KR100786838B1

KR100786838B1 - 배터리 관리 시스템

Info

Publication number: KR100786838B1
Application number: KR1020050082174A
Authority: KR
Inventors: 서세욱; 윤한석; 임계종
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-12-20
Also published as: KR20070025717A

Abstract

배터리 관리 시스템은 안정적으로 팩전류를 측정할 수 있다.

배터리 관리 시스템은 배터리의 출력단자에 연결되어 배터리의 팩전류를 측정하여 전류 신호로 출력하는 전류센서, 전류센서에서 출력된 전류 신호를 입력받아 전압 신호로 변환하는 전류전압 변환부, 전류전압 변환부로부터 전압 신호를 입력받아 전압 신호에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부 및 노이즈 제거부로부터 출력된 전압 신호가 소정 범위의 크기가 되도록 반전하여 증폭하는 반전 증폭부를 포함한다.

BMS, 팩전류, 전류센서, CT, Hall

Description

배터리 관리 시스템{Battery management system}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센싱부를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 팩전류 측정부(140)를 개략적으로 보여주는 도면이다.

본 발명은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것으로, 특히, 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

전기 자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.

한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 엔진을 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.

이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 성능이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 안정적으로 팩전류를 측정할 수 있는 배터리 관리 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 특징에 따른 배터리 관리 시스템은

상기 배터리의 출력단자에 연결되어 배터리의 팩전류를 측정하여 전류 신호 로 출력하는 전류센서;

상기 전류센서에서 출력된 상기 전류 신호를 입력받아 전압 신호로 변환하는 전류전압 변환부;

상기 전류전압 변환부로부터 상기 전압 신호를 입력받아 상기 전압 신호에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부; 및

상기 노이즈 제거부로부터 출력된 상기 전압 신호가 소정 범위의 크기가 되도록 반전하여 증폭하는 반전 증폭부를 포함한다.

여기서 상기 전류 센서는, 상기 배터리에서 출력되는 상기 팩전류에 의해 생성된 자계에 대응하는 전류 신호를 생성하는 페 루프 타입의 Hall CT 일 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따른 배터리 관리 시스템은, 복수의 전지 셀이 하나의 팩으로 형성된 배터리에 연결된 배터리 관리 시스템으로서,

상기 배터리로부터 출력되는 팩전류를 검출하여 상기 팩전류에 대응하는 전류신호를 출력하는 전류센서;

상기 전류센서에서 출력된 전류신호를 입력받아 상기 팩전류를 측정하는 팩전류 측정부;

상기 배터리의 팩전압을 측정하는 팩전압 측정부;

상기 배터리의 복수의 전지 셀 각각의 셀전압을 측정하는 셀전압 측정부;

온도를 측정하는 온도 측정부; 및

상기 팩전류 측정부, 상기 팩전압 측정부 및 상기 셀전압 측정부로부터 측정되어 출력된 상기 팩전류, 상기 팩전압 및 상기 복수의 셀전압을 입력받아 디지털 값으로 변환하는 A/D 컨버터를 포함한다.

여기서 상기 팩전류 측정부는, 상기 전류 신호를 수신하여 전압 신호로 변환하는 전류전압 변환부를 더 포함하고, 상기 전류전압 변환부는 복수의 저항이 병렬로 연결될 수 있다.

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. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, BMS(1), 배터리(2), 전류센서(3), 냉각팬(4), 퓨즈(5) 및 메인 스위치(6)가 포함된다.

전류센서(3)는 배터리(2)의 출력전류 량을 측정하여 BMS(1)로 출력한다. 구 체적으로 전류센서(3)는 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하여 전류 신호를 출력하는 폐 루프 타입(close loop type)의 Hall CT(Hall current transformer)이다. 즉, 전류센서(3)의 동작을 설명하면, 피측정전류(Ip)에 의해 발생하는 자계가 홀 소자(미도시)에서 검출되고, 부속회로(미도시)의 자기고일에 감겨진 2차 권선에 홀소자에서 검출된 자계에 대응하는 보상전류(Is)가 흐른다. 이 때, 자기코일의 내부에서는 피측정전류(Ip)에 의한 자계와 보상전류(Is)에 의한 역방향 자계가 서로 상쇄되어 '0'이 되도록 조정된다. 2차 권선에 흐르는 보상전류(Is)가 BMS(1)의 센싱부(10)로 출력된다. 이렇게 출력된 보상전류(Is)의 파형은 충실하게 피측정전류(Ip)의 파형을 재현한다. 이와 같은 전류센서(3)는 온도에 따른 변화가 적은 자계를 이용하여 전류를 검출하기 때문에 검출된 전류에 대한 온도의 영향을 최소화 할 수 있다.

냉각팬(4)은 BMS(1)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)의 충방전에 의해 발생할 수 있는 열을 냉각하여 온도 상승으로 인한 배터리(2)의 열화 및 충방전 효율의 저하를 방지한다.

퓨즈(5)는 배터리(2)의 단선 또는 단락에 의해 과전류가 자동차의 동력발생장치(미도시)에 전달되는 것을 방지한다. 즉 과전류가 발생하면 퓨즈(5)는 단선되어 과전류의 전달을 차단한다.

메인 스위치(6)는 과전압, 과전류, 고온 등 이상 현상이 발생하면 BMS(1)의 제어신호 또는 자동차의 ECU(engine controller unit, 미도시)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)를 온오프 한다.

배터리(2)는 서로 직렬로 연결되는 8개의 서브팩(sub-pack, 210 ~ 280), 줄력단자(291), 출력단자(291) 및 서브팩(240)과 서브팩(250) 사이에 마련되는 안전스위치(293)를 포함한다. 서브팩(210)은 서로 직렬로 연결된 5개의 2차 전지 셀을 포함한다. 마찬가지로 각 서브팩(220 ~ 280)은 각각 5개의 2차 전지 셀을 포함하여 결국 배터리(2)는 총 40개의 전지 셀을 포함한다.

여기서 서브팩은 본 제1 실시예의 설명의 편의를 위하여 5개의 2차 전지를 하나의 그룹으로 표시한 것에 불과한 것이고, 배터리(2)는 서브팩(210 ~ 280) 없이 40개의 2차 전지 셀이 직접 연결될 수도 있다.

출력단자(291) 및 출력단자(292)는 자동자의 동력발생장치(미도시)와 연결되어 자동차 엔진에 전기에너지를 공급한다. 안전 스위치(293)는 서브팩(240)과 서브팩(250) 사이에 마련되는 스위치로서 배터리를 교체하거나 배터리에 대한 작업을 수행할 때 작업자의 안전을 위하여 수동적으로 온 오프할 수 있는 스위치이다. 본 제1 실시예에서는 서브팩(240)과 서브팩(250) 사이에 안전 스위치(290)가 마련되나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

BMS(1)는 센싱부(10), MCU(Main control unit, 20), 내부전원 공급부(30), 셀밸런싱부(40), 저장부(50), 통신부(60), 보호회로부(70), 파워온 리셋부(80) 및 외부인터페이스(90)를 포함한다.

센싱부(10)는 배터리 전체 팩전류, 배터리 전체 팩전압, 각 전지 셀전압, 셀온도 및 주변온도를 측정하고, 측정된 값들을 디지털 데이터로 변환하여 MCU(20)에 전달한다.

MCU(20)는 센싱부(10)로부터 전달받은 디지털 데이터에 기초하여 배터리(2)의 충전상태(state of charging, 이하 SOC), 건강상태(state of health, 이하 SOH) 등을 판단하여 배터리(2)의 충방전을 제어한다.

내부전원 공급부(30)는 일반적으로 보조 배터리를 이용하여 BMS(1)에 전원을 공급하는 장치이다.

셀밸런싱부(40)는 각 셀의 충전상태의 균형을 맞춘다. 즉, 충전상태가 비교적 높은 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 셀은 충전시킬 수 있다.

저장부(50)는 BMS(1)의 전원이 오프될 때, 현재의 SOC, SOH 등의 데이터들을 저장한다. 여기서 저장부(50)는 전기적으로 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 저장장치로서 EEPROM일 수 있다.

통신부(60)는 자동차의 동력발생장치의 제어부와 통신을 수행한다.

보호회로부(70)는 펌웨어(firm ware)를 이용하여 외부의 충격, 과전류, 저전압 등으로부터 배터리(2)를 보호하기 위한 회로이다.

파워온 리셋부(80)는 BMS(1)의 전원이 켜지면 전체 시스템을 리셋한다.

외부 인터페이스(90)는 냉각팬(4), 메인 스위치(6) 등 BMS의 보조장치들을 MCU(20)에 연결하기 위한 장치이다. 본 실시예에서는 냉각팬(4) 및 메인 스위치(6)만이 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센싱부(10)를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 센싱부(10)는 셀전압 측정부(120), A/D 컨버터 (160), 팩전압 측정부(130), 팩전류 측정부(140) 및 온도 측정부(150)를 포함한다.

셀전압 측정부(120)는 배터리(2)의 40개의 전지 셀(211 ~ 285)의 셀전압을 측정하여 A/D 컨버터(160)로 출력한다.

팩전압 측정부(130)는 배터리(2)의 출력단자(291, 도 1 참조)와 출력단자(292) 사이의 팩 전압을 측정하여 A/D 컨버터(160)로 출력한다.

팩전류 측정부(140)는 전류센서(3, 도 1참조)에서 검출된 전류값을 입력받아 전압신호로 변환하여 A/D 컨버터(160)로 출력한다.

온도 측정부(150)는 배터리(2) 내의 온도 및 주변 환경 온도를 측정한 디지털 값을 MCU(10)로 출력한다.

A/D 컨버터(160)는 셀전압 측정부(120), 팩전압 측정부(170), 팩전류 측정부(180)로부터 입력받은 아날로그 값들을 디지털 데이터로 변환하여 MCU(20)로 출력한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 팩전류 측정부(140)는 전류전압 변환부(141), 노이즈 제거부(142) 및 반전 증폭부(143)를 포함한다.

전류전압 변환부(141)는 전류센서(3)로부터 입력된 측정 전류(Is)를 입력받아 대응되는 전압값으로 변환한다. 구체적으로, 전류전압 변환부(141)는 병렬로 연결된 4개의 저항(141a, 142b, 141c, 141d)을 포함할 수 있다.

노이즈 제거부(142)는 로우 패스 필터(low pass filter)를 이용하여 노이즈 를 제거한다.

반전 증폭부(143)는 노이즈 제거부(142)로부터 출력되어 입력되는 신호의 전압 크기를 소정의 범위 내의 전압값이 되도록 한다. 본 실시예에서는 0 ~ 5V의 전압값을 갖도록 할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면 전류센서로서 전류값을 출력하는 Hall CT를 이용하여 팩전류를 센싱함으로써, 외부 온도 또는 배터리 내부 온도의 영향을 최소화 할 수 있고 따라서 더욱 안정적이고 정확하게 팩전류를 검출할 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.

본 발명에 따르면, 온도의 영향이 적은 자계를 이용하여 전류를 측정하여 전류로 출력하는 전류 센서를 이용함으로써 더욱 정밀하고 안정적으로 팩전류를 측정할 수 있다.

Claims

복수의 전지 셀이 하나의 팩으로 형성된 배터리에 연결된 배터리 관리 시스템에 있어서,

상기 배터리로부터 출력되는 팩전류를 검출하여 상기 팩전류에 대응하는 전류 신호를 출력하는 전류센서;

상기 전류센서에서 출력된 전류신호를 입력받아 상기 팩전류를 측정하는 팩전류 측정부;

상기 배터리의 팩전압을 측정하는 팩전압 측정부;

상기 배터리의 복수의 전지 셀 각각의 셀전압을 측정하는 셀전압 측정부;

온도를 측정하는 온도 측정부; 및

상기 팩전류 측정부, 상기 팩전압 측정부 및 상기 셀전압 측정부로부터 측정되어 출력된 상기 팩전류, 상기 팩전압 및 상기 복수의 셀전압을 입력받아 디지털 값으로 변환하는 A/D 컨버터를 포함하며,

상기 팩전류 측정부는,

상기 전류센서에서 출력된 상기 전류 신호를 입력받아 전압 신호로 변환하는 전류전압 변환부;

상기 전류전압 변환부로부터 상기 전압 신호를 입력받아 상기 전압 신호에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부; 및

상기 노이즈 제거부로부터 출력된 상기 전압 신호가 소정 범위의 크기가 되도록 반전하여 증폭하는 반전 증폭부

를 포함하는 배터리 관리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전류 센서는,

상기 배터리에서 출력되는 상기 팩전류에 의해 생성된 자계에 대응하는 전류 신호를 생성하는 배터리 관리 시스템.
제2항에 있어서,

상기 전류 센서는 페 루프 타입의 Hall CT 인 배터리 관리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전류전압 변환부는,

복수의 저항이 병렬로 연결된 배터리 관리 시스템.
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