KR20220036555A - 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 전류 측정 방법 - Google Patents

배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 전류 측정 방법 Download PDF

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KR20220036555A
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Abstract

배터리 장치에서, 제1 스위치와 제1 저항이 배터리 팩의 양극 단자와 제1 양극 연결 단자 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 제2 스위치와 제2 저항이 배터리 팩의 양극 단자와 제2 양극 연결 단자 사이에 직렬로 연결되어 있다. 전압 감지 회로가 제1 저항의 양 단자 사이의 제1 전압 및 제2 저항의 양 단자 사이의 제2 전압을 측정한다. 프리차지 기간 동안, 처리 회로는, 제1 스위치를 닫아서 제1 커패시터를 충전하며, 제2 스위치를 닫아서 제2 커패시터를 충전하고, 제1 전압과 제1 저항의 저항값에 기초해서 제1 저항을 통해 흐르는 제1 전류를 계산하며, 제2 전압과 제2 저항의 저항값에 기초해서 제2 저항을 통해 흐르는 제2 전류를 계산하고, 제1 전류와 제2 전류의 합과 제1 전류와 제2 전류의 비가 소정 조건을 만족하는지를 검증한다.

Description

배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 전류 측정 방법{BATTERY APPARATUS, BATTERY MANAGEMENT SYSTEM, AND METHOD OF MEASURING PRECHARGE CURRENT}
본 발명은 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 전류 측정 방법에 관한 것이다.
전기 자동차는 주로 배터리를 전원으로 이용하여 모터를 구동함으로써 동력을 얻는 자동차로서, 내연 자동차의 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 충전이 가능한 배터리는 전기 자동차 이외에 다양한 외부 장치에서 사용되고 있다.
최근, 높은 출력과 큰 충전 용량을 가지는 배터리가 요구됨에 따라 복수의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리 팩이 사용되고 있다. 또한, 출력과 용량이 늘어나면서 배터리 팩의 잠재적인 위험이 증가하고 있다. 특히, 배터리 팩에 과전류가 흐를 때 이를 진단하지 못하는 경우, 과전류로 인해 외부 장치에 문제가 발생할 수 있다.
이러한 과전류 중에서 구동 초기에 발생하는 돌입 전류(rush current)를 방지하기 위해서 프리차지 회로가 사용되고 있다. 프리차지 회로는 구동 초기에 프리차지 저항을 통해 외부 장치의 인버터 등에 연결되어 있는 커패시터를 먼저 충전함으로써 돌입 전류를 방지할 수 있다. 이러한 프리차지 저항에는 구동 초기에 발생할 수 있는 과전류가 수시로 흐르며, 장시간 프리차지 저항에 과전류가 흐르는 경우, 프리차지 저항이 과열되어 프리차지 회로뿐만 아니라, 배터리 팩 전체가 파손될 수 있다.
따라서, 프리차지 저항을 통해 흐르는 전류를 측정하여 프리차지 저항을 통해 공급되는 에너지를 추정할 필요가 있다. 그런데 최근 배터리 팩이 외부 장치의 여러 부품에 동시에 연결되어 사용되고, 이에 따라 복수의 프리차지 회로가 사용된다. 이 경우, 각 프리차지 회로에 전류 센서를 설치하여서 전류를 측정하는 경우, 배터리의 제조 단가가 올라갈 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 프리차지 전류를 측정할 수 있는 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 전류 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 양극 단자와 음극 단자를 가지는 배터리 팩, 제1 스위치, 제1 저항, 제2 스위치, 제2 저항, 전압 감지 회로 및 처리 회로를 포함하는 배터리 장치가 제공된다. 상기 제1 스위치와 제1 저항은 상기 양극 단자와 외부 장치와의 연결을 위한 제1 양극 연결 단자 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 상기 제2 스위치와 제2 저항은 상기 양극 단자와 상기 외부 장치와의 연결을 위한 제2 양극 연결 단자 사이에 직렬로 연결되어 있다. 상기 전압 감지 회로는 상기 제1 저항의 양 단자 사이의 제1 전압 및 상기 제2 저항의 양 단자 사이의 제2 전압을 측정한다. 상기 처리 회로는 프리차지 기간 동안, 상기 제1 스위치를 닫아서 상기 외부 장치의 제1 커패시터를 충전하며, 상기 제2 스위치를 닫아서 상기 외부 장치의 제2 커패시터를 충전하고, 상기 제1 전압과 상기 제1 저항의 저항값에 기초해서 상기 제1 저항을 통해 흐르는 제1 전류를 계산하며, 상기 제2 전압과 상기 제2 저항의 저항값에 기초해서 상기 제2 저항을 통해 흐르는 제2 전류를 계산하고, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 합과 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 비가 소정 조건을 만족하는지 검증한다.
상기 배터리 장치는 상기 배터리 팩의 전류를 측정하는 전류 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 소정 조건은 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 합이 상기 전류 센서가 측정한 전류에 대응하는 조건을 포함할 수 있다.
상기 소정 조건은 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 비가 상기 제1 저항의 저항값, 상기 제2 저항의 저항값, 상기 제1 커패시터의 커패시턴스 및 상기 제2 커패시터의 커패시턴스에 의해 결정되는 값에 대응하는 조건을 더 포함할 수 있다.
상기 전압 감지 회로는 상기 배터리 팩의 전압, 상기 제1 양극 연결 단자의 전압 및 상기 제2 양극 연결 단자의 전압을 측정할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전압은 상기 배터리 팩의 전압과 상기 제1 양극 연결 단자의 전압의 차에 해당하고, 상기 제1 전압은 상기 배터리 팩의 전압과 상기 제2 양극 연결 단자의 전압의 차에 해당할 수 있다.
상기 전압 감지 회로는 상기 프리차지 기간에서 소정 주기마다 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 측정하고, 상기 처리 회로는 상기 소정 주기마다 상기 제1 전류 및 상기 제2 전류를 계산할 수 있다.
상기 처리 회로는 각 주기에서 상기 제1 전류에 기초해서 각 주기에서의 에너지를 계산하고, 상기 프리차지 기간 동안 계산된 각 주기에서의 상기 에너지를 누적하여서 상기 프리차지 기간에서 상기 제1 저항을 통해 공급되는 제1 공급 에너지를 계산할 수 있다. 또한, 상기 처리 회로는 각 주기에서 상기 제2 전류에 기초해서 각 주기에서의 에너지를 계산하고, 상기 프리차지 기간 동안 계산된 각 주기에서의 상기 에너지를 누적하여서 상기 프리차지 기간에서 상기 제2 저항을 통해 공급되는 제2 공급 에너지를 계산할 수 있다.
상기 처리 회로는 상기 제1 공급 에너지를 제1 기준 에너지와 비교하고, 상기 제2 공급 에너지를 제2 기준 에너지와 비교해서, 상기 제1 공급 에너지와 상기 제2 공급 에너지를 진단할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리 팩을 외부 장치에 연결하는 복수의 양극 연결 단자를 가지는 배터리 장치의 프리차지 전류 측정 방법이 제공된다. 상기 프리차지 전류 측정 방법은, 프리차지 기간에서 상기 배터리 팩에서 제1 저항을 통해 상기 복수의 양극 연결 단자 중 제1 양극 연결 단자에 연결되는 제1 커패시터를 충전하는 단계, 상기 프리차지 기간에서 상기 배터리 팩에서 제2 저항을 통해 상기 복수의 양극 연결 단자 중 제2 양극 연결 단자에 연결되는 제2 커패시터를 충전하는 단계, 상기 프리차지 기간에서 상기 제1 저항의 양 단자 사이의 제1 전압 및 상기 제2 저항의 양 단자 사이의 제2 전압을 측정하는 단계, 상기 제1 전압과 상기 제1 저항의 저항값에 기초해서 상기 제1 저항을 통해 흐르는 제1 전류를 계산하는 단계, 상기 제2 전압과 상기 제2 저항의 저항값에 기초해서 상기 제2 저항을 통해 흐르는 제2 전류를 계산하는 단계, 그리고 상기 제1 전류와 상기 제2 전류가 소정 조건을 만족하는지를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 배터리 팩과 복수의 프리차지 저항을 포함하며, 상기 배터리 팩을 외부 장치에 연결하는 복수의 양극 연결 단자를 가지는 배터리 장치의 배터리 관리 시스템이 제공된다. 상기 배터리 관리 시스템은 전압 감지 회로 및 처리 회로를 포함한다. 상기 전압 감지 회로는 상기 제1 저항의 양 단자 사이의 제1 전압 및 상기 제2 저항의 양 단자 사이의 제2 전압을 측정한다. 상기 처리 회로는, 프리차지 기간에서, 상기 복수의 프리차지 저항 중 제1 프리차지 저항을 통해 상기 복수의 양극 연결 단자 중 제1 양극 연결 단자에 연결되는 제1 커패시터를 충전하고, 상기 복수의 프리차지 저항 중 제2 프리차지 저항을 통해 상기 복수의 양극 연결 단자 중 제2 양극 연결 단자에 연결되는 제2 커패시터를 충전하며, 상기 제1 전압과 상기 제1 프리차지 저항의 저항값에 기초해서 상기 제1 프리차지 저항을 통해 흐르는 제1 전류를 계산하며, 상기 제2 전압과 상기 제2 프리차지 저항의 저항값에 기초해서 상기 제2 프리차지 저항을 통해 흐르는 제2 전류를 계산하고, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류가 소정 조건을 만족하는지를 검증한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 전류 센서의 추가 없이 프리차지 전류를 계산할 수 있으며, 계산한 프리차지 전류의 신뢰성을 검증할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서의 스위칭 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 전류를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 장치에서의 프리차지 에너지 추정 방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
아래 설명에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서의 스위칭 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 장치(100)는 외부 장치(10)에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 가진다. 배터리 장치는 외부 장치(10)의 다양한 부품에 각각 연결될 수 있는 복수의 연결 단자를 가진다. 도 1에서는 설명의 편의상 두 개의 연결 단자가 도시되어 있다. 제1 연결 단자는 제1 양극 연결 단자(DC1(+))와 제1 음극 연결 단자(DC1(-))를 가지며, 제2 연결 단자도 제2 양극 연결 단자(DC2(+))와 제2 음극 연결 단자(DC2(-))를 가진다.
외부 장치(10)가 부하인 경우, 배터리 장치(100)는 부하로 전력을 공급하는 전원으로 동작하여 방전된다. 부하로 동작하는 외부 장치(10)는 예를 들면 전자 장치, 이동 수단 또는 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)일 수 있으며, 이동 수단은 예를 들면 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 스마트 모빌리티(smart mobility)일 수 있다.
배터리 장치(100)는 배터리 팩(110), 복수의 스위치 회로, 복수의 프리차지 회로, 전류 센서(140), 전압 감지 회로(150) 및 처리 회로(160)를 포함한다.
배터리 팩(110)은 복수의 배터리 셀(도시하지 않음)을 포함하며, 양극 단자(PV(+))와 음극 단자(PV(-))를 가진다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 한 실시예에서, 배터리 팩(110)에서 소정 개수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 배터리 모듈을 구성하여 원하는 전력을 공급할 수 있다. 다른 실시예에서, 배터리 팩(110)에서 소정 개수의 배터리 모듈이 직렬 또는 병렬 연결되어 원하는 전력을 공급할 수 있다.
제1 스위치 회로는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치(100)의 제1 양극 연결 단자(DC1(+)) 사이에 연결되어 있는 제1 양극 메인 스위치(121) 및 배터리 팩(110)의 음극 단자(PV(-))와 배터리 장치(100)의 제1 음극 연결 단자(DC1(-)) 사이에 연결되어 있는 제1 음극 메인 스위치(122)를 포함한다. 제2 스위치 회로는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치(100)의 제2 양극 연결 단자(DC2(+)) 사이에 연결되어 있는 제2 양극 메인 스위치(123) 및 배터리 팩(110)의 음극 단자(PV(-))와 배터리 장치(100)의 제2 음극 연결 단자(DC2(-)) 사이에 연결되어 있는 제2 음극 메인 스위치(124)를 포함한다. 한 실시예에서, 스위치(121, 122, 123, 124)는 각각 릴레이로 형성되는 컨택터일 수 있다. 다른 실시예에서, 스위치(121, 122, 123, 124)는 각각 트랜지스터 등의 전기적 스위치일 수 있다. 어떤 실시예에서, 스위치 회로는 스위치(121, 122, 123, 124)를 각각 제어하는 구동 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 제1 양극 메인 스위치(121), 제2 양극 메인 스위치(123), 제1 프리차지 회로 및 제2 프리차지 회로가 노드(N1)에 공통으로 연결되고, 노드(N1)가 배터기 팩(110)의 양극 단자(PV(+))에 연결될 수 있다.
제1 프리차지 회로는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치(100)의 제1 양극 연결 단자(DC1(+)) 사이에 연결되어 있으며, 제1 연결 단자(DC1(+), DC1(-))에 연결되는 외부 장치(10)의 커패시터(11)를 먼저 충전할 수 있다. 어떤 실시예에서, 제1 프리차지 회로는 직렬로 연결되어 있는 프리차지 저항(131)과 프리차지 스위치(132)를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 노드(N1)에 프리차지 저항(131)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 저항(131)의 제1 단자에 프리차지 스위치(132)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 스위치(132)의 제2 단자가 제1 양극 연결 단자(DC1(+))에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 노드(N1)에 프리차지 스위치(132)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 스위치(132)의 제1 단자에 프리차지 저항(131)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 저항(131)의 제2 단자가 제1 양극 연결 단자(DC1(+))에 연결될 수 있다.
제2 프리차지 회로는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치(100)의 제2 양극 연결 단자(DC2(+)) 사이에 연결되어 있으며, 제2 연결 단자(DC2(+), DC2(-))에 연결되는 외부 장치(10)의 커패시터(12)를 먼저 충전할 수 있다. 어떤 실시예에서, 제2 프리차지 회로는 직렬로 연결되어 있는 프리차지 저항(133)과 프리차지 스위치(134)를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 노드(N1)에 프리차지 저항(133)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 저항(133)의 제1 단자에 프리차지 스위치(134)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 스위치(134)의 제2 단자가 제2 양극 연결 단자(DC2(+))에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 노드(N1)에 프리차지 스위치(134)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 스위치(134)의 제1 단자에 프리차지 저항(133)의 제1 단자가 연결되고, 프리차지 저항(133)의 제2 단자가 제2 양극 연결 단자(DC2(+))에 연결될 수 있다.
한 실시예에서, 프리차지 스위치(132, 134)는 릴레이로 형성되는 컨택터일 수 있다. 다른 실시예에서, 프리차지 스위치(132, 134)는 트랜지스터 등의 전기적 스위치일 수 있다. 어떤 실시예에서, 프리차지 회로는 프리차지 스위치(132, 134)를 제어하는 구동 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
전류 센서(140)는 배터리 팩(110)에서 외부 장치(10)로 공급되는 전류를 측정한다. 어떤 실시예에서, 전류 센서(140)는 제1 양극 메인 스위치(121), 제2 양극 메인 스위치(123), 제1 프리차지 회로 및 제2 프리차지 회로가 공통으로 연결되는 노드(N1)와 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+)) 사이에 연결될 수 있다. 어떤 실시예에서, 전류 센서(140)는 배터리 팩(110)에 포함되어 있을 수 있다.
전압 감지 회로(150)는 배터리 장치(100)에서 원하는 지점의 전압을 측정한다. 어떤 실시예에서, 전압 감지 회로(150)는 프리차지 저항(131)의 양 단자 사이의 전압 및 프리차지 저항(133)의 양 단자 사이의 전압을 측정할 수 있다.
처리 회로(160)는 스위치(121, 122, 123, 124, 132, 134)의 동작을 제어할 수 있다. 또한 처리 회로(160)는 전압 감지 회로(150)에 측정한 전압에 기초해서 프리차지 저항(131, 133)을 통해 흐르는 전류를 측정하고, 프리차지 저항(131, 133)의 전류에 기초해서 프리차지 저항(131, 133)을 통해 공급되는 전기 에너지의 양을 추정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 처리 회로(160)는 프로세서를 포함하는 회로일 수 있으며, 프로세서는 예를 들면 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)일 수 있다.
어떤 실시예에서, 전압 감지 회로(150)와 처리 회로(160)는 배터리 장치의 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)에 포함될 수 있다.
도 2를 참고하면, 배터리 장치의 초기 구동 시에 처리 회로(160)는 메인 음극 스위치(122 또는 124)를 먼저 닫는다. 다음, 처리 회로(160)는 메인 음극 스위치(122 또는 124)를 켠 상태에서 프리차지 스위치(132 또는 134)를 닫는다. 이에 따라, 배터리 팩(110)으로부터 프리차지 저항(131 또는 133)을 통해 외부 장치(10)의 커패시터(11 또는 12)로 프리차지 전류가 공급되어 커패시터(11 또는 12)가 충전될 수 있다. 프리차지 스위치(132 또는 134)를 닫아서 커패시터(11 또는 12)를 충전하는 기간을 프리차지 기간이라 할 수 있다.
다음, 외부 장치(10)의 커패시터(11 또는 12)를 충전한 후에, 처리 회로(160)는 배터리 팩(110)의 전압을 외부 장치(10)로 전달하기 위해서 양극 메인 스위치(121 또는 123)를 닫는다. 이 경우, 프리차지가 완료되었으므로, 처리 회로(160)는 프리차지 스위치(132 또는 134)를 열 수 있다. 따라서, 외부 장치(10)의 커패시터(11 또는 12)에 충전된 전압에 의해 외부 장치(10)로 배터리 팩(110)의 전압을 공급할 때 돌입 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 스위치의 닫힘은 스위치 온(on)이라 할 수 있고, 스위치의 열림은 스위치의 오프(off)라 할 수도 있다.
다음, 프리차지 기간에서 프리차지 저항을 통해 흐르는 전류(앞으로, "프리차지 전류"라 한다)를 측정하는 방법에 대해서 도 3 및 도 4를 참고로 하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 전류를 측정하는 방법을 나타내는 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면, 배터리 장치의 처리 회로(예를 들면, 도 1의 160)는 제1 및 제2 음극 메인 스위치(예를 들면, 도 1의 122, 124)를 닫고(S310), 제1 및 제2 프리차지 스위치(예를 들면, 도 1의 132, 134)를 닫는다(S320). 이에 따라, 프리차지 기간이 시작되어서 외부 장치의 커패시터(11, 12)가 충전될 수 있다. 이 경우, 배터리 장치와 커패시터를 등가 회로로 표현하면 도 4와 같이 도시될 수 있다.
전압 감지 회로(예를 들면, 도 1의 150)는 프리차지 저항(131)의 양 단자 사이의 전압(Va) 및 프리차지 저항(133)의 양 단자 사이의 전압(Vb)을 측정한다(S330). 어떤 실시예에서, 전압 감지 회로(150)는 배터리 팩(110)의 전압(즉, 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))의 전압)(Vbatt)과 양극 연결 단자(DC1(+))의 전압(Vdc1)을 측정하고, 두 전압의 차(Vbatt－Vdc1)를 프리차지 저항(131)의 전압(Va)으로 결정할 수 있다. 또한 전압 감지 회로(150)는 는 배터리 팩(110)의 전압(Vbatt)과 양극 연결 단자(DC2(+))의 전압(Vdc2)을 측정하고, 두 전압의 차(Vbatt－Vdc2)를 프리차지 저항(133)의 전압(Vb)으로 결정할 수 있다. 처리 회로(160)는 프리차지 저항(131)의 양 단자 사이의 전압(Va)을 프리차지 저항(131)의 저항값(Ra)으로 나누어서 프리차지 저항(131)을 통해 흐르는 프리차지 전류(Ia)를 계산한다(S340). 또한 처리 회로(160)는 프리차지 저항(133)의 양 단자 사이의 전압(Vb)을 프리차지 저항(133)의 저항값(Rb)으로 나누어서 프리차지 저항(133)을 통해 흐르는 프리차지 전류(Ib)를 계산한다(S340).
처리 회로(160)는 배터리 팩(110)의 전류 센서(140)에서 측정한 배터리 팩(110)의 전류(Ibatt)에 기초해서 계산된 프리차지 전류(Ia, Ib)를 검증한다(S350). 어떤 실시예에서, 프리차지 전류(Ia, Ib)는 시간에 따라 변하므로, 전류 센서(140)에 배터리 팩(110)의 전류(Ibatt)를 측정하는 시점과 전압 감지 회로(150)가 프리차지 저항(131, 133)의 전압(Va, Vb)를 측정하는 시점은 동일할 수 있다. 이론적으로 수학식 1과 같이 배터리 팩(110)에서 공급되는 전류(Ibatt)는 프리차지 전류(Ia, Ib)의 합과 같으므로, 처리 회로(160)는 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)의 합이 전류 센서(140)가 측정한 전류(Ibatt)와 동일한지에 기초해서 프리차지 전류(Ia, Ib)가 정확하게 계산되었는지를 검증할 수 있다.
Figure pat00001
또한 처리 회로(160)는 커패시터(11, 12)의 커패시턴스와 프리차지 저항(131, 133)의 저항값(Ra, Rb)에 기초해서 프리차지 전류(Ia, Ib)를 검증한다(S360). 어떤 실시예에서, 처리 회로(160)는 단계 S340에서 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)의 비가 커패시터(11, 12)의 커패시턴스와 프리차지 저항(131, 133)의 저항값(Ra, Rb)에 기초해서 예측한 프리차지 전류(Ia, Ib)의 비를 비교하여서 프리차지 전류(Ia, Ib)를 검증할 수 있다(S360).
프리차지 저항(131)과 커패시터(11)가 직렬로 연결되고 배터리 팩(110)을 직류 전원으로 가지는 회로에서는 수학식 2의 관계가 성립하므로, 프리차지 전류(Ia)는 이론적으로 수학식 3과 같이 계산될 수 있다. 마찬가지로, 프리차지 저항(133)과 커패시터(12)가 직렬로 연결되고 배터리 팩(110)을 직류 전원으로 가지는 회로에서는 수학식 4의 관계가 성립하므로, 프리차지 전류(Ib)는 이론적으로 수학식 5와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
수학식 2 및 3에서, Vbatt는 배터리 팩(110)의 전압이고, Ia(t)는 프리차지 저항(131)에 흐르는 전류이며, Ca는 커패시터(11)의 커패시턴스이다.
Figure pat00004
Figure pat00005
수학식 4 및 5에서, Vbatt는 배터리 팩(110)의 전압이고, Ib(t)는 t 시점에서에 프리차지 저항(133)에 흐르는 전류이며, Cb는 커패시터(12)의 커패시턴스이다.
따라서, 어떤 실시예에서, 처리 회로(160)는 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)의 비가 수학식 6의 조건을 만족하는지에 기초해서 프리차지 전류(Ia, Ib)를 검증할 수 있다(S360). 수학식 6에서 t는 프리차지 기간의 시작 시점을 0이라 할 때 프리차지 저항(131, 133)의 전압(Va, Vb)을 측정하는 시점에 해당할 수 있다. 수학식 6에서는 프리차지 전류(Ia, Ib)의 비를 Ia/Ib로 계산하였지만, Ib/Ia로 계산할 수도 있다.
Figure pat00006
처리 회로(160)는 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)의 합과 비 모두 주어진 조건(예를 들면, 수학식 1 및 6의 조건)을 만족한다면, 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)가 신뢰성이 있는 것으로 판단한다(S370). 도 3에서는 단계 S350이 수행된 후에 단계 S360이 수행되는 것으로 도시되어 있지만, 단계 S360이 단계 S350보다 먼저 수행될 수도 있고, 단계 S350과 단계 S360이 동시에 수행될 수도 있다.
어떤 실시예에서, 처리 회로(160)는 두 조건 중 어느 하나의 조건이라도 만족하지 않는 경우, 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)가 신뢰성이 없는 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 처리 회로(160)는 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)를 다른 요인을 고려해서 보정하거나, 현재 프리차지 기간에서 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)를 에너지 추정에 사용하지 않을 수도 있다. 다른 실시예에서, 처리 회로(160)는 두 조건 중 하나의 조건은 만족하지만 다른 조건을 만족하지 않는 경우, 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)가 신뢰성이 있는 것으로 판단할 수도 있다.
다음, 프리차지 기간에서 프리차지 저항을 통해 공급되는 에너지를 추정하는 방법에 대해서 도 5를 참고로 하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 장치에서의 프리차지 에너지 추정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참고하면, 배터리 장치의 처리 회로(예를 들면, 도 1의 160)는 제1 및 제2 음극 메인 스위치(예를 들면, 도 1의 122, 124)를 닫고(S510), 제1 및 제2 프리차지 스위치(예를 들면, 도 1의 132, 134)를 닫는다(S520). 이에 따라, 프리차지 기간이 시작되어서 외부 장치의 커패시터(예를 들면, 도 1의 11, 12)가 충전될 수 있다.
전압 감지 회로(예를 들면, 도 1의 150)는 프리차지 저항(예를 들면, 도 1의 131)의 양 단자 사이의 전압(Va) 및 프리차지 저항(예를 들면, 도 1의 133)의 양 단자 사이의 전압(Vb)을 측정한다(S530). 또한 전압 감지 회로(150)는 배터리 장치의 양극 연결 단자(예를 들면, DC1(+), DC2(+))의 전압을 측정한다(S530). . 각 주기에서, 처리 회로(160)는 프리차지 저항(131)의 전압(Va)을 프리차지 저항(131)의 저항값(Ra)으로 나누어서 프리차지 저항(131)을 통해 흐르는 프리차지 전류(Ia)를 계산하고(S540), 프리차지 저항(133)의 전압(Vb)을 프리차지 저항(133)의 저항값(Rb)으로 나누어서 프리차지 저항(133)을 통해 흐르는 프리차지 전류(Ib)를 계산한다(S540). 어떤 실시예에서, 처리 회로(160)는 도 3을 참고로 하여 설명한 것처럼 계산한 프리차지 전류(Ia, Ib)를 검증할 수 있다.
각 주기에서, 처리 회로(160)는 프리차지 저항(131)의 전류(Ia)에 기초해서 현재 주기에서 프리차지 저항(131)을 통해 공급된 전기 에너지를 계산한다(S550). 마찬가지로, 처리 회로(160)는 프리차지 저항(133)의 전류(Ib)에 기초해서 현재 주기에서 프리차지 저항(133)을 통해 공급된 전기 에너지를 계산한다(S550). 어떤 실시예에서, 처리 회로(160)는 프리차지 저항(131 또는 133)의 전압(Va 또는 Vb), 프리차지 저항(131 또는 133)의 프리차지 전류(Ia 또는 Ib) 및 한 주기에 해당하는 시간을 곱하여서 현재 주기에서 공급된 전기 에너지를 계산할 수 있다(S550). 또한 처리 회로(160)는 이전 주기까지 누적된 전기 에너지에 현재 주기에서 계산된 전기 에너지를 누적하여서 현재 주기까지 공급된 전기 에너지를 계산할 수 있다(S550). 프리차지 기간이 끝나기 전까지(S560), 처리 회로(160)는 소정 주기마다 전기 에너지를 계산하는 동작을 반복적으로 수행한다(S530, S540, S550).
이에 따라, 처리 회로(160)는 프리차지 기간 동안 프리차지 저항(131 또는 133)을 통해 공급되는 공급 에너지를 계산할 수 있다. 예를 들면, 처리 회로(160)는 프리차지 기간 동안 프리차지 저항(131)을 통해 공급되는 공급 에너지(Ea)를 수학식 7과 같이 계산하고, 프리차지 저항(133)을 통해 공급되는 공급 에너지(Eb)를 수학식 8과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
수학식 7 및 8에서 Va(i)는 i번째 주기에서 측정된 프리차지 저항(131)의 전압이고, Vrb(i)는 i번째 주기에서 측정된 프리차지 저항(133)의 전압이고, Ia(i)는 i번째 주기에서 계산된 프리차지 저항(131)의 프리차지 전류이며, Ib(i)는 i번째 주기에서 계산된 프리차지 저항(133)의 프리차지 전류이며, TC는 한 주기에 해당하는 시간이고, N은 전압이 측정되는 횟수이다.
이와 같이, 처리 회로(160)는 각 주기에서 측정된 전압(Va(i) 또는 Vb(i))과 전류(Ia(i) 또는 Ib(i))의 곱에 한 주기에 해당하는 시간(TC)을 곱해서 각 주기에서 프리차지 저항(131 또는 133)을 통해 공급되는 전기 에너지를 계산하고, 각 주기의 전기 에너지를 이전 주기까지 누적된 전기 에너지에 더할 수 있다. 이러한 과정을 통해 마지막 주기에서 계산된 전기 에너지까지 누적하여 더함으로써 프리차지 기간 동안 프리차지 저항을 통해 실제로 공급된 공급 에너지(Ea 또는 Eb)를 계산할 수 있다.
어떤 실시예에서, 프리차지 기간이 종료될 때, 처리 회로(160)는 계산한 공급 에너지(Ea, Eb)를 기준 에너지와 비교할 수 있다(S570). 어떤 실시예에서, 기준 에너지는 프리차지 저항(131 또는 133)와 커패시터(11 또는 12)가 직렬로 연결되어 있는 RC 회로의 전원으로 배터리 팩(110)이 사용될 때 예상되는 에너지에 기초해서 결정될 수 있다. 예를 들면, 기준 에너지 는 수학식 9 및 10과 같이 계산되는 이론적인 에너지(Era, Erb)에 기초해서 결정될 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
수학식 9 및 10에서 T는 프리차지 기간에 해당하는 시간이다. 한 실시예에서, Vpa(0) 및 Vpb(0)는 프리차지 기간 시작 시에 배터리 팩(110)의 전압일 수 있다. 다른 실시예에서, Vpa(0)는 프리차지 기간 시작 시에 배터리 팩(110)의 전압과 커패시터(11)에 충전된 전압의 차이이고, Vpb(0)는 프리차지 기간 시작 시에 배터리 팩(110)의 전압과 커패시터(12)에 충전된 전압의 차이일 수 있다. 어떤 실시예에서, 커패시터(11 또는 12)에 충전된 전압은 프리차지 기간 시작 전에 측정된 양극 연결 단자(DC1(+) 또는 DC2(+))의 전압에 해당할 수 있다.
어떤 실시예에서, 기준 에너지는 이론적인 에너지의 K배로 결정될 수 있다. 어떤 실시예에서, K는 1 이상의 실수이며, 배터리 장치를 포함하는 전체 시스템을 고려해서 허용될 수 있는 범위 내에서 결정될 수 있다. 예를 들면, 이론적인 에너지보다 이론적인 에너지의 50%만큼 더 많은 에너지를 기준 에너지로 설정하는 경우, K를 1.5로 설정할 수 있다. 다른 예로, 이론적인 에너지보다 이론적인 에너지의 100%만큼 더 많은 에너지를 기준 에너지로 설정하는 경우, K를 2로 설정할 수 있다.
어떤 실시예에서, 처리 회로(160)는 다양한 직류 전압에 각각 대응하는 기준 에너지를 메모리에 저장하고 있을 수 있다. 이 경우, 처리 회로(160)는 Vpa(0) 전압 또는 Vpb(0) 전압에 대응하는 기준 에너지를 메모리로부터 추출할 수 있다.
처리 회로(160)는 공급 에너지가 기준 에너지를 넘는 경우, 배터리 장치의 진단이 필요하다는 경고를 발생시킬 수 있다(S580). 이에 따라, 배터리 장치의 진단을 수행함으로써, 프리차지 저항에 과도한 에너지가 흐르는 상황을 방지하여서 프리차지 저항뿐만 아니라 다른 회로에 손상이 가는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 양극 단자와 음극 단자를 가지는 배터리 팩,
    상기 양극 단자와 외부 장치와의 연결을 위한 제1 양극 연결 단자 사이에 직렬로 연결되어 있는 제1 스위치 및 제1 저항,
    상기 양극 단자와 상기 외부 장치와의 연결을 위한 제2 양극 연결 단자 사이에 직렬로 연결되어 있는 제2 스위치 및 제2 저항,
    상기 제1 저항의 양 단자 사이의 제1 전압 및 상기 제2 저항의 양 단자 사이의 제2 전압을 측정하는 전압 감지 회로, 그리고
    프리차지 기간 동안, 상기 제1 스위치를 닫아서 상기 외부 장치의 제1 커패시터를 충전하며, 상기 제2 스위치를 닫아서 상기 외부 장치의 제2 커패시터를 충전하고, 상기 제1 전압과 상기 제1 저항의 저항값에 기초해서 상기 제1 저항을 통해 흐르는 제1 전류를 계산하며, 상기 제2 전압과 상기 제2 저항의 저항값에 기초해서 상기 제2 저항을 통해 흐르는 제2 전류를 계산하고, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 합과 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 비가 소정 조건을 만족하는지를 검증하는 처리 회로
    를 포함하는 배터리 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 배터리 팩의 전류를 측정하는 전류 센서를 더 포함하며,
    상기 소정 조건은 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 합이 상기 전류 센서가 측정한 전류에 대응하는 조건을 포함하는
    배터리 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 소정 조건은 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 비가 상기 제1 저항의 저항값, 상기 제2 저항의 저항값, 상기 제1 커패시터의 커패시턴스 및 상기 제2 커패시터의 커패시턴스에 의해 결정되는 값에 대응하는 조건을 더 포함하는 배터리 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 조건은 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 비가 아래 수학식을 만족하는 조건을 포함하며,
    Figure pat00011
    ,
    Ia(t)는 상기 프리차지 기간의 t 시점에서의 상기 제1 전류이며, Ib(t)는 t 시점에서의 상기 제2 전류이고, Ra는 상기 제1 저항의 저항값이며, Rb는 상기 제2 저항의 저항값이고, Ca는 상기 제1 커패시터의 커패시턴스이며, Cb는 상기 제2 커패시터의 커패시턴스인
    배터리 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 전압 감지 회로는 상기 배터리 팩의 전압, 상기 제1 양극 연결 단자의 전압 및 상기 제2 양극 연결 단자의 전압을 측정하며,
    상기 제1 전압은 상기 배터리 팩의 전압과 상기 제1 양극 연결 단자의 전압의 차에 해당하고,
    상기 제2 전압은 상기 배터리 팩의 전압과 상기 제2 양극 연결 단자의 전압의 차에 해당하는
    배터리 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 전압 감지 회로는 상기 프리차지 기간에서 소정 주기마다 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 측정하고,
    상기 처리 회로는 상기 소정 주기마다 상기 제1 전류 및 상기 제2 전류를 계산하는
    배터리 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 처리 회로는 각 주기에서 상기 제1 전류에 기초해서 각 주기에서의 에너지를 계산하고, 상기 프리차지 기간 동안 계산된 각 주기에서의 상기 에너지를 누적하여서 상기 프리차지 기간에서 상기 제1 저항을 통해 공급되는 제1 공급 에너지를 계산하며,
    상기 처리 회로는 각 주기에서 상기 제2 전류에 기초해서 각 주기에서의 에너지를 계산하고, 상기 프리차지 기간 동안 계산된 각 주기에서의 상기 에너지를 누적하여서 상기 프리차지 기간에서 상기 제2 저항을 통해 공급되는 제2 공급 에너지를 계산하는
    배터리 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 처리 회로는 상기 제1 공급 에너지를 제1 기준 에너지와 비교하고, 상기 제2 공급 에너지를 제2 기준 에너지와 비교해서, 상기 제1 공급 에너지와 상기 제2 공급 에너지를 진단하는, 배터리 장치.
  9. 배터리 팩을 외부 장치에 연결하는 복수의 양극 연결 단자를 가지는 배터리 장치의 프리차지 전류 측정 방법으로서,
    프리차지 기간에서, 상기 배터리 팩에서 제1 저항을 통해 상기 복수의 양극 연결 단자 중 제1 양극 연결 단자에 연결되는 제1 커패시터를 충전하는 단계,
    상기 프리차지 기간에서, 상기 배터리 팩에서 제2 저항을 통해 상기 복수의 양극 연결 단자 중 제2 양극 연결 단자에 연결되는 제2 커패시터를 충전하는 단계,
    상기 프리차지 기간에서, 상기 제1 저항의 양 단자 사이의 제1 전압 및 상기 제2 저항의 양 단자 사이의 제2 전압을 측정하는 단계,
    상기 제1 전압과 상기 제1 저항의 저항값에 기초해서 상기 제1 저항을 통해 흐르는 제1 전류를 계산하는 단계,
    상기 제2 전압과 상기 제2 저항의 저항값에 기초해서 상기 제2 저항을 통해 흐르는 제2 전류를 계산하는 단계, 그리고
    상기 제1 전류와 상기 제2 전류가 소정 조건을 만족하는지를 판단하는 단계
    를 포함하는 프리차지 전류 측정 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 프리차지 기간에서 상기 배터리 팩의 전류를 측정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 소정 조건은 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 합이 상기 배터리 팩의 전류에 대응하는 제1 조건을 포함하는
    프리차지 전류 측정 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 소정 조건은 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 비가 상기 제1 저항의 저항값, 상기 제2 저항의 저항값, 상기 제1 커패시터의 커패시턴스 및 상기 제2 커패시터의 커패시턴스에 의해 결정되는 값에 대응하는 제2 조건을 더 포함하는, 프리차지 전류 측정 방법.
  12. 배터리 팩과 복수의 프리차지 저항을 포함하며, 상기 배터리 팩을 외부 장치에 연결하는 복수의 양극 연결 단자를 가지는 배터리 장치의 배터리 관리 시스템으로서,
    상기 제1 저항의 양 단자 사이의 제1 전압 및 상기 제2 저항의 양 단자 사이의 제2 전압을 측정하는 전압 감지 회로, 그리고
    프리차지 기간에서, 상기 복수의 프리차지 저항 중 제1 프리차지 저항을 통해 상기 복수의 양극 연결 단자 중 제1 양극 연결 단자에 연결되는 제1 커패시터를 충전하고, 상기 복수의 프리차지 저항 중 제2 프리차지 저항을 통해 상기 복수의 양극 연결 단자 중 제2 양극 연결 단자에 연결되는 제2 커패시터를 충전하며, 상기 제1 전압과 상기 제1 프리차지 저항의 저항값에 기초해서 상기 제1 프리차지 저항을 통해 흐르는 제1 전류를 계산하며, 상기 제2 전압과 상기 제2 프리차지 저항의 저항값에 기초해서 상기 제2 프리차지 저항을 통해 흐르는 제2 전류를 계산하고, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류가 소정 조건을 만족하는지 검증하는 처리 회로
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  13. 제12항에서,
    상기 소정 조건은 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 합이 상기 배터리 팩의 전류에 대응하는 제1 조건을 포함하는, 배터리 관리 시스템.
  14. 제13항에서,
    상기 소정 조건은 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 비가 상기 제1 저항의 저항값, 상기 제2 저항의 저항값, 상기 제1 커패시터의 커패시턴스 및 상기 제2 커패시터의 커패시턴스에 의해 결정되는 값에 대응하는 제2 조건을 더 포함하는, 배터리 관리 시스템.
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