KR20170058073A - 배터리 팩의 전압 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 배터리 팩의 전압 측정 장치와 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 장치는, 제1전압 배분 저항과, 상기 제1전압 배분 저항과 직렬로 연결되고 상기 제1전압 배분 저항보다 저항 값이 상대적으로 작은 제2전압 배분 저항을 포함하는 저항 회로부; 상기 저항 회로부를 배터리 팩의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬 연결하거나 그 연결을 해제하고 온도에 따라 턴온 저항이 변하는 스위치부; 상기 스위치부의 온도에 대응되는 온도 측정 신호를 출력하는 온도 측정부; 상기 제2전압 배분 저항에 연결되고 상기 제2전압 배분 저항에 인가되는 전압에 해당하는 전압 측정 신호를 출력하는 전압 측정부; 및 상기 온도 측정 신호 및 상기 전압 측정 신호를 입력 받아 온도 측정 값과 전압 측정 값을 결정하고; 상기 스위치부의 미리 정의된 온도 별 턴온 저항 데이터를 참조하여 상기 온도 측정 값에 대응되는 턴온 저항 값을 결정하고; 상기 턴온 저항 값 및 상기 저항 회로부의 저항 값과 상기 전압 측정 값을 이용하여 배터리 팩의 전압을 결정하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

배터리 팩의 전압 측정 장치 및 그 방법{Apparatus of Measuring Voltage of Battery Pack and Method thereof}
본 발명은 배터리 팩의 전압을 정확하게 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 등은 대용량의 배터리 팩을 포함한다.
배터리 팩은, 직렬로 연결된 복수의 단위 셀들을 포함한다. 단위 셀은 반복적인 충전과 방전이 가능한 셀이다. 배터리 팩의 전압은 단위 셀들의 전압을 합한 값과 같다. 대용량의 배터리 팩은 대개 수십에서 수백 볼트 정도의 전압을 가진다.
배터리 팩의 전압은 설계된 전압 범위 내에서 적절하게 유지되어야 한다. 전압이 설계 상한 전압보다 증가하거나 설계 하한 전압보다 감소하면 배터리 팩이 열화됨으로써 수명이 짧아진다. 따라서 배터리 팩의 전압이 설계 전압 범위를 벗어나면 충전이나 방전을 중단시키는 등의 안전 조치를 취해야 한다.
배터리 팩의 전압을 안정적으로 관리하기 위해서는 배터리 팩의 전압을 정확하게 측정하는 것이 무엇보다 중요하다.
배터리 팩의 전압은 양극 단자 및 음극 단자 사이에 병렬로 연결된 2개 이상의 전압 배분 저항들을 이용하여 측정한다. 전압 배분 저항들은 저항 값의 상대적 비율이 크다. 배터리 팩의 전압은 저항 값이 상대적으로 작은 전압 배분 저항을 통해 측정한다. 전압 배분 저항들의 가장 바깥쪽 노드들은 스위치를 통해 배터리 팩의 양극 단자 및 음극 단자에 연결된다.
배터리 팩의 전압은 주기적으로 측정된다. 측정 주기가 도래되면, 스위치가 턴온된다. 그러면, 배터리 팩의 전압이 전압 배분 노드들의 양쪽 노드에 인가된다. 이 상태에서, 전압 배분 저항들 중 어느 하나의 저항에 인가되는 전압을 아날로그-디지털 변환기(Analog Digital Converter: ADC)에 입력한다. 그리고 ADC에서 디지털 값으로 변환된 전압 값과 전압 배분 저항들 사이의 저항 값 비율로부터 배터리 팩의 전압을 결정한다.
배터리 팩의 전압 측정 시 전압 배분 저항들을 배터리 팩에 연결하는데 사용되는 스위치로는 SSR(Solid State Relay) 스위치가 대표적이다.
SSR 스위치는 무접점 반도체 릴레이의 일 종으로서, 기계식 릴레이와 다르게 움직이는 부품을 포함하지 않는 전자식 스위치이다. SSR 스위치는 크게 빛을 제어 신호로 사용하는 것과 전압을 제어 신호로 사용하는 것으로 나뉜다.
SSR 스위치는 기계식 릴레이보다 반응 속도가 빠르다. 또한, 제어 논리와 높은 전압 부하 사이를 분리하여 동작할 수 있고, 움직이는 부품이 없어서 수명이 길다.
하지만 SSR 스위치는 닫혔을 때 양단에 턴온 저항이 생긴다. 따라서, 배터리 팩의 전압을 측정할 때 SSR 스위치를 이용하여 전압 배분 저항들을 배터리 팩에 연결하면 SSR 스위치의 턴온 저항 때문에 전압을 정확하게 측정하기 어렵다. 측정된 전압 값에는 SSR 스위치의 턴온 저항으로부터 유래된 전압 성분이 포함되어 있기 때문이다. 또한 SSR 스위치가 닫혔을 때 생기는 턴온 저항 값은 온도에 따라 달라진다. 따라서 SSR 스위치의 온도가 달라지면 배터리 팩의 측정 전압도 달라진다.
배터리 팩의 전압이 정확하게 측정되지 않으면, 충전 후반부와 방전 후반부에 전압이 설계 전압 범위를 벗어나지 않도록 제어하기 어렵다. 예를 들어, 정전류로 충전 또는 방전을 계속할 경우, 충전 후반부 및 방전 후반부로 갈수록 전압 변화율이 커지기 때문이다.
따라서 SSR 스위치와 같이 온도에 따라 턴온 저항이 변하는 특성이 있는 전자식 스위치를 이용하여 배터리 팩의 전압을 측정할 때 생기는 측정 오차를 줄일 수 있는 기술적 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 배경하에 창안된 것으로서, 전압 배분 저항들을 배터리 팩에 연결하는데 사용되는 스위치의 턴온 저항으로부터 유래되는 전압 오차를 고려하여 배터리 팩의 전압을 정확하게 측정할 수 있는 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩의 전압 측정 장치는, 제1전압 배분 저항과, 상기 제1전압 배분 저항과 직렬로 연결되고 상기 제1전압 배분 저항보다 저항 값이 상대적으로 작은 제2전압 배분 저항을 포함하는 저항 회로부; 상기 저항 회로부를 배터리 팩의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬 연결하거나 그 연결을 해제하고 온도에 따라 턴온 저항이 변하는 스위치부; 상기 스위치부의 온도에 대응되는 온도 측정 신호를 출력하는 온도 측정부; 상기 제2전압 배분 저항에 연결되고 상기 제2전압 배분 저항에 인가되는 전압에 해당하는 전압 측정 신호를 출력하는 전압 측정부; 및 상기 온도 측정 신호 및 상기 전압 측정 신호를 입력 받아 온도 측정 값과 전압 측정 값을 결정하고; 상기 스위치부의 미리 정의된 온도 별 턴온 저항 데이터를 참조하여 상기 온도 측정 값에 대응되는 턴온 저항 값을 결정하고; 상기 턴온 저항 값 및 상기 저항 회로부의 저항 값과 상기 전압 측정 값을 이용하여 배터리 팩의 전압을 결정하도록 구성된 제어부를 포함한다.
바람직하게, 상기 제1전압 배분 저항과 상기 제2전압 배분 저항의 저항 값 비율은 상기 제2전압 배분 저항에 5V 미만의 전압이 인가되도록 조절될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 스위치부는, 상기 저항 회로부의 일단을 배터리 팩의 양극 단자에 연결하거나 연결을 해제하는 제1스위치; 및 상기 저항 회로부의 타단을 배터리 팩의 음극 단자에 연결하거나 연결을 해제하는 제2스위치를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치는 무접점 반도체 스위치일 수 있다. 일 예로, 상기 무접점 반도체 스위치는 SSR(Solid State Relay) 스위치일 수 있다. 상기 온도 측정부는, 상기 제1스위치의 온도를 측정하는 제1써미스터; 및 상기 제2스위치의 온도를 측정하는 제2써미스터를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 온도 별로 정의된 턴온 저항 데이터는 온도에 의해 턴온 저항 값을 맵핑할 수 있는 룩업 테이블일 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부는, 하기 수식에 의해 배터리 팩의 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
(Vpack은 배터리 팩의 전압; R1은 제1전압 배분 저항의 저항 값; R2는 제2전압 배분 저항의 저항 값; Ron은 스위치부의 총 턴온 저항 값; Rknown은 배터리 팩의 전압 측정 경로에 존재하는 저항 성분의 저항 값으로서 미리 결정됨; Vmeasure는 제2전압 배분 저항을 통해 측정되는 전압 측정 값)
다른 측면에 따르면, 상기 저항 회로부의 일단은 상기 배터리 팩의 양극 단자 또는 음극 단자에 연결되고, 상기 스위치부는 상기 저항 회로부의 타단을 상기 배터리 팩의 음극 단자 또는 양극 단자에 연결될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는 메모리부와 전기적으로 결합될 수 있고, 상기 메모리부에 상기 결정된 배터리 팩의 전압을 저장하도록 구성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는 통신 인터페이스와 전기적으로 결합될 수 있고, 상기 통신 인터페이스를 통해 상기 결정된 배터리 팩의 전압을 외부의 다른 제어 디바이스로 전송하도록 구성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 장치는, 상기 스위치부과 상기 온도 측정부가 설치되는 PCB 기판을 포함할 수 있다. 상기 스위치부와 상기 PCB 기판 사이에 열 전도성 패드가 개재되고, 상기 스위치부와 상기 온도 측정부는 상기 열 전도성 패드 상에 마운트될 수 있다.
바람직하게, 상기 스위치부는, 상기 열 전도성 패드 상에 마운트된 제1스위치 및 제2스위치를 포함하고, 상기 온도 측정부는, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치 사이에서 상기 열 전도성 패드 상에 마운트된 써미스터를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩의 전압 측정 방법은, 제1전압 배분 저항과, 상기 제1전압 배분 저항과 직렬로 연결되고 상기 제1전압 배분 저항보다 저항 값이 상대적으로 작은 제2전압 배분 저항을 포함하는 저항 회로부와, 상기 저항 회로부를 배터리 팩의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬로 연결하거나 그 연결을 해제하고 온도에 따라 턴온 저항이 변하는 스위치부를 이용하여 배터리 팩의 전압을 측정하는 방법에 있어서, 온도 측정부로부터 상기 스위치부의 온도에 대응되는 온도 측정 신호를 입력 받아 상기 스위치부의 온도 측정 값을 결정하는 단계; 상기 스위치부를 턴온시켜 상기 저항 회로부를 배터리 팩과 병렬로 연결하는 단계; 상기 제2전압 배분 저항과 연결된 전압 측정부로부터 상기 제2전압 배분 저항에 인가된 전압에 해당하는 전압 측정 신호를 입력 받아 전압 측정 값을 결정하는 단계; 상기 스위치부의 미리 정의된 온도 별 턴온 저항 데이터를 참조하여 상기 온도 측정 값에 대응되는 턴온 저항 값을 결정하는 단계; 상기 턴온 저항 값 및 상기 저항 회로부의 저항 값과 상기 전압 측정 값으로부터 배터리 팩의 전압을 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전압 배분 저항들을 배터리 팩에 연결할 때 사용하는 스위치가 온도에 따라 변화하는 턴온 저항을 가지더라도 정확하게 배터리 팩의 전압을 측정할 수 있다.
특히, 본 발명은 고용량의 배터리 팩에 대한 충전 또는 방전 제어 시 전압을 정확하게 측정함으로써 과충전 또는 과방전을 효과적으로 예방할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩의 전압 측정 장치에 대한 블록 다이어그램이다.
도 2는 전압 배분 저항들을 배터리 팩에 연결할 때 사용되는 스위치가 2개일 때 하나의 써미스터로 2개의 스위치 온도를 공통으로 측정하는 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 팩의 전압 측정 방법에 관한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 출원을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 전압 측정 장치를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전압 측정 장치(100)는 배터리 팩(110)의 전압을 정확하게 측정할 수 있는 장치로서, 저항 회로부(120); 스위치부(130); 온도 측정부(140); 전압 측정부(150); 및 제어부(160)를 포함한다.
상기 배터리 팩(110)은 직렬 연결된 복수의 단위 셀들을 포함한다. 일 예에서, 상기 단위 셀은 리튬 폴리머 셀일 수 있다. 상기 배터리 팩(110)은 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 에너지 저장 시스템, 무인 비행 드론 등에 탑재되는 고용량 배터리 팩일 수 있다. 상기 배터리 팩(110)은 수십 내지 수백 볼트의 출력 전압을 가질 수 있다. 하지만 본 발명은 상기 배터리 팩(110)이 탑재되는 장치나 시스템의 종류, 상기 배터리 팩(110)에 포함되는 단위 셀의 종류 및 상기 배터리 팩(110)의 출력 전압 레벨에 의해 한정되지 않는다.
상기 저항 회로부(120)는 제1전압 배분 저항(R1)과 제2전압 배분 저항(R2)을 포함한다. 상기 제1 및 제2전압 배분 저항(R1, R2)은 서로 직렬로 연결된다. 상기 제2전압 배분 저항(R2)의 저항 값은 상기 제1전압 배분 저항(R1)의 저항 값보다 상대적으로 작다.
바람직하게, 상기 제1전압 배분 저항(R1)과 상기 제2전압 배분 저항(R2)의 저항 값 비율은 상기 제2전압 배분 저항(R2)에 5V 미만의 전압이 인가되도록 조절될 수 있다. 일 예로, 상기 제1전압 배분 저항(R1)은 메가 오옴 단위의 저항 값을 가지고, 상기 제2전압 배분 저항(R2)은 수백 오옴 단위의 저항 값을 가질 수 있다. 참고로, 5V는 통상적인 전자 회로의 동작 전압 레벨이다. 물론, 저항 값 비율의 조절 시 기준이 되는 전압 레벨은 전자 회로에 따라 변할 수 있다. 상기 저항 회로부(120)는 제1 및 제2전압 배분 저항(R1, R2) 이외에 저항을 더 포함하는 것을 제한하지 않는다.
상기 스위치부(130)는 저항 회로부(120)를 배터리 팩(110)의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬로 연결하거나 반대로 그 연결을 해제할 수 있다. 상기 스위치부(130)는 제어부(160)에 의해 턴온 및 턴온프가 제어될 수 있다. 상기 스위치부(130)는 온도에 의존하여 저항 값이 변하는 턴온 저항을 가진다.
바람직하게, 상기 스위치부(130)는, 저항 회로부(120)의 일단을 배터리 팩(110)의 양극 단자에 연결하거나 반대로 그 연결을 해제하는 제1스위치(131)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 스위치부(130)는 저항 회로부(120)의 타단을 배터리 팩(110)의 음극 단자에 연결하거나 반대로 그 연결을 해제하는 제2스위치(132)를 포함할 수 있다.
일 예에서, 상기 제1스위치(131) 및 상기 제2스위치(132)는 무접점 반도체 스위치일 수 있다. 바람직하게, 상기 무접점 반도체 스위치는 SSR 스위치일 수 있다. 하지만 본 발명은 온도에 따라 턴온 저항 값이 가변되는 특성을 가진 전자식 스위치라면 어떠한 것이라도 채용 가능하다. 따라서 본 발명은 상기 제1스위치(131) 및 상기 제2스위치(132)의 종류에 의해 한정되지 않는다.
선택적으로, 상기 제1스위치(131) 및 상기 제2스위치(132) 중에서 어느 하나가 생략될 수 있다. 이 경우, 스위치가 생략된 측에 위치한 저항 회로부(120)의 일단은 배터리 팩(110)의 양극 단자 또는 음극 단자와 직접적으로 연결될 수 있다.
상기 온도 측정부(140)는 제어부(160)의 통제에 따라 상기 스위치부(130)의 온도에 대응되는 온도 측정 신호를 출력한다. 상기 온도 측정 신호는 제어부(160) 측으로 입력된다.
바람직하게, 상기 온도 측정부(140)는 스위치부(130)의 온도에 대응되는 온도 측정 신호를 출력할 수 있는 써미스터(thermistor)를 포함할 수 있다. 상기 스위치부(130)가 2개의 스위치(131, 132)를 포함하는 경우, 상기 온도 측정부(140)는 각 스위치에 대응되는 2개의 써미스터를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 스위치부(130)가 2개의 스위치(131, 132)를 포함하고 있어도, 상기 온도 측정부(140)는 하나의 써미스터로 구성하는 경우도 가능하다. 후자의 경우가 온도 측정부(140)의 단가를 절감할 수 있는 측면에서 선호될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 전압 측정 장치(100)가 PCB 기판의 형태로 제작될 때 써미스터와 스위치의 배치 구조를 보여주는 도면이다.
도 2에 있어서, (a)는 써미스터와 스위치의 배치 부분을 부분적으로 확대한 상부 평면도이고, (b)는 써미스터와 스위치가 배치된 부분의 단면을 보여주는 부분 단면도이다. 도 2에는, PCB 기판에 형성된 배선 구조는 도시하지 않았다.
도 2를 참조하면, 스위치부(130)가 제1 및 제2스위치(131, 132)를 포함할 경우, 각 스위치(131, 132)는 PCB 기판(200) 상에 형성된 열 도전성 패드(210) 위에 마운트될 수 있다. 상기 열 전도성 패드(210)는 금속일 수도 있고, 열전도성 플라스틱일 수도 있다. 온도 측정부(140)를 구성하는 써미스터(141)는 열 전도성 패드(210)와 접촉되도록 설치될 수 있다.
바람직하게, 써미스터(141)는 상기 제1 및 제2스위치(131, 132) 사이의 공간에 위치되도록 설치될 수 있다. 이러한 경우, 제1 및 제2스위치(131, 132) 사이에 온도 편차가 있더라도 열 전도성 패드(210)에 의해 제1 및 제2스위치(131, 132)의 온도가 균일화된다. 따라서, 하나의 써미스터(141)로 열 전도성 패드(210)의 온도를 측정하면 제1 및 제2스위치(131, 132)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
상기한 바와 달리, 온도 측정부(140)가 2개의 써미스터로 구성될 경우, 각 써미스터는 접착제를 이용하여 제1 및 제2스위치(131, 132)에 독립적으로 접촉되도록 설치될 수 있다. 이 경우, 열 전도성 패드(210)는 선택적으로 생략이 가능하다.
도 2의 (a)에서, 라인 C는 제1스위치(131) 및 제2스위치(132)의 동작을 제어하기 위한 제어신호가 입력되는 신호선을 나타낸다. 그리고, 제1스위치(131)의 라인 B1은 도 1의 노드 B1'과 연결되고, 제2스위치(132)의 라인 B2는 도 1의 노드 B2'과 연결될 수 있다.
써미스터(141)는 그것이 접촉하는 지점의 온도에 대응되는 온도 측정 신호를 출력하며, 출력된 온도 측정 신호는 제어부(160) 측으로 입력된다.
다시 도 1로 돌아가서, 전압 측정부(150)는 저항 회로부(120)에 포함된 제2전압 배분 저항(R2)에 인가되는 전압에 해당하는 전압 측정 신호를 출력하며, 출력된 전압 측정 신호는 제어부(160) 측으로 입력된다.
상기 전압 측정부(150)의 동작은 제어부(160)에 의해 제어된다. 즉, 제어부(160)는 주기적으로 상기 전압 측정부(150)에 전압 측정 지시를 포함하는 제어 신호를 출력함으로써 상기 전압 측정부(150)의 전압 측정 동작을 트리거할 수 있다.
바람직하게, 상기 전압 측정부(150)는 아날로그-디지털 컨버터(Analog Digital Converter)일 수 있다. 이 경우, 상기 전압 측정부(150)는 제어부(160)로부터 제어 신호가 입력될 때 제2전압 배분 저항(R2)에 인가되는 전압을 아날로그 전압 신호로 입력 받아 디지털 신호로 변환한 후 디지털 신호를 제어부(160) 측으로 출력할 수 있다.
상기 제어부(160)는 배터리 팩(110)의 전압 측정 주기가 도래될 때마다 온도 측정부(140)와 전압 측정부(150)를 제어함으로써 온도 측정부(140)와 전압 측정부(150)로부터 온도 측정 신호와 전압 측정 신호를 입력 받는다. 그리고, 상기 제어부(160)는 입력된 온도 측정 신호와 입력된 전압 측정 신호로부터 온도 측정 값과 전압 측정 값을 결정한다.
상기 스위치부(130)가 제1스위치(131) 및 제2스위치(132)를 포함할 경우, 상기 온도 측정 신호는 각 스위치(131, 132)의 온도에 대응되는 2개의 온도 측정 신호를 포함할 수 있다. 온도 측정 신호가 2개의 신호를 포함할 때, 온도 측정 값 또한 2개이다. 대안적으로, 상기 온도 측정 신호는 각 스위치(131, 132)의 공통 온도에 대응되는 하나의 온도 측정 신호를 포함할 수 있다. 이 경우, 온도 측정 값은 하나이다. 상기 공통 온도는 예컨대 도 2의 열 전도성 패드(210)의 온도일 수 있다.
상기 제어부(160)는 또한 미리 정의된 온도 별 턴온 저항 데이터를 참조하여 스위치부(130)의 온도 측정 값에 대응되는 턴온 저항 값을 결정한다. 온도 측정 값이 2개일 경우, 상기 제어부(160)는 제1스위치(131) 및 제2스위치(132) 각각에 대해 턴온 저항 값을 결정할 수 있다. 또한, 온도 측정 값이 1개일 때, 상기 제어부(160)는 제1스위치(131) 및 제2스위치(132)에 공통되는 턴온 저항 값을 결정할 수 있다.
미리 정의된 온도 별 턴온 저항 데이터는 온도에 의해 턴온 저항 값을 맵핑할 수 있는 룩업 테이블일 수 있다. 이러한 룩업 테이블은 후술하는 메모리부(170)에 미리 저장될 수 있다. 상기 온도 별 턴온 저항 데이터는 실험을 통해 측정 가능하다.
상기 제어부(160)는 스위치부(130)를 구성하는 각 스위치의 턴온 저항 값이 결정되면, 결정된 턴온 저항 값 및 저항 회로부(120)를 구성하는 각 저항의 저항 값과 상기 전압 측정 값을 이용하여 배터리 팩(110)의 전압을 결정할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부(160)는 하기 수식1을 이용하여 배터리 팩(110)의 전압을 결정할 수 있다.
<수식1>
Figure pat00003
Figure pat00004
상기 수식1에 있어서, Vpack은 배터리 팩의 전압이다. R1은 제1전압 배분 저항(R1)의 저항 값이다. R2는 제2전압 배분 저항(R2)의 저항 값이다. Ron은 스위치부(130)에 포함된 스위치(들)의 총 턴온 저항 값이다. Rknown은 배터리 팩(110)의 전압 측정 경로에 존재하는 다른 저항 성분의 저항 값으로서 전압 측정 경로의 설계 조건에 따라 미리 결정될 수 있는 상수이다. Rknown은 0 또는 그 이상의 값을 가진다. Vmeasure는 제2전압 배분 저항(R2)를 통해 측정되는 전압 측정 값이다.
상기 수식 1의 유도 과정은 다음과 같다. 배터리 팩(110)의 전압 Vpack은 도 1의 노드 N1 및 N2 사이에 인가되는 전압과 동일하다. 또한, 제2전압 배분 저항(R2)에 인가되는 전압 Vmeasure는, 노드 N1 및 N2 사이에 존재하는 총 저항 값 대비 제2전압 배분 저항(R2)의 저항 값의 상대적 비율을 배터리 팩(110)의 전압 Vpack과 곱해준 값과 같다. 따라서, 다음과 같은 수식 2가 성립되며, 수식 2를 Vpack에 대해 정리하면 수식 1의 전압 계산식을 얻을 수 있다.
<수식 2>
Figure pat00005
본 발명에 따른 배터리 팩(110)의 전압 측정 장치(100)는 메모리부(170)를 더 포함할 수 있다. 상기 메모리부(170)는 정보를 기록하고 소거하고 유지할 수 있는 저장 매체라면 그 종류에 특별한 제한이 없다.
일 예시로서, 메모리부(170)은 RAM, ROM 또는 레지스터일 수 있다. 상기 메모리부(170)는 또한 제어부(160)에 의해 접근이 가능하도록 예컨대 데이터 버스 등을 통해 제어부(160)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 메모리부(170)는 또한 제어부(160)가 수행하는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장 및/또는 갱신 및/또는 소거 및/또는 전송한다.
상기 메모리부(170)는 논리적으로 2개 이상으로 분할 가능하고, 제어부(160) 내에 포함되는 것을 제한하지 않는다.
상기 제어부(160)는 배터리 팩(160)의 전압을 결정할 때마다 결정된 전압 값을 메모리부(170)에 저장할 수 있다. 이 때, 전압 결정 시점도 함께 저장하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 배터리 팩(110)의 전압 측정 장치(100)는 통신 인터페이스(180)를 더 포함할 수 있다. 상기 통신 인터페이스(180)는 제어부(160)가 외부의 다른 제어 디바이스(300)와 통신을 수행하기 위해 필요한 구성요소이다.
상기 통신 인터페이스(180)로는 서로 다른 2개의 디바이스들이 통신을 할 수 있도록 지원하는 공지된 통신 인터페이스라면 어떠한 것이라도 사용될 수 있다. 통신 인터페이스는 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있다. 바람직하게, 통신 인터페이스는 캔(CANN) 통신이나 데이지 체인(Daisy Chain) 통신을 지원하는 것일 수 있다.
상기 제어부(160)는 외부에 있는 제어 디바이스(300)로부터 요청이 있을 때 메모리부(170)에 저장된 배터리 팩(110)의 현재 전압 값을 독출하여 통신 인터페이스(180)를 통해 상기 제어 디바이스(300)로 전송할 수 있다.
상기 제어 디바이스(300)는 전송 받은 배터리 팩(110)의 전압 값을 이용하여 배터리 팩(110)의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다. 특히, 배터리 팩(110)의 전압 값이 배터리 팩(110)의 설계 전압 범위를 벗어났을 때, 배터리 팩(110)의 충전 또는 방전을 차단할 수 있다. 이를 위해, 상기 제어 디바이스(300)는 충전 또는 방전 전류가 흐르는 선로에 설치된 스위치를 턴오프할 수 있다.
상기 제어부(160)는 상술한 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 제어부(160)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 컴퓨터 부품으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 본 발명의 메모리부(170)에 포함될 수 있다. 또한, 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
상기 제어부(160)의 다양한 제어 로직들은 적어도 하나 이상이 조합되고, 조합된 제어 로직들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 체계로 작성되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 수록될 수 있다. 상기 기록매체는 컴퓨터에 포함된 프로세서에 의해 접근이 가능한 것이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 상기 기록매체는 ROM, RAM, 레지스터, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크 및 광 데이터 기록장치를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 코드 체계는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 분산되어 저장되고 실행될 수 있다. 또한, 상기 조합된 제어 로직들을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 제어부가 수행하는 배터리 팩(110)의 전압 측정 방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(110)의 전압 측정 방법에 대한 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.
먼저, 단계 S10에서, 제어부(160)는 전압 측정 주기가 경과되었는지 판별한다. 만약, 전압 측정 주기가 경과되었으면 제어부(160)는 프로세스를 단계 S20으로 이행하고, 반대로 전압 측정 주기가 경과되지 않았으면 제어부(160)는 프로세스의 진행을 홀드한다.
단계 S20에서, 제어부(160)는 온도 측정부(140)를 제어하여 온도 측정부(140)로부터 온도 측정 신호를 입력 받아 스위치부(130)에 포함된 각 스위치의 온도 측정 값을 결정한다. 스위치부(130)가 2개의 스위치(131, 132)로 구성될 때, 상기 온도 측정 값은 2개일 수 있다. 이 경우, 온도 측정부(140)는 스위치의 수에 상응하는 써미스터를 포함할 수 있다. 스위치(130)가 하나의 스위치로 구성될 때, 상기 온도 측정 값은 하나일 수 있다. 이 경우, 온도 측정부(140)는 하나의 써미스터를 포함할 수 있다. 2개의 스위치(131, 132)가 도 2에 도시된 바와 같이 열 전도성 패드 위에 마운트 된 경우, 상기 온도 측정 값은 하나일 수 있다. 이 경우, 온도 측정부(140)는 하나의 써미스터를 포함할 수 있다. 단계 S20 이후에는 단계 S30이 진행된다.
단계 S30에서, 제어부(160)는 스위치부(130)에 포함된 스위치를 턴온시켜 저항 회로부(120)를 배터리 팩(110)에 병렬로 연결한다. 스위치부(130)가 2개의 스위치를 포함할 때 제어부(160)는 각각의 스위치를 턴온시킨다. 반면, 스위치부(130)가 하나의 스위치를 포함할 때 제어부(160)는 하나의 스위치를 턴온시킨다. 단계 S30 이후에 단계 S40이 진행된다.
단계 S40에서, 제어부(160)는 전압 측정부(150)를 제어하여 전압 측정부(150)로부터 제2전압 배분 저항(R2)에 인가되는 전압에 해당하는 전압 측정 신호를 입력 받아 전압 측정 값을 결정한다. 단계 S40 이후에 단계 S50이 진행된다.
단계 S50에서, 제어부(160)는 메모리부(170)를 접근하여 미리 정의된 온도 별 턴온 저항 데이터를 참조하여 스위치부(130)에 포함된 각 스위치의 온도 측정 값을 이용하여 각 스위치의 턴온 저항 값을 결정한다. 스위치의 수가 하나일 때, 결정되는 턴온 저항 값의 수는 하나이다. 반면, 스위치의 수가 2개일 때, 결정되는 턴온 저항 값의 수는 2개이다.
단계 S60에서, 제어부(160)는 스위치부(130)를 구성하는 각 스위치에 대해 결정된 턴온 저항 값과 저항 회로부(120)를 구성하는 저항들의 저항 값과, 단계 S40에서 결정된 전압 측정 값을 이용하여 배터리 팩(110)의 전압을 결정한다. 이 때, 제어부(160)는 수식 1에 따른 계산식을 이용하여 배터리 팩(110)의 전압을 결정할 수 있다. 단계 S60 이후에, 단계 S70 또는 단계 S80이 선택적으로 진행될 수 있다.
단계 S70에서, 제어부(160)는 단계 S60에서 결정된 배터리 팩(110)의 전압 값을 메모리부(170)에 저장할 수 있다.
단계 S80에서, 제어부(160)는 메모리부(170)에 저장된 배터리 팩(110)의 전압 값을 독출(read out)하여 통신 인터페이스(180)를 통해 외부에 있는 제어 디바이스(300) 측으로 전송할 수 있다. 외부의 제어 디바이스(300)는 제어부(160)로부터 전송 받은 배터리 팩(110)의 전압 값을 토대로 배터리 팩(110)의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다. 단계 S70 또는 단계 S80 이후에 단계 S90이 진행된다.
단계 S90에서, 제어부(160)는 배터리 팩(110)의 상태가 키오프 상태인지 판별한다. 여기서, 키오프 상태라 함은 배터리 팩(110)이 충전 또는 방전을 멈추고 무부하 상태에 있는 경우를 말한다. 키오프 상태는 충전 또는 방전 전류의 크기에 의해 결정될 수 있다.
키오프 상태 여부의 판정을 위해, 도 2에 도시되지 않은 전류 측정 센서가 활용될 수 있다. 즉, 제어부(160)는 전류 측정 센서를 제어하여 전류 측정 센서로부터 충전 또는 방전 전류의 크기를 나타내는 전류 측정 신호를 입력 받아 전류 측정 값을 결정할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 전류 측정 값이 실질적으로 0이면 배터리 팩(110)이 키오프 상태에 있는 것으로 판별할 수 있다. 반면, 제어부(160)는 전류 측정 값이 실질적으로 0이 아니면 배터리 팩(110)이 키오프 상태에 있지 않은 것으로 판별할 수 있다.
제어부(160)는 배터리 팩(110)이 키오프 상태에 있다고 판단되면, 배터리 팩(110)의 전압 측정 프로세스를 종료한다. 반면, 배터리 팩(110)이 키오프 상태에 있지 않은 것으로 판단되면, 제어부(160)는 프로세스를 단계 S10으로 이행하여 상술한 단계들을 실행함으로써 배터리 팩(110)의 전압 값을 다시 결정한다. 이러한 전압 값 결정 과정은 배터리 팩(110)이 키오프 상태가 되지 않는 이상 전압 측정 주기가 경과될 때마다 계속 반복될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 전압 배분 저항들을 배터리 팩에 연결할 때 사용하는 스위치가 온도에 따라 변화하는 턴온 저항을 가지더라도 정확하게 배터리 팩의 전압을 측정할 수 있다.
특히, 본 발명은 고용량의 배터리 팩에 대한 충전 또는 방전 제어 시 전압을 정확하게 측정함으로써 과충전 또는 과방전을 효과적으로 예방할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 양태를 설명함에 있어서, '~부'라고 명명된 구성 요소들은 물리적으로 구분되는 요소들이라고 하기 보다 기능적으로 구분되는 요소들로 이해되어야 한다. 따라서 각각의 구성요소는 다른 구성요소와 선택적으로 통합되거나 각각의 구성요소가 제어 로직(들)의 효율적인 실행을 위해 서브 구성요소들로 분할될 수 있다. 하지만 구성요소들이 통합 또는 분할되더라도 기능의 동일성이 인정될 수 있다면 통합 또는 분할된 구성요소들도 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 당업자에게 자명하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (19)

  1. 제1전압 배분 저항과, 상기 제1전압 배분 저항과 직렬로 연결되고 상기 제1전압 배분 저항보다 저항 값이 상대적으로 작은 제2전압 배분 저항을 포함하는 저항 회로부;
    상기 저항 회로부를 배터리 팩의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬 연결하거나 그 연결을 해제하고 온도에 따라 턴온 저항이 변하는 스위치부;
    상기 스위치부의 온도에 대응되는 온도 측정 신호를 출력하는 온도 측정부;
    상기 제2전압 배분 저항에 연결되고 상기 제2전압 배분 저항에 인가되는 전압에 해당하는 전압 측정 신호를 출력하는 전압 측정부; 및
    상기 온도 측정 신호 및 상기 전압 측정 신호를 입력 받아 온도 측정 값과 전압 측정 값을 결정하고; 상기 스위치부의 미리 정의된 온도 별 턴온 저항 데이터를 참조하여 상기 온도 측정 값에 대응되는 턴온 저항 값을 결정하고; 상기 턴온 저항 값 및 상기 저항 회로부의 저항 값과 상기 전압 측정 값을 이용하여 배터리 팩의 전압을 결정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전압 배분 저항과 상기 제2전압 배분 저항의 저항 값 비율은 상기 제2전압 배분 저항에 5V 미만의 전압이 인가되도록 조절된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위치부는,
    상기 저항 회로부의 일단을 배터리 팩의 양극 단자에 연결하거나 연결을 해제하는 제1스위치; 및
    상기 저항 회로부의 타단을 배터리 팩의 음극 단자에 연결하거나 연결을 해제하는 제2스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1스위치 및 상기 제2스위치는 무접점 반도체 스위치인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무접점 반도체 스위치는 SSR(Solid State Relay) 스위치임을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 온도 측정부는,
    상기 제1스위치의 온도를 측정하는 제1써미스터; 및
    상기 제2스위치의 온도를 측정하는 제2써미스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 온도 별로 정의된 턴온 저항 데이터는 온도에 의해 턴온 저항 값을 맵핑할 수 있는 룩업 테이블인 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 하기 수식에 의해 배터리 팩의 전압을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.

    Figure pat00006
    Figure pat00007

    (Vpack은 배터리 팩의 전압; R1은 제1전압 배분 저항의 저항 값; R2는 제2전압 배분 저항의 저항 값; Ron은 스위치부의 총 턴온 저항 값; Rknown은 배터리 팩의 전압 측정 경로에 존재하는 저항 성분의 저항 값으로서 미리 결정됨; Vmeasure는 제2전압 배분 저항을 통해 측정되는 전압 측정 값)
  9. 제1항에 있어서,
    상기 저항 회로부의 일단은 상기 배터리 팩의 양극 단자 또는 음극 단자에 연결되고, 상기 스위치부는 상기 저항 회로부의 타단을 상기 배터리 팩의 음극 단자 또는 양극 단자에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부와 전기적으로 결합된 메모리부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 메모리부에 상기 결정된 배터리 팩의 전압을 저장하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부와 전기적으로 결합된 통신 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 통신 인터페이스를 통해 상기 결정된 배터리 팩의 전압을 외부의 다른 제어 디바이스로 전송하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부과 상기 온도 측정부가 설치되는 PCB 기판을 포함하고,
    상기 스위치부와 상기 PCB 기판 사이에 열 전도성 패드가 개재되고,
    상기 스위치부와 상기 온도 측정부는 상기 열 전도성 패드 상에 마운트된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스위치부는, 상기 열 전도성 패드 상에 마운트된 제1스위치 및 제2스위치를 포함하고,
    상기 온도 측정부는, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치 사이에서 상기 열 전도성 패드 상에 마운트된 써미스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  14. 제1전압 배분 저항과, 상기 제1전압 배분 저항과 직렬로 연결되고 상기 제1전압 배분 저항보다 저항 값이 상대적으로 작은 제2전압 배분 저항을 포함하는 저항 회로부와, 상기 저항 회로부를 배터리 팩의 양극 단자와 음극 단자 사이에 병렬로 연결하거나 그 연결을 해제하고 온도에 따라 턴온 저항이 변하는 스위치부를 이용하여 배터리 팩의 전압을 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 온도 측정부로부터 상기 스위치부의 온도에 대응되는 온도 측정 신호를 입력 받아 상기 스위치부의 온도 측정 값을 결정하는 단계;
    (b) 상기 스위치부를 턴온시켜 상기 저항 회로부를 배터리 팩과 병렬로 연결하는 단계;
    (c) 상기 제2전압 배분 저항과 연결된 전압 측정부로부터 상기 제2전압 배분 저항에 인가된 전압에 해당하는 전압 측정 신호를 입력 받아 전압 측정 값을 결정하는 단계;
    (d) 상기 스위치부의 미리 정의된 온도 별 턴온 저항 데이터를 참조하여 상기 온도 측정 값에 대응되는 턴온 저항 값을 결정하는 단계;
    (e) 상기 턴온 저항 값 및 상기 저항 회로부의 저항 값과 상기 전압 측정 값으로부터 배터리 팩의 전압을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1전압 배분 저항과 상기 제2전압 배분 저항의 저항 값 비율은 상기 제2전압 배분 저항에 5V 미만의 전압이 인가되도록 조절된 값을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 (d) 단계는, 온도에 따라 턴온 저항 값을 맵핑할 수 있는 룩업 테이블을 참조하여 상기 온도 측정 값에 대응되는 턴온 저항 값을 결정하는 단계임을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    Figure pat00008
    Figure pat00009

    (Vpack은 배터리 팩의 전압; R1은 제1전압 배분 저항의 저항 값; R2는 제2전압 배분 저항의 저항 값; Ron은 스위치부의 턴온 저항 값; Rknown은 배터리 팩의 전압 측정 경로에 존재하는 저항 성분의 저항 값으로서 미리 결정됨; Vmeasure는 제2전압 배분 저항을 통해 측정되는 전압 측정 값)
    상기 수식을 이용하여 배터리 팩의 전압을 결정하는 단계임을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 결정된 배터리 팩의 전압을 메모리부에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 결정된 배터리 팩의 전압을 통신 인터페이스를 통해 외부의 다른 디바이스로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 전압 측정 방법.
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