KR101944842B1 - 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치에 관한 것으로, 상세하게는 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 팩 부, 상기 배터리 팩 부에 연결되어 상기 배터리 셀들의 편차를 조정하며, 접합형 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)인 제 1 FET 및 MOS형 전계 효과 트랜지스터인 제 2 FET를 포함하는 밸런싱 회로부 및 상기 밸런싱 회로부에 연결되어 상기 밸런싱 회로부의 제 1 FET의 고장 여부를 판단하며, 전류 센싱용 저항 및 AND 게이트(Gate)를 포함하는 고장 진단부를 포함하여 구성되는 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치이다.

Description

셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치 {Disable diagnosis circuit for Cell balancing circuit}
본 발명은 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 셀 밸런싱 회로에 포함되어 있는 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)의 파손 여부를 고장 진단 회로에 포함되어 있는 저항 및 AND 게이트를 이용하여 진단하는 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치에 관한 것이다.
최근 환경 보호 및 신재생에너지에 대한 관심도가 높아지면서 전기 에너지를 이용하는 전기 자동차에 대한 관심도가 높아지고 있다. 이때, 전기 자동차는 필요한 전력을 공급하기 위해 복수 개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩을 탑재한다. 더불어, 각각의 배터리 팩을 구성하고 있는 배터리 셀은 배터리 팩의 안정성과 수명 향상 및 최대한의 출력 값을 얻기 위해서 각각의 배터리 셀의 전압이 균일하게 유지되어야 할 필요가 있다.
이를 위해, 배터리 팩에 셀 밸런싱 회로를 연결하여 배터리 팩을 구성하고 있는 복수 개의 배터리 셀의 밸런싱을 유지하고 있다.
본 발명은 배터리 셀의 밸런싱 유지를 위한 셀 밸런싱 회로의 고장을 정확하게 진단하는 것이 어려운 점에 착안한다.
미국 공개 특허 US 20110037433 (공개일자 2011.02.17)
본 발명의 목적은 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치에 포함되어 있는 저항 및 AND 게이트를 이용하여 전기 자동차에서 필수적인 셀 들의 편차를 조정하는 셀 밸런싱 회로의 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)에 대한 파손 여부를 정확하게 진단할 수 있도록 하는 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치는 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 팩에 연결되어 상기 배터리 셀들의 편차를 조정하며, 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)인 제 1 FET 및 제 2 FET를 포함하는 밸런싱 회로부 및 상기 밸런싱 회로부에 연결되어 상기 밸런싱 회로부의 제 1 FET 또는 제 2 FET의 고장 여부를 판단하며, 전류 센싱용 저항 및 AND 게이트(Gate)를 포함하는 고장 진단부를 포함하여 구성되며, 상기 고장 진단부는 상기 전류 센싱용 저항에 연결되어 인가된 전류를 AND 게이트에서 인식될 수 있도록 증폭시키는 증폭기(Amplifier) 및 상기 AND 게이트의 결과 값이 인가되는 아이솔레이터(Isolator)를 더 포함하여 구성된다.
상기 고장 진단부의 전류 센싱용 저항은 상기 밸런싱 회로부의 제 1 FET의 드레인(D)에 연결되어, 상기 제 1 FET의 드레인에서 흐르는 전류가 센싱되며, 상기 AND 게이트는 상기 증폭기를 통해서 인가되는 전류 값과 상기 밸런싱 회로부의 제 2 FET의 드레인(D)을 통해서 인가되는 전류 값이 입력되도록 구성된다.
삭제
상기 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치는 상기 AND 게이트에 두 개의 입력 단자에 전류 값 모두가 입력된 경우에 상기 셀 밸런싱 회로가 정상적인 모드로 동작하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치는 고장 진단 회로의 저항 및 AND 게이트를 이용하여 셀 밸런싱 회로의 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)의 파손 여부를 정확하게 진단할 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로는, 정확하게 전계 효과 트랜지스터의 파손 여부가 진단됨으로써, 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)에서의 배터리 셀의 관리를 용이하게 할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치의 구성에 대해 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치를 구성하는 고장 진단 회로에 대해 상세하게 나타낸 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치에 대해 간략하게 도시한 구성도이다. 도 1을 참조로 하여 본 발명의 일실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치의 구성에 대해 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치는 배터리 팩 부(100), 밸런싱 회로부(200) 및 고장 진단부(300)를 포함하여 이루어질 수 있다.
배터리 팩 부(100)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어질 수 있다. 이때, 각각의 배터리 셀은 구성하고 있는 배터리 팩 부(100)의 안정성, 수명 향상 또는 최대한의 전력 값을 출력하기 위해서 각 배터리 셀의 충전량(SOC, State Of Charge)을 균일하게 유지되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 밸런싱 회로부(200)를 통해서, 배터리 팩 부(100)를 이루고 있는 배터리 셀의 충전량이 균일하게 유지될 수 있다.
밸런싱 회로부(200)는 배터리 팩 부(100)에 연결되어 배러티 팩 부(100)를 이루고 있는 각각의 배터리 셀의 충전량 편차를 균일하게 조정할 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 4 저항(210, 220, 240, 250), 캐패시터(230), 다이오드(260) 및 두 개의 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)(270, 280)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 제 1 FET(270)는 접합형 전계 효과 트랜지스터로 이루어지는 것이 바람직하며, 제 2 FET(280)는 MOS형 전계 효과 트랜지스터로 이루어지는 것이 바람직하다.
제 1 저항(210)은 배터리 팩 부(100)에 병렬로 연결되며, 밸런싱이 필요한 셀에 대하여 방전할 수 있다.
제 2 저항(220) 및 캐패시터(230)는 저역 통과 필터(Low Pass Filter)로서, 밸런싱 회로부(200)에 흐르는 전류에 있어서, 미리 주어진 차단 주파수보다 낮은 주파수는 통과시키지만 높은 주파수는 차단할 수 있다. 다시 말하자면, 고주파 차단 필터라고도 할 수 있다.
일반적으로, 전계 효과 트랜지스터(FET)는 3개의 핀을 갖고 있으며, 각각 게이트(G), 드레인(D), 소스(S)라고 하며, 게이트를 통해서 인가되는 입력 신호와, 소스를 통해서 인가되는 밸런싱 회로부(200)에 흐르는 전류를 컨트롤하여 드레인으로 출력할 수 있다.
제 3 저항(240) 및 제 4 저항(250)은 제 1 FET(270)의 바이어스 저항으로써, 제 1 FET(270)가 가장 좋은 특성을 낼 수 있도록 보조적인 역할을 하며, 제 1 FET(270)의 게이트를 통해서 인가되는 입력 신호, 즉 전류를 조절할 수 있다. 다시 말하자면, 제 1 FET(270)의 게이트에 저항을 달아서 게이트에 흐르는 전류를 조절함으로써, 과전류가 흐르는 경우 발생되는 열에 의해서 제 1 FET(270)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
다이오드(260)는 제 1 FET(270)의 게이트에 흐르는 전류가 역으로 흐르게 되는 것을 방지할 수 있다.
제 1 FET(270)은 접합형 전계 효과 트랜지스터로 이루어짐으로써, 일반적인 트랜지스터와 비교하면, 훨씬 적은 입력 전류로 동작하게 된다. 이때, 제 1 FET(270)에 과전류가 흐르는 경우에 열이 발생되어 파손될 수 있으며, 제 1 FET(270)가 파손이 될 경우 셀 밸런싱 회로를 통해서 수행되고 있던 배터리 셀의 전류 값을 균일하게 유지될 수 없다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치는 제 1 FET(270)의 드레인에 흐르는 전류를 고장 진단부(300)에 연결함으로써, 제 1 FET(270)에 의한 밸런싱 회로부(200)를 포함하여 이루어지는 셀 밸런싱 회로의 정확한 고장 진단이 가능하게 된다.
제 2 FET(280)은 MOS형 전계 효과 트랜지스터로 이루어지며, 이때, MOS란, Metal Oxide Semiconductor의 약어로 MOS형 전계 효과 트랜지스터의 구조가 금속(Metal), 실리콘 산화막(Oxide) 및 반도체(Semiconductor)의 순으로 되어 있어서 MOS형 전계 효과 트랜지스터로 불리고 있다. MOS형 전계 효과 트랜지스터는 일반적으로 소비 전류를 작게 할 수 있기 때문에 주로 마이크로컴퓨터 등 집적도가 높은 IC에 사용된다. 제 2 FET(280) 또한, 제 1 FET(270)와 마찬가지로, 셀 밸런싱 회로에 대해 정확한 고장 진단을 위해서, 제 2 FET(280)의 드레인에 흐르는 전류를 고장 진단부(300)에 연결함으로써, 정확한 고장 진단이 가능하게 된다.
고장 진단부(300)는 밸런싱 회로부(200)의 제 1 FET(270) 내지 제 2 FET(280)에 대한 고장 진단을 통해 전체 셀 밸런싱 회로의 고장 유무를 판단할 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 전류 센싱용 저항(310), 증폭기(Amplifier)(320), AND 게이트(Gate)(330) 및 아이솔레이터(Isolator)(340)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전류 센싱용 저항(310)은 밸런싱 회로부(200)의 제 1 FET(270)의 드레인에 연결되어 제 1 FET(270)의 드레인을 통해서 흐르는 전류를 센싱할 수 있다.
증폭기(320)는 전류 센싱용 저항(310)에 연결되어 인가되는 전류를 AND 게이트(330)에 인식될 수 있을 정도로, 증폭시킬 수 있다.
AND 게이트(330)는 증폭기(320)를 통해서 인가되는 제 1 FET(270)의 드레인의 전류 값과 제 2 FET(280)의 드레인을 통해서 인가되는 전류 값을 AND 로직으로 계산함으로써, 제 1 FET(270) 및 제 2 FET(280)를 포함하여 이루어지는 밸런싱 회로부(200), 다시 말하자면 셀 밸런싱 회로의 파손 여부를 진단할 수 있게 된다.
하기의 표 1은 AND 게이트(330)의 두 개의 입력단자를 통해서 입력되는 제 1 FET(270)의 드레인을 통해서 인가되는 전류 값과 제 2 FET(380)의 드레인을 통해서 인가되는 전류 값에 따라서, 계산된 AND 논리의 결과값을 정리한 표이다.
셀 밸런싱 회로의 작동 유무 INPUT 1
(제 2 FET)		 INPUT 2
(제 1 FET)		 결과값
작동함. 1 1 PASS

작동 안 함.
 1 0 FAIL
0 1 FAIL
0 0 FAIL
상기의 표 1의 결과에서 알 수 있듯이 고장 진단부(300)에서의 AND 게이트(330)에서 밸런싱 회로부(200)의 제 1 FET(270) 내지 제 2 FET(280)의 파손 여부를 파악하여, 셀 밸런싱 회로의 고장 여부를 진단할 수 있다.
아이솔레이터(340)는 AND 게이트(330)의 결과 값이 인가되며, 인가된 결과 값을 한 방향으로만 인가할 수 있다.
즉, 다시 말하자면, 본 발명인 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치는 밸런싱 회로부(200)의 제 1 FET(270)의 드레인(D)으로부터 인가되는 전류 값을 고장 진단부(300)의 AND 게이트(330)의 제 2 입력 단자, 즉, Input 2에 연결하고, 고장 진단부(300)의 제 2 FET(280)의 드레인(D)으로부터 인가되는 전류 값을 고장 진단부(300)의 AND 게이트(330)의 제 1 입력 단자, 즉, Input 1에 연결할 수 있다. 이를 통해, AND 게이트(330)에서는 입력 받은 신호를 이용하여, AND 로직을 실행하게 되며, 실행된 결과 값에 따라, 제 1 FET(270) 및 제 2 FET(280)의 고장 진단 여부가 판단되며, 이를 토대로, 셀 밸런싱 회로의 정확한 고장 진단을 할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 배터리 팩 부
200 : 밸런싱 회로부
210 : 제 1 저항 220 : 제 2 저항
230 : 캐패시터 240 : 제 3 저항
250 : 제 4 저항 260 : 다이오드
270 : 제 1 FET 280 : 제 2 FET
300 : 고장 진단부
310 : 전류 센싱용 저항 320 : 증폭기
330 : AND 게이트 340 : 아이솔레이터

Claims (3)

  1. 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 팩에 연결되어 상기 배터리 셀들의 편차를 조정하며, 전계 효과 트랜지스터(FET, Field Effect Transistor)인 제 1 FET 및 제 2 FET를 포함하는 밸런싱 회로부; 및
    상기 밸런싱 회로부에 연결되어 상기 밸런싱 회로부의 제 1 FET 또는 제 2 FET의 고장 여부를 판단하며, 전류 센싱용 저항 및 AND 게이트(Gate)를 포함하는 고장 진단부;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 고장 진단부는
    상기 전류 센싱용 저항에 연결되어 인가된 전류를 AND 게이트에서 인식될 수 있도록 증폭시키는 증폭기(Amplifier); 및
    상기 AND 게이트의 결과 값이 인가되는 아이솔레이터(Isolator);
    를 더 포함하여 구성되는 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고장 진단부의 전류 센싱용 저항은 상기 밸런싱 회로부의 제 1 FET의 드레인(D)에 연결되어, 상기 제 1 FET의 드레인에서 흐르는 전류가 센싱되며,
    상기 AND 게이트는 상기 증폭기를 통해서 인가되는 전류 값과 상기 밸런싱 회로부의 제 2 FET의 드레인(D)을 통해서 인가되는 전류 값이 입력되도록 구성되는 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치는
    상기 AND 게이트에 두 개의 입력 단자에 전류 값 모두가 입력된 경우에 상기 셀 밸런싱 회로가 정상적인 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 회로의 고장 진단 장치.
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