KR102451089B1 - Battery monitoring circuit having a circuit detecting transient voltage in battery cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 배터리 모니터링 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 셀의 내부 단락에 의한 과도전압의 변화를 감지하여 불량 배터리 셀을 검출함으로써, 내부 단락에 의한 배터리의 화재 또는 폭발을 방지하고, 내부 단락의 존재 유무에 따라 배터리 셀의 재사용 판단기준을 제시할 수 있는, 배터리 모니터링 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a battery monitoring circuit, and more particularly, by detecting a change in transient voltage caused by an internal short circuit of a battery cell and detecting a bad battery cell, prevents a fire or explosion of a battery due to an internal short circuit, and prevents an internal short circuit It relates to a battery monitoring circuit capable of presenting a criterion for determining the reuse of a battery cell according to the presence or absence of a.
리튬-이온 배터리는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기 차량, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)이나 무정전 전원 공급 장치 등의 에너지 저장 장치로서 보편적으로 응용되고 있다.Lithium-ion batteries are commonly applied as energy storage devices such as electric vehicles, energy storage systems (ESSs) and uninterruptible power supplies as well as portable devices.
휴대용 기기에 적용되는 소용량의 배터리와는 달리, 전기 차량이나 에너지 저장 시스템에 적용되는 중대형 이상의 배터리인 경우에는 통상적으로 복수의 배터리 셀을 직렬 또는 직·병렬로 연결하여 고용량의 배터리 장치를 구현하여 사용하게 된다.Unlike small-capacity batteries applied to portable devices, in the case of medium-to-large or larger batteries applied to electric vehicles or energy storage systems, a high-capacity battery device is typically implemented and used by connecting a plurality of battery cells in series or in series/parallel. will do
이와 같은 고용량의 배터리 장치는 직렬 또는 직·병렬로 연결된 복수의 배터리 셀과, 배터리 셀의 전압 및 온도 등 배터리 셀의 적어도 하나 이상의 파라미터를 측정 및 모니터링하는 셀 모니터링 유닛(CMU, Cell Monitoring Unit)과, 배터리 셀의 상태 정보를 기반으로 배터리 셀을 관리하는 배터리 모니터링 유닛(BMU, Battery monitoring unit)을 포함하는 배터리 팩 또는 배터리 모듈로 구현될 수 있다.Such a high-capacity battery device includes a plurality of battery cells connected in series or in series/parallel, and a cell monitoring unit (CMU) for measuring and monitoring at least one parameter of the battery cells, such as voltage and temperature of the battery cells, and , may be implemented as a battery pack or a battery module including a battery monitoring unit (BMU) that manages the battery cells based on the state information of the battery cells.
도 1은 종래의 배터리 장치에 관한 일 예시도이다.1 is an exemplary view of a conventional battery device.
도 1을 참조하면, 종래의 배터리 장치는, 충방전 케이블(20)에 직렬 연결되는 다수의 배터리 셀(11)과, 각종 제어 장치, 내외부와의 통신수단 및 배선 등으로 구성되고, 전기자동차에서는 이를 배터리 팩이라고 통칭하기도 한다. 다수의 배터리 셀(11)은 배터리 팩 내부에서 배터리 셀(11) 관리와 조립의 효율성을 고려하여 복수의 배터리 모듈(10)로 그룹화될 수 있다.Referring to FIG. 1 , a conventional battery device is composed of a plurality of
종래의 배터리 장치는, 배터리 모듈(10) 각각에 대하여 배터리 모듈(10)의 배터리 셀(11)과 직접 전기적 연결을 가지는 다수의 셀 모니터링 유닛(CMU, Cell Monitoring Unit, 12)과, 다수의 CMU(12)와 배터리 셀(11)의 상태 정보와 제어 정보를 송수신하고 복잡한 소프트웨어 프로그램으로 배터리 팩의 전체적인 동작을 제어하는 배터리 모니터링 유닛(BMU, Battery, Battery Monitoring Unit, 30)으로 구성된다. A conventional battery device, a plurality of cell monitoring units (CMU, Cell Monitoring Unit, 12) having a direct electrical connection with the
현재까지 대부분의 배터리 장치는 1개의 BMU(30)와 복수의 CMU(12)로 구성되고, 배터리 모듈(10) 당 1개의 CMU(12)가 매칭되어 배터리 모니터링 및 제어 기능을 구현하고 있다. 이때, CMU(12)에는 배터리 셀(11)에 전기적으로 연결되어 배터리 셀(11)의 상태를 모니터링하거나 배터리 셀(11)의 동작을 제어하는 배터리 모니터링 회로(BMC, Battery Monitoring Circuit)를 포함하여 구성되며, BMC는 통상적으로 배터리 모듈(10) 내의 다수의 배터리 셀(11)과 전도성의 셀 측정배선(WCM, Wire Harness for Cell Measurement)으로 연결되어 배터리 셀(11)의 상태를 측정 및 모니터하고, 필요한 경우 방전 기능을 수행하는 1개의 멀티-셀 배터리 모니터링 IC (MCBMIC, Multi-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit)로 구성된다.Until now, most battery devices are composed of one
이때, 배터리 관리 성능을 최대로 구현하기 위해 배터리 셀(11)의 상태는 매우 정밀하게 측정되어야 한다는 것이 CMU(12)의 일반적인 요구사항이다.At this time, it is a general requirement of the
그러나, 종래에는 셀 측정배선(WCM)의 길이와 경유 경로가 배터리 셀(11)마다 다르기 때문에 측정 파라미터에 차이가 발생하고, 싱글 라인으로 특정 위치에 연결되는 구간이 상당히 노출되어 공통 모드 노이즈에 취약한 문제가 있다.However, in the related art, since the length of the cell measurement wiring (WCM) and the via path are different for each
또한, 종래의 BMC는 배터리 셀(11)의 상태를 측정 또는 모니터하는 1개 또는 2개의 ADC(Analog-to-Digital Convertor)와, 배터리 셀들(11)과 ADC 사이의 멀티플렉서를 이용하여 배터리 셀(11)을 모니터하기 때문에 멀티플렉서로 선택된 배터리 셀(11)을 측정 또는 모니터하고 있을 때에는 선택되지 않은 배터리 셀(11)은 측정 또는 모니터할 수 없는 문제가 있다. 즉, 모든 배터리 셀(11)의 상태를 동시에 측정 또는 모니터할 수 없고 대부분의 동작 시간 동안 또는 실시간으로 모니터할 수 없는 문제가 있다.In addition, the conventional BMC uses one or two analog-to-digital converters (ADCs) that measure or monitor the state of the
특히, 종래의 BMC는 배터리 셀(11) 내부에서 순간적으로 발생하는 내부 단락(ISC, Internal Short Circuit) 또는 미세 단락(MSC, Micro Short Circuit) 및 그에 따른 과도전압을 실시간으로 정확하게 감지하지 못하는 문제가 있다. 이에 따라 문제의 징후가 있는 배터리 셀(11)을 검출하지 못하여 배터리 셀(11)의 고장, 화재 및 폭발의 위험을 사전에 방지하기 어려운 문제가 있다.In particular, the conventional BMC has a problem in that it cannot accurately detect in real time an internal short circuit (ISC) or a micro short circuit (MSC) that occurs instantaneously inside the
도 2는 배터리 셀(11)의 내부 단락을 설명하기 위한 배터리 셀(11)의 내부 단락 모델의 회로이고, 도 3은 배터리 셀(11)에 내부 단락이 발생할 때 내부 단락저항(RISC)에 따른 강하 전압(VDROP)의 변화를 나타낸 그래프이다.2 is a circuit of an internal short circuit model of the
내부 단락 또는 미세 단락이란, 배터리 셀(11)의 충전 중 분리막을 사이에 두고 음극에 자라나는 수지상 돌기(dendrite)에 의하여 내부적 및 순간적으로 단락되는 현상을 말하며, 간헐적으로 발생하는 내부 단락은 배터리 셀(11)의 내부를 약하게 하거나 더욱 심각한 내부 단락을 유도하여 급기야는 열폭주(thermal runaway)를 발생시켜 배터리의 화재 및 폭발을 야기할 수 있다.Internal short circuit or micro short circuit refers to a phenomenon in which internal and instantaneous short circuits occur internally and instantaneously by dendrites growing on the negative electrode with a separator interposed therebetween during charging of the
내부 단락 현상이 발생하는 배터리 셀(11)은 셀 내부저항(Rs), 내부 단락저항(RISC) 및 단락 스위치(SWISC)가 도 2와 같이 모델링될 수 있다.In the
도 2에 따르면, 내부 단락 현상이 발생할 때 단락 스위치(SWISC)가 클로즈되어 셀 내부적으로 단락전류(IISC)가 흐르고, 셀 단락전압(VBISC)은 셀 전압(VB) 대비 강하 전압(VDROP) 만큼의 과도전압 형태의 전압 강하가 발생한다. 이때 발생하는 강하 전압(VDROP)은 아래 수학식 1과 같이 주어지며, 내부 단락저항(RISC) 값에 따라 도 3에 나타난 형태로 변화한다.According to FIG. 2 , when an internal short circuit occurs, the short circuit switch SW ISC is closed and a short circuit current I ISC flows inside the cell, and the cell short circuit voltage VB ISC is the cell voltage VB versus the drop voltage V DROP ) as much as a voltage drop in the form of a transient voltage occurs. At this time, the generated drop voltage (V DROP ) is given as in
[수학식 1][Equation 1]
도 3을 참조하면, 셀 내부저항(Rs)이 1m옴이고 내부 단락저항(RISC)이 1옴이라고 가정하면, 내부 단락이 발생할 때 강하 전압(VDROP)은 4mV 정도밖에 되지 않는다.Referring to FIG. 3 , assuming that the cell internal resistance Rs is 1 mohm and the internal short circuit resistance R ISC is 1 ohm, the drop voltage V DROP is only about 4 mV when an internal short circuit occurs.
내부 단락은 시간적으로 랜덤하게 발생하며 순간적으로 과도전압 형태로 발생하였다가 사라질 수 있고, 배터리의 사용 상태 및 동작 환경에 따라 그 현상이 심각해지거나 사라지기도 한다.An internal short circuit occurs randomly in time and may occur and then disappear in the form of an instantaneous transient voltage, and the phenomenon may become serious or disappear depending on the usage state and operating environment of the battery.
열폭주 임계치에 근접할수록 내부 단락저항(RISC)의 크기가 작아지며 이에 따라 내부 단락에 의한 강하 전압(VDROP)도 커지게 되지만, 내부 단락 현상이 있는 배터리 셀(11)은 최대한 이른 시간에 검출되어야 하고, 배터리 셀(11)의 용량이 클수록 셀 내부저항(Rs)은 작아지므로 매우 작은 강하 전압(VDROP)에 의한 과도전압도 감지할 수 있는 기술이 요구된다.As it approaches the thermal runaway threshold, the size of the internal short circuit resistance (R ISC ) becomes smaller and accordingly, the voltage drop (V DROP ) due to the internal short circuit also increases. It should be detected, and since the cell internal resistance Rs decreases as the capacity of the
따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배터리 셀의 내부 단락에 의한 과도전압의 변화를 감지하여 불량 배터리 셀을 검출함으로써, 내부 단락에 의한 배터리의 화재 또는 폭발을 방지하고, 내부 단락의 존재 유무에 따라 배터리 셀의 재사용 판단기준을 제시할 수 있는, 배터리 모니터링 회로를 제공하는 데에 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been devised to solve the problems of the prior art, and by detecting a change in transient voltage due to an internal short circuit of a battery cell and detecting a defective battery cell, a fire or explosion of the battery due to an internal short circuit is prevented, An object of the present invention is to provide a battery monitoring circuit capable of presenting a criterion for determining the reuse of a battery cell according to the presence or absence of an internal short circuit.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. will be able
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 배터리 모니터링 회로는, 직렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀의 상태를 모니터링하거나 동작을 제어하도록 구성되는 배터리 모니터링 회로에 있어서, 상기 배터리 셀의 셀 전압을 디지털 값으로 변환하는 ADC(analog-to digital coverter); 및 상기 직렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀의 적어도 하나 이상에 각각 대응되고, 대응하는 배터리 셀의 셀 전압의 직류 성분을 제거한 교류 성분을 기초로 상기 대응하는 배터리 셀의 과도전압을 검출하는 하나 이상의 과도전압 검출부를 포함하고, 상기 하나 이상의 과도전압 검출부 각각은, 상기 대응하는 배터리 셀의 셀 전압의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 제공하는 직류 제거부; 상기 교류 성분을 증폭하는 증폭부; 및 상기 증폭된 교류 성분을 소정의 임계레벨과 비교하여 과도전압을 검출하는 비교기를 포함하여 구성되고, 상기 과도전압은, 상기 배터리 셀의 충전 중에 시간적으로 랜덤하게 발생하는 전압을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the battery monitoring circuit according to the present invention is a battery monitoring circuit configured to monitor the state or control the operation of one or more battery cells connected in series, and convert the cell voltage of the battery cell to a digital value. ADC (analog-to digital coverter) to convert to; and one or more transient voltage detection units corresponding to at least one or more of the one or more battery cells connected in series, respectively, and detecting the transient voltage of the corresponding battery cell based on an AC component from which a DC component of the cell voltage of the corresponding battery cell is removed. including, wherein each of the one or more transient voltage detection units includes: a direct current removing unit providing an alternating current component by removing a direct current component of a cell voltage of the corresponding battery cell; an amplifying unit amplifying the AC component; and a comparator configured to detect a transient voltage by comparing the amplified AC component with a predetermined threshold level, wherein the transient voltage includes a voltage randomly generated in time during charging of the battery cell do.
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상기 하나 이상의 과도전압 검출부 각각은, 상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압의 직류 성분과 음의 전압의 직류 성분을 각각 제거하여 교류 성분을 각각 출력하는 직류 제거부; 상기 직류 제거부로부터 각각 출력된 교류 성분의 차를 증폭하는 증폭부; 및 상기 증폭된 교류 성분의 차를 소정의 임계레벨과 비교하여 과도전압을 검출하는 비교기를 포함할 수 있다.Each of the one or more transient voltage detection units may include: a DC removal unit configured to respectively output an AC component by removing a DC component of a positive voltage and a DC component of a negative voltage of the corresponding battery cell; an amplifying unit for amplifying a difference between AC components output from the DC removing unit; and a comparator for detecting an overvoltage by comparing the difference between the amplified AC components with a predetermined threshold level.
상기 하나 이상의 과도전압 검출부 각각은, 상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압 또는 음의 전압 중 어느 하나의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 출력하는 직류 제거부; 상기 교류 성분을 증폭하는 증폭부; 및 상기 증폭된 교류 성분을 소정의 임계레벨과 비교하여 과도전압을 검출하는 비교기를 포함할 수 있다.Each of the one or more transient voltage detection units may include: a DC removal unit configured to output an AC component by removing a DC component of any one of a positive voltage or a negative voltage of the corresponding battery cell; an amplifying unit amplifying the AC component; and a comparator for detecting an overvoltage by comparing the amplified AC component with a predetermined threshold level.
상기 과도전압 검출부는, 적어도 둘 이상 구비되어 직렬 연결된 복수의 배터리 셀의 적어도 둘 이상에 각각 대응되고, 상기 과도전압 검출부로부터 제공되는 적어도 둘 이상의 배터리 셀 각각의 교류 성분 또는 과도전압 검출결과를 비교하여 배터리 셀에 내부 단락이 발생하였는지 여부를 검증하는 내부단락 검증부를 더 포함할 수 있다.The transient voltage detection unit is provided with at least two or more corresponding to at least two or more of the plurality of battery cells connected in series, and compares the AC component or the transient voltage detection result of each of the at least two or more battery cells provided from the transient voltage detection unit. The battery cell may further include an internal short-circuit verification unit that verifies whether an internal short has occurred.
상기 직류 제거부는, 상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압 또는 음의 전압 중 적어도 어느 하나의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 출력하는 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.The DC removing unit may include at least one capacitor configured to output an AC component by removing at least one DC component of a positive voltage or a negative voltage of the corresponding battery cell.
상기 직류 제거부는, 상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압 또는 음의 전압 중 적어도 어느 하나의 직류 레벨을 천이시켜 상기 커패시터로 제공하는 레벨 쉬프터를 더 포함할 수 있다.The DC removing unit may further include a level shifter that shifts a DC level of at least one of a positive voltage or a negative voltage of the corresponding battery cell to provide the transition to the capacitor.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 배터리 모니터링 반도체 집적회로는, 상술한 배터리 모니터링 회로가 반도체 집적회로로 구현된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the battery monitoring semiconductor integrated circuit according to the present invention is characterized in that the above-described battery monitoring circuit is implemented as a semiconductor integrated circuit.
본 발명에 따른 배터리 모니터링 반도체 집적회로는, 상기 직류 제거부는, 상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압 또는 음의 전압 중 적어도 어느 하나의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 출력하는 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.In the battery monitoring semiconductor integrated circuit according to the present invention, the DC removing unit includes at least one capacitor configured to output an AC component by removing at least one DC component of a positive voltage or a negative voltage of the corresponding battery cell. can do.
본 발명에 따른 배터리 모니터링 반도체 집적회로는, 상기 직류 제거부는, 상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압 또는 음의 전압 중 적어도 어느 하나의 직류 레벨을 천이시켜 상기 커패시터로 제공하는 레벨 쉬프터를 더 포함할 수 있다.In the battery monitoring semiconductor integrated circuit according to the present invention, the DC removing unit may further include a level shifter that shifts a DC level of at least one of a positive voltage or a negative voltage of the corresponding battery cell and provides the transition to the capacitor. can
본 발명에 따른 배터리 모니터링 반도체 집적회로는, 상기 과도전압 검출부는, 적어도 둘 이상으로 구비되어 직렬 연결된 복수의 배터리 셀의 적어도 둘 이상에 각각 대응되고, 상기 과도전압 검출부로부터 제공되는 적어도 둘 이상의 배터리 셀 각각의 교류 성분 또는 과도전압 검출결과를 비교하여 배터리 셀에 내부 단락이 발생하였는지 여부를 검증하는 내부단락 검증부를 더 포함할 수 있다.In the battery monitoring semiconductor integrated circuit according to the present invention, the transient voltage detector includes at least two or more, respectively, corresponding to at least two or more of a plurality of battery cells connected in series, and at least two or more battery cells provided from the transient voltage detector The device may further include an internal short-circuit verification unit that compares each AC component or the transient voltage detection result to verify whether an internal short circuit has occurred in the battery cell.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 배터리 장치는, 직렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀의 상태를 모니터링하거나 동작을 제어하도록 구성된 본 발명의 배터리 모니터링 회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the battery device according to the present invention, one or more battery cells connected in series; and a battery monitoring circuit of the present invention configured to monitor a state of the battery cell or control an operation thereof.
본 발명에 따른, 배터리 모니터링 회로는, 배터리 셀의 내부 단락에 의한 과도전압의 변화를 감지하여 불량 배터리 셀을 검출함으로써, 내부 단락에 의한 배터리의 화재 또는 폭발을 방지할 수 있는 효과가 있다.The battery monitoring circuit according to the present invention has an effect of preventing a fire or explosion of a battery due to an internal short circuit by detecting a change in an excessive voltage due to an internal short circuit of the battery cell and detecting a defective battery cell.
또한, 본 발명에 따른, 배터리 모니터링 회로는, 배터리 셀의 내부 단락에 의한 과도전압의 변화를 감지하여 불량 배터리 셀을 검출함으로써, 배터리 셀의 내부 단락의 존재 유무에 따라 배터리 셀의 재사용 판단기준을 제시할 수 있는 효과가 있다.In addition, the battery monitoring circuit according to the present invention detects a change in a transient voltage caused by an internal short circuit of a battery cell and detects a bad battery cell, so that the reuse determination criterion of the battery cell is determined according to the presence or absence of an internal short circuit of the battery cell. effect that can be presented.
도 1은 종래의 배터리 장치에 관한 일 예시도이다.
도 2는 배터리 셀의 내부 단락을 설명하기 위한 배터리 셀의 내부 단락 모델의 회로이다.
도 3은 배터리 셀에 내부 단락이 발생할 때 내부 단락저항(RISC)에 따른 강하 전압(VDROP)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 모니터링 회로 및 이를 구비한 배터리 장치를 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 과도전압 검출부의 다양한 예시를 도시한 예시도이다.
도 6은 복수의 과도전압 검출부의 검출 결과를 이용하여 내부 단락이 발생하였는지 여부를 검증하기 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 직류 제거부의 구체적인 구현 예를 도시한 도면이다.1 is an exemplary view of a conventional battery device.
2 is a circuit diagram of an internal short circuit model of a battery cell for explaining an internal short circuit of the battery cell.
3 is a graph illustrating a change in the drop voltage (V DROP ) according to the internal short-circuit resistance (R ISC ) when an internal short circuit occurs in the battery cell.
4 is a block diagram illustrating a battery monitoring circuit and a battery device having the same according to the present invention.
5 is an exemplary diagram illustrating various examples of a transient voltage detection unit according to the present invention.
6 is a diagram illustrating a configuration for verifying whether an internal short circuit has occurred using detection results of a plurality of transient voltage detection units.
7 is a diagram illustrating a specific implementation example of a DC removing unit.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 상세한 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것에 불과하다.A preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following detailed description is merely exemplary, and only shows preferred embodiments of the present invention.
본 발명과 관련한 용어를 다음과 같이 정의하기로 한다.Terms related to the present invention will be defined as follows.
멀티-셀 배터리 모니터링 회로(MCBMC, Multi-Cell Battery Monitoring Circuit)은, 복수의 직렬 연결된 배터리 셀들에 전기적으로 직접 연결되어 해당 셀들의 상태 측정/모니터/방전 기능, 및 외부유닛과의 통신 기능을 수행할 수 있는 회로이다. 이 구성의 적어도 일부는 멀티-셀 배터리 모니터링 IC(MCBMIC)로 구현될 수 있다.A multi-cell battery monitoring circuit (MCBMC) is electrically directly connected to a plurality of series-connected battery cells to measure/monitor/discharge the state of the cells, and to communicate with an external unit. It is a circuit that can At least a portion of this configuration may be implemented as a multi-cell battery monitoring IC (MCBMIC).
멀티-셀 배터리 모니터링 IC(MCBMIC, Multi-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit)는, 멀티-셀 배터리 모니터링 회로의 적어도 일부가 집적회로로 구현된 IC이다. 복수의 배터리 셀에 대하여 요구되는 기능에 필요한 IC 내부의 회로 블록을 공유할 수 있는 장점이 있으나, 고전압 공정을 사용해야 하는 단점이 있다.A multi-cell battery monitoring IC (MCBMIC, Multi-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit) is an IC in which at least a part of a multi-cell battery monitoring circuit is implemented as an integrated circuit. Although there is an advantage that a circuit block inside an IC required for a function required for a plurality of battery cells can be shared, there is a disadvantage that a high voltage process must be used.
싱글-셀 배터리 모니터링 회로(SCBMC, Single-Cell Battery Monitoring Circuit)는, 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 전기적으로 직접 연결되고, 해당 셀의 상태 측정/모니터/방전 기능, 및 외부유닛과의 통신 기능을 수행할 수 있는 회로이다. 이 구성의 적어도 일부는 싱글-셀 배터리 모니터링 IC(SCBMIC)로 구현될 수 있다.Single-Cell Battery Monitoring Circuit (SCBMC) is electrically directly connected to one or more parallel-connected battery cells, and functions to measure/monitor/discharge the state of the cells and communicate with external units. It is a circuit that can be executed. At least a portion of this configuration may be implemented as a single-cell battery monitoring IC (SCBMIC).
싱글-셀 배터리 모니터링 IC(SCBMIC, Single-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit)는, 싱글-셀 배터리 모니터링 회로의 적어도 일부가 집적회로로 구현된 IC이다. 복수의 배터리 셀에 대하여 요구되는 기능에 필요한 IC 내부의 회로 블록을 공유할 수 없는 단점이 있으나, 저전압의 일반 공정을 사용할 수 있는 장점이 있다.A single-cell battery monitoring IC (SCBMIC, Single-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit) is an IC in which at least a part of a single-cell battery monitoring circuit is implemented as an integrated circuit. Although there is a disadvantage in that a circuit block inside an IC required for a function required for a plurality of battery cells cannot be shared, there is an advantage in that a general process of a low voltage can be used.
셀 모니터링 유닛(CMU, Cell Monitoring Unit)은, 배터리 셀과 직접 연결되어 셀의 상태를 측정/모니터하고 외부유닛과 통신하는 기능을 모두 포함한 구성요소이다. 멀티-셀에 대하여 멀티-셀 배터리 모니터링 회로를 구비하거나, 싱글-셀에 대하여 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 구비하여 구성될 수 있다. 통상적으로 EV 및 ESS에는 복수의 CMU가 존재한다.A cell monitoring unit (CMU) is a component that is directly connected to a battery cell to measure/monitor the state of the cell and include all functions of communicating with an external unit. It can be configured with a multi-cell battery monitoring circuit for a multi-cell, or with a single-cell battery monitoring circuit for a single-cell. Typically, EVs and ESSs have a plurality of CMUs.
배터리 모니터링 유닛(BMU, Battery Monitoring Unit)은, CMU와 통신하여 셀 데이터를 취합하고, 연결된 CMU에 필요한 제어 명령을 송신하는 기능을 하고, 배터리 팩 전체를 관리하는 회로의 집합으로서, 배터리 시스템의 구성에 따라 CMU와 분리되어 지칭되거나, CMU를 포함하여 지칭될 수 있다. EV에서는 통상 1개의 BMU가 존재하나, 대용량의 ESS에서는 다수의 BMU가 존재할 수 있다.A battery monitoring unit (BMU) is a set of circuits that communicates with the CMU to collect cell data, transmits a control command required to the connected CMU, and manages the entire battery pack. may be referred to separately from the CMU, or may be referred to as including the CMU. In EV, there is usually one BMU, but in a large-capacity ESS, multiple BMUs may exist.
배터리 모듈(Battery Module)은, 복수의 배터리 셀들을 측정/모니터/밸런싱을 수행할 수 있는 회로를 포함하여 구성된 물리적 단위로서, 복수의 배터리 셀과 이에 대응하는 셀 모니터링 유닛을 포함하되, 셀 모니터링 유닛은 멀티-셀 배터리 모니터링 회로를 포함하거나 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 포함하여 구성될 수 있다. 셀 모니터링 유닛이 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 포함하여 구성되는 경우에 배터리 모듈은 복수의 배터리 유닛을 포함한 구성일 수 있다.A battery module is a physical unit configured to include a circuit capable of measuring/monitoring/balancing a plurality of battery cells, and includes a plurality of battery cells and a corresponding cell monitoring unit, but the cell monitoring unit may comprise a multi-cell battery monitoring circuit or may comprise a single-cell battery monitoring circuit. When the cell monitoring unit is configured to include a single-cell battery monitoring circuit, the battery module may be configured to include a plurality of battery units.
배터리 팩(Battery Pack)은, EV에서 주로 사용하는 용어이며, 배터리 셀과 전자 및 전기 장치와 필요한 모든 배선을 모두 포함한다. 복수의 배터리 모듈, BMS 및 각종 통신배선(WDC)을 포함하는 구성이거나, 복수의 배터리 모듈 대신에 복수의 배터리 유닛을 포함하는 구성일 수 있다.A battery pack is a term mainly used in EVs, and includes battery cells, electronic and electrical devices, and all necessary wiring. It may be a configuration including a plurality of battery modules, BMS and various communication wirings (WDC), or a configuration including a plurality of battery units instead of a plurality of battery modules.
셀 측정배선(WCM, Wire Harness for Cell Measurement)은, 배터리 셀의 전압 및 온도 등을 측정/모니터하기 위해 CMU와 배터리 셀 사이를 전기적으로 연결한 전도성 wire의 집합이다.A cell measurement wiring (WCM, Wire Harness for Cell Measurement) is a set of conductive wires that electrically connect a CMU and a battery cell in order to measure/monitor the voltage and temperature of the battery cell.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 모니터링 회로 및 이를 구비한 배터리 장치를 도시한 블록도이다.4 is a block diagram illustrating a battery monitoring circuit and a battery device having the same according to the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 셀의 과도전압 검출회로는, 하나 이상의 배터리 셀(11)의 적어도 하나 이상에 각각 대응되고, 배터리 셀(11)의 과도전압을 검출하는 하나 이상의 과도전압 검출부(100)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 과도전압 검출부(100)는 배터리 셀(11)의 과도전압을 검출할 때 대응하는 배터리 셀(11)의 셀 전압의 직류 성분을 제거한 교류 성분을 기초로 한다.Referring to FIG. 4 , the battery cell transient voltage detection circuit according to the present invention corresponds to at least one or more of the one or
이에 따라, 본 발명에 따른 배터리 장치는, 충방전 케이블(20)에 직렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀(11)과, 배터리 셀(11)의 상태를 모니터링하거나 동작을 제어하도록 구성되되, 상술한 과도전압 검출부(100)를 구비한 본 발명의 배터리 셀의 과도전압 검출회로를 포함하여 구성된 배터리 모니터링 회로를 포함하는 구성일 수 있다.Accordingly, the battery device according to the present invention is configured to monitor the state or control the operation of one or
여기에서, 본 발명의 배터리 장치는, 배터리 팩 내에 복수로 구비되어 배터리 팩 내의 BMU(30)에 의하여 관리되는 배터리 모듈(10)일 수 있지만, 복수의 배터리 셀(11)이 배터리 모듈(10)로 분할되지 않은 배터리 팩일 수 있다. 본 발명의 배터리 장치는 충방전 케이블(20)에 직렬 연결되는 하나 이상의 배터리 셀(11)과, 배터리 셀(11)의 상태를 모니터링하거나 동작을 제어하는 배터리 모니터링 회로를 구비하는 구성이면 족하고 구체적인 태양이 한정되는 것은 아니다.Here, the battery device of the present invention may be a
배터리 셀(11)의 내부 단락은, 앞에서 살펴본 바와 같이 셀 내부저항(Rs)이 작을수록, 그리고 열폭주 임계치에서 멀수록 작은 강하 전압(VDROP)에 의한 과도전압을 발생시키므로, 내부 단락을 조기에 검출할 수 있도록 과도전압 검출부(100)는 매우 작은 강하 전압(VDROP)으로 나타나는 과도전압을 감지할 수 있는 구성이 필요하다.The internal short circuit of the
이를 위하여, 본 발명의 과도전압 검출부(100)는, 대응하는 배터리 셀(11)의 셀 전압의 직류 성분을 제거한 교류 성분을 기초로 과도전압을 검출하는 구성일 수 있고, 더 나아가 검출 감도를 높이기 위하여 교류 성분을 증폭하는 구성이 더 부가될 수 있다.To this end, the transient
이와 같이 과도전압 검출부(100)는 대응하는 배터리 셀(11)의 셀 전압의 교류 성분만으로 대응하는 배터리 셀(11)의 과도전압 또는 내부 단락을 검출하는 것이 가능하나, 하나 이상의 다른 배터리 셀(11)의 과도전압 검출부(100)의 검출결과를 참고하여 대응하는 배터리 셀(11)의 과도전압을 검출하거나 내부 단락의 발생 여부를 판단하는 구성도 가능하다.As described above, the transient
즉, 본 발명에 따른 배터리 셀의 과도전압 검출회로의 과도전압 검출부(100)는, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11) 중에서 적어도 둘 이상의 배터리 셀(11)에 각각 대응되게 적어도 둘 이상으로 구비될 수 있다.That is, the transient
이에 덧붙여, 본 발명에 따른 배터리 셀의 과도전압 검출회로는, 둘 이상의 과도전압 검출부(100)로부터 제공되는 배터리 셀(11) 각각의 교류 성분 또는 과도전압 검출결과를 서로 비교하여 배터리 셀(11)에 내부 단락이 발생하였는지 여부를 검증하는 내부단락 검증부(200)를 더 포함하여 구성될 수 있다.In addition to this, the battery cell transient voltage detection circuit according to the present invention compares the alternating current component or the transient voltage detection result of each of the
배터리 셀(11)에서의 과도전압은 내부 단락에 의한 경우 외에 충방전 시 스위칭 노이즈 또는 공통 모드 노이즈에 의하여 발생할 수 있기 때문에 과도전압이 검출되었을 때 이것이 내부 단락에 의한 것인지 그 외의 원인에 의한 것인지 판별하기 위하여 배터리 셀(11) 각각의 교류 성분 또는 과도전압 검출결과를 서로 비교하는 것이 바람직하다.Since the transient voltage in the
상술한 바와 같이 내부 단락은 시간적으로 랜덤하게 순간적으로 발생하기 때문에 복수의 배터리 셀(11)에서 내부 단락이 동시에 발생하는 것은 확률적으로 희박하다.As described above, since the internal short occurs instantaneously at random in time, it is highly unlikely that the internal short circuit simultaneously occurs in the plurality of
따라서, 본 발명의 내부단락 검증부(200)는, 둘 이상의 과도전압 검출부(100)로부터 제공되는 배터리 셀(11) 각각의 교류 성분 또는 과도전압 검출결과를 서로 비교하여 복수의 배터리 셀(11)에서 동시에 검출되는 과도전압은 내부 단락에 의한 것이 아니고, 복수의 배터리 셀(11) 중에서 시간적으로 어느 하나의 배터리 셀(11)에서만 과도전압이 검출되었을 때 해당 배터리 셀(11)에서 내부 단락이 발생한 것으로 제어부(400)가 판단하도록 동작할 수 있다. 여기에서, 내부단락 검증부(200)는 제어부(400)와 별도로 구성될 수 있으나, 제어부(400)에 통합되는 구성일 수 있다.Accordingly, the internal short-
또한, 본 발명의 배터리 모니터링 회로는, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11) 사이의 셀 전압노드(A1~An)와 전기적으로 연결되어 배터리 셀(11) 각각의 양단 전압을 선택하는 멀티플렉서 스위치부(310)와, 선택된 특정 배터리 셀(11)의 양단 전압을 디지털 값으로 변환하여 제어부(400)에 제공하는 ADC(320, Analog-to Digital Converter)를 더 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the battery monitoring circuit of the present invention is electrically connected to the cell voltage nodes A1 to An between a plurality of
이로써, 본 발명의 배터리 모니터링 회로는, 충전 또는 방전에 따른 배터리 셀(11)의 셀 전압을 측정 및 모니터링하여 필요시에 셀 밸런싱 또는 방전을 수행할 수 있을 뿐 아니라, 미세한 과도전압을 검출하여 배터리 셀(11)의 간헐적이고 순간적인 내부 단락을 검출할 수 있다.Accordingly, the battery monitoring circuit of the present invention can measure and monitor the cell voltage of the
본 발명의 과도전압 검출부(100)의 예시적인 구성은 아래에서 후술하기로 한다.An exemplary configuration of the transient
도 5는 본 발명에 따른 과도전압 검출부(100)의 다양한 예시를 도시한 예시도이다.5 is an exemplary diagram illustrating various examples of the transient
도 5(a)를 참조하면, 과도전압 검출부(100) 각각은, 대응하는 배터리 셀(11)의 양단 사이 전압의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 제공하는 직류 제거부(110)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 직류 제거부(110)는 배터리 셀(11)의 양단 전압에 대하여 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 획득하는 구성일 수 있다.Referring to FIG. 5A , each of the transient
이에 덧붙여, 과도전압 검출부(100)는, 내부 단락에 의한 과도전압의 특성상 미세한 과도전압에 대한 검출 감도를 높이기 위하여 교류 성분을 증폭하는 증폭부(120)를 더 포함할 수 있다. 또한, 증폭된 교류 성분을 소정의 임계레벨(th)과 비교하여 유의미한 과도전압인지 여부를 검출하는 비교기(130)를 포함할 수 있다.In addition to this, the transient
도 5(b)를 참조하면, 과도전압 검출부(100) 각각은, 대응하는 배터리 셀(11)의 양의 전압의 직류 성분과 음의 전압의 직류 성분을 각각 제거하여 교류 성분을 각각 출력하는 직류 제거부(110)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 직류 제거부(110)는 배터리 셀(11)의 양의 단자와 음의 단자에서의 절대적인 전위에 대하여 직류 성분을 각각 제거하여 양의 전압과 음의 전압에 대한 교류 성분을 각각 획득하는 구성일 수 있다.Referring to FIG. 5B , each of the transient
도 5(a)와 마찬가지로, 과도전압 검출부(100)는, 내부 단락에 의한 과도전압의 특성상 미세한 과도전압에 대한 검출 감도를 높이기 위하여 직류 제거부(110)에서 얻어진 각각의 교류 성분의 차를 증폭하는 증폭부(120)를 더 포함할 수 있다. 이때, 증폭부(120)는 교류 성분의 차이를 증폭하는 차동 증폭기 구조일 수 있다. 또한, 증폭된 교류 성분의 차를 소정의 임계레벨(th)과 비교하여 유의미한 과도전압인지 여부를 검출하는 비교기(130)를 포함할 수 있다.5( a ), the transient
도 5(c)를 참조하면, 과도전압 검출부(100) 각각은, 대응하는 배터리 셀(11)의 양의 전압 또는 음의 전압 중 어느 하나의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 출력하는 직류 제거부(110)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 직류 제거부(110)는 배터리 셀(11)의 양의 단자와 음의 단자 중 어느 하나에 대한 절대적인 전위에 대하여 직류 성분을 제거하여 양의 전압 또는 음의 전압에 대한 교류 성분을 획득하는 구성일 수 있다.Referring to FIG. 5( c ), each of the transient
도 5(a) 및 도 5(b)와 마찬가지로, 과도전압 검출부(100)는, 내부 단락에 의한 과도전압의 특성상 미세한 과도전압에 대한 검출 감도를 높이기 위하여 직류 제거부(110)에서 얻어진 교류 성분을 증폭하는 증폭부(120)를 더 포함할 수 있다. 이때, 증폭부(120)는 기준 전위에 대한 교류 성분의 전위를 증폭하는 구조일 수 있다. 또한, 증폭된 교류 성분을 소정의 임계레벨(th)과 비교하여 유의미한 과도전압인지 여부를 검출하는 비교기(130)를 포함할 수 있다.5 (a) and 5 (b), the transient
특히, 도 5(a) 및 (b)와 달리 배터리 셀(11)의 양의 단자 또는 음의 단자 중 어느 하나의 절대적인 전위에 대한 교류 성분을 기초로 과도전압을 검출하는 도 5(c)과 같은 구성에서는 특정 배터리 셀(11)에 내부 단락이 발생하면 내부 단락에 의한 과도전압이 해당 과도전압 검출부(100)에만 검출되는 도 5(a) 및 (b)의 구조와 달리 기준 전위에 따라 해당 배터리 셀(11)의 양의 단자 측에 직렬 연결된 배터리 셀(11)에 나타나거나, 또는 음의 단자 측에 직렬 연결된 배터리 셀(11)에 나타날 수 있다.In particular, unlike FIGS. 5(a) and (b), FIG. 5(c) and FIG. 5(c) for detecting an overvoltage based on the AC component for the absolute potential of either the positive terminal or the negative terminal of the
도 2에서 상술한 내용을 참조하면, 배터리 셀(11)의 내부 단락에 의한 과도전압은 정상 상태의 전위보다 아래쪽으로 발생하는 노치(notch) 형태일 수 있다. 따라서, 이러한 노치 형태로 발생하는 과도전압을 검출하기 위하여 비교기(130)에서 교류 성분과 비교되는 소정의 임계레벨(th)은 과도 전압이 발생하지 않는 교류 성분의 정상 상태에서의 레벨보다 더 낮은 값으로 설정되고, 이는 증폭부(120)에서의 증폭도 및 검출 감도를 고려하여 설정되는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 2 , the transient voltage caused by the internal short circuit of the
또한, 도면에 도시되어 있지는 아니하나, 본 발명의 과도전압 검출부(100)는, 직류 제거부(110)에서 직류 성분이 제거된 후 교류 성분의 공통 모드 레벨을 제어하기 위하여 직류 제거부(110)의 출력 측에 공통 모드 레벨 제어부(도면 미도시)를 더 포함하여 구성되는 것도 가능하다. 여기에서, 공통 모드 레벨은 과도전압 검출부(100)의 동작 전압, 전원 전압, 반도체 공정, 노이즈 레벨 등을 고려하여 설정될 수 있다.In addition, although not shown in the drawings, the transient
도 6은 복수의 과도전압 검출부(100)의 검출 결과를 이용하여 내부 단락이 발생하였는지 여부를 검증하기 위한 구성을 도시한 도면이다.6 is a diagram illustrating a configuration for verifying whether an internal short circuit has occurred using the detection results of the plurality of transient
도 6을 참조하면, 본 발명의 배터리 장치는, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11)과, 복수의 배터리 셀(11) 중에서 적어도 둘 이상의 배터리 셀(11)에 각각 대응되게 적어도 둘 이상으로 구비되는 과도전압 검출부(100)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 6 , the battery device of the present invention includes a plurality of
이때, 본 발명의 배터리 모니터링 회로는, 상술한 둘 이상의 과도전압 검출부(100)로부터 제공되는 배터리 셀(11) 각각의 교류 성분 또는 과도전압 검출결과를 서로 비교하여 배터리 셀(11)에 내부 단락이 발생하였는지 여부를 검증하는 내부단락 검증부(200)를 더 포함하여 구성될 수 있다.At this time, the battery monitoring circuit of the present invention compares the AC components or transient voltage detection results of each of the
이를 통하여, 본 발명의 배터리 모니터링 회로는, 배터리 셀(11)에서 검출된 과도전압이 배터리 셀(11)의 내부 단락에 의한 것인지, 충방전 시 스위칭 노이즈 또는 공통 모드 노이즈 등 그 외의 원인에 의한 것인지 여부를 구별하여 내부 단락 이벤트를 검증할 수 있다.Through this, the battery monitoring circuit of the present invention determines whether the transient voltage detected in the
예컨대, 내부 단락은 시간적으로 랜덤하게 순간적으로 발생하기 때문에 복수의 배터리 셀(11)에서 내부 단락이 동시에 발생하는 것은 확률적으로 희박하다는 가정을 전제로 할 수 있다. For example, since the internal short occurs instantaneously randomly in time, it may be assumed that the simultaneous occurrence of the internal short in the plurality of
과도전압 검출부(100)가 도 5(a) 및 (b)와 같이 특정 배터리 셀(11)의 양단 전압에 대한 교류 성분을 기초로 과도전압을 검출하는 구성일 때, 본 발명의 배터리 모니터링 회로는, 둘 이상의 과도전압 검출부(100)로부터 제공되는 배터리 셀(11) 각각의 교류 성분 또는 과도전압 검출결과를 서로 비교하여 복수의 배터리 셀(11)에서 동시에 검출되는 과도전압은 내부 단락에 의한 것이 아니라고 제어부(400)가 판단하도록 동작할 수 있다.When the transient
이에 반하여, 본 발명의 배터리 모니터링 회로는, 복수의 배터리 셀(11) 중에서 시간적으로 어느 하나의 배터리 셀(11)에서만 과도전압이 검출되었을 때는 해당 배터리 셀(11)에서 내부 단락이 발생한 것으로 제어부(400)가 판단하도록 동작할 수 있다.In contrast, in the battery monitoring circuit of the present invention, when an overvoltage is detected in only one of the
또한, 과도전압 검출부(100)가 도 5(c)와 같이 특정 배터리 셀(11)의 양의 단자 또는 음의 단자 중 어느 하나의 절대적인 전위에 대한 교류 성분을 기초로 과도전압을 검출하는 구성일 때, 본 발명의 배터리 모니터링 회로는, 둘 이상의 과도전압 검출부(100)로부터 제공되는 배터리 셀(11) 각각의 교류 성분 또는 과도전압 검출결과를 서로 비교하여 해당 배터리 셀(11)의 음측 및 양측에 연결된 배터리 셀(11)에 동시에 검출되는 과도전압은 해당 배터리 셀(11)의 내부 단락에 의한 것이 아니라고 제어부(400)가 판단하도록 동작할 수 있다.In addition, the transient
이에 반하여, 본 발명의 배터리 모니터링 회로는, 해당 배터리 셀(11)의 음측 및 양측 중 어느 일측에 직렬 연결된 배터리 셀(11)에는 과도전압이 검출되고, 다른 일측에 직렬 연결된 배터리 셀(11)에는 과도전압이 검출되지 않았을 때, 해당 배터리 셀(11)에는 내부 단락이 발생한 것이라고 제어부(400)가 판단하도록 동작할 수 있다.In contrast, in the battery monitoring circuit of the present invention, an overvoltage is detected in the
여기에서, 배터리 모니터링 회로의 제어부(400)는 내부단락 검증부(200)를 통합한 구성일 수 있으나, 이와 별개인 구성일 수도 있으며 구체적인 구현예가 한정되는 것은 아니다.Here, the
도 7은 직류 제거부(110)의 구체적인 구현 예를 도시한 도면이다.7 is a diagram illustrating a specific implementation example of the
도 7(a)를 참조하면, 직류 제거부(110)는, 대응하는 배터리 셀(11)의 양의 전압 및 음의 전압의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 각각 출력하는 2개의 커패시터를 포함하는 구성일 수 있다.Referring to FIG. 7A , the
또한, 도 5(c)의 구성에 대응하는 것으로서, 직류 제거부(110)는, 대응하는 배터리 셀(11)의 양의 전압 또는 음의 전압 중 어느 하나의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 출력하는 커패시터를 포함하는 구성일 수 있다.In addition, as corresponding to the configuration of FIG. 5C , the
배터리 셀(11)의 양의 단자 또는 음의 단자에 일단이 연결되는 커패시터에 의하여 배터리 셀(11)의 양의 전압 또는 음의 전압의 직류는 제거되고 과도전압과 같은 교류 성분만 타단 측으로 통과되어 증폭부(120)에서 증폭될 수 있다.The positive voltage or the negative voltage of the
커패시터에 의하여 직류 성분이 제거된 교류 성분은 커패시터의 타단 측에 부가되는 공통 모드 레벨 제어부(도면 미도시)에 의하여 소정의 직류 레벨을 갖도록 구성될 수 있다.The AC component from which the DC component is removed by the capacitor may be configured to have a predetermined DC level by a common mode level controller (not shown) added to the other end of the capacitor.
또한, 도 7(b)를 참조하면, 직류 제거부(110)는, 대응하는 배터리 셀(11)의 양의 전압 또는 음의 전압 중 적어도 어느 하나의 직류 레벨을 천이시키는 레벨 쉬프터(111)를 더 포함할 수 있다. 레벨 쉬프터(111)에 의하여 레벨 천이된 양의 전압 또는 음의 전압은 커패시터를 거쳐 배터리 셀(11)의 직류 성분이 제거된 교류 성분이 얻어질 수 있다.In addition, referring to FIG. 7B , the
이를 통하여, 배터리 셀(11)의 전위는 레벨 쉬프터(111)에 의하여 대부분의 직류가 제거된 후 커패시터에 입력되므로 커패시터를 저전압 구조로 설계할 수 있는 장점이 있다.Through this, since the potential of the
이상의 배터리 셀의 과도전압 검출회로를 구비한 배터리 모니터링 회로는 개별 소자를 이용하여 구현될 수 있을 뿐 아니라 반도체 집적회로로 구현되어 소형화될 수 있다. 이러한 배터리 모니터링 반도체 집적회로는 모니터링하는 배터리 셀(11)의 개수(구체적으로는 직렬 연결된 배터리 셀의 개수)에 따라 SCBMIC(Single-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit), DCBMIC(Dual-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit), 또는 MCBMIC(Multi-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit)로 구성되거나 지칭될 수 있다.The battery monitoring circuit having the above-described transient voltage detection circuit of the battery cell may be implemented using individual devices and may be miniaturized by being implemented as a semiconductor integrated circuit. These battery monitoring semiconductor integrated circuits are SCBMIC (Single-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit), DCBMIC (Dual-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit) depending on the number of
상술한 구성을 통하여, 본 발명에 따른, 배터리 모니터링 회로는, 배터리 셀(11)의 내부 단락에 의한 과도전압의 변화를 감지하여 불량 배터리 셀(11)을 검출함으로써, 내부 단락에 의한 배터리의 화재 또는 폭발을 방지하고, 내부 단락의 존재 유무에 따라 배터리 셀(11)의 재사용 판단기준을 제시할 수 있는 효과가 있다.Through the above-described configuration, the battery monitoring circuit according to the present invention detects the
이상에서는, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시 예를 기초로 본 발명을 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In the foregoing, the present invention has been described and illustrated on the basis of preferred embodiments for illustrating the principles of the present invention, but the present invention is not limited to the construction and operation as shown and described as such. It should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.
10, 배터리 모듈 11: 배터리 셀
12: 셀 모니터링 유닛(CMU) 20: 충방전 케이블
30: 배터리 모니터링 유닛(BMU)
100: 과도전압 검출부 110: 직류 제거부
111: 레벨 쉬프터 120: 증폭부
130: 비교기 200: 내부단락 검증부
310: 멀티플렉서 스위치부 320: ADC
400: 제어부
A1~An: 셀 전압노드 th: 임계레벨
VB: 셀 전압 Rs: 셀 내부저항
RISC: 내부 단락저항 SWISC: 단락 스위치
VBISC: 셀 단락전압 VDROP: 강하 전압10, battery module 11: battery cell
12: cell monitoring unit (CMU) 20: charge/discharge cable
30: battery monitoring unit (BMU)
100: transient voltage detection unit 110: DC removal unit
111: level shifter 120: amplification unit
130: comparator 200: internal short-circuit verification unit
310: multiplexer switch unit 320: ADC
400: control unit
A1~An: cell voltage node th: threshold level
VB: cell voltage Rs: cell internal resistance
R ISC : Internal short circuit resistance SW ISC : Short circuit switch
VB ISC : Cell short circuit voltage V DROP : Drop voltage
Claims (7)
상기 배터리 셀의 셀 전압을 디지털 값으로 변환하는 ADC(analog-to digital coverter); 및
상기 직렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀의 적어도 하나 이상에 각각 대응되고, 대응하는 배터리 셀의 셀 전압의 직류 성분을 제거한 교류 성분을 기초로 상기 대응하는 배터리 셀의 과도전압을 검출하는 하나 이상의 과도전압 검출부를 포함하고,
상기 하나 이상의 과도전압 검출부 각각은,
상기 대응하는 배터리 셀의 셀 전압의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 제공하는 직류 제거부;
상기 교류 성분을 증폭하는 증폭부; 및
상기 증폭된 교류 성분을 소정의 임계레벨과 비교하여 과도전압을 검출하는 비교기를 포함하여 구성되고,
상기 과도전압은, 상기 배터리 셀의 충전 중에 시간적으로 랜덤하게 발생하는 전압을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 회로.
A battery monitoring circuit configured to monitor the status or control operation of one or more battery cells connected in series, the battery monitoring circuit comprising:
an analog-to-digital converter (ADC) for converting the cell voltage of the battery cell into a digital value; and
One or more transient voltage detectors corresponding to at least one or more of the series-connected one or more battery cells, respectively, and detecting the transient voltage of the corresponding battery cell based on the AC component from which the DC component of the cell voltage of the corresponding battery cell is removed including,
Each of the one or more transient voltage detection units,
a direct current removing unit providing an alternating current component by removing the direct current component of the cell voltage of the corresponding battery cell;
an amplifying unit amplifying the AC component; and
and a comparator for detecting a transient voltage by comparing the amplified AC component with a predetermined threshold level,
The transient voltage is a battery monitoring circuit, characterized in that it includes a voltage randomly generated in time during the charging of the battery cell.
상기 하나 이상의 과도전압 검출부 각각은,
상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압의 직류 성분과 음의 전압의 직류 성분을 각각 제거하여 교류 성분을 각각 출력하는 직류 제거부;
상기 직류 제거부로부터 각각 출력된 교류 성분의 차를 증폭하는 증폭부; 및
상기 증폭된 교류 성분의 차를 소정의 임계레벨과 비교하여 과도전압을 검출하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 회로.
According to claim 1,
Each of the one or more transient voltage detection units,
a direct current removing unit for outputting alternating current components by removing a direct current component of a positive voltage and a direct current component of a negative voltage of the corresponding battery cell;
an amplifying unit for amplifying a difference between AC components output from the DC removing unit; and
and a comparator for detecting a transient voltage by comparing the difference between the amplified AC components with a predetermined threshold level.
상기 하나 이상의 과도전압 검출부 각각은,
상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압 또는 음의 전압 중 어느 하나의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 출력하는 직류 제거부;
상기 교류 성분을 증폭하는 증폭부; 및
상기 증폭된 교류 성분을 소정의 임계레벨과 비교하여 과도전압을 검출하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 회로.
According to claim 1,
Each of the one or more transient voltage detection units,
a direct current removing unit for outputting an alternating current component by removing a direct current component of any one of a positive voltage or a negative voltage of the corresponding battery cell;
an amplifying unit amplifying the AC component; and
and a comparator for detecting a transient voltage by comparing the amplified AC component with a predetermined threshold level.
상기 과도전압 검출부는, 적어도 둘 이상 구비되어 직렬 연결된 복수의 배터리 셀의 적어도 둘 이상에 각각 대응되고,
상기 과도전압 검출부로부터 제공되는 적어도 둘 이상의 배터리 셀 각각의 교류 성분 또는 과도전압 검출결과를 비교하여 배터리 셀에 내부 단락이 발생하였는지 여부를 검증하는 내부단락 검증부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 회로.
According to claim 1,
The transient voltage detection unit is provided with at least two and corresponds to at least two or more of the plurality of battery cells connected in series, respectively,
Battery monitoring circuit, characterized in that it further comprises an internal short-circuit verification unit for verifying whether an internal short circuit has occurred in the battery cell by comparing the respective AC components or the transient voltage detection result of at least two or more battery cells provided from the transient voltage detection unit .
상기 직류 제거부는, 상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압 또는 음의 전압 중 적어도 어느 하나의 직류 성분을 제거하여 교류 성분을 출력하는 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 회로.
5. The method of any one of claims 1, 3 to 4,
The DC removing unit may include at least one capacitor configured to output an AC component by removing at least one DC component of a positive voltage or a negative voltage of the corresponding battery cell.
상기 직류 제거부는, 상기 대응하는 배터리 셀의 양의 전압 또는 음의 전압 중 적어도 어느 하나의 직류 레벨을 천이시켜 상기 커패시터로 제공하는 레벨 쉬프터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모니터링 회로.7. The method of claim 6,
The DC removing unit may further include a level shifter that shifts a DC level of at least one of a positive voltage or a negative voltage of the corresponding battery cell and provides the transition to the capacitor.
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---|---|---|---|---|
JP2010110208A (en) * | 2004-03-25 | 2010-05-13 | O2 Micro Inc | Overvoltage transient controller |
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