KR102189003B1 - 전기차용 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치, 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

전기차용 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치, 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기차용 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치, 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 하나의 절연 모듈로 배터리 셀 상태 모니터링 및 밸런싱을 수행하는 통합형 회로 구조를 갖음으로써, 회로 구성, 와이어링 및 시스템 구조가 간단하고 단순하며, 생산이 용이 하고, 제조 원가가 저렴하면서도, 크기는 축소 되고, 대기 및 동작 모드를 제어함으로써 배터리 소모량도 최소화 되어 효율을 향상시킬 수 있도록 한 컴팩트 타입 통합형 장치, 시스템 및 그 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치는, 배터리 셀 상태를 모니터링 하거나, 배터리 셀을 방전시키기 위해서 배터리 셀의 에너지를 전달하는 BSU(Battery Sensing Unit, 500)와 상기 BSU(500)로부터 전달받은 배터리 셀 상태 정보를 외부에 구비된 제어장치(400)에 전달하거나, 상기 BSU(500)로부터 전달받은 배터리 셀의 에너지를 DC-링크에 전달하는 BDU(BSU Drive Unit, 600)를 포함한다.

Description

전기차용 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치, 시스템 및 그 제어방법 {A COMPACT TYPE INTEGRATED BATTERY CELL STATUS MONITORING AND BALANCING DEVICE, SYSTEM, AND ITS CONTROL METHOD FOR AN ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 배터리 셀 간 충전 불균형이 일어나는 것을 방지하기 위한 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치, 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
리튬 이온 전지를 동력원으로 사용하고, 단위 배터리(셀)의 기본 전위보다 높은 전위가 필요한 전기 구동 자동차(이하 ‘전기차’라고 함)에서, 다수의 단위 배터리를 직렬 연결하여 사용하는 것이 통상적이다. 그러나, 통상적인 제조방법을 통해 제조된 배터리는 동일한 양극, 음극 및 전해질 물질을 이용하여 동일한 구조로 제조되었다 하더라도 직렬 연결된 배터리 각각의 충전 또는 방전(및 자가 방전) 특성에 차이가 존재하게 된다. 따라서, 직렬 연결된 배터리의 사용 시 단위 배터리의 전위차가 존재하게 되고, 이로 인해 직렬 연결된 단위 배터리 중 다른 배터리의 전위에 관계없이 하나의 배터리가 완전 방전되었을 경우에도 재충전이 필요하게 되며, 재충전 시에도 각각의 배터리의 전위가 서로 다름으로 인해 일정 전압에 먼저 도달한 배터리의 과충전 문제 및 몇몇 배터리의 과충전이 일어남에도 일정 전압에 아직 도달하지 못한 배터리가 존재하게 되는 충전 비효율의 문제가 있었다.
따라서, 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)을 이용하여 단위 배터리 팩의 상태를 항시 감시하고 관리하여야 한다. 여기서, 배터리 관리 시스템이 수행하는 매우 중요한 임무 중 하나가 배터리 셀간의 전압 불균형을 해소하는 배터리 셀 밸런싱(Battery Cell Balancing)이다. 배터리 에너지원의 SOC(Stateof Charge) 밸런싱을 위해서는 배터리 셀 밸런싱이 이루어져야 하며, 배터리 셀 밸런싱의 방법으로는 수동소자를 이용한 수동 셀 밸런싱(Passive cell balancing)과 컨버터를 이용한 능동 셀 밸런싱(Active cell balancing)으로 구분할 수 있는데, 배터리 셀들 중 특정 셀의 전압이 다른 셀보다 높을 경우, 배터리 셀 양단에 병렬로 연결된 저항을 연결하여 해당 셀의 에너지를 저항을 통해 소비시킴으로써 전압을 감소시키고 있다. 그러나, 이 방법은 회로의 구성은 간단하나 충전 에너지를 저항을 통해 소모시킴으로써 셀 밸런싱의 효율이 낮으며, 셀 밸런싱 시간을 증대시키는 문제점이 있었다. 반면에, 능동 셀 밸런싱(Active cell balancing)에 따른 전하 균일 방안은 도 1a에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 각각에 병렬 접속하는 양방향 DC-DC 컨버터를 구성함으로써, 과충전된 배터리 셀의 전압은 에너지 버스부로 방전되도록 제어하고, 저충전된 배터리 셀은 에너지 버스부에 공유된 잉여 전력이 해당 배터리 셀로 충전되도록 하여 셀 밸런싱이 이루어지도록 한다. 이러한 액티브 방식의 셀 밸런싱 방법은 대한민국 등록특허 제10-1165593호(양방향 디씨-디씨 컨버터를 이용한 배터리 관리 시스템의 셀 밸런싱 회로 장치)에 그 상세한 설명이 언급되어 있으므로, 이하에서는 그 상세한 설명을 생략한다. 상술한 능동 셀 밸런싱에 따른 전하 균일 방안은 수동 셀 밸런싱에 비하여 에너지 효율은 좋으나 셀 당 1개의 양방향 DC-DC 컨버터를 사용 하므로 회로 및 콘트롤(Control)이 대단히 복잡하다는 문제점을 내재하고 있다. 이해를 돕기 위해, 도 1a의 구성에서, 배터리 셀 별로 구비되고, 전기적 절연기능을 포함하는 배터리 셀 모니터링부(200)와 양방향 DC-DC컨버터(300)를 포함한 시스템을 도 1b에 나타내었다. 모니터링부(200)와 양방향 DC-DC컨버터 각각 전기적으로 절연되어야 한다. 그 이유는 직렬로 연결된 배터리 셀들의 음의 단자들의 전위가 다르기 때문이고, 또한, 고전압 배터리와 제어 전원은 제어기의 오동작 방지를 위해서 전기적으로 분리시키는 것이 일반적이다. 나아가, 전기차에 있어서 제어 전원의 그라운드는 차체와 연결되므로, 사용자의 안전을 위해서 특히 고전압 배터리와 제어 전원간의 전기적 절연은 매우 중요하다. 또한, 배터리 셀 모니터링부의 1차측과 2차측간 절연을 위해서 전용 칩을 사용할 수 있는데, 전용 칩의 가격이 높고, 나아가 배터리 셀 개수만큼 필요한 점에서 재료비가 상승하는 문제가 있었다.
즉, 종래의 능동 셀 밸런싱 장치는 배터리 셀 당 1개의 양방향 DC-DC 컨버터와 배터리 셀 모니터링 장치로 구성되는데, 각 배터리 셀의 기준 전위(음극 전위)가 상이하므로 양방향 DC-DC컨버터와 배터리 셀 모니터링 장치 각각 절연형이어야 하는 점에서, 셀 밸런싱 장치의 회로, 와이어링 및 시스템이 매우 복잡해지고, 크기가 증대되며, 부품 가격이 크게 상승하는 문제점이 있었다. 특히, 자동차는 부품의 설치공간이 한정되어 있고, 재료비 경쟁이 치열한 분야로서, 부품 크기 축소, 시스템 간소화, 재료비 절감이 매우 중요하므로, 위와 같은 문제점은 해결해야 할 중요한 과제 중의 하나였다.
본 발명은, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 절연 모듈로 배터리 셀 상태 모니터링 및 밸런싱을 수행하는 통합형 회로 구조를 갖음으로써, 회로 구성, 와이어링 및 시스템 구조가 간단하고 단순하며, 생산이 용이 하고, 제조 원가가 저렴하면서도, 크기는 축소 되고, 대기 및 동작 모드를 제어함으로써 배터리 소모량도 최소화 되어 효율을 향상시킬 수 있도록 한 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치, 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배터리 셀의 양단 전압과 배터리 셀의 온도 중 적어도 하나에 기초한 배터리 셀 상태 정보에 기초한 통신 메시지를 생성하고, 상기 통신 메시지를 기초로 전기신호를 출력하며, 상기 배터리 셀을 방전시킬 필요가 있는 경우, 상기 전기신호에 상기 배터리 셀의 에너지 전달하기 위한 신호를 추가하여, 하나의 전기신호로 배터리 셀 상태 정보와 배터리 셀 에너지를 동시에 전달하는 BSU(Battery Sensing Unit, 500);와 상기 BSU로부터 전달받은 전기신호를 외부 제어장치에 전달하거나, 상기 BSU로부터 전달받은 전기신호를 DC-링크에 연결하여 전력을 전달하는 BDU(BSU Drive Unit, 600)를 포함하고, 상기 BSU는, 상기 배터리 셀과 상기 BDU간을 전기적 절연시키는 것을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치를 제공한다.
본 발명은 전기차, 전기자전거, 드론, 이동 로봇, ESS(Energy Storage System) 등 배터리를 사용하는 시스템에 적용가능 하다.
상기 BSU는, 상기 배터리 셀 양단과 연결된 제1-1연결부, 상기 BDU와 연결된 제1-2연결부, 상기 제1-1연결부와 제1-2연결부간을 전기적으로 절연시키는 하나의 트랜스포머, 상기 트랜스포머와 연결되고, 상기 배터리 셀 상태 정보와 상기 배터리 셀 에너지를 포함한 상기 전기신호를 생성하는 제1스위치 및 상기 제1스위치를 제어하는 서브 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 BDU는, 상기 BSU와 연결된 제2-1연결부, DC-링크에 연결된 제2-2연결부, 상기 제어장치에 연결된 제2-3연결부, 상기 제2-1연결부의 제1단자와 상기 제2-2연결부사이에 구비되고, 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위가 상기 제2-2연결부(670)의 전위보다 높은 경우, 상기 제2-1연결부의 제1단자와 상기 제2-2연결부를 연결하여 상기 배터리 셀의 에너지를 상기 DC-링크로 전달하는 제1반도체 소자, 상기 제2-1연결부의 제1단자와 상기 제2-3연결부사이에 구비되고, 상기 제2-1연결부의 제1단자의 전위가 상기 제2-1연결부의 제2단자의 전위와 같거나 낮은 경우, 수신한 상기 전기신호에 기초한 통신 신호를 상기 제어장치에 전달하는 통신신호 추출부를 포함하는 것, 상기 제2-1연결부의 제2단자는 제어 전원의 그라운드인 GND와 연결된 것, 및 상기 DC-링크는 정전압원에 연결된 것이 바람직하다.
여기서, 상기 정전압원은 배터리, 커패시터, 컨버터, 에너지 저장장치 등 일 수 있고, 제어장치(400)의 제어 전원으로 사용될 수 있으며, 균등장치의 대상이 되는 배터리가 아닌 별도의 배터리일 수 있다.
상기 트랜스포머는, 1차측 권선과 2차측 권선이 전기적으로 절연되어 있고, 상기 제1스위치가 ON되면 상기 BSU의 제2연결부의 제1단자의 전압이 제2단자의 전압보다 낮도록 1차측 권선과 2차측 권선이 역방향으로 구성되고, 상기 제1스위치의 일측은 상기 트랜스포머의 1차측 권선의 일측과 연결되며, 상기 제1스위치의 타측은 상기 배터리 셀의 음극과 연결되는 것이 바람직하다.
상기 통신신호 추출부는 제2스위치와 통신신호 추출 다이오드를 포함하고, 상기 통신신호 추출 다이오드의 캐소드는 상기 제2-1연결부의 제1단자와 연결되며, 상기 통신신호 추출 다이오드의 애노드는 상기 제2스위치와 연결되고, 상기 제2스위치는, Bi-Polar 트랜지스터로서, 콜렉터는 상기 제2-3연결부와 연결되고, 베이스는 상기 GND와 연결되며, 에미터는 상기 통신신호 추출 다이오드와 연결된 것이 바람직하다.
상기 BDU는, 상기 제2-1연결부의 제1단자와 상기 GND 사이에 구비된 신호전달용 제1저항 및 상기 제2-3연결부와 제어 전원인 VDD 사이에 구비된 신호전달용 제2저항을 더 포함하고, 상기 BSU는, 제1-2연결부의 양단 사이에 출력 필터부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 서브 제어부는, 상기 배터리 셀 상태 정보를 기초로 상기 통신 메시지를 생성하고, 상기 통신 메시지를 기초로 제1코드를 생성하며, 상기 배터리 셀의 방전 필요 여부 판단 결과를 기초로 제2코드를 생성하고, 상기 제1코드와 제2코드를 기초로 상기 제1스위치를 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 on 또는 off 시키고, 상기 제2코드에 의한 제1스위치의 on 유지시간이, 상기 제1코드에 의한 제1스위치의 on 유지시간에 비해서 큰 것이 바람직하다.
상기 제1반도체 소자는 다이오드이고, 상기 제1반도체 소자의 애노드는 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 연결되며, 상기 제1반도체 소자의 캐소드는 상기 제2-2연결부와 연결되는 것이 바람직하다.
상기 서브 제어부는, 상기 배터리 셀 상태 정보를 기초로 상기 배터리 셀의 방전 필요 여부를 판단하는 것이 바람직하다.
또 다른 실시예로서, 상기 BDU는, 상기 제어장치와 연결되고, 상기 제어장치로부터 BSU 동작 제어 신호를 수신하는 제2-4연결부을 더 포함하고, 상기 BSU 동작 제어 신호는 상기 BSU를 기동시키는 기동 요청 모드, 배터리 셀 상태 정보 전송을 지시하는 정보 요청 모드, 배터리 셀을 방전시키는 방전 요청 모드, 대기 상태 진입 요청 모드 중 적어도 하나의 모드 정보를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1반도체 소자는, 병렬로 연결된 환류 다이오드를 포함한 MOSFET이거나 IGBT일 수 있고, 상기 제1반도체 소자의 드레인은 제2-1연결부의 제1단자와 연결되고, 상기 제1반도체 소자의 소스는 상기 제2-2연결부와 연결되며, 상기 제1반도체 소자의 게이트는 상기 제2-4연결부와 연결되는 것이 바람직하다.
상기 BSU는, 상기 서브 제어부와 상기 제1스위치의 게이트 사이에 구비된 게이트 드라이브 및 상기 게이트 드리이브와 상기 서브 제어부가 연결된 제1노드와 상기 제1스위치의 드레인 사이에 구비된 제1수신 회로 및 상기 제1노드와 상기 배터리 셀의 양극사이에 구비된 제2수신회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1수신 회로는 커패시터와 저항으로 구성될 수 있고, 상기 제2수신 회로는 저항일 수 있다.
상기 제1반도체 소자는, 상기 제어장치로부터 상기 제2-4연결부를 통해 수신된 상기 BSU 동작 제어 신호에 따라 상기 제2-1연결부, 상기 제1-2연결부 및 제1수신 회로를 통해서 상기 BSU의 서브 제어부에 상기 BSU 동작 제어 신호를 전달하는 것이 바람직하다.
상기 서브 제어부는, 상기 BSU 동작 제어 신호를 수신하고, 상기 BSU 동작 제어 신호에 따라서, 대기 모드에서 동작 모드로 전환하거나, 상기 배터리 셀 상태 정보를 생성하여 상기 BDU을 통해 상기 제어장치에 전송하거나, 상기 배터리 셀을 방전시키거나, 대기 모드로 진입하는 것이 바람직하다.
상기 서브 제어부는, 상기 BSU 동작 제어 신호에 따른 동작을 실시한 이후에, 대기 모드로 진입하는 것이 바람직하다.
상기 시스템은, 상기 BDU과 연결된 제어장치와, 상기 BDU와 연결되고 상기 BSU가 상기 BDU을 통해서 전달한 상기 배터리 셀의 에너지를 저장하는 에너지 저장장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 제어장치(400)가, (a)복수의 배터리 셀 중 하나인 n번째 배터리를 선택하는 단계; (b) 상기 n번째 배터리 셀의 BDU(BDUn)을 통해서 상기 n번째 배터리 셀의 BSU(BSUn)에 기동 요청 신호를 전송하는 단계; 상기 BSU가, (c) 상기 기동 요청 신호를 수신하면 대기모드에서 동작모드로 전환하는 단계; (d) 상기 배터리 셀의 상태 정보를 전송하는 단계를 특징으로 하는 제어방법을 제공한다.
상기 (d) 단계 이후에, 상기 제어장치(400)는, (e) 복수의 배터리 셀의 상태 정보 집합을 기초로 배터리 셀들의 균등충전을 위해 상기 n번째 배터리 셀을 방전 수행 여부를 판단하는 단계, (f) 상기 판단 결과에 따라, 상기 BDU를 통해서 상기 BSU에게 방전 요청 신호를 전송하는 단계, 상기 BSU는, (g) 상기 방전 요청 신호를 받으면, 방전 펄스 및 배터리 셀 상태 정보 데이터 펄스 제어를 하는 단계, (h) 상기 BDU를 통해서 상기 제어장치(400)에는 상기 배터리 셀 상태 정보를 전송하고, 상기 에너지 저장장치에는 상기 배터리 셀의 에너지를 전달하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (h) 단계 이후에, 상기 BSU는 대기모드로 전환하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 (d) 단계에서, 상기 배터리 셀 상태 정보는 상기 대기모드로 진입하기 전에 저장된 이전 동작 시점의 배터리 셀 상태 정보인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 복수의 배터리 셀들 간의 불균형을 간단한 회로 구성을 이용해서 해소하는 효과가 있다.
(2) 하나의 트랜스포머와 하나의 스위치(제1스위치)만을 이용하여, 배터리 셀과 제어부 및 제어전원 사이의 배터리 상태 정보에 대한 절연된 통신과 배터리 셀 방전을 위해 에너지를 전달함으로써, 복수의 트랜스포머와 복수의 스위치를 사용하는 종래 방식에 비해서 부품수 저감, 재료비 절감, 크기 축소, 와이어링 감소, 시스템 간소화 가능한 효과가 있다.
(3) DC-링크에 배터리, 커패시터, 컨버터, 에너지 저장장치 등의 정전압원을 연결함으로써, 하나의 스위치와 하나의 트랜스포머만으로 배터리 셀 정보에 대한 통신과 배터리 셀 방전을 위한 에너지 전달을 동시에 할 수 있는 효과가 있다.
(4) 실시 형태1의 경우, BSU의 서브 제어부가 배터리 셀 상태 정보를 생성하고, 또한 방전 필요 여부를 자체적으로 판단하여, 그 판단 결과를 기초로 방전을 시키는 특징으로 인하여 시스템을 간단하게 만들고, 재료비를 절감시키는 효과를 나타낼 수 있다.
(5) 실시 형태2의 경우, 제어장치(400)에서 BDU를 통해서 BSU를 기동(대기모드에서 동작 모드로 전환)시키거나, 배터리 셀 상태 정보를 전송하도록 하거나, 배터리 셀을 방전시키도록 하거나, 대기 모드로 전환시키는 BSU동작 제어 신호를 전송함으로써, 복수의 배터리 셀의 상태의 균일성을 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
(6) 필요에 따라 BSU를 대기모드를 전환함으로써, BSU구동에 따른 배터리 소모량을 최소화 함으로써 시스템 효율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
(7) 복수의 BSU 중에 특정 BSU만을 기동시켜 동작시킴으로써, 배터리 소모량을 최소화 시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 예시적인 실시 형태의 특징, 이점 및 기술적 그리고 산업적 중요성이 첨부 도면을 참조하여 하기에 기술될 것이며, 첨부 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
도 1a는 종래의 배터리 셀 모니터링부와 양방향 DC-DC컨버터를 별도로 구비한 능동 배터리 셀 밸런싱 시스템을 도시한 것이다.
도 1b는 종래의 절연된 배터리 셀 모니터링부와 절연된 DC-DC컨버터를 구비한 능동 배터리 셀 밸런싱 시스템을 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명에 따른 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치의 구성 일례이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 본 발명에 따른 BSU(Battery Sensing Unit)와 BDU(BSU Drive Unit)의 회로 및 연결관계를 나타낸 회로도이다.
도 3은 도 2b에 도시된 본 발명에 따른 BSU(Battery Sensing Unit)와 BDU(BSU Drive Unit)의 각 부위 신호 파형을 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명에 따른 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치의 구성의 또 다른 일례이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 본 발명에 따른 BSU(Battery Sensing Unit)와 BDU(BSU Drive Unit)의 회로 및 연결관계를 나타낸 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치의 제어 방법을 나타낸 신호 흐름도이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시 예를 통하여 보다 분명해질 것이다.
이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "～사이에"와 "바로 ～사이에" 또는 "～에 인접하는"과 "～에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
[실시 형태 1]
도 2a는 본 발명에 따른 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치의 구성의 실시예를 도시하였고, 도 2b는 도 2a에 도시된 BSU(Battery Sensing Unit)와 BDU(BSU Drive Unit)의 회로 및 연결관계를 나타낸 회로도의 실시예를 도시하였다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명은, 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치로서, 배터리 셀 상태를 모니터링 하거나, 배터리 셀을 방전시키기 위해서 배터리 셀의 에너지를 전달하는 BSU(Battery Sensing Unit, 500)와; 상기 BSU(500)로부터 전달받은 배터리 셀 상태 정보를 외부에 구비된 제어장치(400)에 전달하거나, 상기 BSU(500)로부터 전달받은 배터리 셀의 에너지를 DC-링크에 전달하는 BDU(BSU Drive Unit, 600)를 포함할 수 있다.
상기 BSU(500)는, 배터리 셀(100)의 양단 전압과 배터리 셀의 온도 중 적어도 하나를 포함한 배터리 셀 상태 정보에 기초한 통신 메시지를 생성하고, 상기 통신 메시지를 기초로 전기신호를 출력하며, 소정의 방전 조건이 만족되는 경우, 상기 배터리 셀을 방전시키기 위해서 상기 전기신호에 상기 배터리 셀의 에너지 전달하기 위한 신호를 추가하여, 하나의 전기신호로 배터리 셀 상태 정보와 배터리 셀 에너지를 동시에 전달할 수 있으며, 상기 배터리 셀(100)과 상기 BDU(600)간을 전기적으로 절연시킬 수 있다.
여기서, 배터리 셀의 온도 정보는 배터리 셀 근방에 구비된 온도센서로부터 얻을 수 있고, 배터리 셀의 전압 정보는 배터리 셀 양단 전압을 측정하는 전압 센서로부터 또는 배터리 셀 양단과 연결된 서브 제어부의 A/D컨버터로부터 얻을 수 있다.
상기 소정의 방전 조건은 측정된 배터리 셀 전압이 정해진 소정의 기준 전압 값 보다 큰 조건이거나, 측정된 배터리 셀 온도가 정해진 소정의 기준 온도 값보다 큰 조건이거나, 배터리 셀 전압이 배터리 셀 온도별로 정해진 소정의 기준 전압 값 보다 큰 조건이거나, 배터리 온도가 배터리 셀 전압별로 정해진 소정의 기준 온도 값보다 큰 조건, 또는 위 조건들의 조합일 수 있다.
또한, 상기 소정의 방전 조건은 복수의 배터리 셀 전압들 또는 온도들과 선택된 배터리 셀의 전압 또는 온도를 기초로 정해질 수 있다. 예를 들어, 선택된 배터리 셀의 전압이 복수의 배터리 셀 전압들의 평균값보다 소정 허용범위 이상으로 큰 경우나, 선택된 배터리 셀의 온도에 기초하여 보정된 선택된 배터리 셀 전압의 보정 값이 나머지 배터리 셀들의 전압의 평균값과 비교하여 허용범위 이상으로 큰 경우 등 배터리 셀들간 상태가 균등하지 못한 조건을 포함한다.
상기 BSU(500)는, 상기 배터리 셀(100) 양단(양극 및 음극)과 연결된 제1-1연결부(580), 상기 BDU(600)와 연결된 제1-2연결부(591, 592), 상기 제1-1연결부(580)와 제1-2연결부(591, 592)간을 전기적으로 절연시키고 상기 배터리 셀 상태 정보 전달 및 상기 배터리 셀 에너지 방전을 위한 상기 전기 신호를 상기 제1-1연결부(580) 측으로부터 제1-2연결부(591, 592) 측으로 전달하는 트랜스포머(520), 상기 트랜스포머(520)와 연결되고, 상기 배터리 셀 상태 정보와 상기 배터리 셀 에너지 중 적어도 하나를 포함한 상기 전기신호를 생성하는 제1스위치(530), 및 상기 제1스위치(530)를 제어하는 서브 제어부(540)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 BSU(500)는, 상기 배터리 셀(100) 양단(양극 및 음극)과 연결된 제1-1연결부(580), 상기 BDU(600)와 연결된 제1-2연결부(591, 592), 상기 제1-1연결부(580)와 제1-2연결부(591, 592)간을 전기적으로 절연시키는 하나의 트랜스포머(520), 상기 트랜스포머(520)과 연결되고, 상기 배터리 셀 상태 정보와 상기 배터리 셀 에너지를 포함한 상기 전기신호를 생성하는 제1스위치(530), 및 상기 제1스위치(530)를 제어하는 서브 제어부(540)를 포함할 수 있다.
이러한 회로 구조는, 하나의 트랜스포머와 하나의 스위치(제1스위치)만을 이용하여, 배터리 셀과 제어부(400) 및 제어전원 사이의 배터리 상태 정보에 대한 절연된 통신과 배터리 셀 방전을 위해 에너지를 전달함으로써, 복수의 트랜스포머와 복수의 스위치를 사용하는 종래 방식에 비해서 부품수 저감, 재료비 절감, 크기 축소, 와이어링 감소, 및 시스템을 간소화할 수 있는 효과가 있다.
상기 BDU(600)는, 상기 BSU(500)와 연결된 제2-1연결부(661, 662), DC-링크에 연결된 제2-2연결부(670), 외부 제어장치(400)에 연결된 제2-3연결부(680), 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 상기 제2-2연결부(670)사이에 구비되고, 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위가 상기 제2-2연결부(670)의 전위보다 높은 경우, 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 상기 제2-2연결부(670)를 연결하여 상기 배터리 셀의 에너지를 상기 DC-링크로 전달하는 제1반도체 소자(610), 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 상기 제2-3연결부(670)사이에 구비되고, 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위가 상기 제2-1연결부의 제2단자(662)의 전위와 같거나 낮은 경우, 수신한 상기 전기신호에 기초한 통신 신호를 상기 제어장치(400)에 전달하는 통신신호 추출부(620)를 포함하고, 상기 제2-1연결부의 제2단자(662)는 제어 전원의 그라운드인 GND와 연결되고, 상기 DC-링크는 정전압원에 연결될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1스위치(530)의 ON구간 동안 정전압원(또는 에너지 저장장치)에 연결된 제2-2연결부(670) 및 DC-링크에 정전압원에 의한 전위가 형성되어 있으므로, 제1반도체 스위치에 의해서 제2-2연결부(670) 및 DC-링크와 제2-1연결부의 제1단자(661)간 전기적 연결이 차단되고, 통신신호 추출부(620)의 통신신호 추출 다이오드(622)를 통해서 통신신호로서 제2-3연결부(680)에 신호를 전달하게 된다. 반면 제1스위치(530)의 OFF 구간동안, 제1스위치(530), 트랜스포머(520) 및 제1반도체 소자(610)은 플라이백 컨버터로서 동작하여 배터리 셀 측 에너지를 DC-링크 쪽으로 전달하고, 이때, 통신신호 추출 다이오드(622)는 역으로 BIAS되서 제2-2연결부(670) 측으로는 신호가 전달되지 않는다. 여기서, 통신신호만 전달하는 경우에는 제1스위치의 ON Duty를 매우 작게 함으로써 플라이백 컨버터로서의 역할을 최소화하고 통신신호 전달 기능을 하게되고, On Duty를 길게하면, 플라이백 컨버터로서 역할을 수행하게 된다. 도 3에서 data라고 기재되고, 빗금이 쳐진 구간이 통신모드이며, energy라고 기재되고 빗금이 쳐진 구간이 전력전달모드이다. 통신모드로 동작하는 경우, 제1스위치(530) OFF 구간에서 A단자 전위(제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위)이 제2-2연결부(670)의 전위(Vx) 보다 낮도록 제1스위치(530)의 ON DUTY가 작게 제어되고, 전력전달모드로 동작하는 경우, 제1스위치(530) OFF 구간에서 A단자 전위(제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위)이 제2-2연결부(670)의 전위(Vx) 보다 높도록 제1스위치(530)의 ON DUTY가 크게 제어된다. 즉, 제1스위치(530)의 ON Duty에 따라 제2-1연결부의 제1단자(661)와 제2-2연결부(670)간의 상대적인 전위차가 바뀌어, 서로 다른 모드로 동작한다. 제어장치(400)는 RxD신호를 수신하고, 제1스위치(530) OFF 구간에서 A단자 전위(제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위)이 제2-2연결부(670)의 전위(Vx) 보다 낮도록 제1스위치(530)의 ON DUTY가 작게 제어되는 통신모드에서 배터리 셀 모니터링 정보를 수신한다.
따라서, DC-링크에 정전압원을 연결하는 특징이 하나의 스위치와 하나의 트랜스포머만으로 배터리 셀 정보에 대한 통신과 배터리 셀 방전을 위한 에너지 전달을 동시에 할 수 있는 효과를 발생시키는 것이다.
여기서, 상기 정전압원은 배터리, 커패시터, 컨버터, 에너지 저장장치 등 일 수 있고, 제어장치(400)의 제어 전원으로 사용될 수 있으며, 균등장치의 대상이 되는 배터리가 아닌 별도의 배터리일 수 있다.
상기 트랜스포머(520)는, 1차측 권선과 2차측 권선이 전기적으로 절연되어 있고, 상기 제1스위치(530)가 ON되면 상기 BSU(500)의 제2연결부의 제1단자(591)의 전압이 제2단자(592)의 전압보다 낮도록 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선이 역방향으로 구성되고, 상기 제1스위치(530)의 일측은 상기 트랜스포머(520)의 1차측 권선의 일측과 연결되고, 상기 제1스위치(530)의 타측은 상기 배터리 셀의 음극과 연결될 수 있다.
상기 통신신호 추출부(620)는 제2스위치(621)와 통신신호 추출 다이오드(622)를 포함하고, 상기 통신신호 추출 다이오드(622)의 캐소드는 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 연결되고, 상기 통신신호 추출 다이오드(622)의 애노드는 상기 제2스위치(621)와 연결되며, 상기 제2스위치(621)는, Bi-Polar 트랜지스터로서, 콜렉터는 상기 제2-3연결부(680)와 연결되고, 베이스는 상기 GND와 연결되며, 에미터는 상기 통신신호 추출 다이오드(622)와 연결될 수 있다.
상기 BDU(600)는, 상기 BDU(600)의 제1연결부의 일단자와 상기 GND 사이에 구비된 신호전달용 제1저항(640), 및 상기 제2-3연결부(RxD, 680)와 제어 전원인 VDD 사이에 구비된 신호전달용 제2저항(650)을 더 포함한 것, 상기 BSU(500)는, 제1-2연결부의 양단(591, 592) 사이에 출력 필터부(510)를 더 포함할 수 있다.
상기 서브 제어부(540)는, 상기 배터리 셀 상태 정보를 기초로 상기 통신 메시지를 생성하고, 상기 통신 메시지를 기초로 제1코드를 생성하며, 상기 배터리 셀의 방전 필요 여부 판단 결과를 기초로 제2코드를 생성하고, 상기 제1코드와 제2코드를 기초로 상기 제1스위치(530)를 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 on 또는 off 시키는 것, 상기 제2코드에 의한 제1스위치의 on 유지시간이, 상기 제1코드에 의한 제1스위치의 on 유지시간에 비해서 클 수 있다.
상기 제1반도체 소자(610)는 다이오드이고, 상기 제1반도체 소자(610)의 애노드는 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 연결되고, 상기 제1반도체 소자(610)의 캐소드는 상기 제2-2연결부(Pxi, 670)와 연결될 수 있다.
상기 서브 제어부(540)는, 상기 배터리 셀 상태 정보를 기초로 상기 배터리 셀의 방전 필요 여부를 판단할 수 있다.
[실시 형태 2]
도 4a와 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 상기 BDU(600)는, 상기 제어장치(400)와 연결되고, 상기 제어장치(400)로부터 BSU 동작 제어 신호를 수신하는 제2-4연결부(690)을 더 포함하고, 상기 BSU 동작 제어 신호는 상기 BSU(500)를 기동시키는 기동 요청 모드, 배터리 셀 상태 정보 전송을 지시하는 정보 요청 모드, 배터리 셀을 방전시키는 방전 요청 모드, 대기 상태 진입 요청 모드 중 적어도 하나의 모드 정보를 포함할 수 있다.
상기 제1반도체 소자(610)는, 병렬로 연결된 환류 다이오드를 포함한 MOSFET이고, 상기 제1반도체 소자(610)의 드레인은 제2-1연결부의 제1단자(661)와 연결되며, 상기 제1반도체 소자(610)의 소스는 상기 제2-2연결부(670)와 연결되고, 상기 제1반도체 소자(610)의 게이트는 상기 제2-4연결부(690)와 연결될 수 있다.
상기 BSU(500)는, 상기 서브 제어부(540)와 상기 제1스위치(530)의 게이트 사이에 구비된 게이트 드라이브(550), 및 상기 게이트 드리이브(550)와 상기 서브 제어부(540)가 연결된 제1노드와 상기 제1스위치(530)의 드레인 사이에 구비된 제1수신 회로(560), 및 상기 제1노드와 상기 배터리 셀의 양극사이에 구비된 제2수신회로(564)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1수신 회로(560)는 커패시터(562)와 저항(563)으로 구성될 수 있고, 상기 제2수신 회로(564)는 저항일 수 있다.
상기 제1반도체 소자(610)는, 상기 제어장치(400)으로부터 상기 제2-4연결부(690)를 통해 수신된 상기 BSU 동작 제어 신호에 따라 상기 제2-1연결부(661, 662), 상기 제1-2연결부(591, 592), 및 제1수신 회로(560)를 통해서 상기 BSU(500)의 서브 제어부(540)에 상기 BSU 동작 제어 신호를 전달할 수 있다.
상기 서브 제어부(540)는, 상기 BSU 동작 제어 신호를 수신하고, 상기 BSU 동작 제어 신호에 따라서, 대기(Sleep) 모드에서 동작(Active) 모드로 전환하거나, 상기 배터리 셀 상태 정보를 생성하여 상기 BDU(600)을 통해 상기 제어장치(400)에 전송하거나, 상기 배터리 셀을 방전시키거나, 대기(Sleep) 모드로 진입할 수 있다.
제어장치(400)에서 BDU를 통해서 BSU를 기동(대기모드에서 동작 모드로 전환)시키거나, 배터리 셀 상태 정보를 전송하도록 하거나, 배터리 셀을 방전시키도록 하거나, 대기 모드로 전환시키는 BSU동작 제어 신호를 전송하는 위와 같은 특징은 복수의 배터리 셀의 상태의 균일성을 정밀하게 제어할 수 있는 효과를 나타낸다.
상기 서브 제어부(540)는, 상기 BSU 동작 제어 신호에 따른 동작을 실시한 이후에, 대기(Sleep) 모드로 진입할 수 있다. 이러한, 특징은 필요에 따라 BSU를 대기모드를 전환함으로써, BSU구동에 따른 배터리 소모량을 최소화함으로써 시스템 효율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
[실시 형태 3]
본 발명의 시스템은, 상기 BDU(600)와 연결된 제어장치(400), 상기 BDU(600)와 연결되고, 상기 BSU(500)가 상기 BDU(600)을 통해서 전달한 상기 배터리 셀의 에너지를 저장하는 에너지 저장장치(900)을 더 포함할 수 있다.
[실시 형태 4]
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어방법은, 제어장치(400)가, (a)복수의 배터리 셀 중 하나인 n번째 배터리를 선택하는 단계 (b) 상기 n번째 배터리 셀의 BDU(BDUn)을 통해서 상기 n번째 배터리 셀의 BSU(BSUn)에 기동 요청 신호를 전송하는 단계, 상기 BSU이, (c) 상기 기동 요청 신호를 수신하면 대기모드에서 동작모드로 전환하는 단계, (d) 상기 배터리 셀의 상태 정보를 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 특징은 필요한 경우에만 특정 BSU를 동작시킴으로써, 배터리 소모량을 최소화 시킬 수 있는 효과가 있다.
여기서, (d)단계에서 전송하는 배터리 셀의 상태 정보는 이전 동작모드에서 생성된 배터리 셀의 상태 정보이거나, 기동 요청 신호를 수신한 후 생성된 배터리 셀의 상태 정보일 수 있다.
이전 동작모드에서 생성된 배터리 셀의 상태 정보를 이용하면 대기모드에서 동작모드로 전환되는 즉시 이전에 저장된 배터리 셀 상태 정보를 전달함으로써 단시간에 셀 균등 조치를 취할 수 있는 효과가 있다.
기동 요청 신호를 수신한 후 생성된 배터리 셀의 상태 정보를 이용하면, 동작 시작 시점의 보다 정확한 배터리 셀의 상태 정보를 취득할 수 있는 효과가 있다.
어떤 정보를 이용할지 여부는 특정 BSU의 동작 주기시간이 짧으면, 이전 동작모드에서 생성된 배터리 셀의 상태 정보를 이용하는 것이 바람직하고, 특정 BSU의 동작 주기시간이 길면, 기동 요청 신호를 수신한 후 생성된 배터리 셀의 상태 정보를 이용하는 것이 바람직 할 수 있다.
상기 (d) 단계 이후에, 상기 제어장치(400)는, (e) 복수의 배터리 셀의 상태 정보 집합을 기초로 배터리 셀들의 균등충전을 위해 상기 n번째 배터리 셀을 방전 수행 여부를 판단하는 단계, (f) 상기 판단 결과에 따라, 상기 BDU를 통해서 상기 BSU에게 방전 요청 신호를 전송하는 단계, 상기 BSU는 (g) 상기 방전 요청 신호를 받으면, 방전 펄스 및 배터리 셀 상태 정보 데이터 펄스 제어를 하는 단계, (h) 상기 BDU를 통해서 상기 제어장치(400)에는 상기 배터리 셀 상태 정보를 전송하고, 상기 에너지 저장장치에는 상기 배터리 셀의 에너지를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (h) 단계 이후에, (i) 상기 BSU는 대기모드로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (d) 단계에서, 상기 배터리 셀 상태 정보는 상기 대기모드로 진입하기 전에 저장된 이전 동작 시점의 배터리 셀 상태 정보일 수 있다. 이러한 특징은 대기모드에서 동작모드로 전환되는 즉시 이전에 저장된 배터리 셀 상태 정보를 전달함으로써 단시간에 셀 균등 조치를 취할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
본 발명은 절연 통신 기능이 내장된 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치, 시스템 및 그 제어방법에 대한 발명으로서, 전기차 등 분야에서 산업상 이용가능하다.
100 : 배터리 셀 200 : 배터리 센싱 모듈
300 : 양방향 DC-DC 컨버터
400 : 제어장치 500 : BSU(Battery Sensing Unit)
510 : 출력 필터부 520 : 트랜스포머
530 : 제1스위치 540 : 서브 제어부
550 : 게이트 드라이버
561 : 제너다이오드 Z
562 : 제1커패시터 563 : 제1저항
564 : 제2저항 570 : 온도 센서
580 : BSU의 제1-1연결부
591 : BSU의 제1-2연결부의 제1단자(A)
592 : BSU의 제1-2연결부의 제2단자(Com)
600 : BDU (BSU Drive Unit)
610 : 제1반도체 소자
620 : 통신신호 추출부
621 : 제2스위치 622 : 통신신호 추출 다이오드
640 : 신호전달용 제1저항
650 : 신호전달용 제2저항
661 : 제2-1연결부의 제1단자(A)
662 : 제2-1연결부의 제2단자(Com)
670 : 제2-2연결부(Pxi)
680 : 제2-3연결부(RxD)
690 : 제2-4연결부 700 : DC-링크
800 : BMS

Claims (21)

  1. 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치로서,
    일측이 배터리 셀과 연결되고, 배터리 셀의 상태 모니터링 기능 및 배터리 셀을 방전시키기 위해서 배터리 셀의 에너지 전달 기능을 수행하는 BSU(Battery Sensing Unit, 500);와
    상기 BSU(500)와 연결되고, 상기 BSU(500)로부터 전달받은 배터리 셀 상태 정보를 외부에 구비된 제어장치(400)에 전달하는 기능 및 상기 BSU(500)로부터 전달받은 배터리 셀의 에너지를 DC-링크에 전달하는 기능을 수행하는 BDU(BSU Drive Unit, 600);를 포함하고,
    상기 BSU(500)는,
    상기 BDU(600)와 연결된 제1-2연결부(591, 592),
    상기 배터리 셀과 상기 제1-2연결부(591, 592)간을 전기적으로 절연시키는 트랜스포머(520),
    상기 트랜스포머(520)와 상기 배터리 셀 사이에 구비된 제1스위치(530), 및
    상기 제1스위치(530)를 제어하는 서브 제어부(540)를 포함하고,
    상기 BDU(600)는,
    상기 BSU(500)와 연결된 제2-1연결부(661, 662),
    DC-링크에 연결된 제2-2연결부(670),
    상기 제어장치(400)에 연결된 제2-3연결부(680),
    상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 상기 제2-2연결부(670) 사이에 구비되고, 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위가 상기 제2-2연결부(670)의 전위보다 높은 경우, 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 상기 제2-2연결부(670)를 연결하여 상기 배터리 셀의 에너지를 상기 DC-링크로 전달하는 제1반도체 소자(610), 및
    상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 상기 제2-3연결부(680)사이에 구비되고, 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위가 상기 제2-1연결부의 제2단자(662)의 전위와 같거나 낮은 경우, 수신한 상기 전기신호에 기초한 통신 신호를 상기 제어장치(400)에 전달하는 통신신호 추출부(620)를 포함하고,
    상기 제2-1연결부의 제2단자(662)는 제어 전원의 그라운드인 GND와 연결되며,
    상기 DC-링크는 정전압원 또는 에너지 저장 장치에 연결되고,
    상기 통신신호 추출부(620)는, 통신신호 추출 다이오드(622)를 포함하고,
    배터리 셀의 상태 모니터링 기능을 수행하는 경우, 상기 서브 제어부(540)는 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위가 상기 DC-링크에 연결된 상기 제2-2연결부(670)의 전위 보다 낮도록 상기 제1스위치(530)의 ON Duty를 제어함으로써, 상기 제1반도체 소자(610)에 의해 상기 제2-2연결부(670)와 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)간 전기적 연결을 차단하고, 상기 통신신호 추출부(620)의 통신신호 추출 다이오드(622)를 통해서 상기 제어장치(400)에 통신신호를 전달하며,
    배터리 셀의 에너지 전달 기능을 수행하는 경우, 상기 서브 제어부(540)는 상기 제1스위치(530)가 OFF되었을 때, 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)의 전위가 상기 제2-2연결부(670)의 전위보다 높도록 상기 제1스위치(530)의 ON Duty를 제어함으로써, 상기 제1스위치(530), 트랜스포머(520) 및 제1반도체 소자(610)가 플라이백 컨버터로 동작하도록 하여 상기 제1반도체 소자(610)를 통해 배터리 셀 측 에너지를 상기 제2-2연결부(670)로 전달하는 것을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 BSU(500)의 서브 제어부(540)는,
    배터리 셀의 상태 모니터링 기능을 수행하는 경우, 배터리 셀(100)의 양단 전압과 배터리 셀의 온도 중 적어도 하나를 포함한 배터리 셀 상태 정보에 기초한 통신 메시지를 생성하고, 상기 통신 메시지를 기초로 상기 제1스위치의 ON 및 OFF를 제어하는 것을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 BSU(500)는,
    상기 배터리 셀(100) 양단(양극 및 음극)과 연결된 제1-1연결부(580)를 더 포함하고,
    상기 트랜스포머(520)는 상기 배터리 셀 상태 정보 전달 및 상기 배터리 셀 에너지의 방전을 위한 상기 전기 신호를 상기 제1-1연결부(580) 측으로부터 상기 제1-2연결부(591, 592) 측으로 전달하며,
    상기 제1스위치(530)는 상기 트랜스포머(520)와 연결되고, 상기 배터리 셀 상태 정보와 상기 배터리 셀 에너지 중 하나를 포함한 상기 전기신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 트랜스포머(520)는,
    전기적으로 절연된 1차측 권선과 2차측 권선을 포함하는 것;
    상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선이 상기 제1스위치(530)가 ON되면 상기 BSU(500)의 제2연결부의 제1단자(591)의 전압이 제2단자(592)의 전압보다 낮아지도록 서로 역방향으로 구성된 것;
    상기 제1스위치(530)의 일측은 상기 트랜스포머(520)의 1차측 권선의 일측과 연결되고,
    상기 제1스위치(530)의 타측은 상기 배터리 셀의 음극과 연결된 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 통신신호 추출부(620)는
    상기 통신신호 추출 다이오드(622)와 직렬로 연결된 제2스위치(621)를 더 포함하고,
    상기 통신신호 추출 다이오드(622)의 캐소드는 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 연결되고,
    상기 통신신호 추출 다이오드(622)의 애노드는 상기 제2스위치(621)와 연결된 것;
    상기 제2스위치(621)는,
    Bi-Polar 트랜지스터로서,
    콜렉터는 상기 제2-3연결부(680)와 연결되고,
    베이스는 상기 GND와 연결되며,
    에미터는 상기 통신신호 추출 다이오드(622)와 연결된 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 BDU(600)는,
    상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 상기 GND 사이에 구비된 신호전달용 제1저항(640); 및
    상기 제2-3연결부(RxD, 680)와 제어 전원인 VDD 사이에 구비된 신호전달용 제2저항(650)을 더 포함한 것;
    상기 BSU(500)는,
    제1-2연결부의 양단(591, 592) 사이에 출력 필터부(510)를 더 포함한 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 서브 제어부(540)는,
    상기 배터리 셀 상태 정보를 기초로 상기 통신 메시지를 생성하고,
    상기 통신 메시지를 기초로 제1코드를 생성하며,
    상기 배터리 셀의 방전 필요 여부 판단 결과를 기초로 제2코드를 생성하고,
    상기 제1코드와 제2코드를 기초로 상기 제1스위치(530)를 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 on 또는 off 시키는 것;
    상기 제2코드에 의한 제1스위치의 on 유지시간이,
    상기 제1코드에 의한 제1스위치의 on 유지시간에 비해서 큰 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1반도체 소자(610)는 다이오드 인 것;
    상기 제1반도체 소자(610)의 애노드는 상기 제2-1연결부의 제1단자(661)와 연결된 것;
    상기 제1반도체 소자(610)의 캐소드는 상기 제2-2연결부(Pxi, 670)와 연결된 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 서브 제어부(540)가,
    상기 배터리 셀 상태 정보를 기초로 상기 소정의 방전 조건을 만족하는지 판단하는 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 BDU(600)는,
    상기 제어장치(400)와 연결되고,
    상기 제어장치(400)로부터 BSU 동작 제어 신호를 수신하는 제2-4연결부(690)을 더 포함하는 것;
    상기 BSU 동작 제어 신호는 상기 BSU(500)를 기동시키는 기동 요청 모드, 배터리 셀 상태 정보 전송을 지시하는 정보 요청 모드, 배터리 셀을 방전시키는 방전 요청 모드, 대기 상태 진입 요청 모드 중 적어도 하나의 모드 정보를 포함하는 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1반도체 소자(610)는,
    병렬로 연결된 환류 다이오드를 포함한 MOSFET인 것;
    상기 제1반도체 소자(610)의 드레인은 제2-1연결부의 제1단자(661)와 연결된 것;
    상기 제1반도체 소자(610)의 소스는 상기 제2-2연결부(670)와 연결된 것; 및
    상기 제1반도체 소자(610)의 게이트는 상기 제2-4연결부(690)와 연결된 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 BSU(500)는,
    상기 서브 제어부(540)와 상기 제1스위치(530)의 게이트 사이에 구비된 게이트 드라이브(550); 및
    상기 게이트 드라이브(550)와 상기 서브 제어부(540)가 연결된 제1노드와 상기 제1스위치(530)의 드레인 사이에 구비된 제1수신 회로(560); 및
    상기 제1노드와 상기 배터리 셀의 양극사이에 구비된 제2수신회로(564);
    을 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1반도체 소자(610)는,
    상기 제어장치(400)으로부터 상기 제2-4연결부(690)를 통해 수신된 상기 BSU 동작 제어 신호에 따라 상기 제2-1연결부(661, 662), 상기 제1-2연결부(591, 592) 및 제1수신 회로(560)를 통해서 상기 BSU(500)의 서브 제어부(540)에 상기 BSU 동작 제어 신호를 전달하는 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 서브 제어부(540)는,
    상기 BSU 동작 제어 신호를 수신하고,
    상기 BSU 동작 제어 신호에 따라서,
    대기(Sleep) 모드에서 동작(Active) 모드로 전환하거나,
    상기 배터리 셀 상태 정보를 생성하여 상기 BDU(600)을 통해 상기 제어장치(400)에 전송하거나,
    상기 배터리 셀을 방전시키거나,
    대기(Sleep) 모드로 진입하는 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 서브 제어부(540)는,
    상기 BSU 동작 제어 신호에 따른 동작을 실시한 이후에,
    대기(Sleep) 모드로 진입하는 것;
    을 특징으로 하는 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항의 컴팩트 타입 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 장치를 포함한 시스템에 있어서,
    상기 시스템은,
    상기 BDU(600)와 연결된 제어장치(400),
    상기 BDU(600)와 연결되고, 상기 BSU(500)가 상기 BDU(600)을 통해서 전달한 상기 배터리 셀의 에너지를 저장하는 에너지 저장장치(900)을 더 포함하는 것;
    을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 17 항의 통합형 배터리 셀 모니터링 및 밸런싱 시스템에 대한 제어방법에 있어서,
    상기 제어장치(400)가,
    (a) 복수의 배터리 셀 중 하나인 n번째 배터리를 선택하는 단계;
    (b) 선택된 상기 n번째 배터리 셀의 BDU(BDUn)을 통해서 상기 n번째 배터리 셀의 BSU(BSUn)에 기동 요청 신호를 전송하는 단계;
    상기 BSU(500)가,
    (c) 상기 기동 요청 신호를 수신하면 대기모드에서 동작모드로 전환하는 단계;
    (d) 상기 스위치(530)의 ON Duty를 소정 기준치 이하로 제어하여 상기 배터리 셀의 상태 정보를 전송하는 단계;
    상기 제어장치(400)가,
    (e) 복수의 배터리 셀의 상태 정보 집합을 기초로 배터리 셀들의 균등충전을 위해 상기 n번째 배터리 셀을 방전 수행 여부를 판단하는 단계;
    (f) 상기 판단 결과에 따라, 상기 BDU를 통해서 상기 BSU에게 방전 요청 신호를 전송하는 단계;
    상기 BSU(500)는,
    (g) 상기 방전 요청 신호를 받으면, 상기 스위치(530)의 ON Duty를 소정 기준치를 초과하도록 하여, 방전 펄스 제어를 하는 단계;
    (h) 상기 BDU(600)를 통해서 상기 에너지 저장장치에는 상기 배터리 셀의 에너지를 전달하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  19. 삭제
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 (h) 단계 이후에,
    상기 BSU(500)는 대기모드로 전환하는 단계를 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 제어방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 배터리 셀 상태 정보는 상기 대기모드로 진입하기 전에 저장된 이전 동작 시점의 배터리 셀 상태 정보인 것;
    을 특징으로 하는 제어방법.
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