KR102614725B1 - 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

배터리 보호 회로는, 배터리 모듈과 외부 기기를 연결하는 복수의 팩 단자, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 제어 단자로 인가되는 전압에 따라 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 제1퓨즈 소자, 제1입력 단자를 포함하며, 상기 제1입력 단자로 인가되는 전압에 따라서 상기 제1퓨즈 소자의 제어 단자로 출력되는 전압을 제어하는 제1집적 회로, 및 상기 배터리 모듈의 양극과 상기 제1집적 회로의 제1입력 단자 사이에 직렬로 연결되며, 상기 배터리 모듈을 구성하는 복수의 셀 중 대응하는 셀의 온도에 따라 저항값이 가변되는 복수의 서미스터를 포함할 수 있다.

Description

배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩{BATTERY PROTECTION CIRCUIT AND BATTERY PACK INCLUDING SAME}
본 발명의 실시 예는 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
2차 전지(secondary cell)는 충전과 방전을 교대로 반복할 수 있는 전지를 말한다. 2차 전지는 화학적(chemical) 에너지를 전기적(electrical) 에너지로 변환시켜 방전할 수 있으며, 역으로 방전된 상태에서 전기 에너지를 충전하면 이를 화학 에너지의 형태로 다시 저장할 수 있다.
2차 전지는 다양한 휴대 전자 기기에 적용되고 있다. 예를 들어, 노트북 컴퓨터에는, 서로 직렬 연결되는 복수의 2차 전지(이하, '셀'이라 명명하여 사용함)가 충방전 회로와 결합하여 구성된 다직렬 구조의 배터리 팩이 탑재된다.
각형 셀이나 폴리머 셀들이 직렬로 연결되어 구성되는 다직렬 구조의 배터리 팩에는 온도 퓨즈(Thermal Cut-Off, TCO)가 탑재되기도 한다. TCO는 주변 온도에 따라 전류를 차단하여 과충전이나 단락(short) 등의 위험으로부터 각 셀의 안전성을 확보하기 위한 소자이다.
TCO는 온도에 의해 동작하는 소자이므로, 셀로부터 온도 전달이 용이하도록 셀과 밀착되어야 한다. 이러한 특징으로 인해 TCO를 배터리 팩에 탑재 하기 위해서는, 테이프(tape), Ni 기판(Ni-plate) 등 추가적인 부자재가 사용되거나, 용접, 셀 밀착, 테이프 공정 등의 추가 공정을 필요로 한다. 또한, TCO의 탑재 불량으로 셀 온도 전달이 제대로 이루어지지 않을 경우, TCO에 의한 보호 동작이 제대로 이루어지지 않는 문제가 발생할 수도 있다.
본 발명의 실시 예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 TCO를 대체하여 배터리 팩을 구성하는 각 셀에 대해 온도를 검출하여 안전성 동작을 지원할 수 있는 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 실시 예에 따른 배터리 보호 회로는, 배터리 모듈과 외부 기기를 연결하는 복수의 팩 단자, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 제어 단자로 인가되는 전압에 따라 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 제1퓨즈 소자, 제1입력 단자를 포함하며, 상기 제1입력 단자로 인가되는 전압에 따라서 상기 제1퓨즈 소자의 제어 단자로 출력되는 전압을 제어하는 제1집적 회로, 및 상기 배터리 모듈의 양극과 상기 제1집적 회로의 제1입력 단자 사이에 직렬로 연결되며, 상기 배터리 모듈을 구성하는 복수의 셀 중 대응하는 셀의 온도에 따라 저항값이 가변되는 복수의 서미스터를 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호 회로에서, 상기 복수의 서미스터는 상기 복수의 셀에 각각 대응되며, 상기 복수의 서미스터 각각은, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀에 인접하게 배치될 수 있다.
상기 배터리 보호 회로에서, 상기 복수의 서미스터는 정온도계수(positive temperature coefficient thermistor) 서미스터일 수 있다.
상기 배터리 보호 회로에서, 상기 복수의 서미스터는 인쇄회로기판에 실장되는 칩 형태일 수 있다.
상기 배터리 보호 회로에서, 상기 제1퓨즈 소자는 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이에 연결될 수 있다.
상기 배터리 보호 회로에서, 상기 제1퓨즈 소자는 상기 복수의 셀 중 인접하는 두 개의 셀 사이에 연결될 수 있다.
상기 배터리 보호 회로에서, 상기 제1집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 양단에 전기적으로 연결되는 복수의 제2입력 단자를 포함하며, 상기 복수의 제2입력 단자로 인가되는 전압에 기초하여 상기 배터리 모듈의 과전압 상태를 검출하고, 상기 과전압 상태 검출 결과에 따라서 상기 제1퓨즈 소자의 제어 단자로 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
상기 배터리 보호 회로는, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 제어 단자로 인가되는 전압에 따라 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 제2퓨즈 소자, 및 상기 복수의 셀 각각의 양단에 전기적으로 연결되는 복수의 입력 단자를 포함하며, 상기 복수의 입력 단자로 인가되는 전압에 기초하여 상기 배터리 모듈의 과전압 상태를 검출하고, 상기 과전압 상태 검출 결과에 따라서 상기 제2퓨즈 소자의 제어 단자로 인가되는 전압을 제어하는 제2집적 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호 회로는, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 충전 전류의 흐름을 제어하는 충전 제어 스위치, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 방전 전류의 흐름을 제어하는 방전 제어 스위치, 및 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압 또는 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이를 흐르는 전류에 기초하여, 상기 충전 제어 스위치 및 상기 방전 제어 스위치의 스위칭을 제어하는 배터리 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호 회로에서, 상기 제1집적 회로와 상기 배터리 제어기는 독립적으로 동작할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은, 복수의 셀을 포함하는 배터리 모듈, 및 배터리 보호 회로를 포함하며, 상기 배터리 보호 회로는, 상기 배터리 모듈과 외부 기기를 연결하는 복수의 팩 단자, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 제어 단자로 인가되는 전압에 따라 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 제1퓨즈 소자, 제1입력 단자를 포함하며, 상기 제1입력 단자로 인가되는 전압에 따라서 상기 제1퓨즈 소자의 제어 단자로 출력되는 전압을 제어하는 제1집적 회로, 및 상기 배터리 모듈의 양극과 상기 제1집적 회로의 제1입력 단자 사이에 직렬로 연결되며, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 온도에 따라 저항값이 가변되는 복수의 서미스터를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 배터리 보호 회로가 탑재되며, 상기 복수의 셀 각각의 양극 또는 음극에 결합하는 복수의 도전성 탭을 포함하는 인쇄회로기판을 더 포함하며, 상기 복수의 서미스터는, 칩 타입으로 상기 인쇄회로기판 상에 실장될 수 있다.
상기 배터리 팩에서, 상기 복수의 서미스터는 상기 복수의 셀에 각각 대응되며, 상기 복수의 서미스터 각각은, 상기 복수의 도전성 탭 중 대응하는 셀에 결합하는 도전성 탭과 인접하게 배치될 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 복수의 셀의 극 단자들, 상기 복수의 도전성 탭, 및 상기 복수의 서미스터 중, 서로 대응하는 극 단자, 도전성 탭 및 서미스터를 함께 커버하도록 위치하는 접착 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩에서, 상기 복수의 서미스터는 정온도계수(positive temperature coefficient thermistor) 서미스터일 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 제어 단자로 인가되는 전압에 따라 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 제2퓨즈 소자, 및 상기 복수의 셀 각각의 양단에 전기적으로 연결되는 복수의 입력 단자를 포함하며, 상기 복수의 입력 단자로 인가되는 전압에 기초하여 상기 배터리 모듈의 과전압 상태를 검출하고, 상기 과전압 상태 검출 결과에 따라서 상기 제2퓨즈 소자의 제어 단자로 인가되는 전압을 제어하는 제2집적 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩에서, 상기 제1집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 양단에 전기적으로 연결되는 복수의 제2입력 단자를 포함하며, 상기 복수의 제2입력 단자로 인가되는 전압에 기초하여 상기 배터리 모듈의 과전압 상태를 검출하고, 상기 과전압 상태 검출 결과에 따라서 상기 제1퓨즈 소자의 제어 단자로 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 충전 전류의 흐름을 제어하는 충전 제어 스위치, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 방전 전류의 흐름을 제어하는 방전 제어 스위치, 및 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압 또는 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이를 흐르는 전류에 기초하여, 상기 충전 제어 스위치 및 상기 방전 제어 스위치의 스위칭을 제어하는 배터리 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 배터리 팩을 구성하는 각 셀의 온도를 개별적으로 검출하여 과충전이나 단락 등의 위험으로부터 각 셀의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, TCO를 탑재하는 경우와 대비하여 탑재 공정이 용이하며, 재료비 및 가공비가 낮아 배터리 팩의 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 보호 회로가 탑재되는 PCB의 일 예를 개략적으로 도시한
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 실시 예들은 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께 및 영역을 과장하여 나타낼 수 있다.
2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 커패시터 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.
이하, 필요한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(10A)은 배터리 모듈 및 배터리 보호 회로(100A)를 포함할 수 있다. 한편, 도 1에 도시된 구성요소들은 필수적인 것은 아니어서, 일 실시 예에 따른 배터리 팩(10A)은 그보다 더 많거나 더 적은 구성요소를 포함하도록 구현될 수 있다.
배터리 모듈은 서로 직렬 연결되는 복수의 셀(Cell)을 포함할 수 있다. 한편, 도 1에서는 배터리 모듈이 3개의 셀을 포함하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니다. 다른 실시 예에 따르면, 배터리 모듈은 3개보다 더 적거나 더 많은 수의 셀들이 직렬 연결되어 구성될 수 있다.
배터리 보호 회로(100A)는 복수의 팩 단자(P+, P-), 충전 제어 스위치(C_FET), 방전 제어 스위치(D_FET), 퓨즈 소자(F1), 복수의 서미스터(thermistor, 111), 배터리 제어기(120), 및 집적 회로(Integrated Circuit, IC)(130)를 포함할 수 있다.
복수의 팩 단자(P+, P-)는 외부 기기(예를 들어, 충전 장치, 부하 등)들과 전기적으로 연결되어, 외부 기기로 배터리 모듈의 전기 에너지를 공급하거나, 외부 기기로부터 전기 에너지를 공급 받을 수 있다. 즉, 팩 단자들(P+, P-)은 부하로 배터리 모듈의 전기 에너지를 공급하거나, 외부의 충전 장치로부터 전기 에너지를 인가 받을 수 있다.
충전 제어 스위치(C_FET)는 배터리 모듈의 충전 경로 상에 직렬로 연결되며, 배터리 모듈의 충전 전류를 차단하거나 공급할 수 있다. 충전 경로는, 배터리 팩(10A)의 팩 단자들(P+, P-)을 통해 연결되는 충전 장치(미도시)와 배터리 모듈 사이의 전류 흐름 경로로서, 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류를 배터리 모듈로 전달하기 위한 경로이다.
방전 제어 스위치(D_FET)는 배터리 모듈의 방전 경로에 직렬로 연결되며, 배터리 모듈의 방전 전류를 차단하거나 공급할 수 있다. 방전 경로는, 배터리 팩(10A)의 팩 단자들(P+, P-)을 통해 연결되는 부하(미도시)와 배터리 모듈 사이의 전류 흐름 경로로서, 배터리 모듈로부터 공급되는 방전 전류를 부하로 전달하기 위한 경로이다.
충전 경로 및 방전 경로는, 배터리 팩(10A) 내 다른 전류 흐름 경로에 비해 경로를 통해 흐르는 전류의 크기가 비교적 크다. 본 문서에서는 방전 경로 및 충전 경로를 '대전류 경로'라 명명하여 사용하기도 한다.
충전 제어 스위치(C_FET) 및 방전 제어 스위치(D_FET)는 각각 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 충전 제어 스위치(C_FET) 및 방전 제어 스위치(D_FET)는 N채널 FET를 포함할 수 있다.
한편, 도 1에서는 충전 제어 스위치(C_FET) 및 방전 제어 스위치(D_FET)가 배터리 모듈의 양극과 배터리 팩(10A)의 양극 팩 단자(P+) 사이에 연결되는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니다. 다른 실시 예에 따르면, 충전 제어 스위치(C_FET) 또는 방전 제어 스위치(D_FET)가 배터리 모듈의 음극과 배터리 팩(10A)의 음극 팩 단자(P-) 사이에 연결될 수도 있다.
퓨즈 소자(F1)는 대전류 경로 즉, 배터리 모듈의 극 단자들 중 어느 하나와 이에 대응하는 팩 단자 사이(예를 들어, 배터리 모듈의 양극과 양극 팩 단자(P+))에 직렬 연결되며, 배터리 모듈과 외부 기기 사이의 전류 흐름을 차단할 수 있다.
퓨즈 소자(F1)는 외부로부터 제어 전압이 인가되는 제어 단자와, 적어도 하나의 퓨즈, 그리고 발열 저항을 포함하는 자가 제어 보호(Self Control Protection, SCP) 소자일 수 있다. 이 경우, 퓨즈 소자(F1)를 구성하는 발열 저항은 퓨즈 소자(F1)의 제어 단자로 인가되는 전압에 따라 발열하며, 퓨즈들은 발열용 저항의 발열로 인해 용단되어 배터리 모듈의 대전류 경로를 차단할 수 있다. 또한, 퓨즈 소자(F1)의 제어 단자는 집적 회로(130)의 출력 단자와 연결되며, 집적 회로(130)의 출력 단자로부터 퓨즈 소자(F1)를 구성하는 발열 저항들의 발열을 제어하기 위한 제어 전압을 입력 받을 수 있다.
복수의 서미스터(111)는 배터리 모듈의 양극과 집적 회로(130)의 입력 단자 사이에 직렬 연결될 수 있다. 복수의 서미스터(111)는 배터리 모듈을 구성하는 각 셀에 일대 일로 대응되도록 배치되며, 각각 대응하는 셀에 열적으로 결합할 수 있다.
서미스터(111)는 온도에 따라서 저항값이 가변되는 소자이다. 따라서, 각각의 셀에 대해 열적으로 결합한 서미스터(111)들은 대응하는 셀의 온도에 따라서 저항값이 가변된다. 이로 인해 서미스터(111)들에 의해 전압이 강하된 후 집적 회로(130)의 입력 단자로 입력되는 전압(이하, '온도 센싱 전압'이라 명명하여 사용함)은 배터리 모듈의 셀 온도에 따라서 가변될 수 있다.
서미스터(111)는 온도가 올라가면 저항값이 올라가는 정온도계수(positive temperature coefficient thermistor, PTC) 서미스터일 수 있다. 이 경우, 각 셀의 온도가 높아질수록 대응하는 서미스터의 저항값이 증가하여 집적 회로(130)의 입력 단자로 인가되는 온도 센싱 전압이 낮아지게 된다.
서미스터(111)는 온도가 오르면 저항값이 떨어지는 부온도계수(negative temperature coefficient thermistor, NTC) 서미스터일 수도 있다. 이 경우, 각 셀의 온도가 높아질수록 대응하는 서미스터의 저항값이 감소하여 집적 회로(130)의 입력 단자로 인가되는 온도 센싱 전압이 높아지게 된다.
배터리 제어기(120)는 배터리 보호 회로(100A)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
배터리 제어기(120)는 배터리 모듈을 구성하는 각 셀의 양단, 또는 배터리 모듈의 양단에 전기적으로 연결되며, 배터리 모듈을 구성하는 각 셀 또는 배터리 모듈의 전압을 검출할 수 있다.
배터리 제어기(120)는 대전류 경로를 흐르는 전류 크기를 측정할 수도 있다.
배터리 제어기(120)는 각 셀의 셀 전압, 배터리 모듈의 모듈 전압, 대전류 경로를 흐르는 전류 크기 등을 토대로, 충전 제어 스위치(C_FET), 또는 방전 제어 스위치(D_FET)의 온/오프를 제어할 수 있다. 예를 들어, 배터리 제어기(120)는 각 셀의 셀 전압을 과전압을 판단하기 위한 기준 전압과 비교하여 배터리 모듈의 과전압 상태를 검출하고, 배터리 모듈이 과전압 상태이면 충전 제어 스위치(C_FET)를 턴 오프 시키거나, 충전 제어 스위치(C_FET) 및 방전 제어 스위치(D_FET)를 턴 오프 시킬 수 있다. 또한, 예를 들어, 배터리 제어기(120)는 대전류 경로를 흐르는 전류 크기를 토대로 배터리 모듈의 과전류(과충전 전류, 과방전 전류) 상태를 검출하고, 배터리 모듈이 과전류 상태이면 충전 제어 스위치(C_FET)를 턴 오프 시키거나, 충전 제어 스위치(C_FET) 및 방전 제어 스위치(D_FET)를 턴 오프 시킬 수 있다.
배터리 제어기(120)의 각 기능은, 하나 이상의 중앙 처리 유닛(central processing unit, CPU)이나 기타 칩셋, 마이크로컨트롤러(Micro Controller Unit, MCU), 마이크로프로세서(microprocessor) 등으로 구현되는 프로세서에 의해 수행될 수 있다.
집적 회로(130)는 전압 검출용 입력 단자들을 통해 배터리 모듈을 구성하는 각 셀의 양단에 전기적으로 연결되며, 각 셀의 셀 전압을 검출할 수 있다. 집적 회로(130)는 각 셀의 셀 전압에 기초하여 각 셀의 과전압 상태를 검출하고, 적어도 하나의 셀이 과전압 상태가 되면 퓨즈 소자(F1)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수 있다.
집적 회로(130)는 온도 검출용 입력 단자를 통해 서로 직렬 연결된 복수의 서미스터(111)에 연결되며, 서미스터(111)들을 통해 온도 센싱 전압을 검출할 수 있다. 집적 회로(130)는 서미스터(111)들을 통해 온도 센싱 전압이 입력되면, 이를 기준 전압과 비교함으로써 셀들의 과온도 상태를 검출하고, 과온도 상태가 검출되면 퓨즈 소자(F1)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수 있다. 여기서, 온도 센싱 전압과 비교 대상이 되는 기준 전압은 고정된 값이 사용되거나, 배터리 모듈의 셀 전압에 따라서 가변될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(10A)에서는, 배터리 모듈의 과전압 검출 및 과온도 검출이 하나의 집적 회로(130)에서 수행되는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이는 본 발명의 일 실시 예를 설명하기 위한 것으로서 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것으로서, 배터리 팩이 서미스터들을 이용한 과온도 검출을 위해 집적 회로 및 퓨즈 소자를 추가로 포함하는 경우를 도시한 것이다.
도 2를 참조 하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 팩(10B)은 배터리 모듈의 상태(전압, 온도 등) 검출 및 이에 따른 안전성 동작을 위해 복수의 집적 회로(131, 132)를 포함할 수 있다.
복수의 집적 회로들 중 집적 회로(131)는 전압 검출용 입력 단자들을 통해 배터리 모듈을 구성하는 각 셀의 셀 전압을 검출하고, 이를 토대로 각 셀의 과전압 상태를 검출할 수 있다. 그리고, 적어도 하나의 셀이 과전압 상태가 되면 퓨즈 소자(F1)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수 있다.
복수의 집적 회로들 중 집적 회로(132)는 온도 검출용 입력 단자를 통해 서로 직렬 연결된 복수의 서미스터(111)에 연결되며, 서미스터(111)들을 통해 온도 센싱 전압을 입력 받을 수 있다. 그리고, 입력되는 온도 센싱 전압을 기준 전압과 비교함으로써 셀들의 과온도 상태를 검출하고, 과온도 상태가 검출되면 퓨즈 소자(F2)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수 있다.
퓨즈 소자들(F1, F2)은, 안정성 향상을 위해 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 도 1을 예로 들면, 퓨즈 소자(F1)는 배터리 모듈의 양극과 양극 팩 단자(P+) 사이에 배치되고, 퓨즈 소자(F2)는 배터리 모듈을 구성하는 셀들 중 이웃하는 두 개의 셀들 사이에 배치될 수도 있다.
퓨즈 소자들(F1, F2)은, 외부로부터 제어 전압이 인가되는 제어 단자와, 적어도 하나의 퓨즈, 그리고 발열 저항을 포함하는 자가 제어 보호(SCP) 소자일 수 있다. 이 경우, 퓨즈 소자들(F1, F2)을 구성하는 발열 저항은 퓨즈 소자들(F1, F2)의 제어 단자로 인가되는 전압에 따라 발열하며, 퓨즈들은 발열용 저항의 발열로 인해 용단되어 배터리 모듈의 대전류 경로를 차단할 수 있다. 또한, 퓨즈 소자들(F1, F2)의 제어 단자는 각각 대응하는 집적 회로(131, 132)의 출력 단자와 연결되며, 대응하는 집적 회로(131, 132)의 출력 단자로부터 퓨즈 소자들(F1, F2)을 구성하는 발열 저항들의 발열을 제어하기 위한 제어 전압을 입력 받을 수 있다.
전술한 실시 예들에서, 배터리 제어기(120) 및 집적 회로들(130, 131, 132)은, 서로의 보호 기능을 보조할 수 있다. 즉, 배터리 제어기(120), 및 집적 회로들(130, 131, 132) 중 어느 하나가 오동작하여 배터리 보호 기능을 제대로 수행하지 못하더라도, 나머지가 배터리 보호 기능을 수행하여 배터리 팩(10A, 10B)의 안전성을 확보하도록 동작한다. 이를 위해, 배터리 제어기(120) 및 집적 회로들(130, 131, 132)은 서로 독립적으로 구동될 수 있다.
한편, 전술한 실시 예들에서, 서미스터(111)들을 통해 입력되는 온도 센싱 전압을 기준 전압과 비교하고, 비교 결과에 따라서 퓨즈 소자(F1)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 소자로 집적회로(130, 131, 132)를 사용하는 것은, FET 등의 트랜지스터를 사용하는 것에 비해 제어의 정확성과 안전성을 높일 수 있다.　즉, 전술한 실시 예들에서, 직접회로(130, 131, 132)는 서미스터(111)들의 상태(저항값)에 따라 하이 레벨의 전압과 로우 레벨의 전압을 명확히 구분하여 출력할 수 있으며, 이로 인해 퓨즈 소자의 오픈이 필요한 상황에서 퓨즈 소자를 정확히 오픈할 수 있어 퓨즈 소자의 제어 정확성 및 안정성을 확보할 수 있다.
반면에, FET 등 트랜지스터를 퓨즈 소자의 제어 스위치로 사용하고, 제어 스위치의 제어 단자에 서미스터를 전압 분배 저항으로 연결하는 경우, 제어 스위치의 제어 단자로 미세 전압이 인가되어 퓨즈 소자에 미세 전류가 흐르는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우, 퓨즈 소자 내부가 서서히 멜팅(melting) 및 변형되어 퓨즈 소자의 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 이로 인해 퓨즈 소자의 제어 정확도가 떨어질 수 있다.
전술한 실시 예들에 따른 배터리 보호 회로(100A, 100B)는 하나의 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 상에 실장되어 배터리 모듈과 결합될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 보호 회로(100A, 100B)가 탑재되는 PCB(300)의 일 예를 개략적으로 도시한 것으로서, 배터리 보호 회로(100A, 100B)의 일부 구성 요소들(예를 들어, 배터리 제어기(120) 등)가 생략된 상태로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, PCB(300)는 복수의 도전성 탭(301)을 포함하며, 각 도전성 탭(301)은 대응하는 셀의 양극 또는 음극에 결합할 수 있다. 예를 들어, 각 도전성 탭(301)은 용접 또는 납땜(solder)에 의해 대응하는 셀의 양극 또는 음극에 결합할 수 있다. 또한, 예를 들어, 각 도전성 탭(301)은 접착 부재(예를 들어, 실리콘, 접착 테잎 등)를 이용하여 대응하는 셀의 양극 또는 음극에 결합할 수도 있다. 후자의 경우, 접착 부재는 각 셀의 열을 대응하는 서미스터(111)에 효과적으로 전달하기 위해, 각 셀의 극 단자뿐만 아니라 이에 대응하는 도전성 탭(301)과 서미스터(111)까지 함께 커버하도록 코팅되거나 부착될 수 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, PCB(300)에는 칩 타입의 서미스터(111)가 탑재될 수 있다.
각 서미스터(111)가 대응하는 셀의 온도 변화에 민감하게 반응하기 위해서는, 각 셀의 열을 효과적으로 전달 받을 수 있는 위치에 배치되어야 한다. 예를 들어, 각 서미스터(111)는 도 3에 도시된 바와 같이 대응하는 셀의 양극 또는 음극에 결합하는 도전성 탭(301)과 인접하게 배치될 수 있다. 또한, 예를 들어, 각 서미스터(111)는 PCB(300)의 양면 중 각 셀과 대면하는 면에 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 칩 타입의 서미스터(111)는 TCO와 달리 PCB(300) 상에 실장이 가능하여, 각 셀에 별도로 부착될 필요가 없다. 따라서, 배터리 모듈의 안전성 동작을 위해 TCO를 사용하던 종래의 배터리 팩에 비해, 배터리 팩(10A, 10B)의 조립 복잡도를 낮출 수 있으며, 이로 인해 단가 또한 낮출 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10A, 10B: 배터리 팩
100A, 100B: 배터리 보호 회로
111: 서미스터
120: 제어기
130, 131, 132: 집적 회로
F1, F2: 퓨즈 소자
C_FET: 충전 제어 스위치
D_FET: 방전 제어 스위치
P+, P-: 팩 단자

Claims (18)

  1. 배터리 모듈과 외부 기기를 연결하는 복수의 팩 단자,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 제1제어 단자를 포함하고, 상기 제1제어 단자에 인가되는 전압에 따라 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 제1퓨즈 소자,
    제1입력 단자를 포함하며, 상기 제1입력 단자로 인가되는 전압에 따라서 상기 제1 제어 단자로 출력되는 전압을 제어하는 제1집적 회로, 및
    상기 배터리 모듈의 양극과 상기 제1집적 회로의 제1입력 단자 사이에서 서로 직렬 연결되는 복수의 서미스터를 포함하며,
    상기 복수의 서미스터는 상기 배터리 모듈을 구성하는 복수의 셀에 각각 대응되며,
    상기 복수의 서미스터 각각은, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 온도에 따라 저항값이 가변되는, 배터리 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 서미스터는 상기 복수의 셀에 각각 대응되며, 상기 복수의 서미스터 각각은, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀에 인접하게 배치되는 배터리 보호 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 서미스터는 정온도계수(positive temperature coefficient thermistor) 서미스터인 배터리 보호 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 서미스터는 인쇄회로기판에 실장되는 칩 형태인 배터리 보호 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1퓨즈 소자는 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이에 연결되는 배터리 보호 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1퓨즈 소자는 상기 복수의 셀 중 인접하는 두 개의 셀 사이에 연결되는 배터리 보호 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 양단에 전기적으로 연결되는 복수의 제2입력 단자를 포함하며, 상기 복수의 제2입력 단자로 인가되는 전압에 기초하여 상기 배터리 모듈의 과전압 상태를 검출하고, 상기 과전압 상태 검출 결과에 따라서 상기 제1퓨즈 소자의 상기 제1제어 단자로 인가되는 전압을 제어하는 배터리 보호 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 제2제어 단자를 포함하고, 상기 제2제어 단자로 인가되는 전압에 따라 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 제2퓨즈 소자, 및
    상기 복수의 셀 각각의 양단에 전기적으로 연결되는 복수의 입력 단자를 포함하며, 상기 복수의 입력 단자로 인가되는 전압에 기초하여 상기 배터리 모듈의 과전압 상태를 검출하고, 상기 과전압 상태 검출 결과에 따라서 상기 제2퓨즈 소자의 상기 제2제어 단자로 인가되는 전압을 제어하는 제2집적 회로를 더 포함하는 배터리 보호 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 충전 전류의 흐름을 제어하는 충전 제어 스위치,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 방전 전류의 흐름을 제어하는 방전 제어 스위치, 및
    상기 복수의 셀 각각의 셀 전압 또는 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이를 흐르는 전류에 기초하여, 상기 충전 제어 스위치 및 상기 방전 제어 스위치의 스위칭을 제어하는 배터리 제어기를 더 포함하는 배터리 보호 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1집적 회로와 상기 배터리 제어기는 독립적으로 동작하는 배터리 보호 회로.
  11. 복수의 셀을 포함하는 배터리 모듈, 및
    배터리 보호 회로를 포함하며,
    상기 배터리 보호 회로는,
    상기 배터리 모듈과 외부 기기를 연결하는 복수의 팩 단자,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 제1제어 단자를 포함하고, 상기 제1제어 단자로 인가되는 전압에 따라 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 제1퓨즈 소자,
    제1입력 단자를 포함하며, 상기 제1입력 단자로 인가되는 전압에 따라서 상기 제1 제어 단자로 출력되는 전압을 제어하는 제1집적 회로, 및
    상기 배터리 모듈의 양극과 상기 제1집적 회로의 제1입력 단자 사이에서 서로 직렬 연결되는 복수의 서미스터를 포함하며,
    상기 복수의 서미스터는 상기 배터리 모듈을 구성하는 복수의 셀에 각각 대응되며,
    상기 복수의 서미스터 각각은, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 온도에 따라 저항값이 가변되는, 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 보호 회로가 탑재되며, 상기 복수의 셀 각각의 양극 또는 음극에 결합하는 복수의 도전성 탭을 포함하는 인쇄회로기판을 더 포함하며,
    상기 복수의 서미스터는, 칩 타입으로 상기 인쇄회로기판 상에 실장되는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 서미스터는 상기 복수의 셀에 각각 대응되며, 상기 복수의 서미스터 각각은, 상기 복수의 도전성 탭 중 대응하는 셀에 결합하는 도전성 탭과 인접하게 배치되는 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 셀의 극 단자들, 상기 복수의 도전성 탭, 및 상기 복수의 서미스터 중, 서로 대응하는 극 단자, 도전성 탭 및 서미스터를 함께 커버하도록 위치하는 접착 부재를 더 포함하는 배터리 팩.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 서미스터는 정온도계수(positive temperature coefficient thermistor) 서미스터인 배터리 팩.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 제2제어 단자를 포함하고, 상기 제2제어 단자로 인가되는 전압에 따라 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 흐름을 차단하는 제2퓨즈 소자, 및
    상기 복수의 셀 각각의 양단에 전기적으로 연결되는 복수의 입력 단자를 포함하며, 상기 복수의 입력 단자로 인가되는 전압에 기초하여 상기 배터리 모듈의 과전압 상태를 검출하고, 상기 과전압 상태 검출 결과에 따라서 상기 제2퓨즈 소자의 상기 제2제어 단자로 인가되는 전압을 제어하는 제2집적 회로를 더 포함하는 배터리 팩.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 양단에 전기적으로 연결되는 복수의 제2입력 단자를 포함하며, 상기 복수의 제2입력 단자로 인가되는 전압에 기초하여 상기 배터리 모듈의 과전압 상태를 검출하고, 상기 과전압 상태 검출 결과에 따라서 상기 제1퓨즈 소자의 상기 제1제어 단자로 인가되는 전압을 제어하는 배터리 팩.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 충전 전류의 흐름을 제어하는 충전 제어 스위치,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 방전 전류의 흐름을 제어하는 방전 제어 스위치, 및
    상기 복수의 셀 각각의 셀 전압 또는 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이를 흐르는 전류에 기초하여, 상기 충전 제어 스위치 및 상기 방전 제어 스위치의 스위칭을 제어하는 배터리 제어기를 더 포함하는 배터리 팩.
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