KR102041869B1 - 배터리 팩의 전압 측정장치 및 배터리 제어 시스템 - Google Patents

배터리 팩의 전압 측정장치 및 배터리 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

실시 예에 따른 배터리 팩의 전압 측정장치는, 배터리 팩의 전압을 분압하는 분압부; 상기 분압된 전압과 기준전압을 감산하여 측정전압을 출력하는 감산부; 및 상기 측정 전압을 디지털 값으로 변환하는 변환부를 포함한다.

Description

배터리 팩의 전압 측정장치 및 배터리 제어 시스템{Voltage measuring apparatus of battery pack and Battery control system}
실시 예는 배터리 팩의 전압 측정장치에 관한 것이다.
실시 예는 배터리 제어 시스템에 관한 것이다.
하이브리드 자동차(Hybrid Vehicle), 전기자동차(Electric Vehicle) 등과 같이 배터리에 저장된 전지에너지를 에너지원(Energy Source)으로 사용하는 경우, 시스템의 특성을 확보하기 위해 고전압 배터리가 필요하다.
이와 같은 고전압 배터리를 구성하기 위해, 리튬이온 배터리(Lithium-ion Battery) 등과 같은 배터리 셀(Battery Cell)을 직렬로 연결하여 배터리 팩(Battery Pack)을 구성할 수 있고, 배터리 셀로 구성된 배터리 팩은 자동차의 주행환경에서 충전/방전을 지속적으로 수행한다.
이때, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀의 내부 특성 및 내부 저항이 다르기 때문에, 고전압 배터리에 대한 충전/방전을 지속적으로 수행함에 따라 배터리 셀간의 전압 편차가 발생할 수 있고, 배터리 셀간의 전압 편차가 누적되면 배터리 셀이 과충전 또는 과방전되어 고전압 배터리에 치명적인 손상을 입힐 수 있다.
이와 같이, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀의 수명이 줄어들거나 성능이 저하되면 배터리 팩의 성능이 저하되기 때문에, 배터리 팩의 성능을 감시하기 위해서 배터리 팩의 성능을 결정하는 배터리 팩의 전압 등을 정확히 측정할 필요가 있다.
상기 배터리 팩의 전압을 측정하기 위한 기술이 개발되고 있으나, 고용량의 커패시터가 요구되는 등의 문제점이 있다.
또한, 도 1과 같은 배터리 팩 전압의 방전곡선에서 상기 배터리 팩은 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2) 사이의 안정적인 전압값을 출력하는 유효 범위에서의 지속적인 사용이 요구된다. 따라서, 상기 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2) 사이의 유효영역에서의 배터리 팩의 전압을 보다 더 정확히 측정할 필요가 있다.
실시 예는 정확한 배터리 팩의 전압을 측정하고, 제조단가를 절감할 수 있는 배터리 팩의 전압 측정장치를 제공한다.
실시 예에 따른 배터리 팩의 전압 측정장치는, 배터리 팩의 전압을 분압하는 분압부; 상기 분압된 전압과 기준전압을 감산하여 측정전압을 출력하는 감산부; 및 상기 측정 전압을 디지털 값으로 변환하는 컨버터를 포함한다.
실시 예에 따른 배터리 팩의 전압 측정장치는 배터리 팩에서 안정적인 전압을 출력하는 유효 영역에서의 전압을 추출하고 이를 측정하여 저가의 부품을 이용하면서 정확한 배터리 팩의 전압을 측정할 수 있다.
실시 예에 따른 배터리 팩의 전압 측정장치는 배터리 팩의 전압 중 유효 영역에서의 전압을 추출하고 측정하여 컨버터의 일정한 분해능을 효율적으로 이용할 수 있다.
도 1은 배터리 백 전압의 방전곡선을 나타낸다.
도 2는 실시 예에 따른 배터리 제어 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 실시 예에 따른 배터리 팩 및 전압 측정장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시 예에 따른 전압 측정장치의 스위칭에 따른 회로도를 나타낸다.
도 5는 실시 예에 따른 전압 측정장치에 의해 변화되는 배터리 팩 전압을 나타낸 개략도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2는 실시 예에 따른 배터리 제어시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 배터리 제어시스템은 배터리 팩(1), 전압 측정장치(3) 및 제어부(5)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩(1)은 직렬로 연결된 다수의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
상기 전압 측정장치(3)는 상기 배터리 팩(1)의 전압을 측정할 수 있다. 상기 측정장치(3)는 상기 배터리 팩(1)의 양단의 전압을 측정하여 상기 제어부(5)로 전달할 수 있다.
상기 제어부(5)는 상기 전압 측정장치(3)로부터 전달받은 전압값을 기준으로 상기 배터리 팩(1)의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다.
도 3은 실시 예에 따른 배터리 팩 및 전압 측정장치를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면 실시 예에 따른 배터리 팩(1)은 상기 전압 측정장치(3)와 병렬로 연결될 수 있다.
상기 전압 측정장치(3)는 분압부(10), 샘플링부(20), 기준전압부(30), 감산부(40) 및 변환부(50)를 포함할 수 있다.
상기 분압부(10)는 상기 배터리 팩(1)의 양단과 병렬 연결될 수 있다. 상기 분압부(10)는 상기 배터리 팩(1)의 양단의 팩전압(Vpack)을 분압하여, 상기 샘플링부(20)로 전달하는 역할을 할 수 있다.
상기 분압부(10)는 제1 스위치 회로(11), 제1 저항(R1), 제2 저항(R2) 및 제3 저항(R3)을 포함할 수 있다.
상기 제1 저항(R1), 제2 저항(R2) 및 제3 저항(R3)은 직렬로 연결될 수 있다.
상기 제1 스위치 회로(11)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다. 상기 제1 스위치(SW1)는 상기 제1 저항(R1)과 상기 배터리 팩(1)의 일단을 전기적으로 연결하고, 상기 제2 스위치(SW2)는 상기 제3 저항(R3)과 상기 배터리 팩(1)의 타단 사이를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 분압부(10)는 상기 제1 스위치(SW1), 제1 저항(R1), 제2 저항(R2), 제3 저항(R3) 및 제2 스위치(SW2)가 직렬로 연결된 형태로 구성될 수 있다.
상기 샘플링부(20)는 상기 분압부(10)에 의해 분압된 전압을 추출하여 상기 감산부(40)로 전달할 수 있다. 상기 샘플링부(20)는 상기 제1 내지 제3 저항(R1 내지 R3) 중 적어도 어느 하나의 저항의 양단의 전압을 추출하여 상기 감산부(40)로 전달할 수 있다.
상기 샘플링부(20)는 제2 스위칭 회로(21), 제3 스위칭 회로(23) 및 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
상기 제2 스위칭 회로(21)는 상기 제1 내지 제3 저항(R1 내지 R3) 중 적어도 어느 하나의 저항의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다. 도면에서는 상기 제2 스위칭 회로(21)가 상기 제2 저항(R2) 양단에 연결된다.
상기 제2 스위칭 회로(21), 커패시터(C) 및 제3 스위칭 회로(23)는 순차적으로 병렬로 연결될 수 있다.
상기 제2 스위칭 회로(21)는 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)를 포함할 수 있고, 상기 제3 스위칭 회로(23)는 제5 스위치(SW5) 및 제6 스위치(SW6)를 포함할 수 있다.
상기 커패시터(C)의 일단은 상기 제3 스위치(SW3) 및 제5 스위치(SW5)와 연결될 수 있고, 상기 커패시터(C)의 타단은 상기 제4 스위치(SW4) 및 제6 스위치(SW6)와 연결될 수 있다. 상기 커패시터(C)는 상기 분압부(10)로부터 분압된 전압을 커패시터 전압(Vc)으로 충전할 수 있다.
상기 분압부(10)는 상기 배터리 팩(1)으로부터의 고전압을 분압하여 상기 샘플링부(20)로 공급함으로써 상기 커패시터(C)를 저용량으로 설계할 수 있다. 즉, 상기 샘플링(20) 부에는 상기 배터리 팩(1)에 비해 저전압이 공급됨으로써 상기 커패시터(C)를 저용량으로 설계할 수 있어 제조단가를 절감할 수 있다.
상기 기준전압부(30)는 기준전압(Vref)을 생성하여 상기 변환부(50)로 공급하고, 상기 기준전압(Vref)을 반전시켜 반전된 기준전압(-Vref)을 상기 감산부(40)로 공급할 수 있다.
상기 기준전압부(30)는 기준전원(31) 및 반전 증폭기 회로를 포함할 수 있다.
상기 기준전원(31)은 기준전압(Vref)을 생성하여 상기 변환부(50) 및 상기 반전 증폭기 회로의 입력단으로 공급할 수 있다.
상기 반전 증폭기 회로는 제1 연산증폭기(33), 제4 저항(R4) 및 제5 저항(R5)을 포함할 수 있다. 상기 제4 저항(R4)은 상기 기준전원(31) 및 상기 제1 연산증폭기(33)의 반전 입력단 사이에 연결될 수 있다. 상기 제5 저항(R5)은 상기 연산증폭기(33)의 반전 입력단과 출력단 사이에 연결될 수 있다.
상기 반전 증폭기 회로는 상기 기준전원(31)으로부터 상기 기준전압(Vref)을 공급받고, 이를 반전하여, 반전된 기준전압(-Vref)을 상기 감산부(40)로 공급할 수 있다.
상기 감산부(40)는 상기 샘플링부(20)의 커패시터 전압(Vc) 및 상기 기준전압부(30)로부터의 반전된 기준전압(-Vref)을 공급받고 상기 변환부(50)로 측정전압(Vm)을 출력할 수 있다.
상기 감산부(40)는 제2 연산 증폭기(41), 제6 저항(R6), 제7 저항(R7) 및 제8 저항(R8)을 포함하는 가산 증폭기 회로로 구성될 수 있다.
상기 제6 저항(R6)은 상기 샘플링부(20)와 상기 제2 연산 증폭기(41)의 반전 입력단 사이에 연결될 수 있다. 상기 제7 저항(R7)은 상기 기준 전압부(30)와 상기 제2 연산 증폭기(41)의 반전 입력단 사이에 연결될 수 있다. 상기 제8 저항(R8)은 상기 제2 연산 증폭기(41)의 반전 입력단과 출력단 사이에 연결될 수 있다.
상기 감산부(40)는 상기 커패시터 전압(Vc) 및 상기 반전된 기준전압(-Vref)을 가산 증폭기 회로로 가산하여 측정전압(Vm)을 생성하여 출력할 수 있다. 결과적으로 상기 감산부(40)는 상기 커패시터 전압(Vc)과 기준전압의 감산된 결과를 측정전압(Vm)으로 생성하여 변환부(50)로 출력할 수 있다.
상기 변환부(50)는 ADC(Analog to Digital Converter)일 수 있다.
상기 변환부(50)는 아날로그 값인 상기 측정전압(Vm) 및 상기 기준전압(Vref)을 입력받아 디지털 값으로 변경하여 상기 제어부(5)로 전달할 수 있다. 상기 변환부(50)는 상기 제어부(5)에 포함될 수 있다.도 4는 실시 예에 따른 전압 측정장치의 스위칭에 따른 회로도를 나타내고, 도 5는 실시 예에 따른 전압 측정장치에 의해 변화되는 배터리 팩 전압을 나타낸 개략도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 실시 예에 따른 배터리 팩(1)은 양단의 팩전압(Vpack)을 출력할 수 있다.
상기 팩전압(Vpack)은 상기 분압부(10)로 인가될 수 있다.
도 4a와 같이 제1 스위칭 회로(11) 및 제2 스위칭 회로(21)가 단락된 상태에서 상기 분압부(10)로 상기 팩전압(Vpack)이 인가될 수 있다. 이 때, 상기 제3 스위칭 회로(23)는 개방된다.
상기 팩전압(Vpack) 중 안정적인 전압값을 출력하는 범위를 유효범위로 정의할 수 있다.
상기 팩전압(Vpack)은 상기 분압부(10)를 통과하며, 직렬 연결된 제1 내지 제3 저항(R1 내지 R3)에 의해 분압되어 제2 저항(R2)의 양단의 전압이 커패시터 전압(Vc)으로 상기 커패시터(C)에 충전될 수 있다.
상기 커패시터 전압(Vc)은 상기 팩전압(Vpack)에 의해 분압된 전압이므로, 상기 커패시터(C)는 상기 팩전압(Vpack)을 직접 충전하는 커패시터에 비해 작은 용량을 가질 수 있다. 상기 커패시터(C)를 저용량으로 설계하여 제조단가를 절감할 수 있다.
상기 커패시터 전압(Vc)은 상기 팩전압(Vpack)의 비례 축소된 전압으로 상기 팩전압(Vpack)의 유효 영역과 대응되는 유효 영역을 가진다.
상기 커패시터(C)가 충전된 후 상기 분압부(10) 및 샘플링부(20)는 도 4b와 같이 스위칭될 수 있다.
상기 제1 스위칭 회로(11) 및 제2 스위칭 회로(21)는 개방되고, 상기 제3 스위칭 회로(23)는 단락된다. 상기 제3 스위칭 회로(23)가 단락되어 상기 샘플링부(20)는 상기 감산부(40)와 전기적으로 연결된다. 상기 커패시터 전압(Vc)은 상기 감산부(40)로 공급될 수 있다.
상기 샘플링부(20)는 분압부(10) 및 감산부(40)와 순차적으로 연결됨으로써 상기 감산부(40)로부터의 부하효과를 줄일 수 있어, 정확한 상기 배터리 팩(1)의 전압을 측정할 수 있다.
상기 감산부(40)는 상기 커패시터 전압(Vc)과 반전된 기준전압(-Vref)을 입력받고 이를 가산하여 측정전압(Vm)을 출력한다. 즉, 상기 감산부(40)는 상기 커패시터 전압(Vc)으로부터 상기 기준전압(Vref)을 감산하여 측정전압(Vm)을 출력한다.
상기 감산부(40)에 의해 상기 커패시터 전압(Vc) 중 기준전압(Vref) 이상의 전압값이 상기 측정전압(Vm)으로 출력될 수 있다. 상기 기준전압(Vref)을 팩전압(Vpack)의 유효 영역의 하한에 대응되도록 설정한다면, 상기 변환부(50)는 상기 유효 영역에서의 전압값을 보다 정확히 측정할 수 있다. 다시 말해, 상기 감산부(40)는 유효 영역과 대응되는 측정전압(Vm)을 상기 변환부(50)로 공급할 수 있다.
상기 변환부(50)의 성능 중 분해능(resolution)은 디지털 출력값을 한 등급만큼 변화시키기 위한 아날로그 입력의 최소 변화를 의미한다. 상기 분해능은 상기 변환부가 표현할 수 있는 최소 아날로그량을 나타낸다.
상기 분해능은 상기 변환부(50)에 입력되는 아날로그 값의 범위와 관련되므로, 상기 측정전압(Vm)이 유효 영역과 대응되는 값으로 입력된다면, 상기 변환부(50)의 분해능을 충분히 이용하여 상기 측정전압(Vm)을 디지털 값으로 변환할 수 있다. 즉, 상대적으로 분해능이 작은 저사양 변환부를 이용한다고 하더라도, 배터리 팩(1)의 유효 영역에서의 전압을 정확히 측정할 수 있다.
이로써, 상기 변환부(50)의 단가를 절감할 수 있다.
1: 배터리 팩 3: 측정장치
5: 제어부 10: 분압부
20: 샘플링부 30: 기준전압부
40: 감산부 50: 변환부

Claims (10)

  1. 배터리팩의 양단에 병렬 연결되며, 상기 배터리 팩의 양단의 전압을 분압하여 출력하는 분압부;
    상기 분압부를 통해 분압된 전압을 충전하는 커패시터를 포함하고, 상기 커패시터에 충전된 전압을 출력하는 샘플링부;
    기준 전압을 생성하고, 상기 생성된 기준 전압을 반전한 반전 기준 전압을 출력하는 기준 전압부;
    상기 샘플링부를 통해 출력되는 전압과 상기 반전 기준전압을 감산하여 측정전압을 출력하는 감산부; 및
    상기 측정 전압을 디지털 값으로 변환하는 변환부를 포함하며,
    상기 샘플링부의 상기 커패시터는,
    상기 분압부 및 상기 감산부에 교대로 연결되어, 상기 분압된 전압을 충전 및 방전하며,
    상기 기준 전압부는,
    기준 전압을 생성하여 출력하는 기준 전원과,
    상기 기준 전원으로부터 출력되는 상기 기준 전압을 반전하여 상기 반전된 기준 전압을 출력하는 반전 증폭기 회로를 포함하는 배터리 팩의 전압 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분압부는,
    서로 직렬 연결된 제 1 내지 3 저항과,
    상기 배터리 팩의 일단과 상기 제 1 저항 사이에 배치되는 제 1 스위치와,
    상기 배터리 팩의 타단과 상기 제 3 저항 사이에 배치되는 제 2 스위치를 포함하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 샘플링부는,
    상기 제 1 저항 및 상기 제 2 저항 사이의 접점과 상기 커패시터의 일단 사이에 배치되는 제 3 스위치와,
    상기 제 2 저항 및 상기 제 3 저항 사이의 접점과 상기 커패시터의 타단 사이에 배치되는 제 4 스위치와,
    상기 커패시터의 일단과 상기 감산부의 일단 사이에 배치되는 제 5 스위치와,
    상기 커패시터의 타단과 상기 감산부의 타단 사이에 배치되는 제 6 스위치를 포함하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커패시터의 충전 조건에서, 상기 제 1 내지 4 스위치는 단락되고, 상기 제 5 및 6 스위치는 개방되며,
    상기 커패시터의 방전 조건에서 상기 제 1 내지 4 스위치는 개방되고, 상기 제 5 및 6 스위치는 단락되는 배터리 팩의 전압 측정장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 감산부는 상기 배터리 팩에서의 유효 영역에 대응하는 전압을 출력하고,
    상기 기준 전압은 상기 유효 영역의 하한에 대응되게 설정되는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반전 증폭기 회로는,
    제1 연산증폭기;
    상기 기준전원 및 상기 제1 연산증폭기의 반전 입력단 사이에 연결되는 제4 저항; 및
    상기 제1 연산증폭기(33)의 반전 입력단과 출력단 사이에 연결되는 제5 저항을 포함하는 배터리 팩의 전압 측정 장치.
  7. 배터리 팩;
    상기 배터리 팩의 전압을 측정하며, 제 1 항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 포함된 전압 측정 장치; 및
    상기 전압 측정 장치를 통해 측정된 전압에 따라 상기 배터리 팩의 충방전을 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 제어 시스템.
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