KR101075037B1 - 배터리 관리 시스템 - Google Patents

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박맹기
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주식회사 아이거텍
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Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 대용량 전지의 구성시 중용량의 전지를 모듈단위로 구성 제어하여 안전성을 강화시킨 배터리 관리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은, 대용량 전지의 구성시 중용량의 전지를 모듈단위로 구성하여 제어되는 출력을 병렬 접속하는 방법을 사용하므로 개별전지의 이상발생시 이상 발생된 모듈만 분리하여 해당 모듈만큼의 용량만 줄어들게 하여 계속 운용될 수 있다. 또한, 중용량 전지 개별의 상태를 알수 있으므로 운용 상태에서도 추후 이상 상황을 예측할 수 있어 만약의 안전사고 등에 대응할 수 있다.

Description

배터리 관리 시스템{Battery Management System}
본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 전지의 구성시 중용량의 전지를 모듈단위로 구성 제어하여 안전성을 강화시킨 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
오늘날 국제 사회에서 국제 유가는 수요 증가와 공급불안으로 인하여 중장기적 상승 국면에 있으며, 당분간 고유가 현상은 지속될 것으로 전망되고 지구 온난화를 비롯한 환경문제에 대한 관심과 심각성이 고조됨에 따라 연류를 주 공급원으로 사용하는 시스템에서 연료 배기가스에 대한 규제가 강화 되고 있는 추세이다.
고유가와 환경규제에 대응하기 위해서 새로운 대체 에너지의 필요성이 대두되는 실정이며 그 일환으로 고 용량화 되고 다수 셀을 직렬 연견한 고출력 기능을 갖춘 2차 전지 팩이 개발되고 있다. 이러한 2차 전지 팩을은 휴대용 기기, 하이브리드 자동차, 전기자동차, 전기 자전거 등 광범위하게 쓰이고 있으나 전지 관리 시스템에 의해 전지 셀 간에 밸런스 제어 되지 않으면 과충전에 의한 발화와 과방전에 의한 열화 특성으로 인한 위험성과 전지의 급격한 노화현상을 발생시키게 된다.
하이브리드 자동차와 같이 충반전 빈도가 잦은 시스템에서는 시스템 가동 중 전지 셀 밸런스를 하지 않고 시스템이 정지되어 있는 환경에서 셀간 전압을 센싱하여 전체 전지 셀의 평균 전압 값을 이용해 모든 전지의 전압이 평균 전압 값에 맞추도록 하는 전지의 안정화에 기반을 둔 기술들이 많이 소개 되었다. 하지만 이러한 기술은 전지의 안정화는 가져올 수 있지만 평균 전압보다 큰 전압의 경우 방전하여 평균 전압 값으로 맞추기 때문에 전지가 가질 수 있는 성능을 더 활용할 수 있는데도 불구하고 그 성능을 제대로 발휘할 수 없다.
따라서 전지의 안정화와 전지의 성능을 최대한으로 발휘할 수 있고 실시간으로 충반전 제어가 가능한 충방전 시스템이 필요하다. 충방전 제어 시스템은 감지부와 제어부로 구성되어 있으며, 감지부는 전지 셀의 온도, 전압, 전지에 유입되는 전류를 감지하는 역할을 하며, 제어부는 감지한 데이터를 기반으로 전지 셀의 임피던스를 구하고 배터리 관리 시스템(Battery Management System)을 이용하여 충방전 상태를 제어한다.
그러나, 이와 같은 종래의 배터리 관리 시스템은, 대용량 리튬이온 2차 전지팩의 경우 전지의 모니터링은 단위셀(리튬이온-3.7V / Li-FePO4-3.2V)단위로 1개소만 모니터링 하여 제어 하므로 단위셀의 고장 및 이상 현상 발생시 전체의 전지를 사용하지 못하는 상태에서는 안전상의 문제가 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 대용량 전지의 구성시 중용량의 전지를 모듈단위로 구성 제어하여 안전성을 강화시킨 배터리 관리 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리셀의 충전을 조절하는 시스템에 있어서, 상기 배터리셀의 전압, 전류, 온도 및 셀 밸런싱값을 검출하는 아날로그값으로 입력하는 아날로그 입력 모듈; 과충전, 과방전, 과전류, 단락 레벨을 비교하여 FET 스위치의 동작을 제어하여 상기 배터리셀의 충전을 조절하고, 상기 아날로그 입력 모듈로부터 입력된 전류값, 전압값 및 온도값을 디지털 변환하는 데이터 변환 모듈; 및 상기 배터리셀의 충전 및 방전의 가용 용량을 산정하고, 다른 기기와의 통신을 위한 프로토콜을 정의하고, 상기 배터리셀의 사용 횟수를 카운팅하여 전지의 수명을 예측하고, 검출 신호들을 통신 가능한 레벨로 변환하여 다른 기기와 인터페이스하는 레벨 시프트 및 인터페이스 모듈을 포함한다.
상기 아날로그 입력 모듈은, 개별 구성된 전지의 상태를 모니터링하여 데이터 전송할 수 있도록 아날로그 값을 변환하는 전압 입력부; 상기 배터리셀의 개별 구성된 전지가 다른 전지와 평균값을 비교하였을 때 다르게 나타나면 다른 전지와 평균값이 맞도록 조절하는 셀 밸런싱부; 상기 배터리셀의 전류값을 모니터링하여 데이터 전송을 할 수 있도록 아날로그 값을 변환하는 전류 검출부; 및 상기 배터리셀의 온도를 모니터링 하며 이상발열 등을 감지하여 데이터 전송을 할수있도록 아날로그 값을 변환하는 온도 검출부를 포함할 수 있다.
상기 데이터 변환 모듈은, 상기 배터리셀의 과방전 상태에서 충전 입력시 전류량을 약화시켜 충전을 할 수 있도록 조절하는 충전 조절부; 상기 배터리셀의 이상발생시 상기 FET 스위치가 작동하도록 레벨 변환을 하여 FET 스위치를 제어하는 FET 드라이브; 상기 배터리셀에 충전 표준 전압보다 높은 전압이 입력되면 충전을 차단할 수 있도록 제어 신호를 출력하는 과충전 레벨 비교부; 상기 배터리셀에 표준 전압보다 낮은 전압이 되지 않도록 충전을 차단할 수 있도록 전지 사용금지 제어 신호를 출력하는 과방전 레벨 비교부; 상기 배터리셀에 과도한 전류 사용시 상기 FET 스위치를 차단할 수 있도록 제어 신호를 출력하는 과전류 레벨 비교부; 상기 배터리셀의 출력이 단락되어 규정값 이상의 전류 사용시 상기 FET 스위치를 차단할 수 있도록 제어신호를 출력하는 단락 레벨 비교부; 상기 배터리셀에 사용하는 전류값을 모니터링 할수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 전류값 디지털 변환부; 상기 배터리셀에 구성된 개별 전지의 전압 상태 및 모듈 전체의 단전지 상태를 모니터링할 수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 전압값 디지털 변환부; 및 상기 배터리셀의 온도를 모니터링할 수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 온도값 디지털 변환부를 포함할 수 있다.
상기 레벨 시프트 및 인터페이스 모듈은, 상기 배터리셀의 충전 및 방전의 가용 용량을 산정하여 데이터 전송하는 잔류 용량 산정부; 다른 기기와의 통신 및 상위 디바이스와의 통신을 위한 프로토콜을 정의하여 통신을 수행하는 데이터 커뮤니케이션부; 상기 배터리셀의 사용 횟수를 카운팅하여 전지의 수명을 예측하는 사용횟수 카운팅부; 및 검출 신호들을 통신 가능한 레벨로 변환하여 다른 기기와 인터페이스하는 레벨 시프트부를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템에 의하면, 대용량 전지의 구성시 중용량의 전지를 모듈단위로 구성하여 제어되는 출력을 병렬 접속하는 방법을 사용하므로 개별전지의 이상발생시 이상 발생된 모듈만 분리하여 해당 모듈만큼의 용량만 줄어들게하여 계속 운용 될 수 있는 효과가 있다.
또한, 중용량 전지 개별의 상태를 알수 있으므로 운용 상태에서도 추후 이상 상황을 예측할 수 있어 만약의 안전사고 등에 대응할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템의 일실시예를 나타낸 블록도.
도 2는 도 1의 다중 접속 구성을 나타낸 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 바람직한 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 설명한 것으로서 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템의 일실시예를 나타낸 블록도이다.
도시된 바와 같이 본 발명은, 아날로그 입력 모듈(100), 데이터 변환 모듈(200), 레벨 시프트 및 인터페이스 모듈(300)로 구성된다.
아날로그 입력 모듈(100)은 배터리셀(10)의 전압, 전류, 온도 및 셀 밸런싱값을 검출하는 아날로그값으로 입력한다.
데이터 변환 모듈(200)은 과충전, 과방전, 과전류, 단락 레벨을 비교하여 FET 스위치(30)의 동작을 제어하여 배터리셀(10)의 충전을 조절하고, 상기 아날로그 입력 모듈(100)로부터 입력된 전류값, 전압값 및 온도값을 디지털 변환한다.
레벨 시프트 및 인터페이스 모듈(300)은 배터리셀(10)의 충전 및 방전의 가용 용량을 산정하고, 다른 기기와의 통신을 위한 프로토콜을 정의하고, 배터리셀(10)의 사용 횟수를 카운팅하여 전지의 수명을 예측하고, 검출 신호들을 통신 가능한 레벨로 변환하여 다른 기기와 인터페이스 한다.
도시된 바와 같이, 배터리셀(10)의 구성은 단위 전지 결합을 기본으로 구성하여 독립형으로 안전회로가 동작하도록 구성한다. 이와 같이 구성된 독립 모듈은 병렬 구성된 전지의 각각의 상태를 모니터링하여 데이터를 외부로 송출할 수 있으며, 이상 발생시 외부의 명령 없이 단독적으로 상황에 대처 할 수 있도록 구성된다.
미설명 부호 20은 휴즈이고, 30은 FET 스위치, 40은 전원, 50은 분류기(SHUNT)이다. 분류기(50)는 전류를 측정하기 위해 회로중간에 낮은 저항을 넣고 저항양단에 발생하는 전압을 측정하여 전류값을 알아내는 것이다.
본 발명의 배터리 관리 시스템의 각각의 구성요소를 상세히 살펴보면 다음과 같다.
아날로그 입력 모듈(ANALOG FRONT END BLOCK)(100)은, 전압 입력부(110), 셀 밸런싱부(120), 전류 검출부(130), 온도 검출부(140)를 포함한다.
전압 입력부(VOLTAGE READING PART)(110)는 개별 구성된 전지의 상태를 모니터링하여 데이터 전송할 수 있도록 아날로그 값을 변환해준다.
셀 밸런싱부(CELL BALANCING PART)(120)는 배터리셀(10)의 개별 구성된 전지가 다른 전지와 평균값을 비교하였을 때 다르게 나타나면 다른 전지와 평균값이 맞도록 조절하여 준다.
전류 검출부(CURRENT MEASUR PART)(130)는 배터리셀(10)의 전류값을 모니터링 하여 데이터 전송을 할 수 있도록 아날로그 값을 변환하여 준다.
온도 검출부(TEMPERATURE PART)(140)는 배터리셀(10)의 온도를 모니터링 하며 이상발열 등을 감지하여 데이터 전송을 할수있도록 아날로그 값을 변환하여 준다.
데이터 변환 모듈(200)은, 충전 조절부(210), FET 드라이브(220), 과충전 레벨 비교부(230), 과방전 레벨 비교부(240), 과전류 레벨 비교부(250), 단락 레벨 비교부(260), 전류값 디지털 변환부(270), 전압값 디지털 변환부(280), 온도값 디지털 변환부(290)를 포함한다.
충전 조절부(FREE CHARGE PART)(210)는 배터리셀(10)의 과방전 상태에서 충전 입력시 대전류가 유입되면 전지에 위험을 초래하므로 전류량을 약화시켜 충전을 할 수 있도록 조절하여 준다.
FET 드라이브(FET DRIVE PART)(220)는 배터리셀(10)의 이상발생시 전자스위치(FET등)가 작동하도록 레벨 변환을 하여 FET 스위치(30)를 제어한다.
과충전 레벨 비교부(230)는 배터리셀(10)에 충전 표준 전압보다 높은 전압이 입력되면 전지가 발화 및 폭발할 수 있으므로 충전을 차단할 수 있도록 제어 신호를 만들어 준다.
과방전 레벨 비교부(240)는 배터리셀(10)에 표준 전압보다 낮은 전압이 될때까지 사용하면 전지가 기능을 상실할 수 있으며 이상 상태에서 장시간 방치후 충전시 및 폭발할 수 있으므로 충전을 차단할 수 있도록 전지 사용금지 제어 신호를 만들어 준다.
과전류 레벨 비교부(250)는 배터리셀(10)에 과도한 전류로 사용하게 되면 전지가 열화 성능 저하를 일으킬 수 있으므로, FET 스위치(30)를 차단할 수 있도록 제어 신호를 만들어 준다.
단락 레벨 비교부(260)는 배터리셀(10)의 출력이 단락되면 과도한 전류가 흘러 전지를 소손시키거나 회로를 소손시킬 수 있으므로 규정값 이상의 전류 사용시 FET 스위치(30)를 차단할 수 있도록 제어신호를 만들어 준다.
전류값 디지털 변환부(270)는 배터리셀(10)에 사용하는 전류값을 모니터링 할수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 준다.
전압값 디지털 변환부(280)는 배터리셀(10)에 구성된 개별 전지의 전압 상태 및 모듈 전체의 단전지 상태를 모니터링할 수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 준다.
온도값 디지털 변환부(290)는 배터리셀(10)의 온도를 모니터링할 수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 준다.
레벨 시프트 및 인터페이스 모듈(LEVEL SHIFT & INTERFACE)(300)은, 잔류 용량 산정부(310), 데이터 커뮤니케이션부(320), 사용횟수 카운팅부(330), 레벨 시프트부(340)를 포함한다.
잔류 용량 산정부(310)는 배터리셀(10)의 충전 및 방전의 가용 용량을 산정하여 데이터 전송한다.
데이터 커뮤니케이션부(DATA COMMUNICATION)(320)는 타 모듈과의 통신 및 상위 디바이스(DEVICE)와의 통신을 위한 프로토콜(PROTOCOL)을 정의하여 통신을 수행한다.
사용횟수 카운팅부(330)는 배터리셀(10)의 사용 횟수를 카운팅하여 전지의 수명을 예측한다.
레벨 시프트부(LEVAL SHIFT)(340)는 검출 신호들을 통신 가능한 레벨로 변환하여 다른 기기와 인터페이스한다.
도 2는 도 1의 다중 접속 구성을 나타낸 블록도이다.
도시된 바와 같이 본 발명은, 백업(Back-up)용 전원 및 기타 중대형 전지등은 요구 전압이 다양하며 높은 전압과 큰 전류를 필요로 한다. 본 발명은 이러한 전원을 구성할 때 일반 전지를 직렬 혹은 병렬로하여 구성하는 것이 아니고, 개별 모듈에 각종 상태의 모니터링과 보호기능을 완벽히 갖추어 개별 배터리셀(10)의 구성을 모니터링하여 이상이 발생할 경우 사전에 완벽 차단할 수 있도록 구성한다.
또한, 표준 모듈로 구성하여 필요한 전압 및 전류를 손쉽게 구성할수 있어 모든 정보는 상위 디바이스에서 완벽 모니터링할 수 있으며, 이상상황 발생시 상위 디바이스의 지령 및 단독으로 판단하여 제어가 가능하도록 2중 안전장치를 구성하였다.
따라서, 대용량 전지의 구성시 중용량의 전지를 모듈단위로 구성하여 제어되는 출력을 병렬 접속하는 방법을 사용하므로 개별전지의 이상발생시 이상 발생된 모듈만 분리하여 해당 모듈만큼의 용량만 줄어들게 하여 계속 운용될 수 있다. 또한, 중용량 전지 개별의 상태를 알수 있으므로 운용 상태에서도 추후 이상 상황을 예측할 수 있어 만약의 안전사고 등에 대응할 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
따라서, 본 발명은 상술한 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.
10 : 배터리셀 20 : 휴즈
30 : FET 스위치 50 : 분류기(SHUNT)
100 : 아날로그 입력 모듈 110 : 전압 입력부
120 : 셀 밸런싱부 130 : 전류 검출부
140 : 온도 검출부 200 : 데이터 변환 모듈
210 : 충전 조절부 220 : FET 드라이브
230 : 과충전 레벨 비교부 240 : 과방전 레벨 비교부
250 : 과전류 레벨 비교부 260 : 단락 레벨 비교부
270 : 전류값 디지털 변환부 280 : 전압값 디지털 변환부
290 : 온도값 디지털 변환부 300 : 레벨 시프트 및 인터페이스 모듈
310 : 잔류 용량 산정부 320 : 데이터 커뮤니케이션부
330 : 사용횟수 카운팅부 340 : 레벨 시프트부

Claims (4)

  1. 배터리셀의 전압, 전류, 온도 및 셀 밸런싱값을 검출하는 아날로그값으로 입력하는 아날로그 입력 모듈;
    과충전, 과방전, 과전류, 단락 레벨을 비교하여 FET 스위치의 동작을 제어하여 상기 배터리셀의 충전을 조절하고, 상기 아날로그 입력 모듈로부터 입력된 전류값, 전압값 및 온도값을 디지털 변환하는 데이터 변환 모듈; 및
    상기 배터리셀의 충전 및 방전의 가용 용량을 산정하고, 다른 기기와의 통신을 위한 프로토콜을 정의하고, 상기 배터리셀의 사용 횟수를 카운팅하여 전지의 수명을 예측하고, 검출 신호들을 통신 가능한 레벨로 변환하여 다른 기기와 인터페이스하는 레벨 시프트 및 인터페이스 모듈을 포함하는 배터리셀의 충전을 조절하는 시스템에 있어서,
    상기 모듈단위로 구성된 배터리셀의 출력을 병렬로 접속하여 모니터링하면서 개별전지의 이상발생시 이상 발생된 모듈만 분리함으로써, 해당 모듈만큼의 용량만 줄어들게 하여 운용하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 아날로그 입력 모듈은,
    개별 구성된 전지의 상태를 모니터링하여 데이터 전송할 수 있도록 아날로그 값을 변환하는 전압 입력부;
    배터리셀의 개별 구성된 전지가 다른 전지와 평균값을 비교하였을 때 다르게 나타나면 다른 전지와 평균값이 맞도록 조절하는 셀 밸런싱부;
    상기 배터리셀의 전류값을 모니터링하여 데이터 전송을 할 수 있도록 아날로그 값을 변환하는 전류 검출부; 및
    상기 배터리셀의 온도를 모니터링 하며 이상발열 등을 감지하여 데이터 전송을 할수있도록 아날로그 값을 변환하는 온도 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 변환 모듈은,
    배터리셀의 과방전 상태에서 충전 입력시 전류량을 약화시켜 충전을 할 수 있도록 조절하는 충전 조절부;
    상기 배터리셀의 이상발생시 상기 FET 스위치가 작동하도록 레벨 변환을 하여 FET 스위치를 제어하는 FET 드라이브;
    상기 배터리셀에 충전 표준 전압보다 높은 전압이 입력되면 충전을 차단할 수 있도록 제어 신호를 출력하는 과충전 레벨 비교부;
    상기 배터리셀에 표준 전압보다 낮은 전압이 되지 않도록 충전을 차단할 수 있도록 전지 사용금지 제어 신호를 출력하는 과방전 레벨 비교부;
    상기 배터리셀에 과도한 전류 사용시 상기 FET 스위치를 차단할 수 있도록 제어 신호를 출력하는 과전류 레벨 비교부;
    상기 배터리셀의 출력이 단락되어 규정값 이상의 전류 사용시 상기 FET 스위치를 차단할 수 있도록 제어신호를 출력하는 단락 레벨 비교부;
    상기 배터리셀에 사용하는 전류값을 모니터링 할수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 전류값 디지털 변환부;
    상기 배터리셀에 구성된 개별 전지의 전압 상태 및 모듈 전체의 단전지 상태를 모니터링할 수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 전압값 디지털 변환부; 및
    상기 배터리셀의 온도를 모니터링할 수 있도록 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 온도값 디지털 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레벨 시프트 및 인터페이스 모듈은,
    배터리셀의 충전 및 방전의 가용 용량을 산정하여 데이터 전송하는 잔류 용량 산정부;
    다른 기기와의 통신 및 상위 디바이스와의 통신을 위한 프로토콜을 정의하여 통신을 수행하는 데이터 커뮤니케이션부;
    상기 배터리셀의 사용 횟수를 카운팅하여 전지의 수명을 예측하는 사용횟수 카운팅부; 및
    검출 신호들을 통신 가능한 레벨로 변환하여 다른 기기와 인터페이스하는 레벨 시프트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
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