KR20190140782A - 배터리 관리 시스템, 그것을 포함하는 배터리팩 및 전류 측정 회로의 고장 판정 방법 - Google Patents

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Abstract

전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하기 위한 배터리 관리 시스템, 그것을 포함하는 배터리팩 및 전류 검출 회로의 고장 판정 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리팩의 대전류 경로에 설치된 션트 저항 소자를 구비하고, 상기 션트 저항 소자의 양단에 발생하는 제1 전압을 기초로 상기 대전류 경로를 통해 흐르는 제1 전류를 검출하도록 구성된 전류 검출 회로; 서로 직렬 연결된 충전 FET 및 방전 FET을 포함하고, 상기 대전류 경로에 설치되는 양방향 스위치; 및 상기 전류 검출 회로 및 상기 양방향 스위치에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET 중 어느 하나의 양단에 발생하는 제2 전압을 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하도록 구성된다.

Description

배터리 관리 시스템, 그것을 포함하는 배터리팩 및 전류 측정 회로의 고장 판정 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM, BATTERY PACK INCLUDING THE SAME, AND METHOD FOR DETERIMING A FAILURE OF CURRENT DETECTING CIRCUIT}
본 발명은 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하기 위한 배터리 관리 시스템, 그것을 포함하는 배터리팩 및 전류 검출 회로의 고장 판정 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리팩의 대전류 경로에는 전류 검출 회로가 설치되고, 전류 검출 회로는 배터리를 통해 흐르는 충방전 전류를 검출한다. 충방전 전류는, 배터리의 SOC(state of charge) 및 SOH(state of health) 등을 산출하는 데에 필수적으로 요구되는 기본적이면서 중요한 파라미터이다. 따라서, 충방전 전류는 가능한 정확하게 측정되어야 한다.
일반적으로, 전류 검출 회로는 션트 저항 소자를 구비하고, 충방전 전류가 션트 저항 소자를 통해 흐를 때에 션트 저항 소자의 양단에서 측정되는 전압을 션트 저항 소자의 저항(resistance)으로 나눔으로써, 충방전 전류를 검출한다.
그런데, 여러가지 원인으로 인하여 전류 검출 회로에 하드웨어적인 고장(예, 션트 저항 소자의 손상, 통신 라인의 손상)이나 소프트웨어적인 고장이 발생할 수 있는데, 이 경우에는 전류 검출 회로에 의해 검출되는 충방전 전류를 더 이상 신뢰할 수 없게 된다. 따라서, 션트 저항 소자를 구비하는 전류 검출 회로의 고장 여부를 적절히 진단할 수 있는 기술이 필요하며, 특허문헌 1이 종래기술로서 개시된바 있다. 특허문헌 1은, 션트 저항 소자를 이용하여 검출된 충방전 전류와 홀 센서를 이용하여 검출된 충방전 전류를 상호 비교함으로써, 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하고 있다.
하지만, 특허문헌 1은 홀 센서가 반드시 요구되므로, 션트 저항 소자만을 이용하여 충방전 전류를 검출하는 회로에 비하여 제작 비용이 높을 뿐만 아니라, 회로가 더 복잡해진다는 단점이 있다.
(특허문헌 1)대한민국 등록특허공보 제10-1810658호(등록일자: 2017년 12월 13일)
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 션트 저항 소자 외에 충방전 전류를 검출하기 위한 홀 센서를 추가하지 않고도, 션트 저항 소자를 구비하는 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정할 수 있는 배터리 관리 시스템, 그것을 포함하는 배터리팩 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리팩의 대전류 경로에 설치된 션트 저항 소자를 구비하고, 상기 션트 저항 소자의 양단에 발생하는 제1 전압을 기초로 상기 대전류 경로를 통해 흐르는 제1 전류를 검출하도록 구성된 전류 검출 회로; 서로 직렬 연결된 충전 FET 및 방전 FET을 포함하고, 상기 대전류 경로에 설치되는 양방향 스위치; 및 상기 전류 검출 회로 및 상기 양방향 스위치에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET 중 어느 하나의 양단에 발생하는 제2 전압을 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하도록 구성된다.
상기 제어부는, 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET가 온 상태를 가지도록 상기 충전 FET의 게이트 및 상기 방전 FET의 게이트에 하이 레벨 전압을 인가하도록 구성된다.
상기 제어부는, 상기 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제1 룩업테이블로부터 상기 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 온 상태 저항을 기준 저항으로서 획득한다. 상기 제1 룩업테이블은, 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET의 드레인 전류와 온 상태 저항 간의 관계를 나타내는 데이터를 가진다. 상기 제어부는, 상기 제2 전압을 상기 기준 저항으로 나누어, 제2 전류를 산출한다. 상기 제어부는, 상기 제1 전류 및 상기 제2 전류 간의 차이를 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하도록 구성된다.
상기 제어부는, 상기 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제2 룩업테이블로부터 상기 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 드레인-소스 전압을 기준 전압으로서 획득한다. 상기 제2 룩업테이블은, 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET의 드레인 전류와 드레인-소스 전압 간의 관계를 나타내는 데이터를 가진다. 상기 제어부는, 상기 제2 전압 및 상기 기준 전압 간의 차이를 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하도록 구성된다.
상기 제어부는, 상기 제1 전류의 단위 시간 동안의 변화량이 기준 범위를 벗어하는 경우, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하도록 구성된다.
상기 제어부는, 상기 제1 전류의 단위 시간 동안의 변화량을 기초로, 감시 기간을 결정한다. 상기 제어부는, 상기 감시 기간 동안 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 주기적으로 판정하도록 구성된다. 상기 감시 기간은, 상기 변화량의 크기에 비례할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 나타내는 진단 신호를 출력하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리팩은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 검출 회로의 고장 판정 방법은, 상기 전류 검출 회로가 배터리팩의 대전류 경로에 설치된 션트 저항 소자의 양단에 발생하는 제1 전압을 기초로 제1 전류를 검출하는 단계; 제어부가 상기 대전류 경로에 설치된 양방향 스위치에 포함된 충전 FET 및 방전 FET 중 어느 하나의 양단에 발생하는 제2 전압을 측정하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 제2 전압을 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계를 포함한다.
상기 제2 전압을 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계는, 상기 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제1 룩업테이블로부터 상기 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 온 상태 저항을 기준 저항으로서 획득하는 단계; 상기 제2 전압을 상기 기준 저항으로 나누어, 제2 전류를 산출하는 단계; 및 상기 제1 전류 및 상기 제2 전류 간의 차이를 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 룩업테이블은, 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET의 드레인 전류와 온 상태 저항 간의 관계를 나타내는 데이터를 가진다.
상기 제2 전압을 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계는, 상기 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제2 룩업테이블로부터 상기 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 드레인-소스 전압을 기준 전압으로서 획득하는 단계; 상기 제2 전압 및 상기 기준 전압 간의 차이를 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 룩업테이블은, 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET의 드레인 전류와 드레인-소스 전압 간의 관계를 나타내는 데이터를 가진다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 션트 저항 소자 외에 충방전 전류를 검출하기 위한 홀 센서를 추가하지 않고도, 션트 저항 소자를 구비하는 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 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 관리 시스템을 포함하는 배터리팩의 개략도이다.
도 2는 도 1의 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 데에 이용되는 제1 룩업 테이블에 대응하는 그래프를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 데에 이용되는 제2 룩업 테이블에 대응하는 그래프를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 검출 회로의 고장을 판정하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 검출 회로의 고장을 판정하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
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 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(100)을 포함하는 배터리팩(10)의 개략도이고, 도 2는 도 1의 전류 검출 회로(120)의 고장 여부를 판정하는 데에 이용되는 제1 룩업 테이블에 대응하는 그래프를 예시적으로 보여주는 도면이며, 도 3은 도 1의 전류 검출 회로(120)의 고장 여부를 판정하는 데에 이용되는 제2 룩업 테이블에 대응하는 그래프를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리팩(10)은, 배터리 스택(20) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
배터리 스택(20)은, 적어도 하나의 배터리 셀(21)을 포함한다. 복수의 배터리 셀(21)이 배터리 스택(20)에 포함되는 경우, 각 배터리 셀(21)은 다른 배터리 셀(21)과 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 각 배터리 셀(21)은, 예컨대 리튬 이온 배터리일 수 있다. 물론, 배터리 셀(21)의 종류가 리튬 이온 배터리에 한정되는 것은 아니며, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면 특별히 한정되지 않는다.
배터리 관리 시스템(100)은, 양방향 스위치(110), 전류 검출 회로(120) 및 제어부(200)를 포함한다.
양방향 스위치(110)는, 대전류 경로(11)에 설치된다. 양방향 스위치(110)는, 서로 직렬 연결되는 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)을 포함할 수 있다. FET이라는 용어는, 전계 효과 트랜지스터를 의미한다. 충전 FET(111)은, 드레인, 게이트, 소스 및 기생 다이오드를 포함할 수 있다. 방전 FET(112)은, 드레인, 게이트, 소스 및 기생 다이오드를 포함할 수 있다.
일 예로, 도 1에 도시된 바와 같이, 충전 FET(111)의 드레인은 배터리팩(10)의 제1 전원 단자(P+)에 연결되고, 방전 FET(112)의 드레인은 배터리 스택(20)의 양극 단자에 연결되며, 충전 FET(111)의 소스와 방전 FET(112)의 소스는 대전류 경로(11) 상의 공통 노드(12)에 연결될 수 있다.
다른 예로, 도 1에 도시된 바와는 달리, 충전 FET(111)과 방전 FET(112)의 위치는 서로 교환될 수 있다. 즉, 충전 FET(111)의 소스는 배터리 스택(20)의 양극 단자에 연결되고, 방전 FET(112)의 소스는 배터리팩(10)의 제1 전원 단자(P+)에 연결되며. 충전 FET(111)의 드레인과 방전 FET(112)의 드레인은 공통 노드(12)에 연결될 수 있다.
충전 FET(111)의 게이트 및 방전 FET(112)의 게이트는, 제어부(200)에 연결된다. 제어부(200)로부터 선택적으로 출력되는 하이 레벨 전압(예, 5 V)은, 충전 FET(111)의 게이트 및 방전 FET(112)의 게이트에 인가된다. 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)은, 제어부(200)로부터 하이 레벨 전압이 출력되는 동안 온 상태에서 동작하고, 제어부(200)로부터 하이 레벨 전압의 출력이 중단되는 동안 오프 상태로 동작한다.
충전 FET(111)의 기생 다이오드는, 충전 FET(111)의 드레인과 소스 사이에 연결된다. 충전 FET(111)이 오프 상태를 가지는 동안, 충전 전류는 충전 FET(111)의 기생 다이오드에 의해 차단된다. 방전 FET(112)의 기생 다이오드는, 방전 FET(112)의 드레인과 소스 사이에 연결된다. 방전 FET(112)이 오프 상태를 가지는 동안, 방전 전류는 방전 FET(112)의 기생 다이오드에 의해 차단된다.
전류 검출 회로(120)는, 션트 저항 소자(121) 및 마이크로프로세서(122)를 포함한다. 션트 저항 소자(121)는, 배터리팩(10)의 대전류 경로(11)에 설치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 션트 저항 소자(121)의 일단은 배터리 스택(20)의 음극 단자에 연결되고, 타단은 배터리팩(10)의 제2 전원 단자(P-)에 연결될 수 있다. 물론, 도 1에 도시된 바와는 달리, 션트 저항 소자(121)의 일단은 배터리 스택(20)의 양극 단자에 연결되고, 타단은 방전 FET(112)의 드레인에 연결될 수도 있다. 또는, 션트 저항 소자(121)의 일단은 충전 FET(111)의 드레인에 연결되고, 타단은 제1 전원 단자(P+)에 연결될 수도 있다. 마이크로프로세서(122)는, 션트 저항 소자(121)의 양단에 발생하는 전압을 션트 저항 소자(121)의 저항(resistance)로 나눔으로써, 대전류 경로(11)를 통해 흐르는 충방전 전류를 소정 주기(예, 0.01초)마다 검출할 수 있다. 이하에서는, 션트 저항 소자(121)의 양단에 발생하는 전압을 '제1 전압'이라고 칭하고, 전류 검출 회로(120)에 의해 검출되는 충방전 전류를 '제1 전류'라고 칭하기로 한다. 마이크로프로세서(122)에는 통신 단자(CI)가 구비된다. 마이크로프로세서(122)는, 제1 전류를 나타내는 전류 데이터를 통신 단자(CI)를 통해 제어부(200)에게 출력한다.
제어부(200)는, 전류 검출 회로(120) 및 양방향 스위치(110)에 동작 가능하게 결합된다. 제어부(200)는, 스위치 드라이버(210), 전압 검출 회로(220) 및 컨트롤러(230)를 포함한다.
스위치 드라이버(210)는, 컨트롤러(230)로부터의 온 명령 또는 오프 명령에 응답하여, 양방향 스위치(110)를 선택적으로 온 상태로부터 오프 상태로 또는 오프 상태로부터 온 상태로 전이시키도록 구성된다. 구체적으로, 스위치 드라이버(210)는, 충전 FET(111)의 게이트 및 방전 FET(112)의 게이트에 개별적으로 하이 레벨 전압을 인가함으로써, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112) 각각을 선택적으로 온 상태로 제어한다. 일 예로, 충전 FET(111)의 게이트와 방전 FET(112)의 게이트에 모두 하이 레벨 전압이 인가되는 통상 모드에서, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)은 모두 온 상태를 가지게 되어 충전 전류와 방전 전류가 대전류 경로(11)를 통해 흐를 수 있다. 다른 예로, 충전 FET(111)의 게이트에만 하이 레벨 전압이 인가되는 충전 모드에서, 충전 FET(111)은 온 상태를 가지고 방전 FET(112)은 오프 상태를 가지므로, 방전 전류는 차단되고 충전 전류만이 대전류 경로(11)를 통해 흐를 수 있다. 반대로, 방전 FET(112)의 게이트에만 하이 레벨 전압이 인가되는 방전 모드에서, 충전 FET(111)은 오프 상태를 가지고 방전 FET(112)은 온 상태를 가지므로, 충전 전류는 차단되고 방전 전류만이 대전류 경로(11)를 통해 흐를 수 있다.
전압 검출 회로(220)는, 배터리 스택(20)의 전압 Va 및 제1 전원 단자(P+)의 전압 Vb을 각각 검출하도록 구성된다. 전압 검출 회로(220)는, 공통 노드(12)의 전압 Vc을 추가적으로 검출하도록 구성될 수 있다. 전압 검출 회로(220)에는 통신 단자(CV)가 구비된다. 전압 검출 회로(220)는, 배터리 스택(20)의 전압 Va, 제1 전원 단자(P+)의 전압 Vb 및 공통 노드(12)의 전압 Vc 중에서 적어도 하나를 나타내는 전압 데이터를 통신 단자(CV)를 통해 컨트롤러(230)에게 출력한다.
컨트롤러(230)는, 전류 검출 회로(120), 스위치 드라이버(210) 및 전압 검출 회로(220) 각각에 동작 가능하게 결합된다. 컨트롤러(230)에는, 통신 단자(C1), 통신 단자(C2), 통신 단자(C3) 및 통신 단자(C4)가 구비된다. 컨트롤러(230)는, 통신 단자(C1)를 통해 수신되는 전류 검출 회로(120)로부터의 전류 데이터를 기초로, 제1 전류의 시간에 따른 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있다. 컨트롤러(230)는, 통신 단자(C2)를 통해 수신되는 전압 검출 회로(220)로부터의 전압 데이터를 기초로, 배터리 스택(20)의 전압, 제1 전원 단자(P+)의 전압 및 공통 노드(12)의 전압 중에서 적어도 하나의 시간에 따른 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있다. 컨트롤러(230)는, 통신 단자(C3)를 통해 스위치 드라이버(210)에게 온 명령 또는 오프 명령을 출력한다.
컨트롤러(230)는, 하드웨어적으로 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 포함하도록 구현될 수 있다. 또한, 컨트롤러(230)에는 메모리 디바이스가 내장될 수 있으며, 메모리 디바이스로는 예컨대 RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체가 이용될 수 있다. 메모리 디바이스는, 컨트롤러(230)에 의해 실행되는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 상기 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장, 갱신 및/또는 소거할 수 있다.
컨트롤러(230)는, 전압 데이터를 기초로, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112) 각각의 양단에 발생하는 전압을 모니터링할 수 있다. 충전 FET(111)의 양단에 발생하는 전압은, 제1 전원 단자(P+)의 전압 Vb과 공통 노드(12)의 전압 Vc 간의 차이에 대응한다. 방전 FET(112)의 양단에 발생하는 전압은, 배터리 스택(20)의 전압 Va과 공통 노드(12)의 전압 Vc 간의 차이에 대응한다. 이하에서는, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112) 중 온 상태를 가지는 어느 하나의 양단에 발생하는 전압을 '제2 전압'이라고 칭하기로 한다.
컨트롤러(230)는, 소정 조건이 만족되는 경우, 제2 전압을 기초로, 전류 검출 회로(120)의 고장 여부를 판정할 수 있다. 즉, 컨트롤러(230)는, 소정 조건이 만족되는 경우, 제2 전압을 이용하여, 전류 검출 회로(120)에 의해 검출된 제1 전류가 대전류 경로(11)를 통해 흐르는 충방전 전류를 유효하게 나타내는 것인지 여부를 판정할 수 있다. 소정 조건은, 최근에 모니터링된 단위 시간(예, 0.1초) 동안의 제1 전류의 변화량이 기준 범위(예, -50 ~ +50 A)를 벗어나는 것이다.
컨트롤러(230)는, 제1 전류의 단위 시간 동안의 변화량이 기준 범위를 벗어나는 경우, 제1 전류의 단위 시간 동안의 변화량을 기초로 감시 기간을 결정할 수 있다. 감시 기간은, 제1 전류의 단위 시간 동안의 변화량의 크기에 비례할 수 있다. 일 예로, 제1 전류의 단위 시간 동안의 변화량이 100 A인 경우 감시 기간은 2초로 결정되고, 제2 전류의 단위 시간 동안의 변화량이 150 A인 경우 감시 기간은 3초로 결정될 수 있다. 감시 기간 동안 전류 검출 회로(120)의 고장 여부를 소정 시간 간격(예, 0.2초)마다 주기적으로 판정할 수 있다.
전류 검출 회로(120)에 의해 제1 전압이 검출된 시점과 전압 검출 회로(220)에 의해 제2 전압이 검출된 시점은 미리 정해진 오차 범위 내의 차이만을 가질 수 있다. 컨트롤러(230)는, 제1 룩업 테이블 및 제2 룩업 테이블 중 적어도 하나를 이용하여 전류 검출 회로(120)의 고장을 진단할 수 있는바, 각각의 진단 동작에 대하여 지금부터 상세히 설명하도록 한다.
<제1 룩업 테이블을 이용하는 진단 동작>
도 1 및 도 2를 참조하면, 컨트롤러(230)의 메모리 디바이스에는 제1 룩업 테이블이 미리 저장된다. 제1 룩업 테이블은, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)의 드레인 전류 ID와 온 상태 저항(on-state resistance) RON 간의 관계를 나타내는 데이터를 가진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)의 드레인 전류 ID가 증가함에 따라, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)의 온 상태 저항 RON은 비선형적으로 증가한다.
컨트롤러(230)는, 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제1 룩업 테이블로부터 제1 전류에 연관된 기준 저항을 획득한다. 예를 들어, 제1 전류가 100 A인 경우, 100 A의 드레인 전류에 연관된 1 mΩ의 온 상태 저항이 기준 저항으로서 획득되고, 제1 전류가 150 A인 경우 150 A의 드레인 전류에 연관된 3 mΩ의 온 상태 저항이 기준 저항으로서 획득되며, 제1 전류가 200 A인 경우 200 A의 드레인 전류에 연관된 7 mΩ의 온 상태 저항이 기준 저항으로서 획득될 수 있다.
다음으로, 컨트롤러(230)는, 제2 전압을 기준 저항으로 나누어, 제2 전류를 산출한다.
다음으로, 컨트롤러(230)는, 제1 전류와 제2 전류의 차이를 기초로, 전류 검출 회로(120)의 고장 여부를 판정한다. 제1 전류와 제2 전류는 동일 시점에서 대전류 경로(11)를 통해 흐르는 충방전 전류를 나타낸다. 따라서, 전류 검출 회로(120)가 정상이라면 제1 전류와 제2 전류 간의 차이는 미리 정해진 제1 임계 범위(예, -0.3 A ~ +0.3 A) 내일 것이지만, 전류 검출 회로(120)가 고장이라면 제1 전류와 제2 전류 간의 차이는 제1 임계 범위를 벗어날 것이다.
<제2 룩업 테이블을 이용하는 진단 동작>
도 1 및 도 3을 참조하면, 컨트롤러(230)의 메모리 디바이스에는 제2 룩업 테이블이 미리 저장된다. 제2 룩업 테이블은, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)의 드레인 전류 ID와 드레인-소스 전압 VDS 간의 관계를 나타내는 데이터를 가진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)의 드레인 전류 ID가 증가함에 따라, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)의 드레인-소스 전압 VDS은 비선형적으로 증가한다.
컨트롤러(230)는, 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제2 룩업 테이블로부터 제1 전류에 연관된 기준 전압을 획득한다. 예를 들어, 제1 전류가 100 A인 경우 100 A의 드레인 전류에 연관된 0.1 V의 드레인-소스 전압이 기준 전압으로서 획득되고, 제1 전류가 150 A인 경우 150 A의 드레인 전류에 연관된 0.45 V의 드레인-소스 전압이 기준 전압으로서 획득되며, 제1 전류가 200 A인 경우 200 A의 드레인 전류에 연관된 1.4 V의 드레인-소스 전압이 기준 전압으로서 획득될 수 있다.
다음으로, 컨트롤러(230)는, 제2 전압과 기준 전압의 차이를 기초로, 전류 검출 회로(120)의 고장 여부를 판정한다. 제2 전압은 충방전 전류에 의해 발생하는 것이고, 제1 전류는 충방전 전류에 대응한다. 따라서, 전류 검출 회로(120)가 정상이라면 제2 전압과 기준 전압 간의 차이는 미리 정해진 제2 임계 범위(예, -0.01 V ~ +0.01 V) 내일 것이지만, 전류 검출 회로(120)가 고장이라면 제2 전압과 기준 전압 간의 차이는 제2 임계 범위를 벗어날 것이다.
컨트롤러(230)는, 전술한 제1 룩업 테이블 및 제2 룩업 테이블 중 적어도 하나를 이용하는 진단 동작이 완료되면, 전류 검출 회로(120)의 고장 여부를 나타내는 진단 신호를 출력한다. 진단 신호는, 컨트롤러(230)에 구비된 통신 단자(C4)로부터 출력되어, 배터리팩(10)의 통신 단자(COM)를 통해 외부 디바이스(예, 차량의 ECU)로 전송될 수 있다. 통신 단자(COM)는 유선 또는 무선 통신을 지원한다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있는데, 컨트롤러(230)와 외부 디바이스 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.
외부 디바이스는, 컨트롤러(230)로부터 수신한 진단 신호에 대응하는 시각적 정보 및 청각적 정보 중 적어도 하나를 사용자에게 제공하도록 구성된 주변 장치를 포함할 수 있다. 주변 장치는, 예컨대 디스플레이, 스피커 등과 같이 정보를 시각적 및/또는 청각적으로 출력하는 기기를 이용하여 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 검출 회로(120)의 고장을 판정하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 단계 400에서, 전류 검출 회로(120)는 배터리팩(10)의 대전류 경로(11)에 설치된 션트 저항 소자(121)의 양단에 발생하는 제1 전압을 기초로 제1 전류를 검출한다. 전류 검출 회로(120)는, 제1 전류를 나타내는 전류 데이터를 제어부(200)에게 전송한다.
단계 410에서, 제어부(200)는, 대전류 경로(11)에 설치된 충전 FET(111) 및 방전 FET(112) 중 어느 하나의 양단에 발생하는 제2 전압을 측정한다. 예컨대, 충전 모드에서는 충전 FET(111)의 양단에 발생하는 전압이 제2 전압으로서 측정되고, 방전 모드에서는 방전 FET(112)의 양단에 발생하는 전압이 제2 전압으로서 측정된다. 통상 모드에서는 충전 FET(111) 또는 방전 FET(112)의 양단에 발생하는 전압이 제2 전압으로서 측정될 수 있다. 제1 전압이 측정되는 시점과 제2 전압이 측정되는 시점은, 서로 동일하거나 오차 범위 내의 차이를 가질 수 있다.
단계 420에서, 제어부(200)는, 제1 전류를 인덱스로서 이용하여, 제1 룩업테이블로부터 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 온 상태 저항을 기준 저항으로서 획득한다. 제1 룩업테이블에는, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)의 드레인 전류와 온 상태 저항 간의 관계를 나타내는 데이터가 기록되어 있다.
단계 430에서, 제어부(200)는, 제2 전압을 기준 저항으로 나누어, 제2 전류를 산출한다. 제2 전류는, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)를 통해 흐르는 전류의 추정치이다.
단계 440에서, 제어부(200)는, 제1 전류 및 제2 전류 간의 차이가 제1 임계 범위를 벗어나는지 여부를 판정한다. 제1 전류 및 제2 전류 간의 차이가 제1 임계 범위를 벗어나는 것은, 전류 검출 회로(120)가 고장임을 나타낸다. 단계 440의 값이 "YES"인 경우, 단계 450이 진행된다.
단계 450에서, 제어부(200)는, 전류 검출 회로(120)가 고장임을 나타내는 진단 신호를 출력한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 검출 회로(120)의 고장을 판정하기 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 1, 도 3 및 도 5를 참조하면, 단계 500에서, 전류 검출 회로(120)는 배터리팩(10)의 대전류 경로(11)에 설치된 션트 저항 소자(121)의 양단에 발생하는 제1 전압을 기초로 제1 전류를 검출한다. 전류 검출 회로(120)는, 제1 전류를 나타내는 전류 데이터를 제어부(200)에게 전송한다.
단계 510에서, 제어부(200)는, 대전류 경로(11)에 설치된 충전 FET(111) 및 방전 FET(112) 중 어느 하나의 양단에 발생하는 제2 전압을 측정한다. 제1 전압이 측정되는 시점과 제2 전압이 측정되는 시점은, 서로 동일하거나 오차 범위 내의 차이를 가질 수 있다.
단계 520에서, 제어부(200)는, 제1 전류를 인덱스로서 이용하여, 제2 룩업테이블로부터 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 드레인-소스 전압을 기준 전압으로서 획득한다. 제2 룩업테이블에는, 충전 FET(111) 및 방전 FET(112)의 드레인 전류와 드레인-소스 전압 간의 관계를 나타내는 데이터가 기록되어 있다.
단계 530에서, 제어부(200)는, 제2 전압 및 기준 전압 간의 차이가 제2 임계 범위를 벗어나는지 여부를 판정한다. 제2 전압 및 기준 전압 간의 차이가 제2 임계 범위를 벗어나는 것은, 전류 검출 회로(120)가 고장임을 나타낸다. 단계 530의 값이 "YES"인 경우, 단계 540이 진행된다.
단계 540에서, 제어부(200)는, 전류 검출 회로(120)가 고장임을 나타내는 진단 신호를 출력한다.
본 명세서에 기재된 실시예들에 의하면, 션트 저항 소자(121) 외에 충방전 전류를 검출하기 위한 홀 센서를 추가하지 않고도, 션트 저항 소자(121)를 구비하는 전류 검출 회로(120)의 고장 여부를 판정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 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.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
10: 배터리팩
11: 대전류 경로
20: 배터리 스택
21: 배터리 셀
100: 배터리 관리 시스템
110: 양방향 스위치
111: 충전 FET
112: 방전 FET
CN: 공통 노드
120: 전류 검출 회로
121: 션트 저항 소자
200: 제어부
210: 스위치 드라이버
220: 전압 검출 회로
230: 컨트롤러

Claims (12)

  1. 배터리팩의 대전류 경로에 설치된 션트 저항 소자를 구비하고, 상기 션트 저항 소자의 양단에 발생하는 제1 전압을 기초로 상기 대전류 경로를 통해 흐르는 제1 전류를 검출하도록 구성된 전류 검출 회로;
    서로 직렬 연결된 충전 FET 및 방전 FET을 포함하고, 상기 대전류 경로에 설치되는 양방향 스위치; 및
    상기 전류 검출 회로 및 상기 양방향 스위치에 동작 가능하게 결합된 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 충전 FET 및 상기 방전 FET 중 어느 하나의 양단에 발생하는 제2 전압을 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하도록 구성된, 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 FET 및 상기 방전 FET 중 적어도 하나가 온 상태를 가지도록 상기 충전 FET의 게이트 및 상기 방전 FET의 게이트 중 적어도 하나에 하이 레벨 전압을 인가하도록 구성된, 배터리 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제1 룩업테이블로부터 상기 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 온 상태 저항을 기준 저항으로서 획득하되, 상기 제1 룩업테이블은 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET의 드레인 전류와 온 상태 저항 간의 관계를 나타내는 데이터를 가지고,
    상기 제2 전압을 상기 기준 저항으로 나누어, 제2 전류를 산출하고,
    상기 제1 전류 및 상기 제2 전류 간의 차이를 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하도록 구성된, 배터리 관리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제2 룩업테이블로부터 상기 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 드레인-소스 전압을 기준 전압으로서 획득하되, 상기 제2 룩업테이블은 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET의 드레인 전류와 드레인-소스 전압 간의 관계를 나타내는 데이터를 가지고,
    상기 제2 전압 및 상기 기준 전압 간의 차이를 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하도록 구성된, 배터리 관리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전류의 단위 시간 동안의 변화량이 기준 범위를 벗어하는 경우, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하도록 구성된, 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전류의 단위 시간 동안의 변화량을 기초로, 감시 기간을 결정하고,
    상기 감시 기간 동안 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 주기적으로 판정하도록 구성된, 배터리 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 감시 기간은, 상기 변화량의 크기에 비례하는, 배터리 관리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 나타내는 진단 신호를 출력하도록 구성된, 배터리 관리 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는, 배터리팩.
  10. 전류 검출 회로가 배터리팩의 대전류 경로에 설치된 션트 저항 소자의 양단에 발생하는 제1 전압을 기초로 제1 전류를 검출하는 단계;
    제어부가 상기 대전류 경로에 설치된 양방향 스위치에 포함된 충전 FET 및 방전 FET 중 어느 하나의 양단에 발생하는 제2 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 제2 전압을 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계를 포함하는, 전류 검출 회로의 고장 판정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전압을 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계는,
    상기 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제1 룩업테이블로부터 상기 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 온 상태 저항을 기준 저항으로서 획득하는 단계;
    상기 제2 전압을 상기 기준 저항으로 나누어, 제2 전류를 산출하는 단계; 및
    상기 제1 전류 및 상기 제2 전류 간의 차이를 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 룩업테이블은, 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET의 드레인 전류와 온 상태 저항 간의 관계를 나타내는 데이터를 가지는, 전류 검출 회로의 고장 판정 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전압을 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계는,
    상기 제1 전류를 인덱스로서 이용하여 제2 룩업테이블로부터 상기 제1 전류에 대응하는 드레인 전류에 연관된 드레인-소스 전압을 기준 전압으로서 획득하는 단계;
    상기 제2 전압 및 상기 기준 전압 간의 차이를 기초로, 상기 전류 검출 회로의 고장 여부를 판정하는 단계를 포함하되,
    상기 제2 룩업테이블은, 상기 충전 FET 및 상기 방전 FET의 드레인 전류와 드레인-소스 전압 간의 관계를 나타내는 데이터를 가지는, 전류 검출 회로의 고장 판정 방법.
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