KR101628850B1 - 배터리 관리 시스템 - Google Patents

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박재성
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Abstract

본 명세서는 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 본 명세서의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 셀을 포함하는 제1 배터리 모듈, 제2 배터리 모듈 및 제N 배터리 모듈, 상기 N개의 배터리 모듈 각각의 온도를 감지하는 복수의 온도 센서를 포함하는 온도 감지부, 상기 N개의 배터리 모듈과 각각 연결되어 상기 배터리 모듈의 배터리 셀의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제1 MCU(Module Control Unit), 제2 MCU 및 제N MCU 및 상기 제1 MCU와 연결되어 상기 N개의 배터리 모듈의 작동 특성에 대한 정보를 전달받고 상기 N개의 배터리 모듈의 충방전 상태를 상기 제1 MCU를 통해 제어하고, 상기 온도 감지부와 연결되어 상기 배터리 모듈의 온도를 직접 측정하기 위한 BCU(Battery Control Unit)를 포함한다.

Description

배터리 관리 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}
본 명세서는 전기 에너지를 이용하는 장치에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 명세서는 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리 관리 시스템에서 BCU에서 직접 배터리 모듈의 온도를 측정하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 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(Hybrid) 자동차의 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 시작되었다.
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(Battery Management System, BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 차량용 배터리 관리 시스템(100)은 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택(10), 차량 전자 장치(20) 및 배터리 모니터링 장치(30)를 포함한다.
배터리 스택(10)은 복수의 배터리 모듈(11, 12)을 포함하며, 배터리 모듈(11, 12)은 복수의 배터리 셀(13)을 포함한다. 배터리 스택(10)은 충전된 고전압 직류 전력을 차량 충전 장치(20)에 공급한다.
배터리 모니터링 장치(30)는 복수의 MCU(31, 32)와 상기 MCU를 제어하는 BCU(33)를 포함한다. 배터리 모니터링 장치(30)는 배터리 스택과 연결되어 배터리 스택(10)의 충방전 상태를 모니터링하고, 배터리 스택(10)의 충방전 동작을 제어한다.
복수의 MCU(31, 32)는 각각 복수의 배터리 모듈(11, 12)과 연결되어 배터리 모듈(11, 12) 또는 배터리 셀(13)의 작동 특성을 모니터링한다. 예를 들어, MCU(31)는 배터리 모듈(11) 또는 배터리 셀(13)의 전압, 전류, 충전 상태, 온도 등과 같은 작동 특성을 모니터링한다.
또한, 복수의 MCU(31, 32)는 각각 복수의 배터리 모듈(11, 12)과 연결되어 배터리 모듈(11, 12) 또는 배터리 셀(13)의 작동을 제어한다. 예를 들어, MCU(31)는 배터리 모듈(11) 또는 배터리 셀(13)를 모니터링한 결과를 통해 배터리 모듈(11) 또는 배터리 셀(13)를 충전 또는 방전되도록 제어할 수 있다.
BCU(33)는 복수의 MCU(31, 32)와 연결되어 복수의 MCU(31, 32)로부터 배터리 모듈(11, 12) 또는 배터리 셀(13)의 작동 특성에 대한 정보를 전달받는다. 또한 BCU(33)는 복수의 MCU(31, 32)로부터 전달받은 정보를 기반으로 배터리 모듈(11, 12) 또는 배터리 셀(13)을 제어하기 위한 정보를 복수의 MCU(31, 32)에게 전달할 수 있다.
이 때, 배터리 모듈(11, 12)의 온도를 측정하는 것은 복수의 MCU(31, 32)에서 수행되고, 그 결과가 BCU(33)에 전달된다. 이 경우, BCU(33)와 복수의 MCU(31, 32) 사이에 별도의 절연회로가 요구되는 문제점이 있다. 또한, 연결선의 증가로 인한 배터리 관리 시스템의 복잡도가 증가하는 문제점도 있다. 또한, 이에 따라 배터리 관리 시스템의 제조 비용이 증가하는 문제점도 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2012-0018763호
본 명세서는 차량용 배터리 관리 시스템에서 배터리 모듈의 온도의 측정을 BCU에서 직접 수행하도록 함으로써, BCU와 MCU 사이에 별도의 절연 회로를 제거시켜 차량용 배터리 관리 시스템을 단순화하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 셀을 포함하는 제1 배터리 모듈, 제2 배터리 모듈 및 제N 배터리 모듈, 상기 N개의 배터리 모듈 각각의 온도를 감지하는 복수의 온도 센서를 포함하는 온도 감지부, 상기 N개의 배터리 모듈과 각각 연결되어 상기 배터리 모듈의 배터리 셀의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제1 MCU(Module Control Unit), 제2 MCU 및 제N MCU 및 상기 제1 MCU와 연결되어 상기 N개의 배터리 모듈의 작동 특성에 대한 정보를 전달받고 상기 N개의 배터리 모듈의 충방전 상태를 상기 제1 MCU를 통해 제어하고, 상기 온도 감지부와 연결되어 상기 배터리 모듈의 온도를 직접 측정하기 위한 BCU(Battery Control Unit)를 포함한다.
또한, 상기 BCU는 상기 온도 감지부의 복수의 온도 센서를 작동시키는 전원을 포함할 수 있다.
또한, 상기 온도 감지부의 복수의 온도 센서 각각은 NTC(Negative Temperature Coefficient) 저항일 수 있다.
또한, 상기 BCU는 상기 온도 감지부의 복수의 온도 센서와 연결되어, 상기 복수의 온도 센서에서 감지된 값을 다채널 아날로그 디지털 인버터 기능을 통해 변환하여 상기 배터리 모듈의 온도를 직접 측정할 수 있다.
또한, 상기 온도 감지부의 복수의 온도 센서 각각은 NTC(Negative Temperature Coefficient) 저항이고, 상기 BCU는 상기 온도 감지부에서 감지된 상기 NTC 저항 값을 변환하여 상기 N개의 배터리 모듈의 온도를 측정할 수 있다.
본 명세서는 차량용 배터리 관리 시스템에서 배터리 모듈의 온도 등의 측정을 BCU에서 직접 수행하도록 하여 별도의 회로를 제거시켜 차량용 배터리 관리 시스템을 단순화하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성도 있다.
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.
이하, 도 2를 참조하여 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에 대해 설명한다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성도 있다.
도 2를 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리 모듈(130), 제1 MCU(120), BCU(110)를 포함한다.
배터리 모듈(130)은 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 모듈(130)은 충전된 고전압 직류 전력을 차량에 구비되어 있는 모터 등에 공급하고, 충전 장치를 통해서 충전 전압을 공급받는다. 배터리 모듈(130)은 제1 MCU(120)에 연결된다.
배터리 모듈(130)은 도 2에 도시된 1개의 배터리 모듈로 한정되지 않는다. 배터리 모듈(130)은 복수 개를 의미할 수 있다. 이 때, 복수 개의 배터리 모듈은 직렬로 연결될 수 있다.
제1 MCU(120)는 배터리 모듈(130)과 연결된다. 제1 MCU(120)는 배터리 모듈(130)의 복수의 배터리 셀의 전압, 전류, 충전 상태 등과 같은 작동 특성을 모니터링한다.
또한, 제1 MCU(120)는 배터리 모듈(130)의 복수의 배터리 셀을 모니터링한 결과를 통해 배터리 모듈(130)의 복수의 배터리 셀을 충전 또는 방전되도록 제어한다. 예를 들어, 배터리 셀의 충전 정도가 기 설정된 충전 임계값을 초과하는 경우 MCU는 배터리 셀을 방전시킨다. 반대로, 배터리 셀의 충전 정도가 기 설정된 방전 임계값 미만인 경우 MCU는 배터리 셀을 충전시킨다.
MCU는 도 2에 도시된 제1 MCU(120) 1개로 한정되지 않는다. MCU는 복수 개를 의미할 수 있다. 이 때, 복수 개의 MCU는 직렬로 연결될 수 있다.
BCU(110)는 제1 MCU(120)와 연결된다. 따라서, BCU(110)는 제1 MCU(120)를 통해 복수의 배터리 모듈의 작동 특성에 대한 정보를 전달받는다. 또한, BCU(110)는 상기 복수의 배터리 모듈의 충방전 상태를 제1 MCU(121)를 통해 제어한다.
BCU(110)는 배터리 모듈(130)의 온도를 직접 측정하여 배터리 모듈(130)이 과열되는 경우 등에 배터리 모듈(130)을 방전 등을 시키도록 직접 제어한다. 이를 위해, BCU(110)는 온도 감지부(111)와 연결되고, 전압원(113)과 온도 측정부(115)를 포함한다.
온도 감지부(111)는 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 온도를 감지하는 복수의 온도 센서를 포함한다.
상기 온도 센서는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 저항을 의미할 수 있다. 상기 NTC 저항은 온도상승에 따라 저항값이 감소하는 음의 온도계수를 가진 저항을 말한다. 상기 NTC 저항의 값은 상온 25도에서 10KΩ을 갖도록 설정될 수 있다. 즉, 이 경우 온도 감지부(111)는 배터리 모듈(130)의 온도에 따른 NTC 저항 값을 감지해 낼 수 있다.
전압원(113)은 온도 감지부(111)의 복수의 온도 센서가 작동될 수 있도록 전력을 공급한다. 예를 들어, 온도 감지부(111)의 복수의 온도 센서가 NTC 저항인 경우, BCU(110)의 전압원(113)은 상기 NTC 저항에 전력을 공급할 수 있다.
온도 측정부(115)는 온도 감지부(111)에서 감지해 낸 값을 토대로 배터리 모듈(130)의 온도를 산출한다. 이 때, BCU(110)는 온도 감지부(115)의 복수의 온도 센서에서 감지된 값을 다채널 아날로그 디지털 인버터 기능을 통해 변환하여 배터리 모듈(130)의 온도를 산출해 낼 수 있다.
예를 들어, 온도 감지부(111)의 복수의 온도 센서가 NTC 저항인 경우, 온도 감지부(111)에서 감지해 낸 NTC 저항 값이 10KΩ이면 온도 측정부(115)는 배터리 모듈(130)의 온도를 상온 25도로 산출해 낼 수 있다.
또한, BCU(110)는 온도 측정부(115)에서 측정된 배터리 모듈(130)의 온도가 기 설정된 기준을 넘어서는 경우, 배터리 모듈의 온도(130)를 낮추기 위해 배터리 모듈(130)의 상태를 제어한다. 예를 들어, 배터리 모듈(130)의 온도가 상온 70도 이상인 경우 배터리 모듈(130)에 충전된 전하를 방전시키도록 제어할 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 이상에서 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, 200 : 배터리 관리 시스템
10 : 배터리 스택
11, 12, 130 : 배터리 모듈
13 : 배터리 셀
20 : 차량 전자 장치
30 : 배터리 모니터링 장치
31, 32, 120 : MCU
33, 110 : BCU
111 : 온도 감지부
113 : 전압원
115 : 온도 측정부

Claims (5)

  1. 배터리 관리 시스템에 있어서,
    복수의 배터리 셀을 포함하는 제1 배터리 모듈, 제2 배터리 모듈 및 제N 배터리 모듈;
    상기 N개의 배터리 모듈 각각의 온도를 감지하는 복수의 온도 센서를 포함하는 온도 감지부;
    상기 N개의 배터리 모듈과 각각 연결되어 상기 배터리 모듈의 배터리 셀의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제1 MCU(Module Control Unit), 제2 MCU 및 제N MCU; 및
    상기 제1 MCU와 연결되어 상기 N개의 배터리 모듈의 작동 특성에 대한 정보를 전달받고 상기 N개의 배터리 모듈의 충방전 상태를 상기 제1 MCU를 통해 제어하고, 상기 온도 감지부와 연결되어 상기 배터리 모듈의 온도를 직접 측정하기 위한 BCU(Battery Control Unit)를 포함하고,
    상기 BCU는
    상기 제1 MCU와 연결된 경로와 다른 경로로 상기 온도 감지부와 연결됨으로써 상기 온도 감지부와 직접 연결되며,
    상기 온도 감지부에서 감지해 낸 값을 통해 상기 N개의 배터리 모듈의 온도를 산출하는 온도 측정부를 포함하고,
    상기 온도 감지부의 복수의 온도 센서가 작동될 수 있도록 전력을 공급하는 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 BCU는 상기 온도 감지부의 복수의 온도 센서를 작동시키는 전원을 포함하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 감지부의 복수의 온도 센서 각각은 NTC(Negative Temperature Coefficient) 저항인 배터리 관리 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 BCU는 상기 온도 감지부의 복수의 온도 센서와 연결되어, 상기 복수의 온도 센서에서 감지된 값을 다채널 아날로그 디지털 인버터 기능을 통해 변환하여 상기 배터리 모듈의 온도를 직접 측정하는 배터리 관리 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 감지부의 복수의 온도 센서 각각은 NTC(Negative Temperature Coefficient) 저항이고, 상기 BCU는 상기 온도 감지부에서 감지된 상기 NTC 저항 값을 변환하여 상기 N개의 배터리 모듈의 온도를 측정하는 배터리 관리 시스템.
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