WO2019035523A1 - 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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WO2019035523A1
WO2019035523A1 PCT/KR2018/002841 KR2018002841W WO2019035523A1 WO 2019035523 A1 WO2019035523 A1 WO 2019035523A1 KR 2018002841 W KR2018002841 W KR 2018002841W WO 2019035523 A1 WO2019035523 A1 WO 2019035523A1
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WO
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cell
cells
terminal
battery
controller
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Application number
PCT/KR2018/002841
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English (en)
French (fr)
Inventor
한종찬
이우진
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00308—Overvoltage protection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries

Definitions

  • An embodiment relates to a battery protection circuit and a battery pack including the same.
  • a secondary cell is a cell that can alternately repeat charging and discharging.
  • the secondary battery can be discharged by converting chemical energy into electrical energy, and if the electrical energy is charged in the discharged state, it can be stored again in the form of chemical energy.
  • the secondary battery is applied to various portable electronic devices.
  • a notebook computer is equipped with a battery pack of a multi-serial structure in which a plurality of secondary batteries (hereinafter referred to as "cells") connected in series with each other are combined with a charge / discharge circuit.
  • cells secondary batteries
  • a thermal cut-off may be mounted on a battery pack of a multi-series structure in which square cells or polymer cells are connected in series.
  • the TCO is a device for securing the safety of each cell from the risk of overcharging or short-circuiting by cutting off the current according to the ambient temperature.
  • the TCO Since the TCO is a temperature-driven device, it must be in close contact with the cell to facilitate temperature transfer from the cell. Because of this feature, additional materials such as tape and Ni-plate are used to mount the TCO on the battery pack, and additional processes such as welding, cell adhesion, and tape processing are required. In addition, if the cell temperature is not properly transmitted due to the TCO mounting defect, there may arise a problem that the protection operation due to TCO is not performed properly.
  • the present invention provides a battery protection circuit and a battery pack including the battery protection circuit, which can support a protection operation for each cell in a multi-serial type battery pack.
  • a battery protection circuit includes a battery module composed of a plurality of cells connected in series and a charge control switch connected in series to a large current path between a plurality of pack terminals, And a current controller connected to each of the plurality of cells on the large current path for interrupting a current flowing in the corresponding cell based on a cell voltage of a corresponding one of the plurality of cells, Wherein the plurality of first protection circuits are connected in series between adjacent ones of the cells or between any one of the plurality of cells and the first pack terminal of the plurality of pack terminals, And at least one switch connected to said at least one switch in accordance with a cell voltage of said corresponding cell, Controller.
  • the battery protection circuit may further include a fuse element connected in series to the large current path and a second protection circuit for controlling the fuse element based on the cell voltage of each of the plurality of cells.
  • the fuse element includes a control terminal, at least one heating resistor connected to the control terminal and generating heat in accordance with a voltage applied to the control terminal, and at least one heating resistor connected in series to the high current path, Lt; / RTI >
  • the first and second protection circuits may be independently driven.
  • the at least one switch may be a field effect transistor.
  • the at least one switch includes a drain terminal, a source terminal coupled to a first electrode of the corresponding cell, and a gate terminal to which a control signal is applied from the cell controller, wherein a current flowing in the first direction Channel field effect transistor that controls the first N-channel field effect transistor.
  • the at least one switch comprises a drain terminal connected to a drain terminal of the first channel field effect transistor, a source terminal connected to the cell adjacent to the corresponding cell or the first pack terminal, Channel field effect transistor including an applied gate terminal and controlling a current flowing in the corresponding cell in a second direction.
  • Each of the plurality of first protection circuits includes a first resistor coupled to a second electrode of the corresponding cell and delivering a voltage of a second electrode of the corresponding cell to the cell controller, And a second resistor connected to a source terminal of the second N-channel field-effect transistor and operating as the first resistor and the current-limiting resistor.
  • the first electrode of the corresponding cell may be the cathode of the corresponding cell.
  • the battery pack includes a battery module including a plurality of cells connected in series, a plurality of pack terminals, a charge control switch serially connected to the large current path between the battery module and the plurality of pack terminals, A battery controller for controlling the charge control switch based on a cell voltage of each cell of the plurality of cells, and a battery controller connected to each of the plurality of cells on the large current path, And a plurality of first protection circuits for blocking or allowing current to flow in the cells, wherein each of the plurality of first protection circuits includes one of a plurality of cells, one of the plurality of cells, At least one switch connected in series between the first pack terminals and at least one switch according to the cell voltage of the corresponding cell That control may include a cell controller.
  • the battery pack may further include a fuse element connected in series to the large current path and a second protection circuit for controlling the fuse element based on the cell voltage of each of the plurality of cells.
  • the at least one switch of the battery pack includes a drain terminal, a source terminal coupled to a first electrode of the corresponding cell, and a gate terminal to which a control signal is applied from the cell controller, Channel field effect transistor and a drain terminal connected to a drain terminal of the first channel field effect transistor, a source connected to the corresponding cell or the first pack terminal, Channel field effect transistor having a terminal and a gate terminal to which a control signal is applied from the cell controller and controlling a current flowing in the corresponding cell in a second direction.
  • each of the plurality of first protection circuits of the battery pack includes a first resistor connected to a second electrode of the corresponding cell and delivering a voltage of a second electrode of the corresponding cell to the cell controller, A capacitor connected between the resistor and the first electrode of the corresponding cell and a second resistor coupled to the source terminal of the second N-channel field effect transistor, the second resistor operating as the first resistor and the current limiting resistor .
  • the battery controller can activate the protection operation earlier than the cell controller.
  • the battery protection circuit according to the embodiment can secure the safety of each cell from the risk of overcharge or short circuit.
  • the battery protection circuit according to the embodiment is easy to mount and does not require any additional material in comparison with the case where the TCO is mounted, so that the unit cost of the battery pack can be reduced.
  • FIG. 1 schematically shows a battery pack according to an embodiment.
  • FIG. 2 shows a cell protection circuit of the battery pack shown in FIG. 1 in detail.
  • FIG. 3 illustrates an example of a protection circuit module PCB on which the cell protection circuit according to the embodiment is mounted.
  • Electrical connection of two components includes not only direct connection of two components but also connection between two components via different components.
  • Other components may include switches, resistors, capacitors, and the like.
  • the expression " connection " means that the connection is electrically connected when there is no expression of direct connection.
  • FIG. 1 schematically shows a battery pack according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a cell protection circuit of the battery pack shown in FIG. 1 in detail
  • 3 shows an example of a printed circuit board on which a cell protection circuit according to the embodiment is mounted.
  • a battery pack 100 may include a battery module 10, an interface 30, and a battery protection circuit.
  • the components shown in Figs. 1 and 2 are not essential, so that the battery pack according to the embodiment can be implemented to include more or fewer components.
  • the battery module 10 may include a plurality of cells Cell1 and Cell2 connected in series with each other. 1 and 2, the battery module 10 includes two cells. However, the present invention is not limited thereto. According to another embodiment, the battery module may include three or more cells connected in series with each other.
  • the interface 30 may include a plurality of terminals for performing an interface with an external device.
  • the interface 30 includes pack terminals P + and P- for supplying electric energy to an external load or receiving electric energy from an external charging device and communication terminals T1 and T2 for communicating with an external device ).
  • the battery protection circuit includes a charge control switch C-SW, a discharge control switch D-SW, a fuse element F, a temperature sensor TS, a shunt resistor SR, a battery controller 110, 120 and cell protection circuits 131, 132, respectively.
  • the charge control switch C-SW is connected in series to the charge path of the battery module 10 and can cut off or supply the charge current of the battery module 10.
  • the charging path is a current flow path between the battery module 10 and a charging device (not shown) connected through the pack terminals P + and P- of the battery pack 100, To the battery module (10).
  • the discharge control switch D-SW is connected in series to the discharge path of the battery module 10 and can cut off or supply the discharge current of the battery module 10.
  • the discharge path is a current flow path between the battery module 10 and the load (not shown) connected through the pack terminals P + and P- of the battery pack 100, It is a path for transferring current to the load.
  • the charging path and the discharging path are relatively large in the magnitude of the current flowing through the path in comparison with other current flow paths in the battery pack 100. [ In this document, discharge path and charge path are also called 'high current path'.
  • the charge control switch C-SW and the discharge control switch D-SW may each include a field effect transistor (FET) (C-FET, D-FET) and diodes D11 and D12 .
  • FET field effect transistor
  • Each of the FETs (C-FET and D-FET) is connected in series to a large current path, and a current (discharge current or charge current) supplied through a large current path is supplied to the control terminal from the battery controller 110 according to a control signal You can block or allow it.
  • the charge control FET (C-FET) can block or allow the flow of the charge current supplied from the external charging device to the battery module 10 through the large current path.
  • the charge control FET (C-FET) When the charge control FET (C-FET) is turned on, the first and second terminals of the charge control FET (C-FET) are conducted, and the charge current can flow from the charge device to the battery module 10 through the large current path .
  • the charge control FET (C-FET) is turned off, the flow of the charge current flowing through the large current path between the charging device and the battery module 10 can be cut off.
  • the discharge control FET can block or allow the flow of the discharge current supplied from the battery module 10 to the external load through the large current path.
  • the discharge control FET D-FET
  • the discharge control FET D-FET
  • the discharge control FET D-FET
  • the discharge control FET D-FET
  • the discharge current flowing through the large current path between the battery module 10 and the load can be shut off.
  • each of the FETs is composed of an N-channel FET.
  • the first terminal, the second terminal, and the control terminal of each FET (C-FET, D-FET) become a source terminal, a drain terminal, and a gate terminal, respectively.
  • the drain terminals of the charge control FET (C-FET) and the discharge control FET (D-FET) are connected to each other, and the source terminals of the charge control FET (C- Module 10 and the pack terminal P +, respectively.
  • the charging control switch C-SW and the discharging control switch D-SW are connected between the positive electrode of the battery module 10 and the positive electrode pack terminal P + of the battery pack 100
  • the present invention is not limited thereto.
  • the charge control switch C-SW or the discharge control switch D-SW may be connected between the cathode of the battery module 10 and the cathode pack terminal P- of the battery pack 100 .
  • Each of the diodes D11 and D12 is a parasitic diode of each FET (C-FET, D-FET), and is configured so that current flows in a direction opposite to the direction in which the current is limited by the corresponding FET.
  • the diode D11 causes a current to flow to the discharge path
  • the diode D12 causes the current to flow to the charge path.
  • the fuse element F is connected in series to the large current path and can cut off the large current path of the battery module 10.
  • the fuse element F is a self control protection (SCP) element.
  • the fuse element F includes a pair of fuses F1 and F2 connected in series to the large current path of the battery module 10, And heating resistors RF1 and RF2 connected in parallel with the first and second switching elements F1 and F2.
  • the pair of fuses F1 and F2 constituting the fuse element F are connected in series between the anode of the battery module 10 and the anode pack terminal P +.
  • the heating resistors RF1 and RF2 are connected in parallel between a contact point between the first fuse F1 and the second fuse F2 and a control terminal of the fuse element F.
  • the heating resistors RF1 and RF2 generate heat in accordance with the voltage applied to the control terminal of the fuse element F and the fuses F1 and F2 are fused due to the heat generation of the heating resistors RF1 and RF2
  • the large current path of the battery module 10 can be cut off.
  • the temperature sensor TS detects the temperature around the battery module 10 and transmits the detected temperature to the battery controller 110.
  • the shunt resistor SR is a current sensing resistor and can be used to measure the current (charge current or discharge current) flowing in a large current path in series with the large current path.
  • the shunt resistor SR may be connected between the negative electrode of the battery module 10 and the negative electrode pack terminal P-.
  • the present invention is not limited thereto, and according to another embodiment, the shunt resistor SR may be connected to the large current path between the anode of the battery module 10 and the anode pack terminal (Pack +).
  • the battery controller 110 may control the overall operation of the battery protection circuit.
  • the battery controller 110 may include a voltage detection circuit (not shown) connected to each cell (Cell1, Cell2) of the battery module 10 through voltage measurement terminals.
  • the voltage detection circuit may detect the cell voltage of each cell (Cell1, Cell2) constituting the battery module 10 and the voltage across the battery module 10.
  • the battery controller 110 may include a current detection circuit (not shown) electrically connected to both ends of the shunt resistor SR through current measurement terminals.
  • the current detection circuit can measure the current flowing through the shunt resistor SR. Since the shunt resistor SR is located on the large current path between the battery module 10 and one of the pack terminals Pack-, the current detecting circuit measures the current flowing through the shunt resistor SR, The current (charge current or discharge current) can be measured.
  • the battery controller 110 can detect the ambient temperature of the battery module 10 through the temperature sensor TS.
  • the battery controller 110 controls the battery module 10 or the battery module 10 based on the cell voltages of the cells Cell1 and Cell2, the module voltage of the battery module 10, the current size flowing through the large current path, The state of charge (SOC) of each cell (Cell1, Cell2) constituting the battery module 10 can be obtained.
  • the charge control switch C-SW or the discharge control switch D-C is controlled based on the state of charge (SOC) of each cell Cell1, Cell2 constituting the battery module 10 or the battery module 10. [ SW to control ON / OFF of the charge control switch C-SW or the discharge control switch D-SW.
  • the battery controller 110 controls the charge control switch C-SW, the discharge control switch D-SW or the fuse element F to perform a protection operation for protecting the battery module 10 from overvoltage, overcurrent, Can be performed.
  • the battery controller 110 compares the cell voltages detected through the voltage detection circuit with a first reference voltage for determining an overvoltage due to overcharge and a second reference voltage for determining a lower voltage due to overdischarge. If the current battery module 10 is determined to be in an over-voltage state, the battery controller 110 turns on the charge control switch C-SW or the charge control switch C-SW and the discharge control switch D- Off. Also, when the battery module 10 is determined to be in an overvoltage state, the battery controller 110 may control the fuse element F to shut off the high current path. If the current battery module 10 is determined to be in a low voltage state, the battery controller 110 controls the discharge control switch D-SW or the charge control switch C-SW and the discharge control switch D- Can be turned off.
  • the battery controller 110 detects the overcurrent (overcharge current, overdischarge current) state of the battery module 10 based on the current flowing in the large current path, and when the battery module 10 is in the overcurrent state, The switch C-SW can be turned off or the charge control switch C-SW and the discharge control switch D-SW can be turned off. Also, when the battery module 10 is determined to be in an overcurrent state, the battery controller 110 may control the fuse element F to shut off the large current path.
  • the battery controller 110 detects a short failure in the battery pack 100 based on the current flowing in the large current path or the ambient temperature of the battery module 10, and when a short- It is possible to shut off the high current path by controlling the voltage (F).
  • the battery controller 110 may control operation of a cell balancing circuit (not shown) that performs cell balancing of the battery module 10 based on the cell voltages of the cells Cell1 and Cell2.
  • the battery controller 110 may be connected to an external device through the communication terminals T1 and T2 of the battery pack 100 to perform communication with the external device.
  • Each function of the battery controller 110 may be performed by a processor implemented in one or more central processing units (CPUs) or other chipsets, microcontroller units (MCUs), microprocessors, .
  • CPUs central processing units
  • MCUs microcontroller units
  • the protection circuit 120 includes a voltage detection circuit (not shown) connected to each of the cells Cell1 and Cell2 constituting the battery module 10, Voltage can be detected.
  • the protection circuit 120 detects an overvoltage state of each cell Cell1 and Cell2 based on the cell voltage of each cell Cell1 and Cell2 and controls the fuse element F when a certain cell becomes an overvoltage state, .
  • the cell protection circuits 131 and 132 detect the overvoltage, the short circuit, the overcurrent (overcharge current or overcurrent) state of each cell Cell1 and Cell2 based on the cell voltage of each cell Cell1 and Cell2, A protection operation can be performed. That is, when the corresponding cell is in the overvoltage, overcurrent or short-circuit state, each cell protection circuit 131, 132 opens the large current path through which the current flows between the cells 131, 132, Lt; / RTI >
  • Each of the cell protection circuits 131 and 132 may be connected in series between the cell and the cell or between the cell and the pack terminal on the large current path. 2, the cell protection circuits 131 and 132 are connected in series between the cell Cell1 and the cell Cell2, and between the cell Cell2 and the pack terminal P-.
  • the cell protection circuits 131 and 132 are connected to the corresponding cathodes of the corresponding cells.
  • the present invention is not limited thereto, Lt; / RTI >
  • the cell protection circuit 131 is connected between the anode of the corresponding cell Cell1 and the anode cell terminal P +
  • the cell protection circuit 132 is connected between the anode of the corresponding cell Cell2, Can be connected between the cathodes of the first cell (Cell 1).
  • the battery protection circuit further includes a voltage amplification circuit for controlling the switching elements (FET21 and FET22) in the cell protection circuits 131 and 132. In the case where the cell protection circuits 131 and 132 are connected to the corresponding cells, can do.
  • Each of the cell protection circuits 131 and 132 may include a plurality of FETs FET21 and FET22 having a common drain structure, a cell controller 210, a plurality of resistors R21 and R22, and a capacitor C21.
  • Each of the FETs (FET21 and FET22) is connected in series with a corresponding cell on a large current path, and can allow or block the flow of a current (charge current or discharge current) flowing in a large current path.
  • the first FET (FET21) is a discharge control switch of a corresponding cell, and can block or allow the flow of a discharge current supplied to an external load through a large current path.
  • the first FET (FET21) is turned on, the first and second terminals of the first FET (FET21) are conducted and the discharge current can flow through the high current path to the load.
  • the first FET (FET21) is turned off, the discharge current flowing through the large current path can be shut off.
  • the second FET (FET22) can block or allow the flow of the charging current supplied from the external charging device through the high current path to the charge control switch of the corresponding cell.
  • the second FET (FET22) is turned on, the first and second terminals of the second FET (FET22) are conducted and the charging current supplied from the charging device through the large current path can flow.
  • the second FET (FET 22) is turned off, the charge current flowing in the large current path can be shut off.
  • each of the FETs is composed of an N-channel FET.
  • the first terminal, the second terminal and the control terminal of each FET become the source terminal, the drain terminal and the gate terminal, respectively.
  • the drain terminals of the first and second FETs FET21 and FET22 are connected to each other and the source terminals of the first and second FETs FET21 and FET22 are connected to the cathode of the corresponding cell and the anode of the neighboring cell Or the negative electrode pack terminal P-).
  • the cell controller 210 is connected to both ends of the corresponding cell to detect the cell voltage of the corresponding cell. Further, on / off of the first and second FETs (FET21 and FET22) is detected based on the overvoltage, short circuit, overcurrent (overcharging current or overcurrent) state of the corresponding cell based on the cell voltage of the corresponding cell .
  • the cell controller 210 can turn off the second FET (FET 22), which is the charge controlling FET, to interrupt the flow of the charging current.
  • the second FET (FET22) can be turned on to allow charging current flow of the corresponding cell if the voltage of the corresponding cell is again lower than the overvoltage.
  • the reference voltage (overvoltage) for determining the overvoltage state of the corresponding cell in the cell controller 210 is set to a value higher than the first reference voltage for determining the overvoltage for the plurality of cells in the battery controller 110 . Then, the battery controller 110 can start the protection operation against the overvoltage first than the cell controller 210.
  • the cell controller 210 can turn off the first FET (FET21), which is the discharge control FET, to interrupt the flow of the discharge current.
  • the first FET (FET21) can be turned on to allow discharge current flow of the corresponding cell if the voltage of the corresponding cell is again higher than the low voltage.
  • the reference voltage (low voltage) for determining the low voltage state of the corresponding cell in the cell controller 210 is set to a value lower than the second reference voltage for determining the low voltage for the plurality of cells in the battery controller 110 . Then, the battery controller 110 can start the protection operation for the low voltage first than the cell controller 210.
  • the first and second FETs FET21 and FET22 and the cell controller 210 may be implemented as an integrated circuit (IC)
  • IC integrated circuit
  • an IC constituted by the first and second FETs (FET21 and FET22) and the cell controller 210 is referred to as a 'protection IC'.
  • Each protec- tion line IC 200 has a VDD terminal connected to the anode of the corresponding cell, a V- terminal for sensing the charging / discharging state of the corresponding cell, a cathode of the corresponding cell and a source terminal of the first FET And an S2 terminal for connecting the positive terminal of the neighboring cell and the source terminal of the second FET (FET22).
  • the first resistor R21 includes a first terminal connected to the anode of the corresponding cell and a second terminal connected to the VDD terminal of the corresponding protection IC 200, To the cell controller (210) in the protection IC (200).
  • the capacitor C21 is connected between the VDD terminal of the protection IC 200 (or the second terminal of the first resistor R21) and the S1 terminal of the protection IC 200, It is possible to stabilize the voltage input to the IC 200 (the voltage across the corresponding cell).
  • the second resistor R22 is connected between the S2 terminal (source terminal of the second FET (FET22) of the protection IC 200) and the V- terminal of the protection IC 200 and is connected together with the first resistor R21,
  • the high voltage charging device exceeding the absolute maximum rating of IC 200 may operate as a current limiting resistor for the case of inverted connection.
  • the cell protection circuits 131 and 132 may be mounted on a printed circuit board (PCB) 300 on which a battery protection circuit is mounted, as shown in FIG.
  • PCB printed circuit board
  • the battery protection circuit 120 may include a battery protection circuit 120, for example, It is.
  • the PCB 300 includes a plurality of conductive taps NT1 to NT4, and each of the conductive taps NT1 to NT4 is coupled to an anode or a cathode of a corresponding cell.
  • the PCB 300 is mounted with the cell protection circuits 131 and 132 including the protection IC 200, the first and second resistors R21 and R22, and the capacitor C21.
  • the cell protection circuits 131 and 132 can be mounted on the printed circuit board 300 unlike the TCO, and need not be disposed in contact with the respective cells. Therefore, the assembling complexity and the unit cost of the battery pack 100 can be reduced as compared with the conventional battery pack using the TCO for performing the protection operation for each cell.
  • the battery controller 110, the protection circuit 120, and the cell controller 210 of the protection IC 200 can assist each other in protecting functions. That is, even if one of the battery controller 110, the protection circuit 120, and the cell controller 210 of the protection IC 200 malfunctions to perform the battery protection function properly, the remainder performs the battery protection function, And operates to secure the safety of the pack 100. To this end, the battery controller 110, the protection circuit 120, and the cell controller 210 of the protection IC 200 are independently driven.
  • FET 21 first FET
  • FET 22 second FET

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

배터리 보호 회로는, 직렬 연결되는 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈과 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치, 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및 상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 각각에 연결되며, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 대응하는 셀에 흐르는 전류를 차단하거나 허용하는 복수의 제1 보호 회로를 포함하며, 상기 복수의 제1 보호 회로는 각각, 서로 이웃하는 셀들 사이, 또는 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 복수의 팩 단자 중 제1 팩 단자 사이에 직렬 연결되는 적어도 하나의 스위치, 및 상기 대응하는 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함할 수 있다.

Description

배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩
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 탑재되기되기도 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.
실시 예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 다직렬 구조의 배터리 팩에서 셀 별로 보호 동작을 지원할 수 있는 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 실시 예에 따른 배터리 보호 회로는, 직렬 연결되는 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈과 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치, 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및 상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 각각에 연결되며, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 대응하는 셀에 흐르는 전류를 차단하거나 허용하는 복수의 제1 보호 회로를 포함하며, 상기 복수의 제1 보호 회로는 각각, 서로 이웃하는 셀들 사이, 또는 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 복수의 팩 단자 중 제1 팩 단자 사이에 직렬 연결되는 적어도 하나의 스위치, 및 상기 대응하는 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호 회로는, 상기 대전류 경로에 직렬 연결되는 퓨즈 소자, 및 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자를 제어하는 제2 보호 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 퓨즈 소자는, 제어 단자, 상기 제어 단자에 연결되며 상기 제어 단자에 인가되는 전압에 따라 발열하는 적어도 하나의 발열용 저항, 및 상기 대전류 경로에 직렬 연결되며, 상기 발열용 저항의 발열에 의해 단선되는 퓨즈를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 보호 회로는 서로 독립적으로 구동될 수 있다.
상기 적어도 하나의 스위치는, 전계 효과 트랜지스터일 수 있다.
상기 적어도 하나의 스위치는, 드레인 단자, 상기 대응하는 셀의 제1 전극에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제1 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 스위치는, 상기 제1 채널 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 대응하는 셀과 이웃하는 셀 또는 상기 제1 팩 단자와 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제2 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 보호 회로 각각은, 상기 대응하는 셀의 제2 전극에 연결되며, 상기 대응하는 셀의 제2 전극의 전압을 상기 셀 제어기로 전달하는 제1 저항, 상기 제1 저항과 상기 대응하는 셀의 제1 전극 사이에 연결되는 캐패시터, 및 상기 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 제1 저항과 전류 제한 저항으로 동작하는 제2 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 대응하는 셀의 제1 전극은, 상기 대응하는 셀의 음극일 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 팩은, 직렬 연결되는 복수의 셀이 포함된 배터리 모듈, 복수의 팩 단자, 상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치, 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및 상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 각각에 연결되며, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 대응하는 셀에 흐르는 전류를 차단하거나 허용하는 복수의 제1 보호 회로를 포함하며, 상기 복수의 제1 보호 회로는 각각, 서로 이웃하는 셀들 사이, 또는 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 복수의 팩 단자 중 제1 팩 단자 사이에 직렬 연결되는 적어도 하나의 스위치, 및 상기 대응하는 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩은 상기 대전류 경로에 직렬 연결되는 퓨즈 소자, 및 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자를 제어하는 제2 보호 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩의 상기 적어도 하나의 스위치는, 드레인 단자, 상기 대응하는 셀의 제1 전극에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제1 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터, 및 상기 제1 채널 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 대응하는 셀과 이웃하는 셀 또는 상기 제1 팩 단자와 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제2 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩의 상기 복수의 제1 보호 회로 각각은, 상기 대응하는 셀의 제2 전극에 연결되며, 상기 대응하는 셀의 제2 전극의 전압을 상기 셀 제어기로 전달하는 제1 저항, 상기 제1 저항과 상기 대응하는 셀의 제1 전극 사이에 연결되는 캐패시터, 및 상기 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 제1 저항과 전류 제한 저항으로 동작하는 제2 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 셀의 과전압 또는 저전압에 대해서, 상기 배터리 제어기가 상기 셀 제어기보다 보호 동작을 먼저 기동시킬 수 있다.
실시 예에 따른 배터리 보호 회로는 과충전이나 단락 등의 위험으로부터 각 셀의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호 회로는 탑재 공정이 용이하며 TCO를 탑재하는 경우와 대비하여 추가적인 부자재를 필요로 하지 않아, 배터리 팩의 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩의 셀 보호 회로를 구체적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시 예에 따른 셀 보호 회로가 탑재되는 보호 회로 모듈 PCB의 일 예를 도시한 것이다.
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 실시 예에 따른 배터리 보호 회로 및 이를 포함하는 배터리 팩에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩의 셀 보호 회로를 구체적으로 도시한 것이다. 또한, 도 3은 실시 예에 따른 셀 보호 회로가 실장된 인쇄회로기판의 일 예를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 배터리 팩(100)은 배터리 모듈(10), 인터페이스(30) 및 배터리 보호 회로를 포함할 수 있다. 한편, 도 1 및 도 2에 도시된 구성요소들은 필수적인 것은 아니어서, 실시 예에 따른 배터리 팩은 그보다 더 많거나 더 적은 구성요소를 포함하도록 구현될 수 있다.
배터리 모듈(10)은 서로 직렬 연결되는 복수의 셀(Cell1, Cell2)을 포함할 수 있다. 한편, 도 1 및 도 2에서는 배터리 모듈(10)이 2개의 셀을 포함하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니다. 다른 실시 예에 따르면, 배터리 모듈은 서로 직렬 연결되는 3개 이상의 셀을 포함할 수도 있다.
인터페이스(30)는 외부 기기와의 인터페이스를 수행하기 위한 복수의 단자들을 포함할 수 있다. 인터페이스(30)는 외부의 부하로 전기 에너지를 공급하거나, 외부의 충전 장치로부터 전기 에너지를 인가 받기 위한 팩 단자들(P+, P-)과, 외부 기기와 통신하기 위한 통신 단자들(T1, T2)을 포함할 수 있다.
배터리 보호 회로는, 충전 제어 스위치(C-SW), 방전 제어 스위치(D-SW), 퓨즈 소자(F), 온도 센서(TS), 션트 저항(SR), 배터리 제어기(110), 보호 회로(120) 및 셀 보호 회로들(131, 132)을 포함할 수 있다.
충전 제어 스위치(C-SW)는 배터리 모듈(10)의 충전 경로에 직렬로 연결되며, 배터리 모듈(10)의 충전 전류를 차단하거나 공급할 수 있다. 충전 경로는, 배터리 팩(100)의 팩 단자들(P+, P-)을 통해 연결되는 충전 장치(미도시)와 배터리 모듈(10) 사이의 전류 흐름 경로로서, 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류를 배터리 모듈(10)로 전달하기 위한 경로이다.
방전 제어 스위치(D-SW)는 배터리 모듈(10)의 방전 경로에 직렬로 연결되며, 배터리 모듈(10)의 방전 전류를 차단하거나 공급할 수 있다. 방전 경로는, 배터리 팩(100)의 팩 단자들(P+, P-)을 통해 연결되는 부하(미도시)와 배터리 모듈(10) 사이의 전류 흐름 경로로서, 배터리 모듈(10)로부터 공급되는 방전 전류를 부하로 전달하기 위한 경로이다.
충전 경로 및 방전 경로는, 배터리 팩(100) 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-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)는 각각 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)(C-FET, D-FET) 및 다이오드(D11, D12)를 포함할 수 있다.
각 FET(C-FET, D-FET)는 대전류 경로에 직렬로 연결되며, 배터리 제어기(110)로부터 제어 단자로 인가되는 제어 신호에 따라 대전류 경로를 통해 공급되는 전류(방전 전류 또는 충전 전류)를 차단하거나 허용할 수 있다.
충전 제어 FET(C-FET)는 외부의 충전 장치로부터 대전류 경로를 통해 배터리 모듈(10)로 공급되는 충전 전류의 흐름을 차단하거나 허용할 수 있다. 충전 제어 FET(C-FET)가 온 되는 경우, 충전 제어 FET(C-FET)의 제1 및 제2 단자가 도통되어 대전류 경로를 통해 충전 장치로부터 배터리 모듈(10)로 충전 전류가 흐를 수 있다. 반면에, 충전 제어 FET(C-FET)가 오프되는 경우, 충전 장치와 배터리 모듈(10) 사이의 대전류 경로를 흐르는 충전 전류의 흐름이 차단될 수 있다.
방전 제어 FET(D-FET)는 대전류 경로를 통해 배터리 모듈(10)로부터 외부의 부하로 공급되는 방전 전류의 흐름을 차단하거나 허용할 수 있다. 방전 제어 FET(D-FET)가 온 되는 경우, 방전 제어 FET(D-FET)의 제1 및 제2 단자가 도통되어 대전류 경로를 통해 배터리 모듈(10)로부터 부하로 방전 전류가 흐를 수 있다. 반면에, 방전 제어 FET(D-FET)가 오프되는 경우, 배터리 모듈(10)과 부하 사이의 대전류 경로를 흐르는 방전 전류 흐름이 차단될 수 있다.
도 2를 예로 들면, 각 FET(D-FET, C-FET)는 N채널 FET로 구성된다. 이 경우, 각 FET(C-FET, D-FET)의 제1 단자, 제2 단자 및 제어 단자는 각각 소스 단자, 드레인 단자 및 게이트 단자가 된다. 또한, 충전 제어 FET(C-FET)와 방전 제어 FET(D-FET)의 드레인 단자가 서로 연결되며, 충전 제어 FET(C-FET)와 방전 제어 FET(D-FET)의 소스 단자는, 배터리 모듈(10) 및 팩 단자(P+) 에 각각 연결된다.
한편, 도 1 및 도 2에서는 충전 제어 스위치(C-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)가 배터리 모듈(10)의 양극과 배터리 팩(100)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-SW) 또는 방전 제어 스위치(D-SW)가 배터리 모듈(10)의 음극과 배터리 팩(100)의 음극 팩 단자(P-) 사이에 연결될 수도 있다.
각 다이오드(D11, D12)는 각 FET(C-FET, D-FET)의 기생 다이오드(parasitic diode)로서, 대응하는 FET에 의해 전류가 제한되는 방향에 반대 방향으로 전류가 흐르도록 구성된다. 예를 들어, 다이오드(D11)는 방전 경로로 전류가 흐르도록 하며, 다이오드(D12)는 충전 경로로 전류가 흐르도록 한다.
퓨즈 소자(F)는 대전류 경로에 직렬 연결되며, 배터리 모듈(10)의 대전류 경로를 차단할 수 있다.
도 2를 예로 들면, 퓨즈 소자(F)는 자가 제어 보호(Self Control Protection, SCP) 소자로서, 배터리 모듈(10)의 대전류 경로에 직렬 연결되는 한 쌍의 퓨즈(F1, F2)와, 퓨즈들(F1, F2)과 병렬 연결되는 발열용 저항들(RF1, RF2)을 포함할 수 있다.
퓨즈 소자(F)를 구성하는 한 쌍의 퓨즈들(F1, F2)은 배터리 모듈(10)의 양극과 양극 팩 단자(P+) 사이에 직렬로 연결된다. 제1 퓨즈(F1)와 제2퓨즈(F2) 사이의 접점과 퓨즈 소자(F)의 제어 단자 사이에는 발열용 저항들 (RF1, RF2)이 병렬 연결된다. 발열용 저항들(RF1, RF2)은 퓨즈 소자(F)의 제어 단자로 인가되는 전압에 따라서 발열하며, 퓨즈들(F1, F2)은 발열용 저항들 (RF1, RF2)의 발열로 인해 용단되어 배터리 모듈(10)의 대전류 경로를 차단할 수 있다.
온도 센서(TS)는 배터리 모듈(10) 주변의 온도를 검출하여 배터리 제어기(110)로 전달한다.
션트 저항(SR)은 전류 센싱 저항으로, 대전류 경로에 직렬 연결되어 대전류 경로를 통해 흐르는 전류(충전 전류 또는 방전 전류)를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 예로 들면, 션트 저항(SR)은 배터리 모듈(10)의 음극 과 음극 팩 단자(P-) 사이에 연결될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이로 한정되는 것은 아니어서, 다른 실시 예에 따르면, 션트 저항(SR)은 배터리 모듈(10)의 양극과 양극 팩 단자(Pack+) 사이의 대전류 경로에 연결될 수도 있다.
배터리 제어기(110)는 배터리 보호 회로의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 전압 측정용 단자들을 통해 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)에 연결되는 전압 검출 회로(미도시)를 포함할 수 있다. 전압 검출 회로는 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압과, 배터리 모듈(10)의 양단 전압을 검출할 수도 있다.
배터리 제어기(110)는 전류 측정용 단자들을 통해 션트 저항(SR)의 양 단에 전기적으로 연결되는 전류 검출 회로(미도시)를 포함할 수 있다. 전류 검출 회로는 션트 저항(SR)을 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 션트 저항(SR)은 배터리 모듈(10)과 어느 하나의 팩 단자(Pack-) 사이의 대전류 경로 상에 위치하므로, 전류 검출 회로는 션트 저항(SR)을 흐르는 전류를 측정하여 대전류 경로를 통해 흐르는 전류(충전 전류 또는 방전 전류)를 측정할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 온도 센서(TS)를 통해 배터리 모듈(10)의 주변 온도를 검출할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압, 배터리 모듈(10)의 모듈 전압, 대전류 경로를 흐르는 전류 크기, 배터리 모듈(10)의 주변 온도 등을 토대로 배터리 모듈(10) 또는 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 획득할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(10) 또는 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 토대로 충전 제어 스위치(C-SW) 또는 방전 제어 스위치(D-SW)로 제어 신호를 출력하여, 충전 제어 스위치(C-SW), 또는 방전 제어 스위치(D-SW)의 온/오프를 제어할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 충전 제어 스위치(C-SW), 방전 제어 스위치(D-SW) 또는 퓨즈 소자(F)를 제어하여, 과전압, 과전류, 단락 등으로부터 배터리모듈(10)을 보호하는 보호 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 배터리 제어기(110)는 전압 검출 회로를 통해 검출되는 셀 전압들을 과충전에 의한 과전압을 판단하기 위한 제1 기준 전압 및 과방전에 의한 저전압을 판단하기 위한 제2 기준 전압과 비교한다. 비교 결과 현재 배터리 모듈(10)이 과전압 상태로 판단되면, 배터리 제어기(110)는 충전 제어 스위치(C-SW) 또는, 충전 제어 스위치(C-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)를 턴 오프 시킬 수 있다. 또한, 배터리 제어기(110)는 배터리 모듈(10)이 과전압 상태로 판단되면, 퓨즈 소자(F)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수도 있다. 그리고, 비교 결과 현재 배터리 모듈(10)이 저전압 상태로 판단되면, 배터리 제어기(110)는 방전 제어 스위치(D-SW) 또는, 충전 제어 스위치(C-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)를 턴 오프 시킬 수 있다.
또한, 예를 들어, 배터리 제어기(110)는 대전류 경로를 흐르는 전류를 토대로 배터리 모듈(10)의 과전류(과충전 전류, 과방전 전류) 상태를 검출하고, 배터리 모듈(10)이 과전류 상태이면 충전 제어 스위치(C-SW)를 턴 오프 시키거나, 충전 제어 스위치(C-SW) 및 방전 제어 스위치(D-SW)를 턴 오프 시킬 수 있다. 또한, 배터리 제어기(110)는 배터리 모듈(10)이 과전류 상태로 판단되면, 퓨즈 소자(F)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수도 있다.
또한, 예를 들어, 배터리 제어기(110)는 대전류 경로를 흐르는 전류 또는 배터리 모듈(10)의 주변 온도를 토대로 배터리 팩(100) 내 단락(short) 고장을 검출하고, 단락 고장이 검출되면 퓨즈 소자(F)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수 있다.
배터리 제어기(110)는 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압을 토대로 배터리 모듈(10)의 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 회로(미도시)의 동작을 제어할 수도 있다.
배터리 제어기(110)는 배터리 팩(100)의 통신 단자들(T1, T2)을 통해 외부 기기와 연결되어, 외부 기기와 통신을 수행할 수도 있다.
배터리 제어기(110)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.
보호 회로(120)는, 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(Cell1, Cell2)에 연결되는 전압 검출 회로(미도시)를 포함하며, 전압 검출 회로를 통해 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압을 검출할 수 있다.
보호 회로(120)는 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압에 기초하여 각 셀(Cell1, Cell2)의 과전압 상태를 검출하고, 특정 셀이 과전압 상태가 되면 퓨즈 소자(F)를 제어하여 대전류 경로를 차단할 수 있다.
셀 보호 회로들(131, 132)은 각 셀(Cell1, Cell2)의 셀 전압을 토대로 각 셀(Cell1, Cell2)의 과전압, 단락, 과전류(과충전 전류 또는 과방전 전류) 상태를 검출하고, 이를 토대로 보호 동작을 수행할 수 있다. 즉, 각 셀 보호 회로(131, 132)는 대응하는 셀이 과전압, 과전류 또는 단락 상태이면, 셀들(131, 132) 사이의 전류가 흐르는 대전류 경로를 개방하여 셀들(131, 132) 사이의 전류 흐름을 차단할 수 있다.
각 셀 보호 회로(131, 132)는 대전류 경로 상에서 셀과 셀 사이 또는 셀과 팩 단자 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 도 2를 예로 들면, 각 셀 보호 회로(131, 132)는 셀(Cell1)과 셀(Cell2) 사이, 셀(Cell2)과 팩 단자(P-) 사이에 직렬로 연결된다.
한편, 도 2에서는 각 셀 보호 회로(131, 132)가 대응하는 셀의 음극 에 연결되는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명이 이로 한정되는 것은 아니어서, 셀 보호 회로는 대응하는 셀의 양극에 연결될 수도 있다. 이 경우, 셀 보호 회로(131)는 대응하는 셀(Cell1)의 양극과 양극 팩 단자(P+) 사이에 연결되고, 셀 보호 회로(132)는 대응하는 셀(Cell2)의 양극과, 이웃하는 셀(Cell1)의 음극 사이에 연결될 수 있다. 각 셀 보호 회로(131, 132)가 대응하는 셀의 양극에 연결되는 경우, 배터리 보호 회로는 셀 보호 회로(131, 132) 내 스위칭 소자(FET21, FET22)의 제어를 위해 전압 증폭 회로를 더 포함할 수 있다.
각 셀 보호 회로(131, 132)는 공통 드레인 구조를 가지는 복수의 FET(FET21, FET22), 셀 제어기(210), 복수의 저항(R21, R22) 및 캐패시터(C21)를 포함할 수 있다.
각 FET(FET21, FET22)는 대전류 경로 상에서 대응하는 셀과 직렬로 연결되며, 대전류 경로를 흐르는 전류(충전 전류 또는 방전 전류)의 흐름을 허용하거나 차단할 수 있다.
제1 FET(FET21)는 대응하는 셀의 방전 제어용 스위치로, 대전류 경로를 통해 외부의 부하로 공급되는 방전 전류의 흐름을 차단하거나 허용할 수 있다. 제1 FET(FET21)가 온 되는 경우, 제1 FET(FET21)의 제1 및 제2 단자가 도통되어 대전류 경로를 통해 부하로 방전 전류가 흐를 수 있다. 반면에, 제1 FET(FET21)가 오프되는 경우, 대전류 경로를 흐르는 방전 전류 흐름이 차단될 수 있다.
제2 FET(FET22)는 대응하는 셀의 충전 제어용 스위치로 대전류 경로를 통해 외부의 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류의 흐름을 차단하거나 허용할 수 있다. 제2 FET(FET22)가 온 되는 경우, 제2 FET(FET22)의 제1 및 제2 단자가 도통되어 대전류 경로를 통해 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류가 흐를 수 있다. 반면에, 제2 FET(FET22)가 오프되는 경우, 대전류 경로를 흐르는 충전 전류 흐름이 차단될 수 있다.
도 2를 예로 들면, 각 FET(FET21, FET22)는 N채널 FET로 구성된다. 이 경우, 각 FET(FET21, FET22)의 제1 단자, 제2 단자 및 제어 단자는 각각 소스 단자, 드레인 단자 및 게이트 단자가 된다. 또한, 제1 및 제2 FET(FET21, FET22)의 드레인 단자가 서로 연결되며, 제1 및 제2 FET(FET21, FET22)의 소스 단자는, 대응하는 셀의 음극과, 이웃하는 셀의 양극(또는 음극 팩 단자(P-))에 각각 연결된다.
셀 제어기(210)는 대응하는 셀의 양 단에 연결되어, 대응하는 셀의 셀 전압을 검출한다. 또한, 대응하는 셀의 셀 전압을 토대로 대응하는 셀의 과전압, 단락, 과전류(과충전 전류 또는 과방전 전류) 상태를 검출하고, 이를 토대로 제1 및 제2 FET(FET21, FET22)의 온/오프를 제어한다.
예를 들어, 셀 제어기(210)는 대응하는 셀의 전압이 기 설정된 과전압 이상이면, 충전 제어용 FET인 제2 FET(FET22)를 오프하여 충전 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 이 경우, 제2 FET(FET22)는 대응하는 셀의 전압이 다시 과전압보다 낮아지면 온 되어 대응하는 셀의 충전 전류 흐름을 허용할 수 있다. 여기서, 셀 제어기(210)에서 대응하는 셀의 과전압 상태를 판단하기 위한 기준 전압(과전압)은 배터리 제어기(110)에서 복수의 셀에 대한 과전압을 판단하기 위한 제1 기준 전압보다 높은 값으로 설정될 수 있다. 그러면, 배터리 제어기(110)가 셀 제어기(210)보다 과전압에 대한 보호 동작을 먼저 기동시킬 수 있다.
또한, 셀 제어기(210)는 대응하는 셀의 전압이 기 설정된 저전압 이하이면, 방전 제어용 FET인 제1 FET(FET21)를 오프하여 방전 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 이 경우, 제1 FET(FET21)는 대응하는 셀의 전압이 다시 저전압보다 높아지면 온 되어 대응하는 셀의 방전 전류 흐름을 허용할 수 있다. 여기서, 셀 제어기(210)에서 대응하는 셀의 저전압 상태를 판단하기 위한 기준 전압(저전압)은 배터리 제어기(110)에서 복수의 셀에 대한 저전압을 판단하기 위한 제2 기준 전압보다 낮은 값으로 설정될 수 있다. 그러면, 배터리 제어기(110)가 셀 제어기(210)보다 저전압에 대한 보호 동작을 먼저 기동시킬 수 있다.
제1 및 제2 FET(FET21, FET22)와, 셀 제어기(210)는 하나의 집적 회로(Integrated Circuit, IC)(200)로 구현될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제1 및 제2 FET(FET21, FET22)와, 셀 제어기(210)로 구성되는 IC를 '프로텍션 IC'라 명명하여 사용한다.
각 프로텍선 IC(200)는 대응하는 셀의 양극과 연결되는 VDD 단자, 대응하는 셀의 충방전 상태를 감지하기 위한 V- 단자, 대응하는 셀의 음극과 제1 FET(FET21)의 소스 단자를 연결하는 S1 단자 및 이웃하는 셀의 양극과 제2 FET(FET22)의 소스 단자를 연결하는 S2 단자를 포함할 수 있다.
제1 저항(R21)은 대응하는 셀의 양극에 연결되는 제1 단자와, 대응하는 프로텍션 IC(200)의 VDD 단자에 연결되는 제2 단자를 포함하며, VDD 단자를 통해 대응하는 셀의 양극 전압을 프로텍션 IC(200) 내 셀 제어기(210)로 전달할 수 있다.
캐패시터(C21)는 프로텍션 IC(200)의 VDD 단자(또는 제1 저항(R21)의 제2 단자)와, 프로텍션 IC(200)의 S1 단자 사이에 연결되며, 제1 저항(R21)과 함께 프로텍션 IC(200)로 입력되는 전압(대응하는 셀의 양단 전압)을 안정시키는 기능을 수행할 수 있다.
제2 저항(R22)은 프로텍션 IC(200)의 S2 단자(제2 FET(FET22)의 소스 단자)와 프로텍션 IC(200)의 V- 단자 사이에 연결되며, 제1 저항(R21)과 함께 프로텍션 IC(200)의 절대 최대 정격을 초과하는 고전압 충전 장치가 거꾸로 연결되는 경우에 대해 전류 제한 저항으로 동작할 수 있다.
셀 보호 회로들(131, 132)은 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 보호 회로가 탑재되는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)(300)에 실장될 수 있다.
도 3은 배터리 보호 회로가 탑재되는 PCB(300)의 일 예를 도시한 것으로서, 배터리 보호 회로(120)의 일부 구성 요소(예를 들어, 보호 회로(120))가 생략된 상태를 예로 들어 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, PCB(300)는 복수의 도전성 탭(NT1 ~ NT4)을 포함하며, 각 도전성 탭(NT1 ~ NT4)은 대응하는 셀의 양극 또는 음극에 결합한다. 또한, PCB(300)에는 프로텍션 IC(200), 제1 및 제2 저항(R21, R22), 그리고 캐패시터(C21)로 구성되는 셀 보호 회로(131, 132)가 실장된다.
이와 같이, 셀 보호 회로(131, 132)는 TCO와 달리 인쇄회로기판(300) 상에 실장이 가능하며, 각 셀에 반드시 접하도록 배치될 필요가 없다. 따라서, 셀 별로 보호 동작을 수행하기 위해 TCO를 사용하던 종래의 배터리 팩에 비해, 배터리 팩(100)의 조립 복잡도 및 단가를 낮출 수 있다.
또한, TCO를 사용하던 종래의 배터리 팩에 비해, 주변 온도에 의한 영향이 감소하여 셀 보호 동작의 정확도가 개선될 수 있다.
한편, 배터리 제어기(110), 보호 회로(120) 및 프로텍션 IC(200)의 셀 제어기(210)는, 서로의 보호 기능을 보조할 수 있다. 즉, 배터리 제어기(110), 보호 회로(120) 및 프로텍션 IC(200)의 셀 제어기(210) 중 어느 하나가 오동작하여 배터리 보호 기능을 제대로 수행하지 못하더라도, 나머지가 배터리 보호 기능을 수행하여 배터리 팩(100)의 안전성을 확보하도록 동작한다. 이를 위해, 배터리 제어기(110), 보호 회로(120) 및 프로텍션 IC(200)의 셀 제어기(210)는 서로 독립적으로 구동된다.
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.
(부호의 설명)
10: 배터리 모듈
30: 인터페이스
100: 배터리 팩
110: 배터리 제어기
120: 보호 회로
131, 132: 셀 보호 회로
300: 프로텍션 IC
310: 셀 제어기
400: PCB
C-SW: 충전 제어 스위치
D-SW: 방전 제어 스위치
F: 퓨즈 소자
TS: 온도 센서
FET21: 제1 FET
FET22: 제2 FET
R21: 제1 저항
R22: 제2 저항
C21: 캐패시터
D21, D22: 기생 다이오드

Claims (15)

  1. 직렬 연결되는 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈과 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치,
    상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및
    상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 각각에 연결되며, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 대응하는 셀에 흐르는 전류를 차단하거나 허용하는 복수의 제1 보호 회로를 포함하며,
    상기 복수의 제1 보호 회로는 각각,
    서로 이웃하는 셀들 사이, 또는 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 복수의 팩 단자 중 제1 팩 단자 사이에 직렬 연결되는 적어도 하나의 스위치, 및
    상기 대응하는 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함하는 배터리 보호 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대전류 경로에 직렬 연결되는 퓨즈 소자, 및
    상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자를 제어하는 제2 보호 회로를 더 포함하는 배터리 보호 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 퓨즈 소자는,
    제어 단자,
    상기 제어 단자에 연결되며 상기 제어 단자에 인가되는 전압에 따라 발열하는 적어도 하나의 발열용 저항, 및
    상기 대전류 경로에 직렬 연결되며, 상기 발열용 저항의 발열에 의해 단선되는 퓨즈를 포함하는 배터리 보호 회로.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보호 회로는 서로 독립적으로 구동되는 배터리 보호 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치는, 전계 효과 트랜지스터인 배터리 보호 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치는,
    드레인 단자, 상기 대응하는 셀의 제1 전극에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제1 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 배터리 보호 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치는,
    상기 제1 채널 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 대응하는 셀과 이웃하는 셀 또는 상기 제1 팩 단자와 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제2 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터를 더 포함하는 배터리 보호 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 보호 회로 각각은,
    상기 대응하는 셀의 제2 전극에 연결되며, 상기 대응하는 셀의 제2 전극의 전압을 상기 셀 제어기로 전달하는 제1 저항,
    상기 제1 저항과 상기 대응하는 셀의 제1 전극 사이에 연결되는 캐패시터, 및
    상기 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 제1 저항과 전류 제한 저항으로 동작하는 제2 저항을 더 포함하는 배터리 보호 회로.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 대응하는 셀의 제1 전극은, 상기 대응하는 셀의 음극인 배터리 보호 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 셀의 과전압 또는 저전압에 대해서, 상기 배터리 제어기가 상기 셀 제어기 보다 보호 동작을 먼저 기동시키는 배터리 보호 회로.
  11. 직렬 연결되는 복수의 셀이 포함된 배터리 모듈,
    복수의 팩 단자,
    상기 배터리 모듈과 상기 복수의 팩 단자 사이의 대전류 경로에 직렬 연결되는 충전 제어 스위치,
    상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 충전 제어 스위치를 제어하는 배터리 제어기, 및
    상기 대전류 경로 상에서 상기 복수의 셀 각각에 연결되며, 상기 복수의 셀 중 대응하는 셀의 셀 전압에 기초하여 상기 대응하는 셀에 흐르는 전류를 차단하거나 허용하는 복수의 제1 보호 회로를 포함하며,
    상기 복수의 제1 보호 회로는 각각,
    서로 이웃하는 셀들 사이, 또는 상기 복수의 셀 중 어느 하나와 상기 복수의 팩 단자 중 제1 팩 단자 사이에 직렬 연결되는 적어도 하나의 스위치, 및
    상기 대응하는 셀의 셀 전압에 따라 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 셀 제어기를 포함하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 대전류 경로에 직렬 연결되는 퓨즈 소자, 및
    상기 복수의 셀 각각의 셀 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자를 제어하는 제2 보호 회로를 더 포함하는 배터리 팩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위치는,
    드레인 단자, 상기 대응하는 셀의 제1 전극에 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제1 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제1 N채널 전계 효과 트랜지스터, 및
    상기 제1 채널 전계 효과 트랜지스터의 드레인 단자에 연결되는 드레인 단자, 상기 대응하는 셀과 이웃하는 셀 또는 상기 제1 팩 단자와 연결되는 소스 단자 및 상기 셀 제어기로부터 제어 신호가 인가되는 게이트 단자를 포함하며, 상기 대응하는 셀에 제2 방향으로 흐르는 전류를 제어하는 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 배터리 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 제1 보호 회로 각각은,
    상기 대응하는 셀의 제2 전극에 연결되며, 상기 대응하는 셀의 제2 전극의 전압을 상기 셀 제어기로 전달하는 제1 저항,
    상기 제1 저항과 상기 대응하는 셀의 제1 전극 사이에 연결되는 캐패시터, 및
    상기 제2 N채널 전계 효과 트랜지스터의 소스 단자에 연결되며, 상기 제1 저항과 전류 제한 저항으로 동작하는 제2 저항을 더 포함하는 배터리 팩.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 셀의 과전압 또는 저전압에 대해서, 상기 배터리 제어기가 상기 셀 제어기보다 보호 동작을 먼저 기동시키는 배터리 팩.
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