KR20210070077A - 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법 및 배터리 팩 - Google Patents

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윤석진
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Abstract

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 하이 사이드 전력선 및 로우 사이드 전력선을 통해 평활 커패시터에 병렬 연결되는 배터리를 위한 것이다. 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 로우 사이드 전력선의 제1 노드와 제2 노드 간에 연결되는 방전 제어 스위치; 서미스터를 포함하되, 상기 서미스터의 제1 단은 상기 제1 노드에 연결되는 온도 센싱 회로; 상기 서미스터의 제2 단과 상기 제2 노드 간의 프리차지 전력선에 연결되는 프리차지 스위치; 및 상기 방전 제어 스위치, 상기 온도 센싱 회로 및 상기 프리차지 스위치에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 키-온 신호를 수신 시, 상기 평활 커패시터의 프리차징을 위해, 상기 방전 제어 스위치를 턴 오프시키고, 상기 프리차지 스위치를 턴 온시키도록 구성된다.

Description

배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법 및 배터리 팩{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM, BATTERY MANAGEMENT METHOD AND BATTERY PACK}
본 발명은, 전기 차량의 인버터와 배터리 간에 마련된 평활 커패시터의 프리차징을 제어하기 위한 기술에 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.
일반적으로, 전기 차량에 탑재되는 배터리와 인버터 간에는 급격한 전압 변동을 억제하기 위한 평활 커패시터가 마련된다.
특허문헌 1에는, 배터리와 평활 커패시터 간의 전압차로 인한 돌입 전류를 억제하기 위한 종래 기술로서의 프리차지 회로가 제시되어 있다.
그런데, 종래 기술에 따른 프리차지 회로의 프리차지 저항기는 오로지 프리차징 동작 시에만 필요한 구성이기 때문에, 배터리가 충방전되는 대부분의 시간 동안에는 별다른 역할을 담당할 수 없다. 아울러, 프리차지 저항기는 배터리 관리 시스템 내에서 적지 않은 면적을 차지하기 때문에, 공간 활용성 역시 떨어진다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 추가적인 프리차지 저항기 대신, 온도 센싱 회로의 서미스터를 전류 제한 소자로 활용하여 평활 커패시터를 프리차징하는 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법 및 배터리 팩을 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 측면에 따른 배터리 관리 시스템은, 하이 사이드 전력선 및 로우 사이드 전력선을 통해 평활 커패시터에 병렬 연결되는 배터리를 위한 것이다. 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 로우 사이드 전력선의 제1 노드와 제2 노드 간에 연결되는 방전 제어 스위치; 서미스터를 포함하되, 상기 서미스터의 제1 단은 상기 제1 노드에 연결되는 온도 센싱 회로; 상기 서미스터의 제2 단과 상기 제2 노드 간의 프리차지 전력선에 연결되는 프리차지 스위치; 및 상기 방전 제어 스위치, 상기 온도 센싱 회로 및 상기 프리차지 스위치에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 키-온 신호를 수신 시, 상기 평활 커패시터의 프리차징을 위해, 상기 방전 제어 스위치를 턴 오프시키고, 상기 프리차지 스위치를 턴 온시키도록 구성된다.
상기 제어부는, 상기 평활 커패시터의 양단에 걸친 전압이 임계 전압 이상으로 상승 시, 상기 프리차지 스위치를 턴 오프시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 키-온 신호에 응답하여 초기 서미스터 전압값을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 초기 서미스터 전압값은, 상기 프리차지 전력선을 통해 프리차지 전류가 흐르지 않을 때의 상기 서미스터의 양단에 걸친 전압을 나타낸다. 상기 제어부는, 상기 초기 서미스터 전압값이 소정의 설정 전압값 이상인 경우, 상기 방전 제어 스위치를 턴 오프시키고, 상기 프리차지 스위치를 턴 온시키도록 구성될 수 있다.
상기 서미스터는, 부특성 온도 계수 서미스터일 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 로우 사이드 전력선에 연결되는 션트 저항기를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 평활 커패시터가 프리차지되는 동안, 소정 시간마다, 상기 션트 저항기의 양단에 걸친 전압을 나타내는 션트 전압값을 기초로, 상기 프리차지 전력선을 통해 흐르는 프리차지 전류를 나타내는 프리차지 전류값을 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 평활 커패시터가 프리차지되는 동안, 상기 소정 시간마다, 상기 서미스터의 양단에 걸친 전압을 나타내는 서미스터 전압값 및 상기 프리차지 전류값을 기초로, 상기 서미스터의 저항을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 서미스터의 저항을 기초로, 상기 서미스터의 온도를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 평활 커패시터가 프리차지되는 동안, 상기 소정 시간마다, 상기 프리차지 전류에 의한 상기 서미스터의 줄열에 대응하는 보상 온도를 상기 서미스터의 온도로부터 차감하여, 상기 배터리의 온도를 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 보상 온도는, 상기 프리차지 전류에 의해 유도된 상기 서미스터의 온도 상승분을 나타낼 수 있다.
상기 제어부는, 하기의 수식을 이용하여, 상기 보상 온도를 결정하도록 구성될 수 있다.
Figure pat00001
(k는 프리차징이 시작된 때로부터 소정 시간이 경과할 때마다 1씩 증가하는 사이클 인덱스, ΔTpre[k-1]는 사이클 인덱스가 k-1일 때의 상기 보상 온도, ΔQpre[k]는 사이클 인덱스가 k일 때의 상기 프리차지 전류에 의한 상기 서미스터의 줄열, TCntc는 상기 서미스터의 열용량, ΔTpre[k]는 사이클 인덱스가 k일 때의 상기 보상 온도)
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 프리차지 전력선에 연결되는 다이오드를 더 포함할 수 있다. 상기 다이오드는, 상기 서미스터의 제2 단으로부터 상기 제2 노드로의 전류를 차단할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 하이 사이드 전력선 또는 상기 로우 사이드 전력선에 연결되는 충전 제어 스위치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 상기 배터리 관리 시스템에 의해 실행된다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리의 온도를 검출하기 위해 마련된 온도 센싱 회로의 서미스터를 전류 제한 소자로 활용하여 평활 커패시터를 프리차징할 수 있다. 이에 따라, 종래 기술과 같이 배터리 관리 시스템 내에 프리차지 저항기를 추가할 필요가 없으므로, 공간 활용성이 증대된다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 프리차징 중, 서미스터의 온도로부터 프리차지 전류에 의한 서미스터의 온도 상승분을 차감하여, 배터리의 온도를 결정할 수 있따.
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 발명에 따른 전기 차량의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템에 의해 프리차징 동작이 실행되는 중의 프리차지 전류, 서미스터의 줄열 및 보상 온도의 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 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.
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. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
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 발명에 따른 전기 차량(1)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기 차량(1)은, 차량 컨트롤러(20), 배터리 팩(10), 인버터(40) 및 전기 모터(50)를 포함한다.
차량 컨트롤러(20)는, 전기 차량(1)에 마련된 시동 스위치(미도시)가 사용자에 의해 ON-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-온 신호를 생성하도록 구성된다. 차량 컨트롤러(20)는, 시동 스위치가 사용자에 의해 OFF-위치로 전환된 것에 응답하여, 키-오프 신호를 생성하도록 구성된다.
배터리 팩(10)은, 배터리(B), 평활 커패시터(C), 하이 사이드 전력선(HV+), 로우 사이드 전력선(HV-) 및 배터리 관리 시스템(100)을 포함한다.
배터리(B)는, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 복수의 배터리 셀(Cell)을 포함한다. 배터리 셀(Cell)은, 예컨대 리튬 이온 셀 같이, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다.
배터리(B)의 양극 단자는, 하이 사이드 전력선(HV+)을 통해, 배터리 팩(10)의 제1 팩 단자(P+)에 전기적으로 연결된다. 배터리(B)의 음극 단자는, 로우 사이드 전력선(HV-)을 통해, 배터리 팩(10)의 제2 팩 단자(P-)에 전기적으로 연결된다.
인버터(40)는, 배터리(B)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전기 모터(50)에게 공급한다.
평활 커패시터(C)는, 인버터(40)로 공급되는 직류 전력을 평활화하도록 제공된다. 평활 커패시터(C)는, 배터리 팩(10)의 제1 팩 단자(P+)와 제2 팩 단자(P-) 사이에서 인버터(40)에 전기적으로 병렬 연결된다. 즉, 평활 커패시터(C)의 제1 단은 제1 팩 단자(P+)에 전기적으로 연결되고, 평활 커패시터(C)의 제2 단은 제2 팩 단자(P-)에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 배터리(B)는, 하이 사이드 전력선(HV+)과 로우 사이드 전력선(HV-)을 통해, 평활 커패시터(C)에 전기적으로 병렬 연결된다.
배터리 관리 시스템(100)은, 방전 제어 스위치(SWD), 온도 센싱 회로(140), 프리차지 스위치(SWP) 및 제어부(170)를 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)은, 충전 제어 스위치(SWC), 프리차지 다이오드(150) 및 션트 저항기(160) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
방전 제어 스위치(SWD)는, 배터리(B)의 방전 전류를 제어하도록 제공된다. 방전 제어 스위치(SWD)는, 로우 사이드 전력선(HV-)에 설치될 수 있다. 구체적으로, 방전 제어 스위치(SWD)는, 노드(N1)와 노드(N2) 간에 전기적으로 직렬 연결된다. 노드(N1)와 노드(N2) 각각은, 로우 사이드 전력선(HV-)의 일 부분일 수 있다.
방전 제어 스위치(SWD)는, 방전 FET(Field Effect Transistor, 110) 및 기생 다이오드(111)를 포함할 수 있다. 방전 FET(110)은, 드레인, 소스 및 게이트 가진다. 방전 FET(110)의 소스는 노드(N1)에 전기적으로 연결될 수 있다. 방전 FET(110)의 드레인은, 노드(N2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 방전 FET(110)의 게이트는, 제어부(170)에 전기적으로 연결될 수 있다. 기생 다이오드(111)는, 방전 FET(110)에 전기적으로 병렬 연결된다. 기생 다이오드(111)는, 방전 전류를 차단하는 방향으로, 방전 FET(110)의 드레인과 소스 간에 연결된다. 따라서, 방전 FET(110)이 턴 오프되어 있는 동안에는 배터리(B)의 방전이 기생 다이오드(111)에 의해 차단되고, 방전 FET(110)이 턴 온되어 있는 동안에만 배터리(B)의 방전이 가능하다.
온도 센싱 회로(140)는, 보호 저항기(141) 및 서미스터(142)의 직렬 회로를 포함한다. 서미스터(142)는, 부특성 온도 계수(NTC: Negative Temperature Coefficient) 서미스터(142)일 수 있다.
서미스터(142)의 제1 단은 노드(N1)에 전기적으로 연결된다. 보호 저항기(141)의 제1 단은, 서미스터(142)의 제2 단에 전기적으로 연결된다. 보호 저항기(141)의 제2 단은, 제어부(170)의 기준 전압 단자에 전기적으로 연결된다. 제어부(170)은, 제어부(170)에 내장된 전압 변환 회로(예, DC-DC 컨버터)를 이용하여, 배터리(B)의 전압 또는 추가적 전압원(예, 전기 차량(1)의 납축 전지)으로부터 일정 레벨의 기준 전압을 생성할 수 있다. 기준 전압 단자로부터 출력되는 기준 전압은, 보호 저항기(141) 및 서미스터(142)에 의해 분배된다. 일 예로, 기준 전압 = 5V, 보호 저항기(141)와 서미스터(142)의 저항비가 19:1인 경우, 서미스터(142)의 양단에 걸친 전압(VT)(이하, '서미스터 전압'이라고 칭할 수 있음)은 5V × 1/(19+1)=0.25V이다. 제어부(170)는, 서미스터 전압(VT)을 기초로, 배터리(B)의 온도를 검출하도록 구성된다.
프리차지 스위치(SWP)는, 서미스터(142)의 제2 단과 노드(N2)를 연결하는 프리차지 전력선(PC)에 설치된다. 즉, 프리차지 스위치(SWP)는, 서미스터(142)와 방전 제어 스위치(SWD)의 직렬 회로에 전기적으로 연결될 수 있다.
프리차지 스위치(SWP)는, 프리차지 FET(130) 및 기생 다이오드(131)를 포함할 수 있다. 프리차지 FET(130)은, 드레인, 소스 및 게이트 가진다. 프리차지 FET(130)의 소스는, 서미스터(142)의 제2 단에 전기적으로 연결될 수 있다. 프리차지 FET(130)의 드레인은, 노드(N2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 프리차지 FET(130)의 게이트는, 제어부(170)에 전기적으로 연결될 수 있다. 기생 다이오드(131)는, 프리차지 FET(130)에 전기적으로 병렬 연결된다. 기생 다이오드(131)는, 프리차지 전류를 차단하는 방향으로, 프리차지 FET(130)의 드레인과 소스 간에 연결된다. 따라서, 프리차지 FET(130)이 턴 오프되어 있는 동안에는 평활 커패시터(C)의 프리차징이 기생 다이오드(131)에 의해 차단되고, 프리차지 FET(130)이 턴 온되어 있는 동안에만 평활 커패시터(C)의 프리차징이 가능하다.
여기서 주목할 점은, 프리차지 스위치(SWP)는, 추가적인 프리차지 저항기 대신, 온도 센싱 회로(140)의 서미스터(142)에 전기적으로 연결됨으로써, 평활 커패시터(C)의 프리차징을 위한 전류 경로로서의 프리차지 전력선(PC)을 통한 전류의 흐름을 선택적으로 개폐 가능하다는 것이다. 또한, 서미스터(142)가 NTC 서미스터인 경우에는, 프리차징 동작 중에 서미스터(142)의 저항이 점차 감소하기 때문에, 프리차지 저항기를 이용한 종래 기술 대비, 프리차징 동작이 효과적으로 진행될 수 있다.
프리차지 다이오드(150)는, 기생 다이오드(131)와는 반대 방향(즉, 프리차지 전류를 허용하는 방향)으로, 프리차지 전력선(PC)에 설치될 수 있다. 구체적으로, 다이오드는, 프리차지 스위치(SWP)의 드레인과 노드(N2) 간에 전기적으로 연결되거나, 서미스터(142)의 제2 단과 프리차지 스위치(SWP)의 소스 간에 전기적으로 연결될 수 있다.
충전 제어 스위치(SWC)는, 배터리(B)의 충전 전류를 제어하도록 제공된다. 구체적으로, 도 1을 참조하면, 충전 제어 스위치(SWC)는, 로우 사이드 전력선(HV-)에 설치될 수 있다. 충전 제어 스위치(SWC)는, 노드(N2)와 노드(N3) 간에 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 노드(N3)는, 로우 사이드 전력선(HV-)의 일 부분일 수 있다.
충전 제어 스위치(SWC)는, 충전 FET(120) 및 기생 다이오드(121)를 포함할 수 있다. 충전 FET(120)은, 드레인, 소스 및 게이트 가진다. 충전 FET(120)의 드레인은 노드(N2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 충전 FET(120)의 소스는, 노드(N2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 충전 FET(120)의 게이트는, 제어부(170)에 전기적으로 연결될 수 있다. 기생 다이오드(121)는, 충전 FET(120)에 전기적으로 병렬 연결된다. 기생 다이오드(121)는, 충전 전류를 차단하는 방향으로, 충전 FET(120)의 드레인과 소스 간에 연결된다. 따라서, 충전 FET(120)이 턴 오프되어 있는 동안에는 배터리(B)의 충전이 기생 다이오드(121)에 의해 차단되고, 충전 FET(120)이 턴 온되어 있는 동안에만 배터리(B)의 충전이 가능하다.
대안적으로, 충전 제어 스위치(SWC)는, 로우 사이드 전력선(HV-) 대신, 하이 사이드 전력선(HV+)에 설치되더라도 무방하다. 이 경우, 충전 FET(120)의 드레인은 제1 팩 단자(P+) 에 전기적으로 연결되고, 충전 FET(120)의 소스는 배터리(B)의 양극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
션트 저항기(160)는, 하이 사이드 전력선(HV+) 또는 로우 사이드 전력선(HV-)에 설치될 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 션트 저항기(160)는, 노드(N3)와 노드(N4) 간에 전기적으로 연결될 수 있다. 노드(N4)는, 로우 사이드 전력선(HV-)의 일 부분일 수 있다. 대안적으로, 션트 저항기(160)는, 로우 사이드 전력선(HV-) 대신, 하이 사이드 전력선(HV+)에 설치되더라도 무방하다.
션트 저항기(160)는, 소정의 저항(이하, '션트 저항'이라고 칭할 수 있음)을 가진다. 제어부(170)는, 션트 저항기(160)의 양단에 걸친 전압(VI)을 나타내는 전압값(이하, '션트 전압값'이라고 칭할 수 있음)을 결정할 수 있다. 제어부(170)는, 평활 커패시터(C)의 프리차징 중에, 옵의 법칙에 따라, 션트 전압값과 션트 저항으로부터, 프리자치 전류의 전류값(이하, '프리차지 전류값'이라고 칭할 수 있음)을 결정할 수 있다. 프리차지 전류는, 배터리(B)와 프리차지 전력선(PC)을 통해 흐르는 전류를 지칭한다.
제어부(170)는, '제어 회로'라고 칭할 수도 있으며, 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 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(170)에는 메모리가 내장될 수 있다. 메모리에는, 후술할 방법들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 저장될 수 있다. 메모리는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
제어부(170)는, 차량 컨트롤러(20), 배터리(B), 방전 제어 스위치(SWD), 충전 제어 스위치(SWC), 온도 센싱 회로(140), 프리차지 스위치(SWP) 및 션트 저항기(160)에 동작 가능하게 결합된다.
제어부(170)는, 차량 컨트롤러(20)로부터의 키-온 신호에 응답하여, 평활 커패시터(C)를 위한 프리차징 동작을 실행한다. 제어부(170)는, 차량 컨트롤러(20)로부터의 키-오프 신호에 응답하여, 방전 제어 스위치(SWD), 충전 제어 스위치(SWC) 및 프리차지 스위치(SWP)를 턴 오프시킬 수 있다.
제어부(170)는, 그것에 내장된 적어도 하나의 ADC(Analog-Digital Convertor)를 이용하여, 소정 시간마다, i) 배터리(B)의 양단에 걸친 전압을 나타내는 배터리 전압값, ii) 평활 커패시터(C)의 양단에 걸친 전압(VC, 이하, '커패시터 전압'이라고 칭할 수 있음)을 나타내는 커패시터 전압값 및 iii) 서미스터 전압(VT)을 나타내는 서미스터 전압값을 결정할 수 있다.
프리차징 동작 중, 제어부(170)는, 방전 제어 스위치(SWD)를 턴 오프시키고, 프리차지 스위치(SWP)를 턴 온시킨다. 이에 따라, 프리차징 동작 중, 배터리(B), 평활 커패시터(C), 프리차지 전력선(PC) 및 서미스터(142)를 통해, 프리차지 전류가 흐르면서 커패시터 전압(VC)이 점차 상승한다.
프리차징 동작 중, 제어부(170)는, 충전 제어 스위치(SWC)를 턴 오프시킬 수 있으나, 충전 제어 스위치(SWC)가 턴 온되더라도 무방하다. 충전 제어 스위치(SWC)가 턴 오프되어 있는 경우, 프리차지 전류는, 충전 제어 스위치(SWC)의 기생 다이오드(121)를 통해 흐른다.
프리차징 동작 중, 제어부(170)는, 소정 시간마다, 션트 전압값을 기초로, 프리차지 전류값을 결정한다.
프리차징 동작이 중단되어 있는 동안, 제어부(170)는, 소정 시간마다, 서미스터 전압(VT)을 기초로, 서미스터(142)의 온도를 결정할 수 있다. 제어부(170)의 메모리에는, 서미스터(142)의 전압과 온도 간의 상관관계가 규정된 전압-온도 테이블이 기록되어 있다. 제어부(170)는, 프리차지 전류가 흐르지 않을 때에는, 소정 시간마다, 서미스터 전압(VT)을 인덱스로서 이용하여, 전압-온도 테이블로부터, 서미스터 전압(VT)에 연관된 온도를 서미스터(142)의 온도로서 획득할 수 있다.
프리차징 동작 중에는, 제어부(170)는, 소정 시간마다, 서미스터(142)의 저항을 기초로, 서미스터(142)의 온도를 결정할 수 있다. 서미스터(142)의 저항은, 옵의 법칙에 따라, 서미스터 전압(VT)과 프리차지 전류로부터 결정될 수 있다. 제어부(170)의 메모리에는, 서미스터(142)의 저항과 온도 간의 상관관계가 규정된 저항-온도 테이블이 기록되어 있다. 제어부(170)는, 소정 시간마다, 서미스터(142)의 저항을 인덱스로서 이용하여, 저항-온도 테이블로부터, 서미스터(142)의 온도에 연관된 온도를 서미스터(142) 온도로서 획득할 수 있다.
한편, 프리차징 동작 중에는, 배터리(B) 온도뿐만 아니라, 프리차지 전류에 의해서도, 서미스터(142)의 온도가 상승하게 된다. 따라서, 프리차징 동작 중, 배터리(B)의 온도를 정확하게 결정하기 위해서는, 서미스터(142) 온도로부터 프리차지 전류에 의한 온도 상승분을 차감해줄 필요가 있다.
프리차징 동작 중, 제어부(170)는, 소정 시간마다, 프리차지 전류에 의해 생성되는 서미스터(142)의 줄열(Joule heat)을 결정할 수 있다. 소정 시간 동안 생성되는 서미스터(142)의 줄열은, 소정 시간 동안 프리차지 전력선(PC)을 통해 서미스터(142)에 공급되는 전기 에너지에 의존한다. 따라서, 제어부(170)는, 하기의 수식 1을 이용하여, 서미스터(142)의 줄열을 결정할 수 있다.
<수식 1>
Figure pat00002
수식 1에서, Δt는 상기 소정 시간, k는 프리차징이 시작된 때(예, 키-온 신호의 수신 시점)로부터 소정 시간이 경과할 때마다 1씩 증가하는 사이클 인덱스, ΔQpre[k]는 사이클 인덱스가 k일 때에 결정된 줄열, Ipre[k]는 사이클 인덱스가 k일 때에 결정된 상기 프리차지 전류값, Rntc[k]는 사이클 인덱스가 k일 때에 결정된 상기 서미스터(142)의 저항, TCntc는 상기 서미스터(142)의 열용량을 나타낸다. 프리차징 동작의 시작 시점에서, k = 0일 수 있다.
프리차징 동작 중, 제어부(170)는, 소정 시간마다, 보상 온도를 결정할 수 있다. 보상 온도는, 프리차지 전류에 의한 서미스터(142)의 온도 상승분을 나타낸다. 제어부(170)는, 하기의 수식 2를 이용하여, 보상 온도를 결정할 수 있다.
<수식 2>
Figure pat00003
수식 2에서, ΔTpre[k-1]는 사이클 인덱스가 k-1일 때에 결정된 보상 온도, ΔTpre[k]는 사이클 인덱스가 k일 때에 결정된 보상 온도, TCntc는 서미스터(142)의 열용량을 나타낸다. 수식 2의 나머지 파라미터들은, 수식 1과 공통된다. ΔTpre[0]은, 0 ℃이다. 수식 2에 따르면, 프리 차지 동작 중, 소정 시간 Δt마다 누적되는 줄열 ΔQpre[k]을 기초로, 보상 온도 ΔTpre[k]가 주기적으로 갱신된다.
프리차징 동작 중, 제어부(170)는, 소정 시간마다, 보상 온도를 서미스터(142)의 온도로부터 차감하여, 배터리(B)의 온도를 결정할 수 있다. 일 예로, 프리차징 중의 특정 시점에서, 서미스터(142) 온도 = 30℃, 보상 온도 = 2℃인 경우, 상기 특정 시점에서의 배터리(B)의 온도는 28℃로 결정될 수 있다.
제어부(170)는, 커패시터 전압값이 임계 전압값 이하가 되거나 프리차지 전류값이 임계 전류값 이하가 되는 경우, 프리차징 동작을 종료할 수 있다. 임계 전압값은, 배터리(B)의 전압을 나타내는 배터리 전압값에 1 미만인 소정의 임계 비율값(예, 0.95)을 곱한 것일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템(100)에 의해 프리차징 동작이 실행되는 중의 프리차지 전류, 서미스터(142)의 줄열 및 보상 온도의 변화를 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 2에서, 세로축의 Ipre, ΔQpre, ΔTpre는 각각 프리차지 전류, 줄열, 보상 온도를 나타낸다. 커브(201)는 프리차지 전류 Ipre의 변화, 커브(202)는 서미스터(142)의 줄열의 변화, 커브(203)는 보상 온도의 변화를 나타낸다.
커브(201)를 참조하면, 프리차징에 의해 커패시터 전압(VC)이 점차 상승함에 따라, 프리차지 전류는 점차 감소할 수 있다.
커브(202)를 참조하면, 프리차징 동작 중, 프리차지 전류에 의한 줄열로 인하여 서미스터(142)의 저항이 점차 감소한다. 프리차지 전류 및 서미스터(142)의 저항이 점차 감소할 경우, 소정 시간마다의 추가적 줄열 역시 점차 감소할 수 있다.
커브(203)를 참조하면, 프리차징 동작 중, 프리차지 전류에 의한 공급되는 줄열이 누적되어 가므로, 보상 온도는 점차 증가할 수 있다(수식 1 및 수식 2 참조).
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 3의 방법은, 도 1의 배터리 관리 시스템(100)이 키-온 신호에 응답하여 실행하는 것으로서, 평활 커패시터(C)의 프리차징을 위한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 단계 S310에서, 제어부(170)는, 초기 서미스터 전압값을 결정한다. 초기 서미스터 전압값은, 프리차지 전력선(PC)을 통해 프리차지 전류가 흐르지 않을 때의 서미스터(142)의 양단에 걸친 전압(VT)을 나타낸다.
단계 S320에서, 제어부(170)는, 초기 서미스터 전압값이 소정의 설정 전압값 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S320의 값이 "예"인 것은, 서미스터(142)의 저항이 돌입 전류를 억제할 수 있을 만큼 충분히 큼을 나타낸다. 단계 S320의 값이 "아니오"인 것은, 서미스터(142)의 저항이 돌입 전류를 억제할 수 있을 만큼 충분히 크지 않음을 나타낸다. 단계 S320의 값이 "예"인 경우, 단계 S330이 진행된다. 단계 S320의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S310으로 회귀하거나 도 3의 방법은 종료되거나 할 수 있다.
단계 S330에서, 제어부(170)는, 프리차지 전력선(PC)을 통해 프리차지 전류가 흐르도록, 프리차지 스위치(SWP)를 턴 온시킨다.
단계 S340에서, 제어부(170)는, 옵의 법칙에 따라, 션트 전압값을 기초로, 프리차지 전류값을 결정한다.
단계 S350에서, 제어부(170)는, 프리차지 전류값이 임계 전류값 이하인지 여부를 판정한다. 대안적으로, 제어부(170)는, 커패시터 전압값이 임계 전압값 이상인지 여부를 판정할 수도 있다. 단계 S350의 값이 "예"인 것인, 평활 커패시터(C)의 프리차지가 완료되었음을 나타낸다. 단계 S350의 값이 "예"인 경우, 단계 S360로 진행한다. 단계 S350의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S340으로 회귀할 수 있다.
단계 S360에서, 제어부(170)는, 프리차지 스위치(SWP)를 턴 오프시킨다.
프리 차징 동작 중, 제어부(170)는, 방전 제어 스위치(SWD)를 턴 오프시킨다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 4의 방법은, 도 3의 방법에 의해 프리차지 전류가 흐르는 중에 실행되는 것으로서, 프리차징 중의 서미스터(142) 온도로부터 배터리(B) 온도를 결정하기 위한 것이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 단계 S410에서, 제어부(170)는, 서미스터 전압값을 결정한다. 서미스터 전압값은, 프리차지 전류가 흐르는 중의 서미스터(142)의 양단에 걸친 전압(VT)을 나타낸다.
단계 S420에서, 제어부(170)는, 옵의 법칙에 따라, 서미스터 전압값 및 프리차지 전류값(단계 S340 참조)을 기초로, 서미스터(142)의 저항을 결정한다.
단계 S430에서, 제어부(170)는, 서미스터(142)의 저항을 기초로, 서미스터(142)의 온도를 결정한다.
단계 S440에서, 제어부(170)는, 보상 온도를 결정한다(수식 1 및 수식 2 참조).
단계 S450에서, 제어부(170)는, 서미스터(142)의 온도로부터 보상 온도를 차감하여, 배터리(B)의 온도를 결정한다.
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.
1: 전기 차량 10: 배터리 팩 C: 평활 커패시터
20: 차량 컨트롤러 40: 인버터 50: 전기 모터
B: 배터리 100: 배터리 관리 시스템
110: 방전 제어 스위치 120: 충전 제어 스위치
130: 프리차지 스위치
140: 온도 센싱 회로 142: 서미스터
150: 프리차지 다이오드 160: 션트 저항기
170: 제어부

Claims (13)

  1. 하이 사이드 전력선 및 로우 사이드 전력선을 통해 평활 커패시터에 병렬 연결되는 배터리를 위한 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 로우 사이드 전력선의 제1 노드와 제2 노드 간에 연결되는 방전 제어 스위치;
    서미스터를 포함하되, 상기 서미스터의 제1 단은 상기 제1 노드에 연결되는 온도 센싱 회로;
    상기 서미스터의 제2 단과 상기 제2 노드 간의 프리차지 전력선에 연결되는 프리차지 스위치; 및
    상기 방전 제어 스위치, 상기 온도 센싱 회로 및 상기 프리차지 스위치에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    키-온 신호를 수신 시, 상기 평활 커패시터의 프리차징을 위해, 상기 방전 제어 스위치를 턴 오프시키고, 상기 프리차지 스위치를 턴 온시키도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 평활 커패시터의 양단에 걸친 전압이 임계 전압 이상으로 상승 시, 상기 프리차지 스위치를 턴 오프시키도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 키-온 신호에 응답하여 초기 서미스터 전압값을 결정하되, 상기 초기 서미스터 전압값은 상기 프리차지 전력선을 통해 프리차지 전류가 흐르지 않을 때의 상기 서미스터의 양단에 걸친 전압을 나타내고,
    상기 초기 서미스터 전압값이 소정의 설정 전압값 이상인 경우, 상기 방전 제어 스위치를 턴 오프시키고, 상기 프리차지 스위치를 턴 온시키도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서미스터는, 부특성 온도 계수 서미스터인 배터리 관리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 로우 사이드 전력선에 연결되는 션트 저항기를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 평활 커패시터가 프리차지되는 동안, 소정 시간마다, 상기 션트 저항기의 양단에 걸친 전압을 나타내는 션트 전압값을 기초로, 상기 프리차지 전력선을 통해 흐르는 프리차지 전류를 나타내는 프리차지 전류값을 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 평활 커패시터가 프리차지되는 동안, 상기 소정 시간마다, 상기 서미스터의 양단에 걸친 전압을 나타내는 서미스터 전압값 및 상기 프리차지 전류값을 기초로, 상기 서미스터의 저항을 결정하고,
    상기 서미스터의 저항을 기초로, 상기 서미스터의 온도를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 평활 커패시터가 프리차지되는 동안, 상기 소정 시간마다, 상기 프리차지 전류에 의한 상기 서미스터의 줄열에 대응하는 보상 온도를 상기 서미스터의 온도로부터 차감하여, 상기 배터리의 온도를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보상 온도는,
    상기 프리차지 전류에 의해 유도된 상기 서미스터의 온도 상승분을 나타내는 배터리 관리 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식을 이용하여, 상기 보상 온도를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
    Figure pat00004

    (k는 프리차징이 시작된 때로부터 소정 시간이 경과할 때마다 1씩 증가하는 사이클 인덱스, ΔTpre[k-1]는 사이클 인덱스가 k-1일 때의 상기 보상 온도, ΔQpre[k]는 사이클 인덱스가 k일 때의 상기 프리차지 전류에 의한 상기 서미스터의 줄열, TCntc는 상기 서미스터의 열용량, ΔTpre[k]는 사이클 인덱스가 k일 때의 상기 보상 온도)
  10. 제1항에 있어서,
    상기 프리차지 전력선에 연결되는 다이오드를 더 포함하되,
    상기 다이오드는, 상기 서미스터의 제2 단으로부터 상기 제2 노드로의 전류가 차단되는 배터리 관리 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하이 사이드 전력선 또는 상기 로우 사이드 전력선에 연결되는 충전 제어 스위치를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩.
  13. 제1 내지 제11항 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템에 의해 실행되는 배터리 관리 방법.
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