KR101068156B1

KR101068156B1 - 배터리셀 전압 감시 회로

Info

Publication number: KR101068156B1
Application number: KR1020090111425A
Authority: KR
Inventors: 홍인관
Original assignee: 엔테크주식회사
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-09-28
Also published as: KR20110054681A

Abstract

본 발명은 각각의 배터리 셀의 전압을 감시하여 배터리 셀 간 균형을 유지하고, 유사시 보호 회로가 작동하여 배터리를 보호하며, 배터리의 수명을 연장하기 위해 배터리 셀의 전압 검출시 배터리 소모 전력을 최소화하고, 높은 전위의 배터리 팩 전압과 감시 회로 간 포토 커플러로 절연을 하여 회로가 안정적으로 동작하도록 하는 배터리 셀 전압 감시 회로에 관한 것이다.

본 발명에 따른 배터리 셀 전압 감시 회로는, 하나 이상의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩; 상기 배터리 셀마다 각각의 검출점으로부터 각각 인출된 각각의 검출선이 각각의 포토 커플러를 통해 각각 연결된 아날로그 다중기; 상기 아날로그 다중기로부터 출력된 값을 차동 증폭하여 검출 전압을 출력하는 차동 증폭부; 및 상기 차동 증폭부로부터 출력된 검출 전압을 데이터로 산출하는 마이컴을 포함한다.

또한, 각각의 상기 배터리 셀에 연결된 모든 포토 커플러의 동작을 상기 마이컴의 제어에 따라 턴 온 또는 턴 오프시키는 셀 모니터 스위치를 더 포함한다.

본 발명에 의하면, 회로가 간단하여 구성이 쉽고 내구성이 강한 배터리 셀 전압 검출 회로를 구현할 수 있다. 또한, 원하는 배터리 Cell 개수를 쉽게 변경할 수 있다. 또한, 회로가 절연되어 있어 배터리 팩의 높은 전압에도 안정성이 보장된다.

그리고, 셀 모니터 스위치와 포토 커플러를 이용하여 셀 모니터 스위치의 턴 온(Turn on) 시에만 배터리 셀 전압을 센싱하기 때문에 배터리 팩 전원의 소모를 대폭 줄일 수 있다.

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Description

배터리셀 전압 감시 회로{Battery cell voltage monitoring circuit}

본 발명은 배터리 셀(Battery Cell)의 전압을 감시(Monitoring)하는 회로에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 직렬로 연결된 각각의 배터리 셀의 전압을 감시하여 배터리 셀 간 균형(Balancing)을 유지하고, 유사시 보호 회로가 작동하여 배터리를 보호(Protection)하며, 배터리의 수명을 연장하기 위해 배터리 셀의 전압 검출시 배터리 소모 전력을 최소화하고, 높은 전위의 배터리 팩 전압과 감시 회로 간 포토 커플러(Photo Coupler)로 절연을 하여 회로적으로 안전성을 제공하는 배터리 셀 전압 감시 회로에 관한 것이다.

종래, 하이브리드차(Hybrid Car) 등의 전기 자동차(Electric Vehicle)에 있어서는, 주행용 모터의 전원으로서, 복수의 이차전지를 직렬로 접속하여 이루어지는 배터리 팩(Battery Pack)이 탑재되어 있다. 이와 같은 배터리 팩에 있어서는, 통상, 200∼300 V의 고전압을 발생시킬 필요가 있기 때문에, 예를 들면 1 셀당의 출력이 약 3.6 V인 리튬계의 이차전지로서는 60∼80 셀이 직렬로 접속되고, 1 셀당의 출력이 약 1.2 V인 NiMH 계의 이차전지로서는 200 셀 정도가 직렬로 접속되어, 배터리 팩이 구성된다.

이와 같은 배터리 팩에 있어서는, 모든 이차전지의 충전 상태가 균등한 것이 바람직하다. 예를 들면 1개의 이차전지가 충전율이 70%이고, 다른 이차전지가 충전율이 50%인 경우, 충전 가능한 전기량은, 충전율 70%의 이차전지가 만충전이 되기까지의 30% 상당이기 때문에, 만일 30% 상당을 넘어 충전을 행하면, 충전율이 70% 이던 이차전지는, 충전율이 100%를 넘게 되어, 수명이 대폭 짧아진다. 그 결과, 배터리 팩으로서의 수명도 짧아진다.

그런데, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 전기를 저장하기 위한 배터리 팩(Battery Pack) 등에 사용하는 리튬이온 배터리 및 리튬폴리머 배터리는 충,방전 특성이 우수하고 다른 종류의 배터리에 비해 가볍고 부피를 줄일 수 있는 등 많은 장점을 제공하지만 직렬로 연결하여 사용 시 한 개의 셀(Cell) 특성이 나빠지면 충,방전이 불가능하고 화재 및 폭발의 위험성이 있으며 따라서 특성이 나쁜 한 개의 셀(Cell) 때문에 전체 배터리 팩(Pack)을 사용하지 못하는 단점이 있다.

이에 따라, 배터리 단위 셀들의 전압을 각각 검출(Reading)하여 배터리 팩을 사용하는 중 셀 간 균형(Cell Balancing)을 유지하고, 유사 시 회로를 보호(Protection)하여 단위 셀의 특성 변화 및 사고를 사전에 방지하며 배터리 수명을 연장하기 위해 BMS(Battery Management System)를 사용하고 있다.

BMS가 이러한 기능을 하기 위해서는 정확한 셀 전압을 검출해야 하고 배터리의 전력소모가 적어야 한다. 따라서, BMS 기능 중 가장 중요한 것이 정확한 셀 전압 검출(Cell Voltage Reading) 기능이며 이 기능 수행 시 가능한 배터리 팩의 전압 손실을 줄여야 한다.

그런데 장시간 배터리를 사용하지 않을 때 BMS 때문에 배터리가 방전되어 사용하지 못하는 경우가 종종 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 각각의 배터리 셀의 전압을 감시하여 배터리 셀 간 균형을 유지하고, 유사시 보호 회로가 작동하여 배터리를 보호하며, 배터리의 수명을 연장하기 위해 배터리 셀의 전압 검출시 배터리 소모 전력을 최소화하고, 높은 전위의 배터리 팩 전압과 감시 회로 간 포토 커플러로 절연을 하여 회로가 안정적으로 동작하도록 하는 배터리 셀 전압 감시 회로를 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 감시 회로는, 하나 이상의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩; 상기 배터리 셀마다 각각의 검출점으로부터 각각 인출된 각각의 검출선이 각각의 포토 커플러를 통해 각각 연결된 아날로그 다중기; 상기 아날로그 다중기로부터 출력된 값을 차동 증폭하여 검출 전압을 출력하는 차동 증폭부; 및 상기 차동 증폭부로부터 출력된 검출 전압을 데이터로 산출하는 마이컴을 포함한다.

또한, 상기 셀 모니터 스위치는 PNP형 트랜지스터 또는 NPN형 트랜지스터를 이용할 수 있다.

또한, 상기 셀 모니터 스위치가 턴 온 됨에 따라 전원이 모든 상기 포토 커플러에 인가되고, 각각의 상기 포토 커플러가 턴 온 되어, 상기 배터리 셀마다 상기 검출점으로부터 각 배터리 전원이 각각의 검출선을 통해 각각의 포토 커플러로 전달되며, 각각의 포토 커플러로부터 각각의 검출선을 통해 상기 아날로그 다중기로 전달되어, 상기 아날로그 다중기에서 멀티플렉싱되어 상기 차동 증폭부를 통해 각각의 검출 전압이 상기 마이컴으로 전달된다.

또한, 각각의 상기 배터리 셀에 연결된 각각의 포토 커플러 양단에는 분압 저항이 각각 연결되어 있다.

또한, 상기 마이컴은 상기 아날로그 형태의 검출 전압을 디지털 형태의 데이터로 변환하는 ADC 기능을 갖는다.

그리고, 상기 마이컴은 상기 검출 전압에 대한 데이터를 소프트웨어에 의한 보정 연산을 수행한다.

본 발명에 의하면, 회로가 간단하여 구성이 쉽고 내구성이 강한 배터리 셀 전압 검출 회로를 구현할 수 있다.

또한, 원하는 배터리 Cell 개수를 쉽게 변경할 수 있다.

또한, 회로가 절연되어 있어 배터리 팩의 높은 전압에도 안정성이 보장된다.

본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 전압 감시 회로를 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 감시 회로(100)는, 배터리 단위의 배터리 셀이 하나 이상 직렬로 연결된 배터리 팩(110); 배터리 셀마다 각각의 검출점으로부터 각각 인출된 각각의 검출선이 각각의 포토 커플러(PC)를 통해 각각 연결된 아날로그 다중기(Analog Multiplexer)(120, 122); 아날로그 다중기(120, 122)로부터 출력된 값을 차동 증폭하여 검출 전압을 출력하는 차동 증폭부(130); 및 차동 증폭부(130)로부터 출력된 검출 전압을 데이터로 산출하는 마이컴(Micom)(140)을 포함한다.

또한, 각각의 상기 배터리 셀에 연결된 모든 포토 커플러(PC)의 동작을 마이컴(140)의 제어에 따라 턴 온(Turn On) 또는 턴 오프(Turn Off)시키는 셀 모니터 스위치(Cell Monitor Switch)(150)를 더 포함한다.

이때, 셀 모니터 스위치(150)는 PNP형 트랜지스터 또는 NPN형 트랜지스터를 이용할 수 있다.

또한, 각각의 상기 배터리 셀에 연결된 각각의 포토 커플러(PC) 양단에는 분압 저항(Ra, Rb)이 각각 연결되어 있다.

그리고, 마이컴(140)은 아날로그 형태의 검출 전압을 디지털 형태의 데이터로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter) 기능을 갖는다.

한편, 도 1에서는 하나의 실시예로 Cell 14 개가 직렬 연결 된 한 개의 배터리 팩을 예시하였으나, Cell 연결 수는 사용 목적에 따라 변경할 수 있다.

또한, 안전 및 노이즈 방지를 위해 포토 커플러(Photo Coupler)로 배터리와 센싱부가 절연되어 있으나, 절연이 필요하지 않을 때는 트랜지스터(Transistor)로 대치할 수 있다.

또한, 각 배터리 셀의 전압 센싱을 위한 분배 저항 Ra 와 Rb가 각 배터리 셀에 연결되어 있다. 따라서 셀 모니터 스위치(Cell Monitor SW) Q1이 Turn on 할 때 각 Cell의 분배저항 Rb에 Drop되는 전압(VS0∼VS14)을 읽어 아날로그 다중기(Analog Mux U1,U2)에 입력하며 입력된 각 Cell 센싱전압의 전위차를 Addressing 한 다음 차동 증폭부(OP Amp U3)로 차동(Differential) 증폭하여 마이컴(Micom U4 ADC(Analog to Digital Converter))에 인가하여 전압 값을 읽는다.

본 발명의 실시예에서, 각 배터리 셀의 출력 전압을 예컨대, 20 V, 전원 전압의 입력 범위를 + 5 V 이내로 할 수 있다. 따라서, 배터리 셀이 직렬로 3 개가 연결된 점의 전압은 예컨대, 60 V가 될 수 있다. 이 경우, 한 쌍의 분압 저항에 의한 분압비를 0.083(= 5 V/60 V)로 가정할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 전압 감시 회로의 동작 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 감시 회로(100)는, 마이컴(140)에서 셀 모니터 스위치(150)로 턴 온 신호 예컨대, 하이레벨 신호를 인가한다(S210).

이에, 도 1에 도시된 바와 같이 NPN형 트랜지스터로 이루어진 셀 모니터 스위치(150)에서, 베이스 측에 하이레벨 신호가 인가되어 턴 온 됨에 따라 컬렉터 측에서 에미터 측으로 전류가 흐르게 되어, 셀 모니터 스위치(150)가 턴 온 된다(S220).

이때, 셀 모니터 스위치(150)의 턴 온(Turn on) 시간은 마이컴(140)의 프로그램으로서 조절이 가능하다

이렇게 셀 모니터 스위치(150)가 턴 온 됨에 따라 +5V의 전원이 각각의 배터리 셀에 연결된 모든 포토 커플러(PC)에 인가되어, 각각의 포토 커플러(PC)가 턴 온 동작한다(S230).

각각의 포토 커플러(PC)의 경우, 포토 커플러 내의 발광 다이오드가 +5V의 전원을 인가받아 발광하게 됨에 따라 포토 커플러 내의 포토 트랜지스터를 이를 수광하여 턴 온 동작하게 되어 포토 커플러(PC)가 턴 온 동작하게 된다.

이에 따라, 배터리 셀마다 검출점으로부터 각 배터리 전원이 각각의 검출선을 통해 각각의 포토 커플러로 전달되며, 각각의 포토 커플러로부터 각각의 검출선을 통해 아날로그 다중기(120, 122)로 전달된다(S240).

이어, 아날로그 다중기(120, 122)는 각각의 포토 커플러로부터 인가된 전압을 멀티플렉싱하여 차동 증폭부(130)로 전달한다(S250).

이에, 차동 증폭부(130)에서 각각의 검출 전압을 차동 증폭하여 마이컴(140)으로 전달한다(S260).

마이컴(140)은 전달받은 아날로그 형태의 검출 전압을 디지털 형태로 변환하여 데이터로 산출한다(S270).

여기서, 배터리 셀의 전압이 V 일 경우 분배 저항 Rb에 드롭(Drop)되는 전압 VS는 다음 수학식 1과 같이 얻을 수 있다.

수학식 1에서, VSn은 각 배터리 셀의 분배 저항 Rb에 드롭되는 전압을 나타내고, V는 배터리 셀의 전압을 나타낸다.

예컨대, 배터리 셀(Cell) 전압이 4.2V 라면 분배 저항 Rb에 드롭(Drop)되는 전압은 VS14 = Rb/Ra+Rb x (4.2x14), VS13 = Rb/Ra+Rb x (4.2x13), ..., VS1 = Rb/Ra+Rb x (4.2x1)이 된다.

따라서, 각 Cell 양단의 센싱 전압(BATn)은 수학식 2와 같이 얻을 수 있다.

즉, BAT.14 양단전압 = VS14-VS13, BAT.13 양단전압 = VS13-VS12, ..., BAT.1 양단전압 = VS1-VS0이 된다.

본 발명에 따른 배터리 셀 전압 감시 회로(100)에 있어서는, 전압 검출 정밀도를 높이기 위해서, 마이컴(140)이 소프트웨어에 의한 보정 연산을 행할 수 있다.마이컴(140)이 아날로그-디지털 변환에 의한 AD 변환 결과와 실제의 전압의 관계에서, AD 변환 결과가 X1일 때, 이 값에 12(= 1/0.083)를 승산함으로써 전압 V1의 값 Y1를 얻을 수 있는데, 실제로는 저항값의 오차에 의해서 약간의 오차가 발생한다. 이상적으로는 X2의 값이 저항 오차에 의해서 X1으로 변환되었다고 하면, 마이컴(140)에 미리 계수(X2/X1)의 값을 등록해 놓고, 다음 수학식 3에 기초하여, AD 변환 결과 X에서 정확한 전압값 Y를 구할 수 있다.

또한, 계수(X2/X1)의 값은, 각 전압 검출점에 대한 개별의 값으로서, 마이컴(140)은 EEPROM 등의 불휘발성 메모리에 저장해 둔다.

이 보정 연산을 실행함으로써, 각 전압 검출점의 전위를 정확하게 측정할 수 있어, 이 결과, 마이컴(140)에 의한 차분 연산을 고정밀도로 행할 수 있다. 더욱 고정밀도인 보정이 필요한 경우에는, 2 개의 계수 A, B를 이용한 다음 수학식 4의 보정식을 채용하는 것이 유효할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 감시 회로(100)에 있어서는, 각 전압 분기선에 개재하는 분압 저항 Rb에 대하여 병렬로 컨덴서(Cb)를 접속하여, 분압 저항 Rb와 컨덴서(Cb)로 저역 통과 필터를 구성할 수 있다. 이것에 의해서, 마이컴(140)에 입력되는 전압 신호에 포함되는 노이즈 성분을 저감시켜, 정밀도가 높은 AD 변환치를 얻을 수 있다. 이렇게 분압 저항을 이용하여 저역 통과 필터를 구성할 경우 부품 수의 증대는 근소하다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 감시 회로(100)에 있어서는, 모든 검출 전압을 AD 변환한 후에 차분 연산을 행하기 때문에, 모든 AD 변환 처리가 종료할 때까지는 검출 전압을 변화시키지 않고서 유지할 필요가 있어, 그 때문에 각 필터의 시상수(RbㅧCb)의 값을 일정하게 하고, 각 필터의 시상수를 전 셀의 AD 변환 시간보다도 충분히 길게 설정한다. 따라서, 검출 전압이 변화한 후에 정상 상태에 달하기까지의 시간을 일정하게 할 수 있다. 또한, 전 채널의 AD 변환 처리가 종료하기까지의 검출 전압의 변화를 억제할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 각각의 배터리 셀의 전압을 감시하여 배터리 셀 간 균형을 유지하고, 유사시 보호 회로가 작동하여 배터리를 보호하며, 배터리의 수명을 연장하기 위해 배터리 셀의 전압 검출시 배터리 소모 전력을 최소화하고, 높은 전위의 배터리 팩 전압과 감시 회로 간 포토 커플러로 절연을 하여 회로가 안정적으로 동작하도록 하는 배터리 셀 전압 감시 회로를 실현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이 해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 전기 자동차, 하이브리드 자동차 또는 전기를 저장하기 위한 배터리 팩(Battery Pack) 등에 사용하는 리튬이온 배터리 및 리튬폴리머 배터리를 직렬로 연결하여 구성된 배터리 팩 등에 적용할 수 있다.

또한, 다수 개의 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩에서 특성이 나쁜 한 개의 셀(Cell) 때문에 전체 배터리 팩(Pack)을 사용하지 못하는 회로 등에 적용할 수 있다.

그리고, BMS 기능 중 셀 전압 검출(Cell Voltage Reading) 기능 수행 시 배터리 팩의 전압 손실을 줄여야 하는 회로 등에 적용할 수 있다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 셀 전압 감시 회로 110 : 배터리 팩

120, 122 : 아날로그 다중기 130 : 차동 증폭부

140 : 마이컴 150 : 셀 모니터 스위치

Ra, Rb : 분배 저항 PC : 포토 커플러

Claims

하나 이상의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 팩;

상기 배터리 셀마다 각각의 검출점으로부터 각각 인출된 각각의 검출선이 각각의 포토 커플러를 통해 각각 연결된 아날로그 다중기(Analog Multiplexer);

상기 아날로그 다중기로부터 출력된 값을 차동 증폭하여 검출 전압을 출력하는 차동 증폭부; 및

상기 차동 증폭부로부터 출력된 검출 전압을 데이터로 산출하는 마이컴(Micom);

을 포함하는 배터리 셀 전압 감시 회로.
제 1 항에 있어서,

각각의 상기 배터리 셀에 연결된 모든 포토 커플러의 동작을 상기 마이컴의 제어에 따라 턴 온(Turn On) 또는 턴 오프(Turn Off)시키는 셀 모니터 스위치;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 감시 회로.
제 2 항에 있어서,

상기 셀 모니터 스위치는 PNP형 트랜지스터 또는 NPN형 트랜지스터를 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 감시 회로.
제 2 항에 있어서,

상기 셀 모니터 스위치가 턴 온 됨에 따라 전원이 모든 상기 포토 커플러에 인가되고, 각각의 상기 포토 커플러가 턴 온 되어, 상기 배터리 셀마다 상기 검출점으로부터 각 배터리 전원이 각각의 검출선을 통해 각각의 포토 커플러로 전달되며, 각각의 포토 커플러로부터 각각의 검출선을 통해 상기 아날로그 다중기로 전달되어, 상기 아날로그 다중기에서 멀티플렉싱되어 상기 차동증폭부(130)를 통해 각각의 검출 전압이 상기 마이컴으로 전달되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 감시 회로.
제 1 항에 있어서,

각각의 상기 배터리 셀에 연결된 각각의 포토 커플러 양단에는 분압 저항이 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 감시 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 마이컴은 상기 아날로그 형태의 검출 전압을 디지털 형태의 데이터로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter) 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 감시 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 마이컴은 상기 검출 전압에 대한 데이터를 소프트웨어에 의한 보정 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 감시 회로.