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KR101678277B1 - 스위치 열화 검출 장치 및 방법 - Google Patents

스위치 열화 검출 장치 및 방법 Download PDF

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KR101678277B1
KR101678277B1 KR1020140134373A KR20140134373A KR101678277B1 KR 101678277 B1 KR101678277 B1 KR 101678277B1 KR 1020140134373 A KR1020140134373 A KR 1020140134373A KR 20140134373 A KR20140134373 A KR 20140134373A KR 101678277 B1 KR101678277 B1 KR 101678277B1
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switch
output voltage
comparator
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deterioration
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성창현
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 스위치 열화 검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스위치로 충방전이 제어되는 배터리에 직렬 연결되는 저항을 구비하고, 비교기를 통해 스위치 양단의 전압차를 증폭시킨 출력 전압과 저항 양단의 전압차를 증폭시킨 출력 전압을 비교하여 스위치의 열화를 검출하는 스위치 열화 검출 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 차동증폭기의 출력 전압이 동일하도록, 저항의 저항값, 스위치 양단의 전압차를 증폭시키는 차동증폭기의 증폭율 및 저항 양단의 전압차를 증폭시키는 차동증폭기의 증폭율 중 하나 이상을 제어하고, 출력 전압이 동일한 시점의 저항의 저항값, 차동증폭기의 증폭율을 이용하여 스위치의 턴-온 저항값을 산출하는 스위치 열화 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

스위치 열화 검출 장치 및 방법{Apparatus and method for detecting degradation of switch}
본 발명은 스위치 열화 검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스위치로 충방전이 제어되는 배터리에 직렬 연결되는 저항을 구비하고, 비교기를 통해 스위치 양단의 전압차를 증폭시킨 출력 전압과 저항 양단의 전압차를 증폭시킨 출력 전압을 비교하여 스위치의 열화를 검출하는 스위치 열화 검출 장치 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 차동증폭기의 출력 전압이 동일하도록, 저항의 저항값, 스위치 양단의 전압차를 증폭시키는 차동증폭기의 증폭율 및 저항 양단의 전압차를 증폭시키는 차동증폭기의 증폭율 중 하나 이상을 제어하고, 출력 전압이 동일한 시점의 저항의 저항값, 차동증폭기의 증폭율을 이용하여 스위치의 턴-온 저항값을 산출하는 스위치 열화 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈과 화석 에너지의 사용으로 인한 환경오염으로 이차 전지 배터리를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라, 모바일 기기, 전기 차량(Electric Vehicle; EV), 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle; HV), 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 및 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 배터리의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이러한 이차 전지 배터리는 화석 에너지의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
특히, 전기 차량, 하이브리드 차량, 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 이차 전지 배터리는 고출력 및 대용량의 전력을 충전 또는 방전하기 위하여 배터리 모듈(Battery Module)을 여러 개 연결한 배터리 팩을 전력원으로 사용하고 있다.
이와 같이, 고출력 및 대용량의 전력이 수시로 충전 또는 방전되는 배터리 팩에는 배터리 팩의 충방전을 제어하기 위한 온/오프(On/Off) 스위치 및 과충전, 과방전 및 써지(Surge)성 전류로부터 배터리 팩을 보호하기 위한 릴레이(Relay) 스위치 등 다양한 스위치 소자가 설치되어 배터리 팩을 제어 및 보호하는 기능을 수행한다.
배터리 팩에 설치된 스위치 소자는 배터리 팩을 운용함에 따라 물리적 성능이 저하되는 열화 현상으로 인해 스위치 소자의 턴-온 저항값이 증가하고, 이는 다시 스위치 소자의 열화를 가속시켜 스위치 소자의 배터리 팩 제어 기능 및 보호 기능을 상실하게 된다.
이에 따라, 배터리 팩을 운용하는데 있어서, 배터리 팩에 설치된 스위치 소자의 열화를 검출하는 것이 중요하며, 스위치 소자의 열화를 보다 정확하게 검출하기 위하여 스위치 소자의 턴-온 저항을 정확하게 산출하는 것이 매우 중요하다.
종래의 배터리 팩에 설치된 스위치 소자의 열화를 검출하는 기술은 온도센서를 통해 스위치 소자의 온도를 상시 모니터링하여 비교 장치를 통해 측정된 온도와 기준 온도를 비교하고, 측정된 스위치 소자의 온도가 기준 온도를 초과하면 스위치가 열화된 것으로 판단하였다. 하지만, 이러한 스위치 소자의 온도는 다수의 스위치, 보호회로 및 제어모듈 등이 수용된 하우징 내부 온도에 영향을 받는 온도로써, 스위치 표면 즉, 스위치 자체의 온도가 아닌 스위치 주변의 환경에 따라 변경되는 온도이다.
따라서, 스위치 소자의 온도를 측정하여 스위치 소자의 열화를 검출하는 기술은 스위치 주변 환경에 영향을 받는 온도를 이용하므로 그 검출 결과의 신뢰도 및 정밀도가 떨어지지는 문제점을 가진다.
이에, 본 발명자는 상기의 문제점을 해결하기 위해, 스위치로 충방전이 제어되는 배터리에 직렬 연결되는 저항을 구비하고, 비교기를 통해 스위치 양단의 전압차를 증폭시킨 출력 전압과 저항 양단의 전압차를 증폭시킨 출력 전압을 비교하여 스위치의 열화를 검출할 뿐만 아니라, 차동증폭기의 출력 전압이 동일하도록 저항의 저항값, 스위치 양단의 전압차를 증폭시키는 차동증폭기의 증폭율 및 저항 양단의 전압차를 증폭시키는 차동증폭기의 증폭율 중 하나 이상을 제어하고, 출력 전압이 동일한 시점의 저항의 저항값, 차동증폭기의 증폭율을 이용하여 스위치의 턴-온 저항값을 산출하는 스위치 열화 검출 장치 및 방법을 발명하기에 이르렀다.
한국공개특허 제10-2012-0059247호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 비교기를 통해 배터리의 충방전을 제어하는 스위치 양단의 전압차를 증폭시킨 출력 전압과 배터리와 직렬 연결된 저항 양단의 전압차를 증폭시킨 출력 전압을 비교하고, 비교기의 비교 결과에 근거하여 스위치의 열화를 검출함으로써, 스위치의 열화 검출 결과에 대한 신뢰도 및 정밀도가 향상된 정확한 검출 결과를 제공할 수 있는 스위치 열화 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 차동증폭기의 출력 전압이 동일하도록, 저항의 저항값, 스위치 양단의 전압차를 증폭시키는 차동증폭기의 증폭율 및 저항 양단의 전압차를 증폭시키는 차동증폭기의 증폭율 중 하나 이상을 제어하고, 출력 전압이 동일한 시점의 저항의 저항값, 차동증폭기의 증폭율을 이용하여 스위치의 턴-온 저항값을 산출할 수 있는 스위치 열화 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 스위치 열화 검출 장치는 스위치를 통해 충방전이 제어되는 배터리와 직렬 연결되는 저항; 상기 스위치 양단의 전압차를 증폭하여 제1 출력 전압으로 출력하는 제1 차동증폭기; 상기 저항 양단의 전압차를 증폭하여 제2 출력 전압으로 출력하는 제2 차동증폭기; 상기 제2 및 제2 출력 전압 간에 대소를 비교하는 비교기; 및 상기 비교기의 비교 결과에 근거하여 상기 스위치의 열화 여부를 판단하는 제어부;를 포함하여 구성된다.
상기 비교기는, 상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소 비교 결과, 상기 제1 출력 전압이 상기 제2 출력 전압을 초과하는 경우, 스위치 열화 신호를 출력할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 스위치 열화 신호를 수신하는 경우, 상기 스위치가 열화된 것으로 판단할 수 있다.
상기 비교기는, 상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소 비교 결과, 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압이 동일한 경우, 출력 전압 동일 신호를 출력할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 비교기로부터 상기 출력 전압 동일 신호가 출력되도록 상기 저항의 저항값, 상기 제1 및 제2 차동증폭기의 증폭율 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
상기 스위치 열화 검출 장치는 상기 비교기부로터 상기 출력 전압 동일 신호를 수신하는 경우, 상기 저항의 저항값, 상기 제1 및 제2 증폭기의 증폭율을 이용하여 상기 스위치의 턴-온 저항값을 산출하는 산출부;를 더 포함할 수 있다.
상기 산출부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 스위치의 턴-온 저항값을 산출할 수 있다.
<수학식>
Figure 112014095151864-pat00001
여기서, Rs = 스위치의 턴-온 저항값,
Rr = 저항의 저항값
G1 = 비교기가 출력 전압 동일 신호를 출력할 때, 제1 차동증폭기의 증폭율,
G2 = 비교기가 출력 전압 동일 신호를 출력할 때, 제2 차동증폭기의 증폭율
본 발명의 일 실시예에 따른, 스위치 열화 검출 방법은, 스위치를 통해 충방전이 제어되는 배터리에 직렬 연결되는 저항을 구비하는 단계; 제1 차동증폭기가 상기 스위치 양단의 전압차를 증폭하여 제1 출력 전압으로 출력하는 단계; 제2 차동증폭기가 상기 저항 양단의 전압차를 증폭하여 제2 출력 전압으로 출력하는 단계; 비교기가 상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소를 비교하는 단게; 및 제어부가 상기 비교기의 비교 결과에 근거하여 상기 스위치의 열화를 판단하는 단계;를 포함하여 구성된다.
상기 스위치 열화 검출 방법은, 상기 비교기가 상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소 비교 결과, 상기 제1 출력 전압이 상기 제2 출력 전압을 초과하는 경우, 스위치 열화 신호를 출력하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치 열화 검출 방법은, 상기 제어부가 상기 스위치 열화 신호를 수신하는 경우, 상기 스위치가 열화된 것으로 판단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치 열화 검출 방법은, 상기 비교기가 상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소 비교 결과, 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압이 동일한 경우, 출력 전압 동일 신호를 출력하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치 열화 검출 방법은, 상기 제어부가 상기 비교기로부터 상기 출력 전압 동일 신호가 출력되도록 상기 저항의 저항값, 상기 제1 및 제2 차동증폭기의 증폭율 중 하나 이상을 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치 열화 검출 방법은, 산출부가 상기 비교기부로터 상기 출력 전압 동일 신호를 수신하는 경우, 상기 저항의 저항값, 상기 제1 및 제2 증폭기의 증폭율을 이용하여 상기 스위치의 턴-온 저항값을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 산출부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 스위치의 턴-온 저항값을 산출할 수 있다.
<수학식>
Figure 112014095151864-pat00002
여기서, Rs = 스위치의 턴-온 저항값,
Rr = 저항의 저항값
G1 = 비교기가 출력 전압 동일 신호를 출력할 때, 제1 차동증폭기의 증폭율,
G2 = 비교기가 출력 전압 동일 신호를 출력할 때, 제2 차동증폭기의 증폭율
본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치 및 방법은 스위치 주변 온도에 영향을 받는 스위치의 온도를 이용하여 스위치의 열화를 검출하지 않고, 스위치 양단의 전압차 및 배터리와 직렬 연결된 저항 양단의 전압차를 각각 증폭 및 비교하여 스위치의 열화를 검출함으로써, 스위치의 열화 검출 결과에 대한 신뢰도 및 정밀도가 향상된 정확한 검출 결과를 제공하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 측정 시점을 동기화하여 측정된 스위치의 전압 및 전류를 이용하여 스위치의 턴-온 저항값을 산출하지 않고, 차동증폭기들의 출력 전압이 동일하도록 저항의 저항값 및 차동증폭기들의 증폭율 중 하나 이상을 제어하고, 출력 전압이 동일한 시점의 배터리와 직렬 연결된 저항의 저항값, 차동층폭기들의 증폭율만을 이용하여 스위치의 턴-온 저항값을 정확하게 산출하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 정확한 스위치 열화 검출 결과 및 스위치의 턴-온 저항값을 제공함으로써, 스위치의 과열로 인한 배터리 시스템의 손상 및 화재를 예방하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치가 적용될 수 있는 전기 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치가 스위치의 열화를 판단하는 순서를 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치가 스위치의 턴-온 저항값을 산출하는 순서를 도시한 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치가 적용될 수 있는 전기 차량을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치가 전기 차량에 적용된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치는 전기 차량 이외에도 모바일 기기, 에너지 저장 시스템 또는 무정전 전원 공급 장치 등 이차 전지 배터리가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.
전기 차량(1)은 배터리(10), BMS(Battery Management System, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 차량(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(10)는 모터(50) 또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리한다. 예컨대, 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(10)의 교체 시기 추정도 가능하다.
또한, BMS(20)는 후술되는 스위치 열화 검출 장치(도 2의 100)를 포함할 수 있다. 이러한 스위치 열화 검출 장치(100)에 의해 배터리(10)에 연결된 스위치(미도시)의 열화를 검출하여 배터리(10)가 소손되는 것을 방지할 수 있다.
ECU(30)는 전기 차량(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(Accelerator), 브레이크(Break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 전달받은 배터리(10)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(40)에 제어 신호를 보낸다.
인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 차량(1)를 구동한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치의 구성을 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 스위치 열화 검출 장치(100)는 저항(110), 제1 차동증폭기(120), 제2 차동증폭기(130), 비교기(140), 제어부(150) 및 산출부(160)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 스위치 열화 검출 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
저항(110)은 배터리(200)에 직렬 연결되고, 기 설정된 저항값을 갖는 저항 소자일 수 있다. 여기서, 기 설정된 저항값은 후술되는 스위치(300)의 열화를 검출하고 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)을 산출하기 위하여, 후술되는 제어부(150)를 통해 제어되는 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)의 임계값일 수 있다. 예를 들어, 기 설정된 저항값은 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)의 임계값인 1mΩ일 수 있다.
일 실시예에서, 저항(110)은 배터리(200)에 전력이 충전 또는 방전 시, 배터리(200)에 흐르는 전류를 모니터링하기 위한 전류 센서에 포함될 수 있으며, 예를 들어, 저항(110)은 저항값이 가변되는 가변 저항이거나 션트(Shunt) 저항일 수 있다.
한편, 일 실시예에서 저항(110)은 배터리(200)의 음극에 연결되는 것으로 도시되어 있지만, 배터리(200)와 연결되는한 저항(110)의 위치는 한정되지 않음을 유의한다.
상술된 배터리(200)는 그 종류는 특별히 한정되지 않으나 전기 차량, 하이브리드 차량, 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치 등에 사용되는 이차 전지 배터리일 수 있으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다.
배터리(200)에는 스위치(300)가 연결되어 배터리(200)로 유입되는 전류가 통전 또는 차단되며, 이러한 스위치(300) 또한 그 종류가 특별히 한정되지 않으나 배터리(200)의 충방전을 제어하기 위한 온/오프 스위치 또는 FET(Field Effect Transistor) 스위치, 배터리(200)를 과충전, 과방전 및 써지성 전류로부터 보호하기 위한 릴레이 스위치일 수 있다.
한편, 일 실시예에서 스위치(300)는 배터리(200)의 양극에 연결되는 것으로 도시되어 있지만, 배터리(200)와 연결되는한 스위치(300)의 위치는 한정되지 않음을 유의한다.
제1 차동증폭기(120)는 제1 반전 단자(-), 제1 비반전 단자(+), 제1 출력 단자(Vo) 및 가변 저항(미도시)을 포함할 수 있다. 이러한, 제1 차동증폭기(120)는 스위치(300)가 턴-온 되어 동작 상태가 온 상태인 경우, 스위치(300) 양단의 전압(V1, V2)을 각각 제1 반전 단자(-) 및 제1 비반전 단자(+)로 입력받고, 스위치(300) 양단의 전압차(V1-V2)를 증폭시켜 제1 출력 단자(Vo)로 제1 출력 전압(V3)을 출력하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 비반전 단자(+)는 스위치(300)의 양단 중 고전압 단자(V1)와 연결되고 제1 반전 단자(-)는 스위치(300)의 양단 중 저전압 단자(V2)와 연결되어 스위치(300)의 양단에 인가된 전압(V1, V2)을 입력받을 수 있다.
이어서, 제1 차동증폭기(120)는 제1 반전 단자(-) 및 제1 비반전 단자(+)로 입력된 스위치(300) 양단 전압(V1, V2)의 전압차(V1-V2)를 기 설정된 증폭율(G1)만큼 증폭시켜 제1 출력 단자(Vo)로 제1 출력 전압(V3)을 출력시킬 수 있다.
여기서, 기 설정된 증폭율(G1)은 제1 차동증폭기(120)에 포함된 가변 저항의 저항값에 따라 변화하는 값으로써, 후술되는 제어부(150)에 의해 제어되는 값이다.
상술된 제1 차동증폭기(120)를 통해 증폭되어 제1 출력 단자(Vo)로 출력되는 제1 출력 전압(V3)은 하기의 수학식 1과 같다.
<수학식 1>
Figure 112014095151864-pat00003
제2 차동증폭기(130)는 제2 반전 단자(-), 제2 비반전 단자(+), 제2 출력 단자(Vo) 및 가변 저항(미도시)을 포함할 수 있다. 이러한, 제2 차동증폭기(130)는 저항(110) 양단의 전압(V4, V5)을 각각 제2 반전 단자(-) 및 제2 비반전 단자(+)로 입력받고, 저항(110) 양단의 전압차(V4-V5)를 증폭시켜 제2 출력 단자(Vo)로 제2 출력 전압(V6)을 출력하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 비반전 단자(+)는 저항(110)의 양단 중 고전압 단자(V4)와 연결되고 제2 반전 단자(-)는 저항(110)의 양단 중 저전압 단자(V5)와 연결되어 저항(110)의 양단에 인가된 전압(V4, V5)을 입력받을 수 있다.
이어서, 제2 차동증폭기(130)는 제2 반전 단자(-) 및 제2 비반전 단자(+)로 입력된 저항(110) 양단 전압(V4, V5)의 전압차(V4-V5)를 기 설정된 증폭율(G2)만큼 증폭시켜 제2 출력 단자(Vo)로 제2 출력 전압(V6)을 출력시킬 수 있다.
여기서, 기 설정된 증폭율(G2)은 제2 차동증폭기(130)에 포함된 가변 저항의 저항값에 따라 변화하는 값으로써, 후술되는 제어부(150)에 의해 설정되는 값이다.
상술된 제2 차동증폭기(130)를 통해 증폭되어 제2 출력 단자(Vo)로 출력되는 제2 출력 전압(V6)은 하기의 수학식 2와 같다.
<수학식 2>
Figure 112014095151864-pat00004
비교기(140)는 제1 및 제2 차동증폭기(120, 130)로부터 각각 제1 및 제2 출력 전압(V3, V6)를 입력받아 제1 및 제2 출력 전압(V3, V6) 간에 대소를 비교하고, 비교 결과를 후술되는 제어부(150) 및 산출부(160)으로 송신하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 비교기(140)는 제2 입력 단자(-)로부터 입력된 전압을 기준으로 제1 및 제2 입력 단자(+, -)에 입력된 전압 간에 대소를 비교하고 비교 결과에 따른 신호를 제3 출력 단자(Vo)로 출력할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 비교기(140)의 제1 입력 단자(+)는 제1 차동증폭기(120)의 제1 출력 단자(Vo)와 연결되어 제1 출력 전압(V3)을 입력받고, 비교기(140)의 제2 입력 단자(-)는 제2 차동증폭기(130)의 제2 출력 단자(Vo)와 연결되어 제2 출력 전압(V6)을 입력받을 수 있다.
이어서, 비교기(140)는 제2 입력 단자(-)로부터 입력된 제2 출력 전압(V6)을 기준으로 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소를 비교하고, 제1 출력 전압이 제2 출력 전압을 초과하는 경우, 스위치 열화 신호를 제3 출력 단자(Vo)로 출력할 수 있으며, 제1 출력 전압과 제2 출력 전압이 동일한 경우, 출력 전압 동일 신호를 제3 출력 단자(Vo)로 출력할 수 있다.
여기서, 스위치 열화 신호는 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)이 임계값을 초과하여 스위치(300)의 열화 현상이 정상범위를 벗어났음을 알리는 전기적 신호일 수 있다. 또한, 출력 전압 동일 신호는 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)이 임계값과 동일함을 알리는 전기적 신호일 수 있다.
일 실시예에서, 비교기(140)로부터 출력되는 스위치 열화 신호는 양(+)의 전압 신호일 수 있으며, 출력 전압 동일 신호는 0V의 전압 신호일 수 있고, 비교기(140)의 비교 결과가 제1 출력 전압이 제2 출력 전압 미만인 경우 음(-)의 전압 신호를 출력할 수 있다.
상술된 저항(110)의 저항값(Rr), 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs) 및 비교기(140)의 비교 결과에 대한 상호 관계는 후술되는 제어부(150)을 통해 구체적으로 설명하도록 한다.
제어부(150)는 비교기(140)의 비교 결과에 근거하여 스위치(300)의 열화 여부를 판단하는 역할을 수행할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리(200), 스위치(300) 및 저항(110)이 직렬 연결되어 있으므로 스위치(300) 양단에 인가되는 전압(V1-V2)과 저항(110) 양단에 인가되는 전압(V4-V5)은 각각 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)과 저항(110)의 저항값(Rr)에 비례한다. 또한, 제1 및 제2 차동증폭기(120, 130)의 증폭율(G1, G2)이 동일한 경우 제1 및 제2 출력 전압(V3, V6) 또한 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)과 저항(110)의 저항값(Rr)에 각각 동일하게 비례한다.
따라서, 제어부(150)를 통해 제1 및 제2 차동증폭기(120, 130)의 증폭율(G1, G2)이 동일하게 제어되고, 저항(110)의 저항값(Rr)은 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)의 임계값으로 제어된 스위치 검출 장치(100)의 비교기(140)로부터 스위치 열화 신호가 출력되는 경우, 제어부(150)는 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)이 임계값을 초과하여 스위치(300)가 열화된 것으로 판단할 수 있다.
또한, 다른 실시예에서 제어부(150)는 제1 및 제2 차동증폭기(120, 130)의 증폭율(G1, G2)을 제어하지 않고, 제1 출력 전압(V3)이 기 설정된 전압값을 초과하는지 비교하여 스위치(300)의 열화 여부를 판단하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(150)는 기 설정된 전압값을 스위치(300)의 열화 여부를 판단하는 임계값으로 설정하여 제1 출력 전압(V3)과 기 설정된 전압값을 비교하고, 비교 결과 제1 출력 전압(V3)이 기 설정된 전압값을 초과하는 경우, 스위치(300)가 열화된 것으로 판단할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 산출부(160)에서 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)을 산출하기 위하여, 비교기(140)로부터 출력 전압 동일 신호가 출력되도록 저항(110)의 저항값(Rr), 제1 차동증폭기(120)의 증폭율(G1) 및 제2 차동증폭기(130)의 증폭율(G2) 중 어느 하나 이상을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
산출부(160)는 비교기(140)로부터 출력 전압 동일 신호를 수신하는 경우, 저항(110)의 저항값(Rr), 제1 및 제2 증폭기의 증폭율(G1, G2)을 이용하여 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)을 산출하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(150)가 비교기(140)로부터 출력 전압 동일 신호가 출력되도록 저항(110)의 저항값(Rr), 제1 차동증폭기(120)의 증폭율(G1) 및 제2 차동증폭기(130)의 증폭율(G2) 중 어느 하나 이상을 제어하는 경우, 제1 및 제2 차동증폭기(120, 130)로부터 출력되는 제1 및 제2 출력 전압(V3, V6)은 하기의 수학식 3과 같이 대등관계가 성립할 수 있다.
<수학식 3>
Figure 112014095151864-pat00005
또한, 배터리(200), 스위치(300) 및 저항(110)이 직렬 연결된 회로에 전류 I가 흐르는 경우, 하기의 수학식 4와 같이 스위치(300) 양단의 전압차(V1-V2)는 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)에 전류 I를 곱한 값이며, 저항(110) 양단의 전압차(V4-V5)는 저항(110)의 저항값(Rr)에 전류 I를 곱한 값일 수 있고, 양변의 전류 I는 소거될 수 있다.
<수학식 4>
Figure 112014095151864-pat00006
따라서, 산출부(160)는 출력 전압 동일 신호를 수신하는 경우, 제어부(150)로부터 저항(110)의 저항값(Rr) 및 제1 및 제2 차동증폭기(120, 130)의 증폭율(G1, G2)를 수신하여, 하기의 수학식 5를 통해 스위치(300)의 턴-온 저항값(Rs)을 산출할 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112014095151864-pat00007
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치가 스위치의 열화를 판단하는 순서를 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 스위치가 턴-온되어 스위치, 배터리 및 저항이 직렬 연결된 회로에 전류가 흐르고, 스위치의 턴-온 저항값과 저항의 저항값에 비례하여 스위치 및 저항 각각에 전압이 인가되게 된다.
스위치 양단에 인가된 전압은 제1 차동증폭기로 입력되고, 저항 양단에 인가된 전압은 제2 차동증폭기로 입력되게 된다(S401).
제1 차동증폭기는 스위치 양단의 전압차를 제1 차동증폭기의 증폭율로 증폭시켜 제1 출력 전압으로 출력시키고, 제2 차동증폭기는 저항 양단의 전압차를 제2 차동증폭기의 증폭율로 증폭시켜 제2 출력 전압으로 출력시키게 된다(S402).
비교기는 제1 및 제2 차동증폭기로부터 출력된 제1 및 제2 출력 전압을 입력받아 대소를 비교하고(S403), 제1 출력 전압이 제2 출력 전압을 초과하지 않는 경우, S401 단계로 돌아가게 된다(S404).
제1 출력 전압이 제2 출력 전압을 초과하는 경우, 비교기는 제어부로 스위치 열화 신호를 송신하게 되고(S405), 제어부는 비교기로부터 스위치 열화 신호를 수신하는 경우, 스위치가 열화된 것으로 판단하게 된다(S406).
이후, 제어부는 스위치의 열화 현상으로 인한 화재 및 배터리 시스템의 화재를 예방하기 위해, 스위치를 턴-오프시켜 전력을 차단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치가 스위치의 턴-온 저항값을 산출 검출하는 순서를 도시한 순서도이다.도 4를 참조하면, 먼저 스위치가 턴-온되어 스위치, 배터리 및 저항이 직렬 연결된 회로에 전류가 흐르고, 스위치의 턴-온 저항값과 저항의 저항값에 비례하여 스위치 및 저항 각각에 전압이 인가되게 된다.
스위치 양단에 인가된 전압은 제1 차동증폭기로 입력되고, 저항 양단에 인가된 전압은 제2 차동증폭기로 입력되게 된다(S501).
제1 차동증폭기는 스위치 양단의 전압차를 제1 차동증폭기의 증폭율로 증폭시켜 제1 출력 전압으로 출력시키고, 제2 차동증폭기는 저항 양단의 전압차를 제2 차동증폭기의 증폭율로 증폭시켜 제2 출력 전압으로 출력시키게 된다(S502).
비교기는 제1 및 제2 차동증폭기로부터 출력된 제1 및 제2 출력 전압을 입력받아 대소를 비교하고(S503), 제1 출력 전압이 제2 출력 전압과 동일하지 않는 경우, 비교기는 제어부로 신호를 송신하지 않고 제어부는 비교기로부터 출력 전압 동일 신호를 수신할 때까지 저항의 저항값, 제1 및 제2 차동 증폭기의 증폭율 중 하나 이상을 제어하게 된다(S505). 이후, S501 단계로 돌아간다(S504).
제1 출력 전압과 제2 출력 전압이 동일한 경우, 비교기는 제어부 및 산출부로 출력 전압 동일 신호를 송신하게 되고(S506), 산출부는 비교기로부터 출력 전압 동일 신호를 수신하는 경우, 제어부로부터 저항의 저항값, 제1 및 제2 차동 증폭기의 증폭율을 수신하고, 상술된 수학식 5를 이용하여 스위치의 턴-온 저항값을 산출하게 된다(S507).
이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 열화 검출 장치를 통해 스위치 주변의 온도 변화에 영향을 받지않고, 스위치에 흐르는 전류의 전류값을 측정하지 않고도 스위치의 턴-온 저항값을 산출할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 전기 차량 10 : 배터리
20 : BMS 30 : ECU
40 : 인버터 50 : 모터
100 : 스위치 열화 검출 장치
110 : 저항 120 : 제1 차동증폭기
130 : 제2 차동증폭기 140 : 비교기
150 : 제어부 160 : 산출부
200 : 배터리
300 : 스위치

Claims (14)

  1. 스위치를 통해 충방전이 제어되는 배터리와 직렬 연결되는 저항;
    상기 스위치 양단의 전압차를 증폭하여 제1 출력 전압으로 출력하는 제1 차동증폭기;
    상기 저항 양단의 전압차를 증폭하여 제2 출력 전압으로 출력하는 제2 차동증폭기;
    상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소를 비교하는 비교기;
    상기 비교기로부터 상기 출력 전압 동일 신호를 수신하는 경우, 하기 수학식을 이용하여 상기 스위치의 턴-온 저항값을 산출하는 산출부; 및
    상기 비교기의 비교 결과 및 상기 산출된 턴-온 저항값이 임계값을 초과하였는지 여부에 근거하여 상기 스위치의 열화 여부를 판단하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 장치.
    <수학식>
    Figure 112016093123559-pat00015

    여기서, Rs = 스위치의 턴-온 저항값,
    Rr = 저항의 저항값
    G1 = 비교기가 출력 전압 동일 신호를 출력할 때, 제1 차동증폭기의 증폭율,
    G2 = 비교기가 출력 전압 동일 신호를 출력할 때, 제2 차동증폭기의 증폭율
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소 비교 결과, 상기 제1 출력 전압이 상기 제2 출력 전압을 초과하는 경우, 스위치 열화 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스위치 열화 신호를 수신하는 경우, 상기 스위치가 열화된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 비교기는,
    상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소 비교 결과, 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압이 동일한 경우, 출력 전압 동일 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비교기로부터 상기 출력 전압 동일 신호가 출력되도록 상기 저항의 저항값, 상기 제1 및 제2 차동증폭기의 증폭율 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 스위치를 통해 충방전이 제어되는 배터리에 직렬 연결되는 저항을 구비하는 단계;
    제1 차동증폭기가 상기 스위치 양단의 전압차를 증폭하여 제1 출력 전압으로 출력하는 단계;
    제2 차동증폭기가 상기 저항 양단의 전압차를 증폭하여 제2 출력 전압으로 출력하는 단계;
    비교기가 상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소를 비교하는 단계;
    산출부가 상기 비교기로부터 상기 출력 전압 동일 신호를 수신하는 경우, 하기 수학식을 이용하여 상기 스위치의 턴-온 저항값을 산출하는 단계; 및
    제어부가 상기 비교기의 비교 결과 및 상기 산출된 턴-온 저항값이 임계값을 초과하였는지 여부에 근거하여 상기 스위치의 열화를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 방법.
    <수학식>
    Figure 112016093123559-pat00016

    여기서, Rs = 스위치의 턴-온 저항값,
    Rr = 저항의 저항값
    G1 = 비교기가 출력 전압 동일 신호를 출력할 때, 제1 차동증폭기의 증폭율,
    G2 = 비교기가 출력 전압 동일 신호를 출력할 때, 제2 차동증폭기의 증폭율
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비교기가 상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소 비교 결과, 상기 제1 출력 전압이 상기 제2 출력 전압을 초과하는 경우, 스위치 열화 신호를 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 스위치 열화 신호를 수신하는 경우, 상기 스위치가 열화된 것으로 판단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 비교기가 상기 제1 및 제2 출력 전압 간에 대소 비교 결과, 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압이 동일한 경우, 출력 전압 동일 신호를 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 비교기로부터 상기 출력 전압 동일 신호가 출력되도록 상기 저항의 저항값, 상기 제1 및 제2 차동증폭기의 증폭율 중 하나 이상을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스위치 열화 검출 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
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