KR101967862B1 - 차량 배터리의 셀전압 센싱 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 켈빈 접속에 근거하여 다수의 배터리 모듈 간에 연접한 센싱 와이어을 연결하여 전류 공급 및 귀환 라인을 공유함으로써, 센싱 와이어에 흐르는 전류가 낮아지고, 그에 따라 센싱 와이어에 의한 전압 강하가 상당히 낮아지며, 이는 종래에 센싱된 차량 배터리의 셀전압보다는 높으면서 실제 인가되는 셀전압(V)에 가까운 셀전압이 센싱될 수 있다.
또한, 셀전압 센싱 정밀도 향상으로 인해 실제 인가되는 셀전압에 가까운 셀전압이 센싱됨으로써, 실제 배터리 사용 가능 전압 범위도 늘어남에 따라 배터리의 사용 가능 시간도 늘릴 수 있게 된다.

Description

차량 배터리의 셀전압 센싱 장치 및 그 방법{Device for sensing the vehicle battery cell voltage and method thereof}
본 발명은 차량 배터리 센싱 장치에 관한 것으로, 특히 차량 배터리의 셀전압 센싱 정밀도 향상 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드(Hybrid) 자동차는 두 개의 동력원, 예를 들어 가솔린 엔진과 전기 모터를 병행하여 구동되는 차량으로서, 엔진이 비효율적인 주행 환경일 때 모터의 충전 및 방전을 통해 시스템의 효율성을 높이고, 또한 감속시에는 브레이크 토크에 의한 운동 에너지를 모터에서 발전하는 회생 제동을 하여 배터리에 저장함으로써, 연비를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
하이브리드 차량의 동력계통 구성을 보면, 주행 구동원인 엔진 및 전기모터, 동력 전달을 위한 클러치 및 자동 변속기, 엔진 및 모터 등의 구동을 위한 인버터, DC/DC컨버터, 고전압 배터리 등을 포함하여 구성되며, 또한, 이들의 제어수단으로서 최상위 제어기인 하이브리드 제어기(HCU, Hybrid Control Unit), 모터 제어기(MCU, Motor Control Unit) 및 배터리 제어기(BMS, Battery Management System) 등을 포함하고 있다.
이러한 하이브리드 차량은 모터 채택 여부에 따라 소프트 타입 또는 하드 타입으로 구분되는데, 하드 타입의 하이브리드 차량의 경우에는 엔진 온/오프(ON/OFF) 판단 여부 및 엔진과 모터 간의 동력분배 등에 따라 연비와 운전성에 큰 영향을 미친다.
특히, 엔진 온/오프 및 엔진과 모터의 동력분배는 차속, 가속페달 위치(APS Depth), 변속단 등 여러 가지 요소에 의해 결정되지만, 그중에서도 고전압 배터리의 SOC(State of Charge)가 가장 중요한 요소이다.
고전압 배터리는 하이브리드 차량의 모터 및 DC/DC 컨버터를 구동하는 에너지원이며, 그 제어기인 배터리 제어기는 고전압 배터리의 전압, 전류, 온도를 모니터링 하여, 고전압 배터리의 충전 상태랑(SOC[%])을 전반적으로 조절 관리하는 기능을 한다.
따라서, 하이브리드 차량 주행 및 제어 시, 차량 내 고전압 배터리의 충전 상태량인 SOC의 측정 정확성이 중요시된다.
종래의 고전압 배터리의 SOC를 측정하기 위한 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 N개의 셀(도 1에서는 4개의 셀)이 직렬로 연결된 배터리 모듈 단위로 셀전압 센싱 IC가 연결되어 있으며, 이를 연결하기 위한 셀전압 센싱 와이어는 N+1개(도 1에서는 5개)로 구성되어 있다. 만약, M개의 모듈(도 1에서는 3개의 배터리 모듈)이 스택 구조로 연결된 고전압 배터리라면, M개의 센싱 IC가 각각 배터리 모듈별로 연결되어 셀전압을 측정한다. 또한, 각 배터리 모듈 간에는 버스바(busbar)로 연결된다.
각 센싱 IC의 전원으로 센싱 와이어를 사용하며, 그로 인해 센싱 와이어의 길이에 따른 임피던스의 증가와 함께 센싱 IC의 전원 라인을 통한 전압 강하가 발생하여 셀전압 센싱이 실제 전압보다 낮은 전압으로 측정되는 문제점이 있다.
본 발명은 하이브리드 차량 내 고전압 배터리의 셀전압 센싱 정밀도를 향상할 수 있도록 하는 기술적 방안을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 차량 배터리의 셀전압 센싱 장치는 직렬로 연결된 복수의 셀과 상기 복수의 셀을 연결하는 연결 단자 각각에 연결된 센싱 와이어를 포함하는 다수의 배터리 모듈, 상기 다수의 배터리 모듈에 대응하며, 상기 배터리 모듈의 센싱 와이어를 통해 상기 다수의 배터리 모듈 각각의 셀전압을 센싱하는 다수의 센싱부, 및 상기 다수의 센싱부로부터 센싱된 셀전압을 이용하여 상기 배터리 모듈의 상태를 제어하는 제어부를 포함하며, 제1 배터리 모듈 말단 셀 양극에 연결된 센싱 와이어는 제2 배터리 모듈 첫단 셀 음극에 연결된 센싱 와이어와 연결된다.
또한, 상기 다수의 센싱부는 상기 다수의 배터리 모듈의 센싱 와이어들로부터 셀전압 데이터를 수신하는 다수의 커넥터, 상기 다수의 커넥터를 통해 수신되는 셀전압 데이터를 이용하여 셀전압을 센싱하는 센싱 IC를 포함하며, 상기 센싱 IC는 상기 배터리 모듈의 첫단 셀 음극에 연결된 센싱 와이어를 접지로, 상기 배터리 모듈의 말단 셀 양극에 연결된 센싱 와이어를 전원으로 한다.
덧붙여, 상기 제1 배터리 모듈 말단 셀 양극과 상기 제2 배터리 모듈 첫단 셀 음극은 버스바(busbar)로 연결되며, 상기 제1 배터리 모듈 말단 셀 양극에 연결된 센싱 와이어와 제2 배터리 모듈 첫단 셀 음극에 연결된 센싱 와이어간의 연결은 켈빈 접속(Kelvin connection)에 근거한다.
상기 제어부는 상기 제1 배터리 모듈에 대응하는 제1 센싱부 및 상기 제2 배터리 모듈에 대응하는 제2 센싱부로부터 셀전압 데이터를 수신하며, 상기 수신된 셀전압 데이터를 이용하여 최저 전압과 최대 전압을 산출 및 배터리 충전 상태를 파악한다.
한편, 전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 차량 배터리 셀전압 센싱 장치의 제조 방법은 직렬로 연결된 복수의 셀과 상기 복수의 셀을 연결하는 연결 단자 각각에 연결된 센싱 와이어를 포함하는 다수의 배터리 모듈을 준비하는 단계, 상기 다수의 배터리 모듈에 대응하며, 상기 배터리 모듈의 센싱 와이어를 통해 상기 다수의 배터리 모듈 각각의 셀전압을 센싱하는 다수의 센싱부를 배치하는 단계, 상기 다수의 센싱부로부터 센싱된 셀전압을 이용하여 상기 배터리 모듈의 상태를 제어하는 제어부를 마련하는 단계, 및 임의의 제1 배터리 모듈의 말단 셀 양극에 연결된 센싱 와이어는 상기 제1 배터리 모듈에 연접한 제2 배터리 모듈의 첫단 셀 음극에 연결된 센싱 와이어와 연결하는 단계를 포함한다.
본 발명은 켈빈 접속에 근거하여 다수의 배터리 모듈 간에 연접한 센싱 와이어을 연결하여 전류 공급 및 귀환 라인을 공유함으로써, 센싱 와이어에 흐르는 전류가 낮아지고, 그에 따라 센싱 와이어에 의한 전압 강하가 상당히 낮아지며, 이는 종래에 센싱된 차량 배터리의 셀전압보다는 높으면서 실제 인가되는 셀전압(V)에 가까운 셀전압이 센싱될 수 있다.
또한, 셀전압 센싱 정밀도 향상으로 인해 실제 인가되는 셀전압에 가까운 셀전압이 센싱됨으로써, 실제 배터리 사용 가능 전압 범위도 늘어남에 따라 배터리의 사용 가능 시간도 늘릴 수 있게 된다.
도 1은 종래 하이브리드 차량 내 고전압 배터리의 셀전압 센싱 장치 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배터리의 셀전압 센싱 장치 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 차량 배터리의 셀전압 센싱 장치 예시도.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배터리의 셀전압 센싱 장치 블록도이다. 도시된 바와 같이, 셀전압 센싱 장치는 다수의 배터리 모듈(100)과 다수의 센싱부(200) 및 제어부(300)을 포함한다. 도 2에서는 다수의 배터리 모듈(100) 및 다수의 센싱부(200)을 2개(110,120)(210,220)만을, 도 3에서는 다수의 배터리 모듈(100) 및 다수의 센싱부(200)을 3개(110,120,130)(210,220,230)를 예시하였으나, 배터리 모듈은 차량 사양에 따라 3개 이상의 다수로 구현될 수 있다.
다수의 배터리 모듈(100) 각각 내에는 도 3에 예시된 바와 같이, 직렬로 연결된 복수의 셀(111~114,121~124,131~134)을 포함한다. 여기서, 다수의 배터리 모듈(110,120,130) 내의 복수의 셀(111~114,121~124,131~134)은 리튬계열의 2차 전지(예를 들어, 리튬 이온 또는 리튬 폴리머)이다.
또한, 복수의 셀(111~114,121~124,131~134) 사이를 연결하는 연결 단자 각각에는 다수의 배터리 모듈(100)에 대응하는 다수의 센싱부(200)와의 통신을 위해 다수의 센싱 와이어(110_L1~110_L5,120_L1~120_L5,130_L1~130_L5)가 연결된다. 또한, 각 배터리 모듈(100) 별 센싱 와이어의 개수는 배터리 모듈 내에 위치한 셀보다 하나 더 많은 개수로 구현된다. 예를 들어, 도 3에 예시된 바와 같이 제1 배터리 모듈(110) 내 셀의 개수가 4개(111~114)인 경우, 제1 배터리 모듈(110)에 연결된 센싱 와이어의 개수는 5개(110_L1~110_L5)이다.
덧붙여, 연접한 배터리 모듈(100) 간에는 버스바(busbar)(10,20)로 연결된다. 구체적으로, 도 3에 예시된 바와 같이 제1 배터리 모듈(110)과 제2 배터리 모듈(120) 간에 버스바(10)로 연결되며, 제2 배터리 모듈(120)과 제3 배터리 모듈(130) 간에 버스바(20)로 연결된다. 즉, 제1 배터리 모듈(110) 내 말단 셀의 양극과 제2 배터리 모듈(120) 내 첫단 셀의 음극이 버스바(10)로 연결되어 제1 배터리 모듈(110)과 제2 배터리 모듈(120)이 연결되게 된다.
대표적으로 예를 들면 현재 제조되는 하이브리드 차량의 고전압 배터리의 구성은 하나의 배터리 모듈에 3.75V 짜리 셀 8개가 직렬로 연결되며, 이 배터리 모듈 9개를 직렬로 연결되어 270V의 고전압 배터리가 구현될 수 있다.
다수의 센싱부(200)는 배터리 모듈(100)에 대응하는 개수(210,220,230)만큼 구현되며, 다수의 센싱부(200) 각각에는 다수의 커넥터(211,221,231) 및 센싱 IC(212,222,232)를 포함한다.
다수의 커넥터(211,221,231)는 다수의 배터리 모듈(100)의 센싱 와이어들(110_L1~110_L5,120_L1~120_L5,130_L1~130_L5)로부터 셀전압 데이터를 수신하기 위한 구성으로서, 센싱 와이어들 각각에 대응하여 구성된다.
센싱 IC(212,222,232)는 커넥터(211,221,231)를 통해 수신되는 셀전압 데이터를 이용하여 배터리 모듈의 셀전압을 센싱한다. 바람직하게, 센싱 IC(212,222,232)는 다수의 배터리 모듈(110,120,130) 각각의 첫단 셀의 음극에 연결된 센싱 와이어를 접지(110_L1,120_L1,130_L1)로, 배터리 모듈의 말단 셀 양극에 연결된 센싱 와이어(110_L5,120_L5,130_L5)를 전원으로 한다.
제어부(300)는 다수의 센싱부(210,220,230)로부터 셀전압 데이터를 수신하며, 수신된 셀전압 데이터를 이용하여 하이브리드 차량 내 고전압 배터리의 상태를 제어한다. 바람직하게, 제어부(300)는 다수의 센싱부(210,220,230)로부터 수신된 셀전압 데이터를 이용하여 최저 전압과 최대 전압을 산출하며, 하이브리드 차량 내 고전압 배터리의 충전 상태를 파악한다.
본 발명에서는 차량 배터리의 셀전압 센싱 장치의 정밀도를 향상하기 위해 다수의 배터리 모듈(110,120,130)의 센싱 와이어(110_L5~120_L1,120_L5~130_L1) 간을 연결한다. 바람직하게, 제1 배터리 모듈(110) 내 말단 셀 양극에 연결된 센싱 와이어(110_L5)와 제2 배터리 모듈(120) 내 첫단 셀 음극에 연결된 센싱 와이어(120_L1)를 연결(L01)한다. 마찬가지로, 제2 배터리 모듈(120) 내 말단 셀 양극에 연결된 센싱 와이어(120_L5)를 제3 배터리 모듈(130) 내 첫단 셀 음극에 연결된 센싱 와이어(130_L1)를 연결(L02)한다.
이와 같은 연결은 켈빈 접속(kelvin Connetion)에 근거한 것이다. 여기서 켈빈 접속이란, 배터리의 양극 단자 및 음극 단자로 2개의 라인을 접속함으로써, 두쌍의 전기적 접속 라인 중 하나의 접속 라인으로 다량의 전류를 통과시키게 하고, 다른 접속 라인에는 전류가 흐르지 않게 하여 전압 강하가 거의 없이 정확한 전압을 읽은 데에 사용할 수 있다.
즉, 본 발명은 전류가 공급되는 전원 라인과 전류의 귀환 경로인 접지 라인을 공유함으로써, 전류의 흐름을 최소화하여 센싱 와이어의 저항에 의한 전압 강하를 낮출 수 있는 것이다.
구체적으로, 각 센싱 IC(212,222,232)에서의 소모 전류(I)와 각 센싱 와이어들(110_L1~110_L5,120_L1~120_L5,130_L1~130_L5)의 저항(R)을 곱한 I*R가 센싱 와이어들에 의한 전압 강하(W)라 하면, 실제로 셀전압(V)이 인가되는 경우 센싱 IC에서 센싱되는 셀전압은 V-(I*R)이 된다.
그러나, 본 발명에 따라 켈빈 접속에 근거하여 센싱 와이어(110_L5~120_L1,120_L5~130_L1)를 연결한 경우에는 센싱 와이어의 저항(R)은 동일하나 라인에 흐르는 전류(I')는 기존의 전류(I)보다 감소(I>>I')함에 따라, 센싱 와이어에 흐르는 전류에 의한 전압 강하(IR Drop)를 상쇄시켜 수학식 1과 같은 결과가 도출된다.
Figure 112012101905812-pat00001
즉, 본 발명에 따르면 켈빈 접속에 근거하여 센싱 와이어(110_L5~120_L1,120_L5~130_L1)를 연결하여 센싱 와이어에 흐르는 전류가 낮아짐에 따라 전압 강하가 상당히 낮아지며, 이는 종래에 센싱된 셀전압보다는 높으면서도 실제 셀전압(V)에 가까운 셀전압이 센싱될 수 있으며, 실제 배터리 사용 가능 전압 범위도 늘어남에 따라 배터리의 사용 가능 시간도 늘릴 수 있게 된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 배터리 모듈 200 : 센싱부
300 : 제어부

Claims (6)

  1. 직렬로 연결된 복수의 셀과 상기 복수의 셀을 연결하는 연결 단자 각각에 연결된 센싱 와이어를 포함하는 다수의 배터리 모듈;
    상기 다수의 배터리 모듈에 대응하며, 상기 배터리 모듈의 센싱 와이어를 통해 상기 다수의 배터리 모듈 각각의 셀전압을 센싱하는 다수의 센싱부; 및
    상기 다수의 센싱부로부터 센싱된 셀전압을 이용하여 상기 배터리 모듈의 상태를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    제1 배터리 모듈 말단 셀 양극과 제2 배터리 모듈 첫단 셀 음극은 버스바(busbar)로 연결되고,
    임의의 제1 배터리 모듈의 말단 셀 양극에 연결된 센싱 와이어는 상기 제1 배터리 모듈에 연접한 제2 배터리 모듈의 첫단 셀 음극에 연결된 센싱 와이어와 켈빈 접속(Kelvin connection)에 근거하여 연결된 것을 특징으로 하는 차량 배터리의 셀전압 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 센싱부는 :
    상기 다수의 배터리 모듈의 센싱 와이어들로부터 셀전압 데이터를 수신하는 다수의 커넥터;
    상기 다수의 커넥터를 통해 수신되는 셀전압 데이터를 이용하여 셀전압을 센싱하는 센싱 IC;를 포함하며,
    상기 센싱 IC는 상기 배터리 모듈의 첫단 셀 음극에 연결된 센싱 와이어를 접지로, 상기 배터리 모듈의 말단 셀 양극에 연결된 센싱 와이어를 전원으로 하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리의 셀전압 센싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 배터리 모듈에 대응하는 제1 센싱부 및 상기 제2 배터리 모듈에 대응하는 제2 센싱부로부터 셀전압 데이터를 수신하며, 상기 수신된 셀전압 데이터를 이용하여 최저 전압과 최대 전압을 산출 및 배터리 충전 상태를 파악하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리의 셀전압 센싱 장치.
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  5. 삭제
  6. 삭제
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