KR20150131977A

KR20150131977A - 전지 잔량 예측 장치 및 배터리 팩

Info

Publication number: KR20150131977A
Application number: KR1020150064514A
Authority: KR
Inventors: 에이키 이마이즈미
Original assignee: 세이코 인스트루 가부시키가이샤
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2015-11-25
Also published as: JP2015220856A; TW201606328A; US20150331057A1; CN105093118A; US9651594B2

Abstract

(과제) 저비용이면서, 충전지의 전지 잔량의 고정밀도의 예측이 가능한 배터리 팩을 제공한다.
(해결 수단) 전지의 전지 전압을 검출하는 제1의 전압 검출부와, 부하 전류를 검출하기 위한 전류 센스 저항의 양단의 전압을 검출하는 제2의 전압 검출부와, 제1 및 제2의 전압 검출부에서 검출된 전압값에 의거해 전지 잔량을 예측하는 제어부와, 전류 센스 저항에 정전류를 흐르게 하는 정전류원을 구비하고, 제어부는, 부하 전류가 흘렀을 때의 제2의 전압 검출부의 검출 전압과, 부하 전류와 정전류가 흘렀을 때의 제2의 전압 검출부의 검출 전압에 의거해, 전류 센스 저항의 저항값을 산출하는 구성으로 했다.

Description

전지 잔량 예측 장치 및 배터리 팩{BATTERY REMAINING POWER PREDICTING DEVICE AND BATTERY PACK}

본 발명은, 배터리 팩에 관계된 것이며, 특히 Li 이온 충전지 등의 전지 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치에 관한 것이다.

충전지는, 휴대 기기를 비롯하여, 많은 장치에 사용되고 있으며, 충방전을 관리하는 배터리 관리 시스템이 필수이다. 특히 기기 가동시에는 가동 시간을 보다 정확하게 아는 것이 필요하며, 그래서 전지 잔량 예측 장치가 사용되고 있다.

종래의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩을 도 6에 나타낸다. 종래의 전지 잔량 예측 장치(20)는, 신호 처리 연산을 행하는 CPU(21)와, 신호 처리 연산시에 이용하는 RAM(22)과, 충전지(7)의 1셀분의 전지 전압을 레벨 변환기(26)에서 변환된 전지 전압을 검출하기 위한 ADC(23)와, 충전지(7)의 전류를 검출하는 전류 센스 저항(6)에서 발생하는 전압을 검출하기 위한 ADC(24)와, 전지의 특성 데이터 등을 미리 유지해 두는 비휘발성 메모리(25)를 구비하고 있다. 본 전지 잔량 예측 장치는, 충전지(7)의 전압과, 전류 센스 저항(6)을 이용하여 계측된 충전지(7)의 전류값으로부터 쿨롱 카운터(COULOMB COUNTER)로 구해진 이동 전하량 등으로부터, 전지 잔량이 구해지고 있다. 고정밀도의 잔량 예측에는, 충전지(7)의 전압 및 전류의 고정밀도의 계측이 필수이다.

특히 전류 계측에 주목하면, 전류 센스 저항(6)은 저항값이 고정밀도인 것이 필요하게 된다.

미국 특허 제6789026호 명세서

종래의 전지 잔량 예측 장치(20)를 구비한 배터리 팩은, 전류 센스 저항(6)에 고정밀도이고 전류 허용량이 큰 것이 요구되고 있다. 이 때문에, 고가이고 사이즈도 크다는 과제가 있었다.

본 발명의 전지 잔량 예측 장치는, 전지의 전지 전압을 검출하는 제1의 전압 검출부와, 부하 전류를 검출하기 위한 전류 센스 저항의 양단의 전압을 검출하는 제2의 전압 검출부와, 제1 및 제2의 전압 검출부에서 검출된 전압값에 의거해 전지 잔량을 예측하는 제어부와, 전류 센스 저항에 정전류를 흐르게 하는 정전류원을 구비하고, 제어부는, 부하 전류가 흘렀을 때의 제2의 전압 검출부의 검출 전압과, 부하 전류와 정전류가 흘렀을 때의 제2의 전압 검출부의 검출 전압에 의거해, 전류 센스 저항의 저항값을 산출하는 구성으로 했다.

본 발명의 배터리 팩에 의하면, 전류 센스 저항은, 저항값을 고정밀도로 계측할 수 있으므로, 저정밀도의 저항을 사용할 수 있다. 따라서, 배터리 팩은, 사이즈를 작게 할 수 있고, 또한 저비용으로 제공할 수 있다.

또한, 전류 센스 저항으로서, 충방전 제어용 MOSFET나 보드 상의 배선의 기생 저항을 이용하는 것도 가능해져, 배터리 팩의 사이즈를 작고, 또한 저비용으로 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 블럭도이다.
도 2는 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 다른 예를 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 다른 예를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 다른 예를 나타내는 블럭도이다.
도 5는 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 다른 예를 나타내는 블럭도이다.
도 6은 종래의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 블럭도이다.

도 1은, 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 블럭도이다. 본 실시형태의 배터리 팩은, 전지 잔량 예측 장치(1)와, 전류 센스 저항(6)과, 충전지(7)와, 충방전 제어용 MOSFET(8)와, 충방전 제어 회로(15)와, 외부 단자(18 및 19)를 구비하고 있다.

전지 잔량 예측 장치(1)는, 정전류원(4)과, 스위치(5)와, 전압 검출부(11 및 12)와, 제어부(16)를 구비하고 있다.

본 실시형태의 배터리 팩은, 이하와 같이 접속되어 있다. 전지 잔량 예측 장치(1)는, 충전지(7)의 양단에 접속된다. MOSFET(8)는, 외부 단자(19)에 설치된다. 전류 센스 저항(6)은, MOSFET(8)와 충전지(7)의 음극 사이에 설치된다. 충방전 제어 회로(15)는, 충전지(7)의 양단에 접속되고, 출력 단자는 MOSFET(8)에 접속된다. 외부 단자(18 및 19)에는, 부하(3)가 접속된다. 전압 검출부(11)는, 입력 단자에 충전지(7)가 접속되고, 출력 단자가 제어부(16)에 접속된다. 전압 검출부(12)는, 입력 단자에 전류 센스 저항(6)의 양단이 접속되고, 출력 단자가 제어부(16)에 접속된다. 정전류원(4) 및 스위치(5)는, 전류 센스 저항(6)과 MOSFET(8)의 접속점에 접속된다.

전압 검출부(11)는, 충전지(7)의 전압을 계측하여, 제어부(16)에 출력한다. 전압 검출부(12)는, 전류 센스 저항(6)의 양단에 발생하는 전압을 계측하여, 제어부(16)에 출력한다. 제어부(16)는, 전압 검출부(11)와 전압 검출부(12)로부터 얻어지는 정보에 의거해 충전지(7)의 잔량을 예측한다. 정전류원(4)은, 전류 센스 저항(6)의 저항값을 계측하기 위한 기존의 정전류를 전류 센스 저항(6)에 흐르게 한다.

전지 잔량 예측 장치(1)는, 부하(3)의 소비 전류를 측정함으로써, 충전지(7)의 전지 잔량을 예측한다. 전지 잔량의 고정밀도의 예측에는, 부하(3)의 소비 전류 Isys의 정확한 계측이 필수이다. 그러기 위해서는, 전류 센스 저항(6)의 저항값을 정확하게 알 필요가 있다. 본 발명은, 전류 센스 저항(6)의 저항값을 정확하게 계측하는 수단을 제공한다.

부하(3)의 소비 전류를 Isys로 하면, 스위치(5)가 오프되어 있는 통상의 동작 상태에서는, 전류 센스 저항(6)에 전류 Isys가 흐른다. 전류 센스 저항(6)의 저항값을 Rss로 하면, 상기 저항의 양단에 발생하는 센스 전압 Vsb는,

Vsb=Rss×Isys (1)

이 된다.

다음에, 스위치(5)를 온하여 정전류 Idi를 전류 센스 저항(6)에 인가한다. 이 때의 전류 센스 저항(6)의 전류는 Isys+Idi가 되어, 전류 센스 저항(6)의 양단에 발생하는 센스 전압 Vsa는,

Vsa=(Isys+Idi)×Rss (2)

가 된다.

상기 (1), (2)식으로부터, 전류 센스 저항(6)의 저항값 Rss는,

Rss=(Vsa-Vsb)/Idi (3)

으로 구할 수 있다.

즉, 통상의 동작 상태에서 센스 전압 Vsb를 측정하고, 스위치(5)를 온하여 센스 전압 Vsa를 측정하고, (3)식으로부터 전류 센스 저항(6)의 저항값 Rss를 산출한다. 이와 같이 하면, 전류 Isys에 관계없이 기존의 정전류 Idi로부터 저항값 Rss를 구할 수 있다. 전압 검출부(12)의 측정 정밀도를 높게 해두면, 전류 센스 저항(6)의 전압은 고정밀도로 계측할 수 있으므로, 저항값 Rss도 고정밀도로 구할 수 있다.

여기서, 정전류 Idi는, 저항값 Rss의 요구 정밀도와 전압 검출부(12)의 측정 정밀도로부터 적절하게 설정되면 된다.

또한, 전류 센스 저항(6)의 저항값 Rss는, 예를 들면 제어부에 설치된 기억소자에 저장되어, 부하(3)의 소비 전류 Isys의 산출에 사용된다. 따라서, 저항값의 계측은, 예를 들면 시스템 기동시 등, 1회로 끝내는 것이 가능하므로, 계측에 이용하는 전류는, 전지 잔량 예측 장치의 소비 전류에 대부분 영향을 주는 일은 없다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치에 의하면, 전류 센스 저항(6)의 저항값 Rss를 고정밀도로 계측할 수 있다. 따라서, 부하(3)의 소비 전류 Isys를 정확하게 계측할 수 있으므로, 충전지(7)의 전지 잔량의 고정밀도의 예측이 가능하게 된다. 또, 전류 센스 저항(6)은, 정밀도가 낮은 저렴한 저항이면 되기 때문에, 비용 삭감의 효과도 있다.

또한, 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치는, 전압 검출부(11 및 12)를 개개로 설치하는 것으로 했지만, 전지 전압의 계측과 부하 전류에 의거하는 전류 센스 저항(6)의 전압의 계측을 시분할로 처리하는 것에 의해, 하나의 전압 검출부로 구성하는 것도 가능하다.

또, 정전류원(4)의 온·오프 제어를 전류원 제어 스위치(5)로 행하는 것으로 했지만, 정전류원(4) 자신에 슬리브 기능 등을 부가함으로써 용이하게 실현될 수 있음은 기지이다. 또, 부하(3)의 전류 Isys는, 물론, Isys=0이어도 된다.

도 2는, 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 다른 예를 나타내는 블럭도이다. 도 2에 나타낸 예는, MOSFET(8)를 충전지(7)의 양극 측에 설치했다.

도 3은, 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 다른 예를 나타내는 블럭도이다. 도 3에 나타낸 예는, 전류 센스 저항을 충전지(7)의 양극측에 설치한 경우의 예이다. 이 때문에, 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치(1)에서는, 정전류원(4)은 싱크 전류원이며, 전류 Idi를 전류 센스 저항(6)으로부터 인발하는 것으로 하고 있다.

도 4는, 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 다른 예를 나타내는 블럭도이다. 본 실시형태의 배터리 팩은, 전류 센스 저항으로서 충전지(7)의 음극측에 설치된 MOSFET(8)의 온 저항을 대용한 예이다. 온 저항의 저항값 Ron은, 도 1의 배터리 팩과 동일하게,

Ron=(Vsa-Vsb)/Idi (4)

로 구할 수 있다.

도 5는, 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 다른 예를 나타내는 블럭도이다. 본 실시형태의 배터리 팩은, 전류 센스 저항으로서 충전지(7)의 양극측에 설치된 MOSFET(8)의 온 저항을 대용한 예이다.

여기서, 도 4, 도 5에 나타낸 배터리 팩의 경우에는, MOSFET(8)의 온 저항의 저항값 Ron을 측정할 때에, MOSFET(8)는 온일 필요가 있다. 그 경우에는, 전지 잔량 예측 장치(1)와 충방전 제어 회로(15) 사이에서, 그 정보를 전달, 혹은 제어 신호에 의한 제어를 하면 된다.

이상, 도 4, 도 5에 나타낸 배터리 팩에 의하면, 종래의 전류 센스 저항 대신에, MOSFET(8)의 온 저항을 이용함으로써, 보드 부품 수를 줄일 수 있어, 실장 규모 저감, 비용 삭감에 효과가 있다.

또, 본 실시형태의 배터리 팩의 전류 센스 저항(6)은, 정밀도를 필요로 하지 않으므로, 보드 배선의 기생 저항에서도 대용이 가능하고, 보드 실장 상의 사이즈 저감이나 실장 비용 저감에 효과가 있다.

1, 2: 잔량 예측 장치 4: 정전류원
11, 12: 전압 검출부 15: 충방전 제어 회로
16: 제어부

Claims

전지의 전압과 부하 전류를 계측하여, 상기 전지의 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치로서,
상기 전지의 전지 전압을 검출하는 제1의 전압 검출부와,
상기 부하 전류를 검출하기 위한 전류 센스 저항의 양단의 전압을 검출하는 제2의 전압 검출부와,
상기 제1 및 제2의 전압 검출부에서 검출된 전압값에 의거해 전지 잔량을 예측하는 제어부와,
상기 전류 센스 저항에 정전류를 흐르게 하는 정전류원을 구비하고,
상기 제어부는, 상기 부하 전류가 흘렀을 때의 상기 제2의 전압 검출부의 검출 전압과, 상기 부하 전류와 상기 정전류가 흘렀을 때의 상기 제2의 전압 검출부의 검출 전압에 의거해, 상기 전류 센스 저항의 저항값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1의 전압 검출부와 상기 제2의 전압 검출부를, 1개의 전압 검출부로 구성한 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
부하가 접속되는 제1 및 제2의 외부 단자 사이에 직렬로 접속된 전지, 전류 센스 저항, 부하 전류 제어용 MOSFET와,
상기 전지 상태를 감시하여 상기 MOSFET를 제어하는 MOSFET 제어 회로와,
상기 전지와 상기 전류 센스 저항의 전압을 검출하여, 상기 전지의 잔량을 예측하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 전지 잔량 예측 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
청구항 3에 있어서,
상기 전류 센스 저항을, 상기 전지 잔량 예측 장치에 배치한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
청구항 3에 있어서,
상기 전류 센스 저항을, 보드 상의 배선의 기생 저항으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
청구항 3에 있어서,
상기 전류 센스 저항을, 상기 MOSFET의 온 저항으로 하고,
상기 제2의 전압 검출부는, 상기 MOSFET의 양단의 전압에 의해서 상기 부하 전류를 검출하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.