KR101948102B1 - 배터리 역전압 보호 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 역전압 보호 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 역전압 보호 장치는 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 셀 각각의 양극(+) 및 음극(-)과 연결되어 상기 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링하거나 제어하는 배터리 관리부; 상기 배터리 셀 및 상기 배터리 관리부 사이의 연결 라인에 연결되고, 상기 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치부; 및 상기 배터리 셀에서 역전압 발생시, 상기 제1 스위치를 턴 오프시키는 제2 스위치부를 포함한다.

Description

배터리 역전압 보호 장치{APPARATUS FOR PROTECTING INVERSE VOLTAGE OF BATTERY}
본 발명은 배터리 관리 시스템의 고장을 진단하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리에서 역전압 발생시 배터리 관리 시스템을 보호할 수 있는 기술에 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 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 시작되었다.
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(Battery Management System, BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 사용되는 차량용 배터리의 경우, 일반 휴대용 전자제품 등에 사용되는 배터리와 달리 자동차에 장착되는 특성상 극한의 상황 및 비정상적인 상황에 자주 처할 수 있어 문제의 소지가 있다. 즉, 배터리 또는 배터리 팩이 외부환경에 의해서 내부 회로의 연결에 손상이 발생하거나 안전 플러그 등의 결함으로 내부의 연결이 끊어질 경우가 있을 수 있다. 이러할 경우 배터리 팩 내부의 배터리 셀들에 과전류 및 역전압이 발생할 수 있는 데, 종래 차량용 배터리 팩에는 대부분 이러한 비정상 상황을 대비한 배터리 팩 보호 장치가 구비되어 있어, 위와 같은 상황에서도 배터리 및 배터리 셀을 보호하도록 하고 있다.
그러나 종래의 배터리 팩 보호 장치들은 배터리 팩 내부의 배터리 셀을 보호하거나 배터리 팩 자체를 보호하는 수단에 그치고 있는 실정이어서, 차량용 배터리 팩에서 중요한 부분을 차지하는 배터리 관리 시스템에 대한 보호 수단은 아직 미흡한 부분이 많은 상태이다.
다시 말해서, 외부 환경이나 비정상 상황에 의해서 배터리 팩 내부 회로 연결이 끊어지거나 손상될 경우에 배터리 관리 시스템에는 역전압이 유도될 수 있는 문제의 소지가 있다. 이와 같이 배터리 관리 시스템에 역전압이 유도될 경우, 배터리 관리 시스템의 셀 전압 측정 회로 또는 제어 회로 등에 고장을 유발하게 된다. 기존에는 이러한 문제를 방지하기 위하여, 수동 소자에 의한 전류 제한 방식을 이용하였는데, 이때에는 용량이 상대적으로 크고 사양이 높은 저항 소자를 이용하여 역전압에 의한 문제를 해결하였다.
배터리 관리 시스템은 배터리 셀과 배터리 제어기가 와이어를 통해 연결되어 구성된다. 상기 배터리 제어기 내부에는 센싱 IC 및 상기 센싱 IC를 과전류로부터 보호하기 위한 퓨즈가 구비되어 있다.
상기 센싱 IC는 배터리 셀의 전압을 측정하는 기능을 수행한다. 이때, 배터리 셀이나 배터리 모듈에서 역접속(역전압)으로 인해 센싱 IC가 파손되는 문제가 발생한다. 따라서 이와 같은 경우 필드에서는 배터리 관리 시스템 자체를 교체해야 하는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2011-0064055호
본 발명의 실시 예들은 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에서 역전압이 발생하는 경우, 배터리 셀이나 배터리 모듈과 연결된 연결 라인을 턴 오프시킴으로써, 배터리 관리 시스템의 회로를 보호할 수 있는, 배터리 역전압 보호 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시 예들은 차지 펌프를 이용하여 정상적인 상태에서 전압드랍 없이 배터리 관리 시스템의 내부회로를 구동하고, 역전압이 발생하는 경우, 배터리 셀이나 배터리 모듈과 연결된 연결 라인을 턴 오프시킴으로써, 배터리 관리 시스템의 회로를 보호할 수 있는, 배터리 역전압 보호 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 셀 각각의 양극(+) 및 음극(-)과 연결되어 상기 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링하거나 제어하는 배터리 관리부; 상기 배터리 셀 및 상기 배터리 관리부 사이의 연결 라인에 연결되고, 상기 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치부; 및 상기 배터리 셀에서 역전압 발생시, 상기 제1 스위치를 턴 오프시키는 제2 스위치부를 포함하는 배터리 역전압 보호 장치가 제공될 수 있다.
상기 제1 스위치부는, 상기 배터리 셀 및 상기 배터리 관리부 사이의 연결 라인에 연결되고, 상기 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치는 N채널 FET(field effect transistor) 또는 P채널 FET로 이루어질 수 있다.
상기 장치는, 상기 제1 스위치부에 구비된 제1 스위치의 게이트 단 및 다른 배터리 셀의 양극과 연결되는 제3 저항 및 전압 연결부를 더 포함하고, 상기 배터리 셀에서 순전압 발생시 상기 제3 저항 및 전압 연결부를 통해 제1 스위치의 게이트 단에 다른 배터리의 양극 전압이 인가되어 상기 제1 스위치가 턴 온될 수 있다.
상기 제2 스위치부는, 상기 배터리 셀에서 역전압 발생시, 상기 제1 스위치부를 턴 온시키거나 턴 오프시키는 제2 스위치; 상기 제2 스위치의 게이트 및 상기 배터리 셀의 음극에 연결된 제1 저항; 및 상기 제2 스위치의 소스 및 드레인에 연결된 제2 저항를 포함할 수 있다.
상기 제2 스위치는 다른 배터리 셀의 셀 전압에, 제2 저항값을 제2 및 제3 저항값의 합으로 나눈 비율로 곱한 전압 값을 게이트-소스 전압 값으로 가질 수 있다.
상기 제2 스위치는 제2 스위치의 게이트 소스 전압에 상기 제1 다이오드의 순방향 전압이 인가되어 턴 오프될 수 있다.
역전압이 발생할 경우, 상기 배터리 셀의 음극부터 제1 저항, 제2 스위치, 제1 다이오드 및 상기 배터리 셀의 양극으로 전류 경로가 생성될 수 있다.
상기 제3 저항값에 비해 기설정된 저항값을 초과하는 제2 저항값을 갖는 제2 저항이 설정되는 경우, 게이트-소스 전압은 다른 배터리 셀의 셀 전압에 근사되어 상기 제1 스위치가 턴 온되어 상기 배터리 관리부에 정상적인 셀 전압이 인가될 수 있다.
상기 배터리 모듈은 리튬이온 배터리 셀을 직렬로 연결하는 배터리 모듈로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 측면에 따르면, 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈의 양극(+) 및 음극(-)과 연결되어 상기 배터리 모듈의 충방전 상태를 모니터링하거나 제어하는 배터리 관리부; 상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 관리부 사이의 연결 라인에 연결되고, 상기 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치부; 상기 배터리 모듈에서 역전압 발생시, 상기 제1 스위치를 턴 온시키거나 턴 오프시키는 제2 스위치부; 및 상기 배터리 모듈의 모듈 전압을 입력받고 기설정된 전압 범위만큼 상기 입력된 모듈 전압을 상승시켜 상기 제2 스위치부에 출력하는 차지 펌프;를 포함하는 배터리 역전압 보호 장치가 제공될 수 있다.
상기 제1 스위치부는, 상기 배터리 셀 및 상기 배터리 관리부 사이의 연결 라인에 연결되고, 상기 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위치는 N채널 FET(field effect transistor) 또는 P채널 FET로 이루어질 수 있다.
상기 제1 스위치는 상기 제1 스위치의 게이트 소스 전압에 상기 제1 스위치의 콜렉터-에미터 전압 및 상기 제1 다이오드의 순방향 전압이 합산된 전압이 인가되나, 기설정된 전압 값 이하가 되어 턴 오프될 수 있다.
상기 장치는, 상기 제1 스위치부에 구비된 제1 스위치의 게이트 단 및 상기 차지 펌프의 출력 단과 연결된 제3 저항을 더 포함하고, 상기 차지 펌프는 상기 차지 펌프로부터 출력된 모듈 전압을 상기 제3 저항을 통해 제1 스위치의 게이트 단 및 상기 제2 스위치부에 출력할 수 있다.
상기 제2 스위치부는, 상기 배터리 모듈에서 역전압 발생시, 상기 제1 스위치부를 턴 온시키거나 턴 오프시키는 제2 스위치; 상기 제2 스위치의 게이트 및 상기 배터리 모듈의 음극에 연결된 제1 저항; 및 상기 제2 스위치의 소스 및 드레인에 연결되고, 상기 차지 펌프와 연결되는 제2 저항을 포함할 수 있다.
역전압 발생시 제2 스위치가 턴 온되고, 상기 제2 스위치가 턴 온되면서 상기 차지 펌프의 출력 단자부터 제3 저항, 상기 제1 다이오드 및 상기 배터리 모듈의 양극 단자로 전류 경로가 생성될 수 있다.
상기 배터리 모듈은 리튬이온 배터리 셀을 직렬로 연결하는 배터리 모듈로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에서 역전압이 발생하는 경우, 배터리 셀이나 배터리 모듈과 연결된 연결 라인을 턴 오프시킴으로써, 배터리 관리 시스템의 회로를 보호할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들은 차지 펌프를 이용하여 정상적인 상태에서 전압드랍 없이 배터리 관리 시스템의 내부회로를 구동하고, 역전압이 발생하는 경우, 배터리 셀이나 배터리 모듈과 연결된 연결 라인을 턴 오프시킴으로써, 배터리 관리 시스템의 회로를 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 배터리 관리 시스템의 배터리 역전압 보호 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배터리 역전압 보호 장치에서 역전압 발생시 보호 과정에 대한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 배터리 관리 시스템의 배터리 역전압 보호 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 역전압 보호 장치에서 역전압 발생시 보호 과정에 대한 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예를 설명하면서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려졌고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시 예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시 예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시 예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 배터리 관리 시스템의 배터리 역전압 보호 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배터리 역전압 보호 장치(100)는 배터리 관리부(110), 제1 스위치부(120) 및 제2 스위치부(130)를 포함한다. 여기서, 배터리 역전압 보호 장치(100)는 제2 스위치부(130)와 상위 배터리 셀을 연결하는 전압 연결부(140)를 포함할 수 있다.
이하, 도 1의 배터리 역전압 보호 장치(100)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
우선, 배터리 역전압 보호 장치(100)는 차량용 배터리 관리 시스템에 포함될 수 있다. 배터리 역전압 보호 장치(100)는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11)을 포함하는 배터리 모듈(10)과 연결되어 있다. 일례로, 배터리 모듈(10)은 리튬이온 배터리 셀을 직렬로 연결하는 배터리 모듈(10)로 이루어질 수 있다.
그리고 배터리 관리부(110)는 배터리 셀(11) 각각의 양극(+) 및 음극(-)과 연결되어 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링하거나 제어한다.
제1 스위치부(120)는 배터리 셀(11) 및 상기 배터리 관리부(110) 사이의 연결 라인에 연결되고, 연결 라인을 온 또는 오프시킨다.
여기서, 제1 스위치부(120)를 구체적으로 살펴보면, 제1 스위치부(120)는, 배터리 셀(11) 및 배터리 관리부(110) 사이의 연결 라인에 연결되고, 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치(Q1)를 포함한다. 제1 스위치(Q1)는 N채널 FET(field effect transistor) 또는 P채널 FET로 이루어질 수 있다.
배터리 역전압 보호 장치(100)는 제1 스위치부(120)에 구비된 제1 스위치(Q1)의 게이트 단 및 다른 배터리 셀(11)의 양극과 연결되는 제3 저항(R3) 및 전압 연결부(140)를 더 포함할 수 있다. 배터리 셀(11)에서 순전압 발생시, 제3 저항(R3) 및 전압 연결부(140)를 통해 제1 스위치(Q1)의 게이트 단에 다른 배터리의 양극 전압이 인가되어 제1 스위치(Q1)가 턴 온된다.
한편, 제2 스위치부(130)는 배터리 셀(11)에서 순전압 발생시, 제1 스위치(Q1)를 턴 온시킨다. 또한, 제2 스위치부(130)는 배터리 셀(11)에서 역전압 발생시, 제1 스위치(Q1)를 턴 오프시킨다.
제2 스위치부(130)에 대해서 구체적으로 살펴보면, 제2 스위치부(130)는 제2 스위치(Q2), 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)을 포함할 수 있다.
제2 스위치(Q2)는 배터리 셀(11)에서 역전압 발생시, 제1 스위치부(120)를 턴 온시키거나 턴 오프시킬 수 있다.
여기서, 제2 스위치(Q2)는 다른 배터리 셀의 셀 전압에, 제2 저항값을 제2 및 제3 저항값의 합으로 나눈 비율로 곱한 전압 값을 게이트-소스 전압 값으로 갖을 수 있다.
제2 스위치(Q2)는 제2 스위치(Q2)의 게이트 소스 전압에 제1 다이오드(D1)의 순방향 전압이 인가되어 턴 오프될 수 있다.
제1 저항(R1)은 제2 스위치(Q2)의 게이트 및 배터리 셀(11)의 음극에 연결된다.
제2 저항(R2)은 제2 스위치(Q2)의 소스 및 드레인에 연결된다.
한편, 배터리 셀(11)에서 역전압이 발생할 경우, 배터리 셀(11)의 음극부터 제1 저항(R1), 제2 스위치(Q2), 제1 다이오드(D1) 및 배터리 셀(11)의 양극으로 전류 경로가 생성될 수 있다.
또한, 제3 저항값에 비해 기설정된 저항값을 초과하는 제2 저항값을 갖는 제2 저항(R2)이 설정될 수 있다. 이러한 경우, 게이트-소스 전압은 다른 배터리 셀의 셀 전압에 근사되어 제1 스위치(Q1)가 턴 온되어 배터리 관리부(110)에 정상적인 셀 전압이 인가될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 배터리 역전압 보호 장치에서 역전압 발생시 보호 과정에 대한 설명도이다.
도 2를 참조하여, 배터리 셀(11)에서 정상 전압이 발생한 경우와 역전압이 발생한 경우를 설명하기로 한다.
우선, 배터리 셀(11)에서 정상 전압이 발생한 경우, 일반적으로 배터리 셀이 정상일 경우에 셀 전압의 정상 범위는 2.0V 내지 4.5V가 된다.
이때, 제2 트랜지스터의 게이트 소스 전압은 2번째 배터리 셀(Cell2)의 전압에, 제2 저항값을 제2 저항(R2) 및 제3 저항(R3)의 합산 저항으로 나눈 값을 곱한 값이 된다. 제2 트랜지스터의 게이트 소스 전압은 Vgs = Cell2 * R2 / (R2+R3)와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 제2 저항값이 제3 저항값보다 기설정된 저항값 이상인 경우로 선정시, 게이트 소스 전압은 2번째 배터리 셀의 셀 전압의 근사치가 되므로, 제1 트랜지스터(Q1)는 턴 온된다.
그리고 모니터링 IC 또는 BMS 내부회로로 이루어진 배터리 관리부(110)에 정상적인 셀 전압이 인가된다.
한편, 배터리 셀(11)에 역전압이 발생할 경우를 살펴보기로 한다.
배터리 셀(11)에 역전압이 발생했다고 가정하기로 한다.
그러면, 1번째 배터리 셀(11)의 음극 단자부터 제1 저항(R1), 제1 트랜지스터 및 제1 다이오드(D1)에 이르는 전류 경로(path)(101)가 생성된다.
제2 트랜지스터의 게이트 소스 전압에는 제1 다이오드(D1)의 순방향 전압이 인가되어 제2 트랜지스터가 턴 오프될 수 있다.
배터리 역전압 보호 장치(100)는 배터리 셀(11)에서 셀 역전압이 발생하는 경우, 제1 트랜지스터가 턴 오프되어 셀 역전압으로 인한 회로 파손을 보호할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 배터리 관리 시스템의 배터리 역전압 보호 장치의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 역전압 보호 장치(100)는 배터리 관리부(110), 제1 스위치부(120), 제2 스위치부(130) 및 차지 펌프(150)를 포함한다.
이하, 도 3의 배터리 역전압 보호 장치(100)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
우선, 배터리 역전압 보호 장치(100)는 차량용 배터리 관리 시스템에 포함될 수 있다. 배터리 역전압 보호 장치(100)는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11)을 포함하는 배터리 모듈(10)과 연결되어 있다. 일례로, 배터리 모듈(10)은 리튬이온 배터리 셀을 직렬로 연결하는 배터리 모듈(10)로 이루어질 수 있다.
그리고 배터리 관리부(110)는 배터리 모듈(10) 각각의 양극(+) 및 음극(-)과 연결되어 배터리 모듈들의 충방전 상태를 모니터링하거나 제어한다.
제1 스위치부(120)는 배터리 모듈(10) 및 배터리 관리부(110) 사이의 연결 라인에 연결되고, 그 연결 라인을 온 또는 오프시킨다.
여기서, 제1 스위치부(120)를 구체적으로 살펴보면, 제1 스위치부(120)는, 배터리 셀 및 배터리 관리부(110) 사이의 연결 라인에 연결되고, 그 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치(Q1)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(Q1)는 N채널 FET(field effect transistor) 또는 P채널 FET로 이루어질 수 있다.
제1 스위치(Q1)는 제1 스위치(Q1)의 게이트 소스 전압에 제1 스위치(Q1)의 콜렉터-에미터 전압 및 제1 다이오드(D1)의 순방향 전압이 합산된 전압이 인가되나, 기설정된 전압 값 이하가 되어 턴 오프된다.
제2 스위치부(130)는 배터리 모듈(10)에서 역전압 발생시, 제1 스위치(Q1)를 턴 온시키거나 턴 오프시킬 수 있다.
차지 펌프(150)는 배터리 모듈(10)의 모듈 전압을 입력받고 기설정된 전압 범위만큼 그 입력된 모듈 전압을 상승시켜 제2 스위치부(130)에 출력한다.
한편, 배터리 역전압 보호 장치(100)는 제1 스위치부(120)에 구비된 제1 스위치(Q1)의 게이트 단 및 상기 차지 펌프(150)의 출력단과 연결된 제3 저항(R3)을 더 포함할 수 있다. 차지 펌프(150)는 상승시킨 모듈 전압을 제3 저항(R3)을 통해 제1 스위치(Q1)의 게이트 단 및 제2 스위치부(130)에 출력할 수 있다.
제2 스위치부(130)에 대해서 구체적으로 살펴보면, 제2 스위치부(130)는 제2 스위치(Q2), 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)을 포함할 수 있다.
제2 스위치(Q2)는 배터리 모듈(10)에서 역전압 발생시, 제1 스위치부(120)를 턴 온시키거나 턴 오프시킬 수 있다.
여기서, 역전압 발생시 제2 스위치(Q2)가 턴 온되고, 제2 스위치(Q2)가 턴 온되면서 차지 펌프(150)의 출력 단자부터 제3 저항(R3), 제1 다이오드(D1) 및 배터리 모듈(10)의 양극 단자로 전류 경로가 생성될 수 있다.
제1 저항(R1)은 제2 스위치(Q2)의 게이트 및 배터리 모듈(10)의 음극에 연결된다.
제2 저항(R2)은 제2 스위치(Q2)의 소스 및 드레인에 연결되고, 차지 펌프(150)와 연결된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 배터리 역전압 보호 장치에서 역전압 발생시 보호 과정에 대한 설명도이다.
도 4를 참조하여, 배터리 모듈(10)에서 정상 전압이 발생한 경우와 역전압이 발생한 경우를 설명하기로 한다.
우선, 차지 펌프(charge pump, 150)는 배터리 모듈(10)에서 정상 전압이 발생한 경우, 배터리 모듈(10)의 입력전압을 받아 기설정된 상승 전압(예컨대, +5~10V)만큼 전압을 올리게 된다. 여기서, 모듈전압은 +5V 내지 10V이 된다. 이때, 차지 펌프(150)부터 제2 스위치(Q2)를 거쳐 배터리 모듈의 양극 단자로 출력되는 경로(102)가 생성된다.
제1 스위치부(120)는 배터리 모듈(10)의 양극 전압(Module+ 전압)과 배터리 관리부(110) 내부의 모듈+ 전압(Module+ 전압)을 이용하는 회로 사이에 회로를 온 또는 오프시킬 수 있다.
여기서, 제2 스위치부(130)는 역전압 발생시 역전압을 보호하기 위해 제1 트랜지스터(Q1)를 턴 오프(turn off)한다.
한편, 배터리 모듈에서 역전압이 발생할 경우의 회로에 대해서 살펴보기로 한다.
배터리 모듈(10)에서 역전압 발생시 제2 트랜지스터(Q2)가 턴 온된다.
제2 트랜지스터(Q2)가 턴 온(turn on)되면서 빨간색 화살표의 전류 경로(103)가 생성된다.
이때, 제1 트랜지스터의 게이트 소스 전압(Vgs)에는 제1 트랜지스터의 콜렉터 에미터 전압과 제1 다이오드(D1)의 순방향 전압이 합산된 전압 값이 인가되나, 1V 이하이기 때문에 제1 트랜지스터(Q1)는 턴 오프(turn off)된다. 역전압 발생시, 제1 트랜지스터가 턴 오프되기 때문에 역전압으로 인한 배터리 관리부(110)에 구비된 회로 등이 보호될 수 있다.
일반적인 역전압 보호시 다이오드만으로 보호를 하게 된다. 그런데 다이오드의 순방향 전압(Vf) 드랍으로 인해 배터리 관리부(110)의 내부 모듈에는 실제 셀 전압이 아니라 셀 전압에서 순방향 전압을 뺀 전압값(셀전압-Vf)가 인가된다.
따라서 본 발명의 제2 실시 예와 같은 회로를 구성하여, 정상적인 경우에는 전압 드랍없이 내부회로를 구동하고, 역전압을 보호하는 회로로 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 실시 예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 배터리 역전압 보호 장치
10: 배터리 모듈
11: 배터리 셀
110: 배터리 관리부
120: 제1 스위치부
130: 제2 스위치부
140: 전압 연결부
150: 차지 펌프

Claims (16)

  1. 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서,
    직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 셀 각각의 양극(+) 및 음극(-)과 연결되어 상기 배터리 셀들의 충방전 상태를 모니터링하거나 제어하는 배터리 관리부;
    상기 배터리 셀 및 상기 배터리 관리부 사이의 연결 라인에 연결되고, 상기 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치부; 및
    상기 배터리 셀에서 역전압 발생시, 상기 제1 스위치를 턴 오프시키는 제2 스위치부를 포함하고,
    상기 제2 스위치부는,
    상기 배터리 셀에서 역전압 발생시, 상기 제1 스위치부를 턴 온시키거나 턴 오프시키는 제2 스위치;
    상기 제2 스위치의 게이트 및 상기 배터리 셀의 음극에 연결된 제1 저항; 및
    상기 제2 스위치의 소스 및 드레인에 연결된 제2 저항을 포함하는 배터리 역전압 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치부는,
    상기 배터리 셀 및 상기 배터리 관리부 사이의 연결 라인에 연결되고, 상기 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치를 포함하고,
    상기 제1 스위치는 N채널 FET(field effect transistor) 또는 P채널 FET로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위치부에 구비된 제1 스위치의 게이트 단 및 다른 배터리 셀의 양극과 연결되는 제3 저항 및 전압 연결부를 더 포함하고,
    상기 배터리 셀에서 순전압 발생시 상기 제3 저항 및 전압 연결부를 통해 제1 스위치의 게이트 단에 다른 배터리의 양극 전압이 인가되어 상기 제1 스위치가 턴 온되는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위치는
    다른 배터리 셀의 셀 전압에, 제2 저항값을 제2 및 제3 저항값의 합으로 나눈 비율로 곱한 전압 값을 게이트-소스 전압 값으로 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위치는
    제2 스위치의 게이트 소스 전압에 제1 다이오드의 순방향 전압이 인가되어 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    역전압이 발생할 경우, 상기 배터리 셀의 음극부터 제1 저항, 제2 스위치, 제1 다이오드 및 상기 배터리 셀의 양극으로 전류 경로가 생성되는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제 3 저항의 저항값에 비해 기설정된 저항값을 초과하는 제2 저항값을 갖는 제2 저항이 설정되는 경우, 게이트-소스 전압은 다른 배터리 셀의 셀 전압에 근사되어 상기 제1 스위치가 턴 온되어 상기 배터리 관리부에 정상적인 셀 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은
    리튬이온 배터리 셀을 직렬로 연결하는 배터리 모듈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  10. 차량용 배터리 관리 시스템에 있어서,
    직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 양극(+) 및 음극(-)과 연결되어 상기 배터리 모듈의 충방전 상태를 모니터링하거나 제어하는 배터리 관리부;
    상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 관리부 사이의 연결 라인에 연결되고, 상기 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치부;
    상기 배터리 모듈에서 역전압 발생시, 상기 제1 스위치를 턴 온시키거나 턴 오프시키는 제2 스위치부; 및
    상기 배터리 모듈의 모듈 전압을 입력받고 기설정된 전압 범위만큼 상기 입력된 모듈 전압을 상승시켜 상기 제2 스위치부에 출력하는 차지 펌프;
    를 포함하는 배터리 역전압 보호 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 스위치부는,
    상기 배터리 셀 및 상기 배터리 관리부 사이의 연결 라인에 연결되고, 상기 연결 라인을 온 또는 오프시키는 제1 스위치를 포함하고,
    상기 제1 스위치는 N채널 FET(field effect transistor) 또는 P채널 FET로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 스위치는
    상기 제1 스위치의 게이트 소스 전압에 상기 제1 스위치의 콜렉터-에미터 전압 및 제1 다이오드의 순방향 전압이 합산된 전압이 인가되나, 기설정된 전압 값 이하가 되어 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 스위치부에 구비된 제1 스위치의 게이트 단 및 상기 차지 펌프의 출력 단과 연결된 제3 저항을 더 포함하고,
    상기 차지 펌프는 상기 차지 펌프로부터 출력된 모듈 전압을 상기 제3 저항을 통해 제1 스위치의 게이트 단 및 상기 제2 스위치부에 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제2 스위치부는,
    상기 배터리 모듈에서 역전압 발생시, 상기 제1 스위치부를 턴 온시키거나 턴 오프시키는 제2 스위치;
    상기 제2 스위치의 게이트 및 상기 배터리 모듈의 음극에 연결된 제1 저항; 및
    상기 제2 스위치의 소스 및 드레인에 연결되고, 상기 차지 펌프와 연결되는 제2 저항
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    역전압 발생시 제2 스위치가 턴 온되고, 상기 제2 스위치가 턴 온되면서 상기 차지 펌프의 출력 단자부터 제3 저항, 제1 다이오드 및 상기 배터리 모듈의 양극 단자로 전류 경로가 생성되는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은
    리튬이온 배터리 셀을 직렬로 연결하는 배터리 모듈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 배터리 역전압 보호 장치.
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