JP2016535562A - バッテリー管理システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、少ないオプトカプラを使用して製造コストを低減できるバッテリー管理システムに関する。本発明によるバッテリー管理システムは、平常時ターンオフ状態を維持するように制御される。そして、直列に接続されたスイッチは、いずれか一つがターンオンする場合、ターンオンしたスイッチの後方に接続されているスイッチが連続的にターンオンされるように接続される。最後に接続されているスイッチのターンオンにより、オプトカプラをターンオンさせるスイッチがターンオンされる。その結果、オプトカプラがターンオンされ、バッテリー管理装置は外部装置に情報を伝達することができる。

Description

本発明は、バッテリー管理システムに関し、より詳しくは、オプトカプラの使用を減らして製造コストを低減できるバッテリー管理システムに関する。
本出願は、2013年9月24日出願の韓国特許出願第10−2013−0113325号及び2014年9月17日出願の韓国特許出願第10−2014−0123697号に基づく優先権を主張するものであり、該当韓国出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
製品群毎の適用性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車(EV;Electric Vehicle)またはハイブリッド自動車(HV;Hybrid Vehicle)、電力貯蔵装置(Energy Storage System)などに普遍的に用いられている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点で環境にやさしく、エネルギー効率向上のための新たなエネルギー源として注目されている。
前記電気自動車などに適用されるバッテリーパックは、高出力を得るために、複数の単位セル(cell)を含む多数のバッテリーアセンブリを直列に接続した構造を有している。そして、前記単位セルは、正極及び負極集電体、セパレータ、活物質、電解液などを含み、構成要素間の電気化学的反応によって繰り返して充放電することができる。
このような基本的な構造に加えて、前記バッテリーパックには、モーターなどの駆動負荷に対する電力供給の制御、電流または電圧などの電気的特性値の測定、充放電制御、電圧の平滑化(equalization)制御、SOC(State Of Charge)などを推定するためのアルゴリズムが適用され、二次電池の状態をモニタリングし制御するBMU(Battery Management Unit)などがさらに含まれて構成される。
一方、近来、エネルギー貯蔵源としての活用を含めて大容量構造に対する要求が高まるとともに、多数のバッテリーが直列及び/または並列に接続された多数のバッテリーモジュールを集合させたマルチモジュール構造のバッテリーパックに対する需要が増加している。
このようなマルチモジュール構造のバッテリーパックは、多数のバッテリーを含むので、一つのBMUを使用して全てのバッテリーの充放電状態を制御するには限界がある。したがって、近年は、バッテリーパックに含まれているバッテリーモジュール毎にBMUを装着し、BMS(Battery Management System)を構成する技術が用いられている。
このようなマルチモジュール構造のバッテリーパックは、一般に高い動作電圧を有するので、前記BMSに接続された外部装置は電気的に絶縁する必要がある。
韓国特許出願公開第10−2011−0027189号明細書(特許文献1)には、BMSに接続された外部装置を電気的に絶縁する方法が開示されている。
図1は、従来技術によるBMSと外部装置との絶縁方法を示した回路図である。
図1を参照すれば、バッテリーパックPの信号出力端子に多数のオプトカプラ1−#1〜1−#Nを接続して外部装置Exにそれぞれ情報を伝送しながら、バッテリーパックPと外部装置Exとを電気的に絶縁している。このような従来技術によれば、バッテリーパックのBMSと外部装置との情報伝達のためには多くのオプトカプラが必要となる。言い換えれば、必要なオプトカプラの個数はBMSの出力端子の数に比例して増加するようになる。しかしながら、オプトカプラは一般的な電気素子に比べて比較的に高価の電気素子であるので、それぞれの出力端子毎にオプトカプラを1つずつ設けることは経済的ではない。
したがって、BMSの製造コストを低減させると同時に、BMSと外部装置とを絶縁することができる方法が求められている。
韓国特許出願公開第2011−0027189号明細書
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、オプトカプラの使用を減らして製造コストを低減させるとともに、外部装置とバッテリー管理システムとの絶縁状態を維持して、外部装置に情報又は信号を効果的に伝達できるバッテリー管理システムを提供することを目的とする。
上記の課題を達成するために、本発明の一態様によるバッテリー管理システムは、2以上のバッテリーアセンブリが順次接続されたバッテリーパックを管理するバッテリー管理システムであって、可変電圧を出力する第1端子及び一定電圧を出力する第2端子を備え、前記バッテリーアセンブリ毎に備えられた2以上のバッテリー管理装置と、前記バッテリー管理装置毎に備えられ、前記第1端子と前記第2端子との間に接続されて前記第1端子から出力される可変電圧によって選択的にターンオン又はターンオフされる、互いに順次接続された2以上のスレイブスイッチ部と、前記バッテリー管理装置の情報を外部装置に伝達する情報伝達部とを含み、前記スレイブスイッチ部は、前記スレイブスイッチ部のうち、外部装置に情報を伝達しようとするバッテリー管理装置に備えられたスレイブスイッチ部がターンオンすれば、前記スレイブスイッチ部のうち、末端に備えられた末端スレイブスイッチ部の方向に順次ターンオンされて、前記情報伝達部が前記外部装置に情報を伝達できるように情報伝達経路を形成することができる。
前記スレイブスイッチ部は、バイポーラ接合トランジスタを備えることができる。
前記バイポーラ接合トランジスタは、NPN型バイポーラ接合トランジスタであり、前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのベースは、前記バッテリー管理装置の前記第2端子に接続され、前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタは、前記バッテリー管理装置の前記第1端子に接続され、前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、順次接続された隣接したスレイブスイッチ部に備えられたNPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタと前記隣接したスレイブスイッチ部が備えられたバッテリー管理装置の第1端子とを接続する線路上に形成された接続ノードに接続され得る。
前記バッテリー管理システムは、前記情報伝達部と前記末端スレイブスイッチ部との間に接続され、前記末端スレイブスイッチ部のターンオンによってターンオンされるマスタースイッチ部をさらに含むことができる。
前記末端スレイブスイッチ部に備えられたNPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、前記マスタースイッチ部に接続され、前記マスタースイッチ部は、前記末端スレイブスイッチ部がターンオンして前記末端スレイブスイッチ部に備えられた前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタに電流が流れれば、ターンオンされ得る。
前記マスタースイッチ部は、バイポーラ接合トランジスタを備えることができる。
前記マスタースイッチ部は、PNP型バイポーラ接合トランジスタを備え、前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのベースは、前記末端スレイブスイッチ部に備えられた前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタに接続され得る。
前記マスタースイッチ部に備えられた前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタは、前記末端スレイブスイッチ部を備える前記バッテリー管理装置の前記第2端子に接続され得る。
前記マスタースイッチ部に備えられた前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、前記情報伝達部の一端に接続され得る。
前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのベースと前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタとを接続する線路上には、キャパシタが備えられ得る。
前記接続ノードと前記第1端子とを接続する線路上には、前記接続ノードから前記第1端子に電流が流れる方向でダイオードが備えられ得る。
前記末端スレイブスイッチ部は、前記バッテリーアセンブリのうち最高電位を有するバッテリーアセンブリを管理するバッテリー管理装置に備えられ得る。
前記バイポーラ接合トランジスタは、PNP型バイポーラ接合トランジスタであり、前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのベースは、前記バッテリー管理装置の前記第1端子に接続され、前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタは、前記バッテリー管理装置の前記第2端子に接続され、前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、順次接続された隣接したスレイブスイッチ部に備えられたPNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタと前記隣接したスレイブスイッチ部が備えられたバッテリー管理装置の第2端子とを接続する線路上に形成された接続ノードに接続され得る。
前記バッテリー管理システムは、前記情報伝達部と前記末端スレイブスイッチ部との間に接続され、前記末端スレイブスイッチ部のターンオンによってターンオンされるマスタースイッチ部をさらに含むことができる。
前記末端スレイブスイッチ部に備えられたPNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、前記マスタースイッチ部に接続され、前記マスタースイッチ部は、前記末端スレイブスイッチ部がターンオンして前記末端スレイブスイッチ部に備えられた前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタに電流が流れれば、ターンオンされ得る。
前記マスタースイッチ部は、バイポーラ接合トランジスタを備えることができる。
前記マスタースイッチ部は、NPN型バイポーラ接合トランジスタを備え、前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのベースは、前記末端スレイブスイッチ部に備えられた前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタに接続され得る。
前記マスタースイッチ部に備えられた前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタは、前記末端スレイブスイッチ部を備える前記バッテリー管理装置の前記第2端子に接続され得る。
前記マスタースイッチ部に備えられた前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、前記情報伝達部の一端に接続され得る。
前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのベースと前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタとを接続する線路上には、キャパシタが備えられ得る。
前記接続ノードと前記第2端子とを接続する線路上には、前記第2端子から前記接続ノードに電流が流れる方向でダイオードが備えられ得る。
前記末端スレイブスイッチ部は、前記バッテリーアセンブリのうち最低電位を有するバッテリーアセンブリを管理するバッテリー管理装置に備えられ得る。
前記スレイブスイッチ部は、前記第1端子が出力する可変電圧が前記第2端子が出力する一定電圧よりも低ければ、ターンオンされる。
前記情報伝達部は、前記外部装置に情報を伝達するものの、前記情報伝達部と前記外部装置とを絶縁するオプトカプラであり得る。
上記の課題を達成するために、本発明の別の態様によるバッテリーパックは、上述したバッテリー管理システムを含むことができる。
上記の課題を達成するために、本発明のさらに別の態様によるバッテリー駆動システムは、前記バッテリーパックと、前記バッテリーパックから電力の供給を受ける負荷とを含むことができる。
本発明によれば、オプトカプラを使用して外部装置とバッテリー管理システムとの絶縁状態を維持することができる。特に、本発明によれば、少ないオプトカプラを使用しながらも、バッテリー管理装置の情報を外部装置に効果的に伝達することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものであるので、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
従来技術によるBMSと外部装置との絶縁方法を示した回路図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムの構成を概略的に示した回路図である。 本発明の別の実施形態によるバッテリー管理システムの構成を概略的に示した回路図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は、通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想の全てを代弁するものではないので、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図2は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムの構成を概略的に示した回路図である。
図2を参照すれば、本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムは、2以上のバッテリー管理装置20−#1〜20−#N、2以上のスレイブスイッチ部30−#1〜30−#N、情報伝達部50、及びマスタースイッチ部40を含む。
また、本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムは、2以上のバッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nが電気的に接続されたバッテリーパックPを管理する。ここで、2以上のバッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nは順次接続される。すなわち、2以上のバッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nは互いに直列に接続され得る。言い換えれば、図2に示されたように、最低電位を有するバッテリーアセンブリ10−#1から最高電位を有するバッテリーアセンブリ10−#Nまで、2以上のバッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nが順次接続され得る。一方、ここで、「順次」とは、必ずしも低電位から高電位の方向を意味せず、高電位から低電位の方向に接続されることも含む。
前記バッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nは、単一の二次電池セル11または二次電池セル11の集合体を意味し、前記二次電池セル11の集合体は、直列、並列、または直並列に接続された二次電池セル11で構成され得る。
ここで、前記二次電池セル11の種類は特に限定されない。それぞれの二次電池セル11は、再充電自在であって、充電または放電電圧を考慮してリチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などで構成できる。また、前記二次電池セル11の個数は、求められる出力電圧または充電容量に応じて多様に設定することができる。しかしながら、本発明が二次電池セル11の種類、出力電圧、充電容量などによって限定されることはない。また、図2には前記二次電池セル11が全て直列に接続された実施形態を示したが、本発明が前記二次電池セル11の接続方法によって制限されることはない。
前記バッテリー管理装置20−#1〜20−#Nは、前記バッテリーアセンブリ10−#1〜10−#N毎に備えられて、バッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nを管理することができる。すなわち、前記バッテリー管理装置20−#1〜20−#Nは、前記バッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nと同様に2以上が備えられる。前記バッテリー管理装置は、前記バッテリーアセンブリ毎に少なくとも一つが備えられ、該当バッテリーアセンブリを管理することができる。一例として、図2に示されたように、前記バッテリー管理装置20−#1〜20−#Nは、前記バッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nに対応する個数が備えられる。したがって、第1バッテリー管理装置20−#1は第1バッテリーアセンブリ10−#1を管理し、第2バッテリー管理装置20−#2は第2バッテリーアセンブリ10−#2を管理し、第Nバッテリー管理装置20−#Nは第Nバッテリーアセンブリ10−#Nを管理することができる。
具体的には、前記バッテリー管理装置20は、自身が管理するバッテリーアセンブリ10に含まれた各二次電池セル11の電圧または電流を含む電気的特性値の測定、充放電制御、電圧の平滑化制御、SOCの推定などを含む多様な制御機能を行うことができる。
また、前記バッテリー管理装置20は、外部装置60から自身が管理するバッテリーアセンブリ10の充放電に関連する制御信号を受信し、自身が管理するバッテリーアセンブリ10の状態に関連する情報などを外部装置60に送信することができる。本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムは、前記2以上のバッテリー管理装置20−#1〜20−#Nが一つの情報伝達部50を通じて自身が管理するバッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nの状態に関連する情報などを外部装置60に伝達することができる。
また、前記バッテリー管理装置20は、第1端子21及び第2端子22を備えることができる。ここで、前記第1端子21は、可変電圧を出力することができる。一例として、前記第1端子21は、外部装置60に情報を伝達しない場合は高い電圧を出力し、外部装置60に情報を伝送しようとする場合は低い電圧を出力することができる。ここで、「高い」、「低い」とは、絶対的な意味で使用されるが、後述する第2端子22が出力する一定電圧の大きさを基準に、相対的な意味で使用されることもある。すなわち、第2端子22が出力する一定電圧と相対的に比べて第1端子21が出力する可変電圧が高い場合、前記可変電圧は高い電圧であると表すことができ、逆に、第2端子22が出力する一定電圧と相対的に比べて第1端子21が出力する可変電圧が低い場合、前記可変電圧は低い電圧であると表すことができる。
前記第2端子22は、一定電圧を出力することができる。上述したように、前記「一定電圧」とは、前記第1端子21で相対的に低い電圧を出力するとき、スレイブスイッチ部30をターンオンできる電圧値であり得る。一例として、前記第2端子22から出力される一定電圧値は5Vであり得る。しかしながら、前記第2端子22から出力される電圧値は、前記スレイブスイッチ部30のターンオン及びターンオフを制御するために、前記第1端子21から出力される高い電圧値と連携して設定され得ることを理解しなければならない。
一例として、前記バッテリー管理装置20は、集積回路(IC)として具現でき、前記第1端子21はシグナルピンであり、第2端子22はパワーピンであり得る。
一方、前記バッテリー管理装置20は、前記第2端子22が一定電圧を出力できるよう、レギュレーター(regulator)を含むことができる。レギュレーターとは、回路に一定電圧を提供する装置であって、このようなレギュレーターは、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者には既知の装置であるので、詳細な説明は省略する。
前記情報伝達部50は、外部装置60に情報を伝達することができる。具体的には、前記情報伝達部50は、2以上のバッテリー管理装置20−#1〜20−#Nのうち外部装置60に情報を伝達しようとするバッテリー管理装置の情報を外部装置60に伝達することができる。このとき、前記情報伝達部50は、スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nが順次ターンオンされることで形成される情報伝達経路を通じてバッテリー管理装置の情報を外部装置に伝達することができる。
望ましくは、前記情報伝達部50は、オプトカプラ(opto−coupler)であり得る。
オプトカプラとは、発光源(入力)と光検出器(出力)とからなるスイッチング素子である。一般に、発光源としては、赤外線発光ダイオード(LED)が使用され、光検出器としては、光を受ければターンオンされるフォトダイオードやフォトトランジスタが使用される。したがって、入力側inに電流を流せば、発光源で光を発散し、出力側out素子であるフォトダイオードやフォトトランジスタがターンオンする。すなわち、電気的カップリングではなく、光によってターンオンまたはターンオフするスイッチング素子である。したがって、前記オプトカプラOCは、外部装置60に情報または信号を伝達すると共に、バッテリー管理システムと外部装置60とを絶縁することができる。
前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは、前記バッテリー管理装置20−#1〜20−#N毎に備えられる。すなわち、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは、2以上が備えられ、それぞれのバッテリー管理装置20−#1〜20−#N毎に少なくとも一つが備えられる。
このとき、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは、それぞれのバッテリー管理装置20−#1〜20−#N毎に備えられ、前記第1端子21と第2端子22と間に接続され得る。前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは、第1端子21から出力される可変電圧によって選択的にターンオン又はターンオフされ得る。
また、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは、互いに順次接続される。すなわち、図2に示されたように、第1スレイブスイッチ部30−#1は第2スレイブスイッチ部30−#2に接続され、第2スレイブスイッチ部30−#2は第3スレイブスイッチ部30−#3に接続され、第N−1スレイブスイッチ部30−#N−1は第Nスレイブスイッチ部30−#Nに接続され得る。
そして、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nのうちいずれか一つのスレイブスイッチ部がターンオンすれば、順次ターンオンされる。より具体的には、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nのうちいずれか一つのスレイブスイッチ部がターンオンすれば、末端スレイブスイッチ部30−#Nの方向に順次または連鎖的にターンオンされる。
ここで、末端スレイブスイッチ部とは、スレイブスイッチ部のうち最も末端に備えられたスレイブスイッチ部30−#Nを意味する。すなわち、末端スレイブスイッチ部は、情報伝達部50と隣接したスレイブスイッチ部30−#Nを意味する。すなわち、図2の実施形態において、前記末端スレイブスイッチ部30−#Nは、最高電位バッテリーアセンブリ10−#Nを管理するバッテリー管理装置20−#Nに備えられたスレイブスイッチ部30−#Nである。
このように、スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは、外部装置60に情報を伝達しようとするバッテリー管理装置に備えられたスレイブスイッチ部がターンオンすれば、末端スレイブスイッチ部30−#Nの方向に順次ターンオンされ、情報伝達部50にバッテリー管理装置の情報を伝達できるように情報伝達経路を形成することができる。
望ましくは、前記バッテリー管理システムは、前記情報伝達部50と前記末端スレイブスイッチ部30−#Nとの間に接続されたマスタースイッチ部40をさらに含むことができる。
前記マスタースイッチ部40は、前記情報伝達部50と前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nとの間に備えられ得る。より具体的には、前記マスタースイッチ部40は、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nのうち末端に備えられた末端スレイブスイッチ部30−#Nと前記情報伝達部50との間に備えられ、前記末端スレイブスイッチ部30−#N及び前記情報伝達部50に直接接続され得る。
また、前記マスタースイッチ部40は、前記末端スレイブスイッチ部30−#Nのターンオンによってターンオンするように構成される。
したがって、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nのうちいずれか一つのスレイブスイッチ部がターンオンすれば、ターンオンした前記いずれか一つのスレイブスイッチ部から末端スレイブスイッチ部30−#Nの方向にスレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nが順次ターンオンされる。その結果、末端スレイブスイッチ部30−#Nもターンオンされれば、マスタースイッチ部40もターンオンし、情報伝達部50が外部装置60に情報を伝達できるようになる。
以下、このような動作を実現できる具体的な実施形態について説明する。
前記スレイブスイッチ部は、バイポーラ接合トランジスタ(BJT;Bipolar Junction Transistor)を備えることができる。すなわち、スレイブスイッチ部は、バイポーラ接合トランジスタをスイッチング素子として使用することができる。
一例として、前記スレイブスイッチ部は、NPN型バイポーラ接合トランジスタを備えることができる。すなわち、図2に示されたように、前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは、NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#1〜30N−#Nで具現することができる。
前記NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#1〜30N−#Nは、3つの端子を備えることができる。すなわち、NPN型バイポーラ接合トランジスタは、ベースB、エミッタE、及びコレクタCの3つの端子を備えることができる。前記NPN型バイポーラ接合トランジスタは、ベースBに電流が入力されれば、エミッタEとコレクタCとの間に電流が流れるようにターンオンされる。
このようなNPN型バイポーラ接合トランジスタは、それぞれのバッテリー管理装置20−#1〜20−#N毎に備えられる。このとき、ベースBは、前記バッテリー管理装置の第2端子22に接続され、エミッタEは、前記バッテリー管理装置の第1端子21に接続され得る。そして、コレクタCは、隣接したスレイブスイッチ部に備えられたNPN型バイポーラ接合トランジスタに接続され得る。より具体的には、前記コレクタCは、隣接したスレイブスイッチ部に備えられたNPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタEと前記隣接したスレイブスイッチ部が備えられたバッテリー管理装置の第1端子21とを接続する線路上に形成された接続ノードnsに接続され得る。結果的に、前記接続ノードnsを通じてNPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタCと、隣接したNPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタEと、隣接したスレイブスイッチ部が備えられたバッテリー管理装置の第1端子21とが互いに接続され得る。
具体的に、図2を再度参照して説明する。
まず、図2の第2スレイブスイッチ部30−#2を見れば、前記第2スレイブスイッチ部30−#2は、第2NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#2を備え、前記第2NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#2は、ベースB、エミッタE、及びコレクタCを備えている。前記ベースBは、第2バッテリー管理装置20−#2の第2端子22に接続される。そして、前記エミッタEは、第2バッテリー管理装置20−#2の第1端子21に接続される。そして、前記コレクタCは、第2スレイブスイッチ部30−#2と第3スレイブスイッチ部30−#3との間の接続ノードnsに接続される。このような接続ノードnsには、前記コレクタCと、隣接したNPN型バイポーラ接合トランジスタである第3NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#3のエミッタEと、隣接したスレイブスイッチ部である第3スレイブスイッチ部30−#3が備えられた第3バッテリー管理装置20−#3の第1端子21とが接続されている。
このような方式でスレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nは互いに接続され、いずれか一つのスレイブスイッチ部がターンオンすれば、他のスレイブスイッチ部が順次ターンオンされる。例えば、第2バッテリー管理装置20−#2の第1端子21から出力される可変電圧が第2端子22から出力される一定電圧よりも低い場合を想定してみる。前記第2端子22の電圧が前記第1端子21の電圧よりも高いので、第2NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#2のベースBに電流が流れ、これにより第2NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#2のエミッタEとコレクタCとの間に電流が流れるようになる。したがって、第2スレイブスイッチ部30−#2はターンオンされる。
一方、第2スレイブスイッチ部30−#2のエミッタEとコレクタCとの間に電流が流れることで、第3NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#3のベースBに電流が流れるようになる。これにより、第3NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#3のエミッタEとコレクタCとの間に電流が流れるようになる。したがって、第3スレイブスイッチ部30−#3もターンオンされる。
このような方法で、第4スレイブスイッチ部30−#4ないし第N−1スレイブスイッチ部30−#N−1、及び末端スレイブスイッチ部である第Nスレイブスイッチ部30−#Nが連鎖的にターンオンされる。したがって、第2バッテリー管理装置20−#2が外部装置60に情報を伝達する情報伝達経路を形成することができる。
一方、上述したように、情報伝達部50と末端スレイブスイッチ部30−#Nとの間にマスタースイッチ部40を接続することができる。このとき、前記マスタースイッチ部40は、前記末端スレイブスイッチ部30−#Nに備えられるNPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#NのコレクタCに電流が流れれば、ターンオンされるように具現され得る。
そして、前記マスタースイッチ部40も前記スレイブスイッチ部30と同様にバイポーラ接合トランジスタで具現され得る。一例として、前記マスタースイッチ部40はPNP型バイポーラ接合トランジスタを備えることができる。
前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのベースは、末端スレイブスイッチ部に備えられたNPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタに接続され、末端スレイブスイッチ部がターンオンすれば、前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのベースから電流が流れて、PNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタとコレクタとの間に電流が流れるように具現される。
より具体的には、図2に示されたように、マスタースイッチ部40に備えられるPNP型バイポーラ接合トランジスタ40PのエミッタEは、前記末端スレイブスイッチ部30−#Nを備えた第Nバッテリー管理装置20−#Nの第2端子22に接続され、前記マスタースイッチ部40に備えられるPNP型バイポーラ接合トランジスタ40PのコレクタCは、情報伝達部50の一端に接続される。より詳しくは、前記コレクタCは、情報伝達部50の入力側in高電位端子と電気的に接続される。
以下、図2を参照してマスタースイッチ部40がPNP型バイポーラ接合トランジスタ40Pで具現された実施形態の動作について説明する。
例えば、第2バッテリー管理装置20−#2が情報を伝送しようとする場合を想定してみる。この場合、第2バッテリー管理装置20−#2の第1端子21は、第2端子22が出力する一定電圧よりも低い電圧を出力する。第2端子22の電圧が第1端子21の電圧よりも高いので、第2NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#2のベースBに電流が流れ、これにより第2NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#2のエミッタEとコレクタCとの間に電流が流れるようになる。したがって、第2スレイブスイッチ部30−#2はターンオンされる。
一方、第2NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#2のエミッタEとコレクタCとの間に電流が流れるので、第3NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#3のベースBに電流が流れるようになる。これにより、第3NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#3のエミッタEとコレクタCとの間に電流が流れるようになる。したがって、第3スレイブスイッチ部30−#3もターンオンされる。
このような方法で、第4スレイブスイッチ部30−#4ないし第N−1スレイブスイッチ部30−#N−1、及び末端スレイブスイッチ部である第Nスレイブスイッチ部30−#Nが連鎖的にターンオンされる。末端スレイブスイッチ部である第Nスレイブスイッチ部30−#Nがターンオンすれば、第N NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#NのエミッタEとコレクタCとの間に電流が流れるようになる。したがって、第N NPN型バイポーラ接合トランジスタ30N−#NのコレクタCに接続されたマスタースイッチ部40のPNP型バイポーラ接合トランジスタ40PのベースBに電流が流れるようになる。その結果、PNP型バイポーラ接合トランジスタ40PのエミッタEとコレクタCとの間に電流が流れ、PNP型バイポーラ接合トランジスタ40PのコレクタCに接続されたオプトカプラOCに電流が流れるようになる。
一方、図2において、前記オプトカプラの他端は、第N−1バッテリーアセンブリ10−#N−1の下端に接続されているが、本発明のオプトカプラOCの接続構成がこれに限定されることはない。これはマスタースイッチ部を構成するPNP型バイポーラ接合トランジスタ40PとオプトカプラOCとの耐圧を考慮して設定されたものであり、他の方式で前記オプトカプラOCの他端が接続され得ることは勿論である。
上述したように、スレイブスイッチ部30及びマスタースイッチ部40がターンオンすれば、バッテリー管理装置20は、自身が管理するバッテリーアセンブリ10に関する情報をオプトカプラOCを用いて外部装置60に伝送することができる。例えば、バッテリー管理装置20は、自身が管理するバッテリーアセンブリ10に過充電による爆発のような危険状況が発生すれば、前記外部装置60に情報を伝達することができる。
一方、本明細書において、前記スレイブスイッチ部30と前記マスタースイッチ部40とを区分するために、「マスター」及び「スレイブ」との用語を用いたが、前記マスタースイッチ部40が前記スレイブスイッチ部30に制御(命令)信号を伝達する関係を意味するものではない。
望ましくは、スレイブスイッチ部30に備えられたNPN型バイポーラ接合トランジスタ30NのベースBとエミッタEとの間に、キャパシタcapが備えられ得る。すなわち、前記ベースBとエミッタEとを接続する線路上にキャパシタcapが備えられ得る。このようなキャパシタcapは、スレイブスイッチ部30に備えられたNPN型バイポーラ接合トランジスタ30Nの動作の際、ノイズによる誤動作を低減させる役割をする。すなわち、前記キャパシタcapは、電圧バッファーの役割をして、前記複数のスレイブスイッチ部30−#1〜30−#N及びマスタースイッチ部40のターンオン及びターンオフ動作が安定的に行われるようにする。
また望ましくは、接続ノードnsと第1端子21とを接続する線路上には、ダイオードDが備えられ得る。このとき、前記ダイオードDは、図2に示されたように、前記接続ノードnsから前記第1端子21に電流が流れる方向で備えられ得る。このようなダイオードDは、第1端子21に電流が流れ込むことを防止し、バッテリー管理装置20の損傷を防止する役割をする。例えば、高電位端の第1端子から低電位端の第1端子に電流が流れ、バッテリー管理装置20が損傷されることがあるが、前記ダイオードDはこのような電流の流れを防止することができる。
また、前記マスタースイッチ部40も、動作安定化のためにキャパシタcapを備えることができ、素子の損傷を防止するためにダイオードDを備えることができる(図2参照)。
外にも、本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムは、過電流防止のために保護抵抗Rをさらに含むことができる。
以上、NPN型バイポーラ接合トランジスタで構成されたスレイブスイッチ部について説明した。以下、本発明の別の実施形態によるバッテリー管理システムについて説明する。一方、本発明の別の実施形態によるバッテリー管理システムには、上述した本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムについての説明がそのまま適用され得るので、繰り返される部分の説明は省略する。
本発明の別の実施形態によるバッテリー管理システムは、PNP型バイポーラ接合トランジスタで構成されたスレイブスイッチ部を含むことができる。
図3は、本発明の別の実施形態によるバッテリー管理システムの構成を概略的に示した回路図である。
図3を参照すれば、本発明の別の実施形態によるバッテリー管理システムは、スレイブスイッチ部30のターンオン順番が上述した本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムと逆である。すなわち、本発明の別の実施形態によれば、高電位端のスレイブスイッチ部30−#1が先にターンオンし、低電位端方向に順次スレイブスイッチ部がターンオンされる。
前記スレイブスイッチ部30は、PNP型バイポーラ接合トランジスタ30Pを備える。前記PNP型バイポーラ接合トランジスタ30PのベースBは、バッテリー管理装置20の第1端子21に接続される。そして、前記PNP型バイポーラ接合トランジスタ30PのエミッタEは、前記バッテリー管理装置20の第2端子22に接続される。そして、前記PNP型バイポーラ接合トランジスタ30PのコレクタCは、順次接続された隣接したスレイブスイッチ部30に備えられるPNP型バイポーラ接合トランジスタ30PのエミッタEと前記隣接したスレイブスイッチ部30が備えられたバッテリー管理装置20の第2端子22とを接続する線路上に形成された接続ノードnsに接続される。
そして、前記接続ノードnsと前記第2端子22とを接続する線路上には、ダイオードDが接続されている。ここで、前記ダイオードDは、前記第2端子22から前記接続ノードnsに電流が流れる方向で備えられる。
一方、図3には示されていないが、PNP型バイポーラ接合トランジスタ30PのベースBとエミッタEとを接続する線路上には、キャパシタが備えられ得る。
前記スレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nのうち末端スレイブスイッチ部30−#Nは、前記バッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nのうち最低電位を有するバッテリーアセンブリ10−#Nを管理するバッテリー管理装置20−#Nに備えられている。そして、前記末端スレイブスイッチ部30−#Nは、マスタースイッチ部40に接続され、前記マスタースイッチ部40は、前記末端スレイブスイッチ部30−#Nのターンオンによってターンオンされるように構成されている。
より具体的には、本発明の別の実施形態によるバッテリー管理システムの場合、前記マスタースイッチ部40は、NPN型バイポーラ接合トランジスタ40Nを備える。前記NPN型バイポーラ接合トランジスタ40NのベースBは、前記末端スレイブスイッチ部30−#Nに備えられるPNP型バイポーラ接合トランジスタ30P−#NのコレクタCに接続される。そして、前記NPN型バイポーラ接合トランジスタ40NのエミッタEは、前記末端スレイブスイッチ部30−#Nを備える前記バッテリー管理装置20−#Nの第2端子22に接続される。そして、前記NPN型バイポーラ接合トランジスタ40NのコレクタCは、オプトカプラOCで具現された情報伝達部50の一端と第1バッテリー管理装置の下端(低電位端)とに接続される。
このとき、オプトカプラOCとNPN型バイポーラ接合トランジスタ40NのコレクタCとは、PNP型バイポーラ接合トランジスタ40Pを介して接続される。すなわち、本発明の別の実施形態によるバッテリー管理システムのマスタースイッチ部40は、PNP型バイポーラ接合トランジスタ40PとNPN型バイポーラ接合トランジスタ40Nとの組合せで構成される。前記マスタースイッチ部40を構成するPNP型バイポーラ接合トランジスタ40PのベースBは、前記NPN型バイポーラ接合トランジスタ40NのコレクタCに接続されている。したがって、NPN型バイポーラ接合トランジスタ40Nがターンオンし、NPN型バイポーラ接合トランジスタ40NのエミッタEとコレクタCとの間に電流が流れれば、前記マスタースイッチ部40を構成するPNP型バイポーラ接合トランジスタ40PのベースBに電流が流れ、PNP型バイポーラ接合トランジスタ40Pがターンオンされる。このようにPNP型バイポーラ接合トランジスタ40Pがターンオンされれば、オプトカプラOCの入力端inに電流が流れるようになる。図3において、オプトカプラの一端は、第1バッテリー管理装置の第2端子に接続され、他端は、マスタースイッチ部40を構成するPNP型バイポーラ接合トランジスタ40PのエミッタEに接続される。
このような実施形態によれば、情報を伝達しようとするバッテリー管理装置が第1端子21に低い電圧を出力すれば、情報を伝達しようとする前記バッテリー管理装置20に接続されたスレイブスイッチ部30がターンオンし、低い電圧を有するバッテリー管理装置に接続されたスレイブスイッチ部の方向にスレイブスイッチ部30−#1〜30−#Nが順次ターンオンされる。その結果、バッテリーアセンブリ10−#1〜10−#Nのうち最低電位を有するバッテリーアセンブリ10−#Nを管理するバッテリー管理装置20−#Nに備えられた末端スレイブスイッチ部30−#Nがターンオンされ、マスタースイッチ部40がターンオンされる。具体的には、NPN型バイポーラ接合トランジスタ40Nがターンオンされた後、PNP型バイポーラ接合トランジスタ40Pがターンオンされることで、オプトカプラOCを通じて電流が流れるようにする。
一方、本発明によるバッテリー管理システムは、バッテリー管理システムと、相互に電気的に接続された2以上のバッテリーアセンブリとを含むバッテリーパックの一構成要素になり得る。
また、本発明によるバッテリーパックは、前記バッテリーパックと、前記バッテリーパックから電力の供給を受ける負荷とを含むバッテリー駆動システムの一構成要素になり得る。
前記バッテリー駆動システムの一例としては、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、電気自転車(E−Bike)、電動工具(Power tool)、電力貯蔵装置、無停電電源装置(UPS)、携帯用パソコン、携帯電話、携帯用オーディオ装置、携帯用ビデオ装置などが挙げられる。前記負荷の一例としては、バッテリーパックが供給する電力によって回転力を提供するモーター、またはバッテリーパックが供給する電力を各種の回路部品が要する電力に変換する電力変換回路が挙げられる。
本発明によれば、少ないオプトカプラを使用してバッテリー管理システムと外部装置とを電気的に絶縁することができる。したがって、バッテリー管理システムの製造コストを低減させることができる。
一方、本発明の説明において、本発明の各構成は、物理的に区分される構成要素ではなく、論理的に区分される構成要素であると理解されねばならない。
すなわち、各構成要素は、本発明の技術思想を実現するための論理的な構成要素に該当するので、各構成要素が統合または分離されても、本発明の論理構成が果たす機能を実現できれば、本発明の範囲内であると解釈されねばならず、同一または類似機能を果たす構成要素であれば、その名称の一致如何とは関係なく、本発明の範囲内であると解釈されねばならないことは勿論である。
以上、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれらによって限定されず、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者にとって、本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは勿論である。
10 バッテリーアセンブリ
11 二次電池セル
20 バッテリー管理装置
21 第1端子
22 第2端子
30 スレイブスイッチ部
40 マスタースイッチ部
50 情報伝達部
60 外部装置

Claims (26)

  1. 2以上のバッテリーアセンブリが順次接続されたバッテリーパックを管理するバッテリー管理システムであって、
    可変電圧を出力する第1端子及び一定電圧を出力する第2端子を備え、前記バッテリーアセンブリ毎に備えられた2以上のバッテリー管理装置と、
    前記バッテリー管理装置毎に備えられ、前記第1端子と前記第2端子との間に接続されて前記第1端子から出力される可変電圧によって選択的にターンオン又はターンオフされる、互いに順次接続された2以上のスレイブスイッチ部と、
    前記バッテリー管理装置の情報を外部装置に伝達する情報伝達部と、を含み、
    前記スレイブスイッチ部は、前記スレイブスイッチ部のうち、外部装置に情報を伝達しようとするバッテリー管理装置に備えられたスレイブスイッチ部がターンオンすれば、前記スレイブスイッチ部のうち、末端に備えられた末端スレイブスイッチ部の方向に順次ターンオンされて、前記情報伝達部が前記外部装置に情報を伝達できるように情報伝達経路を形成することを特徴とするバッテリー管理システム。
  2. 前記スレイブスイッチ部は、バイポーラ接合トランジスタを備えることを特徴とする請求項1に記載のバッテリー管理システム。
  3. 前記バイポーラ接合トランジスタは、NPN型バイポーラ接合トランジスタであり、
    前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのベースは、前記バッテリー管理装置の前記第2端子に接続され、
    前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタは、前記バッテリー管理装置の前記第1端子に接続され、
    前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、順次接続された隣接したスレイブスイッチ部に備えられたNPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタと前記隣接したスレイブスイッチ部が備えられたバッテリー管理装置の第1端子とを接続する線路上に形成された接続ノードに接続されることを特徴とする請求項2に記載のバッテリー管理システム。
  4. 前記情報伝達部と前記末端スレイブスイッチ部との間に接続され、前記末端スレイブスイッチ部のターンオンによってターンオンされるマスタースイッチ部をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載のバッテリー管理システム。
  5. 前記末端スレイブスイッチ部に備えられたNPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、前記マスタースイッチ部に接続され、
    前記マスタースイッチ部は、前記末端スレイブスイッチ部がターンオンして前記末端スレイブスイッチ部に備えられた前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタに電流が流れれば、ターンオンされることを特徴とする請求項4に記載のバッテリー管理システム。
  6. 前記マスタースイッチ部は、バイポーラ接合トランジスタを備えることを特徴とする請求項5に記載のバッテリー管理システム。
  7. 前記マスタースイッチ部は、PNP型バイポーラ接合トランジスタを備え、
    前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのベースは、前記末端スレイブスイッチ部に備えられた前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタに接続されることを特徴とする請求項6に記載のバッテリー管理システム。
  8. 前記マスタースイッチ部に備えられた前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタは、前記末端スレイブスイッチ部を備える前記バッテリー管理装置の前記第2端子に接続されることを特徴とする請求項7に記載のバッテリー管理システム。
  9. 前記マスタースイッチ部に備えられた前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、前記情報伝達部の一端に接続されることを特徴とする請求項8に記載のバッテリー管理システム。
  10. 前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのベースと前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタとを接続する線路上には、キャパシタが備えられることを特徴とする請求項3に記載のバッテリー管理システム。
  11. 前記接続ノードと前記第1端子とを接続する線路上には、前記接続ノードから前記第1端子に電流が流れる方向でダイオードが備えられることを特徴とする請求項3に記載のバッテリー管理システム。
  12. 前記末端スレイブスイッチ部は、前記バッテリーアセンブリのうち最高電位を有するバッテリーアセンブリを管理するバッテリー管理装置に備えられることを特徴とする請求項3に記載のバッテリー管理システム。
  13. 前記バイポーラ接合トランジスタは、PNP型バイポーラ接合トランジスタであり、
    前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのベースは、前記バッテリー管理装置の前記第1端子に接続され、
    前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタは、前記バッテリー管理装置の前記第2端子に接続され、
    前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、順次接続された隣接したスレイブスイッチ部に備えられたPNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタと前記隣接したスレイブスイッチ部が備えられたバッテリー管理装置の第2端子とを接続する線路上に形成された接続ノードに接続されることを特徴とする請求項2に記載のバッテリー管理システム。
  14. 前記情報伝達部と前記末端スレイブスイッチ部との間に接続され、前記末端スレイブスイッチ部のターンオンによってターンオンされるマスタースイッチ部をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載のバッテリー管理システム。
  15. 前記末端スレイブスイッチ部に備えられたPNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、前記マスタースイッチ部に接続され、
    前記マスタースイッチ部は、前記末端スレイブスイッチ部がターンオンして前記末端スレイブスイッチ部に備えられた前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタに電流が流れれば、ターンオンされることを特徴とする請求項14に記載のバッテリー管理システム。
  16. 前記マスタースイッチ部は、バイポーラ接合トランジスタを備えることを特徴とする請求項15に記載のバッテリー管理システム。
  17. 前記マスタースイッチ部は、NPN型バイポーラ接合トランジスタを備え、
    前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのベースは、前記末端スレイブスイッチ部に備えられた前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタに接続されることを特徴とする請求項16に記載のバッテリー管理システム。
  18. 前記マスタースイッチ部に備えられた前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのエミッタは、前記末端スレイブスイッチ部を備える前記バッテリー管理装置の前記第2端子に接続されることを特徴とする請求項17に記載のバッテリー管理システム。
  19. 前記マスタースイッチ部に備えられた前記NPN型バイポーラ接合トランジスタのコレクタは、前記情報伝達部の一端に接続されることを特徴とする請求項18に記載のバッテリー管理システム。
  20. 前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのベースと前記PNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタとを接続する線路上には、キャパシタが備えられることを特徴とする請求項14に記載のバッテリー管理システム。
  21. 前記接続ノードと前記第2端子とを接続する線路上には、前記第2端子から前記接続ノードに電流が流れる方向でダイオードが備えられることを特徴とする請求項14に記載のバッテリー管理システム。
  22. 前記末端スレイブスイッチ部は、前記バッテリーアセンブリのうち最低電位を有するバッテリーアセンブリを管理するバッテリー管理装置に備えられることを特徴とする請求項14に記載のバッテリー管理システム。
  23. 前記スレイブスイッチ部は、前記第1端子が出力する可変電圧が前記第2端子が出力する一定電圧よりも低ければ、ターンオンされることを特徴とする請求項1に記載のバッテリー管理システム。
  24. 前記情報伝達部は、前記外部装置に情報を伝達するものの、前記情報伝達部と前記外部装置とを絶縁するオプトカプラであることを特徴とする請求項1に記載のバッテリー管理システム。
  25. 請求項1ないし24のいずれか一項に記載のバッテリー管理システムを含むバッテリーパック。
  26. 請求項25に記載のバッテリーパックと、
    前記バッテリーパックから電力の供給を受ける負荷と、を含むバッテリー駆動システム。
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