KR101105277B1 - 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 셀 단위로 직렬로 연결된 배터리 중 임의의 셀 양단에 연결되어 전압을 충전 및 방전하는 플라잉캡; 상기 임의의 셀 양단과 상기 플라잉캡의 연결을 개폐할 수 있는 스위치부; 상기 연결된 셀 양단과 플라잉캡 사이에 접속된 가변저항부; 및 상기 가변저항부의 저항값을 제어하는 제어로직부를 포함하되, 상기 연결된 양단 전압에 포함된 노이즈는 상기 제어로직부에 의해 조절된 가변저항부과 상기 플라잉캡으로 구성된 RC 필터에 의해 제거되며, 상기 가변저항부는, 상기 연결된 셀 양단의 일단과 플라잉캡 양단의 일단 사이를 직렬로 연결하는 복수의 저항; 및 상기 복수의 저항 각각과 병렬로 연결되며, 상기 제어로직부의 0 또는 1비트 신호에 의해 온, 오프되는 복수의 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템에 관한 것이다. 이에 의해 IC 외부에서 저항과 캐패시터를 이용한 로우패스필터 (LPF)가 필요없다. 또한, 외부 노이즈 환경에 따라 IC 통신 인터페이스를 통해 즉각적으로 간단히 필터링 주파수를 변경할 수 있어 측정 오차율을 감소시킬 수 있다. 또한 본 발명의 로우패스필터는 IC 의 외부 및 내부 모두에서 사용될 수 있으며, 배터리 종류에 따라 하드웨어적 재구성이 필요없이, 이산치와 같은 소프트웨어적으로 제어가능하므로 BMS 범용성을 확대할 수 있다.

디지털, BMS, 셀, LPF

Description

디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM HAVING DIGITAL CONTROLLABLE NOISE FILTER}

본 발명은 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 노이즈 환경에 대해 사용자가 CVM IC 내부적으로 필터링 주파수를 선택할 수 있는 방법에 관한 것이다.

에너지 저장시스템은 에너지 저장장치와 이를 관리하기 위한 배터리 관리시스템 (Battery Management System, BMS)으로 구성된다. 에너지 관리시스템은 전지 셀의 전압, 온도 등을 측정하여 전지의 상태를 모니터링하고, 이를 통하여 전지의 상태를 추정하여 전지의 충전 및 방전 등에 직간접으로 관여하게 된다. 이러한 배터리 관리시스템은 하이브리드 자동차, E-Bike, E-Scooter, UPS 등 배터리 팩이 사용되는 모든 에너지 저장 시스템에 적용되고 있다. 특히, 배터리 관리시스템의 적용 분야는 수십~수백 볼트의 전원이 필요하며 충방전이 가능한2차전지(rechargeable battery)는 대부분 3~5V의 용량이기 때문에 그림 1과 같이 수 십 개의 배터리를 직렬로 연결한 배터리 모듈을 사용한다.

도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템의 개략적인 블록도이다. 도 1 을 참조하면, 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템은 다수의 2차 전지가 직렬로 연결되어 구성된 배터리 팩 (300), 셀 밸런싱 (400), 셀 전압 모니터 (Cell Voltage Monitor), 및 제어보드 (200) 등을 포함한다.

도 2는 종래 기술에 따른 CVM IC 의 시스템 적용의 개략적인 구조를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 이러한 배터리 관리시스템에 적용되고 있는 CVM (Cell Voltage Monitoring) IC (100)는 도 2와 같이 셀 (cell) 단위 전지의 전압 및 온도 등을 측정하여 전지의 상태를 확인하고 그에 대한 데이터를 배터리 관리시스템에 보내어 전지의 상태를 알려주게 되며, 배터리 관리시스템의 명령에 따라 충전 및 셀간 전압 편차를 줄이기 위해 방전(cell balancing) 기능을 수행한다. 배터리는 특성상 화학적인 에너지와 전기적인 에너지의 변환에서의 비선형적인 특성으로 인해 각각의 배터리 셀은 동일한 조건의 용량을 가질 수 없다. 이러한 이유로 셀 간 전압차가 발생하게 되며 셀 전압의 불균형은 충전시 전압이 낮은 셀에 무리한 충전(과충전)이 가해져 셀의 용량이 급격히 저하되는 현상과 함께 노화현상을 촉진시키는 원인이 되어 셀의 실제 용량 및 사용 시간이 줄어드는 결과를 초래 한다. 따라서 고가의 배터리 모듈의 관리와 보호를 위해 CVM IC를 이용한 각 배터리 셀 상태에 대해 실시간 관리가 필요하며, 정확한 측정이 수반되어야 한다.

특히, 고전력 배터리는 높은 dV/dt supply noise와 EMI(전자파) 등 잡음이 많은 환경에서 사용된다. 고출력 배터리라 하더라도 고마력 모터를 구동하는 파워 인버터 (power inverter)의 인가 노이즈 (supply noise)는 배터리 종단에 큰 정현파를 생성하며, 고전력 배터리 시스템의 매우 큰 과도 전류로 인하여 모듈과 모듈 사이에서는 인가 노이즈가 자주 발생한다. 또한 여러 배터리 모듈과 부하 사이의 수 mΩ수준의 매우 낮은 임피던스 접속은 큰 전압 노이즈를 생성하며, 이것은 CVM IC 통신시스템의 불안정을 초래한다. 전압 노이즈는 또한 배터리의 임피던스에 의해서도 유발되며, 그것은 쉽게 제거되지 않는다. 또한, CVM IC가 전기/하이브리드 차량 등에 적용될 경우, 모터의 회전속도에 따라 수시로 변화하는 노이즈 주파수 성분에 노출되며 이러한 교류성분은 셀 전압의 정확한 측정을 저해하는 요소가 될 수 있다. 따라서 배터리 관리시스템 및 CVM IC의 안정적인 동작을 위해서는 이러한 외부 노이즈에 대한 즉각적인 대응이 반드시 필요하다.

그러나 이러한 노이즈를 제거하는 종래의 방법은, 모두 외부에 저항과 캐패시터를 이용한 로우패스필터 (low pass filter) 구조를 사용하고 있다. 또한, 하드웨어적 구성으로 인해, 수시로 변화하는 노이즈 환경에 유연하게 대응하기 힘들 뿐만 아니라 회로 구성이 복잡해지는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, CVM IC 내부에 통합될 수 있도록 소형화 할 수 있는 필터를 구현하며, 소프트웨어적으로 수시로 변화하는 노이즈 환경에 유연하게 대응할 수 있는 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템은, 셀 단위로 직렬로 연결된 배터리 중 임의의 셀 양단에 연결되어 전압을 충전 및 방전하는 플라잉캡; 상기 임의의 셀 양단과 상기 플라잉캡의 연결을 개폐할 수 있는 스위치부; 상기 연결된 셀 양단과 플라잉캡 사이에 접속된 가변저항부; 및 상기 가변저항부의 저항값을 제어하는 제어로직부를 포함하되, 상기 연결된 양단 전압에 포함된 노이즈는 상기 제어로직부에 의해 조절된 가변저항부과 상기 플라잉캡으로 구성된 RC 필터에 의해 제거되며, 상기 가변저항부는, 상기 연결된 셀 양단의 일단과 플라잉캡 양단의 일단 사이를 직렬로 연결하는 복수의 저항; 및 상기 복수의 저항 각각과 병렬로 연결되며, 상기 제어로직부의 0 또는 1비트 신호에 의해 온, 오프되는 복수의 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하여, 소형화 가능한 RC 필터를 소프트웨어적, 특히 이산치로 제어하여 노이즈를 효율적으로 제거할 수 있다.

여기서, 상기 복수의 저항은 2배수로 증가하는 크기의 저항들이 직렬로 연결되어 구성되며, 상기 가변저항부의 저항값은, 상기 저항개수와 동일한 자리수로 구 성된 비트 신호에 의해 1비트마다 1R 씩 증가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 스위치는 CMOS 스위치인 것이 바람직하며, 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템은, 상기 플라잉캡에서 방전된 전압을 버퍼를 통해 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부를 더 포함할 수도 있다.

그리고 상기 버퍼는 오프셋을 최소화하기 위해, 오토 제로잉 버퍼 (Auto Zeroing Buffer) 인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, IC 외부에서 저항과 캐패시터를 이용한 로우패스필터 (LPF)가 필요없다. 또한, 외부 노이즈 환경에 따라 IC 통신 인터페이스를 통해 즉각적으로 간단히 필터링 주파수를 변경할 수 있어 측정 오차율을 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명의 로우패스필터는 IC 의 외부 및 내부 모두에서 사용될 수 있으며, 배터리 종류에 따라 하드웨어적 재구성이 필요없이, 이산치와 같은 소프트웨어적으로 제어가능하므로 BMS 범용성을 확대할 수 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템의 간략화된 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템은, 셀 모듈부 (300), 전압획득부 (50), 제어로직부 (150), 및 A/D 변환부 (140)를 포함한다. 또한, 전압획득부 (50)는 스위칭부 (110) 및 필터링부 (120)를 포함하며, 필터링부 (120)는 가변저항부 (120a) 및 플라잉캡 (120b)을 포함한다. 더욱 상세하게는, 셀 모듈부 (300)는, 셀 단위로 직렬로 연결된 배터리들을 포함한다. 전압획득부 (50)는 이러한 배터리들 중 선택된 임의의 셀 양단의 전압을 획득한다. A/D 변환부 (140)는 이렇게 획득된 전압을 아날로그/디지털 변환기 (ADC) 에서 디지털 값으로 변환하여 내부 레지스터에 저장한다. 외부적으로는 마이콤 (Micom)으로부터 임의의 셀 전압 측정값을 요청 받으면, 레지스터에 저장된 디지털 값을 마이콤으로 전송한다.

이와 같이 선택된 임의의 셀 양단에 플라잉캡 (120b)이 연결되어 전압을 충전 및 방전하며, 스위칭부 (110)는 상기 임의의 셀 양단과 상기 플라잉캡 (120b)의 양단의 연결을 개폐하는 역할을 수행한다. 또한, 가변저항부 (120a)는 상기 연결된 셀 양단의 일단과 플라잉캡 (120b) 양단의 일단 사이에 접속되어, 제어로직부 (150)의 제어에 따라 저항값이 변동된다. 따라서, 상기 연결된 양단 전압에 포함된 노이즈는 상기 제어로직부 (150)에 의해 조절된 가변저항부 (120a)와 상기 플라잉캡 (120b)으로 구성된 RC 필터에 의해 제거될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 전압획득부의 구성을 나타내는 회로도이다. 특히 도 4에서는, 측정하고자 하는 셀 전압을 선택하는 원리에 중점을 두고자, 가변저항부 (120a)은 생략하도록 한다. 도 4를 참조하면, 각 셀 전압을 선택적으로 측정하는 전압획득부 (50)는 고전압 (high voltage) CMOS 스위치로 구성된다. 측정 명령이 IC에 입력되면 스위칭부 (110) 중 입력단 스위치부는 측정하고자 하는 셀의 상/하단의 스위치만 온 되고 나머지 스위치는 오프 된다. 따라서 플라잉캡 (120b)에는 측정하고자 하는 셀의 양단 전압이 상대적인 그라운드(아래 셀의 +전압) 기준으로 충전되며 충전이 완료되면 입력단 스위치는 모두 오프되고 방전 스위치가 온되며 전압값은 절대 그라운드(최하단 cell의 -전압) 레벨로 변환된 셀 전압이 버퍼링부 (130)를 통해 A/D 변환부 (140)로 입력된다. 이러한 스위치의 동작은 제어 로직부 (150)에 의해 제어된다.

또한, 셀 전압이 충전된 플라잉캡 (120b)과 A/D 변환부 (140)사이의 버퍼링부 (130)는 오프셋을 최소화하기 위해 자동 제로잉 버퍼 (Auto Zeroing Buffer) 적용하는 것이 바람직하다.

도 5a 및 5b 는 각각 종래 기술 및 본 발명에 따른 필터링부를 나타내는 회로도이다. 도 5a를 참조하면, 종래의 기술에 따른 필터링부는 저항 (20)과 캐패시터 (30)로 구성된다. 여기서 캐패시터 (30)는 플라잉캡 (120b)과는 별개의 캐패시터로서 그 부피가 크므로 CVM IC 내부에 포함되도록 소형화를 할 수 없다. 또한, 저항 (20)의 저항값이 고정되어 있어 변화하는 환경에 따른 필터의 주파수를 조정할 수 없다.

도 5b 를 참조하면, 당사의 CVM IC와 같이 플라잉캡 구조를 가질 경우 입력 단 스위치가 on이 되면 도시된 바와 같이 IC 외부에 연결된 플라잉캡 (120b)이 배터리 셀과 직접 연결되므로 입력단에 저항의 연결만으로 RC 필터의 구조를 갖게 된다. 캐패시터에 비해 물리적 사이즈가 작은 저항은 IC에 집적화가 용이하기 때문에 본 발명에서는 노이즈 필터를 CVM IC 내부에 집적화 하였으며, 사용자가 제어 로직부를 이용하여 필터링 주파수선택이 가능하도록 설계할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 필터링부의 RC 필터의 회로도를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 스위치의 개수를 줄이고 스위치 컨트롤 신호의 수를 줄여 CVM IC의 물리적인 크기를 줄이고 스위치 컨트롤 제어가 용이한 구조를 나타낸다. 더욱 상세하게는, 4개의 스위치 컨트롤 신호(0000~1111)로 15개의 저항 조합 구성이 가능한 구조이다. 각 저항의 크기는 8R:4R:2R:1R 의 비를 가지며 4개의 스위치 컨트롤 신호를 4비트로 표현할 때, 각 1비트가 증가할 때마다 1R씩 저항의 사이즈 조정이 가능하다. 예를 들어, SW on/off 신호가 0/1이라고 한다면, 위 그림에서 스위치 컨트롤 신호가 0000이 입력되었을 때 모든 스위치는 on이 되고, 저항 어레이의 합성저항은 0Ω이 된다. 0001이 입력되었을 때 SW1~3가 on 되고, SW4는 off가 되면 저항 어레이의 합성 저항은 1R이 된다. 이렇게 각 1비트씩 컨트롤 신호가 증가하면 저항 어레이의 합성저항은 1R씩 증가한다.

본 도면에서는, 편의상 8R:4R:2R:1R 비를 가지는 4개의 저항을 도시하였으나, 1R:2R:4R:8R:16R:32R…의 비율로 저항 구성만 된다면 순서에 상관없이 스위치 컨트롤로 본 발명에서 제안한 방식의 적용이 가능하다. 즉, 비례저항 연결 순서나 개수는 제한되지 않는다. 단, 저항의 개수가 5(또는 그 이상)개라면, 컨트롤 비트 는 00000~11111까지 5비트(또는 그 이상)로 구성된다.

이렇게 RC 필터의 저항값을 조정하여 사용자는 필터링 주파수를 소프트웨어적, 특히 이산치적으로 선택 가능하다. 각 셀 별로 입력단 저항은 모두 위와 같은 구조를 적용하여, 각 셀 별 필터링 주파수를 상이하게 설정하는 것이 가능해진다.

그 결과, 본 발명은 배터리 관리시스템의 소형화 및 원가 절감을 할 수 있도록 외부 노이즈 필터가 필요 없고, 필터링 주파수를 8421 코드를 이용해 선택 가능한 CVM IC를 설계할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템의 개략적인 블록도

도 2는 종래 기술에 따른 CVM IC 의 시스템 적용을 나타내는 개략적인 구조도

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템의 간략화된 블록도

도 4는 본 발명에 따른 전압획득부의 구성을 나타내는 회로도

도 5a 및 5b 는 각각 종래 기술 및 본 발명에 따른 필터링부를 나타내는 회로도

도 6은 본 발명에 따른 필터링부의 RC 필터의 회로도

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

100: CVM 200: 제어보드

300: 배터리 (셀) 모듈부 400: 셀 밸런싱

110: 스위칭부 120: 필터링부

120a: 가변저항부 120b: 플라잉캡

130: 버퍼링부 140: A/D 변환부

150: 제어로직부 50: 전압획득부

Claims (5)

1. 셀 단위로 직렬로 연결된 배터리 중 임의의 셀 양단에 연결되어 전압을 충전 및 방전하는 플라잉캡;

   상기 임의의 셀 양단과 상기 플라잉캡의 양단의 연결을 개폐하는 스위칭부;

   상기 연결된 셀 양단의 일단과 플라잉캡 양단의 일단 사이에 접속된 가변저항부; 및

   상기 가변저항부의 저항값을 제어하는 제어로직부를 포함하되,

   상기 연결된 양단 전압에 포함된 노이즈는 상기 제어로직부에 의해 조절된 가변저항부와 상기 플라잉캡으로 구성된 RC 필터에 의해 제거되며,

   상기 가변저항부는,

   상기 연결된 셀 양단의 일단과 플라잉캡 양단의 일단 사이를 직렬로 연결하는 복수의 저항; 및

   상기 복수의 저항 각각과 병렬로 연결되며, 상기 제어로직부의 0 또는 1비트 신호에 의해 온, 오프되는 복수의 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 복수의 저항은 2배수로 증가하는 크기의 저항들이 직렬로 연결되어 구성되며, 상기 가변저항부의 저항값은,

   상기 복수의 저항의 개수와 동일한 자리수로 구성된 비트 신호에 의해 1비트마다 1R 씩 증가하는 것을 특징으로 하는 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 복수의 스위치는 CMOS 스위치인 것을 특징으로 하는 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 플라잉캡에서 방전된 전압을 버퍼를 통해 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 버퍼는 오토 제로잉 버퍼 (Auto Zeroing Buffer)인 것을 특징으로 하는 디지털 제어가능 노이즈 필터를 구비한 배터리 관리 시스템.

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