KR101448935B1 - 전류센서 내장형 전원 스위치 및 이를 이용한 차량용 배터리와 차량 전장 시스템 - Google Patents

Abstract

전류센서, 릴레이, 마이크로프로세서를 일체화하여 전류센서 내장형 전원 스위치의 크기를 작게 함으로써, 설치 시 차지하는 공간이 적어 설치가 용이하고, 비용을 절감할 수 있는 전류센서 내장형 전원 스위치가 개시된다. 상기와 같은 전류센서 내장형 전원 스위치는 션트저항, 제어신호에 따라 전원를 차단하는 반도체 릴레이, 및 션트저항 양단부의 전압을 측정하여 전류를 계산하고, 반도체 릴레이에 제어신호를 인가하는 회로부를 포함하며, 일체로 형성된다. 상기 회로부는, 션트저항 양단부와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 션트저항 양단부의 전압을 검출한 후 증폭하는 증폭기와 상기 증폭기에서의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC를 구비한 제1집적회로; 및 제1집적회로와 전기적으로 연결되어, 디지털 신호를 이용하여 전류를 계산하고, 반도체 릴레이에 제어신호를 인가하는 마이크로 컨트롤러를 포함한다.

Description

전류센서 내장형 전원 스위치 및 이를 이용한 차량용 배터리와 차량 전장 시스템{Current circuit breaker, battery for vehicle with the same and system in vehicle with the same}

본 발명은 전류센서 내장형 전원 스위치 및 이를 이용한 차량용 배터리와 차량 전장 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 배터리와 부하 사이에 전기적으로 연결되어 차량의 부하로 전류가 공급되는 것을 온오프하는 전류센서 내장형 전원 스위치 및 이를 이용한 차량용 배터리와 차량의 전장 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차에는 엔진의 시동장치나 점화장치의 전장품을 비롯하여 램프류, 에어컨 장치 등 운전자 편의 및 안전을 위한 많은 전기장치 즉, 전기부하가 구비되어 있으며, 이러한 전기부하에 전력을 공급하는 전원으로 배터리와 발전기가 있다. 배터리와 발전기에서 공급되는 전원에 의해 자동차 내에 구비된 부하에 전원을 공급함에 있어서, 자동차의 전기 배선은 배터리와 메인 릴레이(main relay)에서 정션박스(junction box)로 집결되어 그 곳에서 다시 예컨대, 모터 및 램프와, 시계, 오디오, 부저 등의 기타 부하 등의 자동차 전체의 전기부하로 분산되도록 연결되어 있다. 또한, 이러한 전기장치들의 경우 공급되는 전류를 감지하여 적정한 전류가 공급되는지 판단하여 작동상태를 표시하거나 경고한다.

그리고, 상기와 같이 전기장치들에 공급되는 전류를 감지하고 필요 시 그 공급을 차단하기 위하여, 배터리와 차량의 부하 사이에는, 배터리에서 차량부하로 흐르는 전류를 측정하는 전류센서, 전류센서로부터 전기신호를 입력 받아 처리한 후 제어 신호를 출력하는 마이크로프로세서, 마이크로프로세서의 제어 신호에 따라 전원을 차단하는 기계적 릴레이로 구성된 전원 차단 장치가 설치되어 있다. 그러나 이러한 종래의 전원 차단 장치는 전류센서가 배터리의 (+) 단자에 부착(소위 로우 사이드 전류 감지)되어 있어 배터리와 그라운드 간의 예상치 못한 단락으로 인해 발생하게 되는 단락 전류를 발견하지 못하는 문제가 있다. 또한, 전류센서와 릴레이, 마이크로프로세서가 별도로 구성되어 설치 시 많은 공간을 차지하므로, 설치 공간에 제약을 받으며, 비용이 많이 든다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 전류센서, 릴레이, 마이크로프로세서를 일체화하여 크기를 작게 함으로써, 설치 시 차지하는 공간이 적어 설치가 용이하고, 비용을 절감할 수 있는 전류센서 내장형 전원 스위치를 제공하는 것을 그 과제로 한다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치는 션트저항, 제어신호에 따라 전원을 차단하는 반도체 릴레이, 션트저항 양단부의 전압을 측정하여 전류를 계산하고, 반도체 릴레이에 제어신호를 인가하는 회로부를 포함하며, 일체로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치의 회로부는 션트저항 양단부와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 션트저항 양단부의 전압을 검출한 후 증폭하는 증폭기와 상기 증폭기에서의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC를 구비한 제1집적회로, 제1집적회로와 전기적으로 연결되어, 디지털 신호를 이용하여 전류를 계산하고, 반도체 릴레이에 제어신호를 인가하는 마이크로 컨트롤러를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치의 회로부는 션트저항 양단부와 전기적으로 연결되어, 션트저항 양단부 각각의 전압에 따른 전기 신호를 입력 받고, 전기 신호를 안정화시킨 후 제1집적회로로 출력하는 제2집적회로를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치는, 반도체 릴레이를 사용하므로 기존의 기계적 릴레이를 사용한 전류센서 내장형 전원 스위치에 비해 반응속도가 빠르고, 움직이는 부품이 없어서 마모되는 곳이 없기 때문에 수명이 길다는 장점이 있다.

또한, 반도체 릴레이, 션트저항, 회로부를 일체로 형성함으로써 부피가 줄어들어, 설치 시 차량 내부의 공간을 적게 차지하므로, 차량 내부에 설치가 용이하고 원가를 절감할 수 있다.

본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치는 배터리의 (+)단자와 부하 사이에 설치될 수 있으므로, 배터리와 그라운드 간의 예상치 못한 단락으로 인해 발생하게 되는 단락 전류를 발견하지 못하여 발생할 수 있는 문제점을 해소될 수 있는 장점이 있다.

도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치의 블록도.
도 2은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치의 블록도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치의 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 차량용 배터리의 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 차량 전장 시스템의 블록도.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)의 블록도이다. 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)의 블록도이다.

도 1 내지 도 3의 전류센서 내장형 전원 스위치(100)는 션트저항(10), 반도체 릴레이(20), 회로부(30)를 포함하며 일체로 형성되어 있다.

도면에는 도시하지 않았지만, 션트저항(10)의 양단에는 다른 부재와의 전기적 연결을 위한 구리 소재의 단자(미도시)가 접합된다. 단자에는 돌출된 전극핀이 형성될 수 있다. 그리고 션트저항(10)의 재질로는 저항온도계수가 낮은 구리-망간-니켈계 합금, 구리-니켈계 합금, 니켈-크롬계 합금, 철-크롬계 합금, 망간 등이 이용될 수 있다. 이러한 션트저항(10)은 규격화된 것이 사용될 수 있으므로, 여기서는 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

션트저항(10)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 릴레이(20) 후단, 즉 차량 부하(5)측에 부착될 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 릴레이(20) 전단에 부착될 수도 있다. 도 3과 같이 션트저항(10)이 반도체 릴레이(20) 전단에 부착된 경우에는 차단 신호 인가 후 차단이 제대로 되었는지의 확인이 가능하고, 도 1 및 도 2와 같이, 션트저항(10)이 반도체 릴레이(20) 후단에 부착된 경우에는 차단장치의 소비전류가 포함된 전류의 측정이 가능하다.

반도체 릴레이(20)는 제어신호에 따라 전원을 차단한다. 반도체 릴레이(20)는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor, IGBT) 중 어느 하나가 사용될 수 있다. MOSFET이나 IGBT를 사용한 반도체 릴레이는 다른 반도체 릴레이보다 스위칭 속도가 빠르고 소비전력이 적으며, 미세화가 용이하여 차량의 전류센서 내장형 전원 스위치(100)에 적합하다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 반도체 릴레이(20)가 양방향 전류의 흐름을 제어하기 위해서 상기의 MOSFET이나 IGBT와 같은 반도체 소자 4개 이상이 병렬로 연결될 수 있다.

반도체 릴레이(20)는 전기 기계식 릴레이보다 반응속도가 빠르고 부품이 없어서 마모되는 곳이 없기 때문에 수명이 길다는 장점이 있다. 또한 동작 시에 동작 소음이 없는 장점이 있다. 반도체 릴레이(20)로 하여금 전원을 차단하게 하는 신호는 아래에서 설명할 회로부의 마이크로 컨트롤러(33)에 의해 인가된다. 반도체 릴레이(20)가 신호를 인가 받아 전원을 차단하는 것은 공지의 기술이라 할 것이므로 여기에서는 설명하지 않기로 한다.

회로부(30)는 션트저항(10) 양단부의 전압을 측정하여 전류를 계산하고, 반도체 릴레이(20)에 제어신호를 인가하는 역할을 수행한다. 회로부의 구성을 구체적으로 살펴보면, 도 1 내지 도 3에 도시된 회로부(30)는 제1집적회로(31), 제2집적회로(32), 마이크로 컨트롤러(33)를 구비한다.

제1집적회로(31)는 션트저항(10) 양단부와 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 제1집적회로(31)는 션트저항(10) 양단부의 전압을 검출한 후 증폭하는 증폭기(미도시)와 증폭기에서의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그디지털변환기(Analog to digital converter; 이하 ADC)(31a)를 내부에 구비한다. 제1집적회로(31)가 ADC를 구비하여 전기 신호를 디지털 신호로 변환함으로써, 마이크로 컨트롤러(33)가 그 신호를 이용하여 전류를 계산할 수 있다. 또한, 도 1의 제1집적회로(31)는 온도센서(31b)를 내장하고 있다. 내장된 온도센서(31b)로 션트저항(10)의 온도를 측정해서, 온도에 따른 션트저항(10)의 변화된 저항치를 반영하여 보정함으로써 정밀한 전류값을 구할 수 있다.

제2집적회로(32)는 션트저항(10) 양단부와 전기적으로 연결되어, 션트저항(10) 양단부 각각의 전압에 따른 전기 신호를 입력 받고, 이 전기 신호를 안정화시킨 후 제1집적회로(31)로 출력하는 역할을 한다. 따라서 제2집적회로(32)는 전기 신호를 안정화시키는 전압조정기(Voltage regulator)를 내부에 구비할 수 있다.

마이크로 컨트롤러(33)는 제1집적회로(31)와 전기적으로 연결되어, 디지털 신호를 이용하여 전류를 계산한다. 또한, 반도체 릴레이(20)에 제어신호를 인가한다. 마이크로 컨트롤러(33)가 제1집적회로(31)로부터 디지털 신호를 입력 받기 위하여 마이크로 컨트롤러(33)와 제1집적회로(31)는 직렬 인터페이스를 통해 연결될 수 있다.

마이크로 컨트롤러(33)는 LIN(Local Interconnect Network)(33b) 또는 CAN(Controller Area Network) 통신(33a) - 도 1 내지 도 3과 같이 별도의 캔 트랜시버(34)가 구비될 수 있다 - 을 통해 상위 제어기인 ECU(미도시)와 데이터를 송수신하고, ECU로부터 수신된 신호에 따라 반도체 릴레이(20)에 제어신호를 인가하여 반도체 릴레이(20)로 하여금 전원을 차단하게 할 수 있다. 또는 마이크로 컨트롤러(33)를 제어하기 위한 스위치를 외부에 설치하여 그 스위치를 직접 조작함으로써, 전류가 온오프되게 스위칭할 수 있다.

그리고 도 2 및 도 3의 마이크로 컨트롤러(33)는 온도센서(33c)를 내장하고 있다. 제1집적회로(31)에 내장된 도 1의 온도센서(31b)와 마찬가지로 션트저항(10)의 온도를 측정해서, 온도에 따른 션트저항(10)의 변화된 저항치를 반영하여 보정하게 함으로써 정밀한 전류값을 구할 수 있도록 한다.

또한, 마이크로 컨트롤러(33)는 션트저항(10)의 배터리 단자측과 전기적으로 직접 연결되어 전압 신호를 입력 받고, 그 신호를 이용하여 전압을 측정한 후 션트 저항(10) 양단의 전압으로부터 계산된 전류와 동기화하는 기능을 구비할 수도 있다. 이러한 기능을 위해 도 1 내지 도 3에는 션트저항(10)의 배터리 단자측과 마이크로 컨트롤러(33)가 전기적으로 직접 연결된 것이 도시되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)는 일체로 형성되어 있는데, 일체로 형성됨으로써, 각각의 요소들이 별도로 구성된 것보다 구조가 간단하고, 부피가 줄어들어 공간을 적게 차지하므로 차량 내부에 설치가 용이하게 된다. 그리고, 제조 원가를 절감할 수 있다.

또한, 도시되지는 아니하였지만, 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 기능을 구비할 수도 있다. 배터리 관리 시스템은 배터리의 전류, 전압, 온도 등의 상태를 모니터링하여 배터리의 충ㅇ방전 시 과충전 및 과방전을 막아주는 역할을 한다. 또한, 셀 간의 전압을 균일하게 해줌으로써 에너지 효율 및 배터리의 수명을 높여준다. 배터리 관리 시스템은 전압, 전류, 온도 측정 모듈과 마이크로프로세서 등으로 구성될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)가 배터리 관리 시스템 기능을 갖추기 위해서는 션트저항 양단의 전압 외에 추가로 배터리의 전압을 측정하기 위한 회로와 배터리 주위의 온도를 측정하기 위한 회로가 구성될 필요가 있다. 또한, 마이크로 컨트롤러(33)가 측정된 전압과 온도를 가지고 배터리의 상태를 파악하고 제어하기 위한 논리회로가 구성될 필요가 있다. 이러한 회로 구성을 위하여 마이크로 컨트롤러(33)는 배터리 관리 시스템 기능이 별도로 구성된 전류센서 내장형 전원 스위치(100)의 마이크로 컨트롤러(33)와 다른 부품이 사용될 수 있다.

상기와 같이 전류센서 내장형 전원 스위치(100)가 배터리 관리 시스템을 포함하여, 일체로 형성됨으로써 각각의 부품들이 별도로 구성된 것보다 전체 부피를 줄일 수 있으며, 설치 시 공간을 적게 차지하므로 차량 내부에 설치가 용이하고, 제조원가를 절감할 수 있는 장점이 있다

도 4은 본 발명에 따른 차량용 배터리(1000)의 평면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차랑용 배터리(1000)는 전류센서 내장형 전원 스위치(100)와 BMS(200), 배터리 셀(300), FAN(400), 레벨 컨버터(500)를 포함하며 내부에 전류센서 내장형 전원 스위치(100)가 설치되어 있다. 배터리 셀(300)은 납축전지를 이용한 것일 수도 있고 리튬 이온을 이용한 것일 수도 있는데, 리튬 이온 셀이 바람직하다. 본 발명에 따른 차량용 배터리(100)는 전류센서 내장형 전원 스위치(100)가 배터리 내부에 삽입되어 설치됨으로써, 설치가 용이하고 취급이 쉽다. 또한, 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 차량 전장 시스템의 블록도이다. 도 5에서는 본 발명에 따른 차량용 배터리(1000)가 차량의 백업배터리로 이용되고 있다. 먼저 도 5의 반도체 릴레이(4)에 대해 설명을 하면, 도 5의 반도체 릴레이(4)는 평상 시에는 전류가 양방향으로 흐를 수 있게 하다가, 제어 신호가 가해지면 일반 다이오드와 같이 전류를 일방향으로만 흐르게 한다. 차량의 시동을 걸면 전류는 반도체 릴레이(4)에 의해 스타터 배터리(1)에서, 도 4에서 반도체 릴레이(4)의 우측에 도시된, 백업배터리(1000)와 차량부하(5)로만 흐를 수 있게 된다. 그러나 차량의 시동 시에는 급격한 과도 전류로 인해 스타터 배터리(1)의 전압이 백업배터리(1000)의 전압보다 낮아지므로, 실제로는 스타터 배터리(1)에서 백업배터리(1000) 및 차량부하(5)로 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서, 이 경우에는 차량의 백업배터리(1000)가 차량부하(5)에 전원을 공급하여야 하기 때문에 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)는 전류를 차단하지 않고 흐르게 한다.

그리고, 차에 시동이 걸리고 나면, 반도체 릴레이(4)는 다시 전류가 양방향으로 흐를 수 있도록 한다. 따라서 발전기(3)에서 발생된 전기로 백업배터리(1000)가 충전되는데, 백업배터리(1000)가 완전히 충전되기 전까지는 계속적으로 충전이 되도록 전류센서 내장형 전원 스위치(100)는 전원을 차단하지 않다가, 백업배터리(1000)의 충전이 완료되면 전류센서 내장형 전원 스위치(100)가 전원을 차단함으로써 배터리가 과충전되는 것을 방지하게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)는 반도체 릴레이(4)의 동작과 연계되어 백업배터리(1000)로 흐르는 전류 또는 백업배터리(1000)로부터 흐르는 전류를 차단하거나 흐르게 하는 스위칭 역할을 하게 된다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)는 배터리의 (+) 단자와 차량부하(5) 사이에 연결되어 있다. 전류센서를 배터리에 연결하는 방법으로는 배터리의 (+)단자에 연결하는 상측(하이 사이드) 전류 측정 방식과 배터리의 (+)단자에 연결하는 하측(로우 사이드) 전류 측정 방식이 있다. 하측 전류 측정 방식이 간단하기는 하나, 이 방식은 배터리와 그라운드 간의 예상치 못한 단락으로 인해 발생하게 된 단락 전류를 발견하지 못하는 단점이 있다. 본 발명에 따른 전류센서 내장형 전원 스위치(100)는 배터리의 (+)단자에 연결을 하여 전류를 측정할 수 있기 때문에, 이러한 문제점을 해소할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1: Starter Battery 5: 차량부하
10: 션트저항 20: 반도체 릴레이
30: 회로부 31: 제1집적회로
31a: ADC 32: 제2집적회로
31b, 33c: 온도센서 33: 마이크로 컨트롤러
100: 전류센서 내장형 전원 스위치 1000: 배터리

Claims (8)

1. 션트저항, 제어신호에 따라 전원을 차단하는 반도체 릴레이 및 상기 션트저항 양단부의 전압을 측정하여 전류를 계산하고 상기 반도체 릴레이에 제어신호를 인가하는 회로부가 일체로 형성되며,
   상기 회로부는,
   상기 션트저항 양단부와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 션트저항 양단부의 전압을 검출한 후 증폭하는 증폭기와 상기 증폭기에서의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC를 구비한 제1집적회로;
   상기 제1집적회로와 전기적으로 연결되어, 상기 디지털 신호를 이용하여 전류를 계산하고, 상기 반도체 릴레이에 제어신호를 인가하는 마이크로 컨트롤러;
   상기 션트저항 양단부와 전기적으로 연결되어, 상기 션트저항 양단부 각각의 전압에 따른 전기 신호를 입력 받고, 상기 전기 신호를 안정화시킨 후 제1집적회로로 출력하는 제2집적회로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류센서 내장형 전원 스위치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 마이크로 컨트롤러는 상기 션트저항의 배터리 단자측과 전기적으로 직접 연결되어 전압 신호를 입력 받고, 상기 전압 신호를 이용하여 전압을 측정한 후 상기 계산된 전류와 동기화하는 기능을 구비한 것을 특징으로 하는 전류센서 내장형 전원 스위치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전류센서 내장형 전원 스위치에 배터리 관리 시스템(BMS) 기능이 구비된 것을 특징으로 하는 전류센서 내장형 전원 스위치.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 전류센서 내장형 전원 스위치를 포함하며, 상기 전류센서 내장형 전원 스위치가 내부에 설치된 차량용 배터리.
5. 제 4항에 기재된 차량용 배터리를 포함하는 차량 전장 시스템.
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