KR102512061B1 - 배터리 모듈을 위한 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈을 위한 센서 시스템(100)에 관한 것으로서, 센서 시스템(100)은 전류 경로에 각각 연결되도록 구성된 제1 전류 클램프(11) 및 제2 전류 클램프(12)와, 제1 전압 클램프(15) 및 제2 전압 클램프(16)와, 제1 전류 클램프(11) 및 제2 전류 클램프(12)를 전기적으로 연결하는 측정 저항(14)을 포함한다. 측정 저항(14)은, 측정 저항(14)에 인접하게 위치된 제1 전압 클램프(15)와 제2 전압 클램프(16) 사이에 배치된다. 센서 시스템(100)은 제1 전압 클램프(15)에 전기적으로 연결된 제1 랜딩 패드(21) 및 제2 전압 클램프(16)에 전기적으로 연결된 제2 랜딩 패드(22)를 더 포함한다. 또한, 센서 시스템(100)에서, 제1 온도 센서(23)는 제1 랜딩 패드(21)에 연결되고 제2 온도 센서(24)는 제2 랜딩 패드(22)에 연결된다.

Description

배터리 모듈을 위한 센서 시스템{SENSOR SYSTEM FOR BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈을 위한 배터리 시스템, 특히 배터리 시스템의 전류를 측정하기 위한 센서 시스템에 관한 것이다. 센서 시스템은 션트 저항기를 포함하며, 션트 저항기에 대한 열전 효과가 고려된다.
이차 배터리(rechargeable or secondary battery)는 충전과 방전을 반복적으로할 수 있다는 점에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지로 비가역적 변환만을 하는 일차 배터리(primary battery)와 다르다. 저용량의 이차 배터리는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치용 전원으로서 사용되는 반면, 고용량의 이차 배터리는 하이브리드(hybrid) 차량 등을 위한 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 배터리들은 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극 단자들을 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 화학적 반응을 통해 이차 배터리의 충전 및 방전이 가능하도록 하기 위해, 이차 배터리의 케이스 내부로 전해질 용액이 주입된다. 케이스의 형상은 예를 들어, 원통형, 직사각형 등으로 배터리의 용도에 따라서 달라진다. 최근 개발 중인 전기 차량들에는 랩탑(laptop) 및 가전 제품들에 널리 사용되는 것으로 알려진 리튬 이온(및 비슷한 리튬 폴리머) 배터리가 주로 적용된다.
이차 배터리들은 예를 들어, 하이브리드 차량의 모터 구동을 위한 경우와 같이 높은 에너지 밀도를 제공하기 위해, 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 배터리 셀로 형성되는 배터리 모듈로 사용될 수 있다. 즉, 배터리 모듈은 고출력의 충전식 배터리를 구현하기 위해, 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 배터리셀의 전극 단자들을 연결하여 형성된다.
배터리의 전력 출력 및 충전에 대한 고정(static) 제어만으로는 배터리 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자들의 동적 전력 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. 따라서, 배터리 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에는 지속적 또는 간헐적인 정보 교환이 요구된다. 배터리 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에 교환되는 정보는, 전기 소비자의 실제/예측된 전력 수요나 잉여 전력뿐만 아니라, 배터리 시스템의 충전 상태(State of Charge, SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항을 포함한다.
배터리 시스템은 통상적으로 전술한 정보들을 처리하기 위해 배터리 관리 장치(Battery Management Unit, BMU) 또는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)을 포함한다. BMS/BMU는 적절한 통신 버스, 예를 들어, SPI 또는 CAN 인터페이스를 통해 다양한 전기 소비자들의 제어기와 통신할 수 있다. BMS/BMU는 각 배터리 서브 모듈, 특히 각 배터리 서브 모듈의 셀 감시 회로(Cell Supervision Circuit, CSC)와 통신할 수 있다. CSC는 각 배터리 서브 모듈의 배터리 셀들을 상호 연결할 수 있는 배터리 서브 모듈의 셀 연결 및 감지 유닛(cell connection and sensing unit)과 연결될 수 있다.
과전압 및 저전압은 안전성 위험을 초래할 수 있고 시스템의 서비스 수명을 저하시킬 수 있으므로, 리튬 이온 배터리 시스템은 일반적으로 배터리 셀들의 전압을 모니터링할 필요가 있다. 또한, 배터리 시스템의 전류는, 예를 들어 전류-시간 적분(current-time-integration)에 의해, 실제 SOC를 도출하기 위해서도 검출된다. 배터리 전류를 측정하는 일반적인 방법은 배터리 시스템의 전류 경로에 정확하게 알려진 작은 옴 저항(ohmic resistance)을 갖는 션트(shunt)를 도입하는 것이다. 션트에서의 전압 강하를 측정하면 알려진 저항 값을 사용하여 전류를 결정할 수 있다. 션트에서의 전압 강하는 작은 것이 바람직하므로, 매우 정확한 전압 검출 시스템이 요구되며, 따라서 일반적으로 CCU 및/또는 CSC에서 구현된다.
배터리 시스템에서 발생하는 전류를 측정하기 위해 사용되는 일반적인 션트 저항기는, 전류를 측정하기 위해, 전류 경로에 각각 연결되도록 구성된 두 개의 전류 클램프(current clamp)들을 포함한다. 션트 저항기의 두 개의 전류 클램프들은 실제 측정 저항에 의해 연결된다. 측정 저항은 일반적으로 예를 들어 망가닌(Manganin), 이소탄(Isotan) 등과 같은 적합한 합금에 의해 형성된다. 전류 클램프들은 가격이 높은(cost-intensive) 측정 저항의 합금으로 형성되지 않고 일반적으로 구리 또는 알루미늄 등으로 형성됨으로써, 열전 효과(thermoelectric effect)가 측정 저항과 상이할 수 있다.
이와 같이, 션트 저항기를 형성하기 위해 상이한 금속들이 사용됨으로써, 이들 금속들의 열전 효과가 전류 측정 결과에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 도 1에서는 이러한 문제가 도시된다. 도 1(B)는 전압 감지를 통한 전류 측정에 일반적으로 사용되는 일반적인 션트 저항기(110)를 도시하고, 도 1(A)는 도 1(B)의 션트 저항기(110)의 위치에 따른 온도 프로파일을 도시한다. 도 1(B)의 션트 저항기(110)는 제1 전류 클램프(111) 및 제2 전류 클램프(112)를 포함하고, 이들은 각각 금속으로 형성되고 전류 경로, 특히 배터리 셀들의 기둥형 단자들(미도시)에 연결되는 홀(113)을 포함한다. 제1 및 제2 전류 클램프(111, 112)는 망가닌으로 형성된 측정 저항(114)을 통해 서로 연결된다. 션트 저항기(110)를 통한, 특히 측정 저항(114)을 통한 전압 강하를 측정함으로써, 션트 저항기(110)를 흐르는 전류가 결정될 수 있다. 배터리 모듈과의 연결들에서 경계 저항(transition resistance)들의 영향을 피하기 위해, 종래에는 예를 들어 측정 회로에 연결된 와이어 본드들을 통해 측정 저항(114)에 직접 인접하여 전압이 측정되었다.
도 1(A)에 추가로 도시된 바와 같이, 제1 전류 클램프(111)에서의 온도는 제2 전류 클램프(112)에서의 온도보다 상당히 높다. 이러한 온도의 계단식 변화는, 예를 들어 릴레이가 제1 전류 클램프(111)에 인접하게 위치되고 추가적인 열을 제1 전류 클램프(111)에 가하는 것과 같이, 상이한 이유를 가질 수 있다. 또한, 제2 전류 클램프(112)에 인접하게 차량 또는 다른 방열판에 대한 연결부가 형성되어 제2 전류 클램프(112)의 온도를 상당히 낮출 수도 있다. 합금의 높은 열 저항으로 인해 가장 큰 온도 구배(temperature gradient)가 측정 저항(114)에서 형성된다.
션트 저항기(110) 상의 온도 구배가 알려지면, 열전 효과가 전압 측정으로부터 전류를 결정하는 계산에 의해 보상될 수 있다. 그러나, 션트 저항기(110)가 일반적으로 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)과 같은 회로 캐리어 또는 배터리 모듈에 직접 장착되기 때문에, 온도 센서 소자와 션트 저항기(10) 사이의 열 결합은 매우 복잡하다. 지금까지 온도 센서는 종종 열 접착제를 통해 션트 저항기에 장착되었으며, 이는 비싸고 복잡한 공정으로 배터리 시스템의 전자 시스템 생산에 통합하는 것 또한 어렵다.
본 발명의 실시 예들을 통해 해결하고자 하는 과제는, 열 영향을 고려하고 배터리 시스템을 위한 제어 유닛에 쉽게 통합될 수 있는 전류 측정을 위한 센서 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 배터리 모듈을 위한 센서 시스템, 상세하게는 배터리 모듈의, 또는 배터리 모듈 내의 전류를 측정하기 위한 측정 시스템이 제공된다.
센서 시스템은 적어도 다음 구성 요소를 갖는 션트 저항기(shunt resistor)를 포함한다. 션트 저항기는 제1 전류 클램프(clamp) 및 제2 전류 클램프를 적어도 포함하고, 제1 전류 클램프 및 제2 전류 클램프는 각각 배터리 모듈의 전류 경로에 연결되도록 구성된다. 다시 말해서, 션트 저항기는 배터리 모듈의 전류 경로에 통합되도록 구성되며, 전류 경로를 따라서 전류가 측정되어야 한다. 션트 저항기는 제1 전류 클램프와 제2 전류 클램프를 전류 경로에 연결함으로써 전류 경로에 통합된다. 션트 저항기는 제1 전압 클램프 및 제2 전압 클램프를 더 포함한다. 여기에서, 전압 클램프들은, 예를 들어 전압 측정 회로에 전압 신호들을 제공하기 위해, 션트 저항기로부터 전압 신호들이 탭핑(tapping)되도록 구성된다.
센서 시스템의 션트 저항기는 제1 전류 클램프와 제2 전류 클램프를 전기적으로 연결하는 측정 저항을 더 포함한다. 다시 말해, 측정 저항은 제1 전류 클램프와 제2 전류 클램프 사이에 배치되고, 전류 클램프들을 기계적으로도 연결한다. 측정 저항은 정확하게 정의된 값의 옴 저항(ohmic resistance)을 갖는다. 측정 저항은 측정될 전류의 크기에 적합한 옴 저항을 갖는다. 배터리 모듈에서 사용되는 측정 저항들은 예를 들어, 100μΩ의 옴 저항을 갖는다. 그러나, 최근 배터리 모듈들의 전류가 증가함에 따라, 측정 저항은 100μΩ보다 작은 옴 저항, 예를 들어, 50μΩ 또는 25μΩ의 옴 저항을 가질 수도 있다. 측정 저항은 제1 전압 클램프와 제2 전압 클램프 사이에 배치되며, 전압 클램프들은 측정 저항에 인접하게 위치된다. 전압 클램프들은 측정 저항에 직접 접하게 위치된다. 따라서, 측정 저항은 또한 전기적으로, 또는 기계적으로도, 제1 전압 클램프와 제2 전압 클램프를 연결할 수 있다. 그러나, 추가적인 전기 절연 수단 또는 기계적 연결 수단이, 측정 저항과 전압 클램프들 사이에서 사용될 수도 있다.
센서 시스템은 제1 전압 클램프에 전기적으로 연결된 제1 랜딩 패드(landing pad) 및 제2 전압 클램프에 전기적으로 연결된 제2 랜딩 패드를 더 포함한다. 따라서, 제1 랜딩 패드는 제1 전압 클램프로부터 제1 전압 신호를 수신하도록, 즉 제1 전압 클램프와 동일한 전위에 있도록 구성된다. 제2 랜딩 패드는 제2 전압 클램프로부터 제2 전압 신호를 수신하도록, 즉 제2 전압 클램프와 동일한 전위에 있도록 구성된다. 랜딩 패드들은 따라서 전압 클램프들에 전기적으로 연결된 접촉 패드(contact pad)에 대응한다. 랜딩 패드들은 션트 저항기로부터 분리되고, 션트 저항기와 독립적이다. 즉, 랜딩 패드들은 션트 저항기의 일부를 구성하지 않을 수 있다.
센서 시스템은 제1 랜딩 패드에 연결된 제1 온도 센서, 및 제2 랜딩 패드에 연결된 제2 온도 센서를 더 포함한다. 제1 온도 센서는 제1 랜딩 패드의 온도를 측정하도록 구성되고, 제1 랜딩 패드와 동일한 온도(적어도 열 평형 상태)일 수 있다. 제2 온도 센서는 제2 랜딩 패드의 온도를 측정하도록 구성되며, 제2 랜딩 패드와 동일한 온도(적어도 열 평형 상태)일 수 있다.
션트 저항기의 전압 클램프들을 위한 랜딩 패드들(접촉 패드들)에 온도 센서들을 결합함으로써, 온도 센서들과 션트 사이의 우수한 열 결합이 구현된다. 이러한 랜딩 패드들은 션트 저항기를 통해 흐르는 전류를 결정하기 위해 측정 저항에 대한 전압 강하를 측정할 때, 션트 저항기로부터의 전압 신호들을 탭핑하기 위해 제공될 필요가 있다. 따라서, 온도 센서들을 션트 저항기에 열적으로 결합시키기 위해 추가적인 구조물들이 필요하지 않으며, 또한 전체 센서 시스템이 표면 장착(surface mounted)될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 전류 클램프 및 제2 전류 클램프는 각각 적어도 하나의 배터리 셀의 단자에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 접촉 홀(contact hole)을 포함한다. 각각의 접촉 홀은 배터리 셀의 기둥형 또는 원통형 단자에 끼워 지도록 구성된다. 즉, 션트 저항기는 적어도 두 개의 배터리 셀의 셀 단자들을 연결하기 위한 버스바(busbar)로 구성될 수 있다. 션트 저항기는 배터리 모듈의 상부에 장착된 셀 연결 유닛(cell connecting unit, CCU) 또는 셀 감시 회로(cell supervision circuit, CSC)의 일부이다. 또한, 션트 저항기는 배터리 모듈 내에 전기적으로 직렬 연결된 두 개의 배터리 셀의 셀 단자들을 전기적으로 연결하는 버스바일 수도 있다. 또한, 각 전류 클램프에 형성된 접촉 홀은, 예를 들어 각각의 전류 클램프를 하나 이상의 배터리 셀의 단자에 용접하기 위한 툴을 통해, 툴이 거기에 삽입될 수 있도록 구성된다. 접촉 홀들은 션트 저항기로부터의 방열을 향상시킨다.
다른 실시 예에서, 제1 전류 클램프는 적어도 하나의 제1 극성의 제1 셀 단자에 전기적으로 연결되도록 구성되고, 제2 전류 클램프는 동일한 수량의 제2 극성의 제2 셀 단자에 전기적으로 연결되도록 구성된다. 전류 클램프들은 이들이 연결될 각각의 배터리 셀 단자에 맞춰 물질(material)(또는 물질), 크기 및 형상이 조정된다. 제1 전류 클램프 및 제2 전류 클램프는 하나 이상의 각각의 셀 단자에 연결되도록 구성된다. 예를 들어, 각 전류 클램프는 병렬로 연결된 배터리 셀들의 복수의 단자에 연결되도록 구성될 수 있다.
제1 전류 클램프는 제1 극성의 제1 셀 단자와 동일한 물질(또는 재료)을 포함하거나 동일한 물질(또는 재료)로 구성된다. 따라서, 이종금속 접촉부식이 유리하게 회피된다. 그 점에서, 제1 전류 클램프 전체의 물질, 또는 제1 전류 클램프에서 제1 단자(들)와 실제로 접촉하도록 구성된 접촉 영역의 물질만이라도 제1 단자(들)의 물질로 조정된다. 제2 전류 클램프는 제2 극성의 제2 셀 단자들과 동일한 물질(또는 재료)을 포함하거나 동일한 물질(또는 재료)로 구성된다. 따라서, 이종금속 접촉부식이 유리하게 회피된다. 그 점에서, 제2 전류 클램프 전체의 물질, 또는 제2 전류 클램프에서 실제로 제2 단자(들)와 접촉하도록 구성된 접촉 영역의 물질만이라도 제2 단자(들)의 물질로 조정된다. 제1 전류 클램프 및 제2 전류 클램프는 또한 동일한 물질, 예를 들어 구리 또는 알루미늄으로 형성될 수도 있다.
측정 저항은 망가닌(Manganin), 콘스탄탄(Constantan), 이소탄(Isotan), 이사벨린(isabellin), 및/또는 열적으로 안정된 옴 저항을 갖는 다른 물질을 포함하거나 이로 구성된다. 전압 클램프들은 각 전류 클램프와 동일한 물질이며, 즉 제1 전압 클램프는 제1 전류 클램프와 동일한 물질이고, 제2 전압 클램프는 제2 전류 클램프와 동일한 물질이다. 예를 들어, 제1 및 제2 전압 클램프는 구리 또는 알루미늄을 포함하거나 이로 구성된다.
또 다른 실시 예에서, 센서 시스템은 배터리 모듈의 제어 유닛을 수용(carrying)하도록 구성된 회로 캐리어(circuit carrier)를 더 포함한다. 회로 캐리어는 강성 회로 보드(rigid circuit board), 연성 회로 보드(flexible circuit board, FCB) 또는 이들의 조합일 수 있다. 강성 회로 캐리어는 예를 들어, 금속박막(metallization) 또는 전도성 폴리머(conductive polymer)로 형성된 복수의 전도성 구조물, 그리고 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)을 포함할 수 있다. 연성 회로 보드는 또한 금속박막 또는 전도성 폴리머로 형성된 복수의 전도성 구조물을 포함할 수 있으며, 인쇄된 연성 회로(FPC)일 수 있다.
이 실시 예에 따르면, 제1 랜딩 패드 및 제2 랜딩 패드는 회로 캐리어의 표면 상에 전도성 구조물로서 형성된다. 전도성 구조물은, 금속박막 또는 전도성 폴리머로 형성된다. 여기서, 제1 및 제2 랜딩 패드들이 형성되는 회로 캐리어의 표면은, 평평하고(flat) 넓게 펼쳐진(extended) 평면 형상 회로 캐리어의 제1 메인 표면(main surface)이다. 이 실시 예에 따르면, 션트 저항기는 회로 캐리어의 (제1 메인) 표면에 장착된다. 다시 말해서, 션트 저항기는 (제1 메인) 표면에 기계적으로 부착되고, 션트 저항기의 전압 클램프들은 제1 메인 표면 상의 각 랜딩 패드에 전기적으로(그리고 열적으로) 연결된다. 션트 저항기의 제1 및 제2 전압 클램프는 각 랜딩 패드에 납땜, 용접 또는 와이어 본딩된다.
이 실시 예에 따르면, 온도 센서들은 회로 캐리어의 (제1 메인) 표면에 표면 실장(surfaced mount)된다. 다시 말해서, 이 실시 예에 따르면, 션트 저항기, 랜딩 패드들 및 온도 센서들은 표면 실장 부품(surface mounted device, SMD)으로 구성된다. 제1 및 제2 온도 센서는 각 랜딩 패드에 전기적으로 그리고 열적으로 연결된다. 이 실시 예에 따르면, 마이크로 전자 공학의 표준 프로세스만을 사용하여 센서 시스템의 용이한 조립 및 장착을 가능하게 한다.
센서 시스템의 제1 온도 센서는 제1 서미스터(thermistor)이고, 센서 시스템의 제2 온도 센서는 제2 서미스터이다. 온도 센서들은 음의 온도 계수(negative temperature coefficient, NTC) 서미스터 또는 양의 온도 계수(positive temperature coefficient, PTC) 서미스터이며, 두 온도 센서들 모두 동일한 종류이다. 이 실시 예에 따르면, 센서 시스템의 각 랜딩 패드에 대해 온도 센서들의 열적인 그리고 전기적인 결합을 이용할 수 있다. 그러나, 센서 시스템은 다른 유형의 온도 센서를 가지도록 구현될 수도 있다. 즉, 임의의 종류의 온도 센서가 션트 저항기의 전압 클램프들과 각 랜딩 패드(금속박막) 사이에 열적으로 결합할 수 있다.
센서 시스템의 또 다른 실시 예에 따르면, 제1 전류 클램프는 제1 바 엘리먼트(bar element)로 구성되고, 제2 전류 클램프는 제2 바 엘리먼트로 구성된다. 다시 말해서, 전류 클램프들 각각은 평면 형상의 평평한 부품으로 구성된다. 이 실시 예에서 측정 저항은 제1 바 엘리먼트와 제2 바 엘리먼트를 연결하는 제3 바 엘리먼트로 구성된다. 이 실시 예에 따르면, 제1 및 제2 바 엘리먼트, 즉 제1 및 제2 전류 클램프는 제3 바 엘리먼트, 즉 측정 저항과 함께 길이 방향으로 연장되는 공통 바(common bar)를 형성한다. 따라서, 션트 저항기는 배터리 모듈 어셈블리에서 제조 및 취급이 특히 간단해질 수 있다.
이 실시 예에 따르면, 제1 전압 클램프는 제1 전류 클램프(또는 션트 저항기)의 길이 방향에 대해 각진 방향으로, 예를 들어, 길이 방향에 수직인 방향으로 제1 바 엘리먼트로부터 연장되는 제1 돌출부(protrusion)로서 형성된다. 또한, 제2 전압 클램프는 제2 전류 클램프(또는 션트 저항기)의 길이 방향에 대해 각진 방향으로, 예를 들어, 길이 방향에 수직인 방향으로 제2 바 엘리먼트로부터 연장되는 제2 돌출부로서 형성된다. 이 실시 예에서와 같이, 추가적인 전압 클램프들을 제공하는 것은 유리하게는, 전류 클램프들의 접촉 지점들 및 전류 경로에서 측정 저항을 초과할 수 있는 경계 저항들이 전압 측정을 덜 방해함으로써, 측정 정확도를 증가시킨다. 또한, 각진 돌출부에 의해 형성된 전압 클램프들은 이러한 전압 클램프들의 랜딩 패드들에 대한 전기적 및 열적 결합을 단순화한다.
센서 시스템의 또 다른 실시 예에 따르면, 제1 전압 클램프는 제1 랜딩 패드를 통해 제1 전압 감지 라인에 연결된다. 여기에서, 제1 전압 감지 라인은 제1 랜딩 패드를 통해 제1 전압 클램프로부터 제1 전압 신호를 수신하도록 구성된다. 여기에서, 제1 전압 신호는 제1 전압 클램프에서의 전압(전위)을 나타낸다. 제1 전압 라인은 회로 기판의 (제1 메인) 표면 상의 전도성 구조물이며, 금속박막 또는 전도성 폴리머로 형성된다. 제1 전압 라인은 수신된 제1 전압 신호를 회로 기판 상에 배치되는 전압 측정 회로에 전송하도록 추가로 구성된다. 또한, 제1 전압 클램프는 제1 랜딩 패드 및 제1 온도 센서를 통해 제1 온도 감지 라인에 연결될 수도 있다. 여기에서, 제1 온도 감지 라인은 제1 온도 센서로부터 제1 온도 신호를 수신하도록 구성되며, 제1 온도 신호는 제1 전압 클램프의 온도를 나타낸다. 제1 온도 감지 라인은 또한 제1 온도 신호를, 예를 들어 회로 보드 상의, 온도 측정 회로에 전송하도록 구성된다.
센서 시스템의 또 다른 실시 예에 따르면, 제2 전압 클램프는 제2 랜딩 패드를 통해 제2 전압 감지 라인에 연결된다. 여기에서, 제2 전압 감지 라인은 제2 랜딩 패드를 통해 제2 전압 클램프로부터 제2 전압 신호를 수신하도록 구성된다. 여기에서, 제2 전압 신호는 제2 전압 클램프에서의 전압(전위)을 나타낸다. 제2 전압 라인은 회로 기판의 (제1 메인) 표면 상의 전도성 구조물이며, 금속박막 또는 전도성 폴리머로 형성된다. 제2 전압 라인은 수신된 제2 전압 신호를 회로 보드 상에 배치되는 전압 측정 회로로 전송하도록 추가로 구성된다. 제2 전압 클램프는 제2 랜딩 패드 및 제2 온도 센서를 통해 제2 온도 감지 라인에 연결된다. 여기에서, 제2 온도 감지 라인은 제2 온도 센서로부터 제2 온도 신호를 수신하도록 구성되며, 제2 온도 신호는 제2 전압 클램프의 온도를 나타낸다. 제2 온도 감지 라인은 제2 온도 신호를, 예를 들어 회로 보드상의, 온도 측정 회로에 전송하도록 구성된다. 이 실시 예에서, 제1 및 제2 온도 센서는 서미스터이다.
전술한 실시 예들에 따르면, 제1 랜딩 패드와, 제1 전압 감지 라인 및 제1 온도 감지 라인 중 적어도 하나 사이의 열적 결합이 감소하거나 제한된다. 또한, 제2 랜딩 패드와, 제2 전압 감지 라인 및 제2 온도 감지 라인 중 적어도 하나 사이의 열적 결합 또한 감소 또는 제한된다. 전술한 바와 같이, 감지 라인들은 각 (전기) 신호를 각각의 측정 회로에 전송하도록 구성된다. 전기 전도성이 열 전도성을 동반함에 따라, 랜딩 패드들은 또한 각각의 측정 회로에 열적으로 결합된다. 그러나, 랜딩 패드들에 대한 이들 측정 회로들의 열 영향을 제한하기 위해, 즉 랜딩 패드들에서의 온도 측정의 정확도를 높이기 위해, 이들 감지 라인들 중 적어도 일부와 각 랜딩 패드의 열적 결합이 감소된다.
또 다른 실시 예에서, 각 감지 라인으로부터의 랜딩 패드들의 열 결합은 전압 감지 라인 및/또는 온도 감지 라인의 적어도 국소적인 시닝(thinning)에 의해 감소 또는 제한된다. 즉, 각 감지 라인의 열 전도성 단면(thermally conductive cross section)이 감소될 수 있다. 여기서, 각 감지 라인의 시닝은 각 랜딩 패드에 인접하여 배치될 수 있다. 국소적인 시닝은 대응하는 감지 라인의 연장부의 일부를 따라 감지 라인의 열 전도성 단면을 감소시킨다. 그러나, 시닝은 또한 감지 라인의 연장부 전체를 따라 연장될 수 있어, 감지 라인 전체가 감지 라인을 따른 열 전파가 무시될 수 있도록 치수가 결정된다. 감지 라인의 적어도 국소적인 시닝에 의한 열적 결합의 감소는 유리하게도, 예를 들어 포토리소그래픽(photolithographic) 기술에 의해, 마이크로 전자 구조물들의 일반적인 구조화 방법에서 구현하기 쉽다.
전술한 바와 같이, 제1 및 제2 전압 감지 라인은, 제1 및 제2 랜딩 패드 각각으로부터 제1 및 제2 전압 신호(Sens+ 및 Sens-) 각각을 수신하도록 구성된다. 제1 및 제2 전압 감지 라인은 또한 제1 및 제2 전압 신호를 적어도 하나의 전압 측정 회로에 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 및 제2 전압 신호를 위해 개별 전압 측정 회로가 사용될 수도 있다. 또한 예를 들어, 단일 전압 측정 회로가 회로 보드 상에 배치되어 제1 전압 신호 및 제2 전압 신호를 수신하도록 구성될 수도 있다. 적어도 하나의 전압 측정 회로는 아날로그인 제1 및 제2 전압 신호에 기초하여, 전압 값, 예를 들어 디지털 코드화된 전압 값을 결정하도록 구성된다. 전압 측정 회로는 적어도 하나의 기준 전압을 수신하며 적어도 하나의 비교기를 포함한다.
전술한 바와 같이, 제1 및 제2 온도 감지 라인은 제1 및 제2 전압 센서 각각으로부터 제1 및 제2 온도 신호(TMP1 및 TMP2) 각각을 수신하도록 구성된다. 제1 및 제2 온도 감지 라인은 또한 제1 및 제2 온도 신호를 적어도 하나의 온도 측정 회로에 제공(전송)하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 및 제2 온도 신호를 위해 개별 온도 측정 회로가 사용될 수도 있다. 또한, 예를 들어, 단일 온도 측정 회로가 회로 보드 상에 배치되어 제1 온도 신호 및 제2 온도 신호를 수신하도록 구성될 수도 있다. 온도 측정 회로는 또한 아날로그인 제1 및 제2 온도 신호에 기초하여 온도 값, 예를 들어 디지털 코드화된 전압 값을 결정하도록 구성된다. 온도 측정 회로는 적어도 하나의 기준 전압을 수신하고 적어도 하나의 연산 증폭기, 및 적어도 하나의 비교기를 포함한다.
제1 및 제2 온도 센서는 제1 및 제2 서미스터로서 구성될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 온도 센서 각각에 기준 전압을 인가함으로써 제1 및 제2 온도 신호들이 전기 신호로서 쉽게 획득된다. 각각의 온도 감지 라인 상의 전압은, 제1 서미스터 및 제2 서미스터의 전기 저항에 각각 의존적이며, 이러한 전기 저항들 자체는 각각의 온도 센서들에 열적 및 전기적으로 연결된 각각의 제1 및 제2 랜딩 패드의 온도에 따라 달라진다. 이 실시 예에서는, 기준 전압 노드가 제1 온도 감지 라인 및 제2 온도 감지 라인에 연결된다. 그러나, 상이한 기준 전압 노드가 온도 감지 라인들에 각각 연결될 수도 있다.
전술한 실시 예에 따르면, 온도 감지 라인들 상의 전압들은 기준 전압 및 서미스터들의 온도-의존 저항에 의존한다. 온도 감지 라인들의 이러한 전압들은 랜딩 패드들을 통해 션트 저항기에 결합되어 션트 저항기를 통과하는 추가 전류를 발생시킨다. 이러한 추가 전류는 전류 측정을 방해할 수 있으므로, 적어도 하나의 기준 전압 노드는 제1 저항기를 통해 제1 온도 감지 라인에 그리고 제2 저항기를 통해 제2 온도 감지 라인에 연결된다. 여기에서, 제1 및 제2 저항기의 옴 저항은 션트 저항기 상의 기준 전압에 기초한 추가 전류를, 예를 들어 500μA 이하의 전류로, 충분히 제한하도록 설정된다. 이러한 제1 및 제2 저항기는 션트 저항기와 직렬로 연결되며, 이에 따라 션트 저항기 상의 추가 전류가 효과적으로 제한된다. 제1 및 제2 온도 센서 각각은 션트 저항기를 통해 접지에 연결된다.
실시 예에 따르면, 션트 저항기 상의 전압 강하는 또한 상이한 기준 전압들로 인해 제1 및 제2 온도 감지 라인 상의 온도 신호에 영향을 줄 수 있다. 제1 및 제2 온도 신호에 기초하여 온도를 결정하는 동안 이러한 기준 전압들 간의 차이가 고려되지 않으면, 이들 상이한 기준 전압들은 온도 측정에서 잠재적인 오차에 기여할 수 있다. 따라서, 전압 측정 회로와 온도 측정 회로는 서로 통신하도록 구성된다. 따라서, 전압 측정 회로는, 온도 측정 회로가 온도 센서들에 인가되는 상이한 기준 전압들을 계산할 수 있도록 하기 위해, 션트 저항기 상의, 특히 측정 저항 상의 전압 강하에 대해 온도 측정 회로에 통지할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 센서 시스템의 회로 캐리어는 배터리 모듈에 연결되고 배터리 모듈의 적어도 하나의 배터리 셀에 대한 전압 및 온도 신호들을 수신하도록 구성된 셀 감시 회로(cell supervision circuit, CSC)를 수용한다. CSC는 또한 이들 신호들을 처리하고, 또는 배터리 모듈의 배터리 셀들의 능동 및/또는 수동 밸런싱을 수행하도록 구성될 수 있다. CSC는 추가적인 CSC들 및/또는 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)과 통신하도록 추가로 구성될 수 있다. 센서 시스템의 회로 캐리어는, 배터리 모듈에 연결되고 적어도 하나의 배터리 셀을 CSC에 연결하도록 구성된 셀 연결 유닛(cell connecting unit, CCU)을 가진다. CCU는 회로 캐리어 및 복수의 랜딩 패드, 온도 감지 라인들 및 전압 감지 라인들 외에 추가적인 랜딩 패드들을 포함할 수 있다. 회로 캐리어는, 배터리 셀, 배터리 (서브)모듈들 또는 배터리 시스템의 비상 셧다운, 충전, SOC 추정 및 BMS에 연결된 전기 부하들과의 통신을 포함하는 배터리 모듈에 대한 높은 수준의 제어 동작들을 수행하도록 구성된 배터리 관리 유닛(battery management unit, BMU), 또는 BMS를 가진다.
본 발명의 다른 양태는 종속항들, 첨부된 도면들 및 첨부된 도면들의 다음의 상세한 설명에 개시되어있다.
실시 예들에 따르면, 열 영향을 고려하여 배터리 모듈에서의 전류 측정을 허용하는 배터리 모듈을 위한 센서 시스템이 제공된다. 특히, 센서 시스템은 션트 저항기를 따라서의(션트 저항기 전체에 걸친) 전압 강하와 함께, 션트 저항기를 따라서의(션트 저항기 전체에 걸친) 온도 강하를 측정하기 위한 간단한 솔루션을 제공한다. 따라서 센서 시스템은 션트를 통해 매우 정밀한 전류 측정이 가능하다.
도 1(A)는 종래 기술의 션트 저항기에 따른 온도 프로파일을 개략적으로 도시하고, 도 1(B)는 종래 기술에 따른 션트 저항기를 도시한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 센서 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 센서 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 다른 실시 예에 따른 센서 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 센서 시스템의 회로도를 도시한다.
이하, 실시 예들을 참조하여 상세하게 설명되며, 그 예들은 첨부 도면들에 도시되어 있다. 이하 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예들의 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 상세히 설명한다. 도면들에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 나타내며, 그에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 본 발명은, 그러나, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다. 오히려, 이들 실시 예들은 본 개시가 완전해지고 본 발명의 특징들을 당업자에게 전달하기 위해 예시로서 제공된다.
따라서, 본 발명의 양태 및 특징들의 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않다고 여겨지는 프로세스들, 엘리먼트들, 및 기술들은 설명되지 않을 수 있다. 도면에서, 엘리먼트들, 층들 및 영역들의 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다. 본 문서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 복수의 항목들 중 어느 하나의 항목을 포함한다. 또한, 실시 예들을 설명 시 "~할 수 있다", "~일 수 있다"를 사용하는 것은 본 발명의 하나 이상의 실시 예를 나타낸다. 다음의 실시 예들에 대한 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥에 달리 명시되지 않는한 복수 형태를 포함할 수 있다.
본 문서에서 "제1", "제2", 등의 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해서만 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 본 문서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 복수의 항목들 중 어느 하나의 항목을 포함한다. 구성요소들의 목록 앞에서의 "적어도 하나"와 같은 표현은 구성요소들의 전체 목록을 수식하고, 목록의 개별 구성요소를 수식하지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "실질적으로", "약", "대략" 및 이와 유사한 용어들은 근사(approximation) 용어로 사용되고 정도(degree)를 나타내는 용어로는 사용되지 않으며, 측정 값들 또는 계산 값들에 내재된 편차를 설명하기 위한 것임을 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다. 또한, "실질적으로"라는 용어가 수치를 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합되어 사용되는 경우, "실질적으로"라는 용어는 ± 5%의 범위를 나타낸다.
도 1은 도입부에서 이미 설명하였으므로 반복되는 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 시스템(100)을 개략적으로 도시한다. 센서 시스템(100)은 전류 경로(미도시), 특히 배터리 모듈의 전류 경로에 통합되도록 구성된 션트 저항기(shunt resistor, 10)를 포함한다. 션트 저항기(10)는 바(bar)-형상의 금속 조각으로, 접촉 홀(contact hole, 13)을 각각 포함하는 제1 전류 클램프(first current clamp, 11) 및 제2 전류 클램프(second current clamp, 12)를 포함한다. 접촉 홀(13)은 전류 경로, 예를 들어 배터리 모듈의 배터리 셀들(미도시)의 셀 단자들에 대한, 션트 저항기(10)의 연결을 용이하게 하도록 구성된다. 여기서, 배터리 셀의 단자들은 접촉 홀(13)을 관통하여 삽입되거나, 접촉 홀(13)을 통해 용접 작업이 수행될 수 있다. 제1 전류 클램프(11) 및 제2 전류 클램프(12)의 금속 물질은 셀 단자들의 물질에 맞춰 정해질 수 있다.
제1 전류 클램프(11)와 제2 전류 클램프(12)는 제1 전류 클램프(11)와 제2 전류 클램프(12) 사이에 배치된 측정 저항(14)에 의해 서로 분리된다. 측정 저항(14)은 온도 변화에 대해 실질적으로 안정화된 물질, 예를 들어, 망가닌(Manganin)으로 형성되고, 정확하게 결정된 옴 저항(예를 들어, 75μΩ)을 가질 수 있다. 션트 저항기(10)는 제1 전류 클램프(11)로부터 션트 저항기(10)의 길이 방향에 수직인 방향으로 돌출한 제1 전압 클램프(first voltage clamp, 15)를 더 포함할 수 있다. 여기서 길이 방향은 제1 전류 클램프(11)로부터 측정 저항(14)에 걸쳐 제2 전류 클램프(12)로 연장되는 방향을 나타낸다. 션트 저항기(10)는 제2 전류 클램프(12)로부터 션트 저항기(10)의 길이 방향에 수직인 방향으로 돌출한 제2 전압 클램프(second voltage clamp, 16)를 더 포함한다.
션트 저항기(10)의 제1 전압 클램프(15)는 센서 시스템(100)의 제1 랜딩 패드(first landing pad, 21)에 연결되고, 제2 전압 클램프(16)는 센서 시스템(100)의 제2 랜딩 패드(second landing pad, 22)에 연결된다. 여기에서, 각각의 제1 랜딩 패드(21) 및 제2 랜딩 패드(22)는 구리 접촉 패드(contact pad)일 수 있다. 제1 랜딩 패드(21)의 크기는 제1 전압 클램프(15)의 크기를 초과한다. 특히, 션트 저항기(10)의 길이 방향으로의 제1 랜딩 패드(21)의 폭은, 션트 저항기(10)의 길이 방향으로의 제1 전압 클램프(15)의 폭을 초과한다. 제2 랜딩 패드(22)의 크기는 제2 전압 클램프(16)의 크기를 초과한다. 특히, 션트 저항기(10)의 길이 방향으로의 제2 랜딩 패드(22)의 폭은, 션트 저항기(10)의 길이 방향으로의 제2 전압 클램프(16)의 폭을 초과한다.
랜딩 패드들(21, 22)의 크기가 각각의 전압 클램프(15, 16)의 크기를 초과하는 것은, 제1 랜딩 패드(21)에 대한 제1 온도 센서(23)의 연결과 제2 랜딩 패드(22)에 대한 제2 온도 센서(24)의 연결에 유리하다. 온도 센서들(23, 24)은 각각의 랜딩 패드(21, 22)에 열적으로 연결되고, 각각의 랜딩 패드(21, 22)는 각각의 전압 클램프(15, 16)에 열적으로 연결된다. 따라서, 센서 시스템(100)은 온도 센서들(23, 24)의 복잡한 본딩 컨셉(bonding concept) 없이, 전압 클램프들(15, 16)의 온도 및 그에 따른 션트 저항기(10)의 온도 구배(temperature gradient)를 정확히 측정할 수 있게 한다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 센서 시스템(100)을 개략적으로 도시한다. 여기서, 센서 시스템(100)은, 센서 시스템(100)의 구성 요소들을 표면 실장 부품(surface mounted device, SMD)으로서 수용하도록 구성된 회로 캐리어(circuit carrier, 20)를 더 포함한다. 회로 캐리어(20)는 평면이며, 뷰어(viewer)를 향하는 제1 메인 표면(first main surface) 및 제1 메인 표면과 대향하는 제2 메인 표면(second main surface, 미도시)을 포함한다. 션트 저항기(10)는 절연 접착제(insulating glue)를 사용해 제1 메인 표면에 부착되고, 접촉 홀(13)을 통해, 그리고 접촉 홀(13)들과 정렬된 회로 캐리어(20)의 대응하는 홀들을 통해 배터리 모듈의 배터리 셀들의 셀 단자들을 삽입함으로써 배터리 모듈의 전류 경로에 연결된다.
이 실시 예에 따르면, 제1 및 제2 랜딩 패드(21, 22)는 회로 캐리어(20)의 제1 메인 표면 상에 구리 표면 금속박막(metallization)으로 형성된다. 또한, 제1 랜딩 패드(21)에는 제1 전압 감지 라인(25)이 연결되고, 제2 랜딩 패드(22)에는 제2 전압 감지 라인(26)이 연결된다. 제1 및 제2 전압 감지 라인(25, 26)은 또한 회로 캐리어(20)의 제1 메인 표면 상에 구리 표면 금속박막으로서 형성된다. 각각의 제1 및 제2 랜딩 패드(21, 22)에 인접한 제1 및 제2 전압 감지 라인(25, 26)에는 국소적인 시닝(thinning, 29)이 형성되어 있다. 국소적인 시닝(29)은 각각의 제1 및 제2 랜딩 패드(21, 22)에 인접한 전압 감지 라인들(25, 26)의 열 전도성 단면(thermally conductive cross-section)을 감소시킴으로써, 전압 감지 라인들(25, 26)과 각각의 랜딩 패드(21, 22) 사이의 열적 결합을 감소시키는 역할을 한다.
또한, 제1 온도 감지 라인(first temperature sensing line, 27)이 제1 센서 패드(first sensor pad, 27a)를 통해 제1 온도 센서(first sensor pad, 23)에 연결되고, 제2 온도 감지 라인(second temperature sensing line, 28)이 제2 센서 패드(second sensor pad, 28a)를 통해 제2 온도 센서(24)에 연결된다. 온도 감지 라인들(27, 28) 및 센서 패드들(27a, 28a)은 또한 회로 캐리어(20) 상에 구리 표면 금속박막으로서 형성된다. 온도 감지 라인들(27, 28)의 전체 단면들은 온도 감지 라인들(27, 28)의 열 전도성이 무시될 수 있도록, 제1 또는 제2 전압 감지 라인(25, 26)에서의 국소적인 시닝(29)의 단면에 대응한다. .
이 실시 예에 따르면, 제1 전압 감지 라인(25)은 제1 랜딩 패드(21)로부터 제1 전압 신호를 탭핑(tapping)하며, 여기서 제1 전압 신호는 제1 전압 클램프(15)에서의 전압 전위에 대응한다. 또한, 제2 전압 감지 라인(26)은 제2 랜딩 패드(22)로부터 제2 전압 신호를 탭핑하며, 여기서 제2 전압 신호는 제2 전압 클램프(16)에서의 전압 전위에 대응한다. 따라서, 제1 및 제2 전압 신호의 조합은 션트 저항기(10)에서의 전압 강하를 나타내며, 예를 들어 차동 증폭기 등을 포함하는 전압 측정 회로에 의해 평가될 수 있다.
또한, 이 실시 예에 따르면, 제1 온도 감지 라인(27)은 제1 온도 센서(23)로부터 제1 온도 신호를 탭핑하고, 제2 온도 감지 라인(28)은 제2 온도 센서(24)로부터 제2 온도 신호를 탭핑한다. 여기에서, 제1 및 제2 온도 신호 각각은 각각의 온도 센서(23, 24)의 출력일 수 있고, 또는 온도 센서들(23, 24)에 의해 영향을 받는 신호, 예를 들어 전압 신호일 수 있다. 제1 온도 신호는 제1 랜딩 패드(21) 및 제1 전압 클램프(15)에서의 온도를 나타내며, 제2 온도 신호는 제2 랜딩 패드(22) 및 제2 전압 클램프(16)에서의 온도를 나타낸다.
이 실시 예에 따르면, 제1 온도 센서(23)는 제1 NTC 서미스터(negative temperature coefficient thermistor)이고 제2 온도 센서(24)는 제2 NTC 서미스터이다. 제1 및 각각의 온도 센서(23, 24)를 통해 각각의 온도 신호를 유도하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 기준 전압이 온도 센서(23, 24)에 인가된다. 또한, 제1 및 제2 온도 센서(23, 24) 각각은 션트 저항기(10)를 통해 접지(46)에 연결된다. 따라서, 온도 신호들은 기준 전압 및 NTC 서미스터들(23, 24)의 온도-의존 저항(temperature-dependent resistance)에 의해 결정된다.
도 4는 다른 실시 예에 따른 센서 시스템(100)을 개략적으로 도시하며, 회로 캐리어(20)는 제1 전압 감지 라인(25) 및 제2 전압 감지 라인(26)에 연결된 전압 측정 회로(31)를 더 포함한다. 전압 측정 회로(31)는 제1 전압 감지 라인(25)을 통해 제1 전압 신호를 수신하고 제2 전압 감지 라인(26)을 통해 제2 전압 신호를 수신하도록 구성된다. 전압 측정 회로(31)는 또한 수신된 제1 및 제2 전압 신호에 기초하여 션트 저항기(10)에 대한 전압 강하를 결정하도록 구성된다. 전압 측정 회로(31)는 또한 결정된 전압 강하, 및 측정 저항(14)의 옴 저항(ohmic resistance)의 저장된 값에 기초하여 션트 저항기(10)를 통과하는 전류를 결정하도록 구성될 수 있다. 당업자는 연산 증폭기, 차동 증폭기, 비교기 등과 같은 아날로그 하드웨어 구성 요소(analogue hardware component)들을 사용하거나, 예를 들어, ASICS, 프로그래밍가능한 마이크로컨트롤러, 등과 같은 집적 회로들을 사용하여 전압 측정 회로(31)를 설계하는 여러 가지 방법을 알고 있다.
도 4에 도시된 센서 시스템(100)은 회로 캐리어(20) 상에 배치되어, 제1 온도 감지 라인(27)을 통해 제1 온도 신호를 수신하도록 구성되고 제2 온도 감지 라인(28)을 통해 제2 온도 신호를 수신하도록 구성된 온도 측정 회로(32)를 더 포함한다. 도 4의 실시 예에서, 제1 및 제2 온도 감지 라인(27, 28)은 또한 각각의 온도 센서(23, 24)에 인접한 국소적인 시닝을 포함한다.
온도 측정 회로(32)는 또한 수신된 제1 온도 신호에 기초하여 제1 랜딩 패드(21)의 온도를 결정하고, 수신된 제2 온도 신호에 기초하여 제2 랜딩 패드(22)의 온도를 결정하도록 구성된다. 여기에서, 배터리 모듈의 전류 경로를 따라 흐르는 전류에 기초한 션트 저항기(10) 상의 전압 강하는, 제1 및 제2 온도 센서(23, 24)에 인가되어 제1 및 제2 온도 신호의 기초가 되는 기준 전압들 간에 차이를 발생시켜, 온도 결정에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 온도 측정 회로(32)는 정보를 교환하기 위해 전압 측정 회로(31)와 통신하도록 구성된다. 또한, 전압 측정 회로(31)는 온도 측정 회로(32)와 통신하도록 구성된다. 전압 측정 회로(31)와 온도 측정 회로(32) 사이의 통신은 도 4에 도시된 점선 화살표로 표시된 바와 같이 데이터 통신 경로(33)를 통해 발생한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 센서 시스템(100)의 회로도를 도시한다. 회로도는 도 3 및 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같은 센서 시스템(100)에 적용되며, 동일한 구성요소는 동일한 참조 부호로 표시된다. 도 5에 도시된 바와 같은 센서 시스템(100)은 배터리 모듈의 전류 경로에 배치되는 측정 저항(14)을 포함한다. 또한, 제3 저항기(44) 및 제4 저항기(45)가 전류 경로에 배치되고, 션트 저항기 및 이에 따른 측정 저항(14)과 직렬로 연결된다. 제1 전압 신호(SENS+)는 제1 전압 감지 라인(25)을 통해 측정 저항(14)에 인접하여 탭핑되고, 제2 전압 신호(SENS-)는 제2 전압 감지 라인(26)을 통해 측정 저항(14)에 인접하여 탭핑된다. 전압 감지 라인들(25, 26)은 도 4에 도시된 바와 같이 전압 신호들(SENS+, SENS-)을 전압 측정 회로(31)에 제공할 수 있다.
또한, 제1 온도 센서로서의 제1 NTC 서미스터(23)는, 측정 저항(14)에서 인접하게, 특히 도 2 내지 도 4 각각에 도시된 바와 같이 제1 전압 클램프(미도시)에 인접하게, 션트 저항기와 접촉하고 있다. 5V의 기준 전압(VREF)이 기준 전압 노드 (41)로부터 그리고 10k의 제1 (강하) 저항기(42)를 통해 제1 온도 센서(23)에 인가된다. 제1 온도 센서(23)로 인가된 기준 전압(VREF)은 측정 저항(14)을 통해 접지(46)로 전도된다. 제1 저항기(42)로 인해, 기준 전압으로 인해 발생한 션트 저항기에 대한 추가 전류가 최대 500μA로 제한된다. 또한, 제2 온도 센서로서의 제2 NTC 서미스터(24)는, 측정 저항(14)에 인접하게, 특히 도 2 내지 도 4 각각에 도시된 바와 같이, 제2 전압 클램프(미도시)에서 인접하게, 션트 저항기와 접촉하고 있다. 5V의 기준 전압(VREF)이 또한 기준 전압 노드(41)로부터 그리고 10k의 제2 (강하) 저항기(43)를 통해 제2 온도 센서(24)에 인가된다. 제2 온도 센서(24)로 인가된 기준 전압(VREF)은 또한 접지(46)로 전도된다. 따라서 기준 전압으로 인해 션트 저항기를 통과하는 추가 전류가 최대 500μA로 제한된다. 따라서 션트 저항기를 통한 전류 측정에서 기준 전압(VREF)으로 인한 추가 전류가 무시될 수 있다. 제1 온도 센서(23) 및 제2 온도 센서(24)에서의 온도 산출 시, 제1 온도 감지 라인(27) 상의 제1 온도 신호 및 제2 온도 감지 라인(28) 상의 제2 온도 신호에 대한 전압 차이가 각각 고려된다. 이러한 전압 차는 측정 저항(14) 상의 전압 강하, 즉 ΔV = (SENS+) - (SENS-)에 해당하며, 이는 도 4에 도시된 바와 같이 전압 측정 회로(31)에 의해 결정될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 온도 측정 회로(32)에 통보될 수 있다.
10: 션트 저항기
11: 제1 전류 클램프
12: 제2 전류 클램프
13: 접촉 홀
14: 측정 저항
15: 제1 전압 클램프
16: 제2 전압 클램프
20: 회로 캐리어
21: 제1 랜딩 패드
22: 제2 랜딩 패드
23: 제1 온도 센서
24: 제2 온도 센서
25: 제1 전압 감지 라인
26: 제2 전압 감지 라인
27: 제1 온도 감지 라인
28: 제2 온도 감지 라인
31: 전압 측정 회로
32: 온도 측정 회로
33: 통신 라인들
41: 기준 전압 노드
42: 제1 (강하) 저항기
43: 제2 (강하) 저항기

Claims (15)

  1. 배터리 모듈을 위한 센서 시스템으로서,
    상기 배터리 모듈의 전류 경로에 각각 연결되도록 구성된 제1 전류 클램프(current clamp) 및 제2 전류 클램프, 제1 전압 클램프(voltage clamp) 및 제2 전압 클램프, 상기 제1 전류 클램프와 상기 제2 전류 클램프를 전기적으로 연결하고, 상기 제1 전압 클램프와 상기 제2 전압 클램프 사이에 배치되는 측정 저항을 포함하는 션트 저항기,
    상기 제1 전압 클램프에 전기적으로 연결된 제1 랜딩 패드(landing pad), 및 상기 제2 전압 클램프에 전기적으로 연결된 제2 랜딩 패드,
    상기 제1 랜딩 패드에 연결된 제1 온도 센서, 및
    상기 제2 랜딩 패드에 연결된 제2 온도 센서를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전압 클램프는 상기 측정 저항에 인접하게 배치되며,
    상기 제1 전압 클램프는 상기 제1 전류 클램프로부터 상기 제1 랜딩 패드 측으로 돌출되고, 상기 제1 전압 클램프는 상기 제2 전류 클램프로부터 상기 제2 랜딩 패드 측으로 돌출되는, 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류 클램프 및 상기 제2 전류 클램프는 각각, 배터리 셀의 단자에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 접촉 홀(contact hole)을 포함하는, 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정 저항은 망가닌(Manganin), 콘스탄탄(Constantan), 이소탄, 또는 이사벨린(isabellin)으로 구성된, 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전류 클램프 및 상기 제1 및 제2 전압 클램프는 구리 또는 알루미늄으로 구성된, 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 제어 유닛을 수용하도록 구성된 회로 캐리어를 더 포함하고,
    상기 제1 랜딩 패드 및 상기 제2 랜딩 패드는 상기 회로 캐리어의 표면 상에 전도성 구조물로서 형성되고,
    상기 션트 저항기는 상기 회로 캐리어의 표면에 실장되며,
    상기 제1 및 제2 온도 센서는 상기 회로 캐리어의 표면에 표면 실장되는, 센서 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도 센서는 제1 서미스터(thermistor)이고,
    상기 제2 온도 센서는 제2 서미스터인, 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류 클램프는 제1 바 엘리먼트(bar element)로 구성되고,
    상기 제2 전류 클램프는 제2 바 엘리먼트로 구성되며,
    상기 측정 저항은 상기 제1 바 엘리먼트와 상기 제2 바 엘리먼트를 연결하는 제3 바 엘리먼트로 구성되고
    상기 제1 바 엘리먼트, 상기 제2 바 엘리먼트, 및 상기 제3 바 엘리먼트는, 상기 션트 저항기의 길이 방향으로 연장되는 공통 바(common bar)를 형성하는, 센서 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전압 클램프는 상기 제1 바 엘리먼트로부터 상기 길이 방향에 각진 방향으로 연장된 제1 돌출부로서 형성되고,
    상기 제2 전압 클램프는 상기 제2 바 엘리먼트로부터 상기 길이 방향에 각진 방향으로 연장된 제2 돌출부로서 형성된, 센서 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압 클램프는 상기 제1 랜딩 패드를 통해 제1 전압 감지 라인에 연결되고, 상기 제1 랜딩 패드 및 상기 제1 온도 센서를 통해 제1 온도 감지 라인에 연결되며,
    상기 제2 전압 클램프는 상기 제2 랜딩 패드를 통해 제2 전압 감지 라인에 연결되고, 상기 제2 랜딩 패드 및 상기 제2 온도 센서를 통해 제2 온도 감지 라인에 연결되는, 센서 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 랜딩 패드와, 상기 제1 및 제2 전압 감지 라인 및 상기 제1 및 제2 온도 감지 라인 중 적어도 하나 사이의 열적 결합이 감소된, 센서 시스템
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전압 감지 라인 또는 상기 제1 및 제2 온도 감지 라인에 대한 상기 제1 및 제2 랜딩 패드의 감소된 열적 결합은, 상기 제1 및 제2 전압 감지 라인 또는 상기 제1 및 제2 온도 감지 라인의 적어도 국소적인 시닝(thinning)에 의해 구현되는, 센서 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전압 감지 라인은 전압 신호들을 전압 측정 회로에 제공하고 상기 제1 및 제2 온도 감지 라인은 온도 신호들을 온도 측정 회로에 제공하도록 구성된, 센서 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    기준 전압 노드가 제1 저항기를 통해 상기 제1 온도 감지 라인에 연결되고, 제2 저항기를 통해 상기 제2 온도 감지 라인에 연결된, 센서 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전압 측정 회로 및 상기 온도 측정 회로는 서로 통신하도록 구성된, 센서 시스템.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 회로 캐리어는 셀 감시 회로(cell supervision circuit), 셀 연결 유닛(cell connecting unit), 배터리 관리 유닛(battery management unit), 및 배터리 관리 시스템(battery management system) 중 적어도 하나를 수용하는, 센서 시스템.
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