KR20180043030A

KR20180043030A - 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20180043030A
Application number: KR1020160135813A
Authority: KR
Inventors: 김태윤; 장호상; 조양욱
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-04-27
Also published as: WO2018074744A1; JP2019518212A; CN109313232B; KR102051177B1; PL3454066T3; EP3454066A1; EP3454066A4; EP3454066B1; CN109313232A; US11515719B2; US20200083732A1; JP6968827B2

Abstract

본 발명은 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 배터리와 부하를 연결하는 음극 전원선 상에 위치하는 스위치의 상태를 진단하기 위하여, 직렬 연결된 하나 이상의 저항을 스위치와 병렬로 연결하고 전압 분배를 이용하여 하나 이상의 저항 중 하나의 저항에 인가되는 전압을 산출함으로써, 산출된 전압에 기반하여 스위치의 상태를 진단할 수 있는 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHODE FOR SWITCH DIAGNOSIS USING VOLTAGE DISTRIBUTION}

본 발명은 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 배터리와 부하를 연결하는 음극 전원선 상에 위치하는 스위치의 상태를 진단하기 위하여, 직렬 연결된 하나 이상의 저항을 스위치와 병렬로 연결하고 전압 분배를 이용하여 하나 이상의 저항 중 측정 대상이 되는 하나의 저항에 인가되는 전압을 산출함으로써, 산출된 전압에 기반하여 스위치의 상태를 진단할 수 있는 전압 분배를 이용한 스위치 진단 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), 하이브리드 차량(HV, Hybrid Vehicle) 또는 가정용 또는 산업용으로 이용되는 중대형 배터리를 이용하는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)이나 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 시스템 등에 보편적으로 응용되고 있다.

이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

2차 전지는 휴대 단말 등의 배터리로 구현되는 경우는 반드시 그러하지 않을 수 있으나, 상기와 같이 전기 차량 또는 에너지 저장원 등에 적용되는 배터리는 통상적으로 단위 이차전지 셀(cell)이 복수 개 집합되는 형태로 사용되어 고용량 환경에 적합성을 높이게 된다.

이와 같이 복수 개 집합되는 형태로 사용되는 경우, 과전류가 흐르는 등의 동작 이상이 발생했을 경우 과열에 의하여 단위 셀이 부풀어서 파손되는 등의 문제가 생길 수 있다. 이러한 배터리의 이상으로부터 발생하는 과전류 및 과열은 배터리와 연결된 부하에 악영향을 끼쳐 부하를 손상시킬 수 있다.

종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 배터리와 부하 사이에 하나 이상의 스위칭 소자를 설치하고, 배터리에 이상이 발생하는 경우 스위치를 온/오프제어 함으로써 부하의 손상을 보호하였다. 일 예로, 배터리와 부하 사이에 접촉기(Contactor)를 설치하고, 배터리로부터 인가되는 전압 및 전류를 접촉기를 통해 부하에 제공하였다. 그러나 접촉기와 같은 스위칭 소자를 추가적으로 설치하는 경우, 스위칭 소자의 상태를 점검하여 배터리로부터 인가되는 전압 및 전류가 정상적으로 부하에 인가되는지를 확인할 필요성이 있다. 일 예로, 접촉기와 전원선이 용접이 제대로 되지 않은 경우 또는 사용하는 과정에서 용접된 부분이 마모 및 손상되는 경우 배터리로부터 인가되는 전원이 부하에 정상적으로 인가되지 못할 수 있다. 종래와 같이 접촉기와 같은 스위칭 소자의 상태를 측정하고 진단하는 별도의 시스템 및 추가 구성을 구비하여 이러한 문제점을 해결하고자 하는 경우, 배터리 팩 및 배터리 관리 시스템의 부피 및 가격이 증가한다는 단점이 있다. 이러한 부피 및 가격의 증가는 2차 전지의 고효율화 및 고 에너지 밀도화에 악영향을 끼치기 때문에 스위치 진단 장치의 부피를 감소시키고, 가격을 절감시킬 필요성이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0044187호

본 발명의 목적은 배터리와 부하를 연결하는 음극 전원선 상에 위치하는 스위치의 상태를 진단하기 위하여, 직렬 연결된 하나 이상의 저항을 스위치와 병렬로 연결하고 전압 분배를 이용하여 하나 이상의 저항 중 하나의 저항에 인가되는 전압을 산출함으로써, 산출된 전압에 기반하여 스위치의 상태를 진단할 수 있는 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 외부에 위치하는 하나의 ADC 변환기 및 제어부를 사용하여 전압 분배된 전압을 입력 받고 이를 기반으로 하나 이상의 스위치의 상태를 진단함으로써, 부피 및 가격을 감소시킬 수 있는 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치는, 배터리와 부하를 연결하는 음극 전원선 상에 위치하며, 상기 배터리와 상기 부하를 연결 또는 단락하는 음극 스위치; 상기 음극 스위치와 병렬 연결된 하나 이상의 저항; 및 전압 분배를 이용하여 직렬 연결된 상기 하나 이상의 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 하나 이상의 저항 중 측정 대상이 되는 하나의 저항에 인가되는 전압을 산출하고, 상기 산출된 전압에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 제어부;를 포함할 수 있다.

상기 배터리의 상태를 진단하기 위한 기준전압을 생성하는 기준전압 생성부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는, 상기 기준전압에 기반하여 상기 하나의 저항에 인가될 전압을 산출하고, 상기 하나의 저항에 인가된 전압과 상기 산출된 전압을 비교하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단할 수 있다.

상기 하나의 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압을 디지털 신호로 변환하는 ADC 변환부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는, 상기 변환된 디지털 신호에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단할 수 있다.

상기 하나 이상의 저항 사이에 위치하며, 상기 하나 이상의 저항을 연결 또는 단락하는 스위치부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는, 상기 스위치부의 개폐를 제어하여 상기 하나의 저항에 상기 배터리의 전압을 인가시키고, 상기 인가된 전압에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단할 수 있다.

상기 하나 이상의 저항에 보정전압을 인가하는 보정전압 생성부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는, 상기 하나의 저항에 인가된 전압과 상기 보정전압을 합산하고, 상기 합산된 전압을 기반으로 상기 음극 스위치의 상태를 진단할 수 있다.

상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치는, 상기 배터리와 상기 부하를 연결하는 양극 전원선 상에 위치하며, 상기 배터리와 상기 부하를 연결 또는 단락하는 양극 스위치; 상기 양극 스위치를 진단하기 위한 진단 저항; 및 일측이 상기 양극 스위치와 연결되고 타측이 상기 진단 저항과 연결된 저항부;를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 전압 분배를 이용하여 상기 저항부 및 상기 진단 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 진단 저항에 인가되는 전압을 산출하고, 상기 산출된 전압에 기반하여 상기 양극 스위치의 상태를 진단할 수 있다.

상기 음극 스위치, 상기 하나 이상의 저항은 하나의 음극 스위치 진단부로 구성될 수 있으며, 상기 제어부는 상기 음극 스위치 진단부 외부에 위치할 수 있다.

상기 양극 스위치, 상기 저항부 및 상기 진단 저항은 하나의 양극 스위치 진단부로 구성될 수 있으며, 상기 제어부는 상기 양극 스위치 진단부 외부에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은, 음극 스위치가 배터리와 부하를 연결하는 음극 전원선 상에 위치하며, 상기 배터리와 상기 부하를 연결 또는 단락하는 단계; 하나 이상의 저항이 상기 음극 스위치와 병렬 연결하는 단계; 및 제어부가 전압 분배를 이용하여 직렬 연결된 상기 하나 이상의 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 하나 이상의 저항 중 측정 대상이 되는 하나의 저항에 인가되는 전압을 산출하고, 상기 산출된 전압에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은, 기준전압 생성부가 상기 배터리의 상태를 진단하기 위한 기준전압을 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 진단하는 단계는, 상기 기준전압에 기반하여 상기 하나의 저항에 인가될 전압을 산출하고, 상기 하나의 저항에 인가된 전압과 상기 산출된 전압을 비교하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 포함할 수 있다.

ADC 변환부가 상기 하나의 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압을 디지털 신호로 변환하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 진단하는 단계는, 상기 변환된 디지털 신호에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은, 스위치부가 상기 하나 이상의 저항 사이에 위치하며, 상기 하나 이상의 저항을 연결 또는 단락하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 진단하는 단계는, 상기 스위치부의 개폐를 제어하여 상기 하나의 저항에 상기 배터리의 전압을 인가시키고, 상기 인가된 전압에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은, 보정전압 생성부가 상기 하나 이상의 저항에 보정전압을 인가하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 진단하는 단계는, 상기 하나의 저항에 인가된 전압과 상기 보정전압을 합산하고, 상기 합산된 전압을 기반으로 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은, 양극 스위치가 상기 배터리와 상기 부하를 연결하는 양극 전원선 상에 위치하며, 상기 배터리와 상기 부하를 연결 또는 단락하는 단계; 진단 저항이 상기 양극 스위치를 진단하는 단계; 및 저항부가 일측이 상기 양극 스위치와 연결되고 타측이 상기 진단 저항과 연결되는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 진단하는 단계는, 전압 분배를 이용하여 상기 저항부 및 상기 진단 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 진단 저항에 인가되는 전압을 산출하고, 상기 산출된 전압에 기반하여 상기 양극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은, 상기 음극 스위치, 상기 하나 이상의 저항은 하나의 음극 스위치 진단부로 구성하는 단계; 및 상기 제어부는 상기 음극 스위치 진단부 외부에 위치하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 직렬 연결된 하나 이상의 저항을 스위치와 병렬로 연결하고 전압 분배를 이용하여 하나 이상의 저항 중 측정 대상이 되는 하나의 저항에 인가되는 전압을 산출함으로써, 산출된 전압에 기반하여 스위치의 상태를 진단할 수 있는 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한, 외부에 위치하는 하나의 ADC 변환기 및 제어부를 사용하여 전압 분배된 전압을 입력 받고 이를 기반으로 하나 이상의 스위치의 상태를 진단함으로써, 부피 및 가격을 감소시킬 수 있는 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치가 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법을 이용하여 음극 스위치를 진단하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법을 이용하여 양극 스위치를 진단하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치가 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치가 전기 자동차(1)에 적용된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 션트저항를 이용한 전류 측정 장치는 전기 자동차 이외에도 가정용 또는 산업용 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)이나 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 시스템 등 이차 전지가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.

전기 자동차(1)는 배터리(10), BMS(Battery Management System, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함하여 구성될 수 있다

배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 자동차(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(10)는 모터(50) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.

여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 배터리(10)는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다.

또한, 배터리(10)는 복수의 전지 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 전지 팩으로 형성된다. 그리고, 배터리(10)는 하나 이상의 전지 팩을 포함할 수 있다.

BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리한다. 예컨대, BMS(20)는 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, BMS(20)는 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(10)의 교체 시기 추정도 가능하다.

BMS(20)는 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치(100)를 포함하거나 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치(100)에 연결되어 동작할 수 있다. BMS(20)는 배터리(10)와 부하를 연결하는 음극 전원선 상에 위치하는 음극 스위치(110)를 진단하기 위하여 하나 이상의 저항을 음극 스위치와 병렬 연결하고, 하나 이상의 저항(130) 중 측정 대상이 되는 하나의 저항(130-1)에 인가되는 전압을 측정하여 음극 스위치(110)의 상태를 진단할 수 있다.

ECU(30)는 전기 자동차(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, ECU(30)는 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.

또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(40)에 제어 신호를 보낸다.

인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 한다.

모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 자동차(1)를 구동한다.

이하 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치에 대해서 설명하도록 한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치(100)는 음극 스위치(110), 하나 이상의 저항(120), 스위치부(130), 기준전압 생성부(140), ADC 변환부(150), 제어부(160), 보정전압 생성부(170)를 포함할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제 될 수 있다.

음극 스위치(110)는 배터리(10)와 부하를 연결하는 음극 전원선 상에 위치할 수 있으며, 배터리(10)와 부하를 연결 또는 단락할 수 있다. 일 예로, 음극 스위치(110)는 릴레이(Relay), 콘텍터(Contactor)나 트랜지스터(Transistor) 및 사이리스터(Thyristor)와 같은 스위칭 소자일 수 있다. 음극 스위치(110)는 사용 환경, 사용자의 요구 및 요구되는 안전성에 의해 하나 이상의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)은 음극 스위치(110)를 진단하기 위해 사용될 수 있다. 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)은 서로 직렬 연결될 수 있으며, 음극 스위치(110)와는 병렬 연결될 수 있다. 이를 통해 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)에 인가되는 배터리(10)의 전압을 통해 음극 스위치(110)에 인가되는 전압을 산출할 수 있으며, 이를 기반으로 하여 후술되는 제어부(160)를 통해 음극 스위치(110)의 상태를 진단할 수 있다.

하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)의 크기는 배터리(10)의 전압 및 제어부(160)에 종류에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 일 예로, 후술되는 제어부(160)는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit; MCU)일 수 있다. MCU는 4V 내지 5V 크기의 전압값을 지원할 수 있다. 그러나 배터리(10)는 400V 내지 500V 크기로 비교적 고전압이기 때문에 배터리(10)에서 출력되는 전원을 바로 인가받아 사용하는데 어려움이 있다. 따라서 전압 분배법칙을 이용하여 배터리(10)에서 인가되는 전압을 낮춰줌으로써, MCU가 지원하는 정도의 전압크기로 조절할 수 있다. 예를 들어 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)의 크기가 각각 5kΩ 및 1MΩ일 수 있다. 배터리(10)의 전압이 400V인 경우, 5kΩ에 인가되는 배터리(10)의 전압은 (400V * 5kΩ)/1005kΩ으로 1.99V이 산출될 수 있다. 제1 저항(120-1)에 인가되는 전압을 산출함으로써, MCU가 지원하는 수준의 전압을 제공할 수 있다.

스위치부(130)는 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2) 사이에 위치할 수 있으며, 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)을 연결 또는 단락할 수 있다. 스위치부(130)는 음극 스위치(110)와 마찬가지로 릴레이, 콘텍터나 트랜지스터및 사이리스터와 같은 스위칭 소자를 하나 이상 포함할 수 있다. 스위칭부(130)는 후술되는 제어부(160)에 온/오프 제어를 받아 음극 스위치(110)를 진단하고자 하는 경우에만 동작시킴으로써, 불필요한 전력 손실 및 누설전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

기준전압 생성부(140)는 배터리(10)의 상태를 진단하기 위한 기준전압을 생성할 수 있다. 여기서 기준전압은 배터리(10)가 정상 작동하는 시점에서 측정된 전압값일 수 있으며, 후술되는 제어부(160)을 통해 배터리(10)의 상태를 진단 또는 음극 스위치(110)의 상태를 진단하는 기준값일 수 있다. 일 예로, 기준전압은 400V일 수 있으며, 배터리(10)에서 측정된 전압이 400V이상인 경우, 후술되는 제어부(160)를 통해 배터리(10)의 상태를 이상 상태로 진단할 수 있다. 또한 제어부(160)를 통해 기준전압이 인가되었을 때 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2) 중 측정 대상이 되는 하나의 저항(120-1)에 인가될 전압을 산출할 수 있고, 산출된 전압과 실제 측정된 전압을 비교함으로써 음극 스위치(110)의 상태를 진단할 수 있다.

기준 전압 생성부(140)는 하나 이상의 저항을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 저항이 배터리(10)와 병렬 연결됨으로써, 배터리(10) 전압을 측정하고 이를 통해 기준전압을 생성할 수 있다. 일 예로, 기준전압 생성부(140)는 1MΩ 크기의 저항과 10kΩ를 포함할 수 있다. 배터리(10)의 전압이 400V인 경우, 400V의 전압은 1MΩ 및 10kΩ에 인가되고 전압 분배법칙에 의하여 (400V * 10kΩ) /1010kΩ이 됨으로써, 3.96V의 기준전압이 생성되게 된다.

추가적으로 기준전압 생성부(140)는 하나 이상의 저항 사이에 하나 이상의 스위치를 포함시킬 수 있으며, 이를 통해 기준전압을 생성하고자 하는 경우에만 스위치를 동작시킴으로써, 불필요한 전력 손실 및 누설전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

ADC 변환부(150)는 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2) 중 하나의 저항(120-1)에 인가되는 배터리(10)의 전압을 디지털 신호로 변환할 수 있다. 또한 ADC 변환부(150)는 기준전압 생성부(120)로부터 생성된 기준전압을 디지털 신호로 변환할 수 있다. ADC 변환부(150)는 기준전압 및 측정된 전압의 아날로그 값을 디지털 신호화하여 후술되는 제어부(160)로 출력함으로써, 후술되는 제어부(160)가 디지털 신호를 기반으로 음극 스위치(110)의 상태를 진단하도록 할 수 있다.

제어부(160)는 전압 분배를 이용하여 직렬 연결된 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)에 인가되는 배터리(10)의 전압으로부터 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2) 중 측정 대상이 되는 하나의 저항(120-1)에 인가되는 전압을 산출하고, 산출된 전압에 기반하여 음극 스위치(110)의 상태를 진단할 수 있다.

제어부(160)는 기준전압에 기반하여 하나의 저항(120-1)에 인가될 전압을 산출하고, 하나의 저항(120-1)에 인가된 전압과 산출된 전압을 비교하여 음극 스위치(110)의 상태를 진단할 수 있다.

표 1 및 도 3을 참조하여 예를 들어 설명하면, 배터리(10)의 전압이 500V인 경우, -500V 내지 500V 로 변동되어 측정되는 배터리(10)의 전압을 기준전압으로 설정하고, 이를 통해 제1 저항(120-1)에 인가될 예상전압을 산출할 수 있다. 제어부(160)는 음극 스위치(110)의 상태를 진단하고자 하는 경우, 스위치부(130) 및 기준전압 생성부(140) 내에 포함된 스위치을 동작시켜 배터리(10)의 전압을 인가할 수 있다. 배터리(10)의 전압이 500V인 경우, 기준전압 생성부(140)에서 배터리의 기준전압을 500V로 설정할 수 있으며, 이를 통해 제어부(140)는 제1 저항(120-1)에 인가될 예상 전압을 2.48V로 산출할 수 있다. 여기서 제1 저항(120-1) 및 제2 저항(120-2)에 인가되는 배터리(10)의 전압을 전압 분배하여 제1 저항(120-1)에 인가되는 전압을 측정하였을 때, 2.48V가 측정되면 제어부(160)는 음극 스위치(110)의 상태가 정상 상태라고 진단할 수 있다. 다른 일 실시예에서 제어부(160)는 일정 범위의 허용 오차범위를 설정할 수 있으며, 제1 저항(120-1)에 인가되는 전압이 기준전압의 허용 오차범위 내에 포함되는 경우, 음극 스위치(110)의 상태를 정상 상태라고 진단할 수 있다. 만약 배터리(10)의 전압이 300V 및 이를 기반으로 산출된 예상 전압이 1.48V인 일 수 있다. 그러나 전압 분배를 통해 산출된 제1 저항(120-1)에 인가된 전압이 2.54V인 경우, 제1 저항(120-1)에 인가된 전압과 기준전압은 상이하게 된다. 이때 제어부(160)는 음극 스위치(110)의 상태에 이상이 있다고 진단할 수 있다. 또한 다른 일 실시예에서 제1 저항(120-1)에 인가된 전압이 기준전압의 허용 오차범위 내에 포함되지 않는 경우, 음극 스위치(110)의 상태에 이상이 있다고 진단할 수 있다.

배터리 전압	제1 저항	제2 저항	예상 전압	측정 전압
-500	5kΩ	1MΩ	-2.48V	-2.48V
-300	5kΩ	1MΩ	-1.48V	-1.48V
-100	5kΩ	1MΩ	-0.49V	-0.49V
0	5kΩ	1MΩ	0V	0V
100	5kΩ	1MΩ	0.49V	0.49V
300	5kΩ	1MΩ	1.48V	2.54V
500	5kΩ	1MΩ	2.48V	2.48V

여기서 배터리(10)의 전압이 -500V 이상 0V 이하인 경우, 제1 저항(120-1)에 역전압이 인가되게 된다. 이를 통해 제1 저항(120-1)에 인가된 역전압은 MCU에 제공될 수 있다. 이러한 역전압은 MCU의 오동작 및 오진단을 초래할 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치(100)는 보정전압 생성부(170)를 포함할 수 있다.

보정전압 생성부(170)는 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)에 보정전압을 인가할 수 있다. 여기서 보정전압은 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2) 중 측정 대상이 되는 하나의 저항(120-1)에 인가되는 역전압을 정전압으로 바꿔주는 전압일 수 있다. 표 1을 참조하여 예를 들어 설명하면, 배터리(10)의 전압이 -500V인 경우, 배터리(10)로부터 제1 저항(120-1)에 인가되는 전압은 -2.48V일 수 있다. 따라서 2.5V의 보정전압을 제1 저항(120-1)에 인가함으로써 0.02V의 정전압이 인가되도록 할 수 있다. 또한 배터리(10)의 전압이 500V인 경우, 제1 저항(120-1)에 인가되는 전압은 2.48V일 수 있으며 이때 보정전압이 인가되면 4.98V가 될 수 있다. 이는 제어부(160)가 MCU인 경우에도 지원할 수 있는 전압의 크기가 될 수 있다. 이와 같이 보정전압은 측정의 대상이 되는 제1 저항(120-1)의 역전압을 정전압으로 바꿀 수 있으며, 제어부(160)에 지원 가능 한 크기가 될 수 있는 값으로 설정될 수 있다. 이 경우, 제어부(160)는 기준전압에 보정전압을 합산한 값과 제1 저항(120-1)에서 측정된 전압과 보정전압을 합산한 값을 비교함으로써 음극 스위치(110)의 이상유무를 진단할 수 있다.

제어부(160)는 상술된 바와 같이 ADC 변환부(150)를 통해 디지털 신호화된 전압값들을 비교함으로써 음극 스위치(110)의 상태를 진단할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치(100)는 양극 스위치(180), 저항부(190), 진단 저항(200) 및 스위치(210)을 더 포함할 수 있다.

양극 스위치(180)는 배터리(10)와 부하를 연결하는 양극 전원선 상에 위치할 수 있으며, 배터리(10)와 부하를 연결 또는 단락할 수 있다. 양극 스위치(180)는 음극 스위치(110)와 마찬가지로 릴레이, 콘텍터나 트랜지스터및 사이리스터와 같은 스위칭 소자일 수 있다. 양극 스위치(180)는 사용 환경, 사용자의 요구 및 요구되는 안전성에 의해 하나 이상의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

저항부(190)는 일측이 양극 스위치(180)와 연결되고 타측이 후술되는 진단 저항(200)과 연결될 수 있다.

진단 저항(200)은 양극 스위치(180)의 상태를 진단하기 위해 저항부(190)에 연결될 수 있다. 여기서 저항부(190)와 진단 저항(200)은 전압 분배를 위해 사용되는 저항이며, 저항부(190)의 크기가 진단 저항(140)의 크기보다 더 큰 값일 수 있다. 일 예로, 저항부(190)의 크기는 1MΩ일 수 있으며, 진단 저항의 크기는 10kΩ일 수 있다.

스위치(210)는 저항부(190)와 진단 저항(200) 사이에 위치할 수 있으며, 저항부(130)와 진단 저항(140)을 연결 또는 단락할 수 있다. 스위치(210)는 제어부(160)에 제어를 받아 온/오프 동작을 함으로써, 저항부(190) 및 진단 저항(200)을 연결 또는 단락할 수 있다. 이를 통해 양극 스위치(180)의 상태를 진단하고자 하는 경우에만 스위치(210)의 동작을 제어하여 저항부(190)와 진단 저항(200)을 연결함으로써, 불필요한 전력 손실 및 누설전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

제어부(160)는 전압 분배를 이용하여 저항부(190) 및 진단 저항(200)에 인가되는 배터리(10)의 전압으로부터 진단 저항(200)에 인가되는 전압을 산출하고, 산출된 전압에 기반하여 양극 스위치(180)의 상태를 진단할 수 있다.

추가적으로 음극 스위치(110), 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)은 하나의 음극 스위치 진단부(220)으로 구성될 수 있다. 또한 양극 스위치(180), 저항부(190) 및 진단 저항(200)은 하나의 양극 스위치 진단부(230)으로 구성될 수 있다. 또한 ADC 변환부(150) 및 제어부(160)는 음극 스위치 진단부(220) 및 양극 스위치 진단부(230) 외부에 위치할 수 있다. 이를 통해 복수의 스위치를 각각 감시하고 진단하고자 하는 경우, 복수의 스위치마다 각각 음극 스위치 진단부(220) 또는 양극 스위치 진단부(230)를 구성하고, 외부에 위치한 하나의 ADC 변환부(150) 및 제어부(160)을 통해 복수의 스위치를 진단할 수 있다.

다른 일 실시예에서, 음극 스위치(110) 및 양극 스위치(180)는 진단하고자 하는 다른 구성 요소로 대체하여 사용할 수 있다. 일 예로, 퓨즈의 상태를 진단하고자 하는 경우, 상기와 같은 방법으로 퓨즈에 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2)를 연결하고, 하나 이상의 저항(120-1 및 120-2) 중 측정 대상이 되는 하나의 저항(120-1)에 인가되는 배터리의 전압을 측정함으로써, 퓨즈의 상태를 진단할 수 있다.

이와 같이 음극 스위치(110), 양극 스위치(180) 및 퓨즈와 같이 배터리(10) 팩 또는 BMS 내부에 위치하는 복수의 구성요소들의 상태를 하나의 외부 ADC 변환부(150) 및 제어부(160)로 측정하고 진단을 위한 추가 구성요소를 사용하지 않음으로써, 또는 별도의 시스템을 구축하지 않음으로써, 배터리(10) 팩 및 BMS의 부피 및 가격을 절감시킬 수 있다

이하 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법(S100)을 이용하여 음극 스위치 및 양극 스위치를 진단하는 방법에 대해서 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법을 이용하여 음극 스위치를 진단하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법을 이용하여 음극 스위치를 진단하는 방법이 개시되면, 배터리의 전압이 하나 이상의 저항에 인가된다(S101). 이후 전압 분배를 이용하여 하나 이상의 저항 중 측정의 대상이 되는 하나의 저항에 인가되는 배터리의 전압을 산출한다(S102). 또한 기준전압 생성부에서 기준전압을 생성하고(S103), 생성된 기준전압에 기반하여 측정 대상이 되는 하나의 저항에 인가될 배터리의 전압을 산출한다(S104). 단계(S102)에서 산출된 전압 및 단계(S104)에서 산출된 기준전압은 보정전압 생성부에서 생성된 보정전압과 합산된다(S105). 합산된 전압은 ADC 변환부를 통해 ADC변환되며(S106), 변환된 값은 제어부로 제공되어 음극 스위치를 진단하게 된다(S107). 단계(S107)에서 진단된 결과 보정전압과 합산된 하나의 저항에 인가된 전압과 보정전압과 합산된 기준전압이 동일한 경우, 음극 스위치는 정상으로 진단되어 정상동작을 수행한다(S108). 그러나 보정전압과 합산된 하나의 저항에 인가된 전압과 보정전압과 합산된 기준전압이 동일하지 않은 경우, 음극 스위치에 이상이 있다고 진단되며(S109), 음극 스위치의 동작을 제어하거나 음극 스위치의 이상 유무를 외부로 출력한다(S110).

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법을 이용하여 양극 스위치를 진단하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법을 이용하여 양극 스위치를 진단하는 방법이 개시되면,

배터리의 전압이 하나 이상의 저항에 인가된다(S201). 이후 전압 분배를 이용하여 저항부 및 진단 저항에 인가되는 배터리의 전압 중 진단 저항에 인가되는 배터리의 전압을 산출한다(S202). 또한 기준전압 생성부에서 기준전압을 생성하고(S203), 생성된 기준전압에 기반하여 진단 저항에 인가될 배터리의 전압을 산출한다(S204). 단계(S202)에서 산출된 진단 저항에 인가된 전압 및 단계(S204)에서 산출된 진단 저항에 인가될 기준전압을 ADC 변환한다(S205). 단계(S205)에서 변환된 전압값은 제어부로 제공되며, 제어부에서 진단 저항에 인가된 전압과 진단 저항에 인가될 기준전압 비교한다(S206). 단계(S206)를 통해 진단 저항에 인가된 전압과 진단 저항에 인가될 기준전압이 동일한 경우, 양극 스위치가 정상 상태로 진단되며 정상동작을 수행한다(S207). 반면에, 단계(S206)를 통해 진단 저항에 인가된 전압과 진단 저항에 인가될 기준전압이 동일하지 않은 경우, 양극 스위치에 이상이 발생했다고 진단하며(S208), 양극 스위치의 동작을 제어한다(S209). 또한 양극 스위치의 이상 유무를 외부로 출력한다.

전술한 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은 도면에 제시된 순서도를 참조로 하여 설명되었다. 간단히 설명하기 위하여 상기 방법은 일련의 블록들로 도시되고 설명되었으나, 본 발명은 상기 블록들의 순서에 한정되지 않고, 몇몇 블록들은 다른 블록들과 본 명세서에서 도시되고 기술된 것과 상이한 순서로 또는 동시에 일어날 수도 있으며, 동일한 또는 유사한 결과를 달성하는 다양한 다른 분기, 흐름 경로, 및 블록의 순서들이 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 방법의 구현을 위하여 도시된 모든 블록들이 요구되지 않을 수도 있다.

이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.

10: 배터리
110: 음극 스위치
120: 하나 이상의 저항
130: 스위치부
140: 기준전압 생성부
150: ADC 변환부
160: 제어부
170: 보정전압 생성부
180: 양극 스위치
190: 저항부
200: 진단저항
210: 스위치
220: 음극 스위치 진단부
230: 양극 스위치 진단부

Claims

배터리와 부하를 연결하는 음극 전원선 상에 위치하며, 상기 배터리와 상기 부하를 연결 또는 단락하는 음극 스위치;
상기 음극 스위치와 병렬 연결된 하나 이상의 저항; 및
전압 분배를 이용하여 직렬 연결된 상기 하나 이상의 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 하나 이상의 저항 중 측정 대상이 되는 하나의 저항에 인가되는 전압을 산출하고, 상기 산출된 전압에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 배터리의 상태를 진단하기 위한 기준전압을 생성하는 기준전압 생성부;를 더 포함하며,
상기 제어부는,
상기 기준전압에 기반하여 상기 하나의 저항에 인가될 전압을 산출하고, 상기 하나의 저항에 인가된 전압과 상기 산출된 전압을 비교하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나의 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압을 디지털 신호로 변환하는 ADC 변환부;를 더 포함하며,
상기 제어부는,
상기 변환된 디지털 신호에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 저항 사이에 위치하며, 상기 하나 이상의 저항을 연결 또는 단락하는 스위치부;를 더 포함하며,
상기 제어부는,
상기 스위치부의 개폐를 제어하여 상기 하나의 저항에 상기 배터리의 전압을 인가시키고, 상기 인가된 전압에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 저항에 보정전압을 인가하는 보정전압 생성부;를 더 포함하며,
상기 제어부는,
상기 하나의 저항에 인가된 전압과 상기 보정전압을 합산하고, 상기 합산된 전압을 기반으로 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치는,
상기 배터리와 상기 부하를 연결하는 양극 전원선 상에 위치하며, 상기 배터리와 상기 부하를 연결 또는 단락하는 양극 스위치;
상기 양극 스위치를 진단하기 위한 진단 저항; 및
일측이 상기 양극 스위치와 연결되고 타측이 상기 진단 저항과 연결된 저항부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
전압 분배를 이용하여 상기 저항부 및 상기 진단 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 진단 저항에 인가되는 전압을 산출하고, 상기 산출된 전압에 기반하여 상기 양극 스위치의 상태를 진단하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 음극 스위치, 상기 하나 이상의 저항은 하나의 음극 스위치 진단부로 구성되며, 상기 제어부는 상기 음극 스위치 진단부 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 장치.
음극 스위치가 배터리와 부하를 연결하는 음극 전원선 상에 위치하며, 상기 배터리와 상기 부하를 연결 또는 단락하는 단계;
하나 이상의 저항이 상기 음극 스위치와 병렬 연결하는 단계; 및
제어부가 전압 분배를 이용하여 직렬 연결된 상기 하나 이상의 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 하나 이상의 저항 중 측정 대상이 되는 하나의 저항에 인가되는 전압을 산출하고, 상기 산출된 전압에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법.
제9항에 있어서,
상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은,
기준전압 생성부가 상기 배터리의 상태를 진단하기 위한 기준전압을 생성하는 단계;를 더 포함하며,
상기 진단하는 단계는,
상기 기준전압에 기반하여 상기 하나의 저항에 인가될 전압을 산출하고, 상기 하나의 저항에 인가된 전압과 상기 산출된 전압을 비교하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법.
제9항에 있어서,
ADC 변환부가 상기 하나의 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압을 디지털 신호로 변환하는 단계;를 더 포함하며,
상기 진단하는 단계는,
상기 변환된 디지털 신호에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법.
제9항에 있어서,
상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은,
스위치부가 상기 하나 이상의 저항 사이에 위치하며, 상기 하나 이상의 저항을 연결 또는 단락하는 단계;를 더 포함하며,
상기 진단하는 단계는,
상기 스위치부의 개폐를 제어하여 상기 하나의 저항에 상기 배터리의 전압을 인가시키고, 상기 인가된 전압에 기반하여 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법.
제9항에 있어서,
상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은,
보정전압 생성부가 상기 하나 이상의 저항에 보정전압을 인가하는 단계;를 더 포함하며,
상기 진단하는 단계는,
상기 하나의 저항에 인가된 전압과 상기 보정전압을 합산하고, 상기 합산된 전압을 기반으로 상기 음극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법.
제9항에 있어서,
상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은,
양극 스위치가 상기 배터리와 상기 부하를 연결하는 양극 전원선 상에 위치하며, 상기 배터리와 상기 부하를 연결 또는 단락하는 단계;
진단 저항이 상기 양극 스위치를 진단하는 단계; 및
저항부가 일측이 상기 양극 스위치와 연결되고 타측이 상기 진단 저항과 연결되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법.
제9항에 있어서,
상기 진단하는 단계는,
전압 분배를 이용하여 상기 저항부 및 상기 진단 저항에 인가되는 상기 배터리의 전압으로부터 상기 진단 저항에 인가되는 전압을 산출하고, 상기 산출된 전압에 기반하여 상기 양극 스위치의 상태를 진단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법.
제9항에 있어서,
상기 전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법은,
상기 음극 스위치, 상기 하나 이상의 저항은 하나의 음극 스위치 진단부로 구성하는 단계; 및
상기 제어부는 상기 음극 스위치 진단부 외부에 위치하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
전압 분배를 이용한 스위치 진단 방법.