KR100485754B1 - 2차전지의보호장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리튬(Lithium)이온전지등의 고에너지 밀도전지의 보호장치를 제공하는 것으로, 전지전압의 감시수단, 전지전압의 감시수단에 의한 검출전압이 설정치보다도 높은 경우에 충전정지신호를 출력하는 과충전검출수단, 충전정지신호에 의하여 충전을 정지하는 충전정지수단, 충전정지신호 출력횟수의 계수수단, 계수치가 설정치에 도달했을 때에 전지의 통전을 차단하는 차단수단을 가지고, 소정 횟수이상의 과충전을 금지하는 2차전지의 보호장치이다.

Description

2차전지의 보호장치

본 발명은 2차전지의 보호장치에 관한 것으로서, 특히 이상한 전압으로 충전된 2차전지를 보호하는 2차전지의 보호장치에 관한 것이다.

리튬이온을 도프(Dope) 또는 탈도프(脫dope)하는 탄소질재료를 사용한 리튬이온전지는 고전압이면서 가볍고 고에너지 밀도를 가져 휴대전화등의 이동체 통신기, 휴대형 퍼스널 컴퓨터, 캠코더를 비롯한 각종 휴대기기의 전원용 2차전지로서 기대되고 있다.

2차전지는 충전에 의하여 반복사용이 가능한 것이지만 충전 시에는 전지특성의 열화나 전지의 파괴를 초래할 우려가 있는 과충전 상태가 되지 않고 더욱이 만충전이 되도록 단시간에 충전을 행하는 것이 요구되고 있다.

리튬이온전지에서는 단시간에 충전을 행하는 방법으로서 충전 초기에는 정전류에 의하여 충전하고 충전전압이 소정의 설정 전압에 도달한 시점에서 충전을 정전압에서 행함에 따라 안전하게 만충전을 행하는 충전방법이 제안되어 있다.

그러나, 충전전압, 충전전류를 제어하여 충전을 한 경우에도 몇몇의 이상에 의하여 전지에 인가된 전압이 상승하면 과충전상태가 될 가능성이 있다. 일반적으로 리튬이온전지는 한 개만으로 사용하는 경우는 드물고 소정의 전압 혹은 전류를 얻기 위해서 전지사용기기의 전지실에 여러 개의 전지를 넣기도 하고, 또한 여러 개의 전지를 배치한 전지팩이 전지사용기기에 착탈가능하도록 장치되었기 때문에 한 개의 전지에만 이상이 발생한 경우에 있어서도 다른 전지에 영향을 미치게 하여 중대한 결과를 초래할 가능성도 부정할 수 없다. 따라서 과충전에 대한 보호, 충전 또는 전지를 사용할 때 과전류에 대한 보호를 비롯하여 전지의 방전종지전압이하에서의 방전에 의한 전지의 특성이 열화됨을 방지하기 위해 각종 보호장치가 제안되어 있고 이들 보호장치는 전지팩 안에 또는 전지 가까이에 설치되어 있다.

전지의 충전 시에는 충전기를 전지에 접속하여 전류를 공급하지만 충전기의 불량, 혹은 전압이 적정치 않은 충전기의 접속 등에 의하여 전지에 높은 전압이 공급되어 전지가 과충전 상태로 되는 경우가 발생한다. 과충전 상태는 전지보호장치의 전압감시수단에 의하여 설정전압보다도 높은 전압을 검출해서 충전전류를 차단하는 등의 조치가 취해지나 충전기에 문제가 있으면 보호장치의 설정전압까지의 전압에 따라 반복하여 과충전이 행해지게 된다.

리튬 이온전지가 과충전을 반복하면 리튬이온을 도프 또는 탈도프하는 탄소질재료의 부극표면에 금속리튬의 나뭇가지 모양의 결정이 성장하고 폴리에틸렌, 폴리프로필렌등의 분리기를 뚫어 급격한 반응이 일어나 전지 내부의 압력이 상승하며, 내부압력이 한계를 넘으면 압력 개방밸브가 작동하여 전해액이 누액되기도 하고 심한 경우에는 전지의 파열 혹은 발화등이 일어날 위험이 있다.

본 발명은 부극활(負極活)물질로서 리튬이온을 도프 또는 탈도프하는 탄소질재료를 이용한 리튬이온전지등의 고에너지밀도의 2차전지용 보호장치에 관한 것이며 특히, 과충전 상태로 반복하여 충전한 경우에는 전지의 사용을 불가능하게 함으로써 전지의 안전성을 해치지 않도록 하는 보호장치의 제공을 과제로 하는 것이다.

본 발명은 비수계 전해질을 이용한 2차전지의 보호장치에 있어서, 전지전압의 감시수단, 전지전압의 감시수단에 의한 검출전압이 설정치보다도 높은 경우에 충전정지신호를 출력하는 과충전검출수단, 충전정지신호에 의하여 충전을 정지하는 충전정지수단, 충전정지신호 출력횟수의 계수수단, 계수치가 설정치에 이르렀을 때 전지의 통전을 차단하는 차단수단을 갖는 2차전지의 보호장치이다.

또한, 비수계 전해질을 이용한 2차전지의 보호장치에 있어서 전지전압의 감시수단, 전지전압의 감시수단에 의한 검출전압이 설정치보다도 높은 경우에 충전정지신호를 출력하는 과충전검출수단, 충전정지신호에 의하여 충전을 정지하는 충전정지수단, 충전정지신호 출력횟수의 계수수단, 계수치가 설정치에 도달했을 때에 전지의 통전을 차단하는 차단수단을 설치함과 더불어 충전중인 전지 각각의 전압을 검출하는 전압검출수단, 검출한 전압이 사전에 설정한 전압 이상인 경우에 통전하는 발열저항, 발열저항과 열적으로 결합한 온도퓨즈를 충전전류의 통전회로에 설치하여 전지 전압이 설정치보다도 높은 상태가 사전에 설정된 시간 이상 계속된 경우에 온도퓨즈의 용단(溶斷)에 의하여 전지로의 충전회로를, 전지로부터 전류의 출력을 차단하고 전지를 사용 불가능하게 함과 동시에 방전상태로 하는 2차전지의 보호장치이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 도 1은 본 발명의 보호장치를 설명하는 도면이다.

도 1은 세 개의 리튬전지로 구성된 전지군(1)이고, 단자 (10),(11)를 통하여 전력을 부하에 공급하고 혹은 충전전력에 의하여 충전된다. 전압감시수단을 구성하는 전압감시회로(2)는 전지 각각의 전지전압을 감시하고 있다. 방전시에 있어서 부하에 전력을 계속해서 공급하면 전지전압은 저하된다. (4)는 과방전검출기이고, 전압감시회로(2)에서 얻은 전지전압이 설정된 과방전 전압이 되면, 과방전검출기(4)의 출력을 반전시켜 스위치드라이브회로(5)를 통해서 방전스위치(7)를 오프하여 방전을 정지시킨다. (13)은 과전류보호회로이고 부하에 과대한 전류가 흐르면 방전스위치(7), 충전스위치(8)의 온저항에 의하여 스위치의 양단에 전압강하를 발생, 그 전압강하가 과전류보호회로로 설정된 전압에 이르면 스위치드라이버회로(5)를 통해서 방전스위치(7)를 오프하여 방전을 정지한다.

(3)은 과충전검출수단이고, 전압감시회로(2)에서 얻어진 전지전압이 설정된 전압에 다다르면 과충전검출수단의 출력은 반전하고, 충전정지수단을 구성하는 스위치드라이버회로(5)를 통해서 충전스위치(8)를 오프하여 충전을 정지시킨다. (6)은 계수수단이고, 과충전검출기(3)의 출력반전횟수를 계수하고 계수치가 설정된 횟수에 도달하면 차단수단을 구성하는 스위치드라이브회로(5), 충전스위치(8), 방전스위치(7)를 오프하여 충전, 방전을 정지시켜 전지의 사용을 금지한다. 계수수단(6)은 전지군(1)을 재 접속함에 따라 리셋되어 재사용이 가능하다. (12)는 방전회로이고, 전지가 과충전상태로 방치된 때는 방전하여 전지를 안전한 전압으로 저하시킨다.

(9)의 점선으로 나타낸 부분은 집적회로에 1칩으로서 포함되는 기능이며, 이렇게 하면 비교적 싼 가격에 공급할 수 있다. 상술한 바와 같이 본 발명에서는 계수수단에 의하여 설정된 횟수로 밖에 과충전은 허락되지 않고 극히 안전한 사용상태를 기대할 수 있으며, 자원의 유효한 이용을 도모할 수 있다.

또한, 충전스위치(8)는 MOSFET(산화막 반도체 전계효과트랜지스터)를 대신하여 온도퓨즈 절단소자와 같은 소자를 사용할 수 있고, 카운터의 출력으로 온도퓨즈를 절단해서 전지의 사용을 영구히 금지할 수도 있다. 예컨대 도 2에서 보는 바와 같이 발열수단을 구성하는 트랜지스터(14)를 도통상태로 하여 발열저항(15)에 통전한다. 발열저항(15)은 충전전류의 통전회로에 설치된 온도퓨즈(16)와 열적으로 결합되어 있다. 발열저항 및 온도퓨즈는 소정의 시간에서 온도퓨즈가 용단하는 열 용량을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하고 10~30초에 온도퓨즈가 용단하도록 설정할 수 있다. 온도퓨즈는 전지의 가까이에 설치함과 동시에 전지를 구성하는 분리기의 최고 사용가능 온도 이하에 있어서 용단하는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써 과충전 이외의 원인에 의하여 전지온도가 상승한 경우에도 온도퓨즈가 용단하고 이상발열에 의한 전지의 사고를 미연에 방지할 수 있다.

리튬이온전지의 분리기로는 일반적으로 미공을 갖고 있는 폴리에틸렌 혹은 폴리프로필렌등의 분리기가 사용되고 있고, 고온으로 되면 연화(軟化)되어 분리기의 기능을 다하지 못하게 될 뿐만 아니라 정극활(正極活)물질과 부극활(負極活)물질과의 반응이 일어나고, 내부압력의 증대, 발화 등의 우려도 발생한다. 일반적으로 사용되고 있는 폴리에틸렌제의 분리기는 110℃ 정도의 온도가 사용한도이기 때문에 110℃ 이하의 온도에서 용단하는 온도퓨즈가 이용된다.

충전중에 과충전 상태로 되어 온도퓨즈가 용단된 경우에는 충전전류의 공급이 정지되어도 활(活)물질이 방전 가능한 상태로 된다. 그 양은 충전상태에 의하여 다르기는 하지만, 과충전에 의하여 이상이 발생한 전지가 방전 가능한 상태에 있으면 리튬이온전지와 같은 고에너지밀도의 전지인 경우에는 대량의 에너지가 활물질로서 축적되어지고 그대로 방치하면 발화, 내부압력의 상승 등의 위험이 발생할 가능성이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 2차전지용 보호장치에는 과충전 상태 검출수단의 작동에 의하여 온도퓨즈가 용단된 경우, 또는 전지의 내부발열, 또는 주위 온도의 상승에 의하여 온도퓨즈가 용단된 경우 등의 어떤 경우에도 온도퓨즈 용단검출수단에 의하여 스위칭트랜지스터와 방전용 저항 등에 의하여 구성되는 방전수단에 의하여 전지에 축적된 에너지를 방전하고 전지를 안전한 상태로 할 수 있다.

또한 본 발명의 보호회로에는 과충전 횟수의 계수치를 전지사용기기에 설치한 표시부에 표시하여 과충전의 상태를 알리기도 하고, 퍼스널 컴퓨터 등과 같이 표시수단을 갖는 기기의 경우에는 표시부에 과충전 상태를 표시해도 된다. 또, 신호를 송신하기 위해 전용의 신호선을 설치하여 전지로부터 전류를 출력하는 단자(10),(11)의 회로에 중첩해도 된다.

본 발명은 과충전 상태가 된 횟수를 계수함에 따라 미리 설정된 횟수 이상의 과충전 상태가 되는 일은 없고 극히 안전하게 전지를 사용하는 것이 가능하게 된다.

본 발명은 리튬이온을 도프 또는 탈도프하는 탄소질재료를 부극으로한 리튬이온전지와 같은 고에너지밀도인 2차전지의 보호장치에 있어서, 전지가 과충전 상태로 된 경우에는, 충전을 정지함과 동시에 그 횟수를 계수하고, 계수한 횟수가 소정의 횟수를 넘는 경우에는 전지의 사용을 불가능하게 함으로써 과충전이 거듭된 전지의 사용으로 말미암아 발생할 가능성이 있는 문제를 미연에 방지하는 것이다.

도 1은 본 발명 2차전지의 보호장치를 설명하는 도면,

도 2는 온도퓨즈의 부분을 설명하는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전지군 2 : 전압감시회로

3 : 과충전검출수단(과충전검출기) 4 : 과충전검출기

5 : 스위치드라이버회로 6 : 계수수단

7 : 방전스위치 8 : 충전스위치

9 : 1칩집적회로 10,11 : 단자

12 : 방전회로 13 : 과전류보호회로

14 : 트랜지스터 15 : 발열저항

16 : 온도퓨즈

Claims (2)

1. 비수계(非水系) 전해질을 이용한 2차전지의 보호장치에 있어서, 전지전압의 감시수단, 전지전압의 감시수단에 의한 검출전압이 설정치보다도 높은 경우에 충전정지신호를 출력하는 과충전검출수단, 충전정지신호에 의하여 충전을 정지하는 충전정지수단, 충전정지신호 출력횟수의 계수수단, 계수치가 설정치에 이르렀을 때 전지의 통전을 차단하는 차단수단을 갖는 것을 특징으로 하는 2차전지의 보호장치.
2. 제1항에 있어서,

   통전을 차단하는 차단수단이 발열저항에 열적으로 결합한 온도퓨즈로 이루어지고, 계수치가 설정치에 도달한 때에는, 온도퓨즈가 차단되고 출력회로가 차단되는 것을 특징으로 하는 2차전지의 보호장치.

Images