KR20110027190A - 배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로 - Google Patents

배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로 Download PDF

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이정용
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Abstract

본 발명은 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로는 배터리 관리 시스템과 외부 입력 커넥터 사이를 광학적으로 절연시켜 외부로부터의 입력 신호의 오동작을 방지하고, 배터리 관리 시스템으로의 입력 신호를 더욱 정확하게 제어할 수 있다.
배터리 관리 시스템, 입력 신호, 광 커플러

Description

배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로{Input control circuit for battery management system}
본 발명은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 특히, 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템의 입력 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 예에 따른 배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로는 배터리 관리 시스템과 외부 입력 커넥터 사이를 광학적으로 절연시켜 외부로부터의 입력 신호의 오동작을 방지하고, 배터리 관리 시스템으로의 입력 신호를 더욱 정확하게 제어할 수 있는 입력 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 입력 제어 회로는 외부 입력 신호들이 접속된 입력 커넥터; 상기 커넥터로부터의 외부 입력 신호를 광학적으로 절연시키는 제1 및 제2 광 커플러; 상기 커넥터와 상기 제1 및 제2 광 커플러 사이에 접속된 제1 및 제2 저항; 및 상기 배터리 관리 시스템의 전압원과 상기 제1 및 제2 광 커플러의 출력 측의 일측 단자들 사이에 접속된 제3 및 제4 저항을 포함하고, 상기 제1 및 제2 광 커플러는, 상기 커넥터를 통한 외부 입력 신호들을 상기 배터리 관리 시스템의 마이크로 프로세스 유닛에 전달하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 외부 입력 신호는 상기 자동차의 ACC 키에 따른 입력 신호를 포함하고, 상기 ACC 키의 일측은 외부 전압원과 접속되고 상기 ACC 키의 타측은 상기 커넥터의 제1 단자와 접속되고, 상기 입력 커넥터의 제2 단자는 접지되고, 상 기 ACC 키의 타측과 상기 제1 단자 사이에 제1 외부 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 외부 입력 신호는 SOC 디스플레이 스위치에 따른 입력 신호를 포함하고, 상기 SOC 디스플레이 스위치의 일측은 외부 전압원과 접속되고 타측은 상기 입력 커넥터의 제3 단자와 접속되고, 상기 입력 커넥터의 제4 단자는 접지되고, 상기 SOC 스위치의 타측과 상기 제3 단자 사이에 제2 외부 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로는 배터리 관리 시스템과 외부 입력 커넥터 사이를 광학적으로 절연시켜 외부로부터의 입력 신호의 오동작을 방지하고, 배터리 관리 시스템으로의 입력 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 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석 되어야 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 프로세스 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 프로세스 유닛(101)은 배터리 관리 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 마이크로 프로세스 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. 입력 제어부(106)의 구성 및 기능에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다. 또한, 청구범위에 사용된 입력 제어 회로와 입력 제어부(106)는 동일한 의미로 이해되어야 할 것이다.
출력 제어부(107)는 마이크로 프로세스 유닛(101)으로부터의 제어 신호를 외부의 보호 회로들에 전달하는 기능을 한다. 출력 제어부(107)는 마이크로 프로세스 유닛(101)으로부터의 제어 신호, 예를 들면 과충전 보호 회로 동작 신호, 셀 밸런싱 회로 동작 신호, 과방전 보호 회로 동작 신호를 외부 보호 회로들에 전달한다. 여기서, 출력 제어부(107)는 각각의 보호 회로들의 오작동을 방지하기 위한 구성, 예를 들면 트랜지스터, 광 커플러, 다이오드를 포함하는 회로를 포함할 수 있다.
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. 여기서, SOC 표시는 외부의 SOC 디스플레이 스위치를 사용자가 누르면, 이에 따른 입력 신호가 입력 커넥터를 통해 배터리 관리 시스템(100)에 입력된다. 이와 관련 하여 도 2를 참조하여 후술한다.
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 입력 제어부(106)의 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 입력 제어부(106)는 입력 커넥터(110), 제 1 및 제2 광 커플러(111,121), 제1 및 제2 저항(112, 122), 제3 및 제4 저항(113,123)을 포함한다. 배터리 관리 시스템(100)의 입력 제어부(106)와 접속된 외부 입력 수단은 ACC 키와 SOC 디스플레이 스위치를 포함하며, 이들 각각은 외부 공급 전압원(Vsupply)에 연결된다. 그리고, ACC 키 및 SOC 디스플레이 스위치와 입력 커넥터(110) 사이에는 외부 저항(114,124)이 연결된다.
입력 커넥터(110)는 제1 내지 제4 단자를 포함하며, 외부 입력 신호들, ACC 키에 따른 제1 입력 신호가 제1 단자에 접속되고, 제2 단자는 접지된다. SOC 디스플레이 스위치에 따른 제2 입력 신호가 제3 단자에 접속되고, 제4 단자는 접지된다.
제1 및 제2 광 커플러(111,121)는 입력 커넥터(110)로부터의 외부 입력 신호, 즉 제1 입력 신호와 제2 입력 신호를 광학적으로 절연시킨다. 그리고 제1 및 제2 광 커플러(111,121)의 입력측, 즉 발광 다이오드와 입력 커넥터(100)의 신호 전달 단자, 즉 제1 및 제3 단자 사이에는 각각 제1 및 제2 저항(112,122)이 연결된 다.
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.
배터리 관리 시스템(100)의 전압원(Vcc)과 제1 및 제2 광 커플러(111,121)의 출력 측의 일측 단자들, 즉 트랜지스터의 제1 전극 사이에는 제3 및 제4 저항이 접속된다.
외부 입력 신호가 자동차의 ACC 키에 따른 입력 신호인 경우에는 외부 전압원(Vsupply)의 전압, 예를 들면 12V의 외부 전압이 외부 저항(114)에 걸리고, 전류 신호가 제1 단자를 통해 제1 저항(112)을 통해 광 커플러(111)의 발광 다이오드에 흘러서 빛이 발광한다. 그러면 트랜지스터가 턴온되어, 내부 전압원(Vcc)이 제3 저항(113)에 걸리고 일정 전류가 제1 입력 신호로 마이크로 프로세스 유닛(101)에 전달되고, 마이크로 프로세스 유닛(101)은 이 전류가 소정의 전류 범위 내, 예를 들면 4mA이상인 경우, ACC 키가 온되었다고 인식한다.
외부 입력 신호가 SOC 디스플레이 스위치 누름에 따른 입력 신호인 경우에는 외부 전압원(Vsupply)의 전압, 예를 들면 12V의 외부 전압이 외부 저항(124)에 걸리고, 전류 신호가 제3 단자를 통해 제2 저항(122)을 통해 광 커플러(121)의 발광 다이오드에 흘러서 빛이 발광한다. 그러면 트랜지스터가 턴온되어, 내부 전압원(Vcc)이 제4 저항(123)에 걸리고 일정 전류가 제2 입력 신호로 마이크로 프로세스 유닛(101)에 전달되고, 마이크로 프로세스 유닛(101)은 이 전류가 소정의 전류 범위 내, 예를 들면 4mA이상인 경우, SOC 디스플레이 스위치가 온되었다고 인식한다.
여기서, 외부 입력 신호를 인식하기 위한 전류값의 범위는 내부 저항들 및 외부 저항들과, 외부 전압원의 값에 따라 다르게 설정될 수 있음은 물론이다.
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 입력 제어부(106)의 구성을 도시한 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 배터리 관리 시스템(BMS) 101: 마이크로 프로세스 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 (3)

  1. 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery management system)의 입력 제어 회로에 있어서,
    외부 입력 신호들이 접속된 입력 커넥터;
    상기 입력 커넥터로부터의 외부 입력 신호를 광학적으로 절연시키는 제1 및 제2 광 커플러;
    상기 입력 커넥터와 상기 제1 및 제2 광 커플러 사이에 접속된 제1 및 제2 저항; 및
    상기 배터리 관리 시스템의 전압원과 상기 제1 및 제2 광 커플러의 출력 측의 일측 단자들 사이에 접속된 제3 및 제4 저항을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 광 커플러는,
    상기 입력 커넥터를 통한 외부 입력 신호들을 상기 배터리 관리 시스템의 마이크로 프로세스 유닛에 전달하는 것을 특징으로 배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 입력 신호는 상기 자동차의 ACC 키에 따른 입력 신호를 포함하고, 상기 ACC 키의 일측은 외부 전압원과 접속되고 상기 ACC 키의 타측은 상기 입력 커넥터의 제1 단자와 접속되고, 상기 입력 커넥터의 제2 단자는 접지되고,
    상기 ACC 키의 타측과 상기 제1 단자 사이에 제1 외부 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 입력 신호는 SOC 디스플레이 스위치에 따른 입력 신호를 포함하고, 상기 SOC 디스플레이 스위치의 일측은 외부 전압원과 접속되고 타측은 상기 입력 커넥터의 제3 단자와 접속되고, 상기 입력 커넥터의 제4 단자는 접지되고,
    상기 SOC 스위치의 타측과 상기 제3 단자 사이에 제2 외부 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로.
KR1020090085175A 2009-09-10 2009-09-10 배터리 관리 시스템의 입력 제어 회로 KR20110027190A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106143173A (zh) * 2014-10-17 2016-11-23 韩华泰科株式会社 基于车辆重量管理电池的方法和基于重量的电池管理设备
CN108512270A (zh) * 2018-03-25 2018-09-07 湖南星邦重工有限公司 一种锂电池电源控制系统和高空作业车

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