KR20130067676A - 배터리 전압 측정 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 전압 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 전압 측정 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치는, 복수의 셀에 각각 대응하는 복수의 셀 캐패시터; 복수의 셀을 포함하는 배터리 팩에 대응하는 팩 캐패시터; 동일한 시점을 기준으로, 각 셀의 전압은 대응하는 셀 캐패시터에, 배터리 팩의 전압은 상기 팩 캐패시터에 샘플링하는 전압 샘플링 스위치부; 각각의 셀 캐패시터와 상기 팩 캐패시터에 샘플링된 전압을 센싱하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부로부터 셀 전압 측정 신호와 팩 전압 측정 신호를 수신하고, 상기 팩 전압 측정 신호를 이용하여 셀 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값을 추정하는 제어부;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 일부 전압이 측정되지 않은 배터리 셀이 있는 경우, 배터리 팩 전압값을 이용하여 해당 배터리 셀의 전압값을 정확하게 추정할 수 있다.

Description

배터리 전압 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING VOLTAGE OF BATTERY}
본 발명은 배터리의 전압 측정 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 팩 내에 측정되지 않은 배터리 셀의 전압을 추정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생하지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
상기 전기 차량 등에 적용되는 이차전지는 고출력을 얻기 위해 복수의 단위 셀(cell)를 포함하는 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하고 있다. 그리고, 상기 단위 셀은 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다.
이러한 기본적 구조에 더하여, 상기 배터리 팩에는 모터 등의 구동부하에 대한 전력 공급 제어, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge) 등의 추정을 위한 알고리즘이 적용되어 각각의 배터리 셀 및 배터리 팩의 상태를 모니터링하고 제어하는 BMS(Battery Management System) 등이 추가적으로 포함되어 구성된다.
BMS는 상기와 같은 각각의 배터리 셀 및 배터리 팩을 제어하기 위해 전류, 전압 등의 전기적 특성값을 측정한다. 특히, 복수의 배터리 셀을 직/병렬로 연결한 배터리 팩의 경우, 충방전 시에는 각 배터리 셀의 충전상태(State of Charge: SOC)를 적절히 유지하고 과충전이나 과방전과 같은 이상 상황으로부터 배터리 팩을 보호하기 위해 각 배터리 셀의 전압을 주기적으로 측정한다.
한편, 일반적인 배터리 셀 및 배터리 팩의 전압을 측정하는 장치는 다수의 스위치 소자, 캐패시터, 전압 측정부, 도선 등으로 이루어진다. 특히, 복수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩의 경우 상기 스위치 소자, 캐패시터 및 도선에는 고출력의 전압 및 전류가 상시 인가된다. 그러므로, 반복적인 전압 측정, 외부의 충격, 제조상의 결함 등에 의해 전압 측정을 위한 소자 중 어느 한 부분이 파손될 수 있다.
전압 측정 장치의 일부에 고장이 발생하여 어느 한 배터리 셀의 전압을 측정할 수 없게 되면, 해당 배터리 셀에 대해서는 고장 시점부터 충전 상태를 알 수 없게 된다. 배터리 셀의 충전 상태는 배터리의 충전 또는 방전 시 중요한 제어 파라미터로 사용된다. 따라서 배터리의 충전 상태가 제대로 파악되지 않으면 배터리 셀은 과방전 또는 과충전이 될 수 있으며, 특히 과충전은 배터리 셀의 폭발 사고로까지 이어질 수 있다.
상기와 같은 위험성 때문에 단 한 개의 배터리 셀이라도 전압을 측정할 수 없게 되면, 배터리 팩 전체를 사용하지 않는 조치를 취한다. 그러나 이러한 조치는 배터리 팩의 성능과 상관없이 수명을 단축시키는 조치이며, 전압 측정 장치 중 일부 소자의 고장이라는 작은 원인에 비해 경제적 손해가 크다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전압이 측정되지 않은 배터리 셀이 있는 경우 해당 배터리 셀의 전압을 추정할 수 있는 배터리 전압 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치는, 복수의 셀에 각각 대응하는 복수의 셀 캐패시터; 복수의 셀을 포함하는 배터리 팩에 대응하는 팩 캐패시터; 동일한 시점을 기준으로, 각 셀의 전압은 대응하는 셀 캐패시터에, 배터리 팩의 전압은 상기 팩 캐패시터에 샘플링하는 전압 샘플링 스위치부; 각각의 셀 캐패시터와 상기 팩 캐패시터에 샘플링된 전압을 센싱하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부로부터 셀 전압 측정 신호와 팩 전압 측정 신호를 수신하고, 상기 팩 전압 측정 신호를 이용하여 셀 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값을 추정하는 제어부;를 포함한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치는, 상기 제어부에서 측정한 각 셀 및 팩 전압값을 저장하는 메모리부;를 더 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제어부는, 전압이 측정된 셀들의 전압 합산값과 상기 팩 전압값의 차이값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정한다. 여기서, 전압이 측정되지 않은 셀의 수를 n이라 할 때, 상기 제어부는 상기 차이값을 n으로 나눈 값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부는, 전압이 측정된 셀들의 평균 전압값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치는, 배터리 팩의 양극 단자와 음극 단자 사이에 연결된 전압 배분 저항;을 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 상기 팩 캐패시터는, 상기 전압 샘플링 스위치부를 구성하는 스위치 소자를 통해 상기 전압 배분 저항에 연결된다.
바람직하게, 상기 전압 배분 저항은 복수의 저항을 포함하고, 상기 팩 캐패시터는 상기 복수의 저항 중 어느 하나의 저항 양단에 연결된다.
본 발명에 있어서, 상기 전압 샘플링 스위치부는, 서로 대응하는 셀과 셀 캐패시터 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프 시키는 셀 전압 샘플링 스위치부; 및 상기 배터리 팩과 상기 팩 캐패시터 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프 시키는 팩 전압 샘플링 스위치부;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 배터리 전압 측정 장치는, 상기 셀 캐패시터 및 상기 팩 캐패시터를 상기 전압 측정부와 연결하는 전압 측정 스위치부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 전압 측정 스위치부는, 복수의 셀 캐패시터와 상기 전압 측정부 사이의 순차적인 전기적 연결을 온 또는 오프 시키는 셀 전압 측정 스위치부; 및 상기 팩 캐패시터와 상기 전압 측정부 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프 시키는 팩 전압 측정 스위치부;를 포함한다.
바람직하게, 상기 셀 전압 측정 스위치부와 상기 팩 전압 측정 스위치부는 서로 다른 시점에 동작한다.
본 발명에 따르면, 상기 배터리 전압 측정 장치는, 상기 전압 측정부와 상기 제어부 사이에 개재된 A/D 변환부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 A/D 변환부는 상기 전압 측정부를 통해 출력되는 아날로그 전압 측정 신호를 디지털 전압 측정 데이터로 변환하여 상기 제어부 측으로 출력한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 방법은, 복수의 셀에 각각 대응하는 복수의 셀 캐패시터 및 배터리 팩에 대응하는 팩 캐패시터를 이용하여 (a) 동일한 시점에, 각 셀의 전압은 대응하는 상기 셀 캐패시터에, 배터리 팩의 전압은 상기 팩 캐패시터에 샘플링하는 단계; (b) 상기 셀 캐패시터 및 상기 팩 캐패시터에 샘플링된 전압을 이시적으로 측정하여 저장하는 단계; 및 (c) 상기 측정된 팩 전압을 이용하여 셀 전압이 측정되지 않은 셀 전압값을 추정하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 일부 전압이 측정되지 않은 배터리 셀이 있는 경우, 배터리 팩의 전압값을 이용하여 해당 배터리 셀의 전압값을 추정할 수 있다. 따라서 고장으로 인해 일부 배터리 셀의 전압을 측정할 수 없는 경우에도, 추정된 배터리 셀의 전압을 이용하여 과방전 또는 과충전을 방지할 수 있다. 그 결과, 배터리 폭발과 같은 안전 사고를 예방할 수 있고 배터리 팩 전체를 사용 중단하는 조치를 취하지 않아도 무방하다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 전압 측정 장치에 대한 회로 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 전압 측정 장치에 대한 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 방법의 순서를 도시한 절차 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 전압 측정 장치(100)에 대한 회로 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치(100)는, 전압 샘플링 스위치부(120), 셀 캐패시터(130), 팩 캐패시터(140), 전압 측정 스위치부(150) 및 제어부(180)를 포함한다.
상기 배터리 전압 측정 장치(100)는 복수의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩(110)에 연결되어 있다. 상기 배터리 팩(110)은 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 것으로 배터리 셀의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 각각의 배터리 셀은 재충전이 가능하고 충전 또는 방전 전압을 고려해야 하는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
상기 배터리 팩(110)을 구성하는 배터리 셀의 양단에는 각각 대응하는 복수의 셀 캐패시터(130)가 연결되어 있다. 상기 셀 캐패시터(130)는 배터리의 전압 측정시 각 배터리 셀의 전압을 저장하는 역할을 한다.
또한, 상기 배터리 팩(110)의 양단에는 팩 캐패시터(140)가 연결되어 있다. 상기 팩 캐패시터(140)는 배터리의 전압 측정시 복수의 셀로 이루어진 배터리 팩(110) 전체의 전압을 저장하는 역할을 한다.
상기 전압 샘플링 스위치부(120)는 셀 전압 샘플링 스위치부(121)와 팩 전압 샘플링 스위치부(122)를 포함한다. 상기 셀 전압 샘플링 스위치부(121)는 상기 배터리 셀과 이에 각각 대응하는 셀 캐패시터(130) 사이의 전기적 연결을 온(on) 또는 오프(off)시킨다. 상기 팩 전압 샘플링 스위치부(122)는 배터리 팩(110)과 팩 캐패시터(140) 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프시킨다.
상기 전압 샘플링 스위치부(120)는 상기 제어부(180)의 제어 신호에 의해 온, 오프 동작을 하는 스위치 소자들로 이루어져 있다. 상기 셀 전압 샘플링 스위치부(121)가 상기 제어부(180)의 제어 신호에 의해 온 되면, 각 배터리 셀의 전압은 각 배터리 셀에 대응하는 셀 캐패시터(130)에 샘플링된다. 그리고 동일한 시점에 팩 전압 샘플링 스위치부(122)가 제어부(180)의 제어 신호에 의해 온 되면, 상기 배터리 팩(110)의 전압은 상기 팩 캐패시터(140)에 샘플링된다. 이후 상기 제어부(180)의 제어 신호에 의해 전압 샘플링 스위치부(120)가 오프되면, 셀 캐패시터(130)와 팩 캐패시터(140)에는 셀 전압과 팩 전압이 각각 홀드된다.
상기 셀 캐패시터(130) 및 팩 캐패시터(140)의 다른 한 쪽에는 전압 측정부(160)가 연결된다. 상기 전압 측정부(160)는 셀 캐패시터(130) 및 팩 캐패시터(140)의 양단 전압을 센싱하여 캐패시터에 홀드된 전압에 해당하는 전압 측정 신호를 상기 제어부(180) 측으로 출력한다.
상기 제어부(180)는 상기 전압 샘플링 스위치부(120)를 제어하는 제어 신호를 출력하며, 상기 전압 측정 신호를 수신하여 각각의 셀 전압값과 팩 전압값을 측정한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치(100)는 상기 셀 전압값과 팩 전압값을 저장할 수 메모리부(190)를 더 포함한다. 따라서, 상기 제어부(180)는 셀 전압값과 팩 전압값을 메모리부(190)에 저장한다. 상기 메모리부(190)는 RAM, ROM, EEPROM등 데이터를 기록하고 소거할 수 있다고 알려진 공지의 반도체 소자나 하드 디스크와 같은 대용량 저장매체로 이루어진다.
또한, 상기 제어부(180)는 셀 전압이 측정되지 않은 배터리 셀이 존재하는지 여부를 판단한다. 셀 전압이 측정되지 않은 배터리 셀이 존재하는 경우, 팩 전압 신호를 이용하여 셀 전압이 측정되지 않은 배터리 셀의 전압값을 추정한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제어부(180)는 전압이 측정된 셀들의 전압 합산값과 상기 팩 전압값의 차이값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정한다. 셀 전압이 측정되지 않은 배터리 셀이 존재할 경우, 셀 전압이 측정된 배터리 셀들의 전압 합산값은 팩 전압값보다 작게 된다. 따라서, 셀들의 전압 합산값과 팩 전압값의 차이값은 셀 전압이 측정되지 않은 배터리 셀의 전압으로 추정할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어부(180)는 전압이 측정되지 않은 셀의 수가 n(n은 정수)인 경우, 상기 차이값을 n으로 나눈 값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정한다. n개의 배터리 셀 전압이 측정되지 않은 경우, 상기 차이값은 측정되지 않은 셀 전압값의 합산값이다. 따라서, 상기 차이값을 n으로 나눈 값을 전압이 측정되지 않은 셀 각각의 전압값으로 추정할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(180)는 전압이 측정된 셀들의 평균 전압값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정한다. 배터리 팩(110)내에 직렬로 연결된 배터리 셀들은 서로 비슷한 전압값을 갖는다. 물론, 각 배터리 셀마다 충전 또는 방전시 약간의 전압 차이가 발생할 수 있으나, 그 차이는 크지 않으며 배터리 팩(110)의 사용에 영향을 미치지 않을 정도이다. 따라서, 전압이 측정된 셀들의 평균 전압값을 구하고, 평균 전압값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치(100)는 동일한 시점에 각 배터리 셀의 전압뿐만 아니라 배터리 팩(110) 전체의 전압을 함께 측정하기 때문에, 어느 하나의 배터리 셀 전압이 측정되지 않더라도 팩 전압값과 측정된 나머지 셀 전압값을 이용하여 측정되지 않은 배터리 셀의 전압값을 추정할 수 있다. 셀의 전압값을 추정하는 구체적인 수학식은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 유추 가능하므로 자세한 설명은 생략한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치(100)는 상기 셀 캐패시터(130) 및 상기 팩 캐패시터(140)를 상기 전압 측정부(160)와 연결하는 전압 측정 스위치부(150)를 더 포함한다.
상기 전압 측정 스위치부(150)는 셀 전압 측정 스위치부(151) 및 팩 전압 측정 스위치부(152)를 포함한다. 상기 셀 전압 측정 스위치부(151)는 셀 캐패시터(130)를 순차적으로 상기 전압 측정부(160)에 연결한다. 상기 팩 전압 측정 스위치부(152)는 팩 캐패시터(140)를 상기 전압 측정부(160)에 연결한다.
상기 전압 측정 스위치부(150)는 상기 제어부(180)의 제어 신호에 의해 온, 오프 동작을 하는 스위치 소자들로 이루어져 있다. 상기 셀 전압 측정 스위치부(151)와 상기 팩 전압 측정 스위치부(152)가 상기 제어부(180)의 제어 신호에 의해 순차적으로 온 되면, 각각의 셀 캐패시터(130) 및 상기 팩 캐패시터(140)에 홀드되어 있던 전압이 상기 전압 측정부(160)에 인가된다.
바람직하게, 상기 셀 전압 측정 스위치부(151)와 상기 팩 전압 측정 스위치부(152)는 서로 다른 시점에 동작한다. 따라서 상기 셀 캐패시터(130) 및 팩 캐패시터(140)에 홀드된 셀 전압과 팩 전압을 최소한의 전압 측정 회로로 측정할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치(100)는 상기 전압 측정부(160)와 상기 제어부(180) 사이에 개재된 A/D 변환부(170)를 더 포함한다. 상기 A/D 변환부(170)는 상기 전압 측정부(160)로부터 출력된 아날로그 전압 측정 신호를 디지털 전압 측정 데이터로 변환하여 상기 제어부(180) 측으로 출력한다. 한편, 상기 A/D 변환부(170)는 필요에 따라 제어부(180) 내에 통합될 수도 있음은 당업자에게 자명하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 전압 측정 장치(100)에 대한 회로 구성도이다.
도 2를 참고하면, 전압 배분 저항(200)이 추가된 점을 제외하면 나머지 구성은 앞선 실시예와 실질적으로 동일하다. 상기 전압 배분 저항(200)은 상기 배터리 팩(110)의 양극 단자와 음극 단자 사이에 연결된다. 그리고 상기 팩 캐패시터(140)는 상기 전압 샘플링 스위치부(120)를 구성하는 스위치 소자(210)를 통해 상기 전압 배분 저항(200)에 연결된다. 따라서, 상기 팩 캐패시터(140)에는 전압 배분 저항(200)에 의해 약 전압이 샘플링된다.
상기 배터리 팩(110)이 전기차, 하이브리드 자동차에 사용되는 고출력, 고전압 배터리인 경우, 전압 샘플링 스위치부(120)가 온 되면 상기 팩 캐패시터(140)에는 과도한 전압이 인가될 수 있다. 이러한 과정에서, 상기 전압 배분 저항(200)은 상기 팩 캐패시터(140)에 인가되는 전압 수준을 약 전압 수준으로 낮추는 역할을 한다.
바람직하게, 상기 전압 배분 저항(200)은 복수의 저항을 포함하고, 상기 팩 캐패시터는 상기 복수의 저항 중 어느 하나의 저항 양단에 연결된다. 더 바람직하게 이 때, 전압 배분 저항(200)내 상기 복수의 저항값을 알맞게 설정하여 팩 캐패시터(140)에 인가되는 전압 레벨을 5V 이하로 제한하는 것이 더욱 바람직하다. 할 수 있다. 그러면, 상기 전압 측정부(160)를 구성하는 회로 소자의 가격을 낮출 수 있으며 수명 또한 연장할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 캐패시터의 가격은 인가되는 전압과 용량에 비례하므로, 팩 캐패시터(140)에 인가되는 전압을 5V 이하로 낮추면 팩 캐패시터(140)의 비용을 낮출 수 있고 수명 또한 향상시킬 수 있다.
상기 전압 배분 저항(200)과 팩 캐패시터(140) 사이에 연결된 스위치 소자(210)는 전압 샘플링 스위치부(120)의 스위치 소자 중 일부이다. 따라서 상기 스위치 소자(210)는 상기 제어부(180)의 제어 신호에 의해 전압 샘플링 스위치부(120)의 다른 스위치 소자들이 동작할 때 동시에 온, 오프 동작을 한다.
도 2에서는 도면의 간소화를 위해 2개의 저항 소자만을 도시하였으나, 저항 소자의 개수는 상기 예시에 한정되지 않으며, 각 저항 소자의 저항값은 배터리 팩(110)의 양단 전압, 팩 캐패시터(140)의 용량, 전압 측정부(160)의 전압 측정 범위 등에 의해 다양하게 설정 가능함은 자명하다.
상술한 실시예들에서, 상기 제어부(180)는 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치(100)의 제어 로직을 프로그램한 코드를 실행할 수 있는 마이크로프로세서로 구성할 수도 있고, 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 장치(100)의 제어 로직을 논리 회로로 구현한 주문형 반도체 칩으로도 구성할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 전압 샘플링 스위치부(120) 및 전압 측정 스위치부(150)에 사용되는 스위치 소자로는, 기계식 릴레이 스위치, 전기장 효과 트랜지스터(FET) 등의 반도체 소자가 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 상기 전압 샘플링 스위치부(120) 및 전압 측정 스위치부(150)는 각 배터리 셀 대응하는 각각의 셀 캐패시터(130) 및 배터리 팩(110)에 대응하는 팩 캐패시터(140)에 전압을 샘플링 및 홀드하고, 홀드된 전압을 상기 전압 측정부(160)에 인가할 수 있는 모든 스위치 소자 및 구조를 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명에 따르면, 상기 전압 측정부(160), A/D 변환기(170), 제어부(180) 및 메모리부(190)는 BMS의 구성 요소로 통합될 수 있다. 이러한 경우, 상기 제어부(180)는 BMS의 제어 로직을 수행하는 마이크로 프로세서에 해당할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
이하에서는 상술 된 배터리 전압 측정 장치(100)를 이용하여 배터리의 전압을 측정하는 방법에 대해서 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 방법을 설명함에 있어서, 상술한 배터리 전압 측정 장치(100)에서 상세히 설명된 부분에 대해서는 반복적인 설명을 생략하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 전압 측정 방법의 순서를 도시한 절차 흐름도이다.
먼저, 단계 S300에서, 상기 제어부(180)는 동일한 시점에 상기 전압 샘플링 스위치부(120)가 온 되도록 제어 신호를 출력한다. 그러면 각 배터리 셀의 전압은 대응하는 셀 캐패시터(130)에, 배터리 팩(110)의 전압은 팩 캐패시터(140)에 샘플링된다.
다음으로 단계 S310에서, 상기 제어부(180)는 셀 캐패시터(130)에는 셀 전압에 대응하는, 팩 캐패시터(140)에는 팩 전압에 대응하는 충분한 전하가 축적될 수 있도록 약간의 시간을 대기한다. 이때 대기 시간은 셀 캐패시터(130) 및 팩 캐패시터(140)의 용량에 따라 미리 설정될 수 있다. 대기 시간이 흐른 후, 상기 제어부(180)는 상기 전압 샘플링 스위치부(120)가 오프 되도록 제어 신호를 출력한다. 그러면, 상기 각 셀 캐패시터(130)에는 셀 전압이, 팩 캐패시터(140)에는 팩 전압이 홀드된다.
이어서 단계 S320에서, 상기 제어부(180)는 상기 셀 캐패시터(130) 및 팩 캐패시터(140)가 상기 전압 측정부(160)와 순차적으로 연결되도록 상기 전압 측정 스위치부(150)에 제어 신호를 출력한다. 그러면, 상기 전압 측정부(160)는 각 셀 전압과 팩 전압을 순차적으로 출력한다.
바람직하게, 상기 제어부(180)는 상기 전압 측정 스위치부(150)에 포함된 셀 전압 측정 스위치부(151)와 팩 전압 측정 스위치부(152)가 서로 다른 시점에 순차적으로 온 되도록 제어 신호를 출력한다.
다음으로 단계 S330에서, 상기 제어부(180)는 상기 전압 측정부(160)에서 출력한 전압 측정 신호를 수신하여 각각의 셀 전압 및 팩 전압을 측정한다.
그런 다음 단계 S340에서, 상기 제어부(180)는 측정한 셀 전압값과 팩 전압값을 메모리부(190)에 저장한다.
이어서 단계 S350에서, 상기 제어부(180)는 셀 전압값이 측정되지 않은 배터리 셀이 존재하는지 판단한다. 일 예로, 상기 제어부(180)는 상기 메모리부(190)에 미리 저장된 배터리 셀의 개수와 저장된 셀 전압값의 개수를 비교하여 셀 전압이 측정되지 않은 배터리 셀이 존재하는지 판단할 수 있다.
단계 S350의 판단 결과, 모든 배터리 셀의 전압이 측정되었다면(S350의 NO), 상기 제어부(180)는 배터리 전압 측정이 정상적으로 이루어진 것으로 판단하여 배터리 전압 측정 프로세스를 종료한다.
반면, 단계 S350의 판단 결과, 전압값이 측정되지 않은 배터리 셀이 존재하는 것으로 판단되면(S350의 YES), 상기 제어부(180)는 팩 전압값과 셀 전압 측정이 이루어진 나머지 셀들의 전압값을 이용하여 셀 전압이 측정되지 않은 배터리 셀의 전압값을 추정한다(단계 S360).
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 단계 S360에서, 상기 제어부(180)는 전압이 측정된 셀들의 전압 합산값과 상기 팩 전압값의 차이값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정한다. 이 경우, 전압이 측정되지 않은 셀의 수가 n(n은 정수)이라면, 상기 차이값을 n으로 나눈 값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제어부(180)는 전압이 측정된 셀들의 평균 전압값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정한다.
상기와 같은 셀 전압값의 추정이 완료되면, 상기 제어부(180)는 배터리 전압 측정 프로세스를 종료한다. 상술한 배터리 전압 측정 프로세스는 일정한 주기로 반복될 수도 있고, 미리 정해진 스케쥴링 정보에 따라 개시될 수도 있고, 통신 경로를 통해서 제어부(180) 측으로 전송된 요청에 따라 개시될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 일부 전압이 측정되지 않은 배터리 셀이 있는 경우, 배터리 팩의 전압값을 이용하여 해당 배터리 셀의 전압값을 추정할 수 있다. 따라서 고장으로 인해 일부 배터리 셀의 전압을 측정할 수 없는 경우에도, 추정된 배터리 셀의 전압을 이용하여 과방전 또는 과충전을 방지할 수 있다. 그 결과, 배터리 폭발과 같은 안전 사고를 예방할 수 있고 배터리 팩 전체를 사용 중단하는 조치를 취하지 않아도 무방하다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 배터리 전압 측정 장치에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 회로적 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 배터리 전압 측정 장치 110 : 배터리 팩
120 : 전압 샘플링 스위치부 121 : 셀 전압 샘플링 스위치부
122 : 팩 전압 샘플링 스위치부 130 : 셀 캐패시터
140 : 팩 캐패시터 150 : 전압 측정 스위치부
151 : 셀 전압 측정 스위치부 152 : 팩 전압 측정 스위치부
160 : 전압 측정부 170 : A/D 변환기
180 : 제어부 190 : 메모리부
200 : 전압 배분 저항 210 : 스위치 소자

Claims (16)

  1. 복수의 셀에 각각 대응하는 복수의 셀 캐패시터;
    복수의 셀을 포함하는 배터리 팩에 대응하는 팩 캐패시터;
    동일한 시점을 기준으로, 각 셀의 전압은 대응하는 셀 캐패시터에, 배터리 팩의 전압은 상기 팩 캐패시터에 샘플링하는 전압 샘플링 스위치부;
    각각의 셀 캐패시터와 상기 팩 캐패시터에 샘플링된 전압을 센싱하는 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부로부터 셀 전압 측정 신호와 팩 전압 측정 신호를 수신하고, 상기 팩 전압 측정 신호를 이용하여 셀 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값을 추정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부에서 측정한 각 셀 및 팩 전압값을 저장하는 메모리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 전압이 측정된 셀들의 전압 합산값과 상기 팩 전압값의 차이값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 전압이 측정되지 않은 셀의 수를 n이라 할 때, 상기 차이값을 n으로 나눈 값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 전압이 측정된 셀들의 평균 전압값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 양극 단자와 음극 단자 사이에 연결된 전압 배분 저항;을 더 포함하고,
    상기 팩 캐패시터는, 상기 전압 샘플링 스위치부를 구성하는 스위치 소자를 통해 상기 전압 배분 저항에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 배분 저항은 복수의 저항을 포함하고,
    상기 팩 캐패시터는 상기 복수의 저항 중 어느 하나의 저항 양단에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전압 샘플링 스위치부는,
    서로 대응하는 셀과 셀 캐패시터 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프 시키는 셀 전압 샘플링 스위치부; 및
    상기 배터리 팩과 상기 팩 캐패시터 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프 시키는 팩 전압 샘플링 스위치부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀 캐패시터 및 상기 팩 캐패시터를 상기 전압 측정부와 연결하는 전압 측정 스위치부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전압 측정 스위치부는,
    복수의 셀 캐패시터와 상기 전압 측정부 사이의 순차적인 전기적 연결을 온 또는 오프 시키는 셀 전압 측정 스위치부; 및
    상기 팩 캐패시터와 상기 전압 측정부 사이의 전기적 연결을 온 또는 오프 시키는 팩 전압 측정 스위치부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 셀 전압 측정 스위치부와 상기 팩 전압 측정 스위치부는 서로 다른 시점에 동작하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전압 측정부와 상기 제어부 사이에 개재된 A/D 변환부를 더 포함하고,
    상기 A/D 변환부는 상기 전압 측정부를 통해 출력되는 아날로그 전압 측정 신호를 디지털 전압 측정 데이터로 변환하여 상기 제어부 측으로 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 장치.
  13. 복수의 셀에 각각 대응하는 복수의 셀 캐패시터 및 배터리 팩에 대응하는 팩 캐패시터를 이용하여 배터리의 셀 전압을 측정하는 방법에 있어서,
    (a) 동일한 시점에, 각 셀의 전압은 대응하는 상기 셀 캐패시터에, 배터리 팩의 전압은 상기 팩 캐패시터에 샘플링하는 단계;
    (b) 상기 셀 캐패시터 및 상기 팩 캐패시터에 샘플링된 전압을 이시적으로 측정하여 저장하는 단계; 및
    (c) 상기 측정된 팩 전압을 이용하여 셀 전압이 측정되지 않은 셀 전압값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (C)단계는, 전압이 측정된 셀들의 전압 합산값과 상기 팩 전압값의 차이값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정하는 단계임을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (C)단계는, 전압이 측정되지 않은 셀의 수를 n이라 할 때, 상기 차이값을 n으로 나눈 값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정하는 단계임을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 (C)단계는, 전압이 측정된 셀들의 평균 전압값을 전압이 측정되지 않은 셀의 전압값으로 추정하는 단계임을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 방법.
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