KR101658863B1 - 오작동 방지 알고리즘을 포함하는 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

오작동 방지 알고리즘을 포함하는 배터리 관리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 오류가 발생한 배터리 셀의 전압값에 근거하여 배터리 팩의 퓨즈를 융단할 가능성을 현저하게 낮출 수 있다. 따라서, 잘못 퓨즈를 융단하여 배터리 팩을 사용하지 못하게 되어 발생하는 경제적 시간적 손실을 최소화할 수 있다.

Description

오작동 방지 알고리즘을 포함하는 배터리 관리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR HAVING ALGORITHM OF MALFUNCTION PREVENTION}
본 발명은 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오작동에 의해 과충전 방지용 퓨즈가 융단되는 것을 방지할 수 있는 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
근래에 들어서 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, Electric Vehicle, Hybrid Electric Vehicle, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높아 여러 분야에서 각광을 받고 있다.
한편, 이러한 이차 전지는 단일의 배터리 셀로 사용되는 경우도 있지만, 고전압 및/또는 대용량의 전력 저장장치에 사용되기 위해 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 상태로 사용되는 경우가 많다. 또한, 복수의 배터리 셀 및 배터리 셀의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 다양한 배터리 관리 장치가 포함된 배터리 팩의 형태로 사용되는 것이 일반적이다.
한편, 이러한 배터리 팩에서 주요 연구 과제 중의 하나는 배터리 팩 또는 배터리 셀의 안전성을 향상시키는 것이다. 배터리 셀은 내부 단락, 과충전, 과방전 등에 의한 발열로 인해 전해질 분해 반응과 열폭주 현상이 발생할 경우 전지 내부의 압력이 급격히 상승하여 전지의 폭발이 유발될 수 있다. 특히, 과충전으로 인한 폭발 사고를 방지하기 위해, 배터리 팩에 구비된 배터리 관리 장치는, 각각의 배터리 셀에 대한 전압을 측정하고 이를 모니터링 한다. 만약, 배터리 셀의 전압이 임계 전압보다 높아진 경우, 즉 배터리 셀이 과충전된 경우, 상기 배터리 관리 장치는 1차적으로 배터리 팩의 충방전 선로 상에 설치된 충방전 스위치를 턴 오프시켜 대전류 경로를 차단한다. 그리고, 이러한 1차 보호가 실패할 경우를 대비하여 배터리 팩의 충방전 선로 상에는 퓨즈가 설치되어 배터리 셀의 과충전으로 인한 위험을 2차적으로 보호한다. 즉, 배터리 셀이 과충전으로 폭발의 위험이 있다고 판단될 경우, 상기 배터리 관리 장치는, 배터리 셀이 더 이상 충전되는 것을 방지하기 위해 배터리 팩의 충방전 선로 상에 설치된 퓨즈를 융단시킨다.
그런데, 이러한 관리 장치는 다양한 제어 알고리즘을 수행하기 위해 외부 기기와 통신선을 통해서 데이터를 주고 받기도 한다. 따라서, 상기 관리 시스템은 IC로 제작되는 것이 일반적이다. 그러나, 최근 무선 인터넷의 발달 및 고출력 배터리 팩의 사용으로 인해 다양한 주파수의 노이즈 또는 전자기파가 상기 IC에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 상기 IC가 배터리 셀의 전압을 측정하는 과정에서 오류가 발생할 수도 있다.
만약 상기 배터리 관리 장치가 잘못 측정된 전압값에 근거하여 배터리 셀이 과충전된 것으로 판단하여 충방전 선로 상에 설치된 퓨즈를 융단할 경우, 상기 배터리 팩은 더 이상 사용할 수 없게 된다. 이 경우, 제조자 또는 점검자가 상기 배터리 팩을 수거하여 배터리 셀의 상태를 점검한 다음 퓨즈를 교체하여야 비로소 사용이 가능하다.
이처럼, 잘못 측정된 전압값에 의해서 배터리 팩에 포함된 퓨즈를 융단할 경우, 그 경제적 시간적 손실이 상당히 크다. 따라서, 배터리 셀의 전압을 측정하고 퓨즈를 융단하는 과정에 이르기까지 오작동이 발생할 가능성을 낮출 수 있는 알고리즘의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 인식하여 안출된 것으로서, 잘못 측정된 전압값을 기초로 퓨즈를 비가역적으로 융단하는 것을 방지할 수 있는 구성 및 알고리즘을 포함하는 배터리 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리 팩의 충방전 선로 상에 구비된 퓨즈; 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압값인 제1 전압값이 미리 설정된 제1 기준 전압값보다 높은 경우 상기 퓨즈를 융단시키기 위한 신호인 융단 신호를 출력하는 보조 제어부; 및 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압값인 제2 전압값이 미리 설정된 제2 기준 전압값보다 높은 제1 조건 및 상기 보조 제어부로부터 상기 융단 신호를 수신하는 제2 조건이 만족되면 상기 퓨즈를 융단시키는 메인 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 메인 제어부는, 상기 제2 조건이 만족된 이후 상기 제1 조건이 만족되는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 메인 제어부는, 제2 조건이 만족되었으나, 상기 제1 조건이 만족되지 않은 경우, 상기 보조 제어부가 오작동하였음을 나타내는 오작동 신호를 출력할 수 있다.
상기 배터리 관리 장치는, 상기 보조 제어부와 상기 퓨즈를 전기적으로 연결하는 제1 선로; 상기 제1 선로로부터 분기되되, 분기점인 제1 노드와 상기 메인 제어부를 전기적으로 연결하는 제2 선로; 및 상기 제1 노드와 상기 퓨즈를 연결하는 상기 제1 선로 상에 구비되어 상기 메인 제어부의 제어에 따라 턴 온되는 퓨즈 스위치;를 더 포함하되, 상기 메인 제어부는, 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건이 만족되면 상기 퓨즈 스위치를 턴 온 시킴으로써 상기 보조 제어부로부터 출력되는 융단 신호가 상기 퓨즈로 유입되도록 하여 상기 퓨즈를 융단시킬 수 있다.
상기 보조 제어부는, 상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 모듈; 상기 측정된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 A/D 컨버터; 및 상기 측정된 전압값 및 미리 설정된 기준 전압값을 저장하는 메모리부;를 포함할 수 있다.
상기 메인 제어부는, 상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 모듈; 상기 측정된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 A/D 컨버터; 및 상기 측정된 전압값 및 미리 설정된 기준 전압값을 저장하는 메모리부;를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 관리 장치; 및 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀;을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전력 저장 시스템은, 상기 배터리 팩을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 충전 시스템은, 상기 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩으로 전력을 공급하는 충전기;를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 구동 시스템은, 상기 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하;를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 보조 제어부가, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계; 상기 측정한 전압값인 제1 전압값이 미리 설정된 제1 기준 전압값보다 높은 경우, 상기 보조 제어부가, 상기 퓨즈를 융단시키기 위한 신호인 융단 신호를 출력하는 단계; 메인 제어부가, 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계; 메인 제어부가, 상기 측정한 전압값인 제2 전압값이 미리 설정된 제2 기준 전압값보다 높은 제1 조건 및 상기 보조 제어부로부터 상기 융단 신호를 수신하는 제2 조건이 만족되는지 판단하는 단계; 및 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건이 만족되면, 상기 메인 제어부가, 상기 퓨즈를 융단시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 메인 제어부가 판단하는 단계는, 상기 제2 조건이 만족된 이후 상기 제1 조건이 만족되는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 방법은, 상기 메인 제어부가 판단하는 단계에서, 상기 제2 조건이 만족되었으나, 상기 제1 조건이 만족되지 않은 경우, 상기 메인 제어부가, 상기 보조 제어부가 오작동하였음을 나타내는 오작동 신호를 출력하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 융단 신호를 출력하는 단계는, 상기 보조 제어부가, 상기 보조 제어부와 상기 퓨즈를 전기적으로 연결하는 제1 선로 및 상기 제1 선로로부터 분기되되, 분기점인 제1 노드와 상기 메인 제어부를 전기적으로 연결하는 제2 선로를 통해 융단 신호를 출력하되, 상기 제1 노드와 상기 퓨즈를 연결하는 상기 제1 선로 상에 구비된 퓨즈 스위치는 턴 오프 상태를 유지한 상태에서 융단 신호를 출력하고, 상기 퓨즈를 융단시키는 단계는, 상기 메인 제어부가, 상기 퓨즈 스위치를 턴 온시킴으로써 상기 보조 제어부로부터 출력되는 융단 신호가 상기 퓨즈로 유입되도록 할 수 있다.
상기 보조 제어부가 전압을 측정하는 단계는, 상기 보조 제어부가, 상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계; 상기 보조 제어부가, 상기 측정된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 단계; 및 상기 보조 제어부가, 상기 변환된 전압값을 제1 전압값으로 저장하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 메인 제어부가 전압을 측정하는 단계는, 상기 메인 제어부가, 상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계; 상기 메인 제어부가, 상기 측정된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 단계; 및 상기 메인 제어부가, 상기 측정된 전압값을 제2 전압값으로 저장하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 보조 제어부로부터 출력되는 융단 신호에 의해 곧바로 퓨즈가 융단되는 것이 아니라 메인 제어부도 배터리 셀이 과충전되었다고 판단할 경우 비로소 퓨즈가 융단된다. 따라서, 보조 제어부에 오류가 발생하여 잘못 측정된 배터리 셀의 전압값에 근거하여 배터리 팩의 퓨즈를 융단할 가능성을 현저하게 낮출 수 있다. 그러므로, 잘못 퓨즈를 융단하여 배터리 팩을 사용하지 못하게 되어 발생하는 경제적 시간적 손실을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 메인 제어부는 보조 제어부에 오류가 발생하였는지 여부를 판단할 수 있고 오작동 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 배터리 팩 관리자는 배터리 팩의 충전을 중단하거나 보조 제어부의 오류를 점검할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 배터리 어셈블리(200) 및 배터리 관리 장치(100)를 포함한다.
상기 배터리 어셈블리(200)는, 하나 이상의 배터리 셀(210)을 구비한다. 즉, 상기 배터리 어셈블리(200)는, 단일의 배터리 셀(210) 또는 배터리 셀(210)의 집합체를 의미하며, 상기 배터리 셀(210)의 집합체는, 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결된 복수의 배터리 (210)셀로 구성될 수 있다.
상기 배터리 셀(210)은, 후술할 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)가 전압을 측정하는 대상이 될 수 있다. 즉, 상기 배터리 셀(210)은, 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)와 전기적으로 연결되며, 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)는 배터리 셀(210)의 전압을 측정할 수 있다.
한편, 상기 배터리 셀(210)은 재충전이 가능한 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구현될 수 있다. 그러나, 본 발명이 배터리 셀의 종류, 출력 전압, 충전 용량, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 개수 등에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 배터리 관리 장치(100)는 보조 제어부(110), 메인 제어부(120) 및 퓨즈(130)를 포함한다.
상기 퓨즈(130)는, 배터리 팩의 충방전 선로(m) 상에 구비될 수 있다. 상기 퓨즈(130)는, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀(210) 내지 배터리 어셈블리(200)가 과충전될 경우 비가역적으로 융단될 수 있다. 상기 퓨즈(130)는, 충방전 선로(m)를 끊음으로써, 배터리 셀(210)이 과충전된 상황에서 충방전이 수행되지 않도록 할 수 있다.
상기 퓨즈(130)는, 임계 전류 이상의 전류가 유입되면 융단되도록 구현될 수 있다. 즉, 퓨즈(130)로 유입되는 전류의 크기가 임계 전류보다 클 경우, 퓨즈는 융단될 수 있다.
상기 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)는 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀(210)에 전기적으로 연결되어 배터리 셀(210)의 전압을 측정할 수 있다.
상기 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)는 배터리 셀(210)의 전압을 측정할 수 있는 전압 측정 모듈(111, 121)을 각각 포함할 수 있다. 또한, 상기 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)는 상기 전압 측정 모듈(111, 121)로부터 각각 출력된 전기적 신호를 디지털 전압값으로 변환하는 A/D 컨버터(112, 122)를 각각 포함할 수 있다. 또한, 상기 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)는 상기 디지털 전압값을 저장하는 메모리부(113, 123)를 각각 포함할 수 있다.
상기 메모리부(113, 123)는 RAM, ROM, EEPROM등 데이터를 기록하고 소거할 수 있다고 알려진 공지의 반도체 소자나 하드 디스크와 같은 대용량 저장매체로서, 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120) 내부에 포함될 수도 있지만, 외부에 위치할 수도 있음은 물론이다.
상기 전압 측정 모듈(110, 120) 및 A/D 컨버터(112, 122)의 구성 및 작동 원리는 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 바, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 보조 제어부(110)는 배터리 팩에 포함된 배터리 셀(210)의 전압을 측정할 수 있다. 상기 보조 제어부(110)는, 측정된 배터리 셀(210)의 전압을 이용하여 배터리 셀(210)의 과충전 여부를 판단하고 배터리 셀(210)이 과충전되었다고 판단될 경우 퓨즈(130)를 융단시키기 위한 신호인 융단 신호를 출력할 수 있다. 즉, 상기 보조 제어부(110)는, 보조 제어부(110)가 측정한 배터리 셀(210)의 전압값인 제1 전압값이 미리 설정된 제1 기준 전압값보다 높은 경우 융단 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 제1 기준 전압값은 과전압 여부를 판단하기 위한 기준이 되는 값이라고 할 수 있다. 따라서, 상기 제1 기준 전압값은 상기 배터리 셀(210)의 종류나 특성 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 융단 신호의 출력으로 인해 바로 퓨즈(130)가 융단되는 것이 아니라, 메인 제어부(120)의 2차적인 판단이 있은 후 퓨즈(130)가 융단될 수 있다. 이를 위해, 보조 제어부(110)로부터 출력되는 융단 신호는 메인 제어부(120)의 입력이 될 수 있다.
상기 메인 제어부(120)는, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀(210)의 전압을 측정할 수 있다. 즉, 상기 메인 제어부(120)는, 상술한 보조 제어부(110)와 마찬가지로 배터리 셀(210)의 전압을 측정할 수 있다. 다시 말해, 상기 메인 제어부(120)는, 상기 보조 제어부(110)와는 독립적으로 배터리 셀(210)의 전압을 측정할 수 있다.
또한 상기 메인 제어부(120)는, 제1 조건 및 제2 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 제1 조건은, 메인 제어부(120)가 측정한 배터리 셀(210)의 전압값인 제2 전압값이 미리 설정된 제2 기준 전압값보다 높은 조건이다. 여기서, 제2 기준 전압값은 제1 기준 전압값과 마찬가지로 과전압 여부를 판단하기 위한 기준이 되는 전압값이다. 상기 제2 기준 전압값은 제1 기준 전압값과 동일한 값으로 설정될 수도 있다.
그리고, 여기서, 제2 조건은, 보조 제어부(110)로부터 출력된 융단 신호를 수신하는 조건이다.
상기 메인 제어부(120)는, 이러한 제1 조건 및 제2 조건의 만족 여부를 판단하여, 제1 조건 및 제2 조건이 모두 만족되면 상기 퓨즈(130)를 융단시킬 수 있다. 일 예로, 메인 제어부(120)는, 퓨즈(130)와 전기적으로 연결되어 퓨즈(130)를 융단시킬 수 있을 정도의 크기를 갖는 전류를 퓨즈로 흘릴 수 있다.
바람직하게는, 상기 메인 제어부(120)는, 제2 조건이 만족된 이후 제1 조건이 만족되는지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 상기 메인 제어부(120)는, 보조 제어부(110)로부터 융단 신호를 수신한 이후에 비로소 제1 조건이 만족되는지 여부를 판단할 수 있다. 다시 말해, 상기 메인 제어부(120)는, 보조 제어부(110)가 배터리 셀(210)이 과충전되었다고 판단한 다음, 2차적으로 배터리 셀(210)이 과충전되었는지 여부를 판단할 수 있다.
선택적으로, 상기 메인 제어부(120)는, 제2 조건이 만족되었으나, 제1 조건이 만족되지 않은 경우, 오작동 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 오작동 신호는 상기 보조 제어부(110)가 오작동하였음을 나타내는 신호이다.
즉, 상기 메인 제어부(120)는, 상기 보조 제어부(110)와 독립적으로 배터리 셀(210)의 과충전 여부를 판단한 결과, 보조 제어부(110)의 판단과 마찬가지로 배터리 셀(210)이 과충전되었다고 판단할 경우에는 퓨즈(130)를 융단시키고, 보조 제어부(110)의 판단과 달리 배터리 셀(210)이 과충전되지 않았다고 판단할 경우에는 보조 제어부(110)가 오작동하였음을 나타내는 오작동 신호를 출력할 수 있다.
일 예로, 상기 오작동 신호는, 배터리 팩에 연결된 충전기로 출력되어 충전이 중단되도록 할 수 있으며, 다른 예로, 상기 오작동 신호는, 배터리 팩의 충방전 선로(m)에 구비된 충전 스위치(300) 및/또는 방전 스위치(400)로 출력되어 충전 스위치(300) 및/또는 방전 스위치(400)를 턴 오프시킬 수 있다.
한편, 배터리 팩의 충방전 경로(m) 상에는 퓨즈(130)와 구별되는 충전 스위치(300) 및 방전 스위치(400)가 구비될 수 있다. 즉, 배터리 팩은, 충전 스위치(300) 및 방전 스위치(400)를 더 포함할 수 있다. 상기 충전 스위치(300) 및 방전 스위치(400)는, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, FET 소자로 구현될 수 있다. 이러한 충전 스위치(300) 및 방전 스위치(400)는 1차적으로 배터리 셀(210)의 과충전을 보호하는 기능을 수행할 수 있으며, 메인 제어부(120)의 제어에 따라 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다.
한편, 상기 배터리 팩의 충방전 단자(+,-)에는 상기 배터리 팩(130)으로부터 전력을 공급받는 부하 또는 상기 배터리 팩(130)에 충전 전력을 공급하는 충전기가 연결될 수 있다. 부하의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 비디오 카메라, 휴대용 전화기, 휴대용 PC, PMP, MP3플레이어 등과 같은 휴대용 전자기기, 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 모터, DC to DC 컨버터 등으로 구성할 수 있다. 다만, 도면의 간소화를 위해 상기 부하 또는 충전기는 별도로 도시하지 않았으며, 상기 부하 또는 충전기의 종류에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
이하, 다시 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)의 동작에 대해 살펴보도록 한다.
보조 제어부(110)는, 배터리 셀(210)의 전압을 측정한다. 보조 제어부(110)는 측정된 제1 전압값을 미리 설정된 제1 기준 전압값과 비교하여 제1 전압값이 제1 기준 전압값 보다 큰 지 판단한다. 만약, 제1 전압값이 제1 기준 전압값보다 큰 경우, 보조 제어부(110)는 융단 신호를 출력한다. 이때, 융단 신호가 출력되었다고 하여, 퓨즈(130)가 바로 융단되는 것은 아니다. 메인 제어부(120)의 판단에 따라 퓨즈(130)가 융단될 지 여부가 비로소 결정된다.
한편, 보조 제어부(110)로부터 출력된 융단 신호는 메인 제어부(120)의 입력이 되므로, 보조 제어부(110)가 융단 신호를 출력하면 메인 제어부(120)는 융단 신호를 입력받는다. 이로 인해, 제2 조건이 만족된다. 메인 제어부(120)는, 보조 제어부(110)와 독립적으로 배터리 셀(210)의 전압을 측정한다. 메인 제어부(120)는 측정된 제2 전압값을 미리 설정된 제2 기준 전압값과 비교하여 제2 전압값이 제2 기준 전압값 보다 큰 지 판단한다.
만약, 제2 전압값이 제2 기준 전압값보다 큰 경우, 제1 조건이 만족된다.
이와 같이, 제1 조건 및 제2 조건이 모두 만족되면, 메인 제어부(120)는 퓨즈(130)를 융단시킨다. 여기서, 제1 조건 및 제2 조건이 만족되었다는 것은, 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120) 모두 배터리 셀(210)이 과충전되었다고 판단한 것을 의미하므로 배터리 셀(210)이 과충전되었다는 점에 대한 신뢰도가 높은 상황이라고 볼 수 있다.
이와 달리, 제2 전압값이 제2 기준 전압값보다 크지 않은 경우에는 제1 조건이 만족되지 않는다.
제1 조건이 만족되었으나, 제2 조건이 만족되지 않은 경우에는, 메인 제어부(120)는 퓨즈(130)를 융단시키지 않는다. 여기서, 제1 조건이 만족되었으나, 제2 조건이 만족되지 않았다는 것은, 보조 제어부(110)는 배터리 셀(210)이 과충전되었다고 판단하였으나, 메인 제어부(120)는 배터리 셀(210)이 과충전되지 않았다고 판단한 것을 의미한다. 이러한 상황은, 보조 제어부(110)가 오동작한 상황이라고 볼 수 있다. 따라서, 메인 제어부(120)는, 퓨즈(130)를 융단시키는 대신 오작동 신호를 출력한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 퓨즈(130), 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)는, 제1 선로(L1), 제2 선로(L2) 및 퓨즈 스위치(FS)를 더 포함한다.
여기서, 상기 제1 선로(L1)는 보조 제어부(110)와 퓨즈(130)를 전기적으로 연결하는 선로이다. 또한, 상기 제2 선로(L2)는, 제1 선로(L1)로부터 분기된 선로로서, 상기 제2 선로(L2)는, 제1 선로(L1)와 제2 선로(L2)의 분기점인 제1 노드(N1)와 메인 제어부(120)를 전기적으로 연결하는 선로이다. 즉, 보조 제어부(110)는 제1 선로(L1) 및 제2 선로(L2)를 통해 퓨즈(130) 및 메인 제어부(120)와 전기적으로 연결된다. 이때, 보조 제어부(110)는 제1 선로(L1) 및 제2 선로(L2)를 통해 융단 신호를 출력할 수 있다.
한편, 상기 퓨즈 스위치(FS)는 제1 선로(L1) 상에 구비되되, 상기 제1 노드(N1)와 상기 퓨즈(130) 사이를 연결하는 제1 선로(L1) 상에 구비된다. 상기 퓨즈 스위치(FS)는 턴 오프 상태를 유지하고, 메인 제어부(120)의 제어에 따라 턴 온될 수 있도록 구성된다.
도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 장치(100)에 의하면, 보조 제어부(110)가 융단 신호를 출력할 경우, 융단 신호는 제1 선로(L1), 제1 노드(N1) 및 제2 선로(L2)를 순차적으로 지나 메인 제어부(130)로 입력된다. 퓨즈 스위치(FS)는 턴 오프된 상태이므로 보조 제어부(110)로부터 융단 신호가 출력되어도 퓨즈(130)가 융단되지 않는다.
그런데, 메인 제어부(120)가 융단 신호를 입력받고(제2 조건 만족), 배터리 셀(210)의 과충전 여부를 판단한 결과 배터리 셀(210)이 과충전되었다고 판단하면(제1 조건 만족), 퓨즈 스위치(FS)를 턴 온시킨다. 그 결과, 보조 제어부(110)로부터 출력되는 융단 신호가 제1 선로(L1), 제1 노드(N1) 및 퓨즈 스위치(FS)를 거쳐 퓨즈(130)로 유입될 수 있고, 이로써 퓨즈(130)가 융단된다. 이를 통해, 퓨즈(130)가 잘못 융단되는 가능성을 낮출수 있다. 한편, 상기 융단 신호는, 상기 융단 신호가 퓨즈(130)로 유입될 경우 퓨즈(130)를 융단 시킬 수 있을 정도의 전류값을 갖는 전기 신호일 수 있다.
이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법에 대해서 설명하도록 한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 상술한 배터리 관리 장치를 이용하는 방법으로서, 상술한 배터리 관리 장치에 대한 설명이 그대로 적용될 수 있으므로 반복적인 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 다음과 같다. 먼저, 상기 보조 제어부(110)가 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀(210)의 전압을 측정한다(S301). 이어서, 상기 보조 제어부(110)는, 보조 제어부(110)가 측정한 전압값인 제1 전압값과 미리 설정된 제1 기준 전압값을 비교한다(S303). 상기 보조 제어부(110)가 제1 전압값과 제1 기준 전압값을 비교한 결과 제1 전압값이 제1 기준 전압값 보다 크지 않을 경우, 상기 보조 제어부(110)는 별도의 동작을 수행하지 않는다. 즉, 배터리 셀(210)이 과충전되지 않았을 경우, 보조 제어부(110)는 별도의 동작을 수행하지 않는다. 이와 달리, 상기 보조 제어부(110)가 제1 전압값과 제1 기준 전압값을 비교한 결과 제1 전압값이 제1 기준 전압값보다 큰 경우, 상기 보조 제어부(110)는 퓨즈를 융단시키기 위한 신호인 융단 신호를 출력한다(S305).
한편, 메인 제어부(120)는, 보조 제어부(110)와 별도로 배터리 배터리 셀(210)의 전압을 측정한다(S307).
이어서, 상기 메인 제어부(120)는, 제1 조건과 제2 조건이 만족되는지를 판단한다(S309a. S309b). 도 3의 실시예에서는 제2 조건이 만족되었는지를 먼저 판단한다. 만약, 보조 제어부(110)가 융단 신호를 출력하여, 메인 제어부(120)가 보조 제어부(110)로부터 융단 신호를 수신한 경우 제2 조건은 만족된다(S309a Yes).
따라서, 메인 제어부(120)는, 제1 조건이 만족하는지를 판단한다(S309b). 즉, 메인 제어부(120)는, 메인 제어부(120)가 측정한 전압값인 제2 전압값과 미리 설정된 제2 기준 전압값을 비교한다. 상기 메인 제어부(120)가 제2 전압값과 제2 기준 전압값을 비교한 결과 제2 전압값이 제2 기준 전압값보다 큰 경우, 상기 메인 제어부(120)는 퓨즈(130)를 융단시킨다(S311). 이와 달리, 제2 전압값이 제2 기준 전압값보다 크지 않은 경우, 상기 메인 제어부(120)는 보조 제어부(110)가 오작동하였음을 나타내는 오작동 신호를 출력한다(S313).
한편, 상기 보조 제어부(110)가 전압을 측정하는 단계(S301)는, 배터리 셀(210)의 전압을 측정하는 단계, 상기 측정된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 단계 및 상기 변환된 전압값을 제1 전압값으로 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 상기 메인 제어부(120)가 전압을 측정하는 단계(S307)는, 배터리 셀(210)의 전압을 측정하는 단계, 상기 측정된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 단계 및 상기 변환된 전압값을 제2 전압값으로 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법은, 도 2에 도시된 배터리 관리 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법은, 제1 선로(L1), 제2 선로(L2) 및 퓨즈 스위치(FS)가 구비된 배터리 관리 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 융단 신호를 출력하는 단계(S305)는, 상기 보조 제어부(110)가 제1 선로(L1) 및 제2 선로(L2)를 통해 융단 신호를 출력하되, 퓨즈 스위치(FS)가 턴 오프 상태를 유지한 상태에서 융단 신호를 출력한다. 따라서, 보조 제어부(110)가 융단 신호를 출력하더라도 상기 융단 신호는 퓨즈(130)로는 유입되지 않는다. 보조 제어부(110)가 출력한 융단 신호는 메인 제어부(120)로만 유입되게 된다.
메인 제어부(120)가 융단 신호를 수신하고(S309a Yes), 제2 전압값이 제2 기준 전압값 보다 크다고 판단한 경우(S309b Yes), 메인 제어부(120)는 퓨즈(130)를 융단시킨다(S311). 이때, 메인 제어부(120)가 퓨즈(130)를 융단시키는 단계(S311)는, 메인 제어부(120)가 퓨즈 스위치(FS)를 턴 온시킴으로써 수행될 수 있다. 즉, 상기 퓨즈를 융단시키는 단계(S311)는, 상기 퓨즈 스위치(FS)를 턴 온시킴으로써 보조 제어부(110)로부터 출력되는 융단 신호가 퓨즈(130)로 유입되도록 하여 퓨즈(130)를 융단시킨다.
한편, 상기 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)는 앞서 설명된 다양한 제어 로직을 실행하기 위해 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 상술한 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 보조 제어부(110) 및 메인 제어부(120)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 여기서, 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 또한, 메모리는 메모리부(113, 123)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. 상기 메모리는 디바이스의 종류에 상관 없이 정보가 저장되는 디바이스를 총칭하는 것으로서 특정 메모리 디바이스를 지칭하는 것은 아니다.
상기 배터리 관리 장치(100)는 상술한 바와 같이, 다수의 배터리 셀(210)이 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 어셈블리(200)와 배터리 어셈블리(200)의 충방전을 제어하는 시스템을 포함하는 배터리 팩의 일 구성요소가 될 수 있다. 이러한 경우, 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 배터리 어셈블리(200)의 충방전을 제어하는 시스템과 통합될 수도 있고 별도의 회로 장치를 구성하는 것도 가능하다.
또한, 상기 배터리 관리 장치(100)는 상기 배터리 팩을 복수개 포함하는 전력 저장 시스템의 일 구성 요소가 될 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 장치(100)는 배터리 팩 및 배터리 팩으로 전력을 공급하는 충전기를 포함하는 배터리 충전 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(100)는 배터리 팩및 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다.
상기 배터리 구동 시스템의 일 예로는 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 상기 복수의 배터리 팩을 포함하는 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있으며, 상기 부하의 일 예로는 배터리 팩이 공급하는 전력에 의해 회전력을 제공하는 모터 또는 배터리 팩이 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 오류가 발생한 배터리 셀의 전압값에 근거하여 배터리 팩의 퓨즈를 융단할 가능성을 현저하게 낮출 수 있다. 따라서, 잘못 퓨즈를 융단하여 배터리 팩을 사용하지 못하게 되어 발생하는 경제적 시간적 손실을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 본 발명에 따른 배터리 관리 장치에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 배터리 관리 장치
110 : 보조 제어부
111, 121 : 전압 측정 모듈
112, 122 : A/D 컨버터
113, 123 : 메모리부
120 : 메인 제어부
130 : 퓨즈
200: 배터리 어셈블리
210: 배터리 셀
300: 충전 스위치
400: 방전 스위치
m: 충방전 선로

Claims (16)

  1. 배터리 팩의 충방전 선로 상에 구비된 퓨즈;
    상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압값인 제1 전압값이 미리 설정된 제1 기준 전압값보다 높은 경우 상기 퓨즈를 융단시키기 위한 신호인 융단 신호를 출력하는 보조 제어부; 및
    상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압값인 제2 전압값이 미리 설정된 제2 기준 전압값보다 높은 제1 조건 및 상기 보조 제어부로부터 상기 융단 신호를 수신하는 제2 조건이 만족되면 상기 퓨즈를 융단시키는 메인 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 제어부는, 상기 제2 조건이 만족된 이후 상기 제1 조건이 만족되는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인 제어부는, 제2 조건이 만족되었으나, 상기 제1 조건이 만족되지 않은 경우, 상기 보조 제어부가 오작동하였음을 나타내는 오작동 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조 제어부와 상기 퓨즈를 전기적으로 연결하는 제1 선로;
    상기 제1 선로로부터 분기되되, 분기점인 제1 노드와 상기 메인 제어부를 전기적으로 연결하는 제2 선로; 및
    상기 제1 노드와 상기 퓨즈를 연결하는 상기 제1 선로 상에 구비되어 상기 메인 제어부의 제어에 따라 턴 온되는 퓨즈 스위치;를 더 포함하되,
    상기 메인 제어부는, 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건이 만족되면 상기 퓨즈 스위치를 턴 온 시킴으로써 상기 보조 제어부로부터 출력되는 융단 신호가 상기 퓨즈로 유입되도록 하여 상기 퓨즈를 융단시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보조 제어부는,
    상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 모듈;
    상기 측정된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 A/D 컨버터; 및
    상기 변환된 전압값 및 미리 설정된 기준 전압값을 저장하는 메모리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인 제어부는,
    상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 모듈;
    상기 측정된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 A/D 컨버터; 및
    상기 변환된 전압값 및 미리 설정된 기준 전압값을 저장하는 메모리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 배터리 관리 장치; 및
    직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전력 저장 시스템.
  9. 제7항에 따른 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩으로 전력을 공급하는 충전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  10. 제7항에 따른 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 부하;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
  11. 보조 제어부가, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정한 전압값인 제1 전압값이 미리 설정된 제1 기준 전압값보다 높은 경우, 상기 보조 제어부가, 퓨즈를 융단시키기 위한 신호인 융단 신호를 출력하는 단계;
    메인 제어부가, 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계;
    메인 제어부가, 상기 측정한 전압값인 제2 전압값이 미리 설정된 제2 기준 전압값보다 높은 제1 조건 및 상기 보조 제어부로부터 상기 융단 신호를 수신하는 제2 조건이 만족되는지 판단하는 단계; 및
    상기 제1 조건 및 상기 제2 조건이 만족되면, 상기 메인 제어부가, 상기 퓨즈를 융단시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 메인 제어부가 판단하는 단계는, 상기 제2 조건이 만족된 이후 상기 제1 조건이 만족되는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 메인 제어부가 판단하는 단계에서, 상기 제2 조건이 만족되었으나, 상기 제1 조건이 만족되지 않은 경우,
    상기 메인 제어부가, 상기 보조 제어부가 오작동하였음을 나타내는 오작동 신호를 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 융단 신호를 출력하는 단계는, 상기 보조 제어부가, 상기 보조 제어부와 상기 퓨즈를 전기적으로 연결하는 제1 선로 및 상기 제1 선로로부터 분기되되, 분기점인 제1 노드와 상기 메인 제어부를 전기적으로 연결하는 제2 선로를 통해 융단 신호를 출력하되, 상기 제1 노드와 상기 퓨즈를 연결하는 상기 제1 선로 상에 구비된 퓨즈 스위치는 턴 오프 상태를 유지한 상태에서 융단 신호를 출력하고,
    상기 퓨즈를 융단시키는 단계는, 상기 메인 제어부가, 상기 퓨즈 스위치를 턴 온시킴으로써 상기 보조 제어부로부터 출력되는 융단 신호가 상기 퓨즈로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 보조 제어부가 전압을 측정하는 단계는,
    상기 보조 제어부가, 상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계;
    상기 보조 제어부가, 상기 측정된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 단계; 및
    상기 보조 제어부가, 상기 변환된 전압값을 제1 전압값으로 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 메인 제어부가 전압을 측정하는 단계는,
    상기 메인 제어부가, 상기 배터리 셀의 전압을 측정하는 단계;
    상기 메인 제어부가, 상기 변환된 전압값을 디지털 전압값으로 변환하는 단계; 및
    상기 메인 제어부가, 상기 측정된 전압값을 제2 전압값으로 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 방법.
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