KR102312942B1 - 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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battery management
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정혜문
황인재
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주식회사 그린퍼즐
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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따라서 적어도 하나의 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 장치가 제공된다. 배터리 관리 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성하는 전원부, 상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 전원부 사이에 연결되는 스위치, 외부 장치로부터 제1 무선 신호를 수신하고 상기 제1 무선 신호로부터 제어 전력을 생성하는 제1 LC 공진 회로, 상기 제1 LC 공진 회로에 의해 생성된 상기 제어 전력을 이용하여 상기 스위치를 턴 온하는 스위치 제어 회로, 및 상기 구동 전압에 의해 구동하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터 데이터를 수집하고, 상기 제1 LC 공진 회로를 이용하여 상기 외부 장치에 제2 무선 신호를 송신하도록 구성되는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩{battery management device and battery pack including the same}
본 발명은 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
신재생, 저탄소 친환경 에너지 성장을 위해 이차 전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등과 최근의 리튬 이온 배터리, 리튬 이온 폴리머 배터리, 리튬 인산철 배터리 등을 모두 포함하는 의미이다.
배터리 팩은 복수의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 모듈과, 복수의 배터리 모듈을 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)을 포함한다. 배터리 관리 시스템은 마스터로 동작하는 마스터 배터리 관리 시스템과 슬레이브로 동작하는 복수의 모듈 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있다.
모듈 배터리 관리 시스템은 대응하는 배터리 모듈의 셀 전압, 전류, 온도, SOC 등 다양한 파라미터를 측정하고, 측정한 결과 데이터를 마스터 배터리 관리 시스템으로 전송한다. 마스터 배터리 관리 시스템은 모듈 배터리 관리 시스템들로부터 수신된 데이터에 기초하여 모듈 배터리 관리 시스템들 및 배터리 팩의 충방전을 제어한다.
최근 배터리 팩의 출력 전압은 점점 높아지고 있다. 모듈 배터리 관리 시스템은 배터리 팩에 요구되는 전압 범위(예컨대, 800V)에 맞게 사용된다. 복수의 모듈 배터리 관리 시스템은 RS485, CAN, 데이지 체인 등의 여러 통신 방식을 사용하며 하네스(harness)를 통해 마스터 배터리 관리 시스템에 연결된다.
복수의 모듈 배터리 관리 시스템이 서로 적층됨에 따라 모듈 배터리 관리 시스템들 간의 절연이 중요하다. 이때 사용되는 절연 방법으로는 자기 결합(magnetic coupling) 방식을 주로 사용하고 있으며, 인쇄 회로 기판에 표면 실장되기 위해 최소 절연 거리를 확보하고 있다. 배터리 팩의 출력 전압이 높을수록 절연 파손 위험성은 커지게 되며, 절연 거리를 확보하는 것은 더욱 중요하게 된다. 온습도 변화에 따라 절연에 대한 안전성 확보 또한 필요하게 된다. 절연 파괴는 이차 전지의 폭발 및 화재로 확대될 수 있으며 마스터 배터리 관리 시스템의 오동작을 유발할 수도 있다.
또한, 복수의 모듈 배터리 관리 시스템을 하네스로 연결해야 하므로, 전체 배터리 팩의 무게가 증가되며, 입출력 커넥터를 사용함에 따라 신뢰성 저하(접촉 불량)가 초래될 수 있다. 게다가, 복수의 모듈 배터리 관리 시스템에 사용되는 커넥터 체결/분리 작업은 설치 및 유지 보수를 어렵게 하는 요소가 된다.
한편, 모듈 배터리 관리 시스템은 공장에서 평가 및 시험 완료 후 출하하게 되며, 출하된 모듈 배터리 관리 시스템은 배터리 모듈의 배터리 용량과 충전 상태(SOC)에 따라 해당 배터리 모듈에 장착하여 사용할 수 있는 시간이 제한된다. 일반적으로 모듈 배터리 관리 시스템은 배터리 모듈의 전원을 이용하여 구동되는 레귤레이터, 아날로그 프론트 엔드(analog front end), 마이크로컨트롤러 유닛, 통신 모듈 등을 포함하는데, 이들이 대략 50uA에서 5mA 정도의 대기 전류를 소모하기 때문이다. 모듈 배터리 관리 시스템의 내부 전자 회로에서 소모하는 대기 전력에 의해 배터리 모듈 내의 배터리 셀들이 완전 방전되면 배터리 팩에 장착하여 사용할 수 없을 뿐만 아니라, 특별한 수리 조치가 요구된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 대기 전류를 실질적으로 제거할 수 있는 배터리 관리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 높은 출력 전압에도 불구하고 절연 내압을 확보할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성하는 전원부, 상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 전원부 사이에 연결되는 스위치, 외부 장치로부터 제1 무선 신호를 수신하고 상기 제1 무선 신호로부터 제어 전력을 생성하는 제1 LC 공진 회로, 상기 제1 LC 공진 회로에 의해 생성된 상기 제어 전력을 이용하여 상기 스위치를 턴 온하는 스위치 제어 회로, 및 상기 구동 전압에 의해 구동하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터 데이터를 수집하고, 상기 제1 LC 공진 회로를 이용하여 상기 외부 장치에 제2 무선 신호를 송신하도록 구성되는 제어부를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 배터리 관리 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터를 센싱하여 상기 파라미터 데이터를 상기 제어부에 제공하는 센싱부를 더 포함할 수 있다.
다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리 장치는 상기 제1 LC 공진 회로가 상기 제2 무선 신호를 출력하도록 상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 LC 공진 회로를 구동하는 제1 무선 통신부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제1 무선 통신부는 상기 제1 무선 신호를 디코딩하여 생성된 제1 데이터를 상기 제어부에 제공하고, 상기 제어부로부터 수신되는 제2 데이터를 인코딩하여 상기 제1 LC 공진 회로로 출력하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제1 LC 공진 회로는 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제1 공진 인덕터, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 상기 제1 공진 인덕터와 병렬로 연결되는 제1 공진 커패시터, 및 상기 제2 노드와 그라운드 사이에 연결되는 유지 커패시터를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리 장치는 상기 제1 노드에 연결되어 상기 제1 무선 신호를 수신하는 제1 무선 통신부를 더 포함할 수 있다. 상기 제어 전력은 상기 제2 노드를 통해 상기 스위치 제어 회로에 제공될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 스위치 제어 회로는 상기 제어 전력으로부터 제어 전압을 생성하는 전원 회로, 및 상기 제어 전압을 상기 스위치에 출력하고 상기 제어 전압을 유지하는 래치 회로를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 스위치 제어 회로는 상기 전원 회로가 미리 설정된 지연 시간 동안 상기 제어 전압을 생성한 후에 상기 래치 회로가 상기 제어 전압을 상기 스위치에 출력하도록 구성되는 지연 회로를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 래치 회로는 플립플롭 회로를 포함할 수 있다. 상기 플립플롭 회로는 상기 제어 전압이 인가되는 입력 단자, 상기 지연 회로의 출력이 인가되는 클럭 단자, 상기 스위치를 제어하는 출력 신호를 출력하는 출력 단자, 및 상기 제어 전압이 인가되는 전원 단자를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 플립플롭 회로는 상기 제어부에 연결되는 리셋 단자를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 미리 설정된 오프 조건이 성취되면 상기 스위치를 턴 오프 시키도록 상기 리셋 단자에 하이 레벨 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 전원 단자는 상기 전원 회로 및 상기 제어부에 공통으로 연결되어, 상기 제1 무선 신호가 수신되지 않을 때에도 상기 제어부에서 제공하는 전력을 이용하여 상기 래치 회로가 동작할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터래 팩은 적어도 하나의 배터리 셀 및 모듈 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 모듈, 상기 복수의 배터리 모듈의 충방전 경로 상에 배치되는 배터리 차단 회로, 및 상기 모듈 배터리 관리 장치에 제1 무선 신호를 출력하고, 상기 모듈 배터리 관리 장치로부터 수신되는 제2 무선 신호에 기초하여 상기 배터리 차단 회로를 제어하도록 구성되는 마스터 배터리 관리 장치를 포함한다. 상기 모듈 배터리 관리 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성하는 전원부, 상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 전원부 사이에 연결되는 스위치, 마스터 배터리 관리 장치로부터 상기 제1 무선 신호를 수신하고 상기 제1 무선 신호로부터 제어 전력을 생성하는 제1 LC 공진 회로, 상기 제1 LC 공진 회로에 의해 생성된 상기 제어 전력을 이용하여 상기 스위치를 턴 온하는 스위치 제어 회로, 및 상기 구동 전압에 의해 구동하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터 데이터를 수집하고, 상기 제1 LC 공진 회로를 이용하여 상기 외부 장치에 제2 무선 신호를 송신하도록 구성되는 제어부를 포함한다. 상기 마스터 배터리 관리 장치는 상기 제1 무선 신호를 출력하고 상기 제2 무선 신호를 수신하는 제2 LC 공진 회로를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 모듈 배터리 관리 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터를 센싱하여 상기 파라미터 데이터를 상기 제어부에 제공하는 센싱부, 및 상기 제1 LC 공진 회로가 상기 제2 무선 신호를 출력하도록 상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 LC 공진 회로를 구동하는 제1 무선 통신부를 더 포함할 수 있다.
다른 예에 따르면, 상기 제1 LC 공진 회로는 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제1 공진 인덕터, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 상기 제1 공진 인덕터와 병렬로 연결되는 제1 공진 커패시터, 및 상기 제2 노드와 그라운드 사이에 연결되는 유지 커패시터를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제2 LC 공진 회로는 직렬로 연결되는 제2 공진 인덕터 및 제2 공진 커패시터를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 스위치 제어 회로는 상기 제어 전력으로부터 제어 전압을 생성하는 전원 회로, 상기 제어 전압을 상기 스위치에 출력하고 상기 제어 전압을 유지하는 래치 회로, 및 상기 전원 회로가 미리 설정된 지연 시간 동안 상기 제어 전압을 생성한 후에 상기 래치 회로가 상기 제어 전압을 상기 스위치에 출력하도록 구성되는 지연 회로를 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제1 무선 신호와 상기 제2 무선 신호는 30kHz 내지 300kHz 사이의 저주파수(low frequency) 대역의 무선 신호일 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제1 무선 신호는 진폭 편이 변조(ASK, amplitude shift keying) 방식으로 변조된 무선 신호일 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 마스터 배터리 관리 장치는 상기 모듈 배터리 관리 장치를 웨이크업 시키기 위해 미리 설정된 시간 동안 하이 레벨의 진폭을 갖는 상기 제1 무선 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제2 무선 신호는 주파수 편이 변조(FSK, frequency shift keying) 방식으로 변조된 무선 신호일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 마스터 배터리 관리 장치로부터 수신되는 저주파 무선 신호로부터 전력을 전달받아 스위치를 제어하기 때문에, 배터리 모듈이 대기 상태일 때 모듈 배터리 관리 장치에는 전력이 완전히 차단될 수 있으며, 대기 전력이 완전히 제거될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 충분한 절연 거리를 확보할 수 있다. 종래에 인쇄회로기판에 표면 실장되는 자기 결합 소자의 경우, 절연 거리는 약 7.3mm 정도에 불과하였으나, 본 발명에 따르면 마스터 배터리 관리 장치와 모듈 배터리 관리 장치 간에 저주파 무선 통신이 사용되므로, 최대 50mm 절연 거리가 확보될 수 있다.
또한, 저주파 무선 통신을 사용하기 때문에, 금속(예컨대, 케이스)이 인접해 있더라도 투과성이 좋아 안정적인 통신이 가능하며, 송수신용 저주파 안테나를 설치하는데 제약이 없다. 모듈 배터리 관리 장치는 FSK 방식으로 저주파 무선 신호를 송신하므로, 초절전 상태 유지가 가능하여 장기간 보관이 가능하며, 설치 후 별다른 조작 없이 작동될 수 있다. 또한, 하네스 사용을 억제함으로써 전체 배터리 팩의 무게를 줄이고, 유지보수가 편해지고, 단가도 줄일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 스위치 제어 회로를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 스위치 제어 회로의 예시적인 회로도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 모듈 배터리 관리 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 모듈 배터리 관리 장치와 마스터 배터리 관리 장치 간의 저주파 무선 통신을 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(100)은 복수의 배터리 모듈(120), 마스터 배터리 관리 장치(110), 및 배터리 차단 회로(130)를 포함한다.
도 1에서는 배터리 팩(100)이 서로 직렬로 연결되는 3개의 배터리 모듈(120)을 포함하는 경우를 예시적으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 배터리 팩(100)에 포함되는 배터리 모듈(120)의 개수 및 연결 방식은 배터리 팩(100)에 연결되는 부하의 요구 전압 및 요구 전력량에 따라 달라질 수 있다.
각 배터리 모듈(120)은 배터리 셀 집합(121) 및 모듈 배터리 관리 장치(123)를 포함한다. 배터리 셀 집합(121)은 적어도 하나의 배터리 셀(122)을 포함한다. 배터리 셀들(122)은 충전가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(122)은 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 배터리 셀 집합(121)을 구성하는 배터리 셀들(122)은 직렬로 연결된 것으로 도시되지만, 이는 오로지 예시적이며, 배터리 셀들(122)은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수도 있다.
모듈 배터리 관리 장치(123)는 대응하는 배터리 셀 집합(121) 내의 배터리 셀들(122)을 관리하도록 구성된다. 모듈 배터리 관리 장치(123)는 배터리 셀들(122)의 전압, 전류, 온도 등과 같은 파라미터의 상태를 센싱할 수 있다. 모듈 배터리 관리 장치(123)는 배터리 셀들(122)의 충전 상태를 산출하고, 배터리 셀들(122)이 균등한 충전 상태를 갖도록 배터리 셀들(122)에 대해 셀 밸런싱을 수행하도록 구성될 수 있다.
모듈 배터리 관리 장치(123)는 배터리 셀들(122)의 파라미터들의 상태를 나타내는 파라미터 데이터를 생성하여 마스터 배터리 관리 장치(110)에 송신할 수 있다. 모듈 배터리 관리 장치(123)는 제1 안테나(124)를 이용하여 파라미터 데이터를 무선 신호의 형태로 마스터 배터리 관리 장치(110)에 전송할 수 있다.
모듈 배터리 관리 장치(123)는 마스터 배터리 관리 장치(110)로부터 수신되는 무선 신호에 따라 동작할 수 있다. 모듈 배터리 관리 장치(123)는 마스터 배터리 관리 장치(110)에 대해 슬레이브로 기능할 수 있으며, 슬레이브 배터리 관리 시스템(sBMS)으로 지칭될 수 있다. 본 명세서에서 모듈 배터리 관리 장치(123)는 간단히 배터리 관리 장치로 지칭하고, 마스터 배터리 관리 장치(110)는 마스터 관리 장치로 지칭할 수 있다.
마스터 배터리 관리 장치(110)는 배터리 모듈들(120) 각각의 모듈 배터리 관리 장치(123)로부터 파라미터 데이터들을 수집할 수 있다. 마스터 배터리 관리 장치(110)는 모듈 배터리 관리 장치(120)로부터 수집된 파라미터 데이터에 기초하여 배터리 모듈들(120)을 제어할 수 있다. 예컨대, 마스터 배터리 관리 장치(110)는 배터리 차단 회로(130)를 제어하여 배터리 모듈들(120)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 마스터 배터리 관리 장치(110)는 마스터 배터리 관리 시스템(mBMS)으로 지칭될 수 있다.
배터리 차단 회로(130)는 복수의 배터리 모듈(120)의 충방전 경로 상에 배치될 수 있다. 배터리 차단 회로(130)는 배터리 모듈들(120)과 외부 단자들(101, 102) 중 적어도 하나 사이에 배치될 수 있다. 배터리 차단 회로(130)는 적어도 하나의 차단 스위치를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 차단 회로(130)는 충전 차단용 스위치와 방전 차단용 스위치를 포함할 수 있다.
모듈 배터리 관리 장치(123)는 배터리 셀 집합(121)에 저장된 전력을 이용하여 구동될 수 있다. 배터리 모듈(120)을 사용하고 있지 않더라도, 모듈 배터리 관리 장치(123)는 배터리 셀 집합(121)에 저장된 전력을 소모할 수 있으며, 배터리 모듈(120)이 장시간 사용되지 않을 경우, 배터리 셀 집합(121)에 포함된 배터리 셀들(122)이 완전히 방전되는 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에 따르면, 배터리 모듈(120)이 사용되지 않을 경우, 모듈 배터리 관리 장치(123)는 배터리 셀 집합(121)으로부터 완전히 분리되므로, 배터리 셀 집합(121)에 저장된 전력을 소모하지 않을 수 있다.
마스터 배터리 관리 장치(110)는 제2 안테나(111)를 포함할 수 있으며, 제2 안테나(111)를 통해 배터리 모듈들(120) 각각의 모듈 배터리 관리 장치(123)로부터 파라미터 데이터들을 수집할 수 있다. 마스터 배터리 관리 장치(110)는 파라미터 데이터를 제2 무선 신호의 형태로 수신할 수 있다. 마스터 배터리 관리 장치(110)는 제2 안테나(111)를 통해 제1 무선 신호를 출력할 수 있다.
마스터 배터리 관리 장치(110)와 모듈 배터리 관리 장치(120)가 각각 제2 안테나(111)와 제1 안테나(124)를 이용하여 서로 무선으로 통신하므로, 마스터 배터리 관리 장치(110)와 모듈 배터리 관리 장치(120) 간에 절연이 확보될 수 있다. 제2 안테나(111)와 제1 안테나(124) 사이의 거리(d)는 약 5cm일 수 있다. 이 거리(d)는 예시적이며, 이보다 짧을 수도 있고, 이보다 길 수도 있다. 배터리 팩(100)의 양 단자들(101, 102)을 통해 예컨대 800V를 출력한다고 할 때, 가장 높은 전위를 갖는 배터리 모듈(120)의 모듈 배터리 관리 장치(120)와 마스터 배터리 관리 장치(110) 사이에는 대략 800V의 전위차가 발생할 수 있다. 배터리 팩(100)이 전기 자동차에 탑재되어 이동하거나 충격을 받을 수 있으며, 이 경우 마스터 배터리 관리 장치(110)와 모듈 배터리 관리 장치(120) 간에 절연이 파손될 수 있다. 본 발명에 따르면, 마스터 배터리 관리 장치(110)와 모듈 배터리 관리 장치(120)는 각각 대략 5cm 정도로 이격된 제2 안테나(111)와 제1 안테나(124)를 이용하여 무선으로 통신하므로, 절연 내압을 확보할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2를 참조하면, 배터리 관리 시스템(200)은 마스터 배터리 관리 장치(210)와 복수의 모듈 배터리 관리 장치(220)를 포함한다. 마스터 배터리 관리 장치(210)와 모듈 배터리 관리 장치(220)는 각각 도 1의 마스터 배터리 관리 장치(110)와 모듈 배터리 관리 장치(123)와 대응하며, 이들에 대한 반복된 설명은 생략한다.
마스터 배터리 관리 장치(210)와 복수의 모듈 배터리 관리 장치(220)는 각각 인쇄회로기판 상에 실장되어, 도 2에 도시된 바와 같이 케이스(201) 내에 적층될 수 있다. 케이스(201)는 안전을 위해 전기가 통하는 철제로 형성될 수 있다.
각각의 모듈 배터리 관리 장치(220)는 제1 안테나(221)를 포함하고, 마스터 배터리 관리 장치(210)는 제1 안테나들(221)에 각각 대응하는 복수의 제2 안테나(211)를 포함할 수 있다. 서로 대응하는 제1 안테나(221)와 제2 안테나(211) 사이의 거리(d)는 대략 5cm 정도일 수 있다.
마스터 배터리 관리 장치(210)와 복수의 모듈 배터리 관리 장치(220)는 복수의 제2 안테나(211)와 복수의 제1 안테나(221)를 이용하여 서로 무선 통신을 수행할 수 있다. 제2 안테나(211)와 제1 안테나(221) 사이의 무선 신호는 30kHz 내지 300kHz 사이의 저주파수(low frequency) 대역의 무선 신호일 수 있다.
저주파수 대역의 무선 신호는 투과성이 높아 금속, 수중, 지중, 콘크리트 등을 통과해도 전력 손실이 작다. 도 2에 도시된 바와 같이, 마스터 배터리 관리 장치(210)와 복수의 모듈 배터리 관리 장치(220)가 철제 케이스(201)로 둘러싸이더라도, 본 발명에 따라 마스터 배터리 관리 장치(210)와 복수의 모듈 배터리 관리 장치(220)가 30kHz 내지 300kHz 사이의 저주파수 대역의 무선 신호로 통신을 하기 때문에, 철제 케이스(201)에 의한 간섭으로부터 통신 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 도시한다.
도 3을 참조하면, 배터리 모듈(300)은 모듈 배터리 관리 장치(310) 및 배터리 셀 집합(320)를 포함한다. 배터리 셀 집합(320)은 적어도 하나의 배터리 셀(321)을 포함한다. 모듈 배터리 관리 장치(310) 및 배터리 셀 집합(320)은 각각 도 1의 모듈 배터리 관리 장치(123) 및 배터리 셀 집합(121)에 대응하며, 이들에 대한 반복된 설명은 생략한다.
모듈 배터리 관리 장치(310)는 제어부(311), 전원부(314), 스위치(315), 제1 LC 공진 회로(316) 및 스위치 제어 회로(317)를 포함한다. 모듈 배터리 관리 장치(310)는 센싱부(312) 및/또는 제1 무선 통신부(313)를 더 포함할 수 있다. 제1 LC 공진 회로(316)는 제1 안테나(도 1의 124)의 일 예이다.
전원부(314)는 배터리 셀 집합(121)에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성할 수 있다. 구동 전압은 제어부(311), 센싱부(312) 및 제1 무선 통신부(313)에 인가되며, 제어부(311), 센싱부(312) 및 제1 무선 통신부(313)는 전원부(314)에서 생성된 구동 전압을 이용하여 동작할 수 있다.
전원부(314)는 배터리 셀 집합(320)의 직류 전압으로부터 구동 전압을 생성할 수 있는 DC-DC 컨버터 또는 전압 레귤레이터를 포함할 수 있다. 전원부(314)는 바이어스 회로 및/또는 피드백 회로를 더 포함할 수 있다.
스위치(315)는 배터리 셀 집합(320)과 전원부(314) 사이에 연결된다. 스위치(315)가 턴 온되면, 전원부(314)는 배터리 셀 집합(121)에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성할 수 있고, 스위치(315)가 턴 오프되면, 전원부(314)는 배터리 셀 집합(121)과 전기적으로 분리되어 구동 전압을 생성할 수 없다. 그에 따라, 제어부(311), 센싱부(312) 및 제1 무선 통신부(313)도 역시 동작할 수 없다. 배터리 모듈(300)이 사용 중이 아닐 때, 스위치(315)가 턴 오프되면 제어부(311), 센싱부(312) 및 제1 무선 통신부(313)에 구동 전압이 인가되지 않으므로, 대기 전류를 실질적으로 0으로 만들 수 있다.
배터리 모듈(300)을 사용하고자 할 때, 스위치(315)를 제어할 수 있어야 한다. 본 발명에 따르면, 스위치(315)는 제1 LC 공진 회로(316) 및 스위치 제어 회로(317)를 통해, 마스터 배터리 관리 장치(도 1의 310)로부터 전송되는 무선 신호에 의해 제어될 수 있다.
제1 LC 공진 회로(316)는 외부 장치, 예컨대, 마스터 배터리 관리 장치(도 1의 310)로부터 무선 신호를 수신하고 수신한 무선 신호로부터 제어 전력을 생성할 수 있다. 아래에서 제1 LC 공진 회로(316)에서 수신된 무선 신호를 제1 무선 신호로 지칭한다. 제1 무선 신호는 제어 전력을 생성하기 위한 전력 성분과 제어부(311)를 제어하기 위한 데이터를 포함하는 데이터 성분을 포함할 수 있다. 모듈 배터리 관리 장치(310)를 기동하기 위해 제1 무선 신호는 전력을 운송하는 수단으로 사용될 수 있다. 모듈 배터리 관리 장치(310)를 제어하기 위해 제1 무선 신호는 데이터 또는 명령을 전달하는 수단으로 사용될 수 있다.
스위치 제어 회로(317)는 제1 LC 공진 회로(317)에 의해 생성된 제어 전력을 이용하여 스위치(315)를 턴 온 시킬 수 있다. 제1 LC 공진 회로(316)와 스위치 제어 회로(317)에 대하여 도 4를 참조하여 더욱 자세히 설명한다.
제어부(311)는 적어도 하나의 배터리 셀(321)의 파라미터 데이터를 수집하고, 제1 LC 공진 회로(316)를 이용하여 외부 장치, 예컨대, 예컨대, 마스터 배터리 관리 장치(도 1의 310)에 무선 신호를 송신하도록 구성될 수 있다. 아래에서 제1 LC 공진 회로(316)에서 출력되는 무선 신호를 제2 무선 신호로 지칭한다. 제2 무선 신호는 적어도 하나의 배터리 셀(321)의 상태를 나타내는 파라미터 데이터를 전달할 수 있다.
센싱부(312)는 적어도 하나의 배터리 셀(312)의 파라미터를 센싱하고, 파라미터 데이터를 제어부(311)에 제공할 수 있다. 파라미터는 배터리 셀들(312) 각각의 셀 전압, 배터리 셀 집합(320)에 흐르는 전류, 배터리 모듈(300)의 온도 등을 포함할 수 있다. 센싱부(312)는 셀 전압을 측정하기 위한 전압 검출 회로 및 아날로그 디지털 변환 회로, 전류 측정용 저항, 온도 센서 등을 포함할 수 있다. 센싱부(312)는 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End, AFE) 회로를 포함할 수 있다.
제1 무선 통신부(313)는 제1 LC 공진 회로(316)가 제2 무선 신호를 출력하도록 제어부(311)의 제어에 따라 제1 LC 공진 회로(316)를 구동할 수 있다.
제1 무선 통신부(313)는 제1 LC 공진 회로(316)에서 수신된 제1 무선 신호를 디코딩하여 생성된 제1 데이터를 제어부(311)에 제공할 수 있다. 제1 무선 통신부(313)는 리시버를 포함할 수 있다. 제1 무선 통신부(313)는 제1 LC 공진 회로(316)에서 수신된 제1 무선 신호를 증폭, 복조 및 디코딩을 수행하여 제1 데이터를 생성하고, 제1 데이터를 제어부(311)에 제공할 수 있다.
제1 무선 통신부(314)는 제어부(311)로부터 수신되는 제2 데이터를 인코딩하여 제1 LC 공진 회로로 출력할 수 있다. 제1 무선 통신부(313)는 트랜스미터를 포함할 수 있다. 제1 무선 통신부(313)는 제어부(311)로부터 제2 데이터를 수신하고, 제2 데이터를 인코딩, 변조 및 증폭을 수행하여 제1 LC 공진 회로(316)로 출력할 수 있다.
제어부(311), 센싱부(312) 및 제1 무선 통신부(313)는 전원부(314)에서 생성된 구동 전압에 의해 구동되며, 스위치(315)가 턴 오프(즉, 개방)되면, 전원부(314)에서 구동 전압을 생성할 수 없기 때문에 모두 턴 오프된다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 스위치 제어 회로를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 스위치 제어 회로(400)는 전원 회로(410), 지연 회로(420), 및 래치 회로(430)를 포함한다. 스위치 제어 회로(400)는 도 3의 스위치 제어 회로(317)에 대응할 수 있다.
스위치 제어 회로(400)는 도 3의 스위치(315), 제1 LC 공진 회로(316), 제어부(311) 및 제1 무선 통신부(33)에 연결될 수 있다. 도 1의 마스터 배터리 관리 장치(110)는 제2 무선 통신부(112) 및 제2 LC 공진 회로(113)를 더 포함할 수 있다. 제2 LC 공진 회로(113)는 제2 안테나(도 1의 111)에 대응할 수 있다.
제2 무선 통신부(112)는 제2 LC 공진 회로(113)가 제1 무선 신호를 출력하도록 제2 LC 공진 회로(113)를 구동할 수 있다. 제2 무선 통신부(112)는 제2 LC 공진 회로(113)를 통해 수신되는 제2 무선 신호를 증폭, 복조 및 디코딩하여 제2 무선 신호에 포함된 제2 데이터를 생성할 수 있다.
제2 LC 공진 회로(113)에서 출력된 제1 무선 신호는 제1 LC 공진 회로(316)에서 수신되며, 제1 LC 공진 회로(316)는 제1 무선 신호로부터 제어 전력을 생성할 수 있다. 전원 회로(410)는 제1 LC 공진 회로(316)가 제1 무선 신호로부터 생성한 제어 전력을 이용하여 제어 전압을 생성할 수 있다. 예컨대 제어 전압은 3.3V일 수 있다. 전원 회로(410)는 LDO(Low Dropout) 전압 레귤레이터일 수 있다.
지연 회로(420)는 전원 회로(410)가 미리 설정된 지연 시간 동안 제어 전압을 생성하면 제어 신호를 래치 회로(430)에 출력할 수 있다. 제1 무선 신호가 일시적으로 발생한 경우에는 지연 회로(420)가 제어 신호를 출력하지 않음으로써 스위치(315)가 불필요하게 턴 온되는 것을 방지할 수 있다. 제1 무선 신호가 미리 설정된 지연 시간 동안 계속 수신되는 경우, 전원 회로(410)는 미리 설정한 지연 시간 동안 제어 전압을 생성할 것이며, 지연 회로(420)는 제어 전압이 미리 설정된 지연 시간 동안 생성되는 것을 확인한 후에 제어 신호를 출력할 수 있다.
래치 회로(430)는 지연 회로(420)에 의해 출력된 제어 신호에 응답하여 제어 전압을 스위치(315)에 출력하고, 제어 전압을 유지할 수 있다. 래치 회로(430)는 제어부(311)로부터 리셋 신호가 수신되면, 스위치(315)에 출력되는 제어 전압을 중단할 수 있다. 즉, 래치 회로(430)는 제어부(311)로부터 수신되는 리셋 신호에 응답하여 스위치(315)를 턴 오프시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 스위치(315)가 턴 오프되면, 전원부(도 3의 314)가 구동 전압을 생성할 수 없기 때문에, 제어부(311)는 턴 오프된다.
지연 회로(420)와 래치 회로(430)는 전원 회로(410)에서 생성된 제어 전압에 의해 구동될 수 있다. 즉, 지연 회로(420)와 래치 회로(430)는 마스터 배터리 관리 장치(110)에서 출력된 제1 무선 신호로부터 생성된 제어 전압에 의해 구동되기 때문에, 배터리 모듈(도 3의 300)의 배터리 셀 집합(320)에 저장된 전력을 소모하지 않는다.
도 5는 일 실시예에 따른 제1 및 제2 LC 공진 회로와 스위치 제어 회로의 예시적인 회로도이다.
도 5를 참조하면, 제1 LC 공진 회로(도 4의 316)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 병렬로 연결되는 제1 공진 인덕터(RL1)와 제1 공진 커패시터(RC1), 및 제2 노드(N2)와 그라운드 사이에 연결되는 유지 커패시터(SC)를 포함할 수 있다.
제1 무선 통신부(313)는 제1 LC 공진 회로(316)의 제1 노드에 연결되어 마스터 배터리 관리 장치(110)로부터 전송된 제1 무선 신호를 수신할 수 있다. 스위치 제어 회로(400)는 제2 노드(N2)에 연결되어 제1 무선 신호로부터 생성된 제어 전력을 제공받을 수 있다.
제1 무선 신호에 의해 제2 노드(N2)에 생성된 제어 전력은 LDO(411)에 입력되고, LDO(411)는 제어 전압을 생성할 수 있다. 제1 무선 신호가 수신되는 경우 제2 노드(N2)에는 대략 5V 내지 9V의 전압이 생성될 수 있으며, LDO(411)는 제2 노드(N2)의 대략 5V 내지 9V의 전압을 입력받아 제어 전압(예컨대, 3.3V)을 생성할 수 있다.
LDO(411)의 출력단과 그라운드 사이에 커패시터(C1)가 연결될 수 있다. 커패시터(C1)는 LDO(411)에서 출력되는 제어 전압을 안정화하고, LDO(411)에서 제어 전압을 출력하지 않을 때, 즉, 제1 무선 신호가 수신되지 않을 때, LDO(411)의 출력단의 전위를 그라운드로 유지할 수 있다. LDO(411) 및 커패시터(C1)는 도 4의 전원 회로(410)에 포함될 수 있다.
지연 회로(도 4의 420)는 비교기(421)를 포함할 수 있다. 비교기(421)의 제1 입력 단자(+)에는 저항(R)과 커패시터(C2)가 연결될 수 있다. 비교기(421)의 제2 입력 단자(-)에는 기준 전압(Vr)이 인가될 수 있다. 기준 전압(Vr)은 지연 회로(420)의 지연 시간을 결정하며, LDO(411)에서 생성된 제어 전압을 이용하여 생성될 수 있다. 예컨대, 기준 전압(Vr)은 전압 분배에 의해 생성될 수 있다. 커패시터(C2)는 비교기(421)의 제1 입력 단자(+)와 그라운드 사이에 연결되고, 저항(R)은 LDO(411)의 출력단과 비교기(421)의 제1 입력 단자(+) 사이에 연결될 수 있다. LDO(411)의 출력단에 생성된 제어 전압은 저항(R)을 통해 커패시터(C2)를 충전하므로, 비교기(421)의 제1 입력 단자(+)의 전압은 연속적으로 증가한다. 비교기(421)의 제1 입력 단자(+)의 전압이 제2 입력 단자(-)의 기준 전압(Vr)보다 커지면 비교기(421)는 출력단을 통해 제어 신호를 출력한다. 기준 전압(Vr)의 레벨이 높아지면 지연 시간은 길어지고, 기준 전압(Vr)의 레벨이 낮아지면 지연 시간은 짧아진다. 기준 전압(Vr) 외에도 저항(R)과 커패시터(C2)의 크기를 통해 지연 시간의 길이가 결정될 수 있다.
래치 회로(430)는 플립플롭 회로(431)를 포함할 수 있다. 플립플롭 회로(431)는 예컨대 D-플립플롭 회로일 수 있다.
플립플롭 회로(431)의 전원 단자(Vcc)와 입력 단자(D)는 LDO(411)의 출력단에 연결되어 LDO(411)에서 생성한 제어 전압이 인가될 수 있다. 플립플롭 회로(431)의 클럭 단자(CLK)는 비교기(421)의 출력단에 연결되어 제어 신호를 수신할 수 있다. 플립플롭 회로(431)의 출력 단자(Q)는 스위치(315)의 제어단에 연결되어, 출력 단자(Q)를 통해 출력되는 출력 신호에 의해 스위치(315)가 제어될 수 있다.
플립플롭 회로(431)는 클럭 단자(CLK)에 입력되는 신호가 하이 레벨로 천이할 때 입력 단자(D)의 논리 레벨과 동일한 논리 레벨을 갖는 출력 신호를 출력 단자(Q)를 통해 출력할 수 있다. 제1 무선 신호가 수신되어 LDO(411)에서 출력하는 제어 전압을 논리 하이 레벨이라고 하고, 제1 무선 신호가 수신되지 않아서 LDO(411)의 출력단이 그라운드와 동일 전위를 갖게 될 때 논리 로우 레벨이라고 한다.
제1 무선 신호가 제1 LC 공진 회로(316)에서 수신되면, LDO(411)는 제어 전압을 생성하며, 입력 단자(D)에는 하이 레벨의 신호가 입력된다. 비교기(421)는 LDO(411)가 미리 설정된 지연 시간 동안 제어 전압을 생성하면 하이 레벨의 신호를 클럭 단자(CLK)에 출력하며, 클럭 단자(CLK)에 입력되는 신호가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이하는 것이다. 플립플롭 회로(431)는 클럭 단자(CLK)에 입력되는 신호가 로우 레벨에서 하이 레벨로 천이하는 것에 응답하여 출력 단자(Q)에 하이 레벨의 출력 신호를 출력하며, 하이 레벨의 출력 신호는 스위치(315)를 턴 온 시킨다. 이 과정에서 비교기(421) 및 플립플롭 회로(431)는 LDO(411)가 제1 무선 신호로부터 생성한 제어 전압에 의해 동작한다.
플립플롭 회로(431)는 리셋 단자(Reset)를 더 포함하며, 리셋 단자(Reset)는 제어부(311)에 연결되어 제어부(311)로부터 리셋 신호를 수신할 수 있다. 제어부(311)는 미리 설정된 알고리즘에 따라, 예컨대, 미리 설정된 오프 조건이 성취되면, 스위치(315)를 턴 오프시키기 위해 하이 레벨의 리셋 신호를 플립플롭 회로(431)의 리셋 단자(Reset)에 출력할 수 있다. 예컨대, 미리 설정된 오프 조건은 미리 설정된 오프 시간 동안 제1 무선 신호가 수신되지 않는 경우일 수 있다.
플립플롭 회로(431)의 전원 단자(Vcc)는 LDO(411)의 출력단에 연결되어, LDO(411)에서 생성된 제어 전압은 플립플롭 회로(431)를 구동하는데 사용된다. 그러나, 제1 무선 신호가 수신되지 않거나, 제1 LC 공진 회로(316)에서 제2 무신 신호를 출력하는 경우, LDO(411)가 제어 전압을 생성하지 않을 수 있다. 이 경우 플립플롭 회로(431)는 LDO(411)의 제어 전압을 구동 전압으로 이용할 수 없다.
플립플롭 회로(431)의 전원 단자(Vcc)는 제어부(311)에 연결되며, 전원 단자(Vcc)와 제어부(311) 사이에 다이오드(440)가 연결될 수 있다. 스위치(315)가 턴 온되어, 제어부(311)가 기동하면, 제어부(311)는 플립플롭 회로(431)의 전원 단자(Vcc)에 제어 전압과 실질적으로 동일한 레벨의 전압을 출력할 수 있다. LDO(411)가 제어 전압을 생성하지 않더라도, 플립플롭 회로(431)는 제어부(311)에서 공급되는 전압을 구동 전압으로 이용할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 모듈 배터리 관리 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도를 도시한다.
도 5와 함께 도 6을 참조하면, 마스터 배터리 관리 장치(110)로부터 무선 신호가 수신될 수 있다(S10). 무선 신호는 제1 LC 공진 회로(316)를 통해 수신될 수 있으며, 제1 LC 공진 회로(316)는 무선 신호로부터 제어 전력을 생성하고, LDO(411)는 제어 전력으로부터 제어 전압을 생성할 수 있다.
무선 신호가 수신되는 수신 시간과 미리 설정된 지연 시간(Tdelay)을 비교할 수 있다(S20). 무선 신호가 지연 시간(Tdelay)보다 짧게 수신되면 이후 단계들을 수행하지 않고 종료할 수 있다. 지연 시간(Tdelay)는 지연 회로(도 4의 420)의 비교기(421) 및 저항(R), 커패시터(C2) 및 기준 전압(Vr)을 통해 설정될 수 있다.
무선 신호가 지연 시간(Tdelay)보다 길게 수신되면, 스위치(315)를 턴 온 시킬 수 있다(S30). 래치 회로(도 4의 430)는 스위치(315)를 턴 온 시키기 위해 출력하는 제어 전압을 유지할 수 있다.
스위치(315)가 턴 온되면, 전원부(도 3의 314)와 배터리 셀 집합(320)가 연결되며, 전원부(314)는 배터리 셀 집합(320)에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성하여, 제어부(도 3의 311)에 공급할 수 있다. 제어부(311)는 구동 전압을 이용하여 동작을 시작할 수 있다(S40).
제어부(311)는 미리 설정된 알고리즘에 따라 스스로 턴 오프되기 위해, 스위치(315)를 턴 오프 시킬 수 있으며, 이를 위해 리셋 신호를 래치 회로(430)에 출력할 수 있다(S60).
미리 설정된 알고리즘은 예컨대 무선 신호가 오프 시간(Toff)보다 길게 수신되지 않는 경우에 스스로 턴 오프하여 셧다운 상태로 천이하는 것일 수 있다. 이를 위해 단계(S40)와 단계(S60) 사이에, 무선 신호가 수신되지 않는 미수신 시간과 오프 시간(Toff)이 비교될 수 있다(S50). 무선 신호가 수신되지 않는 시간이 오프 시간(Tdelay)보다 짧은 경우, 제어부(311)는 계속 동작할 수 있다.
무선 신호가 수신되지 않는 시간이 오프 시간(Tdelay)보다 긴 경우, 제어부(311)는 단계(S60)로 진행하여 리셋 신호를 래치 회로(430)에 출력하여, 스위치(315)를 턴 오프시킬 수 있다. 스위치(315)가 턴 오프되면, 전원부(도 3의 314)와 배터리 셀 집합(320)가 전기적으로 분리되며, 제어부(311)에 인가되는 구동 전압이 사라지면서 제어부(311)는 턴 오프된다. 제어부(311)는 대기 전력을 소모하지 않는다.
도 7은 일 실시예에 따른 모듈 배터리 관리 장치와 마스터 배터리 관리 장치 간의 저주파 무선 통신을 도시한다.
도 7을 참조하면, 모듈 배터리 관리 장치(120)는 제1 안테나(124)를 통해 제1 무선 신호를 수신한다. 제1 무선 신호는 마스터 배터리 관리 장치(110)가 제2 안테나(111)를 통해 송신한 신호이다. 모듈 배터리 관리 장치(120)는 제1 무선 신호를 통해 제어 전력과 데이터를 수신할 수 있다.
제1 무선 신호는 진폭 편이 변조(ASK, amplitude shift keying) 방식으로 변조된 무선 신호일 수 있다. 진폭 변이 변조 방식으로 변조된 무선 신호는 하이 레벨의 진폭을 갖는 펄스를 포함하므로 전력 전송에 유리하다.
일 예에 따르면, 마스터 배터리 관리 장치(110)는 모듈 배터리 관리 장치(120)를 웨이크업 시키기 위해 미리 설정된 시간 동안 하이 레벨의 진폭을 갖는 제1 무선 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 제1 무선 신호가 미리 설정된 시간(예컨대, 지연 시간(Tdelay)) 동안 계속하여 하이 레벨의 진폭을 가짐으로써, 모듈 배터리 관리 장치(120)의 스위치 제어 회로(도 4의 400)가 제어 전압을 더욱 빨리 생성할 수 있다.
모듈 배터리 관리 장치(120)는 제1 안테나(124)를 통해 제2 무선 신호를 송신한다. 제2 무선 신호는 마스터 배터리 관리 장치(110)가 제2 안테나(111)를 통해 수신할 수 있다. 모듈 배터리 관리 장치(120)는 제2 무선 신호를 통해 데이터를 송신할 수 있다.
제2 무선 신호는 주파수 편이 변조(FSK, frequency shift keying) 방식으로 변조된 무선 신호일 수 있다. 모듈 배터리 관리 장치(120)는 배터리 셀 집합(도 3의 320)에 저장된 전력을 사용한다. 모듈 배터리 관리 장치(120)가 주파수 편이 변조 방식으로 변조된 제2 무선 신호를 출력함으로써 저전력으로 동작하면서도 무선 통신으로 데이터를 효율적으로 전송할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면들에 도시된 다양한 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 장치에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성하는 전원부;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 전원부 사이에 연결되는 스위치;
    외부 장치로부터 제1 무선 신호를 수신하고 상기 제1 무선 신호로부터 제어 전력을 생성하는 제1 LC 공진 회로;
    상기 제1 LC 공진 회로에 의해 생성된 상기 제어 전력을 이용하여 상기 스위치를 턴 온하는 스위치 제어 회로; 및
    상기 구동 전압에 의해 구동하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터 데이터를 수집하고, 상기 제1 LC 공진 회로를 이용하여 상기 외부 장치에 제2 무선 신호를 송신하도록 구성되는 제어부를 포함하고,
    상기 스위치 제어 회로는,
    상기 제어 전력으로부터 제어 전압을 생성하는 전원 회로; 및
    상기 제어 전압을 상기 스위치에 출력하고 상기 제어 전압을 유지하는 래치 회로를 포함하는 배터리 관리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터를 센싱하여 상기 파라미터 데이터를 상기 제어부에 제공하는 센싱부를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 LC 공진 회로가 상기 제2 무선 신호를 출력하도록 상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 LC 공진 회로를 구동하는 제1 무선 통신부를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 무선 통신부는 상기 제1 무선 신호를 디코딩하여 생성된 제1 데이터를 상기 제어부에 제공하고, 상기 제어부로부터 수신되는 제2 데이터를 인코딩하여 상기 제1 LC 공진 회로로 출력하도록 구성되는 배터리 관리 장치.
  5. 적어도 하나의 배터리 셀을 관리하는 배터리 관리 장치에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성하는 전원부;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 전원부 사이에 연결되는 스위치;
    외부 장치로부터 제1 무선 신호를 수신하고 상기 제1 무선 신호로부터 제어 전력을 생성하는 제1 LC 공진 회로;
    상기 제1 LC 공진 회로에 의해 생성된 상기 제어 전력을 이용하여 상기 스위치를 턴 온하는 스위치 제어 회로; 및
    상기 구동 전압에 의해 구동하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터 데이터를 수집하고, 상기 제1 LC 공진 회로를 이용하여 상기 외부 장치에 제2 무선 신호를 송신하도록 구성되는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 LC 공진 회로는,
    제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제1 공진 인덕터;
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 상기 제1 공진 인덕터와 병렬로 연결되는 제1 공진 커패시터; 및
    상기 제2 노드와 그라운드 사이에 연결되는 유지 커패시터를 포함하는 배터리 관리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 노드에 연결되어 상기 제1 무선 신호를 수신하는 제1 무선 통신부를 더 포함하고,
    상기 제어 전력은 상기 제2 노드를 통해 상기 스위치 제어 회로에 제공되는 배터리 관리 장치.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는,
    상기 전원 회로가 미리 설정된 지연 시간 동안 상기 제어 전압을 생성한 후에 상기 래치 회로가 상기 제어 전압을 상기 스위치에 출력하도록 구성되는 지연 회로를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 래치 회로는 플립플롭 회로를 포함하고,
    상기 플립플롭 회로는,
    상기 제어 전압이 인가되는 입력 단자;
    상기 지연 회로의 출력이 인가되는 클럭 단자;
    상기 스위치를 제어하는 출력 신호를 출력하는 출력 단자; 및
    상기 제어 전압이 인가되는 전원 단자를 포함하는 배터리 관리 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 플립플롭 회로는 상기 제어부에 연결되는 리셋 단자를 더 포함하고,
    상기 제어부는 미리 설정된 오프 조건이 성취되면 상기 스위치를 턴 오프 시키도록 상기 리셋 단자에 하이 레벨 신호를 출력하도록 구성되는 배터리 관리 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 전원 단자는 상기 전원 회로 및 상기 제어부에 공통으로 연결되어, 상기 제1 무선 신호가 수신되지 않을 때에도 상기 제어부에서 제공하는 전력을 이용하여 상기 래치 회로가 동작하는 배터리 관리 장치.
  12. 적어도 하나의 배터리 셀 및 모듈 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 충방전 경로 상에 배치되는 배터리 차단 회로; 및
    상기 모듈 배터리 관리 장치에 제1 무선 신호를 출력하고, 상기 모듈 배터리 관리 장치로부터 수신되는 제2 무선 신호에 기초하여 상기 배터리 차단 회로를 제어하도록 구성되는 마스터 배터리 관리 장치를 포함하며,
    상기 모듈 배터리 관리 장치는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성하는 전원부;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 전원부 사이에 연결되는 스위치;
    상기 마스터 배터리 관리 장치로부터 상기 제1 무선 신호를 수신하고 상기 제1 무선 신호로부터 제어 전력을 생성하는 제1 LC 공진 회로;
    상기 제1 LC 공진 회로에 의해 생성된 상기 제어 전력을 이용하여 상기 스위치를 턴 온하는 스위치 제어 회로; 및
    상기 구동 전압에 의해 구동하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터 데이터를 수집하고, 상기 제1 LC 공진 회로를 이용하여 상기 마스터 배터리 관리 장치에 상기 제2 무선 신호를 송신하도록 구성되는 제어부를 포함하고,
    상기 마스터 배터리 관리 장치는 상기 제1 무선 신호를 출력하고 상기 제2 무선 신호를 수신하는 제2 LC 공진 회로를 포함하고,
    상기 스위치 제어 회로는,
    상기 제어 전력으로부터 제어 전압을 생성하는 전원 회로; 및
    상기 제어 전압을 상기 스위치에 출력하고 상기 제어 전압을 유지하는 래치 회로를 포함하는 배터리 팩.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 모듈 배터리 관리 장치는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터를 센싱하여 상기 파라미터 데이터를 상기 제어부에 제공하는 센싱부; 및
    상기 제1 LC 공진 회로가 상기 제2 무선 신호를 출력하도록 상기 제어부의 제어에 따라 상기 제1 LC 공진 회로를 구동하는 제1 무선 통신부를 더 포함하는 배터리 팩.
  14. 적어도 하나의 배터리 셀 및 모듈 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 충방전 경로 상에 배치되는 배터리 차단 회로; 및
    상기 모듈 배터리 관리 장치에 제1 무선 신호를 출력하고, 상기 모듈 배터리 관리 장치로부터 수신되는 제2 무선 신호에 기초하여 상기 배터리 차단 회로를 제어하도록 구성되는 마스터 배터리 관리 장치를 포함하며,
    상기 모듈 배터리 관리 장치는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성하는 전원부;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 전원부 사이에 연결되는 스위치;
    상기 마스터 배터리 관리 장치로부터 상기 제1 무선 신호를 수신하고 상기 제1 무선 신호로부터 제어 전력을 생성하는 제1 LC 공진 회로;
    상기 제1 LC 공진 회로에 의해 생성된 상기 제어 전력을 이용하여 상기 스위치를 턴 온하는 스위치 제어 회로; 및
    상기 구동 전압에 의해 구동하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터 데이터를 수집하고, 상기 제1 LC 공진 회로를 이용하여 상기 마스터 배터리 관리 장치에 상기 제2 무선 신호를 송신하도록 구성되는 제어부를 포함하고,
    상기 마스터 배터리 관리 장치는 상기 제1 무선 신호를 출력하고 상기 제2 무선 신호를 수신하는 제2 LC 공진 회로를 포함하고,
    상기 제1 LC 공진 회로는,
    제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제1 공진 인덕터;
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 상기 제1 공진 인덕터와 병렬로 연결되는 제1 공진 커패시터; 및
    상기 제2 노드와 그라운드 사이에 연결되는 유지 커패시터를 포함하는 배터리 팩.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2 LC 공진 회로는 직렬로 연결되는 제2 공진 인덕터 및 제2 공진 커패시터를 포함하는 배터리 팩.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는,
    상기 전원 회로가 미리 설정된 지연 시간 동안 상기 제어 전압을 생성한 후에 상기 래치 회로가 상기 제어 전압을 상기 스위치에 출력하도록 구성되는 지연 회로를 더 포함하는 배터리 팩.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 무선 신호와 상기 제2 무선 신호는 30kHz 내지 300kHz 사이의 저주파수(low frequency) 대역의 무선 신호인 배터리 팩.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 무선 신호는 진폭 편이 변조(ASK, amplitude shift keying) 방식으로 변조된 무선 신호인 배터리 팩.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 마스터 배터리 관리 장치는 상기 모듈 배터리 관리 장치를 웨이크업 시키기 위해 미리 설정된 시간 동안 하이 레벨의 진폭을 갖는 상기 제1 무선 신호를 출력하도록 구성되는 배터리 팩.
  20. 적어도 하나의 배터리 셀 및 모듈 배터리 관리 장치를 포함하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 충방전 경로 상에 배치되는 배터리 차단 회로; 및
    상기 모듈 배터리 관리 장치에 제1 무선 신호를 출력하고, 상기 모듈 배터리 관리 장치로부터 수신되는 제2 무선 신호에 기초하여 상기 배터리 차단 회로를 제어하도록 구성되는 마스터 배터리 관리 장치를 포함하며,
    상기 모듈 배터리 관리 장치는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀에 저장된 전력으로부터 구동 전압을 생성하는 전원부;
    상기 적어도 하나의 배터리 셀과 상기 전원부 사이에 연결되는 스위치;
    상기 마스터 배터리 관리 장치로부터 상기 제1 무선 신호를 수신하고 상기 제1 무선 신호로부터 제어 전력을 생성하는 제1 LC 공진 회로;
    상기 제1 LC 공진 회로에 의해 생성된 상기 제어 전력을 이용하여 상기 스위치를 턴 온하는 스위치 제어 회로; 및
    상기 구동 전압에 의해 구동하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 파라미터 데이터를 수집하고, 상기 제1 LC 공진 회로를 이용하여 상기 마스터 배터리 관리 장치에 상기 제2 무선 신호를 송신하도록 구성되는 제어부를 포함하고,
    상기 마스터 배터리 관리 장치는 상기 제1 무선 신호를 출력하고 상기 제2 무선 신호를 수신하는 제2 LC 공진 회로를 포함하고,
    상기 제2 무선 신호는 주파수 편이 변조(FSK, frequency shift keying) 방식으로 변조된 무선 신호인 배터리 팩.
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