WO2023075164A1 - 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 기간 설정 방법 - Google Patents

배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 기간 설정 방법 Download PDF

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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the disclosure relates to a battery device, a battery management system, and a method for setting a precharge period.
  • An electric vehicle or hybrid vehicle is a vehicle that obtains power by driving a motor using a battery as a power source, and research is being actively conducted in that it is an alternative to solving the pollution and energy problems of internal combustion vehicles.
  • rechargeable batteries are used in various external devices other than vehicles.
  • a battery pack having a plurality of battery cells connected in series or parallel has been used as a battery having high output and large charge capacity is required.
  • output and capacity increase, the potential risk of battery packs increases.
  • an overcurrent flows in the battery pack and it is not diagnosed, a problem may occur in an external device due to the overcurrent.
  • a pre-charge circuit is used to prevent a rush current generated in the initial stage of driving among these overcurrents.
  • the precharge circuit may prevent an inrush current by first charging a capacitor connected to an inverter of an external device through a precharge resistor at the beginning of driving. However, if the time for precharging the capacitor is not sufficient, the main switch may be closed in a state where the voltage is not sufficiently charged in the capacitor. In this case, the main switch may be damaged due to a difference between the voltage of the battery pack and the voltage of the capacitor.
  • Certain embodiments may provide a battery device capable of minimizing damage to a main switch, a battery management system, and a method for setting a precharge period.
  • a battery device having a positive connection terminal and a negative connection terminal connected to an external device may be provided.
  • the battery device may include a battery pack, a positive main switch, a precharge switch, and a processor.
  • the positive main switch may be connected between the positive terminal of the battery pack and the positive connection terminal.
  • the pre-charge switch is connected between the positive terminal of the battery pack and the positive connection terminal, and can control a pre-charge operation of the capacitor of the external device.
  • the processor may estimate a target time of a precharge period in each of a plurality of cycles, and set a time of a precharge period in a cycle next to the plurality of cycles based on the estimated target time in each of the plurality of cycles. .
  • the processor may set a maximum value among the target times each estimated in the plurality of cycles as the time of the precharge period in the next cycle.
  • the processor in each cycle, performs precharging by closing the precharge switch during the precharge period, closes the positive main switch after the precharge period, and immediately before closing the positive main switch.
  • the target time may be estimated based on the first voltage of the positive connection terminal of and the second voltage of the positive connection terminal immediately after closing the positive main switch.
  • the battery device may further include a precharge resistor connected between the positive terminal and the positive connection terminal when the precharge switch is closed.
  • the precharge switch and the precharge resistor may be connected in series.
  • the processor estimates a time constant defined by a resistance value of the precharge resistor and a capacitance of the capacitor based on the first voltage and the second voltage, and calculates a predetermined multiple of the time constant as the The target time can be estimated.
  • the predetermined multiple may be five.
  • the processor determines the pre-charge period of the cycle based on the time taken for the voltage of the positive connection terminal to reach a predetermined voltage in the pre-charge period. time can be set.
  • the predetermined voltage may be a voltage corresponding to a predetermined ratio of the voltage of the battery pack.
  • the predetermined ratio may be determined based on a predetermined multiple of a time constant defined by a resistance value of the precharge resistor and a capacitance of the capacitor.
  • the processor estimates the time constant based on the time taken for the voltage of the positive connection terminal to reach a predetermined voltage in the pre-charge period; A predetermined multiple of the time constant may be set as the time of the pre-charge period of the corresponding cycle.
  • the predetermined multiple may be six.
  • a method for setting a precharge period of a battery device including a positive connection terminal and a negative connection terminal connected to a battery pack and an external device may be provided.
  • the method for setting a pre-charge period may include performing a pre-charge operation of pre-charging a capacitor connected to the positive connection terminal and the negative connection terminal through a pre-charge resistor in a pre-charge period of each of a plurality of cycles; estimating a target time of the precharge period in each of the plurality of cycles, and setting a time of a precharge period in a cycle next to the plurality of cycles based on the target times respectively estimated in the plurality of cycles.
  • setting the time of the precharge period may include setting a maximum value among the target times each estimated in the plurality of cycles as the time of the precharge period in the next cycle.
  • estimating the target time may include applying the voltage of the battery pack to the positive connection terminal after performing the precharge operation, and connecting the positive electrode immediately before applying the voltage of the battery pack. Measuring the voltage of the terminal as a first voltage, measuring the voltage of the positive connection terminal as a second voltage immediately after applying the voltage of the battery pack, and based on the first voltage and the second voltage Estimating the target time may be included.
  • estimating the target time based on the first voltage and the second voltage may include a resistance value of the precharge resistor and a capacitance of the capacitor based on the first voltage and the second voltage. It may include estimating a time constant defined by , and estimating a predetermined multiple of the time constant as the target time.
  • the method for setting the pre-charge period may include, in the pre-charge period of a cycle in which the time of the pre-charge period is not set, based on the time taken for the voltage of the positive connection terminal to reach a predetermined voltage, the corresponding cycle
  • the pre-charge period setting method further comprising setting a time of the pre-charge period of the pre-charge period.
  • a battery management system of a battery device including a positive connection terminal and a negative connection terminal connected to a battery pack and an external device
  • the battery management system may include a positive main switch, a precharge switch, and a processor.
  • the positive main switch may be connected between the positive terminal of the battery pack and the positive connection terminal.
  • the pre-charge switch is connected between the positive terminal of the battery pack and the positive connection terminal, and can control a pre-charge operation of the capacitor of the external device.
  • the processor may estimate a target time of a precharge period in each of a plurality of cycles, and set a time of a precharge period in a cycle next to the plurality of cycles based on the estimated target time in each of the plurality of cycles. .
  • a precharge period capable of minimizing damage to the main switch may be set.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating switching timing in a battery device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a method for setting a pre-charge period in a battery device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an equivalent circuit in a pre-charging period in a battery device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a voltage of a positive connection terminal in a battery device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a voltage ratio according to a multiple of a time constant.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a method of setting an initial value of a precharge time in a battery device according to another embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 is a diagram illustrating switching timing in the battery device according to an exemplary embodiment.
  • the battery device 100 has a structure that can be electrically connected to an external device 10 through a positive connection terminal DC(+) and a negative connection terminal DC(-).
  • the battery device 100 operates as a power supply supplying power to the load and is discharged.
  • the external device 10 operating as a load may be, for example, an electronic device, a vehicle, or an energy storage system (ESS), and the vehicle may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a smart mobility vehicle. ) can be.
  • ESS energy storage system
  • the battery device 100 includes a battery pack 110 , a switch circuit, a precharge circuit, a sensing circuit 140 and a processor 150 .
  • the battery pack 110 includes a plurality of battery cells (not shown) and has a positive terminal PV(+) and a negative terminal PV(-).
  • the battery cell may be a rechargeable secondary battery.
  • a predetermined number of battery cells are serially connected in the battery pack 110 to form a battery module and supply desired power.
  • a predetermined number of battery modules may be connected in series or parallel in the battery pack 110 to supply desired power.
  • the switch circuit includes a positive main switch 121 and a battery pack 110 connected between the positive terminal (PV(+)) of the battery pack 110 and the positive connection terminal (DC(+)) of the battery device 100. and a negative main switch 122 connected between the negative terminal (PV(-)) of the battery device 100 and the negative connection terminal (DC(-)).
  • switches 121 and 122 may each be a contactor formed as a relay.
  • switches 121 and 122 may each be an electrical switch such as a transistor.
  • the switch circuit may further include a driving circuit (not shown) that controls the switches 121 and 122 respectively.
  • the precharge circuit is connected between the positive terminal (PV(+)) of the battery pack 110 and the positive connection terminal (DC(+)) of the battery device 100, and the connection terminal (DC(+)) during the precharge period. ), the capacitor 11 of the external device 10 connected to DC (-)) may be charged first.
  • the precharge circuit may include a precharge resistor 131 and a precharge switch 132 . When the precharge switch 132 is closed, the precharge resistor 131 may be connected between the positive terminal (PV(+)) of the battery pack 110 and the positive connection terminal (DC(+)) of the battery device 100. there is. Accordingly, the precharge circuit may first charge the capacitor 11 of the external device 10 through the precharge resistor 131 .
  • the precharge resistor 131 and the precharge switch 132 are connected between the positive terminal (PV(+)) of the battery pack 110 and the positive connection terminal (DC(+)) of the battery device 100. can be connected in series.
  • the precharge switch 132 may be a contactor formed as a relay.
  • the precharge switch 132 may be an electrical switch such as a transistor.
  • the precharge circuit may further include a driving circuit (not shown) that controls the precharge switch 132 .
  • the sensing circuit 140 detects a voltage of a predetermined point in the battery device 100 .
  • the detection circuit 140 may detect the voltage of the positive connection terminal (DC(+)) of the battery device 100 .
  • the sensing circuit 140 may include a plurality of resistors (not shown) connected in series between the positive connection terminal DC(+) and the ground terminal. In this case, the sensing circuit 140 may sense a voltage obtained by dividing the voltage of the positive connection terminal DC(+) by a plurality of resistors as the voltage of the positive connection terminal DC(+).
  • the sensing circuit 140 may further include an analog-to-digital converter that converts the voltage divided by the plurality of resistors into a digital signal and transmits the converted digital signal to the processor 150 .
  • the processor 150 may control the operation of the switches 121, 122, and 132. Also, the processor 150 may set the pre-charge period based on the voltage sensed by the sensing circuit 140 . In some embodiments, the processor 150 may diagnose the capacitance of the capacitor 11 based on the voltage sensed by the sensing circuit 140. In some embodiments, the processor 150 may, for example, a microcontroller ( It may be a micro controller unit (MCU).
  • MCU micro controller unit
  • the sensing circuit 140 and the processor 150 may be included in a battery management system (BMS) of a battery device.
  • BMS battery management system
  • the processor 150 when the battery device is initially driven, the processor 150 first closes the negative main switch 122 . Next, the processor 150 closes the precharge switch 132 while the negative main switch 122 is closed. Accordingly, a precharge current is supplied from the battery pack 110 to the capacitor 11 of the external device 10 through the precharge resistor 131 so that the capacitor 11 can be charged. A period in which the capacitor 11 is charged by closing the precharge switch 132 may be referred to as a precharge period.
  • the processor 150 closes the positive main switch 121 to transfer the voltage of the battery pack 110 to the external device 10.
  • the processor 150 may open the precharge switch 132. Accordingly, when the voltage of the battery pack 110 is supplied to the external device 10 by the voltage charged in the capacitor 11 of the external device 10 , inrush current may be prevented from being generated. Closing of the switch may be referred to as switch on, and opening of the switch may be referred to as switch off.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a method for setting a pre-charge period in a battery device according to an embodiment
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an equivalent circuit in a pre-charge period in a battery device according to an embodiment.
  • . 5 is a diagram showing an example of voltages of positive connection terminals in a battery device according to an embodiment
  • FIG. 6 is a diagram showing voltage ratios according to multiples of time constants.
  • the processor of the battery device closes the negative main switch (eg, 122 in FIG. 1 ) (S310 ), and then closes the precharge switch (eg, 122 in FIG. 1 ). 132 of) is closed (S320). Accordingly, the pre-charge period may start and the capacitor of the external device (eg, 11 in FIG. 1 ) may be charged.
  • the processor 150 After performing the precharge operation (eg, when the precharge period ends), the processor 150 closes the positive main switch (eg, 121 of FIG. 1 ) (S340). The processor 150 may close the positive main switch 121 to apply the voltage of the battery pack 110 to the positive connection terminal DC(+). Immediately before closing the positive main switch 121 (eg, just before applying the voltage of the battery pack 110 to the positive connection terminal DC(+)), the processor 150 detects the circuit (eg, , The voltage of the positive connection terminal (eg, DC (+)) of the battery device detected by 140 in FIG. 1 is measured (S330).
  • the voltage of the positive connection terminal (eg, DC (+)) of the battery device detected by 140 in FIG. 1 is measured (S330).
  • the processor 150 immediately after closing the positive main switch 121 (for example, immediately after applying the voltage of the battery pack 110 to the positive connection terminal DC(+)), the processor 150 detects the circuit 140 ) measures the voltage of the positive connection terminal (DC (+)) of the detected battery device (S350). In some embodiments, the processor 150 may open the precharge switch 132 after closing the positive main switch 121 (S340).
  • the processor 150 measures the voltage of the positive connection terminal (DC(+)) of the battery device measured immediately before closing the positive main switch 121 and the positive connection terminal of the battery device measured immediately after closing the positive main switch 121. Based on the voltage of (DC(+)), a target time of the pre-charge period (hereinafter referred to as "target pre-charge time") is estimated (S360). In some embodiments, the processor 150 may store the estimated target precharge time as a target precharge time in the current cycle.
  • the processor 150 sets the pre-charge period time (hereinafter referred to as "pre-charge time") in the next cycle based on the target pre-charge time (S370 and S380).
  • the pre-charge time in the next cycle may be set based on the target pre-charge time in a plurality of cycles.
  • the processor 150 may determine whether each target precharge time in a predetermined number of cycles has been estimated (S370). If the target precharge time in the predetermined number of cycles is not estimated (S370), the processor 150 may repeat the process from S310 when the next cycle starts.
  • the processor 150 may set the precharge time in the next cycle based on the estimated target precharge time in the predetermined number of cycles (S380). ). In some embodiments, the processor 150 may set a maximum value among target precharge times estimated in a predetermined number of cycles as a precharge time in the next cycle (S380). In some embodiments, the predetermined number of times may be 5 times.
  • an RC equivalent circuit formed by the battery pack 110 , the precharge resistor 131 and the capacitor 11 may be formed. Then, the voltage of the capacitor 11, that is, the voltage (V DC ) of the positive connection terminal (DC(+)) increases as shown in FIG. 5 based on the time constant ( ⁇ ) of the RC equivalent circuit 410.
  • the voltage (V DC ) of the capacitor 11 may be changed as in Equation 1, for example.
  • Equation 1 the time constant ( ⁇ ) is defined as the product of the resistance value (R P ) of the precharge resistor 131 and the capacitance (C EX ) of the capacitor 11 .
  • the voltage of the positive connection terminal DC(+) is changed to the voltage V BAT of the battery pack 110 .
  • the voltage of the positive connection terminal (DC(+)) measured immediately after closing the positive main switch 121 corresponds to the voltage (V BAT ) of the battery pack 110 . Therefore, the processor 150 calculates the voltage (V DC ) of the positive connection terminal (DC(+)) just before closing the positive main switch 121 (the voltage of the capacitor 11 at the end of the pre-charge period) and the positive main
  • the time constant may be estimated based on the voltage V BAT (voltage of the battery pack 110 ) of the positive connection terminal DC(+) immediately after the switch 121 is closed.
  • V DC is the voltage of the positive connection terminal (DC (+)) immediately before closing the positive main switch 121
  • V BAT is the voltage of the positive connection terminal immediately after closing the positive main switch 121.
  • the processor 150 may set a target precharge time based on the time constant ⁇ .
  • the processor 150 may set n times the time constant as the target precharge time (n being a positive real number).
  • the voltage (V DC ) of the capacitor 11 at one time constant ( ⁇ ) is 63 times the voltage (V BAT ) of the battery pack 110.
  • the voltage (V DC ) of the capacitor 11 at twice the time constant (2 ⁇ ) corresponds to 86% of the voltage (V BAT ) of the battery pack 110, and is three times the time constant (
  • the voltage (V DC ) of the capacitor 11 at 3 ⁇ ) corresponds to 95% of the voltage (V BAT ) of the battery pack 110
  • the voltage (V DC ) of the capacitor 11 at 4 times the time constant (4 ⁇ ) V DC ) corresponds to 98% of the voltage (V BAT ) of the battery pack 110
  • the voltage (V DC ) of the capacitor 11 at 5 times the time constant (5 ⁇ ) is the voltage of the battery pack 110. This corresponds to 99% of (V BAT ).
  • the processor 150 sets 5 times (5 ⁇ ) of the time constant at which the voltage (V DC ) of the capacitor 11 is 99% of the voltage (V BAT ) of the battery pack 110 as the target precharge time. can be set When 5 times the time constant (5 ⁇ ) is set as the target precharge time, the voltage (V DC ) of the positive connection terminal (DC(+)) reaches 99% of the voltage (V BAT ) of the battery pack 110 Since the positive main switch 121 is closed when doing so, damage to the positive main switch 121 can be minimized.
  • the time during which damage to the positive main switch 121 can be minimized may be selected in consideration of the measurement deviation in the plurality of cycles.
  • an accurate pre-charge time can be set by setting the pre-charge time based on the target pre-charge time estimated in a predetermined number of cycles.
  • the precharge time may be adaptively set.
  • the difference between the two voltage measurement points can be minimized. That is, since two voltage measurements are performed in substantially the same environment, an error of a device related to voltage measurement is minimized, and thus a time constant can be accurately estimated.
  • the processor 150 may set the pre-charge time in the next cycle based on the estimated target pre-charge time in each cycle of a predetermined number of cycles. Accordingly, the precharge time in the current cycle may be set based on each estimated target precharge time in a predetermined number of previous cycles. For example, the precharge time in the i-th cycle may be set based on the estimated target pre-charge times in the (i-5)th to (i-1)th cycles, respectively. Meanwhile, there may be a case where the target precharge time in the previous cycle of a predetermined number of times required to set the precharge time in the current cycle is not stored. For example, since the previous cycle has not been performed in the first cycle, the target precharge time in the previous cycle may not exist. Also, since the predetermined number of previous cycles are not performed even in the second to fifth cycles, the target precharge time in the predetermined number of previous cycles may not exist. In this case, the precharge time in the current cycle may not be set.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a method of setting an initial value of a precharge time in a battery device according to another embodiment.
  • the processor of the battery device closes the negative main switch (for example, 122 in FIG. 1 ) (S710), and closes the precharge switch (for example, FIG. 1 ). 132) is closed (S720). Accordingly, the pre-charge period may start and the capacitor of the external device (eg, 11 in FIG. 1 ) may be charged.
  • the processor 150 may start a timer when the pre-charge period starts to measure the elapsed time of the pre-charge period. For example, the processor 150 may start a timer from the point at which the precharge switch 132 is closed.
  • the processor 150 determines whether a pre-charge time in the current cycle is set (S730). In some embodiments, the processor 150 may determine whether the pre-charge time in the current cycle is set based on the target pre-charge time in previous cycles of a predetermined number of times (S730). In some embodiments, the processor 150 may compare the number of previous cycles in which the target precharge time is estimated with a predetermined number of times (S730).
  • the processor 150 connects the positive electrode of the battery device (eg, DC (+ )) monitors the voltage (V DC ) (S740). While monitoring the voltage (V DC ) of the positive connection terminal (DC(+)), the processor 150 compares the voltage of the positive connection terminal (DC(+)) with a predetermined voltage (S750).
  • the predetermined voltage is a voltage determined based on the voltage (V BAT ) of the battery pack (eg, 110 of FIG. 1 ).
  • the sensing circuit 140 detects the voltage of the positive terminal (PV(+)) of the battery pack 110 so that the processor 150 measures the voltage (V -BAT ) of the battery pack 110.
  • the predetermined voltage may be set based on the voltage (V BAT ) of the battery pack 110 and m times the time constant (m is a positive real number).
  • the ratio of the predetermined voltage to the voltage (V BAT ) of the battery pack 110 is the battery pack 110 after a precharge time corresponding to m times the time constant in the equivalent circuit shown in FIG. 4 has elapsed.
  • a predetermined voltage may be set to be a ratio of the voltage of the capacitor 11 to the voltage (V BAT ) of ).
  • the predetermined voltage may be set to 86% of the voltage (V BAT ) of the battery pack 110, that is, 0.86V BAT ⁇ based on twice the time constant.
  • the processor 150 determines the current current based on the time taken for the voltage of the positive connection terminal DC(+) to reach the predetermined voltage.
  • a pre-charge time (initial pre-charge time) in a cycle is set (S760).
  • the processor 150 determines the initial precharge time based on the time taken for the voltage (V BAT ) of the battery pack 110 to reach the predetermined voltage and m times the time constant used to set the predetermined voltage. It can be set (S760).
  • the processor 150 may set as the initial precharge time k times the time taken for the voltage V BAT of the battery pack 110 to reach a predetermined voltage (k is a positive real number).
  • the initial precharge time may be set to (k*m) times the time constant.
  • the processor 150 closes the positive main switch 121 (S770). If the pre-charge time has already been set (S730), after the set pre-charge time elapses from the time the pre-charge period starts, the processor 150 closes the positive main switch 121 (S770). Accordingly, the precharge period ends. In some embodiments, the processor 150 may open the precharge switch 132 after closing the positive main switch 121 (S770).
  • the processor 150 measures the voltage of the positive connection terminal (DC (+)) of the battery device immediately before closing the positive main switch 121 as described with reference to FIG. 3, and the positive main switch ( 121), the voltage of the positive connection terminal (DC(+)) of the battery device may be measured.
  • the processor 150 measures the voltage of the positive connection terminal (DC(+)) of the battery device measured immediately before closing the positive main switch 121 and the positive connection terminal of the battery device measured immediately after closing the positive main switch 121.
  • a target precharge time in the current cycle can be estimated based on the voltage of (DC(+)).
  • the initial precharge time may be set.

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Abstract

본 발명은 외부 장치에 연결되는 양극 연결 단자와 음극 연결 단자를 가지는 배터리 장치로서, 배터리 팩, 배터리 팩의 양극 단자와 양극 연결 단자 사이에 연결되는 양극 메인 스위치, 배터리 팩의 양극 단자와 양극 연결 단자 사이에 연결되며, 외부 장치의 커패시터의 프리차지 동작을 제어하는 프리차지 스위치, 그리고 복수의 사이클 각각에서 프리차지 기간의 목표 시간을 추정하고, 복수의 사이클에서 각각 추정된 목표 시간에 기초해서 복수의 사이클의 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간을 설정하는 프로세서를 포함하는 배터리 장치에 관한 것이다.

Description

배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 기간 설정 방법
관련 출원과의 상호 인용
본 출원은 2021년 11월 1일자 대한민국 특허출원 제10-2021-0147896호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 대한민국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
개시 내용은 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 기간 설정 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.
어떤 실시예는 메인 스위치의 손상을 최소화할 수 있는 배터리 장치, 배터리 관리 시스템 및 프리차지 기간 설정 방법을 제공할 수 있다.
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, 프라차지 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 복수의 사이클 각각에서 프리차지 기간의 목표 시간을 추정하고, 상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간에 기초해서 상기 복수의 사이클의 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간을 설정할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간 중 최대값을 상기 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간으로 설정할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프로세서는, 각 사이클에서, 상기 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 상기 목표 시간을 추정할 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 전압과 상기 제2 전압에 기초해서 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수를 추정하고, 상기 시정수의 소정 배수를 상기 목표 시간으로 추정할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 소정 배수는 5일 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 기간의 시간이 설정되어 있지 않은 사이클에서, 상기 프로세서는 프리차지 기간에서 상기 양극 연결 단자의 전압이 소정 전압에 도달하는데 걸린 시간에 기초해서 해당 사이클의 상기 프리차지 기간의 시간을 설정할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 소정 전압은 상기 배터리 팩의 전압의 소정 비율에 해당하는 전압일 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 소정 비율은 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수의 소정 배수에 기초해서 결정될 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 기간의 시간이 설정되지 않은 사이클에서, 상기 프로세서는 상기 프리차지 기간에서 상기 양극 연결 단자의 전압이 소정 전압에 도달하는데 걸린 시간에 기초해서 상기 시정수를 추정하고, 상기 시정수의 소정 배수를 해당 사이클의 상기 프리차지 기간의 시간으로 설정할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 소정 배수는 6일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 배터리 팩 및 외부 장치에 연결되는 양극 연결 단자와 음극 연결 단자를 포함하는 배터리 장치의 프리차지 기간 설정 방법이 제공될 수 있다. 상기 프리차지 기간 설정 방법은, 복수의 사이클 각각의 프리차지 기간에서 프리차지 저항을 통해 상기 양극 연결 단자와 상기 음극 연결 단자에 연결되는 커패시터를 프리차지하는 프리차지 동작을 수행하는 단계, 상기 복수의 사이클 각각에서 상기 프리차지 기간의 목표 시간을 추정하는 단계, 그리고 상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간에 기초해서 상기 복수의 사이클의 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 기간의 시간을 설정하는 단계는 상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간 중 최대값을 상기 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 목표 시간을 추정하는 단계는, 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 목표 시간을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압에 기초해서 상기 목표 시간을 추정하는 단계는, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압에 기초해서 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수를 추정하는 단계, 그리고 상기 시정수의 소정 배수를 상기 목표 시간으로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 프리차지 기간 설정 방법은, 프리차지 기간의 시간이 설정되어 있지 않은 사이클의 상기 프리차지 기간에서, 상기 양극 연결 단자의 전압이 소정 전압에 도달하는데 걸린 시간에 기초해서 해당 사이클의 상기 프리차지 기간의 시간을 설정하는 단계를 더 포함하는 프리차지 기간 설정 방법.
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, 프라차지 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 복수의 사이클 각각에서 프리차지 기간의 목표 시간을 추정하고, 상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간에 기초해서 상기 복수의 사이클의 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간을 설정할 수 있다.
어떤 실시예에 따르면, 메인 스위치의 손상을 최소화할 수 있는 프리차지 기간을 설정할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 한 실시예에 따른 배터리 장치에서의 스위칭 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 배터리 장치에서의 프리차지 기간 설정 방법의 한 예를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 기간에서의 등가 회로의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 양극 연결 단자의 전압의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 시정수의 배수에 따른 전압 비율을 나타내는 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 시간의 초기값을 설정하는 방법의 한 예를 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 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이며, 도 2는 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 기간을 설정할 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, 다양한 실시예에 따른 프리차지 기간 설정 방법에 대해서 도 3 내지 도 6을 참고로 하여 설명한다.
도 3은 한 실시예에 따른 배터리 장치에서의 프리차지 기간 설정 방법의 한 예를 나타내는 흐름도이며, 도 4는 한 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 기간에서의 등가 회로의 한 예를 나타내는 도면이다. 도 5는 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 기간의 목표 시간(앞으로 "목표 프리차지 시간"이라 한다)을 추정한다(S360). 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 추정한 목표 프리차지 시간을 현재 사이클에서의 목표 프리차지 시간으로 저장할 수 있다.
프로세서(150)는 목표 프리차지 시간에 기초해서 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간(앞으로 "프리차지 시간"이라 한다)을 설정한다(S370, S380). 어떤 실시예에서, 복수의 사이클에서의 목표 프리차지 시간에 기초해서 다음 사이클에서의 프리차지 시간을 설정할 수 있다. 이를 위해, 프로세서(150)는 소정 횟수의 사이클에서의 목표 프리차지 시간이 각각 추정되었는지를 판단할 수 있다(S370). 소정 횟수의 사이클에서의 목표 프리차지 시간이 추정되지 않은 경우(S370), 프로세서(150)는 다음 사이클이 시작될 때 S310부터의 과정을 반복할 수 있다. 소정 횟수의 사이클에서의 목표 프리차지 시간이 추정된 경우(S370), 프로세서(150)는 소정 횟수의 사이클에서 추정된 목표 프리차지 시간에 기초해서 다음 사이클에서의 프리차지 시간을 설정할 수 있다(S380). 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 소정 횟수의 사이클에서 추정된 목표 프리차지 시간 중에서 최대값을 다음 사이클에서의 프리차지 시간으로 설정할 수 있다(S380). 어떤 실시예에서, 소정 횟수는 5회일 수 있다.
한편, 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 회로(410)의 시정수(τ)에 기초해서 도 5에 도시한 것처럼 증가한다. 커패시터(11)의 전압(VDC)은 예를 들면 수학식 1처럼 변할 수 있다.
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수학식 1에서, 시정수(τ)는 프리차지 저항(131)의 저항값(RP)과 커패시터(11)의 커패시턴스(CEX)의 곱으로 정의된다.
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)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.
따라서, 프로세서(150)는 시정수(τ)에 기초해서 목표 프리차지 시간을 설정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 시정수의 n배를 목표 프리차지 시간으로 설정할 수 있다(n은 양의 실수). 도 6에 도시한 것처럼, 도 4에 도시한 등가 회로에서, 시정수의 1배(τ)에서의 커패시터(11)의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 63%에 해당하고, 시정수의 2배(2τ)에서의 커패시터(11)의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 86%에 해당하고, 시정수의 3배(3τ)에서의 커패시터(11)의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 95%에 해당하고, 시정수의 4배(4τ)에서의 커패시터(11)의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 98%에 해당하고, 시정수의 5배(5τ)에서의 커패시터(11)의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 99%에 해당한다. 예를 들면, 프로세서(150)는 커패시터(11)의 전압(VDC)은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 99%가 되는 시정수의 5배(5τ)를 목표 프리차지 시간으로 설정할 수 있다. 시정수의 5배(5τ)를 목표 프리차지 시간으로 설정하는 경우, 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)이 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 99%에 도달할 때 양극 메인 스위치(121)가 닫히므로, 양극 메인 스위치(121)의 손상이 최소화될 수 있다. 또한, 어떤 실시예에서, 복수의 사이클의 목표 프리차지 시간 중 최대값이 선택되는 경우, 복수의 사이클에서의 측정 편차를 고려해서 양극 메인 스위치(121)의 손상이 최소화될 수 있는 시간이 선택될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따르면, 소정 횟수의 사이클에서 추정한 목표 프리차지 시간에 기초해서 프리차지 시간으로 설정함으로써, 정확한 프리차지 시간을 설정할 수 있다. 이 경우, 커패시터의 커패시턴스가 변하더라도 프리차지 시간이 적응적으로 설정될 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 시정수가 정확하게 추정될 수 있다.
앞서 설명한 것처럼, 프로세서(150)는 소정 횟수의 사이클에서 각각 추정된 목표 프리차지 시간에 기초해서 다음 사이클에서 프리차지 시간을 설정할 수 있다. 따라서, 현재 사이클에서의 프리차지 시간은 소정 횟수의 이전 사이클에서 각각 추정된 목표 프리차지 시간에 기초해서 설정될 수 있다. 예를 들면, i번째 사이클에서의 프리차지 시간은 (i-5)번째부터 (i-1)번째 사이클에서 각각 추정된 목표 프리차지 시간에 기초해서 설정될 수 있다. 한편, 현재 사이클에서의 프리차지 시간의 설정하는데 필요한 소정 횟수의 이전 사이클에서의 목표 프리차지 시간이 저장되지 않은 경우가 존재할 수 있다. 예를 들면, 최초 사이클에서는 이전 사이클이 수행되지 않았으므로, 이전 사이클에서의 목표 프리차지 시간이 존재하지 않을 수 있다. 또한, 두 번째부터 다섯 번째 사이클에서도 소정 횟수의 이전 사이클이 수행되지 않았으므로, 소정 횟수의 이전 사이클에서의 목표 프리차지 시간이 존재하지 않을 수 있다. 이 경우, 현재 사이클에서의 프리차지 시간이 설정되지 않을 수 있다.
아래에서는 현재 사이클에서의 프리차지 시간이 설정되지 않은 경우, 프리차지 시간을 설정하는 실시예에 대해서 도 7을 참고로 하여 설명한다.
도 7은 다른 실시예에 따른 배터리 장치에서 프리차지 시간의 초기값을 설정하는 방법의 한 예를 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참고하면, 배터리 장치의 프로세서(예를 들면, 도 1의 150)는 음극 메인 스위치(예를 들면, 도 1의 122)를 닫고(S710), 프리차지 스위치(예를 들면, 도 1의 132)를 닫는다(S720). 이에 따라, 프리차지 기간이 시작되어서 외부 장치의 커패시터(예를 들면, 도 1의 11)가 충전될 수 있다. 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 프라차지 기간이 시작될 때 타이머를 가동하여 프리차지 기간의 경과 시간을 측정할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(150)는 프라차지 스위치(132)를 닫는 시점부터 타이머를 가동할 수 있다.
프로세서(150)는 현재 사이클에서의 프리차지 시간이 설정되어 있는지를 판단한다(S730). 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 소정 횟수의 이전 사이클에서의 목표 프리차지 시간에 기초해서 현재 사이클에서의 프리차지 시간이 설정되었는지를 판단할 수 있다(S730). 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 목표 프리차지 시간이 추정된 이전 사이클의 수와 소정 횟수를 비교할 수 있다(S730).
현재 사이클에서의 프리차지 시간이 설정되어 있지 않는 경우(S730), 프로세서(150)는 감지 회로(예를 들면, 도 1의 140)를 통해 배터리 장치의 양극 연결 단자(예를 들면, DC(+))의 전압(VDC)을 모니터링한다(S740). 프로세서(150)는 양극 연결 단자(DC(+))의 전압(VDC)을 모니터링하면서, 양극 연결 단자(DC(+))의 전압과 소정 전압을 비교한다(S750). 소정 전압은 배터리 팩(예를 들면, 도 1의 110)의 전압(VBAT)에 기초해서 결정된 전압이다. 어떤 실시예에서, 감지 회로(140)가 배터리 팩(110)의 양극 단자(PV(+))의 전압을 감지하여서 프로세서(150)가 배터리 팩(110)의 전압(V-BAT)을 측정할 수 있다. 어떤 실시예에서, 소정 전압은 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)과 시정수의 m배에 기초해서 설정될 수 있다(m은 양의 실수). 어떤 실시예에서, 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)에 대한 소정 전압의 비율이 도 4에 도시한 등가 회로에서 시정수의 m배에 해당하는 프리차지 시간이 경과한 후의 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)에 대한 커패시터(11)의 전압의 비율이 되도록 소정 전압이 설정될 수 있다. 예를 들면, 시정수의 2배에 기초해서 소정 전압이 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)의 86%, 즉 0.86VBAT-으로 설정될 수 있다.
양극 연결 단자(DC(+))의 전압이 소정 전압에 도달하는 경우(S750), 프로세서(150)는 양극 연결 단자(DC(+))의 전압이 소정 전압에 도달하는데 걸린 시간에 기초해서 현재 사이클에서의 프리차지 시간(초기 프리차지 시간)을 설정한다(S760). 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)이 소정 전압에 도달하는데 걸린 시간과 소정 전압의 설정에 사용되는 시정수의 m배에 기초해서 초기 프리차지 시간을 설정할 수 있다(S760). 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 배터리 팩(110)의 전압(VBAT)이 소정 전압에 도달하는데 걸린 시간의 k배를 초기 프리차지 시간으로 설정할 수 있다(k는 양의 실수). 이 경우, 초기 프리차지 시간은 시정수의 (k*m)배로 설정될 수 있다. 어떤 실시예에서, (k*m)은 앞에서 설명한 목표 프리차지 시간의 설정에 사용되는 시정수의 배수(n)보다 크게 설정될 수 있다. 예를 들면, 목표 프리차지 시간이 시정수의 5배로 설정되고(n=5), 소정 전압이 시정수의 2배에 기초해서 설정되는(m=2) 경우, 초기 프리차지 시간은 시정수의 6배로 설정될 수 있다(k=3). 이와 같이, 초기 프리차지 시간을 길게 설정함으로써, 전압 측정 오차에 따른 양극 메인 스위치(예를 들면, 도 1의 121)의 손상을 최소화할 수 있다.
초기 프리차지 시간을 설정한 경우(S760), 프리차지 기간이 시작된 시점부터 S760에서 설정한 초기 프리차지 시간이 경과한 후에, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫는다(S770). 프리차지 시간이 이미 설정되어 있는 경우(S730), 프리차지 기간이 시작된 시점부터 설정된 프리차지 시간이 경과한 후에, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫는다(S770). 이에 따라 프리차지 기간이 종료된다. 어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 양극 메인 스위치(121)를 닫은 후에, 프리차지 스위치(132)를 열 수 있다(S770).
어떤 실시예에서, 프로세서(150)는 도 3을 참고로 하여 설명한 것처럼 양극 메인 스위치(121)를 닫기 직전에 배터리 장치의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압을 측정하고, 양극 메인 스위치(121)를 닫은 직후에 배터리 장치의 양극 연결 단자(DC(+))의 전압을 측정할 수 있다. 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 현재 사이클에서의 목표 프리차지 시간을 추정할 수 있다.
이상에서 설명한 것처럼, 이전 사이클에서의 목표 프리차지 시간이 추정되지 않은 경우에 초기 프리차지 시간을 설정할 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 (18)

  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
    복수의 사이클 각각에서 프리차지 기간의 목표 시간을 추정하고, 상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간에 기초해서 상기 복수의 사이클의 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간을 설정하는 프로세서
    를 포함하는 배터리 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 프로세서는 상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간 중 최대값을 상기 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간으로 설정하는, 배터리 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 프로세서는, 각 사이클에서,
    상기 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 상기 목표 시간을 추정하는
    배터리 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 프리차지 스위치가 닫힐 때 상기 양극 단자와 상기 양극 연결 단자 사이에 연결되는 프리차지 저항을 더 포함하는, 배터리 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 프리차지 스위치와 상기 프리차지 저항은 직렬로 연결되는, 배터리 장치.
  6. 제4항에서,
    상기 프로세서는
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압에 기초해서 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수를 추정하고,
    상기 시정수의 소정 배수를 상기 목표 시간으로 추정하는
    배터리 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 소정 배수는 5인, 배터리 장치.
  8. 제4항에서,
    상기 프리차지 기간의 시간이 설정되어 있지 않은 사이클에서, 상기 프로세서는 프리차지 기간에서 상기 양극 연결 단자의 전압이 소정 전압에 도달하는데 걸린 시간에 기초해서 해당 사이클의 상기 프리차지 기간의 시간을 설정하는, 배터리 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 소정 전압은 상기 배터리 팩의 전압의 소정 비율에 해당하는 전압인, 배터리 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 소정 비율은 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수의 소정 배수에 기초해서 결정되는, 배터리 장치.
  11. 제8항에서,
    상기 프리차지 기간의 시간이 설정되지 않은 사이클에서, 상기 프로세서는 상기 프리차지 기간에서 상기 양극 연결 단자의 전압이 소정 전압에 도달하는데 걸린 시간에 기초해서 상기 시정수를 추정하고, 상기 시정수의 소정 배수를 해당 사이클의 상기 프리차지 기간의 시간으로 설정하는 배터리 장치.
  12. 제11항에서,
    상기 소정 배수는 6인, 배터리 장치.
  13. 배터리 팩 및 외부 장치에 연결되는 양극 연결 단자와 음극 연결 단자를 포함하는 배터리 장치의 프리차지 기간 설정 방법으로서,
    복수의 사이클 각각의 프리차지 기간에서 프리차지 저항을 통해 상기 양극 연결 단자와 상기 음극 연결 단자에 연결되는 커패시터를 프리차지하는 프리차지 동작을 수행하는 단계,
    상기 복수의 사이클 각각에서 상기 프리차지 기간의 목표 시간을 추정하는 단계, 그리고
    상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간에 기초해서 상기 복수의 사이클의 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간을 설정하는 단계
    를 포함하는 프리차지 기간 설정 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 프리차지 기간의 시간을 설정하는 단계는 상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간 중 최대값을 상기 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간으로 설정하는 단계를 포함하는 프리차지 기간 설정 방법.
  15. 제13항에서,
    상기 목표 시간을 추정하는 단계는,
    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 목표 시간을 추정하는 단계
    를 포함하는 프리차지 기간 설정 방법.
  16. 제13항에서,
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압에 기초해서 상기 목표 시간을 추정하는 단계는,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압에 기초해서 상기 프리차지 저항의 저항값과 상기 커패시터의 커패시턴스에 의해 정의되는 시정수를 추정하는 단계, 그리고
    상기 시정수의 소정 배수를 상기 목표 시간으로 추정하는 단계
    를 포함하는 프리차지 기간 설정 방법.
  17. 제13항에서,
    프리차지 기간의 시간이 설정되어 있지 않은 사이클의 상기 프리차지 기간에서, 상기 양극 연결 단자의 전압이 소정 전압에 도달하는데 걸린 시간에 기초해서 해당 사이클의 상기 프리차지 기간의 시간을 설정하는 단계를 더 포함하는 프리차지 기간 설정 방법.
  18. 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
    복수의 사이클 각각에서 프리차지 기간의 목표 시간을 추정하고, 상기 복수의 사이클에서 각각 추정된 상기 목표 시간에 기초해서 상기 복수의 사이클의 다음 사이클에서의 프리차지 기간의 시간을 설정하는 프로세서
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
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