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KR101093928B1 - 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 그 방법 - Google Patents

배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 그 방법 Download PDF

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KR101093928B1
KR101093928B1 KR1020090115143A KR20090115143A KR101093928B1 KR 101093928 B1 KR101093928 B1 KR 101093928B1 KR 1020090115143 A KR1020090115143 A KR 1020090115143A KR 20090115143 A KR20090115143 A KR 20090115143A KR 101093928 B1 KR101093928 B1 KR 101093928B1
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KR
South Korea
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battery cell
self
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battery
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이우진
권용걸
홍기성
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 그 방법이 개시된다. 일례로, 배터리 셀의 온도 및 전압을 센싱하는 단계, 센싱된 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단하는 단계, 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 센싱된 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는지 판단하는 단계 및 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 충전, 방전 또는 대기시 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계로 이루어진 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법이 개시된다.

Description

배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 그 방법{BATTERY PACK CAPABLE OF PREVENTING BATTERY CELL FROM HIGH TEMPERATURE SWELLING AND METHOD THEREOF}
본 발명의 한 실시예는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 배터리 팩은 다수의 배터리 셀과, 배터리 셀들의 과충전 및 과방전을 방지하기 위한 충전 스위치 및 방전 스위치와, 상기 충전 스위치 및 방전 스위치를 제어하는 제어부로 이루어져 있다.
상기 제어부는 배터리 셀의 전압을 감지함으로써, 배터리 셀이 과충전되면 상기 충전 스위치를 턴오프하여 충전이 정지되도록 하고, 배터리 셀이 과방전되면 상기 방전 스위치를 턴오프하여 방전이 정지되도록 하고 있다.
그런데, 충전된 배터리 셀이 고온에 장시간 방치되면, 배터리 셀의 내부에서 다량의 가스가 발생된다. 이에 따라, 배터리 셀이 스웰링되고, 누액됨으로써, 배터리 팩의 안전성 및 신뢰성이 저하된다.
예를 들면, 차량의 전자장치중 하나인 네비게이션의 경우, 일반적으로 네비 게이션이 전원선에 항상 연결되어 있으므로, 통상 네비게이션의 배터리 셀은 충전되어 있다. 따라서, 여름철 차량의 내부 온도가 급상승하였을 경우, 상기 네비게이션의 배터리 셀에서 다량의 내부 가스가 발생되고, 이에 따라 배터리 셀이 심하게 스웰링되고, 누액된다.
본 발명의 한 실시예는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 그 방법을 제공한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법은 배터리 셀의 온도 및 전압을 센싱하는 단계; 상기 센싱된 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단하는 단계; 상기 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 상기 센싱된 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는지 판단하는 단계; 및, 상기 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 충전, 방전 또는 대기시 상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계를 포함한다.
상기 기준 온도는 45~70℃일 수 있다.
상기 기준 전압은 3.85V일 수 있다.
상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는 상기 배터리 셀을 0.1~2C로 방전하여 이루어질 수 있다.
상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는 상기 배터리 셀을 0.1~0.5C로 방 전하여 이루어질 수 있다.
상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는 상기 배터리 셀의 잔존 용량이 50~100%인 경우 수행될 수 있다.
상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는 상기 배터리 셀의 잔존 용량이 50%일 때까지 수행될 수 있다.
상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는 상기 배터리 셀의 전압이 3.8V일 때까지 수행될 수 있다.
상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는 배터리 셀 방전 단계; 배터리 셀 용량이 50%보다 작은지 판단하는 단계; 상기 배터리 셀 용량이 50%보다 작은 경우, 상기 배터리 셀 전압이 3.8V보다 작은지 판단하는 단계를 포함하고, 상기 배터리 셀 용량이 50%보다 작으면 배터리 셀의 방전을 정지하고, 상기 배터리 셀 전압이 3.8V보다 크면 배터리 셀 방전 단계로 복귀할 수 있다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩은 배터리 셀; 상기 배터리 셀의 온도를 감지하는 온도 센서; 상기 배터리 셀에 전기적으로 연결된 자가 방전부; 및, 상기 온도 센서로부터 얻은 온도값에 따라, 충전, 방전 또는 대기시에 상기 자가 방전부를 제어하여 상기 배터리 셀이 자가 방전되도록 하는 제어부를 포함한다.
상기 배터리 셀의 대전류 경로에 전기적으로 연결된 충전 스위칭 소자를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 충전 스위칭 소자 및 상기 자가 방전부를 독립적으로 제어할 수 있다.
상기 자가 방전부는 직렬 연결된 자가 방전 스위칭 소자 및 적어도 하나의 방전 저항을 포함하고, 상기 자가 방전 스위칭 소자 및 방전 저항은 상기 배터리 셀에 병렬로 연결될 수 있다.
상기 자가 방전부는 상기 자가 방전 스위칭 소자와 방전 저항 사이에 발광 다이오드가 더 연결될 수 있다.
상기 자가 방전 스위칭 소자와 방전 저항에 적어도 하나의 방전 저항이 병렬로 더 연결될 수 있다.
상기 온도 센서는 써미스터 및 이에 연결된 분압 저항으로 이루어질 수 있다.
상기 온도 센서는 써미스터 및 이에 연결된 분압 저항으로 이루어질 수 있다.
상기 제어부는 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하고, 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 충전, 방전 또는 대기시 상기 자가 방전부를 동작시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 배터리 셀의 잔존 용량이 50~100%인 경우 상기 자가 방전부를 동작시킬 수 있다.
상기 배터리 팩은 네비게이션 장치에 장착될 수 있다.
상기 배터리 팩은 차량용 전자장치에 장착될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과한 상 태에서 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과한 경우, 배터리 셀이 자가 방전됨으로써, 고온 스웰링 및 누액 현상이 효율적으로 방지된다. 추가적으로 배터리 셀의 용량이 50~100%인 구간에서, 상기와 같은 배터리 셀의 자가 방전이 이루어짐으로써, 고온 스웰링 및 누액 현상이 더욱 효율적으로 방지된다.
더불어, 이러한 자가 방전 동작은 충전, 방전 또는 대기시에 수행됨으로써, 배터리 팩의 동작 모드에 관계없이 배터리 팩의 안전성 및 신뢰성이 보증된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 팩(100)은 배터리 셀(110), 온도 센서(120), 자가 방전부(130), 제어부(140), 방전 스위치(150) 및 충전 스위치(160)를 포함한다. 또한, 상기 배터리 팩(100)은 충전기 또는 외부 부하에 전기적으로 연결 또는 분리 가능한 팩 양극 단자 P+ 및 팩 음극 단자 P-를 포함한다.
상기 배터리 셀(110)은 충전 및 방전이 가능하며, 셀 양극 단자 B+ 및 셀 음 극 단자 B-를 포함한다. 이러한 배터리 셀(110)은 통상의 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 셀 양극 단자 B+는 팩 양극 단자 P+와 전기적으로 연결되고, 상기 셀 음극 단자 B-는 방전 스위치(150) 및 충전 스위치(160)를 경유하여, 팩 음극 단자 P-와 전기적으로 연결된다.
상기 온도 센서(120)는 상기 배터리 셀(110) 또는 그 근처에 설치되어, 상기 배터리 셀(110)의 온도를 감지하고, 이를 전기적 신호로 변환하여 상기 제어부(140)에 입력한다. 이러한 온도 센서(120)는 써미스터(121) 및 분압 저항(122)을 포함할 수 있다. 주지된 바와 같이, 상기 써미스터(121)는 온도에 따라 저항값이 변한다. 또한, 상기 분압 저항(122)은 전압을 분압한다. 즉, 상기 써미스터(121)는 일전극이 셀 양극 단자 B+와 팩 양극 단자 P+ 사이의 노드 N1에 전기적으로 연결되고, 타전극이 상기 분압 저항(122)에 전기적으로 연결된다. 상기 분압 저항(122)은 일전극이 상기 써미스터(121)에 전기적으로 연결되고, 타전극이 제어부(140)에 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 써미스터(121)와 분압 저항(122) 사이의 노드 N2는 제어부(140)의 VTH 단자에 연결되고, 상기 분압 저항(122)은 제어부(140)의 VSSTH 단자에 연결된다. 여기서, 상기 써미스터(121)는 주지된 바와 같이 온도가 상승함에 따라 저항값이 감소하므로, 온도가 상승함에 따라 상기 VTH 단자에 전압을 증가시켜 입력한다. 더불어, 상기 분압 저항(122)은 감지하고자 하는 온도 범위에 알맞은 것으로 선택될 수 있다. 즉, 상기 분압 저항(122)의 저항값을 조정함으로써, 감 지하고자 하는 온도 범위를 조절할 수 있다.
상기 자가 방전부(130)는 상기 배터리 셀(110)의 양극 단자 B+ 및 음극 단자 B-에 병렬로 연결되어 있다. 또한, 상기 자가 방전부(130)는 상기 제어부(140)의 TS 단자에 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 상기 자가 방전부(130)는 상기 제어부(140)의 제어 신호에 의해 동작 또는 정지된다. 이러한 자가 방전부(130)는 상기 배터리 셀(110)의 용량 또는 전압을 감소시키기 위해, 상기 배터리 셀(110)을 강제로 방전시킨다. 이러한 자가 방전부(130)의 구성 및 동작에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.
상기 제어부(140)는 상기 온도 센서(120) 및 상기 자가 방전부(130)에 전기적으로 연결되어 있다. 물론, 도시되어 있지 않지만 상기 제어부(140)에는 상기 배터리 셀(110)의 전압 및 전류를 감지하기 위해 전압 센서 및 전류 센서도 연결되어 있다. 그러나, 이러한 전압 센서 및 전류 센서는 당업자에게 주지된 것이므로, 여기서는 그 연결 관계 및 동작의 설명을 생략한다. 상기 제어부(140)는 상기 온도 센서(120)로부터 얻은 온도값에 따라, 충전, 방전 또는 대기시에 상기 자가 방전부(130)를 제어하여, 상기 배터리 셀(110)이 자가 방전되도록 한다. 좀더 구체적으로 설명하면, 상기 제어부(140)는 상기 배터리 셀(110)의 온도가 기준 온도를 초과하고, 배터리 셀(110)의 전압이 기준 전압을 초과하며, 배터리 셀(110)의 용량이 기준 용량을 초과할 경우, 충전, 방전 또는 대기시 상기 자가 방전부(130)를 동작 시킴으로써, 상기 배터리 셀(110)이 강제로 방전되도록 한다. 이와 같이 하여, 상기 배터리 셀(110)의 고온 스웰링 및 누액 현상이 방지된다. 이러한 제어부(140)의 구체적인 동작은 아래에서 다시 설명하기로 한다.
한편, 상기 제어부(140)는 논리 회로(141) 및 온도 센싱 회로(142)를 포함한다. 상기 논리 회로(141)는 상기 자가 방전부(130)에 TS 단자를 통하여 전기적으로 연결된다. 또한 상기 온도 센싱 회로(142)는 VTH 단자 및 VSSTH 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 온도 센서(120)로부터 감지된 값을 전기적 신호로 변환하여 상기 논리 회로(141)에 입력한다. 즉, 상기 논리 회로(141)는 상기 온도 센싱 회로(142)로부터 감지된 온도가 기준 온도를 초과하고, 배터리 셀(110)의 전압이 기준 전압을 초과하며, 배터리 셀(110)의 용량이 기준 용량을 초과하는 경우, TS 단자를 통하여 상기 자가 방전부(130)를 동작시킨다. 여기서, 상기 제어부(140)는 기본적으로 배터리 셀(110)의 전압 및 전류 등을 감지하여 배터리 셀(110)의 용량을 계산한다. 상술한 바와 같이, 상기 배터리 셀(110)의 전압 센서 및 전류 센서 뿐만 아니라, 상기 용량 계산 방법 역시 이미 당업자에게 주지된 것이므로, 여기서는 설명을 생략한다.
더불어, 여기서 상기 배터리 셀(110)의 용량은 고려되지 않을 수도 있다. 즉, 상기 논리 회로(141)는 상기 온도 센싱 회로(142)로부터 감지된 온도가 기준 온도를 초과하고, 배터리 셀(110)의 전압이 기준 전압을 초과하면, TS 단자를 통하여 상기 자가 방전부(130)를 동작시킬 수도 있다. 이와 같이 하여, 배터리 셀(110) 이 용량이 희생되는 대신, 배터리 셀(110)의 스웰링 및 누액 현상이 더욱 적극적으로 방지될 수 있다.
한편, 상기 셀 음극 단자 B-와 팩 음극 단자 P- 사이에는 방전 스위치(150) 및 충전 스위치(160)가 전기적으로 연결되어 있다. 상기 방전 스위치(150)는 소스가 셀 음극 단자 B-에 연결되고, 게이트가 제어부(140)의 DOUT 단자에 연결되어 있으며, 드레인이 충전 스위치(160)의 드레인에 연결되어 있다. 또한, 상기 방전 스위치(150)에는 셀 음극 단자 B-에서 팩 음극 단자 P-의 방향으로 순방향을 갖는 바디 다이오드가 병렬로 형성되어 있다. 또한, 충전 스위치(160)는 소스가 팩 음극 단자 P-에 연결되고, 게이트가 제어부(140)의 COUT 단자에 연결되어 있으며, 드레인이 방전 스위치(150)의 드레인에 연결되어 있다. 또한, 상기 충전 스위치(160)에는 팩 음극 단자 P-에서 셀 음극 단자 B-의 방향으로 순방향을 갖는 바디 다이오드가 병렬로 형성되어 있다.
상기 방전 스위치(150)는 상기 제어부(140)가 상기 배터리 셀(110)이 과방전 전압이라고 판단했을 경우, DOUT 단자를 통하여 게이트에 제어 신호를 출력함으로써 턴오프된다. 따라서, 배터리 셀(110)의 방전이 정지된다. 그러나, 방전 스위치(150)의 바디 다이오드에 의해, 배터리 셀(110)의 충전은 가능하다. 배터리 셀(110)의 방전시 과전류가 발생했을 경우도 위와 같이 동작한다.
상기 충전 스위치(160)는 상기 제어부(140)가 상기 배터리 셀(110)이 과충전 전압이라고 판단했을 경우, COUT 단자를 통하여 게이트에 제어 신호를 출력함으로써 턴오프된다. 따라서, 배터리 셀(110)의 충전이 정지된다. 그러나, 충전 스위치(160)의 바디 다이오드에 의해, 배터리 셀(110)의 방전은 가능하다. 배터리 셀(110)의 충전시 과전류가 발생했을 경우도 위와 같이 동작한다.
여기서, 실질적으로 상기 방전 스위치(150) 및 충전 스위치(160)는 상기 논리 회로(141)에 의해 제어된다. 즉, 상기 논리 회로(141)는 실질적으로 상기 자가 방전부(130), 방전 스위치(150) 및 충전 스위치(160)를 각각 개별적으로 제어한다. 다르게 설명하면, 상기 논리 회로(141)는 상기 방전 스위치(150) 또는 충전 스위치(160)의 턴온 또는 턴오프 상태에 관계없이, 독립적으로 상기 자가 방전부(130)를 제어한다. 물론, 이를 위해 상기 자가 방전부(130)와 방전 스위치(150), 또는 상기 자가 방전부(130)와 충전 스위치(160)는 서로 전기적으로 연결되어 있지 않다. 즉, 제어부(140)의 TS 단자, DOUT 단자 및 COUT 단자는 서로 전기적으로 연결되어 있지 않다.
한편, 도 1에서 상기 방전 스위치(150) 및 충전 스위치(160)는 N채널 전계효과트랜지스터로 도시되어 있으나, 이러한 스위치의 종류로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 방전 스위치(150) 및 충전 스위치(160)는 P채널 전계효과트랜지스터, IGBT 및 그 등가물중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 방법에 의하면, 배터리 셀(110)의 온도, 전압 및 용량이 소정 조건을 만족할 경우, 배터리 셀(110)이 자가 방전된다. 예를 들면, 배터리 셀(110)의 온도가 45~70℃를 초과하고, 배터리 셀(110)의 전압이 3.85V를 초과하고, 배터리 셀(110)의 용량이 50~100%일 경우, 배터리 셀(110)이 강제로 방전될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(110)의 스웰링 및 누액 현상이 미연에 방지될 수 있다. 물론, 이러한 배터리 팩(100)이 장착된 전자장치 역시 안정성 및 신뢰성이 더욱 향상된다. 더불어, 상기 온도 범위, 전압 범위 및 용량 범위는 배터리 셀의 종류, 형상, 구조 및 용량에 따라 변경될 수 있는 것으로, 여기서 그 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 중에서 자가 방전부의 구성을 도시한 회로도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 자가 방전부(130)는 방전 스위칭 소자(131)와 방전 저항(132)으로 이루어질 수 있다. 상기 방전 스위칭 소자(131)는 예를 들면, N 채널 전계효과트랜지스터일 수 있다. 그러나, 이러한 트랜지스터의 종류로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
상기 방전 스위칭 소자(131)의 소스는 배터리 셀(110)의 셀 음극 단자 B-에 전기적으로 연결되고, 드레인은 방전 저항(132)에 전기적으로 연결되어 있다. 더불어, 상기 방전 스위칭 소자(131)의 게이트는 TS 단자에 전기적으로 연결되어 있다. 또한 상기 방전 저항(132)은 일전극이 상기 배터리 셀(110)의 셀 양극 단자 B+에 연결되고, 타전극이 상기 방전 스위칭 소자(131)의 드레인에 전기적으로 연결되어 있다.
이와 같이 하여, TS 단자를 통하여 예를 들면 하이 시그널이 입력될 경우, 상기 N 채널 전계효과트랜지스터는 턴온된다. 따라서, 배터리 셀(110)의 셀 양극 단자 B+로부터 방전 저항(132), 방전 스위칭 소자(131) 및 배터리 셀(110)의 셀 음극 단자 B-를 통하여 전류가 흐른다. 이에 따라, 상기 방전 저항(132)을 통하여, 배터리 셀(110)이 자가 방전된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 자가 방전부(230)는 추가적으로 발광 다이오드(233)를 더 포함할 수 있다. 즉, 발광 다이오드(233)의 캐소드는 방전 저항(132)에 전기적으로 연결되고, 애노드는 방전 스위칭 소자(131)의 드레인에 전기적으로 연결된다.
이와 같이 하여, 자가 방전부(230)의 동작시 상기 발광 다이오드(233)가 발광함으로써, 사용자가 배터리 팩의 자가 방전 동작을 인식할 수 있다. 물론, 상기 발광 다이오드(233)에 의해 배터리 셀(110)의 자가 방전률은 더욱 커진다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 자가 방전부(330)는 추가 방전 저항(334)이 더 연결될 수 있다. 즉, 추가 방전 저항(334)은 일전극이 배터리 셀(110)의 셀 양극 단자 B+에 연결되고, 타전극이 발광 다이오드(233)와 방전 스위칭 소자(131) 사이의 노드 N3에 연결될 수 있다. 이와 같이, 추가 방전 저항(334)이 더 연결됨으로써, 자가 방전부(330)의 자가 방전률은 더욱 커진다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩이 장착된 네비게이션을 도시한 분리 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 차량 내부에 설치된 네비게이션(400)에 장착될 수 있다. 이밖에도, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 각종 차량용 전자장치에 장착될 수 있다.
따라서, 차량용 전자장치에 장착된 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 여름철 고온의 환경에 놓일 경우 자가 방전함으로써, 스웰링 및 누액 현상이 발생하지 않게 된다.
이하의 설명에서는 상기와 같은 배터리 팩 중에서 제어부의 동작을 설명한다. 즉, 상기 제어부 중에서도 특히 논리 회로의 동작을 설명한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법을 도시한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법은 배터리 셀의 온도 및 전압을 센싱하고, 배터리 셀의 잔존 용량을 계산하는 단계(S100), 상기 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단하는 단계(S200), 상기 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는지 판단하는 단계(S400), 상기 배터리 셀의 용량이 기준 용량을 초과하는지 판단하는 단계(S600) 및 자가 방전 모드 단계(S700)를 포함한다.
여기서, 상기 단계(S200)에서 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하지 않는 것으로 판단될 경우 일반 모드 단계(S300)가 수행된다. 또한 상기 단계(S400)에서 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하지 않는 것으로 판단될 경우 충전 또는 방전 정지 모드 단계(S500)가 수행된다.
더불어, 이하의 설명에서 별도의 설명이 없어도 각 단계의 주체는 배터리 팩의 제어부 즉, 논리 회로로 이해한다.
상기 배터리 셀의 온도 및 전압을 센싱하고, 배터리 셀의 잔존 용량을 계산하는 단계(S100)에서는, 제어부가 온도 센서를 이용하여 배터리 셀의 온도를 감지하고, 전압 센서를 이용하여 배터리 셀의 전압을 감지한다. 또한, 제어부는 배터리 셀의 전압 또는 전류값을 이용하여, 배터리 셀의 잔존 용량을 계산한다.
상기 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단하는 단계(S200)에서는, 제어부가 상기와 같이 센싱된 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단한다. 여기서, 상기 기준 온도는 45~70℃로 설정될 수 있으나, 이러한 온도 범위로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 기준 온도는 배터리 셀의 종류, 형상, 구조 및 용량에 따라 변경될 수 있다. 그러나, 일반적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지는 대략 45℃에서부터 스웰링이 시작될 위험성이 있으므로, 상기 기준 온도는 적어도 대략 45℃로 설정됨이 바람직하다.
상기 단계(S200)에서 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과할 경우, 단계(S400)가 수행된다.
상기 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는지 판단하는 단계(S400)에서는, 제어부가 상기와 같이 센싱된 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는지 판단한다. 여기서, 상기 기준 전압은 3.85V로 설정될 수 있으나, 이러한 전압으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 기준 전압은 배터리 셀의 종류, 형상, 구조 및 용량에 따라 변경될 수 있다. 그러나, 일반적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지는 대략 45℃를 초과하는 온도에서 대략 3.85V를 초과하는 전압일 경우, 스웰링이 시작될 위험성이 크므로, 상기 기준 전압은 적어도 3.85V로 설정됨이 바람직하다.
상기 단계(S400)에서 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과할 경우, 단계(S600)가 수행된다.
상기 배터리 셀의 용량이 기준 용량을 초과하는지 판단하는 단계(S600)에서는, 제어부가 상기와 같이 계산된 배터리 셀의 용량이 기준 용량을 초과하는지 판단한다. 여기서, 상기 기준 용량은 50~100%일 수 있으나, 이러한 용량 범위로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 기준 용량은 배터리 셀의 종류, 형상, 구조 및 용량에 따라 변경될 수 있다. 그러나, 일반적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지는 대략 45℃를 초과하는 온도, 대략 3.85V를 초과하는 전압 및 대략 50~100%의 용량일 경우, 스웰링이 거의 확실하게 발생되므로, 상기 기준 용량은 적 어도 50~100%로 설정됨이 바람직하다.
상기 단계(S400)에서 배터리 셀의 용량이 기준 용량을 초과할 경우, 단계(S700)가 수행된다.
상기 자가 방전 모드 단계(S700)에서는, 제어부가 상기 배터리 셀의 전압이 소정 레벨이 될 때까지 자가 방전시킨다. 즉, 상기 제어부는 자가 방전부를 동작시킴으로써, 배터리 셀의 전압이 대략 3.8V가 될 때까지 자가 방전시킨다. 그러나, 이러한 전압으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 배터리 셀의 자가 방전 정지 전압은 배터리 셀의 종류, 형상, 구조 및 용량에 따라 변경될 수 있다. 더불어, 이러한 자가 방전은, 배터리 셀의 용량이 대략 50%까지 떨어지면 즉각적으로 정지됨이 바람직하다. 즉, 현재의 배터리 셀의 전압이 3.8V를 초과한다고 해도, 배터리 셀의 용량이 50%까지 떨어지면 즉각적으로 자가 방전이 정지된다.
한편, 상기 배터리 셀의 자가 방전은 대략 0.1~2C의 속도로 수행될 수 있다. 보다 바람직하기로, 상기 배터리 셀의 자가 방전은 대략 0.1~0.5C의 속도로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 자가 방전 속도는 배터리 셀의 종류, 형상, 구조 및 용량에 따라 변경될 수 있다. 그러나, 일반적으로 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지의 경우 자가 방전 속도가 0.1C 미만이면, 배터리 셀의 고온 스웰링 현상을 억제하기 어렵고, 상기 자가 방전 속도가 0.5C를 초과하면, 배터리 셀의 열화가 빨리 진행될 수 있다. 따라서, 상기 배터리 셀의 자가 방전 속도는 대략 0.1~0.5C가 적 절하다.
더불어, 본 발명에서 상기 배터리 셀의 용량은 고려되지 않을 수도 있다. 즉, 상기 배터리 셀의 온도 및 전압만이 고려되어 자가 방전 여부가 결정될 수도 있다. 다르게 설명하면, 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하고, 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하면 바로 배터리 셀이 자가 방전될 수도 있다. 물론, 이러한 방법에 의해 배터리 셀의 잔존 용량이 과도하게 저하되어, 배터리 팩의 사용 가능 시간이 감소될 수 있다. 그러나, 배터리 팩의 잔존 용량 또는 사용 가능 시간이 감소됨에도 불구하고, 배터리 셀의 스웰링 및 누액 현상 등이 더욱 확실하게 방지되도록 하려면, 상기와 같이 자가 방전시 배터리 셀의 용량이 고려되지 않을 수도 있다.
한편, 도 4에서와 같이, 본 발명은 상기 단계(S200), 단계(S400) 및 단계(S600)의 순서로 이루어질 수 있으나, 본 발명에서 이러한 순서가 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 단계(S200), 단계(S600) 및 단계(S400)의 순서로 수행되거나, 단계(S400), 단계(S200) 및 단계(S600)의 순서로 수행되거나, 단계(S400), 단계(S600) 및 단계(S200)의 순서로 수행되거나, 단계(S600), 단계(S200) 및 단계(S400)의 순서로 수행되거나, 단계(S600), 단계(S400) 및 단계(S200)의 순서로 수행될 수 있다. 물론, 최종적으로 상기 3개의 단계(조건)를 모두 만족할 경우, 충전, 방전 또는 대기시에 자가 방전 모드 단계(S700)가 수행된다.
즉, 배터리 셀의 온도가 45~70℃를 초과하고, 배터리 셀의 전압이 3.85V를 초과하며, 배터리 셀의 용량이 50~100%일 경우, 자가 방전 모드 단계(S600)가 수행된다. 더불어, 자가 방전 모드 단계(S600)는 배터리 셀의 전압이 아직 3.8V까지 떨어지지 않았다고 해도, 배터리 셀의 용량이 50%까지 저하되었을 경우 바로 정지된다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법 중에서 일반 모드의 동작을 도시한 순서도이다.
일반 모드는 배터리 셀의 온도가 기준 온도보다 작을 경우 수행된다. 즉, 단계(S200, 도 4 참조)에서 "아니오"일 경우 일반 모드가 수행된다.
상기 일반 모드는 배터리 셀의 전압이 과충전 전압보다 큰지 판단하는 단계(S310), 상기 단계(S310)에서 "예"일 경우 충전을 정지하는 단계(S320), 상기 단계(S310)에서 "아니오"일 경우 배터리 셀의 전압이 과방전 전압보다 작은지 판단하는 단계(S330) 및 상기 단계(S330)에서 "예"일 경우 방전을 정지하는 단계(S340)를 포함한다. 물론, 상기 단계(S300)에서 "아니오"일 경우 상기 단계(S310)로 복귀한다.
상기 배터리 셀의 전압이 과충전 전압보다 큰지 판단하는 단계(S310)에서는, 제어부가 전압 센서를 이용하여 배터리 셀의 전압이 과충전 전압(예를 들면, 4.3V)보다 큰지 판단한다.
상기 충전을 정지하는 단계(S320)에서는, 제어부가 충전 스위치에 충전 정지 신호를 출력하여, 상기 충전 스위치가 턴오프되도록 한다. 따라서, 배터리 셀의 충전은 정지된다. 그러나, 이 상태에서도 충전 스위치의 바디 다이오드에 의해 배터리 셀의 방전은 가능하다.
상기 배터리 셀의 전압이 과방전 전압보다 작은지 판단하는 단계(S330)에서는, 제어부가 전압 센서를 이용하여 배터리 셀의 전압이 과방전 전압(예를 들면, 2.3V)보다 작은지 판단한다.
상기 방전을 정지하는 단계(S340)에서는, 제어부가 방전 스위치에 방전 정지 신호를 출력하여, 상기 방전 스위치가 턴오프되도록 한다. 따라서, 배터리 셀의 방전은 정지된다. 그러나, 이 상태에서도 방전 스위치의 바디 다이오드에 의해 배터리 셀의 충전은 가능하다.
더불어, 상기 단계(310) 및 단계(330)는 상술한 바와 반대의 순서로 수행될 수도 있다. 즉, 상기 단계(330)가 먼저 수행되고, 이후 단계(310)가 수행될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법 중에서 충전 또는 방전 정지 모드의 동작을 도시한 순서도이다.
충전 또는 방전 정지 모드는 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하기는 하지만, 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하지 않을 경우 수행된다. 즉, 단계(S400, 도 4 참조)에서 "아니오"일 경우 충전 또는 방전 정지 모드가 수행된다.
이러한 충전 또는 방전 정지 모드는 충전 또는 방전 정지 단계(S510) 및 배 터리 셀의 온도가 기준 온도 이하인지 판단하는 단계(S520)를 포함한다.
상기 충전 또는 방전 정지 단계(S510)에서는, 제어부가 충전 스위치 또는 방전 스위치를 턴오프하여 배터리 셀의 충전 또는 방전이 정지되도록 한다. 즉, 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는 상태이므로, 배터리 셀이 안정화되도록 배터리 셀의 충전 또는 방전이 정지된다. 여기서, 배터리 셀을 더욱 안정화시키기 위해서, 상기 충전 스위치 및 방전 스위치는 동시에 턴오프될 수도 있다.
상기 배터리 셀의 온도가 기준 온도 이하인지 판단하는 단계(S520)에서는, 배터리 셀의 온도가 기준 온도 즉, 45~70℃ 보다 작은지 판단한다.
상기 판단 결과, 배터리 셀의 온도가 기준 온도 보다 작을 경우, 배터리 셀이 안정화된 것이므로, 충전 또는 방전 정지 모드가 해제된다. 그러나, 상기 판단 결과 배터리 셀의 온도가 기준 온도보다 여전히 클 경우, 배터리 셀이 아직 안정화된 것이 아니므로, 상기 충전 또는 방전 정지 단계(S510)로 복귀한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법 중에서 자가 방전 모드의 동작을 도시한 순서도이다.
자가 방전 모드는, 상술한 바와 같이 배터리 셀의 온도, 전압 및 용량이 소정 조건을 만족할 경우, 수행된다. 예를 들면, 배터리 셀의 온도가 45~70℃를 초과하고, 배터리 셀의 전압이 3.85V를 초과하며, 배터리 셀의 용량이 50~100%일 경우, 배터리 셀의 자가 방전이 수행된다. 물론, 상기 배터리 셀의 용량은 상기 자가 방전 모드에서 고려되지 않을 수도 있다.
이러한 자가 방전 모드는 배터리 셀 방전 단계(S710), 배터리 셀의 용량이 정지 용량보다 작은지 판단하는 단계(S720) 및 배터리 셀의 전압이 정지 전압보다 큰지 판단하는 단계(S730)를 포함한다. 여기서, 상기와 같은 자가 방전 모드는 배터리 셀의 충전, 방전 또는 대기시에 수행된다. 즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 자가 방전은 배터리 셀이 충전중이거나, 방전중이거나 또는 대기중일 때 수행됨으로써, 배터리 셀의 어떠한 상황에 놓여 있다고 해도, 배터리 셀의 스웰링, 이상 발명 및 누액 현상이 적극적으로 방지된다.
상기 배터리 셀 방전 단계(S710)에서는, 제어부가 자가 방전부에 자가 방전신호를 출력함으로써, 배터리 셀이 자가 방전되도록 한다.
상기 배터리 셀의 용량이 정지 용량보다 작은지 판단하는 단계(S720)에서는, 제어부가 배터리 셀의 용량이 50%보다 작은지 판단한다. 만약 배터리 셀의 용량이 50%보다 작은 것으로 판단되면, 제어부는 자가 방전부에 자가 방전 정지 신호를 출력함으로써, 배터리 셀의 자가 방전이 즉각적으로 정지되도록 한다. 즉, 제어부는 자가 방전 모드를 해제한다.
한편, 상기 단계(S720)에서 배터리 셀의 용량이 여전히 50%를 초과하는 것으로 판단되면, 단계(S730)가 수행된다.
상기 배터리 셀의 전압이 정지 전압보다 큰지 판단하는 단계(S730)에서는, 제어부가 배터리 셀의 전압이 대략 3.8V 보다 작은지 판단한다. 만약 배터리 셀의 전압이 대략 3.8V보다 큰 것으로 판단되면, 상기 배터리 셀 방전 단계(S710)로 복귀한다. 그러나, 배터리 셀의 전압이 대략 3.8V보다 작다면, 배터리 셀의 자가 방전은 정지된다. 즉, 제어부는 자가 방전 모드를 해제한다.
더불어, 상기 단계(720) 및 단계(730)는 상술한 바와 반대의 순서로 수행될 수도 있다. 즉, 상기 단계(730)가 먼저 수행되고, 이후 단계(720)가 수행될 수도 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 방법에 의하면, 배터리 셀의 온도, 전압 및 용량이 소정 조건을 만족할 경우, 배터리 셀이 자가 방전된다. 즉, 배터리 셀의 온도가 45~70℃를 초과하고, 배터리 셀의 전압이 3.85V를 초과하며, 배터리 셀의 용량이 50~100%일 경우, 충전, 방전 또는 대기시에 배터리 셀이 3.8V까지 강제로 방전된다. 따라서, 본 발명의 한 실시예에 따르면 배터리 셀의 스웰링 및 누액 현상이 적극적으로 방지된다. 물론, 이러한 방법이 적용된 배터리 팩은 안정성 및 신뢰성이 더욱 향상된다. 특히, 본 발명은 고온 상태에서 자주 사용되는 전자장치 예를 들면 차량용 전자장치 또는 네비게이션 등에 장착되는 배터리 팩에 적합하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 및 그 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명의 한 실시예는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩을 도시한 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩 중에서 자가 방전부의 구성을 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩이 장착된 네비게이션을 도시한 분리 사시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법 중에서 일반 모드의 동작을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법 중에서 충전 또는 방전 정지 모드의 동작을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 방법 중에서 자가 방전 모드의 동작을 도시한 순서도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100; 본 발명에 따른 배터리 팩
110; 배터리 셀 120; 온도 센서
121; 써미스터 122; 분압 저항
130; 자가 방전부 131; 방전 스위칭 소자
132; 방전 저항 140; 제어부
141; 논리 회로 142; 온도 센싱 회로
150; 방전 스위치 160; 충전 스위치

Claims (20)

  1. 배터리 셀의 온도 및 전압을 센싱하는 단계;
    상기 센싱된 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는지 판단하는 단계;
    상기 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 상기 센싱된 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는지 판단하는 단계; 및,
    상기 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 충전, 방전 또는 대기시 상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계를 포함하여 이루어진 배터리 셀의 고온 스웰링 방지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 온도는 45~70℃인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링 방지 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 전압은 3.85V인 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링 방지 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는
    상기 배터리 셀을 0.1~2C로 방전하여 이루어짐을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링 방지 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는
    상기 배터리 셀을 0.1~0.5C로 방전하여 이루어짐을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링 방지 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는
    상기 배터리 셀의 잔존 용량이 50~100%인 경우 수행됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링 방지 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는
    상기 배터리 셀의 잔존 용량이 50%일 때까지 수행됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링 방지 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는
    상기 배터리 셀의 전압이 3.8V일 때까지 수행됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링 방지 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀을 자가 방전시키는 단계는
    배터리 셀 방전 단계;
    배터리 셀 용량이 50%보다 작은지 판단하는 단계;
    상기 배터리 셀 용량이 50%보다 작은 경우, 상기 배터리 셀 전압이 3.8V보다 작은지 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 배터리 셀 용량이 50%보다 작으면 배터리 셀의 방전을 정지하고,
    상기 배터리 셀 전압이 3.8V보다 크면 배터리 셀 방전 단계로 복귀함을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링 방지 방법.
  10. 배터리 셀;
    상기 배터리 셀의 온도를 감지하는 온도 센서;
    상기 배터리 셀에 전기적으로 연결된 자가 방전부; 및,
    상기 온도 센서로부터 얻은 온도값에 따라, 충전, 방전 또는 대기시에 상기 자가 방전부를 제어하여 상기 배터리 셀이 자가 방전되도록 하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 배터리 셀의 온도가 기준 온도를 초과하고, 배터리 셀의 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 충전, 방전 또는 대기시 상기 자가 방전부를 동작시킴을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 대전류 경로에 전기적으로 연결된 충전 스위칭 소자를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 충전 스위칭 소자 및 상기 자가 방전부를 독립적으로 제어함을 특징으로하는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 자가 방전부는
    직렬 연결된 자가 방전 스위칭 소자 및 적어도 하나의 방전 저항을 포함하고,
    상기 자가 방전 스위칭 소자 및 방전 저항은 상기 배터리 셀에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 자가 방전부는
    상기 자가 방전 스위칭 소자와 방전 저항 사이에 발광 다이오드가 더 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 자가 방전 스위칭 소자와 방전 저항에 적어도 하나의 방전 저항이 병렬 로 더 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 온도 센서는
    써미스터 및 이에 연결된 분압 저항으로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리 셀의 잔존 용량이 50~100%인 경우 상기 자가 방전부를 동작시킴을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 네비게이션 장치에 장착됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 차량용 전자장치에 장착됨을 특징으로 하는 배터리 셀의 고온 스웰링을 방지할 수 있는 배터리 팩.
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