KR101925629B1 - 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치는 전류의 크기 변화에 따라 변화하는 자장의 크기를 아날로그 방식으로 출력하는 홀 센서로서, 피 측정 체와 직접 접촉되지 않아 마모로 인한 내구성 저하가 없으며 성능이 저하되지 않고, 특히 온도 변화에 따른 출력 특성이 작은 이러한 홀 센서를 이용하여 간접 방식으로 전류를 측정하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, CCO를 이용하여 전류, 전압 그리고 온도를 검출하고, 션트 저항을 사용하지 않으며, 아날로그-디지털 변환기를 사용하는 것 보다 구조가 간단하고, 디지털 필터를 사용하지 않기 때문에 면적을 최소화할 수 있다.

Description

홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치{Apparatus Sensing Battery Using Hall sensor Intelligently}
본 발명은 홀 센서를 이용한 배터리 센서 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리의 전류, 전압 및 온도를 검출하는 장치에 관한 것이다.
지능형 배터리 센서 시스템은 전류, 전압 그리고 온도와 같은 전기적인 양을 측정하여 배터리의 화학적 특성을 추출하는 것으로서, 배터리의 충전용량, 수명 등을 예측하여 차량 주행시 배터리가 공급할 수 있는 최대 에너지를 계산하고, 차량 감속시 불필요하게 소모되는 에너지를 제한함으로써, 과충전으로부터 배터리를 보호하며, 이와 더불어 배터리의 사용 범위를 최적화할 수 있고, 이를 위해서는 전기적인 데이터를 통해 화학적 특성을 유도 및 추출해야 하므로 보다 정밀한 측정 데이터를 요구한다.
도 1은 션트 저항을 이용한 일반적인 배터리 센서 시스템을 도시한 것으로서, 션트 저항 양단의 전압 값을 측정하고 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 신호 처리하여 배터리 충/방전 전류를 얻는다.
그러나, 션트 저항의 사용은 가격이 저렴한 것이 장점이지만, 션트 저항에 직접적으로 전류가 흐르기 때문에 전압 강하로 인한 손실이 발생하며 온도에 의한 저항 변화 때문에 전류 측정값 에러가 발생한다.
또한, 신호 처리를 위한 16비트 이상의 ADC 사용은 설계의 복잡도를 증가시키며, 칩 면적을 증가시키는 단점으로 작용한다.
즉, 종래의 배터리 센서 시스템은 션트 저항 사용으로 인한 전압 강하 손실과 온도 변화에 대한 민감도가 큰 단점이 있으므로, 이를 보정하기 위한 추가적인 회로가 요구되고, 또한 고정밀 측정을 위해 아날로그-디지털 변환기의 비트 수 증가로 설계의 복잡도 및 칩 면적이 증가하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출한 것으로서, 전류의 크기 변화에 따라 변화하는 자장의 크기를 아날로그 방식으로 출력하는 홀 센서로서, 피 측정 체와 직접 접촉되지 않아 마모로 인한 내구성 저하가 없으며 성능이 저하되지 않고, 특히 온도 변화에 따른 출력 특성이 작은 이러한 홀 센서를 이용하여 간접 방식으로 전류를 측정하는 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치는 차량용 배터리의 전류 크기에 비례하는 자장의 세기를 아날로그 신호로 출력하는 홀 센서부; 전류 제어 오실레이터를 포함하고, 상기 전류 제어 오실레이터로 상기 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하여 전류, 전압 및 온도를 측정하는 신호 검출 회로부; 및 측정된 상기 전류, 전압 및 온도 값을 토대로 상기 차량용 배터리의 충/방전 및 노후화 판단 알고리즘 연산을 수행하는 마이크로 컨트롤러를 포함한다.
본 발명에 따르면, 기존 신호 처리를 위한 ADC 대신에 전류 제어 발진기를 사용하여 주파수를 카운팅함으로써 전류, 전압 및 온도를 측정할 수 있다. 이는 설계적으로 단순할 뿐만 아니라 디지털 필터와 같은 회로 블록을 요구하지 않기 때문에 칩의 면적을 개선할 수 있다.
설계의 복잡도를 단순화함으로써 개발기간을 단축할 수 있다.
전류 검출을 위한 션트 저항이 요구되지 않으며, 전류 센싱을 위한 외부 수동소자가 사용되지 않으므로 부품 수를 감소시킬 수 있다.
온-칩에서의 검출 시스템을 단순화함으로써, 칩 면적을 줄일 수 있으며 이로 인해 칩의 소형화가 가능하며 전체 모듈의 크기를 축소할 수 있다.
칩의 소형화로 패키지의 절감 및 모듈의 크기가 축소되어 PCB 단가 축소 및 기존 원가 대비 다량 생산이 가능하다.
도 1은 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 전류 제어 오실레이터를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 주파수 대 전류 비를 설명하기 위한 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
기존의 배터리 센서 시스템은 션트 저항 사용으로 인한 전압 강하 손실과 온도 변화에 대한 민감도가 큰 단점이 있으므로, 이를 보완하기 위한 추가적인 회로가 요구되고, 고정밀 측정을 위한 아날로그-디지털 변환기의 비트 수 증가로 인해 설계의 복잡도 및 칩 면적이 증가하는 단점이 있다. 따라서, 이러한 문제들을 해결하기 위해 간접 방식으로 전류를 측정하는 홀 센서를 이용한 새로운 구조의 배터리 검출 장치를 제안한다. 이 제안된 구조는 설계의 단순화와 칩 면적을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치를 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 전류 제어 오실레이터를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명의 주파수 대 전류 비를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치는 홀 센서부(110), 신호 검출 회로부(120) 및 마이크로 컨트롤러(130)를 포함한다.
홀 센서부(110)는 프로그래머블 게인 앰프(PGA, 111), 저대역 통과 필터(LPF, 112) 및 밴드 캡 기준 회로(113)를 포함한다.
프로그래머블 게인 앰프(111)는 배터리의 전류 크기에 비례하는 자장의 세기를 아날로그 신호로 출력한다.
저대역 통과 필터(112)는 프로그래머블 게인 앰프(111)로부터 아날로그 신호를 입력받아 고주파 잡음을 억제하여 신호 검출 회로부(120)에 전달한다.
전술한 홀 센서부(110)는 일반적으로 널리 사용되는 검출 방법이다. 따라서, 본 발명에서는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위하여 아날로그-디지털 변환기 대신에 전류 제어 오실레이터(CCO)를 사용한다.
신호 검출 회로부(120)는 고속 CCO(121), 저속 CCO(122), 레귤레이터(123), 비교기(124), MUX(125), 주파수 디바이더(126) 및 업/다운 카운터(127)를 포함한다.
각 CCO(121, 122)는 전류 제어 오실레이터로서, 종래 기술 대비 넓은 범위의 전류를 검출할 수 있다.
예컨대, 각 CCO(121, 122)는 도 3에 도시된 바와 같이, 인버터 체인으로 구성되며, 선형 레귤레이터(123)에 의한 전원 잡음에 대해 종래 기술 대비 민감하지 않은 특성을 지닌다.
일반적인 VCO는 상시 전류를 소모하는 버퍼를 사용하나, 본 발명의 각 CCO(121, 122)는 스위칭에 의해서만 전류가 소모되는 인버터를 사용한다.
선형 레귤레이터(123)는 2개의 PMOS를 포함하고, 각 PMOS의 게이트 전압을 제어하여 각 CCO(121, 122)에 전류를 공급한다.
각 CCO(121, 122)의 전원에 연결되는 각 PMOS의 채널 폭은 각 CCO(121, 122)에 대응되는 주파수 범위에 따라 결정된다.
비교기(124)는 밴드 갭 기준 회로(113)의 출력 전압과 LPF(112)의 전압을 비교하고, 비교결과를 토대로 각 CCO(121, 122)의 출력인 고 주파수 신호와 저 주파수 신호 중 어느 하나를 선택하기 위해 제어신호를 MUX(125)에 전달한다.
예컨대, 비교기(124)는 PGA(111)의 출력 전압에 따른 전류 검출을 위하여, PGA(111)에서 낮은 전압이 출력될 경우, 저속 CCO(122)의 클록 주파수를 사용하기 위해 저속 CCO(122)의 클록 주파수를 선택하도록 하는 제어신호를 MUX(125)에 전달하고, PGA(111)에서 높은 전압이 출력될 경우, 고속 CCO(121)의 클록 주파수를 사용하기 위해 고속 CCO(121)의 클록 주파수를 선택하도록 하는 제어신호를 MUX(125)에 전달한다.
각 CCO(121,122)의 출력 주파수는 도 4에 도시된 바와 같이 공급되는 전류에 대응하여 출력 주파수가 선형적인 특성을 지닌다.
MUX(125)는 비교기(124)의 제어신호에 따라 각 CCO(121, 122)의 출력인 고 주파수와 저 주파수 중 하나의 주파수 신호를 선택하여 출력한다.
주파수 디바이더(126)는 MUX(125)에 의해 선택된 신호를 낮은 주파수로 변환하여 전달한다.
업/다운 카운터(127)는 주파수 디바이더(126)로부터 전달된 주파수를 검출하여 마이크로 컨트롤러(130)에 전달한다.
여기서 업/다운 카운터(127)에 의해 검출된 주파수 정보는 측정된 전류 값을 의미하고, 전압 및 온도 검출은 또 다른 하나의 신호 검출 회로 부를 사용함으로써 얻어질 수 있다.
마이크로 컨트롤러(130)는 측정된 전류, 전압 및 온도 값을 받아들이며 배터리의 충/방전 및 노후화 판단 알고리즘 연산을 수행한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기존 신호 처리를 위한 ADC 대신에 전류 제어 발진기를 사용하여 주파수를 카운팅함으로써 전류, 전압 및 온도를 측정할 수 있고, 이는 설계적으로 단순할 뿐만 아니라 디지털 필터와 같은 회로 블록을 요구하지 않기 때문에 칩의 면적을 개선할 수 있는 것이며, 설계의 복잡도를 단순화함으로써 개발기간을 단축할 수 있고, 전류 검출을 위한 션트 저항이 요구되지 않으며, 전류 센싱을 위한 외부 수동소자가 사용되지 않으므로 부품 수를 감소시킬 수 있고, 온-칩에서의 검출 시스템을 단순화함으로써, 칩 면적을 줄일 수 있으며 이로 인해 칩의 소형화가 가능하며 전체 모듈의 크기를 축소할 수 있으며, 칩의 소형화로 패키지의 절감 및 모듈의 크기가 축소되어 PCB 단가 축소 및 기존 원가 대비 다량 생산이 가능하다.
이상 바람직한 실시예와 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 관해 구체적으로 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : 홀 센서부 120 : 신호 검출 회로부
130 : 마이크로 컨트롤러

Claims (6)

  1. 차량용 배터리의 전류 크기에 비례하는 자장의 세기를 아날로그 신호로 출력하는 홀 센서부;
    전류 제어 오실레이터를 포함하고, 상기 전류 제어 오실레이터로 상기 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하여 전류, 전압 및 온도를 측정하는 신호 검출 회로부; 및
    측정된 상기 전류, 전압 및 온도 값을 토대로 상기 차량용 배터리의 충/방전 및 노후화 판단 알고리즘 연산을 수행하는 마이크로 컨트롤러를 포함하되,
    상기 신호 검출 회로부는, 인버터 체인을 포함하는 고속 전류 제어 오실레이터; 인버터 체인을 포함하는 저속 전류 제어 오실레이터; 및 2개의 PMOS를 포함하고, 각 PMOS의 게이트 전압을 제어하여 상기 고속 전류 제어 오실레이터와 상기 저속 전류 제어 오실레이터에 전류를 공급하는 선형 레귤레이터를 포함하는
    홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 홀 센서부는,
    상기 차량용 배터리의 전류 크기에 비례하는 자장의 세기를 아날로그 신호로 출력하는 프로그래머블 게인 앰프; 및
    상기 프로그래머블 게인 앰프로부터 아날로그 신호를 입력받아 고주파 잡음을 억제하여 출력하는 저대역 통과 필터를 포함하는 것
    인 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 신호 검출 회로부는,
    상기 홀 센서부의 밴드 갭 기준 회로와 LPF로부터 출력된 두 전압을 비교하고, 비교결과를 토대로 상기 고속 전류 제어 오실레이터와 상기 저속 전류 제어 오실레이터의 출력인 고 주파수 신호와 저 주파수 신호 중 어느 하나를 선택하기 위해 제어신호를 출력하는 비교기;
    상기 제어신호에 따라 상기 고속 전류 제어 오실레이터와 상기 저속 전류 제어 오실레이터의 출력인 고 주파수와 저 주파수 중 하나의 주파수 신호를 선택하여 MUX;
    상기 MUX에 의해 선택된 신호를 저 주파수로 변환하여 전달하는 주파수 디바이더; 및
    상기 주파수 디바이더로부터 전달된 주파수를 검출하여 상기 마이크로 컨트롤러에 전달하는 업/다운 카운터를 더 포함하는 것
    인 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비교기는 상기 홀 센서부의 출력 전압에 따른 전류 검출을 위하여 상기 홀 센서부에서 낮은 전압이 출력될 경우, 상기 저속 전류 제어 오실레이터의 클록 주파수를 사용하기 위해 상기 저속 전류 제어 오실레이터의 클록 주파수를 선택하도록 하는 제어신호를 상기 MUX에 전달하고, 상기 홀 센서부에서 높은 전압이 출력될 경우, 고속 전류 제어 오실레이터의 클록 주파수를 사용하기 위해 고속 전류 제어 오실레이터의 클록 주파수를 선택하도록 하는 제어신호를 상기 MUX에 전달하는 것
    인 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고속 전류 제어 오실레이터와 상기 저속 전류 제어 오실레이터의 전원에 연결되는 각 PMOS의 채널 폭은 상기 고속 전류 제어 오실레이터와 상기 저속 전류 제어 오실레이터에 대응되는 주파수 범위에 따라 결정되는 것
    인 홀 센서를 이용한 지능형 배터리 센서 장치.
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