KR101322528B1 - 전기 자동차의 고전압 배터리 셀 센싱 장치 및 이를 이용한 방법 - Google Patents

전기 자동차의 고전압 배터리 셀 센싱 장치 및 이를 이용한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리 관리 시스템에서 안정적으로 셀 센싱을 제어하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 직렬 연결된 복수 개의 배터리, 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 셀 센싱 소자, 셀 센싱 소자와 병렬로 연결되어, 상기 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 보조 셀 센싱 소자, 및 셀 센싱 소자의 센싱 전압에 기초하여 보조 셀 센싱 소자의 동작 여부를 결정하는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 배터리 셀 센싱 장치가 제공된다.

Description

전기 자동차의 고전압 배터리 셀 센싱 장치 및 이를 이용한 방법{Method And Apparatus For Measuring High Voltage Cell Of An Electric Vehicle}
본 발명은 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리 관리 시스템에서 안정적으로 셀 센싱을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
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.
전기 자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차를 일컫는다.
이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 엔진을 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 뿐만 아니라, 각 전지 셀 을 센싱하는 셀 센싱 IC의 상태를 모니터링하여 해당 셀의 안정적인 컨트롤이 가능한 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
도 1은 종래 기술에 따른 셀 센싱 장치를 나타내는 구성도이다.
고전압 배터리 팩(110)은 복수 개의 배터리들을 포함한다.
고전압 배터리 팩(110)을 관리하기 위한 배터리 관리 시스템(BMS)(120)은 복수 개의 셀 센싱 소자(121), 절연 통신부(122) 및 CPU(123)를 포함한다.
셀 센싱 소자(121)는 미리 결정된 개수의 배터리(111)의 전압을 센싱하고, 측정된 전압을 외부로 출력한다.
CPU(123)는 절연 통신부(122)를 통해 복수 개의 셀 센싱 소자(121)들과 통신을 수행하고, 복수 개의 셀 센싱 소자(121)들로부터 전압 측정값을 수신할 수 있다.
절연 통신부(122)는 복수 개의 배터리들로 구성된 고전압 배터리 팩(110)과 CPU(123) 등으로 구성된 저전압부를 전기적으로 절연시켜 CPU(123) 등을 고전압으로부터 보호하는 역할을 수행한다.
예컨대, 복수 개의 셀 센싱 소자(121)들과 절연 통신부(122)의 사이에 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신 케이블이 구비될 수 있으며, 셀 센싱 소자(121)들이 각기 검출한 복수 개의 배터리의 검출 전압을 SPI 통신을 통해 CPU(123)에 전송할 수 있다.
CPU(123)는 복수 개의 셀 센싱 소자(121)들로부터 복수 개의 배터리(111)의 전압을 모니터링하고 정상 동작 여부를 판단하고, 판단한 배터리의 전압 상태 신호를 외부로 출력하여 복수 개의 배터리(111)의 고장 여부를 판단할 수 있도록 한다.
이 때, 복수 개의 배터리(111)를 센싱하는 셀 센싱 소자(121)에 불량이 발생하여 정상적으로 동작하지 못하는 경우에는 배터리의 상태를 정확하게 판단할 수 없게 된다.
본 발명은 단일 셀 센싱 IC를 사용하는 BMS에 있어서 해당 소자에 불량 발생 시에 그에 해당하는 고전압 셀 센싱이 불가능하게 되어 해당 셀의 안정적인 컨트롤이 불가능하다는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 센싱 장치에 따르면, 직렬 연결된 복수 개의 배터리, 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 셀 센싱 소자, 셀 센싱 소자와 병렬로 연결되어, 상기 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 보조 셀 센싱 소자, 및 셀 센싱 소자의 센싱 전압에 기초하여 보조 셀 센싱 소자의 동작 여부를 결정하는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 배터리 셀 센싱 장치를 포함한다.
상기 보조 셀 센싱 소자는 상기 셀 센싱 소자 하나당 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 컴퓨터는 상기 셀 센싱 소자의 센싱 전압이 미리 결정된 범위를 벗어나는 경우 상기 보조 셀 센싱 소자가 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 셀 센싱 장치는 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 의해 상기 셀 센싱 소자와 상기 보조 셀 센싱 소자 간의 스위칭을 수행하는 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스위칭부는 2단자 또는 3단자 이상의 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 셀 센싱 방법에 따르면, 셀 센싱 소자가 상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱하는 단계, 마이크로 컴퓨터가 셀 센싱 소자의 센싱 전압을 모니터링하는 단계, 및 센싱 전압이 미리 결정된 범위를 미리 결정된 범위를 벗어나는 경우 보조 셀 센싱 소자를 동작시키는 단계를 포함하며, 보조 셀 센싱 소자는 셀 센싱 소자와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 보조 셀 센싱 소자는 상기 셀 센싱 소자 하나당 적어도 하나 이상인 것인 특징으로 한다.
또한, 상기 보조 셀 센싱 소자를 동작시키는 단계는 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 의해 상기 셀 센싱 소자와 상기 보조 셀 센싱 소자 간의 스위칭 동작을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 전기 자동차에 사용되는 고전압 배터리의 셀 센싱 소자에 이상이 생기는 경우에 보조 셀 센싱 소자를 동작시킴으로써 고전압 배터리의 상태를 안정적으로 모니터링할 수 있다.
본 발명에 의하면, 비교적 저렴한 셀 센싱 IC를 추가적으로 병렬 연결함으로써 해당 소자에 불량 발생 시에 이를 대체 가능한 보조 셀 센싱 IC를 동작시킴으로써 고전압 배터리 내의 해당 셀을 안정적으로 컨트롤 가능하게 해준다.
도 1은 종래 기술에 따른 셀 센싱 장치 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 센싱 장치 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 센싱 장치 시스템을 나타내는 구성도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 센싱 장치 시스템이 도시된다.
고전압 배터리 팩(210)은 복수 개의 배터리들을 포함한다. 복수 개의 배터리들은 상호간에 직렬로 접속되어 부하(도면에 도시되지 않았음)에 고전압의 직류전력을 공급한다.
셀 센싱 소자(230)는 고전압 배터리 팩(210) 내의 미리 결정된 개수의 배터리들을 셀 단위로 전압을 센싱하고, 측정된 전압을 CPU(250)로 출력한다. 예컨대, 각각의 셀 센싱 소자(230)는 8개 단위의 배터리 전압을 측정하여 CPU(250)로 출력 가능하다.
CPU(250)는, 예컨대 마이크로 컴퓨터일 수 있으며, 스위칭부(220)를 통해 복수 개의 셀 센싱 소자(230)들과 통신 가능하며, 복수 개의 셀 센싱 소자(230)로부터 전압 측정값을 수신할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 셀 센싱 소자(230)가 정상적으로 동작하는 경우, 예컨대 CPU(250)에서 셀 센싱 소자(230)로부터 수신한 전압 측정값에 기초하여 측정 배터리 전압이 정상 범위로 판단되는 경우에는, 스위칭부(220)의 스위치가 'a'위치에 연결되어 셀 센싱 소자(230)로부터 계속하여 셀 센싱 정보들이 CPU(250)에 전송된다.
그러나, 셀 센싱 소자(230)가 비정상적으로 동작하는 경우, 예컨대 CPU(250)에서 셀 센싱 소자(230)로부터 수신한 전압 측정값에 기초하여 배터리 전압이 정상 범위를 벗어난 경우에는 스위칭부(220)의 스위치가 'b' 또는 'c'의 위치로 연결되도록 동작하여 보조 셀 센싱 소자(240)들 중 하나가 셀 센싱 소자(230)의 역할을 대체하게 된다. 이 때, 셀 센싱 소자(230)의 셀 센싱 동작은 정지된다.
미리 결정된 개수의 배터리들로 구성되는 각 배터리 셀에 따라 보조 셀 센싱 소자(240)는 적어도 하나 이상 존재한다. 따라서, 셀 센싱 소자(230)와 보조 셀 센싱 소자(240) 개수의 비율은 1:n으로 적절히 정해질 수 있다. 도 2에서는 스위칭부(220)의 스위치가 3단 스위치로 도시되었지만, 보조 셀 센싱 소자(240)의 개수에 따라 2단 스위치 또는 4단 이상의 스위치로 적절히 구성될 수 있다.
이와 같이, 적어도 하나의 보조 셀 센싱 소자(240)가 셀 센싱 소자(230)에 추가적으로 병렬 연결됨으로써 해당 셀의 셀 센싱 소자(230)의 불량 발생 시에 이를 보조 셀 센싱 소자(240)가 대체 동작함으로써 해당 셀의 안정적인 컨트롤을 가능하게 해준다.
CPU(250)는 셀 센싱 소자(230)로부터 수신하는 배터리 전압값에 기초하여 셀 센싱 소자(230)가 정상적으로 동작하는지 비정상적으로 동작하는지 판단함으로써 스위칭부(220)를 제어하게 된다. 이에 따라, CPU(250)에 의해 셀 센싱 소자(230) 또는 보조 셀 센싱 소자(240) 중 어느 소자가 해당 셀의 센싱 기능을 수행할 지 결정된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 센싱 장치 시스템의 블록도가 도시된다.
도 3에는 복수 개의 배터리들을 포함하는 고전압 배터리 팩(310)이, 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)(323)과 복수 개의 IC들(321,322)로 구성된 배터리 관리 시스템(BMS)(320)과 연결되어 있다.
MCU(323)는 복수 개의 IC들(321,322)과 연결되어 있으며, 가로 방향으로 동일한 행에 위치한 IC들은 고전압 배터리 팩(110) 내에서 미리 결정된 일정 개수의 배터리들로 구성된 동일한 배터리 셀을 센싱하도록 구성된다.
IC(321)는 각 배터리 셀 별로 단일 개로 구성되며, 일반적인 셀 센싱 소자로서 동작하며, MCU(323)에 의해 동작 제어된다. 한편, IC(322)는 각 배터리 셀 별로 적어도 하나 이상의 개수를 가지며, IC(321)와 병렬로 연결되어 보조 셀 센싱 소자로서 동작한다. 동일한 배터리 셀을 센싱하도록 구성되는 동일한 행에 위치한 적어도 하나 이상의 IC(322)들도 MCU(323)에 의해 제어되며, 동일한 행에 위치한 IC(321)이 셀 센싱 소자로서 정상적으로 동작하지 못하는 경우에 MCU(323)의 스위칭 제어 기능을 통해 복수의 IC(322)들 중 적어도 하나의 IC가 동작한다.
MCU(323)의 스위칭 제어 기능을 통해 복수의 IC(322)들 중 적어도 하나의 IC가 동작할 때, MCU(323)에서 해당 IC의 동작이 비정상적으로 판단되는 경우에는 복수의 IC(322)들 중 또 다른 IC가 동작하도록 스위칭 기능을 수행할 수 있다.
110: 고전압 배터리 팩
120: 배터리 관리 시스템(BMS)
121: 셀 센싱 소자
122: 절연 통신부
123: CPU
210: 고전압 배터리 팩
220: 스위칭부
230: 셀 센싱 소자
240: 보조 셀 센싱 소자
250: CPU
310: 고전압 배터리 팩
320: 배터리 관리 시스템(BMS)
321: 셀 센싱 소자
322: 보조 셀 센싱 소자
323: 마이크로 컨트롤러 유닛

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 직렬 연결된 복수 개의 배터리;
    상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 셀 센싱 소자;
    상기 셀 센싱 소자와 병렬로 연결되어, 상기 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 보조 셀 센싱 소자; 및
    상기 셀 센싱 소자의 센싱 전압에 기초하여 상기 보조 셀 센싱 소자의 동작 여부를 결정하는 마이크로 컴퓨터
    를 포함하는 배터리 셀 센싱 장치이고,
    상기 보조 셀 센싱 소자는 상기 셀 센싱 소자 하나당 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 장치.
  3. 직렬 연결된 복수 개의 배터리;
    상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 셀 센싱 소자;
    상기 셀 센싱 소자와 병렬로 연결되어, 상기 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 보조 셀 센싱 소자; 및
    상기 셀 센싱 소자의 센싱 전압에 기초하여 상기 보조 셀 센싱 소자의 동작 여부를 결정하는 마이크로 컴퓨터
    를 포함하는 배터리 셀 센싱 장치이고,
    상기 마이크로 컴퓨터는 상기 셀 센싱 소자의 센싱 전압이 미리 결정된 범위를 벗어나는 경우 상기 보조 셀 센싱 소자가 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 장치.
  4. 직렬 연결된 복수 개의 배터리;
    상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 셀 센싱 소자;
    상기 셀 센싱 소자와 병렬로 연결되어, 상기 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 보조 셀 센싱 소자; 및
    상기 셀 센싱 소자의 센싱 전압에 기초하여 상기 보조 셀 센싱 소자의 동작 여부를 결정하는 마이크로 컴퓨터
    를 포함하는 배터리 셀 센싱 장치이고,
    상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 의해 상기 셀 센싱 소자와 상기 보조 셀 센싱 소자 간의 스위칭을 수행하는 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스위칭부는 2단자 또는 3단자 이상의 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 장치.
  6. 셀 센싱 소자가 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱하는 단계;
    마이크로 컴퓨터가 상기 셀 센싱 소자의 센싱 전압을 모니터링하는 단계; 및
    상기 센싱 전압이 미리 결정된 범위를 미리 결정된 범위를 벗어나는 경우 보조 셀 센싱 소자를 동작시키는 단계를 포함하고,
    상기 보조 셀 센싱 소자는 상기 셀 센싱 소자와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 보조 셀 센싱 소자는 상기 셀 센싱 소자 하나당 적어도 하나 이상인 것인 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 보조 셀 센싱 소자를 동작시키는 단계는 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 의해 상기 셀 센싱 소자와 상기 보조 셀 센싱 소자 간의 스위칭 동작을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 방법.
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