KR100696780B1 - 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법 - Google Patents

배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리팩의 전압, 전류, 온도 및 용량을 수시로 자체 메모리에 저장하는 동시에, 외부 세트에 연결되면 그 외부 세트의 메모리에 즉각 전송함으로써, 배터리팩의 고장시 그 원인을 정확히 파악하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 의한 해결 방법의 요지는 일정 전압으로 충방전 가능한 베어셀과, 상기 베어셀의 충방전 전압을 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 출력하는 전압 센서와, 상기 베어셀의 충방전 전류를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 출력하는 전류 센서와, 상기 전압 센서, 전류 센서로부터 입력된 신호를 디지털 신호로 변환하여 일정한 제어 명령에 따라 연산 처리하는 동시에, 상기 입력된 전압 및 전류를 참조하여 배터리 용량을 계산하는 제어부와, 상기 제어부에 의해 처리된 상기 베어셀의 충방전 전압, 충방전 전류 및 배터리 용량을 저장하는 데이터 저장부를 포함하는 배터리팩의 모니터링 장치가 개시된다.
배터리팩, 모니터링, 충방전 전압, 충방전 전류, 셀 온도, 충방전 스위치 온도, 배터리 용량

Description

배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법{Battery monitoring device and its method}
도 1a는 본 발명에 따른 배터리팩의 모니터링 장치를 도시한 블록도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 배터리팩의 모니터링 장치가 외부 세트에 결합된 상태를 도시한 블록도이다.
도 2a는 본 발명에 의한 배터리팩의 충전 모니터링 방법을 도시한 순서도이고, 도 2b는 본 발명에 의한 배터리팩의 방전 모니터링 방법을 도시한 순서도이다.
도 3a는 배터리팩이 접속되는 외부 세트의 작동 순서를 도시한 순서도이고, 도 3b는 외부 세트가 접속되는 배터리팩의 작동 순서를 도시한 순서도이다.
도 4a는 충전시 충전 시간 경과에 따른 충전 전압 및 충전 전류 사이의 관계를 도시한 그래프이고, 도 4b는 방전시 방전 시간 경과에 따른 방전 전압 및 방전 전류 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100; 배터리팩
110; 베어 셀 120; 전압 센서
130; 전류 센서 140; 셀 온도 센서
150; 스위치 온도 센서 151; 충전 스위치
152; 방전 스위치 153; 보호회로
160; 제어부 170; 데이터 저장부
180; 통신 인터페이스부 191,192; 외부 단자
193; 클럭 단자 194; 데이터 단자
200; 외부 세트
210; 제어부 220; 표시부
230; 저장부 240; 통신 인터페이스부
251,252; 외부 단자 253; 클럭 단자
254; 데이터 단자
본 발명은 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 배터리팩의 전압, 전류, 온도 및 용량 등을 수시로 자체 메모리에 저장하는 동시에, 외부 세트에 연결되면 그 외부 세트의 메모리에 즉각 전송함으로써, 배터리팩의 고장시 그 원인을 정확히 파악할 수 있는 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 배터리(특히 이차 전지)는 충방전에 의해 내부 활물질이 산화-환원되는 전기화학적 반응을 통해 화학 에너지와 전기 에너지간의 변환이 이루어진다. 이러한 이차 전지의 성능은 충전 방법, 방전 깊이, 사용 온도, 외부 부하율 (load level) 및 충방전 횟수 등에 영향을 받는다.
또한, 최근의 배터리는 높은 에너지 밀도와 가벼운 질량을 갖는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 또는 연료 전지쪽으로 주로 개발되고 있으며, 산업용, 자동차용, 휴대용 또는 이동용 전원 장치에 다양하게 사용되고 있다.
한편, 이러한 배터리는 크게 베어셀과 배터리팩으로 구분할 수 있는데, 베어셀은 단순히 충방전 가능한 상태로서 어떠한 보호회로나 제어회로도 장착되지 않은 상태를 지칭하고, 배터리팩은 베어셀에 각종 회로가 장착되고, 또한 사용하고자 하는 외부 세트에 알맞게 패키징된 것을 지칭한다.
여기서, 상기 회로는 주로 이차 전지의 충방전을 제어하고, 또한 이차 전지의 과충전이나 과방전시 회로를 차단함으로써, 이차 전지의 수명을 연장하고 또한 위험한 상황으로부터 사용자를 보호하는 역할을 한다.
그러나, 이러한 종래의 배터리팩은 충방전 상태를 제어하고, 과전압 및 과전류에 따른 회로 차단 기능만 있을 뿐, 배터리팩의 최대 충방전 전압, 최대 충방전 전류, 베어셀의 온도, 충방전 스위치의 온도 및 배터리 용량 등을 별도로 모니터링하는 기능이 없어, 최적의 조건에서 배터리팩을 유지/사용할 없고, 따라서 배터리팩의 교체시기도 정확히 예측하지 못하는 문제가 있다.
더욱이, 상술한 충방전 전압, 충방전 전류, 온도 및 용량과 같은 데이터를 별도로 저장하고 이를 외부 세트에 전송하는 기능이 없어 배터리팩의 고장시 어떠한 원인에 의해 고장이 발생했는지 해독하기 어렵고 또한 평상시 배터리팩을 진단할 수 없는 문제가 있다.
또한, 외부 세트의 안전한 운영을 위해 배터리팩의 상태에 따른 적당한 경보나 사전 예방 기능이 없음으로써, 외부 세트의 운영이 불안정해지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 배터리팩의 전압, 전류, 온도 및 용량 등을 수시로 자체 메모리에 저장하는 동시에, 외부 세트에 연결되면 그 외부 세트의 메모리에 즉각 전송함으로써, 배터리팩의 고장시 그 원인을 정확히 파악할 수 있는 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 배터리팩의 모니터링 장치는 일정 전압으로 충방전 가능한 베어셀과, 상기 베어셀의 충방전 전압을 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 출력하는 전압 센서와, 상기 베어셀의 충방전 전류를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 출력하는 전류 센서와, 상기 전압 센서, 전류 센서로부터 입력된 신호를 디지털 신호로 변환하여 일정한 제어 명령에 따라 연산 처리하는 동시에, 상기 입력된 전압 및 전류를 참조하여 배터리 용량을 계산하는 제어부와, 상기 제어부에 의해 처리된 상기 베어셀의 충방전 전압, 충방전 전류 및 배터리 용량을 저장하는 데이터 저장부를 포함한다.
여기서, 상기 베어셀에는 베어셀의 온도를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 변환하여 제어부에 출력하는 셀 온도 센서가 구비되고, 상기 베어셀과 외부 단자 사이에는 충방전 스위치가 연결되며, 상기 충방전 스위치의 온도를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 변환하여 제어부에 출력하는 스위치 온도 센서가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 베어셀의 온도 및 스위치의 온도까지 참조하여 배터리 용량을 계산할 수 있다.
또한, 상기 데이터 저장부에는 상기 셀 온도 센서 및 스위치 온도 센서로부터 감지된 온도도 저장될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 충전 전압이 기존 충전 전압보다 클 경우, 충전 전류는 기존 충전 전류보다 작을 경우에만 각 값을 데이터 저장부에 갱신하여 저장할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 방전 전압이 기존 방전 전압보다 작을 경우, 방전 전류는 기존 방전 전류보다 클 경우 각 값을 갱신하여 데이터 저장부에 저장할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 셀 온도는 기존 셀 온도보다 클 경우, 스위치 온도는 기존 스위치 온도보다 클 경우에만 각 값을 데이터 저장부에 갱신하여 저장할 수 있다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 배터리팩의 모니터링 방법은 충방전 가능한 베어셀이 충전기에 연결되면, 베어셀의 충전 전압, 충전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 일정 주기로 감지하는 단계와, 상기 베어셀의 충전 전압, 충전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 저장하는 동시에, 배터리 용량도 계산하여 함께 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 저장 단계는 감지된 충전 전압이 기존 충전 전압보다 높을 경우 감지된 충전 전압으로 갱신하여 저장하는 단계와, 감지된 충전 전류가 기존 충전 전류보다 작을 경우 감지된 충전 전류로 갱신하여 저장하는 단계와, 감지된 베어셀의 온도가 기존의 베어셀 온도보다 높을 경우 감지된 베어셀의 온도로 갱신하여 저장하는 단계와, 감지된 충방전 스위치의 온도가 기존 충방전 스위치의 온도보다 높을 경우 감지된 충방전 스위치의 온도로 갱신하여 저장하는 단계와, 상기 계산된 배터리 용량이 기존 배터리 용량보다 높을 경우 계산된 배터리 용량으로 갱신하여 저장하는 단계로 이루어질 수 있다.
더불어 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 배터리팩의 모니터링 방법은 충방전 가능한 베어셀이 외부 세트에 연결되면, 베어셀의 방전 전압, 방전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 일정 주기로 감지하는 단계와, 상기 베어셀의 방전 전압, 방전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 저장하는 동시에, 배터리 용량도 계산하여 함께 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 저장 단계는 감지된 방전 전압이 기존 방전 전압보다 낮을 경우 감지된 방전 전압으로 갱신하여 저장하는 단계와, 감지된 방전 전류가 기존 방전 전류보다 클 경우 감지된 방전 전류로 갱신하여 저장하는 단계와, 감지된 베어셀의 온도가 기존의 베어셀 온도보다 높을 경우 감지된 베어셀의 온도로 갱신하여 저장하는 단계와, 감지된 충방전 스위치의 온도가 기존 충방전 스위치의 온도보다 높을 경우 감지된 충방전 스위치의 온도로 갱신하여 저장하는 단계와, 상기 계산된 배터리 용량이 기존 배터리 용량보다 낮을 경우 계산된 배터리 용량으로 갱신하여 저장하는 단계로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법은 배터리팩의 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압, 방전 전류, 셀 온도, 스위치 온도 및 배터리 용량을 모니터링하게 됨으로써, 최적의 조건에서 배터리팩을 유지/사용할 수 있게 되고, 또한 배터리팩의 교체 시기를 정확히 예측할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명은 상술한 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압, 방전 전류, 셀 온도, 스위치 온도 및 배터리 용량을 자체 저장하거나 또는 외부 세트에 전송함으로써, 배터리팩의 고장 발생시 그 원인을 정확히 추적할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명은 외부 세트에서 배터리팩의 상태를 항상 모니터링할 수 있게 됨으로써, 배터리팩의 진단이 더욱 쉬워지는 효과가 있다.
더불어, 본 발명은 외부 세트에 배터리팩의 상태에 따른 알람기능이 있는 프로그램 등을 설치한다면, 외부 세트를 더욱 안전하게 운영할 수 있는 효과가 있다.
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 1a는 본 발명에 따른 배터리팩의 모니터링 장치를 도시한 블록도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 배터리팩의 모니터링 장치가 외부 세트에 결합된 상태를 도시한 블록도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 배터리팩의 모니터링 장치(100)는 베어 셀(110), 전압 센서(120), 전류 센서(130), 셀 온도 센서(140), 스위치 온도 센서(150), 제어부(160), 데이터 저장부(170), 통신 인터페이스부(180)를 포함할 수 있다.
상기 베어 셀(110)은 적어도 하나 이상이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있으며, 이는 일정 전압으로 충전되거나 또는 방전 가능하게 되어 있다. 또한, 이러한 베어 셀(110)은 외부 단자(191,192)와 병렬로 연결되어 있다. 물론, 상기 외부 단자(191,192)에는 충전기(도시되지 않음)가 연결되거나 또는 외부 세트(200)가 연결된다. 더욱이, 상기 베어 셀(110)은 모든 종류의 이차전지일 수 있다. 예를 들어 상기 베어 셀(110)은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 또는 연료 전지일 수 있다.
상기 전압 센서(120)는 상기 베어 셀(110)에 병렬로 연결되어, 상기 베어 셀(110)의 충전시 충전 전압을, 상기 베어 셀(110)의 방전시 방전 전압을 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 변환하여 제어부(160)에 출력하도록 되어 있다.
상기 전류 센서(130)는 상기 베어 셀(110)과 외부 단자(192) 사이의 대전류 경로에 직렬로 연결되어, 상기 베어 셀(110)의 충전시 충전 전류를, 상기 베어 셀(110)의 방전시 방전 전류를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 변환하여 제어부(160)에 출력하도록 되어 있다.
상기 셀 온도 센서(140)는 상기 베어 셀(110)에 인접하여 설치되어 있으며, 이는 상기 베어 셀(110)의 충방전시 온도를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 변환하여 제어부(160)에 출력하도록 되어 있다. 이러한 셀 온도 센서(140)는 서미스터, 권선 저항형 센서, 광역 저항 센서, 반도체 다이오드 센서, 메달코어형 센서, 열전대 또는 그 등가물이 이용될 수 있으나, 여기서 셀 온도 센서(140)의 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 스위치 온도 센서(150)는 대전류 경로에서 충방전을 제어하는 충방전 스위치(151,152)의 상부에 설치되어 있으며, 이는 베어 셀(110)의 충방전시 상기 충방전 스위치(151,152)의 표면 온도를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 변환하여 제어부(160)에 출력하도록 되어 있다. 여기서, 상기 충방전 스위치(151,152)는 베어 셀(110)과 외부 단자(191) 사이의 대전류 경로에 직렬로 연결되어 있다. 또한, 상기 충방전 스위치(151,152)는 일례로 전계효과트랜지스터일 수 있으며, 이는 별도의 보호회로(153)에 의해 게이트 전압이 제어된다. 또한, 상기 보호회로(153)는 상기 전압 센서(120) 및 전류 센서(130)로부터 베어 셀(110)의 충방전시 전압 및 전류 정보를 입력받을 수 있게 되어 있다. 또한, 상기 보호회로(153)는 충전중 베어 셀(110)이 과충전 상태가 되면, 충전 스위치(151)를 오프시키고, 방전중 베어 셀(110)이 과방전 상태가 되면, 방전 스위치(152)를 오프시켜 베어 셀(110)을 과충전이나 과방전으로부터 보호하게 된다.
상기 제어부(160)는 상기 전압 센서(120), 전류 센서(130), 셀 온도 센서(140) 및 스위치 온도 센서(150)로부터 입력된 신호를 디지털 신호로 변환하고, 상기 변환된 디지털 데이터를 미리 정해진 제어 명령대로 처리한다. 예를 들면, 상기 센서들로부터 얻은 전압, 전류, 온도 정보 등을 이용하여 배터리의 용량 또는 사용 가능 시간을 계산한다.
상기 데이터 저장부(170)는 상기 제어부(160)에 의해 처리된 베어 셀(110)의 충방전 전압, 충방전 전류, 온도, 스위치 온도 및 배터리 용량을 저장한다. 여기서, 상기 데이터 저장부(170)에는 최고 또는 최저 충방전 전압, 최고 또는 최저 충방전 전류, 최고 또는 최저 셀 온도, 최고 또는 최저 스위치 온도, 최고 또는 최저 배터리 용량이 기존의 데이터로부터 갱신되면서 저장될 수 있다. 좀더 구체적으로 베어 셀(110)의 충전시에는 베어 셀(110)의 충전 전압이 기존 충전 전압보다 더 클 경우, 충전 전류는 기존 충전 전류보다 더 작을 경우, 베어 셀의 온도는 기존 온도보다 더 크거나 작을 경우, 상기 스위치의 온도 역시 기존 온도보다 더 크거나 작을 경우, 그리고 배터리 용량이 기존 용량보다 더 클 경우 상기 데이터 저장부(170)에 그 값들이 갱신되면서 저장될 수 있다. 여기서, 베어 셀(110)의 충전 전압은 만충전에 가까울수록 더 이상 증가하지 않도록 충전기에 의해 제어되고, 충전 전류는 점차 작아지도록 제어된다. 또한, 베어 셀(110)의 방전시에는 베어 셀(110)의 방전 전압이 기존 방전 전압보다 더 작을 경우, 방전 전류는 기존 방전 전류보다 더 클 경우, 베어 셀의 온도는 기존 온도보다 더 크거나 작을 경우, 상기 스위치의 온도 역시 기존 온도보다 더 크거나 작을 경우, 그리고 배터리 용량이 기존 용량보다 더 작을 경우 상기 데이터 저장부(170)에 그 값들이 갱신되면서 저장될 수 있다. 여기서, 베어 셀(110)의 방전 전압은 방전 시간이 지남에 따라 점차 감소하는 반면, 총 전력량은 동일해지도록 방전 전류는 점차 증가하는 특성이 있다.
이러한 데이터 저장부(170)는 통상의 이이피롬(1EEPROM), 플래시 메모리 또 는 이의 등가물이 가능하며, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 통신 인터페이스부(180)는 상기 제어부(160)에 연결되어 있으며, 외부 세트(200)에 상기 데이터 저장부(170)의 데이터를 전송하거나, 또는 외부 세트(200) 로부터의 소정 신호를 상기 제어부(160)에 전송하는 역할을 한다. 물론, 이러한 통신 인터페이스부(180)는 제어부(160)에서 출력되는 병렬 데이터를 직렬 비트로 변환하도록 UART칩을 포함하는 통상의 RS-232C(Recommended Standard 232 Revision C) 방식일 수 있으나, 이것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 더욱이, 상기 통신 인터페이스부(180)에는 외부 세트(200)와 연결되도록 클럭 단자(193) 및 데이터 단자(194)가 더 형성되어 있다.
한편, 상기 외부 세트(200)는 제어부(210), 표시부(220), 데이터 저장부(230) 및 통신 인터페이스부(240)를 포함한다. 물론, 상기 통신 인터페이스부(240)에는 상기 배터리팩 모니터링 장치(100)와 통신하기 위한 클럭 단자(253) 및 데이터 단자(254)가 형성되어 있고, 또한 전원을 인가받는 외부 단자(251,252)도 형성되어 있다.
상기 제어부(210)는 통신 인터페이스부(240)를 통해 배터리팩 모니터링 장치(100)에 소정의 제어 신호를 출력하거나, 또는 상기 통신 인터페이스부(240)를 통해 배터리팩 모니터링 장치(100)으로부터 전송된 일정한 신호를 제어 처리하는 역할을 한다.
상기 표시부(220)는 상기 통신 인터페이스부(240)를 통해 전송된 배터리팩 모니터링 장치(100)의 각종 정보 예를 들면, 베어 셀(110)의 전압, 전류, 온도, 충 방전 스위치(151,152)의 온도 및 배터리 용량 등을 표시하는 역할을 한다.
상기 저장부(230)는 상기 통신 인터페이스부(240)를 통해 전송된 배터리팩 모니터링 장치(100)의 각종 정보 예를 들면, 베어 셀(110)의 전압, 전류, 온도, 충방전 스위치(151,152)의 온도 및 배터리 용량 등을 저장하는 역할을 한다. 상기 저장부(230)는 통상의 이이피롬(EEPROM), 플래시 메모리, 하드디스크, 디스켓, CD, DVD 또는 이의 등가물이 가능하며, 여기서 그 종류를 한정하는 것은 아니다.
상기 통신 인터페이스부(240)는 상기 제어부(210)에 연결되어 있으며, 배터리팩 모니터링 장치(100)에 소정 데이터 요청 신호를 출력하고, 또한 상기 배터리팩 모니터링 장치(100)으로부터 각종 데이터를 상기 제어부(210)로 전송하는 역할을 한다. 물론, 이러한 통신 인터페이스부(240) 역시 제어부(210)에서 출력되는 병렬 데이터를 직렬 비트로 변환하도록 UART칩을 포함하는 통상의 RS-232C(Recommended Standard 232 Revision C) 방식일 수 있으나, 이것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 2a는 본 발명에 의한 배터리팩의 충전 모니터링 방법을 도시한 순서도이고, 도 2b는 본 발명에 의한 배터리팩의 방전 모니터링 방법을 도시한 순서도이다. 물론, 이러한 충전 모니터링과 방전 모니터링은 동시에 수행될 수도 있으나, 여기서는 설명의 편의상 분리하였다.
먼저 도 2a를 참조하여 베어셀의 충전시 배터리 모니터링 방법을 설명한다.
도시된 바와 같이 본 발명은 충전 가능한 베어셀이 충전기에 연결되면, 베어 셀의 충전 전압, 충전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 일정 주기로 감지하는 단계(S1), 감지된 충전 전압이 기존 충전 전압보다 높을 경우 감지된 충전 전압으로 갱신하여 저장하는 단계(S2,S3), 감지된 충전 전류가 기존 충전 전류보다 작을 경우 감지된 충전 전류로 갱신하여 저장하는 단계(S4,S5), 감지된 베어셀의 온도가 기존의 베어셀 온도보다 높을 경우(또는 작을 경우) 감지된 베어셀의 온도로 갱신하여 저장하는 단계(S6,S7), 감지된 충방전 스위치의 온도가 기존 충방전 스위치의 온도보다 높을 경우(또는 작을 경우) 감지된 충방전 스위치의 온도로 갱신하여 저장하는 단계(S8, S9), 상기 충전 전압, 전류, 온도 등을 이용하여 계산된 배터리 용량이 기존 배터리 용량보다 높을 경우 새롭게 계산된 배터리 용량으로 갱신하여 저장하는 단계(S10,S11)로 이루어져 있다.
이어서, 도 2b를 참조하여 베어셀의 방전시 배터리 모니터링 방법을 설명한다.
도시된 바와 같이 본 발명은 방전 가능한 베어셀이 외부 세트에 연결되면, 베어셀의 방전 전압, 방전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 일정 주기로 감지하는 단계(S21), 감지된 방전 전압이 기존 방전 전압보다 작을 경우 감지된 방전 전압으로 갱신하여 저장하는 단계(S22,S23), 감지된 방전 전류가 기존 방전 전류보다 클 경우 감지된 방전 전류로 갱신하여 저장하는 단계(S24,S25), 감지된 베어셀의 온도가 기존의 베어셀 온도보다 높을 경우(또는 작을 경우) 감지된 베어셀의 온도로 갱신하여 저장하는 단계(S26,S27), 감지된 충방전 스위치의 온도가 기존 충방전 스위치의 온도보다 높을 경우(또는 작을 경우) 감지된 충방전 스위치의 온도로 갱신하여 저장하는 단계(S28, S29), 상기 방전 전압, 전류, 온도 등을 이용하여 계산된 배터리 용량이 기존 배터리 용량보다 작을 경우 새롭게 계산된 배터리 용량으로 갱신하여 저장하는 단계(S30,S31)로 이루어져 있다.
도 3a는 배터리팩이 접속되는 외부 세트의 작동 순서를 도시한 순서도이고, 도 3b는 외부 세트가 접속되는 배터리팩의 작동 순서를 도시한 순서도이다.
먼저 도 3a에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 배터리팩 모니터링 장치와 외부 세트 사이의 통신 방법은 배터리팩에 외부 세트가 연결되었는지 판단하는 단계(S41)와, 배터리팩에 외부 세트가 연결된 것으로 판단되면, 외부 세트로부터 데이터 요청이 있는지 판단하는 단계(S42)와, 데이터 요청이 있는 것으로 판단되면, 미리 감지된 베어 셀의 충방전 전압, 충방전 전류, 온도, 충방전 스위치의 온도 및 배터리 용량을 일정한 전기적 신호로 변환하여 출력하는 단계(S43)를 포함한다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 배터리팩 모니터링 장치와 외부 세트 사이의 통신 방법은 외부 세트에 배터리팩이 연결되었는지 판단하는 단계(S51)와, 외부 세트에 배터리팩이 연결된 것으로 판단되면, 배터리팩으로부터 데이터 송신을 요청하는 단계(S52)와, 배터리팩중 베어 셀의 충방전 전압, 충방전 전류, 온도, 충방전 스위치의 온도 및 배터리 용량을 수신받는 단계(S53)와, 수신된 베어 셀의 충방전 전압, 충방전 전류, 온도, 충방전 스위치의 온도 및 배터리 용량을 표시부를 통해 표시함과 동시에, 저장부에 저장하는 단계(S54)를 포함한다.
도 4a는 충전시 충전 시간 경과에 따른 충전 전압 및 충전 전류 사이의 관계를 도시한 그래프이고, 도 4b는 방전시 방전 시간 경과에 따른 방전 전압 및 방전 전류 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
먼저 도 4a에 도시된 바와 같이 배터리팩의 충전시에는 충전 시간이 지남에 따라 대체로 충전 전압은 소정 전압까지 증가하다 일정하게 유지되고, 또한 충전 전류는 점차 감소한다. 물론, 이러한 특성은 충전기에 의해 제어된다.
또한, 도 4b에 도시된 바와 같이 배터리팩의 방전시에는 총 전력량이 동일하도록 방전 시간이 지남에 따라 대체로 방전 전압은 감소하고, 또한 방전 전류는 점차 증가하는 특성을 갖는다.
상기와 같은 구성을 하는 본 발명에 따른 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법의 작동을 설명하면 다음과 같다.
여기서, 본 발명에 따른 배터리팩의 모니터링 장치는, 비록 충전기에 연결된 동시에 외부 세트에 연결되어 작동되는 경우도 있으나, 이해 및 설명의 편의를 위해 배터리팩이 충전기에 연결되었을 경우와 외부 세트에 연결되었을 경우를 나누어서 설명하기로 한다.
[배터리팩이 충전기에 연결된 상태(도 1a, 2a, 4a 참조)]
배터리팩이 충전기에 연결되면, 전류는 양극 외부 단자(191), 충방전 스위치(151,152), 베어셀(110)과 전압 센서(120), 전류 센서(130)를 통하여 음극 외부 단자(192)로 흐르게 된다.
이때, 전압 센서(120)를 통해서는 베어셀(110)에 충전되는 충전 전압이 감지되고, 전류 센서(130)를 통해서는 베어셀(110)에 흐르는 충전 전류가 감지되며, 셀 온도 센서(140)를 통해서는 베어셀(110)의 온도가 감지되고, 스위치 온도 센서(150)를 통해서는 충방전 스위치(151,152)의 온도가 감지된다.(S1) 이러한 감지는 통상 10~30분 단위로 갱신되면서 수행된다.
물론, 이와 같이 감지된 모든 아날로그 신호는 제어부(160)로 입력되고, 아날로그/디지털컨버터(제어부 내부에 형성됨)에 의해 소정 디지털 신호로 변환되어, 일정한 제어 명령에 따라 처리된다.
이어서, 상기 단계(S1)에서 감지된 충전 전압이 데이터 저장부(170)에 미리 기억된 기존의 충전 전압보다 큰지 판단한다.(S2)
상기 판단 결과 새롭게 감지된 충전 전압이 기존의 충전 전압보다 크면, 위의 새롭게 감지된 충전 전압을 신규 최고 충전 전압으로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S3)
이어서, 상기 감지된 충전 전압이 기존의 충전 전압보다 크지 않거나, 또는 신규 최고 충전 전압으로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한 단계(S2,S3)후에는, 상기 단계(S1)에서 감지된 충전 전류가 데이터 저장부(170)에 미리 기억된 기존의 충전 전류보다 작은지 판단한다.(S4)
상기 판단 결과 새롭게 감지된 충전 전류가 기존의 충전 전류보다 작으면, 위의 새롭게 감지된 충전 전류를 신규 최저 충전 전류로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S5) 이와 같이 최저 충전 전류를 갱신하면서 저장하는 이유는 충전시간이 경과함에 따라 충전 전류가 점차 감소하기 때문에 어느 정도 충전이 진행되었는지 판단하기 위함이다.(도 4a 참조)
이어서, 상기 감지된 충전 전류가 기존의 충전 전류보다 작지 않거나, 또는 신규 최저 충전 전류로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한 단계(S4,S5)후에는, 상기 단계(S1)에서 감지된 베어셀(110)의 셀 온도가 데이터 저장부(170)에 미리 기억된 기존의 셀 온도보다 큰지 판단한다.(S6)
상기 판단 결과 새롭게 감지된 셀 온도가 기존의 셀 온도보다 크면, 위의 새롭게 감지된 셀 온도를 신규 최고 셀 온도로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S7) 물론, 위와는 반대로 셀 온도가 기존의 셀 온도보다 작으면, 그 작은 값으로 갱신하여 저장부(170)에 저장할 수도 있다.
이어서, 상기 감지된 셀 온도가 기존의 셀 온도보다 크지 않거나, 또는 신규 최고 셀 온도로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한 단계(S7,S7)후에는, 상기 단계(S1)에서 감지된 충방전 스위치(151,152)의 온도가 데이터 저장부(170)에 미리 기억된 기존의 스위치 온도보다 큰지 판단한다.(S8)
상기 판단 결과 새롭게 감지된 스위치 온도가 기존의 스위치 온도보다 크면, 위의 새롭게 감지된 스위치 온도를 신규 최고 스위치 온도로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S9) 물론, 여기서도 위와는 반대로 스위치 온도가 기존의 스위치 온도보다 작으면, 그 작은 값으로 갱신하여 저장부(170)에 저장할 수도 있다.
이어서, 상기 감지된 베어셀의 충전 전압, 충전 전류, 온도 및 스위치 온도 등을 모두 종합적으로 참조하여 배터리 용량을 계산하고, 이러한 배터리 용량이 기 존 용량보다 큰지 판단한다(S10) 물론, 이러한 배터리 용량 계산을 위해 충전 전압, 충전 전류, 온도에 따른 배터리 용량 관계는 이미 저장부(170)에 별도로 테이블화되어 저장되어 있는 상태이다.
상기 판단 결과 새롭게 계산된 배터리 용량이 기존의 용량보다 크면, 위의 새롭게 계산된 배터리 용량을 최고 용량으로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S11)
여기서, 상기 단계(S2,S3), 단계(S4,S5), 단계(S6,S7), 단계(S8,S9) 및 단계(S10,S11)는 그 순서가 바뀔 수도 있으며, 이러한 순서로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[배터리팩이 외부 세트에 연결된 상태(도 1b, 2b, 4b 참조)]
배터리팩이 외부 세트에 연결되면, 전류는 베어셀(110)의 양극 단자, 충방전 스위치(151,152), 외부 단자(191), 외부 세트, 외부 단자(192), 전류 센서(130)를 통하여 다시 베어셀(110)의 음극 단자 및 전압 센서(120)로 흐르게 된다.
이때, 전압 센서(120)를 통해서는 베어셀(110)의 방전 전압이 감지되고, 전류 센서(130)를 통해서는 베어셀(110)의 방전 전류가 감지되며, 셀 온도 센서(140)를 통해서는 베어셀(110)의 온도가 감지되고, 스위치 온도 센서(150)를 통해서는 충방전 스위치(151,152)의 온도가 감지된다.(S21) 이러한 감지는 통상 10~30분 단위로 갱신되면서 수행된다.
물론, 이와 같이 감지된 모든 아날로그 신호는 제어부(160)로 입력되고, 아 날로그/디지털컨버터(제어부 내부에 형성됨)에 의해 소정 디지털 신호로 변환되어, 일정한 제어 명령에 따라 처리된다.
이어서, 상기 단계(S21)에서 감지된 방전 전압이 데이터 저장부(170)에 미리 기억된 기존의 방전 전압보다 작은지 판단한다.(S22)
상기 판단 결과 새롭게 감지된 방전 전압이 기존의 방전 전압보다 작으면, 위의 새롭게 감지된 방전 전압을 신규 최저 방전 전압으로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S23)
이어서, 상기 감지된 방전 전압이 기존의 방전 전압보다 작지 않거나, 또는 신규 최저 방전 전압으로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한 단계(S22,S23)후에는, 상기 단계(S21)에서 감지된 방전 전류가 데이터 저장부(170)에 미리 기억된 기존의 방전 전류보다 큰지 판단한다.(S24)
상기 판단 결과 새롭게 감지된 방전 전류가 기존의 방전 전류보다 크면, 위의 새롭게 감지된 방전 전류를 신규 최고 방전 전류로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S25) 이와 같이 최고 방전 전류를 갱신하면서 저장하는 이유는 방전시간이 경과함에 따라 방전 전류가 점차 증가하기 때문에 어느 정도 방전이 진행되었는지 판단하기 위함이다.(도 4b 참조)
이어서, 상기 감지된 방전 전류가 기존의 방전 전류보다 크지 않거나, 또는 신규 최고 방전 전류로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한 단계(S24,S25)후에는, 상기 단계(S21)에서 감지된 베어셀(110)의 셀 온도가 데이터 저장부(170)에 미리 기억된 기존의 셀 온도보다 큰지 판단한다.(S26)
상기 판단 결과 새롭게 감지된 셀 온도가 기존의 셀 온도보다 크면, 위의 새롭게 감지된 셀 온도를 신규 최고 셀 온도로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S27) 물론, 위와는 반대로 셀 온도가 기존의 셀 온도보다 작으면, 그 작은 값으로 갱신하여 저장부(170)에 저장할 수도 있다.
이어서, 상기 감지된 셀 온도가 기존의 셀 온도보다 크지 않거나, 또는 신규 최고 셀 온도로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한 단계(S27,S27)후에는, 상기 단계(S21)에서 감지된 충방전 스위치(151,152)의 온도가 데이터 저장부(170)에 미리 기억된 기존의 스위치 온도보다 큰지 판단한다.(S28)
상기 판단 결과 새롭게 감지된 스위치 온도가 기존의 스위치 온도보다 크면, 위의 새롭게 감지된 스위치 온도를 신규 최고 스위치 온도로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S29) 물론, 여기서도 위와는 반대로 스위치 온도가 기존의 스위치 온도보다 작으면, 그 작은 값으로 갱신하여 저장부(170)에 저장할 수도 있다.
이어서, 상기 감지된 베어셀의 방전 전압, 전류, 온도 및 스위치 온도 등을 참조하여 배터리 용량을 계산하고, 이러한 배터리 용량이 기존 용량보다 작은지 판단한다(S30)
상기 판단 결과 새롭게 계산된 배터리 용량이 기존의 용량보다 작으면, 위의 새롭게 계산된 배터리 용량을 최저 용량으로 갱신하여 데이터 저장부(170)에 저장한다.(S31) 물론, 이러한 배터리 용량 계산을 위해 방전 전압, 방전 전류, 온도에 따른 배터리 용량 관계는 이미 저장부(170)에 별도로 테이블화되어 저장되어 있는 상태이다.
여기서, 상기 단계(S22,S23), 단계(S24,S25), 단계(S26,S27), 단계(S28,S29) 및 단계(S30,S31)는 그 순서가 바뀔 수도 있으며, 이러한 순서로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
한편, 통신 인터페이스부(180)를 통해서는 상술한 데이터 저장부(170)에 저장된 최고 또는 최저 충방전 전압, 최고 또는 최저 충방전 전류, 최고 또는 최저 셀 온도 및 최고 또는 최저 스위치 온도, 최고 또는 최저 배터리 용량이 소정 신호 형태로서 외부 세트(200)에 전송된다. 즉, 데이터 단자(194)를 통하여 외부 세트(200)에 마련된 또 다른 데이터 저장부(230)에 전송된다. 따라서, 외부 세트(200)에서는 상기 배터리팩의 각종 정보를 쉽게 모니터링할 수 있게 되고, 따라서 안전한 외부 세트의 운용이 가능해진다. 물론, 상기 배터리팩의 고장시 상기 외부 세트에 기록된 배터리팩의 충방전 전압, 전류, 셀 온도, 스위치 온도 및 배터리 용량 등을 확인함으로써, 배터리팩의 고장 원인을 추적할 수도 있게 된다.
상기와 같이 하여 본 발명에 의한 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법은 배터리팩의 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압, 방전 전류, 셀 온도, 스위치 온도 및 배터리 용량을 모니터링하게 됨으로써, 최적의 조건에서 배터리팩을 유지/사용할 수 있게 되고, 또한 배터리팩의 교체 시기를 정확히 예측할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명은 상술한 충전 전압, 충전 전류, 방전 전압, 방전 전류, 셀 온도, 스위치 온도 및 배터리 용량을 자체 저장하거나 또는 외부 세트에 전송함으 로써, 배터리팩의 고장 발생시 그 원인을 정확히 추적할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명은 외부 세트에서 배터리팩의 상태를 항상 모니터링할 수 있게 됨으로써, 배터리팩의 진단이 더욱 쉬워지는 효과가 있다.
더불어, 본 발명은 외부 세트에 배터리팩의 상태에 따른 알람기능이 있는 프로그램 등을 설치한다면, 외부 세트를 더욱 안전하게 운영할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리팩의 모니터링 장치 및 그 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 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.

Claims (21)

  1. 일정 전압으로 충방전 가능한 베어셀과,
    상기 베어셀의 충방전 전압을 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 출력하는 전압 센서와,
    상기 베어셀의 충방전 전류를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 출력하는 전류 센서와,
    상기 베어셀의 온도를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 출력하는 셀 온도 센서와,
    상기 베어셀과 외부 단자 사이에 설치된 충방전 스위치의 온도를 감지하고, 이를 일정한 전기적 신호로 출력하는 스위치 온도 센서와,
    상기 전압 센서, 전류 센서, 셀 온도 센서 및 스위치 온도 센서로부터 입력된 신호를 디지털 신호로 변환하여 일정한 제어 명령에 따라 연산 처리하는 동시에, 상기 입력된 베어 셀의 전압, 전류 및 온도를 참조하여 배터리 용량을 계산하는 제어부와,
    상기 제어부에 의해 연산 처리된 상기 베어셀의 충방전 전압, 상기 베어셀의 충방전 전류, 상기 베어셀의 온도, 상기 충방전 스위치의 온도 및 상기 배터리 용량을 저장하는 데이터 저장부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 충전 전압이 기존 충전 전압보다 클 경우, 충전 전류는 기존 충전 전류보다 작을 경우에만 각 값을 데이터 저장부에 갱신하여 저장함을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 방전 전압이 기존 방전 전압보다 작을 경우, 방전 전류는 기존 방전 전류보다 클 경우 각 값을 갱신하여 데이터 저장부에 저장함을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 셀 온도는 기존 셀 온도보다 클 경우, 스위치 온도는 기존 스위치 온도보다 클 경우에만 각 값을 데이터 저장부에 갱신하여 저장함을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 충방전 스위치에는 상기 전압 센서 및 전류 센서로부터 전기적 신호를 입력받아 상기 충방전 스위치를 온,오프하는 보호회로가 더 연결된 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부에는 외부 세트로 상기 데이터 저장부에 저장된 충방전 전압, 충방전 전류, 베어셀 온도, 충방전 스위치 온도 및 배터리 용량을 전송할 수 있도록 통신 인터페이스부가 더 연결된 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 통신 인터페이스부는 RS-232C(Recommended Standard 232 Revision C) 방식인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 온도 센서는 서미스터, 권선 저항형 센서, 광역 저항 센서, 반도체 다이오드 센서, 메달코어형 센서 또는 열전대 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 온도 센서는 서미스터, 권선 저항형 센서, 광역 저항 센서, 반도체 다이오드 센서, 메달코어형 센서 또는 열전대 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 외부 세트는 상기 배터리팩의 통신 인터페이스부와 연결되는 세트 통신 인터페이스부와,
    상기 세트 통신 인터페이부로부터 입력되는 신호를 처리하는 세트 제어부와,
    상기 세트 제어부에 의해 배터리팩의 충방전 전압, 충방전 전류, 베어셀 온도, 충방전 스위치 온도 및 배터리 용량을 저장하는 세트 데이터 저장부로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 세트 제어부에는 상기 세트 데이터 저장부에 저장되는 베어셀의 충방전 전압, 베어셀의 충방전 전류, 베어셀 온도, 충방전 스위치 온도 및 배터리 용량을 표시할 수 있도록 세트 표시부가 더 연결된 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 장치.
  15. 충방전 가능한 베어셀이 충전기에 연결되면, 베어셀의 충전 전압, 충전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 일정 주기로 감지하는 단계와,
    상기 베어셀의 충전 전압, 충전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 저장하는 동시에, 배터리 용량도 계산하여 함께 저장하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 저장 단계는
    감지된 충전 전압이 기존 충전 전압보다 높을 경우 감지된 충전 전압으로 갱신하여 저장하는 단계와,
    감지된 충전 전류가 기존 충전 전류보다 작을 경우 감지된 충전 전류로 갱신하여 저장하는 단계와,
    감지된 베어셀의 온도가 기존의 베어셀 온도보다 높을 경우 감지된 베어셀의 온도로 갱신하여 저장하는 단계와,
    감지된 충방전 스위치의 온도가 기존 충방전 스위치의 온도보다 높을 경우 감지된 충방전 스위치의 온도로 갱신하여 저장하는 단계와,
    상기 계산된 배터리 용량이 기존 배터리 용량보다 높을 경우 계산된 배터리 용량으로 갱신하여 저장하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 주기는 10~30분인 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 저장된 베어셀의 충전 전압, 충전 전류, 온도, 충방전 스위치의 온도 및 배터리 용량은 외부 세트에 전송되어 저장되는 단계가 더 포함된 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 방법.
  19. 충방전 가능한 베어셀이 외부 세트에 연결되면, 베어셀의 방전 전압, 방전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 일정 주기로 감지하는 단계와,
    상기 베어셀의 방전 전압, 방전 전류, 온도 및 충방전 스위치의 온도를 저장하는 동시에, 배터리 용량도 계산하여 함께 저장하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 저장 단계는
    감지된 방전 전압이 기존 방전 전압보다 낮을 경우 감지된 방전 전압으로 갱신하여 저장하는 단계와,
    감지된 방전 전류가 기존 방전 전류보다 클 경우 감지된 방전 전류로 갱신하여 저장하는 단계와,
    감지된 베어셀의 온도가 기존의 베어셀 온도보다 높을 경우 감지된 베어셀의 온도로 갱신하여 저장하는 단계와,
    감지된 충방전 스위치의 온도가 기존 충방전 스위치의 온도보다 높을 경우 감지된 충방전 스위치의 온도로 갱신하여 저장하는 단계와,
    상기 계산된 배터리 용량이 기존 배터리 용량보다 낮을 경우 계산된 배터리 용량으로 갱신하여 저장하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 저장된 베어셀의 방전 전압, 방전 전류, 온도, 충방전 스위치의 온도 및 배터리 용량은 외부 세트에 전송되어 저장되는 단계가 더 포함된 것을 특징으로 하는 배터리팩의 모니터링 방법.
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