KR20220118138A - 2차 보호 ic 기능을 구현한 배터리 보호회로, 이를 이용한 직렬 연결 셀의 전압 측정 방법 및 배터리 보호 방법 - Google Patents

2차 보호 ic 기능을 구현한 배터리 보호회로, 이를 이용한 직렬 연결 셀의 전압 측정 방법 및 배터리 보호 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차 보호 IC 기능을 구현한 배터리 보호회로 및 이를 이용한 직렬 연결 셀의 전압 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 별도의 2차 보호 IC를 구비하지 않고 스위치와 MCU를 이용하여 직렬 연결 셀의 전압을 측정하는 2차 보호 IC 기능을 구현한 배터리 보호회로 및 이를 이용한 직렬 연결 셀의 전압 측정 방법에 관한 것이다.

Description

2차 보호 IC 기능을 구현한 배터리 보호회로, 이를 이용한 직렬 연결 셀의 전압 측정 방법 및 배터리 보호 방법{Battery protection circuit implementing secondary protection IC function, voltage measurement method and battery protection method of series-connected cells using the same}
본 발명은 배터리 보호회로 및 이를 이용한 직렬 연결 셀의 전압 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 2차 보호 IC 없이 직렬 연결된 배터리 셀들의 전압을 측정하는 2차 보호 IC 기능을 구현한 배터리 보호회로 및 그 측정 방법에 관한 것이다.
배터리 팩에 적용되는 배터리 보호회로(10)는, 배터리를 과충전, 과방전 등과 같은 이상 문제로부터 보호하기 위하여 배터리의 상태를 모니터링 하는 AEF(모니터링 IC, 11)가 구성된다. 그리고, AFE(모니터링 IC)가 정상 동작하지 않을 경우에도 배터리를 이상 문제로부터 정상적으로 보호할 수 있도록 배터리의 전압 상태를 2차 모니터링 하는 2차 보호용 구성(12)이 별도로 구비된다.
이러한 2차 보호용 구성으로서, 일반적으로 자동차용 배터리 팩의 경우는 별도의 AFE를 추가로 사용하며, 노트북 등과 같은 소형 전자기기에는 하드웨어 기반으로 된 2차 보호 IC를 사용한다.
도 1은 종래의 LEV용 배터리 팩에 사용되는 배터리 보호회로를 개략적으로 도시한 도면이다. 전기 스쿠터나 전기 자전거 등과 같은 경량 전기 자동차에 탑재되는 LEV(Light Light Electric Vehicle)용 배터리 팩은, 자동차용 배터리 팩과 같이 AFE를 이중으로 적용하는 경우 가격적인 문제로 인하여 대부분의 경우 도 1에 보이는 것과 같이 2차 보호 IC(12)를 사용하고 있다.
그러나, 2차 보호 IC는 상대적으로 전자기 적합성(Electromagnetic Compatibility, EMC)에 취약하여 제작공정이나 실제 사용 영역에서 여러 가지 문제를 발생시키는 문제가 있다.
(특허문헌 1) KR1244493 B1
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 2차 보호 IC보다 저가용이며 전자기 적합성(Electromagnetic Compatibility, EMC)에 강한 2차 보호 IC 기능을 구현한 LEV용 배터리 팩의 배터리 보호회로 및 이를 이용한 직렬 연결 셀의 전압 측정 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 N(N ≥2)개의 배터리 셀들이 상호 직렬 연결되어 있으며, 상기 배터리 셀들 중 최하단에 연결된 제1 셀의 음극(-)이 그라운드(GND)에 연결된 배터리 팩에 구성되는 배터리 보호회로는, 각 배터리 셀의 양/음극(+, -)과 모니터링 IC 사이에 연결된 복수 개의 1차 센싱 라인; 상기 복수 개의 1차 센싱 라인을 통해 배터리 셀들 각각의 전압을 측정하여 1차 모니터링 하는 모니터링 IC; 상기 각각의 1차 센싱 라인에 연결된 복수 개의 2차 센싱 라인; 상기 2차 센싱 라인들 중 어느 하나의 센싱 라인과 MCU 사이를 연결하는 스위치; 상기 스위치의 제어를 통해 연결되는 2차 센싱 라인으로 그라운드(GND) 및 각 배터리 셀의 양극(+) 전압을 측정하고, 측정된 그라운드(GND) 및 배터리 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀부터 제N 셀의 전압을 순차적으로 산출하여 2차 모니터링 하는 MCU; 를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 복수 개의 1차 센싱 라인은, 일단은 제1 셀의 음극(-)에 접속되고 타단은 모니터링 IC에 연결된 1차 제1 센싱 라인; 일단은 제1 셀의 양극(+)과 상기 제1 셀의 상단에 연결된 제N 셀의 음극(-) 사이에 연결되고 타단은 모니터링 IC에 연결된 1차 제N 센싱 라인; 및 일단은 제N 셀의 양극(+)에 접속되고 타단은 모니터링 IC에 연결된 1차 제N+1 센싱 라인; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 복수 개의 2차 센싱 라인은, 일단은 상기 1차 제1 센싱 라인에 연결되고 타단은 스위치를 통해 MCU에 연결되어 그라운드(GND) 전압을 감지하는 2차 제1 센싱 라인; 일단은 1차 제N 센싱 라인에 연결되고 타단은 스위치를 통해 MCU에 연결되어 제1 셀의 양극(+) 전압을 감지하는 2차 제N 센싱 라인; 및 일단은 1차 N+1 센싱 라인에 연결되고 타단은 스위치를 통해 MCU에 연결되어 제N 셀의 양극(+) 전압을 감지하는 2차 제N+1 센싱 라인; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 MCU는, 상기 스위치를 2차 제1 센싱 라인 및 2차 제N 센싱 라인부터 제N+1 센싱 라인에 번갈아 가며 순차적으로 위치시키는 스위치 제어부; 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 스위치를 통해 연결되는 2차 센싱 라인으로 그라운드(GND) 및 해당 배터리 셀의 양극(+) 전압을 측정하는 셀 전압 측정부; 상기 셀 전압 측정부에서 측정되는 그라운드(GND) 및 배터리 셀의 양극(+) 전압을 이용하여 제1 셀부터 제N 셀까지의 전압 값을 순차적으로 산출하는 셀 전압 산출부; 상기 셀 전압 산출부에서 산출된 제1 내지 제N 셀의 각 전압 값을 기반으로 상기 배터리 셀들의 전압 상태를 2차 모니터링 하는 2차 모니터링부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 셀 전압 측정부는, 상기 2차 제1 센싱 라인 및 2차 제N 센싱 라인을 통해 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압을 측정하고, 상기 2차 제1 센싱 라인 및 2차 제N+1 센싱 라인을 통해 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압을 측정하는 것; 을 특징으로 한다.
이에, 상기 셀 전압 산출부는, 상기 셀 전압 측정부에서 측정된 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀의 전압 값을 산출하고, 상기 셀 전압 측정부에서 측정된 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압으로 제1, N 셀의 전압 합산 값을 산출하고, 산출된 제1, N 셀의 전압 합산 값에서 상기 제1 셀의 전압 값을 차감하여 상기 제N 셀의 전압 값을 산출하는 것; 을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 직렬 연결된 N(N≥2)개의 배터리 셀들 각각에 연결된 전압 센싱 라인과 MCU 사이를 연결하는 스위치를 이용하여, 상기 배터리 셀들 중 최하단에 연결된 제1 셀부터 제N의 전압을 측정하는 방법은, 스위치를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀의 음극(-) 및 제1 셀의 양극(+)에 각각 연결된 전압 센싱 라인에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치를 통해 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀의 전압 값을 측정하는 제1 셀 전압 측정 단계; 스위치를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀의 음극(-) 및 상기 제1 셀의 상단에 연결된 제N 셀의 양극(+)에 각각 연결된 전압 센싱 라인에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치를 통해 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압을 이용하여 제N 셀의 전압 값을 산출하는 제N 셀 전압 산출 단계; 를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 제N 셀 전압 산출 단계는, 상기 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압으로 제1, N 셀의 전압 합산 값을 측정하고, 상기 측정된 제1, N 셀 전압 합산 값에서 상기 제1 셀 전압 측정 단계에서 측정된 제1 셀의 전압 값을 차감하여 제N 셀의 전압 값을 산출하는 것; 을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 직렬 연결된 N(N≥2)개의 배터리 셀을 보호하는 배터리 보호 방법은, 모니터링 IC에서 각 배터리 셀과 연결된 1차 센싱 라인을 통해 배터리 셀들 각각의 1차 전압을 측정하는 1차 전압 측정 단계; MCU에서 상기 1차 센싱 라인들과 연결된 2차 센싱 라인들 중 어느 하나의 센싱 라인과 MCU 사이를 연결하는 스위칭 회로를 제어하여, 연결되는 2차 센싱 라인을 통해 배터리 셀들 각각의 2차 전압을 측정하는 2차 전압 측정 단계; 모니터링 IC의 1차 측정 전압과 MCU의 2차 측정 전압을 상호 비교하여, 그 편차가 소정의 편차 기준 범위 이상인지를 비교하는 비교 단계; 비교 단계의 비교 결과, 소정의 편차 기준 범위 이상일 경우 모니터링 IC와 MCU 중 어느 하나에 오류가 발생한 것으로 판별하여 알림 경보를 제공하는 오류 판별 단계; 를 포함하여 구성된다.
보다 구체적으로, 상기 2차 전압 측정 단계는, MCU에서 스위치를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀의 음극(-) 및 제1 셀의 양극(+)에 각각 연결된 2차 센싱 라인에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치를 통해 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀의 전압 값을 측정하는 제1 셀 전압 측정 단계; MCU에서 스위치를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀의 음극(-) 및 상기 제1 셀의 상단에 연결된 제N 셀의 양극(+)에 각각 연결된 2차 전압 센싱 라인에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치를 통해 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압을 이용하여 제N 셀의 전압 값을 산출하는 제N 셀 전압 산출 단계; 를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 제N 셀 전압 산출 단계는, 상기 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압으로 제1, N 셀의 전압 합산 값을 측정하고, 상기 측정된 제1, N 셀 전압 합산 값에서 상기 측정된 제1 셀 전압 값을 차감하여 제N 셀의 전압 값을 산출하는 것; 을 특징으로 한다.
본 발명은 스위치와 MCU를 이용하여 2차 보호 IC의 기능을 대체하여 별도의 2차 보호 IC를 구비할 필요가 없다.
따라서, 2차 보호 IC에 비해 저가용이며, 전자기 적합성(EMC)에 강한 2차 보호 IC 기능을 포함하는 배터리 보호회로를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 배터리 보호회로를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 보호회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 MCU의 세부 구성을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
1. 본 발명에 따른 배터리 보호회로
도 2는 본 발명에 따른 배터리 보호회로(20)를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 보호회로에 대하여 설명하도록 한다.
본 명세서에서는 도 2에 보이는 것과 같이 3개의 배터리 셀이 직렬 연결된 경우를 들어 설명하지만, 이에 한정하는 것은 아니며 2개 이상의 배터리 셀이 직렬 연결된 경우이면 가능하다.
1.1. 직렬 연결 배터리 셀들(100)
본 발명의 배터리 보호회로는, 직렬 연결된 N(N≥2)개의 배터리 셀에 연결된다.
N(N≥2)개의 배터리 셀들이 직렬 연결된 경우이면, 전체 배터리 셀들 중 최하단에 연결된 배터리 셀부터 상단 방향으로 제1 셀(100a), 제2 셀(100b), …, 제N 셀(미도시)로 지칭할 수 있다.
이 때, 도 2에 보이는 것과 같이 직렬 연결된 배터리 셀들 중 최하단에 연결된 제1 셀(100a)의 음극(-)은 그라운드(GND)에 연결된다.
1.2. 복수 개의 1차 센싱 라인
복수 개의 1차 센싱 라인은, 도 2에 보이는 것과 같이 상기 직렬 배터리 셀들(100a~100c)과 모니터링 IC(200) 사이에 연결되어, 상기 배터리 셀(100)들 각각의 전압을 감지한다.
구체적으로, 일단은 제1 셀(100a)의 음극(-)에 접속되고 타단은 모니터링 IC(200)에 연결된 1차 제1 센싱 라인(A1), 일단은 제1 셀(100a)의 양극(+)과 제2 셀(100b)의 음극(-) 사이에 연결되고 타단은 모니터링 IC(200)에 연결된 1차 제2 센싱 라인(A2), 일단은 제2 셀(100b)의 양극(+)과 제3 셀(100c)의 음극(-) 사이에 연결된 1차 제3 센싱 라인(A3), 일단은 제3 셀(100c)의 양극(+)에 접속되고 타단은 모니터링 IC(200)에 연결된 1차 제4 센싱 라인(A4)을 포함하여 구성된다.
N(N≥2)개의 배터리 셀이 직렬 연결된 경우라 하면, N+1개의 1차 센싱 라인들(A1~An+1)이 연결된다.
이러한 복수 개의 1차 센싱 라인(A1~A4)을 통해 후술하는 모니터링 IC(200)에서 배터리 셀들(100a~100c) 각각의 전압 상태를 1차로 모니터링 할 수 있다.
1.3. 모니터링 IC(200)
모니터링 IC는, 상기 복수 개의 1차 센싱 라인(A1~A4)을 통해 직렬 연결된 배터리 셀들(100a~100c) 각각의 전압을 측정하여 모니터링 한다.
이와 같은 모니터링 IC는 공지의 구성으로서, 일반적으로 AFE IC 또는 ASIC를 사용한다.
한편, 모니터링 IC는 후술하는 MCU(400)와 상호 통신 연결되는 통신부(미도시)를 포함하여 구성된다.
1.4. 복수 개의 2차 센싱 라인
복수 개의 2차 센싱 라인은, 각각의 1차 센싱 라인(A1~A4)에 연결되어 배터리 셀들(100a~100c)의 전압을 감지한다. 도 2에 보이는 것과 같이 각 2차 센싱 라인의 일단은 각 1차 센싱 라인에 연결되고 그 타단은 후술하는 스위치(300)를 통해 MCU(Micro Control Unit, 400)에 연결된다.
구체적으로, 일단은 1차 제1 센싱 라인(A1)에 연결되고 타단은 스위치(300)를 통해 MCU(400)에 연결되는 2차 제1 센싱 라인(B1), 일단은 1차 제2 센싱 라인(A2)에 연결되고 타단은 스위치(300)를 통해 MCU(400)에 연결되는 2차 제2 센싱 라인(B2), 일단은 1차 제3 센싱 라인(A3)에 연결되고 타단은 스위치(300)를 통해 MCU(400)에 연결되는 2차 제3 센싱 라인(B3), 일단은 1차 제4 센싱 라인(A4)에 연결되고 타단은 스위치(300)를 통해 MCU(400)에 연결되는 2차 제4 센싱 라인(B4)을 포함하여 구성될 수 있다.
N개의 배터리 셀이 직렬 연결된 경우이면, 1차 센싱 라인들(A1~An+1)에 대응하여 N+1개의 2차 센싱 라인들(B1~Bn+1)이 연결되는 것이다.
이 때, 스위치(300)가 2차 제1 내지 제N+1 센싱 라인 중 어느 센싱 라인의 타단에 위치하느냐에 따라 MCU(400)에 연결되는 2차 센싱 라인이 달라진다.
1.5. 스위치(300)
스위치는, 후술하는 MCU(400)의 제어에 따라 도 2에 보이는 것과 같이 상기 2차 제1 내지 제4 센싱 라인(B1~B4) 중 적어도 하나의 센싱 라인과 MCU(400) 사이를 연결하는 구성이다.
구체적으로, 후술하는 MCU(400)의 스위치 제어부(410)의 제어에 의해 2차 제1 센싱 라인(B1)과 2차 제2 센싱 라인(B2) 내지 제4 센싱 라인(B4)을 번갈아 가며 MCU(400)에 연결한다.
이러한 스위치를 통해 MCU(400)는 제1 내지 제3 셀(100a~100c) 각각의 전압을 측정/산출할 수 있게 된다.
1.6. MCU(Micro Control Unit, 400)
MCU는, 상기 스위치(300)의 제어를 통해 그라운드(GND)와 각 배터리 셀의 양극(+) 전압을 측정하고, 측정된 그라운드(GND) 및 양극(+) 전압을 이용하여 산출되는 배터리 셀들 각각의 전압 값을 기반으로 배터리 셀들의 전압 상태를 2차 모니터링 하는 구성이다.
쉽게 말해, 모니터링 IC(200)가 정상 동작하지 않을 경우를 대비해서 기존의 배터리 보호회로에 구비되는 2차 보호 IC 기능을 스위치(300) 및 MCU(400)가 대체하는 것이다.
여기서, 전압 측정 방식에 있어서, 종래의 2차 보호 IC는 각 배터리 셀의 양극(+) 및 음극(-) 전압을 측정하는 방식인 것과 달리, 본 발명의 MCU(400)는 스위치(300)를 이용하여 그라운드(GND) 및 배터리 셀의 양극(+) 전압을 측정하는 방식을 사용한다.
한편, MCU(400)는 앞서 설명한 모니터링 IC(200)와 상호 통신 연결하는 통신부(미도시)를 포함하여 구성된다.
가. 스위치 제어부(410)
스위치 제어부는, 상기 스위치(300)를 2차 제1 센싱 라인(B1) 및 2차 제2 센싱 라인부터 제4 센싱 라인(B2~B4)에 번갈아 가며 순차적으로 위치하도록 제어한다.
N개의 배터리 셀이 직렬 연결된 경우라 하면, 2차 제1 센싱 라인(B1) 및 2차 제2 센싱 라인부터 제N+1 센싱 라인(B2~Bn+1)에 번갈아 가며 순차적으로 위치하도록 제어하는 것이다.
보다 구체적으로, 스위치(300)를 2차 제1 센싱 라인(B1) -> 2차 제2 센싱 라인(B2) -> 2차 제1 센싱 라인(B1) -> 2차 제3 센싱 라인(B3) -> 2차 제1 센싱 라인(B1) -> 2차 제4 센싱 라인(B4)의 순서로 위치시켜 2차 센싱 라인과 MCU(400)의 사이를 순차적으로 연결시킨다.
이와 같이 제어하는 이유는, 앞서 설명한 것처럼 그라운드(GND) 및 배터리 셀의 양극(+) 전압을 측정하는 방식으로 각 배터리 셀의 전압 값을 산출하기 때문이다.
나. 셀 전압 측정부(420)
셀 전압 측정부는, 상기 스위치 제어부(410)의 제어에 따라 스위치(300)를 통해 연결되는 2차 센싱 라인의 감지 전압을 측정한다.
구체적으로, 스위치(300)를 통해 2차 제1 센싱 라인(B1) -> 2차 제2 센싱 라인(B2) -> 2차 제1 센싱 라인(B1) -> 2차 제3 센싱 라인(B3) -> 2차 제1 센싱 라인(B1) -> 2차 제4 센싱 라인(B4)과 연결된다. 이에, 그라운드(GND) -> 제1 셀(100a)의 양극(+) -> 그라운드(GND) -> 제2 셀(100b)의 양극(+) -> 그라운드(GND) -> 제3 셀(100c)의 양극(+)의 순서로 그 전압을 측정한다.
여기서, 배터리 셀들은 직렬 연결 상태이므로, 그라운드(GND) 및 제2 셀(100b)의 양극(+) 전압을 읽는 것은 제1, 2 셀(100a, 100b)의 합산된 전압을 측정하는 것이고, 그라운드(GND) 및 제N 셀(100n)의 양극(+) 전압을 읽는 것은 제1, 2 및 3 셀(100a~100c)의 합산된 전압을 측정하는 것이라 할 수 있다.
다. 셀 전압 산출부(430)
셀 전압 산출부는, 상기 셀 전압 측정부(420)에 의해 측정되는 그라운드(GND) 및 양극(+) 전압을 이용하여 최하단의 제1 셀(100a)의 전압 값부터 순차적으로 산출한다.
먼저, 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀(100a)의 전압 값을 산출한다.
다음, 그라운드(GND) 및 제2 셀의 양극(+) 전압으로 측정된 제1, 2 셀(100a, 100b)의 전압 합산 값에서 앞서 산출된 제1 셀(100a)의 전압을 차감하여 제2 셀(100b)의 전압 값을 산출할 수 있다.
그리고, 그라운드(GND) 및 제3 셀의 양극(+) 전압으로 측정된 제1, 2 및 3 셀(100a~100c)의 전압 합산 값에서 앞서 측정된 제1, 2 셀(100a, 100b)의 전압 합산 값을 차감하여 제3 셀(100c)의 전압 값을 산출할 수 있다.
이러한 원리로, N개의 배터리 셀이 직렬 연결된 경우이면, 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압으로 측정된 제1 내지 제N 셀의 전압 합산 값에서 그라운드(GND) 및 제N-1 셀의 양극(+) 전압으로 측정된 제1 내지 제N-1의 전압 합산 값을 차감하여 제N 셀의 전압 값을 산출할 수 있다.
라. 2차 모니터링부(440)
2차 모니터링부는, 상기 셀 전압 산출부(430)에서 산출된 각 배터리 셀들의 전압 값을 소정의 기준 범위와 비교하여, 직렬 연결 셀들의 전압 상태를 2차 모니터링 할 수 있다.
또한, 추가로 모니터링 IC(200)와의 통신 연결을 통해 모니터링 IC(200)로부터 전달 받은 배터리 셀들의 측정 전압과 상기 셀 전압 산출부(430)에서 산출된 배터리 셀들의 전압을 상호 비교하여, 그 편차가 소정 편차 범위 이상일 경우, 모니터링 IC(200)와 MCU(400) 중 어느 하나에 오류가 발생한 것으로 판별하여 알림 경보를 제공할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 배터리 보호회로는, 2차 보호 IC를 구비하지 않고도 스위치(300)와 MCU(400)를 이용하여 2차 보호 IC의 기능을 대체함으로써 모니터링 IC가 정상 동작하지 않더라도 과충전, 과방전 등과 같은 이상 문제로부터 배터리를 안정적으로 보호할 수 있다.
2. 본 발명에 따른 배터리 보호회로를 이용한 직렬 연결 셀의 전압 측정 방법
본 발명에 따른 배터리 보호회로를 이용하여 직렬 연결 셀의 전압 을 측정하는 방법은, 직렬 연결된 배터리 셀들 각각에 연결된 전압 센싱 라인과 MCU(400) 사이를 연결하는 스위치(300)를 이용하여, 상기 배터리 셀들 중 최하단에 연결된 제1 셀(100a)의 전압 값부터 순차적으로 측정하도록 구성된다.
2.1. 제1 셀 전압 측정 단계
먼저, 직렬 연결된 배터리 셀들 중 최하단에 연결된 제1 셀(100a)의 전압을 측정한다. 그 방식은, 스위치(300)를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀(100a)의 음극(-)에 연결된 2차 제1 센싱 라인(B1)과 제1 셀(100a)의 양극(+)에 연결된 2차 제2 센싱 라인(B2)에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치(300)를 통해 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀의 전압 값을 측정한다.
2.2. 제2 셀 전압 측정 단계
최하단 셀인 제1 셀(100a)의 전압을 측정한 다음, 상기 제1 셀(100a)의 상단에 연결된 제2 셀(100b)의 전압을 측정한다. 그 방식은, 스위치(300)를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀(100a)의 음극(-)에 연결된 2차 제1 센싱 라인(B1)과 제2 셀(100b)의 양극(+)에 연결된 2차 제3 센싱 라인(B3)에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치(300)를 통해 그라운드(GND) 및 제2 셀의 양극(+) 전압으로 제1, 2 셀의 전압 합산 값을 측정한다. 그리고, 측정된 제1, 2 셀(100a, 100b)의 전압 합산 값에서 앞서 제1 셀 전압 측정 단계에서 측정된 제1 셀(100a)의 전압 값을 차감하여 상기 제2 셀(100b)의 전압 값을 산출할 수 있다.
2.3. 제3 셀 전압 측정 단계
제3 셀(100c)의 전압을 측정하는 것은, 스위치(300)를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀(100a)의 음극(-)에 연결된 2차 제1 센싱 라인(B1) 과 제3 셀(100c)의 양극(+)에 연결된 2차 제4 센싱 라인(B4)에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치(300)를 통해 그라운드(GND) 및 제3 셀의 양극(+) 전압으로 제1, 2 및 3 셀(100a, 100b, 100c)의 전압 합산 값을 측정한다. 그리고, 측정된 제1, 2 및 3 셀의 전압 합산 값에서 앞서 제2 셀 전압 측정 단계에서 측정된 제1, 2 셀(100a, 100b)의 전압 합산 값을 차감하여 상기 제3 셀(100c)의 전압 값을 산출할 수 있다.
이와 같은 원리로, N개의 배터리 셀들이 직렬 연결된 경우 제N 셀의 전압을 측정하는 것은, 스위치(300)를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀(100a)의 음극(-)에 연결된 2차 제1 센싱 라인(B1)과 제N 셀의 양극(+)에 연결된 2차 제N+1 센싱 라인(미도시)에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치(300)를 통해 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압으로 제1 내지 제N 셀의 전압 합산 값을 측정하고, 그 전압 합산 값에서 앞서 측정된 제1 내지 제N-1 셀의 전압 합산 값을 차감하면 제N 셀의 전압 값을 산출할 수 있다.
3. 본 발명에 따른 배터리 보호회로를 이용한 배터리 보호방법
본 발명에 따른 배터리 보호회로를 이용하여 직렬 연결된 셀들을 보호하는 방법은, 하기와 같이 구성될 수 있다.
3.1. 1차 전압 측정 단계
모니터링 IC(200)에서 1차 센싱 라인들(A1~An+1)을 통해 각 배터리 셀의 1차 전압을 측정한다. 모니터링 IC(200)에서 각 배터리 셀의 1차 전압을 측정하는 것은, 통상적으로 잘 알려진 것처럼 배터리 셀의 양극(+) 및 음극(-) 전압을 측정하는 방식을 사용한다.
3.2. 2차 전압 측정 단계
MCU(400)에서 스위치(300)를 제어하여 각 배터리 셀의 전압을 2차 측정한다. MCU(400)에서 배터리 셀의 2차 전압을 측정하는 것은, 그라운드(GND)와 배터리 셀의 양극(+) 전압을 측정하는 방식을 사용한다. 보다 구체적으로는, 앞서 설명한 제1 셀 전압 측정 단계, 제2 셀 전압 측정 단계 및 제3 셀 전압 측정 단계와 같은 절차를 통해 직렬 연결된 배터리 셀들의 2차 전압을 측정할 수 있다.
3.3. 오류 판별 단계
1, 2차 전압 측정 단계를 거쳐 모니터링 IC(200)에서의 1차 전압 측정과 MCU(400)에서의 2차 전압 측정이 완료되면, 모니터링 IC(200)의 1차 측정 전압과 MCU(400)의 2차 측정 전압을 상호 비교하여, 그 편차가 소정 편차 범위 이상인지를 비교한다. 이상일 경우, 모니터링 IC(200)와 MCU(400) 중 어느 하나에 오류가 발생한 것으로 판별하고, 이를 알리는 알림 경보를 제공할 수 있다.
한편, 상술한 2차 전압 측정 단계는 모니터링 IC(200)가 정상 동작하지 않아 1차 전압 측정 단계가 정상적으로 이루어지지 않을 경우 수행될 수 있다. 그러면, 오류 판별 단계는 모니터링 IC(200)에 오류가 발생하였음을 알리는 알림 경보를 제공하도록 구성될 수 있다.
이와 같이 1차 보호 구성인 모니터링 IC(200)가 정상 동작하지 않을 경우를 대비하여 스위치(300) 및 MCU(400)를 이용한 2차 보호 구성을 구현함으로써, 별도의 2차 보호 IC를 구비하지 않고도 과충전, 과방전 등과 같은 이상 문제로부터 배터리를 보호하는 보호 동작을 원활하게 수행하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100a~100c: 배터리 셀
200: 모니터링 IC
300: 스위치
400: MCU
410: 스위치 제어부
420: 셀 전압 측정부
430: 셀 전압 산출부
440: 2차 모니터링부

Claims (11)

  1. N(N ≥2)개의 배터리 셀들이 상호 직렬 연결되어 있으며, 상기 배터리 셀들 중 최하단에 연결된 제1 셀의 음극(-)이 그라운드(GND)에 연결된 배터리 팩에 구성되는 배터리 보호회로에 있어서,
    각 배터리 셀의 양/음극(+, -)과 모니터링 IC 사이에 연결된 복수 개의 1차 센싱 라인;
    상기 복수 개의 1차 센싱 라인을 통해 배터리 셀들 각각의 전압을 측정하여 1차 모니터링 하는 모니터링 IC;
    상기 각각의 1차 센싱 라인에 연결된 복수 개의 2차 센싱 라인;
    상기 2차 센싱 라인들 중 어느 하나의 센싱 라인과 MCU 사이를 연결하는 스위치;
    상기 스위치의 제어를 통해 연결되는 2차 센싱 라인으로 그라운드(GND) 및 각 배터리 셀의 양극(+) 전압을 측정하고, 측정된 그라운드(GND) 및 배터리 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀부터 제N 셀의 전압을 순차적으로 산출하여 2차 모니터링 하는 MCU;
    를 포함하여 구성되는 배터리 보호회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 1차 센싱 라인은,
    일단은 제1 셀의 음극(-)에 접속되고 타단은 모니터링 IC에 연결된 1차 제1 센싱 라인;
    일단은 제1 셀의 양극(+)과 상기 제1 셀의 상단에 연결된 제N 셀의 음극(-) 사이에 연결되고 타단은 모니터링 IC에 연결된 1차 제N 센싱 라인; 및
    일단은 제N 셀의 양극(+)에 접속되고 타단은 모니터링 IC에 연결된 1차 제N+1 센싱 라인;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 2차 센싱 라인은,
    일단은 상기 1차 제1 센싱 라인에 연결되고 타단은 스위치를 통해 MCU에 연결되어 그라운드(GND) 전압을 감지하는 2차 제1 센싱 라인;
    일단은 1차 제N 센싱 라인에 연결되고 타단은 스위치를 통해 MCU에 연결되어 제1 셀의 양극(+) 전압을 감지하는 2차 제N 센싱 라인; 및
    일단은 1차 N+1 센싱 라인에 연결되고 타단은 스위치를 통해 MCU에 연결되어 제N 셀의 양극(+) 전압을 감지하는 2차 제N+1 센싱 라인;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 MCU는,
    상기 스위치를 2차 제1 센싱 라인 및 2차 제N 센싱 라인부터 제N+1 센싱 라인에 번갈아 가며 순차적으로 위치시키는 스위치 제어부;
    상기 스위치 제어부의 제어에 따라 스위치를 통해 연결되는 2차 센싱 라인으로 그라운드(GND) 및 해당 배터리 셀의 양극(+) 전압을 측정하는 셀 전압 측정부;
    상기 셀 전압 측정부에서 측정되는 그라운드(GND) 및 배터리 셀의 양극(+) 전압을 이용하여 제1 셀부터 제N 셀까지의 전압 값을 순차적으로 산출하는 셀 전압 산출부;
    상기 셀 전압 산출부에서 산출된 제1 내지 제N 셀의 각 전압 값을 기반으로 상기 배터리 셀들의 전압 상태를 2차 모니터링 하는 2차 모니터링부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 셀 전압 측정부는,
    상기 2차 제1 센싱 라인 및 2차 제N 센싱 라인을 통해 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압을 측정하고,
    상기 2차 제1 센싱 라인 및 2차 제N+1 센싱 라인을 통해 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압을 측정하는 것; 을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 셀 전압 산출부는,
    상기 셀 전압 측정부에서 측정된 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀의 전압 값을 산출하고,
    상기 셀 전압 측정부에서 측정된 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압으로 제1, N 셀의 전압 합산 값을 산출하고, 산출된 제1, N 셀의 전압 합산 값에서 상기 제1 셀의 전압 값을 차감하여 상기 제N 셀의 전압 값을 산출하는 것; 을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
  7. 직렬 연결된 N(N ≥2)개의 배터리 셀들 각각에 연결된 전압 센싱 라인과 MCU 사이를 연결하는 스위치를 이용하여, 상기 배터리 셀들 중 최하단에 연결된 제1 셀부터 제N의 전압을 측정하는 방법에 있어서,
    스위치를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀의 음극(-) 및 제1 셀의 양극(+)에 각각 연결된 전압 센싱 라인에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치를 통해 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀의 전압 값을 측정하는 제1 셀 전압 측정 단계;
    스위치를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀의 음극(-) 및 상기 제1 셀의 상단에 연결된 제N 셀의 양극(+)에 각각 연결된 전압 센싱 라인에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치를 통해 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압을 이용하여 제N 셀의 전압 값을 산출하는 제N 셀 전압 산출 단계;
    를 포함하여 구성되는 배터리 전압 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제N 셀 전압 산출 단계는,
    상기 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압으로 제1, N 셀의 전압 합산 값을 측정하고, 상기 측정된 제1, N 셀 전압 합산 값에서 상기 제1 셀 전압 측정 단계에서 측정된 제1 셀의 전압 값을 차감하여 제N 셀의 전압 값을 산출하는 것; 을 특징으로 하는 배터리 전압 측정 방법.
  9. 직렬 연결된 N(N≥2)개의 배터리 셀을 보호하는 배터리 보호 방법에 있어서,
    모니터링 IC에서 각 배터리 셀과 연결된 1차 센싱 라인을 통해 배터리 셀들 각각의 1차 전압을 측정하는 1차 전압 측정 단계;
    MCU에서 상기 1차 센싱 라인들과 연결된 2차 센싱 라인들 중 어느 하나의 센싱 라인과 MCU 사이를 연결하는 스위칭 회로를 제어하여, 연결되는 2차 센싱 라인을 통해 배터리 셀들 각각의 2차 전압을 측정하는 2차 전압 측정 단계;
    모니터링 IC의 1차 측정 전압과 MCU의 2차 측정 전압을 상호 비교하여, 그 편차가 소정의 편차 기준 범위 이상인지를 비교하는 비교 단계;
    비교 단계의 비교 결과, 소정의 편차 기준 범위 이상일 경우 모니터링 IC와 MCU 중 어느 하나에 오류가 발생한 것으로 판별하여 알림 경보를 제공하는 오류 판별 단계;
    를 포함하여 구성되는 배터리 보호 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 2차 전압 측정 단계는,
    MCU에서 스위치를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀의 음극(-) 및 제1 셀의 양극(+)에 각각 연결된 2차 센싱 라인에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치를 통해 그라운드(GND) 및 제1 셀의 양극(+) 전압으로 제1 셀의 전압 값을 측정하는 제1 셀 전압 측정 단계;
    MCU에서 스위치를 그라운드(GND)에 연결된 제1 셀의 음극(-) 및 상기 제1 셀의 상단에 연결된 제N 셀의 양극(+)에 각각 연결된 2차 전압 센싱 라인에 순차적으로 위치시켜, 상기 스위치를 통해 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압을 이용하여 제N 셀의 전압 값을 산출하는 제N 셀 전압 산출 단계;
    를 포함하여 구성되는 배터리 보호방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제N 셀 전압 산출 단계는,
    상기 그라운드(GND) 및 제N 셀의 양극(+) 전압으로 제1, N 셀의 전압 합산 값을 측정하고, 상기 측정된 제1, N 셀 전압 합산 값에서 상기 측정된 제1 셀 전압 값을 차감하여 제N 셀의 전압 값을 산출하는 것; 을 특징으로 하는 배터리 보호 방법.
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