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KR101089833B1 - 전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩 - Google Patents

전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩 Download PDF

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KR101089833B1
KR101089833B1 KR1020070003300A KR20070003300A KR101089833B1 KR 101089833 B1 KR101089833 B1 KR 101089833B1 KR 1020070003300 A KR1020070003300 A KR 1020070003300A KR 20070003300 A KR20070003300 A KR 20070003300A KR 101089833 B1 KR101089833 B1 KR 101089833B1
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discharge
charge
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current
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Abstract

본 발명은 전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩을 개시한다. 본 발명에 따른 전지 보호용 소프트 스타트 회로는, 이차 전지에 내장되어 방전 회로 연결에 따른 방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서, 방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 방전 스위칭 소자; 및 방전 스위칭 소자와 이차 전지 사이에 전기적으로 병렬 연결되어, 방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부;를 포함하되, 스위칭 소자 구동부는 방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하고, 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백함으로써, 이차 전지 및 충ㆍ방전 회로의 연결시, 구성 회로의 손상없이 소프트 스타트 제어가 가능한 장점이 있다.
이차 전지, 소프트 스타트, 충방전, 정전류, 네거티브 피드백

Description

전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩{Soft start circuit for protecting battery and Battery pack having the same}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 전지 보호 회로를 도시하는 회로도.
도 2는 종래 기술에 따른 다른 전지 보호 회로를 도시하는 회로도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소프트 스타트 회로를 도시하는 회로도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 소자 구동부를 도시하는 회로도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 회로 연결에 따른 방전 전류를 제어하는 과정을 설명하기 위한 순서도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 회로 연결에 따른 방전 전류를 도시하는 그래프.
도 7은 도 4의 A 지점에서 측정된 제 1 연산 증폭기의 출력 전압을 도시하는 그래프.
도 8은 도 4의 B 지점에서 측정된 제 2 연산 증폭기의 출력 전압을 도시하는 그래프.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 회로 연결에 따른 충전 전류를 제어하는 과정을 설명하기 위한 순서도.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>
100...이차 전지 200...제어부
300...소프트 스타트 회로 310...DFET
320...CFET 330...스위칭 소자 구동부
331...제 1 연산 증폭기 331a...센싱 저항
332...제 2 연산 증폭기 333...구동 트랜지스터
340...충ㆍ방전 연동 스위치
본 발명은 전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이차 전지의 충ㆍ방전 회로 연결에 따른 초기 과도 전류의 제어가 가능한 전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩에 관한 것이다.
일반적으로, 이차 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방전과, 그 변환과 역방향인 충전 과정을 통하여 반복 사용이 가능한 전지이며, 그 종류로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬-이온 전지 및 리튬-이온 폴리머 전지 등이 있다.
최근, 이차 전지의 성장은 디지털 가전 기기와 휴대 단말기 등을 포함하는 신규 시장의 급성장에 기인한다. 이러한 이차 전지는 리튬 계열 전지와 니켈-수소 계열의 전지로 분류된다.
리튬 계열의 소형 이차 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 제품에 적용되며, 니켈-수소 계열의 중대형 이차 전지는 HUV(Hybrid Electric Vehicle) 등의 전기 자동차에 적용된다.
전기 자동차의 동력으로 사용되는 중대형 이차 전지는 직ㆍ병렬로 연결된 다수의 단위 전지셀로 구성되며, 이러한 구성의 이차 전지 모듈은 자동차의 구동에 사용되는 모터에 고전압을 공급한다.
한편, 이차 전지는 비정상적인 상황 즉, 과충전, 과전류 또는 과방전 등에서 폭발 및 발화가 일어나게 된다. 특히, 리튬계 이차 전지가 일정 범위의 전압을 넘어 작동하면 이차 전지의 열화나 손상을 받는 정도가 크기 때문에, 전지 보호 회로를 이용하여 이차 전지를 보호한다.
일본공개특허 제1997-117072호에는 이차 전지의 전압차를 검출하기 위한 전압차 검출 수단과, 검출된 전압차가 소정치를 넘었는지 판정하기 위한 판정 수단과, 판정 수단의 판정에 따라 전류를 차단하는 전류 차단 수단을 구비하는 이차 전 지의 보호 회로가 개시되어 있고, 일본공개특허 제2003-143751호에는 충전 전류와 방전 전류를 차단하기 위한 한 쌍의 전계 효과 트랜지스터(이하, 'FET'라 함.)와, FET를 온/오프(ON/OFF) 제어하고 전지를 보호하기 위한 보호 IC를 구비한 보호 회로가 개시되어 있는데, 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 전지 보호 회로를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전지 보호 회로(20)는 이차 전지(10)와 부하 회로(30) 사이에 전기적으로 연결될 수 있도록 전지팩의 봉입부 내에 구비되며, 전지팩의 양극(+) 라인 상에 직렬로 접속된 제 1 및 제 2 FET(22, 23)와, 제 1 및 제 2 FET(22, 23)을 제어하는 제어부(21)를 포함한다.
여기서, 제어부(21)는 이차 전지(10)의 전압을 검출하여, 충전 전압 이상의 전압이 검출될 경우, 제 1 FET(22)을 오프(OFF) 상태로 제어하여 충전 전류를 차단하고, 방전 전압 이상의 전압이 검출될 경우, 제 2 FET(23)을 오프(OFF) 상태로 제어하여 방전 전류를 차단한다.
상술한 전지 보호 회로(20)는 이차 전지(10)를 과충전 또는 과방전으로부터 보호할 수 있으나, 부하 회로(30) 연결에 따른 초기 과전류의 제어가 어려운 문제점이 있다.
즉, 대용량 커패시터(31), 인버터(32) 및 구동 모터(33)를 포함하는 부하 회로(30)가 전지팩에 연결되면, 이차 전지(20)는 대용량 커패시터(31)의 충전을 위해 순간적으로 많은 전류를 방전하게 되는데, 이는 전지 보호 회로(20)뿐만 아니라, 이차 전지(10) 및 부하 회로(30)를 손상시키는 부정적인 요인으로 작용한다.
이러한 종래 기술에 따른 초기 과전류의 제어를 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 FET(22, 23)의 양단에 전류 제한 저항(24) 및 충ㆍ방전용 스위치(25)를 전기적으로 연결하여 대용량 커패시터(31)의 예비 충전이 가능하나, 저전류로 대용량 커패시터(31)를 충전할 경우, 충전 시간이 많이 소요되며, 충전 시간을 단축시키기 위해서는 대용량의 전류 제한 저항(24)이 요구되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 충ㆍ방전 FET의 저항치를 가변 제어하여, 이차 전지 및 충ㆍ방전 회로의 연결에 따른 초기 과도 전류를 정전류로 제어할 수 있는 전지 보호용 소프트 스타트 회로 및 이를 구비하는 전지팩을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 보호용 소프트 스타트 회로는, 이차 전지에 내장되어 방전 회로 연결에 따른 방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서, 방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 방전 스위칭 소자; 및 상기 방전 스위칭 소자와 이차 전지 사이에 전기적으로 병렬 연결되어, 상기 방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부;를 포함하되, 상기 스위칭 소자 구동부는 방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 스위칭 소자 구동부는, 방전 전류의 경로상에 구비된 센싱 저항의 양단 전압을 증폭하여 증폭 전압으로 출력하는 제 1 연산 증폭기(OP AMP 1); 상기 증폭 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하여, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 증폭 전압을 감소시켜 감소 전압으로 출력하는 제 2 연산 증폭기(OP AMP 2); 및 상기 감소 전압에 의해 턴 온 동작되고, 상기 방전 스위칭 소자로 동작 제어 전압을 출력하여, 상기 방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하는 구동 트랜지스터(DTR);를 포함한다.
바람직하게, 상기 방전 스위칭 소자는 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)이고, 상기 모스 전계 효과 트랜지스터의 게이트(G) 구동은 스위칭 소자 구동부의 동작 제어 전압에 의해 이루어지며, 상기 게이트 구동에 의해 모스 전계 효과 트랜지스터의 소스(S) 및 드레인(D) 간 저항치가 가변 제어된다.
더욱 바람직하게, 상기 모스 전계 효과 트랜지스터는 그 내부에 기생 다이오드가 구비되고, 상기 기생 다이오드는 방전 전류와 역방향이 되도록 소스 및 드레인 사이에 접속된다.
본 발명에 따르면, 상기 저항치의 가변 제어에 의해 방전 전류가 정전류로 제어된다.
본 발명에 의하면, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단은 이차 전지의 양극(+) 라인에 구비된 방전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결되고, 상기 이차 전지의 음극(-) 라인에 그 타단이 전기적으로 연결된다.
바람직하게, 상기 방전 회로는, 대용량 콘덴서를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이차 전지에 내장되어 충전 회로 연결에 따른 충전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서, 충전 전류를 정전류로 출력 제한하는 충전 스위칭 소자; 및 상기 충전 스위칭 소자와 충전 회로 사이에 전기적으로 병렬 연결되어, 상기 충전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부;를 포함하되, 상기 스위칭 소자 구동부는 충전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 충전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 충전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로를 제공한다.
본 발명에 따르면, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단은 이차 전지의 양극 라인에 구비된 충전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결되고, 상기 이차 전지의 음극 라인에 그 타단이 전기적으로 연결된다.
본 발명에 의하면, 상기 감소 전압은 기준 전압 이하이고, 상기 증폭 전압의 세기와 반비례한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이차 전지에 내장되어 충ㆍ방전 회로 연결에 따른 충ㆍ방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서, 충ㆍ방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 충ㆍ방전 스위칭 소자; 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부; 및 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 충전 또는 방전에 따라 충전 또는 방전 스위칭 소자의 전류 입력단에 선택적으로 연결하는 충ㆍ방전 연동 스위치;를 포함하되, 상기 스위칭 소자 구동부는 충ㆍ방전 전류 의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로를 제공한다.
바람직하게, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자는 이차 전지의 양극 라인에 직렬 연결된다.
본 발명에 의하면, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치는 충전 회로의 연결시, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 충전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결하고, 상기 방전 회로의 연결시, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 방전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결한다.
본 발명에 있어서, 상기 스위칭 소자 구동부의 타단은 이차 전지의 음극 라인에 전기적으로 연결된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이차 전지에 내장되어 충ㆍ방전 회로 연결에 따른 충ㆍ방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로를 구비하는 전지팩에 있어서, 충ㆍ방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 충ㆍ방전 스위칭 소자; 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부; 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 충전 또는 방전에 따라 충전 또는 방전 스위칭 소자의 입력측에 선택적으로 연결하는 충ㆍ방전 연동 스위치; 및 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자 및 충ㆍ방전 연동 스위치의 온ㆍ오프를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 스위칭 소자 구 동부는 충ㆍ방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로를 구비하는 전지팩을 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따러서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 전지 보호용 소프트 스타트(Soft Start) 회로는 스위칭 소자 구동부를 통하여 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하는 구조적 특징이 있으며, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자로는 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 이용하는데, 본 발명의 실시예에서는 충전 스위칭 소자를 'CFET'으로 정의하고, 방전 스위칭 소자를 'DFET'으로 정의한다.
본 발명에 따른 소프트 스타트 회로를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같 다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이차 전지(100) 및 제어부(200)를 포함하는 전지팩의 봉입부 내에 구비되는 소프트 스타트 회로(300)는 전지팩의 양극 라인(Pack +)에 직렬 연결되는 DFET(310) 및 CFET(320)과, 상기 DFET(310) 또는 CFET(320)의 전류 입력단에 일단이 전기적으로 연결되고, 상기 전지팩의 음극 라인(Pack -)에 타단이 전기적으로 연결되는 스위칭 소자 구동부(330)와, 상기 스위칭 소자 구동부(330)의 일단을 DFET(310) 또는 CFET(320)의 전류 입력단에 선택적으로 연결하는 충ㆍ방전 연동 스위치(340)을 포함한다.
상기 이차 전지(100)는 다수의 단위 전지셀이 직렬 또는 병렬 연결된 단위 전지셀 어셈블리이고, 상기 제어부(200)는 이차 전지(100)의 전압을 검출하고, 상기 이차 전지(100)의 충ㆍ방전에 따라 DFET(310), CFET(320), 스위칭 소자 구동부(330) 및 충ㆍ방전 연동 스위치(340)를 제어한다.
상기 제어부(200)는 전지팩이 충전 회로와 접속되면, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치(340)를 제어하여, 상기 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 CFET(320)의 충전 전류 입력단에 전기적으로 연결되도록 하고, 상기 전지팩이 방전 회로와 접속되면, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치(340)를 제어하여, 상기 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 DFET(310)의 방전 전류 입력단에 전기적으로 연결되도록 한다.
상기 DFET(310) 및 CFET(320)은 전지팩과 충ㆍ방전 회로 간에 순간적으로 흐르는 과전류를 정전류로 출력하고, 상기 스위칭 소자 구동부(330)는 전지팩 내에 흐르는 과전류를 감지하여 DFET(310) 및 CFET(320)의 저항이 가변되도록 동작 제어 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 전지팩에 충전 회로가 전기적으로 연결되면, 상기 전지팩 내에 초기 과충전 전류가 흐르고, 상기 초기 과충전 전류의 발생에 따라 CFET(320)은 스위칭 소자 구동부(330)에 의해 저항치가 가변되는 하프 온(Half ON) 상태로 제어되고, 상기 CFET(320)의 제어에 따라 초기 과충전 전류는 제한된다.
한편, 상기 전지팩에 방전 회로가 전기적으로 연결되면, 상기 전지팩 내에 초기 과방전 전류가 흐르고, 상기 초기 과방전 전류의 발생에 따라 DFET(310)은 스위칭 소자 구동부(330)에 의해 저항치가 가변되는 하프 온(Half ON) 상태로 제어되고, 상기 DFET(320)의 제어에 따라 초기 과방전 전류는 제한된다.
상기 초기 과전류가 제한되어 전류 안정화가 된 이후, 상기 제어부(200)는 상기 전지팩의 양극 및 음극 라인(Pack +, Pack -)에 정상 상태의 충ㆍ방전 전류가 검출되면, 상기 DFET(310) 및 CFET(320)을 온(ON) 상태로 제어하여 충ㆍ방전 전류를 도통시킨다.
전술한 바와 같이, 상기 소프트 스타트 회로(300)는 전지팩과 충ㆍ방전 회로의 전기적 접속에 따른 초기 과전류를 정전류로 제한하여 소프트 스타트의 실행을 가능하게 하고, 상기 이차 전지 및 충ㆍ방전 회로를 보호하며, 상기 소프트 스타트 회로(300)에 구비된 스위칭 소자 구동부(330)는 초기 과충전 또는 초기 과방전 전류를 감지하여 DFET(310) 또는 CFET(320)으로 동작 제어 전압을 출력하고, 상기 동작 제어 전압에 의해 저항치가 가변되는 DFET(310) 또는 CFET(320)은 초기 과충전 또는 초기 과방전 전류를 정전류로 제한하여 출력한다.
전술한 DFET 또는 CFET으로 동작 제어 전압을 출력하는 스위칭 소자 구동부의 구성을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위칭 소자 구동부를 도시하는 회로도이고, 상기 스위칭 소자 구동부는 방전 회로의 전기적 연결에 따른 DFET을 동작 제어한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자 구동부(330)는 전지팩의 양극 라인(Pack +) 즉, 이차 전지의 양극 라인에 직렬 접속된 DFET(310) 및 CFET(320)과 전기적으로 병렬 연결된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 스위칭 소자 구동부(330)는 방전 전류를 제한하도록 그 일단이 DFET(310)의 방전 전류 입력단에 전기적으로 접속되고, 그 타단이 전지팩의 음극 라인(Pack -) 즉, 이차 전지의 음극 라인에 전기적으로 접속되나, 상기 전지팩에 충전 회로가 접속되면, 상기 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 제어부에 의해 제어되는 충ㆍ방전 연동 스위치에 의해 CFET(320)의 충전 전류 입력단에 전기적으로 접속됨은 자명하다.
상기 스위칭 소자 구동부(330)는 방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭하여 증폭 전압으로 출력하는 제 1 연산 증폭기(OP AMP 1)(331)와, 상기 제 1 연산 증폭기(331)의 증폭 전압과 기준 전압을 비교하여 조건부 전압을 출력하는 제 2 연산 증폭기(OP AMP 2)(332)와, 상기 제 2 연산 증폭기(332)의 조건부 전압에 의해 동작 제어 전압을 DFET(310)으로 출력하는 구동 트랜지스터(DTR)(333)를 포함한다.
상기 제 1 연산 증폭기(331)는 전지팩의 음극 라인상에 직렬 연결된 센싱 저항(331a)의 양단 전압을 증폭하여 증폭 전압으로 출력한다. 여기서, 상기 센싱 저 항(331a)은 제 1 연산 증폭기(331)의 입력단에 병렬로 접속된다.
상기 제 2 연산 증폭기(332)는 제 1 연산 증폭기(331)에서 출력된 증폭 전압과 제어부로부터 출력된 기준 전압을 입력으로 하고, 상기 증폭 전압 및 기준 전압을 비교하여, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 증폭 전압과 기준 전압의 차에 해당하는 만큼 증폭 전압을 감소시킨다. 이하에서는 설명의 편의상 감소된 증폭 전압을 '감소 전압'이라 칭한다.
상기 구동 트랜지스터(333)는 제 2 연산 증폭기(332)에서 출력되는 전압 레벨이 기준 전압보다 강하되면 턴 온(Turn ON) 동작되어 에미터(E)로부터 콜렉터(C) 방향으로 증폭된 전류가 흐르게 되고 그 결과 DFET(310)의 게이트(G) 전압이 상승하게 된다. 이렇게 DFET(310)의 하프 온을 야기하는 전압 상승분을 게이트 구동 전압이라 정의할 수 있다.
상기 DFET(310)의 하프 온 구동은 구동 트랜지스터(333)의 동작 전류에 의한 게이트 전압의 상승에 의해 이루어지고, 상기 게이트 전압 상승에 의해 DFET(310)의 소스(S) 및 드레인(D) 간 저항치가 가변 제어되고, 상기 DFET(310)에 의해 출력 제한된 방전 전류는 스위칭 소자 구동부(330)로 네거티브 피드백(Nagative Feedback)된다.
즉, 상기 DFET(310)은 게이트 구동 전압이 커질수록 소스 및 드레인 간 저항치는 증가하게 되어, 상기 전지팩의 음극 라인을 통해서 흐르는 방전 전류는 감소되고, 상기 감소된 방전 전류는 스위칭 소자 구동부(330)로 네거티브 피드백되고, 상기 스위칭 소자 구동부(330)에 의해 반복적으로 제어된다.
한편, 상기 DFET(310)은 게이트 구동 전압이 작아질수록 소스 및 드레인 간 저항치는 감소하게 되어, 상기 전지팩의 음극 라인을 통해서 흐르는 전류량은 증가하게 된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 구동 트랜지스터(333)는 PNP형 트랜지스터이고, 상기 DFET(310)은 방전 전류와 역방향으로 소스 및 드레인 간을 전기적으로 연결하는 기생 다이오드를 구비하는 파워 MOSFET이며, 상기 구동 트랜지스터(333)의 콜렉터(C) 및 에미터(E)는 DFET(310)의 게이트 및 드레인에 각각 전기적으로 연결된다.
전술한 구성의 스위칭 소자 구동부를 포함하는 소프트 스타트 회로의 동작을 도 5를 중심으로 도 3, 4, 6, 7, 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 상기 소프트 스타트 회로는 충전 또는 방전 회로의 연결에 따라 충전 또는 방전 전류를 정전류로 제한하는데, 본 발명의 실시예에서는 방전 전류를 정전류로 제한하는 과정을 설명한다.
도면들을 참조하면, 이차 전지(100), 제어부(200) 및 소프트 스타트 회로(300)를 포함하는 전지팩에 방전 회로가 접속되면, 상기 방전 회로의 접속 타임(t0)과 동시에 충ㆍ방전 연동 스위치(340)가 제어부(200)의 제어에 따라 방전 스위칭된다(S110 및 S120).
이때, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치(340)는 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 DFET(310)의 방전 전류 입력단에 전기적으로 연결되도록 한다.
다음으로, 상기 방전 회로의 접속에 의해 전지팩 내부에 방전 전류가 흐르게 되면, 상기 전지팩의 음극 라인상에 구비된 센싱 저항(331a)에 의해 방전 전류가 감지되고, 상기 센싱 저항(331a)의 양단 전압이 제 1 연산 증폭기(331)에 의해 증폭 전압으로 출력된다(S130 및 S140).
이때, 상기 방전 전류(ID)는 도 6에 도시된 바와 같이, 방전 초기에 순간적으로 과방전 전류 즉, 정상 스타트 전류(ISST) 이상으로 흐르게 되며, 상기 방전 초기에 W 구간에서의 증폭 전압(V1)은 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 방전 전류(ID)의 세기에 비례하여 증가한다.
상기 S140 단계 이후, 상기 제 1 연산 증폭기(331)에서 출력된 증폭 전압과 제어부(200)에서 출력된 기준 전압이 제 2 연산 증폭기(332)에 의해 비교되고, 상기 증폭 전압(V1)과 기준 전압(VSST)이 V1＞VSST 이면, 상기 제 2 연산 증폭기(332)는 증폭 전압(V1)을 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 기준 전압 이하로 반비례 감소시켜 감소 전압을 출력한다(S150 및 S160).
상기 S160 단계 이후, 상기 제 2 연산 증폭기(332)에서 출력된 감소 전압에 의해 구동 트랜지스터(333)는 턴 온 동작 즉, 통전되고, 상기 구동 트랜지스터(333)는 DFET(310)의 게이트에 게이트 구동 전압을 인가한다(S170).
상기 S170 단계 이후, 상기 게이트 구동 전압에 의해 DFET(310)의 소스 및 드레인 간 저항치가 상승 제어되어, 상기 DFET(310)은 하프 온 동작되고, 상기 하프 온 동작에 의해 방전 전류가 제한된다(S180 및 S190).
상기 S190 단계 이후, 상기 DFET(310)에 의해 제한된 방전 전류는 다시 스위칭 소자 구동부(300)로 네거티브 피드백되어, 상기 S130 내지 S190 단계를 통해서 정전류로 제어된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 S150 단계에서, 상기 증폭 전압(V1)과 기준 전압(VSST)이 V1≤VSST 이면, 상기 제 2 연산 증폭기(332)의 출력은 DFET(310)의 소스 전압이 되고, 상기 제어부(200)는 DFET(310)이 온 동작되도록 제어한다(S180').
한편, 충전 전류를 정전류로 제한하는 과정을 도 9를 중심으로 도 3, 4, 6, 7, 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도면들을 참조하면, 전지팩에 충전 회로가 접속되면, 상기 충전 회로의 접속 타임(t0)과 동시에 충ㆍ방전 연동 스위치(340)가 제어부(200)의 제어에 따라 충전 스위칭된다(S210 및 S220).
이때, 상기 충ㆍ방전 연동 스위치(340)는 스위칭 소자 구동부(330)의 일단이 CFET(320)의 충전 전류 입력단에 전기적으로 연결되도록 한다.
다음으로, 상기 충전 회로의 접속에 의해 충전 전류가 흐르게 되면, 상기 전지팩의 음극 라인상에 구비된 센싱 저항(331a)에 의해 충전 전류가 감지되고, 상기 센싱 저항(331a)의 양단 전압이 제 1 연산 증폭기(331)에 의해 증폭 전압으로 출력된다(S230 및 S240).
상기 S240 단계 이후, 상기 제 1 연산 증폭기(331)에서 출력된 증폭 전압과 제어부(200)에서 출력된 기준 전압이 제 2 연산 증폭기(332)에 의해 비교되고, 상 기 증폭 전압(V1')과 기준 전압(VSST')이 V1'＞VSST' 이면, 상기 제 2 연산 증폭기(332)는 증폭 전압(V1')을 기준 전압 이하로 반비례 감소시켜 감소 전압을 출력한다(S250 및 S260).
상기 S260 단계 이후, 상기 제 2 연산 증폭기(332)에서 출력된 감소 전압에 의해 구동 트랜지스터(333)는 턴 온 동작 즉, 통전되고, 상기 구동 트랜지스터(333)는 CFET(320)의 게이트에 게이트 구동 전압을 인가한다(S270).
상기 S270 단계 이후, 상기 게이트 구동 전압에 의해 CFET(320)의 소스 및 드레인 간 저항치가 상승 제어되어, 상기 CFET(320)은 하프 온 동작되고, 상기 하프 온 동작에 의해 충전 전류가 제한된다(S280 및 S290).
상기 S290 단계 이후, 상기 CFET(320)에 의해 제한된 충전 전류는 다시 스위칭 소자 구동부(300)로 네거티브 피드백되어, 상기 S230 내지 S290 단계를 통해서 정전류로 제어된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 S250 단계에서, 상기 증폭 전압(V1')과 기준 전압(VSST')이 V1'≤VSST' 이면, 상기 제 2 연산 증폭기(332)의 출력은 CFET(320)의 소스 전압이 되고, 상기 제어부(200)는 CFET(320)이 온 동작되도록 제어한다(S280').
전술한 바와 같이, 전지팩의 봉입부 내에 구비되는 소프트 스타트 회로는 충ㆍ방전 회로 연결시, 상기 전지팩 및 충ㆍ방전 회로 간의 초기 과전류를 정전류로 제한 출력하여 소프트 스타트의 구현이 가능하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하고, 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백함으로써, 이차 전지 및 충ㆍ방전 회로의 연결시, 구성 회로의 손상없이 소프트 스타트 제어가 가능한 장점이 있다.
또한, 종래와 대비하여 별도의 소프트 스타트 회로의 탑재없이 저렴한 비용으로 소프트 스타트 회로의 설계 및 제조가 가능하므로, 전지팩의 소형화 및 제조 비용 절감을 이룰 수 있다.
아울러, 이차 전지와 충방전 회로의 연결에 따른 초기 충ㆍ방전 전류를 정전류로 제한함으로써, 이차 전지 및 부하 회로의 손상을 효율적으로 억제할 수 있다.

Claims (26)

  1. 이차 전지에 내장되어 방전 회로 연결에 따른 방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서,
    방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 방전 스위칭 소자; 및
    상기 방전 스위칭 소자와 이차 전지 사이에 전기적으로 병렬 연결되어, 상기 방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부;를 포함하되,
    상기 스위칭 소자 구동부는 방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 소자 구동부는,
    방전 전류의 경로상에 구비된 센싱 저항의 양단 전압을 증폭하여 증폭 전압으로 출력하는 제 1 연산 증폭기(OP AMP 1);
    상기 증폭 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하여, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 증폭 전압을 감소시켜 감소 전압으로 출력하는 제 2 연산 증폭기(OP AMP 2); 및
    상기 감소 전압에 의해 턴 온 동작되고, 상기 방전 스위칭 소자로 동작 제어 전압을 출력하여, 상기 방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하는 구동 트랜지스터(DTR);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방전 스위칭 소자는 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)인 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모스 전계 효과 트랜지스터의 게이트(G) 구동은 스위칭 소자 구동부의 동작 제어 전압에 의해 이루어지고, 상기 게이트 구동에 의해 모스 전계 효과 트랜지스터의 소스(S) 및 드레인(D) 간 저항치가 가변 제어되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 모스 전계 효과 트랜지스터는 그 내부에 기생 다이오드가 구비되고, 상기 기생 다이오드는 방전 전류와 역방향이 되도록 소스 및 드레인 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 저항치의 가변 제어에 의해 방전 전류가 정전류로 제어되는 것을 특징 으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자 구동부의 일단은 이차 전지의 양극(+) 라인에 구비된 방전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결되고, 상기 이차 전지의 음극(-) 라인에 그 타단이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방전 회로는,
    대용량 콘덴서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  9. 이차 전지에 내장되어 충전 회로 연결에 따른 충전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서,
    충전 전류를 정전류로 출력 제한하는 충전 스위칭 소자; 및
    상기 충전 스위칭 소자와 충전 회로 사이에 전기적으로 병렬 연결되어, 상기 충전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부;를 포함하되,
    상기 스위칭 소자 구동부는 충전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 충전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 충전 스위칭 소자 에 의해 출력 제한된 충전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  10. 제9항에 있어서, 상기 스위칭 소자 구동부는,
    충전 전류의 경로상에 구비된 센싱 저항의 양단 전압을 증폭하여 증폭 전압으로 출력하는 제 1 연산 증폭기(OP AMP 1);
    상기 증폭 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하여, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 증폭 전압을 감소시켜 감소 전압으로 출력하는 제 2 연산 증폭기(OP AMP 2); 및
    상기 감소 전압에 의해 턴 온 동작되고, 상기 충전 스위칭 소자로 동작 제어 전압을 출력하여, 상기 충전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하는 구동 트랜지스터(DTR);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 충전 스위칭 소자는 모스 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)인 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 모스 전계 효과 트랜지스터의 게이트 구동은 스위칭 소자 구동부의 동작 제어 전압에 의해 이루어지고, 상기 게이트 구동에 의해 모스 전계 효과 트랜지 스터의 소스 및 드레인 간 저항치가 가변 제어되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 모스 전계 효과 트랜지스터는 그 내부에 기생 다이오드가 구비되고, 상기 기생 다이오드는 충전 전류와 역방향이 되도록 소스 및 드레인 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 저항치의 가변 제어에 의해 충전 전류가 정전류로 제어되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 스위칭 소자 구동부의 일단은 이차 전지의 양극 라인에 구비된 충전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결되고, 상기 이차 전지의 음극 라인에 그 타단이 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  16. 제2항 또는 제10항에 있어서,
    상기 감소 전압은 기준 전압 이하이고, 상기 증폭 전압의 세기와 반비례하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  17. 이차 전지에 내장되어 충ㆍ방전 회로 연결에 따른 충ㆍ방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로에 있어서,
    충ㆍ방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 충ㆍ방전 스위칭 소자;
    상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부; 및
    상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 충전 또는 방전에 따라 충전 또는 방전 스위칭 소자의 전류 입력단에 선택적으로 연결하는 충ㆍ방전 연동 스위치;를 포함하되,
    상기 스위칭 소자 구동부는 충ㆍ방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 충ㆍ방전 스위칭 소자는 이차 전지의 양극 라인에 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 충ㆍ방전 연동 스위치는 충전 회로의 연결시, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 충전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결하고, 상기 방전 회로의 연결시, 상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 방전 스위칭 소자의 전류 입력단에 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 스위칭 소자 구동부의 타단은 이차 전지의 음극 라인에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  21. 제17항에 있어서, 상기 스위칭 소자 구동부는,
    충ㆍ방전 전류의 경로상에 구비된 센싱 저항의 양단 전압을 증폭하여 증폭 전압으로 출력하는 제 1 연산 증폭기(OP AMP 1);
    상기 증폭 전압과 미리 설정된 기준 전압을 비교하여, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 증폭 전압을 감소시켜 감소 전압으로 출력하는 제 2 연산 증폭기(OP AMP 2); 및
    상기 감소 전압에 의해 턴 온 동작되고, 상기 충전 또는 방전 스위칭 소자로 동작 제어 전압을 출력하여, 상기 충전 또는 방전 스위칭 소자의 저항치를 가변 제어하는 구동 트랜지스터(DTR);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 충ㆍ방전 스위칭 소자는 모스 전계 효과 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 모스 전계 효과 트랜지스터의 게이트 구동은 스위칭 소자 구동부의 동작 제어 전압에 의해 이루어지고, 상기 게이트 구동에 의해 모스 전계 효과 트랜지스터의 소스 및 드레인 간 저항치가 가변 제어되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 모스 전계 효과 트랜지스터는 그 내부에 기생 다이오드가 구비되고, 상기 기생 다이오드는 충전 또는 방전 전류와 역방향이 되도록 소스 및 드레인 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 저항치의 가변 제어에 의해 충ㆍ방전 전류가 정전류 제어되는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로.
  26. 이차 전지에 내장되어 충ㆍ방전 회로 연결에 따른 충ㆍ방전 전류를 제어하기 위한 전지 보호 회로를 구비하는 전지팩에 있어서,
    충ㆍ방전 전류를 정전류로 출력 제한하는 충ㆍ방전 스위칭 소자;
    상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 동작을 제어하는 스위칭 소자 구동부;
    상기 스위칭 소자 구동부의 일단을 충전 또는 방전에 따라 충전 또는 방전 스위칭 소자의 입력측에 선택적으로 연결하는 충ㆍ방전 연동 스위치; 및
    상기 충ㆍ방전 스위칭 소자 및 충ㆍ방전 연동 스위치의 온ㆍ오프를 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 스위칭 소자 구동부는 충ㆍ방전 전류의 감지에 따른 감지 전압을 증폭 전압으로 출력하여 기준 전압과 비교하고, 상기 증폭 전압이 기준 전압을 초과하면, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자의 저항이 가변되도록 동작 제어하고, 상기 충ㆍ방전 스위칭 소자에 의해 출력 제한된 충ㆍ방전 전류를 네거티브 피드백하는 것을 특징으로 하는 전지 보호용 소프트 스타트 회로를 구비하는 전지팩.
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