KR20080034352A - 배터리 관리 시스템 및 그의 구동 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 그의 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템 및 그의 구동 방법에 관한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 배터리 관리 시스템은 복수의 셀 및 복수의 셀 각각에 연결되는 복수의 셀릴레이를 포함하는 배터리를 관리한다. 배터리 관리 시스템은 센싱부 및 MCU를 포함한다. 센싱부는 복수의 셀릴레이의 오프 시 기준전압을 전달받으며, 기준전압에 대응하는 제1 전압을 게인에 따라 증폭하여 제2 전압을 생성하는 전압검출부를 포함하며, 전압검출부의 온도를 측정한다. MCU는 전압검출부 온도가 임계온도범위에 포함되면, 기준전압에 대한 제2 전압의 비에 대응하여 유효게인을 산출한다.
Figure P1020060100471
임계온도범위, 키온, 유효게인, 차동증폭단

Description

배터리 관리 시스템 및 그의 구동 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND DRIVING METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 센싱부(10)의 전압센싱부(110)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도3 은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 전압 검출과정을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것으로, 특히, 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그의 구동방법에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울 이고 있다.
전기 자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 엔진을 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.
이와 같이 배터리 엔진을 이용하는 자동차는 동력원 향상을 위해 2차 전지(CELL)의 수가 점차 증가되고 있으며, 연결된 다수의 셀 및 팩(pack)을 효율적으로 관리 할 수 있는 셀밸런싱 제어방법이 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)에 필요하다
특히 배터리(2)의 전압을 측정하기 위해서 종래 차동증폭기(differential amplifier)를 사용한 차동증폭단을 이용하였다. 이러한 차동증폭단은 하나 이상의 저항체(resistor)를 포함하며, 차동증폭단의 입력단자에 입력되는 전압차를 하나 이상의 저항체의 저항값에 대응하는 게인(gain)에 의해 변조하여 배터리의 전압을 검출하였다.
그러나 종래 차동증폭단을 이용한 배터리의 전압검출은 차동 증폭단의 열화 및 그 온도에 의해 발생하는 오차로 전압검출의 정확성이 떨어진다. 구체적으로, 차동증폭단에 포함된 저항체의 저항값이 주변 온도에 따라 변화되어서 오차가 발생한다. 그리고 차동증폭단 및 차동증폭단의 주변 구성요소들이 반복수행에 따른 열화로 인해 오차가 발생한다. 따라서 이런 오차로 인해 배터리 전압검출의 정확성이 떨어진다. 또한, 배터리의 셀의 전압이 커패시터에 인가되는 시간적인 한계로 인해 셀의 전압이 충분히 커패시터에 충전되지 않아서 발생된 오차에 의해 배터리 전압검출의 정확성이 떨어진다. 따라서, 이러한 종래 차동증폭단을 이용하여 정확한 배터리의 전압을 검출하는데 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전압검출부의 온도 및 열화에 따른 오차를 방지하고, 정확한 셀전압을 검출할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 복수의 셀 및 상기 복수의 셀 각각에 연결되는 복수의 셀릴레이를 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서, 상기 복수의 셀릴레이의 오프 시 기준전압을 전달받으며, 상기 기준전압에 대응하는 제1 전압을 게인에 따라 증폭하여 제2 전압을 생성하는 전압검출부를 포함하며, 상기 전압검출부의 온도를 측정하는 센싱부, 및 상기 전압검출부 온도가 임계온도범위에 포함되면, 상기 기준전압에 대한 제2 전압의 비에 대응하여 유효게인을 산출하는 MCU를 포함한다. 그리고, 상기 센싱부는 상기 복수의 셀 중 제1 셀의 전압에 대응하는 입력전압을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성한다. 또한, 상기 MCU는 상기 출력전압과 상기 유효게인을 이용하여 상기 제1 셀의 전압을 검출한다. 그리고, 상기 센싱부는 상기 제1 셀과 연결되며, 상기 제1 셀의 전압을 전달하는 제1 릴레이, 상기 제1 셀의 전압에 대응하는 입력전압을 저장하는 커패시터, 상기 입력전압을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하는 차동증폭단, 및 상기 커패시터와 상기 차동증폭단을 연결하는 제2 릴레이를 포함하며, 상기 기준전압은 상기 제1 릴레이의 입력단에 전달된다. 또한, 상기 MCU는 키온 시 제1 유효게인을 산출하고, 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인과 상기 키온 시 제1 유효게인을 비교하여, 상기 키온 시 제1 유효게인과 상기 제2 유효게인이 동일하지 않으면, 상기 전압검출부의 회로에 이상이 있다고 판단한다. 이때, 상기 임계온도범위는 상기 전압검출부의 온도변화에 따라 상기 전압검출부의 게인이 변하는 온도범위이다.
본 발명의 다른 특징에 따른 복수의 셀에 순차적으로 연결되며, 상기 복수의 셀 중 제1 셀의 전압에 대응하는 입력전압을 전달받아 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하는 전압검출부를 포함하는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 배터리 관리 시스템의 구동방법에 있어서,
a)키온 시 제1 유효게인을 산출하고, 상기 키온 시 제1 유효게인과 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인을 비교하여 상기 전압검출부의 회로의 이상유무를 판단하는 단계,
b)상기 전압검출부의 온도를 측정하고, 상기 측정된 온도가 임계온도범위에 속하면, 기준전압을 상기 전압검출부로 전달하는 단계,
c)상기 전달된 기준전압에 대응하는 제1 전압을 저장하는 단계,
d)상기 제1 전압을 저항비에 따라 증폭하여 제2 전압을 생성하는 단계, 및
e)상기 기준전압에 대한 상기 제2 전압의 비에 대응하여 유효게인을 산출하는 단계를 포함한다. 그리고, 상기 e)단계는 상기 출력전압과 상기 유효게인을 이용하여 상기 제1 셀의 전압을 검출하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 a)단계의 판단결과 상기 키온 시 제1 유효게인과 상기 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인이 동일하면, 상기 전압검출부의 회로에 이상이 없다고 판단하여 상기 b)단계를 수행한다. 이때, 상기 b)단계의 임계온도범위는, 상기 전압검출부의 온도변화에 따라 상기 전압검출부의 게인이 변하는 온도범위이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결“되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를”포함“한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소 를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 자동차 시스템은, BMS(battery management system)(1), 배터리(2), 전류센서(3), 냉각팬(4), 퓨즈(5), 메인 스위치(6), MTCU(motor control unit, 7), 인버터(8) 및 모터제너레이터(9)를 포함한다.
먼저, 배터리(2)는 복수의 전지 셀이 서로 직렬로 연결된 복수의 서브팩(2a ~ 2h), 출력단자(2_OUT1), 출력단자(2_OUT2) 및 서브팩(2d)과 서브팩(2e) 사이에 마련되는 안전스위치(2_SW)를 포함한다. 여기서 서브팩(2a ~ 2h)은 예시적으로 8개로 표시되고 서브팩은 복수의 전지 셀을 하나의 그룹으로 표시한 것에 불과한 것이고, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 안전 스위치(2_SW)는 서브팩(2d)과 서브팩(2e) 사이에 마련되는 스위치로서 배터리를 교체하거나 배터리에 대한 작업을 수행할 때 작업자의 안전을 위하여 수동적으로 온 오프할 수 있는 스위치이다. 본 발명에 따른 실시예에서는 서브팩(2d)과 서브팩(2e) 사이에 안전 스위치(2_SW)를 포함하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 출력단자(2_OUT1) 및 출력단자(2_OUT2)는 인버터(8)에 연결된다.
전류센서(3)는 배터리(2)의 출력전류량을 측정하여 BMS(1)의 센싱부(10)로 출력한다. 구체적으로 전류센서(3)는 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하고 측정된 전류에 대응되는 아날로그 전류 신호로 출력하는 Hall CT(Hall current transformer)이거나 로드 라인(Load line) 상에 삽입된 저항을 통해 흐르는 전류 값에 대해 전압 신호를 내는 Shunt Resistor일 수 있다.
냉각팬(4)은 BMS(1)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)의 충방전에 의해 발생할 수 있는 열을 냉각하여 온도 상승으로 인한 배터리(2)의 열화 및 충방전 효율의 저하를 방지한다.
퓨즈(5)는 배터리(2)의 단선 또는 단락에 의해 과전류가 배터리(2)에 전달되는 것을 방지한다. 즉 과전류가 발생하면 퓨즈(5)는 단선되어 과전류가 배터리(2)에 전달되는 것을 차단한다.
메인 스위치(6)는 과전압, 과전류, 고온 등 이상 현상이 발생하면 BMS(1) 또는 자동차의 MTCU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)를 온오프 한다.
BMS(1)는 센싱부(10), MCU(Micro control unit, 20), 내부전원 공급부(30), 셀밸런싱부(40), 저장부(50), 통신부(60), 보호회로부(70), 파워온 리셋부(80) 및 외부인터페이스(90)를 포함한다.
센싱부(10)는 배터리의 전압(V), 배터리 전류(i) 및 배터리 온도(T)를 측정하여 MCU(20)로 전달한다.
MCU(20)는 배터리의 셀의 전압을 검출하기 전에 전압검출부(116)의 회로에 이상이 있는지 판단한다. 본 발명의 실시예에 따른 전압검출부(116)의 회로의 이상은 전압검출부(116)의 구성요소 사이에서 발생할 수 있는 단락 및 단선에 따른 회로상의 오류를 포함하는 포괄적인 의미이다. MCU(20)는 키온 시 제1 유효게인을 산출하여 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인과 비교한다. 비교결과 키온 시 제1 유효게인과 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인이 동일하지 않으면, MCU(20)는 전압검출 부(116)의 회로에 이상이 있는 것으로 판단하여 배터리의 셀의 전압검출을 종료한다. 그러나, 키온 시 제1 유효게인과 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인이 동일하면, MCU(20)는 전압검출부(116)의 회로에 이상이 없다고 판단한다. 그리고, MCU(20)는 전압검출부(116)의 온도(A)를 측정한 뒤 그 온도를 임계온도범위와 비교하여 유효게인의 보정이 필요한지 판단한다. 본 발명의 실시예에 따른 임계온도범위는 차동증폭단(115)의 저항체의 저항값이 온도에 따라 변화되어 발생되는 오차 및 전압검출부(116)의 구성요소(C1, 113 및 114)의 반복수행에 따라 발생되는 열화에 의한 오차를 고려하여 설정되며, 전압검출부(116)의 게인이 변하는 온도범위이다. 이때, 전압검출부(116)의 온도(A)가 임계온도범위에 포함되지 않으면, MCU(20)는 직전까지 사용한 유효게인을 신뢰하여 그 유효게인을 이용하여 배터리의 셀의 전압을 검출한다. 그러나, 전압검출부(116)의 온도(A)가 임계온도범위에 포함되면, MCU(20)는 차동증폭단(115)의 저항체 및 전압검출부(116)의 주변 구성요소(C1, 113 및 114)의 반복수행에 따라 발생되는 열화에 의해 저항값이 변화되었다고 판단하여 변화된 저항값에 대응하는 보정된 유효게인을 산출하고, 그 보정된 유효게인을 이용하여 배터리의 셀의 전압을 검출한다. 또한, MCU(20)는 센싱부(10)로부터 전달된 배터리의 전압(V), 배터리 전류(i) 및 배터리 온도(T)를 이용하여 배터리의 충전상태(state of charging, 이하 SOC) 및 건강상태(state of health, 이하 SOH)를 추정하여 배터리의 충전 및 방전을 제어한다.
내부전원 공급부(30)는 일반적으로 보조 배터리를 이용하여 BMS(1)에 전원을 공급하는 장치이다. 셀밸런싱부(40)는 각 셀의 충전상태의 균형을 맞춘다. 즉, 충 전상태가 비교적 높은 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 셀은 충전시킬 수 있다. 저장부(50)는 BMS(1)의 전원이 오프될 때, 현재의 SOC, SOH 등의 데이터들을 저장한다. 여기서 저장부(50)는 전기적으로 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 저장장치로서 EEPROM일 수 있다. 통신부(60)는 자동차의 MTCU(7)와 통신을 수행한다. BMS(1)로부터 MTCU(7)로 SOC 및 SOH에 관한 정보를 전송하거나, MTCU(7)로부터 자동차 상태에 관한 정보를 수신하여 MCU(20) 로 전송한다. 보호회로부(70)는 펌웨어(firm ware)를 이용하여 외부의 충격, 과전류, 저전압 등으로부터 배터리(2)를 보호하기 위한 회로이다. 파워온 리셋부(80)는 BMS(1)의 전원이 켜지면 전체 시스템을 리셋한다. 외부 인터페이스(90)는 냉각팬(4), 메인 스위치(6) 등 BMS의 보조장치들을 MCU(20)에 연결하기 위한 장치이다. 본 실시에에서는 냉각팬(4) 및 메인 스위치(6)만이 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니다.
MTCU(7)는 자동차의 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 자동차 속도 등의 정보에 기초하여 현재 자동차의 운행 상태를 파악하고, 필요한 토크 정도등의 정보를 결정한다. 구체적으로, 현재 자동차의 운행 상태란, 시동을 켜는 키온(KEY ON), 시동을 끄는 키오프(KEY OFF), 종속운행 및 가속도 운행등을 말한다. MTCU(7)는 자동차 상태에 관한 정보를 BMS(1)의 통신부(60)로 전송한다. MTCU(7)는 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 즉 MTCU(7)는 인버터(8)의 스위칭을 제어하여 모터제너레이터(9)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다. 또한 MTCU(7)는 BMS(1)의 통신부(60)를 통하여 MCU(20)로부터 전달되는 배터리(2)의 SOC를 전달받아 배터리(2)의 SOC가 목표값(예컨대 55%)이 되도록 제어한 다. 예를 들면 MCU(20)로부터 전달된 SOC가 55% 이하이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 배터리(10) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 충전시키고 이때 배터리의 전류를‘-’값으로 설정할 수 있다. 한편, SOC가 55% 이상이면 인버터(8)의 스위치를 제어하여 전력이 모터제너레이터(9) 방향으로 출력되도록 하여 배터리(2)를 방전시키고 이때 배터리 전류를 ‘+’값으로 설정할 수 있다.
인버터(8)는 MTCU(7)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터 제너레이터(9)는 배터리(2)의 전기에너지를 이용하여 MTCU(7)로부터 전달되는 토크 정보에 기초하여 자동차를 구동한다.
결국 MTCU(7)는 SOC에 기초하여 충방전 할 수 있는 파워만큼 충방전함으로써 배터리(2)가 과충전이나 과방전되는 것을 방지하여 배터리(2)를 효율적으로 오랫동안 사용할 수 있도록 한다. 그러나 배터리(2)가 자동차에 장착된 후에는 배터리(2)의 실제 SOC를 측정하기는 어려우므로, BMS(1)는 센싱부(10)에서 센싱한 배터리 전압 및 셀온도 등을 이용하여 SOC를 정확하게 추정하여 MTCU(7)에 전달하여야 한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 전압검출 과정을 구체적으로 설명한다.
도2 및 도3의 설명을 위해, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어를 정의하면, 임계온도범위는 차동증폭단(115)의 저항체의 저항값이 온도에 따라 변화되어 발생되는 오차 및 전압검출부(116)의 구성요소(C1, 113 및 114)의 반복수행에 따라 발생되는 열화에 의한 오차를 고려하여 설정되며, 전압검출부의 게인이 변하는 온 도범위이다. 그리고, 임계온도범위는 일정한 시간간격으로 측정된 전압검출부(116)의 온도(A)와 비교되며, 그 비교 결과에 따라 전압검출부(116)의 유효게인이 결정된다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 센싱부(10)의 전압센싱부(110)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도2에 도시된 바와같이, 전압센싱부(110)는 셀릴레이(111_1~111_40), 보조전원부(1121), 기준전압전달부(1122), 제1 릴레이(113), 제2 릴레이(114), 커패시터(C1) 및 차동증폭단(115)을 포함하며, MCU(20)로부터 제어신호를 전달받는다. 이하, MCU(20)에서 생성되어 전압센싱부(110)로 전달되는 제어신호에 관해 구체적으로 설명한다. 먼저, MCU(20)는 셀릴레이(111_1~111_40)를 제어하기 위해 제1 제어신호를 생성하여 전달한다. 그러면, 셀릴레이(111_1~111_40)는 제1 제어신호에 응답하여 배터리의 복수의 셀과 전압검출부(116)를 순차적으로 연결한다. 그리고, MCU(20)는 기준전압전달부(1122)를 제어하기 위해 제2 제어신호를 생성하여 전달한다. 그러면, 기준전압전달부(1122)는 제2 제어신호에 응답하여 보조전원부(1121)의 기준전압(Vref)을 전압검출부(116)로 전달한다. 또한, MCU(20)는 제1 릴레이(113)를 제어하기 위해 제3 제어신호를 생성하여 전달한다. 그러면, 제1 릴레이(113)는 제3 제어신호에 응답하여 전압검출부(116)로 인가된 입력전압을 커패시터(C1)로 전달한다. 그리고, MCU(20)는 제2 릴레이(114)를 제어하기 위해 제4 제어신호를 생성하여 전달한다. 그러면, 제2 릴레이(114)는 제4 제어신호에 응답하여 커패시터(C1)에 저장된 전압을 차동증폭단(115)으로 전달한다. 본 발명의 실시에 따른 차동증폭 단(115)에서 "증폭"의 의미는 전압의 "증가 및 감소"를 포함하는 포괄적인 의미이다. 그리고, 차동증폭단(115)의 출력전압은 게인의 값에 따라 "증폭 및 감소"할 수 있으며, 이해의 편의를 위해 통상적으로 사용하는 "차동증폭" 이라는 용어를 사용하였다. 그리고, 하나 이상의 저항체를 포함하는 차동증폭단(115)은 저항체의 저항값의 비에 따라 입력전압을 증폭하여 출력전압을 생성하는데, 이하 본 발명의 실시예에 따른 차동증폭단(115)의 저항체의 저항비는 "게인"으로 정의하여 사용하였으며, 전압검출부(116)의 출력전압을 입력전압으로 나누어 산출된 값, 즉 입력전압(Vin)에 대한 출력전압(Vout)의 비(Vout/Vin)로 산출된 값은 "유효게인"으로 정의하여 사용하였다.
셀릴레이(111_1~111_40)는 배터리의 각 셀의 양의 단자 및 음의 단자에 각각 연결된다. 그리고, 셀릴레이(111_1~111_40)는 MCU(20)의 제1 제어신호에 응답하여 배터리의 셀의 전압을 전압검출부(116)로 전달한다.
기준전압전달부(1122)는 제2 제어신호에 의해 제어되며, 보조전원부(1121)의 기준전압(Vref)을 제2 제어신호에 따라 전압검출부(116)로 전달한다. 본 발명의 실시예에 따른 기준전압전달부(1122)는 제2 제어신호에 응답하여 턴온되는 릴레이를 포함할 수 있으며, 이때 제2 제어신호의 전압레벨에 따라 릴레이의 턴온이 결정될 수 있다. 이때, 보조전원부(1121)의 기준전압(Vref)은 전압검출부(116)의 회로에 이상이 있는지 판단하기 위해 전압검출부(116)로 전달되며, 전압검출부(116)의 온도(A)변화에 따른 유효게인을 산출하기 위해서 전압검출부(116)로 전달된다.
전압검출부(116)는 커패시터(C1), 제1 릴레이(113), 제2 릴레이(114) 및 차 동증폭단(115)을 포함하며, MCU(20)로부터 제어신호를 전달받는다. 이하, 제어신호에 응답하여 동작하는 전압검출부(116)에 대해 구체적으로 설명한다. 제1 릴레이(113)는 제3 제어신호에 응답하여 전압검출부(116)로 전달된 입력전압을 커패시터(C1)로 전달한다. 그러면, 커패시터(C1)는 전달된 입력전압에 대응하는 전압을 저장한다. 이때, 제2 릴레이(114)는 제4 제어신호에 응답하여 커패시터(C1)에 저장된 전압을 차동증폭단(115)으로 전달한다. 그러면, 차동증폭단(115)은 전달된 전압을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성한다.
A/D컨버터(120)는 차동증폭단(115)으로부터 전달된 출력전압을 MCU(20)가 인식할 수 있도록 변환하여 MCU(20)로 전달한다.
이하, 키온 시 배터리의 셀(CELL20)의 전압을 검출하기 위한 과정을 구체적으로 설명한다. MCU(20)는 키온 시 배터리의 셀(CELL20)의 전압을 검출하기 전에 전압검출부(116)의 회로에 이상이 있는지 판단하기 위해, 키온 시 제1 유효게인을 산출하여 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인과 비교한다. 먼저, 키온 시 제1 유효게인을 산출하기 위해, 기준전압전달부(1122)는 제2 제어신호에 응답하여 보조전원부(1121)의 기준전압(Vref)을 전압검출부(116)로 전달한다. 그러면, 전압검출부(116)는 전달된 기준전압(Vref)을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하여 MCU(20)로 전달한다. 이때, MCU(20)는 생성된 출력전압을 기준전압(Vref)로 나누어 키온 시 제1 유효게인을 산출한다. 그리고, MCU(20)는 키온 시 제1 유효게인과 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인을 비교한다. 비교결과 키온 시 제1 유효게인이 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인과 동일하지 않으면, MCU(20)는 전압검출부(116)의 회로에 이상이 있는 것으로 판단해 배터리와 연결된 셀릴레이(111_1~111_40)를 오프하여 배터리의 셀의 전압검출을 종료한다. 그러나, 키온 시 제1 유효게인과 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인이 동일하면, MCU(20)는 전압검출부(116)의 회로에 이상이 없는 것으로 판단하고, 전압검출부(116)의 온도(A)를 측정한다. 그리고, MCU(20)는 측정된 온도(A)를 임계온도범위와 비교하여 유효게인의 보정이 필요한지 판단한다. 이때, 전압검출부(116)의 온도(A)가 임계온도범위에 포함되지 않으면, MCU(20)는 직전까지 사용한 유효게인을 신뢰하고, 그 유효게인을 이용하여 배터리의 셀(CELL20)의 전압을 검출한다. 그러나, 전압검출부(116)의 온도(A)가 임계온도범위에 포함되면, MCU(20)는 전압검출부(116)의 차동증폭단(115)의 저항체 및 주변 구성요소(C1, 113 및 114)의 반복수행에 따라 발생되는 열화에 의해 저항값이 변화되었다고 판단하여 변화된 저항값에 대응하는 유효게인을 산출한다. 이때, MCU(20)는 배터리의 셀(CELL20)의 전압을 검출하기 위해, 제1 제어신호를 셀릴레이20(111_20)에 전달한다. 그러면, 셀릴레이20(111_20)는 턴온되어 셀(CELL20)의 전압을 전압검출부(116)로 전달한다. 이때, MCU(20)는 제3 제어신호를 전압검출부(116)로 전달하여 제1 릴레이(113)를 턴온시킨다. 그러면, 턴온된 제1 릴레이(113)는 전압검출부(116)로 전달된 셀(CELL20)의 전압을 커패시터(C1)로 전달한다. 이때, 커패시터(C1)는 전달된 셀(CELL20)의 전압에 대응하는 전압을 일정시간 동안 저장한다. 그러면, MCU(20)는 제4 제어신호를 전압검출부(116)로 전달하여 제2 릴레이(114)를 턴온시킨다. 그러면, 턴온된 제2 릴레이(114)는 커패시터(C1)에 저장된 전압을 차동증폭단(115)으로 전달한다. 이때, 차동증폭단(115)은 전달된 전 압을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하며, 생성된 출력전압을 A/D컨버터(120)로 전달한다. 그러면, A/D컨버터(120)는 전달된 출력전압을 MCU(20)가 인식할 수 있도록 변환한다. 이때, MCU(20)는 전달받은 셀(CELL20)의 출력전압을 유효게인으로 나누어서 배터리의 셀(CELL20)의 전압을 검출한다.
본 발명의 실시예에 따라 기준전압(Vref)은 전압검출부(116)의 입력단으로 전달되며, 전달된 기준전압(Vref)을 이용하여 전압검출부(116)의 단락 및 단선에 따른 회로의 이상여부를 판단함으로써, 배터리의 셀의 전압 측정 시 발생할 수 있는 이상 전압오차를 줄여 보다 정확하게 배터리의 셀의 전압을 검출할 수 있다.
도3 은 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 전압 검출과정을 나타내는 순서도이다.
먼저, MCU(20)는 키온(KEY ON)이 되었는지 판단한다.(S100) S100 단계에서 판단결과, 키온이 아닌 경우, S100 단계부터 다시 시작한다. S100 단계에서 판단결과, 키온이면, MCU(20)는 제1 제어신호를 전달하여 셀릴레이(111_1~111_40)를 오프시킨다.(S110) 이때,기준전압전달부(1122)는 제2 제어신호에 응답하여 보조전원부(1121)의 기준전압(Vref)을 전압검출부(116)로 전달한다. 그러면, 전압검출부(116)는 전달된 기준전압(Vref)에 대응하는 전압을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하여 MCU(20)로 전달한다. 그러면, MCU(20)는 출력전압을 기준전압(Vref)로 나누어 키온 시 제1 유효게인을 산출한다.(S120)
MCU(20)는 산출된 키온 시 제1 유효게인과 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인을 비교한다.(S130) S130단계에서 비교결과, 키온 시 제1 유효게인과 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인이 동일하지 않으면, MCU(20)는 전압검출부(116)의 회로에 이상이 있는 것으로 판단한다.(S240) 그러면, MCU(20) 제1 제어신호를 전달하여 셀릴레이(111_1~111_40)를 오프시키고, 배터리의 셀의 전압검출을 종료한다.(S250) S130단계에서 판단결과, 키온 시 제1 유효게인과 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인이 동일하면, MCU(20)는 전압검출부(116)의 온도(A)를 측정한다.(S140) 그리고, MCU(20)는 측정된 전압검출부(116)의 온도(A)와 임계온도범위를 비교한다.(S150)
S150단계에서 비교결과, 전압검출부(116)의 온도(A)가 임계온도범위에 포함되지 않으면, MCU(20)는 현재 유효게인을 신뢰하며, 전압을 검출하려는 셀에 대응하는 셀릴레이(111_1~111_40)를 턴온시켜 셀의 전압을 전압검출부(116)로 전달한다. 그러면, MCU(20)는 제1 릴레이(113)를 턴온시켜고 제2 릴레이(114)는 턴오프시켜, 전달된 셀의 전압에 대응하는 전압을 커패시터(C1)에 저장한다.(S170) 이때, MCU(20)는 전달된 셀의 전압에 대응하는 전압이 커패시터(C1)에 저장될 수 있도록 일정시간이 지난 뒤, 제1 릴레이(113)는 턴오프시키고 제2 릴레이(114)를 턴온시켜, 커패시터(C1)에 저장된 전압을 차동증폭단(115)의 입력단으로 전달한다.(S180 및 S190) 그러면, 차동증폭단(115)은 전달된 전압을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성한다.(S200) 그리고, 차동증폭단(115)으로부터 출력전압이 검출되면, MCU(20)는 제3 및 제4 제어신호를 전달하여 제1 릴레이(113) 및 제2 릴레이(114)를 턴오프시킨다.(S210) 그러면, MCU(20)는 전달된 출력전압을 유효게인으로 나누어서 배터리의 셀의 전압을 검출한다.(S220) 그리고, MCU(20)는 키오프 상태인지 판단한다.(S230) S230단계에서 판단결과, 키오프 상태이면, MCU(20)는 배터리의 전압검출 과정을 종료한다. S230단계에서 판단결과, 키오프 상태가 아니면, MCU(20)는 S140단계로 돌아가서 다음 배터리의 셀의 전압을 검출한다.
S150단계에서 비교결과, 전압검출부(116)의 온도(A)가 임계온도범위에 포함되면, MCU(20)는 차동증폭단(115)의 저항체 및 주변 구성요소(C1, 113 및 114)의 반복수행에 따라 발생되는 열화에 의해 저항값이 변화되었다고 판단하여 변화된 저항값에 대응하는 유효게인을 산출한다. 이하, S160단계는 온도변화에 따른 유효게인의 산출과정이다. 먼저, MCU(20)는 제1 제어신호를 전달하여 셀릴레이(111_1~111_40)를 오프시킨다. 그리고, 기준전압전달부(1122)는 제2 제어신호에 응답하여 보조전원부(1121)의 기준전압(Vref)을 전압검출부(116)로 전달한다. 그러면, 전압검출부(116)는 기준전압(Vref)을 차동증폭단(115)의 저항체 및 전압검출부(116)의 구성요소(C1, 113 및 114)의 반복수행에 의해 발생되는 열화에 의한 저항체의 저항비에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하며, 생성된 출력전압을 MCU(20)로 전달한다. 이때, MCU(20)는 전달된 출력전압을 기준전압(Vref)으로 나누어 유효게인을 산출한다.(S160) 그리고, MCU(20)는 전압을 검출하려는 셀에 대응하는 셀릴레이(111_1~111_40)를 턴온시켜 셀의 전압을 전압검출부(116)로 전달한다. 그리고, MCU(20)는 제1 릴레이(113)를 턴온시켜고 제2 릴레이(114)는 턴오프시켜, 전달된 셀의 전압에 대응하는 전압을 커패시터(C1)에 저장한다.(S170) 이때, MCU(20)는 전달된 셀의 전압에 대응하는 전압이 커패시터(C1)에 저장될 수 있도록 일정시간이 지난 뒤, 제1 릴레이(113)는 턴오프시키고 제2 릴레이(114)를 턴온시켜, 커패시터(C1)에 저장된 전압을 차동증폭단(115)의 입력단으로 전달한다.(S180 및 S190) 그러면, 차동증폭단(115)은 전달된 전압을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성한다.(S200) 그리고, 차동증폭단(115)으로부터 출력전압이 검출되면, MCU(20)는 제3 및 제4 제어신호를 전달하여 제1 릴레이(113) 및 제2 릴레이(114)를 턴오프시킨다.(S210) 그러면, MCU(20)는 전달된 출력전압을 온도변화에 따라 산출된 유효게인으로 나누어서 배터리의 셀의 전압을 검출한다.(S220) 그리고, MCU(20)는 키오프 상태인지 판단한다.(S230) S230단계에서 판단결과, 키오프 상태이면, MCU(20)는 배터리의 전압검출과정을 종료한다. S230단계에서 판단결과, 키오프 상태가 아니면, MCU(20)는 S140단계로 돌아가서 다음 배터리의 셀의 전압을 산출한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리의 셀의 수가 40개로 제한되어 있어 셀릴레이(111_1~111_40)의 수가 40개로 제한되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 배터리를 구성하는 총 셀의 개수에 대응하여 셀릴레이의 수는 조절될 수 있다. 그리고, 배터리의 셀의 개수에 대응하는 셀릴렐이(111_1~111_40)의 출력단은 서로 연결되며, 보조전원부(1121) 및 전압검출부(116)와 순차적으로 연결되어 배터리의 셀의 전압을 검출할 수 있다. 또한, 전압검출부(116)의 온도변화에 따라 유효게인을 산출하고, 산출된 유효게인을 이용하여 배터리의 셀의 전압을 검출하기 때문에 보다 정확하게 배터리의 셀의 전압을 검출할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동방법은 전압검출부의 온도변화에 따라 유효게인을 산출하고, 산출된 유효게인을 이용하여 배터리의 셀의 전압을 검출하기 때문에 보다 정확하게 배터리의 셀의 전압을 검출할 수 있다.

Claims (10)

  1. 복수의 셀 및 상기 복수의 셀 각각에 연결되는 복수의 셀릴레이를 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 복수의 셀릴레이의 오프 시 기준전압을 전달받으며, 상기 기준전압에 대응하는 제1 전압을 게인에 따라 증폭하여 제2 전압을 생성하는 전압검출부를 포함하며, 상기 전압검출부의 온도를 측정하는 센싱부, 및
    상기 전압검출부 온도가 임계온도범위에 포함되면, 상기 기준전압에 대한 제2 전압의 비에 대응하여 유효게인을 산출하는 MCU
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 복수의 셀 중 제1 셀의 전압에 대응하는 입력전압을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 MCU는,
    상기 출력전압과 상기 유효게인을 이용하여 상기 제1 셀의 전압을 검출하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 제1 셀과 연결되며, 상기 제1 셀의 전압을 전달하는 제1 릴레이,
    상기 제1 셀의 전압에 대응하는 입력전압을 저장하는 커패시터,
    상기 입력전압을 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하는 차동증폭단, 및
    상기 커패시터와 상기 차동증폭단을 연결하는 제2 릴레이를 포함하며, 상기 기준전압은 상기 제1 릴레이의 입력단에 전달되는 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 MCU는,
    키온 시 제1 유효게인을 산출하고, 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인과 상기 키온 시 제1 유효게인을 비교하여,
    상기 키온 시 제1 유효게인과 상기 제2 유효게인이 동일하지 않으면, 상기 전압검출부의 회로에 이상이 있다고 판단하는 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임계온도범위는,
    상기 전압검출부의 온도변화에 따라 상기 전압검출부의 게인이 변하는 온도범위인 배터리 관리 시스템.
  7. 복수의 셀에 순차적으로 연결되며, 상기 복수의 셀 중 제1 셀의 전압에 대응하는 입력전압을 전달받아 게인에 따라 증폭하여 출력전압을 생성하는 전압검출부를 포함하는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 배터리 관리 시스템의 구동방법에 있어서,
    a)키온 시 제1 유효게인을 산출하고, 상기 키온 시 제1 유효게인과 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인을 비교하여 상기 전압검출부의 회로의 이상유무를 판단하는 단계,
    b)상기 전압검출부의 온도를 측정하고, 상기 측정된 온도가 임계온도범위에 속하면, 기준전압을 상기 전압검출부로 전달하는 단계,
    c)상기 전달된 기준전압에 대응하는 제1 전압을 저장하는 단계,
    d)상기 제1 전압을 저항비에 따라 증폭하여 제2 전압을 생성하는 단계, 및
    e)상기 기준전압에 대한 상기 제2 전압의 비에 대응하여 유효게인을 산출하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 e)단계는,
    상기 출력전압과 상기 유효게인을 이용하여 상기 제1 셀의 전압을 검출하는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 a)단계의 판단결과,
    상기 키온 시 제1 유효게인과 상기 키온 직전 키오프 시 제2 유효게인이 동일하면, 상기 전압검출부의 회로에 이상이 없다고 판단하여 상기 b)단계를 수행하는 배터리 관리 시스템의 구동방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 b)단계의 임계온도범위는,
    상기 전압검출부의 온도변화에 따라 상기 전압검출부의 게인이 변하는 온도범위인 배터리 관리 시스템의 구동방법.
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