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KR102161289B1 - 외장 배터리 - Google Patents

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KR102161289B1
KR102161289B1 KR1020130051300A KR20130051300A KR102161289B1 KR 102161289 B1 KR102161289 B1 KR 102161289B1 KR 1020130051300 A KR1020130051300 A KR 1020130051300A KR 20130051300 A KR20130051300 A KR 20130051300A KR 102161289 B1 KR102161289 B1 KR 102161289B1
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이석봉
윤희상
김형신
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명에서는 외장 배터리가 제공된다. 상기 외장 배터리는 베어셀; 충전기로부터 입력단에 공급된 외부 전원을 상기 베어셀에 공급하는 충전부; 상기 베어셀로부터 출력되는 전압을 다른 크기의 전압으로 변환하여 출력단으로 전달하는 DC-DC 변환부; 상기 베어셀의 출력 전압 및 상기 베어셀의 출력 전류를 이용하여 상기 베어셀의 과충전, 과방전 및 방전 과전류 중 적어도 하나를 감지하는 MCU(Main Controller Unit); 및 상기 MCU에 의해 제어되며, 상기 충전부와 상기 입력단 사이에 배치되는 제1 스위치 및 상기 베어셀과 상기 DC-DC 변환부 사이에 배치되는 제2 스위치를 포함할 수 있다.

Description

외장 배터리{External battery}
본 발명의 실시예들은 관한 외장 배터리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MCU를 통해 외장 배터리에 내장된 배터리를 보호하는 외장 배터리에 관한 것이다.
근래에 사용하는 전자기기들, 예컨대 노트북, 휴대폰, PDA 등은 휴대하여 사용할 수 있도록 개발되었다. 이러한 휴대용 전자기기들은 사용에 필요한 전기에너지를 주로 배터리를 통해서 공급받고 있다. 근래의 휴대용 전자기기는 그 고유의 기능뿐만 아니라, 다른 기능들이 점차 부가되어 하나의 휴대용 전자기기만으로도 여러 가지 기능을 수행할 수 있도록 그 기능이 다양화되고 있는 추세이다. 그러므로 사용에 필요한 전기에너지도 점점 증가하고 있으며, 이에 따라 더 큰 용량의 기본 배터리가 필요하게 되었다.
이를 위해 휴대용 전자기기에 부착되어 사용되지 않고 휴대하여 가지고 다닐 수 있는 외장형 배터리가 개발되었다.
도 1은 종래의 외장형 배터리의 구성을 개략적으로 나타낸 블록다이어그램이다.
도 1을 참조하면, 외장 배터리(30)의 입력단(31)은 충전기(10)로부터 외부 전원을 공급받는다. MCU(32)는 입력단(31)의 전압을 센싱하여 충전기(10)의 종류를 파악하고 상기 충전 IC(33)의 출력 전류를 제어하며, 충전 IC(33)는 출력 전류를 배터리(34)에 공급한다. 또한, MCU(32)는 배터리(34)의 전압을 센싱하여 표시부(37)를 통해 표시한다. 배터리(34)로부터 출력된 전압은 DC-DC 변환부(35)를 통해 승압되어 출력단(36)을 통해 외부기기(20)에 공급된다
외장형 배터리에 내장되는 배터리(34)로는 보통 충방전이 가능한 이차 전지를 채용된다. 이러한 이차 전지는 전극조립체와 전해액이 수용된 캔을 밀봉한 상태의 베어셀(34a)과 PCM 회로(34b)가 전기적으로 연결되어 형성된다. 상기 PCM 회로(34b)는 베어셀(34a)의 충방전을 제어하면서 과충전, 과방전을 방지하여 베어셀(34a)을 보호하는 역할을 한다.
종래의 외장 배터리는 PCM 회로가 배터리의 과충전, 과방전, 방전과전류를 제어하기 위해 배터리(34)의 전압을 센싱하고, MCU(32)에서도 배터리의 용량을 표시하기 위해 배터리(34)의 전압을 센싱한다는 점에서 배터리(34)의 전압이 중복 센싱되는 문제가 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 PCM 대신 외장 배터리의 MCU를 통해 외장 배터리에 내장된 배터리를 보호하는 외장배터리를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 베어셀; 충전기로부터 입력단에 공급된 외부 전원을 상기 베어셀에 공급하는 충전부; 상기 베어셀로부터 출력되는 전압을 다른 크기의 전압으로 변환하여 출력단으로 전달하는 DC-DC 변환부; 상기 베어셀의 출력 전압 및 상기 베어셀의 출력 전류를 이용하여 상기 베어셀의 과충전, 과방전 및 방전 과전류 중 적어도 하나를 감지하는 MCU(Main Controller Unit); 및 상기 MCU에 의해 제어되며, 상기 충전부와 상기 입력단 사이에 배치되는 제1 스위치 및 상기 베어셀과 상기 DC-DC 변환부 사이에 배치되는 제2 스위치를 포함하는 외장 배터리가 제공된다.
상기 베어셀과 전기적으로 연결되며, 상기 출력 전압을 센싱하여 상기 MCU로 전달하는 전압 센싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 MCU는 상기 센싱되는 출력 전압이 과충전 방지전압에 도달하면, 상기 제1 스위치를 오프시켜 상기 외부 전원의 공급을 차단할 수 있다.
상기 MCU는 상기 센싱되는 출력 전압이 과방전 방지 전압에 도달하면, 상기 제2 스위치를 오프시켜 상기 베어셀의 출력 전류를 차단할 수 있다.
상기 센싱되는 출력 전압이 과충전 방지 전압 이하로 떨어지거나, 상기 과방전 방지 전압 이상으로 올라가면 상기 제1 스위치 또는 상기 제2 스위치를 온 시킬 수 있다.
상기 베어셀과 상기 DC-DC 변환부 사이에 배치되어 상기 베어셀의 출력 전류를 센싱하여 상기 MCU로 전달하는 전류 센싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 DC-DC 변환부 및 상기 출력단 사이에 배치되며, 상기 DC-DC 변환부 출력 전류를 센싱하여 상기 MCU로 전달하는 전류 센싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 전류 센싱부는 전류검출저항(Current Shunt Resistor)를 포함할 수 있다.
상기 MCU는 상기 센싱되는 베어셀의 출력 전류 또는 DC-DC 변환부의 출력 전류가 방전 과전류에 도달하는 경우 상기 제2 스위치를 오프시켜 상기 베어셀의 출력 전류를 차단할 수 있다.
상기 MCU는 상기 센싱되는 베어셀의 출력 전류 또는 DC-DC 변환부의 출력 전류가 방전 과전류 이하로 떨어지는 경우 상기 제2 스위치를 온 시킬 수 있다.
상기 베어셀의 용량을 표시하는 표시부를 더 포함하며, 상기 MCU는 상기 베어셀의 전압을 이용하여 상기 표시부를 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 외장 배터리의 MCU를 이용하여 외장 배터리에 내장된 배터리를 보호할 수 있다.
도 1은 종래의 외장형 배터리의 구성을 개략적으로 나타낸 블록다이어그램이다.
도 2는 이차전지에서의 PCM의 구조를 보여주는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외장 배터리의 블록다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외장 배터리의 블록다이어그램이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
종래의 외장 배터리는 베어셀에 전기적으로 접속된 PCM 회로가 배터리의 과충전, 과방전, 방전과전류를 제어하기 위해 배터리의 전압을 센싱한다.
도 2는 이차전지에서의 PCM의 구조를 보여주는 회로도이다.
도 2를 참조하면, PCM(200)은 Control IC(210)과 MOSFET(220, 230)와 같은 능동소자들로 이루어져 있고, 전압 센서(240)와 전류 센서(242) 및 캐패시터(250)를 포함하고 있다.
직렬로 연결된 전지셀들(110, 112)의 음극 쪽에는 퓨즈 또는 PTC(260)가 연결되어 있고, 양 단부에 외부 입출력 단자들(V+, V-)이 연결되어 있다.
이들의 작동을 설명하면, 제1 전지셀(110)의 전압(전압센서에 VC 간의 전압)과 제2 전지셀(112)의 검출전압(VC에서 VSS간의 전압) 중 하나의 전압이 과충전 방지 전압에 도달하면, Control IC(210)는 충전 MOSFET(230)을 오프 상태로 전환시켜 전류를 차단한다. 반대로, 제1 전지셀(110)의 전압과 제2 전지셀(112)의 검출 전압 중 하나의 전압이 과방전 방지 전압에 도달하면, Control IC(210)는 방전 MOSFET(220)를 오프 상태로 전환시켜 전류를 차단한다. 과전류의 경우에는 전류센서(242)에서 VSS간 전압 차이에 의해 Control IC(210)는 방전 MOSFET(220)를 오프 상태로 전환시켜 전류를 차단한다.
그러나 PCM은 과전압, 과전류를 효과적으로 제어하여 전지의 안전성을 담보하지만, 사용되는 능동소자들(210, 220, 230)이 고가이므로 전지의 제조비용을 증가시키는 주요원인이다.
따라서, 이하 본 발명에서는 PCM 대신 외장 배터리에 구비되는 MCU를 이용하여 외장 배터리에 내장된 배터리의 과충전, 과방전, 방전 과전류를 제어해줌으로써 전체적인 회로를 간소화시키고, 비용을 낮출 수 있는 외장 배터리를 제공하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외장 배터리의 블록다이어그램이다.
도 3을 참조하면, 외장 배터리(300)는 MCU(301), 입력단(303), 충전부(305), 베어셀(307), DC-DC 변환부(309) 및 출력단(311)을 포함할 수 있다.
MCU(301)는 외장 배터리(300) 내의 구성을 전반적으로 제어하며 이하 다른 구성들과 함께 MCU(301)의 동작원리에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
입력단(303)은 충전기(10)의 단자와 연결되는 부분으로서 충전기(10)로부터 공급되는 외부 전원을 충전부(305)에 전달한다. 입력단(301)은 충전기(10)에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
충전부(305)는 입력단(303)으로부터 공급되는 외부 전원을 이용하여 충전 전류를 생성한 후 이를 베어셀(307)에 공급하여 베어셀(307)이 충전되도록 한다. 충전부(305)에서 출력되는 최대충전전류의 크기는 입력단(303)에 연결되는 충전기(305)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 따라서, MCU(303)는 입력단(303)에 흐르는 전압을 센싱하여 충전기(305)의 사양을 확인하고, 상기 충전기(10)의 사양에 따른 최대충전전류가 충전부(305)에서 출력되도록 충전부(305)를 제어할 수 있다.
베어셀(307)은 양극/분리막/음극 구조의 전극 조립체가 리듐 전해질에 함침된 상태로 전지 케이스 내부에 밀봉되어 있는 충방전이 가능한 전지셀이다. 이러한, 전극 조립체는 양면에 활물질이 도포되어 있는 긴 시트형의 양극과 음극을 분리막을 개재시킨 상태에서 둥글게 권취한 젤리-롤 구조(권취형)와, 활물질이 양면에 도포된 소정 크기의 양극과 음극 다수 개를 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형(적층형) 구조가 일반적이다.
베어셀(307)로는 전지의 형태에 따라 금속캔의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 원통형 및 각형과, 알루미늄 라미네이트 시트의 전지케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 베어셀들이 모두 사용될 수 있다. 또한, 베어셀(307)은 둘 이상의 베어셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
DC-DC 변환부(309)는 베어셀(307)로부터 출력되는 전압을 외부기기(30)의 구동을 위한 크기의 전압으로 변환하여 출력단(311)으로 전달한다.
출력단(311)은 외부기기(30)와 연결되어, 베어셀(307)로부터 공급되는 전기 에너지를 외부기기(30)로 전달하는 역할을 한다. 출력단(311)의 형태는 외부기기(30)에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
표시부(313)는 베어셀(307)의 용량을 표시하는 부분으로서, MCU(301)는 베어셀(307)의 전압을 이용하여 표시부(313)를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 MCU(301)는 베어셀(307)의 전압 및 베어셀(307)의 출력 전류를 이용하여 베어셀의 과충전, 과방전 및 방전 과전류를 감지하고, 입력단(303)과 충전부(305) 사이에 배치되는 제1 스위치(321) 및 베어셀(307)과 DC-DC 변환부(309) 사이에 배치되는 제2 스위치(323)를 제어한다.
전압 센싱부(331)는 베어셀(307)과 전기적으로 연결되어 출력 전압을 센싱하여 MCU(301)로 전달한다.
MCU(301)는 전압 센싱부(331)에서 센싱되는 출력 전압이 과충전 방지 전압에 도달하면 제1 스위치(321)를 오프시켜 외부 전윈의 공급을 차단함으로써 베어셀(307)을 보호한다.
MCU(301)는 전압 센싱부(331)에서 센싱되는 출력 전압이 과방전 방지 전압에 도달하면 제2 스위치(323)를 오프시켜 베어셀(307)의 출력 전류를 차단함으로써 베어셀(307)을 보호한다.
또한, MCU(301)는 센싱되는 출력 전압이 과충전 방지전압 이하로 떨어지거나, 과방전 방지 전압 이상으로 올라가면 제1 스위치(321) 또는 제2 스위치(323)를 온 상태로 전환하여 베어셀(307)의 충전 또는 방전이 수행되도록 한다.
제1 스위치(321) 및 제2 스위치(323)은 도 3에 도시된 바와 같이 트랜지스터로 구현될 수 있으나 이에 한정되지는 않음은 물론이다.
전류 센싱부(333)는 베어셀(307) 및 DC-DC 변환부(309)사이에 배치되며, 베어셀(307)의 출력 전류를 센싱하여 MCU(301)로 전달한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전류 센싱부(333)는 전류검출저항(Current Shunt Resistor)을 포함할 수 있다.
MCU(301)는 전류 센싱부(333)에서 센싱되는 출력 전류가 방전 과전류에 도달하는 경우 제2 스위치(323)를 오프시켜 베어셀(307)의 출력 전류를 차단한다.
본 발명에 따르면, 외장 배터리(300)의 MCU(301)가 베어셀(307)의 과충전, 과방전, 방전과전류 시 제1 스위칭부(321) 및 제2 스위칭부(323)을 제어함으로써 베어셀(307)은 별도의 보호회로인 PCM을 구비할 필요가 없게 된다. 따라서. 베어셀(307)과 PCM을 연결해주는 용접 방식 대신 베어셀(307)와 MCU(301)간을 연결하는 납땝 방식이 가능해진다. 이에 따라, 전체적인 회로의 간소화와 공간 활용부분에서 효율적인 외장 배터리(300)를 제공할 수 있다. 또한. MCU(301)는 펌웨어로 스펙을 변경할 수 있기 때문에 동일한 IC 칩으로 다양한 스펙을 구성할 수 가 있는 장점이 있다. 즉, 베어셀(307)의 종류에 따라 달라지는 과방전 전압, 과충전 전압, 방전 과전류 등의 값을 펌웨어 업그레이드를 통해 동일한 칩으로 제어할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외장 배터리의 블록다이어그램이다.
도 4에 도시된 구성은 전류 센싱부(433)의 구성을 제외하고는 도 3과 모두 동일한 구성으로서, 동일한 구성에 대해서는 중복되는 설명을 생략하도록 한다.
도 4를 참조하면, 전류 센싱부(433)은 DC-DC 변환부(309)와 출력단(311) 사이에 배치되며, DC-DC 변환부에서 출력되는 전류를 센싱하여 MCU(301)로 전달한다.
DC-DC 변환부(309)는 전압을 승압시키는 구성으로서, 전압이 승압되는 과정에서 과전류가 발생할 수 있다. 따라서, 전류 센싱부(433)를 DC-DC 변환부(309)와 출력단(311)사이에 배치하여 DC_DC 변환부(309)의 출력 전류를 센싱할 수 있다.
MCU(301)는 DC-DC 변환부(309)의 출력 전류가 방전 과전류에 도달하는 경우 제2 스위치(323)를 오프시켜 베어셀(307)의 출력 전류를 차단한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 충전기 301: MCU
303: 입력단 305: 충전부
307: 베어셀 309: DC-DC 변환부
311: 출력단 313: 표시부
321: 제1 스위치 323: 제2 스위치
331: 전압 센싱부 333, 433: 전류 센싱부

Claims (12)

  1. 일단의 입력단과 타단의 출력단 사이에 연결된 베어셀;
    충전기로부터 입력단에 공급된 외부 전원을 상기 베어셀에 공급하는 충전부;
    상기 베어셀로부터 출력되는 전압을 다른 크기의 전압으로 변환하여 외부 기기가 연결된 출력단으로 전달하는 DC-DC 변환부;
    상기 베어셀의 출력 전압 및 상기 베어셀의 출력 전류를 이용하여 상기 베어셀의 과충전, 과방전 및 방전 과전류 중 적어도 하나를 감지하는 MCU(Main Controller Unit);
    상기 MCU에 의해 제어되며, 상기 충전부와 상기 입력단 사이에 배치되는 제1 스위치 및 상기 베어셀과 상기 DC-DC 변환부 사이에 배치되는 제2 스위치를 포함하고,
    상기 MCU는,
    i) 상기 베어셀의 출력 전압이 과충전 방지 전압에 도달하면, 상기 제1 스위치를 오프시켜 상기 외부 전원의 공급을 차단하거나,
    ii) 상기 베어셀의 출력 전압이 과방전 방지 전압에 도달하면, 상기 제2 스위치를 오프시켜 상기 베어셀의 출력 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베어셀과 전기적으로 연결되며, 상기 출력 전압을 센싱하여 상기 MCU로 전달하는 전압 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 센싱되는 출력 전압이 과충전 방지전압에 도달하면, 상기 제1 스위치를 오프시켜 상기 외부 전원의 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 센싱되는 출력 전압이 과방전 방지 전압에 도달하면, 상기 제2 스위치를 오프시켜 상기 베어셀의 출력 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  5. 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센싱되는 출력 전압이 상기 과충전 방지 전압 이하로 떨어지거나, 상기 과방전 방지 전압 이상으로 올라가면 상기 제1 스위치 또는 상기 제2 스위치를 온 시키는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 베어셀과 상기 DC-DC 변환부 사이에 배치되어 상기 베어셀의 출력 전류를 센싱하여 상기 MCU로 전달하는 전류 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC 변환부 및 상기 출력단 사이에 배치되며, 상기 DC-DC 변환부 출력 전류를 센싱하여 상기 MCU로 전달하는 전류 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  8. 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 센싱부는 전류검출저항(Current Shunt Resistor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  9. 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 센싱되는 베어셀의 출력 전류 또는 DC-DC 변환부의 출력 전류가 방전 과전류에 도달하는 경우 상기 제2 스위치를 오프시켜 상기 베어셀의 출력 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  10. 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 센싱되는 베어셀의 출력 전류 또는 DC-DC 변환부의 출력 전류가 방전 과전류 이하로 떨어지는 경우 상기 제2 스위치를 온 시키는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 입력단의 전압을 이용하여 상기 입력단에 연결된 충전기의 사양을 확인하고, 상기 충전기의 사양에 따른 최대충전전류를 상기 베어셀에 공급하도록 상기 충전부를 제어하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 베어셀의 용량을 표시하는 표시부를 더 포함하며, 상기 MCU는 상기 베어셀의 전압을 이용하여 상기 표시부를 제어하는 것을 특징으로 하는 외장 배터리.
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