KR20110027189A - 배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로는 배터리 관리 시스템과 출력 커넥터 사이의 광학적으로 절연시켜 과충전 보호, 셀 밸런싱 및 과방전 보호 회로의 오동작을 방지하고, 배터리 관리 시스템의 출력 신호를 더욱 정확하게 제어할 수 있다.

배터리 관리 시스템, 제어, 출력

Description

배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로{Output control circuit for battery management system}

본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 특히, 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로에 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 기울이고 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 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 성능이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류를 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Managament System, 이하 BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.

본 발명의 일 실시 예는 배터리 관리 시스템의 출력 신호를 제어하기 위한 출력 제어 회로를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery management system)의 출력 제어 회로는 상기 배터리 관리 시스템의 마이크로 프로세서 유닛으로부터의 출력 신호를 광학적으로 절연시키는 제1 내지 제3 광 커플러; 상기 배터리 관리 시스템의 전압원과 상기 제1 내지 제3 광 커플러의 입력 측의 일측 단자들 사이에 접속된 제1 내지 제3 저항; 상기 마이크로 프로세서 유닛의 제1 내지 제3 제어 신호에 따라 스위칭되며 상기 제1 내지 제3 광 커플러의 입력 측의 타측 단자들과 접지전압원 사이에 접속된 제1 내지 제3 트랜지스터; 상기 제1 내지 제3 광 커플러의 출력 측과 병렬로 접속된 제1 내지 제3 다이오드; 및 상기 제1 내지 제3 광 커플러의 출력 측과 접속된 제1 내지 제6 단자를 포함하는 출력 커넥터를 포함하며, 상기 마이크로 프로세서 유닛의 제어 신호에 따라 상기 출력 커넥터의 단자들이 단락되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제1 제어 신호는, 과충전 보호 회로의 동작 신호이고, 상기 제1 제어 신호에 따라 상기 출력 커넥터의 제1 및 제2 단자가 단락되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제2 제어 신호는, 셀 밸런싱 회로의 동작 신호이고, 상기 제2 제어 신호에 따라 상기 출력 커넥터의 제3 및 제4 단자가 단락되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제3 제어 신호는, 과방전 보호 회로를 위한 PWM 출력 신호이고, 상기 제3 제어 신호에 따라 상기 출력 커넥터의 제5 및 제6 단자가 단락되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제5 및 제6 단자는, 상기 자동차를 구동하는 모터를 제어하기 위한 모터 제어 회로와 접속되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로는 배터리 관리 시스템과 출력 커넥터 사이의 광학적으로 절연시켜 과충전 보호, 셀 밸런싱 및 과방전 보호 회로의 오동작을 방지하고, 배터리 관리 시스템의 출력 신호를 더욱 정확하게 제어할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 수 있다.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적 절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템(100)의 개략적인 블록도이다.

도 1을 참조하면, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 셀(200), 부하, 충전기와 접속된다. 배터리 관리 시스템(100)과 배터리 셀(200)의 포지티브 측 사이에 저항(201)이 접속되어 있으며, 배터리 셀(200)의 네거티브 측 사이에 션트 저항(202)이 접속되어 있다. 여기서, 션트 저항(202)은 전류를 감지하는 기능을 한다. 또한, 배터리 셀(200)의 포지티브 측과 부하의 포지티브 단자 사이에 퓨즈(203)가 접속되어 있다. 여기서, 배터리 셀(200)은 리튬-이온 폴리머 배터리로 구성되고, 13개의 배터리 셀들로 이루어진 배터리 모듈이다. 각각의 배터리 셀은 셀당 4.3V이고, 총 전압은 55.9V이다.

배터리 관리 시스템(100)은 배터리의 잔여 용량, 전류, 전압 및 배터리 온도를 측정할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(100)은 SOC(State Of Charge) 디스플레이를 위한 10 포인트 LED를 구동하기 위한 드라이버를 포함하며, 과충전 보호, 셀 밸런싱 기능을 수행한다.

배터리 관리 시스템(100)은 마이크로 프로세서 유닛(101), 잔여 용량 검출부, 전류 검출부, 전압 검출부, 온도 검출부를 포함하는 배터리 상태 검출부(102), 셀 밸런싱부(103), 과충전 보호부(104), 전원부(105), 입력 제어부(106), 출력 제어부(107), SOC 표시부(108), 통신부(109)를 포함한다.

마이크로 프로세서 유닛(101)은 배터리 관리 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 마이크로 프로세서 유닛(101)은 배터리 관리 시스템(100)의 각각의 구성 모듈을 제어하기 위한 제어 신호들을 출력하고, 외부 입력 수단을 통해 입력된 신호에 따라 각각의 구성 모듈을 제어한다. 예를 들면 배터리 셀(200) 전압을 센싱하여 소정의 기준 전압과 비교하여 과충전 보호부(104)의 동작을 온/오프 시키며, 배터리 셀(200)의 셀 전압을 측정하여 셀 밸런싱 동작을 온/오프 시켜 배터리 셀(200)의 충방전을 제어한다. 또한, 외부로부터 입력된 SOC 디스플레이 명령에 따라 SOC 표시부(108)를 제어하여 SOC를 디스플레이한다.

배터리 상태 검출부(102)는 배터리의 잔여 용량, 전류, 전압, 온도를 검출한다. 여기서, 잔여 용량, 전압, 온도 검출은 각각의 배터리 셀, 즉 13개의 배터리 셀에 대해 수행하고, 전류는 션트 저항(202)을 통해 대전류 경로 상의 흐름을 감지한다.

온도 검출을 위해, 온도 검출부는 각각의 배터리 셀들(Cell 1, Cell 2, .... Cell 13)에 13개의 서미스터(Thermister)를 연결시키는 커넥터를 구비하여 각각의 셀 온도를 검출한다.

셀 전압 검출을 위해, 셀 전압 검출부는 각각의 배터리 셀들(Cell 1, Cell 2, .... Cell 13)에서, Cell 1의 포지티브측과, Cell 1의 네거티브 측과 Cell2의 포지티브측의 접점에서 Cell 1의 전압을 측정한다. 셀 전압 검출부는 셀 전압 측정을 위해 배터리 셀들(200)과 연결시키는 14개 핀을 사용하는 커넥터를 구비하여 각각의 셀 전압을 검출한다. 여기서 검출된 셀 전압은 과충전 보호, 과방전 보호, 셀 밸런싱에 사용된다.

셀 밸런싱부(103)는 각각의 배터리 셀의 충전상태의 균형을 맞춘다. 충전상태가 비교적 높은 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 셀은 충전시킨다. 이러한 셀 밸런싱 동작은 각각의 배터리 셀의 전압을 감지하여 기준전압 이상인 셀들에 대해 방전을 함으로써 각각의 셀들의 충전전압을 균일하게 할 수 있다.

과충전 보호부(104)는 배터리 셀(200)의 충전 전압이 일정 전압, 예를 들면 55.9V(4.3V/cell)이상이면, 과충전 보호 플래그를 설정하고, MPU(101)는 설정된 과충전 보호 플래그에 따라 더 이상의 충전을 금지하는 제어 신호를 보내 보호 회로를 동작을 시킨다. 여기서, 제어 신호는 충전 차단 신호로 대전류 경로 상에 위치한 충전 FET를 차단하여 충전이 멈추게 한다. 과충전 보호부(104)는 셀 전압뿐만 아니라 전류, 온도 등을 검출하여 과충전 보호 플래그를 설정할 수 있다.

전원부(105)는 배터리 셀(200)로부터 전원을 공급받는다. 여기서, 배터리 관리 시스템(100)은 배터리 셀(200)로부터 2핀 커넥터를 통해 전원을 공급받고, 배터리 관리 시스템(100) 내부에 퓨즈가 연결되고, 배터리 셀(200)의 포지티브 단자와 커넥터 사이에는 소정 크기의 저항이 접속된다. 선택적으로 배터리 셀(200)로부터의 전압을 내부 전원(VCC)로 사용하기 위한 DC-DC 컨버터(미도시)를 포함할 수 있다.

입력 제어부(106)는 외부로부터의 입력 신호, 예를 들면 자동차의 ACC 키 또는 SOC 디스플레이 스위치의 입력 신호를 배터리 관리 시스템(100)에 전달하는 기능을 한다.

출력 제어부(107)는 마이크로 프로세서 유닛(101)으로부터의 제어 신호를 외부의 보호 회로들에 전달하는 기능을 한다. 출력 제어부(107)의 구성 및 기능에 대해서는 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 청구범위에 사용된 출력 제어 회로와 출력 제어부(107)는 동일한 의미로 이해되어야 할 것이다.

SOC 표시부(108)는 외부의 입력 신호, 즉 SOC 디스플레이 스위치 입력 신호에 따라 현재 배터리 셀(200)의 충전 상태를 10개의 LED로 표시하도록 제어한다. SOC 표시부(108)는 LED를 구동하기 위한 LED 드라이버를 포함한다. SOC 표시부(108)는 14개의 핀으로 구성된 커넥터를 통해 배터리 관리 시스템(100)과 접속되어 있는 LED와 연결된다. 10개의 핀은 10개의 다이오드와 접속되고, 10개의 핀을 통한 출력 신호, LED 제어 신호는 개방 컬렉터(open collector) 신호이다. 2개의 핀을 통해 내부 전원이 LED에 공급되고, 2개의 핀은 접지된다. 선택적으로, 내부 전원(VCC)을 이용하지 않고, 외부 전원(Vsupply)을 LED에 공급할 수도 있다. 여기서, 1개의 LED 점등은 10%의 SOC를 의미하고, 5%이상의 SOC에 대해서 1개의 LED 점등이 이루어진다. 따라서, 36%의 SOC인 경우에는 4개의 LED가 켜지도록 제어된다.

통신부(109)는 배터리 관리 시스템(100)의 구성 모듈들 간에 또는 배터리 관리 시스템(100)과 외부장치와 통신을 하기 위한 모듈이다. 예를 들면, 통신부(109)는 RS232C 인터페이스일 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템(100)의 출력 제어부(107)를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 배터리 관리 시스템(100)에 6개의 핀으로 구성된 커넥 터(110)와 3개의 광 커플러(111,121,131), 3개의 트랜지스터(113,123,133), 3개의 저항(112,122,132), 3개의 다이오드(114,124,134)가 도시되어 있다.

제1 내지 제3 광 커플러(111,121,131)는 배터리 관리 시스템(100)의 마이크로 프로세서 유닛으로부터의 출력 신호(signal 1, signal 2, signal 3)를 커넥터(110)와 광학적으로 절연시킨다.

일반적으로, 광 커플러는 갈륨 비소를 재료로 한 고출력 적외선 발광 다이오드와 고감도의 실리콘 포토 TR이 서로 마주보게 하고, 발광 다이오드에서 나온 빛이 포토 트랜지스터에 전달될 수 있도록 투명 실리콘이나 광섬유로 그 사이를 채우고, 흰색이나 흑색 플라스틱으로 몰딩한 구조이다. 이렇게 하여 발광 다이오드에 전압을 가하면 빛은 잘 통하지만 전압은 투명한 재질을 통과할 수 없는 구조가 되어 광학적으로 절연된 상태가 된다. 전기적으로, 발광 다이오드와 포토 트랜지스터가 전혀 연결되어 있지 않지만, 발광 다이오드에 전류를 흘려서 다이오드로부터 빛이 나오도록 하면 그 빛은 다른 곳으로 새지 않고 맞은편 포토 트랜지스터 측에 닿아 빛으로 연결되어 발광 다이오드의 신호에 따라 동작하게 된다.

3개의 트랜지스터(113,123,133)의 베이스 전극은 각각 제1 내지 제3 출력 신호선에 접속되어 있고, 제1 전극은 제1 내지 제3 광 커플러의 입력 측 단자에 접속되고, 제2 전극은 접지된다. 여기서, 제1 출력 신호(signal 1)는 마이크로 프로세스 유닛(101)으로부터 출력된 과충전 보호 회로 동작 제어 신호이고, 제2 출력 신호(signal 2)는 마이크로 프로세스 유닛(101)으로부터 출력된 셀 밸런싱 회로 동작 제어 신호이고, 제3 출력 신호(signal 3)는 마이크로 프로세스 유닛(101)으로부터 출력된 과방전 보호 회로 동작 제어 신호이다.

제1 내지 제3 저항(112, 122, 132)은 배터리 관리 시스템(100)의 전압원(VCC)과 제1 내지 제3 광 커플러(111,121,131)의 입력측의 일측 단자들 사이에 접속되어 광 커플러(111,121,131)의 입력 측 발광 다이오드를 동작시키는 전류를 발생시킨다.

제1 내지 제3 다이오드(114,124,134)는 제1 내지 제3 광 커플러(111,121,131)의 출력 측과 병렬로 접속되어 전기적으로 절연된 상태, 즉 마이크로 프로세스 유닛(101)으로부터 제어 신호가 입력되지 않은 경우에 커넥터(110)를 통해 출력 신호가 전달되지 않도록 한다.

출력 커넥터(110)는 제1 내지 제3 광 커플러(111,121,131)의 출력 측과 접속된다. 여기서, 출력 커넥터는 6개의 단자를 포함하며, 제1 제어 신호, 즉 과충전 보호 동작 제어 신호가 입력된 경우에는 제1 단자와 제2 단자가 단락되고, 제2 제어 신호, 즉 셀 밸런싱 동작 제어 신호가 입력된 경우에는 제3 단자와 제4 단자가 단락되고, 제3 제어 신호, 즉 과방전 보호 동작 제어 신호가 입력된 경우에는 제5 단자와 제6 단자가 단락된다. 따라서, 제1 단자와 제2 단자에 연결된 과충전 보호 회로가 동작하고, 제3 단자와 제4 단자에 연결된 셀 밸런싱 회로가 동작하고, 제5 단자와 제6 단자에 연결된 과방전 방지회로가 동작한다.

도 3을 참조하면, 제3 제어 신호가 트랜지스터(133)의 베이스 전극에 입력된다. 여기서, 제3 제어 신호는 과방전 보호 동작 제어 신호로서, PWM 출력 신호이다. 여기서, PWM 출력 신호는 자동차를 구동하는 모터(300)를 제어하기 위한 모터 제어 회로(200)에 출력되는 신호이다. PWM 출력 신호는 과방전 방지 동작중인 경우에 지속적으로 출력된다. 제3 제어 신호가 입력되면 트랜지스터(133)가 턴온되고 내부 전압원(VCC)이 저항(132)에 인가되어 제3 광 커플러(131)의 입력측 발광 다이오드에 전류가 흘러 빛이 방출된다. 이 빛은 제3 광 커플러(131)의 출력 측 트랜지스터를 턴온시키고 제5 단자와 제6 단자를 단락시킨다. 따라서, 모터 제어부(200)와 모터(300) 사이를 단락시켜 방전을 금지시킨다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템(100)의 개략적인 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템(100)의 출력 제어부(107)를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템(100)의 출력 제어부(107)를 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 배터리 관리 시스템(BMS) 101: 마이크로 프로세서 유닛(MPU)

102: 배터리 상태 검출부 103: 셀 밸런싱부

104: 과충전 보호부 106: 입력 제어부

107: 출력 제어부 108: SOC 표시부

109: 통신부 200: 배터리 셀

201: 저항 202: 션트 저항

203: 퓨즈

Claims (5)

1. 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery management system)의 출력 제어 회로에 있어서,

   상기 배터리 관리 시스템의 마이크로 프로세서 유닛으로부터의 출력 신호를 광학적으로 절연시키는 제1 내지 제3 광 커플러;

   상기 배터리 관리 시스템의 전압원과 상기 제1 내지 제3 광 커플러의 입력측의 일측 단자들 사이에 접속된 제1 내지 제3 저항;

   상기 마이크로 프로세서 유닛의 제1 내지 제3 제어 신호에 따라 스위칭되며 상기 제1 내지 제3 광 커플러의 입력측의 타측 단자들과 접지전압원 사이에 접속된 제1 내지 제3 트랜지스터;

   상기 제1 내지 제3 광 커플러의 출력 측과 병렬로 접속된 제1 내지 제3 다이오드; 및

   상기 제1 내지 제3 광 커플러의 출력 측과 접속된 제1 내지 제6 단자를 포함하는 출력 커넥터를 포함하며,

   상기 마이크로 프로세서 유닛의 제어 신호에 따라 상기 출력 커넥터의 단자들이 단락되는 것을 특징으로 배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 제어 신호는, 과충전 보호 회로의 동작 신호이고,

   상기 제1 제어 신호에 따라 상기 출력 커넥터의 제1 및 제2 단자가 단락되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 제어 신호는, 셀 밸런싱 회로의 동작 신호이고,

   상기 제2 제어 신호에 따라 상기 출력 커넥터의 제3 및 제4 단자가 단락되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제3 제어 신호는, 과방전 보호 회로를 위한 PWM 출력 신호이고,

   상기 제3 제어 신호에 따라 상기 출력 커넥터의 제5 및 제6 단자가 단락되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제5 및 제6 단자는,

   상기 자동차를 구동하는 모터를 제어하기 위한 모터 제어 회로와 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 출력 제어 회로.

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