KR20130047502A - 전기 자동차의 고전압 셀센싱 회로 고장진단 기법 - Google Patents

전기 자동차의 고전압 셀센싱 회로 고장진단 기법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리 관리 시스템에서 고전압 셀센싱 회로의 이상 여부를 판단하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 직렬 연결된 복수 개의 배터리, 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 셀 센싱 회로, 셀 센싱 회로와 병렬로 연결되어, 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 릴레이 회로, 및 셀 센싱 회로 및 릴레이 회로로부터 수신한 측정값에 기초하여 셀 센싱 회로의 이상 동작 여부를 결정하는 마이크로 컴퓨터를 포함하는 배터리 셀 센싱 장치가 제공된다.

Description

전기 자동차의 고전압 셀센싱 회로 고장진단 기법{Method And Apparatus For Fault Detection Of High Voltage Cell Sensing Circuit Of Electric Vehicle}
본 발명은 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리 관리 시스템에서 고전압 셀센싱 회로의 이상 여부를 판단하는 장치 및 방법에 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 자동차를 일컫는다.
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 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 뿐만 아니라, 각 전지 셀 을 센싱하는 셀 센싱 IC의 상태를 모니터링하여 해당 셀의 고장 여부를 판단 가능한 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
종래 기술에 따른 셀 센싱 장치는 일반적으로 고전압 배터리를 모니터링하기 위한 셀 센싱 소자로 구성되는 배터리 관리 시스템(BMS)으로 구성된다. 이와 같은 배터리 관리 시스템(BMS)은 복수 개의 셀 센싱 소자, 절연 통신부 및 CPU를 포함한다.
여기서, 셀 센싱 소자는 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱하고, 측정된 전압을 외부로 출력한다.
CPU는 절연 통신부를 통해 복수 개의 셀 센싱 소자들과 통신을 수행하고, 복수 개의 셀 센싱 소자들로부터 전압 측정값을 수신한다.
절연 통신부는 복수 개의 배터리들로 구성된 고전압 배터리와 CPU 등으로 구성된 저전압부를 전기적으로 절연시켜 CPU 등을 고전압으로부터 보호하는 역할을 수행한다.
그러나, 이와 같은 종래의 셀 센싱 장치에는 복수 개의 배터리로 구성되는 배터리 셀을 센싱하는 셀 센싱 소자가 정상적으로 동작하는지 여부를 판단하는 회로가 존재하지 않아, 셀 센싱 소자의 고장 발생 시에 배터리 상태에 대한 진단이 불가능하여, 고전압 배터리로부터 나올 수 있는 위험으로부터 운전자를 보호할 수 없게 된다.
본 발명은 셀 센싱 회로를 사용하는 BMS에 있어서 셀 센싱 회로의 고장 발생 시에 셀 센싱 회로의 이상 여부를 판단하는 회로가 존재하지 않음으로써 고전압 배터리로부터의 위험으로부터 운전자를 안정적으로 보호할 수 없다는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 센싱 장치에 따르면, 직렬 연결된 복수 개의 배터리, 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 셀 센싱 회로, 셀 센싱 회로와 병렬로 연결되어, 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 릴레이 회로, 및 셀 센싱 회로 및 릴레이 회로로부터 수신한 측정값에 기초하여 셀 센싱 회로의 이상 동작 여부를 결정하는 마이크로 컴퓨터를 포함한다.
여기서, 상기 셀 센싱 회로는 모니터링 IC를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 릴레이 회로는 스위치, 캐패시터 및 OP AMP를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 컴퓨터는 상기 셀 센싱 회로 및 상기 릴레이 회로로부터 수신한 측정값을 비교하는 신호 비교부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 의해 상기 셀 센싱 회로와 상기 릴레이 회로 간의 스위칭이 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 셀 센싱 회로 고장 진단 방법에 따르면, 셀 센싱 회로가 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱하는 단계, 릴레이 회로가 상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 상기 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱하는 단계, 마이크로 컴퓨터가 상기 셀 센싱 회로 및 상기 릴레이 회로로부터 측정값들을 수신하는 단계, 및 상기 마이크로 컴퓨터가 상기 측정값들을 비교함으로써 상기 셀 센싱 회로의 이상 동작 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 의해 상기 셀 센싱 회로와 상기 릴레이 회로 간의 스위칭이 수행되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 셀 센싱 회로의 이상 동작 여부를 판단하는 단계는 상기 셀 센싱 회로로부터 수신한 측정값 및 상기 릴레이 회로로부터 수신한 측정값의 차이가 미리 결정된 범위를 벗어나는 경우 상기 셀 센싱 회로가 고장난 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 전기 자동차에 사용되는 고전압 배터리의 셀 센싱 소자에 이상이 생기는 경우에 셀 센싱 소자의 이상 여부를 판단함으로써 고전압 배터리의 상태를 안정적으로 모니터링할 수 있다.
본 발명에 의하면, 셀 센싱 IC를 사용하는 고전압 배터리 측정 회로 외에 릴레이 장치를 사용하는 고전압 배터리 측정 회로를 통한 지속적인 모니터링을 통해 고전압 배터리 측정 회로의 이상 유무를 안정적으로 검출함으로써 운전자의 안전을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 센싱 장치 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 센싱 장치 시스템의 회로도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 센싱 장치 시스템이 도시된다.
고전압 배터리 팩(110)은 복수 개의 배터리들을 포함한다. 복수 개의 배터리들은 상호간에 직렬로 접속되어 부하(도면에 도시되지 않았음)에 고전압의 직류전력을 공급한다.
셀 센싱 회로부(120)는 고전압 배터리 팩(110) 내의 배터리들을 셀 단위로 전압을 센싱하고, 측정된 전압을 제1 통신부(125)를 통해 CPU(140)로 출력한다. 셀 센싱 회로부(120)는 고전압 배터리 팩(110) 내의 배터리들을 셀 단위로 센싱하기 위해 복수의 셀 센싱 회로(121)를 포함한다.
셀 센싱 회로부(120) 내의 각각의 셀 센싱 회로(121)는 미리 결정된 개수의 배터리들(111)을 셀 단위로 배터리 전압을 센싱하고 이 측정된 전압 값을 제1 통신부(125)를 통해 CPU(140)로 출력한다.
이와 같은, 셀 센싱 회로부(120)는 종래의 전기 자동차의 배터리에 사용되는 셀 센싱 IC를 이용한 셀 센싱 장치의 다양한 실시예로 구성 가능하며, 예컨대 셀 센싱 회로(121)는 모니터링 IC로 구성될 수 있다.
릴레이 회로부(130)는 셀 센싱 회로부(120)와 병렬적으로 고전압 배터리 팩(110)과 연결되어 있으며, 셀 센싱 회로부(120)와 마찬가지로 고전압 배터리 팩(110) 내의 미리 결정된 개수의 배터리들(111)을 셀 단위로 전압을 센싱하고, 측정된 전압을 제2 통신부(135)를 통해 CPU(140)로 출력한다.
릴레이 장치로 구성되는 릴레이 회로(131)는 일반적으로 모니터링 IC로 구성되는 셀 센싱 회로부(120)에 비해 고장률이 현저하게 낮아서 신뢰성이 높다. 그러나, 릴레이 회로(131)의 단가가 일반적으로 모니터링 IC로 구성되는 셀 센싱 회로(121)에 비해 높기 때문에 릴레이 회로(131)의 개수가 셀 센싱 회로(121)의 개수에 비해 낮은 비율로 설계 가능하며, 예컨대, 릴레이 회로(131)의 개수와 셀 센싱 회로(121)의 비율을 5:1로 설정할 수 있다.
CPU(140)는, 예컨대 마이크로 컴퓨터일 수 있으며, 제1 통신부(125)를 통해 셀 센싱 회로부(120) 내의 복수 개의 셀 센싱 회로(121)들과 통신 가능하며, 제2 통신부(135)를 통해 릴레이 회로부(130) 내의 복수 개의 릴레이 회로(131)들과 통신 가능하다.
CPU(140)는 셀 센싱 회로부(120)와 릴레이 회로부(130) 간의 스위칭을 수행할 수 있으며, 예컨대 셀 센싱 회로(120)를 먼저 동작시키고 일정 시간 간격마다 주기적으로 릴레이 회로(130)를 동작시킴으로써 셀 센싱 회로부(120)와 릴레이 회로부(130)를 순차적으로 동작시킬 수 있다.
예컨대, CPU(140)는 릴레이 회로부(130)와 셀 센싱 회로부(120)에서 동시에 모니터링하지 않고, 미리 결정된 순서 및 시간 간격에 의해 셀 센싱 회로부(120)와 릴레이 회로부(130)를 순차적으로 동작시키며 양 회로로부터 측정값을 순차적으로 수신할 수 있다. 셀 센싱 회로부(120)와 릴레이 회로부(130)로부터 수신된 측정값들은 CPU(140)의 메모리에 저장되어 비교판단에 이용된다.
구체적으로, CPU(140)는 셀 센싱 회로부(120)의 해당 셀의 셀 센싱 회로(121)로부터 수신한 측정값 및 릴레이 회로부(130)의 해당 셀의 릴레이 회로(131)로부터 수신한 측정값을 비교하여 그 측정값들의 차이가 미리 결정된 범위를 벗어나는 경우 해당 셀의 셀 센싱 회로(121)가 고장난 것으로 판단할 수 있다. 이와 반대로, 전자에 비해 발생할 가능성이 낮지만 해당 셀의 릴레이 회로(131)로부터 수신한 측정값이 일정 범위를 벗어나는 경우 CPU(140)가 해당 셀의 릴레이 회로(131)가 고장났음을 판단할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 릴레이 회로부(130)가 셀 센싱 회로부(120)에 추가적으로 병렬 연결됨으로써 셀 센싱 회로부(120)의 불량 발생 시에 릴레이 회로부(130)를 통해 이를 발견함으로써 고전압 배터리 측정회로의 이상 유무를 안정적으로 검출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 센싱 장치 시스템의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 미리 결정된 개수의 배터리들로 구성되는 셀 단위의 배터리들(111)을 센싱하기 위해 셀 센싱 회로(121)와 릴레이 회로(131)가 병렬적으로 연결되어 있다.
구체적으로 릴레이 회로(131)를 살펴보면, 릴레이 회로(131)는 복수 개의 스위치, 캐패시터 및 OP AMP를 포함하고 있다. 릴레이 회로(131)의 구조는 도 2에 도시된 바와 상이하게 다양하게 설계될 수 있을 것이다.
릴레이 회로(131)의 초기단에 위치한 스위치를 통해 CPU(140)가 셀 센싱 회로(121)와 릴레이 회로(131)를 스위칭함으로써 양 회로를 순차적으로 동작시킬 수 있다.
CPU(140)는 셀 센싱 회로(121) 및 릴레이 회로(131)와 연결되어 있어 양 회로와 통신 가능하며, 해당 셀의 셀 센싱 회로(121)로부터 수신한 측정값 및 해당 셀의 릴레이 회로(131)로부터 측정된 수신값을 신호 비교부(141)에서 비교할 수 있다.
신호 비교부(141)는 셀 센싱 회로(121) 및 릴레이 회로(131)로부터 수신한 측정값들의 차이가 미리 결정된 범위를 벗어나는 경우 해당 셀의 셀 센싱 회로(121)의 고장 여부를 판단한다.
해당 셀의 셀 센싱 회로(121)가 고장났다고 판단되는 경우, 릴레이 회로(131)를 통해서 셀 센싱 동작을 계속하여 진행할 수 있으며, 또한 셀 센싱 회로(121)의 고장 발생을 외부에 알리도록 신호를 출력하는 것도 가능할 것이다.
이와 같이, 본 발명에 의한 배터리 셀 센싱 장치의 구성에 의하면, 셀 센싱 IC를 사용하는 고전압 배터리 측정 회로 외에 릴레이 장치를 사용하는 고전압 배터리 측정 회로를 통한 지속적인 모니터링을 통해 고전압 배터리 측정 회로의 이상 유무를 안정적으로 검출함으로써 운전자의 안전을 보장할 수 있다.
110: 고전압 배터리 팩
111: 미리 결정된 개수의 배터리들
120: 셀 센싱 회로부
121: 셀 센싱 회로
125: 제1 통신부
130: 릴레이 회로부
131: 릴레이 회로
135: 제2 통신부
140: CPU
141: 신호 비교부

Claims (8)

  1. 직렬 연결된 복수 개의 배터리;
    상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 셀 센싱 회로;
    상기 셀 센싱 회로와 병렬로 연결되어, 상기 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱 가능한 릴레이 회로; 및
    상기 셀 센싱 회로 및 상기 릴레이 회로로부터 수신한 측정값에 기초하여 상기 셀 센싱 회로의 이상 동작 여부를 결정하는 마이크로 컴퓨터
    를 포함하는 배터리 셀 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 셀 센싱 회로는 모니터링 IC를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 릴레이 회로는 적어도 하나의 스위치, 캐패시터 및 OP AMP를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 컴퓨터는 상기 셀 센싱 회로 및 상기 릴레이 회로로부터 수신한 측정값을 비교하는 신호 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 의해 상기 셀 센싱 회로와 상기 릴레이 회로 간의 스위칭이 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 장치.
  6. 셀 센싱 회로가 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱하는 단계;
    릴레이 회로가 상기 직렬 연결된 복수 개의 배터리들 중에서 상기 미리 결정된 개수의 배터리의 전압을 센싱하는 단계;
    마이크로 컴퓨터가 상기 셀 센싱 회로 및 상기 릴레이 회로로부터 측정값들을 수신하는 단계; 및
    상기 마이크로 컴퓨터가 상기 측정값들을 비교함으로써 상기 셀 센싱 회로의 이상 동작 여부를 판단하는 단계
    를 포함하는 배터리 셀 센싱 회로 고장 진단 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 마이크로 컴퓨터의 제어에 의해 상기 셀 센싱 회로와 상기 릴레이 회로 간의 스위칭이 수행되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 회로 고장 진단 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 셀 센싱 회로의 이상 동작 여부를 판단하는 단계는, 상기 셀 센싱 회로로부터 수신한 측정값 및 상기 릴레이 회로로부터 수신한 측정값의 차이가 미리 결정된 범위를 벗어나는 경우 상기 셀 센싱 회로가 고장난 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 센싱 회로 고장 진단 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160071936A (ko) * 2014-12-12 2016-06-22 현대오트론 주식회사 배터리 상태 진단 장치 및 방법
WO2018090883A1 (en) * 2016-11-16 2018-05-24 Nio Nextev Limited Fault detection in electric vehicles
KR20190036118A (ko) 2017-09-27 2019-04-04 쌍용자동차 주식회사 전기 자동차의 배터리 출력 제어장치 및 그 방법
KR20190037793A (ko) 2017-09-29 2019-04-08 현대오트론 주식회사 고장 신호 전달 장치 및 그것을 갖는 배터리 관리 시스템

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