KR102554007B1 - 배터리 상태 감지 장치 및 배터리 상태 감지 방법 - Google Patents

배터리 상태 감지 장치 및 배터리 상태 감지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 상태 감지 장치 및 이를 이용한 배터리 상태 감지 방법으로서, 본 발명의 일 실시예는 차량에 장착된 배터리 팩의 이상 동작 여부를 감지하는 배터리 상태 감지 장치로서, 상기 배터리 팩의 내부에 배치되고 상기 배터리 팩을 구성하는 각각의 배터리 셀의 온도를 측정하는 내부 온도 센싱 소자; 상기 배터리 팩의 외부에 배치되고 상기 배터리 팩의 내부에서 전도된 온도를 측정하는 외부 온도 센싱 소자; 상기 차량의 미구동 상태에서 상기 내부 온도 센싱 소자 및 상기 외부 온도 센싱 소자를 이용하여 상기 배터리 팩의 이상 동작 여부를 진단하는 이상 동작 진단부; 상기 배터리 팩을 정상 동작시키기 위한 후속 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부에 동작 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함할 수 있다.

Description

배터리 상태 감지 장치 및 배터리 상태 감지 방법{Battery status detection device and battery status detection method}
본 발명은 배터리 상태 감지 장치 및 이를 이용한 배터리 상태 감지 방법으로서, 보다 구체적으로는 차량이 정차 또는 주차되어 미구동하는 상태에서 과도한 전력을 소모하지 않고도 차량에 장착된 배터리 팩의 상태를 감지하여 상기 배터리 팩의 이상 동작 여부를 진단할 수 있는 배터리 상태 감지 장치 및 이를 이용한 배터리 상태 감지 방법에 관한 것이다.
차량에 장착된 배터리 팩이 이상 동작을 하여 온도가 상승하는 경우 배터리 팩 열화현상이 발생하여 수명이 단축될 수 있고, 심한 경우에는 화재가 발생하여 차량 탑승자의 안전을 위협할 수 있다. 이를 방지하기 위해 배터리 팩의 이상 동작을 모니터링하는 것은 매우 중요한 문제이며, 연기 감지 센서를 이용하는 방법, 배터리 팩의 전압을 모니터링하는 방법, 배터리 셀의 스웰링 현상(배터리 셀이 부풀어 오르는 현상)에 따른 압력을 센싱하는 방법 등을 통해 배터리 팩의 이상 동작을 모니터링할 수 있다.
다만, 이러한 모니터링의 수행을 위해서는 BMS(Battery Management System)가 상시 구동중이어야 하며 소모되는 전류가 크기 때문에 차량을 주차, 정차해 놓은 경우와 같은 차량의 미구동 상태에서도 에너지가 많이 사용된다는 문제가 있다. 그렇다고 하여 차량의 미구동 상태에서 BMS의 전원을 off하게 되면 전력의 소모는 최소화할 수 있으나 차량의 정차, 주차 중에 발생할 수 있는 배터리 팩의 이상 동작은 감지할 수 없게 된다는 문제가 있다.
한국등록특허공보 제10-1558655호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 차량의 미구동시에 전력 소모를 최소화하면서도 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있는 배터리 상태 감지 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 차량의 미구동시에 배터리 팩의 이상 동작 발생을 감지하는 경우에 배터리 팩의 정상 동작을 위한 후속 동작을 즉시 수행할 수 있는 배터리 상태 감지 장치 및 배터리 상태 감지 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 감지 장치는, 차량에 장착된 배터리 팩의 이상 동작 여부를 감지하는 장치로서, 상기 배터리 팩의 내부에 배치되고 상기 배터리 팩을 구성하는 각각의 배터리 셀의 온도를 측정하는 내부 온도 센싱 소자; 상기 배터리 팩의 외부에 배치되고 상기 배터리 팩의 내부에서 전도된 온도를 측정하는 외부 온도 센싱 소자; 상기 차량의 미구동 상태에서 상기 내부 온도 센싱 소자 및 상기 외부 온도 센싱 소자를 이용하여 상기 배터리 팩의 이상 동작 여부를 진단하는 이상 동작 진단부; 상기 배터리 팩을 정상 동작시키기 위한 후속 동작을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부에 동작 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이상 동작 진단부는, 상기 차량의 미구동 상태에서 상기 배터리 팩이 이상 동작을 하는 것으로 진단한 경우, 슬립(slip) 상태의 상기 전원공급부를 웨이크업(wake up) 시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 차량의 미구동 상태에서 구동이 오프(off)되어 있다가, 웨이크업된 상기 전원공급부로부터 구동 전원이 공급되면 구동이 온(on)되어 상기 후속 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부에 의해 제어되는 상기 후속 동작은, 상기 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 셀 밸런싱 장치의 구동 제어, 상기 배터리 팩의 냉각 장치의 구동 제어 중 적어도 하나일 수 있다.
한편, 상기 내부 온도 센싱 소자는 상기 배터리 셀의 개수에 대응하는 개수로 마련된 내부 NTC 서미스터(Negative temperature coefficient Thermistor)를 포함하고, 상기 외부 온도 센싱 소자는 상기 내부 NTC 서미스터의 일단과 접지 사이에 연결되는 외부 NTC 서미스터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이상 동작 진단부는, 상기 내부 NTC 서미스터의 일단과 접지 사이에 연결되며 상기 제어부의 동작 여부에 따라 온오프 전환되는 스위칭 소자; 및 상기 내부 NTC 서미스터의 일단으로부터 입력되는 제1 전압과 기 설정된 기준전압인 제2 전압을 비교하는 비교기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제어부의 구동이 온 되면, 상기 스위칭 소자는 온 상태로 전환되어 상기 내부 NTC 서미스터에 흐르는 전류가 상기 스위칭 소자를 통해 접지로 흐르며, 상기 제어부의 구동이 오프 되면, 상기 스위칭 소자는 오프 상태로 전환되어 상기 내부 NTC 서미스터에 흐르는 전류가 상기 외부 NTC 서미스터를 통해 접지로 흐를 수 있다.
또한, 상기 비교기는, 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우 상기 배터리 팩의 이상 동작 신호인 하이(High) 신호를 출력하고, 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 작거나 같은 경우 상기 배터리 팩의 정상 동작 신호인 로우(Low) 신호를 출력할 수 있다.
이때, 상기 전원공급부는, 상기 비교기로부터 상기 하이 신호를 전달받으면 웨이크업되어 상기 제어부에 전원을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 감지 방법은, 차량에 장착된 배터리 팩의 내부에 배치되고 상기 배터리 팩을 구성하는 각각의 배터리 셀의 온도를 측정하는 내부 온도 센싱 소자와, 상기 배터리 팩의 외부에 배치되고 상기 배터리 팩의 내부에서 전도된 열에 의한 온도를 측정하는 외부 온도 센싱 소자를 이용하여, 상기 차량의 미구동 중에도 상기 배터리 팩의 이상 동작 여부를 감지하기 위한 방법으로서, 상기 배터리 팩을 정상 동작시키기 위한 후속 동작을 제어하는 제어부의 구동이 오프(off)되고 상기 내부 온도 센싱 소자와 상기 외부 온도 센싱 소자간에 전류가 흐르도록 전기적으로 연결되는 단계; 비교기를 통해 상기 내부 온도 센싱 소자의 일단으로부터 입력되는 제1 전압과 기 설정된 기준 전압인 제2 전압을 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과, 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우 상기 후속 동작이 수행되는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 내부 온도 센싱 소자는 상기 배터리 셀의 개수에 대응하는 개수로 마련된 내부 NTC 서미스터를 포함하고, 상기 외부 온도 센싱 소자는 상기 내부 NTC 서미스터의 일단과 접지 사이에 연결되는 외부 NTC 서미스터를 포함할 수 있다.
한편, 상기 전기적으로 연결되는 단계는, 상기 내부 NTC 서미스터에 흐르는 전류가 상기 외부 NTC 서미스터를 통해 접지로 연결될 수 있다.
또한, 상기 비교하는 단계는, 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우 상기 비교기로부터 상기 배터리 팩의 이상 동작 신호인 하이(High) 신호가 출력되고, 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 작거나 같은 경우 상기 비교기로부터 상기 배터리 팩의 정상 동작 신호인 로우(Low) 신호가 출력될 수 있다.
또한, 상기 후속 동작이 수행되는 단계는, 상기 제어부에 구동 전원을 공급하는 전원공급부가 상기 비교기로부터 상기 하이 신호를 전달받아 웨이크업되는 단계; 상기 전원공급부로부터 구동 전원을 공급받은 상기 제어부의 구동이 온 되는 단계; 및 상기 제어부가 상기 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 구동 제어, 상기 배터리 팩의 냉각을 수행하는 배터리 팩 냉각 장치의 구동 제어 중 적어도 하나를 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 차량의 미구동시에 제어부가 오프되어 있고 전력 소모가 적은 회로를 사용하여 배터리 팩의 이상 동작을 감지하므로 전력 소모를 최소화하면서 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 차량의 미구동시에도 배터리 팩의 이상 동작을 감지하므로 차량의 안전성을 상승된다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리 팩의 이상 동작 발생이 감지되면 전원공급부가 웨이크업되어 제어부에 구동 전원을 공급하므로 배터리 팩을 정상 동작시키기 위한 후속 동작이 즉시 수행될 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 포함된 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 감지 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 상태 감지 장치를 구현할 수 있는 일 실시예로서 회로 구성을 포함한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 감지 방법의 흐름을 나타낸 순서도이다.
도 4는 도 3의 후속 동작 수행 단계의 세부 흐름을 나타낸 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 감지 장치(1)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 감지 장치(1)는, 차량에 장착된 배터리 팩(10)의 이상 동작 여부를 감지하는 장치로서, 내부 온도 센싱 소자(100), 외부 온도 센싱 소자(200), 이상 동작 진단부(300), 제어부(400) 및 전원공급부(500)를 포함할 수 있다.
내부 온도 센싱 소자(100)는 배터리 팩(10)의 내부에 배치되고 배터리 팩(10)을 구성하는 각각의 배터리 셀의 온도를 측정하는 구성이다. 내부 온도 센싱 소자(100)는 배터리 셀의 개수에 대응하는 개수로 마련된 내부 NTC 서미스터(Negative temperature coefficient Thermistor)(110,120)를 포함할 수 있다. 여기서, NTC 서미스터(110,120,130)란, 온도상승에 따라 저항값이 감소하는 부(-)의 온도계수를 가진 저항소자로서, 다시 말해 측정대상의 온도가 상승할수록 저항값이 감소하게 된다.
도 1에 도시된 실시예는 내부 온도 센싱 소자(100)의 온도 측정 대상이 배터리 셀로서 NTC 서미스터(110,120,130)가 각각의 배터리 셀의 온도 측정을 위해 배터리 셀의 개수에 대응하는 개수로 마련되어 있으나, 내부 온도 센싱 소자(100)의 온도 측정 대상은 배터리 모듈이 될 수도 있다. 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬 연결된 구성으로 이러한 배터리 모듈이 다수개 모여 전기적으로 연결되면 배터리 팩(10)을 구성하게 된다. 내부 온도 센싱 소자(100)의 온도 측정 대상이 배터리 모듈이 되는 경우에는 내부 NTC 서미스터(110,120,130)의 개수는 배터리 모듈의 개수에 대응하도록 구비될 수 있다.
외부 온도 센싱 소자(200)는 배터리 팩(10)의 외부에 배치되며, 배터리 팩(10)의 내부로부터 전도된 온도를 배터리 팩(10)의 외부에서 측정하는 구성이다. 이때, 외부 온도 센싱 소자(200)는 내부 NTC 서미스터(110,120,130)의 일단과 접지 사이에 연결되는 외부 NTC 서미스터(210)를 포함할 수 있다.(도 2 참조)
배터리 팩(10)이 정상 동작하는 상황을 가정해보자. 각각의 배터리 셀에서는 충전 및 방전 구동시 열이 발생하게 되고 배터리 셀을 구성하는 물질에 의한 열전도율에 따라 차이는 보이겠지만 배터리 팩(10)의 내부에서 발생한 열은 결국에는 배터리 팩(10)의 외부로 전도되며, 배터리 팩(10)의 외부 온도는 배터리 팩(10)의 내부 온도보다 낮거나 유사하게 포화(saturation)된다.
한편, 배터리 팩(10)이 이상 동작(배터리 셀의 과충전 및/또는 고장 상황 발생)하는 상황에서는 배터리 셀의 온도가 비정상적으로 높게 상승하게 된다. 따라서, 이상 동작을 하는 배터리 셀의 영향으로 배터리 팩(10) 내부의 온도와 배터리 팩(10) 외부의 온도의 차이가 특정 임계값 이상으로 커지게 된다. 이처럼 온도의 차이가 발생한 시점에서 배터리 팩(10)의 이상 동작이 감지되지 못하고 방치되는 경우에는 배터리 팩(10)의 외부로 열이 전도되어 배터리 팩(10)의 외부 온도까지 상승하게 되며, 이는 안전사고를 초래할 위험이 있는 바, 상기 온도의 차이가 발생한 시점에 즉시 배터리 팩(10)이 이상 동작 중이라는 것이 감지되어야 한다.
차량이 구동중인 때에는 제어부(400)가 동작중이므로 각각의 배터리 셀에 대응하는 NTC 서미스터(110,120)의 저항값의 변화에 따른 전압(VNTC_sen 1, VNTC_sen 2)을 제어부(400)의 온도 측정부(700)에서 측정할 수 있고 이를 온도로 변환하여 배터리 셀 각각의 온도를 감시하는 것, 및 배터리 셀 온도를 최적으로 제어하는 것이 가능하다. 다만, 상술한 바와 같이 차량이 미구동중인 때에도 이와 같은 방법으로 온도를 감시하는 것은 전력 소모가 큰 문제가 있으므로 차량이 제어부(400)를 오프시켰다가 전력 소모가 적은 회로를 이용하여 배터리 팩(10)의 이상 동작을 감지했을 때에만 제어부(400)를 온 시키면 차량의 안정성을 확보하면서도 전력 소모를 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 감지 장치(1)는 차량이 미구동중인 상태에서도 배터리 팩(10)의 외부와 내부에 각각 마련된 온도 센싱 소자(100,200)를 이용하여 배터리 팩(10)의 외부와 내부의 온도차가 설정된 임계치 이상의 차이를 보이는 경우 이를 감지할 수 있고 배터리 팩(10)이 이상 동작을 하고 있음을 진단할 수 있다. 즉, 일단 배터리 팩(10)이 이상 동작을 하고 있음이 진단된 이후에 제어부(400)가 온 되고 제어부(400)는 배터리 팩(10)에 포함된 다수의 배터리 셀들 중 어느 배터리 셀에 문제가 생긴 것인지 각각의 배터리 셀의 전압을 측정하여 알아낼 수 있다. 이후, 제어부(400)는 배터리 팩(10)의 정상 동작을 위한 후속 동작을 제어할 수 있다.
이를 위해, 이상 동작 진단부(300)는 차량의 미구동 상태에서 내부 온도 센싱 소자(100) 및 외부 온도 센싱 소자(200)를 이용하여 배터리 팩(10)의 이상 동작 여부를 진단할 수 있다. 이상 동작 진단부(300)가 어떻게 차량이 미구동중인 상태에서 배터리 셀의 이상 동작을 감지하는지는 제어부(400)와 전원공급부(500)에 대한 설명을 먼저 한 후에 이어 후술하기로 한다.
한편, 이상 동작 진단부(300)는 차량의 미구동 상태에서 배터리 팩(10)이 이상 동작을 하는 것으로 진단한 경우, 슬립(slip) 상태가 된 전원공급부(500)를 웨이크업(wake up) 시킬 수 있다. 전원공급부(500)는 차량이 정차 또는 주차되어 시동이 오프된 경우에 슬립 상태로 전환되어 전력 소모를 절감할 수 있다. 이때, 전원공급부(500)는 제어부(400)에 구동 전원을 공급하는 구성으로서 전원공급부(500)가 슬립 상태로 전환됨에 따라 제어부(400)의 구동 또한 오프될 수 있다.
제어부(400)는 차량의 BMS에 내장되어 배터리 셀, 배터리 모듈 및 배터리 팩의 동작과 관련된 전반적인 제어를 수행하는 구성으로서 MCU(Micro Controller Unit)일 수 있다. 제어부(400)는 차량의 미구동 상태에서 구동이 오프되어 있다가 이상 동작 진단부(500)가 배터리 팩(10)의 이상 동작을 감지한 후 웨이크업된 전원공급부(500)로부터 구동 전원을 공급받아 즉시 온 될 수 있고, 배터리 팩(10)을 정상 동작시키기 위한 후속 동작을 제어할 수 있다.
이때, 제어부(400)에 의해 수행되는 상기 후속 동작이란, 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 배터리 셀 밸런싱 장치(810)의 구동 제어일 수 있다. 전압 밸런싱(balancing)이란 다른 배터리 셀에 비해 기준값 이상으로 전압이 큰 배터리 셀을 강제로 방전시켜 배터리 셀간의 전압 불균형을 해소하고 모든 배터리 셀의 전압을 균일하게 만드는 것이다. 배터리 셀의 충전 전압이 불균형하게 되면 상대적으로 다른 배터리 셀에 비해 전압이 낮은 배터리 셀에 의해 전력 공급이 제한되므로 전체 배터리 팩의 전력 공급 능력이 감소하는 문제가 생기게 된다. 따라서 배터리를 동력원으로 사용하는 차량에는 일반적으로 전압 밸런싱 기능을 하는 셀 밸런싱 장치가 포함되어 있다.
또는, 제어부(400)에 의해 수행되는 상기 후속 동작이란, 배터리 팩 냉각 장치(820)를 구동하는 제어일 수 있다. 배터리 팩 냉각 장치(820)는 온도 상승을 강제적으로 억제하기 위한 장치로서 배터리 팩 냉각 장치(820)에 의해 수행되는 배터리 팩(10)의 냉각 방식은 냉각수를 공급하여 냉각을 수행하는 수냉식 냉각 방식 또는 냉각팬을 구동시켜 냉각을 수행하는 공랭식 냉각 방식일 수 있으며 본 발명에서는 그 방식에 제한을 두지 않는다.
한편, 제어부(400)는 온 되면, 각각의 배터리 셀의 전압값을 전달받아 특정 배터리 셀에 과전압이 발생한 상황인지 판단할 수 있다. 특정 배터리 셀에 과전압이 발생한 상황인 경우라면 제어부(400)는, 배터리 셀 전압 밸런싱 장치(810)를 제어하여 과전압이 발생한 배터리 셀의 밸런싱을 수행할 수 있고, 이와 동시에 과열된 배터리 셀의 냉각을 위해 배터리 팩 냉각 장치(820)의 구동을 제어할 수 있다. 아울러, 배터리 팩(10)의 이상 동작이 감지되었으나 특정 배터리 셀에 과전압이 발생하지는 않은 상황인 경우에 제어부(400)는, 과열된 배터리 팩(10)의 냉각을 위해 배터리 팩 냉각 장치(820)의 구동만을 제어할 수 있다.
이하에서는, 이상 동작 진단부(300)가 어떻게 차량이 미구동중인 상태에서 배터리 팩(10)의 이상 동작을 감지하는지 구체적으로 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 상태 감지 장치(1)를 구현할 수 있는 일 실시예로서 회로 구성을 포함한 도면이다. 도 2를 참조하면, 이상 동작 진단부(300)는 스위칭 소자(310) 및 비교기(320)를 포함할 수 있다.
스위칭 소자(310)는, 내부 NTC 서미스터(110,120,130)의 일단과 접지 사이에 연결되며 제어부(400)의 동작 여부에 따라 온오프 전환될 수 있고, 일 예로 스위칭 소자(310)는 FET일 수 있다. 내부 NTC 서미스터(110,120,130)의 일단은 또한 외부 NTC 서미스터(210)의 일단과 연결될 수 있다. 외부 NTC 서미스터(210)의 타단은 접지에 연결될 수 있다. 즉, 외부 NTC 서미스터(210) 및 외부 NTC 서미스터(210)에 직렬 연결된 저항(Radj)은, 일측 노드(이하 'A노드')가 내부 NTC 서미스터(110,120,130)의 일단에 연결되고 타측 노드가 접지가 연결되므로 스위칭 소자(310)와는 서로 병렬 연결된 관계를 형성할 수 있다.
차량이 구동중인 경우에는 제어부(400)의 구동이 온인 상태이다. 이때, 제어부(400)에서 출력되는 스위칭 신호(MCU_CONT)가 스위칭 소자(310)의 게이트(gate)로 입력될 수 있고 이에 따라 스위칭 소자(310)가 온 상태로 전환될 수 있다. 스위칭 소자(310)가 온 상태가 되면 내부 NTC 서미스터(110,120,130)에 흐르는 전류는 외부 NTC 서미스터(210)로는 흐르지 않고 스위칭 소자(310)를 통해 접지로 흐르게 된다. 여기서, 상기 스위칭 신호(MCU_CONT)는 제어부(400)에서 출력되는 하이(High) 신호로서 전압이 스위칭 소자(310)가 온 되기 위한 게이트-소스 간 임계 전압(Vgs_th) 이상인 신호여야 한다.
한편, 차량이 주행을 멈추고 미구동중인 경우에는 전원공급부(500)가 슬립 상태로 전환되며 제어부(400) 또한 구동이 오프가 되므로 제어부(400)에서 상기 스위칭 신호(MCU_CONT)가 출력되지 않는다. 따라서 스위칭 소자(310)는 오프 상태로 전환될 수 있다. 스위칭 소자(310)가 오프 상태가 되면 내부 NTC 서미스터(110,120,130)에 흐르는 전류는 외부 NTC 서미스터(210)를 통해 접지로 흐르게 된다.
비교기(320)는, 내부 NTC 서미스터(110,120,130)의 일단으로부터 입력되는 제1 전압(V_detect)과 기 설정된 기준전압인 제2 전압(V_COMP_Ref)을 비교할 수 있다. 보다 구체적으로, 비교기(320)의 +입력단자에는 내부 NTC 서미스터(110,120,130)의 일단이 연결되어 A 노드의 전압인 제1 전압(V_Detect)이 입력될 수 있고 비교기(320)의 -입력단자는 저전압 배터리(20)측으로 연결되어 저전압 배터리(20)의 전압이 적절히 분배되어 생성된 기준전압(V_COMP_Ref)이 입력될 수 있다. 한편, 여기서 저전압 배터리(20)는 차량의 각 구성의 구동 전원을 공급하기 위해 마련된 배터리로서 납축 전지일 수 있다.
이때, 비교기(320)의 전원단자는 각각 저전압 배터리(20)의 양극단자와 접지에 연결되어 있고 따라서, 비교기(320)의 출력 신호(V_COMP_out)는 하이 신호(저전압 배터리의 전압값인 V_BAT) 또는 로우 신호(0V) 둘 중 하나가 된다. 비교기(320)에 입력된 제1 전압(V_Detect)이 제2 전압(V_COMP_Ref)보다 큰 경우에는 비교기(320)가 배터리 팩(10)의 이상 동작 신호인 하이(High) 신호를 출력할 수 있다. 비교기(320)에 입력된 제1 전압(V_Detect)이 제2 전압(V_COMP_Ref)보다 작거나 같은 경우에는 비교기(320)가 배터리 팩(10)의 정상 동작 신호인 로우(Low) 신호를 출력할 수 있다.
아래 표 1은 제어부(400)가 온 또는 오프된 상황에 따라 도 2 회로의 각 구성에서 출력되는 신호의 값(전압값)을 나타낸 것이고, 표 2는 제어부가 온 또는 오프된 상황 및 배터리 팩(10)이 정상 동작하는 경우와 배터리 팩(10)이 이상 동작하는 경우에 따라 비교기(320)의 출력 신호(V_Comp_out)를 나타낸 것이다.
Figure 112021078380935-pat00001
Figure 112021078380935-pat00002
(여기서, n은 자연수이고 각 저항 소자의 참조번호를 나타내는 기호임)
상기 표 1 및 표 2를 참조하면, 차량이 구동중이고 제어부(400)가 동작하는 상황에서는 배터리 셀 각각의 온도를 센싱할 수 있으므로 이상 동작 감지가 수행될 필요가 없다. 또한, 제어부(400)가 동작하는 중에는 스위칭 신호(MCU_CONT)가 하이 신호로서 스위칭 소자(310)의 게이트에 입력되므로 A 노드의 전압(제1 전압, V_detect)은 0V가 되고 이는 항상 기준전압(V_COMP_ref)보다 작은 값이므로 비교기(320)의 출력 신호(V_COMP_out) 또한 로우 신호(0V)가 출력된다.
차량이 미구동중이고 제어부(400)가 오프된 상황에서는 스위칭 신호(MCU_CONT)가 스위칭 소자(310)의 게이트에 입력되지 않으므로 내부 NTC 서미스터(110,120,130)에 흐르는 전류는 A 노드를 통해 외부 NTC 서미스터(210)로 흐르게 되고 A 노드의 전압은 내부 NTC 서미스터 저항값들(Rin_1, Rin_2, Rin_3)의 병렬 등가저항값(Rin_par), 외부 NTC 서미스터 저항값(Rout) 및 회로에 포함된 다수의 전압 분배 저항들(Rpu_#n의 등가저항인 Rpu_par, Radj)에 의해 일정한 값을 가지게 된다. 이때, 배터리 팩(10)이 이상 동작을 하여 고온이 되는 경우 내부 NTC 서미스터(110,120,130) 중 해당 배터리 셀에 부착된 내부 NTC 서미스터의 저항값이 작아지게 된다. 따라서 제1 전압(V_Detect)은 커지게 되고 제1 전압(V_Detect)이 기준전압인 제2 전압(V_COMP_ref)보다 커지는 순간에 비교기(320)의 출력 신호(V_COMP_out)는 하이 신호가 된다.
한편, 배터리 팩(10)의 이상 동작을 판단할 기준이 되는 배터리 팩 내외부의 온도 차이 임계값이 먼저 정해지면 기준 전압(V_COMP_ref)은 저전압 배터리(20)에서 전압 분배를 통해 설정될 수 있다. 상기 온도 차이의 임계값은 반복 실험에 의해 또는 이론적으로 정해질 수 있으며 여기서는 특정값으로 한정되지 않는다.
전원공급부(500)는 비교기(320)의 출력 단자에 연결되어 비교기(320)로부터 하이 신호를 전달받으면 웨이크업된다. 전원공급부(500)는 저전압 배터리(20)로부터 전원을 공급받아 이를 제어부(400)의 구동 전원으로 변환한 후 제어부(400)에 공급할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 이상 구동 감지부(300)는 소비전력이 적은 소자들로 구성되어 있으므로 제어부(400)가 상시 구동중인 경우보다 에너지를 적게 소비하면서 배터리 팩(10)의 이상 동작을 감지할 수 있다는 이점이 있다. 즉, 차량의 미구동시에도 배터리 팩(10)의 이상 동작을 감지하여 차량의 안전성은 상승시키면서도 이에 필요한 전력의 소비는 최소화될 수 있다.
일단 이상 구동 감지부(300)에서 이상 동작 신호가 출력되면, 제어부(400)의 구동이 시작되므로 제어부(400)는 각각의 배터리 셀의 전압 및 온도를 측정하여 어느 배터리 셀에 문제가 생긴 것인지 파악할 수 있고 배터리 팩(10)을 정상 동작시키기 위한 후속 동작을 즉시 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 감지 방법의 흐름을 나타낸 순서도이고, 도 4는 도 3의 후속 동작 수행 단계의 세부 흐름을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 감지 방법은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 배터리 상태 감지 장치(1)에 의해 수행될 수 있다.
도 3을 참조하면 먼저, 차량이 정차 또는 주차된다(S100) 즉, 차량의 구동이 멈추고 전원공급부(500)가 슬립된다. 전원공급부(500)가 슬립되면 제어부(400)에 구동 전원이 공급되지 않으므로 제어부(400)의 구동이 오프되고 내부 온도 센싱 소자(100)와 외부 온도 센싱 소자(200)간에 전류가 흐르도록 전기적으로 연결된다(S200). 보다 구체적으로, 이상 구동 감지부(300)에 포함된 스위칭 소자(310)가 오프되므로 내부 NTC 서미스터(110,120,130)에 흐르는 전류가 외부 NTC 서미스터(210)로 흐르게 된다.
이후, 이상 구동 감지부(300)에 포함된 비교기(320)를 통해 내부 온도 센싱 소자(100)의 일단으로부터 입력되는 제1 전압(V_Detect)과 기 설정된 기준 전압인 제2 전압(V_COMPT_Ref)을 비교(S300)하게 되며, 상기 비교 결과, 제1 전압(V_Detect)이 제2 전압(V_COMPT_Ref)보다 큰 경우 제어부(400)에 의해 배터리 팩(10)의 정상 동작을 위한 후속 동작이 수행된다(S400). 보다 구체적으로, 제1 전압(V_Detect)이 제2 전압(V_COMPT_Ref)보다 큰 경우 비교기(320)로부터 배터리 팩(10)의 이상 동작 신호인 하이 신호가 출력되고, 제1 전압(V_Detect)이 제2 전압(V_COMPT_Ref)보다 작거나 같은 경우 비교기(320)로부터 배터리 팩(10)의 정상 동작 신호인 로우 신호가 출력된다. 물론, 비교기(320)로부터 로우 신호가 출력되면 제어부(400)는 오프 상태를 유지하고 제1 전압(V_Detect)이 제2 전압(V_COMPT_Ref)보다 큰 값이 될 때까지 제1 전압(V_Detect)과 제2 전압(V_COMPT_Ref)의 비교가 반복하여 수행된다.
한편, 도 4를 참조하면, 후속 동작이 수행되는 단계(S400)는 제어부(400)에 구동 전원을 공급하는 전원공급부(500)가 비교기(320)로부터 하이 신호를 전달받아 웨이크업되는 단계(S410), 전원공급부(500)로부터 구동 전원을 공급받은 제어부(400)의 구동이 온 되는 단계(S420) 및 제어부(400)가 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 배터리 셀 전압 밸런싱 장치(810)의 구동 제어와 배터리 팩 냉각 장치(820)의 구동 제어 중 적어도 하나를 수행하는 단계(S430)를 포함할 수 있다.
S430 단계에서는 배터리 셀에 과전압이 발생했는지 판단(S431)하여 어느 특정 배터리 셀에 과전압이 발생한 경우라면 제어부(400)는 과전압이 발생한 배터리 셀의 전압 밸런싱이 수행되도록 배터리 셀 전압 밸런싱 장치(810)를 제어함과 동시에 배터리 팩 냉각 장치(820)가 함께 구동되도록 제어할 수 있다. 또한, 어느 특정 배터리 셀에 과전압이 발생하지는 않은 경우라면 제어부(400)는 과열된 배터리 팩을 냉각시키기 위해 배터리 팩 냉각 장치(820)만이 구동되도록 제어할 수 있다(S432).
아울러, 제어부(400)에 의해 배터리 셀 전압 밸런싱 장치(810) 및/또는 배터리 팩 냉각 장치(820)가 구동된 이후 제1 전압(V_Detect)과 제2 전압(V_COMPT_Ref)이 다시 비교될 수 있고(S433) 배터리 팩(10)이 냉각되어 제2 전압(V_COMPT_Ref)이 제1 전압(V_Detect)보다 크거나 같아진 경우라면 비교기(320)에서 로우 신호가 출력되어 전원공급부(500)는 다시 슬립 상태로 전환될 수 있다.(S434) 즉, 배터리 팩(10)이 다시 정상 동작을 하게 되면 이상 구동 진단부(300)에 의해 전원공급부(500)가 off 됨으로써 지속적인 전력 소모를 방지할 수 있다. 이후에도 비교기(320)는 차량의 미구동중에 제1 전압(V_Detect)과 제2 전압(V_COMPT_Ref)을 상시 비교하므로 배터리 팩(10)이 이상 동작을 하는 경우 즉시 전원공급부(500)가 웨이크업되어 제어부(400)를 온 시킬 수 있으며 제어부(400)가 배터리 팩(10)을 정상 동작시킨 후에는 전원공급부(500) 자신이 슬립 상태로 전환됨으로써 다시 제어부(400)를 오프시킬 수 있다. 다시 말해, 배터리 팩(10)이 이상 동작을 하는 경우에만 제어부(400)가 온 되어 전력을 소모하므로 차량 미구동 중의 전력 소모가 최소화되면서도 차량의 안전성 또한 확보된다는 이점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 차량의 미구동시에 제어부가 오프되어 있고 전력 소모가 적은 회로를 사용하여 배터리 팩의 이상 동작을 감지하므로 전력 소모를 최소화하면서 배터리 팩의 상태를 진단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 차량의 미구동시에도 배터리 팩의 이상 동작을 감지하므로 차량의 안전성을 상승된다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리 팩의 이상 동작 발생이 감지되면 전원공급부가 웨이크업되어 제어부에 구동 전원을 공급하므로 배터리 팩을 정상 동작시키기 위한 후속 동작이 즉시 수행될 수 있다.
한편, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 배터리 상태 감지 장치
10: 배터리 팩
20: 저전압 배터리
100: 내부 온도 센싱 소자
110, 120, 130: 내부 NTC 서미스터
200: 외부 온도 센싱 소자
210: 외부 NTC 서미스터
300: 이상 동작 진단부
310: 스위칭 소자
320: 비교기
400: 제어부
500: 전원공급부
810: 배터리 셀 전압 밸런싱 장치
820: 배터리 팩 냉각 장치

Claims (14)

  1. 차량에 장착된 배터리 팩의 이상 동작 여부를 감지하는 배터리 상태 감지 장치로서,
    상기 배터리 팩의 내부에 배치되고 상기 배터리 팩을 구성하는 각각의 배터리 셀의 온도를 측정하는 내부 온도 센싱 소자;
    상기 배터리 팩의 외부에 배치되고 상기 배터리 팩의 내부에서 전도된 온도를 측정하는 외부 온도 센싱 소자;
    상기 차량의 미구동 상태에서 상기 내부 온도 센싱 소자와 상기 외부 온도 센싱 소자를 연결하는 지점의 노드 전압인 제1 전압과 기 설정된 기준 전압인 제2 전압을 비교하여 상기 배터리 팩의 이상 동작 여부를 진단하는 이상 동작 진단부;
    상기 이상 동작 진단부의 비교 결과에 따라, 상기 배터리 팩을 정상 동작시키기 위한 후속 동작을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부에 동작 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하는 배터리 상태 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이상 동작 진단부는,
    상기 차량의 미구동 상태에서 상기 배터리 팩이 이상 동작을 하는 것으로 진단한 경우, 슬립(slip) 상태의 상기 전원공급부를 웨이크업(wake up) 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 차량의 미구동 상태에서 구동이 오프(off)되어 있다가, 웨이크업된 상기 전원공급부로부터 구동 전원이 공급되면 구동이 온(on)되어 상기 후속 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 감지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부에 의해 제어되는 상기 후속 동작은,
    상기 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 셀 밸런싱 장치의 구동 제어, 상기 배터리 팩의 냉각 장치의 구동 제어 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 상태 감지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 온도 센싱 소자는 상기 배터리 셀의 개수에 대응하는 개수로 마련된 내부 NTC 서미스터(Negative temperature coefficient Thermistor)를 포함하고,
    상기 외부 온도 센싱 소자는 상기 내부 NTC 서미스터의 일단과 접지 사이에 연결되는 외부 NTC 서미스터를 포함하는 배터리 상태 감지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이상 동작 진단부는,
    상기 내부 NTC 서미스터의 일단과 접지 사이에 연결되며 상기 제어부의 동작 여부에 따라 온오프 전환되는 스위칭 소자; 및
    상기 내부 NTC 서미스터의 일단으로부터 입력되는 상기 제1 전압과 상기 제2 전압을 비교하는 비교기를 포함하는 배터리 상태 감지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부의 구동이 온 되면, 상기 스위칭 소자는 온 상태로 전환되어 상기 내부 NTC 서미스터에 흐르는 전류가 상기 스위칭 소자를 통해 접지로 흐르며,
    상기 제어부의 구동이 오프 되면, 상기 스위칭 소자는 오프 상태로 전환되어 상기 내부 NTC 서미스터에 흐르는 전류가 상기 외부 NTC 서미스터를 통해 접지로 흐르는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 감지 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우 상기 배터리 팩의 이상 동작 신호인 하이(High) 신호를 출력하고,
    상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 작거나 같은 경우 상기 배터리 팩의 정상 동작 신호인 로우(Low) 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 감지 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전원공급부는,
    상기 비교기로부터 상기 하이 신호를 전달받으면 웨이크업되어 상기 제어부에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 감지 장치.
  10. 차량에 장착된 배터리 팩의 내부에 배치되고 상기 배터리 팩을 구성하는 각각의 배터리 셀의 온도를 측정하는 내부 온도 센싱 소자와, 상기 배터리 팩의 외부에 배치되고 상기 배터리 팩의 내부에서 전도된 열에 의한 온도를 측정하는 외부 온도 센싱 소자를 이용하여, 상기 차량의 미구동 중에도 상기 배터리 팩의 이상 동작 여부를 감지하기 위한 배터리 상태 감지 방법으로서,
    상기 배터리 팩을 정상 동작시키기 위한 후속 동작을 제어하는 제어부의 구동이 오프(off)되고 상기 내부 온도 센싱 소자와 상기 외부 온도 센싱 소자간에 전류가 흐르도록 전기적으로 연결되는 단계;
    비교기를 통해 상기 내부 온도 센싱 소자와 상기 외부 온도 센싱 소자를 연결하는 지점의 노드 전압인 제1 전압과 기 설정된 기준 전압인 제2 전압을 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과, 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우 상기 후속 동작이 수행되는 단계;를 포함하는 배터리 상태 감지 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 내부 온도 센싱 소자는 상기 배터리 셀의 개수에 대응하는 개수로 마련된 내부 NTC 서미스터를 포함하고,
    상기 외부 온도 센싱 소자는 상기 내부 NTC 서미스터의 일단과 접지 사이에 연결되는 외부 NTC 서미스터를 포함하는 배터리 상태 감지 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기적으로 연결되는 단계는,
    상기 내부 NTC 서미스터에 흐르는 전류가 상기 외부 NTC 서미스터를 통해 접지로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 감지 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 비교하는 단계는,
    상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우 상기 비교기로부터 상기 배터리 팩의 이상 동작 신호인 하이(High) 신호가 출력되고,
    상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 작거나 같은 경우 상기 비교기로부터 상기 배터리 팩의 정상 동작 신호인 로우(Low) 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 배터리 상태 감지 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 후속 동작이 수행되는 단계는
    상기 제어부에 구동 전원을 공급하는 전원공급부가 상기 비교기로부터 상기 하이 신호를 전달받아 웨이크업되는 단계;
    상기 전원공급부로부터 구동 전원을 공급받은 상기 제어부의 구동이 온 되는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 배터리 셀간의 전압을 밸런싱하는 배터리 셀 전압 밸런싱 장치의 구동 제어, 상기 배터리 팩의 냉각을 수행하는 배터리 팩 냉각 장치의 구동 제어 중 적어도 하나를 수행하는 단계;를 포함하는 배터리 상태 감지 방법.
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