KR101887441B1 - 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치는, 복수의 배터리 셀의 셀 전압을 측정하고, 상기 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하여 배터리 셀의 과충전 여부를 검출하고, 과충전 상태로 확인되면 과충전 신호를 출력하는 과충전 검출부; 상기 출력된 과충전 신호를 입력받아 논리 연산을 통해 하나 이상의 배터리 셀에서 과충전이 검출되면 출력을 활성화시키는 논리 연산부; 상기 활성화된 출력에 따라 구비된 래치를 활성화하거나 해제하고, 차량의 시동 신호에 따라 구비된 래치를 리셋시키는 래치 및 리셋부; 및 상기 래치의 활성화 또는 비활성화에 따라 릴레이 구동용 전원을 차단하거나 공급하는 전원 공급부를 포함한다.

Description

배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROTECTING OVER CHARGING OF BATTERY CELL}
본 발명은 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 셀로 이루어진 배터리 팩에서 배터리 관리 시스템의 제어부(Micom)의 동작 여부에 관계없이 과충전 여부를 확인하여 배터리 셀의 충전을 강제로 구동시킬 수 있는, 배터리 셀의 과충전 보호 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 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.
도 1은 일반적인 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 차량용 배터리 관리 시스템(100)은 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩(10), 차량 전자 장치(20) 및 배터리 제어장치(30)를 포함한다.
배터리 팩(10)은 복수의 배터리 모듈(11, 12)을 포함하며, 배터리 모듈(11, 12)은 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 팩(10)은 충전된 고전압 직류 전력을 모터 등의 차량 전자 장치(20)에 공급한다.
배터리 제어장치(30)는 복수의 MCU(31, 32)와 상기 MCU를 제어하는 BCU(33)를 포함할 수 있다. 배터리 제어장치(30)는 배터리 팩과 연결되어 배터리 팩(10)의 충방전 상태를 모니터링하고, 배터리 팩(10)의 충방전 동작을 제어한다.
이때, 복수의 배터리 셀을 결합한 배터리 관리 시스템에서는 구조적 차이에 기인한 배터리 셀 간의 전압 편차가 필연적으로 발생하게 된다. 이와 같은 전압편차는 배터리 열화의 원인으로 작용할 수 있다.
따라서, 배터리 전력을 이용한 시스템 운용 중이나 배터리 셀의 충방전시 각 셀의 전압을 균등하게 유지하는 배터리 셀의 밸런싱 동작은 배터리 관리 시스템의 매우 중요한 요소가 된다.
이에 배터리 팩의 각 셀(Cell) 전압을 측정하여 기준 전압 이상이 되면 배터리 제어장치(30)에서 경고(Alarm) 메시지나 고장(Trip) 메시지를 자동차 컨트롤러 측으로 전송하여 충전을 중단하도록 하고 있다.
그러나 상기 방법은 소프트웨어적인 방법이므로 차량의 통신이 문제가 있거나 셀(Cell) 전압을 잘못 측정하게 되는 경우가 발생할 수 있다. 이때, 이러한 배터리 셀의 밸런싱 동작을 제어하는 배터리 제어장치(30)가 고장인 경우, 배터리 팩이 과충전되어 부풀어지거나 폭발하는 등의 위험한 상태가 될 수 있다. 즉, 배터리 관리 시스템(BMS)의 고장 또는 오동작의 경우에 배터리가 과충전되어 폭발할 수 있게 되는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0072281호
본 발명의 실시 예들은 복수의 셀로 이루어진 배터리 팩에서 배터리 관리 시스템의 제어부(Micom)의 동작 여부에 관계없이 과충전 여부를 확인하여 배터리 셀의 충전을 강제로 구동시킬 수 있는, 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 복수의 배터리 셀의 셀 전압을 측정하고, 상기 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하여 배터리 셀의 과충전 여부를 검출하고, 과충전 상태로 확인되면 과충전 신호를 출력하는 과충전 검출부; 상기 출력된 과충전 신호를 입력받아 논리 연산을 통해 하나 이상의 배터리 셀에서 과충전이 검출되면 출력을 활성화시키는 논리 연산부; 상기 활성화된 출력에 따라 구비된 래치를 활성화하거나 해제하고, 차량의 시동 신호에 따라 구비된 래치를 리셋시키는 래치 및 리셋부; 및 상기 래치의 활성화 또는 비활성화에 따라 릴레이 구동용 전원을 차단하거나 공급하는 전원 공급부를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치가 제공될 수 있다.
상기 과충전 검출부는, 서로 연결된 제1 및 제2 분배저항을 포함하고, 배터리 셀의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결된 분배저항부; 배터리 셀 단위로 셀 전압을 측정하기 위해, 제1 및 제2 분배저항의 분배 저항비를 이용하여 셀 전압을 측정하고, 상기 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하고, 상기 측정된 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전 상태로 검출하고 상기 측정된 셀 전압이 기준 전압 이하이면 정상 상태로 검출하는 전압 검출부; 및 과충전 상태로 확인되면 과충전 신호를 출력하는 신호 출력부를 포함하고, 상기 셀 전압이 기설정된 기준 전압을 초과하는 경우, 전압 검출부의 출력이 활성화될 수 있다.
상기 논리 연산부는, 구비된 논리합 게이트를 통해 상기 출력된 과충전 신호를 입력받고, 상기 논리합 게이트의 논리 연산을 통해 하나 이상의 배터리 셀에서 과충전이 검출되면 출력을 활성화시킬 수 있다.
상기 래치 및 리셋부는, 상기 논리 연산부의 출력을 입력받는 래치를 구비하고, 상기 래치의 출력을 상기 전원 공급부의 스위칭 소자로 출력할 수 있다.
상기 래치 및 리셋부는, 배터리 셀의 셀 전압이 기설정된 기준 전압 이하가 되더라도 상기 래치에 의해서 전압 공급을 차단 상태로 유지할 수 있다.
상기 래치 및 리셋부는, 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되면 초기화될 수 있다.
상기 전원 공급부는 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고 과충전 상태가 해제되면 릴레이 구동용 전압의 공급을 재개하거나, 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고 과충전 상태가 유지되면 릴레이 구동용 전압의 차단을 유지할 수 있다.
상기 전원 공급부는 릴레이 구동용 전압 공급을 차단한 경우, 배터리 셀의 셀 전압이 기설정된 기준 전압 이하가 되더라도 릴레이 구동용 전압 공급을 차단할 수 있다.
상기 전원 공급부는, 차량에 구비된 충전기 및 부하의 연결을 끊어서 상기 배터리 셀의 충전을 중단시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 측면에 따르면, 복수의 배터리 셀의 셀 전압을 측정하고, 상기 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하여 배터리 셀의 과충전 여부를 검출하고, 과충전 상태로 확인되면 과충전 신호를 출력하는 단계; 상기 출력된 과충전 신호를 입력받아 논리 연산을 통해 하나 이상의 배터리 셀에서 과충전이 검출되면 출력을 활성화시키는 단계; 상기 활성화된 출력에 따라 구비된 래치를 활성화하는 단계; 및 상기 래치의 활성화에 따라 릴레이 구동용 전원을 차단하는 단계를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법이 제공될 수 있다.
상기 배터리 셀의 과충전 보호 방법은, 차량의 시동 신호에 따라 구비된 래치를 리셋시키는 단계를 더 포함할 수 있다
상기 배터리 셀의 과충전 보호 방법은, 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고 과충전 상태가 해제되면 릴레이 구동용 전압의 공급을 재개하거나, 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고 과충전 상태가 유지되면 릴레이 구동용 전압의 차단을 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 복수의 셀로 이루어진 배터리 팩에서 배터리 관리 시스템의 제어부(Micom)의 동작 여부에 관계없이 과충전 여부를 확인하여 배터리 셀의 충전을 강제로 구동시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치에서의 과충전 검출부의 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치에서의 전압 공급부의 상세 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 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 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 과충전 검출부(210), 논리 연산부(220), 래치 및 리셋부(230) 및 전원 공급부(240)를 포함한다.
이하, 도 2의 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
과충전 검출부(210)는 복수의 배터리 셀의 셀 전압을 측정하고, 그 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하여 배터리 셀의 과충전 여부를 검출한다. 이때, 과충전 검출부(210)는 배티러 셀이 과충전 상태로 확인되면 과충전 신호를 출력한다. 배터리 관리 시스템은 일반적으로 셀 밸런싱 기능을 가지므로, 과충전 검출부(210)가 일부 배터리 셀에만 연결되어 배터리 전체의 과충전 여부를 판단하여도 오차는 미미할 수 있다.
과충전 검출부(210)는 배터리 셀의 전압이 기준 전압 이상인 경우, 배터리 셀의 과충전 여부를 검출할 수 있다. 기준 전압은 배터리 셀이 과충전으로 판단되는 전압을 의미한다. 상기 과충전 기준 전압은 배터리 셀의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 과충전 기준 전압은 4.6 V를 의미할 수 있다.
논리 연산부(220)는 과충전 검출부(210)에서 출력된 과충전 신호를 입력받아 논리 연산(예컨대, 논리합 등)을 통해 하나 이상의 배터리 셀에서 과충전이 검출되면 출력을 활성화시킨다.
래치 및 리셋부(230)는 논리 연산부(220)에서 활성화된 출력에 따라 구비된 래치를 활성화하거나 해제한다. 또한, 래치 및 리셋부(230)는 래치의 초기화를 위해 차량의 시동 신호를 입력받고, 그 입력된 시동 신호에 따라 구비된 래치를 리셋시킨다.
전원 공급부(240)는 래치 및 리셋부(230)로부터 래치의 활성화 또는 비활성화 신호를 입력받고 그 입력된 활성화 또는 비활성화에 따라 릴레이 구동용 전원을 차단하거나 공급한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치에서의 과충전 검출부의 상세 구성도이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 실시 예에 따른 과충전 보호 장치(200)에서의 과충전 검출부(210)는 분배저항부(211), 전압 검출부(212) 및 신호 출력부를 포함한다. 여기서, 신호 출력부는 제1 스위치(213), 포토모스 릴레이(214)를 포함한다.
이하, 도 3의 본 발명의 실시 예에 따른 과충전 보호 장치(200)에서의 과충전 검출부(210)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
분배저항부(211)는 제1 및 제2 분배저항(R1 및 R2)을 포함한다. 제1 및 제2 분배저항(R1 및 R2)은 서로 직렬로 연결되고, 배터리 셀의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결된다.
전압 검출부(212)는 배터리 셀 단위로 셀 전압을 측정하기 위해, 제1 및 제2 분배저항(R1 및 R2)의 분배 저항비를 이용하여 셀 전압을 측정하고, 그 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하여 비교 결과에 따라 배터리 셀의 상태를 과충전 상태 또는 정상 상태로 검출한다. 전압 검출부(212)는 그 측정된 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전 상태로 검출하고, 그 측정된 셀 전압이 기준 전압 이하이면 정상 상태로 검출한다.
여기서, 전압 검출부(212)는 제1 및 제2 분배저항(R1 및 R2)을 이용하여 과충전 여부를 검출한다. 전압 검출부(212)는 배터리 셀 단위로 전압을 측정하며, 배터리 셀의 셀 전압이 설정된 기준 전압 보다 높을 경우 전압 검출부(212)의 출력을 활성화시킨다. 여기서, 셀 전압이 기설정된 기준 전압을 초과하는 경우, 전압 검출부(212)의 출력이 활성화된다.
신호 출력부는 과충전 상태로 확인되면 과충전 신호를 출력한다. 신호 출력부는 제1 스위치(213) 및 포토모스 릴레이(Photo MOS Relay, 214)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 스위치(213)는 게이트 단에 전압 검출부(213)의 출력과 연결되고, 포토모스 릴레이(214)와 접지 사이에 연결된다. 포토모스 릴레이(214)의 일측은 배터리 셀의 양극 단자 및 제1 스위치(213)와 연결되고, 타측은 전원과 접지 및 논리 연산부의 입력단과 연결된다. 포토모스 릴레이(214)는 과충전 상태인 경우 배터리 셀의 번호에 해당하는 과충전 신호 #1(예컨대, Fault #1)를 논리 연산부(220)로 출력한다.
지금까지, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예 중에서 과충전 검출부(210)의 구성을 설명하였다. 그러나 이는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위한 일 실시 예에 불과하며, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
예를 들어, 도 3의 전압 검출부(212)는 신호 출력부에서 과충전 신호를 출력하는 기능을 추가로 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치에서의 전원 공급부의 상세 구성도이다.
전원 공급부(240)는 래치 및 리셋부(230)의 활성화 신호를 입력받은 경우, 제1 전원 스위치(241) 및 제2 전원 스위치(242)를 통해 릴레이 소스(RLY_소스)로 공급되는 전력을 차단한다. 도 4를 참조하면, 전원 공급부(240)는 제1 전원 스위치(241) 및 제2 전원 스위치(242)를 포함한다.
제1 전원 스위치(241)는 스위칭 기능을 갖고 래치 및 리셋부(230)가 활성화 신호를 출력하는 경우 온(ON)이 된다. 이때, 제1 전원 스위치(241)는 베이스 단자에 저항을 통해 전원이 연결되고, 에미터 단자에 접지가 연결되어 있다. 또한, 제1 전원 스위치(241)는 컬렉터 단자에 제2 트랜지스터의 게이트 단자와 연결되어 있다.
제2 전원 스위치(242)는 스위칭 기능을 갖고 제1 전원 스위치(241)가 턴 온되면 게이트 단자가 접지와 연결되어 턴 오프된다. 그러면, 제2 전원 스위치(242)는 드레인 단자에 연결된 배터리 팩 또는 배터리 모듈의 양극 단자로부터 릴레이 소스로 공급되는 전력을 차단하게 된다. 따라서, 제2 전원 스위치(242)는 제1 전원 스위치(241)가 턴 오프되어 게이트 단자가 접지와 연결되지 않을 경우에 배터리 팩 또는 배터리 모듈로부터 공급되는 전력을 릴레이 소스(RLY_소스)로 전달하게 된다. 제2 전원 스위치(242)는 PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor)로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 전원 공급부(240)는 차량에 구비된 충전기 및 부하의 연결을 끊어서 배터리 셀의 충전을 중단시킨다.
이후, 전원 공급부(240)는 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고, 과충전 상태가 해제되면 릴레이 구동용 전압의 공급을 재개한다.
반면, 전원 공급부(240)는 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고, 과충전 상태가 유지되면 릴레이 구동용 전압의 차단을 유지한다.
전원 공급부(240)는 릴레이 구동용 전압 공급을 차단한 경우, 배터리 셀의 셀 전압이 기설정된 기준 전압 이하가 되더라도 릴레이 구동용 전압 공급을 차단할 수 있다.
이와 같이, 전원 공급부(240)는 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되어 래치 및 리셋부(230)에서의 래치가 초기화된 경우, 초기화 시점에서의 과충전 상태에 따라 릴레이 구동용 전압의 차단을 해제하거나 유지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치의 회로도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 도 2의 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)를 구현한 회로도가 나타나 있다. 과충전 검출부(210), 논리 연산부(220), 래치 및 리셋부(230) 및 전원 공급부(240)를 구성하는 각각의 회로가 배터리 셀에 연결되어 릴레이 구동용 전압을 차단하거나 공급하게 된다.
우선, 복수의 배터리 셀은 적어도 둘 이상의 직렬 연결된 배터리 셀들을 포함한다. 따라서, 배터리 셀의 개수는 도 2에 도시된 개수보다 많을 수 있다. 부하는 모터 등 배터리 셀로부터 전력을 공급받는 장비를 의미한다.
분배저항부(211)는 제1 및 제2 분배저항(R1 및 R2)을 포함한다. 제1 및 제2 분배저항(R1 및 R2)은 배터리 셀의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결된다.
전압 검출부(212)는 배터리 셀 단위로 셀 전압을 측정하기 위해, 제1 및 제2 분배저항(R1 및 R2)의 분배 저항비를 이용하여 셀 전압을 측정하고, 그 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하여 비교 결과에 따라 배터리 셀의 상태를 과충전 상태 또는 정상 상태로 검출한다. 전압 검출부(212)는 그 측정된 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전 상태로 검출하고, 그 측정된 셀 전압이 기준 전압 이하이면 정상 상태로 검출한다.
신호 출력부의 제1 스위치(213) 및 포토모스 릴레이(214)는 과충전 상태로 확인되면 과충전 신호(예컨대, Fault #1)를 출력한다.
여기서, 셀 전압이 기설정된 기준 전압을 초과하는 경우, 전압 검출부(212)의 출력이 활성화된다.
한편, 논리 연산부(220)는, 구비된 논리합(OR) 게이트를 통해 과충전 검출부(210)에서 출력된 과충전 신호를 입력받는다. 그리고 논리 연산부(220)는, 논리합 게이트의 논리 연산을 통해 하나 이상의 배터리 셀에서 과충전이 검출되면 출력을 활성화시킨다. 논리합 게이트의 출력은 래치 및 리셋부(230)의 입력에, 래치 및 리셋부(230)의 출력은 릴레이 구동용 전압 여부를 결정 짓는 전원 공급부(240)의 스위칭 소자에 연결된다. 여기서, 스위칭 소자에는 제1 및 제2 전원 스위치(241 및 242)가 포함된다.
이와 같이, 복수의 배터리 셀에 각각 연결된 과충전 검출부(210)의 출력은 논리 연산부(220)의 논리합 게이트를 통해서 연결된다. 하나 이상의 배터리 셀에서 과충전이 발생하면 논리합 게이트의 출력은 활성화된다.
래치 및 리셋부(230)는 논리합 게이트의 출력을 입력받는 래치를 구비하고, 래치의 출력을 상기 전원 공급부(240)의 제1 전원 스위치(241) 및 제2 전원 스위치(242)로 출력한다.
여기서, 래치 및 리셋부(230)는 배터리 셀의 셀 전압이 기설정된 기준 전압 이하가 되더라도 구비된 래치에 의해서 전압 공급을 차단 상태로 유지한다.
래치 및 리셋부(230)는 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되면 초기화된다.
본 발명의 실시 예에 따른 과충전 보호 장치(200)는 래치 및 리셋부(230)가 추가되어, 하나의 이상의 배터리 셀에서 한번 이상의 과충전 상태가 발생하게 되면, 고전압 릴레이 구동용 전압의 공급을 차단시킬 수 있다. 이는 해당 배터리 셀의 셀 전압이 설정된 기준 전압 이하가 되더라도, 래치 및 리셋부(230)에 의해서 전압 공급은 지속적으로 차단상태가 유지된다.
래치 및 리셋부(230)를 초기화할 수 있는 방법은 차량의 시동 신호(IG)를 턴 오프에서 턴 온으로 변경하는 방법이다.
차량의 시동 신호를 턴 오프에서 턴 온으로 변경했을 때, 과충전 상태가 해제된 경우, 다시 릴레이 구동용 전압은 공급이 재개되게 된다.
반면, 차량의 시동 신호를 턴 오프에서 턴 온으로 변경했을 때, 과충전 상태가 유지된 경우, 릴레이 구동용 전압은 공급 차단이 유지되게 된다.
이와 같이, 하나 이상의 배터리 셀에서 기설정된 기준값 이상의 과충전이 발생하게 되면, 논리합 게이트는 활성화된다. 이에 따라, 래치 및 리셋부(230)가 활성화되어, 릴레이 구동용 전압을 공급하는 제2 전원 스위치(242)를 오픈시켜 릴레이 구동용 전압 공급을 중단시킨다.
릴레이에 전압 공급이 중단되면, 모든 고전압 릴레이는 오픈 상태가 된다. 그리고 배터리 관리 시스템상에서 충전기 및 부하의 연결이 다 끊어지게 되어, 배터리 셀의 충전을 강제로 중단시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 방법에 대한 흐름도이다.
차량의 시동이 온(on) 된다(S101).
상기 차량의 시동이 온(on)된 경우, 차량의 시동이 턴 온되었으면 배터리 관리 시스템이 턴 온(Turn On)이 된다(S102).
배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 OPD 기능을 동작시키고, 릴레이 구동용 전압을 충전기 및 부하에 공급하게 된다(S103). 여기서, 릴레이 구동용 전압은 배터리 모듈이나 배터리 팩의 최상위 배터리 셀에서 분기된 라인을 통해 연결되어 공급된다.
배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 배터리 셀의 셀 전압을 측정하고 기설정된 기준 전압과 비교하여 배터리 셀의 과충전 상태를 확인한다(S104).
상기 확인 결과(S104), 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 배터리 셀의 과충전 상태가 정상 상태인 것을 확인한다(S105). 그러면, 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 릴레이 구동용 전압을 계속 공급하고, 릴레이 구동용 전원 공급에 변화가 없게 된다(S106).
한편, 상기 확인 결과(S104), 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 배터리 셀의 과충전 상태가 과충전 상태인 것을 확인한다(S107). 그러면, 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 래치 및 리셋부(230)를 활성화시킨다(S108).
그리고 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 래치 및 리셋부(230)와 연결된 스위칭 소자를 턴오프시켜 릴레이 구동용 전압을 차단한다(S109).
이후, 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되는지를 확인한다(S110).
상기 확인 결과(S110), 시동 신호가 턴 온으로 변경되지 않고 턴 오프로 유지하게 되면, 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 래치 및 리셋부(230)에서의 래치를 유지하게 된다(S111).
배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 릴레이 구동용 전압을 차단한다(S112).
반면, 상기 확인 결과(S110), 시동 신호가 턴 온으로 변경되면, 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 배터리 셀의 셀 전압을 측정하고 기설정된 기준 전압과 비교하여 배터리 셀의 과충전 상태를 확인한다(S113).
상기 확인 결과(S113), 배터리 셀의 과충전 상태가 정상 상태이면(S114), 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 래치를 해제시킨다(S115).
그리고 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 래치와 연결된 스위칭 소자를 턴 온시켜 릴레이 구동용 전압을 공급한다(S116)
반면, 상기 확인 결과(S113), 배터리 셀의 과충전 상태가 과충전 상태이면(S117) 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 래치를 활성화시킨다(S118).
그리고 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 래치와 연결된 스위칭 소자를 턴오프시켜 릴레이 구동용 전압을 차단한다(S119).
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 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 발명의 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 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 배터리 관리 시스템(BMS) 10: 배터리 팩
11, 12: 배터리 모듈 20: 차량 전자 장치
30: 배터리 제어장치 31, 32: MCU
33: BCU
200: 과충전 보호 장치
210: 과충전 검출부 211: 분배저항부
212: 전압 검출부 213: 제1 스위치
214: 포토모스 릴레이 220: 논리 연산부
230: 래치 및 리셋부 240: 전원 공급부
241: 제1 전원 스위치 242: 제2 전원 스위치

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 측정하고, 상기 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하여 배터리 셀의 과충전 여부를 검출하고, 과충전 상태로 확인되면 과충전 신호를 출력하는 복수의 과충전 검출부;
    래치 활성화 신호를 출력하기 위하여 상기 복수의 과충전 검출부로부터 출력된 과충전 신호들을 논리 연산하는 논리 연산부;
    상기 래치 활성화 신호에 응답하여 래치를 활성화시키거나 비활성화시키고, 차량의 시동 신호에 응답하여 상기 래치를 리셋시키는 래치 및 리셋부; 및
    상기 래치의 활성화 또는 비활성화에 따라 릴레이 구동용 전원을 차단하거나 공급하는 전원 공급부를 포함하고,
    상기 복수의 과충전 검출부의 각각은,
    적어도 하나의 배터리 셀의 양극 단자와 음극 단자 사이에 직렬 연결된 제1 및 제2 분배저항을 포함하는 분배저항부;
    배터리 셀 단위로 셀 전압을 측정하기 위해, 상기 제1 및 상기 제2 분배저항의 분배 저항비를 이용하여 셀 전압을 측정하고, 상기 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하고, 상기 측정된 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전 상태로 검출하고 상기 측정된 셀 전압이 기준 전압 이하이면 정상 상태로 검출하는 전압 검출부; 및
    과충전 상태로 확인되면 과충전 신호를 출력하는 신호 출력부를 포함하고,
    상기 셀 전압이 기설정된 기준 전압을 초과하는 경우, 전압 검출부의 출력이 활성화되는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 논리 연산부는,
    구비된 논리합 게이트를 통해 상기 출력된 과충전 신호를 입력받고, 상기 논리합 게이트의 논리 연산을 통해 하나 이상의 배터리 셀에서 과충전이 검출되면 출력을 활성화시키는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 래치 및 리셋부는,
    상기 논리 연산부의 출력을 입력받는 래치를 구비하고, 상기 래치의 출력을 상기 전원 공급부의 스위칭 소자로 출력하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 래치 및 리셋부는,
    배터리 셀의 셀 전압이 기설정된 기준 전압 이하가 되더라도 상기 래치에 의해서 전압 공급을 차단 상태로 유지하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 래치 및 리셋부는,
    차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되면 초기화되는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부는
    차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고 과충전 상태가 해제되면 릴레이 구동용 전압의 공급을 재개하거나, 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고 과충전 상태가 유지되면 릴레이 구동용 전압의 차단을 유지하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부는
    릴레이 구동용 전압 공급을 차단한 경우, 배터리 셀의 셀 전압이 기설정된 기준 전압 이하가 되더라도 릴레이 구동용 전압 공급을 차단하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    차량에 구비된 충전기 및 부하의 연결을 끊어서 상기 배터리 셀의 충전을 중단시키는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  10. 복수의 과충전 검출부의 각각으로부터 적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 측정하고, 상기 측정된 셀 전압을 기설정된 기준 전압과 비교하여 배터리 셀의 과충전 여부를 검출하고, 과충전 상태로 확인되면 과충전 신호를 출력하는 단계;
    상기 복수의 과충전 검출부로부터 출력된 과충전 신호들을 논리 연산함으로써 래치 활성화 신호를 출력하는 단계;
    상기 래치 활성화 신호에 응답하여 래치를 활성화하는 단계;
    상기 래치의 활성화에 따라 릴레이 구동용 전원을 차단하는 단계; 및
    차량의 시동 신호에 응답하여 상기 래치를 리셋시키는 단계를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고 과충전 상태가 해제되면 릴레이 구동용 전압의 공급을 재개하거나, 차량의 시동 신호가 턴 오프에서 턴 온으로 변경되고 과충전 상태가 유지되면 릴레이 구동용 전압의 차단을 유지하는 단계
    를 더 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법.
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