KR101797670B1 - 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치 - Google Patents

다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬 이차전지를 적용하는 다셀 배터리팩의 안전한 운용을 위해 사용되는 배터리 관리시스템이나 보호회로의 과충전전압보호 기능, 과방전전압보호 기능, 셀 밸런싱 기능 등의 검사를 위한 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 포토커플러와 엘이디, 저항, 푸시스위치 등으로 간단하고 저렴하게 BMS 검사장치를 구현할 수 있어서 장비 사용에 따른 비용 부담을 완화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치{DEVICE FOR TESTING THE FUNCTION OF MULTI-CELL BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}
본 발명은 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬 이차전지를 적용하는 다셀 배터리팩의 안전한 운용을 위해 사용되는 배터리 관리시스템이나 보호회로의 과충전전압보호 기능, 과방전전압보호 기능, 셀 밸런싱 기능 등의 검사를 위한 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치에 관한 것이다.
최근 이차전지를 사용하는 전자기기 분야에서 연구개발이 활발하게 일어나는 주제가 바로 급속충전이다. 급속충전은 표준충전에 비해서 높은 전류를 공급하여 빠르게 충전이 완료되도록 하는 방법인데, 급속충전은 충전 대상이 되는 단말기의 배터리를 단시간에 충전함으로써 사용자가 충전을 위해 대기하는 시간을 단축하는 효과가 있다.
최근에 이슈가 되고 있는 전기자동차의 경우 완속충전과 급속충전으로 충전기법이 나뉘는데, 완속충전의 경우 일반적으로 8시간 이상의 충전시간이 소요되고 있다 그리고, 급속충전을 할 경우에는 30분 이내에 완충이 되도록 하는 것을 목표로 하고 있다. 전기자전거나 전동식 킥보드 등과 같은 소형 이동장치의 경우에도 과거에는 2A 내외의 충전전류를 가지는 충전기가 대부분이었으나 최근에는 4~5A 이상의 충전전류를 가지는 급속충전기가 보급되고 있다.
한편, 스마트폰과 같은 단말기에 사용되는 소형 배터리팩은 하나의 셀로 이루어져 있어서 충전기 전압에 대한 보호동작만 수행하면 되지만, 자동차용 대용량 배터리팩은 충전과 방전특성을 향상시키기 위해 여러 개의 셀로 구성하는 경우가 많다.
도 1은 다셀 배터리팩의 관리시스템의 연결상태를 나타낸 블럭도이며, 도 2는 배터리팩의 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
충전기(20)는 외부의 전원공급부(10)로부터 공급되는 교류전원을 직류전원으로 정류하여 배터리셀(30)에 공급한다. BMS(Battery Management System ; 배터리 관리시스템)는 배터리셀(30)에 공급되는 전류를 조절하거나, 배터리셀(30)에 저장된 전류를 유출시키면서 배터리셀(30)의 충방전 상태를 제어한다.
다수의 배터리셀(30)은 내부 전원공급원이 가지는 내부기전력과 내부임피던스가 조금씩 다를 수 있기 때문에 무부하(도 2의 ⒜) 상태일 때, 방전(도 2의 ⒝) 상태일 때, 충전(도 2의 ⒞) 상태일 때에 전압과 전류의 특성이 다르게 나타난다.
BMS(40)는 스마트폰이나 전기자전거, 전동스쿠터, 전동킥보드 등에 사용되는 배터리팩의 전압을 측정하고, 충방전 과정에서 배터리팩이 손상되지 않고 최적의 상태를 유지할 수 있도록 관리하는 수단을 의미한다.
BMS의 동작이 정확히 이루어지지 않는 경우에는 배터리팩의 수명이 짧아지거나 화재, 폭발 등의 사고가 발생할 수 있기 때문에 BMS의 동작이 정확히 이루어지고 있는지를 검사하기 위한 장치가 사용된다.
대량양산이 진행되는 스마트폰용 보호회로(단셀)나 노트북용 보호회로(3~4셀)의 경우 가격이 수 천만원에 달하는 전용 검사장비를 도입하여 적용되고 있으나 타 제품의 경우 셀수도 증대되고 소량 생산의 특성상 DC Power Supply를 셀 수만큼 도입하여 개별셀의 전압의 상승/하강하는 형태로 BMS의 기능을 검사하고 있는 실정이며, 이러한 검사조차 실시하지 않는 경우도 일부 존재한다.
KR 10-1270798 B1
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 다셀의 배터리팩에 충전시 또는 방전시 전원을 선택적으로 공급할 수 있도록 푸시스위치를 설치하고, 과충전시 또는 과방전시의 특성에 맞는 전원을 공급하면서 BMS가 정상적으로 동작하는지를 확인할 수 있도록 하는 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 다셀 배터리팩의 수에 맞게 복수의 검사장치를 결합하여 사용함으로써 다셀 배터리팩을 관리하는 BMS의 정상 동작 여부를 확인할 수 있도록 하는 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 배터리셀(30)의 전압 상태를 관리하는 BMS(40)의 동작을 분석하는 기능 검사장치로서, 외부의 전원공급부(10)에서 공급되는 전원을 절연분리시키는 직류/직류 변환기(102)와; 상기 직류/직류 변환기(102)가 출력한 전원을 받아서 전압의 크기를 조절한 후, 포토커플러로 출력하는 레귤레이터(104)와; 상기 레귤레이터(104)가 출력한 전원을 출력단(Vout)으로 출력하는 포토커플러 발광부(106)와; 상기 포토커플러 발광부(106)가 빛을 내면 켜지는 포토커플러 스위치부(108)와; 상기 포토커플러 스위치부(108)가 켜지면 빛을 내는 엘이디(112)와; 상기 레귤레이터(104)의 신호 입력단에 병렬로 연결되는 제1저항(110), 제2저항(114), 제3저항(116)과; 상기 제2저항(114)에 연결되어 선택적으로 전류를 흐르게 하는 제1푸시스위치(120)와; 상기 제3저항(116)에 연결되어 선택적으로 전류를 흐르게 하는 제2푸시스위치(122);를 포함한다.
상기 제2푸시스위치(122)를 상기 BMS(40)에 포함된 IC의 지연시간 이상 누르면, 상기 BMS(40)가 셀 밸런싱 동작을 시작하고, 상기 셀 밸런싱 동작에 따라 외부로 흘러나가는 전류에 의해 상기 포토커플러 발광부(106)가 발광하고, 상기 포토커플러 스위치부(108)가 켜지면서 상기 엘이디(112)가 발광하는 것을 특징으로 한다.
상기 BMS(40)에 연결된 다수의 배터리셀(30)의 수와 대응되는 수의 검사장치(100)를 병렬로 연결하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 포토커플러와 엘이디, 저항, 푸시스위치 등으로 간단하고 저렴하게 BMS 검사장치를 구현할 수 있어서 장비 사용에 따른 비용 부담을 완화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 다셀 배터리팩의 관리시스템의 연결상태를 나타낸 블럭도.
도 2는 배터리팩의 전압 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 검사장치의 연결방식을 나타낸 블럭도.
도 4는 검사장치의 내부 구성을 나타낸 회로도.
도 5는 다셀 배터리팩에 대한 검사장치의 내부 구성을 나타낸 회로도.
도 6은 정상적인 충전상태에서 전원의 공급 흐름을 나타낸 회로도.
도 7은 과방전차단상태에서 전원의 공급 흐름을 나타낸 회로도.
도 8은 과충전차단상태에서 전원의 공급 흐름을 나타낸 회로도.
도 9는 셀 밸런싱이 실행 중인 상태에서 전원의 공급 흐름을 나타낸 회로도.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 "다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치"(이하, '검사장치'라 함)를 설명한다.
도 3은 본 발명의 검사장치의 연결방식을 나타낸 블럭도이며, 도 4는 검사장치의 내부 구성을 나타낸 회로도, 도 5는 다셀 배터리팩에 대한 검사장치의 내부 구성을 나타낸 회로도, 도 6은 정상적인 충전상태에서 전원의 공급 흐름을 나타낸 회로도, 도 7은 과방전차단상태에서 전원의 공급 흐름을 나타낸 회로도, 도 8은 과충전차단상태에서 전원의 공급 흐름을 나타낸 회로도, 도 9는 셀 밸런싱이 실행 중인 상태에서 전원의 공급 흐름을 나타낸 회로도이다.
본 발명의 검사장치(100)는 외부의 전원공급부(10)와 BMS(40)의 사이에 설치되어 각각의 상황에 맞는 시험용 전원을 BMS(40)에 공급함으로써 BMS(40)가 정상적으로 동작하고 있는지를 확인한다.
전원공급부(10)에서 공급되는 교류전원은 교류/직류 변환기(AC/DC Converter; 50)를 거치면서 적절한 크기의 전압을 가진 직류전원으로 변환된다. 변환된 직류전원은 검사장치(100)에 인가되고, 푸시스위치의 조작에 따라 적절한 크기의 전압이 출력되어 커넥터(60)를 거쳐서 BMS(40)에 전달된다. 커넥터(60)는 BMS(40)에 형성된 시험용 포인터와 대응되는 구조를 가지며, 시험용 포인터를 통해 가상적인 셀 전압을 공급한다.
도 4에는 검사장치의 내부 구성이 상세하게 나타나 있는데, 외부에서 공급되어 직류로 변환된 전원은 입력단(Vin)을 통해 직류/직류 변환기(DC/DC Converter; 102)에 입력된다. 직류/직류 변환기(102)는 절연분리를 위한 직류/직류 변환소자로서, 전원공급부(10)와는 전기적으로 분리된 직류전원이 기준전압의 변동에 따라 출력단 전압의 조정이 가능한 레귤레이터(104)에 공급되도록 한다.
출력단(Vout)을 통해 출력되는 기준전압은 레귤레이터(104)와 두 개의 푸시스위치(120, 122)에 의해 변화되며, 저항의 크기의 변화를 통해 출력 기준전압을 다양하게 변화시킬 수 있다.
레귤레이터(104)의 출력측에는 포토커플러가 설치된다. 포토커플러 발광부(106)는 출력단에 직렬로 연결되며, 포토커플러 스위치부(108)는 제1저항(110)을 거쳐서 엘이디(112)로 연결된다.
레귤레이터(104)에서 출력되는 전압을 조절하는 기준전압 구성부는 레귤레이터(104)의 신호 입력단에 연결된다. 기준전압 구성부는 세 개의 저항과 두 개의 푸시스위치로 구성된다.
레귤레이터(104)의 신호 입력단에는 제2저항(114)과 제3저항(116), 제4저항(118)이 병렬로 연결되며, 이 중에서 제3저항(116)과 제4저항(118)에는 제1푸시스위치(120)와 제2푸시스위치(122)가 직렬로 연결된다. 제1푸시스위치(120)와 제2푸시스위치(122)의 상태에 따라서 기준전압이 변하게 되고, 출력단을 통해 출력되어 BMS(40)로 전달되는 전압의 크기가 달라진다.
이와 같은 회로로 구성된 검사장치(100)를 이용하여 BMS(40)에 가상의 시험용 전원을 인가하고, 이때의 BMS(40)의 동작을 분석하여 정상적인 동작을 하고 있는지 확인한다.
또한 도 5에는 다셀 배터리팩을 관리하는 BMS(40)의 검사를 위한 회로도가 도시된다. 도 4에 도시된 검사장치(100)를 배터리셀의 수에 대응되는 만큼 병렬로 연결하고, 동시에 검사장치(100)를 구동시켜 다셀 배터리팩에 대한 검사를 수행할 수 있다.
만약 5개의 배터리셀(30)이 직렬로 연결된 BMS(40)라면, 단셀용 검사장치(100-1 ~ 100-N)를 5개 연결하여 사용할 수 있다.
BMS(40)의 배터리 전압입력부에 검사장치(100)의 출력단을 연결하고, 방전단 및 충전단 차단 신호부는 디지털멀티메터를 연결한 후 High나 Low 여부에 따라 정상상태 혹은 차단상태의 유무를 확인하면 된다. 또한 각각의 단셀 전압공급장치는 입력단에서 절연이 된 상태이므로 각각 독립적으로 사용이 가능하게 된다.
먼저 도 6은 검사장치(100)의 기본 회로에서 입력단(Vin)에 정상적인 상태의 전압이 인가되어 출력단(Vout)에서 정상적인 상태의 전압이 출력되고 있는 상태를 나타내고 있다. 출력단의 전압은 리튬 이차전지의 공칭전압인 3.7V를 출력하고 있는데, 출력단의 전압의 크기는 제2저항(114)의 조정을 통해 변화시킬 수 있다. 3.7V의 출력전압에 의해 배터리셀(30)은 정상적인 충전이 이루어진다.
도 7은 과방전전압보호에 해당하는 전압을 출력하기 위해 제1푸시스위치(120)를 누른 상태를 나타낸다. 제1푸시스위치(120)가 켜진 상태에서는 제3저항(116)을 통한 회로가 연결되면서 기준전압을 조정하는 부분의 저항이 제2저항(114)과 제3저항(116)의 합성저항의 형태로 인가된다. 따라서 출력단에는 리튬 이차전지의 과방전차단전압인 2.3V가 출력된다. 역시 과방전차단전압의 크기는 제3저항(116)의 조정을 통해 변화될 수 있다.
과방전차단전압은 배터리셀(30)이 완전 방전되는 것을 방지하기 위해 충전이 시작되는 시점을 결정하기 위한 것으로서, 과방전차단전압이 인가되면 BMS(40)가 배터리셀(30)의 사용을 중단시키고 충전이 시작되도록 제어한다.
또한 도 8은 과충전전압보호에 해당하는 전압을 출력하기 위해 제2푸시스위치(122)를 누른 상태를 나타낸다. 제1푸시스위치(120)를 끄고 제2푸시스위치(122)를 켜면, 기준전압을 조정하는 부분의 저항이 제2저항(114)과 제4저항(118)의 합성 저항의 형태가 된다. 이때 출력단에서는 리튬 이차전지의 과충전차단전압인 4.3V의 전압이 출력된다. 역시 과충전차단전압의 크기는 제4저항(118)의 조정을 통해 변화될 수 있다.
과충전차단전압이 감지되면, BMS(40)는 배터리셀(30)에 대한 충전을 중단시켜 배터리셀(30)을 보호한다.
마지막으로 도 9는 제2푸시스위치(122)를 상당한 시간동안 계속해서 눌러서 BMS(40)가 셀 밸런싱 동작을 시작하도록 하는 상태를 나타내고 있다.
제2푸시스위치(122)를 눌러서 과충전차단전압이 출력되면, BMS(40)는 배터리셀(30)의 충전을 중단하는데, 제2푸시스위치(122)를 1초 이상 누르면, BMS(40)에 포함된 IC의 지연시간이 흐른 후에 셀 밸런싱 동작이 개시된다. IC에 따라서 지연시간은 달라질 수 있다.
BMS(40)의 셀 밸런싱 동작에 의해 과충전된 배터리셀(30)로부터 수십 ㎃의 전류가 외부로 흘러나가게 된다. 이로 인해 포토커플러 발광부(106)에 충분한 전류가 흐르면서 포토커플러 스위치부(108)가 켜지게 된다. 그리고 엘이디(112)에 전류가 흐르면서 켜지게 된다. 엘이디(112)의 발광을 확인하면 BMS(40)가 정상적으로 동작하고 있는지를 확인할 수 있다.
만약 BMS(40)의 내부에 셀 밸런싱 회로가 없는 경우에는 BMS(40) 내부의 보호IC만 존재하는데, IC의 동작전류가 수 ㎂에 불과하기 때문에 포토커플러 발광부(106)로 전압은 인가되지만 포토커플러 스위치부(108)에 충분한 구동전류가 없어서 엘이디(112)는 켜지지 않는다. 즉, BMS(40)에 셀 밸런싱 회로가 있는 경우에만 전류의 인가로 인해 엘이디(112)가 발광하게 된다.
관리자는 순차적으로 제1푸시스위치(120)와 제2푸시스위치(122)를 누르면서 엘이디(112)의 발광 여부를 확인함으로써 BMS(40)의 정상적인 동작 상태를 확인할 수 있다.
그리고 BMS(40)에 구비된 과방전차단전압 출력부와 과충전차단전압 출력부에 각각 디지털 멀티메터(Digital Multi-Meter ; DMM)를 연결하여 BMS(40)가 실행하고 있는 보호동작의 상태를 검출할 수 있다. DMM을 대신하여 별도의 엘이디나 부저 등을 이용할 수도 있다.
이와 같은 간단하고 저렴한 회로를 이용하여 BMS(40)에 가상의 시험용 전압을 공급함으로써 실제 동작내용과 동일한 동작을 구현해볼 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 전원공급부 20 : 충전기
30 : 배터리셀 40 : BMS
50 : 교류/직류 변환기 60 : 커넥터
100 : 검사장치 102 : 직류/직류 변환기
104 : 레귤레이터 106 : 포토커플러 발광부
108 : 포토커플러 스위치부 110 : 제1저항
112 : 엘이디 114 : 제2저항
116 : 제3저항 118 : 제4저항
120 : 제1푸시스위치 122 : 제2푸시스위치

Claims (3)

  1. 배터리셀(30)의 전압 상태를 관리하는 BMS(40)의 동작을 분석하는 기능 검사장치로서,
    외부의 전원공급부(10)에서 공급되는 전원을 절연분리시키는 직류/직류 변환기(102)와;
    상기 직류/직류 변환기(102)가 출력한 전원을 받아서 전압의 크기를 조절한 후, 포토커플러로 출력하는 레귤레이터(104)와;
    상기 레귤레이터(104)가 출력한 전원을 출력단(Vout)으로 출력하는 포토커플러 발광부(106)와;
    상기 포토커플러 발광부(106)가 빛을 내면 켜지는 포토커플러 스위치부(108)와;
    상기 포토커플러 스위치부(108)가 켜지면 빛을 내는 엘이디(112)와;
    상기 레귤레이터(104)의 신호 입력단에 병렬로 연결되는 제1저항(110), 제2저항(114), 제3저항(116)과;
    상기 제2저항(114)에 연결되어 선택적으로 전류를 흐르게 하는 제1푸시스위치(120)와;
    상기 제3저항(116)에 연결되어 선택적으로 전류를 흐르게 하는 제2푸시스위치(122);를 포함하는, 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2푸시스위치(122)를 상기 BMS(40)에 포함된 IC의 지연시간 이상 누르면, 상기 BMS(40)가 셀 밸런싱 동작을 시작하고, 상기 셀 밸런싱 동작에 따라 외부로 흘러나가는 전류에 의해 상기 포토커플러 발광부(106)가 발광하고, 상기 포토커플러 스위치부(108)가 켜지면서 상기 엘이디(112)가 발광하는 것을 특징으로 하는, 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 BMS(40)에 연결된 다수의 배터리셀(30)의 수와 대응되는 수의 검사장치(100)를 병렬로 연결하여 사용하는 것을 특징으로 하는, 다셀 배터리 관리시스템의 기능 검사장치.
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