KR101993415B1 - 배터리 회로 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주 전원에 병렬로 연결되어, 고출력 방전을 보상하는 동작을 수행하는 보조 전원으로 구성되는 배터리 제어 회로 장치에 있어서, 보조 전원의 충/방전 동작을 제어하는 보조 전원 제어 FET, 주 전원의 전류 값을 모니터링하는 AFE 및 상기 주 전원의 전류 값의 변화에 따라 상기 보조 전원이 방전 동작을 수행하도록 상기 보조 전원 제어 FET의 동작을 제어하는 MCU를 포함하는 배터리 제어 회로 장치가 제시된다.

Description

배터리 회로 제어 장치{CONTROL CIRCUIT DEVICE FOR BATTERY}
본 발명은 배터리 회로 제어 장치에 관한 것으로, 특히 주 전원을 공급하는 배터리팩 및 보조 전원을 구비하며, 보조 전원을 통해 순간 고출력을 보상할 수 있는 배터리 회로 제어 장치에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 관련된 연구 개발들이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리듐 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경향으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리듐 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다. 위와 같은 장점에도 불구하고, 순간 고출력이 요구되는 시스템에 전원을 공급하는 이차 전지는 순간 고출력 필요한 상황이 반복될수록 배터리팩의 성능이 열화되는 단점을 가지고 있다.
종래의 순간 고출력을 지원하는 배터리 회로 제어 장치에는 포함된 배터리팩은 순간 고출력에 대응할 수 있도록 소정의 성능 이상의 C Rate 값을 갖는 복수 개의 셀(Cell)들로 제조된다. 즉, 순간 고출력에 대응할 수 있는 배터리팩은 소정의 성능 이상의 C Rate 값을 갖는 셀들을 포함하여 구성된다는 제약이 있다. 또한, 소정의 성능 이상의 C Rate 값을 갖는 셀은 동일 용량의 다른 셀들에 비해 단가가 비싸다는 단점을 가지고 있다.
따라서, 셀의 C Rate 값에 상관없이 순간 고출력을 범용적으로 지원할 수 있는 배터리 회로 제어 장치의 개발이 요구된다.
JP 2003-539066 A
본 발명은 C Rate 값이 낮은 셀들로 구성된 배터리팩을 사용하여 순간 고출력 출력 기능을 수행할 수 있는 배터리 제어 회로 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치는, 주 전원에 병렬로 연결되어, 고출력 방전을 보상하는 동작을 수행하는 보조 전원으로 구성되는 배터리 제어 회로 장치에 있어서, 보조 전원의 충/방전 동작을 제어하는 보조 전원 제어 FET; 주 전원의 전류 값을 모니터링하는 AFE; 및 상기 주 전원의 전류 값의 변화에 따라 상기 보조 전원이 방전 동작을 수행하도록 상기 보조 전원 제어 FET의 동작을 제어하는 MCU; 를 포함할 수 있다.
상기 MCU는, 외부 전자 장치와 연결 시 상기 AFE에서 모니터링된 전류 값이 미리 설정된 소정 전류 값 이상이며, 설정된 보조 전원 출력 여부 판단 시간 이상 지속적으로 출력되는지 판단하고, 상기 판단 결과, 상기 소정 전류 값 이상 및 상기 보조 전원 출력 여부 판단 시간 이상 지속적으로 출력되는 경우, 순간 고출력 방전이 필요하다고 판단하여 상기 보조 전원이 방전 동작을 수행하도록 상기 보조 전원 제어 FET의 동작을 제어할 수 있다.
상기 주 전원은, 적어도 하나의 배터리팩으로 구성되며, 상기 배터리팩은 복수 개의 셀들을 포함할 수 있다.
상기 보조 전원은, 적어도 하나의 슈퍼 커패시터로 구성되며, 상기 슈퍼 커패시터의 용량 및 C Rate에 따라 상기 복수 개의 셀들의 용량 및 C Rate 값이 결정될 수 있다.
상기 보조 전원은, 적어도 하나의 슈퍼 커패시터를 포함하며, 상기 슈퍼 커패시터는 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitors) 방식, 유사 커패시터(Pseudo capacitors) 방식 및 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitors) 방식 중 적어도 하나의 방식을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 제어 회로 장치는 순간 고출력 출력 시 보조 전원이 순간 고출력을 보상하도록 동작하여 배터리의 과부하를 줄여 배터리의 사용 시간을 연장 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 제어 회로 장치는 순간 고출력 출력 시 보조 전원이 순간 고출력을 보상하도록 동작하여 단일의 배터리팩으로 순간 고출력을 지원하는 배터리 제어 회로 장치에 비해 향상된 고출력 펄스의 특성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 MCU의 세부 구성도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치의 출력 전류의 RMS 파형 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩은 전기 에너지를 저장하고 제공한다. 이러한 배터리팩은 충전 및 방전 가능한 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 또한, 배터리팩은 소정 수의 배터리 셀이 배터리 모듈을 이룰 수 있다. 즉, 배터리팩은 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함할 수 있고, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 모듈은 배터리나 부하 등의 스펙(specification)에 부합되도록 다양한 방법으로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있고, 복수의 배터리 셀 또한 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 여기서, 배터리 셀의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
1. 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치의 일 예
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치(100)는 주 전원(110), AFE(120), MCU(130), 보조 전원 제어 FET(140) 및 보조 전원(150)을 포함할 수 있다.
주 전원(110)은 MCU(130)의 제어에 따라 충/방전 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 주 전원(110)은 복수 개의 배터리 셀들 또는 복수 개의 배터리 모듈들이 다양한 방법으로 직렬 및/병렬 연결되어 구성된 적어도 하나의 배터리팩을 포함할 수 있다.
또한, 주 전원(110)에 포함된 복수 개의 배터리 셀들의 C Rate 값은 순간 고출력 방전 기능이 가능하도록 소정의 값 이상 값을 가질 수 있다.
또한, 주 전원(110)에 포함된 복수 개의 배터리 셀들의 용량 및 C Rate 값은 보조 전원(150)의 용량 및 C Rate 값을 고려하여 결정될 수 있다.
AFE(120)는 MCU(130)의 제어에 따라 주 전원(110)의 전류 값 또는 전압 값을 센싱할 수 있다.
MCU(130)는 주 전원(110), AFE(120), 보조 전원 제어 FET(140) 및 보조 전원(150)의 동작을 제어할 수 있다.
또한, MCU(130)는 AFE(120)에서 모니터링된 주 전원(110)의 전류 값 또는 전압 값의 변화의 정도 및 시간에 따라 보조 전원(150)이 방전 동작을 수행하도록 보조 전원 제어 FET(140)의 동작을 제어할 수 있다.
또한, MCU(130)는 주 전원(110)에 포함된 복수 개의 배터리 셀들의 용량 및 C Rate 값과 보조 전원(150)의 용량 및 C Rate 값을 고려하여 보조 전원 제어 FET(140)의 동작을 제어할 수 있는 보조 전원 제어 FET의 구동 신호를 생성할 수 있다.
더욱 상세하게는, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 MCU의 세부 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 MCU(130)는 외부 전자 장치 연결 여부 인지부(131), RMS 산출부(132), 순간 고출력 필요 여부 판단부(133) 및 보조 전원 제어 FET의 구동 신호 생성부(134)를 포함할 수 있다.
외부 전자 장치 연결 여부 인지부(131)는 배터리 제어 회로 장치(100)에 외부 전자 장치(미도시)의 연결 여부를 인지할 수 있다.
외부 전자 장치 연결 여부 인지부(131)는 배터리 제어 회로 장치(100)에 구비된 외부 전자 장치와의 통신 단자(미도시)를 통해 외부 전자 장치와의 연결 여부를 인지할 수 있다.
또한, 외부 전자 장치 연결 여부 인지부(131)는 외부 전자 장치로부터 수신되는 통신 신호의 존재 여부를 파악하여 외부 전자 장치와의 연결 여부를 인지할 수 있다. 예컨대, 외부 전자 장치 연결 여부 인지부(131)는 미리 설정된 소정 시간 내에 외부 전자장치와 MCU(130) 간에 송수신 되는 적어도 하나의 신호가 존재하는 경우, 외부 전자 장치가 연결되었음을 인지할 수 있다.
또한, 외부 전자 장치 연결 인지부(131)는 외부 전자 장치가 연결되었다고 인지되면, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)의 순간 고출력 필요 여부 판단 동작의 시작을 명령할 수 있다.
또한, 외부 전자 장치 연결 인지부(131)는 외부 전자 장치가 연결되었다고 인지되면, RMS 산출부(132)의 RMS 값 산출 동작의 시작을 명령할 수 있다.
RMS 산출부(132)는 AFE(120)에서 측정된 전류 값 또는 전압 값으로부터 RMS 값을 산출할 수 있다. 예를 들어, RMS 산출부(132)는 AFE(120)가 주 전원(110)을 대상으로 실시간 측정하는 전류 값 또는 전압 값을 전달받을 수 있다. 그 후, RMS 산출부(132)는 전달받은 전류 값 또는 전압 값을 MCU(130) 내에 구비된 롬 또는 램과 같은 저장소자(미도시)에 전달되는 시간별로 저장하여 전류 값 또는 전압 값의 파형을 인지할 수 있다. 그 후, RMS 산출부(132)는 인지된 전류 값 또는 전압 값의 파형으로부터 주 전원의 전류 RMS 값 또는 주 전원의 전압 RMS 값을 산출할 수 있다.
순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 RMS 산출부(132)에서 산출된 주 전원의 전류 RMS 값이 저장소자에 미리 설정된 소정의 RMS 전류 값 이상의 값을 갖는지 판단할 수 있다.
또한, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 RMS 산출부(132)에서 산출된 주 전원의 전압 RMS 값이 저장소자에 미리 설정된 소정의 RMS 전압 값 이상의 값을 갖는지 판단할 수 있다.
그 후, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 RMS 산출부(132)에서 산출된 주 전원의 전류 RMS 값이 저장소자에 미리 설정된 소정의 RMS 전류 값 이상의 값을 갖거나 RMS 산출부(132)에서 산출된 주 전원의 전압 RMS 값이 저장소자에 미리 설정된 소정의 RMS 전압 값 이상의 값을 갖는 경우, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 변화된 RMS 전류 값 또는 변화된 RMS 전압 값이 저장소자에 미리 설정된 보조 전원 출력 여부 판단 시간 이상 지속적으로 주 전원(110)으로부터 출력되는지 판단할 수 있다.
상기 판단 결과, RMS 산출부(132)에서 산출된 주 전원의 전류 RMS 값 또는 주 전원의 전압 RMS 값이 저장소자에 미리 설정된 소정의 RMS 전류 값 또는 소정의 RMS 전압 값 이상이며, 변화된 RMS 전류 값 또는 변화된 RMS 전압 값이 저장소자에 미리 설정된 보조 전원 출력 여부 판단 시간 이상 지속적으로 주 전원(110)으로부터 출력된 경우, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 보조 전원(150)을 통해 순간 고출력 방전 보상이 필요하다고 판단할 수 있다.
그 후, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 보조 전원(150)을 통해 순간 고출력 방전 보상이 필요하다고 판단되면, 보조 전원 제어 FET의 구동 신호 생성부(134)의 보조 전원 제어 FET의 구동 신호 생성 동작의 시작을 명령할 수 있다.
또한, MCU(130)에 RMS 산출부(132)가 포함되어 있지 않으면, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 AFE(120)로부터 실시간 전달받는 전류 값 또는 전압 값이 저장소자에 미리 설정된 소정의 전류 값 또는 소정의 전압 값 이상인지 판단할 수 있다.
AFE(120)로부터 실시간 전달받는 전류 값 또는 전압 값이 저장소자에 미리 설정된 소정 전류 값 또는 전압 값 이상인 경우, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 변화된 전류 값 또는 변화된 전압 값이 저장소자에 미리 설정된 보조 전원 출력 여부 판단 시간 이상 지속적으로 주 전원(110)에서 출력되는지 판단할 수 있다.
상기 판단 결과, AFE(120)로부터 실시간 전달받는 전류 값 또는 전압 값이 저장소자에 미리 설정된 소정 전류 값 또는 전압 값 이상이며, 변화된 전류 값 또는 변화된 전압 값이 보조 전원 출력 여부 판단 시간 이상 지속적으로 주 전원(110)에서 출력된 경우, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 보조 전원(150)을 통해 순간 고출력 방전 보상이 필요하다고 판단할 수 있다.
그 후, 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)는 보조 전원(150)을 통해 순간 고출력 방전 보상이 필요하다고 판단되면, 보조 전원 제어 FET의 구동 신호 생성부(134)의 보조 전원 제어 FET의 구동 신호 생성 동작의 시작을 명령할 수 있다.
보조 전원 제어 FET의 구동 신호 생성부(134)는 순간 고출력 필요 여부 판단부(133)에서 고출력 방전 보상이 필요하다고 판단된 경우, 보조 전원 제어 FET(140)의 동작을 제어할 수 있는 구동 신호를 생성할 수 있다. 그 후, 보조 전원 제어 FET의 구동신호 생성부는 생성된 구동 신호를 보조 전원 제어 FET(140)로 전달할 수 있다.
보조 전원 제어 FET(140)는 배터리 제어 회로 장치(100)에 연결된 외부 전자 장치에 주 전원(110)에서 방전되는 에너지와 함께 보조 전원(150)에 충전된 에너지가 방전되도록 동작을 수행할 수 있다.
또한, 보조 전원 제어 FET(140)는 전달 받은 구동 신호에 따라 보조 전원(150)에 에너지가 충전되도록 동작한다.
보조 전원(150)은 보조 전원은 적어도 하나의 슈퍼 커패시터를 포함할 수 있다. 슈퍼 커패시터로는 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitors) 방식, 유사 커패시터(Pseudo capacitors) 방식 및 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitors) 방식 중 적어도 하나의 방식을 사용하는 슈퍼 커패시터를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치(100)의 MCU(130)는 보조 전원(150)의 용량 및 C Rate를 고려하여 보조 전원 제어 FET(140)의 구동 신호를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치(100)의 MCU(130)는 순간 고출력 필요 상황으로 판단된 경우, 보조 전원(150)의 용량 및 C Rate를 고려하여 주 전원(110)에서 방전되는 에너지의 출력을 제한할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치(100) 순간 고출력 필요 상황 시 보조 전원(150)에서 방전되는 에너지의 출력으로 주 전원(110)이 받은 수 있는 부하를 보상이 가능한 구성이므로, MCU(130)는 보조 전원(150)의 방전 동작뿐만 아니라 주 전원(110)의 방전 동작을 보조 전원(150)의 용량 및 C Rate를 고려하여 제어할 수 있다.
2. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치의 출력 전류의 RMS 파형의 일 예
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치의 출력 전류의 RMS 파형 예시도이다.
도 3을 참조하면, 도 3(a)은 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치(100)의 A 구간인 주 전원(110)의 에너지가 방전되는 구간의 RMS 전압 파형을 나타낸다. 배터리 제어 회로 장치(100)와 연결된 외부 전자 장치의 순간 고출력 필요 상황에 따라 파형에 피크를 형성된 것을 알 수 있다.
도 3(b)는 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치(100)의 B 구간인 보조 전원(150)의 에너지가 방전되는 구간의 RMS 전압 파형을 나타낸다. MCU(130)가 배터리 제어 회로 장치(100)와 연결된 외부 전자 장치의 순간 고출력 필요 상황이라고 판단한 경우, 보조 전원 제어 FET(140)의 동작을 제어하여 보조 전원(150)에 저장된 에너지를 방전을 수행하며, 외부 전자 장치의 순간 고출력 필요 상황에 따라 파형에 피크를 형성된 것을 보여준다.
도 3(c)는 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 제어 회로 장치(100)의 C 구간인 주 전원(110)에서 방전된 에너지와 보조 전원(150)에서 방전된 에너지가 함께 합쳐져서 방전되는 구간의 RMS 전압 파형을 나타낸다. MCU(130)가 배터리 제어 회로 장치(100)와 연결된 외부 전자 장치의 순간 고출력 필요 상황이라고 판단한 경우, 보조 전원 제어 FET(140)의 동작을 제어하여 보조 전원(150)에 저장된 에너지를 방전을 수행하므로, 순간 고출력 상황 발생 시 주 전원(110)에 걸리는 부하를 줄일 수 있다. 외부 전자 장치의 순간 고출력 필요 상황에 따라 주 전원(110)의 에너지와 보조 전원(150)의 에너지가 합산되어 방전되는 파형에 피크를 형성된 것을 보여준다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 배터리 제어 회로 장치
110: 주 전원
120: AFE
130: MCU
131: 외부 전자 장치 연결 여부 인지부
132: RMS 산출부
133: 순간 고출력 필요 여부 판단부
134: 보조 전원 제어 FET의 구동 신호 생성부
140: 보조 전원 제어 FET
150: 보조 전원

Claims (5)

  1. 주 전원에 병렬로 연결되어, 고출력 방전을 보상하는 동작을 수행하는 보조
    전원으로 구성되는 배터리 제어 회로 장치에 있어서,
    보조 전원의 충/방전 동작을 제어하는 보조 전원 제어 FET;
    주 전원의 전류 값을 모니터링하는 AFE; 및
    상기 주 전원의 전류 값의 변화에 따라 상기 보조 전원이 방전 동작을 수행
    하도록 상기 보조 전원 제어 FET의 동작을 제어하는 MCU;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 MCU는,
    외부 장치와 연결 여부를 인지하는 외부 전자장치 연결 여부 인지부;
    상기 AFE에서 모니터링 된 전류 값으로부터 RMS 전류 값을 산출하는 RMS 산출부;
    를 포함하여 구성되어,
    상기 MCU는,
    배터리가 외부장치와 연결 시, 상기 RMS 산출부에서 산출되는 RMS 전류 값이 미리 설정된 소정 전류 값 이상이며, 설정된 보조 전원 출력 여부 판단 시간 이상 지속적으로 출력되는지 판단하고, 상기 판단 결과, 상기 소정 전류 값 이상 및 상기 보조 전원 출력 여부 판단 시간 이상 지속적으로 출력되는 경우, 순 간 고출력 방전이 필요하다고 판단하여 상기 보조 전원이 방전 동작을 수행하도록 상기 보조 전원 제어 FET의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 제어 회로 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 주 전원은,
    적어도 하나의 배터리팩으로 구성되며, 상기 배터리팩은 복수 개의 셀들을 포함하는 배터리 제어 회로 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 보조 전원은,
    적어도 하나의 슈퍼 커패시터로 구성되며, 상기 슈퍼 커패시터의 용량 및 C Rate에 따라 상기 복수 개의 셀들의 용량 및 C Rate 값이 결정되는 배터리 제어 회로 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 보조 전원은,
    적어도 하나의 슈퍼 커패시터를 포함하며, 상기 슈퍼 커패시터는 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitors) 방식, 유사 커패시터(Pseudo capacitors) 방식 및 하이브리드 커패시터(Hybrid Capacitors) 방식 중 적어도 하나의 방식을 사용하는 배터리 제어 회로 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008306864A (ja) * 2007-06-08 2008-12-18 Fuji Heavy Ind Ltd 車両用制御装置
JP2009159659A (ja) * 2007-12-25 2009-07-16 Toyota Motor Corp 電源供給装置、電源供給方法、及び移動体

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