JP5209122B2 - センス抵抗の破壊を感知してバッテリーパックを保護する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーパック保護装置及び方法に関し、より詳しくは、バッテリーパックのセンス抵抗の破壊を感知することでバッテリーパックを保護する装置及び方法に関する。

近年、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に増加し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化されるにつれて、繰り返して充放電することができる高性能二次電池に対する研究が活発に行われている。

現在、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などの二次電池が商用化されている。その中でもリチウム二次電池は、ニッケル系列の二次電池に比べてメモリ効果がほとんど起きなく充放電が自由であり、自己放電率が非常に低くエネルギー密度が高いため、脚光を浴びている。

一方、近年、バッテリーと関連して社会的に最も論点になっていることがバッテリーの安全性の問題である。特に、ノートパソコンや携帯電話の場合、使用者が急激に増加しており、バッテリーの爆発は携帯用電子製品の破損だけでなく火事に繋がる恐れがあるという点で、バッテリーの安全性確保が至急に求められる。それ故に、従来から、バッテリーの異常状態を感知したとき、充放電電流を遮断してバッテリーの安全性を確保する多様な保護装置が使用されている。このようなバッテリーパックの保護装置は、一般に過充電、過放電、短絡、過電流などの異常状態が発生した場合、バッテリーパックを保護するために充放電電流が流れる線路を不可逆的に断線させて電流の流れを遮断するヒューズ及び充放電電流の大きさを感知するためのセンス抵抗（ｓｅｎｓｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）を含む。

図１は、従来のバッテリーパック保護装置の構成を概略的に示したブロック図である。

図１を参照すれば、従来のバッテリーパック保護装置１００は、少なくとも１つ以上のバッテリーセルからなるセル集合体２０と連結され、充電装置または負荷が連結される高電圧出力端Ｐａｃｋ＋及び低電圧出力端Ｐａｃｋ−、高電圧ラインに直列連結されて過充電または過放電如何によって充電電流及び放電電流をそれぞれ遮断する充電制御スイッチ６０及び放電制御スイッチ５０、保護装置１００に流れる電流をセンシングするために低電圧ラインに直列連結されたセンス抵抗１０、バッテリーに過充電、過放電などの異常状態が発生した場合、充放電電流が流れる線路を不可逆的に断線させるヒューズ４０、前記ヒューズ４０を作動させるための電流の流れを選択的に開閉するヒューズ制御スイッチ３０、個別セル電圧をセンシングしてマイクロコントローラー９０に出力する１次保護回路８０、個別セル電圧をセンシングして閾値以上の過充電状態が検出される場合、ヒューズ制御スイッチ３０に動作電圧を印加してヒューズ４０を溶断させる２次保護回路７０、及び１次保護回路を通じて各セルの電圧の入力を受けて各セルと全体セルの過充電如何をモニタリングし、センス抵抗１０を通じてバッテリーの充放電電流をセンシングして過電流が発生したか否かをモニタリングし、過放電または過電流などの異常状態が感知されれば、各スイッチ３０、５０、６０のオン／オフ動作を制御して充放電電流の流れを臨時的または永久的に遮断するマイクロコントローラー９０を含む。

前記充電制御スイッチ６０、放電制御スイッチ５０及びヒューズ制御スイッチ３０は、内部に寄生ダイオードが含まれた電界効果トランジスター（ＦＥＴ、Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなる。前記充電制御スイッチ６０及び放電制御スイッチ５０のゲート端子には、マイクロコントローラー９０の制御によって１次保護回路８０側から動作電圧が印加される。また、前記ヒューズ制御スイッチ３０のゲート端子にはマイクロコントローラー９０または２次保護回路７０側から動作電圧が印加される。

また、前記ヒューズ４０は３端子ヒューズからなる。充電制御スイッチ６０または放電制御スイッチ５０の焼損により充放電が円滑に制御できず、個別セルまたはセル集合体２０が限界以上に過充電または過放電される場合、負荷側または保護装置内で短絡が起きて過電流が流れる場合、個別セルが焼損して急に充電電圧が上昇するか又は下降するなどの異常状況が発生した場合、前記ヒューズ４０は充放電電流が流れる線路（Ｐａｃｋ＋端の線路）を不可逆的に断線させてバッテリーパックの爆発、バッテリーセルの永久的損傷、バッテリーパックに連結される負荷の破損などを防止する。

一方、近年、高出力電池システムに求められるバッテリーパックの消費電力が増加するにつれて、バッテリーパックに使用される安全関連部品の消費容量が大きくなっている。それにより、３端子ヒューズの電流容量も７Ａから１２Ａに徐々に増加する傾向を見せている。このような状況で外部短絡や過電流などが発生すれば、ヒューズの溶断が遅れ、ヒューズが溶断する前にメイン電流経路に位置する主要部品が破壊される問題が生じることがある。特に、バッテリーパック保護装置の重要素子であるセンス抵抗１０が過電流などで破壊されれば、センス抵抗１０の両端に大きい電圧が印加され、マイクロコントローラー９０に許容値を超過する過電圧が印加される恐れがある。この場合、マイクロコントローラー９０が損傷し、ヒューズ制御スイッチ３０に動作電圧を印加することでヒューズ４０を溶断させる保護動作ができなくなる。その結果、バッテリーが満放電状態になるまで小さい電流が流れ続け、この過程でバッテリーの温度が上昇し、深刻な場合はバッテリーが発火する問題まで生じ得る。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーパック保護装置の重要素子であるセンス抵抗の破壊を感知してヒューズを溶断させることで、バッテリーパックの安全性を向上させることができるバッテリーパック保護装置及び方法を提供することを目的とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、充電電流または放電電流が流れる回路経路上に接続されたヒューズ及びセンス抵抗と、前記ヒューズを制御するヒューズ制御スイッチと、を含むバッテリーパック保護装置において、一端は前記センス抵抗に接続され、他端は前記ヒューズ制御スイッチに接続されたショットキーダイオード（ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｄｉｏｄｅ）をさらに含むことを特徴とするバッテリーパック保護装置を提供する。

また、本発明は、少なくとも１つ以上のバッテリーセルを含むバッテリーセル集合体と、該バッテリーセル集合体と電気的に結合された前記バッテリーパック保護装置と、バッテリーセル集合体及びバッテリーパック保護装置を内部空間に収納するハウジングと、を含むことを特徴とするバッテリーパックを提供する。

また、本発明は、充電または放電電流が流れる回路経路上に接続されたヒューズ及びセンス抵抗と、前記ヒューズを制御するヒューズ制御スイッチと、前記センス抵抗と前記ヒューズ制御スイッチとの間に連結されるショットキーダイオードと、を含むバッテリーパックを保護する方法において、（Ｓ１）前記センス抵抗の両端に予め定められた値以上の電圧が印加されれば、前記ショットキーダイオードを通じて電流を通す段階；（Ｓ２）前記ショットキーダイオードを通じて電流が通れば前記ヒューズ制御スイッチをターンオンさせて前記ヒューズを溶断させる段階を含むことを特徴とするバッテリーパック保護方法を提供する。

本発明によれば、低費用で、バッテリーパック保護装置の重要素子であるセンス抵抗の破壊を感知してヒューズを溶断させることで、過電流などによって部品が破壊されることを防止し、バッテリーパックの安全性を向上させることができる。特に、近年高出力電池システムに求められるバッテリーパックの消費電力が増加することで、過電流などが発生したとき、ヒューズが溶断される前にセンス抵抗が破壊される問題が生じることがある。しかし、本発明によれば、ヒューズが溶断される前にセンス抵抗が破壊された場合、これを感知してヒューズを溶断させることができる。したがって、部品を保護し、バッテリーの発熱及び発火による事故を防止し、且つ、バッテリーパックが使用されたシステムに保存されたデータを保護することができる。

従来のバッテリーパック保護装置の構成を概略的に示したブロック図である。 本発明の望ましい実施例によるバッテリーパック保護装置を概略的に示したブロック図である。 本発明の一実施例により、バッテリーパック保護装置のセンス抵抗が破壊されたとき、バッテリーパックを保護する方法を示すフロー図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

図２は、本発明の望ましい実施例によるバッテリーパック保護装置を概略的に示したブロック図である。

図２を参照すれば、本発明によるバッテリーパック保護装置２００は、従来のバッテリーパック保護装置１００と同様に、少なくとも１つ以上のバッテリーセルからなるセル集合体２２０に連結され、充電電流及び放電電流をそれぞれ制御する充電制御スイッチ２６０及び放電制御スイッチ２５０、充放電電流が流れる線路を不可逆的に断線させるヒューズ２４０、ヒューズに流れる動作電流を選択的に開閉するヒューズ制御スイッチ２３０、バッテリーの充放電電流を測定するために充放電電流が流れる線路に設けられたセンス抵抗２１０、個別セル電圧をセンシングしてマイクロコントローラー２９０に出力する１次保護回路２８０、個別セル電圧をセンシングして閾値以上の過充電状態が検出される場合、ヒューズ制御スイッチ２３０に動作電圧を印加してヒューズ２４０を溶断させる２次保護回路２７０、及び前記各スイッチ２３０、２５０、２６０を用いてバッテリーパック保護装置２００の全般的な動作を制御するマイクロコントローラー２９０を含む。

ここで、各構成要素の基本的な動作は従来のバッテリーパック保護装置に含まれた構成要素と実質的に同じであるため、繰り返し説明は省く。したがって、以下、従来のバッテリーパック保護回路と比べて本発明によるバッテリーパック保護回路が有する構成的相違点を主にして本発明の構成を説明する。

図２に示されたように、本発明によるバッテリーパック保護装置２００は、一端はセンス抵抗２１０に接続され、他端はヒューズ制御スイッチ２３０に接続されるダイオード３００をさらに含む。前記ダイオード３００は、電流がセンス抵抗２１０側からヒューズ制御スイッチ２３０のゲート端子方向に流れるように連結される。望ましくは、前記ダイオード３００はショットキーダイオード（ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｄｉｏｄｅ）である。一般に、センス抵抗２１０は５〜１０ｍΩの抵抗を有するが、常態であれば、バッテリーパック端子を短絡させた場合にもセンス抵抗２１０の両端に１Ｖ以上の電圧が印加されることは殆どない。しかし、機械的又は電気的な衝撃など様々な原因によってセンス抵抗２１０が破壊されれば、センス抵抗２１０両端のインピーダンスが増加し、その電圧差が異常に大きくなる。本発明によれば、このようにセンス抵抗２１０両端の電圧差が所定レベル以上に大きくなる場合、ショットキーダイオード３００を通じて充電または放電電流が流れ、その結果、ヒューズ制御スイッチ２３０のゲート電圧が上昇する。これにより、ヒューズ制御スイッチ２３０がターンオンし、結局ヒューズ２４０を溶断させることで、バッテリーパック保護装置の内部にはそれ以上電流が流れなくなる。望ましくは、前記ショットキーダイオード３００は前記センス抵抗２１０両端の電圧差が閾値、例えば２Ｖ以上である場合、ヒューズ制御スイッチ２３０をターンオンさせてヒューズ２４０を溶断させる。

図３は、本発明の一実施例により、バッテリーパック保護装置のセンス抵抗が破壊されたとき、バッテリーパックを保護する方法を示すフロー図である。

図３を参照すれば、本発明によるバッテリーパック保護方法において、センス抵抗が破壊されれば、センス抵抗の両端に予め定められた値以上の電圧が印加され（Ｓ１０）、その後、センス抵抗とヒューズ制御スイッチとの間に連結されたショットキーダイオードにしきい電圧以上の電圧が印加され、ショットキーダイオードに電流が流れる（Ｓ２０）。このようにショットキーダイオードに電流が流れれば、ヒューズ制御スイッチをターンオンさせてヒューズを溶断させ（Ｓ３０）、それによってバッテリーパック内部の電流を遮断させる。また、上述したように、センス抵抗両端の電圧が２Ｖ以上の場合、前記ショットキーダイオードを通じて電流が流れるようにすることでヒューズを溶断させることが望ましい。

以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれによって限定されるものではなく、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

Claims (5)

1. バッテリーパック保護装置であって、
   充電電流または放電電流が流れる回路経路上に接続されたヒューズ及びセンス抵抗と、
   前記ヒューズを制御するヒューズ制御スイッチとを備えてなり、
   一端は前記センス抵抗に接続され、他端は前記ヒューズ制御スイッチに接続されたショットキーダイオードを更に備えてなる、バッテリーパック保護装置。
2. 前記ショットキーダイオードが、前記センス抵抗両端の電圧が閾値以上の場合、前記ヒューズ制御スイッチをターンオンさせて前記ヒューズを溶断させてなる、請求項１に記載のバッテリーパック保護装置。
3. 請求項２に記載のバッテリーパック保護装置を備えてなる、バッテリーパック。
4. 請求項１に記載のバッテリーパック保護装置を備えてなる、バッテリーパック。
5. バッテリーパックを保護する方法であって、
   充電または放電電流が流れる回路経路上に接続されたヒューズ及びセンス抵抗と、
   前記ヒューズを制御するヒューズ制御スイッチと、
   前記センス抵抗と前記ヒューズ制御スイッチとの間に連結されるショットキーダイオードとを備えてなり、
   （Ｓ１）前記センス抵抗の両端に予め定められた値以上の電圧が印加されれば、電流が前記ショットキーダイオードを通じてヒューズ制御スイッチ側に流れる段階と、
   （Ｓ２）前記電流の流れによって前記ヒューズ制御スイッチがターンオンされて前記ヒューズを溶断させる段階とを含んでなる、バッテリーパック保護方法。

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