KR20210050991A - 온도 측정 장치 및 이를 포함하는 배터리 장치 - Google Patents

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Abstract

배터리 팩의 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치가 제공된다. 제1 저항이 제1 전원과 제1 노드 사이에 연결되어 있으며, 제2 저항이 제2 노드와 제2 전원 사이에 연결되어 있다. 온도에 따라 저항값이 변경되는 온도 가변 저항 소자가 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되어 있다. 프로세서는 제1 노드의 전압에 기초하여 측정한 제1 온도와 제2 노드의 전압에 기초하여 측정한 제2 온도에 기초해서 배터리 팩의 온도를 측정한다.

Description

온도 측정 장치 및 이를 포함하는 배터리 장치{TEMPERATURE DETECTING APPARATUS AND BATTERY APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 온도 측정 장치 및 이를 포함하는 배터리 장치에 관한 것이다.
전기 자동차는 주로 배터리를 전원으로 이용하여 모터를 구동함으로써 동력을 얻는 자동차로서, 내연 자동차의 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 충전이 가능한 배터리는 전지 자동차 이외에 다양한 전자 장치에서 사용되고 있다.
배터리를 관리하기 위해서 배터리 관리 시스템이 사용되고 있으며, 배터리 관리 시스템은 배터리에 포함되는 배터리 셀의 전압, 충전 상태, 온도 등 다양한 정보를 감시한다. 배터리 셀의 온도를 감시하기 위해서, 배터리 관리 시스템은 서미스터(thermistor)라는 반도체 소자를 사용한다. 서미스터는 온도에 따라 저항값이 변하는 일종의 저항으로서, 온도가 증가함에 따라 저항값이 감소하는 음의 계수를 가지는 서미스터와 온도가 증가함에 따라 저항값이 증가하는 양의 계수를 가지는 서미스터가 있다.
서미스터를 이용한 온도 감시 방법으로는 서미스터의 일단을 접지단에 타단을 풀업(pull-up) 저항을 통해 전원에 연결하여서, 서미스터의 양단 전압을 감시하는 방법이 있다. 이 경우, 풀업 저항이 외부 손상으로 인해 저항값이 변경되면(이를 "파라미터 변경 오류(parameter change failure)"라 한다), 배터리 관리 시스템은 온도를 잘못 측정할 수 있다. 특히, 풀업 저항이 단선되거나 단락되는 것처럼 저항값이 크게 변하는 경우에, 배터리 관리 시스템이 대략 0V 또는 전원 전압에 해당하는 전압을 감지하므로, 풀업 저항의 문제를 진단할 수 있지만, 풀업 저항의 저항값이 작게 변하는 경우에는 풀업 저항의 문제를 진단할 수 없다. 따라서, 파라미터 변경 오류에 의해서 잘못 측정된 온도로 인해 기능 안전성에 악영향을 미칠 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 파라미터 변경 오류를 진단할 수 있는 온도 측정 장치 및 이를 포함하는 배터리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 배터리 팩의 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치가 제공된다. 상기 온도 측정 장치는 제1 저항, 제2 저항, 온도 가변 저항 소자 및 프로세서를 포함한다. 상기 제1 저항은 제1 전원과 제1 노드 사이에 연결되어 있는 제1 저항, 상기 제2 저항은 제2 노드와 제2 전원 사이에 연결되어 있다. 상기 온도 가변 저항 소자는 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결되어 있으며, 온도에 따라 저항값이 변경된다. 상기 프로세서는 상기 제1 노드의 전압에 기초하여 측정한 제1 온도와 상기 제2 노드의 전압에 기초하여 측정한 제2 온도 중 적어도 하나의 온도에 기초해서 상기 배터리 팩의 온도를 측정한다.
상기 프로세서는 상기 제1 온도와 상기 제2 온도가 서로 다를 때, 온도 측정이 유효하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
상기 온도 가변 저항 소자는 서미스터일 수 있다.
상기 프로세서는 전압과 온도의 관계가 매핑되어 있는 테이블을 이용해서 상기 제1 노드의 전압을 상기 제1 온도로 변환하고, 상기 제2 노드의 전압을 상기 제2 온도로 변환할 수 있다.
상기 온도 측정 장치는, 상기 제1 노드의 전압을 디지털 값으로 변환하여 상기 프로세서로 전달하고, 상기 제2 노드의 전압을 디지털 값으로 변환하여 상기 프로세서로 전달하는 아날로그 디지털 변환 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전원은 접지단일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리 팩, 온도 감지 회로 및 프로세서를 포함하는 배터리 장치가 제공된다. 상기 온도 감지 회로는 제1 전원과 제1 노드 사이에 연결되어 있는 제1 저항, 제2 노드와 제2 전원 사이에 연결되어 있는 제2 저항 및 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결되어 있으며 온도에 따라 저항값이 변경되는 온도 가변 저항 소자를 포함한다. 상기 프로세서는 상기 제1 노드의 전압에 기초하여 측정한 제1 온도와 상기 제2 노드의 전압에 기초하여 측정한 제2 온도 중 적어도 하나의 온도에 기초해서 상기 배터리 팩의 온도를 측정한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 파라미터 변경 오류가 발생하는 것을 진단할 수 있으므로, 파라미터 변경 오류에 의해서 잘못 측정된 온도로 인해 기능 안전성에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 배터리 관리 시스템의 온도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 온도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 온도 측정 장치를 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.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 장치(100)는 양극 연결 단자(DC(+))와 음극 연결 단자(DC(-))를 통해 외부 장치에 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 가진다. 외부 장치가 부하인 경우, 배터리 장치(100)는 부하로 전력을 공급하는 전원으로 동작하여 방전된다. 외부 장치가 충전기인 경우, 배터리 장치(100)는 충전기를 통해 외부 전력을 공급받아 충전된다. 부하로 동작하는 외부 장치는 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), 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)(120) 및 스위치(131, 132)를 포함한다.
배터리 팩(110) 복수의 배터리 셀(도시하지 않음)을 포함한다. 어떤 실시예에서, 배터리 셀은 충전 가능한 2차 전지일 수 있다. 한 실시예에서, 배터리 팩(110)은 소정 개수의 배터리 셀이 직렬 연결되어 있는 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 배터리 팩(110)에서 소정 개수의 배터리 모듈이 직렬 또는 병렬 연결되어 원하는 전력을 공급할 수 있다.
배터리 팩(110)의 복수의 배터리 셀은 각각 배선을 통해 배터리 관리 시스템(120)에 전기적으로 연결되어 있다. 배터리 관리 시스템(120)은 복수의 배터리 셀에 대한 정보를 포함한 배터리 셀에 관한 다양한 정보를 취합 및 분석하여 배터리 셀의 충전 및 방전, 셀 밸런싱, 보호 동작 등을 제어하고, 스위치(131, 132)의 동작을 제어할 수 있다.
배터리 관리 시스템(120)은 온도 감지 회로(121) 및 프로세서(122)를 포함한다. 온도 감지 회로(121)는 복수의 배터리 셀의 온도에 대응하는 정보를 감지하고, 프로세서(122)는 온도 감지 회로(121)에서 감지한 정보에 기초해서 배터리 셀의 온도를 측정한다. 어떤 실시예에서, 온도 감지 회로(121)는 복수의 배터리 셀 중에서 소정의 배터리 셀에 대응하는 위치에 형성되는 온도 가변 저항 소자를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 복수의 위치에 각각 형성되는 복수의 온도 감지 회로(121)가 제공될 수 있다. 한 실시예에서, 온도 가변 저항 소자는 서미스터일 수 있다.
스위치(131, 132)는 배터리 팩(110)과 외부 장치(10) 사이에 직렬 연결되어 배터리 팩(110)과 외부 장치(10) 사이의 전기적 연결을 제어한다. 예를 들면, 스위치(131)는 배터리 팩(110)의 양극 전압이 출력되는 양극 출력 단자(PV(+))와 외부 장치(10)에 연결되는 양극 연결 단자(DC(+)) 사이에 연결되고, 스위치(132)는 배터리 팩(110)의 음극 전압이 출력되는 음극 출력 단자(PV(-))와 외부 장치(10)에 연결되는 음극 연결 단자(DC(-)) 사이에 연결될 수 있다. 스위치(131, 132)는 배터리 관리 시스템(120)의 프로세서(122)로부터 공급되는 신호에 의해 동작한다.
아래에서는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 온도 측정 장치에 대해서 도 2 내지 도 4를 참고로 하여 설명한다.
먼저, 도 2를 참고로 하여 배터리 관리 시스템의 일반적인 온도 측정 장치에 대해서 설명한다.
도 2는 배터리 관리 시스템의 온도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 2를 참고하면, 온도 측정 장치(200)는 온도 감지 회로(210)와 프로세서(220)를 포함한다.
온도 감지 회로(210)는 전원 전압을 공급하는 전원(Vref)과 접지단 사이에 직렬로 연결되어 있는 풀업(pull-up) 저항(R1)과 온도 가변 저항 소자(T1)를 포함한다. 구체적으로, 풀업 저항(R1)의 제1단은 전원 전압(Vref)을 공급하는 전원에 연결되어 있으며, 풀업 저항(R1)의 제2단은 온도 감지 회로(210)의 출력 노드(OUT1)에 연결되어 있다. 온도 가변 저항 소자(T1)의 제1단은 출력 노드(OUT1)에 연결되어 있으며, 온도 가변 저항 소자(T1)의 제2단은 접지단에 연결되어 있다. 온도 감지 회로(210)의 출력 노드(OUT1)는 배선을 통해 프로세서(220)에 연결되어 있다.
어떤 실시예에서, 온도 가변 저항 소자(T1)는 서미스터일 수 있다. 한 실시예에서, 온도 가변 저항 소자(T1)는 음의 온도 계수(negative temperature coefficient, NTC) 서미스터일 수 있다.
어떤 실시예에서, 온도 가변 저항 소자(T1)는 복수의 배터리 셀 중 소정의 배터리 셀(C1)에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
배터리 셀의 온도에 따라 온도 가변 저항 소자(T1)의 저항값이 결정되므로, 온도 감지 회로(210)는 전원 전압(Vref)이 풀업 저항(R1)과 온도 가변 저항 소자(T1)에 의해 분압된 전압으로 배터리 셀, 즉 배터리 팩의 온도를 감지한다. 프로세서(220)는 출력 노드(OUT1)를 통해 전원 전압(Vref)이 풀업 저항(R1)과 온도 가변 저항 소자(T1)에 의해 분압된 전압을 수신하고, 분압된 전압에 기초해서 배터리 셀의 온도를 측정한다. 어떤 실시예에서, 프로세서(220)는 분압된 전압과 온도의 관계가 매핑되어 있는 테이블을 포함하고, 테이블을 이용해서 분압된 전압을 온도로 변환할 수 있다.
도 2에 도시한 온도 측정 장치(200)에서, 풀업 저항(R1)이 외부 손상으로 인해 저항값이 변경되는 것과 같은 파라미터 변경 오류(parameter change failure)가 발생할 수 있다. 이 경우, 풀업 저항(R1)의 저항값의 변경에 의해 실제 배터리 셀에 감지한 온도에 따른 전압과는 다른 전압이 출력 노드(OUT1)를 통해 출력되고, 프로세서(220)는 온도를 잘못 측정한다. 그러나 프로세서(220)는 온도 감지 회로(210)로부터 정상적으로 전압을 수신하였으므로, 측정한 온도가 잘못된 온도라고 판단할 수 없다는 문제점이 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 온도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면, 온도 측정 장치(300)는 온도 감지 회로(310)와 프로세서(320)를 포함한다.
온도 감지 회로(310)는 전원 전압을 공급하는 전원(Vref)과 접지단 사이에 직렬로 연결되어 있는 풀업 저항(R21), 온도 가변 저항 소자(T2) 및 풀다운(pull-down) 저항(R22)를 포함한다. 구체적으로, 풀업 저항(R21)은 전원 전압(Vref)을 공급하는 전원과 온도 감지 회로(310)의 제1 출력 노드(OUT21) 사이에 연결되어 있다. 온도 가변 저항 소자(T2)는 제1 출력 노드(OUT21)와 온도 감지 회로(310)의 제2 출력 노드(OUT22)에 사이에 연결되어 있다. 풀다운 저항(R22)은 제2 출력 노드(OUT22)와 접지단 사이에 연결되어 있다. 제1 출력 노드(OUT21)와 제2 출력 노드(OUT22)는 배선을 통해 프로세서(320)에 연결되어 있다.
어떤 실시예에서, 접지단 대신에 전원 전압(Vref)보다 낮은 전압을 가지는 전원이 사용될 수도 있다.
어떤 실시예에서, 온도 가변 저항 소자(T2)는 서미스터일 수 있다. 한 실시예에서, 온도 가변 저항 소자(T2)는 NTC 서미스터일 수 있다.
어떤 실시예에서, 온도 가변 저항 소자(T2)는 복수의 배터리 셀 중 소정의 배터리 셀(C1)에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(320)는 마이크로 제어 장치(micro controller unit, MCU)일 수 있다.
배터리 셀의 온도에 따라 온도 가변 저항 소자(T2)의 저항값이 결정되므로, 온도 감지 회로(210)는 전원 전압(Vref)이 풀업 저항(R21), 온도 가변 저항 소자(T2) 및 풀다운 저항(R22)에 의해 분압된 전압으로 배터리 셀, 즉 배터리 팩(도 1의 110)의 온도를 감지한다. 출력 노드(OUT21)의 전압(V1)은 풀업 저항(R21)과 온도 가변 저항 소자(T2) 사이의 전압으로 되며, 구체적으로 수학식 1과 같이 기준 전압(Vref)을 풀업 저항(R21), 온도 가변 저항 소자(T2) 및 풀다운 저항(R22)의 저항값으로 나눈 값에 온도 가변 저항 소자(T2)와 풀다운 저항(R22)의 저항값을 곱한 값으로 된다. 출력 노드(OUT22)의 전압은 온도 가변 저항 소자(T2)와 풀다운 저항(R22) 사이의 전압으로 되고, 구체적으로 수학식 2와 같이 기준 전압(Vref)을 풀업 저항(R21), 온도 가변 저항 소자(T2) 및 풀다운 저항(R22)의 저항값으로 나눈 값에 풀다운 저항(R22)의 저항값을 곱한 값으로 된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
수학식 1 및 2에서, Rt는 온도 가변 저항 소자(T2)의 저항값이다.
프로세서(320)는 출력 노드(OUT21)를 통해 분압된 전압(V1)을 수신하고, 분압된 전압(V1)에 기초해서 배터리 셀의 온도를 측정한다. 또한, 프로세서(320)는 출력 노드(OUT22)를 통해 분압된 전압(V2)을 수신하고, 분압된 전압(V2)에 기초해서 배터리 셀의 온도를 측정한다. 이 경우, 풀업 저항(R21)과 풀다운 저항(R22)이 정상적인 경우에는 전압(V1)에 의해 측정된 온도와 전압(V2)에 의해 측정된 온도가 동일하도록 프로세서(320)가 설정되어 있을 수 있다. 어떤 실시예에서, 프로세서(320)는 두 전압(V1, V2) 중 하나의 전압에 기초한 온도로 배터리 셀의 온도를 측정할 수 있다.
어떤 실시예에서, 프로세서(220)는 전압(V1)과 온도의 관계가 매핑되어 있는 테이블과 전압(V2)과 온도의 관계가 매핑되어 있는 테이블을 포함하고, 테이블을 이용해서 분압된 전압(V1, V2)를 온도로 변환할 수 있다.
이 경우, 풀업 저항(R21) 또는 풀다운 저항(R22)의 저항값이 변경되는 경우, 전압(V1, V2)의 크기가 변경된다. 이에 따라, 프로세서(320)가 전압(V1)에 기초해서 계산하는 온도와 전압(V2)에 기초해서 계산하는 온도가 서로 일치하지 않을 수 있다. 예를 들면, 풀업 저항(R21) 또는 풀다운 저항(R22)의 저항값이 변경되지 않았다면 온도가 25도로 측정되는 상황에서, 풀업 저항(R21) 또는 풀다운 저항(R22)의 저항값이 변경으로 인해, 전압(V1)에 기초한 온도가 28도로 측정되고, 전압(V2)에 기초한 온도가 22도로 측정될 수 있다. 그러면, 프로세서(320)는 두 전압(V1, V2)에 기초한 온도가 다르므로, 측정된 온도에 유효성이 없다고 판단하며, 또한 풀업 저항(R21) 또는 풀다운 저항(R22)의 저항값이 변경(즉, 파라미터 변경 오류)이 발생했다고 진단할 수 있다.
이와 같이, 파라미터 변경 오류가 발생하는 것을 진단할 수 있으므로, 파라미터 변경 오류에 의해서 잘못 측정된 온도로 인해 기능 안전성에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 온도 측정 장치를 나타내는 도면이다.
도 4를 참고하면, 온도 측정 장치(400)는 아날로그 디지털 변환 회로(analog-digital converter, ADC)(431, 432)를 더 포함한다.
ADC(431)의 입력단은 온도 감지 회로(310)의 제1 출력 노드(OUT21)에 연결되어 있으며, ADC(431)의 출력단은 프로세서(320)에 연결되어 있다. ADC(431)은 제1 출력 노드(OUT21)의 전압(V1)을 디지털 값으로 변경해서 프로세서(320)로 전달한다.
ADC(432)의 입력단은 온도 감지 회로(310)의 제2 출력 노드(OUT22)에 연결되어 있으며, ADC(432)의 출력단은 프로세서(320)에 연결되어 있다. ADC(432)은 제2 출력 노드(OUT22)의 전압(V2)을 디지털 값으로 변경해서 프로세서(320)로 전달한다.
이에 따라, 프로세서(320)는 디지털 신호를 입력으로 받아서 처리할 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 (10)

  1. 배터리 팩의 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치로서,
    제1 전원과 제1 노드 사이에 연결되어 있는 제1 저항,
    제2 노드와 제2 전원 사이에 연결되어 있는 제2 저항,
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결되어 있으며, 온도에 따라 저항값이 변경되는 온도 가변 저항 소자, 그리고
    상기 제1 노드의 전압에 기초하여 측정한 제1 온도와 상기 제2 노드의 전압에 기초하여 측정한 제2 온도 중 적어도 하나의 온도에 기초해서 상기 배터리 팩의 온도를 측정하는 프로세서
    를 포함하는 온도 측정 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 프로세서는 상기 제1 온도와 상기 제2 온도가 서로 다를 때, 온도 측정이 유효하지 않은 것으로 판단하는 온도 측정 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 온도 가변 저항 소자는 서미스터(thermistor)인 온도 측정 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 프로세서는 전압과 온도의 관계가 매핑되어 있는 테이블을 이용해서 상기 제1 노드의 전압을 상기 제1 온도로 변환하고, 상기 제2 노드의 전압을 상기 제2 온도로 변환하는 온도 측정 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 노드의 전압을 디지털 값으로 변환하여 상기 프로세서로 전달하고, 상기 제2 노드의 전압을 디지털 값으로 변환하여 상기 프로세서로 전달하는 아날로그 디지털 변환 회로를 더 포함하는 온도 측정 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 전원은 접지단인 온도 측정 장치.
  7. 배터리 팩,
    제1 전원과 제1 노드 사이에 연결되어 있는 제1 저항, 제2 노드와 제2 전원 사이에 연결되어 있는 제2 저항 및 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결되어 있으며 온도에 따라 저항값이 변경되는 온도 가변 저항 소자를 포함하는 온도 감지 회로, 그리고
    상기 제1 노드의 전압에 기초하여 측정한 제1 온도와 상기 제2 노드의 전압에 기초하여 측정한 제2 온도 중 적어도 하나의 온도에 기초해서 상기 배터리 팩의 온도를 측정하는 프로세서
    를 포함하는 배터리 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 프로세서는 상기 제1 온도와 상기 제2 온도가 서로 다를 때, 온도 측정이 유효하지 않은 것으로 판단하는 배터리 장치.
  9. 제7항에서,
    상기 프로세서는 전압과 온도의 관계가 매핑되어 있는 테이블을 이용해서 상기 제1 노드의 전압을 상기 제1 온도로 변환하고, 상기 제2 노드의 전압을 상기 제2 온도로 변환하는 배터리 장치.
  10. 제7항에서,
    상기 제2 전원은 접지단인 배터리 장치.
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