KR20100024708A - 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 관리 시스템은 적어도 하나의 서브 배터리 관리 시스템 및 메인 배터리 관리 시스템을 포함한다. 적어도 하나의 서브 배터리 관리 시스템은 배터리의 정보를 측정하며, 동작 상태에 따라 활성화 신호를 생성한다. 메인 배터리 관리 시스템은 활성화 신호를 전달받아 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템의 동작 상태를 판단하고, 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템이 정상 동작 상태이면, 동기화 신호를 생성하여 서브 배터리 관리 시스템으로 전달한다. 적어도 하나의 서브 배터리 관리 시스템은 동기화 신호에 따라 배터리의 정보를 측정한다.
Figure P1020080083393
메인 배터리 관리 시스템, 서브 배터리 관리 시스템, 동기화 신호, 활성화 신호

Description

배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기 오염 등 공해 발생에 심각한 영향을 주고 있다. 이러한 공해 발생을 줄이기 위하여 최근에는 전기 자동차 또는 하이브리드(hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기 자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충전 및 방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주 동력원으로 이용하므로 배기 가스가 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 엔진 및 산소와 수소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 혼합한 형태인 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.
이러한 배터리 엔진을 이용하는 자동차는 동력원 향상을 위해 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀의 수가 점차 증가되고 있으며, 복수의 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 배터리 셀을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리의 정보를 측정하며, 동작 상태에 따라 활성화 신호를 생성하는 적어도 하나의 서브 배터리 관리 시스템, 그리고 상기 활성화 신호를 전달받아 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템의 동작 상태를 판단하고, 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템이 정상 동작 상태이면, 동기화 신호를 생성하여 상기 서브 배터리 관리 시스템으로 전달하는 메인 배터리 관리 시스템을 포함하며, 상기 적어도 하나의 서브 배터리 관리 시스템은, 상기 동기화 신호에 따라 상기 배터리의 정보를 측정한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법에 있어서, 상기 적어도 두 개의 서브 배터 리 관리 시스템이 동작 상태에 따라 활성화 신호를 생성하는 단계, 상기 활성화 신호를 전달받아, 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템의 동작 상태를 판단하고, 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템이 정상 동작 상태이면, 동기화 신호를 생성하는 단계, 그리고 상기 동기화 신호를 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템으로 전달하는 단계, 및 상기 동기화 신호에 따라 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템에서 측정된 배터리의 정보를 수신하는 단계를 포함한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 복수의 배터리 관리 시스템의 구동 시 각 배터리 관리 시스템 사이의 동기를 맞출 수 있으며, 그에 따라 보다 정확한 배터리의 정보를 획득할 수 있다.
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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 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 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법은 복수의 배터리 셀을 관리하기 위하여, 복수의 배터리 셀 중 해당 셀을 관리하는 복수의 서브 배터리 관리 시스템을 포함한다. 복수의 서브 배터리 관리 시스템이 동작하는 동안, 복수의 서브 배터리 관리 시스템간의 동기화가 필요하다. 복수의 서브 배터리 관리 시스템 사이에서 동기화가 이루어 지지 않는 경우, 배터리에 관한 정보간의 동기화가 이루어 지지 않는다. 이때, 배터리에 관한 정보는 배터리의 셀 전압 및 배터리 전류에 관한 정보를 포함한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그 구동 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, 배터리 관리 시스템 및 그 주변 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1에 도시한 배터리 관리 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 본 발명의 한 실시예에서는 배터리를 이용하는 자동차 시스템에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 자동차 시스템은 배터리(100), 전류 센서(200), 냉각팬(300), 퓨즈(400), 메인 스위치(500), MTCU(motor control unit)(600), 인버터(700), 모터 제너레이터(800) 및 배터리 관리 시스템(900)을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(900)은 복수의 서브 배터리 관리 시스템을 포함한다.
배터리(100)는 복수의 전지 셀이 서로 직렬로 연결된 복수의 서브팩(a-h), 출력단자(Bout1, Bout2) 및 서브팩(d)과 서브팩(e) 사이에 위치하는 안전스위치(BSW)를 포함한다. 이때, 서브팩(a-h)은 예시적으로 8개로 표시하였으며 복수의 전지 셀을 하나의 그룹으로 표시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 안전 스위치(BSW)는 배터리를 교체하거나 배터리에 대한 작업을 수행할 때 작업자의 안전을 위하여 수동적으로 온/오프 할 수 있다. 안전 스위치(BSW)의 위치는 본 발명의 실시예 한정되지 않으며, 복수의 서브팩(a-h) 사이 중 한 곳에 위치하면 된다.
전류 센서(200)는 배터리(100)에 흐르는 전류량을 측정하여 배터리 관리 시스템(900)으로 전달한다. 구체적으로 전류센서(200)는 홀(Hall) 소자를 이용하여 전류를 측정하고 측정된 전류에 대응되는 아날로그 전류 신호로 출력하는 Hall CT(Hall current transformer)이거나 배터리의 전류가 흐르는 선로에 저항을 연결하여 배터리의 전류에 대응하는 전압 신호를 생성하는 션트 저항(shunt resistor)으로 구현될 수 있다.
냉각팬(300)은 배터리(100)의 충전 및 방전에 의해 열이 발생하면, 발생한 열을 냉각한다. 냉각팬(300)은 충방전에 의해 발생한 열에 의한 배터리(100)의 열화 및 충방전 효율의 저하를 방지한다.
퓨즈(400)는 배터리(100)의 단선 또는 단락에 의해 과전류가 배터리(100)에 전달되는 것을 방지한다. 즉 과전류가 발생하면 퓨즈(400)는 단선되어 과전류가 배터리(100)에 전달되는 것을 차단한다.
메인 스위치(500)는 과전압, 과전류, 고온 등 이상 현상이 발생하면 배터리 관리 시스템(900) 또는 자동차의 MTCU(600)의 제어신호에 기초하여 배터리(100)를 온오프 한다.
MTCU(600)는 자동차의 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(brake), 자동차 속도 등의 정보에 기초하여 현재 자동차의 운행 상태를 파악하고, 필요한 토크를 산출하며, 산출된 토크 및 배터리의 충전상태(state of charge, 이하 'SOC'라 함)에 기초하여 배터리(100)와 모터제너레이터(800) 사이의 전력 전달을 제어한다. 여기서, 현재 자동차의 운행 상태는 시동을 켜는 키온(key on), 시동을 끄는 키오프(key off), 종속 운행 및 가속도 운행 등이 포함될 수 있다. 인버터(700)는 MTCU(600)의 제어에 따라 배터리(100)가 충전 또는 방전되도록 한다. 구체적으로, MTCU(600)는 인버터(700)를 제어하여 모터제너레이터(800)의 출력이 산출된 토크에 맞도록 제어한다. 또한, MTCU(600)는 자동차 상태에 관한 정보를 배터리 관리 시스템(900)으로 전송하며, 배터리 관리 시스템(900)으로부터 전달되는 배터리(100)의 SOC를 전달받아 배터리(100)의 SOC가 목표값(예컨대 55%)이 되도록 배터리(100)와 모터제너레이터(800) 사이의 전력 전달을 제어한다. 예를 들면 배터리 관리 시스템(900)으로부터 전달된 SOC가 55% 이하이면, MTCU(600)는 인버터(700)를 제어하여 모터제너레이터(800)의 전력이 배터리(100) 방향으로 전달되도록 한다. 그러면, 배터리(100)는 충전되고, 이때 배터리의 전류는 '+'값으로 설정할 수 있다. 한편, SOC가 55% 이상이면, MTCU(600)는 인버터(700)를 제어하여 전력이 배터리(100)로부터 모터제너레이터(800) 방향으로 전달되도록 한다. 그러면 배터리(100)는 방전되 고 이때 배터리의 전류를 '-'값으로 설정할 수 있다.
모터 제너레이터(800)는 배터리(100)의 전기에너지를 이용하여 MTCU(600)로부터 전달되는 토크 정보에 기초하여 자동차를 구동한다.
배터리 관리 시스템(900)은 메인 배터리 관리 시스템(900_M) 및 복수의 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)을 포함한다.
서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)은 배터리의 셀전압(V), 배터리의 전류(I) 및 온도(T) 등을 측정하여 메인 배터리 관리 시스템(900_M)으로 전달한다. 그리고, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)은 각 활성화 신호(SAT1-SATN)를 메인 배터리 관리 시스템(900_M)으로 전달하여 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)의 동작 상태를 메인 배터리 관리 시스템(900_M)으로 전달한다. 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)의 동작 상태는 파워 온(power-on) 및 파워 오프(power-off)를 포함하며, 파워 온은 정상 동작 상태로서 서브 배터리 관리 시스템에 정상적으로 전력이 공급되는 상태를 의미하고, 파워 오프는 비정상 동작 상태로서 서브 배터리 관리 시스템에 정상적으로 전력이 공급되지 못하는 상태를 의미한다. 이때, 활성화 신호(SAT1-SATN)는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)의 파워 온 또는 파워 오프 상태를 나타내며, 서브 배터리 시스템(900_S1-900_SN)이 파워 온되면 하이 레벨로 설정되며, 서브 배터리 시스템(900_S1-900_SN)이 파워 오프되면 로우 레 벨로 설정된다.
메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 배터리의 셀전압(V), 배터리의 전류(I) 및 온도(T) 등을 전달받아 배터리의 충전상태(SOC) 및 건강상태(state of health, 이하 'SOH'라 함)를 추정한다. 그리고, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 SOC 및 SOH에 기초하여 배터리의 충전 및 방전을 제어한다. 또한, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 각 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)으로부터 활성화 신호(SAT1-SATN)를 전달받으면, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN) 모두가 정상적으로 동작할 수 있는 상태로 판단하고, 동기화 신호(CLK)를 생성한다. 그리고, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 각 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)으로 동기화 신호(CLK)를 전달하고, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)은 동일한 동기화 신호(CLK)에 따라 동작한다. 즉, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 동기화 신호(CLK)를 이용하여 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)을 구동시켜, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)을 동기화시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 메인 배터리 관리 시스템(900_M) 및 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)은 각각은 도 2에 도시한 바와 같이 하드웨어(hardware)적으로 동일한 구성 요소를 포함한다. 다만, 메인 배터리 관리 시스템(900_M) 및 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)에 포함되는 스위치(도시하지 않음)의 상태 또는 식별자의 설정에 따라 프로그램(program)이 다르게 설정되어 메인 배터리 관 리 시스템(900_M)으로 동작하거나 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)으로 동작할 수 있다. 즉, 설정되는 프로그램에 따라 배터리 관리 시스템은 메인 배터리 관리 시스템으로 동작할 수도 있으며, 서브 배터리 관리 시스템으로 동작할 수도 있다.
구체적으로 도 2를 참조하면, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 센싱부(910_M), MCU(micro control unit)(920_M), 내부전원 공급부(930_M), 셀밸런싱부(940_M), 저장부(950_M), 통신부(960_M), 보호회로부(970_M), 파워온 리셋부(980_M) 및 외부인터페이스(990_M)를 포함한다.
센싱부(910_M)는 MCU(920_M)로부터 제어 신호를 전달받으며, 제어 신호에 기초하여 배터리의 셀전압(V), 배터리의 전류(I) 및 온도(T) 등을 측정한다. 이때, 배터리의 셀전압(V), 배터리의 전류(I) 및 배터리 온도(T)는 아날로그 값으로 측정된다. 센싱부(910_M)는 아날로그 값을 갖는 배터리의 셀전압(V), 배터리의 전류(I) 및 배터리 온도(T)를 각각 디지털 값으로 변환하여 MCU(920_M)로 전달한다.
MCU(920_M)는 센싱부(910_M)로부터 배터리의 셀전압(V), 배터리의 전류(I) 및 온도(T)를 전달받아 배터리의 SOC 및 SOH를 추정한다.
내부전원 공급부(930_M)는 일반적으로 보조 배터리를 이용하여 배터리 관리 시스템(900)에 전원을 공급하는 장치이다.
셀밸런싱부(940_M)는 각 셀의 충전상태의 균형을 맞춘다. 즉, 충전상태가 비교적 높은 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 셀은 충전시킬 수 있다.
저장부(950_M)는 메인 배터리 관리 시스템(900_M)의 전원이 오프될 때, 현재의 SOC, SOH 등의 데이터 정보를 저장한다. 여기서 저장부(950_M)는 전기적으로 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 저장장치, 예를 들어 EEPROM(electrically erasable programmable read only memory)일 수 있다.
통신부(960_M)는 자동차의 MTCU(600)와 통신을 수행한다. 즉, 통신부(960_M)는 MTCU(600)로 SOC 및 SOH에 관한 정보를 전송하거나, MTCU(600)로부터 자동차 상태에 관한 정보를 수신하여 MCU(920_M)로 전송한다.
보호회로부(970_M)는 하드웨어 소자를 사용하여 과전류, 과전압 등으로부터 배터리(100)를 보호하기 위해 2차적으로 부가된 회로이다.
파워온 리셋부(980_M)는 메인 배터리 관리 시스템(900_M)의 전원이 켜지면 전체 시스템을 리셋한다.
외부 인터페이스(990_M)는 냉각팬(300) 및 메인 스위치(500)를 MCU(920_M)에 연결하기 위한 장치이다.
본 발명의 실시예에 따른 복수의 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)의 구성 요소도 메인 배터리 관리 시스템(900_M)의 구성 요소와 동일하게 설정되므로 그 구체적인 설명은 생략한다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서의 동기 제어 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4는 도 3에 도시한 배터리 관리 시스템의 센싱부를 구체적으로 나타내는 도면이며, 도 5는 도 4에 도시한 센싱부의 전압 검출부를 구체적으로 나타내는 도면이다. 도 6은 도 3에 도시한 배터리 관리 시스템의 구동 파형을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(900)은 메인 배터리 관리 시스템(900_M) 및 복수의 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)을 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 구성 요소 중 MCU(920_M) 만 도시하였으며, 복수의 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)은 구성 요소 중 MCU(920_S1-920_SN) 및 센싱부(910_S1-910_SN)만을 도시하여 동기 제어 방법을 설명한다. 도 3 및 본 발명의 실시예에서 센싱부(910_S1-910_SN)는 배터리의 셀전압(V) 및 배터리의 전류(I)를 측정한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 배터리의 셀전압(V)은 각 센싱부(910_S1-910_SN)에서 측정된 셀전압(V1-VN)이 포함된다.
메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 MCU(920_M) 및 스위치(SW1)를 포함한다.
MCU(920_M)는 동기화 신호(CLK)를 생성하는 타이머(921)를 포함하며, 활성화 입력 단자(ATIN)를 통하여 각 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)으로부터 전달되는 활성화 신호(SAT1-SATN)를 입력 받는다. MCU(920_M)는 활성화 신호(SAT1-SATN)에 따라 동기화 신호(CLK)를 생성하며, 생성된 동기화 신호(CLK)를 동기화 신호 출력 단자(SOUT)를 통하여 각각의 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)으로 출력한다. MCU(920_M)는 데이터 입력 단자(DIN)를 통하여 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)의 MCU(920_S1-920_SN)에서 획득한 배터리의 정보, 예를 들어 배터리의 셀전압(V)을 전달받는다. 그리고, MCU(920_M)는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)에서 동기화 신호(CLK)에 따라 배터리의 셀전압(V)을 측정하는 시점에 동기시켜 전류 센서(200)를 제어하여 배터리의 전류(I)를 측정한다. MCU(920_M)는 배터리의 정보를 이용하여 배터리의 SOC 및 SOH를 추정한다.
구체적으로, MCU(920_M)는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN) 각각으로부터 활성화 신호(SAT1-SATN)를 입력 받는다. 이때, 입력 단자(ATIN)는 앤드 게이트(AND Gate,G)의 출력단에 연결되어 있고, 앤드 게이트(G)의 복수의 입력단자 각각에는 대응하는 활성화 신호가 입력된다. 그러면, 하나의 활성화 입력 단자(ATIN)를 통하여 각 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)으로부터 전달되는 활성화 신호(SAT1-SATN)를 수신하여 처리할 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 복수의 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN) 각각에 대응하는 활성화 입력 단자(ATIN)를 통하여서 활성화 신호(SAT1-SATN)를 수신할 수도 있다. 활성화 입력 단자(ATIN)를 통하여 하이 레벨의 활성화 신호(SAT1-SATN)가 모두 입력되면, MCU(920_M)는 타이머(921)를 이용하여 동기화 신호(CLK)를 생성한다. 그 리고, MCU(920_M)는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)의 MCU(920_S1-920_SN)로 동기화 신호(CLK)를 전달한다.
스위치(SW1)는 메인 배터리 관리 시스템(900_M)으로 인식될 수 있도록 그 값이 설정될 수 있으며, 사용자의 설정에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)은 배터리의 정보를 측정하는 센싱부(910_S1-910_SN), 활성화 신호(SAT1-SATN)를 출력하며 배터리의 정보를 획득하는 MCU(920_S1-920_SN) 및 스위치(SW21-SW2N)를 포함한다.
MCU(920_S1-920_SN)는 각 활성화 출력 단자(ATOUT)를 통하여 활성화 신호(SAT1-SATN)를 메인 배터리 관리 시스템(900_M)으로 전달하며, 동기화 신호 입력 단자(SIN)를 통하여 동기화 신호(CLK)를 전달받는다. MCU(920_S1-920_SN)는 배터리의 정보를 측정하기 위하여 동기화 신호(CLK)에 동기 되도록 제어 신호, 예를 들어 전압 제어 신호(SV1 -SVN)를 각각 생성하여 센싱부(910_S1-910_SN)로 전달한다. 그리고, MCU(920_S1-920_SN)는 각 센싱부(910_S1-910_SN)로부터 측정된 배터리의 셀전압(V) 을 데이터 출력 단자(DOUT)를 통하여 메인 배터리 관리 시스템(900_M)의 MCU(920_M)로 전달한다.
센싱부(910_S1-910_SN)는 전달된 제어 신호에 따라 배터리의 정보를 측정하 여 MCU(920_S1-920_SN)로 전달한다. 구체적으로 도 4에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 센싱부(910_S1-910_SN)는 각각 전압 검출부(911_S1-911_SN) 및 A/D 컨버터(912_S1-912_SN)를 포함할 수 있다.
전압 검출부(911_S1-911_SN)는 각 MCU(920_S1-920_SN)로부터 전압 제어 신호(SV1 -SVN)를 전달받는다. 전압 검출부(911_S1-911_SN)는 전압 제어 신호(SV1 -SVN)에 따라 배터리의 셀전압(V)을 측정하여 A/D 컨버터(912_S1-912_SN)로 전달한다. 본 발명의 실시예에 따른 센싱부(910_S1-910_SN)의 전압 검출부(911_S1)의 구성은 동일하므로, 전압 검출부(911_S1-911_SN) 중 하나인 전압 검출부(911_S1)를 이용하여 그 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.
구체적으로, 도 5에 도시한 바와 같이 전압 검출부(911_S1)는 복수의 셀릴레이(SR1-SR20), 릴레이(RL1, RL2) 및 커패시터(C1)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 전압 검출부(911_S1)로 전달되는 전압 제어 신호(SV1)에는 복수의 셀릴레이(SR1-SR20)를 제어하기 위한 셀릴레이 제어 신호(SSR1-SSR20) 및 릴레이(RL1, RL2)를 제어하기 위한 릴레이 제어 신호(SRL1,SRL2)를 포함한다. 셀릴레이(SR1-SR20)는 셀릴레이 제어 신호(SSR1-SSR20)가 하이 레벨 일 때 턴온되며, 로우 레벨 일 때 턴오프된다. 릴레이(RL1, RL2)는 각 릴레이 제어 신호(SRL1, SRL2)가 하이 레벨 일 때 각각 턴온되며, 로우 레벨 일 때 각각 턴오프된다. 그리고, 배터리의 셀의 수를 40개로 제한하여 셀릴레이(SR1-SR40)의 수가 40개로 제한되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 배터리를 구성하는 총 셀의 개수에 따라 셀릴레이의 수는 조절될 수 있다.
복수의 셀릴레이(SR1-SR20) 각각은 배터리(100)의 복수의 셀(CELL1-CELL20) 각각의 양의 단자 및 음의 단자에 연결되어 있다. 복수의 셀릴레이(SR1-SR20)는 셀릴레이 제어 신호(SSR1-SSR20)에 따라 턴온 및 턴오프를 결정하여 복수의 셀(CELL1-CELL20)의 각 전압을 릴레이(RL1)로 전달한다. 그러면, 릴레이(RL1)는 릴레이 제어 신호(SRL1)에 따라 턴온 및 턴오프를 결정하여 복수의 셀릴레이(SR1-SR20)로부터 각각 전달되는 배터리의 셀전압을 전달받아 커패시터(C1)로 전달한다. 복수의 셀릴레이(SR1-SR20)는 복수의 셀릴레이 제어 신호(SSR1-SSR20)에 따라 턴온 또는 턴오프된다. 턴온된 셀릴레이(SR1-SR20)를 통해 복수의 셀(CELL1-CELL20) 중 턴온된 셀릴레이에 대응하는 배터리의 셀전압이 턴온된 릴레이(RL1)를 통해 커패시터(C1)로 전달된다. 셀릴레이 제어 신호(SSR1-SSR20)에 의해 턴온된 셀릴레이 및 릴레이 제어 신호(SRL1)에 의해 턴온된 릴레이(RL1)를 통해 배터리의 복수의 셀 중 대응하는 셀과 커패시터(C1)가 전기적으로 연결된다. 그러면, 턴온된 셀릴레이 및 릴레이(RL1)를 포함하는 경로를 통해 배터리의 셀전압에 대응하는 검출 전압이 커패시터(C1)에 저장된다. 커패시터(C1)에 배터리 셀전압에 대응하는 검출 전압이 충전된 후, 소정의 지연 기간 뒤에 릴레이(RL2)는 릴레이 제어 신호(SRL2)에 따라 턴온되어 커패시터(C1)에 저장된 전압을 A/D 컨버터(912_S1)로 전달한다.
A/D 컨버터(912_S1)는 아날로그로 전달되는 배터리의 셀전압(V)을 디지털 데이터로 변환하여 MCU(920_S1)로 전달한다.
전압 검출부(911_S2) 역시 전압 검출부(911_S1)와 동일한 구성 및 방법으로 동작한다. 동일한 동기화 신호(CLK)에 따라 전압 검출부(911_S2)의 동작이 제어되므로, 전압 검출부(911_S2)의 셀릴레이 제어 신호(SSR21-SSR40), 릴레이 제어 신호(SRL3, SRL4)는 전압 검출부(911_S1)의 제어 신호와 동기된다.
다시, 도 3을 참조하면, 스위치(SW21-SW2N)는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)으로 인식될 수 있도록 그 값이 설정될 수 있으며, 사용자의 설정에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 스위치(SW1, SW21-SW2N)를 이용하여 메인 배터리 관리 시스템 및 서브 배터리 관리 시스템을 구별하였으나 식별자를 이용하여서도 메인 배터리 관리 시스템 및 서브 배터리 관리 시스템을 구별할 수 있다.
그러면 이러한 복수의 배터리 관리 시스템에서 동기를 제어하는 동작의 일 예로 배터리의 정보를 획득하는 과정에 대하여 도 3 내지 도 6을 참고하여 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1-900_SN)의 N을 2로 설정한다. 여기서, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1)은 각 셀(CELL1-CELL20)에 저장된 배터리의 셀전압(V)을 측정하고, 서브 배터리 관리 시스템(900_S2)은 각 셀(CELL21-CELL40)에 저장된 배터리의 셀전압(V)을 측정하는 동작을 수행하며, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 배터리의 전류(I)를 측정하는 동작을 수행한다.
메인 배터리 관리 시스템(900_M)의 MCU(920_M)는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1, 900_S2)으로부터 하이 레벨의 활성화 신호를 전달받는다. 그러면, MCU(920_M)는 하이 레벨의 활성화 신호를 참조하여 서브 배터리 관리 시스템(900_S1, 900_S2)이 파워 온된 것으로 판단한다. 이때, 모든 활성화 신호(SAT1, SAT2)가 하이 레벨로 입력되었으므로, MCU(920_M)는 타이머(921)를 이용하여 동기화 신호(CLK)를 생성한다. 그리고, MCU(920_M)는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1, 900_S2)의 MCU(920_S1, 920_S2)로 동기화 신호(CLK)를 전달한다. 그러면, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1, 900_S2)의 MCU(920_S1, 920_S2)는 동기화 신호(CLK)를 기본 클록 신호로 설정하여 배터리의 셀전압(V)을 측정한다. 이때, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)의 MCU(920_M)는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1, 900_S2)에서 배터리의 셀전압(V)을 측정하는 시점에 동기시켜 배터리의 전류(I)를 측정한다.
구체적으로 서브 배터리 관리 시스템(900_S1)은 기본 클록 신호에 동기하여 셀(CELL1-CELL20)의 전압이 측정될 수 있도록 전압 제어 신호(SV1)를 생성하여 센싱부(910_S1)의 전압 검출부(911_S1)로 전달한다. 그러면, 전압 검출부(911_S1)는 셀릴레이(SR1-SR20)를 순차적으로 턴온하여 배터리의 셀전압을 측정한다.
먼저, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1)에서 셀(CELL1)에 저장된 배터리의 셀전압(V)을 측정하기 위하여, 전압 검출부(911_S1)의 셀릴레이(SR1)에 하이 레벨의 셀릴레이 제어 신호(SSR1)가 기본 클록 신호에 동기되어 전달되고 릴레이(RL1)에 하이 레벨의 릴레이 제어 신호(SRL1)가 기본 클록 신호에 동기되어 전달되면, 셀(CELL1)에 저장된 배터리의 셀전압(V)은 셀릴레이(SR1) 및 릴레이(RL1)를 통하여 커패시터(C1)에 저장된다.
릴레이(RL1)를 턴오프시키기 위한 로우 레벨의 릴레이 제어 신호(SRL1)가 전달되는 시점(T11)으로부터 소정의 지연 기간 후에 서브 배터리 관리 시스템(900_S1)의 MCU(920_S1)는 릴레이(RL2)에 하이 레벨의 릴레이 제어 신호(SRL2)를 전달하여 릴레이(RL2)를 턴온시키다. 릴레이(RL2)가 완전히 턴온되는 시점(T21)에서, 센싱부(910_S1)의 전압 검출부(911_S1)는 커패시터(C1)에 저장된 배터리의 셀전압(V)에 대응하는 검출 전압을 측정하여 A/D 컨버터(912_S1)로 전달한다. A/D 컨버터(912_S1)는 아날로그로 전달되는 배터리의 셀전압(V)을 디지털로 변환하여 MCU(920_S1)로 전달한다. 그러면, MCU(920_S1)는 변환된 배터리의 셀전압(V1)에 대응하는 검출 전압을 메인 배터리 관리 시스템(900_M)의 MCU(920_M)로 전달한다.
이와 동시에 서브 배터리 관리 시스템(900_S2)에서도 기본 클록 신호에 동기하여 셀(CELL21-CELL40)의 전압이 측정될 수 있도록 전압 제어 신호(SV2)를 생성하여 센싱부(910_S2)의 전압 검출부(911_S2)로 전달한다. 그러면, 전압 검출부(911_S2)는 셀릴레이(SR21-SR40)를 순차적으로 턴온하여 배터리의 셀전압을 측정한다.
먼저, 서브 배터리 관리 시스템(900_S2)에서 셀(CELL21)에 저장된 배터리의 셀전압(V)을 측정하기 위하여, 전압 검출부(911_S2)의 셀릴레이(SR21)에 하이 레벨의 셀릴레이 제어 신호(SSR21)가 기본 클록 신호에 동기되어 전달되고, 릴레이(RL3)에 하이 레벨의 릴레이 제어 신호(SRL3)가 기본 클록 신호에 동기되어 전달되면, 셀(CELL21)에 저장된 배터리의 셀전압(V)은 셀릴레이(SR21) 및 릴레이(RL3)를 통하여 커패시터(C2)에 저장된다.
릴레이(RL3)를 턴오프시키기 위한 로우 레벨의 릴레이 제어 신호(SRL3)가 전달되는 시점(T11)에서 소정의 지연 기간 후에 셀(CELL21)에 서브 배터리 관리 시스템(900_S2)의 MCU(920_S2)는 릴레이(RL4)에 하이 레벨의 릴레이 제어 신호(SRL4)를 전달하여 릴레이(RL4)를 턴온시킨다. 릴레이(RL4)가 완전히 턴온되는 시점(T21)에 서, 센싱부(910_S2)의 전압 검출부(911_S2)는 커패시터(C2)에 저장된 배터리의 셀전압(V)에 대응하는 검출 전압을 측정하여 A/D 컨버터(912_S2)로 전달한다. A/D 컨버터(912_S2)는 아날로그로 전달되는 배터리의 셀전압(V)을 디지털로 변환하여 MCU(920_S2)로 전달한다. 그러면, MCU(920_S2)는 변환된 배터리의 셀전압(V2)에 대응하는 검출 전압을 메인 배터리 관리 시스템(900_M)의 MCU(920_M)로 전달한다.
이때, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)의 MCU(920_M)는 서브 배터리 관리 시스템(900_S1, 900_S2)의 전압 검출부(911_S1, 911_S2)에서 측정하려는 배터리의 셀전압이 각각 커패시터(C1, C2)에 저장이 완료되는 시점(T11)에서 전류 센서(200)를 제어하기 위한 전류 제어 신호(SI)를 전달하여 배터리의 전류(I)를 측정한다. 시점(T11)에서 로우 레벨의 릴레이 제어 신호(SRL1, SRL3)가 릴레이(RL1, RL3) 각각에 전달되어 릴레이(RL1, RL3)는 턴오프된다. 그리고, MCU(920_M)는 배터리의 전류(I)와 배터리의 셀전압(V)을 이용하여 배터리의 SOC 및 SOH를 추정한다.
이와 같은 순으로 서브 배터리 관리 시스템(900_S1, 900_S2)의 각 MCU(920_S1, 920_S2)는 동기화 신호(CLK)에 따라 셀(CELL1-CELL20) 및 셀(CELL21-CELL40)에 저장된 배터리의 셀전압(V)을 순차적으로 측정한다. 즉, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1)에서 동기화 신호(CLK)에 따라 셀(CELL1)에 저장된 배터리의 셀전압(V)을 측정하는 동안에 서브 배터리 관리 시스템(900_S2)에서도 동기화 신호(CLK) 에 따라 셀(CELL20)에 저장된 배터리의 셀전압(V)을 측정하며, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1)에서 동기화 신호(CLK)에 따라 셀(CELL2)에 저장된 배터리의 셀전압(V)을 측정하는 동안에 서브 배터리 관리 시스템(900_S2)에서도 동기화 신호(CLK)에 따라 셀(CELL21)에 저장된 배터리의 셀전압(V)을 측정한다. 이와 같은 방법으로, 서브 배터리 관리 시스템(900_S1, 900_S2)은 동기화 신호(CLK)에 따라 셀(CELL1-CELL20) 및 셀(CELL21-CELL40)의 전압을 순차적으로 동시에 측정할 수 있다. 그리고, 메인 배터리 관리 시스템(900_M)은 동기화 신호(CLK)에 따라 배터리의 셀전압(V)의 충전이 커패시터에 완료되는 저장 완료 시점에 배터리의 전류(I)를 측정한다. 이와 같이, 본 발명은 배터리의 셀전압(V)과 배터리의 전류(I)의 측정 시점을 동기화시켜 배터리의 셀전압(V)의 측정 시점과 배터리의 전류(I)의 측정 시점간의 편차로 인한 오차를 방지하여 정확한 정보를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서는 서브 배터리 관리 시스템의 파워 온 및 파워 오프를 판단한 결과에 따라 동기화 신호(CLK)를 생성하여 서브 배터리 관리 시스템으로 전달한다. 그러면, 서브 배터리 관리 시스템은 생성된 동기화 신호(CLK)를 기본 클록 신호로 설정하여 배터리의 셀전압, 배터리의 전류 등의 배터리의 정보를 측정함으로써 복수의 배터리 관리 시스템을 이용함에 따라 발생할 수 있는 배터리 관리 시스템 사이의 동기를 맞추어 보다 정확한 배터리의 정보를 획득할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리, 배터리 관리 시스템 및 그 주변 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 배터리 관리 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시한 배터리 관리 시스템의 센싱부를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시한 센싱부의 전압 검출부를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3에 도시한 배터리 관리 시스템의 구동 파형을 나타내는 도면이다.

Claims (12)

  1. 배터리의 정보를 측정하며, 동작 상태에 따라 활성화 신호를 생성하는 적어도 하나의 서브 배터리 관리 시스템, 그리고
    상기 활성화 신호를 전달받아 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템의 동작 상태를 판단하고, 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템이 정상 동작 상태이면, 동기화 신호를 생성하여 상기 서브 배터리 관리 시스템으로 전달하는 메인 배터리 관리 시스템을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 서브 배터리 관리 시스템은,
    상기 동기화 신호에 따라 상기 배터리의 정보를 측정하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 배터리 관리 시스템은,
    상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템으로부터 상기 정상 동작 상태에 대응하는 제1 레벨을 가지는 상기 활성화 신호가 전달되면, 상기 동기화 신호를 생성하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템은,
    상기 동기화 신호에 따라 상기 배터리의 정보를 측정하는 센싱부를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제3에 있어서,
    상기 배터리의 정보는 상기 배터리의 셀전압을 포함하며,
    상기 센싱부는,
    상기 배터리의 셀전압을 측정하는 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센싱부는,
    상기 배터리의 셀전압을 측정하는 전압 검출부를 포함하고,
    상기 전압 검출부는,
    상기 배터리의 복수의 셀에 각각 연결되는 복수의 셀릴레이,
    상기 복수의 셀릴레이 중 하나에 연결되어 상기 배터리의 셀전압을 전달하는 제1 릴레이,
    상기 제1 릴레이를 통해 전달되는 상기 배터리의 셀전압에 대응하는 검출 전압을 저장하는 커패시터,
    상기 커패시터의 양단에 연결되어 있는 제2 릴레이, 및
    상기 제2 릴레이를 통해 전달되는 상기 검출 전압을 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메인 배터리 관리 시스템은 상기 검출 전압이 상기 커패시터에 저장이 완료되는 저장 완료 시점에서 상기 배터리의 전류를 측정하며,
    상기 제2 릴레이는 상기 저장 완료 시점으로부터 소정 기간 지연된 시점에서 턴온되는 배터리 관리 시스템.
  7. 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템이 동작 상태에 따라 활성화 신호를 생성하는 단계,
    상기 활성화 신호를 전달받아, 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템의 동작 상태를 판단하고, 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템이 정상 동작 상태이면, 동기화 신호를 생성하는 단계,
    상기 동기화 신호를 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템으로 전달하는 단계, 및
    상기 동기화 신호에 따라 상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템에서 측정된 배터리의 정보를 수신하는 단계
    를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 동기화 신호를 생성하는 단계는,
    상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템 각각으로부터 상기 정상 동작 상태에 대응하는 제1 레벨을 가지는 상기 활성화 신호가 전달되면, 상기 동기화 신호를 생성하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  9. 제7에 있어서,
    상기 배터리의 정보는 상기 배터리의 셀전압을 포함하며,
    상기 배터리의 정보를 측정하는 단계는,
    상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템이 상기 배터리의 셀전압을 측정하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 정보를 측정하는 단계는,
    상기 배터리의 복수의 셀에 각각 연결되는 복수의 셀릴레이 중 하나에 연결되는 제1 릴레이를 통해 상기 배터리의 셀전압을 전달하는 단계,
    상기 제1 릴레이를 통해 전달되는 상기 배터리의 셀전압에 대응하는 검출 전압을 커패시터에 저장하는 단계, 및
    상기 커패시터의 양단에 연결된 제2 릴레이를 통해 상기 검출 전압을 A/D 컨 버터로 전달하여 디지털 신호로 변환하는 단계
    를 더 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리의 정보를 수신하는 단계는,
    상기 검출 전압이 상기 커패시터에 저장 완료되는 저장 완료 시점에서 상기 배터리의 전류를 측정하는 단계, 및
    상기 저장 완료 시점으로부터 소정 기간 지연된 시점에서 상기 제2 릴레이를 턴온하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 활성화 신호를 생성하는 단계는,
    상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템의 파워 온 또는 파워 오프 상태에 따라 상기 활성화 신호를 생성하는 단계, 및
    상기 적어도 두 개의 서브 배터리 관리 시스템으로부터 상기 활성화 신호를 수신하는 단계를 포함하는 배터리 관리 시스템의 구동 방법.
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