KR100328888B1

KR100328888B1 - 충방전 제어회로

Info

Publication number: KR100328888B1
Application number: KR1019980004417A
Authority: KR
Inventors: 히로시 무카이나카노
Original assignee: 핫토리 쥰이치; 세이코 인스트루먼트 가부시키가이샤
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 2002-05-09
Also published as: CN1198033A; HK1016356A1; JP3190587B2; KR19980071349A; US6111388A; TW425748B; JPH10229637A; CN1104073C

Abstract

본 발명은 고전압으로부터 2차 전지를 확실히 보호할 수 있도록 된 충방전 제어회로에 관한 것으로, 상기 충방전 제어회로(102)는 스위치회로(103)를 온/오프 제어함으로써 외부 전원단자(+VO, -VO)에 스위치회로(103)를 통해 직렬로 접속된 2차 전지(101)의 충방전 제어를 수행한다. 상기 충방전 제어회로(102)는 과충전 검출회로(119)와, 과충전 검출회로(119)로부터의 출력을 소정시간 지연시켜 출력하는 지연회로(128) 및, 상기 2차 전지(101)가 고전압상태인가의 여부를 검출하는 고전압 검출회로(131)를 포함하여 구성되어, 상기 지연회로(128) 및 상기 고전압 검출회로(131)의 출력중 적어도 하나의 출력에 응답하여 상기 스위치회로(103)를 오프시킴으로써 충전을 정지시키게 된다.

Description

충방전 제어회로{CHARGE AND DISCHARGE CONTROL CIRCUIT}

본 발명은 스위치회로의 온/오프에 의해 2차 전지의 충방전을 제어하도록 된충방전 제어회로에 관한 것이다.

종래의 충방전 제어회로로는 스위치회로를 2차 전지에 직렬로 연결하고 2차 전지의 단자전압의 레벨에 따라 그 스위치회로를 온/오프 제어함으로써 2차 전지의 충방전을 제어하는 회로가 공지되어 있다. 예를 들면, 리튬 이온전지의 충방전을 제어하는 경우, 리튬 이온전지의 단자전압이 소정 레벨 이상인가의 여부는 비교기에 의해 전압을 비교함으로써 검출된다. 상기 단자전압이 소정 레벨 이상인 것으로 검출된 경우에는 스위치회로의 스위치소자를 오프시켜 충전을 정지시키는 구성이 일반적으로 채용되고 있다. 이 결과, 과도적인 전지전압의 변화에 응답하지 않게 되고, 과충전상태를 확실히 검출하여 2차 전지가 과충전상태로 되지 않도록 2차 전지의 충전이 제어된다.

그러나, 상기한 구성에 의하면, 어떠한 이유에 의해 과충전 검출전압 보다 높은 전압이 2차 전지로 인가되는 경우에도, 지연회로가 동작하기 때문에 소정의 지연시간이 경과하기 까지 상기 지연회로에는 고전압이 인가된 상태로 된다. 이는 2차 전지에 치명적인 상태로 되어 전지 수명을 단축시키는 원인이었다. 상기 지연회로에는 지연시간을 설정하기 위한 캐패시터가 설치되어 있지만, 캐패시터 용량의 초과(용량의 잘못설정)나 핀 단락(short)이 발생하는 경우에는 과충전 검출회로가 정상적으로 동작하지 않게 되어 과충전상태로 된다. 외부로부터 고전압이 인가되지 않는 경우에도 2차 전지의 손상을 초래한다.

따라서, 본 발명의 목적은 각종의 이유에 의해 2차 전지로 고전압이 인가되는 것을 방지할 수 있는 충방전 제어회로를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 충방전 제어회로는 스위치회로를 온/오프 제어함으로써 외부 전원단자에 스위치회로를 통해 직렬로 접속된 2차 전지의 충방전을 제어한다. 또한, 충방전 제어회로는 상기 2차 전지가 과충전상태인가의 여부를 검출하는 과충전 검출회로와, 상기 과충전 검출회로로부터의 출력을 소정시간 지연시켜 출력시키는 지연회로 및, 상기 과충전 검출회로에 의해 검출된 과충전 검출전압 보다 높은 소정 레벨의 고전압이 상기 2차 전지에 인가되고 있는 고전압 인가상태인가의 여부를 검출하기 위한 고전압 검출회로로 구성되어, 상기 지연회로와 상기 고전압 검출회로에 응답하여 과충전상태 또는 고전압인가상태중 적어도 하나의 상태가 검출된 경우 상기 스위치회로를 오프시켜 충전을 정지시킨다.

상기한 구성에 의하면, 2차 전지로 어떠한 이유에 의해 과충전 검출전압 보다 높은 소정 레벨의 고전압이 급격히 인가된 경우, 고전압 검출회로가 이를 검출하여 시간지연 없이 즉시 스위치회로를 오프시키기 때문에, 과충전 검출회로의 출력이 지연회로를 통해 얻어지는 것을 기다리지 않게 되어 2차 전지에 고전압이 인가되는 것을 확실히 방지할 수 있다. 또한, 상기 2차 전지의 단자전압이 상승하여 상기 소정 레벨의 고전압을 초과하는 경우에도 스위치회로를 충전 정지상태로 하여 2차 전지에 고전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 충방전 제어회로의 일실시예를 나타낸 회로도,

도 2는 본 발명에 따른 충방전 제어회로를 2셀용 회로에 적용한 경우의 일실시예를 나타낸 회로도,

도 3은 도 2에 도시된 충방전 제어회로의 구성을 나타낸 요부 회로도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101,101': 2차 전지 102,200: 충방전 제어회로

103: 스위치회로 109: 부하

112,113,122,123: FET 114,116: 기준전압회로

117: 과전류 검출비교기 118: 과방전 검출비교기

119: 과충전 검출비교기 120,121,220,221: 전압분할회로

124,126: 출력제어 논리회로 128,129,130: 지연회로

131: 고전압 검출비교기 132: NOR 회로

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 충방전 제어회로의 회로블록도이다. 2차 전지(101)의 음극은 스위치회로(103)를 통해 외부 전원단자(-VO)에 접속되어 있다. 상기 스위치회로(103)는 2개의 N-채널 FET로 구성되고, 도면에 나타낸 실시예에서는 과방전제어 및 과전류제어를 위한 FET(112)가 2차 전지(101)측에 설치되어 있고, 과충전제어를 위한 FET(113)가 외부 전원단자(-VO)에 설치되어 있다. 상기 2차 전지(101)의 전압은 후술하는 바와 같이 충방전 제어회로(102)에서 검출되고, 이 검출결과에 따라 상기 FET(112, 113)가 온/오프 제어된다. 상기 충방전 제어회로(102)는 과충전 검출비교기(119)와, 과방전 검출비교기(118), 상기 과충전 검출비교기(119)와 과방전 검출비교기(118)의 각 마이너스 입력단자에 소정의 기준전압(Vr)을 공급하기 위한 기준전압회로(116), 상기 2차 전지(101)의 단자전압을 분압하기 위한 저항(R1∼R5)으로 이루어진 전압분할회로(120), 상기 2차 전지(101)의 단자전압을 분압하기 위한 저항(R6∼R8)으로 이루어진 다른 전압분할회로(121) 및, 출력제어 논리회로(124)를 포함하여 구성된다.

상기 출력제어 논리회로(124)의 2개의 출력은 단자(125A, 125B)에 각각 접속되어 있고, 신호선(107A, 107B)에 의해 스위치회로(103)의 FET(112, 113)의 각 게이트에 접속되어 있다. 상기 출력제어 논리회로(124)로부터는 스위치회로(103)의 FET(112, 113)로 온/오프 제어신호가 송출된다. 상기 2차 전지(101)를 충전시키기 위한 충전기(108)와 2차 전지(101)에 의해 구동되는 부하(109)는 외부 전원단자(+VO, -VO)간에 접속된다.

상기 과충전 검출비교기(119)는 전압분할회로(120)의 저항(R1, R2)의 합성저항의 양단에서 발생하는 2차 전지(101)의 단자전압을 나타내는 분압출력을 기준전압회로(116)의 기준전압(Vr)과 비교하여 과충전상태를 검출하는 기능을 갖는다.

상기 과충전 검출비교기(119)에 있어서, 그 플러스 입력단자로 입력되고 있는 상기 분압출력전압의 레벨이 기준전압(Vr) 보다 큰 경우, 상기 비교기(119)의 출력은 하이레벨로 된다. 지연회로(128)는 과충전 검출비교기(119)의 출력측에 설치되어 있다. 상기 지연회로(128)는 외부에 설치되어 있는 캐패시터(C)에 접속되어 있고, 상기 캐패시터(C)의 단자전압이 기 설정된 값으로 되면 지연회로(128)의 출력은 하이레벨로 된다. 이 때문에, 과충전 검출비교기(119)의 출력이 로우레벨로부터 하이레벨로 되는 경우, 소정의 시간지연을 갖고서 지연회로(128)의 출력은 로우레벨로부터 하이레벨로 된다. 상기 지연회로(128)의 출력이 NOR 회로(132)를 통해 출력제어 논리회로(124)로 입력되도록 구성되어 있고, 상기 출력제어 논리회로(124)는 지연회로(128)의 출력이 로우레벨로부터 하이레벨로 되는 것에 응답하여 FET(113)를 오프시킨다.

참조번호 122로 표시된 FET는 지연회로(128)의 출력이 하이레벨로 된 때에 온상태로 되어 저항(R3)을 단락시켜서 과충전 검출비교기(119)의 플러스 입력단자의 레벨을 하이레벨로 만들므로써 과충전 검출비교기(119)의 동작이 이력현상(hysteresis)을 갖도록 하는 기능을 한다. 상기 FET(122)의 온/오프는 지연회로(128)의 출력에 응답하여 제어된다.

이와 같이, 과충전 검출비교기(119)는 2차 전지(101)의 단자전압이 과충전 검출레벨 이상으로 된 경우에 FET(113)를 오프시켜 2차 전지(101)로 고전압이 인가되는 것을 방지하는 구성을 갖는다. 상기 지연회로(128)가 그 출력측에 설치되어 있기 때문에, 과도적인 고전압 인가에 대해서는 그 때마다 충전을 정지시키지 않고 과충전상태가 소정시간 계속된 경우에만 FET(113)를 오프시켜 2차 전지(101)로의 고전압 인가를 정지시킬 수 있다.

그러나, 2차 전지(101)의 손상을 초래할 우려가 있는 고전압이 2차 전지(101)에 급격히 인가된 경우, 지연회로(128)의 동작에 의해 FET(113)가 오프상태로 될때까지 고전압이 2차 전지(101)로 인가된다. 따라서, 2차 전지(101)로의 고전압의 인가가 즉각적으로 정지되지 않으므로 2차 전지(101)가 파손되어 그 수명이 단축되게 된다.

이러한 결함을 방지하기 위해, 본 발명에는 저항(R1)의 양단의 전압과 기준전압(Vr)을 비교하여 2차 전지(101)에 대해 손상을 야기하는 소정 레벨 이상의 고전압이 2차 전지(101)에 인가되고 있는가의 여부를 판단하는 고전압 검출비교기(131)가 설치되어 있다. 상기 기준전압(Vr)이 고전압 검출비교기(131)의 마이너스 입력단자에 인가되고, 저항(R1)의 양단 전압이 플러스 입력단자에 인가된다. 따라서, 저항(R1)의 양단간의 전압이 기준전압(Vr) 보다 큰 경우, 고전압 검출비교기(131)의 출력은 하이레벨로 된다. 상기 고전압 검출비교기(131)의 출력과 지연회로(128)의 출력이 NOR 회로(132)로 입력되고, NOR 회로(132)의 출력은 2개의 입력중 적어도 하나가 하이레벨로 되는 것에 응답하여 하이레벨로 된다. 상기 NOR 회로(132)의 출력이 출력제어 논리회로(124)로 입력되고, NOR 회로(132)의 출력이 하이레벨로 되는 경우 상기 출력제어 논리회로(124)에 의해 FET(113)가 오프된다.

이와 같이, 상기 과충전 검출비교기(119)와 지연회로(128)의 협력에 의해 2차 전지(101)가 과충전상태로 된 것으로 판별된 경우에는 상기 FET(113)가 오프된다. 과충전 검출레벨 보다 높은 소정 레벨의 전압이 2차 전지(101)로 인가된 것으로 판단된 경우에는, FET(113)가 즉각적으로 오프되어 고전압으로부터 2차 전지(101)를 효과적으로 보호할 수 있다. 상기 과충전 검출비교기(119) 또는 지연회로(128)에 고장이 발생하여 과충전 보호동작을 기대할 수 없는 경우에도, 2차 전지(101)가 고전압 검출비교기(131)의 고전압 검출기능에 의해 2차 전지(101)를 과충전으로부터 보호할 수 있다. 즉, 고전압 검출비교기(131)는 과충전 검출비교기(119)와 지연회로(128)에 의한 과충전 검출의 백업수단으로서의 기능을 기대할 수 있다.

상기 과방전 검출비교기(118)는 기준전압회로(116)의 기준전압(Vr)과 전압분할회로(121)의 저항(R6)의 양단에서 발생하는 2차 전지(101)의 단자전압을 나타내는 분압 출력전압을 비교하여 과방전상태를 검출하는 기능을 갖는다.

상기 과방전 검출비교기(118)의 플러스 입력단자로 입력되고 있는 상기 분압 출력전압의 레벨이 기준전압(Vr) 보다 큰 경우에는 상기 과방전 검출비교기(118)의 출력이 하이레벨 상태로 된다. 지연회로(129)는 과방전 검출비교기(118)의 출력측에 설치되어 있고, 과방전 검출비교기(118)의 출력이 로우레벨로부터 하이레벨로 변화된 경우에는 소정의 시간지연을 갖고서 지연회로(129)의 출력이 로우레벨로부터 하이레벨로 변화된다. 상기 지연회로(129)의 출력이 로우레벨로부터 하이레벨로 변화하는 것에 응답하여 출력제어 논리회로(124)는 FET(112)를 오프시켜 2차 전지(101)의 방전동작을 정지시킨다. 상기 과방전 검출비교기(118)의 출력이 하이레벨로 되는 경우 FET(112)를 오프시키기 위한 구체적인 회로구성은 공지되어 있기 때문에 도 1에 있어서는 이를 상세히 나타내는 것을 생략한다. 참조번호 123에 의해 표시한 FET는 지연회로(129)의 출력이 하이레벨로 된 때에 온상태로 되어 저항(R7)을 단락시켜서 과방전 검출비교기(118)의 플러스 입력단자의 레벨을 하이레벨로 만들므로써 과방전 검출비교기(118)의 동작이 이력현상을 갖도록 하는 기능을 한다.

참조번호 117에 의해 표시한 과전류 검출비교기는 단자(115)를 통해 얻은 외부 전원단자의 전압(-Vo)에 응답하여 과전류가 부하로 흐르는지의 여부를 검출한다. 상기 과전류 검출비교기(117)의 플러스 입력단자는 충방전 제어회로(102)의 단자(115)에 접속되어 있고, 그 마이너스 단자에는 기준전압회로(114)가 접속되어 있으며, 기준전압회로(114)는 소정의 일정 기준전압(Vs)을 과전류 검출비교기(117)의 마이너스 단자에 공급한다.

상기 과전류 검출비교기(117)에 의한 과전류 검출동작은 다음과 같이 동작한다. 상기 2차 전지(101)로부터 부하(109)로 흐르는 전류가 커지게 되어 과전류상태로 된 경우, 스위치회로(103)에서 발생하는 전압강하가 커지게 되어 과전류 검출비교기(117)의 플러스 입력단자로 인가되는 전압레벨이 그 마이너스 단자로 인가되는 기준전압(Vs) 보다도 커지게 됨으로써 과전류 검출비교기(117)의 출력이 하이레벨 상태로 된다. 상기 과전류 검출비교기(117)의 출력이 출력제어 논리회로(126)로 입력되고, 여기서 지연회로(128)로부터의 출력과 과전류 검출비교기(117)의 출력간에서 소정의 논리처리가 수행되며, 소정의 조건하에서 출력제어 논리회로(126)로부터의 하이레벨 신호가 지연회로(130)로 출력된다. 이 때문에, 지연회로(130)의 출력이 소정 시간후 하이레벨 상태로 되고, 출력제어 논리회로(124)에 의해 FET(112)가 오프상태로 된다. 이 결과, 2차 전지(101)로부터 부하(109)로 전류가 흐르는 것이 정지되어 과전류상태가 해소된다.

더욱이, 도 1에 나타낸 실시예에서는 전압분할회로(120, 121)와 FET(122, 123, 127)간을 조합시킨 회로를 이용하여 과충전 검출비교기(119)와 과방전 검출비교기(118) 및 과전류 검출비교기(119)의 동작이 이력현상을 갖도록 하지만, 본 발명의 구성은 본 실시예에 한정되지 않고, 다른 공지의 회로구성에 의해 이력현상 동작을 실현하도록 하는 것도 물론 가능하다.

도 1에 나타낸 실시예에 있어서는 1개의 2차 전지(101)만을 충방전 제어하는 구성의 예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명은 1개의 2차 전지만을 충방전 제어하는 경우에만 한정되지 않고, 복수의 2차 전지를 제어하는 충방전도 마찬가지로 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예는 도 2에 나타낸 2셀용 충방전 제어회로에 대해서도 적용된다. 도 2에 도시된 충방전 제어회로는 도 1에 도시된 경우와 동일한 2차 전지(101)를 부가하여 다른 1개의 2차 전지(101')의 충방전 제어도 수행하는 회로이다. 상기 충방전 제어회로에 있어서, 2차 전지(101, 101'), 저항(206, 208, 210) 및 캐패시터(207, 209, 211)는 도 2에 나타낸 바와 같이 충방전 제어회로(200)의 단자(201∼205)에 접속되어 있다. 도 2의 각 부분에 있어서, 도 1과 대응되는 부분에는 동일한 참조부호를 붙이고, 그에 대한 설명은 생략한다.

도 3에는 충방전 제어회로(200)의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 상기 충방전 제어회로(200)는 2차 전지(101)의 전압을 분압하는 전압분할회로(220)와 2차 전지(101')의 전압을 분압하는 전압분할회로(221)를 갖추고 있다. 상기 전압분할회로(220)의 출력에 의해, 2차 전지(101)의 충방전 및 과전류제어를 위한 비교회로(230)가 동작한다. 상기 전압분할회로(221)의 출력에 의해, 2차 전지(101')의 충방전 및 과전류제어를 위한 비교회로(240)가 동작한다. 상기 비교회로(230)의 과전류 검출비교기(231)의 출력과 비교회로(240)의 과충전 검출비교기(241)의 출력이 과전류 검출회로(250)에 인가된다. 상기 과충전 검출비교기(231) 또는 과충전 검출비교기(241)의 출력중 어느 한쪽에서 과충전이 검출된 경우, 과전류 검출회로(250)에서의 과전류검출을 위한 임계치 레벨을 하이레벨로 한다. 이 때문에, 관통전류가 저항을 통해 흐르는 경우에도 과전류 검출회로(250)의 오작동을 유효하게 방지할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 과충전상태가 검출된 경우에 소정의 시간지연을 갖고서 2차 전지로의 충전을 정지시키도록 구성된 충방전 제어회로에 있어서 2차 전지를 손상시킬 우려가 있는 고전압이 2차 전지로 인가된 경우, 이를 확실히 검출하여 시간지연 없이 2차 전지로의 전류유입을 정지시킬 수 있다. 따라서, 2차 전지가 고전압으로부터 보호되게 되다. 과충전제어를 위한 지연회로의 캐패시터에 용량 초과(용량의 잘못설정) 등이 발생하여도 이를 백업할 수 있기 때문에 2차 전지의 보호를 종래에 비해 보다 확실히 수행할 수 있다.

Claims

외부단자에 스위치회로를 통해 직렬로 접속된 2차 전지의 충방전 제어를 상기 스위치회로를 온/오프 제어하여 수행도록 된 충방전 제어회로에 있어서,

상기 2차 전지가 과충전상태인가의 여부를 검출하는 과충전 검출회로와,

상기 과충전 검출회로로부터의 출력을 소정시간 지연시켜 출력하는 지연회로 및,

상기 과충전 검출회로에 의해 검출된 과충전 검출전압 보다 높은 소정 레벨의 고전압이 상기 2차 전지에 인가되고 있는 고전압인가상태인가의 여부를 검출하기 위한 고전압 검출회로를 포함하여 구성되어,

상기 지연회로와 상기 고전압 검출회로에 응답하여 과충전상태 또는 고전압 인가상태중 적어도 하나의 상태가 검출된 경우, 상기 스위치회로를 오프시켜 충전을 정지시키도록 된 것을 특징으로 하는 충방전 제어회로.