KR20110045251A - 배터리 팩 보호회로, 배터리 팩 보호방법, 및 전기 자전거 - Google Patents

배터리 팩 보호회로, 배터리 팩 보호방법, 및 전기 자전거 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호회로는, 기울기를 감지하는 기울기 감지부; 상기 기울기가 기준 기울기 이상이면, 배터리 셀의 충방전 동작을 중단시키는 정지 제어신호를 출력하는 충방전 제어부; 및 상기 정지 제어신호에 응답하여 배터리 셀의 충방전 동작을 정지시키는 충방전 스위치를 포함한다.

Description

배터리 팩 보호회로, 배터리 팩 보호방법, 및 전기 자전거{Protection circuit and protection method of battery pack, and an electronic bicycle}
본 발명의 실시예들은 배터리 팩 보호방법, 배터리 팩 보호회로, 및 전기 자전거에 관한 것으로서, 전기 자전거의 기울기에 따라 배터리 팩의 충방전 동작을 조절하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 충방전이 가능한 이차 전지(rechargeable battery)는 셀룰러 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants) 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 이러한 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadimium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등 다양한 종류가 개발되고 있다. 이러한 이차 전지는 회로와 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩의 외부 단자를 통해 충전과 방전이 이루어진다.
종래의 배터리 팩은 크게 배터리 셀과, 충방전 회로를 포함하는 주변회로를 포함하여 이루어지며, 이 주변회로는 인쇄 회로 기판으로 제작된 후, 상기 배터리 셀과 결합된다. 상기 배터리 팩의 외부 단자를 통해 외부 전원이 연결되면, 외부 단자와 충방전 회로를 통해 공급되는 외부 전원에 의해 배터리 셀이 충전되며, 외부 단자를 통해 부하(load)가 연결되면, 배터리 셀의 전원이 충방전 회로와 외부 단자를 통해 부하에 공급되는 동작이 일어난다. 이때, 충방전 회로는 외부 단자와 배터리 셀 사이에서 배터리 셀의 충방전을 제어한다.
한편, 이차 전지를 이용한 전기 자전거가 널리 보급되고 있다. 전기 자전거는 전기 에너지를 이용하여 동력을 제공하여, 사용자의 부담을 덜어줄 수 있다. 전기 자전거는 친환경 운행수단으로 주목받고 있다.
본 발명의 실시예들은 배터리 팩 또는 배터리 팩이 장착된 전기 자전거의 기울기를 감지하여, 기울기에 따라 배터리 팩의 충방전 동작을 제어하여, 배터리 팩의 안전성을 개선하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호회로는, 기울기를 감지하는 기울기 감지부; 상기 기울기가 기준 기울기 이상이면, 배터리 셀의 충방전 동작을 중단시키는 정지 제어신호를 출력하는 충방전 제어부; 및 상기 정지 제어신호에 응답하여 배터리 셀의 충방전 동작을 정지시키는 충방전 스위치를 포함한다.
나아가, 상기 충방전 제어부는, 상기 정지 제어신호가 출력된 후에, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 배터리 셀의 충방전 동작을 재개하는 회복 제어신호를 상기 충방전 스위치로 출력하고, 상기 충방전 스위치는 상기 회복 제어신호에 응답하여 배터리 셀의 충방전 동작을 재개한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 충방전 제어부는, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 이상으로 제1 기준 시간 이상 유지된 경우에만, 상기 정지 제어신호를 출력한다. 또한, 상기 충방전 제어부부는, 상기 정지 제어신호가 출력된 후에, 상기 기울기가, 제2 기준 시간 이내에 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 충방전 동작을 재개하기 위한 회복 제어신호를 상기 충방전 스위치로 출력하고, 상기 충방전 스위치는 상기 회복 제어신호에 응답하여, 충방전 동작을 재개한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 사용자 입력에 따라 상기 기준 기울기를 조절하는 기준 기울기 조절부를 더 포함한다. 또한, 상기 배터리 팩 보호회로는, 전기 자전거용 배터리 팩에서 이용되는 배터리 팩 보호회로이고, 상기 회복 제어신호가 출력되면, 미리 결정된 시간 동안 또는 사용자 입력이 입력되기 전까지, 상기 전기 자전거의 바퀴 구동을 정지시키는 구동 제어신호를 출력하는 구동 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호방법은, 기울기를 감지하는 단계;
상기 기울기가 기준 기울기 이상인지 여부를 판단하는 단계; 상기 기울기가 기준 기울기 이상이면, 배터리 셀의 충방전 동작을 정지시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 배터리 팩 보호방법은, 상기 정지 제어신호가 출력된 후에, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 상기 배터리 셀의 충방전 동작을 재개하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 충방전 동작을 정지시키는 단계는, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 이상으로 제1 기준 시간 이상 유지된 경우에만, 상기 충방전 동작을 정지시킨다. 또한, 상기 배터리 팩 보호방법은, 상기 정지 제어신호가 출력된 후에, 상기 기울기가, 제2 기준 시간 이내에 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면 충방전 동작을 재개하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 배터리 팩 보호방법은, 사용자 입력에 따라 상기 기준 기울기를 조절하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 배터리 팩 보호방법은, 전기 자전거용 배터리 팩에서 이용되고, 상기 회복 제어신호가 출력되면, 미리 결정된 시간 동안 또는 사용자 입력이 입력되기 전까지, 상기 전기 자전거의 바퀴 구동을 정지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 장착 가능한 전기 자전거는, 상기 전기 자전거의 기울기를 감지하여, 상기 기울기가 기준 기울기 이상이면, 상기 배터리 팩의 충방전 동작을 정지시키는 기울기 감지 및 처리부를 포함한다. 또한, 상기 기울기 감지 및 처리부는, 상기 배터리 팩의 충방전 동작이 정지된 후에, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 상기 배터리 팩의 충방전 동작을 재개시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자전거의 상기 기울기 감지 및 처리부는, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 이상으로 제1 기준 시간 이상 유지된 경우에만, 상기 배터리 팩의 충방전 동작을 정지시키고, 상기 기울기 감지 및 처리부는, 상기 배터리 팩의 충방전 동작이 정지된 후에, 상기 기울기가, 제2 기준 시간 이내에 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 상기 배터리 팩의 충방전 동작을 재개시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상기 전기 자전거는, 사용자 입력에 따라 상기 기준 기울기를 조절하는 기준 기울기 조절부를 더 포함한다. 또한, 상기 전기 자전거는 상기 기울기 감지 및 처리부에 의해 충방전 동작이 재개된 후에, 미리 결정된 시간 동안 또는 사용자 입력이 입력되기 전까지, 상기 전기 자전거의 바퀴 구동을 정지시키는 구동 제어부를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 팩 또는 배터리 팩이 장착된 전기 자전거의 기울기에 따라 배터리 팩의 충방전 동작을 제어함으로써, 배터리 팩의 고장을 방지하고, 폭발 위험을 감소시키는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 하기의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명에 따른 동작을 이해하기 위한 것이며, 본 기술 분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분은 생략될 수 있다.
또한 본 명세서 및 도면은 본 발명을 제한하기 위한 목적으로 제공된 것은 아니고, 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어들은 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(110a)은 자전거와 같은 외부 장치(130a)와 연결되어, 외부 장치(130a)에 전기 에너지를 공급한다. 이하, 배터리 팩을 장착한 전기 자전거(100)를 중심으로 본 발명의 실시예들을 설명한다. 외부 장치(130a)는 자전거부(130a)로 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(110a)은 적어도 하나의 배터리 셀(112), 상기 배터리 셀(112)의 전압 및 전류를 감지하고 소정 제어 동작을 수행하는 충방전 제어부(114), 충방전 제어부(114)의 제어 동작에 의해 충방전 경로를 차단 및 연결하는 충방전 스위치(116), 충방전 제어부(114)의 제어에 따라 충방전 경로를 영구적으로 차단하는 퓨즈(118), 및 충방전 경로의 전류를 감지하는 전류 감지부(122)를 포함한다. 또한, 본 실시예에 따른 배터리 팩(110a)은 배터리 팩(110a)의 기울기를 감지하는 기울기 감지부(120)를 포함한다.
배터리 셀(112)은 재충전 가능한 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 또는 그 등가물이 가능하나, 본 발명의 범위는 배터리 셀(112)의 종류에 의해 한정되지 않는다. 배터리 셀(112)의 양극에는 양극 충방전 경로(L1)가 형성되고, 배터리 셀(112)의 음극에는 음극 충방전 경로(L2)가 형성된다. 양극 충방전 경로(L1)의 말단에는 양극 충방전 단자(P+)가 구비되고, 음극 충방전 경로(L2)의 말단에는 음극 충방전 단자(P-)가 구비된다. 양극 충방전 단자(P+)와 음극 충방전 단자(P-)는 자전거부(130a)와 연결되어, 자전거부(130a)에 배터리 셀(112)에 저장된 전기 에너지를 전달하거나, 자전거부(130a)로부터 발전된 전기 에너지를 배터리 셀(112)에 공급한다.
충방전 제어부(114)는 배터리 셀(112)에 병렬로 연결되어, 배터리 셀(112)의 전압 및 전류를 감지하고, 감지된 전압 및 전류의 크기에 따라 배터리 팩(110a)의 충방전 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다. 이를 위해 충방전 제어부(114)는 배터리 셀(112)에 포함된 복수의 배터리 셀들 각각의 전압 레벨을 측정할 수 있다. 전류 감지부(112)는 음극 충방전 경로(L2) 또는 양의 충방전 경로(L1) 상에서, 전류를 감지한다. 충방전 제어부(114)는 전류 감지부(112)에 의해 감지된 충방전 전류의 크기에 따라 충방전 동작을 제어한다. 나아가, 충방전 제어부(114) 는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능 등을 포함할 수 있다. 또한, 충방전 제어부(114)는 자전거부(130a)로부터 입력된 제어 신호, 또는 사용자 입력에 따라 충방전 동작을 제어할 수 있다.
충방전 제어부(114)는 자전거부(130a)의 동작을 제어하는 제어부(132)와, 클럭 신호 라인(CLK)과 데이터 신호 라인(data)을 포함하는 SMBUS를 통해 연결될 수 있다.
기울기 감지부(120)는 배터리 팩(110a)의 기울기를 감지한다. 이를 위해 기울기 감지부(120)는 배터리 팩(110a)의 기울어진 정도를 측정하는 다양한 종류의 기울기 센서(tilt sensor)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 기울기라 함은, 도 2에 도시된 바와 같이, 중력 방향을 기준으로 전기 자전거(100)가 기울어진 정도를 의미한다. 그러나 기울기(θ)는 다양하게 정의될 수 있으며, 본 발명의 범위는 기울기(θ)를 정의하는 방식에 의하여 제한되지 않는다.
충방전 제어부(114)는 배터리 팩(110a)의 기울기가 기준 기울기 이상으로 기울어지면, 충방전 동작을 정지시키기 위한 정지 제어신호를 충방전 스위치(116)에 출력한다. 배터리 팩(110a)을 장착한 전기 자전거(100)는 주행 중 넘어질 수 있는데, 전기 자전거(100)가 넘어질 때의 충격에 의해 배터리 팩(110a)에 손상을 줄 수 있다. 특히, 전기 자전거(100)는 충격으로 인한 배터리 팩(110a)의 배터리 셀(112)의 발화 또는 폭발의 위험이 있다. 본 발명의 실시예들은 전기 자전거(100)가 기울어지면 배터리 팩(110a)의 충방전 동작을 중단시켜, 전기에너지가 배터리 팩(110a) 으로부터 자전거부(130a)로 전달되는 것을 방지한다. 이로 인해 자전거가 넘어지면 자전거부(130a)로 동력 전달을 중단시켜 자전거 운전자를 보호하고, 나아가 배터리 팩을 보호할 수 있다. 또한, 배터리 팩(110a)의 안정성과 신뢰성을 향상시킨다.
또한, 충방전 제어부(114)는 상기 정지 제어신호에 의하여 배터리 팩(110a)의 충방전이 정지된 후에, 기울기가 상기 기준 기울기 미만으로 복귀되면, 충방전 동작을 재개하기 위한 회복 제어신호를 충방전 스위치(116)에 출력할 수 있다. 이를 위해, 기울기 감지부(120)는 상기 정지 제어신호에 의하여 충방전 동작이 정지된 이후에도 계속해서 기울기를 감지한다. 자전거는 일반적으로 기울기가 빈번하게 변화할 수 있다. 따라서 상기 정지 제어신호에 의해 충방전 동작이 정지된 후에, 기울기가 상기 기준 기울기 미만으로 복귀되면 다시 충방전 동작을 재개함으로 인하여, 사용자는 배터리 팩(110a)의 충방전 동작을 재개하기 위하여 별도로 제어할 필요가 없으므로, 사용자 편이가 증대되고, 전기 자전거(100)가 정상적인 동작으로 빠르게 복귀할 수 있다.
자전거부(130a)는 제어부(132) 및 부하(134)를 포함한다. 제어부(132)는 전기 자전거(100)의 동작을 총괄적으로 제어한다. 부하(134)는 전기 자전거(134)에 동력을 제공하기 위하여 배터리팩(110a)으로부터 전기에너지를 공급받는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 충방전 제어부(114)는 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이 되면, 바로 배터리 팩(110a)의 충방전 동작을 정지시키지 않고, 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이 된 시점으로부터 제1 기준 시간 이상 유지된 경우에만, 충방전 동작을 정지시킨다. 또한 본 실시예에 따르면, 충방전 제 어부(114)는 상기 정지 제어신호에 의해 충방전 동작이 정지된 후에, 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 미만으로 제2 기준 시간 이내에 회복된 경우에만 충방전 동작을 재개한다.
자전거는 일반적으로 기울기(θ)가 빈번하게 변화하므로, 기울기(θ)가 순간적으로 증가하더라도, 일시적인 것일 수 있다. 따라서 본 실시예는 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이 되더라도, 그러한 상태가 일정시간 이상 유지된 경우에만 충방전 동작을 정지시켜, 과도한 충방전 정지 제어를 방지한다.
이를 위해, 충방전 제어부(114)는 기울기 감지부(120)에 의해 감지된 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이 된 시점으로부터 시간을 측정하고, 정지 제어신호에 의해서 배터리 팩(110a)의 충방전이 정지된 시점으로부터 시간을 측정한다.
충방전 제어부(114)는 기울기 감지부(120)에서 감지된 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이고, 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상으로 제1 기준 시간 이상 유지되면, 충방전 스위치(116)에 정지 제어신호를 출력한다. 또한, 충방전 제어부(114)는 정지 제어신호에 의해서 배터리 팩(110a)의 충방전이 정지된 후에, 기울기 감지부(120)에서 감지된 기울기(θ)가 제2 기준 시간 이내에 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 충방전 스위치(116)에 회복 제어신호를 출력한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자전거(100)를 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자전거(100)는 상기 기준 기울기를 사용자가 조절할 수 있도록 기준 기울기 조절부(410)를 더 구비한다. 또한 기울기 (θ)가 상기 기준 기울기 이상이 되어 배터리 팩(110b)의 충방전 동작이 정지되면, 자전거부(130a)의 구동 또한 정지시키도록 제어하는 구동 제어부(420)를 더 포함한다.
도 3에서는 배터리 셀(112), 충방전 제어부(114), 충방전 스위치(116), 및 퓨즈(118)의 상세한 구조에 대해서도 함께 설명한다. 그러나 이러한 구조들은 예시적인 것이며, 본 발명의 범위는 이러한 구조들에 의하여 제한되지 않는다.
배터리 셀(112)은 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결되어 구비될 수 있다. 배터리 셀들의 개수는 배터리 팩(110b)의 용량 및 각 배터리 셀(112)의 용량에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
충방전 스위치(116)는 충전소자(406)와 방전소자(408)로 이루어진다. 충전소자(406) 및 방전소자(408)는 양의 충방전 단자(P+)(또는 음의 충방전 단자(P-))와 배터리 셀(112)의 양극 충방전 경로(L1)(또는 음의 충방전 경로(L2)) 사이에 직렬로 연결되어 배터리 팩(110b)의 충전 또는 방전을 수행한다. 충전소자(406) 및 방전소자(408) 각각은 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; 이하 FET라함)와 기생 다이오드(parasitic diode; 이하 D라함)로 이루어진다. 즉, 충전소자(406)는 FET1과 D1으로 이루어지며, 방전소자(408)는 FET2와 D2로 이루어진다.
충전소자(406)의 전계효과 트랜지스터(FET1)의 소스와 드레인 사이의 접속방향은 방전소자(408)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)와는 반대방향으로 설정한다. 이러한 구성으로 충전소자(406)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)는 충방전 단자(P+, P-)로부터 배터리 셀(112)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속되는 한편, 방전 소 자(408)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)는 배터리 셀(112)로부터 충방전 단자(P+, P-)로의 전류 흐름을 제한하도록 접속된다. 여기서, 충전 및 방전 소자(406, 408)의 전계 효과 트랜지스터(FET1, FET2)는 스위칭 소자이며, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않고 다른 종류의 스위칭 기능을 수행하는 전기소자가 사용될 수 있다.
충전 및 방전 소자(406, 408)에 포함된 기생 다이오드(D1,D2)는 전류가 제한되는 방향에 반대방향으로 전류가 흐르도록 구성한다. 배터리 셀(112)로부터 자전거부(130a)로 방전 시, 충전 소자(406)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)는 오프(off)되고 방전 소자(408)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)는 온(on)되며, 방전 전류는 충전 소자(406)의 기생 다이오드(D1)와 방전 소자(408)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)를 통해서 흐른다. 반대로 자전거부(130a) 또는 충전기에 의해 충전 시, 충전 소자(406)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)는 온(on)되고 방전 소자(408)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)는 오프(off)되며, 충전 전류는 방전 소자(408)의 기생 다이오드(D2)와 충전 소자(406)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)를 통해서 흐른다.
충방전 제어부(114)는 아날로그 프런트 엔드(402, 이하 AFE IC) 및 마이크로 컴퓨터(404)를 포함한다.
AFE IC(402)는 배터리 셀(112)과 충전소자(406) 및 방전소자(408) 사이에서 병렬로 연결되고, 배터리 셀(112)과 하기될 마이크로 컴퓨터(404) 사이에서 직렬로 연결된다. AFE IC(402)는 배터리 셀(112)의 전압을 검출하여 검출된 전압을 마이크로 컴퓨터(404)에 전달하고, 마이크로 컴퓨터(404)의 제어에 의해 상기 충전소 자(406) 및 방전소자(408)의 동작을 제어한다.
자세히 설명하면, 자전거부(130a) 도는 충전기로부터 배터리 셀(112)에로 충전 전류가 공급되는 경우, AFE IC(402)는 충전 소자(406)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)를 온(on)상태로, 방전 소자(408)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)를 오프(off)상태로 설정하여 배터리 셀(112)이 충전될 수 있도록 한다. 마찬가지로, 배터리 셀(112)에 자전거부(130a)의 부하가 연결되면, AFE IC(402)는 충전소자(406)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)를 오프(off)상태로, 방전소자(408)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)를 온(on)상태로 설정하여 배터리 셀(112)이 방전될 수 있도록 한다.
마이크로 컴퓨터(404)는 AFE IC(402)와 자전거부(130a)에 직렬로 연결되는 집적회로(Integrated Circuit; IC)로서, AFE IC(402)를 통해 충전소자(406) 및 방전소자(408)를 제어함으로써 배터리 셀(112)의 과충전, 과방전 및 과전류를 차단하는 역할을 한다. 즉, 배터리 셀(112)로부터 AFE IC(402)를 통해 수신한 배터리 셀(112)의 전압을 내부에 설정된 전압 레벨값과 비교하여, 비교 결과에 따른 제어신호를 AFE IC(402)로 출력하여 충전소자(406) 및 방전소자(408)를 온/오프(on/off) 시킴으로써, 배터리 셀(112)의 과충전, 과방전 및 과전류를 차단한다.
자세히 설명하면, 마이크로 컴퓨터(404)로 수신된 배터리 셀(112)의 전압이 내부에 설정된 과충전 레벨 전압값, 예를 들어 4.35V 이상이면, 마이크로 컴퓨터(404)는 과충전 상태로 판단하고 그에 대응하는 제어신호를 AFE IC(402)에 출력하여 충전소자(406)의 전계 효과 트랜지스터(FET1)를 오프(off) 시킨다. 그럼, 자 전거부(130a)의 어댑터 또는 충전기로부터 배터리 셀(112)로의 충전이 차단된다. 반대로, 마이크로 컴퓨터(404)로 수신된 배터리 셀(112)의 전압이 내부에 설정된 과방전 레벨 전압값, 예를 들어 2.30V 이하이면, 마이크로 컴퓨터(404)는 과방전 상태로 판단하고 그에 대응하는 제어신호를 AFE IC(402)에 출력하여 방전소자(408)의 전계 효과 트랜지스터(FET2)를 오프(off) 시킨다. 그럼, 배터리 셀(112)로부터 자전거부(130a)의 부하(134)로의 방전이 차단된다.
또한, 마이크로 컴퓨터(404)는 SMBUS를 통해 자전거부(130a)와 통신을 하는 기능을 갖는다. 즉, 마이크로 컴퓨터(404)는 배터리 셀(112)의 전압과 같은 정보를 AFE IC(402)로부터 수신하여 자전거부(130a)에 전달한다. 이때, 배터리 셀(112)의 정보는 SMBUS의 클록 라인의 클록 신호에 동기되어 데이터 라인을 통해 외부 시스템으로 전달된다.
나아가, 마이크로 컴퓨터(404)는 기울기 감지부(120)로부터 기울기(θ)를 나타내는 신호를 받아, 전기 자전거의 기울기(θ)에 따른 충방전 동작 제어를 수행할 수 있다.
전류 감지부(122)는 배터리 팩(110b)의 전류를 감지할 수 있는 수단이 된다. 이러한 전류 감지부(170)에 감지된 전류 정보는 마이크로 컴퓨터(404)에 입력된다. 만약 배터리 팩(110b)에 과전류가 흐르면, 마이크로 컴퓨터(404)는 전류의 흐름을 차단하는 제어신호를 출력하여 충전소자(406) 및 방전소자(408)나 퓨즈(118)를 오프(off)시켜 배터리 팩(110b)의 과전류 상태를 차단한다.
퓨즈(118)는 양극 충방전 경로(L1)에 상호 직렬 연결된 2개의 휴즈(431, 432)와, 2개의 휴즈(431, 432) 사이의 접점에 연결된 발열용 저항(433)을 포함한다. 발열용 저항(433)은 전류 감지부(122)에서 감지된 전류가 일정 수준 이상으로 증가하면, 마이크로 컴퓨터(404)의 제어에 따라 일정 온도 이상으로 발열하고, 이에 따라 2개의 휴즈(431, 432) 중 적어도 어느 하나가 끊어져, 양극 충방전 경로(L1)가 완전히 차단된다.
기준 기울기 조절부(410)는 배터리 팩(110b)의 충방전 동작이 정지되는 기준 기울기를 조절한다. 기준 기울기는 예를 들면 사용자 입력에 따라 조절될 수 있다. 사용자는 주행 패턴에 따라 기준 기울기를 조절할 수 있다. 이를 위해 기준 기울기 조절부(410)는 사용자가 제어신호를 입력할 수 있는 인터페이스를 구비할 수 있다.
구동 제어부(420)는 회복 제어신호에 의해 배터리 팩(110b)의 충방전 동작이 재개될 때, 미리 결정된 시간 동안 또는 사용자 입력이 입력되기 전까지, 자전거부(130a)의 바퀴 구동을 정지시키도록 제어한다. 이를 위해 구동 제어부(420)는 구동 정지 신호를 마이크로 컴퓨터(404)에 출력할 수 있고, 마이크로 컴퓨터(404)는 SMBUS를 통해 구동 정지 신호를 자전거부(130a)의 제어부(132)에 출력하여, 자전거부(130a)가 일정 시간동안 바퀴가 움직이지 않도록 제어할 수 있다. 그러나 구동 제어부(420)는 마이크로 컴퓨터(404) 내에 포함될 수 있으며, 도 4에 도시된 구성으로 제한되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자전거(100)를 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 기울기 감지 및 처리부(430), 기준 기 울기 조절부(410), 및 구동 제어부(420)가 자전거부(130b)에서 구현될 수 있다. 배터리 팩(110c)은 자전거부(130b)의 기울기 감지 및 처리부(120)의 제어에 따라 기울기(θ)에 따른 충방전 동작 제어를 수행할 수 있다. 이러한 실시예에서는 자전거부(130b)에서 정지 제어신호 및 회복 제어신호를 생성하여 배터리 팩(110c)에 출력하기 때문에, 어떠한 종류의 배터리 팩(110c)을 자전거부(130b)에 장착하더라도, 전기 자전거(100) 기울기(θ)에 따른 충방전 동작 제어가 가능하다. 배터리 팩(110c)은 자전거부(130b)로부터 출력된 정지 제어신호에 응답하여 충방전 동작은 정지시키고, 회복 제어신호에 응답하여 충방전 동작을 재개한다.
도 5은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기울기 감지 및 처리부(430)의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기울기 감지 및 처리부(430)는 기울기를 감지하는 기울기 센서(502), 시간 측정 기능을 수행하는 타이머(504), 및 기울기에 따라 정지 제어신호 또는 회복 제어신호를 출력하는 제어신호 출력부(506)를 포함한다. 본 실시예에 따른 기울기 감지 및 처리부(430)는 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이 되면, 바로 배터리 팩(110c)의 충방전 동작을 정지시키지 않고, 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이 된 시점으로부터 제1 기준 시간 이상 유지된 경우에만, 충방전 동작을 정지시킨다. 또한 본 실시예에 따르면, 기울기 감지 및 처리부(430)에 의해 충방전 동작이 정지된 후에, 기울기가(θ)가 상기 기준 기울기 미만으로 제2 기준 시간 이내에 회복된 경우에만 충방전 동작을 재개한다.
기울기 센서(502, tilt sensor)는 전기 자전거(100)가 기울어진 정도를 측정 한다. 기울기 센서(502)는 도 2에 도시된 바와 같이, 중력 방향을 기준으로, 배터리 팩(110c)이 장착된 전기 자전거(100)가 좌우로 기울어진 정도를 측정한다.
타이머(504)는 기울기 센서(502)에 의해 감지된 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이 된 시점으로부터 시간을 측정하고, 정지 제어신호에 의해서 배터리 팩(110c)의 충방전이 정지된 시점으로부터 시간을 측정한다.
제어신호 출력부(506)는 기울기 센서(502)에서 감지된 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이고, 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상으로 제1 기준 시간 이상 유지되면, 배터리 팩(110c)에 정지 제어신호를 출력한다. 또한, 제어신호 출력부(506)는 정지 제어신호에 의해서 배터리 팩(110c)의 충방전이 정지된 후에, 기울기 센서(502)에서 감지된 기울기(θ)가 제2 기준 시간 이내에 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 배터리 팩(110c)에 회복 제어신호를 출력한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호방법을 나타낸 흐름도이다.
우선, 배터리 팩이 장착된 전기 자전거의 기울기(θ)가 감지된다(S602). 기울기(θ)는 도 2에 도시된 바와 같이 중력 방향을 기준으로 측정될 수 있으며, 전기 자전거가 중력 방향을 기준으로 좌우 방향으로 기울어진 기울기(θ)를 의미한다.
기울기(θ)가 기준 기울기 이상이면(S604), 배터리 팩의 충방전 동작이 정지된다(S606). 이를 위해, 배터리 팩의 충전소자 및 방전소자의 스위칭 소자를 모두 턴오프 시키는 제어를 수행할 수 있다.
기울기(θ)가 기준 기울기보다 작으면, 계속해서 기울기를 감지한다(S602).
배터리 팩의 충방전 동작이 정지된 후에, 기울기(θ)를 계속해서 감지한다(S608). 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 미만이면(S610), 배터리 팩의 충방전 동작이 재개된다(S612).
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩 보호방법을 나타낸 흐름도이다.
본 실시예에 따르면, 기울기(θ)가 기준 기울기 이상으로 제1 기준 시간 이상 유지된 경우에만, 배터리 셀의 충방전 동작을 정지시킨다. 또한 기울기(θ)가 제2 기준 시간 이내에 상기 기준 기울기 미만으로 회복된 경우에만, 배터리 팩의 충방전 동작을 재개한다.
우선, 전기 자전거의 기울기(θ)를 감지하고(S702), 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상인지 여부를 판단한다(S704).
기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상이면(S704), 기울기(θ)가 제1 기준 시간 동안, 상기 기준 기울기 이상으로 유지되는지 여부를 판단한다(S706). 이를 위해, 다양한 종류의 타이머를 이용하여, 기울기(θ)가 상기 기준 기울기 이상으로 유지되는 시간을 측정할 수 있다.
기울기가 제1 기준 시간 동안 상기 기준 기울기 이상으로 유지되면(S706), 본 실시예에 따른 배터리 팩 보호방법은, 배터리 팩의 충방전 동작을 정지시킨다(S708). 그러나 기울기(θ)가 제1 기준 시간이 경과하기 전에 상기 기준 기울기보다 작아지면, 충방전 동작 제어는 수행되지 않고, 계속해서 기울기를 감지한 다(S702).
배터리 팩의 충방전 동작이 정지된 후에(S708), 계속해서 기울기(θ)가 감지되고(S710), 기울기(θ)가 기준 기울기 미만인지 여부가 판단된다(S712). 기울기(θ)가 기준 기울기 미만이면, 기울기(θ)가 제2 기준 시간 이내에 기준 기울기 미만으로 복귀되었는지 여부를 판단한다(S714). 만일 기울기(θ)가 제2 기준 시간 이내에 기준 기울기 미만으로 복귀되지 않았으면, 충방전 동작이 정지된 채로 충방전 제어가 종료된다. 기울기(θ)가 제2 기준 시간 이내에 기준 기울기 미만으로 복귀되면(S714), 배터리 팩 충방전 동작이 재개된다(S716).
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩 보호방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩 보호방법에 따르면, 사용자가 기준 기울기를 조절할 수 있다. 또한 배터리 팩의 충방전 동작이 재개된 이후에 일정 시간동안 전기 자전거의 바퀴 구동이 정지된다.
사용자는 기울기(θ)가 그 이상이 되면 배터리 팩의 충방전 동작이 정지되는 기준 기울기를 조절할 수 있다(S802). 이러한 동작은 언제든지 수행될 수 있으며, 도 8에 도시된 순서로 한정되는 것은 아니다. 사용자는 전기 자전거에 구비된 인터페이스를 통하여 기준 기울기를 조절하기 위한 제어신호를 입력할 수 있다.
다음으로, 기울기에 따른 충방전 동작 제어가 수행된다(S804). 기울기에 따른 충방전 동작 제어는 도 6 및 도 7에서 설명한 단계들(S602 내지 S612, S702 내지 S716)에 의해 수행될 수 있다.
배터리 팩의 충방전 동작이 정지되었다가, 전기 자전거의 기울기(θ)가 기준 기울기 미만으로 복귀되어 배터리 팩의 충방전 동작이 재개되면(S612 또는 S716), 전기 자전거 바퀴 구동이 미리 결정된 시간동안, 또는 사용자 입력이 있을 때까지 정지된다(S806).
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 특허청구범위에 의해 청구된 발명 및 청구된 발명과 균등한 발명들은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기울기(θ)를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자전거(100)를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 자전거(100)를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기울기 감지 및 처리부(430)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩 보호방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩 보호방법을 나타낸 흐름도이다.

Claims (18)

  1. 기울기를 감지하는 기울기 감지부;
    상기 기울기가 기준 기울기 이상이면, 배터리 셀의 충방전 동작을 중단시키는 정지 제어신호를 출력하는 충방전 제어부; 및
    상기 정지 제어신호에 응답하여 배터리 셀의 충방전 동작을 정지시키는 충방전 스위치를 포함하는 배터리 팩 보호회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는, 상기 정지 제어신호가 출력된 후에, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 배터리 셀의 충방전 동작을 재개하는 회복 제어신호를 상기 충방전 스위치로 출력하고,
    상기 충방전 스위치는 상기 회복 제어신호에 응답하여 배터리 셀의 충방전 동작을 재개하는, 배터리 팩 보호회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 이상으로 제1 기준 시간 이상 유지된 경우에만, 상기 정지 제어신호를 출력하는, 배터리 팩 보호회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는, 상기 정지 제어신호가 출력된 후에, 상기 기울기가, 제2 기준 시간 이내에 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 충방전 동작을 재개하기 위한 회복 제어신호를 상기 충방전 스위치로 출력하고,
    상기 충방전 스위치는 상기 회복 제어신호에 응답하여, 충방전 동작을 재개하는, 배터리 팩 보호회로.
  5. 제1항에 있어서, 사용자 입력에 따라 상기 기준 기울기를 조절하는 기준 기울기 조절부를 더 포함하는, 배터리 팩 보호회로.
  6. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 배터리 팩 보호회로는,
    전기 자전거용 배터리 팩에서 이용되는 배터리 팩 보호회로이고,
    상기 회복 제어신호가 출력되면, 미리 결정된 시간 동안 또는 사용자 입력이 입력되기 전까지, 상기 전기 자전거의 바퀴 구동을 정지시키는 구동 제어신호를 출력하는 구동 제어부를 더 포함하는, 배터리 팩 보호회로.
  7. 기울기를 감지하는 단계;
    상기 기울기가 기준 기울기 이상인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 기울기가 기준 기울기 이상이면, 배터리 셀의 충방전 동작을 정지시키는 단계를 포함하는, 배터리 팩 보호방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 정지 제어신호가 출력된 후에, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 상기 배터리 셀의 충방전 동작을 재개하는 단계를 더 포함하는, 배터리 팩 보호방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 충방전 동작을 정지시키는 단계는, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 이상으로 제1 기준 시간 이상 유지된 경우에만, 상기 충방전 동작을 정지시키는, 배터리 팩 보호방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 정지 제어신호가 출력된 후에, 상기 기울기가, 제2 기준 시간 이내에 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면 충방전 동작을 재개하는 단계를 더 포함하는, 배터리 팩 보호방법.
  11. 제7항에 있어서, 사용자 입력에 따라 상기 기준 기울기를 조절하는 단계를 더 포함하는, 배터리 팩 보호방법.
  12. 제8항 또는 제10항에 있어서, 상기 배터리 팩 보호방법은,
    전기 자전거용 배터리 팩에서 이용되고,
    상기 회복 제어신호가 출력되면, 미리 결정된 시간 동안 또는 사용자 입력이 입력되기 전까지, 상기 전기 자전거의 바퀴 구동을 정지시키는 단계를 더 포함하는, 배터리 팩 보호방법.
  13. 배터리 팩을 장착 가능한 전기 자전거에 있어서,
    상기 전기 자전거의 기울기를 감지하여, 상기 기울기가 기준 기울기 이상이면, 상기 배터리 팩의 충방전 동작을 정지시키는 기울기 감지 및 처리부를 포함하는, 전기 자전거.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기울기 감지 및 처리부는, 상기 배터리 팩의 충방전 동작이 정지된 후에, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 상기 배터리 팩의 충방전 동작을 재개시키는, 전기 자전거.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 기울기 감지 및 처리부는, 상기 기울기가 상기 기준 기울기 이상으로 제1 기준 시간 이상 유지된 경우에만, 상기 배터리 팩의 충방전 동작을 정지시키는, 전기 자전거.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 기울기 감지 및 처리부는, 상기 배터리 팩의 충방전 동작이 정지된 후에, 상기 기울기가, 제2 기준 시간 이내에 상기 기준 기울기 미만으로 회복되면, 상기 배터리 팩의 충방전 동작을 재개시키는, 전기 자전거.
  17. 제13항에 있어서, 사용자 입력에 따라 상기 기준 기울기를 조절하는 기준 기울기 조절부를 더 포함하는, 전기 자전거.
  18. 제14항 또는 제16항에 있어서,
    상기 기울기 감지 및 처리부에 의해 충방전 동작이 재개된 후에, 미리 결정된 시간 동안 또는 사용자 입력이 입력되기 전까지, 상기 전기 자전거의 바퀴 구동을 정지시키는 구동 제어부를 더 포함하는, 전기 자전거.
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