KR20130089427A - 배터리 팩 제어장치를 구비한 전동공구 및 그 제어방법 - Google Patents

배터리 팩 제어장치를 구비한 전동공구 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동공구용 배터리팩 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 전동공구는 배터리 팩, 작동부 및 제어부를 포함한다. 배터리 팩은 전력을 공급하는 다수의 배터리 셀을 구비하고, 상기 다수의 배터리 셀의 충방전 상태를 검출하고 제어하는 보호회로 모듈을 구비한다. 작동부는 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 물리적인 에너지로 변환한다. 제어부는 상기 배터리 팩으로부터 상기 작동부에 전력이 전달되며, 동시에 상기 작동부가 작동하지 않는 상태가 지속됨으로써 유발되는 유사 과방전 상태에서 상기 배터리 팩의 보호 프로세스를 수행하도록 상기 보호회로 모듈을 제어한다.

Description

배터리 팩 제어장치를 구비한 전동공구 및 그 제어방법{Electric tool with controller of battery pack and the control method thereof}
본 발명은 배터리 팩 제어장치를 구비한 전동공구 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 팩의 열화를 방지가 가능한 전동공구에 관한 것이다.
일반적으로 휴대용 노트북 컴퓨터 및 휴대용 전동공구와 같은 휴대용 전자기기는 해당 기기가 필요로 하는 전력을 전달받기 위하여 충전 가능한 배터리 팩을 구비한다. 배터리 팩은 다수의 배터리 셀과, 각 배터리 셀의 과충전 또는 과방전 등을 방지하기 위한 보호 소자 및 배터리 매니지먼트 유닛(Battery Management Unit: BMU) 등을 포함한다.
배터리 팩을 이루는 각각의 배터리 셀은 제조 공정 상의 여러 가지 이유로 인해 용량 편차가 존재한다. 따라서 배터리 팩은 충방전 사이클 중에 각 배터리 셀의 충방전 전압에 편차가 발생한다. 이에 따라 배터리 팩은 충전 중에 특정 배터리 셀이 과충전될 수 있고, 또한 방전 중에 특정 배터리 셀이 과방전될 수 있다. 이와 같이 배터리 팩 중에서 특정 배터리 셀의 과충전이나 과방전은 배터리 팩의 용량을 감소시킬 뿐만 아니라 배터리 팩을 열화(degrade)시키고 수명을 단축시킨다.
한편, 이러한 일반적인 과충전 및 과방전 이외에도, 전동 공구를 이용하는 작업에서 해당 작업의 부하가 전동 공구의 출력 범위를 벗어나는 경우, 예를 들어 최대 전력 또는 전류가 공급되고 있으나 전동 공구가 작동하지 못하는 경우 이러한 상태가 지속되면 과방전 상태가 아님에도 불구하고 배터리의 전압이 급격이 감소하는 과방전과 유사한 상태가 되고 배터리가 열화되는 문제점이 발생하게 된다. 일반적인 과방전 및 과충전 상태와 더불어 이러한 제품 특성에 따른 유사 과방전 상태에 대응하여서도 배터리를 보호하기 위한 보호 프로세스를 마련하여야 한다.
본 발명의 과제는 과방전 상태 및 과출력에 따른 유사 과방전 상태를 정확히 판단하는 수단을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 과제는 과방전 상태 및 유사 과방전 상태를 적절히 감지하고 이에 대응하여 배터리 셀의 보호를 위한 프로세스를 신속히 수행할 수 있도록 제어하는 수단 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 전동공구는 배터리 팩, 작동부 및 제어부를 포함한다.
배터리 팩은 전력을 공급하는 다수의 배터리 셀을 구비하고, 상기 다수의 배터리 셀의 충방전 상태를 검출하고 제어하는 보호회로 모듈을 구비한다.
작동부는 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 물리적인 에너지로 변환한다.
제어부는 상기 배터리 팩으로부터 상기 작동부에 전력이 전달되며, 동시에 상기 작동부가 작동하지 않는 상태가 지속됨으로써 유발되는 유사 과방전 상태에서 상기 배터리 팩의 보호 프로세스를 수행하도록 상기 보호회로 모듈을 제어한다.
또한 상기 작동부의 물리적 작동 여부를 검출하는 작동 검출부를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 작동부에 전달되는 전류량을 검출하는 전류 검출부를 더 포함할 수 있다.
나아가 상기 제어부는 상기 전류 검출부로부터 작동부의 미작동 신호를 입력받고, 상기 전류 검출부가 기 설정된 전류량 이상의 값을 검출하는 경우 유사 과방전 상태로 판단할 수 있다.
더 나아가 상기 배터리 팩의 출력전압을 측정하는 전압 검출부를 더 구비할 수 있다. 이 경우 상기 제어부는 상기 전압 검출부로부터 측정된 값이 기 설정된 저 전압상태 기준값 보다 작은 경우에 상기 유사 과방전 상태 여부를 판단한다.
또한 상기 제어부는 상기 전압 검출부로부터 측정된 값이 기 설정된 저 전압상태 기준값 이하가 되는 시점부터 기 설정된 딜레이 타임이 경과된 후 상기 배터리 팩의 보호 프로세스를 수행하도록 상기 보호회로 모듈을 제어할 수 있다.
또한 상기 딜레이 타임은 일정한 기준 온도에 대응하는 값으로 산출될 수 있다.
또한 상기 배터리 팩 외측의 온도를 측정하는 온도 검출부를 더 구비할 수 있다. 이 경우 상기 제어부는 상기 기준 온도와 상기 측정된 온도의 차에 따라 상기 딜레이 타임을 변경시킨다. 나아가 상기 제어부는 상기 딜레이 타임을 상기 측정된 온도와 반비례하도록 변경시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전동공구 제어방법은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.
제1 단계에서는 전동 공구의 작동 중 저전압 상태가 되었는지 여부를 판단한다.
제2 단계에서는 저전압 상태의 경과 시간을 카운트 시작한다.
제3 단계에서는 배터리가 유사 과방전 상태인지를 판단한다.
제4 단계에서는 저전압 상태가 기 설정된 딜레이 타임에 도달하거나, 상기 배터리가 유사 과방전 상태인 경우 과방전에 대응하여 상기 배터리을 보호하기 위한 프로세스를 수행한다.
또한 상기 제3 단계는 주기적으로 수행될 수 있다.
또한 상기 전동 공구에 기 설정된 전류량 이상의 전류가 공급되고, 동시에 상기 제3 단계에서 전동공구가 물리적인 작동을 하지 않는 경우 유사 과방전 상태로 판단할 수 있다.
또한 상기 제2 단계와 제3 단계의 최초 수행은 동시에 이루어질 수 있다.
또한 상기 제4 단계에서 상기 딜레이 타임은 전동 공구의 외부 온도에 반비례하도록 갱신될 수 있다.
본 발명에 따르면 과방전 상태 및 과출력에 따른 유사 과방전 상태를 정확히 판단할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 과방전 상태 및 유사 과방전 상태를 적절히 감지하고 이에 대응하여 배터리 셀의 보호를 위한 프로세스를 신속히 수행하도록 함으로써 유사 과방전 상태가 지속됨에 따라 발생할 수 있는 배터리 셀의 열화 현상을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 제어장치를 구비한 전동공구를 나타내는 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전동공구의 배터리 팩의 제어 프로세스를 나타내는 순서도이다.
도 3은 정상 방전 상태와 유사 과방전 상태를 비교하는 그래프이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 배터리 팩 제어장치를 구비한 전동공구를 나타내는 블록도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩 제어장치를 구비한 전동공구를 나타내는 블록도이다.
도 6은 온도에 따른 과방전의 컷오프를 설명하기 위한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다.
<실시예 1>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 제어장치를 구비한 전동공구를 나타내는 블록도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 전동공구의 배터리 팩의 제어 프로세스를 나타내는 순서도이며, 도 3은 정상 방전 상태와 유사 과방전 상태를 비교하는 그래프이다.
도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 전동공구(10)를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩 제어장치를 구비한 전동공구를 나타내는 블록도이다.
배터리 팩(200)은 다수의 배터리 셀(220)과 보호회로 모듈(210)을 구비한다. 배터리 셀(220)은 후술할 장치부(100)에 필요한 전력을 공급한다. 보호회로 모듈(210) 또는 배터리 관리 유닛(BMU)은 배터리 셀(220)의 작동 상태를 모니터링 하고, 배터리 셀(220)의 건전성에 필요한 제어를 수행한다. 또한 보호회로 모듈(210)은 배터리 셀(220)의 충방전 상태를 검출하고 제어한다.
장치부(100)는 배터리 팩(200)을 제외한 나머지 전동공구의 구성을 의미한다. 배터리 팩(200)은 장치부(100)의 내부 또는 외측에 구비되어 전기적으로 연결된다. 배터리 팩(200)과 장치부(100)의 기계적 연결방식에는 제한이 없다.
작동부(110)는 배터리 팩(220)으로부터 전력을 공급받아 물리적인 에너지로 변환한다. 예를 들어 드릴과 같은 전동공구인 경우 해당 전동공구의 팁(tip)부분은 벽에 구멍을 뚫거나 나사를 삽입하기 위한 기능을 한다. 여기서 전동공구의 팁(tip), 팁과 연결된 샤프트 및 샤프트를 회전시키기 위한 모터가 작동부(110)에 해당할 수 있다. 즉, 명칭이나 기계적 구조에 관련없이 전기적인 에너지를 기계적, 물리적 에너지로 변환시키고 이를 이용하는 구성이 이에 해당한다.
작동 검출부(120)는 작동부(100)의 작동여부를 감지하는 구성이다. 작동 검출부(120)는 작동부(110)의 작동을 감지하기 위하여 전기적 또는 기계적인 센서를 이용할 수 있다. 작동 검출부(120)의 구성에 제한은 없다. 예를 들어 전동 드릴의 경우 샤프트의 회전을 검출하는 자기센서 또는 광센서 등을 구비할 수 있다. 해당 자기 센서 또는 광센서를 통하여 전동 드릴의 샤프트가 회전하는 것을 감지한다.
전류 검출부(130)는 작동부(110)에 전달되는 전류를 검출한다. 전동 드릴의 경우의 경우 샤프트를 회전 시키는 모터에 공급되는 전류를 검출할 수 있다.
제어부(140)는 보호회로 모듈(210)로부터 배터리 셀(220)의 상태를 전달받는다.
한편, 전동드릴을 이용하여 나사못을 박는 경우, 일정 깊이 나사못이 박혀 전동드릴이 더 이상회전하기 어려운 상황이 되면 전동드릴은 고출력 상태가 되나 전동드릴의 팁 부분은 회전하지 않거나 회전속도가 상대적으로 떨어지게 된다. 이 경우 이차전지의 입장에서는 만방전과 유사한 효과가 발생하게 되고, 이러한 유사 과방전(만방전과 유사)상태가 반복되면 셀의 열화가 심화된다.
일반적으로 배터리 셀은 도 3의 상부 그래프를 따라 방전된다. 즉, 일반적인 사용에 따른 배터리 셀은 방전을 지속하다가 스펙상의 풀 방전 상태(VFD)에 도달한다. 이후 지속적으로 방전이 되는 경우에는 일정 시간이 지난 후에 과방전 상태에 도달하게 된다. 과방전 상태가 지속되면 배터리 셀(220)이 충방전의 가역성을 잃게 된다.
한편, 유사 과방전 상태의 경우에는 도 3의 하부 그래프와 같이 일시적으로 전압이 급감하게 된다. 이 경우 과방전 상태에 이르는 시간이 더 짧아지게 된다. 즉, 일정 전압 이하로 전압이 떨어진 시점으로부터 일정 시간 이후에 과방전 방지 프로세스를 실행하는 방법의 경우에는 이러한 유사 과방전 상태에 의한 배터리 셀의 열화를 방지하기 어렵게 된다.
제어부(140)는 작동 검출부(120)와 전류 검출부(130)에 연결된다. 제어부(140)는 작동 검출부(120)로부터 작동부(110)가 작동 상태인지 비작동 상태인지 여부에 대한 신호를 전달받는다. 또한 제어부(140)는 전류 검출부(130)로부터 작동부(110)에 전류가 공급되고 있는 상태인지 공급되지 않는 상태인지 여부를 전달받는다. 제어부(140)는 배터리 셀(220)의 저전압 상태로 판단되는 시점부터 전류 검출부(130)와 작동 검출부(120)로부터 해당 신호를 주기적으로 전달 받는다.
제어부(140)는 주기적으로 신호를 전달 받은 후, 작동부(110)가 비작동 상태이고 동시에 전류가 공급되는 상태인지를 지속적으로 모니터링한다. 작동부(110)가 비작동 상태인 조건과 전류가 지속적으로 공급되는 상태인 조건이 동시에 만족되는 경우에 제어부(140)는 유사 과방전 상태로 판단한다.
제어부(140)는 보호회로모듈(210)로부터 배터리 셀(220)의 전압이 과출력인 것으로 의심되는 시점, 즉 저전압 상태로 판단되는 시점부터 시간을 카운트 하고 일정 시점이 지난 이후에 과방전 방지 프로세스를 실행한다. 또한 이와 병행하여 작동부(110)가 작동되지 않고 동시에 작동부(110)에 전류가 공급되거나 기 설정된 전류량 이상의 전류가 공급되는 경우에도 마찬가지로 과방전 방지 프로세스를 실행한다. 제어부(140)는 이러한 두 가지 프로세스를 병행하여 보호회로 모듈(210)이 과방전 방지 프로세스를 수행하도록 제어한다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 전동공구 제어 프로세스를 설명한다.
전동공구가 작동된 후 정상방전을 시작한다(S10). 이후 전동 공구의 작동 중 보호회로 모듈로부터 배터리 셀의 전압 상태를 전달받아 저전압 상태가 되었는지 여부를 판단한다(S20).
저전압 상태가 검출된 경우 저전압 상태의 시작 시간으로부터 경과된 시간을 카운트 한다(S30). 이후 기준 카운트에 도달할 때까지, 즉 저전압 상태가 시작된 시간으로부터 일정 시간이 지난 시점까지(S50) 작동부가 작동하는 지 여부를 주기적으로 판단하게 된다(S40). 앞서 설명한 바와 같이 전류가 지속적으로 공급되는 데에도 불구하고 작동부가 작동하지 않는 경우에는 과방전 제어 및 보호 프로세스를 수행하게 되고, 또한 작동부가 지속적으로 작동하고 있는 경우에는 기준 카운트에 도달하였을 때에 과방전 제어 및 보호 프로세스를 수행하게 된다.
한편, 카운트를 시작하는 시점과 작동부의 작동여부를 검출하는 단계는 동시에 이루어질 수도 있다.
<실시예 2>
도 4를 참조하여 다른 실시예에 따른 전동공구를 설명한다. 도 4는 다른 실시예에 따른 배터리팩 제어장치를 구비한 전동공구를 나타내는 블록도이다.
배터리 팩(200)의 출력전압을 측정하는 전압 검출부(230)를 더 구비할 수 있다. 이 경우 제어부(140)는 전압 검출부(230)로부터 측정된 값이 기 설정된 저 전압상태 기준값 보다 작은 경우에 상기 유사 과방전 상태 여부의 판단을 시작한다. 즉, 저 전압상태가 기준값 보다 작은 경우에 일정 시간의 경과를 체크하기 위하여 카운트를 시작하고, 주기적으로 유사 과방전 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 유사 과방전 상태인지의 여부는 앞서 설명한 바와 같이 작동부(110)에 전류가 공급되며 동시에 작동부(110)가 작동하지 않는 경우를 의미한다.
이외의 구성은 실시예 1의 구성과 동일하다.
<실시예 3>
도 5 및 도 6을 참조하여 또 다른 실시예에 따른 전동공구를 설명한다. 도 5는 또 다른 실시예에 따른 배터리팩 제어장치를 구비한 전동공구를 나타내는 블록도이고, 도 6은 온도에 따른 과방전의 컷오프를 설명하기 위한 그래프이다.
본 실시예에서는 전동공구 즉, 장치부(100)와 배터리 팩(200)의 외부 온도를 측정하는 온도 측정부(300)를 더 구비한다.
외부의 온도가 높아 질수록 도 6에 도시된 바와 같이 배터리 셀(200)이 과방전으로 평가되는 컷 오프 전압(VOD)가 상승하게 된다. 과방전 또는 유사 과방전 현상이 발생하는 경우에 외부의 온도가 낮은 경우에 비하여 보다 일찍 과방전 또는 유사 과방전 상태에 도달하게 된다. 따라서 제어부(140)는 저전압 상태 검출 후 과방전 제어 및 보호 프로세스를 수행하기까지 카운트 하는 시간, 즉 딜레이 타임을 온도 측정부(300)에 의하여 측정된 온도에 상응하도록 제어할 수 있다. 이 때 딜레이 타임은 온도에 반비례하는 값으로 산출될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 과방전이 발생한 경우 이차전지의 방전이 용량 이상으로 되고, 이 현상이 계속되면 화학전 반응에 의하여 충방전의 가역성을 잃어버린다. 이러한 과방전 또는 유사 과방전 현상을 방지하기 위한 과방전 제어 및 보호 프로세스는 보호회로 모듈(210) 또는 배터리 관리 유닛(BMU)에 의하여 수행된다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 전동공구용 배터리팩 제어장치 및 제어방법으로 구현될 수 있다.
10: 제어부 100: 장치부
110: 작동부 120: 작동 검출부
130: 전류 검출부 140: 제어부
200: 배터리 팩 210: 보호회로 모듈
220: 배터리 셀 230: 전압검출부
300: 온도 측정부

Claims (13)

  1. 전력을 공급하는 베터리 셀을 구비하고, 상기 배터리 셀의 충방전 상태를 검출하고 제어하는 보호회로 모듈을 구비하는 배터리 팩;
    상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급받아 물리적인 에너지로 변환하는 작동부; 및
    상기 배터리 팩으로부터 상기 작동부에 전력이 전달되며, 동시에 상기 작동부가 작동하지 않는 상태가 지속되는 유사 과방전 상태에서 상기 배터리 팩의 보호 프로세스를 수행하도록 상기 보호회로 모듈을 제어하는 제어부;를 포함하는 전동공구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작동부의 물리적 작동 여부를 검출하는 작동 검출부; 및
    상기 작동부에 전달되는 전류량을 검출하는 전류 검출부;를 포함하는 전동 공구.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전류 검출부로부터 작동부의 미작동 신호를 입력받고, 상기 전류 검출부가 기 설정된 전류량 이상의 값을 검출하는 경우 유사 과방전 상태로 판단하는 전동공구.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 출력전압을 측정하는 전압 검출부를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 전압 검출부로부터 측정된 값이 기 설정된 저 전압상태 기준값 보다 작은 경우에 상기 유사 과방전 상태 여부를 판단하는 전동공구.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전압 검출부로부터 측정된 값이 기 설정된 저 전압상태 기준값 이하가 되는 시점부터 기 설정된 딜레이 타임이 경과된 후 상기 배터리 팩의 보호 프로세스를 수행하도록 상기 보호회로 모듈을 제어하는 전동 공구.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 딜레이 타임은 일정한 기준 온도에 대응하는 값으로 산출되는 전동 공구.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 팩 외측의 온도를 측정하는 온도 검출부를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 기준 온도와 상기 측정된 온도의 차에 따라 상기 딜레이 타임을 변경시키는 전동 공구.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상긱 딜레이 타임을 상기 측정된 온도와 반비례하도록 변경시키는 전동 공구.
  9. 전동 공구의 작동 중 저전압 상태가 되었는지 여부를 판단하는 제1 단계;
    저전압 상태의 경과 시간을 카운트 시작하는 제2 단계;
    배터리가 유사 과방전 상태인지를 판단하는 제3 단계; 및
    저전압 상태가 기 설정된 딜레이 타임에 도달하거나, 상기 배터리가 유사 과방전 상태인 경우 과방전에 대응하여 상기 배터리을 보호하기 위한 프로세스를 수행하는 제4 단계를 포함하는 전동공구 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 단계는 주기적으로 수행되는 전동공구 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전동 공구에 기 설정된 전류량 이상의 전류가 공급되고, 동시에 상기 제3 단계에서 전동공구가 물리적인 작동을 하지 않는 경우 유사 과방전 상태로 판단하는 전동공구 제어방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 단계와 제3 단계의 최초 수행은 동시에 이루어지는 전동공구 제어방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제4 단계에서 상기 딜레이 타임은 전동 공구의 외부 온도에 반비례하도록 갱신되는 전동공구 제어방법.
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