KR101726775B1 - 콤팩트한 회로 구조의 온도 감지 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)의 MCU(Micro Controller Unit)에 전기적으로 연결되어 있는 온도 감지 센서로서, 상기 온도 감지 센서는 둘 이상의 서미스터(thermistor)를 포함하고 있고, MCU에 형성된 하나의 입출력 단자에만 접속되어, MCU와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서를 제공한다.

Description

콤팩트한 회로 구조의 온도 감지 회로 {Temperature Sensing Circuit Having Compact Circuit Structure}
본 발명은 콤팩트한 회로 구조의 온도 감지 회로에 관한 것이다.
하이브리드 전기자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicle)는 내연기관의 엔진과 배터리의 전원을 이용한 모터를 동력원으로 사용하는 차량으로서, 화석 연료의 고갈에 따른 차세대 운송 수단으로 많은 주목을 받고 있다.
이러한 하이브리드 전기자동차는 고속 주행에서 내연기관으로 운행하고, 이 때 여유 구동력 또는 제동에 따른 운동에너지를 배터리에 저장하며, 저장된 배터리의 전력을 통해 저속 주행에서 모터로 운행 하는 차량이다.
여기서, 모터의 전원으로 사용되는 배터리로 리튬 배터리가 주로 사용되고 있다. 이 리튬 배터리는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온(Li-ion) 배터리와 고체 성분인 폴리머 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 (Li-Polymer) 배터리가 있다.
하이브리드 전기자동차에 있어서는 배터리의 필요 용량에 따라 셀(Cell)을 50~100개 정도를 직렬 연결하여 하나의 팩(Pack) 형태로 차량에 장착하게 된다.
한편, 전지팩은, 한정된 공간에 다수의 전지셀들이 높은 집적도로 조합된 구조로 이루어져 있으므로 전지셀들의 전력 공급 수단을 통합하여 연결하고 전지셀들의 전력을 외부로 송출하는 동시에 이를 관리하는 BMS(Battery Management System)에 연결된 구조로 이루어진다. 또한, BMS는 일부 전지셀들이 과전압, 과전류 또는 과열되는 경우를 검출하여 제어하기 위한 수단으로 이용된다.
특히, 전지팩은 전지셀들의 충방전 과정에서 과전압에 의해 과열되거나, 외부의 요인에 의해 가열될 경우, 전지셀들 내부의 전극물질과 전해액이 반응하여, 부피가 팽창하거나 폭발하여, 화재와 같은 심각한 안전성 문제를 초래할 수 있으므로, 전지팩에 포함된 온도 측정센서로 각 전지셀(Cell)의 온도를 측정하여 기준 온도 이상이 되면 배터리 관리 시스템(BMS;Battery Management System)에서 경고(Alarm) 메시지나 고장(Trip) 메시지를 자동차 콘트롤러(HCU)측으로 전송하여 충전을 중단하거나, 전지셀들의 전기적 연결을 차단하도록 하고 있다.
여기서 온도 센서는 전지셀의 온도가 증가하면, 저항이 증가하는 다수의 서미스터로 구성되며, 각각의 서미스터는 전지셀들과 전기적으로 연결된 상태로, BMS의 MCU(Micro Controller Unit)의 입출력 단자들에 연결된 구조로 이루어져 있고, 서미스터의 저항이 증가하면, 저항 변화값을 감지하여, BMS에 경고 신호를 송신하는 역할을 한다.
이러한 구조에서는 MCU의 입출력 단자 하나당 서미스터 하나가 연결되어, 각각의 서미스터가 MCU에 대해 병렬로 연결되며, 이 경우, 어느 하나의 전지셀의 온도가 증가하면, MCU에 연결된 모든 서미스터의 저항이 증가하고, 그에 따라, 특정 온도에서 저항이 급격하게 증가되어, 온도 센서가, 전지셀의 온도 증가를 단계적으로 경고할 수 없다.
또한, 다수의 서미스터를 연결하기 위해, MCU의 다수의 입출력 단자가 필요하여, 전반적인 회로 구성이 복잡해질 뿐만 아니라, MCU의 입출력 단자가 부족하여, 온도 센서를 제외한 전압 감지 센서와 같은 기타 센서들을 장착하기 위해서는 추가적인 MCU를 구비해야 하는 단점이 있다.
더욱이, MCU의 입출력 단자는 한정적이므로, MCU의 입출력 단자의 수 이상의 전지셀로 전지팩이 구성되는 경우, 모든 전지셀의 온도를 감지할 수 없는 한계가 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험들을 계속한 끝에, MCU에 형성된 하나의 입출력 단자에만, 온도 감지 센서를 연결하고, 온도 감지 센서에 포함된 다수의 서미스터들을 직렬로 연결하는 경우, 온도를 센싱 하기 위한 회로의 구성을 간편하게 할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온도 감지 센서는, 배터리 관리 시스템(Battery Management System)의 MCU(Micro Controller Unit)에 전기적으로 연결되어 있는 온도 감지 센서로서,
상기 온도 감지 센서는 둘 이상의 서미스터(thermistor)를 포함하고 있고, MCU에 형성된 하나의 입출력 단자에만 접속되어, MCU와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 온도 감지 센서는, MCU의 입출력 단자 하나만을 활용하는 바, MCU와 온도 감지 센서가 구성하는 회로 구조가 콤팩트할 뿐만 아니라, 여분의 MCU 입출력 단자에 온도 감지 센서를 제외한 전압 감지 센서 또는 용량 측정 센서 등의 회로들을 연결할 수 있으므로, MCU의 회로를 탄력적으로 구성할 수 있다. 또한, MCU는 다수의 입출력 단자를 구비할 필요가 없으므로, 크기를 소형화 할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 온도 감지 센서는 MCU의 입출력 단자에 접속되는 메인 서미스터, 및 상기 메인 서미스터와 전기적으로 연결되어 있는 n개의 서미스터를 포함할 수 있다.
상기 서미스터들의 전기적 연결 구조는, 상기 메인 서미스터가 MCU와 제 1 서미스터 사이에서 이들을 직렬로 연결하고, 상기 n이 2 이상일 경우, 제 1 서미스터는 제 2 서미스터와 메인 서미스터 사이에서 이들을 직렬로 연결시키는 구조로 이루어져 있으며, 제 2 서미스터에서 제 n 서미스터까지 상기 구조로 연결될 수 있다.
이와 관련하여, 도 1에는 상기 연결 구조가 예시적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 온도 감지 센서(100)는 메인 서미스터(110), 제 1 서미스터(120) 및 제 2 서미스터(130)를 포함한다. 메인 서미스터(110)는 MCU(200)의 하나의 입출력 단자(210)에 연결되어 있고, 제 1 서미스터(110) 는 메인 서미스터(110)와 직렬로 연결되어 있으며, 제 2 서미스터(130)는 제 1 서미스터(120)와 직렬로 연결되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 온도 감시 센서(100)는 다수의 서미스터들(110, 120, 130)이, MCU(200)의 하나의 입출력 단자(210)에만 연결되어 있는 메인 서미스터(110)를 통해, 상호 직렬로 연결되어 있는 바, MCU(200)의 입출력 단자(210)의 개수에 상관 없이, 전지셀들의 수량에 대응하여, 서미스터를 구성할 수 있다. 결과적으로, MCU(200)의 입출력 단자에 따라 서미스터의 수량을 조절하는 기존의 온도 감지 센서(100)와 비교하여, 회로 구성이 자유롭다.
상기 온도 감지 센서는 제 1 서미스터 및 제 n 서미스터 각각이 전지셀 또는 전지모듈 각각에 위치할 수 있으며, 상기 온도 감지 센서는 전지셀 또는 전지모듈의 온도가 증가하여, 메인 서미스터 및 n개의 서미스터의 저항이 증가하면, 이를 감지하여, MCU에 경고 신호를 송신할 수 있다.
상기, 온도 감지 센서는 또한, 메인 서미스터 및 n개의 서미스터 각각의 저항 수치 및 저항 변화 수치를 감지할 수 있다. 또한, 상기 메인 서미스터 및 n개의 서미스터는 서로 직렬로 연결되어 있기 때문에, 각각 독립적으로 저항이 증가할 수 있다.
일반적으로, MCU의 다수의 입출력 단자에 대응하여 서미스터들이 장착되어 MCU에 대해 병렬 연결 구조를 이루는 온도 감지 센서는, 전지셀 또는 전지모듈들 중 어느 하나의 온도가 증가하면, 모든 서미스터들의 저항이 증가하게 되며, 그에 따라, 특정 온도에서 저항 값이 급격하게 상승하게 된다. 따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 서미스터들이 병렬로 연결된 구조의 온도 감지 센서는, 전지셀 또는 전지모듈의 온도 증가를 단계적으로 경고할 수 없었다.
그러나, 본 발명에 따른 온도 감지 센서는 전지셀 또는 전지모듈들 중 어느 하나의 온도가 증가하면, 서미스터들 중 어느 하나의 서미스터의 저항이 증가하게 되고, 온도 감지 센서는 서미스터 하나의 증가분을 감지하여, 경고 여부를 판단할 수 있으므로, 전지셀 또는 전지모듈의 온도 증가를 단계적으로 경고할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 온도 감지 센서는, 0℃ 내지 100℃에서 메인 서미스터 및 n개의 서미스터 각각이 가지는 최대 저항 수치를 합한 값이 기준 저항으로 설정되어 있고, 기준 저항 이하에서는 작동하지 않을 수 있다.
이와는 달리, 상기 온도 감지 센서는, 섭씨 100도를 초과하여, 메인 서미스터 및 n개의 서미스터 각각의 저항 수치를 합한 값이 기준 저항을 초과하는 경우, MCU에 경고 신호를 송신하여, BMS가 전지셀의 충전 또는 전지팩의 작동을 중단시킬 수 있다.
상기 기준 저항이 너무 낮으면, 온도 감지 센서가 저온에서도 경고 신호를 송신할 수 있으며, 반대로 너무 높으면, 급격한 온도 변화에는 둔감하게 반응할 수 있으므로, 20 ㏀ 내지 100 ㏀의 기준 저항으로 설정될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 서미스터는 온도가 올라가면 저항값이 증가하는 PTC(positive temperature coefficient thermistor) 소자 또는 특정 온도에서 저항값이 급변하는 CIR(critical temperature coefficient thermistor) 소자에서 선택되는 하나일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 온도 감지 센서를 포함하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System) 및 상기 배터리 관리 시스템 및 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로 구성된 전지팩을 제공한다.
상기 배터리 관리 시스템은, 전지셀들의 전력 공급 수단을 통합하여 연결하고 전지셀들의 전력을 외부로 송출하는 동시에 이를 관리할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템은 일부 전지셀들이 과전압, 과전류 또는 과열되는 경우를 검출하여 제어하기 위한 수단으로 이용되며, 상기 온도 감지 센서 외에도, 전압 검출 센싱 부재, 전지팩으로 입출력되는 전류를 차단 또는 허용하는 전력 릴레이 부재(Power Relay Assembly) 및 전지 용량 측정 센서 등의 부재들을 더 포함할 수 있다.
상기 전지모듈을 구성하는 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트에 전극조립체가 밀봉되어 있는 구조로 이루어진 파우치형 이차전지일 수 있으며, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩을 동력원으로 포함하는 디바이스를 제공하며, 상기 디바이스는 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 또는 전력저장 장치일 수 있으나 이것들로 한정되는 것은 아니다.
상기 디바이스들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 온도 감시 센서는 다수의 서미스터들이, MCU의 하나의 입출력 단자에만 연결되어 있는 메인 서미스터를 통해, 상호 직렬로 연결되어 있는 바, MCU의 입출력 단자의 개수에 상관 없이, 전지셀들의 수량에 대응하여, 서미스터를 구성할 수 있다. 결과적으로, MCU의 입출력 단자에 따라 서미스터의 수량을 조절하는 기존의 온도 감지 센서와 비교하여, 회로 구성이 자유롭다.
본 발명에 따른 온도 감지 센서는 또한, 전지셀 또는 전지모듈들 중 어느 하나의 온도가 증가하면, 서미스터들 중 어느 하나의 서미스터의 저항이 증가하게 되고, 온도 감지 센서는 서미스터 하나의 증가분을 감지하여, 경고 여부를 판단할 수 있으므로, 전지셀 또는 전지모듈의 온도 증가를 단계적으로 경고할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 온도 감지 센서의 회로도이다.
이하에서는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 도면 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
PTC 소자로 이루어진 메인 서미스터, 제 1 서미스터 및 제 2 서미스터가 직렬로 연결되어 있는 온도 감지 센서를 MCU에 연결하고, 메인 서미스터를 제 1 전지셀, 제 1 서미스터를 제 2 전지셀 및 제 2 서미스터를 제 3 전지셀에 장착시켰다. 여기서, 메인 서미스터, 제 1 서미스터 및 제 2 서미스터는 섭씨 100 이하에서, 10 ㏀의 저항을 가지며, 온도 감지 센서는 기준 저항으로 30 ㏀로 설정되어 있다.
<실험예>
제 1 전지셀, 제 2 전지셀 및 제 3 전지셀을 5분의 간격으로 과충전 시켜, 전지셀들의 온도를 120도로 증가시키면서, 실시예의 온도 감지 센서의 작동 경과를 관찰하였고, 그 결과를 하기 표 1에 도시하였다.
Figure 112014110373622-pat00001
상기 표 1에서와 같이, 본 발명에 따른 온도 감지 센서는 서미스터 하나의 증가분을 감지하여, 경고 여부를 판단하고, 전지셀의 과열 여부를 판별하여, 이를 경고할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (15)

  1. 배터리 관리 시스템(Battery Management System)의 MCU(Micro Controller Unit)에 전기적으로 연결되어 있는 온도 감지 센서로서,
    상기 온도 감지 센서는 둘 이상의 서미스터(thermistor)를 포함하고 있고, MCU에 형성된 하나의 입출력 단자에만 접속되어, MCU와 전기적으로 연결되며,
    상기 온도 감지 센서는 MCU의 입출력 단자에 접속되는 메인 서미스터, 및 상기 메인 서미스터와 전기적으로 연결되어 있는 n개의 서미스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 메인 서미스터는 MCU와 제 1 서미스터 사이에서 이들을 직렬로 연결하고, 상기 n이 2 이상일 경우, 제 1 서미스터는 제 2 서미스터와 메인 서미스터 사이에서 이들을 직렬로 연결시키는 구조로 이루어져 있고, 제 2 서미스터에서 제 n 서미스터까지 상기 구조로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 감지 센서는 제 1 서미스터 및 제 n 서미스터 각각이 전지셀 또는 전지모듈 각각에 위치하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 온도 감지 센서는 전지셀 또는 전지모듈의 온도가 증가하여, 메인 서미스터 및 n개의 서미스터의 저항이 증가하면, 이를 감지하여, MCU에 경고 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 온도 감지 센서는 메인 서미스터 및 n개의 서미스터 각각의 저항 수치 및 저항 변화 수치를 감지하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 메인 서미스터 및 n개의 서미스터는 각각 독립적으로 저항이 증가하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 온도 감지 센서는, 0℃ 내지 100℃에서 메인 서미스터 및 n개의 서미스터 각각이 가지는 최대 저항 수치를 합한 값이 기준 저항으로 설정되어 있고, 기준 저항 이하에서는 작동하지 않는 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 온도 감지 센서는, 섭씨 100도를 초과하여, 메인 서미스터 및 n개의 서미스터 각각의 저항 수치를 합한 값이 기준 저항을 초과하는 경우, MCU에 경고 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 기준 저항은 20 ㏀ 내지 100 ㏀인 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 서미스터는 PTC(positive temperature coefficient thermistor) 소자 또는 CIR(critical temperature coefficient thermistor) 소자에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 온도 감지 센서.
  12. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 온도 감지 센서를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  13. 제 12 항에 따른 배터리 관리 시스템 및 둘 이상의 전지셀들을 포함하는 전지모듈로 구성된 전지팩.
  14. 제 13 항에 따른 전지팩을 동력원으로 사용하는 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 디바이스는 LEV(Light Electronic Vehicle), 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차, 및 전력저장장치로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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