KR20230063055A - 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 진단 방법 - Google Patents

배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 진단 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 장치의 프로세서는 프리차지 기간 동안 프리차지 스위치를 닫아서 프리차지를 수행하고, 프리차지 기간 이후에 양극 메인 스위치를 닫고, 양극 메인 스위치를 닫기 직전의 양극 연결 단자의 전압과 양극 메인 스위치를 닫은 직후의 양극 연결 단자의 전압에 기초해서 프리차지 동작을 진단한다.

Description

배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 진단 방법{BATTERY APPARATUS, BATTERY MANAGEMENT SYSTEM, AND DIAGNOSIS METHOD}
본 발명은 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 진단 방법에 관한 것이다.
전기 자동차 또는 하이브리드 자동차는 주로 배터리를 전원으로 이용하여 모터를 구동함으로써 동력을 얻는 차량으로서, 내연 자동차의 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 충전이 가능한 배터리는 차량 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. 그런데 커패시터를 프리차지하는 시간이 충분하지 못하면, 커패시터에 전압이 충분히 충전되지 못한 상태에서 메인 스위치가 닫힐 수 있다. 이 경우, 배터리 팩의 전압과 커패시터의 전압 사이의 차이로 인해 메인 스위치가 손상을 입을 수 있다.
본 발명의 어떤 실시예는 프리차지 동작을 진단할 수 있는 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 진단 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 외부 장치에 연결되는 양극 연결 단자와 음극 연결 단자를 가지는 배터리 장치가 제공될 수 있다. 상기 배터리 장치는 배터리 팩, 양극 메인 스위치, 프리차지 스위치 및 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 양극 메인 스위치는 상기 배터리 팩의 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결될 수 있다. 상기 프리차지 스위치는 상기 배터리 팩의 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결되며, 상기 외부 장치의 커패시터의 프리차지 동작을 제어할 수 있다. 상기 프로세서는 프리차지 기간 동안 상기 프리차지 스위치를 닫아서 프리차지를 수행하고, 상기 프리차지 기간 이후에 상기 양극 메인 스위치를 닫고, 상기 양극 메인 스위치를 닫기 직전의 상기 양극 연결 단자의 제1 전압과 상기 양극 메인 스위치를 닫은 직후의 상기 양극 연결 단자의 제2 전압에 기초해서 프리차지 동작을 진단할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 배터리 장치는, 상기 프리차지 스위치가 닫힐 때 상기 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결되는 프리차지 저항을 더 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 스위치와 상기 프리차지 저항은 직렬로 연결될 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하고, 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율과 기준 비율을 비교해서 상기 프리차지 동작을 진단할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 기간은 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수의 배수로 설정되고, 상기 기준 비율은 상기 시정수의 배수에 의해 정의되는 비율일 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율의 상기 기준 비율의 오차 범위 이내에 포함되는 경우에 상기 프리차지 동작으로 정상으로 진단할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 기간은 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수의 제1 배수로 설정될 수 있다. 상기 프로세서는 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하고, 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율에 해당하는 상기 시정수의 제2 배수를 결정하고, 상기 제1 배수와 상기 제2 배수를 비교하여 상기 프리차지 동작을 진단할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 제2 배수가 상기 제1 배수의 오차 범위 이내에 포함되는 경우에 상기 프리차지 동작으로 정상으로 진단할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하고, 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율에 해당하는 시정수의 배수를 결정하고, 상기 시정수의 배수, 상기 프리차지 기간 및 상기 프리차지 저항의 저항값에 기초해서 상기 커패시터의 커패시턴스를 추정하고, 상기 추정한 커패시턴스와 상기 커패시터의 실제 커패시턴스를 비교하여 상기 프리차지 동작을 진단할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 추정한 커패시턴스가 상기 실제 커패시턴스의 오차 범위 이내에 포함되는 경우에 상기 프리차지 동작으로 정상으로 진단할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리 팩 및 외부 장치에 연결되는 양극 연결 단자와 음극 연결 단자를 포함하는 배터리 장치의 진단 방법이 제공될 수 있다. 상기 진단 방법은, 프리차지 저항을 통해 상기 양극 연결 단자와 상기 음극 연결 단자에 연결되는 커패시터를 프리차지하는 프리차지 동작을 수행하는 단계, 상기 프리차지 동작을 수행한 후에, 상기 양극 연결 단자에 상기 배터리 팩의 전압을 인가하는 단계, 상기 배터리 팩의 전압을 인가하기 직전에 상기 양극 연결 단자의 전압을 제1 전압으로 측정하는 단계, 상기 배터리 팩의 전압을 인가한 직후에 상기 양극 연결 단자의 전압을 제2 전압으로 측정하는 단계, 그리고 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압에 기초해서 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계는 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하는 단계, 그리고 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율과 기준 비율을 비교해서 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 기간은 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수의 제1 배수로 설정될 수 있다. 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계는 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하는 단계, 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율에 해당하는 상기 시정수의 제2 배수를 결정하는 단계, 그리고 상기 제1 배수와 상기 제2 배수를 비교하여 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계는 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하는 단계, 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율에 해당하는 시정수의 배수를 결정하는 단계, 시정수의 배수, 상기 프리차지 기간 및 상기 프리차지 저항의 저항값에 기초해서 상기 커패시터의 커패시턴스를 추정하는 단계, 그리고 상기 추정한 커패시턴스와 상기 커패시터의 실제 커패시턴스를 비교하여 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 배터리 팩 및 외부 장치에 연결되는 양극 연결 단자와 음극 연결 단자를 포함하는 배터리 장치의 배터리 관리 시스템이 제공될 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템은 양극 메인 스위치, 프리차지 스위치 및 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 양극 메인 스위치는 상기 배터리 팩의 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결될 수 있다. 상기 프리차지 스위치는 상기 배터리 팩의 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결되며, 상기 외부 장치의 커패시터의 프리차지 동작을 제어할 수 있다. 상기 프로세서는 프리차지 기간 동안 상기 프리차지 스위치를 닫아서 프리차지를 수행하고, 상기 프리차지 기간 이후에 상기 양극 메인 스위치를 닫고, 상기 양극 메인 스위치를 닫기 직전의 상기 양극 연결 단자의 제1 전압과 상기 양극 메인 스위치를 닫은 직후의 상기 양극 연결 단자의 제2 전압에 기초해서 프리차지 동작을 진단할 수 있다.
어떤 실시예에 따르면, 양극 연결 단자의 전압을 측정함으로써, 프리차지 동작을 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서의 스위칭 타이밍의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서의 진단 방법의 한 예를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 기간에서의 등가 회로의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 양극 연결 단자의 전압의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 시정수의 배수에 따른 전압 비율을 나타내는 도면이다.
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 양극 연결 단자(DC(+))와 음극 연결 단자(DC(-))를 통해 외부 장치(10)에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 가진다. 외부 장치가 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), 스위치 회로, 프리차지 회로, 감지 회로(140) 및 프로세서(150)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.
스위치 회로는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치(100)의 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 연결되어 있는 양극 메인 스위치(121) 및 배터리 팩(110)의 음극 단자(PV(-))와 배터리 장치(100)의 음극 연결 단자(DC(-)) 사이에 연결되어 있는 음극 메인 스위치(122)를 포함한다. 한 실시예에서, 스위치(121, 122)는 각각 릴레이로 형성되는 컨택터일 수 있다. 다른 실시예에서, 스위치(121, 122)는 각각 트랜지스터 등의 전기적 스위치일 수 있다. 어떤 실시예에서, 스위치 회로는 스위치(121, 122)를 각각 제어하는 구동 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
프리차지 회로는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치(100)의 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 연결되어 있으며, 프리차지 기간 동안 연결 단자(DC(+), DC(-))에 연결되는 외부 장치(10)의 커패시터(11)를 먼저 충전할 수 있다. 어떤 실시예에서, 프리차지 회로는 프리차지 저항(131)과 프리차지 스위치(132)를 포함할 수 있다. 프리차지 스위치(132)가 닫히는 경우 프리차지 저항(131)은 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치(100)의 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 연결될 수 있다. 이에 따라, 프리차지 회로는 프리차지 저항(131)을 통해 외부 장치(10)의 커패시터(11)를 먼저 충전할 수 있다. 어떤 실시예에서, 프리차지 저항(131)과 프리차지 스위치(132)는 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))와 배터리 장치(100)의 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 한 실시예에서, 프리차지 스위치(132)는 릴레이로 형성되는 컨택터일 수 있다. 다른 실시예에서, 프리차지 스위치(132)는 트랜지스터 등의 전기적 스위치일 수 있다. 어떤 실시예에서, 프리차지 회로는 프리차지 스위치(132)를 제어하는 구동 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
감지 회로(140)는 배터리 장치(100)에서 소정 지점의 전압을 감지한다. 어떤 실시예에서, 감지 회로(140)는 배터리 장치(100)의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압을 감지할 수 있다. 어떤 실시예에서, 감지 회로(140)는 양극 연결 단자(DC(+))와 접지 단자 사이에 직렬로 연결되는 복수의 저항(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 이 경우, 감지 회로(140)는 복수의 저항에 의해 양극 연결 단자(DC(+))의 전압이 분압된 전압을 양극 연결 단자(DC(+))의 전압으로 감지할 수 있다. 어떤 실시예에서, 감지 회로(140)는 복수의 저항에 의해 분압된 전압을 디지털 신호로 변환하여 프로세서(150)로 전달하는 아날로그 디지털 변환기를 더 포함할 수 있다.
프로세서(150)는 스위치(121, 122, 132)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, 프로세서(150)는 감지 회로(140)에 감지한 전압에 기초해서 프리차지 동작을 진단할 수 있다. 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 감지 회로(140)에 감지한 전압에 기초해서 커패시터(11)의 커패시턴스를 진단할 수 있다 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 예를 들면 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)일 수 있다.
어떤 실시예에서, 감지 회로(140)와 프로세서(150)는 배터리 장치의 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)에 포함될 수 있다.
도 2를 참고하면, 배터리 장치의 초기 구동 시에 프로세서(150)는 음극 메인 스위치(122)를 먼저 닫는다. 다음, 프로세서(150)는 음극 메인 스위치(122)를 닫은 상태에서 프리차지 스위치(132)를 닫는다. 이에 따라, 배터리 팩(110)으로부터 프리차지 저항(131)을 통해 외부 장치(10)의 커패시터(11)로 프리차지 전류가 공급되어 커패시터(11)가 충전될 수 있다. 프리차지 스위치(132)를 닫아서 커패시터(11)를 충전하는 기간을 프리차지 기간이라 할 수 있다.
다음, 외부 장치(10)의 커패시터(11)를 충전한 후에, 프로세서(150)는 배터리 팩(110)의 전압을 외부 장치(10)로 전달하기 위해서 양극 메인 스위치(121)를 닫는다. 이 경우, 프리차지가 완료되었으므로, 프로세서(150)는 프리차지 스위치(132)를 열 수 있다. 따라서, 외부 장치(10)의 커패시터(11)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, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 프리차지 동작 진단 방법에 대해서 도 3 내지 도 6을 참고로 하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서의 진단 방법의 한 예를 나타내는 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 기간에서의 등가 회로의 한 예를 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 양극 연결 단자의 전압의 한 예를 나타내는 도면이고, 도 6은 시정수의 배수에 따른 전압 비율을 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면, 배터리 장치의 프로세서(예를 들면, 도 1의 150)는 음극 메인 스위치(예를 들면, 도 1의 122)를 닫고(S310), 프리차지 스위치(예를 들면, 도 1의 132)를 닫는다(S320). 이에 따라, 프리차지 기간이 시작되어서 외부 장치의 커패시터(예를 들면, 도 1의 11)가 충전될 수 있다.
프리차지 동작을 수행한 후에(예를 들면, 프리차지 기간이 종료될 때), 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(예를 들면, 도 1의 121)를 닫는다(S340). 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫아서 양극 연결 단자(DC(+))에 배터리 팩(110)의 전압을 인가할 수 있다. 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전에(예를 들면, 양극 연결 단자(DC(+))에 배터리 팩(110)의 전압을 인가하기 직전에), 프로세서(150)는 감지 회로(예를 들면, 도 1의 140)가 감지한 배터리 장치의 양극 연결 단자(예를 들면, DC(+))의 전압을 측정한다(S330). 또한, 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후에(예를 들면, 양극 연결 단자(DC(+))에 배터리 팩(110)의 전압을 인가한 직후에), 프로세서(150)는 감지 회로(140)가 감지한 배터리 장치의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압을 측정한다(S350). 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫은 후에, 프라차지 스위치(132)를 열 수 있다(S340).
프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전에 측정한 배터리 장치의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압과 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후에 측정한 배터리 장치의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압에 기초해서 프리차지 동작을 진단한다(S360).
어떤 실시예에서, 프리차지 동작을 비정상으로 진단한 경우, 프로세서(150)는 외부 장치로 경고를 송출할 수 있다.
도 4에 도시한 것처럼, 프리차지 스위치(132)를 닫으면, 배터리 팩(110), 프리차지 저항(131) 및 커패시터(11)에 의해 형성되는 RC 등가 회로가 형성될 수 있다. 그러면 커패시터(11)의 전압, 즉 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)은 RC 등가 회로의 시정수(τ)에 기초해서 도 5에 도시한 것처럼 증가한다. 이 경우, 커패시터(11)의 전압(VDC)은 예를 들면 수학식 1처럼 변할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, 시정수(τ)는 프리차지 저항(131)의 저항값(RP)과 커패시터(11)의 커패시턴스(CEX)의 곱으로 정의된다.
프로세서(150)는 시정수의 n배를 프리차지 기간으로 설정할 수 있다(n은 양의 실수). 예를 들면, 프로세서(150)는 시정수의 5배를 프리차지 기간으로 설정할 수 있다. 이 경우, 프로세서(150)는 시정수의 n배에 해당하는 프리차지 기간이 경과한 후에, 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)을 이론적으로 계산할 수 있다. 이론적으로 계산된 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 소정 비율로 주어질 수 있다. 도 6에 도시한 것처럼, 시정수의 1배(τ)에서의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 63%에 해당하고, 시정수의 2배(2τ)에서의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 86%에 해당하고, 시정수의 3배(3τ)에서의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 95%에 해당하고, 시정수의 4배(4τ)에서의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 98%에 해당하고, 시정수의 5배(5τ)에서의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 99%에 해당한다.
한편, 도 5에 도시한 것처럼, 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후에, 양극 연결 단자(DC(+))의 전압은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)으로 변경된다. 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후에 측정한 양극 연결 단자(DC(+))의 전압은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)에 해당한다. 따라서, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)(프리차지 기간의 종료 시의 커패시터(11)의 전압)과 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VBAT)(배터리 팩(110)의 전압)을 비교해서 프리차지 동작을 진단할 수 있다. 또한, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)과 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VBAT)에 기초해서 시정수를 추정할 수 있다. 예를 들면, 수학식 1에서 VDC를 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압으로, VBAT를 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압으로, t를 현재 사이클에서의 프리차지 기간의 시간으로 설정해서, 시정수(τ)가 계산될 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)에 대한 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VBAT)의 비율과 실제 프리차지 기간이 설정된 시정수의 배수에 해당하는 비율(앞으로 "기준 비율"이라 한다)을 비교해서 프리차지 동작을 진단할 수 있다. 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 양극 연결 단자(DC(+))의 전압으로 계산한 비율이 기준 비율의 오차 범위 이내에 포함되는 경우 프리차지 동작을 정상으로 진단할 수 있다. 프로세서(150)는 양극 연결 단자(DC(+))의 전압으로 계산한 비율이 기준 비율의 오차 범위를 벗어나는 경우 프리차지 동작을 비정상으로 진단할 수 있다. 즉, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 커패시터(11)의 전압과 배터리 팩(110)의 전압 사이의 차이가 커서 양극 메인 스위치(121)에 손상이 발생할 수 있다고 진단할 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)에 대한 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VBAT)의 비율로 프리차지 기간이 시정수의 몇 배인지를 계산할 수 있다. 설정한 프리차지 기간이 시정수의 n배이고, 계산한 프리차지 기간이 시정수의 m배일 수 있다(m은 양의 실수). 이 경우, 프로세서(150)는 m이 n의 오차 범위 이내이면 프리차지 동작을 정상으로 진단할 수 있다. 반면, m이 n의 오차 범위를 벗어나는 경우, 프로세서(150)는 프리차지 동작을 비정상으로 진단할 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)에 대한 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VBAT)의 비율로 커패시터(11)의 커패시턴스를 추정할 수 있다. 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)에 대한 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VBAT)의 비율로 프리차지 기간이 시정수의 몇 배인지를 계산할 수 있다. 계산한 프리차지 기간이 시정수의 m배인 경우, 프로세서(150)는 프리차지 기간(TP)을 m으로 나눈 값(TP/m)으로 시정수를 계산하고, 시정수를 프리차지 저항(131)의 저항값(RP)으로 나눈 값으로 커패시터(11)의 커패시턴스(TP/(m*RP))를 추정할 수 있다. 프로세서는 추정한 커패시턴스가 커패시터(11)의 실제 커패시턴스의 오차 범위 이내인 경우 프리차지 동작을 정상으로 진단할 수 있다. 반면, 추정한 커패시턴스가 실제 커패시턴스의 오차 범위를 벗어나는 경우, 프로세서(150)는 프리차지 동작을 비정상으로 진단할 수 있다.
어떤 실시예에서, 오차 범위는 실험에 의해 결정될 수 있다.
예를 들면, 프리차지 기간이 시정수의 5배로 설정되고, 배터리 팩(110)의 전압이 400V이고, 프리차지 저항(131)의 저항값이 40Ω이고, 커패시터(11)의 실제 커패시턴스가 1700㎌인 경우를 가정한다. 이 경우, 시정수는 68ms(=40Ω*1700㎌)로, 프리차지 기간은 340ms(=5*68ms)로 설정된다.
양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압이 396V인 경우, 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압에 대한 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압의 비율은 99%이다. 계산한 비율은 시정수의 5배일 때의 비율과 동일하므로, 프로세서(150)는 프리차지 동작이 정상으로 진단할 수 있다.
반면, 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압이 380V인 경우, 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압에 대한 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압의 비율은 95%이다. 이 경우, 프리차지 기간은 시정수의 3배로 계산될 수 있다. 또한, 커패시터(11)의 커패시턴스는 2833㎌(=340ms/(3*40Ω))로 추정될 수 있다. 따라서, 계산한 비율(95%)이 실제 비율(99%)보다 4%만큼 낮거나, 계산한 시정수의 배수(3배)가 실제 시정수의 배수(5배)의 60%에 해당하거나, 추정한 커패시턴스가 실제 커패시턴스의 167%에 해당하므로, 프로세서(150)는 프리차지 기간을 비정상으로 진단할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따르면, 배터리 장치는 양극 연결 단자(DC(+))의 전압을 측정함으로써, 프리차지 동작이 정상인지를 진단할 수 있다. 또한, 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전과 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후에 양극 연결 단자(DC(+))의 전압을 측정하기 때문에, 두 전압 측정 시점의 차이를 최소화할 수 있다. 즉, 두 번의 전압 측정이 실질적으로 동일한 환경에서 수행되므로, 전압 측정과 관련된 소자의 오차를 최소화하고, 이에 따라 시정수 또는 커패시턴스가 정확하게 추정될 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 (15)

  1. 외부 장치에 연결되는 양극 연결 단자와 음극 연결 단자를 가지는 배터리 장치로서,
    배터리 팩,
    상기 배터리 팩의 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결되는 양극 메인 스위치,
    상기 배터리 팩의 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결되며, 상기 외부 장치의 커패시터의 프리차지 동작을 제어하는 프리차지 스위치, 그리고
    프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는
    프리차지 기간 동안 상기 프리차지 스위치를 닫아서 프리차지를 수행하고,
    상기 프리차지 기간 이후에 상기 양극 메인 스위치를 닫고,
    상기 양극 메인 스위치를 닫기 직전의 상기 양극 연결 단자의 제1 전압과 상기 양극 메인 스위치를 닫은 직후의 상기 양극 연결 단자의 제2 전압에 기초해서 프리차지 동작을 진단하는
    배터리 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 프리차지 스위치가 닫힐 때 상기 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결되는 프리차지 저항을 더 포함하는, 배터리 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 프리차지 스위치와 상기 프리차지 저항은 직렬로 연결되는, 배터리 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 프로세서는
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하고,
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율과 기준 비율을 비교해서 상기 프리차지 동작을 진단하는
    배터리 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 프리차지 기간은 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수의 배수로 설정되며,
    상기 기준 비율은 상기 시정수의 배수에 의해 정의되는 비율인
    배터리 장치.
  6. 제4항에서,
    상기 프로세서는 상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율의 상기 기준 비율의 오차 범위 이내에 포함되는 경우에 상기 프리차지 동작으로 정상으로 진단하는, 배터리 장치.
  7. 제4항에서,
    상기 프리차지 기간은 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수의 제1 배수로 설정되며,
    상기 프로세서는
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하고,
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율에 해당하는 상기 시정수의 제2 배수를 결정하고,
    상기 제1 배수와 상기 제2 배수를 비교하여 상기 프리차지 동작을 진단하는
    배터리 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 프로세서는 상기 제2 배수가 상기 제1 배수의 오차 범위 이내에 포함되는 경우에 상기 프리차지 동작으로 정상으로 진단하는, 배터리 장치.
  9. 제4항에서,
    시정수가 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되고,
    상기 프로세서는
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하고,
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율에 해당하는 시정수의 배수를 결정하고,
    상기 시정수의 배수, 상기 프리차지 기간 및 상기 프리차지 저항의 저항값에 기초해서 상기 커패시터의 커패시턴스를 추정하고,
    상기 추정한 커패시턴스와 상기 커패시터의 실제 커패시턴스를 비교하여 상기 프리차지 동작을 진단하는
    배터리 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 프로세서는 상기 추정한 커패시턴스가 상기 실제 커패시턴스의 오차 범위 이내에 포함되는 경우에 상기 프리차지 동작으로 정상으로 진단하는, 배터리 장치.
  11. 배터리 팩 및 외부 장치에 연결되는 양극 연결 단자와 음극 연결 단자를 포함하는 배터리 장치의 진단 방법으로서,
    프리차지 저항을 통해 상기 양극 연결 단자와 상기 음극 연결 단자에 연결되는 커패시터를 프리차지하는 프리차지 동작을 수행하는 단계,
    상기 프리차지 동작을 수행한 후에, 상기 양극 연결 단자에 상기 배터리 팩의 전압을 인가하는 단계,
    상기 배터리 팩의 전압을 인가하기 직전에 상기 양극 연결 단자의 전압을 제1 전압으로 측정하는 단계,
    상기 배터리 팩의 전압을 인가한 직후에 상기 양극 연결 단자의 전압을 제2 전압으로 측정하는 단계, 그리고
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압에 기초해서 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계
    를 포함하는 진단 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 프리차지 동작을 진단하는 단계는
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하는 단계, 그리고
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율과 기준 비율을 비교해서 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계
    를 포함하는 진단 방법.
  13. 제11항에서,
    상기 프리차지 기간은 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수의 제1 배수로 설정되며,
    상기 프리차지 동작을 진단하는 단계는
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하는 단계,
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율에 해당하는 상기 시정수의 제2 배수를 결정하는 단계, 그리고
    상기 제1 배수와 상기 제2 배수를 비교하여 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계를 포함하는
    진단 방법.
  14. 제11항에서,
    시정수가 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되고,
    상기 프리차지 동작을 진단하는 단계는
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율을 계산하는 단계,
    상기 제1 전압에 대한 상기 제2 전압의 비율에 해당하는 시정수의 배수를 결정하는 단계,
    시정수의 배수, 상기 프리차지 기간 및 상기 프리차지 저항의 저항값에 기초해서 상기 커패시터의 커패시턴스를 추정하는 단계, 그리고
    상기 추정한 커패시턴스와 상기 커패시터의 실제 커패시턴스를 비교하여 상기 프리차지 동작을 진단하는 단계
    를 포함하는 진단 방법.
  15. 배터리 팩 및 외부 장치에 연결되는 양극 연결 단자와 음극 연결 단자를 포함하는 배터리 장치의 배터리 관리 시스템으로서,
    상기 배터리 팩의 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결되는 양극 메인 스위치,
    상기 배터리 팩의 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결되며, 상기 외부 장치의 커패시터의 프리차지 동작을 제어하는 프리차지 스위치, 그리고
    프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는
    프리차지 기간 동안 상기 프리차지 스위치를 닫아서 프리차지를 수행하고,
    상기 프리차지 기간 이후에 상기 양극 메인 스위치를 닫고,
    상기 양극 메인 스위치를 닫기 직전의 상기 양극 연결 단자의 제1 전압과 상기 양극 메인 스위치를 닫은 직후의 상기 양극 연결 단자의 제2 전압에 기초해서 프리차지 동작을 진단하는
    배터리 관리 시스템.
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