KR100911565B1 - 고전압 배터리의 전압 측정 장치 - Google Patents

고전압 배터리의 전압 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 배터리의 전압 측정 장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 분압 저항 회로, 아날로그-디지털 컨버터 및 옵토-커플러를 이용하여 고전압배터리의 전압을 측정함으로써, 회로의 신뢰성 향상시키고 생산 원가를 절감하며 전압 측정 소요 시간을 단축시킬 수 있는 전압 측정 장치에 관한 것이다.
이를 위해,
n개의 고전압배터리 모듈;
상기 n개의 고전압배터리 모듈에 병렬로 연결된 n개의 스위치
상기 n 개의 스위치에 병렬로 연결된 n 개의 분압 저항;
상기 분압 저항에 연결되어 상기 고전압배터리 모듈의 아날로그 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터;
상기 n개의 스위치를 제어하는 제1 CPU;및
상기 아날로그-디지털 컨버터 및 제1 CPU에 전원을 공급하는 제1 전원공급부를 포함하여 구성되는 고전압부,
상기 디지털 신호를 입력받아 고전압배터리의 전압을 측정하고 상기 아날로그-디지털 컨버터를 제어하는 제2 CPU;및
상기 제2 CPU에 연결되어 전원을 공급하는 제2 전원공급부를 포함하여 구성되는 저전압부,
상기 고전압부와 저전압부를 절연시키는 옵토-커플러(opto-coupler)를 포함 하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 전압 측정 장치를 제공한다.
하이브리드, 고전압 베터리, 전압 측정.

Description

고전압 배터리의 전압 측정 장치 {Apparatus For Voltage Estimation Of High Voltage Battery}
본 발명은 고전압 배터리의 전압 측정 장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 분압 저항 회로, 아날로그-디지털 컨버터 및 옵토-커플러를 이용하여 고전압배터리의 전압을 측정함으로써, 회로의 신뢰성 향상시키고 생산 원가를 절감하며 전압 측정 소요 시간을 단축시킬 수 있는 전압 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 차량은 무단 변속기에 엔진이 주 동력원으로 작용하고, 모터가 주동력원을 보조하도록 구성되어, 각각의 주행상황에 대응하여 엔진의 연비가 가장 높게 운전되도록 제어되고 제동시와 감속시에 운동 에너지를 전기 에너지로 회수함으로써 기존 가솔린 엔진에 비해 연비 향상을 이룰 수 있으며 시내구간에서 엔진 시동을 오프한 상태로 주행할 수 있어 무공해 차량으로 사용되는 특징이 있다.
하이브리드 차량은 모터에서 요구되는 출력 요구에 충분한 전력을 공급할 수 있도록 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management System)와, 엔진을 기동시키고 ETC(Electronic Throttle Control)를 통해 공기 흡입량을 조절하여 엔진 출력을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)와, 변속비를 제어하고 회생 제동량을 결정하는 TCU(Torque Control Unit)와, 모터의 구동 및 회생 제동량을 제어하는 MCU(Motor Control Unit)등의 제어 시스템이 포함되며, 이들 제어 시스템들과 상호 유기적인 통신을 수행하는 상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)가 포함된다.
상기의 배터리를 관리하는 BMS에 있어서, 종래의 고전압배터리의 전압을 측정 회로들은 고전압측의 릴레이를 온(on)하여 배터리 블록의 전압으로 배터리 블록과 병렬로 연결된 커패시터를 충전시킨 후에 고전압측 릴레이를 오프(off)하고 저전압측 릴레이를 온(on)한 후에 커패시터의 전압을 읽는 방식을 제공하였다.
그러나 상기와 같은 전압 측정 회로는,
첫째 커패시터가 배터리 블록과 병렬로 직접 연결되므로 커패시터의 전압은 배터리 블록의 전압과 같으므로 커패시터 전압이 BMS에서 일반적으로 사용하는 전압과 다를 경우에 여분의 파워 서플라이(power supply)가 필요하고,
둘째 고전압과 저전압측의 절연이 커패시터에 연결된 릴레이 시퀀스에 의하므로 릴레이 온/오프시에 발생하는 스위치 노이즈의 영향이 현저하며
셋째 전압을 측정하기 위하여 커패시터의 충전/방전 시간이 필요하므로 측정이 시간이 오래 걸리고,
넷째 다수의 고가 릴레이를 필요로 하여 제작 비용이 비싸다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 커패시터의 충전/방전을 및 고가의 고전압 릴레이를 사용하지 않고 고전압배터리의 전압을 측정함으로써, 생산 비용을 절감하고 노이즈에 의한 영향을 최소화하며 전압 측정 소요 시간을 감소시킬 수 있는 고전압 배터리의 전압 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 n개의 고전압배터리 모듈과, 상기 n개의 고전압배터리 모듈에 병렬로 연결된 n개의 스위치와, 상기 n 개의 스위치에 병렬로 연결된 n 개의 분압 저항과, 상기 분압 저항에 연결되어 상기 고전압배터리 모듈의 아날로그 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터와,
상기 n개의 스위치를 제어하는 제1 CPU, 상기 아날로그-디지털 컨버터 및 제1 CPU에 전원을 공급하는 제1 전원공급부로 구성되는 고전압부;
상기 디지털 신호를 입력받아 고전압배터리의 전압을 측정하고 상기 아날로그-디지털 컨버터를 제어하는 제2 CPU와, 상기 제2 CPU에 연결되어 전원을 공급하는 제2 전원공급부로 구성되는 저전압부;
상기 고전압부와 저전압부를 절연시키는 옵토-커플러(opto-coupler);
를 포함하되,
상기 n개의 고전압배터리 모듈에 n개의 스위치가 각각 대응 연결되고, 상기 n개의 스위치는 직렬 배열되어 있는 상기 n개의 분압저항 사이에 각각 대응되며 연결되는 것을 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 전압 측정 장치를 제공한다.
삭제
삭제
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삭제
상기와 같은 본 발명 고전압 배터리의 전압 측정 장치에 의하면,
첫째 고전압측과 저전압측의 절연을 강화하고 커패시터 충방전 및 릴레이 온/오프에 의한 노이즈의 영향을 줄여서 회로의 신뢰성 향상시킬 수 있고,
둘째 회로의 단순화가 가능하고 고가의 고전압 릴레이를 사용하지 않으므로 원가를 절감할 수 있으며,
셋째 커패시터에 충전/방전의 필요가 없으므로 전압 측정 소요 시간이 단축시킬 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또 는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일반적으로, 전기 및 하이브리드 차량의 구동을 위한 고전압배터리는 배터리 셀을 직렬로 연결하여 구현된다. 그러나 본 발명에서는 각 셀의 전압을 직접 하나하나 측정하는 것이 아니고, 분압 회로를 이용하여 전압값을 측정하여 각 셀의 전압값을 계산하는 장치를 제안한다.
일반적인 고전압배터리의 경우 측정하고자 하는 전압은 1~300V의 범위를 가지게 되는데, 본 발명에서는 아날로그-디지털 컨버터 및 I/F(InterFace) 회로를 이용하고 이들의 입력 전압은 보통 5V 이하이므로 분압 저항과 릴레이의 조합에 의하여 측정 전압을 아날로그-디지털 컨버터 전압 수준(5V)으로 낮추어 준다(16)
이후 각각의 모듈 또는 셀의 전압을 저전압부의 CPU에서 구하고(20), 아직 남아 있는 스위치가 있는 경우(22) 그 다음 스위치를 작동시켜 그 다음의 배터리 전압을 측정한다(24, 12)
첫번째 스위치(스위치 1)가 연결된 경우, 측정되는 전압 V1은 다음 수학식 1과 같이 나타난다.
Figure 112007050427032-pat00001
상기에서 Vbat1은 고전압배터리 1의 전압을 나타낸다.
따라서, k번째 스위치(스위치 k)가 연결된 경우, 측정되는 전압 Vk는 다음 수학식 2와 같이 나타난다.
Figure 112007050427032-pat00002
상기에서 Vbatk는 고전압배터리 k의 전압을 나타내고, k는 k번째 스위치를 나타낸다.
따라서, 고전압배터리 k의 전압은 다음 수학식 3을 통해 구할 수 있다.
Figure 112007050427032-pat00003
상기와 같은 과정을 통해 고전압배터리1 부터 고전압배터리n 까지의 전압을 측정한다.
이때 R1 값은 저항 오차 등을 고려할 경우 조금씩 값이 달라질 수 있으므로, kR1은 다음과 같이 나타날 수 있다.
Figure 112007050427032-pat00004
또한, AD 컨버터 및 I/F 회로의 전원은 고전압 배터리팩의 최하단 배터리 블록에서 전압 조정기(voltage regulator)를 사용하여 구하거나 저전압 배터리에서 절연 파워 서플라이를 사용해서 구할 수 있다.
또한 AD 컨버터와 CPU와의 연결은 저가의 디지털 옵토-커플러(opto-coupler) 등을 사용하여 고전압측과 저전압측의 완전 절연을 확보하고 높은 신뢰성 확보한다.
이하, 도 2 및 도 3을 본 발명의 구성에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 고전압부(200)에 대하여 설명하면, 측정하고자 하는 고전압배터리 셀이나 모듈(210)의 수가 n인 경우에, 고전압배터리의 전압을 AD 컨버터나 I/F 회로의 전압레벨로 낮추기 위한 분압 저항 어레이(array)(230)와 각 분압 저항에 병렬로 연결된 n개의 스위치(220)를 포함하며, 상기 배터리 셀과 분압저항에 의한 아날로그 전압을 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터 및 스위치를 동작하기 위한 제1 CPU(240)를 포함한다.
이때 저전압부와 신호를 주고받기 위하여 AD 컨버터 전단에서 신호처리를 하는 I/F 회로를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 I/F 회로 및 AD 컨버터를 구동하기 위한 제1 전원공급장치를 포함한다.
상기의 제1 전원공급장치는 도 2에 도시된 바와 같이 고전압 배터리팩의 최하단 배터리 블록에서 전압 조정기(voltage regulator)(280)를 사용하거나, 또는 도 3과 같이 저전압 배터리에서 절연 파워 서플라이(380)를 사용할 수 있다.
상기 AD 컨버터(240)의 디지털 변환 신호는 고전압부(200)와 저전압부(204)의 절연을 위한 옵토-커플러(202)를 통하여 저전압부에 전송된다.
저전압부(204)는 고전압배터리(210)의 전압값을 계산해내고 상기 AD 컨버 터(240)을 제어하기 위한 제2 CPU(250)와 상기 제2 CPU(250)에 전원을 공급하기 위한 제2 전원공급장치(260)를 포함하여 구성된다.
따라서 제1 CPU 및 AD 컨버터(240), I/F 회로, 제1 전원공급장치는 고전압 그라운드(HG:high voltage ground)를, 제2 CPU, 제2 전원공급장치는 저전압 그라운드(LG:low voltage ground)를 사용한다.
도 3에 도시된 구성은 제1 전원공급장치로서 절연 파워 서플라이를 사용한 점을 제외하고 도 2에 도시된 구성과 동일하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 고전압배터리의 전압 측정 순서를 나타낸 순서도,
도 2는 본 발명의 일 실시예로서 제1 전원공급장치로 고전압배터리를 사용하여 구성한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예로서 제1 전원공급장치로 절연 파워 서플라이를 사용하여 구성한 도면이다.

Claims (10)

  1. n개의 고전압배터리 모듈과, 상기 n개의 고전압배터리 모듈에 병렬로 연결된 n개의 스위치와, 상기 n 개의 스위치에 병렬로 연결된 n 개의 분압 저항과, 상기 분압 저항에 연결되어 상기 고전압배터리 모듈의 아날로그 전압을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터와,
    상기 n개의 스위치를 제어하는 제1 CPU, 상기 아날로그-디지털 컨버터 및 제1 CPU에 전원을 공급하는 제1 전원공급부로 구성되는 고전압부;
    상기 디지털 신호를 입력받아 고전압배터리의 전압을 측정하고 상기 아날로그-디지털 컨버터를 제어하는 제2 CPU와, 상기 제2 CPU에 연결되어 전원을 공급하는 제2 전원공급부로 구성되는 저전압부;
    상기 고전압부와 저전압부를 절연시키는 옵토-커플러(opto-coupler);
    를 포함하되,
    상기 n개의 고전압배터리 모듈에 n개의 스위치가 각각 대응 연결되고, 상기 n개의 스위치는 직렬 배열되어 있는 상기 n개의 분압저항 사이에 각각 대응되며 연결되는 것을 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 전압 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 n개의 분압 저항은 고전압배터리 전압을 아날로그-디지털 컨버터에 인가되는 전압 수준으로 낮추도록 설계된 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 전압 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전원 공급부는 고전압배터리 모듈중 마지막(n번째) 배터리 모듈에 전압 조정기를 연결하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 전압 측정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전원 공급부는 제2 전원 공급부에 절연 파워 서플라이(power supply)를 연결하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 전압 측정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 컨버터 및 I/F 회로는 고전압 그라운드(HG), 상기 제2 CPU는 저전압 그라운드(LG)에 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 전압 측정 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압배터리 모듈중, k 번째 고전압배터리 모듈의 측정 전압은
    Figure 112009005936679-pat00011
    과
    Figure 112009005936679-pat00012
    에 의하여 구해지고, 상기 nR1은
    Figure 112009005936679-pat00013
    로 나타나는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 전압 측정 장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압부는 저전압부와 신호를 교환하기 위한 I/F 회로를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 전압 측정 장치.
  10. 삭제
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