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.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발 되고 있다. 전기 자동차 등과 같이 모터 구동을 위한 대전력을 필요로 하는 기기에 사용될 수 있도록 상기 고출력 이차 전지는 복수개를 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.
이와 같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 "배터리"라 한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지로 이루어진다. 상기 배터리 특히, HEV용 배터리의 경우 수 개에서 많게는 수십 개의 이차 전지가 충전과 방전을 번갈아가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충방전 등을 제어하여 배터리가 적정한 동작 상태로 유지하도록 관리할 필요성이 있다.
이를 위해, 배터리에 대한 제반적인 상태를 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)이 구비된다. 상기 BMS는 전지의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 SOC를 연산에 의해 추정하고, 차량의 연료 소비 효율이 가장 좋아지도록 SOC를 제어한다.
도 1은 종래기술에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 배터리 관리 시스템은 n개의 배터리 셀과 각각 2개의 와이어(wire)를 통해 연결되어 상기 n개의 배터리 셀의 정보를 센싱하고 동작을 제어한다. 이러한 경우, 상기 배터리 관리 시스템이 각 배터리 셀의 전압과 온도를 센싱하기 위해 모든 배터리 셀이 하나의 배터리 관리 시스템에 각각 연결되어야 하므로, 와이어 하니스(Wire Harness)가 복잡하게 구성될 수 밖에 없다.
또한, 각 배터리 셀에서 상기 배터리 관리 시스템까지 각각 연결되는 도선의 길이가 각 배터리 셀마다 모두 다르므로, 도선 저항에 의한 전압강하가 모두 다르게 발생하여 정확한 센싱을 기대하기 어렵다. 또한, 배터리 셀이 추가되는 경우, 와이어 하니스와 배터리 관리 시스템의 센싱 서킷이나 아날로그 디지털 컨버터를 다시 설계하여 재구성하여야 하는 불편함이 수반될 수 밖에 없다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 하나 이상의 배터리 셀 팩마다 슬레이브 배터리 관리 모듈을 각각 일체형으로 설치하고, 상기 각 슬레이브 배터리 관리 모듈을 통신선을 통해 서로 직렬로 연결하여 마스터 배터리 관리 모듈의 제어를 받도록 함으로써, 간단한 와이어 하니스(Wire Harness)를 간단하게 구성할 수 있고 배터리 셀의 추가 및 감축을 보다 용이하게 하며 배터리 셀에 직접 연결되는 슬레이브 배터리 관리 모듈로 인해 전압강하를 최소화할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 상기 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈은, 제K 배터리 셀 팩(Battery Cell Pack)이 포함하는 하나 이상의 배터리 셀에 대한 전압 및 온도를 센싱(sensing)하는 센싱 서킷(Sensing circuit); 상기 센싱된 상기 하나 이상의 배터리 셀에 대한 전압 및 온도를 디지털 값으로 변환하여 제K 배터리 셀 팩 정보를 생성하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog Digital Converter); 및 제K-1 배터리 셀 팩의 슬레이브 배터리 관리 모듈로부터 수신하는 제K-1 배터리 셀 팩 정보와 상기 생성된 상기 제K 배터리 셀 팩 정보를 제K+1 배터리 셀 팩의 슬레이브 배터리 관리 모듈 또는 마스터 배터리 관리 모듈로 전송하는 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU: Micro Controller Unit)을 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈의 상기 마이크로 컨트롤러 유닛은 상기 제K+1 배터리 셀 팩의 슬레이브 배터리 관리 모듈 또는 마스터 배터리 관리 모듈로부터 수신하는 셀 밸런싱 정보 중 상기 제K 배터리 셀 팩에 대응하는 제K 셀 밸런싱 정보를 취하고, 상기 셀 밸런싱 정보를 상기 제K-1 배터리 셀 팩의 슬레이브 배터리 관리 모듈로 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈은, 상기 제K 셀 밸런싱 정보에 따라 상기 제K 배터리 셀 팩(Battery Cell Pack)이 포함하는 하나 이상의 배터리 셀에 대한 전압 및 온도를 제어하는 셀 밸런싱 서킷(Cell Balancing Circuit)을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈의 상기 마이크로 컨트롤러 유닛은 상기 제K-1 배터리 셀 팩의 슬레이브 배터리 관리 모듈이 포함하는 마이크로 컨트롤러 유닛 및 상기 제K+1 배터리 셀 팩의 슬레이브 배터리 관리 모듈이 포함하는 마이크로 컨트롤러 유닛과 각각 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈의 상기 센싱 서킷, 상기 아날로그 디지털 컨버터, 및 상기 마이크로 컨트롤러 유닛은 하나의 칩(chip)으로 구성되고, 상기 슬레이브 배터리 관리 모듈은 상기 제K 배터리 셀 팩과 일체형으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈의 상기 제K-1 배터리 셀 팩, 상기 제K 배터리 셀 팩, 및 상기 제K+1 배터리 셀 팩은 하이브리드(hybrid) 차량의 고전압 배터리인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 제1 배터리 셀 팩 내지 제N 배터리 셀 팩 각각에 설치되어 상기 각 배터리 셀 팩의 전압 및 온도의 센싱 및 제어를 수행하고, 서로 직렬 연결되는 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈 내지 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈; 및 상기 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈과 연결되고, 상기 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈로부터 상기 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈 내지 상기 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈 각각에 대응하는 제1 배터리 셀 팩 정보 내지 제N 배터리 셀 팩 정보를 수신하고, 상기 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈로 상기 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈 내지 상기 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈 각각에 대응하는 제1 셀 밸런싱 정보 내지 제N 셀 밸런싱 정보를 전송하는 마스터 배터리 관리 모듈을 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 상기 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈 내지 상기 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈 중 제K 슬레이브 배터리 관리 모듈은 제K 배터리 셀 팩이 포함하는 하나 이상의 배터리 셀의 전압 및 온도에 대한 제K 배터리 셀 팩 정보를 생성하고, 제K-1 슬레이브 배터리 관리 모듈로부터 수신하는 제K-1 배터리 셀 팩 정보와 상기 생성된 상기 제K 배터리 셀 팩 정보를 제K+1 슬레이브 배터리 관리 모듈로 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 상기 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈 내지 상기 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈 중 제K 슬레이브 배터리 관리 모듈은, 제K+1 슬레이브 배터리 관리 모듈로부터 수신하는 셀 밸런싱 정보 중 제K 셀 밸런싱 정보를 취하고, 상기 셀 밸런싱 정보를 제K-1 슬레이브 배터리 관리 모듈로 전송하는 것을 특징으로 한다,
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 상기 제K 슬레이브 배터리 관리 모듈은 상기 제K 배터리 셀 팩 밸런싱 정보에 따라 제K 배터리 셀 팩이 포함하는 하나 이상의 배터리 셀에 대한 전압 및 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 상기 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈 내지 상기 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈은 상기 제1 배터리 셀 팩 내지 상기 제N 배터리 셀 팩과 각각 일체형으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 상기 제1 배터리 셀 팩 내지 상기 제N 배터리 셀 팩은 하이브리드(hybrid) 차량의 고전압 배터리인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 관리 시스템 및 상기 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈에 따르면, 하나 이상의 배터리 셀 팩마다 슬레이브 배터리 관리 모듈을 각각 일체형으로 설치하고, 상기 각 슬레이브 배터리 관리 모듈을 통신선을 통해 서로 직렬로 연결하여 마스터 배터리 관리 모듈의 제어를 받도록 함으로써, 와이어 하니스(Wire Harness)를 최소화하여 간단하게 구성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 관리 시스템 및 상기 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈에 따르면, 배터리 셀 및 슬레이브 배터리 관리 모듈의 일체화 된 구성 및 각 슬레이브 배터리 관리 모듈의 직렬 연결을 통해 배터리 셀의 추가 및 감축을 보다 용이하게 구현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 관리 시스템 및 상기 배터리 관리 시스템의 슬레이브 배터리 관리 모듈에 따르면, 슬레이브 배터리 관리 모듈이 배터리 셀이 직접 연결되므로 와이어 간의 길이 차에 따른 전압강하를 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)은 하나 이상의 슬레이브 배터리 관리 모듈(201, 202, 203) 및 마스터 배터리 관리 모듈(200)을 포함한다.
하나 이상의 슬레이브 배터리 관리 모듈(201, 202, 203)은 하나 이상의 배터리 셀 팩에 각각 일체형으로 설치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201)은 제1 배터리 셀 팩(210)에 일체형으로 설치될 수 있고, 제2 슬레이브 배터리 관리 모듈(202)은 제2 배터리 셀 팩(220)에 일체형으로 설치될 수 있으며, 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)은 제N 배터리 셀 팩(230)에 일체형으로 설치될 수 있다.
각 배터리 셀 팩은 각각 하나 이상의 배터리 셀을 포함한다. 예를 들어, 제1 배터리 셀 팩(210)은 제1-1 배터리 셀(211) 내지 제1-a 배터리 셀(214)을 포함할 수 있고, 제2 배터리 셀 팩(220)은 제2-1 배터리 셀(221) 내지 제2-b 배터리 셀(224)을 포함할 수 있으며, 제N 배터리 셀 팩(230)은 제N-1 배터리 셀(231) 내지 제N-n 배터리 셀(234)을 포함할 수 있다
즉, 제1 배터리 셀 팩(210)은 a개의 배터리 셀을 포함하도록 구성될 수 있고, 제2 배터리 셀 팩(220)은 b개의 배터리 셀을 포함하도록 구성될 수 있으며, 제N 배터리 셀 팩(230)은 n개의 배터리 셀을 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 a개, 상기 b개, 및 상기 n개는 동일한 개수로 구현될 수도 있고, 각각 다른 개수로 구현될 수도 있다. 즉, 각각의 배터리 셀 팩은 동일한 개수의 배터리 셀을 포함하도록 구성될 수도 있고, 서로 다른 개수의 배터리 셀을 포함하도록 구성될 수도 있다.
제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201) 내지 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)은 통신선을 통해 서로 직렬 연결될 수 있다. 즉, 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201)은 제2 슬레이브 배터리 관리 모듈(202)와 연결되고, 제2 슬레이브 배터리 관리 모듈(202)은 제3 슬레이브 배터리 관리 모듈과 연결될 수 있다. 이러한 직렬 연결을 통해 제N-1 슬레이브 배터리 관리 모듈은 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)과 연결되고, 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)은 마스터 배터리 관리 모듈(200)과 연결될 수 있다.
제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201) 내지 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)은 각각의 배터리 셀 팩이 포함하는 하나 이상의 배터리 셀의 전압 및 온도에 대한 배터리 셀 팩 정보를 생성하여 이웃하는 슬레이브 배터리 관리 모듈 또는 마스터 배터리 관리 모듈로 전송한다.
예를 들어, 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201)은 제1-1 배터리 셀(211) 내지 제1-a 배터리 셀(214)의 전압 및 온도에 대한 제1 배터리 셀 팩 정보를 생성하여 제2 슬레이브 배터리 관리 모듈(202)로 전송할 수 있다.
제2 슬레이브 배터리 관리 모듈(202)은 제2-1 배터리 셀(221) 내지 제1-b 배터리 셀(224)의 전압 및 온도에 대한 제2 배터리 셀 팩 정보를 생성한다. 제2 슬레이브 배터리 관리 모듈(202)은 상기 제2 배터리 셀 팩 정보를 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201)로부터 수신한 상기 제1 배터리 셀 팩 정보와 함께 제3 슬레이브 배터리 관리 모듈로 전송할 수 있다.
이러한 과정을 거쳐, 제N-1 슬레이브 배터리 관리 모듈은 제N-1 배터리 셀 팩 정보를 생성한 후, 상기 제1 배터리 셀 팩 정보 내지 상기 제N-1 배터리 셀 팩 정보를 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)로 전송할 수 있다.
제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)은 제N 배터리 셀 팩 정보를 생성한 후, 상기 제N-1 슬레이브 배터리 관리 모듈로부터 수신한 상기 상기 제1 배터리 셀 팩 정보 내지 상기 제N-1 배터리 셀 팩 정보 및 상기 제N 배터리 셀 팩 정보를 마스터 관리 모듈(200)로 전송할 수 있다.
이러한 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201) 내지 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203) 간의 직렬 연결을 통해 마스터 배터리 관리 모듈(200)은 모든 배터리 셀에 대한 배터리 셀 팩 정보를 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)로부터 수신할 수 있다. 즉, 모든 배터리 셀이나 모든 슬레이브 배터리 관리 모듈과 연결되지 않더라도, 단지 이웃하는 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)과의 연결만을 통해 모든 배터리 셀에 대한 정보를 취득할 수 있다.
마스터 배터리 관리 모듈(200)은 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201) 내지 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203) 각각에 대응하는 제1 셀 밸런싱 정보 내지 제N 셀 밸런싱 정보를 포함하는 밸런싱 정보를 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)로 전송한다. 상기 셀 밸런싱 정보는 각각의 배터리 셀에 대한 전압제어정보 및 온도제어정보를 포함할 수 있다.
제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)은 마스터 배터리 관리 모듈(200)로부터 수신하는 상기 셀 밸런싱 정보로부터 제N 셀 밸런싱 정보를 취득한 후, 상기 셀 밸런싱 정보를 제N-1 슬레이브 배터리 관리 모듈로 전송한다. 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈(203)은 상기 취득한 상기 제N 셀 밸런싱 정보에 따라 제N-1 배터리 셀(231) 내지 제N-n 배터리 셀(234)의 전압 및 온도를 제어할 수 있다.
이러한 과정을 거쳐, 제2 슬레이브 배터리 관리 모듈(202)은 제3 슬레이브 배터리 관리 모듈로부터 수신하는 상기 셀 밸런싱 정보로부터 제2 셀 밸런싱 정보를 취득한 후, 상기 셀 밸런싱 정보를 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201)로 전송한다. 제2 슬레이브 배터리 관리 모듈(202)은 상기 취득한 상기 제2 셀 밸런싱 정보에 따라 제2-1 배터리 셀(221) 내지 제2-b 배터리 셀(224)의 전압 및 온도를 제 어할 수 있다.
또한, 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201)은 제2 슬레이브 배터리 관리 모듈(202)로부터 수신하는 상기 셀 밸런싱 정보로부터 제1 셀 밸런싱 정보를 취득한다. 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈(201)은 상기 취득한 상기 제1 셀 밸런싱 정보에 따라 제1-1 배터리 셀(211) 내지 제2-a 배터리 셀(214)의 전압 및 온도를 제어할 수 있다.
도 2를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 슬레이브 배터리 관리 모듈은 배터리 셀 팩과 일체형으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 슬레이브 배터리 관리 모듈이 배터리 셀 팩에 체결홈을 통해 탈부착되도록 구현될 수 있다.
또한, 각 슬레이브 배터리 관리 모듈이 서로 직렬 연결되므로, 배터리 셀을 추가고자 하는 경우, 원하는 개수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 팩을 구성하고, 상기 배터리 샐 팩에 슬레이브 배터리 관리 모듈을 부착시켜 이웃하는 슬레이브 배터리 관리 모듈이나 마스터 배터리 관리 모듈과 서로 통신선을 연결하는 것만으로도 보다 손쉽게 배터리 셀을 추가할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 슬레이브 배터리 관리 모듈의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 슬레이브 배터리 관리 모듈(320)은 센싱 서킷(321), 아날로그 디지털 컨버터(322), 마이크로 컨트롤러 유닛(323), 및 셀 밸런싱 서킷(324)를 포함한다. 도 3에서는 설명의 편의를 위하여 슬레이브 배터리 관리 모듈(320)이 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈 내지 제N 슬레이브 배터리 관리 모 듈 중 제K 슬레이브 배터리 관리 모듈로 구현되는 경우를 예로 들어 설명한다.
센싱 서킷(Sensing circuit)(321)은 제K 배터리 셀 팩(Battery Cell Pack)이 포함하는 하나 이상의 배터리 셀에 대한 전압 및 온도를 센싱(sensing)한다. 즉, 센싱 서킷(321)은 제K 슬레이브 배터리 관리 모듈(320)이 부착되는 제K 배터리 셀 팩이 포함하는 하나 이상의 배터리 셀 각각에 대한 전압 및 온도를 센싱할 수 있다.
아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog Digital Converter)(322)는 상기 센싱된 상기 하나 이상의 배터리 셀에 대한 전압 및 온도를 디지털 값으로 변환하여 제K 배터리 셀 팩 정보를 생성한다.
마이크로 컨트롤러 유닛(MCU: Micro Controller Unit)(323)은 제K-1 슬레이브 배터리 관리 모듈(310)로부터 수신하는 제K-1 배터리 셀 팩 정보와 상기 생성된 상기 제K 배터리 셀 팩 정보를 제K+1 슬레이브 배터리 관리 모듈(330)로 전송한다. 또한, 제K 슬레이브 배터리 관리 모듈(320)이 제1 슬레이브 배터리 관리 모듈 내지 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈 중 제N 슬레이브 배터리 관리 모듈로 구현되는 경우, 제K 슬레이브 배터리 관리 모듈(320)은 제1 배터리 셀 팩 정보 내지 제N 배터리 셀 팩 정보를 마스터 배터리 관리 모듈로 전송할 수 있다.
마이크로 컨트롤러 유닛(323)은 제K+1 슬레이브 배터리 관리 모듈(330) 또는 마스터 배터리 관리 모듈로부터 수신하는 배터리 셀 밸런싱 정보 중 제K 배터리 셀 밸런싱 정보를 취하고, 상기 배터리 셀 밸런싱 정보를 제K-1 슬레이브 배터리 관리 모듈(310)로 전송할 수 있다.
셀 밸런싱 서킷(324)은 상기 제K 배터리 셀 밸런싱 정보에 따라 상기 제K 배터리 셀 팩(Battery Cell Pack)이 포함하는 하나 이상의 배터리 셀에 대한 전압 및 온도를 제어할 수 있다.
마이크로 컨트롤러 유닛(323)은 제K-1 슬레이브 배터리 관리 모듈(310)이 포함하는 마이크로 컨트롤러 유닛 및 제K+1 슬레이브 배터리 관리 모듈(330)이 포함하는 마이크로 컨트롤러 유닛과 각각 직렬 연결될 수 있다.
센싱 서킷(324), 아날로그 디지털 컨버터(322), 마이크로 컨트롤러 유닛(323), 및 셀 밸런싱 서킷(324)은 주문형 반도체를 통해 하나의 칩(chip)으로 구현될 수 있다. 본 명세서를 통해 언급된 배터리 셀은 하이브리드(hybrid) 차량의 고전압 배터리로 구현될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.