KR20240034048A - 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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주식회사 엘지에너지솔루션
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Abstract

일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리 셀의 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기, 상기 제1 비교기에 의한 비교 결과에 기초하여 상기 배터리 셀과 임피던스 산출부가 전기적으로 연결되는 경로를 제1 경로 또는 제2 경로로 설정하는 스위칭 회로, 및 상기 제1 경로를 통해 인가되는 제1 전압 또는 상기 제2 경로를 통해 인가되는 제2 전압에 기초하여 상기 배터리 셀의 임피던스를 산출하는 임피던스 산출부를 포함한다.

Description

배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법{BATTERY MANAGEMENT DEVICE AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 문서에 개시된 실시예들은 배터리 관리 장치 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등과 최근의 리튬 이온 배터리를 모두 포함하는 의미이다. 이 중에서도 리튬 이온 배터리는 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다. 리튬 이온 배터리는 소형, 경량으로 제작할 수 있어 이동 기기의 전원으로 널리 사용되며, 최근에는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)은 배터리에 주파수 별 교류 전원을 인가한 후 측정되는 임피던스 값에 기초하여 배터리의 등가회로 파라미터를 추출하는 기술로서, 배터리의 수명이나 상태를 추정하기 위해 사용된다. 그런데 약 3 내지 4.2V의 동작 전압을 갖는 일반 배터리 셀과 달리, 2.5V 이하의 동작 전압을 갖는 배터리 셀의 경우 임피던스 측정부에서 전압 측정이 어려워지기 때문에, 측정 전압을 증폭시키기 위해 별도의 전압 증폭기를 필요로 한다. 또한, 1V 이하의 동작 전압을 갖는 배터리 셀의 경우 임피던스 측정을 위한 저항부에 흐르는 전류가 1/3로 낮아지기 때문에, 전류를 증폭시키기 위해 병렬 저항이 추가된 별도의 증폭기를 필요로 한다. 이에 따라, 기존의 EIS 측정 장치는 배터리 셀의 동작 전압에 따라 일반 배터리 셀을 측정하는 회로와 저전압 배터리 셀을 측정하는 회로를 구분하여 사용해야만 했다.
본 문서에 개시된 실시예들의 일 목적은, 일반 배터리 셀과 저전압 배터리 셀 모두에 대하여 임피던스 측정이 가능한 배터리 관리 장치를 제공하는 것이다.
본 문서에 개시된 실시예들의 일 목적은, 노이즈로 인한 측정 오차를 줄일 수 있는 배터리 관리 장치를 제공하는 것이다.
본 문서에 개시된 실시예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는, 배터리 셀의 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기, 상기 제1 비교기에 의한 비교 결과에 기초하여 상기 배터리 셀과 임피던스 산출부가 전기적으로 연결되는 경로를 제1 경로 또는 제2 경로로 설정하는 스위칭 회로, 및 상기 제1 경로를 통해 인가되는 제1 전압 또는 상기 제2 경로를 통해 인가되는 제2 전압에 기초하여 상기 배터리 셀의 임피던스를 산출하는 임피던스 산출부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는, 상기 제2 경로 상에 배치된 전압 증폭기를 더 포함하고, 상기 전압 증폭기는 상기 경로가 상기 제2 경로로 설정되는 경우, 상기 배터리 셀의 상기 전압을 상기 제2 전압으로 증폭시킬 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 스위칭 회로는, 상기 제1 경로 상에 배치된 제1 스위치 및 상기 제2 경로 상에 배치된 제2 스위치를 포함하고, 상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제1 기준 전압 이상이면 상기 제1 스위치를 단락시키고 상기 제2 스위치를 개방시킴으로써, 상기 경로를 상기 제1 경로로 설정하고, 상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제1 기준 전압 미만이면 상기 제2 스위치를 개방시키고 상기 제2 스위치를 단락시킴으로써, 상기 경로를 상기 제2 경로로 설정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는, 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 제3 스위치를 더 포함하고, 상기 제3 스위치는 지정된 주기에 따라 온-오프가 교번(alternate)되어 상기 배터리 셀에 입력되는 교류 전류(alternating current, AC)를 발생시킬 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치는, 상기 배터리 셀의 상기 전압과 제2 기준 전압을 비교한 결과에 기초하여, 상기 교류 전류의 크기를 조절하는 전류 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 전류 제어부는, 가변 저항을 더 포함하고, 상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면 상기 가변 저항을 제1 저항 값으로 설정하고, 상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제2 기준 전압 미만이면 상기 가변 저항을 상기 제1 저항 값보다 작은 제2 저항 값으로 설정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 제1 비교기는, 소정의 시간 구간에서 상기 배터리 셀의 상기 전압의 변화에 기초하여 상기 제1 기준 전압을 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치에 있어서, 상기 제1 비교기는, 상기 배터리 셀의 상기 전압이 소정의 시간 구간에서 제1 지정된 수준 이상 증가한 경우 상기 제1 기준 전압을 증가시키고, 상기 배터리 셀의 상기 전압이 소정의 시간 구간에서 제2 지정된 수준 이상 감소한 경우 상기 제1 기준 전압을 감소시킬 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법은, 배터리 셀의 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 단계, 상기 배터리 셀의 전압과 상기 제1 기준 전압을 비교한 결과에 기초하여 상기 배터리 셀과 임피던스 산출부가 전기적으로 연결되는 경로를 제1 경로 또는 제2 경로로 설정하는 단계, 및 상기 제1 경로를 통해 상기 임피던스 산출부에 인가되는 제1 전압 또는 상기 제2 경로를 통해 상기 임피던스 산출부에 인가되는 제2 전압에 기초하여 상기 배터리 셀의 임피던스를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법은, 상기 경로가 상기 제2 경로로 설정되는 경우, 상기 제2 경로 상에 배치된 전압 증폭기를 통해 상기 배터리 셀의 상기 전압을 상기 제2 전압으로 증폭시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법은, 상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 제3 스위치를 지정된 주기에 따라 온-오프를 교번(alternate)하여 상기 배터리 셀에 입력되는 교류 전류(alternating current, AC)를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법은, 상기 배터리 셀의 상기 전압과 제2 기준 전압을 비교한 결과에 기초하여, 상기 교류 전류의 크기를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 교류 전류의 크기를 조절하는 단계는, 상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면 상기 교류 전류가 흐르는 경로 상에 배치된 가변 저항을 제1 저항 값으로 설정하는 단계, 및 상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제2 기준 전압 미만이면 상기 가변 저항을 상기 제1 저항 값보다 작은 제2 저항 값으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법은, 소정의 시간 구간에서 상기 배터리 셀의 상기 전압의 변화에 기초하여 상기 제1 기준 전압을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법에 있어서, 상기 제1 기준 전압을 조절하는 단계는, 상기 배터리 셀의 상기 전압이 소정의 시간 구간에서 제1 지정된 수준 이상 증가한 경우 상기 제1 기준 전압을 증가시키는 단계; 및 상기 배터리 셀의 상기 전압이 소정의 시간 구간에서 제2 지정된 수준 이상 감소한 경우 상기 제1 기준 전압을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 관리 장치에 따르면, 배터리 셀의 전압이 제1 기준 전압(예컨대, 2.5V)보다 낮은 경우, 스위칭을 통해 전압 증폭기가 포함된 경로를 통해 인가되는 전압을 이용해 임피던스를 산출할 수 있다. 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치에 따르면, 배터리 셀의 전압이 제2 기준 전압(예컨대, 1V)보다 낮은 경우, 배터리 셀에 흐르는 교류 전류의 크기를 높일 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 동작 전압에 따라 측정 장치를 구분하여 사용할 필요 없이 일반 배터리 셀과 저전압 배터리 셀 모두에 대하여 간편하게 임피던스 측정이 가능하다.
또한, 임피던스 측정 시 배터리 셀의 동작 전압이 기준 전압에 가까운 경우 노이즈로 인하여 일반 배터리 셀에 대한 동작과 저전압 배터리 셀에 대한 동작이 반복되어 측정 오차가 발생할 수 있는데, 일 실시예에 따르면 배터리 셀의 전압이 순간적으로 상승하는지 또는 하강하는지에 따라 비교 기준 전압을 조정함으로써 노이즈로 인한 측정 오차를 줄일 수 있다.
이 외에도 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
본 문서에 개시된 실시예 또는 종래 기술의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 위한 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 도면의 일부 구성요소들에 대한 표현이 과장되거나 생략될 수 있다.
도 1a는 일 실시 예에 따라 배터리 셀에 대하여 EIS를 측정하기 위한 장치 구조를 나타낸 도면이다.
도 1b는 일 실시 예에 따라 배터리 셀에 대하여 EIS를 측정하기 위한 장치 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3a는 일 실시 예에 따라 배터리 셀의 전압이 제1 전압 범위 내인 경우 구성 요소들 간의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 3b는 일 실시 예에 따라 배터리 셀의 전압이 제2 전압 범위 내인 경우 구성 요소들 간의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 3c는 일 실시 예에 따라 배터리 셀의 전압이 제3 전압 범위 내인 경우 구성 요소들 간의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 문서에 개시된 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 문서에 개시된 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 문서에 개시된 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 문서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 문서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 문서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
또한, 본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한, 본 문서에서 "제1의", "제2의"와 같은 표현은 구성요소를 서로 구분하기 위해 사용한 것으로서 구성요소 간의 순위나 서열을 의미하는 것은 아니다.
이하에서는 도면을 참조하여 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법의 바람직한 실시예들을 설명하기로 한다.
도 1a는 일 실시 예에 따라 배터리 셀에 대하여 EIS를 측정하기 위한 장치 구조를 나타낸 도면이다.
일반적인 전압 범위(예컨대, 약 3 내지 4.2 V)에서 동작하는 일반 배터리 셀(B)의 경우 특별한 부가 회로 없이 EIS 측정부를 통해 교류 임피던스를 측정할 수 있다. EIS 측정부는 배터리 셀(B)에 교류 신호를 인가한 후 출력되는 임피던스 응답을 주파수 별로 측정하여 나타낼 수 있다.
예컨대, EIS 측정부는 주파수 별 교류 신호를 생성하여 배터리 셀에 입력하는 교류 신호 생성부와, 입력된 교류 신호에 대한 배터리의 출력 신호(예컨대, 전압 값)를 수신하여 주파수 별 임피던스를 산출하는 임피던스 산출부 등으로 구성될 수 있다. 주파수 스윕에 따른 임피던스 응답으로부터 해당 배터리 셀(B)의 파라미터(예컨대, 내부 저항 등)를 획득할 수 있고, 이에 따라 배터리 셀의 퇴화도, 잔존 수명, 이상 여부 등 상태 정보를 알아낼 수 있다.
도 1b는 일 실시 예에 따라 배터리 셀에 대하여 EIS를 측정하기 위한 장치 구조를 나타낸 모식도이다.
일반 배터리 셀과 달리 제1 기준 전압(예컨대, 2.5V)보다 낮은 전압 범위에서 동작하는 저전압 배터리 셀의 경우, EIS 측정부에 인가되는 전압의 크기가 낮아지게 된다.
또한, 제2 기준 전압(예컨대, 1V)보다 낮은 전압 범위에서 동작하는 저전압 배터리 셀의 경우, EIS 측정부에 인가되는 전압의 크기가 낮아질 뿐만 아니라, EIS 측정부의 저항에 흐르는 전류의 크기가 전압의 크기에 비례하여 낮아지게 된다. 예컨대, 동일한 회로에서 3V의 동작 전압을 갖는 배터리 셀과 비교하면, 1V의 동작 전압을 갖는 저전압 배터리 셀에 의해 흐르는 전류는 1/3이 된다(옴의 법칙, V=I*R).
따라서, 일반적으로 저전압 배터리 셀에 대한 EIS 측정 회로는 도 1b의 회로 구조와 같이 낮은 전압을 증폭시키기 위한 전압 증폭기를 별도로 구비하거나 배터리 셀에 흐르는 교류 전류를 증폭시키기 위한 전류 증폭기를 별도로 구비한다. 예컨대, 전압 증폭기는 반전 증폭기를 포함할 수 있다. 전류 증폭기는 감소하는 전압의 비율만큼 전류를 증가시키기 위한 하나 이상의 병렬 저항을 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는, 제1 비교기(100), 스위칭 회로(200), 전압 증폭기(300), 임피던스 산출부(400), 제3 스위치(410), 및/또는 전류 제어부(500)를 포함할 수 있다. 어떤 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 도 2의 구성 요소들 중 적어도 하나가 생략되거나, 하나 이상의 다른 구성 요소가 추가될 수 있다.
제1 비교기(100)는 배터리 셀(B)의 전압과 제1 기준 전압을 비교하고, 그 결과를 스위칭 회로(200)에 전달하도록 구성된다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 기준 전압은 1 내지 3V 범위에서 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 기준 전압은 2.5V로 설정될 수 있다.
스위칭 회로(200)는 제1 비교기(100)에 의한 비교 결과에 기초하여 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)가 전기적으로 연결되는 경로를 제1 경로(211) 또는 제2 경로(221)로 설정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 스위칭 회로(200)는 배터리 셀(B)의 전압이 상기 제1 기준 전압 이상이면 전압 증폭기(300)가 포함되지 않은 제1 경로(211)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 스위칭 회로(200)는 배터리 셀(B)의 전압이 상기 제1 기준 전압 미만이면 전압 증폭기(300)가 포함된 제2 경로(221)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 스위칭 회로(200)는 제1 스위치(210) 및/또는 제2 스위치(220)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 스위칭 회로(200)는 배터리 셀(B)의 전압이 상기 제1 기준 전압 이상이면 제1 경로(211) 상에 배치된 제1 스위치(210)를 단락시키고, 전압 증폭기(300)가 포함된 제2 경로(221) 상에 배치된 제2 스위치(220)를 개방시켜 제1 경로(211)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 스위칭 회로(200)는 배터리 셀(B)의 전압이 상기 제1 기준 전압 미만이면 제1 경로(211) 상에 배치된 제1 스위치(210)를 개방시키고, 전압 증폭기(300)가 포함된 제2 경로(221) 상에 배치된 제2 스위치(220)를 단락시켜 제2 경로(221)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
전압 증폭기(300)는 제2 경로(221)를 통해 임피던스 산출부(400)에 인가되는 배터리 셀(B)의 전압을 증폭시킬 수 있다. 예를 들어, 전압 증폭기(300)는 반전 증폭기로 구성될 수 있다.
임피던스 산출부(400)는 지정된 경로(예: 제1 경로(211) 또는 제2 경로(221))를 통해 인가되는 전압에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 임피던스 산출부(400)는 제1 경로(211)를 통해 인가되는 제1 전압 또는 제2 경로(221)를 통해 인가되는 제2 전압에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 임피던스 산출부(400)는 제1 전압의 변화량 또는 제2 전압의 변화량에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다. 다른 일 실시 예에 따르면, 임피던스 산출부(400)는 제1 전압의 미분 값 또는 제2 전압의 미분 값에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다.
이처럼, 실시예의 배터리 관리 장치에 의하면, 배터리 셀의 전압을 제1 기준 전압과 비교하여 제1 기준 전압 이상인 동작 전압을 갖는 배터리 셀인 경우에는 전압 증폭 없이 임피던스를 측정할 수 있고, 제1 기준 전압 미만인 배터리 셀인 경우에는 회로 스위칭을 통해 전압을 증폭시킨 후에 임피던스를 측정할 수 있다.
제1 경로(211)제2 경로(221)일 실시예에 따르면, 임피던스 산출부(400)는 배터리 셀에 인가된 교류 전압 신호에 대한 교류 임피던스를 산출하는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 측정 회로 또는 이를 포함하는 장치일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 주파수 별 교류 신호를 생성하여 배터리 셀에 입력하는 교류 신호 생성부를 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)과 전기적으로 연결되는 제3 스위치(410)를 지정된 주기에 따라 온-오프를 교번(alternate)하여 배터리 셀(B) 및 제3 스위치(410)를 포함하는 제3 경로(411)를 통해 배터리 셀(B)로 흐르는 교류 전류(alternating current, AC)를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 임피던스 산출부(400)는 제3 스위치(410)가 지정된 주기에 따라 온-오프를 교번되도록 제3 스위치(410)를 제어할 수 있다.
전류 제어부(500)는 배터리 셀(B)의 전압과 제2 기준 전압을 비교한 결과에 기초하여 제3 경로(411)를 통해 배터리 셀(B)로 흐르는 교류 전류의 크기를 조절할 수 있다. 여기에서, 제2 기준 전압은 제1 기준 전압보다 낮게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 기준 전압은 1V로 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 전류 제어부(500)는 제2 비교기(510) 및/또는 가변 저항(520)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 전류 제어부(500)는 제2 비교기(510)를 통해 배터리 셀(B)의 전압과 제2 기준 전압을 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 가변 저항(520)의 저항 값을 설정할 수 있다.
전류 제어부(500)는 제2 비교기(510)를 통한 비교 결과에 기초하여 가변 저항(520)의 저항 값을 조절함으로써 제3 경로(411)를 통해 흐르는 교류 전류의 크기를 조절할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 전류 제어부(500)는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 이상이면 가변 저항(520)을 제1 저항 값으로 설정할 수 있다. 전류 제어부(500)는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 미만이면 가변 저항(520)을 제2 저항 값으로 설정할 수 있다. 여기에서, 제2 저항 값은 제1 저항 값보다 작을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 가변 저항(520)은 제4 스위치(521), 제1 저항(523), 및 제2 저항(525)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제1 저항(523) 및 제2 저항(525)은 제3 경로(411) 상에서 배터리 셀(B)과 제3 스위치(410) 사이에 서로 병렬로 연결될 수 있다. 제4 스위치(521)는 제2 저항(525)과 직렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 전류 제어부(500)는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 이상이면 제4 스위치(521)를 개방시킬 수 있다. 이 경우, 교류 전류는 제1 저항(523)을 통해서만 흐를 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 전류 제어부(500)는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 미만이면 제4 스위치(521)를 단락시킬 수 있다. 이 경우, 교류 전류는 병렬로 연결된 제1 저항(523) 및 제2 저항(525)을 통해 흐를 수 있다. 이와 같이, 전류 제어부(500)는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 미만인 경우 추가적인 병렬 저항의 연결을 통해 배터리 셀(B)에 흐르는 교류 전류의 크기를 높일 수 있다.
이하에서는, 도 3a, 도 3b, 및 도 3c를 통해 배터리 관리 장치가 배터리 셀(B)의 전압이 제1 전압 범위, 제2 전압 범위, 또는 제3 전압 범위 내인 경우 구성 요소들 간의 연결 관계에 대해 설명될 수 있다. 여기에서, 제1 전압 범위는 제1 기준 전압 이상인 범위를 의미할 수 있다. 제2 전압 범위는 제1 기준 전압보다 낮은 제2 기준 전압 이상이고 제1 기준 전압 미만인 범위를 의미할 수 있다. 제3 전압 범위는 제2 기준 전압 미만인 범위를 의미할 수 있다.
도 3a는 일 실시 예에 따라 배터리 셀의 전압이 제1 전압 범위 내인 경우 구성 요소들 간의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제1 전압 범위 내인 경우, 제1 스위치(210)를 단락시키고 제2 스위치(220)를 개방시켜 전압 증폭기(300)를 포함하지 않는 제1 경로(211)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 이상이기 때문에 제4 스위치(521)를 개방시켜 교류 전류가 제1 저항(523)을 통해 흐르도록 할 수 있다. 이 경우, 임피던스 산출부(400)는 제1 경로(211)를 통해 인가되는 제1 전압에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다.
도 3b는 일 실시 예에 따라 배터리 셀의 전압이 제2 전압 범위 내인 경우 구성 요소들 간의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 3b를 참조하면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 전압 범위 내인 경우, 제1 스위치(210)를 개방시키고 제2 스위치(220)를 단락시켜 전압 증폭기(300)를 포함하는 제2 경로(221)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 이상이기 때문에 제4 스위치(521)를 개방시켜 교류 전류가 제1 저항(523)을 통해 흐르도록 할 수 있다. 이 경우, 임피던스 산출부(400)는 제2 경로(221)를 통해 인가되는 제2 전압에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다. 제2 전압은 전압 증폭기(300)에 의해 증폭된 전압일 수 있다.
도 3c는 일 실시 예에 따라 배터리 셀의 전압이 제3 전압 범위 내인 경우 구성 요소들 간의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 3c를 참조하면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제3 전압 범위 내인 경우, 제1 스위치(210)를 개방시키고 제2 스위치(220)를 단락시켜 전압 증폭기(300)를 포함하는 제2 경로(221)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 미만이기 때문에 제4 스위치(521)를 단락시켜 교류 전류가 병렬로 연결된 제1 저항(523) 및 제2 저항(525)을 통해 흐르도록 할 수 있다. 이 경우, 임피던스 산출부(400)는 제2 경로(221)를 통해 인가되는 제2 전압에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다. 제2 전압은 전압 증폭기(300)에 의해 증폭된 전압일 수 있다.
한편, 일반적인 비교기를 이용한 임피던스 측정에 있어서, 배터리 셀 전압이 기준 전압과 큰 차이가 없는 경우 일부 문제가 발생할 수 있다. 예컨대, 도 2의 배터리 관리 장치를 이용해 배터리 셀(B)의 임피던스를 측정하는 경우, 제1 비교기(100)의 기준 전압이 2.5V이고 배터리 셀(B)의 전압이 2.5V라고 가정하면, 노이즈로 인하여 셀 전압이 순간적으로 2.51V로 상승하면 전압 증폭기(300)를 포함하지 않는 제1 경로(211)를 통해 임피던스를 산출하고, 셀 전압이 순간적으로 2.49V로 하강하면 전압 증폭기(300)를 포함하는 제2 경로(221)를 통해 임피던스를 산출하게 된다. 이처럼 배터리 셀 전압이 기준 전압과 큰 차이가 없는 경우 노이즈로 인해 회로 스위칭이 반복적으로 발생하여 측정 오차가 커질 수 있다.
상기 문제를 해결하기 위한 일 실시예의 배터리 관리 장치에 따르면, 배터리 셀(B)의 전압이 증가 상태 또는 감소 상태에 있는지에 따라 제1 비교기(100)의 기준 전압을 조정함으로써, 임피던스 산출부(400)가 더 안정적으로 동작할 수 있도록 하여 오차를 줄일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 비교기(100)는 소정의 시간 구간에서 배터리 셀(B)의 전압 변화에 기초하여 제1 기준 전압을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제1 비교기(100)는 배터리 셀(B)의 전압이 소정의 시간 구간에서 제1 지정된 수준 이상 증가하고 있다면 제1 기준 전압(예컨대, 2.5V)을 증가시키고, 배터리 셀(B)의 전압이 소정의 시간 구간에서 제2 지정된 수준 이상 감소하고 있다면 제1 기준 전압(예컨대, 2.5V)을 감소시킬 수 있다.
이 경우, 배터리 셀의 전압이 2.51V로 순간 상승하거나 2.49V로 순간 하강하더라도 전압 증폭기(300)를 포함하지 않는 제1 경로(211)를 통해 인가되는 전압에 기초하여 임피던스를 산출할 수 있다. 제2 경로(221)
일 실시 예에 따르면, 임피던스 산출부(400)는 히스테리시스(hysteresis) 특성을 갖도록 구성될 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다. 실시예의 동작 방법은 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3a, 도 3b, 및 도 3c를 참조하여 전술한 실시예에 따른 배터리 관리 장치에 의해 실행될 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며 다른 형태 또는 구조를 갖는 배터리 관리 장치에 의해 실행되는 것도 가능하다.
도 4를 참조하면, 단계(S100)에서 배터리 셀의 전압과 기준 전압을 비교한다. 일 실시예에 따르면, 상기 기준 전압은 1 내지 3V 범위에서 설정될 수 있다. 예컨대, 기준 전압이 2.5V라고 가정하면 배터리 셀의 동작 전압이 3V 이상인 일반 배터리 셀인지, 혹은 그 이하의 전압에서 동작하는 저전압 배터리 셀인지 구분할 수 있다.
단계(S100)에서, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압과 제1 기준 전압 및/또는 제2 기준 전압을 비교할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 기준 전압은 1 내지 3V 범위에서 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 기준 전압은 2.5V로 설정될 수 있다. 제2 기준 전압은 제1 기준 전압보다 낮게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 기준 전압은 1V로 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 소정의 시간 구간에서 배터리 셀(B)의 전압 변화에 기초하여 제1 기준 전압을 조절할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 소정의 시간 구간에서 제1 지정된 수준 이상 증가하고 있는 경우 제1 기준 전압을 증가시킬 수 있다. 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 소정의 시간 구간에서 제2 지정된 수준 이상 감소하고 있는 경우 제1 기준 전압을 감소시킬 수 있다.
단계(S200)에서, 배터리 관리 장치는 단계(S100)의 비교 결과에 기초하여 배터리 관리 장치 내의 전기적 연결 경로를 설정할 수 있다.제1 경로(211)제2 경로(221)
일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 단계(S100)의 비교 결과에 기초하여 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)가 전기적으로 연결되는 경로를 제1 경로(211) 또는 제2 경로(221)로 설정할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제1 기준 전압 이상이면 전압 증폭기(300)가 포함되지 않은 제1 경로(211)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 상기 제1 기준 전압 미만이면 전압 증폭기(300)가 포함된 제2 경로(221)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 상기 제1 기준 전압 이상이면 제1 경로(211) 상에 배치된 제1 스위치(210)를 단락시키고, 전압 증폭기(300)가 포함된 제2 경로(221) 상에 배치된 제2 스위치(220)를 개방시켜 제1 경로(211)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 상기 제1 기준 전압 미만이면 제1 경로(211) 상에 배치된 제1 스위치(210)를 개방시키고, 전압 증폭기(300)가 포함된 제2 경로(221) 상에 배치된 제2 스위치(220)를 단락시켜 제2 경로(221)를 통해 배터리 셀(B)과 임피던스 산출부(400)를 전기적으로 연결할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 단계(S100)의 비교 결과에 기초하여 제3 경로(411)를 통해 배터리 셀(B)로 흐르는 교류 전류의 크기를 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 이상이면 가변 저항(520)의 저항 값을 조절함으로써 제3 경로(411)를 통해 흐르는 교류 전류의 크기를 조절할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 이상이면 가변 저항(520)을 제1 저항 값으로 설정할 수 있다. 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 미만이면 가변 저항(520)을 제2 저항 값으로 설정할 수 있다. 여기에서, 제2 저항 값은 제1 저항 값보다 작을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 가변 저항(520)은 제4 스위치(521), 제1 저항(523), 및 제2 저항(525)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제1 저항(523) 및 제2 저항(525)은 제3 경로(411) 상에서 배터리 셀(B)과 제3 스위치(410) 사이에 서로 병렬로 연결될 수 있다. 제4 스위치(521)는 제2 저항(525)과 직렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 이상이면 제4 스위치(521)를 개방시킬 수 있다. 이 경우, 교류 전류는 제1 저항(523)을 통해서만 흐를 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 배터리 셀(B)의 전압이 제2 기준 전압 미만이면 제4 스위치(521)를 단락시킬 수 있다. 이 경우, 교류 전류는 병렬로 연결된 제1 저항(523) 및 제2 저항(525)을 통해 흐를 수 있다.
제1 경로(211)제2 경로(221)제1 경로(211)제2 경로(221)제2 경로(221)단계(S300)에서, 배터리 관리 장치는 임피던스 산출부(400)에 인가된 전압에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 제1 스위치(210)를 포함하는 제1 경로(211)를 통해 임피던스 산출부(400)에 인가되는 제1 전압 또는 제2 스위치(220) 및 전압 증폭기(300)를 포함하는 제2 경로(221)를 통해 임피던스 산출부(400)에 인가되는 제2 전압에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 제1 전압의 변화량 또는 제2 전압의 변화량에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다. 다른 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 제1 전압의 미분 값 또는 제2 전압의 미분 값에 기초하여 배터리 셀(B)의 임피던스를 산출할 수 있다.
제1 경로(211)제2 경로(221)제1 경로(211)제2 경로(221)상기한 실시 예에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 배터리 관리 장치에 의하면, 배터리 셀의 동작 전압에 따라 측정 장치를 구분하여 사용할 필요 없이 일반 배터리 셀과 저전압 배터리 셀 모두에 대하여 간편하게 임피던스를 측정할 수 있고, 주파수 별 교류 임피던스 응답에 따라 그려진 나이퀴스트 플롯 등을 활용하여 배터리 셀의 퇴화도, 잔존 수명, 이상 여부 등의 상태 정보를 획득할 수 있다.
이상에서, 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었으나, 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 목적 범위 안에서라면 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이상의 설명은 본 문서에 개시된 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 문서에 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 문서에 개시된 실시예들의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 문서에 개시된 실시예들은 본 문서에 개시된 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 문서에 개시된 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 문서에 개시된 기술 사상의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 문서의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 비교기
200: 스위칭 회로
210: 제1 스위치
211: 제1 경로
220: 제2 스위치
221: 제2 경로
300: 전압 증폭기
400: 임피던스 산출부
410: 제3 스위치
411: 제3 경로
500: 전류 제어부
510: 제2 비교기
520: 가변 저항
521: 제4 스위치
523: 제1 저항
525: 제2 저항
B: 배터리 셀

Claims (15)

  1. 배터리 셀의 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 제1 비교기;상기 제1 비교기에 의한 비교 결과에 기초하여 상기 배터리 셀과 임피던스 산출부가 전기적으로 연결되는 경로를 제1 경로 또는 제2 경로로 설정하는 스위칭 회로; 및
    상기 제1 경로를 통해 인가되는 제1 전압 또는 상기 제2 경로를 통해 인가되는 제2 전압에 기초하여 상기 배터리 셀의 임피던스를 산출하는 임피던스 산출부를 포함하는, 배터리 관리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 경로 상에 배치된 전압 증폭기를 더 포함하고,
    상기 전압 증폭기는 상기 경로가 상기 제2 경로로 설정되는 경우, 상기 배터리 셀의 상기 전압을 상기 제2 전압으로 증폭시키는, 배터리 관리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 회로는,
    상기 제1 경로 상에 배치된 제1 스위치 및 상기 제2 경로 상에 배치된 제2 스위치를 포함하고,
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제1 기준 전압 이상이면 상기 제1 스위치를 단락시키고 상기 제2 스위치를 개방시킴으로써, 상기 경로를 상기 제1 경로로 설정하고,
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제1 기준 전압 미만이면 상기 제2 스위치를 개방시키고 상기 제2 스위치를 단락시킴으로써, 상기 경로를 상기 제2 경로로 설정하는, 배터리 관리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 제3 스위치를 더 포함하고,
    상기 제3 스위치는 지정된 주기에 따라 온-오프가 교번(alternate)되어 상기 배터리 셀에 입력되는 교류 전류(alternating current, AC)를 발생시키는, 배터리 관리 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 배터리 셀의 상기 전압과 제2 기준 전압을 비교한 결과에 기초하여, 상기 교류 전류의 크기를 조절하는 전류 제어부를 포함하는, 배터리 관리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류 제어부는, 가변 저항을 더 포함하고,
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면 상기 가변 저항을 제1 저항 값으로 설정하고,
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제2 기준 전압 미만이면 상기 가변 저항을 상기 제1 저항 값보다 작은 제2 저항 값으로 설정하는, 배터리 관리 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 비교기는, 소정의 시간 구간에서 상기 배터리 셀의 상기 전압의 변화에 기초하여 상기 제1 기준 전압을 조절하는, 배터리 관리 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 비교기는,
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 소정의 시간 구간에서 제1 지정된 수준 이상 증가한 경우 상기 제1 기준 전압을 증가시키고,
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 소정의 시간 구간에서 제2 지정된 수준 이상 감소한 경우 상기 제1 기준 전압을 감소시키는, 배터리 관리 장치.
  9. 배터리 셀의 전압과 제1 기준 전압을 비교하는 단계;
    상기 배터리 셀의 전압과 상기 제1 기준 전압을 비교한 결과에 기초하여 상기 배터리 셀과 임피던스 산출부가 전기적으로 연결되는 경로를 제1 경로 또는 제2 경로로 설정하는 단계; 및
    상기 제1 경로를 통해 상기 임피던스 산출부에 인가되는 제1 전압 또는 상기 제2 경로를 통해 상기 임피던스 산출부에 인가되는 제2 전압에 기초하여상기 배터리 셀의 임피던스를 산출하는 단계를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 경로가 상기 제2 경로로 설정되는 경우, 상기 제2 경로 상에 배치된 전압 증폭기를 통해 상기 배터리 셀의 상기 전압을 상기 제2 전압으로 증폭시키는 단계를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 제3 스위치를 지정된 주기에 따라 온-오프를 교번(alternate)하여 상기 배터리 셀에 입력되는 교류 전류(alternating current, AC)를 발생시키는 단계를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 배터리 셀의 상기 전압과 제2 기준 전압을 비교한 결과에 기초하여, 상기 교류 전류의 크기를 조절하는 단계를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 교류 전류의 크기를 조절하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제2 기준 전압 이상이면 상기 교류 전류가 흐르는 경로 상에 배치된 가변 저항을 제1 저항 값으로 설정하는 단계, 및
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 상기 제2 기준 전압 미만이면 상기 가변 저항을 상기 제1 저항 값보다 작은 제2 저항 값으로 설정하는 단계를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    소정의 시간 구간에서 상기 배터리 셀의 상기 전압의 변화에 기초하여 상기 제1 기준 전압을 조절하는 단계를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 기준 전압을 조절하는 단계는,
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 소정의 시간 구간에서 제1 지정된 수준 이상 증가한 경우 상기 제1 기준 전압을 증가시키는 단계; 및
    상기 배터리 셀의 상기 전압이 소정의 시간 구간에서 제2 지정된 수준 이상 감소한 경우 상기 제1 기준 전압을 감소시키는 단계를 포함하는, 배터리 관리 장치의 동작 방법.
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