KR101628858B1 - 배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치에 관한 것으로서, 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩과 연결되어 상기 배터리 팩의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어기는 이웃하는 배터리 셀들 간의 연결선에서 발생하는 접촉저항을 측정하여 상기 셀들간의 연결선의 단락 또는 이상 유무를 판별할 수 있는 비교기와, 상기 연결선과 병렬로 연결된 회피경로를 포함한다.

Description

배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING ERRORS OF 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 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리 관리 시스템에서 배터리 셀 간의 단선 또는 과전류 발생을 감지하고 차단할 수 있는 고장 진단 장치 및 방법에 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, 배터리 용량의 한계 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 상용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 본격화 되었다.

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 있으며, 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 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 차량용 배터리 관리 시스템(100)은 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결된 배터리 팩(10) 및 배터리 제어기(30)를 포함한다.

배터리 팩(10)은 복수의 배터리 셀(C1, C2, C3)을 포함하며, 충전된 고전압 직류 전력을 모터 등의 차량 전자 장치에 공급한다.

배터리 제어기(30)는 배터리 팩(10)과 연결되어 배터리 팩(10)의 충방전 상태를 모니터링하고, 배터리 팩(10)의 충방전 동작을 제어한다.

배터리 팩(10)의 배터리 셀(C1, C2, C3)들은 제어기(30)와 각각 연결되어 제어기(30)에서 각 셀의 충방전 상태를 모니터링하고 셀의 충방전 동작을 수행한다.

통상적으로 각 셀은 연속된 셀들간 '-'극과 '+'극의 와이어가 공유된다.

이 경우, 셀과 셀 간을 연결하는 와이어가 끊어져서 open이 발생되거나 또는 내부 저항이 높아지는 경우 배터리 팩(10) 내부로 흘러야 하는 충전 전류가 제어기(30) 내부로 유입되어 제어기(30)의 소손이 발생될 수 있다.

또한, 셀들을 연결하는 와이어에는 내부 저항이 존재하는데 이로 인하여 셀 전압이 부정확하게 측정될 수 있다.

도 2를 참조하면, 셀1과 셀2를 연결한 와이어에서 단선(20)이 발생하여 셀 내부로 유입되어야 하는 충전 전류(I)가 제어기(30) 내부로 인가되는 것이 도시되었다. 이와 같은 과전류(I)가 제어기(30) 내부로 유입됨으로 인하여 제어기(30)의 소손이 발생된다.

또한, 도 2를 참조하면, 제어기(30)가 셀1(C1)의 전압을 센싱할 경우 와이어 저항(R1, R2)으로 인하여 실제 셀1의 전압 VC1보다 높은 전압 V가 다음 수학식 1과 같이 셀1(C1)의 전압으로 측정될 수 있다.

[수학식 1]

V = I * (R1+R2) > VC1

따라서, 종래기술에 따르면, 셀간 접촉저항의 영향이 무시되어 정확한 셀 전압을 측정할 수 없으며, 셀간 접촉저항이 증가되는 경우 과전류가 제어기 내부로 유입되어 제어기의 고장이 발생될 수 있다.

본 명세서는 배터리 관리 시스템에서 셀간 연결된 와이어의 단선 또는 접촉저항 증가 등을 검출할 수 있는 고장 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 배터리 셀의 충방전시 정확한 셀전압을 측정할 수 있는 고장 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 명세서의 일 실시예에 따르면, 배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치는 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서, 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩과 연결되어 상기 배터리 팩의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 이웃하는 배터리 셀들 간의 연결선에서 발생하는 접촉저항을 측정하여 상기 셀들간의 연결선의 단락 또는 이상 유무를 판별할 수 있는 비교기와, 상기 연결선과 병렬로 연결된 회피경로를 포함한다.

또한, 상기 회피경로에는 스위치가 더 포함될 수 있으며, 상기 비교기를 통해서 상기 연결선의 접촉저항이 높은 것으로 검출되면, 상기 제어기는 상기 스위치를 on 함으로써 상기 제어기 내부의 회피경로를 통해서 상기 배터리 팩에 흐르는 전류가 상기 제어기 내부로 인가되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 명세서의 일 실시예에 따르면, 직렬 연결된 다수의 배터리 셀의 단선 유무를 검출하는 고장 진단 회로는 배터리 셀과 연결되어 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어회로; 이웃하는 배터리 셀들 간의 연결선에서 발생하는 접촉저항을 측정하여 상기 배터리 셀들간의 연결선의 단락 또는 이상 유무를 판별할 수 있는 비교기; 및 상기 연결선과 병렬로 연결된 회피경로를 포함한다.

또한, 상기 고장 진단 회로에는 상기 회피경로에 스위치가 더 포함될 있으며, 상기 비교기를 통해서 상기 연결선의 접촉저항이 높은 것으로 검출되면, 상기 스위치를 턴온 함으로써 상기 연결선으로 흐르는 전류가 상기 회피경로를 통해서 흐르도록 하여 제어회로 내부로 고전압 전류가 유입되는 것을 방지할 수도 있다.

본 명세서의 일 실시예에 따르면, 셀간 연결된 와이어의 단선 또는 접촉저항 증가 등을 검출할 수 있는 고장 진단 장치 및 방법이 제공되는 효과가 있다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 셀간 연결된 와이어의 접촉 저항을 고려할 수 있으므로 배터리 셀의 충방전시 정확한 셀전압을 측정할 수 있는 고장 진단 장치 및 방법이 제공되는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템의 문제점을 설명하기 위한 참고도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 동작을 설명하기 위한 참고도이다.

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 3을 참조하여 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에 대해 설명한다.

도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 블록도이다.

도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치는 직렬 연결된 다수의 배터리 셀(C1,C2,C3)과, 상기 배터리 셀(C1,C2,C3)들과 연결된 제어기(40)를 포함한다.

상기 제어기는 배터리 셀(C1,C2,C3)들의 충방전 상태를 모니터링하고 셀 밸런싱을 위하여 각 배터리 셀(C1,C2,C3)의 충전 또는 방전 등을 제어한다.

이때, 각 셀간의 연결선에는 접촉저항 R1, R2 가 발생되며, 본 실시예에서는 상기 연결선에서 발생되는 접촉저항을 측정할 수 있는 비교기(41, 42)가 제어기(40) 내부에 더 포함된다.

통상적으로 이웃한 셀들을 연결하는 와이어에서 발생되는 접촉저항은 시스템 동작에 영향을 끼칠 정도로 크지는 않으나 연결선의 단선이 발생하거나 셀 주변 온도의 급격한 상승 등으로 인하여 연결선에서 접촉저항이 증가될 수가 있다.

따라서, 비교기(41, 42)는 이와 같은 상태를 검출하여 BMS 시스템의 이상 유무를 감지할 수 있다.

도시된 바와 같이, 셀 C1과 C2를 연결하는 연결선을 회피하는 회피경로가 제어기(40) 내부로 형성되며, 상기 회피경로 상에는 스위치(SW)가 포함된다. 또한, 회피경로상의 접촉저항은 r로 표시한다.

도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치의 동작을 설명하기 위한 참고도이다.

도시된 바와 같이, 비교기(41)에서 검출된 접촉저항 R1의 값이 매우 큰 경우에는 셀1과 셀2 사이의 연결선이 단락된 것으로 볼 수 있으므로 충전전류 I'이 제어기(40) 내부로 유입될 수 있다. 이때, 제어기(40)는 상기 회피경로에 연결된 스위치 SW를 닫힘 동작하여 충전전류 I'이 제어기(40) 내부가 아닌 회피경로를 통해서 패터리 팩(10) 내부로 계속 흐르도록 할 수 있다.

이와 같이, 제어기(40)는 비교기(41)를 통해서 셀 간의 연결선의 단락 등 이상 유무를 검출할 수 있으며, 셀 간의 연결선의 이상이 발생되면 제어기(40) 내부에 형성된 회피 경로를 통해서 충전전류가 제어기 내부로 유입되어 소손이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 배터리 셀의 충방전시 각 셀의 전압은 상기 비교기(41, 42)에서 셀간 연결선의 이상이 검출되지 않는 경우, 통상적으로 측정된 셀 전압을 그대로 사용할 수 있다. 그러나, 셀 간 연결선의 단락 또는 접촉저항 값의 증가가 발생하는 경우에는 그로 인한 셀 측정 전압의 오차가 발생할 수 있다.

따라서, 제어기 내부의 비교기(41, 42)를 통해서 셀간 연결선의 이상이 검출된 경우에는 셀 전압의 오차가 발생할 수 있으므로 회피경로로 충전전류가 흐르도록 함으로써 연결선의 저항성분으로 인하여 셀 전압이 과도하게 측정되지 않도록 할 수 있다.

한편, 상기 제어기(40), 비교기(41, 42) 및 스위치(SW)는 하나의 집적회로(IC)로 구성될 수 있으며, 배터리 셀(C1, C2, C3)들 간의 연결선의 단선이 발생할 경우에는 상기 집적회로(IC) 내부로 전류가 유입되어 회로의 소손이 발생되는 것을 방지하도록 상기 스위치(SW)가 포함된 회피경로가 구성될 수도 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.

10 : 배터리 팩 C1,C2,C3 : 배터리 셀
30,40 : 배터리 제어기
R1,R2,R3,R4,R5,R6 : 셀간 접촉저항
SW : 스위치 I,I': 충전전류

Claims (6)

1. 배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치에 있어서,
   직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및
   상기 배터리 팩과 연결되어 상기 배터리 팩의 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어기를 포함하며,
   상기 제어기는 이웃하는 배터리 셀들 간의 연결선에서 발생하는 접촉저항을 측정하여 상기 셀들간의 연결선의 단락 또는 이상 유무를 판별할 수 있는 비교기와, 상기 연결선과 병렬로 연결된 회피경로를 포함하고,
   상기 제어기는 상기 비교기를 통해 상기 연결선의 접촉저항이 높은 것으로 검출되면 상기 제어기 내부의 회피경로를 통해서 상기 배터리 팩에 흐르는 전류가 상기 제어기 내부로 인가되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 회피경로에는 스위치가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 비교기를 통해서 상기 연결선의 접촉저항이 높은 것으로 검출되면, 상기 제어기는 상기 스위치를 on 함으로써 상기 제어기 내부의 회피경로를 통해서 상기 배터리 팩에 흐르는 전류가 상기 제어기 내부로 인가되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 고장 진단 장치.
   
4. 직렬 연결된 다수의 배터리 셀의 단선 유무를 검출하는 배터리 관리 시스템의 고장 진단 회로에 있어서,
   상기 배터리 셀과 연결되어 충방전 상태를 모니터링 및 제어하는 제어회로;
   이웃하는 배터리 셀들 간의 연결선에서 발생하는 접촉저항을 측정하여 상기 배터리 셀들간의 연결선의 단락 또는 이상 유무를 판별할 수 있는 비교기; 및
   상기 연결선과 병렬로 연결된 회피경로를 포함하고,
   상기 비교기를 통해 상기 연결선의 접촉저항이 높은 것으로 검출되면 상기 연결선으로 흐르는 전류가 상기 회피경로를 통해서 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 고장 진단 회로.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 회피경로에는 스위치가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 고장 진단 회로.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 비교기를 통해서 상기 연결선의 접촉저항이 높은 것으로 검출되면, 상기 스위치를 턴온 함으로써 상기 연결선으로 흐르는 전류가 상기 회피경로를 통해서 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 고장 진단 회로.

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