 2 퓨즈와, 상기 제 1 및 제 2 퓨즈 사이에 일단이 연결되는 퓨즈 저항을 포함하고, 상기 NTC 서미스터는 일단이 상기 퓨즈 저항에 연결되며, 타단이 접지 단자에 연결된다.
상기 NTC 서미스터는 설정된 출력 차단 온도 이상의 온도에서 저항이 낮아져 상기 퓨즈 저항을 통해 흐르는 전류가 증가하고, 상기 퓨즈 저항은 전류 증가에 따라 가열되어 상기 제 1 및 제 2 퓨즈 중 적어도 하나를 융융 절단시킨다.
상기 퓨즈 저항의 저항값은, 설정된 출력 차단 온도에서의 상기 NTC 서미스터의 저항값과의 합산 저항값이 상기 제 1 퓨즈 또는 제 2 퓨즈에 흐르는 퓨즈 파단 전류보다 작지 않도록 설정된다.
본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 출력 차단 회로는 배터리와 배터리 출력단 사이에 마련된 3단자 퓨즈와, 3단자 퓨즈와 접지 단자 사이에 마련된 NTC 서미스터를 포함할 수 있다. 3단자 퓨즈는 배터리와 배터리 출력단 사이에 연결된 제 1 및 제 2 퓨즈와, 제 1 및 제 2 퓨즈의 접속점에 일단이 연결된 퓨즈 저항을 포함할 수 있고, NTC 서미스터는 퓨즈 저항의 타단과 접지 단자 사이에 연결된다.
이러한 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 출력 차단 회로는 NTC 서미스터가 고온에 노출되면 NTC 서미스터의 저항이 감소하고, NTC 서미스터의 저항이 감소함에 따라 퓨즈 저항, 즉 히터부의 전류 흐름이 증가하게 된다. 따라서, 퓨즈 저항이 발열하고 그에 따라 제 1 및 제 2 퓨즈 중 적어도 하나를 용단시켜 배터리의 출력을 차단하게 된다.
따라서, 본 발명은 온도 감지와 관련된 부품이나 회로에 이상이 발생되어도 고온 상황에서 퓨즈가 영구적으로 차단되어 시스템을 보호할 수 있다. 또한, 온도 센서의 핀 부족 또는 MCU 신호 오류(single fault)에 대한 리던던트(redundant) 회로로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 출력 차단 회로의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 출력 차단 회로의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 회로의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 출력 차단 회로의 회로도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 출력 차단 회로의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 출력 차단 회로는 배터리와 배터리 출력단 사이의 출력 경로 상에 연결된 3단자 퓨즈(10)와, 일단이 3단자 퓨즈(10)의 제어 단자에 연결되고 타단이 접지 단자에 연결된 서미스터(20)를 포함할 수 있다.
3단자 퓨즈(10)는 배터리와 출력단 사이의 출력 경로 상에 연결되어 이상 상황 발생 시 전류의 흐름이 차단되도록 한다. 즉, 3단자 퓨즈(10)는 배터리의 온도가 설정 온도보다 높은 배터리 과열 시 차단되어 배터리와 출력단 사이의 출력 경로를 차단하게 된다. 이러한 3단자 퓨즈(10)는 일단이 배터리에 연결되는 제 1 퓨즈(11)와, 일단이 제 1 퓨즈(11)의 타단에 연결되고 타단이 출력단에 연결된 제 2 퓨즈(12)와, 제 1 퓨즈(11)와 제 2 퓨즈(12)의 사이에 일단이 연결되는 퓨즈 저항(13)을 포함할 수 있다.
이러한 3단자 퓨즈(10)는 배터리의 온도가 설정 온도보다 낮은 정상 상태에서 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12)를 통해 배터리와 배터리 출력단 사이에 출력 경로가 형성된다. 그러나, 배터리의 온도가 설정 온도보다 높은 고온 상태에서 퓨즈 저항(13)에 의해 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12) 중 적어도 하나가 용단되어 출력 경로를 끊어주게 된다. 즉, 3단자 퓨즈(10)는 배터리의 과열 시 퓨즈 저항(13)이 가열되고, 퓨즈 저항(13)이 소정 온도 이상으로 가열되면 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12) 중 적어도 어느 하나를 끊어 연결을 차단한다. 이때, 퓨즈 저항(13)은 배터리로부터 설정값 이하의 전류가 흐르거나 배터리의 온도가 설정 온도 이하일 경우 가열되지 않고 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12)를 통해 배터리의 출력이 출력단으로 전달된다. 그러나, 배터리로부터 설정값 이상의 전류가 흐르거나 배터리의 온도가 설정 온도 이상일 경우 퓨즈 저항(13)이 가열되고, 퓨즈 저항(13)이 설정 온도 이상으로 가열되면 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12) 중 적어도 어느 하나가 용단되어 배터리와 출력단 사이의 출력 경로를 차단하게 된다. 한편, 퓨즈 저항(13)은 설정된 소정의 출력 차단 온도에서의 서미스터(20)의 저항값과의 합산 저항값이 제 1 퓨즈(11) 또는 제 2 퓨즈(12)에 흐르는 전류값의 퓨즈 파단 전류보다 작지 않도록 설정된다.
서미스터(thermistor)(20)는 일단이 퓨즈 저항(13)에 연결되며, 타단이 접지 단자에 연결된다. 이러한 서미스터(20)는 세라믹 재질에 코발트, 구리, 망간, 니켈, 티타늄 등의 불순물을 첨가하여 온도 변화에 따라 저항값이 크게 변화하는 특성을 가지는 소자로서, 본 발명의 서미스터(20)는 온도가 높아지면 저항이 감소하는 부저항 온도 계수의 특성을 갖는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터일 수 있다. 즉, NTC 서미스터는 초기 높은 저항값을 가지며, 전류가 흐르면서 서미스터 온도가 상승하고 그에 따라 저항값 작아진다.
본 발명에 따른 3단자 퓨즈(10)와 NTC 서미스터(20)를 포함하는 배터리 출력 차단 회로는 도 2에 도시된 바와 같이 초기 높은 저항값을 갖는 NTC 서미스터(20)가 고온에 노출되면 NTC 서미스터(20)의 저항이 감소된다. NTC 서미스터(20)의 저항이 감소하면 퓨즈 저항(13)으로 전류 흐름이 증가하고 그에 따라 퓨즈 저항(13)이 발열하게 된다. 퓨즈 저항(13)이 발열하게 되어 퓨즈 저항(13)의 온도가 소정 온도 이상으로 상승하면 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12) 중 적어도 하나를 용단시키고, 그에 따라 배터리와 출력단 사이의 출력 경로가 차단된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 출력 차단 회로는 배터리와 배터리 출력단 사이에 마련된 3단자 퓨즈(10)와, 3단자 퓨즈(10)와 접지 단자 사이에 마련된 NTC 서미스터(20)를 포함할 수 있다. 3단자 퓨즈(10)는 배터리와 배터리 출력단 사이에 연결된 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12)와, 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12)의 접속점에 일단이 연결된 퓨즈 저항(13)을 포함할 수 있고, NTC 서미스터(20)는 퓨즈 저항(13)의 타단과 접지 단자 사이에 연결된다.
이러한 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 출력 차단 회로는 초기 고저항을 유지하는 NTC 서미스터(20)가 고온에 노출되면 NTC 서미스터(20)의 저항이 감소하고, NTC 서미스터(20)의 저항이 감소함에 따라 퓨즈 저항(13), 즉 히터부의 전류 흐름이 증가하게 된다. 따라서, 퓨즈 저항(13)이 발열하고 그에 따라 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12) 중 적어도 하나를 용단시켜 배터리의 출력을 차단하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 출력 차단 회로는 배터리를 진단하는 별도의 신호 없이 3단자 퓨즈(10)와 NTC 서미스터(20)의 특성을 이용하여 고온에서 퓨즈를 용융 절단시켜 전원 소스를 영구 차단할 수 있다. 따라서, 온도 감지와 관련된 부품이나 회로에 이상이 발생되어도 고온 상황에서 퓨즈가 영구적으로 차단되어 시스템을 보호할 수 있다. 또한, 온도 센서의 핀 부족 또는 MCU 신호 오류(single fault)에 대한 리던던트(redundant) 회로로 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 출력 차단 회로를 구비하는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 충방전 제어 회로는 배터리(100)와 배터리 출력단, 즉 부하 사이의 출력 경로에 마련된 배터리 출력 차단 회로(200)와, 배터리 출력 차단 회로(200)와 배터리 출력단 사이에 마련된 스위칭부(300)와, 배터리(100)에 연결되어 배터리의 상태를 측정하는 제 1 제어부(400)와, 스위칭부(300)를 제어하는 제 2 제어부(500)를 포함할 수 있다.
1. 배터리
배터리(100)는 충전 및 방전 가능하며, 전기기기에 에너지를 제공하여 전기기기를 구동시키는 전기 에너지원이다. 여기서, 배터리(100)는 적어도 하나의 배터리 팩을 포함할 수 있고, 적어도 하나의 배터리 팩은 각각 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있으며, 배터리 모듈은 충방전 가능한 복수의 배터리 셀 포함할 수 있다. 즉, 배터리(100)는 복수의 배터리 셀을 포함하고, 복수의 배터리 셀을 소정 단위로 묶어 배터리 모듈을 이룰 수도 있으며, 복수의 배터리 모듈이 하나의 배터리 팩을 이룰 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시 예는 적어도 하나의 배터리 팩을 포함할 수 있다. 한편, 복수의 배터리 셀은 전기기기의 스펙(specification)에 부합되도록 다양한 방법으로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 물론, 복수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩 또한 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 여기서, 배터리 셀은 리튬 이온 배터리를 포함할 수 있다. 그러나, 배터리 셀은 리튬 이온 배터리 뿐만 아니라 리튬 폴리머 배터리, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 수소 배터리, 니켈 아연 배터리 등으로 구성할 수도 있다.
2. 배터리 출력 차단 회로
배터리 출력 차단 회로(200)는 배터리(100)와 배터리 출력단 사이의 출력 경로 상에 연결된 3단자 퓨즈(10)와, 일단이 3단자 퓨즈(10)의 제어 단자에 연결되고 타단이 접지 단자에 연결된 서미스터(20)를 포함할 수 있다. 3단자 퓨즈(10)는 배터리와 출력단 사이의 출력 경로 상에 연결되어 이상 상황 발생 시 전류의 흐름이 차단되도록 한다. 즉, 3단자 퓨즈(10)는 배터리의 온도가 설정 온도보다 높은 배터리 과열 시 차단되어 배터리와 출력단 사이의 출력 경로를 차단하게 된다. 이러한 3단자 퓨즈(10)는 일단이 배터리에 연결되는 제 1 퓨즈(11)와, 일단이 제 1 퓨즈(11)의 타단에 연결되고 타단이 출력단에 연결되어 제 1 퓨즈(11)를 통과한 배터리의 출력을 타단으로 출력하는 제 2 퓨즈(12)와, 제 1 퓨즈(11)와 제 2 퓨즈(12)의 사이에 연결되는 퓨즈 제어 단자에 일단이 연결되는 퓨즈 저항(13)을 포함할 수 있다. 서미스터(thermistor)(20)는 일단이 퓨즈 저항(13)에 연결되며, 타단이 접지 단자에 연결된다. 본 발명의 서미스터(20)는 온도가 높아지면 저항이 감소하는 부저항 온도 계수의 특성을 갖는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터일 수 있다. 즉, NTC 서미스터는 초기 높은 저항값을 가지며, 전류가 흐르면서 서미스터 온도가 상승하고 그에 따라 저항값이 작아진다.
이러한 배터리 출력 차단 회로(200)는 배터리로부터 설정값 이하의 전류가 흐르거나 배터리의 온도가 설정 온도 이하일 경우 퓨즈 저항(13)은 가열되지 않고 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12)를 통해 배터리의 출력이 출력단으로 전달된다. 그러나, 배터리로부터 설정값 이상의 전류가 흐르거나 배터리의 온도가 설정 온도 이상일 경우 NTC 서미스터(20)가 고온에 노출되어 NTC 서미스터(20)의 저항이 감소된다. NTC 서미스터(20)의 저항이 감소하면 퓨즈 저항(13)으로 전류 흐름이 증가하고 그에 따라 퓨즈 저항(13)이 발열하게 된다. 퓨즈 저항(13)이 발열하게 되어 퓨즈 저항(13)의 온도가 소정 온도 이상으로 상승하면 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12) 중 적어도 하나를 용단시키고, 그에 따라 배터리와 출력단 사이의 출력 경로가 차단된다. 이때, 퓨즈 저항(13)은 설정된 소정의 출력 차단 온도에서의 서미스터(20)의 저항값과의 합산 저항값이 제 1 퓨즈(11) 또는 제 2 퓨즈(12)에 흐르는 전류값의 퓨즈 파단 전류보다 작지 않도록 설정된다.
3. 스위칭부
스위칭부(300)는 충전 스위치(310) 및 방전 스위치(320)를 포함할 수 있다. 충전 스위치(310) 및 방전 스위치(320)는 배터리(100)의 충방전 경로 상에 설치되어 충전 전류 및 방전 전류의 흐름을 선택적으로 차단한다. 따라서, 배터리(100)로부터 배터리 출력 차단 회로(200)의 퓨즈(11, 12), 충전 스위치(310) 및 방전 스위치(320)를 경유하여 부하에 이르는 충방전 경로가 형성된다.
스위칭부(300)는 배터리(100)와 부하 사이의 전류 경로 사이에 마련되어 제2 제어부(500)에 의해 배터리(100)의 충전 및 방전을 제어한다. 이러한 스위칭부(300)는 배터리(100)와 부하 사이에 마련되는데, 충전 스위치(310)가 배터리(100) 측에 마련되고, 방전 스위치(320)가 부하 측에 마련될 수 있다. 충전 및 방전 스위치(310, 320)는 제 2 제어부(500)에서 생성된 제어 신호에 따라 구동되며, 배터리(100)의 충전 및 방전 시 동시에 구동될 수 있고, 어느 하나가 구동될 수도 있다. 예를 들어, 충전 스위치(310)은 배터리(100)의 충전 시 구동될 수 있고 방전 스위치(320)는 배터리(100)의 방전 시 구동될 수 있다. 여기서, 부하는 배터리(100)을 충전하기 위한 외부 전원과 배터리(100)의 방전 전압에 따라 구동되는 배터리(100)가 장착되는 전자기기를 포함할 수 있다. 즉, 배터리(100)는 충전 시 외부 전원과 연결되고, 방전 시 전자기기에 연결될 수 있다.
충전 스위치(310)는 제 1 FET(310a) 및 제 1 기생 다이오드(310b)를 포함할 수 있다. 제 1 FET(310a)는 소스 단자 및 드레인 단자가 배터리(100)와 제 2 FET(320a) 사이에 마련되고, 게이트 단자가 제 2 제어부(500)와 연결된다. 따라서, 제 1 FET(310a)는 제 2 제어부(500)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 구동되며, 충전 시 배터리(100)로 전류를 인가하는 역할을 한다. 제 1 기생 다이오드(310b)는 제 1 FET(310a)에 병렬 연결된다. 즉, 제 1 기생 다이오드(310b)는 배터리(100)와 제 2 FET(320a) 사이에 순방향으로 연결된다. 이러한 제 1 기생 다이오드(310b)는 제 1 FET(310a)가 턴오프될 때 배터리(100)의 방전 경로를 설정한다. 즉, 제 1 FET(310a)을 통해 배터리(100)가 충전되고, 제 1 기생 다이오드(310b)를 통해 배터리(100)가 방전될 수 있다.
방전 스위치(320)는 제 2 FET(320a) 및 제 2 기생 다이오드(320b)를 포함할 수 있다. 제 2 FET(320a)는 소스 단자 및 드레인 단자가 제 1 FET(310a)와 부하 사이에 마련되고, 게이트 단자가 제 2 제어부(500)와 연결된다. 따라서, 제 2 FET(320a)는 제 2 제어부(500)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 구동되며, 방전 시 배터리(100)의 방전 전류를 이와 연결된 전자기기에 인가시키는 역할을 한다. 제 2 기생 다이오드(320b)는 제 2 FET(320a)에 병렬 연결된다. 즉, 제 2 기생 다이오드(320b)는 제 1 FET(310a)와 부하 사이에 역방향으로 연결된다. 이러한 제 2 기생 다이오드(320b)는 배터리(100)의 충전 시 충전 전류의 경로를 설정한다. 즉, 제 2 FET(320a)를 통해 배터리(100)가 방전되고, 제 2 기생 다이오드(320b)을 통해 배터리(100)가 충전될 수 있다.
이러한 스위칭부(300)는 제 1 FET(310a)의 게이트 단자와 제 2 FET(320a)의 게이트 단자에 제 2 제어부(500)가 연결되어 제 2 제어부(500)로부터 출력되는 제어 신호에 따라 제 1 및 제 2 FET(310a, 320a)가 각각 구동된다.
4. 제 1 제어부
제1 제어부(400)는 배터리(100)의 양단 및/또는 배터리(100)에 포함된 배터리 셀의 각 양단에 연결되어 배터리(100) 또는 배터리 셀 양단 전압과 같은 상태를 측정할 수 있다. 이때, 제 1 제어부(400)는 배터리(100)의 온도, 배터리(100) 또는 배터리 셀의 전류를 측정할 수 있다. 한편, 제 1 제어부(400)는 3단자 퓨즈(10)와 전기적으로 연결되어 3단자 퓨즈(10)의 용단을 제어할 수 있다. 이를 위해 제 1 제어부(400)는 도시되지 않은 퓨즈 제어 스위치가 구비되어 제 1 제어부(400)는 퓨즈 제어 스위치를 통해 3단자 퓨즈(10)를 용단시킬 수 있다. 이때, 퓨즈 제어 스위치는 내부에 기생 다이오드가 포함된 FET로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명은 제 1 제어부(400)에 별도의 퓨즈 제어 스위치를 구비하지 않고도 3단자 퓨즈(10)와 NTC 서미스터(20)의 온도 변화에 따른 저항 변화를 이용하여 고온 시 3단자 퓨즈(10)를 용단시킬 수 있다. 물론, 본 발명은 제 1 제어부(400)에 구비된 퓨즈 제어 스위치와 배터리 출력 차단 회로(200)를 동시에 구비할 수도 있다. 이 경우 퓨즈 제어 스위치가 고장 등으로 제기능을 못하는 경우에도 배터리 출력 차단 회로(200)가 온도 변화에 따라 배터리의 출력을 차단할 수 있다.
5. 제 2 제어부
제 2 제어부(500)는 배터리 셀의 상태에 따라 배터리(100)의 충방전을 제어한다. 예를 들어, 제 2 제어부(500)는 제 1 제어부(400)로부터 측정된 배터리(100)의 전압에 따라 배터리(100)의 충방전을 제어할 수 있다. 즉, 제 2 제어부(500)는 스위칭부(300)의 충전 스위치(310) 및 방전 스위치(320)를 제어하여 배터리(100)의 충방전을 제어할 수 있다.
제 2 제어부(500)는 제 1 FET(310a)의 게이트 단자와 제 2 FET(320a)의 게이트 단자에 연결되어 제어 신호에 따라 제 1 및 제 2 FET(310a, 320a)를 각각 구동시킬 수 있다. 제 2 제어부(500)는 배터리(100)의 충전 시 제 1 FET(310a)를 턴온시키고, 제 2 FET(320b)를 턴오프시킨다. 따라서, 부하, 즉 외부 전원으로부터 제 2 기생 다이오드(320b) 및 제 1 FET(310a)를 통해 배터리(100)가 충전된다. 또한, 제 2 제어부(500)는 배터리(100)의 방전 시 제 2 FET(320a)를 턴온시키고 제 1 FET(310a)를 턴오프시킨다. 따라서, 배터리(100)로부터 1 기생 다이오드(310b) 및 제 2 FET(320a)를 통해 배터리(100)가 방전된다. 이때, 제 1 및 제 2 FET(310a, 320a)를 각각 턴온시키는 제어 신호는 로직 하이 신호일 수 있고, 제 1 및 제 2 FET(310a, 320a)를 각각 턴오프시키는 제어 신호는 로직 로우 신호일 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 다른 실시 예는 배터리 출력 차단 회로(200)가 충방전 스위치(310, 320)를 포함하는 충방전 제어 회로에 구비될 수 있다. 따라서, 정상 온도 범위에서 배터리 출력 차단 회로(200)의 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12)를 통해 배터리(100)의 충전 및 방전이 이루어질 수 있고, 설정 온도보다 높은 고온에서는 배터리 출력 차단 회로(200)의 제 1 및 제 2 퓨즈(11, 12) 중 적어도 하나가 NTC 서미스터(20) 및 퓨즈 저항(13)의 특성에 의해 용단됨으로써 배터리(100)와 출력 경로를 차단할 수 있다.
상기한 바와 같은 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.
본 발명의 설명 및 도면에서 사용된 도면 부호의 각 명칭은 다음과 같다.
11 : 제 1 퓨즈 12 : 제 2 퓨즈
13 : 퓨즈 저항 10 : 3단자 퓨즈
20 : 서미스터 100 : 배터리
200 : 배터리 출력 차단 회로
300 : 스위칭부 400 : 제 1 제어부
500 : 제 2 제어부

Claims (8)

  1. 배터리 출력을 차단하는 배터리 출력 차단 회로로서,
    배터리와 배터리 출력단 사이의 출력 경로에 마련된 3단자 퓨즈와,
    일단이 상기 3단자 퓨즈와 연결되고 타단이 접지 단자에 연결된 NTC 서미스터를 포함하는 배터리 출력 차단 회로.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 3단자 퓨즈는,
    일단이 배터리 측에 연결되는 제 1 퓨즈와,
    일단이 상기 제 1 퓨즈의 타단에 연결되고, 타단이 상기 배터리 출력단에 연결된 제 2 퓨즈와,
    상기 제 1 및 제 2 퓨즈 사이에 일단이 연결되는 퓨즈 저항을 포함하는 배터리 출력 차단 회로.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 NTC 서미스터는,
    일단이 상기 퓨즈 저항에 연결되며, 타단이 접지 단자에 연결되는 배터리 출력 차단 회로.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 퓨즈 저항의 저항값은,
    설정된 출력 차단 온도에서의 상기 NTC 서미스터의 저항값과의 합산 저항값이 상기 제 1 퓨즈 또는 제 2 퓨즈에 흐르는 퓨즈 파단 전류보다 작지 않도록 설정되는 배터리 출력 차단 회로.
  5. 복수의 배터리 셀을 구비하는 배터리;
    상기 배터리와 연결되며, 3단자 퓨즈 및 NTC 서미스터를 포함하여 온도에 따라 배터리의 출력을 차단하는 배터리 출력 차단 회로;
    일측이 상기 배터리 출력 차단 회로와 연결되고 타측이 배터리 출력단과 연결되어 충방전 경로를 설정하는 스위칭부;
    상기 배터리의 상태를 측정하는 제 1 제어부; 및
    상기 배터리의 충방전에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제 2 제어부를 포함하는 충방전 제어 회로.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 3단자 퓨즈는 일단이 배터리 측에 연결되는 제 1 퓨즈와, 일단이 상기 제 1 퓨즈의 타단에 연결되고 타단이 상기 스위칭부에 연결된 제 2 퓨즈와, 상기 제 1 및 제 2 퓨즈 사이에 일단이 연결되는 퓨즈 저항을 포함하고,
    상기 NTC 서미스터는 일단이 상기 퓨즈 저항에 연결되며, 타단이 접지 단자에 연결되는 충방전 제어 회로.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 NTC 서미스터는 설정된 출력 차단 온도 이상의 온도에서 저항이 낮아져 상기 퓨즈 저항을 통해 흐르는 전류가 증가하고, 상기 퓨즈 저항은 전류 증가에 따라 가열되어 상기 제 1 및 제 2 퓨즈 중 적어도 하나를 융융 절단시키는 충방전 제어 회로.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 퓨즈 저항의 저항값은,
    설정된 출력 차단 온도에서의 상기 NTC 서미스터의 저항값과의 합산 저항값이 상기 제 1 퓨즈 또는 제 2 퓨즈에 흐르는 퓨즈 파단 전류보다 작지 않도록 설정되는 충방전 제어 회로.
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