JP6638928B2 - バッテリー管理システム - Google Patents

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Description

本出願は2016年08月26日付の韓国特許出願第10−2016−0109326号に基づいた優先権の利益を主張し、該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、バッテリー管理システムに関し、既存のバッテリー管理コントローラ(Battery Management Controller;BMC)において高電圧の部分であるバッテリー側に連結されてバッテリーの電圧を測定する電圧測定部と測定された電圧値に基づいてスイッチを制御する制御部を分離して、電圧測定部をバッテリー遮断ユニット(Battery Disconnecting Unit;BDU)に含ませ、絶縁された通信を介して電圧測定部と制御部が情報交流を行うことにより、電圧測定部と制御部との間の絶縁抵抗が低下するのを防止できるバッテリー管理システムに関する。
製品群に応じた適用容易性が高く、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、電気的駆動源により駆動する電気車両(EV、Electric Vehicle)、ハイブリッド車両(HV、Hybrid Vehicle)または家庭用または産業用として用いられる中大型バッテリーを用いるエネルギー貯蔵システム(Energy Storage System;ESS)や無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply;UPS)システムなどに普遍的に応用されている。
このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少できるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用に応じた副産物が全く発生しないという点で環境への優しさおよびエネルギー効率性の向上のための新しいエネルギー源として注目されている。
二次電池は携帯端末などのバッテリーに実現される場合は必ずしもそうであるべきではないが、上記のように電気車両またはエネルギー貯蔵源などに適用されるバッテリーは通常的に単位二次電池セル(cell)が複数集合した形態で用いられて高容量環境に適合性を高めることになる。
このようなバッテリー、特に複数の二次電池が充電と放電を交互に行う場合には、これらの充放電を効率的に制御して、バッテリーが適正な動作状態および性能を維持するように管理する必要性がある。
このために、バッテリーの状態および性能を管理するバッテリー管理システム(Battery Management System;BMS)が備えられる。BMSは、バッテリーの電圧、電流および温度などを測定できる測定素子と測定された値に基づいてバッテリーの異常が診断される場合、バッテリーおよびスイッチング素子の動作を制御する制御素子が含まれたバッテリー管理コントローラ(Battery Management Controller;BMC)とバッテリーの測定された値に基づいてバッテリーの異常が診断される場合、負荷を保護するためにバッテリーを遮断させるバッテリー遮断ユニット(Battery Disconnecting Unit;BDU)を含んで構成されることができる。
既存のBMCの場合、このような高電圧の部分であるバッテリー側に連結された測定素子と測定された値に基づいてバッテリーを制御する制御部が一つのラインで連結されており、測定素子と制御部との間に絶縁が保障された電装部品を用いなければならなかったし、高電圧のために測定素子によって測定素子と制御部との間の絶縁抵抗が減少するという問題点がある。このように絶縁抵抗が減少する場合、測定素子と制御部との間の線間短絡故障が発生しうるし、バッテリー管理システムに対する信頼度が落ちることになる。
したがって、上述したように、BMSの内部に位置するBMCが引き起こす絶縁抵抗の減少などの問題点を解決してバッテリーを安定的に駆動し、それに基づいて信頼性のあるバッテリー管理システムを提供する必要性がある。
製品群に応じた適用容易性が高く、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、電気的駆動源により駆動する電気車両(EV、Electric Vehicle)、ハイブリッド車両(HV、Hybrid Vehicle)または家庭用または産業用として用いられる中大型バッテリーを用いるエネルギー貯蔵システム(Energy Storage System;ESS)や無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply;UPS)システムなどに普遍的に応用されている。
このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少できるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用に応じた副産物が全く発生しないという点で環境への優しさおよびエネルギー効率性の向上のための新しいエネルギー源として注目されている。
二次電池は携帯端末などのバッテリーに実現される場合は必ずしもそうであるべきではないが、上記のように電気車両またはエネルギー貯蔵源などに適用されるバッテリーは通常的に単位二次電池セル(cell)が複数集合した形態で用いられて高容量環境に適合性を高めることになる。
このようなバッテリー、特に複数の二次電池が充電と放電を交互に行う場合には、これらの充放電を効率的に制御して、バッテリーが適正な動作状態および性能を維持するように管理する必要性がある。
このために、バッテリーの状態および性能を管理するバッテリー管理システム(Battery Management System;BMS)が備えられる。BMSは、バッテリーの電圧、電流および温度などを測定できる測定素子と測定された値に基づいてバッテリーの異常が診断される場合、バッテリーおよびスイッチング素子の動作を制御する制御素子が含まれたバッテリー管理コントローラ(Battery Management Controller;BMC)とバッテリーの測定された値に基づいてバッテリーの異常が診断される場合、負荷を保護するためにバッテリーを遮断させるバッテリー遮断ユニット(Battery Disconnecting Unit;BDU)を含んで構成されることができる。
既存のBMCの場合、このような高電圧の部分であるバッテリー側に連結された測定素子と測定された値に基づいてバッテリーを制御する制御部が一つのラインで連結されており、測定素子と制御部との間に絶縁が保障された電装部品を用いなければならなかったし、高電圧のために測定素子によって測定素子と制御部との間の絶縁抵抗が減少するという問題点がある。このように絶縁抵抗が減少する場合、測定素子と制御部との間の線間短絡故障が発生しうるし、バッテリー管理システムに対する信頼度が落ちることになる。
したがって、上述したように、BMSの内部に位置するBMCが引き起こす絶縁抵抗の減少などの問題点を解決してバッテリーを安定的に駆動し、それに基づいて信頼性のあるバッテリー管理システムを提供する必要性がある。
本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムは、バッテリーと負荷を連結する一つ以上のスイッチ、前記バッテリーの電圧値を測定する電圧測定部、前記測定された電圧値に基づいて前記一つ以上のスイッチを制御する制御部、および前記測定された電圧値を前記制御部に転送する通信部を含み、前記電圧測定部、前記一つ以上のスイッチおよび前記通信部はバッテリー遮断ユニット(Battery Disconnecting Unit;BDU)として構成され、前記制御部は前記バッテリー遮断ユニットの外部に位置してもよい。
前記バッテリー遮断ユニットは前記バッテリー側に位置してもよく、前記制御部は前記負荷側に位置してもよい。
前記バッテリーと並列連結されて基準電圧を生成する基準電圧生成部をさらに含んでもよく、前記基準電圧生成部は、前記バッテリーの過充電を判断する第1基準電圧および前記バッテリーの過放電を判断する第2基準電圧を生成してもよい。
前記制御部は、前記スイッチの動作を制御するスイッチ制御部、および前記測定されたバッテリーの電圧値と前記生成された基準電圧に基づいて前記バッテリーの状態を診断する診断部を含んでもよい。
前記診断部は、前記バッテリーの電圧と前記第1基準電圧および前記第2基準電圧を比較する比較部を含んでもよく、前記バッテリー電圧が前記第1基準電圧より大きいかまたは前記バッテリー電圧が前記第2基準電圧より小さい場合、前記一つ以上のスイッチを制御するスイッチ制御信号を出力してもよい。
前記通信部は、前記測定された電圧値を電気的に絶縁させる絶縁部、および前記電気的に絶縁された電圧値を前記制御部に転送する転送部をさらに含んでもよい。
前記電圧測定部、前記通信部および前記制御部はCANバス(Controller Area Network Bus,コントローラエリアネットワークバス)に連結され、前記電圧測定部および前記制御部がCAN通信してもよい。
本発明の一側面によれば、既存のバッテリー管理コントローラにおいて電圧測定部と制御部を分離させ、電圧測定部をバッテリー遮断ユニットに含ませることにより、電圧測定部と制御部との間の絶縁抵抗が低下するのを防止できるバッテリー管理システムを提供することができる。
また、電圧測定部により測定された電圧を電気的に絶縁して制御部に提供することによって非絶縁型の低価電装部品の適用が可能であり、ノイズを減少させてノイズによるアナログ測定誤差を減少できるバッテリー管理システムを提供することができる。
本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムが適用される電気自動車を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムにおけるバッテリー遮断ユニットの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムを介したバッテリー管理方法を説明するためのフローチャートである。
本発明を添付図面を参照して詳細に説明すれば以下のとおりである。ここで、繰り返される説明、本発明の要旨を不要に濁す恐れのある公知機能及び構成に関する詳細な説明は省略する。本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。よって、図面での要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。
明細書の全体にかけて、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。
また、明細書に記載された「…部」という用語は一つ以上の機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアやソフトウェアまたはハードウェア及びソフトウェアの結合で実現されることができる。
図1は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムが適用される電気自動車を概略的に示す図である。
図1に本発明の一実施形態によるバッテリー管理システム100が電気自動車1に適用された例が示されているが、本発明の一実施形態に含まれたバッテリー管理システム100は、電気自動車の他にも家庭用または産業用エネルギー貯蔵システム(Energy Storage System;ESS)や無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply;UPS)システムなどの二次電池が適用できる分野であれば、いかなる技術分野に適用されてもよい。
電気自動車1は、バッテリー10、BMS(Battery Management System)20、ECU(Electronic Control Unit)30、インバータ40およびモータ50を含んで構成されることができる。
バッテリー10は、モータ50に駆動力を提供して電気自動車1を駆動させる電気エネルギー源である。バッテリー10は、モータ50および/または内燃機関(図示せず)の駆動に応じてインバータ40によって充電または放電される。
ここで、バッテリー10の種類は特に限定されず、例えば、バッテリー10は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されることができる。
また、バッテリー10は、複数の電池セルが直列および/または並列に連結された電池モジュールで形成され、複数の電池モジュールで電池パックが形成される。そして、バッテリー10は一つ以上の電池パックを含むことができる。
BMS20は、バッテリー10の状態を推定し、推定した状態情報を用いてバッテリー10を管理する。例えば、BMS20は、バッテリー10の残存容量(State Of Charging;SOC)、残存寿命(State Of Health;SOH)、最大入出力電力許容量、出力電圧などのバッテリー10の状態情報を推定し管理する。そして、BMS20は、このような状態情報を用いてバッテリー10の充電または放電を制御し、さらにはバッテリー10の交替時期の推定も可能である。
BMS20は、後述する本発明の一実施形態によるバッテリー管理システム100であってもよい。また、BMS20は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理システム100を含むか、またはバッテリー管理システムと連結されて動作することができる。
BMS20は、バッテリー管理システム100と同様にバッテリーの電流、電圧および温度などを測定する測定素子を制御部と分離し、測定素子をスイッチング素子が含まれたバッテリー遮断ユニットに含ませることにより、測定素子と制御部との間の絶縁抵抗が低下するのを防止し、線間短絡およびノイズを減少させることができる。
ECU30は電気自動車1の状態を制御する電子的制御装置である。例えば、ECU30は、アクセラレータ(accelerator)、ブレーキ(break)、速度などの情報に基づいてトルク程度を決定し、モータ50の出力がトルク情報に合うように制御する。
また、ECU30は、BMS20によってバッテリー10が充電または放電されるようにインバータ40に制御信号を送る。
インバータ40は、ECU30の制御信号に基づいてバッテリー10が充電または放電されるようにする。
モータ50は、バッテリー10の電気エネルギーを用いてECU30から伝達される制御情報(例えば、トルク情報)に基づいて電気自動車1を駆動する。
以下では、図2および図3を参照して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説明する。
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を概略的に示す図である。
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、電圧測定部110、スイッチ120、基準電圧生成部130、通信部140および制御部150を含むことができる。
図2に示されたバッテリー管理システム100は一実施形態によるものであり、その構成要素が図2に示された実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて付加、変更または削除されてもよい。
電圧測定部110は、バッテリー10モジュールの電圧値を測定することができる。一例として、電圧測定部110は、バッテリー10と直列連結されたシャント(Shunt)抵抗の両端に印加される電圧を測定することによってバッテリー10の電圧を測定することができる。
ここで、電圧測定部は、複数のバッテリー10モジュールが直列または並列で用いられる場合、一つのバッテリー10モジュールを各々測定することができるように一つ以上で構成され、一つの電圧測定部110を用いて複数または全体バッテリー10モジュールを測定することができる。
スイッチ120は、バッテリー10と負荷を連結することができ、電圧測定部110により測定された電圧値に基づいて、後述する制御部150によりバッテリー10モジュールが異常状態に診断される場合、スイッチ120をオフにすることによってバッテリー10と負荷を遮断することができる。
スイッチ120は、バッテリー10モジュールと負荷の連結および遮断の安全性を高めるために一つ以上備えられ、その種類および個数はユーザの要求および要求される安定性などに応じて決定できる。一例として、スイッチ120は、リレー(Relay)、コンタクタ(Contactor)やトランジスタ(Transistor)およびサイリスタ(Thyristor)のようなスイッチング素子が一つ以上で構成されることができる。
基準電圧生成部130は、バッテリー10モジュールと並列連結されてバッテリー10モジュールの状態を診断するための基準電圧を生成することができる。
基準電圧生成部130は、バッテリー10モジュールの過充電を診断するための第1基準電圧とバッテリー10モジュールの過放電を診断するための第2基準電圧を生成し、第1基準電圧および第2基準電圧と電圧測定部110により測定されたバッテリー10モジュールの電圧値に基づいて、後述する制御部150によってバッテリー10モジュールの状態を診断することができる。
通信部140は、電圧測定部110により測定された電圧値を後述する制御部150に転送することができ、このために絶縁部141および転送部142を含むことができる。
絶縁部141は、電圧測定部110により測定された電圧および基準電圧生成部120により生成された第1および第2基準電圧を電気的に絶縁させることができる。一例として、絶縁部141は、複数のエンコーダ(Encoder)およびデコーダ(Decoder)を含んで構成されることができる。電圧測定部110により測定された電圧および第1および第2基準電圧をエンコーダを介して符号化し、デコーダを介して復号化することによって電気的に絶縁することができる。このような電気的に絶縁された電圧値を送受信することによって、ノイズを減少させ、それにより、ノイズによるアナログ測定誤差を減少させることができる。
転送部142は、絶縁部141により電気的に絶縁された電圧値を後述する制御部150に転送することができる。
制御部150は、転送部142から転送された絶縁された電圧値と基準電圧生成部130により生成された第1および第2基準電圧に基づいて、バッテリー10モジュールの状態を診断することができる。また、診断結果に応じて一つ以上のスイッチ120のオンまたはオフ動作を制御することができ、このために、制御部150は診断部151およびスイッチ制御部152を含むことができる。
診断部151は、電圧測定部110により測定されたバッテリー10モジュールの電圧値と第1および第2基準電圧を比較してバッテリー10モジュールの状態を診断することができる。このために、診断部151は、バッテリー10モジュールの電圧と第1基準電圧および前記第2基準電圧を比較する比較部(図示せず)を含むことができる。
診断部151は、比較部を介してバッテリー10モジュールの電圧と第1および第2基準電圧を比較し、それに基づいてバッテリーの状態を診断することができる。一例として、測定されたバッテリー10モジュールの電圧値が第1基準電圧以上である場合、診断部151は、バッテリー10モジュールの状態を過充電状態に診断し、第2基準電圧以下である場合、過放電状態に診断することができる。このように診断部151によりバッテリーの状態が過充電または過放電状態に診断される場合、後述するスイッチ制御部152を動作させるスイッチ制御信号を出力することができる。
ここで、スイッチ制御信号は、一つ以上のスイッチを各々または複数のスイッチをオンまたはオフにする信号であってもよい。
スイッチ制御部152は、診断部151からスイッチ制御信号が出力される場合、一つ以上のスイッチ120をオフにすることにより、異常状態のバッテリー10モジュールから負荷を遮断して保護することができる。
図3は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムにおけるバッテリー遮断ユニットの構成を概略的に示す図である。
図3を参照すれば、電圧測定部110、一つ以上のスイッチ120および通信部140は一つのバッテリー遮断ユニット(BDU)160として構成され、高電圧が印加されるバッテリー10モジュール側に位置することができる。また、制御部150はバッテリー遮断ユニット160の外部に位置し、低電圧が印加される負荷側に位置することができる。ここで、高電圧は直流電圧60Vおよび交流電圧25Vであってもよく、低電圧は高電圧に比べて相対的にさらに低い電圧を低電圧といえる。
このように電圧測定部110と制御部150を分離し、通信部140を介して相互情報を交流する場合、電圧測定部110、通信部140および制御部150の距離、周辺構成要素の個数、周辺構成要素の材質などの様々な原因でノイズが発生しうるし、このようなノイズは正確なアナログの測定をするのに良くない影響を及ぼす。このような問題点を補完するために、電圧測定部110、通信部140および制御部150はCANバス(Controller Area Network Bus,コントローラエリアネットワークバス)に連結され、連結されたCANバスを介してCAN通信で情報を交流することができる。
CAN通信は、2個の線を用いて電気的に差があるように通信をするため、ノイズに非常に強く、最大1000mまでも40kbpsで通信できるという長所を有する。したがって、CAN通信を介して電圧測定部110および制御部150が情報交流を行うことにより、ノイズによるアナログ測定誤差を減少させ、より正確な結果値を算出することができる。
以下では、図4を参照して本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムを用いたバッテリー管理方法について説明する。
図4は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムを介したバッテリー管理方法を説明するためのフローチャートである。
図4を参照すれば、バッテリー管理システム100を用いたバッテリー管理方法(S100)が開始されれば、電圧測定部がバッテリーモジュールの電圧を測定し(S110)、基準電圧生成部が第1および第2基準電圧を生成する(S120)。ここで、バッテリーはユーザの要求および使用環境などの様々な要素に応じてバッテリーセル、バッテリーモジュールまたはバッテリーパックであってもよく、それに応じて第1および第2基準電圧も調整されることができる。
ステップ(S110)における測定電圧値およびステップ(S120)で生成された電圧値は絶縁部を介して電気的に絶縁され(S130)、ステップ(S130)で電気的に絶縁された電圧値は転送部を介して制御部に転送される(S140)。ステップ(S130)およびステップ140はCAN通信であってもよく、電気的に絶縁された電圧値はCANバスを介して制御部に転送できる。
ステップ(S140)で転送された電圧値に基づいて、診断部がバッテリーの状態を診断する(S150)。電圧測定部により測定された電圧値が第1基準電圧以上であるかまたは第2基準電圧以下である場合(S160)、診断部がバッテリーと負荷を遮断させるためにスイッチ制御信号を出力する(S170)。スイッチ制御信号は、診断部からスイッチ制御信号が出力される場合にはスイッチをオフにすることでバッテリーと負荷を遮断させ(S180)、スイッチ制御信号が出力されない場合には正常動作を行う(S190)。
前述したバッテリー管理システム100を用いたバッテリー管理方法(S100)は、図面に提示されたフローチャートを参照にして説明された。簡単に説明するために、前記方法は一連のブロックで図示し説明されたが、本発明は前記ブロックの順に限定されず、幾つかのブロックは他のブロックと本明細書で図示し記述されたものとは異なる順にまたは同時に起こってもよく、同一または類似した結果を達成する様々な他の分枝、流れ経路およびブロックの順が実現されてもよい。また、本明細書に記述された方法を実現するために示された全てのブロックが要求されなくてもよい。
以上、本発明の特定の実施形態を図示し説明したが、本発明の技術思想は添付された図面と前記説明の内容に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲内で様々な形態の変形が可能であるのは本分野の通常の知識を有する者にとって明らかなことであり、このような形態の変形は本発明の精神に違背しない範囲内で本発明の特許請求の範囲に属するとみなすことができる。
1 電気自動車
50 モータ
100 バッテリー管理システム
120 スイッチ
160 BDU

Claims (5)

  1. バッテリーと負荷を連結する一つ以上のスイッチ、
    前記バッテリーの電圧値を測定する電圧測定部、
    前記測定された電圧値に基づいて前記一つ以上のスイッチを制御する制御部、および
    前記測定された電圧値を前記制御部に転送する通信部を含み、
    前記電圧測定部、前記一つ以上のスイッチおよび前記通信部はバッテリー遮断ユニット(Battery Disconnecting Unit;BDU)として構成され、前記制御部は前記バッテリー遮断ユニットの外部に位置し、
    前記バッテリーと並列連結されて基準電圧を生成する基準電圧生成部をさらに含み、
    前記基準電圧生成部は、前記バッテリーの過充電を判断する第1基準電圧および前記バッテリーの過放電を判断する第2基準電圧を生成し、
    前記通信部は、前記第1基準電圧および前記第2基準電圧を前記制御部に転送し、
    前記通信部は、
    前記測定された電圧値を電気的に絶縁させる絶縁部、および
    前記電気的に絶縁された電圧値を前記制御部に転送する転送部をさらに含む
    バッテリー管理システム。
  2. 前記バッテリー遮断ユニットは、前記バッテリーの側に位置し、
    前記制御部は、前記負荷の側に位置す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. 前記制御部は、
    前記スイッチの動作を制御するスイッチ制御部、および
    前記測定されたバッテリーの電圧値と前記生成された基準電圧に基づいて前記バッテリーの状態を診断する診断部を含むことを特徴とする請求項1または2に記載のバッテリー管理システム。
  4. 前記診断部は、
    前記バッテリーの電圧と前記第1基準電圧および前記第2基準電圧を比較する比較部を含み、
    前記バッテリーの電圧が前記第1基準電圧より大きいかまたは前記バッテリーの電圧が前記第2基準電圧より小さい場合、前記一つ以上のスイッチを制御するスイッチ制御信号を出力することを特徴とする請求項に記載のバッテリー管理システム。
  5. 前記電圧測定部、前記通信部および前記制御部はCANバス(Controller Area Network Bus)に連結され、前記電圧測定部および前記制御部がCAN通信をすることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のバッテリー管理システム。
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