WO2024122784A1 - 배터리 팩 전압 측정 회로 - Google Patents

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    • H02J7/96—Regulation of charging or discharging current or voltage in response to battery voltage

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack voltage measurement circuit, and more particularly to a battery pack voltage measurement circuit that measures the voltage of a battery pack and outputs the result.
  • Batteries that can be charged and discharged are widely used as an energy source for mobile devices such as smartphones.
  • batteries are also used as an energy source for eco-friendly vehicles such as electric vehicles and hybrid electric vehicles, which are proposed as a solution to air pollution caused by gasoline vehicles and diesel vehicles that use fossil fuels.
  • eco-friendly vehicles such as electric vehicles and hybrid electric vehicles, which are proposed as a solution to air pollution caused by gasoline vehicles and diesel vehicles that use fossil fuels.
  • the types of applications that use batteries are becoming very diverse, and in the future, batteries are expected to be applied to more fields and products than now.
  • a battery pack includes at least one battery module, and the battery module may be composed of a plurality of battery cells. Additionally, battery packs are being developed with high-capacity and high-voltage specifications to enable longer use and more powerful operation in response to consumer demands.
  • the high voltage specifications of the battery pack provide more powerful driving force to power-consuming devices such as electric vehicles that use it.
  • the internal characteristics and internal resistance of the battery cells constituting the battery pack are different, voltage deviations between battery cells may occur as the high-voltage battery is continuously charged and discharged. If the voltage difference between battery cells accumulates, the battery cells may be overcharged or overdischarged, causing fatal damage to the high-voltage battery. Additionally, if the lifespan or performance of the battery cells constituting the battery pack is reduced or deteriorated, the performance of the battery pack may deteriorate. Therefore, in order to monitor and manage the performance of the battery pack, it is necessary to accurately measure the voltage of the battery pack, which determines the performance of the battery pack, and for this purpose, the battery pack is provided with a battery pack voltage measurement circuit.
  • the battery pack voltage measurement circuit includes a relay switch and ADC (Analog to Digital Converting) output circuit.
  • the relay switch performs on/off operation based on overcurrent
  • the ADC output circuit measures the voltage of the battery pack according to the current flowing through the relay switch.
  • the battery pack voltage measurement circuit must also be designed to accommodate the increased voltage of the battery pack.
  • the relay switch included in the battery pack voltage measurement circuit must satisfy the allowable voltage value of 800V.
  • the relay switch that operates stably at an allowable voltage value of 800V, advanced process technology and high-quality materials must be used, so a very high price, that is, a high-specification relay switch is required. If a low-specification relay switch with an existing allowable voltage value of 400V is used to measure the voltage of an 800V battery pack, the off time of the relay switch may be delayed, which may cause various problems.
  • a battery pack voltage measurement circuit can be formed by connecting the low-spec relay switch and relay resistance in parallel. That is, the first resistor, relay circuit, second resistor, and ADC output circuit are connected in series between the power terminal and ground terminal of the battery pack, and the relay circuit has a relay element and relay resistance connected in parallel to form a battery pack voltage measurement circuit. can do.
  • This battery pack voltage measurement circuit has the advantage of being able to use a 400V rated relay switch even in an 800V battery pack by adding a relay resistance in parallel with the relay switch.
  • leakage current occurs through the relay resistance even after the relay switch is turned off.
  • the first and second resistors are set to a resistance ratio of 800V, a problem of reduced measurement accuracy occurs when measuring the battery pack voltage of 400V, which generally has a higher resistance ratio.
  • the present invention provides a battery pack voltage measurement circuit capable of measuring high voltage using a low-specification relay switch.
  • the present invention provides a battery pack voltage measurement circuit that can prevent leakage current even when using a low-specification relay switch.
  • a battery pack voltage measurement circuit includes a relay unit that initiates battery pack voltage measurement; First and second branch units provided between a battery pack voltage input terminal and the relay unit and branching the battery pack voltage into different paths according to the battery pack voltage and supplying the battery pack voltage to the relay unit; and a voltage distribution unit that divides the battery pack voltage supplied through the first or second branch unit and the relay unit and outputs the battery pack voltage to an output terminal.
  • the first branch unit includes a first resistor and a first switch connected in series between the battery pack voltage input terminal and the relay unit.
  • the second branch portion is connected in series between the battery pack voltage input terminal and the relay portion and includes a second resistor and a second switch respectively connected in parallel with the first resistor and the first switch.
  • the relay unit includes a relay switch and a third resistor connected in parallel between the connection points of the first and second branch units and the voltage distribution unit.
  • the control unit selectively opens and closes the first and second switches according to the level of the battery pack voltage.
  • a first resistance ratio which is the ratio of the sum of the resistances of the voltage divider and the first resistance
  • a second resistance ratio which is the ratio of the sum of the resistances of the voltage divider and the second resistance
  • a battery pack voltage measuring circuit includes a first branch provided between a battery pack voltage input terminal and a first node to branch the first battery pack voltage; a second branch provided between the battery pack voltage input terminal and the first node and connected in parallel with the first branch to branch a second battery pack voltage; a relay unit provided between the first node and the second node and starting measurement of the battery pack voltage according to a switching operation; and a voltage distribution unit provided between the second node and the ground terminal to distribute the battery pack voltage supplied through the first or second branch unit and the relay unit and output the battery pack voltage to the output terminal.
  • the first branch includes a first resistor and a first switch connected in series between the battery pack voltage input terminal and the first node.
  • the second branch part is connected in series between the battery pack voltage input terminal and the first node and includes a second resistor and a second switch respectively connected in parallel with the first resistor and the first switch.
  • the relay unit includes a relay switch and a third resistor connected in parallel between the first node and the second node.
  • the control unit selectively opens and closes the first and second switches according to the level of the battery pack voltage.
  • the resistance values of the first resistor and the second resistor are different from each other.
  • the battery pack voltage measurement circuit according to an embodiment of the present invention can be mass-produced at a lower manufacturing cost because it is possible to use a relay switch with low specifications.
  • the present invention connects the relay resistance in parallel with the relay switch, so that even when the relay switch is turned off due to the relay resistance, only a low level battery pack voltage, which is part of the battery pack voltage, is applied.
  • a relay rated at 400V can operate at 800V. There are effects applicable to voltage.
  • the battery pack voltage is branched through the first and second branch parts, it is possible to measure two different battery pack voltages. That is, since the battery pack voltage of 400V is branched through the first branch and the battery pack voltage of 800V is branched through the second branch, it is possible to measure the battery pack voltage of 400V or 800V using one battery pack voltage measurement circuit. . Therefore, one battery pack voltage measurement circuit can be used in a system to which a 400V battery pack is applied and to a system to which an 800V battery pack is applied, thereby reducing product development costs, etc. by eliminating the need to develop different battery pack voltage measurement circuits. There is.
  • the battery pack voltage measurement circuit can be controlled by the first and second switches of the first and second branch portions, the generation of leakage current through the relay resistance can be prevented even when the relay switch is turned off. . That is, assuming the case where there are no first and second switches, leakage current may be generated through the relay resistance when the relay switch is turned off, but when the relay switch is turned off, the first and second switches also remain in the off state. Leakage current through relay resistance can be prevented.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a battery pack voltage measurement circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 to 4 are circuit diagrams showing current flow to explain a method of driving a battery pack voltage measurement circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a battery pack voltage measurement circuit according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack voltage measurement circuit includes a first branch 100 connected between a battery pack voltage input terminal, that is, a power terminal (Vpack) and a ground terminal (GND), and a second branch 100. It may include a branch unit 200, a relay unit 300, and a voltage distribution unit 400. More specifically, the battery pack voltage measurement circuit according to an embodiment of the present invention includes first and second branches 100 and 200 connected in parallel between the power terminal (Vpack) and the first node (Q11), and the first node It includes a relay unit 300 connected between Q11 and the second node Q12, and a voltage distribution unit 400 connected between the second node Q12 and the ground terminal GND.
  • the first and second branch units 100 and 200 set the paths of the current input from the power terminal (Vpack) to the first and second paths.
  • the relay unit 300 includes a relay switch (RS11) connected in parallel and a relay resistance, that is, a third resistor (R13), and starts measuring the battery pack voltage by turning on/off the relay switch (S13) and Stop.
  • the voltage divider 400 divides the voltage of the current input through the first path or the second path to measure the voltage output to the output terminal DEC and outputs the divided voltage.
  • the first branch 100 is connected between the power terminal (Vpack) and the first node (Q11), and is connected in parallel with the second branch 200.
  • This first branch 100 may include a first resistor R11 and a first switch S11 connected in series between the power terminal Vpack and the first node Q11. That is, the first resistor R11 and the first switch S11 are connected in series between the power terminal Vpack and the first node Q11 to form the first branch 100.
  • the first branch 100 sets the current to flow through the first path through the first branch 100 according to the battery pack voltage. That is, when the first current according to the first voltage is applied from the power terminal (Vpack), the first branch 100 is driven so that the current flows through the first path through the first branch 100.
  • the first voltage of the battery pack may be 400V. That is, when the battery pack voltage is 400V, current flows through the first branch 100.
  • the first switch S11 may be a FET driven according to the first control signal CTRL1 from a controller (not shown).
  • the control unit When the battery pack voltage is the first voltage, that is, 400V, the control unit generates a first control signal (CTRL1), and the first switch (S11) is driven accordingly, causing current to flow through the first branch 100.
  • CTRL1 the first control signal
  • the first control signal CTRL1 is output at a logic high level to drive the first switch (S11).
  • the first control signal CTRL1 is not generated when the battery pack voltage is a second voltage higher than the first voltage, thereby turning off the first switch S11.
  • the first control signal CTRL1 is output at a logic low level to turn off the first switch S11.
  • the first branch unit 100 drops the battery pack voltage and supplies it to the relay unit 300. That is, the first branch unit 100 drops the battery pack voltage of 400V by the first resistor R11 and supplies it to the relay unit 300. Therefore, even if a battery pack voltage of 400V is applied to the power terminal (Vpack), a voltage lowered by the first resistor (R11) is applied to the relay unit 300.
  • the battery pack voltage measurement circuit of the present invention supplies a voltage of 400V to the voltage distribution unit 400 through the first branch unit 100, divides the voltage by, for example, 100:1, and outputs the voltage.
  • the first resistor R11 may have a resistance value in a predetermined ratio with the fourth and fifth resistors R14 and R15 of the voltage divider 400. For example, if the fourth resistor R14 is 1 M ⁇ and the fifth resistor R15 is 20 k ⁇ , the first resistor R11 may have a resistance value of 1 M ⁇ .
  • the first resistor (R11) has a resistance value of a predetermined ratio with the fourth and fifth resistors (R14, R15), so that the voltage of 400V through the first branch 100 is divided by 100:1 and output to the output terminal ( DEC) can be output.
  • the second branch 200 is connected between the power terminal (Vpack) and the first node (Q11) and is connected in parallel with the first branch 100.
  • This second branch 200 may include a second resistor R12 and a second switch S12 connected in series between the power terminal Vpack and the first node Q11. That is, the second resistor R12 and the second switch S12 are connected in series between the power terminal Vpack and the first node Q11 to form the second branch 200.
  • the second branch 200 sets the current to flow through the second path through the second branch 200 according to the battery pack voltage. That is, when the second current according to the second voltage is applied from the power terminal (Vpack), the second branch 200 is driven so that the current flows through the second path through the second branch 200.
  • the second voltage of the battery pack may be 800V. That is, when the battery pack voltage is 800V, current flows through the second branch 200.
  • the second switch S12 may be a FET driven according to the second control signal CTRL2 from a controller (not shown).
  • the control unit When the battery pack voltage is the second voltage, that is, 800V, the control unit generates a second control signal (CTRL2), and the second switch (S12) is driven accordingly, causing current to flow through the second branch portion (200).
  • CTRL2 the second control signal
  • the second control signal CTRL2 is output at a logic high level to drive the second switch S12.
  • the second control signal CTRL2 is not generated when the battery pack voltage is a first voltage lower than the second voltage, thereby turning off the second switch S12.
  • the second control signal CTRL2 is output at a logic low level to turn off the second switch S12.
  • the second branch unit 200 drops the battery pack voltage and supplies it to the relay unit 300. That is, the second branch unit 100 drops the battery pack voltage of 800V by the second resistor R12 and supplies it to the relay unit 300. Therefore, even if a battery pack voltage of 800V is applied to the power terminal (Vpack), a voltage lowered by the second resistor (R12) is applied to the relay unit 300.
  • the battery pack voltage measurement circuit of the present invention supplies a voltage of 800V to the voltage distribution unit 400 through the second branch unit 200, divides the voltage by, for example, 200:1, and outputs the voltage.
  • the second resistor R11 may have a resistance value in a predetermined ratio with the fourth and fifth resistors R14 and R15 of the voltage divider 400. For example, if the fourth resistor R14 is 1M ⁇ and the fifth resistor R15 is 20K ⁇ , the second resistor R11 may have a resistance value of 3M ⁇ .
  • the first resistor (R11) has a resistance value of a predetermined ratio with the fourth and fifth resistors (R14, R15), so that the voltage of 800V through the second branch 200 is divided by 200:1 and output terminal ( DEC) can be output.
  • the relay unit 300 is connected between the first node (Q11) and the second node (Q12). That is, the relay unit 300 is provided between the first and second branch units 100 and 200 and the voltage distribution unit 400 connected in parallel.
  • This relay unit 300 may include a third switch, that is, a relay switch (S13) and a third resistor, that is, a relay resistor (R13). At this time, the relay switch (R13) and the relay resistor (R13) are connected in parallel between the first node (Q11) and the second node (Q13).
  • the relay switch R13 is driven by a control signal (not shown) for measuring the battery pack voltage and provides the voltage through the first branch 100 or the second branch 200 to the voltage distribution unit 400. . That is, when a control signal (not shown) is generated to measure the battery pack voltage and applied to the relay switch (S13), the relay switch (S13) is turned on and Voltage is provided to the voltage divider 400.
  • the relay switch (S13) is not shown in detail in the drawing, but may be composed of a solenoid and a switch. The on or off operation of the relay switch S13 can be controlled based on the magnetic force generated in the solenoid.
  • the relay resistor (R13) is connected in parallel with the relay switch (S13), so that when the relay switch (S13) is turned off, the voltage applied to both ends of the relay switch (S13) is the same as the voltage applied to both ends of the relay resistor (R13). do.
  • the present invention connects the relay resistance (R13) in parallel with the relay switch (S13), so that even when the relay switch (S13) is turned off due to the relay resistance (R13), only the low level battery pack voltage that is part of the battery pack voltage is used. Therefore, for example, a relay rated at 400V can be applied to a voltage of 800V.
  • the relay switch S13 since one side of the relay switch S13 receives a voltage dropped by the first branch 100 or the second branch 200, the relay switch S13 may be designed as a low-specification relay element. And, because the voltage dropped by the first branch 100 or the second branch 200 and the relay resistor R13 is applied to the other side of the relay switch (S13), the relay switch (S13) is a low-end relay switch. Even when used, stable on/off operation can be guaranteed.
  • the present invention allows the battery pack voltage measurement circuit to be controlled by the first and second switches (S11 and S12) of the first and second branches 100 and 200, so that when the relay switch (S13) is turned off It is also possible to prevent leakage current through the relay resistance (R13). That is, assuming the case where the first and second switches (S11, S12) are not present, leakage current may be generated through the relay resistance (R13) when the relay switch (S13) is turned off, but the relay switch (S13) is turned off. In this case, the first and second switches (S11, S12) also remain in the off state, thereby preventing the generation of leakage current through the relay resistor (R13).
  • the resistance value of the relay resistor R13 can be determined to satisfy [Equation 1] below.
  • [Equation 1] is an equation excluding the ADC output circuit, that is, the fifth resistor (R15).
  • R12, R13, and R14 are the resistance values of the second resistor (R12), the relay resistor (R13), and the fourth resistor (R14), respectively
  • V lim is the allowable voltage value of the relay switch (S13)
  • Vo is the battery This refers to the voltage value of the pack.
  • the resistance value of the relay resistor (R13) in [Equation 1] is 2 It is affected by the resistance value of resistor (R12).
  • the allowable voltage value (V lim ) of the relay element (S13) must be smaller than the voltage value (Vo) of the battery pack.
  • the voltage value (Vo) of the battery pack is reduced by the resistance values of each of the second resistor (R12), relay resistor (R13), and fourth resistor (R14). Therefore, even if the voltage value (Vo) of the battery pack increases from, for example, 400V to 800V, if the resistance values of each of the second resistor (R12), relay resistor (R13), and fourth resistor (R14) are appropriately designed, the relay switch (S11) ) can satisfy the allowable voltage value (V lim ).
  • the allowable voltage value (V lim ) of the relay switch (S13) is satisfied. This means that even if a low-specification relay switch (S13) is used, the voltage of the battery pack with a high voltage ( This means that Vo) can be measured stably.
  • the relay switch S13 is turned off, a voltage dropped by the first or second resistors R11 and R12 is applied to one end of the relay switch S13, and a relay resistance is applied to both ends of the relay switch S13. The same voltage as that applied to both ends of (R13) is applied. Therefore, even if the relay switch S13 is used with low specifications, the off operation of the relay switch S13 can be performed stably.
  • the battery pack voltage measurement circuit provides an environment in which the relay switch S13 can be used with low specifications.
  • the resistance value of the relay resistor (R13) is determined to satisfy [Equation 2] below.
  • Equation 1 is an equation including the ADC output circuit, that is, the fifth resistor (R13).
  • R12, R13, R14, and R15 are the resistance values of the second resistor (R12), relay resistor (R13), fourth resistor (R14), and fifth resistor (R15), respectively
  • V lim is the relay switch (S13) is the allowable voltage value
  • Vo means the voltage value of the battery pack.
  • the allowable voltage value (V lim ) of the relay switch (S13) may be smaller than the voltage value (Vo) of the battery pack, and the voltage value (Vo) of the battery pack is A voltage drop is caused by the resistance values of the second resistor (R12), the relay resistor (R13), the fourth resistor (R14), and the fifth resistor (R15).
  • [Equation 2] can control the voltage value (Vo) of the battery pack to be lower by the resistance value of the fifth resistor (R15), which means that even if the voltage value (Vo) of the battery pack becomes higher, the relay This means that it can be included in the allowable voltage value (V lim ) of the switch (S13).
  • the battery pack voltage measurement circuit can use the relay switch S13 with low specifications, the battery pack voltage measurement circuit can be mass-produced at a lower manufacturing cost.
  • the present invention allows the battery pack voltage measurement circuit to be controlled by the first and second switches (S11 and S12) of the first and second branches 100 and 200, so that when the relay switch (S13) is turned off It is also possible to prevent leakage current through the relay resistance (R13). That is, when the relay switch S13 is turned off, the first and second switches S11 and S12 also remain in the off state, thereby preventing the generation of leakage current through the relay resistor R13.
  • the voltage divider 400 is connected between the second node Q12 and the ground terminal (GND).
  • the voltage divider 400 divides the voltage of the current input through the first path or the second path and outputs the divided voltage. That is, the voltage distribution unit 400 distributes the battery pack voltage (Vpack) supplied through the first branch unit 100 and the relay unit 300 and outputs it to the output terminal (DEC), and the second branch unit 200 ) and the battery pack voltage (Vpack) supplied through the relay unit 300 is distributed and output to the output terminal (DEC).
  • the battery pack voltage supplied through the first branch 100 is 400V
  • the battery pack voltage supplied through the second branch 200 is 800V. That is, the voltage divider 400 distributes the battery pack voltage of 400V or 800V and outputs it to the output terminal (DEC).
  • This voltage divider 400 may include fourth and fifth resistors R14 and R15 connected in parallel between the second node Q12 and the ground terminal (GND). At this time, an output terminal (DEC) is provided between the fourth and fifth resistors 14 and 15. That is, the fourth resistor (R14) is connected between the second node (Q12) and the output terminal (DEC), and the fifth node (R15) is connected between the output terminal (DEC) and the ground terminal (GND) to divide the voltage. Makes distribution (400). Accordingly, the voltage divider 400 divides the battery pack voltage through the fourth and fifth resistors R14 and R15 and outputs it to the output terminal DEC.
  • the fourth and fifth resistors R14 and R15 may have a predetermined resistance value. That is, the fourth and fifth resistors R14 and R15 may have resistance values that have a predetermined ratio with the resistance values of the first and second resistors R11 and R12.
  • the fourth resistor R14 may have a resistance value of 1 M ⁇
  • the fifth resistor R15 may have a resistance value of 20 k ⁇ .
  • the first resistor R11 may have a resistance value of, for example, 1 M ⁇
  • the second resistor R12 may have a resistance value of, for example, 3 M ⁇ .
  • the fourth and fifth resistors have a resistance value of a predetermined ratio with the first and second resistors (R11 and R12), so that the voltage of 400V through the first branch 100 is divided by 100:1 and the second The voltage of 800V through the branch 200 can be divided and output to the output terminal (DEC).
  • the battery pack voltage measurement circuit can use the relay switch S13 with low specifications, the battery pack voltage measurement circuit can be mass-produced at a lower manufacturing cost. That is, the present invention connects the relay resistance (R13) in parallel with the relay switch (S13), so that even when the relay switch (S13) is turned off due to the relay resistance (R13), only the low level battery pack voltage that is part of the battery pack voltage is used. Therefore, for example, a relay rated at 400V can be applied to a voltage of 800V.
  • the present invention allows the battery pack voltage measurement circuit to be controlled by the first and second switches (S11 and S12) of the first and second branches 100 and 200, so that when the relay switch (S13) is turned off It is also possible to prevent leakage current through the relay resistance (R13). That is, assuming the case where the first and second switches (S11, S12) are not present, leakage current may be generated through the relay resistance (R13) when the relay switch (S13) is turned off, but the relay switch (S13) is turned off. In this case, the first and second switches (S11, S12) also remain in the off state, thereby preventing the generation of leakage current through the relay resistor (R13).
  • the battery pack voltage is branched through the first and second branch parts 100 and 200, it is possible to measure two different battery pack voltages. That is, since the battery pack voltage of 400V is branched through the first branch 100 and the battery pack voltage of 800V is branched through the second branch 200, 400V or 800V is obtained using one battery pack voltage measurement circuit. It is possible to measure the battery pack voltage. Therefore, one battery pack voltage measurement circuit can be used in a system to which a 400V battery pack is applied and to a system to which an 800V battery pack is applied, thereby reducing product development costs, etc. by eliminating the need to develop different battery pack voltage measurement circuits. There is.
  • FIG. 2 to 4 are circuit diagrams showing current flow to explain a method of driving a battery pack voltage measurement circuit according to an embodiment of the present invention. That is, FIG. 2 is a circuit diagram showing current flow when the battery pack voltage is 400V, FIG. 3 is a circuit diagram showing current flow when the battery pack voltage is 800V, and FIG. 4 shows a driving method when the switches are turned off. This is a circuit diagram for explanation.
  • the relay switch S13 may be turned on by a predetermined control signal to measure the battery pack voltage.
  • the control unit (not shown) may output the first control signal (CTRL1) or the second control signal (CTRL2) depending on the battery pack voltage. If the battery pack voltage is, for example, 400V, the first control signal (CTRL1) may be output at a high level and the second control signal CTRL2 may be output at a low level.
  • CTRL1 the high-level first control signal
  • CTRL2 may be output at a low level.
  • the battery pack voltage of 400V is supplied to the relay unit 300 through the first path and then to the voltage distribution unit 400.
  • a voltage drop occurs through the first branch unit 100 and the relay unit 300, and the voltage distribution unit 400 distributes the dropped battery pack voltage and outputs it to the output terminal (DEC).
  • the first resistor (R11), the fourth resistor (R14), and the fifth resistor (R15) have a predetermined resistance value, and the battery pack voltage is accordingly lowered, for example, by 100:1 to the output terminal (DEC). It will be printed.
  • the first, fourth, and fifth resistors may have resistance values of 1M ⁇ , 1M ⁇ , and 20K ⁇ , respectively.
  • the battery pack voltage of 400V is dropped and distributed through the first branch unit 100, relay unit 300, and voltage distribution unit 500, and is output to the output terminal (DEC).
  • the output value can be input to the analog-to-digital converter of the control unit (not shown), that is, the MCU.
  • the relay switch S13 may be turned on by a predetermined control signal to measure the battery pack voltage.
  • the control unit (not shown) may output the first control signal (CTRL1) or the second control signal (CTRL2) depending on the battery pack voltage. If the battery pack voltage is, for example, 800V, the second control signal (CTRL2) may be output at a high level and the first control signal CTRL1 may be output at a low level.
  • CTRL1 the first control signal
  • CTRL1 may be output at a low level.
  • the battery pack voltage of 800V is supplied to the relay unit 300 through the second path and then to the voltage distribution unit 400.
  • a voltage drop occurs through the second branch unit 200 and the relay unit 300, and the voltage distribution unit 400 distributes the dropped battery pack voltage and outputs it to the output terminal (DEC).
  • the second resistor (R12), the fourth resistor (R14), and the fifth resistor (R15) have a predetermined resistance value, and the battery pack voltage is accordingly lowered to, for example, 200:1 to the output terminal (DEC). It will be printed.
  • the second, fourth, and fifth resistors may have resistance values of 3M ⁇ , 1M ⁇ , and 20K ⁇ , respectively.
  • the battery pack voltage of 800V is dropped and distributed through the second branch unit 200, relay unit 300, and voltage distribution unit 500 and output to the output terminal (DEC).
  • the output value can be input to the analog-to-digital converter of the control unit (not shown), that is, the MCU.
  • the relay switch S13 may be turned off by a predetermined control signal.
  • the control unit (not shown) may output the first and second control signals CTRL1 and CTRL2 in a low state as the relay switch S13 is turned off. Accordingly, the first and second switches S11 and S12 may be turned off. In this way, the relay switch S13 and the first and second switches S11 and S12 are all turned off, thereby preventing leakage current through the relay resistor R13.
  • leakage current may be generated through the relay resistance (R13) when the relay switch (S13) is turned off, but the relay switch (S13) is turned off.
  • the first and second switches (S11, S12) also remain in the off state, thereby preventing the generation of leakage current through the relay resistor (R13).

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Abstract

본 발명은 배터리 팩 전압 측정을 제어하는 릴레이부; 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 릴레이부 사이에 마련되며 상기 배터리 팩 전압에 따라 상기 배터리 팩 전압을 서로 다른 경로로 분기하여 상기 릴레이부로 공급하는 제 1 및 제 2 분기부; 및 상기 제 1 또는 제 2 분기부와 릴레이부를 통해 공급되는 배터리 팩 전압을 분배하여 출력 단자로 출력하는 전압 분배부를 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로를 제시한다.

Description

배터리 팩 전압 측정 회로
본 발명은 배터리 팩 전압 측정 회로에 관한 것으로, 특히 배터리 팩의 전압을 측정하여 그 결과값을 출력하는 배터리 팩 전압 측정 회로에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지, 즉 배터리(battery)는 스마트폰 등의 모바일 기기의 에너지원으로 널리 사용되고 있다. 뿐만 아니라, 배터리는 화석 연료를 사용하는 가솔린 차량, 디젤 차량 등에 의한 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되는 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등의 친환경 자동차의 에너지원으로도 사용되고 있다. 배터리를 이용하는 애플리케이션의 종류는 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다는 많은 분야와 제품들에 배터리가 적용될 것으로 예상된다.
이러한 배터리는 단일의 배터리 셀로 사용되기보다는 배터리 팩의 형태로 사용되는 것이 일반적이다. 배터리 팩은 적어도 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하며, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀로 이루어질 수 있다. 또한, 배터리 팩은 소비자의 요구에 따라 보다 오래 사용할 수 있고 보다 강력하게 구동할 수 있도록 고용량, 고전압 사양으로 개발되고 있다.
배터리 팩의 고전압 사양은 이를 사용하는 전기 자동차 등의 전력 소모 장치에 보다 강력한 구동력을 제공한다. 그러나, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀의 내부 특성 및 내부 저항이 다르기 때문에 고전압 배터리에 대한 충전 및 방전을 지속적으로 수행함에 따라 배터리 셀간의 전압 편차가 발생할 수 있다. 배터리 셀간의 전압 편차가 누적되면 배터리 셀이 과충전 또는 과방전되어 고전압 배터리에 치명적인 손상을 입힐 수 있다. 또한, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀의 수명이 줄어들거나 성능이 저하되면 배터리 팩의 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 배터리 팩의 성능을 감시하고 관리하기 위하여 배터리 팩의 성능을 결정하는 배터리 팩의 전압 등을 정확히 측정할 필요가 있고, 이를 위해 배터리 팩은 배터리 팩 전압 측정 회로를 구비한다.
배터리 팩 전압 측정 회로는 릴레이 스위치와 ADC(Analog to Digital Converting) 출력 회로를 포함한다. 여기서, 릴레이 스위치는 과전류에 기초하여 온(on)/오프(off) 동작을 수행하며, ADC 출력 회로는 릴레이 스위치를 통해 흐르는 전류에 따라 배터리 팩의 전압을 측정한다.
한편, 전기 자동차에 사용되는 배터리 팩의 전압은 400V에서 800V로 상향되고 있는 추세이다. 따라서, 배터리 팩 전압 측정 회로 역시 높아진 배터리 팩의 전압에 맞게 설계되어야 한다. 이를 위해서는 배터리 팩 전압 측정 회로에 구성되는 릴레이 스위치가 800V의 허용 전압값을 만족해야 한다. 그러나, 800V의 허용 전압값에서 안정적으로 동작하는 릴레이 스위치의 경우 고도화된 공정 기술을 필요로 하고 고품질 재료를 사용해야 하기 때문에 매우 높은 가격을 가지는, 즉 고사양 릴레이 스위치가 요구된다. 만약, 800V의 배터리 팩의 전압을 측정하기 위하여 기존의 400V의 허용 전압 값을 가지는 저사양 릴레이 스위치를 사용하는 경우 릴레이 스위치의 오프 시점이 늦어질 수 있기 때문에 이로 인한 여러가지 문제점을 야기할 수 있다.
저사양 릴레이 스위치를 이용하기 위해 저사양 릴레이 스위치와 릴레이 저항을 병렬 연결하여 배터리 팩 전압 측정 회로를 구성할 수 있다. 즉, 배터리 팩의 전원 단자와 접지 단자 사이에 제 1 저항, 릴레이 회로, 제 2 저항 및 ADC 출력 회로가 직렬 연결되고, 릴레이 회로는 릴레이 소자와 릴레이 저항이 병렬 연결되어 배터리 팩 전압 측정 회로를 구성할 수 있다. 이러한 배터리 팩 전압 측정 회로는 릴레이 스위치와 병렬로 릴레이 저항을 추가함으로써 800V의 배터리 팩에서도 400V 정격의 릴레이 스위치를 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 릴레이 스위치가 오프된 후에도 릴레이 저항을 통해 누설 전류가 발생하는 문제가 있다. 또한, 제 1 및 제 2 저항이 800V의 저항비로 설정되어 있기 때문에 일반적으로 이보다 높은 저항비를 갖는 400V의 배터리 팩 전압 측정 시에는 측정 정확성이 저하되는 문제가 발생된다.
이와 관련한 선행기술은 다음과 같은 문헌이 있다.
한국등록특허 제10-2041869호
본 발명은 저사양 릴레이 스위치를 이용하여 고전압 측정이 가능한 배터리 팩 전압 측정 회로를 제공한다.
본 발명은 저사양 릴레이 스위치를 이용하여도 누설 전류의 발생을 방지할 수 있는 배터리 팩 전압 측정 회로를 제공한다.
본 발명의 일 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로는 배터리 팩 전압 측정을 개시하는 릴레이부; 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 릴레이부 사이에 마련되며 상기 배터리 팩 전압에 따라 상기 배터리 팩 전압을 서로 다른 경로로 분기하여 상기 릴레이부로 공급하는 제 1 및 제 2 분기부; 및 상기 제 1 또는 제 2 분기부와 릴레이부를 통해 공급되는 배터리 팩 전압을 분배하여 출력 단자로 출력하는 전압 분배부를 포함한다.
상기 제 1 분기부는 상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 릴레이부 사이에 직렬 연결된 제 1 저항 및 제 1 스위치를 포함한다.
상기 제 2 분기부는 상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 릴레이부 사이에 직렬 연결되며 상기 제 1 저항 및 상기 제 1 스위치와 각각 병렬 연결된 제 2 저항 및 제 2 스위치를 포함한다.
상기 릴레이부는 제 1 및 제 2 분기부의 접속점과 상기 전압 분배부 사이에 병렬 연결된 릴레이 스위치 및 제 3 저항을 포함한다.
상기 제 1 스위치, 제 2 스위치 및 릴레이 스위치를 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩 전압의 크기에 따라 상기 제 1 및 제 2 스위치를 선택적으로 개폐한다.
상기 전압 분배부의 저항들의 합과 상기 제 1 저항의 비인 제 1 저항비와, 상기 전압 분배부의 저항들의 합과 상기 제 2 저항의 비인 제 2 저항부기 서로 다르게 설정된다.
본 발명의 다른 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로는 배터리 팩 전압 입력 단자와 제 1 노드 사이에 마련되어 제 1 배터리 팩 전압을 분기하는 제 1 분기부; 상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 제 1 노드 사이에 마련되고 상기 제 1 분기부와 병렬 연결되어 제 2 배터리 팩 전압을 분기하는 제 2 분기부; 상기 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 마련되고 스위칭 동작에 따라 상기 배터리 팩 전압의 측정을 개시하는 릴레이부; 및 상기 제 2 노드와 접지 단자 사이에 마련되어 제 1 또는 제 2 분기부와 릴레이부를 통해 공급되는 배터리 팩 전압을 분배하여 출력 단자로 출력하는 전압 분배부를 포함한다.
상기 제 1 분기부는 상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 제 1 노드 사이에 직렬 연결된 제 1 저항 및 제 1 스위치를 포함한다.
상기 제 2 분기부는 상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 제 1 노드 사이에 직렬 연결되며 상기 제 1 저항 및 상기 제 1 스위치와 각각 병렬 연결된 제 2 저항 및 제 2 스위치를 포함한다.
상기 릴레이부는 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 병렬 연결된 릴레이 스위치 및 제 3 저항을 포함한다.
상기 제 1 스위치, 제 2 스위치 및 릴레이 스위치를 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩 전압의 크기에 따라 상기 제 1 및 제 2 스위치를 선택적으로 개폐한다.
상기 제 1 저항과 상기 제 2 저항의 저항값이 서로 다르다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로는 릴레이 스위치를 저사양으로 사용하는 것이 가능하기 때문에 보다 낮은 제조 단가로 양산이 가능하다. 즉, 본 발명은 릴레이 저항을 릴레이 스위치와 병렬로 연결함으로써 릴레이 저항으로 인하여 릴레이 스위치가 오프될 경우에도 배터리 팩 전압의 일부인 낮은 수준의 배터리 팩 전압만 걸리므로, 예를 들어 400V 정격의 릴레이로 800V 전압에 적용 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 제 1 및 제 2 분기부를 통해 배터리 팩 전압이 분기되므로 서로 다른 두 배터리 팩 전압의 측정이 가능하다. 즉, 제 1 분기부를 통해 400V의 배터리 팩 전압이 분기되고, 제 2 분기부를 통해 800V의 배터리 팩 전압이 분기되므로 하나의 배터리 팩 전압 측정 회로를 이용하여 400V 또는 800V의 배터리 팩 전압 측정이 가능하다. 따라서, 하나의 배터리 팩 전압 측정 회로를 400V 배터리 팩이 적용되는 시스템 및 800V 배터리 팩이 적용되는 시스템에 이용 가능하고, 그에 따라 서로 다른 배터리 팩 전압 측정 회로를 개발하지 않아도 되므로 제품 개발비 등의 절감 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 제 1 및 제 2 분기부의 제 1 및 제 2 스위치에 의해 배터리 팩 전압 측정 회로가 제어될 수 있으므로 릴레이 스위치가 오프되는 경우에도 릴레이 저항을 통한 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 스위치가 없는 경우를 가정하면 릴레이 스위치가 오프되는 경우 릴레이 저항을 통해 누설 전류가 발생될 수 있지만, 릴레이 스위치가 오프되는 경우 제 1 및 제 2 스위치 또한 오프 상태를 유지하므로 릴레이 저항을 통한 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로의 회로도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로의 구동 방법을 설명하기 위해 전류 흐름을 도시한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로는 배터리 팩 전압 입력 단자, 즉 전원 단자(Vpack)와 접지 단자(GND) 사이에 연결된 제 1 분기부(100), 제 2 분기부(200), 릴레이부(300) 및 전압 분배부(400)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로는 전원 단자(Vpack)와 제 1 노드(Q11) 사이에 병렬 연결된 제 1 및 제 2 분기부(100, 200)와, 제 1 노드(Q11)와 제 2 노드(Q12) 사이에 연결된 릴레이부(300)와, 제 2 노드(Q12)와 접지 단자(GND) 사이에 연결된 전압 분배부(400)를 포함한다. 여기서, 제 1 및 제 2 분기부(100, 200)는 전원 단자(Vpack)로부터 입력되는 전류의 경로를 제 1 및 제 2 경로로 설정한다. 또한, 릴레이부(300)는 병렬 연결된 릴레이 스위치(RS11)와 릴레이 저항, 즉 제 3 저항(R13)을 포함하고, 릴레이 스위치(S13)의 온/오프 동작에 의해 배터리 팩 전압의 측정을 개시 및 중단한다. 그리고, 전압 분배부(400)는 출력 단자(DEC)로 출력되는 전압을 측정하기 위해 제 1 경로 또는 제 2 경로를 통해 입력되는 전류의 전압을 분배하여 출력한다. 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로를 각 구성별로 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
1. 제 1 분기부
제 1 분기부(100)는 전원 단자(Vpack)와 제 1 노드(Q11) 사이에 연결되며, 제 2 분기부(200)와 병렬 연결된다. 이러한 제 1 분기부(100)는 전원 단자(Vpack)와 제 1 노드(Q11) 사이에 직렬 연결된 제 1 저항(R11) 및 제 1 스위치(S11)을 포함할 수 있다. 즉, 전원 단자(Vpack)와 제 1 노드(Q11) 사이에 제 1 저항(R11)과 제 1 스위치(S11)가 직렬 연결되어 제 1 분기부(100)를 이룬다. 제 1 분기부(100)는 배터리 팩 전압에 따라 전류를 제 1 분기부(100)를 통한 제 1 경로로 흐르게 설정한다. 즉, 전원 단자(Vpack)로부터 제 1 전압에 따른 제 1 전류가 인가될 경우 제 1 분기부(100)를 통한 제 1 경로로 전류가 흐르도록 제 1 분기부(100)가 구동된다. 여기서, 배터리 팩의 제 1 전압은 400V일 수 있다. 즉, 배터리 팩 전압이 400V일 경우 제 1 분기부(100)를 통해 전류가 흐르게 된다.
제 1 스위치(S11)는 제어부(미도시)의 제 1 제어 신호(CTRL1)에 따라 구동되는 FET일 수 있다. 제어부는 배터리 팩 전압이 제 1 전압, 즉 400V일 경우 제 1 제어 신호(CTRL1)를 발생시키고 그에 따라 제 1 스위치(S11)가 구동되어 제 1 분기부(100)를 통해 전류가 흐르게 된다. 예를 들어, 배터리 팩 전압이 400V일 경우 제 1 제어 신호(CTRL1)는 로직 하이 레벨로 출력되어 제 1 스위치(S11)를 구동시킨다. 물론, 제 1 제어 신호(CTRL1)은 배터리 팩 전압이 제 1 전압보다 높은 제 2 전압일 경우 발생되지 않아 제 1 스위치(S11)을 턴오프시키게 된다. 예를 들어, 배터리 팩 전압이 800V일 경우 제 1 제어 신호(CTRL1)는 로직 로우 레벨로 출력되어 제 1 스위치(S11)를 턴오프시킨다. 또한, 제 1 분기부(100)는 배터리 팩 전압을 전압 강하시켜 릴레이부(300)로 공급한다. 즉, 제 1 분기부(100)는 제 1 저항(R11)에 의해 400V의 배터리 팩 전압을 강하시켜 릴레이부(300)로 공급한다. 따라서, 전원 단자(Vpack)에 400V의 배터리 팩 전압이 인가되더라도 릴레부(300)에는 제 1 저항(R11)에 의해 전압 강하된 전압이 인가된다.
한편, 본 발명의 배터리 팩 전압 측정 회로는 400V 전압을 제 1 분기부(100)를 통해 전압 분배부(400)로 공급하여 예를 들어 100:1로 분압하여 출력한다. 따라서, 제 1 저항(R11)은 전압 분배부(400)의 제 4 및 제 5 저항(R14, R15)와 소정의 비율을 저항값을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 4 저항(R14)이 1㏁이고, 제 5 저항(R15)이 20㏀이라면 제 1 저항(R11)은 1㏁의 저항값을 가질 수 있다. 이렇게 제 1 저항(R11)이 제 4 및 제 5 저항(R14, R15)과 소정 비율의 저항값을 가지게 됨으로써 제 1 분기부(100)를 통한 400V의 전압을 100:1로 분압하여 출력 단자(DEC)로 출력할 수 있다.
2. 제 2 분기부
제 2 분기부(200)는 전원 단자(Vpack)와 제 1 노드(Q11) 사이에 연결되며, 제 1 분기부(100)와 병렬 연결된다. 이러한 제 2 분기부(200)는 전원 단자(Vpack)와 제 1 노드(Q11) 사이에 직렬 연결된 제 2 저항(R12) 및 제 2 스위치(S12)을 포함할 수 있다. 즉, 전원 단자(Vpack)와 제 1 노드(Q11) 사이에 제 2 저항(R12)과 제 2 스위치(S12)가 직렬 연결되어 제 2 분기부(200)를 이룬다. 제 2 분기부(200)는 배터리 팩 전압에 따라 전류를 제 2 분기부(200)를 통한 제 2 경로로 흐르게 설정한다. 즉, 전원 단자(Vpack)로부터 제 2 전압에 따른 제 2 전류가 인가될 경우 제 2 분기부(200)를 통한 제 2 경로로 전류가 흐르도록 제 2 분기부(200)가 구동된다. 여기서, 배터리 팩의 제 2 전압은 800V일 수 있다. 즉, 배터리 팩 전압이 800V일 경우 제 2 분기부(200)를 통해 전류가 흐르게 된다.
제 2 스위치(S12)는 제어부(미도시)의 제 2 제어 신호(CTRL2)에 따라 구동되는 FET일 수 있다. 제어부는 배터리 팩 전압이 제 2 전압, 즉 800V일 경우 제 2 제어 신호(CTRL2)를 발생시키고 그에 따라 제 2 스위치(S12)가 구동되어 제 2 분기부(200)를 통해 전류가 흐르게 된다. 예를 들어, 배터리 팩 전압이 800V일 경우 제 2 제어 신호(CTRL2)는 로직 하이 레벨로 출력되어 제 2 스위치(S12)를 구동시킨다. 물론, 제 2 제어 신호(CTRL2)은 배터리 팩 전압이 제 2 전압보다 낮은 제 1 전압일 경우 발생되지 않아 제 2 스위치(S12)을 턴오프시키게 된다. 예를 들어, 배터리 팩 전압이 400V일 경우 제 2 제어 신호(CTRL2)는 로직 로우 레벨로 출력되어 제 2 스위치(S12)를 턴오프시킨다. 또한, 제 2 분기부(200)는 배터리 팩 전압을 전압 강하시켜 릴레이부(300)로 공급한다. 즉, 제 2 분기부(100)는 제 2 저항(R12)에 의해 800V의 배터리 팩 전압을 강하시켜 릴레이부(300)로 공급한다. 따라서, 전원 단자(Vpack)에 800V의 배터리 팩 전압이 인가되더라도 릴레부(300)에는 제 2 저항(R12)에 의해 전압 강하된 전압이 인가된다.
한편, 본 발명의 배터리 팩 전압 측정 회로는 제 2 분기부(200)를 통해 800V 전압을 전압 분배부(400)로 공급하여 예를 들어 200:1로 분압하여 출력한다. 따라서, 제 2 저항(R11)은 전압 분배부(400)의 제 4 및 제 5 저항(R14, R15)와 소정의 비율을 저항값을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 4 저항(R14)이 1㏁이고, 제 5 저항(R15)이 20㏀이라면 제 2 저항(R11)은 3㏁의 저항값을 가질 수 있다. 이렇게 제 1 저항(R11)이 제 4 및 제 5 저항(R14, R15)과 소정 비율의 저항값을 가지게 됨으로써 제 2 분기부(200)를 통한 800V의 전압을 200:1로 분압하여 출력 단자(DEC)로 출력할 수 있다.
3. 릴레이부
릴레이부(300)는 제 1 노드(Q11)와 제 2 노드(Q12) 사이에 연결된다. 즉, 릴레이부(300)는 병렬 연결된 제 1 및 제 2 분기부(100, 200)와 전압 분배부(400) 사이에 마련된다. 이러한 릴레이부(300)는 제 3 스위치, 즉 릴레이 스위치(S13)와 제 3 저항, 즉 릴레이 저항(R13)을 포함할 수 있다. 이때, 릴레이 스위치(R13)와 릴레이 저항(R13)은 제 1 노드(Q11)와 제 2 노드(Q13) 사이에 병렬 연결된다. 릴레이 스위치(R13)는 배터리 팩 전압 측정을 위한 제어 신호(미도시)에 의해 구동되어 제 1 분기부(100) 또는 제 2 분기부(200)를 통한 전압을 전압 분배부(400)로 제공한다. 즉, 배터리 팩 전압 측정을 위해 제어 신호(미도시)가 발생되어 릴레이 스위치(S13)에 인가되면 릴레이 스위치(S13)가 온되어 제 1 분기부(100) 또는 제 2 분기부(200)를 통한 전압을 전압 분배부(400)로 제공한다.
릴레이 스위치(S13)는 도면에 자세히 도시되어 있지 않지만 솔레노이드와 스위치로 구성될 수 있다. 릴레이 스위치(S13)는 솔레노이드에 발생하는 자력에 기초하여 스위치의 온 또는 오프 동작이 제어될 수 있다. 또한, 릴레이 저항(R13)은 릴레이 스위치(S13)와 병렬 연결되어 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우 릴레이 스위치(S13) 양단에 인가되는 전압은 릴레이 저항(R13)의 양단에 인가되는 전압과 동일하다.
한편, 릴레이 저항(R13)이 없는 종래 기술의 경우 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우, 릴레이 스위치(S13) 양단에 대부분의 배터리 팩 전압이 인가되기 때문에 배터리 팩 전압이 예를 들어 800V의 고전압의 경우 높은 정격의 릴레이가 요구될 수 있다. 그러나, 본 발명은 릴레이 저항(R13)을 릴레이 스위치(S13)과 병렬로 연결함으로써 릴레이 저항(R13)으로 인하여 릴레이 스위치(S13)이 오프될 경우에도 배터리 팩 전압의 일부인 낮은 수준의 배터리 팩 전압만 걸리므로, 예를 들어 400V 정격의 릴레이로 800V 전압에 적용 가능한 효과가 있다. 즉, 릴레이 스위치(S13)의 일측은 제 1 분기부(100) 또는 제 2 분기부(200)에 의해 전압 강하된 전압이 인가되기 때문에 릴레이 스위치(S13)은 저사양 릴레이 소자로 설계될 수 있다. 그리고, 릴레이 스위치(S13)의 타측은 제 1 분기부(100) 또는 제 2 분기부(200) 및 릴레이 저항(R13)에 의해 전압 강하된 전압이 인가되기 때문에 릴레이 스위치(S13)를 저사양 릴레이 스위치로 이용하더라도 안정적인 온/오프 동작을 보장받을 수 있다.
또한, 본 발명은 제 1 및 제 2 분기부(100, 200)의 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12)에 의해 배터리 팩 전압 측정 회로가 제어될 수 있으므로 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우에도 릴레이 저항(R13)을 통한 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12)가 없는 경우를 가정하면 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우 릴레이 저항(R13)을 통해 누설 전류가 발생될 수 있지만, 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12) 또한 오프 상태를 유지하므로 릴레이 저항(R13)을 통한 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다.
한편, 릴레이 저항(R13)의 저항값은 아래 [수학식 1]을 만족하도록 결정될 수 있다.
Figure PCTKR2023010223-appb-img-000001
[수학식 1]은 ADC 출력 회로, 즉 제 5 저항(R15)을 배제한 수식이다. 여기서, R12, R13, R14는 각각 제 2 저항(R12), 릴레이 저항(R13) 및 제 4 저항(R14)의 저항값이고, Vlim은 릴레이 스위치(S13)의 허용 전압값이고, Vo는 배터리 팩의 전압값을 의미한다. 그리고, 제 1 분기부(100)의 제 1 저항(R11)보다 제 2 분기부(200)의 제 2 저항(R12)이 크기 때문에 [수학식 1]의 릴레이 저항(R13)의 저항값은 제 2 저항(R12)의 저항값의 영향을 받는다.
[수학식 1]에서 볼 수 있듯이, 릴레이 소자(S13)의 허용 전압값(Vlim)은 배터리 팩의 전압값(Vo) 보다 작아야 한다. 이때, 배터리 팩의 전압값(Vo)은 제 2 저항(R12), 릴레이 저항(R13) 및 제 4 저항(R14) 각각의 저항값에 의해 전압 강하가 이루어진다. 따라서, 배터리 팩의 전압값(Vo)이 예컨대, 400V에서 800V로 높아지더라도 제 2 저항(R12), 릴레이 저항(R13) 및 제 4 저항(R14) 각각의 저항값을 알맞게 설계하면 릴레이 스위치(S11)의 허용 전압값(Vlim)을 만족시킬 수 있다. 여기서, 배터리 팩의 전압 값(Vo)이 800V가 되더라도 릴레이 스위치(S13)의 허용 전압값(Vlim)이 만족된다는 것은 저사양의 릴레이 스위치(S13)를 사용하더라도 높은 전압을 가지는 배터리 팩의 전압(Vo)을 안정적으로 측정할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우 릴레이 스위치(S13)의 일단에는 제 1 저항 또는 제 2 저항(R11, R12)에 의해 전압 강하된 전압이 인가되고, 릴레이 스위치(S13) 양단에는 릴레이 저항(R13)의 양단에 인가되는 전압과 동일한 전압이 인가된다. 따라서, 릴레이 스위치(S13)를 저사양으로 사용하더라도 릴레이 스위치(S13)의 오프 동작을 안정적으로 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 이러한 구성 및 동작을 통해 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로는 릴레이 스위치(S13)를 저사양으로 사용할 수 있는 환경을 제공해 준다.
다른 한편, 릴레이 저항(R13)의 저항 값은 아래 [수학식 2]을 만족하도록 결정된다.
Figure PCTKR2023010223-appb-img-000002
[수학식 1]은 ADC 출력 회로, 즉 제 5 저항(R13)을 포함한 수식이다. 여기서, R12, R13, R14, R15는 각각 제 2 저항(R12), 릴레이 저항(R13), 제 4 저항(R14) 및 제 5 저항(R15)의 저항값이고, Vlim은 릴레이 스위치(S13)의 허용 전압값이고, Vo는 배터리 팩의 전압값을 의미한다.
[수학식 2] 역시 [수학식 1]과 마찬가지로 릴레이 스위치(S13)의 허용 전압값(Vlim)은 배터리 팩의 전압 값(Vo) 보다 작을 수 있으며, 배터리 팩의 전압 값(Vo)은 제 2 저항(R12), 릴레이 저항(R13), 제 4 저항(R14) 및 제 5 저항(R15)의 저항값에 의해 전압 강하가 이루어진다. 특히, [수학식 2]는 배터리 팩의 전압값(Vo)을 제 5 저항(R15)의 저항값에 의해 더 낮게 제어할 수 있으며, 이는 곧 배터리 팩의 전압값(Vo)이 더 높아지더라도 릴레이 스위치(S13)의 허용 전압값(Vlim)에 포함시킬 수 있다는 것을 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로는 릴레이 스위치(S13)를 저사양으로 사용하는 것이 가능하기 때문에 배터리 팩 전압 측정 회로는 보다 낮은 제조 단가로 양산이 가능하다. 또한, 본 발명은 제 1 및 제 2 분기부(100, 200)의 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12)에 의해 배터리 팩 전압 측정 회로가 제어될 수 있으므로 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우에도 릴레이 저항(R13)을 통한 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다. 즉, 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12) 또한 오프 상태를 유지하므로 릴레이 저항(R13)을 통한 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다.
4. 전압 분배부
전압 분배부(400)는 제 2 노드(Q12)와 접지 단자(GND) 사이에 연결된다. 이러한 전압 분배부(400)는 출력 단자(DEC)로 출력되는 전압을 측정하기 위해 제 1 경로 또는 제 2 경로를 통해 입력되는 전류의 전압을 분배하여 출력한다. 즉, 전압 분배부(400)는 제 1 분기부(100)와 릴레이부(300)를 통해 공급되는 배터리 팩 전압(Vpack)을 분배하여 출력 단자(DEC)로 출력하고, 제 2 분기부(200)와 릴레이부(300)를 통해 공급되는 배터리 팩 전압(Vpack)을 분배하여 출력 단자(DEC)로 출력한다. 이때, 제 1 분기부(100)를 통해 공급되는 배터리 팩 전압을 400V이고, 제 2 분기부(200)를 통해 공급되는 배터리 팩 전압을 800V이다. 즉, 전압 분배부(400)는 400V 또는 800V의 배터리 팩 전압을 분배하여 출력 단자(DEC)로 출력한다.
이러한 전압 분배부(400)는 제 2 노드(Q12)와 접지 단자(GND) 사이에 병렬 연결된 제 4 및 제 5 저항(R14, R15)를 포함할 수 있다. 이때, 제 4 및 제 5 저항(14, 15) 사이에 출력 단자(DEC)가 마련된다. 즉, 제 4 저항(R14)는 제 2 노드(Q12)와 출력 단자(DEC) 사이에 연결되고, 제 5 노드(R15)는 출력 단자(DEC)와 접지 단자(GND) 사이에 연결되어 전압 분배부(400)를 이룬다. 따라서, 전압 분배부(400)는 배터리 팩 전압을 제 4 및 제 5 저항(R14, R15)를 통해 분배하여 출력 단자(DEC)로 출력한다. 한편, 출력 단자(DEC)에는 제 5 저항(R15)와 병렬 연결된 캐패시터(C11)가 마련된다. 한편, 제 4 및 제 5 저항(R14, R15)는 소정의 저항값을 가질 수 있다. 즉, 제 4 및 제 5 저항(R14, R15)는 제 1 및 제 2 저항(R11, R12)의 저항값과 소정 비율을 갖도록 저항값을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 4 저항(R14)은 1㏁이고, 제 5 저항(R15)은 20㏀의 저항값을 가질 수 있다. 이때, 제 1 저항(R11)은 예를 들어 1㏁의 저항값을 갖고 제 2 저항(R12)는 예를 들어 3㏁의 저항값을 가질 수 있다. 이렇게 제 4 및 제 5 저항이 제 1 및 제 2 저항(R11, R12)과 각각 소정 비율의 저항값을 가지게 됨으로써 제 1 분기부(100)를 통한 400V의 전압을 100:1로 분압하고 제 2 분기부(200)를 통한 800V의 전압을 분압하여 출력 단자(DEC)로 출력할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로는 릴레이 스위치(S13)를 저사양으로 사용하는 것이 가능하기 때문에 배터리 팩 전압 측정 회로는 보다 낮은 제조 단가로 양산이 가능하다. 즉, 본 발명은 릴레이 저항(R13)을 릴레이 스위치(S13)과 병렬로 연결함으로써 릴레이 저항(R13)으로 인하여 릴레이 스위치(S13)이 오프될 경우에도 배터리 팩 전압의 일부인 낮은 수준의 배터리 팩 전압만 걸리므로, 예를 들어 400V 정격의 릴레이로 800V 전압에 적용 가능한 효과가 있다. 또한, 본 발명은 제 1 및 제 2 분기부(100, 200)의 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12)에 의해 배터리 팩 전압 측정 회로가 제어될 수 있으므로 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우에도 릴레이 저항(R13)을 통한 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12)가 없는 경우를 가정하면 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우 릴레이 저항(R13)을 통해 누설 전류가 발생될 수 있지만, 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12) 또한 오프 상태를 유지하므로 릴레이 저항(R13)을 통한 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다. 그리고, 본 발명은 제 1 및 제 2 분기부(100, 200)를 통해 배터리 팩 전압이 분기되므로 서로 다른 두 배터리 팩 전압의 측정이 가능하다. 즉, 제 1 분기부(100)를 통해 400V의 배터리 팩 전압이 분기되고, 제 2 분기부(200)를 통해 800V의 배터리 팩 전압이 분기되므로 하나의 배터리 팩 전압 측정 회로를 이용하여 400V 또는 800V의 배터리 팩 전압 측정이 가능하다. 따라서, 하나의 배터리 팩 전압 측정 회로를 400V 배터리 팩이 적용되는 시스템 및 800V 배터리 팩이 적용되는 시스템에 이용 가능하고, 그에 따라 서로 다른 배터리 팩 전압 측정 회로를 개발하지 않아도 되므로 제품 개발비 등의 절감 효과가 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 전압 측정 회로의 구동 방법을 설명하기 위해 전류 흐름을 도시한 회로도이다. 즉, 도 2는 배터리 팩 전압이 400V일 경우 전류 흐름을 도시한 회로도이고, 도 3은 배터리 팩 전압이 800V일 경우 전류 흐름을 도시한 회로도이며, 도 4는 스위치들을 오프시킬 경우의 구동 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩 전압을 측정하기 위해 소정의 제어 신호에 의해 릴레이 스위치(S13)가 온될 수 있다. 이때, 미도시된 제어부는 배터리 팩 전압에 따라 제 1 제어 신호(CTRL1) 또는 제 2 제어 신호(CTRL2)를 출력할 수 있는데, 배터리 팩 전압이 예를 들어 400V일 경우 제 1 제어 신호(CTRL1)가 하이 레벨로 출력되고 제 2 제어 신호(CTRL2)가 로우 레벨로 출력될 수 있다. 하이 레벨의 제 1 제어 신호(CTRL1)에 의해 제 1 스위치(S11)가 턴온되면 제 1 경로, 즉 제 1 분기부(100)를 통해 배터리 팩 전압에 따른 전류가 흐르게 된다. 즉, 제 1 제어 신호가 하이 레벨로 인가되면 400V의 배터리 팩 전압이 제 1 경로를 통해 릴레이부(300)로 공급되고, 이어서 전압 분배부(400)로 공급된다. 이때, 제 1 분기부(100) 및 릴레이부(300)를 통하면서 전압 강하가 이루어지게 되고 전압 분배부(400)는 전압 강하된 배터리 팩 전압을 분배하여 출력 단자(DEC)로 출력하게 된다. 한편, 제 1 저항(R11), 제 4 저항(R14) 및 제 5 저항(R15)가 소정의 저항값을 갖고 그에 따라 배터리 팩 전압을 예를 들어 100:1로 강하시켜 출력 단자(DEC)로 출력하게 된다. 400V의 배터리 팩 전압을 약 100:1로 강하시켜 출력하기 위해 제 1, 제 4 및 제 5 저항(R11, R14, R15)은 각각 1㏁, 1㏁ 및 20㏀의 저항값을 가질 수 있다. 결국, 400V의 배터리 팩 전압을 제 1 분기부(100), 릴레이부(300) 및 전압 분배부(500)를 통해 전압 강하 및 분배되어 출력 단자(DEC)로 출력되고, 출력 단자(DEC)의 출력값을 미도시된 제어부, 즉 MCU의 아날로그 디지털 컨버터로 입력될 수 있다.
도 3을 참조하면, 배터리 팩 전압을 측정하기 위해 소정의 제어 신호에 의해 릴레이 스위치(S13)가 온될 수 있다. 이때, 미도시된 제어부는 배터리 팩 전압에 따라 제 1 제어 신호(CTRL1) 또는 제 2 제어 신호(CTRL2)를 출력할 수 있는데, 배터리 팩 전압이 예를 들어 800V일 경우 제 2 제어 신호(CTRL2)가 하이 레벨로 출력되고 제 1 제어 신호(CTRL1)가 로우 레벨로 출력될 수 있다. 하이 레벨의 제 2 제어 신호(CTRL2)에 의해 제 2 스위치(S12)가 턴온되면 제 2 경로, 즉 제 2 분기부(200)를 통해 배터리 팩 전압에 따른 전류가 흐르게 된다. 즉, 제 2 제어 신호가 하이 레벨로 인가되면 800V의 배터리 팩 전압이 제 2 경로를 통해 릴레이부(300)로 공급되고, 이어서 전압 분배부(400)로 공급된다. 이때, 제 2 분기부(200) 및 릴레이부(300)를 통하면서 전압 강하가 이루어지게 되고 전압 분배부(400)는 전압 강하된 배터리 팩 전압을 분배하여 출력 단자(DEC)로 출력하게 된다. 한편, 제 2 저항(R12), 제 4 저항(R14) 및 제 5 저항(R15)가 소정의 저항값을 갖고 그에 따라 배터리 팩 전압을 예를 들어 200:1로 강하시켜 출력 단자(DEC)로 출력하게 된다. 800V의 배터리 팩 전압을 약 200:1로 강하시켜 출력하기 위해 제 2, 제 4 및 제 5 저항(R12, R14, R15)은 각각 3㏁, 1㏁ 및 20㏀의 저항값을 가질 수 있다. 결국, 800V의 배터리 팩 전압을 제 2 분기부(200), 릴레이부(300) 및 전압 분배부(500)를 통해 전압 강하 및 분배되어 출력 단자(DEC)로 출력되고, 출력 단자(DEC)의 출력값을 미도시된 제어부, 즉 MCU의 아날로그 디지털 컨버터로 입력될 수 있다.
도 4를 참조하면, 배터리 팩 전압을 측정하지 않는 경우 소정의 제어 신호에 의해 릴레이 스위치(S13)가 오프될 수 있다. 이때, 미도시된 제어부는 릴레이 스위치(S13)가 오프됨에 따라 제 1 및 제 2 제어 신호(CTRL1 및 CTRL2)는 로우 상태로 출력될 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12)가 오프될 수 있다. 이렇게 릴레이 스위치(S13)와 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12)가 모두 오프됨으로써 릴레이 저항(R13)을 통한 누설 전류가 방지될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12)가 없는 경우를 가정하면 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우 릴레이 저항(R13)을 통해 누설 전류가 발생될 수 있지만, 릴레이 스위치(S13)가 오프되는 경우 제 1 및 제 2 스위치(S11, S12) 또한 오프 상태를 유지하므로 릴레이 저항(R13)을 통한 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 명세서 및 도면에서 사용된 부호의 명칭은 다음과 같다.
100 : 제 1 분기부 200 : 제 2 분기부
300 : 릴레이부 400 : 전압 분배부

Claims (14)

  1. 배터리 팩 전압 측정을 제어하는 릴레이부;
    배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 릴레이부 사이에 마련되며 상기 배터리 팩 전압에 따라 상기 배터리 팩 전압을 서로 다른 경로로 분기하여 상기 릴레이부로 공급하는 제 1 및 제 2 분기부; 및
    상기 제 1 또는 제 2 분기부와 릴레이부를 통해 공급되는 배터리 팩 전압을 분배하여 출력 단자로 출력하는 전압 분배부를 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 분기부는 상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 릴레이부 사이에 직렬 연결된 제 1 저항 및 제 1 스위치를 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제 2 분기부는 상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 릴레이부 사이에 직렬 연결되며 상기 제 1 저항 및 상기 제 1 스위치와 각각 병렬 연결된 제 2 저항 및 제 2 스위치를 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 릴레이부는 제 1 및 제 2 분기부의 접속점과 상기 전압 분배부 사이에 병렬 연결된 릴레이 스위치 및 제 3 저항을 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제 1 스위치, 제 2 스위치 및 릴레이 스위치를 제어하는 제어부를 더 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제어부는 상기 배터리 팩 전압의 크기에 따라 상기 제 1 및 제 2 스위치를 선택적으로 개폐하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 전압 분배부의 저항들의 합과 상기 제 1 저항의 비인 제 1 저항비와, 상기 전압 분배부의 저항들의 합과 상기 제 2 저항의 비인 제 2 저항부기 서로 다르게 설정된 배터리 팩 전압 측정 회로.
  8. 배터리 팩 전압 입력 단자와 제 1 노드 사이에 마련되어 제 1 배터리 팩 전압을 분기하는 제 1 분기부;
    상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 제 1 노드 사이에 마련되고 상기 제 1 분기부와 병렬 연결되어 제 2 배터리 팩 전압을 분기하는 제 2 분기부;
    상기 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 마련되고 스위칭 동작에 따라 상기 배터리 팩 전압의 측정을 제어하는 릴레이부; 및
    상기 제 2 노드와 접지 단자 사이에 마련되어 제 1 또는 제 2 분기부와 릴레이부를 통해 공급되는 배터리 팩 전압을 분배하여 출력 단자로 출력하는 전압 분배부를 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제 1 분기부는 상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 제 1 노드 사이에 직렬 연결된 제 1 저항 및 제 1 스위치를 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제 2 분기부는 상기 배터리 팩 전압 입력 단자와 상기 제 1 노드 사이에 직렬 연결되며 상기 제 1 저항 및 상기 제 1 스위치와 각각 병렬 연결된 제 2 저항 및 제 2 스위치를 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 릴레이부는 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 병렬 연결된 릴레이 스위치 및 제 3 저항을 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 제 1 스위치, 제 2 스위치 및 릴레이 스위치를 제어하는 제어부를 더 포함하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제어부는 상기 배터리 팩 전압의 크기에 따라 상기 제 1 및 제 2 스위치를 선택적으로 개폐하는 배터리 팩 전압 측정 회로.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 제 1 저항과 상기 제 2 저항의 저항값이 서로 다른 배터리 팩 전압 측정 회로.
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