KR101610908B1 - 배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법 - Google Patents

배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서의 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법은 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리 팩 중에서 제1 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하는 제1 전압 측정회로; 상기 제1 배터리 모듈과 인접하게 연결된 제2 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하되, 상기 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압을 중복적으로 측정하는 제2 전압 측정회로; 및 상기 제1 및 제2 전압 측정회로에 의해 각각 측정된 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압 간의 전압차와 미리 설정된 셀 전압치를 비교하여 상기 제1 전압 측정회로 또는 상기 제2 전압 측정회로의 고장을 진단하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR DIAGNOSING VOLTAGE MEASUREMENT CIRCUIT OF BATTERY AND METHOD THEREOF}
본 명세서는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 전압 측정회로에 대한 고장을 정밀하게 진단할 수 있는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정 기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid electric Vehicle)의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차(EV: electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 시작하였다.
한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다.
HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로서, 2차 전지 탑재량을 전기자동차의 1/3수준까지 낮출 수 있어 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 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.
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 셀을 센싱하는 셀 센싱 IC의 상태를 모니터링하여 해당 셀의 안정적인 컨트롤이 가능한 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)이 절실히 요구되는 실정이다.
일반적으로 배터리 관리 시스템(BMS)에서 배터리 전압을 검출하기 위하여 사용하는 방법은 오피엠프(OP Amp.)를 사용하는 방법과 릴레이(Relay) 및 콘덴서(Condenser)를 이용하는 방법이 있다. 그 중 릴레이 및 콘덴서를 이용하는 방법은 릴레이를 이용하여 배터리의 전압을 콘덴서에 충전시키고, 이 충전전압을 아날로그/디지털 변환기(A/D Convertor)로 변환하여 검출한다.
한편, 배터리 관리 시스템은 다수의 배터리 셀을 측정하기 위해서 다수의 배터리 모듈을 순차적으로 제어해야 한다. 상술한 바와 같은 전압검출 방법은 처음 전압검출 시간과 마지막 전압검출 시간 사이의 시간 차가 크게 발생한다. 배터리팩의 전체 셀을 측정하려면 수 밀리세컨드(ms)에서 수 세컨드(s)까지 시간이 소요가 될 수 있다. 하나의 배터리 셀이라도 배터리 셀의 전압을 측정하기 위한 스위치 제어 순서에 따라 서로 다른 시점에 전압을 측정하여 오인식이 발생될 수 있다.
배터리는 주행 중 충전 및 방전이 빈번히 발생하여 측정 전압이 일정하지 않을 수 있다. 또한, 수 ms 이내에도 전압의 변화가 급격히 발생할 수 있다. 전기자동차 및 하이브리드 전기자동차와 같이 전압 및 전류가 급격하게 큰 폭으로 변동하는 시스템에서는 동시에 여러 채널의 정확한 전압검출이 곤란할 수 있다. 이로 인해, 배터리 관리 시스템(BMS)의 기능 수행이 어려운 단점이 있다. 또한, 그에 따라 배터리의 수명을 단축하거나 보호기능 상실로 배터리 기능을 마비시키거나 연료전지 셀(Cell)을 손상시키는 등의 문제점이 있다.
본 명세서의 실시 예들은 서로 다른 시점에 전압을 측정하여 측정 오류가 발생한 배터리 전압 측정회로에 대한 고장 여부를 정밀하게 진단할 수 있는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 배터리 전압 측정회로에 대한 고장뿐만 아니라 고장이 발생한 고장 위치를 정확하게 진단할 수 있는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 명세서의 제1 측면에 따르면, 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리 팩 중에서 제1 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하는 제1 전압 측정회로; 상기 제1 배터리 모듈과 인접하게 연결된 제2 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하되, 상기 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압을 중복적으로 측정하는 제2 전압 측정회로; 및 상기 제1 및 제2 전압 측정회로에 의해 각각 측정된 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압 간의 전압차와 미리 설정된 셀 전압치를 비교하여 상기 제1 전압 측정회로 또는 상기 제2 전압 측정회로의 고장을 진단하는 제어부를 포함하는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치가 제공될 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 및 제2 전압 측정회로에서 측정된 제1 및 제2 배터리 모듈 각각의 제1 및 제2 블록전압과, 상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 각 셀 전압을 각각 합산한 제1 및 제2 합산전압 간의 제1 및 제2 합산 전압차가 미리 설정된 고장 전압치를 초과하면 초과한 합산 전압차에 대응되는 전압 측정회로를 고장으로 진단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 및 제2 전압 측정회로가 정상으로 진단된 경우, 상기 제1 전압 측정회로 또는 상기 제2 전압 측정회로의 고장을 진단 과정을 기설정된 진단 횟수에 따라 반복적으로 수행할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 셀 전압을 측정하기 위한 스위칭 회로와 각각 연결된 제1 채널 라인과, 서로 분리된 제2 채널 라인을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 입력받을 수 있다.
상기 전압 측정회로는 상기 제2 채널 라인에 직렬로 연결되고 블록전압과 전압 측정회로의 입력전압의 전압 분배비를 갖는 분배 저항을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 측정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 및 제2 전압 측정회로의 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 각각에 대해서 미리 설정된 전압 강하치를 이용하여 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 중 적어도 하나를 고장으로 진단할 수 있다.
상기 제어부는 제1 및 제2 배터리 모듈이 복수 그룹셀로 구분되고, 상기 구분된 복수의 그룹셀에 각각 연결된 복수 스위칭 그룹회로로 이루어진 스위칭 회로가 고장으로 진단된 경우, 상기 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈에서 복수 그룹셀별로 측정된 그룹셀 전압과, 상기 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈의 각 셀 전압을 그룹셀별 합산한 그룹셀별 합산전압 간의 그룹셀 합산 전압차가 미리 설정된 고장 그룹셀 전압치 초과하면 초과한 그룹셀 합산 전압차에 대응되는 스위칭 그룹회로를 고장으로 진단할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제2 측면에 따르면, 제1 전압 측정회로가 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리 팩 중에서 제1 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하는 단계; 제2 전압 측정회로가 상기 제1 배터리 모듈과 인접하게 연결된 제2 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하되, 상기 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압을 중복적으로 측정하는 단계; 상기 제1 및 제2 전압 측정회로에 의해 각각 측정된 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압 간의 전압차와 미리 설정된 셀 전압치를 비교하는 단계; 및 상기 각각 측정된 기준셀 전압 간의 전압차와 미리 설정된 셀 전압치와의 비교 결과에 따라 상기 제1 전압 측정회로 또는 상기 제2 전압 측정회로의 고장을 진단하는 단계를 포함하는 배터리 전압 측정회로의 진단 방법이 제공될 수 있다.
상기 고장을 진단하는 단계는 상기 제1 및 제2 배터리 모듈 각각의 제1 및 제2 블록전압을 측정하는 단계; 상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 각 셀 전압을 각각 합산하여 제1 및 제2 합산전압을 계산하는 단계; 상기 제1 블록전압 및 제1 합산전압 간의 제1 합산 전압차와, 상기 제2 블록전압 및 제2 합산전압 간의 제2 합산 전압차를 각각 미리 설정된 고장 전압치를 비교하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 합산 전압차가 미리 설정된 고장 전압치 이하이면 상기 제1 및 제2 전압 측정회로를 정상으로 진단하고, 상기 제1 또는 제2 합산 전압차가 미리 설정된 고장 전압치를 초과하면 합산 전압차가 초과된 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계에서 상기 제1 및 제2 전압 측정회로가 정상으로 진단된 경우, 상기 고장을 진단하는 단계는 기설정된 진단 횟수에 따라 반복적으로 수행될 수 있다.
상기 제1 및 제2 블록전압을 측정하는 단계는 상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 셀 전압을 측정하기 위한 스위칭 회로와 각각 연결된 제1 채널 라인과, 서로 분리된 제2 채널 라인을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 입력받을 수 있다.
상기 제1 및 제2 블록전압을 측정하는 단계는 상기 제2 채널 라인에 직렬로 연결되고 블록전압과 전압 측정회로의 입력전압의 전압 분배비를 갖는 분배 저항을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 측정할 수 있다.
상기 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계는 상기 제1 및 제2 전압 측정회로의 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 각각에 대해서 미리 설정된 전압 강하치를 이용하여 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 중 적어도 하나를 고장으로 진단할 수 있다.
상기 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계는 제1 및 제2 배터리 모듈이 복수 그룹셀로 구분되고, 상기 구분된 복수의 그룹셀에 각각 연결된 복수 스위칭 그룹회로로 이루어진 스위칭 회로가 고장으로 진단된 경우, 상기 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈에서 복수 그룹셀별 그룹셀 전압을 측정하는 단계; 상기 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈의 각 셀 전압을 그룹셀별 합산하여 그룹셀별 합산전압을 계산하는 단계; 및 상기 그룹셀별 전압 및 그룹셀별 합산전압 간의 그룹셀 합산 전압차가 미리 설정된 고장 그룹셀 전압치 초과하면 합산 전압차가 초과된 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 실시 예들은 서로 다른 시점에 전압을 측정하여 측정 오류가 발생한 배터리 전압 측정회로에 대한 고장 여부를 정밀하게 진단할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 배터리 모듈의 최상위 셀을 서로 다른 전압 측정회로에서 동시에 측정함으로써, 측정 시간이 지연되어 동일한 배터리 셀이라도 서로 다른 셀 전압으로 측정되는 전압 측정 오류를 용이하게 방지할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 배터리 전압 측정회로에 대한 고장뿐만 아니라 고장이 발생한 고장 위치를 정확하게 진단할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로의 진단 장치의 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 진단 장치에서의 배터리 전압 측정회로의 회로도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로의 진단 방법에 대한 흐름도이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로에서 고장 위치를 진단하는 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 1은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로의 진단 장치(100)의 블록도이다.
본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로의 진단 장치(100)는 복수의 배터리 모듈(110, …, 112, 111)로 이루어진 배터리 팩과 연결된 배터리 전압 측정회로(120, …, 122, 121)의 고장을 진단하는 장치에 관한 것이다. 본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로의 진단 장치(100)는 전기자동차(EV: Electric Vehicle), 하이브리드 전기자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle) 및 무정전 전원공급 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply) 등과 같이 배터리를 이용하는 응용분야에서 배터리의 전압 및 전류의 변화가 시간에 따라 큰 폭으로 랜덤하게 변동하는 시스템에서 정확한 전압검출이 가능하도록 한다.
이하, 본 명세서의 일 실시 예에 대한 설명을 위해 복수의 배터리 모듈(110, …, 112, 111) 중에서 서로 인접한 위치에 연결된 제1 배터리 모듈(111) 및 제2 배터리 모듈(111)을 기준으로 설명하기로 한다. 즉, 단순히 특정 개수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리 팩으로 한정되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로의 진단 장치(100)는 제1 배터리 모듈(111), 제2 배터리 모듈(111), 제1 전압 측정회로(121), 제2 전압 측정회로(122), 제어부(130) 및 저장부(140)를 포함한다.
이하, 도 1의 배터리 전압 측정회로의 진단 장치(100)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
배터리 팩은 일반적인 차량의 저전압 배터리에 비해 고전압을 출력하는 배터리 팩이다. 고전압 배터리는 엔진과 모터를 통해 주행하기 위한 구동수단으로 하이브리드 전기자동차나 전기자동차에 이용될 수 있다. 이러한 배터리 팩의 양단에는 모터가 필요에 따라 부하로서 연결되거나, 얼터네이터 등이 필요에 따라 충전기로서 연결될 수 있다.
배터리 팩은 m개의 배터리 모듈 즉, 제1, 제2,…, 제m 배터리 모듈(110, …, 112, 111)로 구분될 수 있다. 각 배터리 모듈(110, …, 112, 111)은 각각 n개의 배터리 셀(예컨대, 제1 배터리 모듈(111)이면, C11 내지 C1n)로 이루어질 수 있다. 여기서, m, n은 임의의 정수이다. 예를 들어, 배터리 팩은 6개의 배터리 모듈과, 12개의 배터리 셀로 이루어질 수 있다. m은 6이고, n은 12이다.
제1 전압 측정회로(121)는 복수의 배터리 모듈(110, …, 112, 111)로 이루어진 배터리 팩 중에서 제1 배터리 모듈(111)의 전체 셀 전압을 제1 스위칭 회로(1211)를 통해 측정한다.
제2 전압 측정회로(122)는 제1 배터리 모듈(111)과 인접하게 연결된 제2 배터리 모듈(111)의 전체 셀 전압을 제2 스위칭 회로(1212)를 통해 측정한다. 또한, 제2 전압 측정회로(122)는 제1 배터리 모듈(111)의 기준셀 전압을 중복적으로 측정한다. 예를 들면, 기준셀은 제1 배터리 모듈(111)의 최상위 셀일 수 있다.
이와 같이, 제어부(130)는 배터리 모듈의 각 셀 전압을 측정하도록 제1 전압 측정회로(121) 및 제2 전압 측정회로(122)를 제어한다. 즉, 제1 및 제2 전압 측정회로(121 및 122)는 개별 셀의 전압을 측정한다.
여기서, 기준셀이 최상위 셀인 경우 측정 순서에 대해서 살펴보면, 제1 전압 측정회로(121)는 제1 배터리 모듈(111)의 최하위 셀(C1)부터 순차적으로 선택하여 측정한다.
그리고 제1 배터리 모듈(111)의 최상위 셀(C1n)이 측정 대상인 경우, 제어부(130)는 제1 전압 측정회로(121) 및 제2 전압 측정회로(122)를 동시에 최상위 셀(C1n)에 연결하여 최상위 셀(C1)의 전압을 동시 측정하도록 각 스위치 회로를 제어한다.
또한, 제어부(130)는 제1 및 제2 전압 측정회로(121 및 122)에 의해 각각 측정된 제1 배터리 모듈(111)의 기준셀 전압 간의 전압차와 미리 설정된 셀 전압치를 비교하여 제1 전압 측정회로(121) 또는 제2 전압 측정회로(122)의 고장을 진단한다.
전압 측정회로의 고장 진단을 구체적으로 살펴보면, 제1 전압 측정회로(121)는 제1 배터리 모듈(111)의 제1 블록전압을 측정한다. 또한, 제2 전압 측정회로(122)는 제2 배터리 모듈(111)의 제2 블록전압을 측정한다.
그리고 제어부(130)는 제1 및 제2 배터리 모듈(111 및 112)의 각 셀 전압을 각각 합산하고, 그 합산한 제1 및 제2 합산전압 간의 제1 및 제2 합산 전압차를 계산한다. 이어서, 제어부(130)는 제1 및 제2 전압 측정회로(121 및 122)에서 측정된 제1 및 제2 배터리 모듈(111 및 112) 각각의 제1 및 제2 블록전압과, 제1 및 제2 배터리 모듈(111 및 112)의 각 셀 전압을 각각 합산한 제1 및 제2 합산전압 간의 제1 및 제2 합산 전압차가 미리 설정된 고장 전압치를 초과하면 그 초과한 합산 전압차에 대응되는 전압 측정회로를 고장으로 진단할 수 있다.
반면, 제1 및 제2 전압 측정회로(121 및 122)가 정상으로 진단된 경우, 제어부(130)는 제1 전압 측정회로(121) 또는 제2 전압 측정회로(122)의 고장을 진단 과정을 기설정된 진단 횟수에 따라 반복적으로 수행할 수 있다.
한편, 저장부(140)는 제어부(130)에서의 고장 진단에 필요한 정보를 저장한다. 예를 들면, 저장부(140)는 미리 설정된 셀 전압치, 미리 설정된 고장 전압치, 미리 설정된 전압 강하치, 미리 설정된 고장 그룹셀 전압치 및 고장 진단 데이터를 저장할 수 있다.
도 2는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 진단 장치(100)에서의 배터리 전압 측정회로의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 전압 측정회로의 진단 장치(100)에서 제1 전압 측정회로(121)는 제1 스위칭 회로(1211), 제1 증폭기(1221) 및 제1 변환기(1231)를 포함할 수 있다. 또한, 제2 전압 측정회로(122)는 제2 스위칭 회로(1212), 제2 증폭기(1222) 및 제2 변환기(1232)를 포함할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 제1 및 제2 배터리 모듈(111 및 112)에 각각 n개씩 포함된 배터리 셀을 설명하기로 한다.
제1 배터리 모듈(111)은 n개의 배터리 셀(C11 내지 C1n)로 이루어진다. 또한, 제2 배터리 모듈(111)은 n개의 배터리 셀(C21 내지 C2n)로 이루어진다. 여기서, 제1 배터리 모듈(111) 및 제2 배터리 모듈(111)은 직렬로 연결되고, 각 배터리 모듈의 n개의 배터리 셀도 직렬로 연결된다.
제1 배터리 모듈(111)의 최상위 셀은 제1 전압 측정회로(121)와 연결되며, 제1 배터리 모듈(111)과 서로 인접하는 제2 배터리 모듈(111)의 전압을 측정하는 제2 전압 측정회로(122)와 연결되어 있다. 즉, 제1, 제2,…, 제m 배터리 모듈(110, …, 112, 111) 각각의 최상위 셀(C1n, C2n,…, Cmn)은 대응되는 전압 측정회로와 연결되며, 서로 인접하는 배터리 모듈의 전압을 측정하는 전압 측정회로와도 연결되어 있다.
제1 및 제2 스위칭 회로(1212)는 선택적인 스위칭 회로로서, 제어부(130)에 의한 스위칭 제어에 따라 구비된 복수의 스위칭 소자를 온(ON) 또는 오프(OFF)시켜 배터리 모듈의 배터리 셀과 제1 및 제2 증폭기(1221 및 1222)를 서로 연결한다.
제1 및 제2 증폭기(1221 및 1222)는 각 배터리 셀의 양단 전압차를 측정하여 아날로그 신호로 출력한다. 예를 들어, 제1 및 제2 증폭기(1221 및 1222)는 OP Amp(Operational Amplifier), 차동 증폭기 형태로 구현될 수 있다.
제1 및 제2 변환기(1231 및 1232)는 아날로그-디지털 변환기로서, 각각 제1 및 제2 증폭기(1221 및 1222) 각각에서 출력된 아날로그 전압 신호를 디지털 신호로 출력하여 제어부(130)로 전달한다. 여기서, 전압 측정회로의 구성요소 중 해당 실시 예에 불필요한 기능 또는 구성회로가 생략되거나, 일부 구성회로가 통합될 수 있다.
한편, 제어부(130)는 제1 및 제2 배터리 모듈(111 및 112)의 셀 전압을 측정하기 위한 스위칭 회로와 각각 연결된 제1 채널 라인(CH1)과, 서로 분리된 제2 채널 라인(CH2)을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 입력받는다.
제1 및 제2 전압 측정회로(121 및 122)는 제2 채널 라인(CH2)에 직렬로 연결되고 블록전압과 전압 측정회로의 입력전압의 전압 분배비를 갖는 분배 저항(도면에 미도시)을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 측정할 수 있다. 제1 및 제2 전압 측정회로(121 및 122)는 각 배터리 모듈의 최하위 셀(-) 및 최상위 셀(+)에서 각각 분기된 라인을 통해 제1 및 제2 블록전압을 측정할 수 있다.
제어부(130)는 제1 및 제2 전압 측정회로(121 및 122)의 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 각각에 대해서 미리 설정된 전압 강하치를 이용하여 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 중 적어도 하나를 고장으로 진단할 수 있다. 이는 제1 및 제2 전압 측정회로(121 및 122)의 고장 위치를 정확히 진단하기 위함이다. 여기서, 미리 설정된 전압 강하치는 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기별로 서로 다른 전압 강하치가 측정되어 저장부(140)에 저장될 수 있다.
변형 예에 따르면, 제1 및 제2 배터리 모듈(111 및 112)은 배터리 셀들이 서로 다른 그룹으로 그룹핑될 수 있다. 즉, 배터리 팩의 제1 및 제2 배터리 모듈(111 및 112)이 복수 그룹셀로 구분될 수 있다. 또한, 그 구분된 복수의 그룹셀은 각각 복수 스위칭 그룹회로로 이루어진 스위칭 회로와 연결될 수 있다.
여기서, 고장으로 진단된 전압 측정회로는 그 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈에서 복수 그룹셀별로 그룹셀 전압을 측정할 수 있다. 또한, 복수 그룹셀별로 그룹셀 전압을 측정하기 위해, 제어부(130)는 도 2에 도시된 제1 및 제2 채널 라인(CH1, CH2)에 추가로 복수의 그룹셀과 각각 연결된 서로 독립적인 채널 라인을 통해 복수 그룹셀 전압을 각각 입력받을 수 있다.
그리고 제어부(130)는 이러한 배터리 모듈과 연결된 스위칭 회로가 고장으로 진단된 경우, 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈의 각 셀 전압을 그룹셀별로 합산한다.
이어서, 제어부(130)는 고장으로 진단된 그 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈에서 복수 그룹셀별로 측정된 그룹셀 전압과, 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈의 각 셀 전압을 그룹셀별 합산한 그룹셀별 합산전압 간의 그룹셀 합산 전압차가 미리 설정된 고장 그룹셀 전압치 초과하면 상기 초과한 그룹셀 합산 전압차에 대응되는 스위칭 그룹회로를 고장으로 진단할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로의 진단 방법에 대한 흐름도이다.
제1 전압 측정회로(121)는 제1 배터리 모듈(111)의 전체 셀 전압을 측정한다(S302).
그리고 제2 전압 측정회로(122)는 제2 배터리 모듈(111)의 전체 셀 전압을 측정한다(S304).
또한, 제2 전압 측정회로(122)는 제1 배터리 모듈(111)의 기준셀 전압을 중복적으로 측정한다(S306).
제어부(130)는 제1 전압 측정회로(121) 및 제2 전압 측정회로(122)에서 각각 측정된 기준셀 전압 간의 전압차와 미리 설정된 셀 전압치를 비교한다(S308).
제어부(130)는 각각 측정된 기준셀 전압 간의 전압차가 미리 설정된 셀 전압치 이하인지를 확인한다(S310).
상기 확인 결과(S310), 각각 측정된 기준셀 전압 간의 전압차가 미리 설정된 셀 전압치 이하이면, 제어부(130)는 제1 전압 측정회로(121) 및 제2 전압 측정회로(122)를 정상으로 진단한다(S312).
반면, 상기 확인 결과(S310), 각각 측정된 기준셀 전압 간의 전압차가 미리 설정된 셀 전압치를 초과하면, 제어부(130)는 제1 전압 측정회로(121) 또는 제2 전압 측정회로(122)를 고장으로 진단한다(S314).
그리고 제어부(130)는 전압 측정회로의 고장 위치를 진단하는 과정을 수행한다(S316). 즉, 제어부(130)는 고장 위치의 정밀한 진단 과정을 통해 제1 전압 측정회로(121) 및 제2 전압 측정회로(122) 중 고장이 발생한 전압 측정회로를 판단할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 고장이 발생한 전압 측정회로 내의 고장요소를 정확하게 진단할 수 있다.
도 4는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 전압 측정회로에서 고장 위치를 진단하는 방법에 대한 흐름도이다.
제어부(130)가 전압 측정회로의 고장 위치를 진단하는 과정을 수행하는 S316 과정에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다. 제어부(130)는 제1 전압 측정회로(121)에 대한 고장 위치의 진단을 수행하고, 제2 전압 측정회로(122)의 고장 위치의 진단을 수행한다. 이때, 제1 전압 측정회로(121) 및 제2 전압 측정회로(122)에 대한 고장 진단 순서는 특정 순서로 한정되지 않는다.
우선, 제1 전압 측정회로(121)는 제1 배터리 모듈(111)의 제1 블록전압을 측정한다(S402).
제어부(130)는 제1 배터리 모듈(111)의 각 셀 전압을 합산하여 제1 합산전압을 계산한다(S404).
제어부(130)는 제1 배터리 모듈(111)의 제1 블록전압 및 제1 합산전압 간의 전압차가 미리 설정된 고장 전압치 이하인지 확인한다(S406).
상기 확인 결과(S406), 제1 블록전압 및 제1 합산전압 간의 전압차가 미리 설정된 고장 전압치를 초과하면, 제어부(130)는 제1 전압 측정회로(121)를 고장으로 진단한다(S408).
반면, 상기 확인 결과(S408), 제1 블록전압 및 제1 합산전압 간의 전압차가 미리 설정된 고장 전압치 이하이면, 제어부(130)는 제2 전압 측정회로(122)에 대한 고장 진단을 수행한다.
상기 확인 결과(S408), 제1 블록전압 및 제1 합산전압 간의 전압차가 미리 설정된 고장 전압치 이하이면, 제1 전압 측정회로(121)는 제2 배터리 모듈(111)의 제2 블록전압을 측정한다(S410).
제어부(130)는 제2 배터리 모듈(111)의 각 셀 전압을 합산하여 제2 합산전압을 계산한다(S412).
제어부(130)는 제2 배터리 모듈(111)의 제2 블록전압 및 제2 합산전압 간의 전압차가 미리 설정된 고장 전압치 이하인지 확인한다(S414).
상기 확인 결과(S414), 제2 블록전압 및 제2 합산전압 간의 전압차가 미리 설정된 고장 전압치를 초과하면, 제어부(130)는 제2 전압 측정회로(122)를 고장으로 진단한다(S416).
반면, 상기 확인 결과(S416), 제2 블록전압 및 제2 합산전압 간의 전압차가 미리 설정된 고장 전압치를 초과하지 않으면, 제어부(130)는 배터리 전압 측정의 고장 진단을 기설정된 진단 횟수에 따라 반복적으로 수행하는지를 확인한다(S418).
상기 확인 결과(S418), 배터리 전압 측정의 고장 진단을 반복해야 하는 경우, 배터리 전압 측정회로의 진단 장치(100)는 S402 과정부터 다시 수행한다.
반면, 상기 확인 결과(S418), 배터리 전압 측정의 고장 진단을 반복하지 않는 경우, 제어부(130)는 제1 및 제2 전압 측정회로(121 및 122)를 정상으로 진단하고, 도 3 및 도 4에서 수행되어 산출된 고장 진단 데이터를 저장부(140)에 저장할 수 있다(S420). 여기서, 고장 진단의 반복이 종료되는 경우는 기설정된 진단 횟수를 초과하여 고장 진단이 수행된 경우를 나타낸다. 고장 진단 과정에서도 오류가 발생할 수 있기 때문에, 배터리 전압 측정회로의 진단 장치(100)는 고장 진단을 반복적으로 수행할 수 있다.
한편, 변형 예에 따르면, 배터리 전압 측정회로의 진단 장치(100)는 배터리 셀들이 서로 다른 그룹으로 그룹핑되어 구분되고, 그 구분된 복수의 그룹셀은 각각 복수 스위칭 그룹회로로 이루어진 스위칭 회로와 연결된 제1 및 제2 배터리 모듈(111 및 112)에 대해서 고장 위치를 진단할 수 있다.
고장으로 진단된 전압 측정회로는 그 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈에서 복수 그룹셀별로 그룹셀 전압을 측정할 수 있다.
그리고 제어부(130)는 이러한 배터리 모듈과 연결된 스위칭 회로가 고장으로 진단된 경우, 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈의 각 셀 전압을 그룹셀별로 합산한다.
이어서, 제어부(130)는 고장으로 진단된 그 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈에서 복수 그룹셀별로 측정된 그룹셀 전압과, 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈의 각 셀 전압을 그룹셀별 합산한 그룹셀별 합산전압 간의 그룹셀 합산 전압차가 미리 설정된 고장 그룹셀 전압치를 초과하면 그 초과한 그룹셀 합산 전압차에 대응되는 스위칭 그룹회로를 고장으로 진단할 수 있다.
본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 고장에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 배터리 전압 측정회로의 진단 장치
110, 111, 112: 제m, 제1, 제2 배터리 모듈
120, 121, 122: 제m, 제1, 제2 전압 측정회로
1201, 1211, 1221: 제m, 제1, 제2 스위칭 회로
1202, 1212, 1222: 제m, 제1, 제2 증폭기
1203, 1213, 1223: 제m, 제1, 제2 변환기
130: 제어부
140: 저장부

Claims (14)

  1. 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리 팩 중에서 제1 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하는 제1 전압 측정회로;
    상기 제1 배터리 모듈과 인접하게 연결된 제2 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하되, 상기 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압을 중복적으로 측정하는 제2 전압 측정회로; 및
    상기 제1 및 제2 전압 측정회로에 의해 각각 측정된 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압 간의 전압차와 미리 설정된 셀 전압치를 비교하여 상기 제1 전압 측정회로 또는 상기 제2 전압 측정회로의 고장을 진단하는 제어부
    를 포함하되, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 전압 측정회로에서 측정된 제1 및 제2 배터리 모듈 각각의 제1 및 제2 블록전압과, 상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 각 셀 전압을 각각 합산한 제1 및 제2 합산전압 간의 제1 및 제2 합산 전압차가 미리 설정된 고장 전압치를 초과하면 초과한 합산 전압차에 대응되는 전압 측정회로를 고장으로 진단하고,
    상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 셀 전압을 측정하기 위한 스위칭 회로와 각각 연결된 제1 채널 라인과 서로 분리된 제2 채널 라인을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 입력받는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제1 및 제2 전압 측정회로가 정상으로 진단된 경우, 상기 제1 전압 측정회로 또는 상기 제2 전압 측정회로의 고장을 진단 과정을 기설정된 진단 횟수에 따라 반복적으로 수행하는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압 측정회로는
    상기 제2 채널 라인에 직렬로 연결되고 블록전압과 전압 측정회로의 입력전압의 전압 분배비를 갖는 분배 저항을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 측정하는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제1 및 제2 전압 측정회로의 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 각각에 대해서 미리 설정된 전압 강하치를 이용하여 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 중 적어도 하나를 고장으로 진단하는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    제1 및 제2 배터리 모듈이 복수 그룹셀로 구분되고, 상기 구분된 복수의 그룹셀에 각각 연결된 복수 스위칭 그룹회로로 이루어진 스위칭 회로가 고장으로 진단된 경우, 상기 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈에서 복수 그룹셀별로 측정된 그룹셀 전압과, 상기 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈의 각 셀 전압을 그룹셀별 합산한 그룹셀별 합산전압 간의 그룹셀 합산 전압차가 미리 설정된 고장 그룹셀 전압치 초과하면 초과한 그룹셀 합산 전압차에 대응되는 스위칭 그룹회로를 고장으로 진단하는 배터리 전압 측정회로의 진단 장치.
  8. 제1 전압 측정회로가 복수의 배터리 모듈로 이루어진 배터리 팩 중에서 제1 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하는 단계;
    제2 전압 측정회로가 상기 제1 배터리 모듈과 인접하게 연결된 제2 배터리 모듈의 전체 셀 전압을 스위칭 회로를 통해 측정하되, 상기 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압을 중복적으로 측정하는 단계;
    상기 제1 및 제2 전압 측정회로에 의해 각각 측정된 제1 배터리 모듈의 기준셀 전압 간의 전압차와 미리 설정된 셀 전압치를 비교하는 단계; 및
    상기 각각 측정된 기준셀 전압 간의 전압차와 미리 설정된 셀 전압치와의 비교 결과에 따라 상기 제1 전압 측정회로 또는 상기 제2 전압 측정회로의 고장을 진단하는 단계
    를 포함하되, 상기 고장을 진단하는 단계는 상기 제1 및 제2 배터리 모듈 각각의 제1 및 제2 블록전압을 측정하는 단계; 상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 각 셀 전압을 각각 합산하여 제1 및 제2 합산전압을 계산하는 단계; 상기 제1 블록전압 및 제1 합산전압 간의 제1 합산 전압차와, 상기 제2 블록전압 및 제2 합산전압 간의 제2 합산 전압차를 각각 미리 설정된 고장 전압치를 비교하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 합산 전압차가 미리 설정된 고장 전압치 이하이면 상기 제1 및 제2 전압 측정회로를 정상으로 진단하고, 상기 제1 또는 제2 합산 전압차가 미리 설정된 고장 전압치를 초과하면 합산 전압차가 초과된 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 블록전압을 측정하는 단계는 상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 셀 전압을 측정하기 위한 스위칭 회로와 각각 연결된 제1 채널 라인과 서로 분리된 제2 채널 라인을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 입력받는 것을 특징으로 하는 배터리 전압 측정회로의 진단 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계에서 상기 제1 및 제2 전압 측정회로가 정상으로 진단된 경우, 상기 고장을 진단하는 단계는 기설정된 진단 횟수에 따라 반복적으로 수행되는 배터리 전압 측정회로의 진단 방법.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 블록전압을 측정하는 단계는
    상기 제2 채널 라인에 직렬로 연결되고 블록전압과 전압 측정회로의 입력전압의 전압 분배비를 갖는 분배 저항을 통해 제1 및 제2 블록전압을 각각 측정하는 배터리 전압 측정회로의 진단 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계는
    상기 제1 및 제2 전압 측정회로의 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 각각에 대해서 미리 설정된 전압 강하치를 이용하여 스위칭 회로, 증폭기 및 변환기 중 적어도 하나를 고장으로 진단하는 배터리 전압 측정회로의 진단 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계는
    제1 및 제2 배터리 모듈이 복수 그룹셀로 구분되고, 상기 구분된 복수의 그룹셀에 각각 연결된 복수 스위칭 그룹회로로 이루어진 스위칭 회로가 고장으로 진단된 경우, 상기 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈에서 복수 그룹셀별 그룹셀 전압을 측정하는 단계;
    상기 고장으로 진단된 스위칭 회로와 연결된 배터리 모듈의 각 셀 전압을 그룹셀별 합산하여 그룹셀별 합산전압을 계산하는 단계; 및
    상기 그룹셀별 그룹셀 전압 및 그룹셀별 합산전압 간의 그룹셀 합산 전압차가 미리 설정된 고장 그룹셀 전압치 초과하면 합산 전압차가 초과된 전압 측정회로를 고장으로 진단하는 단계
    를 더 포함하는 배터리 전압 측정회로의 진단 방법.
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