KR101344779B1 - 전동 공구의 배터리 관리 시스템 및 그 방법 - Google Patents

전동 공구의 배터리 관리 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

전동 공구의 배터리 상태를 모니터링하고 모니터링한 배터리의 상태 정보를 저장하며, 저장된 배터리 상태 정보를 사용자가 확인 및 관리할 수 있도록 출력할 수 있는 전동 공구의 배터리 관리 시스템 및 그 방법을 제공한다. 상기 전동 공구의 배터리 관리 시스템은 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리를 포함하는 전동 공구의 배터리 관리 시스템으로서, 상기 배터리 및 상기 배터리 셀의 상태를 검출하는 배터리 정보 검출부와, 상기 배터리 정보 검출부에서 검출된 상기 배터리 및 상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 및 상기 배터리 및 배터리 셀의 관리 정보를 저장하는 배터리 정보 저장부와, 상기 배터리 정보 검출부에서 검출된 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태에 대한 정보를 제공받아 상기 배터리 정보 저장부에 기록하고, 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태에 대한 정보를 가공하여 상기 배터리 및 배터리 셀의 관리 정보를 생성하고 상기 배터리 정보 저장부에 기록하는 전력 관리 제어부를 포함하는 전력 관리 모듈; 및 상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 및 상기 배터리 셀의 관리 정보를 상기 전력 관리 제어부로부터 제공 받아 사용자 화면으로 제공하는 단말기를 포함한다.

Description

전동 공구의 배터리 관리 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MANAGING BATTERY OF MACHINE TOOL}
본 발명은 배터리의 전력으로 구동하는 전동 공구의 배터리를 관리하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동 공구의 배터리 상태를 모니터링하고 모니터링한 배터리의 상태 정보를 저장하며, 저장된 배터리 상태 정보를 사용자가 확인 및 관리할 수 있도록 출력할 수 있는 전동 공구의 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전동 공구는 전동기를 내장하고 그 회전력을 이용해서 금속이나 목재 등을 가공하는 공구를 의미한다. 전동 공구에 사용되는 전동기는 직류, , 등의 전력을 제공받아 구동될 수 있는데, 통상 가정용으로 사용되는 소형 또는 휴대형 전동 공구는 충전을 통해 전력을 저장할 수 있는 충전 배터리를 구비한 직류 구동 전동 공구이다.
전동 공구에 사용되는 배터리는 복수의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 원하는 출력전압을 생성하도록 구현된 배터리 팩 형태의 전원 장치이다. 전동 공구의 효율적이고 편리한 사용을 위해서 배터리의 각 배터리 셀에 충방전되는 전기 에너지를 효율적으로 관리하여 배터리의 가용시간을 증가시키고 배터리 수명을 향상시키는 관리가 필요하다.
이러한 관리를 위해 각 배터리 셀의 전압을 상호 동일하게 유지하는 배터리 밸런싱, 배터리 셀의 전압, 전류 및 내부 저항 등을 측정하여 각 배터리 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 수 있는 전동 공구용 배터리 관리 시스템이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전동 공구의 배터리 상태를 모니터링하고 모니터링한 배터리의 상태 정보를 저장하며, 저장된 배터리 상태 정보를 사용자가 확인 및 관리할 수 있도록 출력할 수 있는 배터리 관리 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리를 포함하는 전동 공구의 배터리 관리 시스템에 있어서,
상기 배터리 및 상기 배터리 셀의 상태를 검출하는 배터리 정보 검출부와, 상기 배터리 정보 검출부에서 검출된 상기 배터리 및 상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 및 상기 배터리 및 배터리 셀의 관리 정보를 저장하는 배터리 정보 저장부와, 상기 배터리 정보 검출부에서 검출된 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태에 대한 정보를 제공받아 상기 배터리 정보 저장부에 기록하고, 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태에 대한 정보를 가공하여 상기 배터리 및 배터리 셀의 관리 정보를 생성하고 상기 배터리 정보 저장부에 기록하는 전력 관리 제어부를 포함하는 전력 관리 모듈; 및
상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 및 상기 배터리 셀의 관리 정보를 상기 전력 관리 제어부로부터 제공 받아 사용자 화면으로 제공하는 단말기
를 포함하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 및 배터리 셀 상태에 대한 정보는 상기 배터리 셀 각각의 출력 전압, 상기 배터리 셀 각각의 내부 저항 및 상기 배터리의 온도를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 및 배터리 셀의 관리 정보는 상기 배터리 셀의 충전 잔량, 상기 배터리의 충전 회수, 상기 배터리의 사용시간 및 상기 배터리의 예상 수명을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 관리 모듈은, 상기 배터리 셀 각각의 충전 또는 방전을 통해, 상기 배터리 셀 각각의 출력 전압을 실질적으로 동일하게 유지시키는 배터리 밸런싱부를 더 포함할 수 있다. 이 실시형태에서, 상기 전력 관리 제어부는, 상기 전동 공구의 키 입력 발생 여부에 따라, 상기 배터리 정보 검출부에서 검출된 상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 중 각 배터리 셀의 출력 전압에 상호 차이가 발생하는 경우 상기 배터리 밸런싱부를 동작하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 배터리 밸런싱부로 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 관리 모듈은, 상기 배터리로부터 상기 전동 공구의 구동 모터 측으로 제공되는 전력을 연결 또는 차단하는 전원 스위칭부를 더 포함하며, 상기 전력 관리 제어부는, 상기 전동 공구의 키 입력 발생 여부에 따라, 상기 전원 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 전원 스위칭부로 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전력 관리 모듈은, 상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 및 상기 배터리 셀의 관리 정보를 상기 전력 관리 제어부로 제공받아 상기 단말기로 전달하기 위해 상기 단말기와 연결되는 입출력 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사용자 화면은, 상기 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리의 최대 출력 전압, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 충전 잔량, 상기 배터리의 온도, 상기 배터리의 최대 출력 전류, 상기 배터리의 충전 회수, 상기 배터리의 사용시간 및 상기 배터리의 예상 수명을 표시하는 배터리 정보 표시란; 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 충전 잔량, 출력 전압 및 내부 저항을 표시하는 배터리 셀 정보 표시란을 포함할 수 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 구성으로서 본 발명은,
상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리를 포함하는 전동 공구의 배터리 관리 방법에 있어서,
상기 전동 공구의 키 입력을 감시하는 단계;
상기 전동 공구의 키 입력이 발생한 경우, 상기 배터리로부터 상기 전동 공구의 모터로 전원을 공급하고, 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태 정보를 검출하는 단계;
상기 전동 공구의 키 입력이 발생한 이후에 다시 상기 키 입력 차단된 경우, 상기 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 단계; 및
상기 배터리 셀의 밸런싱이 완료되면 상기 배터리로부터 상기 전동 공구의 모터로 전원 공급을 차단하고, 상기 배터리 셀의 상태 정보를 저장하는 단계
를 포함하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 상태 정보를 검출하는 단계는, 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태 정보와, 상기 배터리의 충전 회수 및 상기 배터리의 충전 시간을 가공하여 상기 배터리 셀의 충전 잔량 및 배터리 예상 수명을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 상태 정보를 검출하는 단계는, 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태 정보 및 상기 배터리의 충전 회수와 상기 배터리의 충전 시간과 상기 배터리 셀의 충전 잔량 및 상기 배터리 예상 수명을 포함하는 상기 배터리에 대한 관리 정보를 단말기로 전송하여 사용자 화면으로 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사용자 화면은, 상기 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리의 최대 출력 전압, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 충전 잔량, 상기 배터리의 온도, 상기 배터리의 최대 출력 전류, 상기 배터리의 충전 회수, 상기 배터리의 사용시간 및 상기 배터리의 예상 수명을 표시하는 배터리 정보 표시란; 및 상기 복수의 배터리 셀 각각의 충전 잔량, 출력 전압 및 내부 저항을 표시하는 배터리 셀 정보 표시란을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전동 공구의 배터리 및 배터리에 포함된 배터리 셀의 상태 정보 및 관리 정보를 저장하고, 이를 사용자 또는 관리자가 시각적으로 편리하게 확인할 수 있게 함으로써, 배터리의 상태에 대한 용이한 모니터링 및 점검이 가능하고 특히 고장에 따른 사후 서비스 제공을 함에 있어 배터리에 대한 수월한 고장 진단을 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 장치에서 배터리 밸런싱을 수행하기 위한 구성을 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 밸런싱부의 구체적인 회로 구성을 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템의 전력 관리 모듈에 포함된 전원 스위칭부의 일례를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템에서 출력되는 배터리 정보를 표시하는 그래픽 사용자 인터페이스의 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템의 전체 동작을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템은, 크게 전동 공구에 내장되는 전력 관리 모듈(10)와 전력 관리 모듈(10)에 연결된 사용자 단말(20)를 포함하여 구성될 수 있다.
전동 공구에 내장되는 전력 관리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리(11)와, 배터리 셀의 상태 정보를 검출하는 배터리 정보 검출부(12)와, 배터리 정보 검출부(12)에서 검출된 배터리(11)의 상태 정보를 저장하는 배터리 정보 저장부(16)와, 배터리 정보 검출부(12)에서 검출된 배터리(11)의 상태에 대한 정보를 제공받아 배터리 정보 저장부(16)에 기록하고, 배터리(11)의 상태에 대한 정보를 가공하여 배터리의 관리 정보를 생성하는 전력 관리 전력 관리 제어부(13)를 포함할 수 있다.
이에 더하여, 전력 관리 모듈(10)은 배터리(11) 내에 포함된 복수의 배터리 셀 간의 전압 밸런싱을 수행하기 위한 배터리 밸런싱부(14)와, 전동 공구를 사용하지 않는 경우 배터리(11)에서 전동 공구의 모터 측으로 제공되는 전력을 완전히 차단하기 위한 전원 스위칭부(15) 및 배터리 상태 정보를 사용자 단말(20)로 출력하는 입출력 인터페이스(17)를 더 포함할 수 있다.
전동 공구에 내장되는 전력 관리 모듈(10)에 포함된 배터리(11)는 충전 가능한 배터리 팩의 형태로 구현될 수 있으며, 그 내부에 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리(11)에 내장되는 배터리 셀은 전동 공구의 배터리 팩에 포함되는 복수의 배터리 셀로서 상호 직렬 연결된 구조를 갖는다. 사용자가 전동 공구를 동작시키기 위한 키(32) 입력에 의해 전동 공구의 동작이 개시되면 배터리(11)에 충전된 전력이 출력되어 모터 등을 구동함으로써 전동 공구의 사용이 가능해진다.
여기서, 전동 공구에 마련된 키(32)는 전동 공구의 외부에 마련되어 사용자의 전동 공구 구동을 위한 조작을 입력 받는 요소이다. 예를 들어, 키(32)는 방아쇠의 형태로 구비되어 사용자가 키(32)를 당기면 전동 공구를 구동 시키기 위한 신호를 생성하여 전력 관리 제어부(13)로 제공할 수 있다. 반대로, 사용자가 키(32)를 릴리즈하면 원 위치로 복귀하여 전동 공구를 구동을 중지시키기 위한 신호를 전력 관리 제어부(13)로 제공할 수 있다. 본 발명에 대한 상세한 설명에서, 사용자가 전동 공구를 사용하기 위해 키(32)를 당기는 경우 키(32) 입력이 존재하는 것으로 표현하고, 키(32)를 릴리즈 하는 경우 키(32) 입력이 차단되는 것으로 표현하기로 한다.
배터리 정보 검출부(12)는 배터리(11)의 다양한 상태에 관련된 정보를 출력할 수 있다. 더욱 구체적으로, 배터리 정보 검출부(12)는 배터리(11)에 포함된 배터리 셀 각각의 상태를 검출하여 출력할 수 있다.
도 1에 도시하지는 않았지만, 배터리 정보 검출부(12)는 배터리(11) 내의 각 배터리 셀의 출력 전압을 검출하는 전압 검출부와, 각 배터리 셀의 내부 저항을 측정하는 내부 저항 측정부 및 배터리 셀을 포함하는 배터리(11)의 주변 온도를 검출하는 온도 검출부를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 정보 검출부(12)에 포함된 전압 검출부는 각 배터리 셀의 양단의 전위를 입력 받아 그 차를 연산함으로써 각 배터리 셀에서 출력되는 전압을 검출하는 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 전압 검출부는 배터리 셀(11) 양단 전위를 입력 받아 그 차에 대응되는 값을 출력하는 비교기 또는 오차 증폭기의 형태로 구현될 수 있다. 전압 검출부의 더욱 구체적인 형태는 이후에 설명되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 밸런싱을 위한 기술 구성에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
배터리 정보 검출부(12)에 포함된 내부 저항 측정부는 배터리 셀이 갖는 내부 저항을 측정하기 위한 요소로서, 예를 들어, 배터리 양단에 별도의 검출 저항을 연결하여 배터리 내부 저항과 검출 저항의 분압 전압을 측정하는 방식으로 검출될 수 있다.
배터리 정보 검출부(12)에 포함된 온도 검출부는 배터리 온도를 검출하기 위한 요소로서, 예를 들어, 사전 설정된 기준 전압을 온도에 따라 저항값이 변동되는 저항과 일반 저항을 이용하여 분압시킨 분압 저항을 이용함으로써 온도를 검출할 수 있다. 온도에 따라 저항값이 변동되는 저항은 온도에 따라 그 저항값이 변동되므로, 온도에 따라 기준 전압에 대한 분압 전압값이 변동된다. 온도 검출부는 분압 전압값을 검출하고, 전력 관리 제어부(13)는 검출된 분압 전압값에 대응되는 온도를 사전에 설정해 두어 배터리의 온도를 결정할 수 있다.
배터리 정보 저장부(16)는 배터리 정보 검출부(12)에서 출력되는 배터리 상태에 대한 정보, 예를 들어 배터리(11) 내 배터리 셀 각각의 출력 전압, 배터리 셀 각각의 내부 저항 및 배터리 온도 등에 대한 정보를 저장할 수 있다. 배터리 정보 저장부(16)는 다양한 형태의 기록 매체가 이용될 수 있으며, 예를 들어 플래시 메모리 등을 이용하여 구현되거나 전력 관리 제어부(13) 내에 마련된 별도의 저장 공간을 이용하여 구현될 수도 있다.
전력 관리 제어부(13)는 배터리 정보 검출부(12)에서 출력되는 배터리 셀 상태에 대한 물리적 정보를 가공하여 원하는 형태의 값으로 생성할 수 있으며, 배터리 정보 저장부(16)의 읽기/쓰기를 제어하여 배터리 셀 상태에 대한 정보를 배터리 정보 저장부(16)에 기록하고 배터리 정보 저장부(16)에 저장된 배터리 셀 상태에 대한 정보를 읽어 들일 수 있다.
또한, 전력 관리 제어부(13)는 배터리의 충전 회수 및 배터리 사용시간을 카운트할 수 있다. 전력 관리 제어부(13)는, 배터리 정보 검출부(12)에서 출력되는 배터리 셀 상태에 대한 정보와, 배터리 충전 회수, 배터리 사용 시간 등을 이용하여 사전 설정된 연산과정을 통해 배터리 셀의 충전 잔량(SOC: State Of Charge) 및 배터리 예상 수명(SOH: State Of Health) 등과 같은 배터리 관리를 위한 정보를 산출할 수 있다. 배터리(11) 내 배터리 셀의 출력 전압, 내부 저항, 배터리의 온도, 배터리의 충전 회수, 배터리 사용 시간 등을 이용하여 배터리 셀의 충전 잔량 및 배터리 예상 수명을 연산하는 방법은 배터리의 종류나 배터리의 적용 분야, 적용 방식 등에 따라 다양하게 결정될 수 있으며, 기존에 알려진 연산 기법 중 적절한 기법을 채용하여 구현될 수 있다.
더하여, 전력 관리 제어부(13)는 배터리(11) 내 배터리 셀의 밸런싱을 위한 제어 신호를 생성 및 출력하고, 배터리(11)로부터 제공되는 전원을 연결 또는 차단하기 위한 제어 신호를 생성 및 출력할 수 있다.
전력 관리 제어부(13)는 배터리 셀 상태를 기록하기 위한 제어 알고리즘, 배터리 셀 관리 정보를 연산하기 위한 알고리즘 및 후술하는 배터리 밸런싱을 위한 알고리즘 및 전원 차단을 위한 알고리즘 등이 프로그램의 형태로 저장이 가능한 마이크로 프로세서 등으로 구현될 수 있다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템의 전력 관리 모듈(10)은 배터리 밸런싱부(14)와, 전원 스위칭부(15) 및 입출력 인터페이스(17)를 더 포함할 수 있다.
배터리 밸런싱부(14)는 복수의 배터리 셀(11) 사이에 출력 전압의 차이가 발생하는 경우 이를 보상하기 위해 마련되는 요소이다. 예를 들어, 배터리 밸런싱부(14)는 배터리 정보 검출부(12) 내의 전압 검출부에서 출력되는 각 배터리 셀(11)의 출력 전압 차이가 발생하는 경우, 적절한 배터리 셀(11)의 방전 또는 충전이 이루어지게 함으로써 각 배터리 셀(11) 사이의 출력전압 차이를 제거하는 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 장치에서 배터리 밸런싱을 수행하기 위한 구성을 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다. 또한, 도 3은 도 2에 도시된 배터리 밸런싱부의 구체적인 회로 구성을 도시한 회로도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 장치에서 배터리 밸런싱을 수행하기 위한 구성을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 장치에서 배터리 밸런싱을 수행하기 위한 구성은, 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(111)을 포함하는 배터리(11)와, 상기 복수의 배터리 셀(111) 각각의 출력 전압을 검출하는 배터리 정보 검출부(12) 내에 포함된 전압 검출부(121)와, 전압 검출부(121)에서 검출된 배터리 셀(111) 각각의 출력 전압을 제공받아 분석하여 배터리 밸런싱을 수행하기 위한 제어 신호를 생성 및 출력하는 전력 관리 제어부(13) 및 전력 관리 제어부(13)의 제어 신호에 따라 각 배터리 셀(111) 간의 전압차를 제거하는 배터리 밸런싱부(14)를 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 배터리 셀(111)은 전동 공구의 배터리(11)에 포함되는 복수의 배터리 셀로서 상호 직렬 연결된 구조를 갖는다. 사용자 조작에 의해 전동 공구의 동작을 위한 키(32) 입력이 발생하면 각 배터리 셀에서 충전된 전력이 출력되어 모터 등을 구동함으로써 전동 공구의 사용이 가능해진다.
전압 검출부(121)는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11) 각각의 출력 전압을 검출한다. 전압 검출부(121)는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11) 각각의 양단으로부터 해당 노드의 전위를 입력 받을 수 있으며, 각 배터리 셀(11)의 양단 전위차를 산출함으로써 각 배터리 셀(11)의 출력전압을 출력할 수 있다.
예를 들어, 전압 검출부(121)는, 복수의 배터리 셀(11) 각각의 양단 전위를 입력 받아 상호 비교하여 그 차이에 해당하는 복수의 배터리 셀(11) 각각의 출력전압을 출력하는 복수의 비교기(미도시)를 포함할 수 있다. 전압 검출부(121) 내의 비교기에 의해 검출된 각 배터리 셀(11)의 출력 전압은 전력 관리 제어부(13)로 제공된다.
전력 관리 제어부(13)는 각 배터리 셀(111)의 출력 전압 정보를 상호 비교하여 배터리의 밸런싱을 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 각 배터리 셀(111)의 출력 전압 중 최저 전압을 갖는 배터리 셀(111)을 확인하고, 나머지 배터리 셀(111)의 전압을 최저 전압을 갖는 배터리 셀(111)과 동일한 출력 전압을 갖도록 밸런싱하기 위해 나머지 배터리 셀(111)의 전력을 방전시키는 제어 신호를 생성하여 배터리 밸런싱부(14)로 출력할 수 있다.
배터리 밸런싱부(14)는 전력 관리 제어부(13)에서 출력된 제어신호에 따라 밸런싱이 요구되는 배터리 셀(11)의 방전이 이루어지게 함으로써 배터리(11) 내에 포함된 모든 배터리 셀(111)의 출력전압 차이를 제거하여 배터리 셀(111) 간의 출력전압을 밸런싱할 수 있다.
도 3에 도시한 것과 같이, 배터리 밸런싱부(14)는, 복수의 배터리 셀(11) 각각의 일단에 일단이 연결된 복수의 스위칭 소자(Q)와, 스위칭 소자(Q) 각각의 타단에 일단이 연결되며 복수의 배터리 셀(11) 각각의 타단에 타단이 연결된 복수의 저항 소자(R)를 포함할 수 있다.
스위칭 소자(Q)는 MOSFET 등과 같은 전계효과 트랜지스터로 구현될 수 있으며, 후술하는 밸런싱 제어부(13)에 의해 단락/개방이 결정될 수 있다. 저항 소자(R)는 스위칭 소자(Q)가 단락이 되는 경우 배터리 셀(11)의 양단에 그 양단이 연결된 구조의 회로 연결을 이루어져 배터리 셀(111)의 방전이 이루어지게 할 수 있다.
배터리 밸런싱부(14)는 전력 관리 제어부(13)의 제어 신호에 따라 스위칭 소자(Q)를 단락/개방 시킴으로써 배터리 셀(111)의 방전을 통해 배터리 셀(111) 간의 전압차가 제거되도록 밸런싱 동작을 수행할 수 있다.
도 3에 도시된 것과 같은 배터리 밸런싱 부(14)의 구체적인 회로가 적용된 예에서, 전력 관리 제어부(13)는 최저 전압을 갖는 배터리 셀(111)의 출력 전압과 일치하도록 나머지 배터리 셀(111)에 연결된 스위칭 소자(Q)를 제어하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다.
도 2 및 도 3을 통해 설명된 배터리 밸런싱을 위한 구성 요소들은 사용자에 의한 키(32)의 입력이 제거되어 전동 공구의 구동이 종료됨이 인지되면 즉시 개시될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템의 전력 관리 모듈(10)장치에 포함된 전원 스위칭부(15)는, 배터리(11)로부터 제공되는 전동 공구의 모터 구동에 필요한 전력을 연결 또는 차단하는 스위치 역할을 수행할 수 있다. 상기 전원 스위칭부(15)는 전력 관리 제어부(13)로부터 제공되는 전력 제어 신호에 따라 배터리(11)로부터 제공되는 전력을 모터 측으로 제공 또는 차단할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 1에 도시된 모터 구동부(31)는 배터리(11)로부터 제공되는 전력을 이용하여 모터를 구동하기 위한 모터 구동 회로를 포함할 수 있다. 모터 구동부(31)는 전력 관리 제어부(13)의 제어에 의해 전원 스위칭부(15)가 배터리(11)의 전력을 제공하는 상태가 되면, 사전 설정된 전압/전류를 모터에 제공하여 모터를 구동시킬 수 있다. 한편, 모터 구동부(31)는 전력 관리 제어부(13)에서 제공되는 모터 구동 제어신호에 따라 사용자가 설정한 기능에 적절한 회전력을 제공하도록 모터에 전압/전류를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 전원 스위칭부(15)는 배터리(11)로부터 모터 구동부(31)로 전력을 제공 또는 차단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템의 전력 관리 모듈에 포함된 전원 스위칭부의 일례를 도시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 전원 스위칭부(15)는 두 개의 바이폴라 트랜지스터(B1, B2)로 구현될 수 있다. 전원 스위칭부(15)는 배터리(11)에 연결되어 배터리(11)로부터 제공되는 전력이 입력되는 이미터 및 전동 공구의 모터 측으로 이미터에서 입력된 전력을 출력하는 콜렉터를 갖는 p형 바이폴라 트랜지스터(B2) 및 p형 바이폴라 트랜지스터(B2)의 베이스에 연결된 콜렉터, 접지된 이미터 및 전력 관리 제어부(13)로부터 스위칭 제어 신호를 입력 받는 베이스를 갖는 n형 바이폴라 트랜지스터(B1)를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 구조의 전원 스위칭부(15)는 n형 바이폴라 트랜지스터(B1)의 베이스로 입력되는 전력 제어 신호에 따라 각 트랜지스터의 콜렉터와 이미터의 연결이 개방/단락됨으로써 배터리(11)로부터 제공되는 전력을 모터 측으로 제공 또는 차단할 수 있다.
더욱 구체적으로, 전원 스위칭부(15)에 의해 배터리(11)에서 전력이 모터를 구동하기 위한 회로인 모터 구동부(31)로 제공되는 상태가 되도록 제어하기 위해서, 전력 제어 관리부(13)는 n형 바이폴라 트랜지스터(B1)의 베이스로 하이 신호를 출력할 수 있다. 이로 인해 n형 바이폴라 트랜지스터(B1)의 콜렉터와 이미터는 통전 상태가 되고 p형 바이폴라 트랜지스터(B2)의 베이스는 접지됨으로써, p형 바이폴라 트랜지스터(B2)의 이미터와 콜렉터는 통전 상태가 되어 배터리(11)의 전력이 모터 구동부(13)로 제공될 수 있다.
이와 반대로, 전원 스위칭부(15)에 의해 배터리(11)에서 모터 구동부(31)로 제공되는 전력이 차단되는 상태가 되도록 제어하기 위해서, 전력 제어 관리부(13)는 n형 바이폴라 트랜지스터(B1)의 베이스로 로우 신호를 출력할 수 있다. 이로 인해 n형 바이폴라 트랜지스터(B1)의 콜렉터와 이미터는 개방 상태가 되고 p형 바이폴라 트랜지스터(B2)의 베이스는 하이 상태가 됨으로써, p형 바이폴라 트랜지스터(B2)의 이미터와 콜렉터는 개방 상태가 되어 배터리(11)의 전력이 차단될 수 있다.
도 4에서는 바이폴라 트랜지스터(B1, B2)를 스위칭 소자로 채용한 예를 도시하고 있으나, 이 바이폴라 트랜지스터(B1, B2)는 다른 종류의 스위칭 소자(예를 들어, FET 또는IGBT 등)으로 대체 가능한 것임이 당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 전력 제어 관리부(13)는 사용자의 키(32) 입력이 발생하는 즉시 모터 측으로 전력 공급이 가능하도록 전원 스위칭부(15)를 제어하고, 사용자의 키(32) 입력이 제거되고 전술한 배터리 밸런싱을 수행하여 배터리 밸런싱이 완료되는 즉시 모터 측으로 전력 공급을 차단하도록 전원 스위칭부(15)를 제어할 수 있다.
입출력 인터페이스(17)는 전력 관리 제어부(13)에서 제공되는 배터리에 대한 관리 정보 및 배터리의 상태에 대한 정보를 전동 공구 내에 설치된 전력 관리 모듈(10)의 외부로 출력하는 통로가 된다. 입출력 인터페이스(17)는 전동 공구 내 전력 관리 모듈(10)의 외부에서 전력 관리 모듈(10)과의 연결을 형성하는 단말기(20)와의 연결 방식에 따라 USB, 직렬 통신, 병렬 통신, I2C 등과 같은 당 기술 분야에서 잘 알려진 다양한 방식 중 적어도 하나를 지원하는 입출력 인터페이스일 수 있다.
단말기(20)는 전동 공구 내 전력 관리 모듈(10)의 입출력 인터페이스(17)를 통해 전력 관리 제어부(13)에서 제공되는 배터리 셀 상태에 대한 정보 및 배터리 셀에 대한 관리 정보를 제공받아 사전 설정된 형태의 그래픽 사용자 인터페이스로 제공할 수 있다. 상기 단말기(20)는 전동 공구 내 전력 관리 모듈(10)의 입출력 인터페이스(17)를 통해 정보를 제공받아 시각적으로 디스플레이할 수 있는 수단을 갖는 데스크 탑 피씨, 노트북 피씨, 스마트 패드, 스마트 폰 등 다양한 장치들을 채용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템에서 출력되는 배터리 정보를 표시하는 그래픽 사용자 인터페이스의 일례를 도시한 도면이다.
도 5에 도시한 것과 같이, 단말기(20)에 표시되는 사용자 화면(50), 즉 그래픽 사용자 인터페이스(50)는, 전동 공구 내 전력 관리 모듈(10)의 전력 관리 제어부(13)로부터 전달된 배터리의 최대 출력 전압, 복수의 배터리 셀의 평균 충전 잔량, 배터리의 온도, 배터리의 최대 출력 전류, 배터리의 충전 회수, 배터리의 사용시간 및 배터리의 예상 수명에 대한 정보를 표시하는 배터리 정보 표시란(51) 및 복수의 배터리 셀 각각의 충전 잔량, 출력 전압 및 내부 저항을 표시하는 배터리 셀 정보 표시란(52)을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템의 전체 동작을 도시한 흐름도로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 방법을 도시한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 방법은, 전동 공구가 사용되지 않는 상태에서 사용자에 의한 키(32) 입력이 존재하는지 체크하는 단계(S11)로부터 시작될 수 있다.
키(32) 입력이 존재하지 않는 경우에는, 배터리(11)로부터 제공되는 전원을 차단한 상태를 지속적으로 유지할 수 있다(S17).
키(32) 입력이 확인된 경우에, 전력 관리 제어부(13)는 전원 스위칭부(15)로 전원 제공을 위한 제어신호를 제공하고, 전원 스위칭부(15)는 배터리(11)로부터 제공되는 전력을 모터 구동부(31)로 제공하여 전동 공구의 동작이 이루어지게 할 수 있다(S12).
배터리(11)로부터 전원 공급이 이루어져 전동 공구가 구동되는 동안 배터리 정보 검출부(12)는 배터리(11)의 상태를 지속적으로 검출하여 배터리(11) 및 배터리(11)에 내장된 배터리 셀(111)에 대한 상태 정보(배터리 셀 출력 전압, 배터리 셀 내부저항, 배터리 온도 등)을 추출할 수 있다(S12). 배터리 정보 검출부(12)에 의해 검출된 배터리(11) 및 배터리 셀(111)에 대한 정보는 전력 관리 제어부(13)로 제공되어 가동될 수 있으며, 가공된 배터리 상태 정보는 입출력 인터페이스(17)로 제공되어 전력 관리 모듈(10) 외부의 단말기(20)에 시각적으로 배터리 상태 정보를 표시되게 할 수 있다(S13). 이 단계(S13)에서, 배터리 정보 검출부(12)는 배터리 정보 검출부(12)에서 검출된 배터리(11) 및 배터리 셀(111)의 상태 정보와 배터리 충전 회수, 배터리 사용 시간 등을 이용하여 사전 설정된 연산과정을 통해 배터리 셀의 충전 잔량(SOC: State Of Charge) 및 배터리 예상 수명(SOH: State Of Health) 등과 같은 배터리 관리를 위한 정보를 생성할 수 있다.
전동 공구의 구동이 이루어지는 동안에도 사용자에 의한 키(32) 입력이 존재하는 지 지속적으로 체크가 이루어질 수 있다(S14).
키(32) 입력이 존재하는 경우 지속적으로 전원 공급이 이루어지고 배터리(11) 및 배터리 셀(111) 상태 정보를 검출하는 과정(S12)이 유지될 수 있으며, 키(32) 입력이 차단된 것으로 판단된 경우 배터리 밸런싱을 수행하기 위한 과정이 진행될 수 있다. 이를 위해, 전력 관리 제어부(13)는 배터리 정보 검출부(12)에서 제공되는 복수의 배터리 셀(111) 각각에 대한 출력 전압을 비교할 수 있다(S15).
이어, 전력 관리 제어부(13)는 배터리 셀(111) 간의 출력 전압의 차이가 있는지 판단하고(S16), 배터리 셀(111) 간의 출력 전압의 차이가 존재하는 경우 배터리 밸런싱부(14)를 제어하여 배터리 밸런싱을 수행할 수 있다(S18). 전술한 것과 같이, 배터리 밸런싱부(14)에 의한 배터리 밸런싱 동작은 배터리 셀(111) 중 최소 출력 전압을 갖는 배터리 셀의 출력 전압과 나머지 배터리 셀의 출력전압이 동일해지도록 나머지 배터리 셀을 방전시키는 방식으로 이루어질 수 있다.
배터리 밸런싱을 수행하는 과정(S18)은 사용자에 의한 키(32) 입력이 존재하지 않는 경우 전체 배터리 셀(111)의 출력 전압이 완전하게 동일해질 때까지 이루어질 수 있다.
배터리(11) 내의 배터리 셀(111)간의 전압이 모두 동일하게 밸런싱이 완료된 것으로 판단되면(S16), 최종적으로 배터리 정보 검출부(12)에서 이루어진 배터리(11) 및 배터리 셀(111)의 상태 정보와, 전력 관리 제어부(13)에서 배터리 상태 정보 등을 이용하여 가동된 다양한 배터리 정보들이 배터리 정보 저장부(16)에 저장되고, 전력 관리 제어부(13)는 전원 스위칭부(15)를 제어하여 배터리(11)로부터 제공되는 전력을 완전히 차단한다(S17)
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템은, 전동 공구의 배터리 및 배터리 내에 포함된 배터리 셀의 상태 정보 및 관리 정보를 저장하고, 이를 사용자 또는 관리자가 시각적으로 편리하게 확인할 수 있게 함으로써, 배터리의 상태에 대한 용이한 모니터링 및 점검이 가능하고 특히 고장에 따른 사후 서비스 제공을 함에 있어 배터리에 대한 수월한 고장 진단이 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템은, 전동 공구의 동작이 완료된 경우 전동 공구의 전원으로 사용되는 배터리 팩 내의 배터리 셀 사이의 밸런싱이 이루어지게 함으로써 배터리 팩의 충방전 효율을 현저하게 개선할 수 있으며, 그에 따라 배터리 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전동 공구의 배터리 관리 시스템은, 전동 공구의 구동이 종료되면, 배터리에서 모터 구동부로 전력이 제공되는 경로를 완전히 차단함으로써 대기 상태에서 배터리의 소모를 최소화할 수 있다. 이를 통해, 전동 공구의 배터리 가용 시간을 최대한 확보할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 전력 관리 모듈 11: 배터리
111: 배터리 팩 12: 배터리 정보 검출부
121: 전압 검출부 13: 전력 관리 제어부
14: 배터리 밸런싱부 15: 전원 스위칭부
16: 배터리 정보 저장부 17: 입출력 인터페이스부
20: 단말기 31: 모터 구동부
32: 키 50: 사용자 화면
51: 배터리 정보 표시란 52: 배터리 셀 정보 표시란

Claims (11)

  1. 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리를 포함하는 전동 공구의 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 배터리 및 상기 배터리 셀의 상태를 검출하는 배터리 정보 검출부와, 상기 배터리 정보 검출부에서 검출된 상기 배터리 및 상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 및 상기 배터리 및 배터리 셀의 관리 정보를 저장하는 배터리 정보 저장부와, 상기 배터리 정보 검출부에서 검출된 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태에 대한 정보를 제공받아 상기 배터리 정보 저장부에 기록하고, 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태에 대한 정보를 가공하여 상기 배터리 및 배터리 셀의 관리 정보를 생성하고 상기 배터리 정보 저장부에 기록하는 전력 관리 제어부와, 상기 배터리 셀 각각의 충전 또는 방전을 통해, 상기 배터리 셀 각각의 출력 전압을 실질적으로 동일하게 유지시키는 배터리 밸런싱부를 포함하는 전력 관리 모듈; 및
    상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 및 상기 배터리 셀의 관리 정보를 상기 전력 관리 제어부로부터 제공 받아 사용자 화면으로 제공하는 단말기를 포함하며,
    상기 전력 관리 제어부는, 상기 전동 공구의 키 입력 발생 여부에 따라, 상기 배터리 정보 검출부에서 검출된 상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 중 각 배터리 셀의 출력 전압에 상호 차이가 발생하는 경우 상기 배터리 밸런싱부를 동작하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 배터리 밸런싱부로 제공하는 것을 특징으로 하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 및 배터리 셀의 상태에 대한 정보는 상기 배터리 셀 각각의 출력 전압, 상기 배터리 셀 각각의 내부 저항 및 상기 배터리의 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 및 배터리 셀의 관리 정보는 상기 배터리 셀의 충전 잔량, 상기 배터리의 충전 회수, 상기 배터리의 사용시간 및 상기 배터리의 예상 수명을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 관리 모듈은, 상기 배터리로부터 상기 전동 공구의 구동 모터 측으로 제공되는 전력을 연결 또는 차단하는 전원 스위칭부를 더 포함하며,
    상기 전력 관리 제어부는, 상기 전동 공구의 키 입력 발생 여부에 따라, 상기 전원 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 전원 스위칭부로 제공하는 것을 특징으로 하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전력 관리 모듈은,
    상기 배터리 셀의 상태에 대한 정보 및 상기 배터리 셀의 관리 정보를 상기 전력 관리 제어부로 제공받아 상기 단말기로 전달하기 위해 상기 단말기와 연결되는 입출력 인터페이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 사용자 화면은,
    상기 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리의 최대 출력 전압, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 충전 잔량, 상기 배터리의 온도, 상기 배터리의 최대 출력 전류, 상기 배터리의 충전 회수, 상기 배터리의 사용시간 및 상기 배터리의 예상 수명을 표시하는 배터리 정보 표시란; 및
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 충전 잔량, 출력 전압 및 내부 저항을 표시하는 배터리 셀 정보 표시란을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 시스템.
  8. 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리를 포함하는 전동 공구의 배터리 관리 방법에 있어서,
    상기 전동 공구의 키 입력을 감시하는 단계;
    상기 전동 공구의 키 입력이 발생한 경우, 상기 배터리로부터 상기 전동 공구의 모터로 전원을 공급하고, 상기 배터리 및 배터리 셀의 상태 정보를 검출하는 단계;
    상기 전동 공구의 키 입력이 발생한 이후에 다시 상기 키 입력 차단된 경우, 상기 배터리 셀의 밸런싱을 수행하는 단계; 및
    상기 배터리 셀의 밸런싱이 완료되면 상기 배터리로부터 상기 전동 공구의 모터로 전원 공급을 차단하고, 상기 배터리 셀의 상태 정보를 저장하는 단계
    를 포함하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 상태 정보를 검출하는 단계는,
    상기 배터리 및 배터리 셀의 상태 정보와, 상기 배터리의 충전 회수 및 상기 배터리의 충전 시간을 가공하여 상기 배터리 셀의 충전 잔량 및 배터리 예상 수명을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 상태 정보를 검출하는 단계는,
    상기 배터리 및 배터리 셀의 상태 정보 및 상기 배터리의 충전 회수와 상기 배터리의 충전 시간과 상기 배터리 셀의 충전 잔량 및 상기 배터리 예상 수명을 포함하는 상기 배터리에 대한 관리 정보를 단말기로 전송하여 사용자 화면으로 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 사용자 화면은,
    상기 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리의 최대 출력 전압, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 충전 잔량, 상기 배터리의 온도, 상기 배터리의 최대 출력 전류, 상기 배터리의 충전 회수, 상기 배터리의 사용시간 및 상기 배터리의 예상 수명을 표시하는 배터리 정보 표시란; 및
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 충전 잔량, 출력 전압 및 내부 저항을 표시하는 배터리 셀 정보 표시란을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구의 배터리 전력 관리 방법.
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