KR101887443B1 - 과충전 방지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 과충전 방지 장치에 대한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 장치는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀의 과충전을 방지하는 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압을 산출하는 평균 전압 산출부; 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 비교하여 상기 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀의 전압 가중치를 추출하는 전압 가중치 추출부; 상기 평균 전압 산출부에서 산출한 상기 평균 전압과 상기 전압 가중치 추출부에서 추출한 상기 전압 가중치를 합산하여 상기 복수의 배터리 셀의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단 전압을 출력하는 판단 전압 출력부; 및 상기 판단 전압 출력부에서 출력한 상기 과충전 판단 전압을 기준 전압과 비교하여 상기 복수의 배터리 셀의 과충전을 방지하는 과충전 방지부를 포함한다.

Description

과충전 방지 장치{APPARATUS FOR PREVENTING OVER-CHARGING}
본 발명은 전기 에너지를 이용하는 장치에 사용될 수 있는 배터리의 과충전을 방지하는 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리의 과충전을 방지하기 위한 기술에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차(EV; Electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 시작되었다.
한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다.
HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로서, 2차 전지 탑재량을 전기자동차의 1/3수준까지 낮출 수 있어 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
한편, 배터리 셀은 장기간 사용으로 열화되는 경우, 동일한 충전 전압을 가하여도 정상적인 배터리 셀에 비해 과충전될 수 있다. 따라서, 배터리 셀이 과충전된 경우 충전을 중단시키는 과충전 방지 장치가 필수적으로 요구된다. 과충전 방지 장치는 일반적으로 복수의 배터리 셀의 전압이 과충전 기준값 이상의 값을 갖게 되는 경우 복수의 배터리 셀과 부하간 연결된 스위치를 오프시킴으로써 배터리 셀의 과충전을 방지한다.
도 1은 종래의 과충전 방지 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 과충전 방지 장치(1)는 BMS(2)와 별도로 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4) 중 특정셀(C1)의 전압만 모니터링하여 상기 특정셀(C1)이 과충전된 경우에만 동작을 하게 된다. 따라서, 종래의 과충전 방지 장치(1)는 상기 특정셀(C1) 이외의 배터리 셀이 과충전된 경우에는 효과적으로 과충전을 방지할 수 없는 문제점이 있다.
미국 특허공개공보 제2014-0070772호
본 발명은 복수의 배터리 셀 중 임의의 배터리 셀이 과충전된 경우라도 이를 감지하여 모든 배터리 셀의 과충전을 방지하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 장치는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀의 과충전을 방지하는 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압을 산출하는 평균 전압 산출부; 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 비교하여 상기 복수의 배터리 셀 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀의 전압 가중치를 추출하는 전압 가중치 추출부; 상기 평균 전압 산출부에서 산출한 상기 평균 전압과 상기 전압 가중치 추출부에서 추출한 상기 전압 가중치를 합산하여 상기 복수의 배터리 셀의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단 전압을 출력하는 판단 전압 출력부; 및 상기 판단 전압 출력부에서 출력한 상기 과충전 판단 전압을 기준 전압과 비교하여 상기 복수의 배터리 셀의 과충전을 방지하는 과충전 방지부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 평균 전압 산출부는 상기 복수의 배터리 셀의 개수가 K인 경우, (K-1)×R의 저항값을 갖는 저항과 R의 저항값을 갖는 저항이 직렬 연결된 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 평균 전압 산출부는 상기 R의 저항값을 갖는 저항 양단에 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압이 출력되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전압 가중치 추출부는 상기 복수의 배터리 셀 중 인접한 배터리 셀간의 전압차를 입력받아 N배로 증폭하여 출력하는 적어도 하나 이상의 차동 증폭기 및 상기 차동 증폭기의 출력을 1/N배하여 출력하는 적어도 하나 이상의 차동 전압 분배기를 포함하여 상기 전압 가중치를 추출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전압 가중치 추출부는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 입력받아 M배 증폭하여 출력하는 복수의 증폭기 및 상기 차동 전압 분배기의 출력을 1/M배하여 출력하는 증폭 전압 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 과충전 방지부는 상기 과충전 판단 전압이 상기 기준 전압을 초과하는 경우, 상기 복수의 배터리 셀이 과충전되었다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 복수의 배터리 셀 중 최고 전압을 갖는 배터리 셀을 검출하여 과충전 여부를 판단한다.
이에 따라, 본 발명은 모든 배터리 셀의 과충전을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 과충전 방지 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 장치의 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 장치는 평균 전압 산출부(20), 전압 가중치 추출부(30), 판단 전압 산출부(40) 및 과충전 방지부(50)를 포함한다.
이때, 상기 과충전 방지 장치는 차량에 구비된 배터리(10)의 과충전을 방지하는 장치를 의미한다. 배터리(10)는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)을 포함한다. 이때, 배터리(10)에 포함된 배터리 셀의 개수는 예시적인 것이다. 다만, 설명의 편의를 위해 이하에서는 배터리 셀의 개수는 4개인 것을 전제한다.
평균 전압 산출부(20)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 평균 전압을 산출한다. 전압 가중치 추출부(30)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4) 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀의 전압 가중치를 추출한다. 판단 전압 산출부(40)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단 전압을 출력한다. 과충전 방지부(50)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 과충전을 방지한다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 장치의 각 구성에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 장치의 구성도이다.
평균 전압 산출부(20)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 평균 전압을 산출한다. 구체적으로, 평균 전압 산출부(20)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 개수가 K인 경우, (K-1)×R의 저항값을 갖는 저항과 R의 저항값을 갖는 저항이 직렬 연결된다. 도 2에서는 배터리 셀의 개수가 4개이므로, 평균 전압 산출부(20)는 3R의 저항값을 갖는 저항과 R의 저항값을 갖는 저항이 직렬 연결되어 구성된다.
이때, 평균 전압 산출부(20)는 상기 R의 저항값을 갖는 저항 양단에 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 평균 전압이 출력된다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4) 각각의 전압이 4 V인 경우, 평균 전압 산출부(20)는 16 V가 입력되고, 상기 R의 저항값을 갖는 저항 양단에 4 V가 출력된다.
한편, 평균 전압 산출부(20)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 전압을 센싱하는 센싱 IC(미도시)로부터 상기 평균 전압을 전달 받을 수도 있다. 즉, 상기 센싱 IC에서 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 전압을 센싱하여 상기 평균 전압을 산출하여 평균 전압 산출부(20)로 전달할 수 있다.
전압 가중치 추출부(30)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)간의 전압을 비교하여 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4) 중 최대 전압을 갖는 배터리 셀의 전압 가중치를 추출한다. 상기 전압 가중치는 후술할 바와 같이 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 평균 전압과 합쳐져 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단 전압이 된다.
구체적으로, 전압 가중치 추출부(30)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4) 중 인접한 배터리 셀간의 전압차를 입력받아 N배로 증폭하여 출력하는 적어도 하나 이상의 차동 증폭기(D1,D2,D3) 및 차동 증폭기(D1,D2,D3)의 출력을 1/N배하여 출력하는 적어도 하나 이상의 차동 전압 분배기(31,32,33)를 포함하여 상기 전압 가중치를 추출한다.
이때, 전압 가중치 추출부(30)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4) 각각의 전압을 입력받아 M배 증폭하여 출력하는 복수의 증폭기(OP1,OP2,OP3,OP4) 및 1 전압 분배기(31,32,33)의 출력을 1/M배하여 출력하는 증폭 전압 분배기(35)를 더 포함할 수 있다.
즉, 전압 가중치 추출부(30)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4) 각각의 전압을 입력받아 M배 증폭하여 출력하는 복수의 증폭기(OP1,OP2,OP3,OP4), 복수의 증폭기(OP1,OP2,OP3,OP4) 중 인접한 증폭기간의 전압차를 입력받아 N배로 증폭하여 출력하는 적어도 하나 이상의 차동 증폭기(D1,D2,D3), 차동 증폭기(D1,D2,D3)의 출력을 1/N배하여 출력하는 적어도 하나 이상의 차동 전압 분배기(31,32,33) 및 차동 전압 분배기(31,32,33)의 출력을 1/M배하여 출력하는 증폭 전압 분배기(35)를 포함하여 상기 전압 가중치를 추출할 수 있다.
이를 순차적으로 설명하면, 복수의 증폭기(OP1,OP2,OP3,OP4)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4) 각각의 전압을 입력받아 M배 증폭하여 출력한다. 이후, 제1 차동 증폭기(D1)는 제1 증폭기(OP1)와 제2 증폭기(OP2)의 전압차를 입력받아 N배로 증폭하여 출력하고, 제2 차동 증폭기(D2)는 제3 증폭기(OP3)와 제4 증폭기(OP4)의 전압차를 입력받아 N배로 증폭하여 출력한다.
이후, 제1 차동 전압 분배기(31)는 제1 차동 증폭기(D1)의 출력을 입력받아 1/N배하여 출력하고, 제2 차동 전압 분배기(32)는 제2 차동 증폭기(D2)의 출력을 입력받아 1/N배하여 출력한다.
이후, 제3 차동 증폭기(D3)는 제1 차동 전압 분배기(31)의 출력 전압과 제2 차동 전압 분배기(32)의 출력 전압의 차를 입력받아 N배로 증폭하여 출력한다. 이후, 제3 차동 전압 분배기(33)는 제3 차동 증폭기(D3)의 출력을 입력받아 1/N배하여 출력한다.
이후, 증폭 전압 분배기(35)는 제3 차동 전압 분배기(33)의 출력을 입력받아 1/M배하여 출력한다.
예를 들어, 제1 배터리 셀(C1), 제2 배터리 셀(C2) 및 제3 배터리 셀(C3)의 전압이 4 V이고, 제4 배터리 셀(C4)의 전압이 4.3 V이며, M = 10, N = 5인 경우, 제1 증폭기(OP1), 제2 증폭기(OP2) 및 제3 증폭기(OP3)의 출력은 40 V이고, 제4 증폭기(OP4)의 출력은 43 V가 된다. 이에 따라, 제1 차동 증폭기(D1)의 출력은 0 V, 제2 차동 증폭기(D2)의 출력은 3×5 = 15 V가 되며, 제1 차동 전압 분배기(31)의 출력은 0 V, 제2 차동 전압 분배기(32)의 출력은 15/5 = 3 V가 된다. 또한, 제3 차동 증폭기(D3)의 출력은 3×5 = 15 V가 되며, 제3 차동 전압 분배기(33)의 출력은 15/5 = 3 V가 된다. 따라서, 증폭 전압 분배기(35)의 출력은 3/10 = 0.3 V가 된다. 즉, 상기 전압 가중치는 0.3 V가 된다.
판단 전압 산출부(40)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단 전압을 출력한다. 구체적으로, 판단 전압 산출부(40)는 평균 전압 산출부(20)에서 산출한 상기 평균 전압과 전압 가중치 추출부(30)에서 추출한 상기 전압 가중치를 합산하여 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단 전압을 출력한다.
예를 들어, 제1 배터리 셀(C1), 제2 배터리 셀(C2) 및 제3 배터리 셀(C3)의 전압이 4 V이고, 제4 배터리 셀(C4)의 전압이 4.3 V인 경우, 평균 전압 산출부(20)에서 산출한 상기 평균 전압은 4.075 V 이고, 전압 가중치 추출부(30)에서 추출한 상기 전압 가중치는 0.3 V가 된다. 따라서, 판단 전압 산출부(40)에서 출력되는 상기 과충전 판단 전압은 4.375 V가 된다.
과충전 방지부(50)는 판단 전압 출력부(40)에서 출력한 상기 과충전 판단 전압을 기준 전압과 비교하여 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 과충전 여부를 판단한다. 구체적으로, 과충전 방지부(50)는 상기 과충전 판단 전압이 상기 기준 전압을 초과하는 경우, 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)이 과충전되었다고 판단한다.
예를 들어, 상기 과충전 방지 전압이 4.375 V이고, 상기 기준 전압이 4.6 V인 경우, 과충전 방지부(50)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)은 과충전 되었다고 판단하지 않는다. 그러나, 상기 과충전 방지 전압이 4.65 V이고, 상기 기준 전압이 4.6 V인 경우, 과충전 방지부(50)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)이 과충전 되었다고 판단한다.
과충전 방지부(50)에서 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)이 과충전 되었다고 판단한 경우, 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 과충전을 방지한다. 예를 들어, 과충전 방지부(50)는 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)과 차량에 구비된 부하를 연결하는 스위치를 오프시켜 복수의 배터리 셀(C1,C2,C3,C4)의 과충전을 방지할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 배터리 20 : 평균 전압 산출부
30 : 전압 가중치 추출부 40 : 판단 전압 출력부
50 : 과충전 방지부

Claims (6)

  1. 직렬 연결된 복수의 배터리 셀의 각각을 셀 밸런싱 하는 BMS(battery management system), 및 상기 복수의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩의 과충전을 방지하는 과충전 방지 장치를 포함하는 배터리 시스템의 상기 과충전 방지 장치에 있어서:
    저항을 이용하여 상기 배터리 팩의 양전압과 음전압 사이의 전압을 분배함으로써 상기 복수의 배터리 셀의 각각의 평균 전압을 산출하는 평균 전압 산출부;
    상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 측정하고, 상기 복수의 배터리 셀간의 전압을 비교하고, 저항을 이용하여 상기 복수의 배터리 셀간의 전압 중 최대 전압을 분배함으로써 전압 가중치를 추출하는 전압 가중치 추출부;
    상기 평균 전압과 상기 전압 가중치를 합산함으로써 과충전 판단 전압을 출력하는 판단 전압 출력부; 및
    상기 과충전 판단 전압이 기준 전압을 초과하는 경우 상기 복수의 배터리 셀의 과충전을 방지하는 과충전 방지부를 포함하는 과충전 방지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 평균 전압 산출부는 상기 복수의 배터리 셀의 개수가 K인 경우,
    (K-1)×R의 저항값을 갖는 저항과 R의 저항값을 갖는 저항이 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 평균 전압 산출부는 상기 R의 저항값을 갖는 저항 양단에 상기 복수의 배터리 셀의 평균 전압이 출력되는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전압 가중치 추출부는 상기 복수의 배터리 셀 중에서 인접한 배터리 셀간의 전압차를 입력받아 N배로 증폭하여 출력하는 적어도 하나 이상의 차동 증폭기 및 상기 차동 증폭기의 출력을 1/N배하여 출력하는 적어도 하나 이상의 차동 전압 분배기를 포함하여 상기 전압 가중치를 추출하는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전압 가중치 추출부는 상기 복수의 배터리 셀 각각의 전압을 입력받아 M배 증폭하여 출력하는 복수의 증폭기 및 상기 차동 전압 분배기의 출력을 1/M배하여 출력하는 증폭 전압 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 장치.
  6. 삭제
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