KR101562016B1 - 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치는 진단 대상이 되는 스위치를 턴온 또는 턴오프 시켜 턴온 시와 턴오프 시 진단 대상이 되는 노드 전압의 변화 패턴을 분석하여 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 판별하고, 진단 대상이 되는 스위치가 고장으로 판단된 경우 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치를 턴온 시켜 턴온 시 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀의 노드 전압을 분석하여 진단 대상 셀 밸런싱 스위치의 고장 원인을 판별한다. 본 발명에 따르면, 간단한 회로 구성으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부와 고장 원인을 진단할 수 있다.

Description

셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치 및 방법{Apparatus and Method for diagnosis of cell balancing switch}
본 발명은 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방전저항을 이용한 셀 밸런싱 회로에서 방전저항 측으로 방전전류의 흐름을 스위칭하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 진단할 수 있는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 대한 관심이 높아지면서 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 전기 자동차나 하이브리드 자동차에는 자동차의 구동을 위한 구동 모터를 구동시키고, 각종 전장 장치를 작동시키는데 필요한 전력을 공급하기 위해 다수개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩을 탑재한다. 이러한 배터리 팩에 포함된 다수개의 배터리 셀은 안정성과 수명 향상, 그리고 고출력을 얻기 위해 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 유지할 필요가 있다.
배터리 팩에 포함된 각 배터리 셀의 충전전압을 균일하게 밸런싱하는 방법에는, 전압이 상대적으로 낮은 배터리 셀에 충전전류를 공급하여 전압을 상승시키는 방법, 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 방전시켜 전압을 하강시키는 방법, 각 배터리 셀의 전압으로부터 밸런싱 목표 전압을 정하고 목표 전압보다 전압이 높은 배터리 셀은 방전시키고 목표 전압보다 전압이 낮은 배터리 셀은 충전시키는 방법 등의 여러 가지 방법이 사용되고 있다.
위와 같은 셀 밸런싱 방법은 각 배터리 셀과 연결된 셀 밸런싱 회로에 의해 구현된다. 셀 밸런싱 회로는 셀 밸런싱 동작의 시작과 종료를 제어하기 위한 스위칭 소자와 배터리 셀 전압을 방전시킬 때 사용되는 방전저항을 포함한다.
그런데 셀 밸런싱 회로를 이용하여 셀 밸런싱 동작이 이루어지는 과정에서 순간적으로 과도한 전류가 셀 밸런싱 회로로 유입되거나 스위칭 소자에 동작 전압 이상의 과전압이 인가되거나 방전저항을 통해 과도한 열이 발생되는 등의 이상 상황이 발생되면 밸런싱 회로에 포함된 부품이 단락(short) 또는 개방(open)되어 회로가 정상적으로 동작하지 않는 문제가 발생한다.
셀 밸런싱 회로가 정상적으로 동작하지 않으면 해당 회로에 연결된 배터리 셀의 전압이 다른 배터리 셀에 비해 과도하게 높아지거나 낮아지게 됨으로써 배터리 팩과 연결된 부하의 동작이 갑자기 정지하거나 심한 경우 배터리 팩이 폭발하는 것과 같은 심각한 문제가 초래될 수 있다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해서는 셀 밸런싱 회로의 이상 유무를 진단할 수 있는 진단 회로가 셀 밸런싱 회로와 결합될 필요가 있다.
일 예로, 대한민국 등록특허공보 10-1065562는 어느 하나의 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 판단하기 위해 인접하는 셀 밸런싱 스위치를 턴온 및 턴오프 시켜 이로 인한 전압차의 패턴을 분석하는 방법을 개시하고 있다.
그런데 위와 같은 선행기술은 진단 대상이 되는 셀 밸런싱 스위치와 인접한 다른 셀 밸런싱 스위치는 정상작동을 하는 것을 전제조건으로 이루어진다. 즉, 인접한 셀 밸런싱 스위치가 고장 상태라면, 진단이 정확하게 이루지지 않을 수 있다. 나아가, 2이상의 셀 밸런싱 스위치에 고장이 발생하였다면 상기 선행기술에서 제시된 방법은 실행할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 간단한 회로 구성으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부와 고장 원인을 정확히 진단할 수 있는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치는 다수의 셀을 포함하는 배터리 팩에서 각 셀에 대응하는 셀 밸런싱 스위치의 고장을 진단하는 장치로서, 각 셀의 양 단자에 연결된 전압 센싱 라인에 병렬 연결되고 상기 셀 밸런싱 스위치와 방전저항을 포함하는 셀 밸런싱 회로; 상기 셀 밸런싱 회로와 셀 전압 센싱 라인이 연결된 노드(고전위 노드와 저전위 노드)를 기준으로 셀 측 전압 센싱 라인 상에 설치된 진단저항; 상기 고전위 노드와 저전위 노드의 전압차(이하, 노드 전압차)에 해당하는 전압을 출력하는 전압 센싱 회로; 및 상기 셀 밸런싱 스위치 중 진단 대상이 되는 스위치를 턴온 또는 턴오프 시켜 턴온 시와 턴오프 시 진단 대상이 되는 노드 전압의 변화 패턴을 분석하여 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 판별하고, 진단 대상이 되는 스위치가 고장으로 판단된 경우 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치를 턴온 시켜 턴온 시 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀의 노드 전압을 분석하여 진단 대상 셀 밸런싱 스위치의 고장 원인을 판별한다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치는 상기 셀 밸런싱 회로 상의 저전위 노드 측에는 역 방향으로 전압이 인가되는 것을 제한시키는 다이오드;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 셀 밸런싱 스위치는 전계효과트랜지스터(field effect transistor; FET)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차와 턴오프 상태의 노드 전압차의 차이값이 미리 설정된 기준 전압 이하인 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 고장인 것으로 판별한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의해 전압강하된 전압값보다 큰 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단락되어 있는 것으로 판별한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의해 전압강하된 전압값보다 작은 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단선되어 있는 것으로 판별한다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치는 상기 셀 밸런싱 스위치에 고장이 발생되었을 경우 고장 발생 사실을 외부로 통보하는 고장 경보기를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 고장 경보기를 통해 시각적 또는 청각적으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 발생 사실을 통보할 수 있다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치; 및 다수의 셀;을 포함하는 배터리 팩의 일 구성 요소가 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받는 부하;를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성 요소가 될 수 있다. 이 경우, 상기 부하는 전기 구동 수단 또는 휴대용 기기가 될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 방법은 다수의 셀을 포함하는 배터리 팩에서 각 셀의 양 단자에 연결된 전압 센싱 라인에 병렬 연결되고 상기 셀 밸런싱 스위치와 방전저항을 포함하는 셀 밸런싱 회로와, 상기 셀 밸런싱 회로와 셀 전압 센싱 라인이 연결된 노드(고전위 노드와 저전위 노드)를 기준으로 셀 측 전압 센싱 라인 상에 설치된 진단저항과, 상기 고전위 노드와 저전위 노드의 전압차(이하, 노드 전압차)에 해당하는 전압을 출력하는 전압 센싱 회로를 이용하여 셀 밸런싱 스위치의 고장을 진단하는 방법으로서, (a) 상기 셀 밸런싱 스위치 중 진단 대상이 되는 스위치를 턴온 또는 턴오프 시켜 턴온 시와 턴오프 시 진단 대상이 되는 노드 전압의 변화 패턴을 분석하여 진단 대상 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 판별하는 단계; 및 (b) 진단 대상이 되는 스위치가 고장으로 판단된 경우 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치를 턴온 시켜 턴온 시 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀의 노드 전압을 분석하여 진단 대상 셀 밸런싱 스위치의 고장 원인을 판별하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계는 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차와 턴오프 상태의 노드 전압차의 차이값이 미리 설정된 기준 전압 이하인 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 고장인 것으로 판별한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의해 전압강하된 전압값보다 큰 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단락되어 있는 것으로 판별한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의해 전압강하된 전압값보다 작은 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단선되어 있는 것으로 판별한다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 방법은 상기 셀 밸런싱 스위치에 고장이 발생되었을 경우 고장 발생 사실을 외부로 통보하는 고장 경보기를 더 포함하고, (c) 상기 고장 경보기를 통해 시각적 또는 청각적으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 발생 사실을 통보하는 단계;를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 간단한 회로 구성으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부와 고장 원인을 진단할 수 있다. 또한, 전압 센싱 라인이 단선된 경우이거나, 전체 셀 밸런싱 스위치가 단선 또는 단락된 경우에도 고장 원인을 정확히 판별할 수 있다. 이를 통해 셀 밸런싱 회로 이상으로 배터리의 고장이 확대되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치에 대한 회로 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부와 고장 원인을 판별하는 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장을 진단하는 방법을 설명하기 위해 도시한 절차 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치에 대한 회로 구성도이다. 도 1에는 셀이 3개만 예시되어 있으나, 본 발명은 셀의 수에 의해 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치는, 다수의 셀(VB1, VB2, VB3)을 포함하는 배터리 팩(10)에서 각 셀(VB1, VB2, VB3)의 양 단자에 연결된 전압 센싱 라인에 병렬 연결되고 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)와 방전저항(Rd)을 포함하는 셀 밸런싱 회로(20), 상기 셀 밸런싱 회로(20)와 셀 전압 센싱 라인이 연결된 노드(고전위 노드(A)와 저전위 노드(B))를 기준으로 셀 측 전압 센싱 라인 상에 설치된 진단저항(Rm), 상기 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B) 사이의 전압차(이하, 노드간 전압차)에 해당하는 전압을 센싱하여 출력하는 전압 센싱 회로(30) 및 상기 셀 밸런싱 스위치(SWb)를 턴온 또는 턴오프 시켜 턴온 시의 노드간 전압차와 턴오프 시의 노드간 전압차의 변화 패턴을 분석하여 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부와 고장 원인을 판별하는 제어부(40)를 포함한다.
여기서, 상기 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B)는 상기 셀 밸런싱 회로(20)와 셀 전압 센싱 라인이 접속되는 상대적인 지점으로 예컨대, 제1번 셀(VB1)의 양극과 접속하여 연장된 셀 전압 센싱 라인과 셀 밸런싱 회로(20)가 접속되는 지점은 고전위 노드(A)가 되고, 이 고전위 노드(A)는 다시 제2번 셀(VB2)의 음극과 접속하여 연장된 셀 전압 센싱 라인과 셀 밸런싱 회로(20)가 접속되는 지점에서는 저전위 노드(B)가 된다.
상기 셀 밸런싱 회로(20)는 제어부(40)에 의해 동작이 제어되는 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)와 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 동작에 따라 셀에 충전된 전압(이하, 셀 전압이라 함)을 방전시키는 방전저항(Rd)으로 구성된다. 필수적인 것은 아니지만, 셀 밸런싱 회로(20) 상의 저전위 노드(B) 측에는 역 방향으로 전압이 인가되는 것을 제한하는 다이오드(D)가 더 포함될 수 있다. 여기서, 상기 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)는 전계효과트랜지스터(field effect transistor; FET)가 사용되는 것이 바람직하다. 전계효과트랜지스터(FET)는 소오스 단자, 드레인 단자 및 게이트 단자를 구비하며, 게이트 단자에는 상기 제어부(40)의 제어에 따라 구동 전압이 인가되며, 구동 전압의 인가로 인해 셀 밸런싱 회로(20)가 도통되고 상기 방전저항(Rd)을 통해 셀 전압이 방전된다. 본 발명의 실시예에서 전계효과트랜지스터(FET)의 회로 구성 및 동작 방식은 주요 요지가 아니므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상기 진단저항(Rm)은 본 발명에서 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장을 진단하기 위한 구성 요소로서, 셀 전압이 방전될 때 방전저항(Rd)을 통해 방전전류가 흐를 때와 흐르지 않을 때 노드간 전압차에 변화를 유발한다. 즉, 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)가 턴온되거나 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)가 단락되면 화살표로 표시된 방전 루프를 통해 방전전류가 흐른다. 이 때 고전위 노드의 전위는 고전위 노드 측의 진단저항(Rm)에 흐르는 방전전류로 인해 방전전류가 흐르지 않는 경우에 비해 감소하고, 저전위 노드의 전위는 저전위 노드 측의 진단저항(Rm)에 흐르는 방전전류로 인해 방전전류가 흐르지 않는 경우에 비해 상승한다. 그 결과, 방전 루프에 방전전류가 흐르면 노드간 전압차는 방전전류가 흐르지 않는 경우보다 감소하게 된다. 반대로 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)가 턴오프되거나 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)가 단선되면 방전 루프에 방전전류가 흐르지 않으므로 이런 경우 셀의 노드간 전압차는 셀 전압과 동일한 레벨의 전압 값을 가진다. 방전 루프에 방전전류가 흐르지 않으면 진단저항(Rm)을 통한 전압 강하가 발생되지 않고 노드 사이에 셀 전압이 그대로 인가되기 때문이다.
상기 전압 센싱 회로(30)는 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장을 진단하기 위한 목적으로 상기 제어부(40)의 제어에 의해 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)가 턴온/턴오프되면 각 셀의 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B) 간의 전압차를 센싱하여 아날로그 전압 신호로 출력한다.
바람직하게, 상기 전압 센싱 회로(30)는 각 셀(VB1, VB2, VB3)의 전압을 주기적으로 센싱하기 위해 통상적으로 사용되는 회로를 그대로 이용한다. 이런 경우 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장을 진단하기 위한 목적으로 별도의 전압 센싱 회로를 설치하지 않아도 되는 이점이 있다.
상기 제어부(40)는 전압 센싱 회로(30)로부터 출력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하는 A/D 변환 모듈(미도시)과, A/D 변환 모듈을 통해 입력되는 디지털 전압 신호를 저장하는 메모리부(미도시)와, 각 셀(VB1, VB2, VB3)의 노드간 전압차를 얻기 위해 상기 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 동작을 제어하며, 전압 센싱 회로(30)를 이용하여 얻은 각 셀의 노드간 전압차의 변화 패턴을 분석하여 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장 여부와 고장 원인을 판별하는 중앙 연산 모듈(미도시)을 포함하여 구성된다. 이러한 제어부(40)의 구성은 일반적으로 배터리를 제어하는 시스템에 사용되는 것으로 널리 알려져 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치가 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장을 판별하는 과정을 제2번 셀(VB2)에 해당하는 셀 밸런싱 스위치(SWb2)의 고장 진단 과정을 중심으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 제어부(40)는 진단 대상이 되는 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)를 턴온 시킨다. 이때, 제2번 셀(VB2)에 인접하는 제1번 셀(VB1)과 제3번 셀(VB3)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb3)는 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차에 영향을 줄 수 있으므로 턴오프 시킨다. 그런 다음, 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차를 전압 센싱 회로(30)를 통해 센싱하여 저장한다. 그런 다음, 제어부(40)는 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)를 턴오프 시킨 후, 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차를 전압 센싱 회로(30)를 통해 센싱하여 저장한다. 그리고 나서, 제어부(40)는 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴온 또는 턴오프 될 때 인접 셀의 노드간 전압차의 변화 패턴을 분석하여 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부와 고장 원인을 판별한다.
< Case 1 : 제2번 셀의 셀 밸런싱 스위치가 정상인 경우>
도 2에 도시된 바와 같이, 제2번 셀(VB2)의 고전위 단자 전압을 'VB2 (+)'라 하고, 저전위 단자 전압을 'VB2 (-)'라 하겠다. 그리고 다른 노드와 구별을 위해 제2번 셀(VB2)의 양극과 접속하여 연장된 셀 전압 센싱 라인과 셀 밸런싱 회로(20)가 접속되는 고전위 노드를 'A2'라고 하고, 제2번 셀(VB2)의 음극과 접속하여 연장된 셀 전압 센싱 라인과 셀 밸런싱 회로(20)가 접속되는 저전위 노드를 'B2'라고 하겠다.
제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴온되면 제2번 셀(VB2)의 방전 루프에 방전전류가 흐른다. 이때, 방전 루프에 흐르는 전류를 'I2'라고 하겠다. 그러므로, 고전위 노드 'A2'의 전압은 'VB2 (+)-I2*Rm'이 된다. 또한 저전위 노드 'B2'의 전압은 'VB2 (-)+I2*Rm'이 된다. 그리고 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차는 '{VB2 (+)-I2*Rm}-{VB2(-)+I2*Rm}=VB2의 셀 전압-2*(I2*Rm)'이 된다.
한편, 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴오프되면 전류가 흐르지 않는다. 따라서 고전위 노드 'A2'의 전압은 VB2 (+)이고, 저전위 노드 'B2'의 전압은 VB2(-)이다. 그리고, 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차는 'VB2 (+)-VB2 (-)=VB2의 셀 전압'이 된다.
상기 제어부(40)는 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴오프되었을 때의 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차와 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴온되었을 때의 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차의 패턴 변화를 분석한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(40)는 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차와 턴오프 상태의 노드 전압차의 차이값이 미리 설정된 기준 전압 이하인 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 고장인 것으로 판별한다. 상기 '미리 설정된 전압'은 상기 셀(VB1, VB2, VB3)의 동작 전압의 범위, 상기 각 진단저항(Rm)의 저항값, 상기 각 셀 밸런싱저항(Rd)의 저항값 등을 고려하여 다양하게 설정될 수 있다. 바람직하게, 상기 미리 설정된 전압은 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 고장난 경우 상기 제어부(40)의 진단 대상 셀 밸런싱 스위치의 턴온 및 턴오프 제어에 관계없이 전압값의 변화가 적은 것을 판단하기 위한 값이므로, '0V'에 가까울 수록 좋다.
따라서, 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴오프되었을 때의 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차와 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴온되었을 때의 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차의 차이값을 산출하면, '2*(I2*Rm)'이 된다. 일 예로 상기 미리 설정된 전압을 '0V'라고 설정한 경우, 상기 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차의 차이값 '2*(I2*Rm)'은 'OV' 이상의 값을 가진다. 따라서, 상기 제어부(40)는 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 정상 작동하는 것을 판단한다.
< Case 2 : 제2번 셀의 셀 밸런싱 스위치가 고장인 경우>
반면, 상기 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)에 고장이 발생한 것으로 가정해 보겠다. 고장의 종류가 단락(short) 또는 단락(open)이든 상기 제어부(40)의 제어신호에 반응하여 상기 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 동작을 하지 않을 것이다. 따라서, 상기 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴오프 되었을 때의 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차와 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴온 되었을 때의 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차는 동일 할 것이다. 즉, 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차의 차이값은 '0'이 된다. 상기 예시와 마찬가지로 미리 설정된 전압을 '0V'라고 설정한 경우, 상기 제2번 셀(VB2)의 노드간 전압차의 차이값은 'OV' 이하의 값을 가진다. 따라서, 상기 제어부(40)는 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 고장난 것으로 판단한다.
따라서, 이하에서는 고장의 원인을 판별하는 방법에 대해서 설명하도록 하겠다.
< Case 2-1 : 제2번 셀의 셀 밸런싱 스위치가 단락인 경우>
먼저, 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 단락(short)으로 고장난 경우를 가정해 보겠다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치는 종래 기술과 달리 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1 , SWb3)를 모두 턴온 또는 턴오프 시켜 고장의 원인을 판별하는 것이 아니라, 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1 , SWb3) 중 어느 하나의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)를 턴온 시켜 턴온 시 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 노드 전압을 분석하여 진단 대상 셀 밸런싱 스위치(SWb2)의 고장 원인을 판별한다. 본 명세서에서는 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1 , SWb3) 중 제1번 셀 밸런싱 스위치(SWb1)를 턴온 시켜 제2번 셀 밸런싱 스위치(SWb2)의 고장 원인을 판별하는 실시예를 중심으로 설명하도록 하겠다.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 제1번 셀(VB1)의 고전위 단자 전압을 'VB1(+)'라 하고, 저전위 단자 전압을 'VB1 (-)'라 하겠다.
또한, 상술한 제2번 셀(VB2)의 양극과 근접한 고전위 노드(A2)와 저전위 노드(B2)와 구별을 위해, 제1번 셀(VB1)의 양극과 접속하여 연장된 셀 전압 센싱 라인과 셀 밸런싱 회로(20)가 접속되는 고전위 노드를 'A1'라고 하고, 제1번 셀(VB1)의 음극과 접속하여 연장된 셀 전압 센싱 라인과 셀 밸런싱 회로(20)가 접속되는 저전위 노드를 'B1'라고 하겠다. 당연히, 상기 제1번 셀(VB1)의 양극과 근접한 고전위 노드(A1)은 제2번 셀(VB2)의 음극과 근접한 저전위 노드(B2)와 동일한 노드이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 단락되어 있으면 셀 밸런싱 스위치(SWb2)의 턴온 또는 턴오프와 상관 없이 방전 루프를 통해 방전전류가 흐른다. 한편, 제1번 셀(VB1)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온되면 제1번 셀(VB1)의 방전 루프에 방전전류가 흐른다. 이때, 방전 루프에 흐르는 전류를 'I1'라고 하겠다. 제1번 셀(VB1)의 고전위 단자에 연결된 진단저항(Rm)에는 방향이 서로 반대인 'I1'와 'I2'가 흐르게 된다. 상기 제1번 셀(VB1)의 전압과 상기 제2번 셀(VB2)의 전압이 동일하다면, 'I1'과 'I2'는 크기가 동일하고 방향만 서로 반대인 전류이다. 따라서, 제1번 셀(VB1)의 고전위 단자에 연결된 진단저항(Rm)에는 전류가 흐르지 않게 된다. 한편, 상기 제1번 셀(VB1)의 전압과 상기 제2번 셀(VB2)의 전압이 동일하지 않더라도, 상기 제1번 셀(VB1)과 상기 제2번 셀(VB2)은 하나의 배터리 팩에 포함되어 있으므로 서로 비슷한 크기의 전압값을 가지고 있을 것이다. 즉, 'I1'와 'I2'의 크기 차이는 아주 작을 것이다. 따라서 무시해도 괜찮을 정도의 작은 전류만이 제1번 셀(VB1)의 고전위 단자에 연결된 진단저항(Rm)에 흐를 것이다. 그러므로, 제1번 셀(VB1)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온되면 고전위 노드(A1)의 전압은 'VB1 (+)'이 된다. 한편, 제1번 셀(VB1)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온되면 저전위 노드(B2)의 전압은 'VB1 (-)+I1*Rm '이다. 그러므로, 상기 제1번 셀(VB1)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온되었을 때의 제1번 셀(VB1)의 노드간 전압차는 '{VB1(+)}-{VB1(-)+I1*Rm}={VB1의 셀 전압-I1*Rm}'이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(40)는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의한 전압강하된 전압값보다 큰 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단락되어 있는 것으로 판별한다.
따라서, 제1번 셀(VB1)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온되었을 때의 제1번 셀(VB1)의 노드간 전압차와 제1번 셀(VB1)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온되었을 때의 제1번 셀(VB1)의 노드간 전압차는 'VB1의 셀 전압-I1*Rm'이므로, 2개의 진단저항에 의한 전압강하{2*(I1*Rm)}보다 큰 경우이다. 따라서, 상기 제어부(40)는 상기 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 단락되어 고장난 것으로 판별한다.
< Case 2-2 : 제2번 셀의 셀 밸런싱 스위치가 단선인 경우>
먼저, 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 단선(open)으로 고장난 경우를 가정해 보겠다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 단선되어 있으면 제2번 셀(VB2)에 의한 전류(I2)가 흐르지 않는다. 이때, 제1번 셀(VB1)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온이 되면 제1번 셀(VB1)의 방전 루프에 방전전류(I2)가 흐른다. 그러므로, 고전위 노드 'A1'의 전압은 'VB1 (+)-I1*Rm'이 된다. 또한 저전위 노드 'B1'의 전압은 'VB1 (-)+I1*Rm'이 된다. 그리고 제1번 셀(VB1)의 노드간 전압차는 '{VB1 (+)-I1*Rm}-{VB1 (-)+I1*Rm}={VB1의 셀 전압-2*(I1*Rm)}'이 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(40)는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의한 전압강하된 전압값보다 작은 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단선되어 있는 것으로 판별한다.
따라서, 제1번 셀(VB1)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온되었을 때의 제1번 셀(VB1)의 노드간 전압차와 제1번 셀(VB1)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온되었을 때의 제1번 셀(VB1)의 노드간 전압차는 'VB1의 셀 전압-2*(I1*Rm)'이므로, 상기 제어부(40)는 상기 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 단선되어 고장난 것으로 판별한다.
한편, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치는 셀 밸런싱 스위치에 고장이 발생되었을 경우 고장 발생과 고장 원인을 외부로 통보하는 고장 경보기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(40)는 셀 밸런싱 스위치에 고장이 있는 것으로 판별된 경우 고장 발생 신호를 고장 경보기로 전달하여 고장 경보기를 통해 시각적 또는 청각적으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 발생과 고장 원인을 외부로 통보한다.
상기 고장 경보기는 LED, LCD, 알람 경보기 또는 이들의 조합을 포함한다. 이런 경우, 상기 고장 발생 신호가 입력되면, 상기 고장 경보기는 LED를 점멸하거나 LCD에 경고 메시지를 출력하거나 알람 부저음을 발생시켜 사용자에게 셀 밸런싱 스위치의 고장 발생과 고장 원인을 통보할 수 있다. 상기 LED, LCD 및 알람 경보기는 고장 경보기의 일 예시에 불과하며, 여러 가지 변형된 형태의 시각적 또는 청각적 알람 장치가 고장 경보기로 채용될 수 있을 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
한편, 본 발명에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치는 다수의 셀을 포함하는 배터리 팩(10)의 일 구성요소가 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 상기 배터리 팩(10)과 배터리 팩(10)으로부터 전력을 공급받는 부하를 포함하는 배터리 구동 시스템의 일 구성요소가 될 수 있다.
상기 배터리 구동 시스템의 일예로는 전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자전거(E-Bike), 전동 공구(Power tool), 전력 저장 장치(Energy Storage System), 무정전 전원 장치(UPS), 휴대용 컴퓨터, 휴대용 전화기, 휴대용 오디오 장치, 휴대용 비디오 장치 등이 될 수 있으며, 상기 부하의 일예로는 배터리 팩이 공급하는 전력에 의해 회전력을 제공하는 모터 또는 배터리 팩이 공급하는 전력을 각종 회로 부품이 필요로 하는 전력으로 변환하는 전력 변환 회로일 수 있다.
도 5 및 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장을 진단하는 방법을 설명하기 위해 도시한 절차 흐름도이다. 도 5에서, 각 동작을 수행하는 주체는 제어부(40)이다.
먼저, 단계 S10에서 진단 대상 셀 밸런싱 스위치(SWb2)를 턴오프 시킨다.
단계 S11에서, 진단 대상 셀 밸런싱 스위치(SWb2)를 턴오프시킨 상태에서 진단 대상 셀(VB2) 노드간 전압차를 센싱하여 저장한다.
다음, 단계 S12에서 진단 대상 셀 밸런싱 스위치(SWb2)를 턴온 시킨다.
단계 S13에서, 진단 대상 셀 밸런싱 스위치(SWb2)를 턴온시킨 상태에서 진단 대상 셀(VB2) 노드간 전압차를 센싱하여 저장한다.
상기 단계 S10, S11과 S12, S13은 상호간에 순서가 바뀌어도 무방하다.
단계 S14에서, 상기 제어부(40)는 진단 대상 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴오프되었을 때의 진단 대상 셀(VB2)의 노드간 전압차와 진단 대상 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴온되었을 때의 진단 대상 셀(VB2)의 노드간 전압차의 패턴 변화를 분석한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 진단 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴오프되었을 때의 진단 셀(VB2)의 노드간 전압차와 진단 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 턴온되었을 때의 진단 셀(VB2)의 노드간 전압차의 차이값을 산출한다. 그리고, 상기 산출된 진단 대상 셀(VB2)의 노드간 전압차의 차이값이 미리 설정된 기준 전압 이하인지 여부를 판단한다. 상기 산출된 진단 셀(VB2)의 노드간 전압차의 차이값이 미리 설정된 기준 전압 이하인 경우(단계 S14의 YES), 본 방법은 단계 S15로 프로세스를 이행한다. 반면, 상기 산출된 진단 대상 셀(VB2)의 노드간 전압차의 차이값이 미리 설정된 기준 전압 이상인 경우(단계 S14의 NO), 본 방법은 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 정상인 것으로 판단하고 프로세스를 종료한다. 이때, 프로세스의 종료란 해당 진단 대상이 된 셀 밸런싱 스위치의 진단이 완료된 것을 의미하고 다른 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 진단할 수 있다.
한편, 상기 산출된 진단 대상 셀(VB2)의 노드간 전압차의 차이값이 미리 설정된 기준 전압 이하인 경우(단계 S14의 YES), 상기 제어부(40)는 상기 진단 대상 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 고장난 것으로 판단하고, 단계 S15로 프로세스를 이행한다.
단계 S15에서 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1 , SWb3) 중 어느 하나의 셀 밸런싱 스위치(SWb1)를 턴온 시킨다.
단계 S16에서, 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1)를 턴온 시킨 상태에서 진단 대상 셀(VB2)과 인접한 셀(VB1)의 노드간 전압차를 센싱하여 저장한다.
단계 S17에서, 상기 제어부(40)는 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1)를 턴온되었을 때의 진단 대상 셀(VB2)과 인접한 셀(VB1)의 노드간 전압차를 분석하여 진단 대상 셀 밸런싱 스위치(SWb2)의 고장 원인을 판별한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(40)는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의한 전압강하된 전압값보다 큰지 작은지 여부를 통해서 진단 대상 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 판단한다.
상기 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의한 전압강하된 전압값보다 큰 경우(단계 S17의 YES), 본 방법은 단계 S18로 프로세스를 이행한다. 반면, 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의한 전압강하된 전압값보다 작은 경우(단계 S17의 NO), 본 방법은 단계 S19로 프로세스를 이행한다.
상기 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의한 전압강하된 전압값보다 큰 경우(단계 S17의 YES), 상기 제어부(40)는 상기 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)가 단락된 상태로 고장난 것으로 판단한다(단계 S18). 반면, 상기 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)와 인접하는 셀 밸런싱 스위치(SWb1)가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 2개의 진단저항에 의한 전압강하된 전압값보다 작은 경우(단계 S17의 NO), 상기 제어부(40)는 상기 진단 대상이 되는 스위치(SWb2)가 단선된 상태로 고장난 것으로 판단한다(단계 S19).
다음 단계 S20에서, 상기 제어부(40)는 고장 경보기를 통해 시각적 또는 청각적으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 발생 사실을 통보한다. 그리고, 본 발명은 프로세스를 종료한다.
본 발명에 따르면, 간단한 회로 구성으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부와 고장 원인을 진단할 수 있다. 또한, 전압 센싱 라인이 단선된 경우이거나, 전체 셀 밸런싱 스위치가 단선 또는 단락된 경우에도 고장 원인을 정확히 판별할 수 있다. 이를 통해 셀 밸런싱 회로 이상으로 배터리의 고장이 확대되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 도 1 내지 도 4에 도시된 본 발명에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 배터리 팩
20 : 셀 밸런싱 회로
30 : 전압 센싱 회로
40 : 제어부
Rm : 진단 저항
Rd : 방전 저항
SWb1, SWb2, SWb3 : 셀 밸런싱 스위치
VB1, VB2, VB3 : 셀

Claims (15)

  1. 다수의 셀을 포함하는 배터리 팩에서 각 셀에 대응하는 셀 밸런싱 스위치의 고장을 진단하는 장치에 있어서,
    각 셀의 양 단자에 연결된 전압 센싱 라인에 병렬 연결되고 상기 셀 밸런싱 스위치와 방전저항을 포함하는 셀 밸런싱 회로;
    상기 셀 밸런싱 회로와 셀 전압 센싱 라인이 연결된 노드(고전위 노드와 저전위 노드)를 기준으로 셀 측 전압 센싱 라인 상에 설치된 진단저항;
    상기 고전위 노드와 저전위 노드의 전압차(이하, 노드 전압차)에 해당하는 전압을 출력하는 전압 센싱 회로; 및
    상기 셀 밸런싱 스위치를 턴온 또는 턴오프 시켜 턴온 시의 노드간 전압차와 턴오프 시의 노드간 전압차의 변화 패턴을 분석하여 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부와 고장 원인을 판별하는 제어부를 포함하고,
    상기 셀 밸런싱 스위치 중 진단 대상이 되는 스위치를 턴온 또는 턴오프 시켜 턴온 시와 턴오프 시 진단 대상이 되는 노드 전압의 변화 패턴을 분석하여 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 판별하고, 진단 대상이 되는 스위치가 고장으로 판단된 경우 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치를 턴온 시켜 턴온 시 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀의 노드 전압을 분석하여 진단 대상 셀 밸런싱 스위치의 고장 원인을 판별하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로 상의 저전위 노드 측에는 역 방향으로 전압이 인가되는 것을 제한시키는 다이오드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 스위치는 전계효과트랜지스터(field effect transistor; FET)인 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차와 턴오프 상태의 노드 전압차의 차이값이 미리 설정된 기준 전압 이하인 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 고장인 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 진단저항에 의해 전압강하된 전압값보다 큰 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단락되어 있는 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 진단저항에 의해 전압강하된 전압값보다 작은 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단선되어 있는 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 스위치에 고장이 발생되었을 경우 고장 발생 사실을 외부로 통보하는 고장 경보기를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 고장 경보기를 통해 시각적 또는 청각적으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 발생 사실을 통보하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 장치; 및
    다수의 셀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 따른 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받는 부하;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 부하는 전기 구동 수단 또는 휴대용 기기임을 특징으로 하는 배터리 구동 시스템.
  11. 다수의 셀을 포함하는 배터리 팩에서 각 셀의 양 단자에 연결된 전압 센싱 라인에 병렬 연결되고 셀 밸런싱 스위치와 방전저항을 포함하는 셀 밸런싱 회로와, 상기 셀 밸런싱 회로와 셀 전압 센싱 라인이 연결된 노드(고전위 노드와 저전위 노드)를 기준으로 셀 측 전압 센싱 라인 상에 설치된 진단저항과, 상기 고전위 노드와 저전위 노드의 전압차(이하, 노드 전압차)에 해당하는 전압을 출력하는 전압 센싱 회로를 이용하여 셀 밸런싱 스위치의 고장을 진단하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 셀 밸런싱 스위치 중 진단 대상이 되는 스위치를 턴온 또는 턴오프 시켜 턴온 시와 턴오프 시 진단 대상이 되는 노드 전압의 변화 패턴을 분석하여 진단 대상 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 판별하는 단계; 및
    (b) 진단 대상이 되는 스위치가 고장으로 판단된 경우 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치를 턴온 시켜 턴온 시 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀의 노드 전압을 분석하여 진단 대상 셀 밸런싱 스위치의 고장 원인을 판별하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차와 턴오프 상태의 노드 전압차의 차이값이 미리 설정된 기준 전압 이하인 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 고장인 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 진단저항에 의해 전압강하된 전압값보다 큰 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단락되어 있는 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 진단 대상이 되는 스위치와 인접하는 셀 밸런싱 스위치가 턴온 상태의 노드 전압차가 상기 진단저항에 의해 전압강하된 전압값보다 작은 경우 진단 대상 셀 밸런싱 스위치가 단선되어 있는 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 스위치에 고장이 발생되었을 경우 고장 발생 사실을 외부로 통보하는 고장 경보기를 더 포함하고,
    (c) 상기 고장 경보기를 통해 시각적 또는 청각적으로 셀 밸런싱 스위치의 고장 발생 사실을 통보하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 고장 진단 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023113159A1 (ko) * 2021-12-14 2023-06-22 주식회사 엘지에너지솔루션 릴레이 진단 장치 및 릴레이 진단 방법
US11846680B2 (en) 2019-07-22 2023-12-19 Lg Energy Solution, Ltd. Battery resistance diagnosis device and method

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9876369B2 (en) * 2016-03-15 2018-01-23 Lg Chem, Ltd. Battery system and method for determining an open circuit fault condition in a battery module
KR102044598B1 (ko) * 2016-09-09 2019-11-13 주식회사 엘지화학 배터리 팩 고장 검출 장치 및 방법
CN108321904B (zh) * 2018-03-14 2024-08-16 汉宇集团股份有限公司 一种汽车电池保护系统
KR102433848B1 (ko) 2018-09-12 2022-08-17 주식회사 엘지에너지솔루션 스위치 진단 장치 및 방법
JP6966408B2 (ja) * 2018-09-26 2021-11-17 日立建機株式会社 安全スイッチ入力診断装置及びこれを用いた作業機械
KR102262097B1 (ko) * 2019-06-11 2021-06-09 주식회사 피플웍스 Ess의 셀 밸런싱부 전원 라인 차단 장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11846680B2 (en) 2019-07-22 2023-12-19 Lg Energy Solution, Ltd. Battery resistance diagnosis device and method
WO2023113159A1 (ko) * 2021-12-14 2023-06-22 주식회사 엘지에너지솔루션 릴레이 진단 장치 및 릴레이 진단 방법

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