KR101863700B1 - 배터리 관리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 마스터부와, 복수의 슬레이브부를 포함하고, 마스터부와 복수의 슬레이브부는 각각 전원 공급을 위한 전원부와 데이터의 입출력을 위한 입출력부를 포함하며, 슬레이브부의 입출력부는 슬레이브부의 전원부로부터 전원을 공급받아 구동되는 배터리 관리 장치가 제시된다.

Description

배터리 관리 장치{Battery Management System}
본 발명은 배터리 관리 장치에 관한 것으로, 특히 마스터부 및 슬레이브부를 포함하는 배터리 관리 장치에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해 발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서, 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여 배터리 시스템(Battery system)에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차가 개발되고 있다.
전기 또는 하이브리드 자동차의 배터리 시스템은 복수의 셀이 직병렬 연결되어 에너지를 저장 및 제공하는 배터리를 포함할 수 있다. 그런데, 배터리 자체의 전기화학적 비선형성 및 불안정 특성으로 인해 배터리 과충방전이나 가혹한 운용 환경에서 배터리 셀의 손상으로 인한 폭발 위험성을 내재하고 있다. 따라서, 배터리의 관리 및 제어를 위한 알고리즘을 수행하는 배터리 관리 장치(Battery Management System: 이하 BMS라 함)를 이용하여 최적 충방전량, 부하 특성 모니터링 및 열관리 등을 통해 배터리의 안정성을 확보하고 있다.
또한, 배터리의 보다 효율적인 관리를 위하여 BMS를 하나의 마스터부(Master Unit)와 복수의 슬레이브부(Slave Unit)로 구성할 수 있다. 복수의 슬레이브부는 각 배터리 셀의 상태를 제어하고, 마스터부는 복수의 슬레이브부 및 전체 BMS를 제어함으로써 전체적인 배터리 관리와 부분적인 배터리 관리가 안정적으로 이루어질 수 있다.
이러한 슬레이브부는 적어도 일부가 마스터부로부터 공급되는 전원을 이용하여 구동한다. 즉, 슬레이브부는 배터리 셀 전압을 센싱하는 셀 전압 센싱부와, 셀 전압 센싱부로부터 센싱된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 ADC부를 포함하는데, ADC부는 마스터부로부터 공급되는 전원을 이용하여 구동된다. 이를 위해 슬레이브부 내에는 마스터부로부터 공급되는 전원을 슬레이브부의 구동을 위한 전압으로 변환하는 변압기와, 변압기의 출력 전압을 레귤레이션하는 레귤레이터 등의 부품이 필요하게 된다. 또한, ADC부로부터 생성된 디지털 신호를 마스터부로 전달하기 위해 절연 소자 등이 필요하게 된다.
이렇게 슬레이브부 내에 ADC부를 마련하고 이를 구동하기 위한 전원을 마스터부로부터 공급받기 위해 복수의 부품이 필요하게 되고, 그에 따른 원가 증가의 문제가 있다.
한국특허공개 제2014-0140355호
본 발명은 적어도 하나의 마스터부와 복수의 슬레이브부를 포함하는 배터리 관리 장치를 제공한다.
본 발명은 슬레이브부의 구성 부품의 수를 줄여 생산 원가를 줄일 수 있는 배터리 관리 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리 관리 장치는 적어도 하나의 마스터부와, 복수의 슬레이브부를 포함하고, 상기 마스터부와 상기 복수의 슬레이브부는 각각 전원 공급을 위한 전원부와 데이터의 입출력을 위한 입출력부를 포함하며, 상기 슬레이브부의 입출력부는 상기 슬레이브부의 상기 전원부로부터 전원을 공급받아 구동된다.
상기 마스터부의 입출력부와 상기 슬레이브부의 입출력 사이에 마련된 캐패시터를 더 포함한다.
상기 캐패시터는 입출력부 사이의 전송 라인에 마련된다.
상기 캐패시터는 상기 마스터부의 입출력부 내부 및 상기 슬레이브부의 입출력부 내부의 적어도 어느 하나에 마련된다.
상기 마스터부는, 상기 복수의 슬레이브부를 제어하기 위한 제어 신호를 발생시키고 상기 복수의 슬레이브부로부터 배터리 상태 데이터를 입력하여 배터리의 상태를 관리하는 마스터 제어부를 포함한다.
상기 슬레이브부는 상기 마스터부의 제어 신호에 따라 슬레이브부를 제어하기 위한 슬레이브 제어부와, 상기 배터리의 전압 및 전류를 각각 측정하기 위한 전압 및 전류 센싱부를 더 포함한다.
상기 슬레이브부의 입출력부는 상기 마스터부로부터의 제어 신호를 입력하고 상기 배터리의 전압 및 전류를 상기 마스터부로 출력한다.
상기 슬레이브부의 입출력부는 AISC으로 구현된다.
상기 슬레이브부의 전원부는 상기 마스터 제어부의 상기 제어 신호에 따라 구동된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 BMS는 적어도 하나의 마스터부와 복수의 슬레이브부를 포함하며, 슬레이브부 내부의 슬레이브부와 마스터부 사이의 데이터 입출력을 위한 입출력부를 주문형 반도체를 이용하여 단일 모듈로 구현하고, 이를 슬레이브부 내부 전원을 이용하여 동작시킬 수 있다. 따라서, 슬레이브부를 구성하는 부품의 종래보다 수를 줄일 수 있어 제작 원가를 절감할 수 있고, 슬레이브부 및 BMS의 사이즈를 줄일 수 있다.
도 1은 배터리 및 BMS와 그 주변 장치의 예를 설명하기 위한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 BMS의 구성을 설명하기 위한 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 BMS의 구동 방법을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
1. BMS 및 주변 장치의 예
도 1은 배터리 및 BMS와 그 주변 장치의 예시도로서, 전기 자동차의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 전기 에너지를 제공하는 배터리(10)와, 배터리(10)를 관리하는 BMS(20)와, 전기 자동차의 상태를 제어하는 ECU(30)와, 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 하는 인버터(40)와, 전기 자동차를 구동하는 모터(50)를 포함할 수 있다.
배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 자동차를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(10)는 모터(50) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 충전되거나 방전될 수 있다. 여기서, 배터리(10)는 적어도 하나의 배터리 팩을 포함할 수 있고, 적어도 하나의 패터리 팩은 각각 복수의 배터리 모듈(11)을 포함할 수 있으며, 배터리 모듈(11)은 충방전 가능한 복수의 배터리 셀 포함할 수 있다. 복수의 배터리 모듈(11)은 차량이나 배터리 팩 등의 스펙(specification)에 부합되도록 다양한 방법으로 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있고, 복수의 배터리 셀 또한 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 여기서, 배터리 셀의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리한다. 이러한 BMS(20)는 적어도 하나의 마스터부(21)과 복수의 슬레이브부(22)를 포함할 수 있다. 복수의 슬레이브부(22)는 예를 들어 복수의 배터리 모듈 별로 마련되어 배터리 모듈 내의 복수의 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등을 센싱할 수 있으며, 마스터부(21)는 슬레이브부(22)로부터 이들 데이터를 전달받아 배터리의 충전 상태(State of Charge; SOC) 및 수명(State of Health; SOH)을 추정할 수 있다. 또한, 슬레이브부(22)는 마스터부(21)의 제어에 따라 배터리 셀을 충전 또는 방전시킬 수 있고, 복수의 배터리 셀의 충전 상태의 균형을 맞추기 위한 셀 밸런싱을 제어할 수 있다. 즉, 충전 상태가 비교적 높은 배터리 셀은 방전시키고 충전 상태가 비교적 낮은 배터리 셀은 충전시킬 수 있다.
ECU(engine controller unit; 30)는 전기 자동차의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 전달받은 배터리(10)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 한다. 예를 들어, BMS(20)로부터 전달된 SOC가 55% 이하이면 인버터(40)의 스위치를 제어하여 전력이 배터리(10) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(10)를 충전시키고, SOC가 55% 이상이면 인버터(40)의 스위치를 제어하여 전력이 모터(50) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(10)를 방전시킨다.
인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 전기 자동차의 주행이 가능하도록 모터(50)를 구동시킨다.
모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 자동차(1)를 구동한다.
2. 실시 예에 따른 BMS 의 구성
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 BMS의 마스터부 및 슬레이브부의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
2.1. 마스터부의 구성
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마스터부(21)는 전원을 제공하는 전원부(110)와, 복수의 슬레이브부(22)을 각각 제어하고 배터리 전체의 충전 상태를 관리하기 위한 마스터 제어부(120)와, 복수의 슬레이브부(22)와 데이터를 입출력하기 위한 입출력부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 마스터 기능과 관련된 데이터를 저장하는 저장부(미도시)와, 배터리 팩의 충방전 전류를 센싱하는 전류 센싱부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
전원부(110)는 마스터부(21) 내에 마련되어 마스터부(21)를 구성하는 구성 요소에 전원을 제공한다. 이러한 전원부(110)는 배터리(10)로부터 소정의 전원을 입력받을 수 있다. 또한, 마스터부(21)를 구성하는 마스터 제어부(120), 입출력부(130), 저장부 및 전류 센싱부는 적어도 어느 하나가 구동 전원이 다를 수 있는데, 전원부(110)는 배터리(10)의 전원을 이용하여 마스터부(21) 내의 각 구성 요소의 구동을 위한 전위가 다른 적어도 하나 이상의 전원을 생성할 수 있다.
마스터 제어부(120)는 복수의 슬레이브부(22)의 구동을 제어하고, 배터리 전체의 충전 상태를 관리한다. 즉, 마스터 제어부(120)는 입출력부(130)를 통해 제어 신호를 복수의 슬레이브부(22)에 공급하여 복수의 슬레이브부(22)의 온/오프를 제어할 수 있다. 또한, 마스터 제어부(120)는 복수의 슬레이브부(22)로부터 입출력부(130)를 통해 입력되는 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전류 및 전압 등의 데이터를 이용하여 배터리의 SOC 및 SOH 등을 추정할 수 있다. 이러한 배터리의 SOC 및 SOH를 추정하기 위해 마스터 제어부(120) 내에서는 SOC 추정부(미도시) 및 SOH 추정부(미도시)가 각각 마련될 수 있다. SOH 추정부는 배터리(10)의 퇴화 정도를 예측하기 위해 배터리(10)의 용량(Capacity)을 추정한다. 이때, 추정된 배터리(10)의 용량은 SOC 추정부에서 배터리(10)의 SOC 추정 시 이용될 수 있다. 여기서, 배터리(10)의 용량 추정은 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 배터리의 용량은 배터리의 내부 저항 변화를 통해 추정 가능하므로 배터리의 전류 및 전압을 측정하여 옴의 법칙을 이용해 배터리의 내부 저항을 간접적으로 계산할 수 있다. 즉, 슬레이브(22)로부터 입력되는 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전류 및 전압 데이터를 이용하여 배터리의 용량을 추정할 수 있다. 그리고 그 외 다양한 SOH 추정 알고리즘을 이용하여 배터리 용량을 계산할 수도 있다. 또한, SOC 추정부는 SOH 추정부로부터 추정된 배터리(10)의 용량과 슬레이브부(22)로부터 측정된 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전류를 이용하여 배터리(10)의 SOC를 추정할 수 있다. 예를 들어, SOC 추정부는 슬레이브부(22)로부터 측정된 소정 시간 동안의 전류값을 적산하고, 이를 SOH 추정부로부터 추정된 배터리 용량(Capacity)으로 나눠 배터리(10)의 SOC를 추정할 수 있다.
입출력부(130)는 마스터부(21)와 슬레이브부(22) 사이의 데이터 입출력을 위해 마스터부(21) 내에 마련된다. 즉, 입출력부(130)는 마스터 제어부(120)로부터 출력되는 신호를 입력하여 복수의 슬레이브부(22)로 전달하며, 복수의 슬레이브부(22)로부터 전송되는 데이터를 입력하여 마스터 제어부(120)에 전달한다. 이러한 입출력부(130)는 출력부(131) 및 입력부(132)를 포함할 수 있는데, 출력부(131)는 마스터 제어부(120)로부터 출력되는 신호를 복수의 슬레이브부(22)로 출력하고, 입력부(132)는 복수의 슬레이브부(22)로부터 출력되는 데이터를 입력한다. 입력부(132)에 입력된 복수의 슬레이브부(22)로부터 출력되는 데이터는 마스터 제어부(120)에 전달된다. 또한, 입출력부(130) 내에는 데이터의 임시 저장을 위한 버퍼부(미도시)가 마련될 수 있다. 즉, 버퍼부는 복수의 슬레이브부(22)로부터 입력부(132)에 입력되는 데이터를 임시 저장한 후 입력되는 순서대로 마스터 제어부(120)에 전달할 수 있다.
2.2. 슬레이브부의 구성
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 슬레이브부(22)는 도 2에 도시된 바와 같이 슬레이브부(22)의 구성 요소에 전원을 공급하는 전원부(210)와, 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압을 측정하는 전압 센싱부(220)와, 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전류를 측정하는 전류 센싱부(230)와, 슬레이브부(22)를 구성하는 구성 요소를 제어하는 슬레이브 제어부(240), 배터리 셀 각각에 대한 셀 간 전압 차이를 줄이는 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱부(250)와, 마스터부(21)와 데이터를 입출력하기 위한 입출력부(260)를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센싱부(미도시)와, 슬레이브 기능과 관련된 데이터를 저장하는 저장부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
전원부(210)는 슬레이브부(22) 내에 마련되어 슬레이브부(22)를 구성하는 구성 요소에 전원을 제공한다. 이러한 전원부(210)는 배터리(10)로부터 소정의 전원을 입력받을 수 있다. 또한, 전원부(210)는 배터리(10)로부터 소정의 전원을 입력받아 이를 슬레이브부(22) 내의 각 구성 요소의 구동을 위한 전원을 생성할 수 있다. 즉, 전압 센싱부(220), 전류 센싱부(230), 슬레이브 제어부(240), 셀 밸런싱부(250), 입출력부(260), 온도 센싱부 및 저장부는 적어도 어느 하나가 구동 전원이 다를 수 있는데, 전원부(210)는 배터리(10)의 전원을 이용하여 이들의 구동을 위한 전위가 다른 적어도 하나 이상의 전원을 생성할 수 있다. 이러한 전원부(210)는 마스터부(21)로부터 공급되는 제어 신호에 따라 구동되어 슬레이브부(22)에 전원을 공급할 수 있다. 즉, 마스터부(21)로부터의 제어 신호가 입출력부(260)를 통해 전원부(210)에 공급되어 전원부(210)를 구동시켜 슬레이브부(22)에 전원을 공급할 수도 있다.
전압 센싱부(220)는 적어도 하나의 전압 센서를 포함하며, 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압을 센싱할 수 있다. 즉, 전압 센싱부(220)는 배터리 모듈로부터 출력되는 전압을 센싱할 수 있으며, 배터리 셀으로부터 출력되는 전압을 센싱할 수 있다. 예를 들어, 전압 센싱부(220)는 배터리 모듈에 적어도 하나 마련되어 배터리 모듈의 전압을 센싱할 수 있고, 복수의 배터리 셀에 각각 마련되어 배터리 셀 각각의 전압을 센싱할 수 있다. 또한, 전압 센싱부(220)는 슬레이브부(22)가 인에이블된 후 배터리 모듈 또는 배터리 셀로부터 소정 시간 후 안정화된 전압을 측정할 수 있다. 한편, 전압 센싱부(220)는 전원부(210)로부터 공급되는 소정의 전원에 따라 구동하며, 전압 센싱부(220)에 의해 측정된 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압은 슬레이브 제어부(240)의 제어에 따라 입출력부(260)를 통해 마스터부(21)로 전달될 수 있다.
전류 센싱부(230)는 적어도 하나의 전류 센서를 포함하며, 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전류를 센싱할 수 있다. 즉, 전류 센싱부(230)는 배터리 모듈에 적어도 하나 마련되어 배터리 모듈의 전류를 센싱할 수 있고, 복수의 배터리 셀에 각각 마련되어 배터리 셀 각각의 전류를 센싱할 수 있다. 이러한 전류 센싱부(230)는 예를 들어 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하고 측정된 전류에 대응되는 신호를 출력하는 Hall CT(Hall current transformer)를 포함할 수 있다. 한편, 전류 센싱부(230)는 전원부(210)로부터 공급되는 소정의 전원에 따라 구동하며, 전류 센싱부(230)에 의해 측정된 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압은 슬레이브 제어부(240)의 제어에 따라 입출력부(260)를 통해 마스터부(21)로 전달될 수 있다.
슬레이브 제어부(240)는 슬레이브부(22)를 구성하는 구성 요소들을 제어 및 관리한다. 즉, 슬레이브 제어부(240)는 마스터부(21)로부터 공급되는 제어 신호에 따라 전원부(210)를 구동시켜 슬레이브부(22)를 인에이블시키고, 전압 센싱부(220) 및 전류 센싱부(230)로부터 측정된 전압 및 전류를 입출력부(260)를 통해 마스터부(21)에 공급하도록 한다. 또한, 슬레이브 제어부(240)는 셀 밸런싱부(250)를 제어하여 해당 셀을 밸런싱하도록 한다.
셀 밸런싱부(250)는 슬레이브 제어부(240)의 제어에 따라 선택된 적어도 하나의 배터리 셀에 대해 셀 밸런싱을 수행한다. 즉, 슬레이브 제어부(250)의 제어에 따라 소정 배터리 셀의 전압이 평균 전압보다 높거나 낮을 경우 해당 배터리 셀의 밸런싱을 수행한다. 이러한 셀 밸런싱부(250)는 예를 들어 각 배터리 셀의 양단 간에 스위치와 부하 저항이 직렬로 연결되어 구성될 수 있다. 따라서, 슬레이브 제어부(240)의 제어 신호에 따라 스위치가 온오프되어 부하 저항을 통해 배터리 셀에 충전된 전압을 방전시킬 수 있다.
입출력부(260)는 슬레이브 제어부(240)의 제어에 따라 전압 센싱부(220) 및 전류 센싱부(230)로부터 측정된 전압 및 전류를 마스터부(21)로 전달하고, 마스터부(21)로부터 출력되는 신호를 입력하여 슬레이브 제어부(240)에 전달한다. 이러한 입출력부(260)는 전압 센싱부(220) 및 전류 센싱부(230)와 연결되어 이들로부터 아날로그 데이터를 입력받아 디지털 데이터로 변환시키는 변환부(261)와, 변환부(261)에 의해 변환된 디지털 데이터를 마스터부(21)로 출력하는 출력부(262)와, 마스터부(21)로부터 출력되는 데이터를 입력하여 슬레이브 제어부(240)로 전달하는 입력부(263)를 포함할 수 있다. 또한, 입출력부(260) 내에는 데이터의 임시 저장을 위한 버퍼부(미도시)가 마련될 수 있다. 즉, 버퍼부는 슬레이브 제어부(240)에 의해 입력되는 전류 및 전압 데이터를 임시 저장한 후 입력되는 순서대로 변환부(261) 및 출력부(262)를 통해 마스터부(22)로 전달될 수 있다. 한편, 본 발명의 입출력부(260)는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit; ASIC)로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 입출력부(260)는 주문형 반도체를 이용하여 단일 모듈로 구현할 수 있고 슬레이브부(22) 내부의 전원에 의해 구동되므로 마스터부(21)로부터 전원을 공급받고 이를 변환하기 위해 ADC부, 변압기, 레귤레이터 등이 필요한 종래에 비해 부품의 수 및 면적을 줄일 수 있다.
한편, 마스터부(21)의 입출력부(130)와 슬레이브부(22)의 입출력부(260)는 전송 라인을 통해 연결되어 데이터를 송수신할 수 있는데, 이러한 전송 라인에 캐패시터(C)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 입출력(130)의 출력부(131)와 입출력부(260)의 입력부(263)가 전송 라인으로 연결될 수 있고, 전송 라인과 접지 단자 사이에 캐패시터(C)가 연결될 수 있다. 전송 라인에 캐패시터(C)가 마련됨으로써 외부로부터 입력되는 직류 성분의 노이즈, 예를 들어 서지(surge) 등의 노이즈가 BMS(20)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 캐패시터(C)의 충전 용량 또는 연결되는 개수는 다양하게 변경할 수 있다. 즉, 캐패시터(C)는 입출력부(130, 260) 사이의 전송 라인에 마련되는 경우를 예시하였으나, 캐패시터(C)는 입출력부(130, 260)의 적어도 어느 하나의 내부에 마련될 수도 있다.
또한, 본 발명의 BMS(20)는 마스터부(21) 또는 슬레이브부(22) 내에 배터리(10)의 충방전 및 온도를 제어하는 온도 및 릴레이 제어부(미도시)가 마련될 수 있다. 즉, 온도 및 릴레이 제어부는 마스터부(21) 내에 마련될 수 있고, 슬레이브부(22) 내에 마련될 수도 있다. 예를 들어, 온도 및 릴레이 제어부는 슬레이브 제어부(240)의 제어에 따라 구동되어 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 온도 및 충방전을 제어할 수 있다. 즉, 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 온도를 제어하기 위해 슬레이브 제어부(240)의 제어에 따라 팬(fan)을 제어하고, 과충전, 과방전, 과전류 방지 및 온도 보호를 위해 충전 또는 방전시 릴레이(relay)를 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따는 BMS(20)는 적어도 하나의 마스터부(21)와 복수의 슬레이브부(22)를 포함하고, 슬레이브부(22) 내부의 입출력부(260)는 변환부(261), 출력부(262) 및 입력부(263)를 포함하여 주문형 반도체의 단일 모듈로 구현할 수 있다. 또한, 입출력부(260)는 슬레이브부(22) 내부의 전원부(210)에 의해 구동될 수 있다. 따라서, 슬레이브부(22)를 구성하는 부품의 수를 줄일 수 있어 제작 원가를 절감할 수 있고, 면적을 축소시킬 수 있다. 즉, 종래의 슬레이브부는 데이터 전달을 위해 ADC부가 필요하고, 마스터부의 전원을 이용하여 ADC부를 구동시키기 때문에 변압기, 레귤레이터 등의 부품이 필요하였지만, 본 발명은 이러한 부품의 수를 줄일 수 있다.
3. 실시 예에 따른 BMS 의 구동 방법
이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 BMS의 구동 방법을 도 3을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
마스터부(21)의 마스터 제어부(110)로부터 제어 신호가 복수의 슬레이브부(22)로 공급된다(S110). 이때, 마스터 제어부(110)로부터의 제어 신호는 마스터부(21)의 입출력부(130) 및 슬레이브부(22)의 입출력부(260)를 통해 슬레이브부(22)의 전원부(210)로 공급된다.
슬레이브부(22)의 전원부(210)는 마스터 제어부(110)로부터의 제어 신호에 따라 인에이블되어 슬레이브부(22)를 구성하는 구성 요소에 전원이 공급되도록 함으로써 슬레이브부(22)를 인에이블시킨다(S120).
슬레이브부(22)의 전압 센싱부(220), 전류 센싱부(230), 온도 센싱부(미도시) 등은 전원부(210)로부터 공급되는 전원에 따라 구동되어 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도 등의 상태를 센싱한다(S130). 한편, 슬레이브 제어부(240)의 제어에 따라 선택된 적어도 하나의 배터리 셀에 대해 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 즉, 슬레이브 제어부(240)의 제어에 따라 셀 밸런싱부(250)가 평균 전압보다 높거나 낮은 배터리 셀의 밸런싱을 수행한다. 이때, 평균 전압보다 높은 배터리 셀은 방전시키고 평균 전압보다 낮은 배터리 셀은 충전시켜 셀 밸런싱을 수행한다.
배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도 등의 데이터는 슬레이부부(22)의 입출력부(260)에 전달된다. 이때, 배터리 상태 데이터, 즉 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 전압, 전류 및 온도 등의 데이터는 아날로그 데이터이므로 입출력부(260)의 변환부(261)가 이를 디지털 신호로 변환시킨 후 출력부(262)를 통해 마스터부(21)로 전달한다(S140). 한편, 마스터부(21)의 입출력부(130)와 슬레이브부(22)의 입출력부(260) 사이의 전송 라인에는 캐패시터(C)가 마련되어 외부로부터의 DC 성분의 노이즈, 예를 들어 서지를 방지할 수 있다.
입출력부(260)를 통해 입력받은 슬레이브부(22)의 데이터를 마스터 제어부(120)가 입력하여 배터리의 SOH 및 SOC 등을 추정한다(S150). SOH는 다양한 방법으로 수행될 수 있는데, 예를 들어 배터리의 내부 저항 변화를 통해 추정 가능하므로 배터리의 전류 및 전압을 측정하여 옴의 법칙을 이용해 배터리의 내부 저항을 간접적으로 계산할 수 있다. 또한, SOC는 슬레이브부로부터 측정된 소정 시간 동안의 전류값을 적산하고, 이를 추정된 배터리 용량으로 나눠 추정할 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
21 : 마스터부 22 : 슬레이브부
110 : 전원부 120 : 마스터 제어부
130 : 입출력부 210 : 전원부
220 : 전압 센싱부 230 : 전류 센싱부
240 : 슬레이브 제어부 250 : 셀 밸런싱부
260 : 입출력부

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 마스터부와, 복수의 슬레이브부를 포함하고,
    상기 마스터부와 상기 복수의 슬레이브부는 각각 전원 공급을 위한 전원부와 데이터의 입출력을 위한 입출력부를 포함하며,
    상기 슬레이브부의 상기 입출력부는 센싱부와 연결되어 아날로그 데이터를 입력받아 디지털 데이터로 변환시키는 변환부와, 상기 변환부에 의해 변환된 디지털 데이터를 상기 마스터부로 출력하는 출력부와, 상기 마스터부로부터 출력되는 데이터를 입력하여 슬레이브 제어부로 전달하는 입력부를 포함하고,
    상기 입출력부의 상기 변환부, 상기 출력부 및 상기 입력부는 주문형 반도체(ASIC)의 단일 모듈로 구성되며,
    상기 슬레이브부의 입출력부는 상기 슬레이브부의 상기 전원부로부터 전원을 공급받아 구동되는 배터리 관리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 마스터부의 입출력부와 상기 슬레이브부의 입출력 사이에 마련된 캐패시터를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 캐패시터는 입출력부 사이의 전송 라인에 마련되는 배터리 관리 장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 캐패시터는 상기 마스터부의 입출력부 내부 및 상기 슬레이브부의 입출력부 내부의 적어도 어느 하나에 마련되는 배터리 관리 장치.
  5. 청구항 1 내지 4중 어느 한 항에 있어서, 상기 마스터부는,
    상기 복수의 슬레이브부를 제어하기 위한 제어 신호를 발생시키고 상기 복수의 슬레이브부로부터 배터리 상태 데이터를 입력하여 배터리의 상태를 관리하는 마스터 제어부를 포함하는 배터리 관리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 슬레이브부는
    상기 마스터부의 제어 신호에 따라 슬레이브부를 제어하기 위한 슬레이브 제어부와,
    상기 배터리의 전압 및 전류를 각각 측정하기 위한 전압 및 전류 센싱부를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 슬레이브부의 입출력부는 상기 마스터부로부터의 제어 신호를 입력하고 상기 배터리의 전압 및 전류를 상기 마스터부로 출력하는 배터리 관리 장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 슬레이브부의 전원부는 상기 마스터 제어부의 상기 제어 신호에 따라 구동되는 배터리 관리 장치.
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