KR20130078353A - 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리팩과 부하간에 단락(short) 발생 시 단락감지를 노이즈에 영향을 받지 않으면서 하드웨어적으로 수행하도록 함으로써 단락감지 시 배터리 관리 시스템에서 단락감지에 따른 후속처리를 정확하고 빠르게 수행할 수 있도록 한 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치 및 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 배터리와 배터리팩에 각각 일단 및 타단이 연결된 션트레지스터(SR)와, 배터리에 연결된 션트레지스터(SR)에 직렬연결된 제1, 제2레지스터(R1, R2)와, 일측 입력단이 제1, 제2레지스터(R1, R2) 사이에 연결되고 타측 입력단이 배터리팩에 연결된 션트 레지스터(SR)의 타단에 연결되고, 출력단이 제2레지스터(R2)에 연결된 제1오피앰프(OP1)로 구성되어 배터리의 단락을 검출하여 증폭하는 단락검출 증폭부(10); 단락검출 증폭부(10)로부터 증폭된 단락신호를 기준전압과 비교하여 판단하는 단락비교 판단부(20); 단락비교 판단부(20)에서 판단된 단락신호에서 노이즈에 오작동을 방지하기 위하여 트랜지스터(FET)와 커패시터(C1)로 구성되어 커패시터(C1)에 대한 충전 및 방전을 반복하여 출력하는 검출시간 및 복귀시간 조정부(30); 및 검출시간 및 복귀시간 조정부(30)로부터의 출력신호를 입력받아 기준전압과 비교하여 기준전압보다 작은 경우 단락감지를 검출하는 단락출력 판단부(40);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치를 제공한다.

Description

배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치 및 방법{Method and apparatus for checking short of battery management system}
본 발명은 배터리 관리 시스템의 단락 감지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리팩과 부하간에 단락(short) 발생 시 단락감지를 노이즈에 영향을 받지 않으면서 하드웨어적으로 수행하도록 함으로써 단락감지 시 배터리 관리 시스템에서 단락감지에 따른 후속처리를 정확하고 빠르게 수행할 수 있도록 한 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 전기자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicle)는 내연기관의 엔진과 배터리의 전원을 이용한 모터를 동력원으로 사용한다.
최근 하이브리드 전기자동차용 배터리로는 리튬 배터리가 주로 사용되고 있는 실정인 바, 이 리튬 배터리는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온(Li-ion) 배터리와 고체 성분인 폴리머 전해질을 사용하는 리튬폴리머(Li-Polymer) 배터리가 있다.
하이브리드 전기자동차에 있어서는 배터리의 필요 용량에 따라 셀(Cell)을 50~100개 정도를 직렬 연결하여 하나의 팩(Pack) 형태로 차량에 장착하게 된다.
상기 하이브리드 전기자동차용 배터리팩은 에너지 밀도와 효율은 좋으나 과충전될 경우 부풀어지거나 폭발하는 등의 위험한 상태가 될 수 있다.
이에 종래에는 배터리팩의 각 셀(Cell) 전압을 측정하여 기준 전압 이상이 되면 배터리 관리 시스템(BMS;Battery Management System)에서 경고(Alarm) 메시지나 고장(Trip) 메시지를 자동차 콘트롤러(HCU)측으로 전송하여 충전을 중단하도록 하고 있다.
한편 일반적으로 배터리팩은 대한민국 등록특허 10-740114호의 도 1에 나타낸 배터리 관리 시스템(Battery Management system : BMS)의 보호회로부(70)에서 펌웨어로 제어하고 있다.
그러나 이와 같은 종래 기술에 있어서는 배터리 관리 시스템의 제어부(MCU)에서 소프트웨어적으로 단락을 감지함에 따라 제어부가 다른 기능을 수행 중에는 소프트웨어에 의한 단락 감지가 후순위로 밀려 있는 상태가 될 수 있어 즉각적인 대응을 수행하지 못할 수 있는 문제가 있었고, 이는 결국 배터리팩 또는 부하의 손상을 발생시킬 수 있는 문제로 이러지게 될 수 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 배터리팩과 부하간에 단락(short) 발생 시 단락감지를 노이즈에 영향을 받지 않으면서 하드웨어적으로 수행하도록 함으로써 단락감지 시 배터리 관리 시스템에서 단락감지에 따른 후속처리를 정확하고 빠르게 수행할 수 있도록 한 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치는 배터리와 배터리팩에 각각 일단 및 타단이 연결된 션트레지스터(SR)와, 배터리에 연결된 션트레지스터(SR)에 직렬연결된 제1, 제2레지스터(R1, R2)와, 일측 입력단이 제1, 제2레지스터(R1, R2) 사이에 연결되고 타측 입력단이 배터리팩에 연결된 션트 레지스터(SR)의 타단에 연결되고, 출력단이 제2레지스터(R2)에 연결된 제1오피앰프(OP1)로 구성되어 배터리의 단락을 검출하여 증폭하는 단락검출 증폭부(10); 단락검출 증폭부(10)로부터 증폭된 단락신호를 기준전압과 비교하여 판단하는 단락비교 판단부(20); 단락비교 판단부(20)에서 판단된 단락신호에서 노이즈에 오작동을 방지하기 위하여 트랜지스터(FET)와 커패시터(C1)로 구성되어 커패시터(C1)에 대한 충전 및 방전을 반복하여 출력하는 검출시간 및 복귀시간 조정부(30); 및 검출시간 및 복귀시간 조정부(30)로부터의 출력신호를 입력받아 기준전압과 비교하여 기준전압보다 작은 경우 단락감지를 검출하는 단락출력 판단부(40);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
여기서, 단락 시 션트레지스터(SR) 양단에 걸리는 미세전압 신호를 비반전 증폭하여 비교 판단할 수 있는 전압신호로 변환하여 출력하는 것이 바람직하다.
그리고, 제1, 제2레지스터(R1, R2)로 증폭비를 조정하는 것이 바람직하다.
한편 단락비교 판단부(20)는, 제2오피앰프(OP2) 회로를 이용한 비교기 회로로 구성됨이 바람직하다.
또한, 단락비교 판단부(20)는 단락검출 증폭부(10)의 출력신호를 입력받아 단락검출 증폭부(10)에서 증폭된 전압과 기준전압을 비교하여 기준전압보다 높을 경우 제2오피앰프(OP2)의 출력단을 통해 검출신호(H)를 출력하는 것이 바람직하다.
여기서, 검출시간 및 복귀시간 조정부(30)는 N채널 전계효과트랜지스터(Nch-FET)(FET)와 R,C충/방전 회로(R5, R6, C1)로 구성되어, 단락비교 판단부(20)로부터 출력을 입력받아 커패시터(C1)의 충전 전압과 방전 전압을 변화를 줌으로서 단락출력 판단부(40)에 입력이 상시 들어가게 하고, N채널 전계효과트랜지스터(Nch-FET)(FET)가 온/오프되는 것에 따라 제5, 제6레지스터(R5)(R6)를 통해 커패시터(C1)에 충전이 되는 것이 바람직하다.
그리고, 단락출력 판단부(40)의 출력단에는 다이오드(D1)를 추가하여 높은 전압의 역전류를 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 배터리 관리 시스템의 단락 감지 방법은 배터리로부터 출력에서 단락이 발생하면(S10), 션트레지스터에 단락 전류가 흐르고(S20), 션트 레지스터에 의해 양단전압변환이 발생하는 단계(S30); 검출된 전압을 단락비교 판단을 위한 전압으로 증폭하는 단계(S40); 증폭된 전압을 단락 비교 판단부의 오피앰프의 + 단으로 전달하는 단계(S50); 단락 비교 판단부에서 오피앰프를 통해 오프앰프의 -단 기준전압과 비교판단하는 단계(S60); 오피앰프 + 단 전압이 기준전압보다 크다면(S70), 하이(H)를 출력하고(S80), 출력이 되면 FET(Q1)가 턴 온(S90)되어, 레지스터(R6)에 의해 커패시터(C1)의 충전전하가 지연 방전되고(S100) + 단 전압이 기준전압보다 작다면 단락비교 판단부의 오피앰프에서 로우(L)를 출력하여(S110), FET(Q1)가 턴 오프되며(S120), 레지스터(R5+R6)에 의해 커패시터(C1)가 복귀 충전되는 단계(S130); 방전 또는 충전이 완료되면 커패시터의 전압이 단락 출력 판단부의 오피앰프의 - 단으로 전달되는 단계(S140); 단락 출력 판단부의 오피앰프 +단의 기준전압과 비교판단하여 기준전압보다 작다면 단락감지를 검출하여 하이(H) 신호를 출력하고, 기준전압보다 작지 않다면 단락이 아닌 노이즈를 검출한 것으로, 로우(L) 신호를 출력하는 단계(S170);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 하드웨어적으로 단락이 검출되도록 하고, 제어부(MCU)의 인터럽트로 처리함으로서 단락감지상태를 빠르게 검출하여 배터리 보호회로 단락 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 할 수 있다.
둘째, 레지스터와 커패시턴스 충/방전의 적절한 사용으로 감지신호를 확실하게 검출함으로서 단락시에도 배터리 팩이나 부하를 최대한 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치를 설명하기 위한 블록 구성도,
도 2는 도 1에 나타낸 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치의 회로 구성 실시 예를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템의 단락 감지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치의 회로 구성 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치 및 회로 구성 실시 예는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 단락검출 증폭부(10), 단락비교 판단부(20), 검출시간 및 복귀시간 조정부(30) 및 단락출력 판단부(40)로 구성된다.
여기서, 단락검출 증폭부(10)는 단락을 검출하여 증폭하며, 예를 들어 배터리와 배터리팩에 각각 일단 및 타단이 연결된 션트레지스터(SR)와, 배터리에 연결된 션트레지스터(SR)에 직렬연결된 제1, 제2레지스터(R1, R2)와, 일측 입력단이 제1, 제2레지스터(R1, R2) 사이에 연결되고 타측 입력단이 배터리팩에 연결된 션트 레지스터(SR)의 타단에 연결되고, 출력단이 제2레지스터(R2)에 연결된 제1오피앰프(OP1)로 구성된다. 이때, 단락 시 션트레지스터(SR) 양단에 걸리는 미세전압 신호를 비반전 증폭하여 비교 판단할 수 있는 전압신호로 변환하여 출력한다. 이때 제1, 제2레지스터(R1, R2)로 증폭비를 조정할 수 있다.
단락비교 판단부(20)는 단락검출 증폭부(10)로부터 증폭된 단락신호를 기준전압과 비교하여 판단하며, 예를 들어 제2오피앰프(OP2) 회로를 이용한 비교기 회로로 구성할 수 있는데, 단락검출 증폭부(10)의 출력신호를 입력받아 단락 시 단락검출 증폭부(10)에서 증폭된 전압과 기준전압을 비교하여 기준전압보다 높을 경우 제2오피앰프(OP2) 출력단에 H(5V)를 출력한다. 이때 R3와 R4를 이용하여 단락 전류에 따른 기준전압을 설정할 수 있다.
검출시간 및 복귀시간 조정부(30)는 노이즈에 오작동을 방지하기 위한 것으로, 예를 들어 N채널 전계효과트랜지스터(Nch-FET)(FET)와 R,C 충/방전 회로(R5, R6, C1)로 구성되어, 단락비교 판단부(20)로부터 출력을 입력받아 커패시터(C1)의 충전 전압과 방전 전압을 변화를 줌으로서 단락출력 판단부(40)에 입력이 상시 들어가게 한다. 이때, 단락비교 판단부(20)의 출력이 H일 경우 FET가 턴-온 되어 커패시터(C1)가 방전되어 제6저항(R6)를 통해 받아 조정할 수 있다. 그리고 단락비교 판단부(20)의 출력이 L일 경우 FET가 턴 오프(Turn off) 되어 제5, 제6레지스터(R5)(R6)를 통해 커패시터(C1)에 충전이 된다. 이때, 충전되는 시간에 의해 단락회로의 복귀시간을 조절할 수 있다. 그리고, 제6레지스터(R6)와 커패시터(C1)사이의 신호(signal : 전압)가 검출시간 및 복귀시간 조정부(30) 출력단으로서 단락 출력 판단부(40)에 입력 신호로 전달한다.
단락출력 판단부(40)는 제3오피앰프(OP3)회로를 이용한 비교기 회로로서 검출시간 및 복귀시간 조정부(30)로부터의 출력신호를 입력받아 기준전압(5V)과 비교하여 기준전압보다 낮을 경우 제3오피앰프(OP3)의 출력단에서 H(5V)를 출력한다. 이때 제7저항(R7)과 제8저항(R8)를 이용하여 검출시간 및 복귀시간 설정을 할 수 있다. 또한 단락출력 판단부(40)의 출력신호에 다이오드(D1)를 추가하여 높은 전압의 역전류를 방지하여 단락감지회로가 보호되도록 할 수 있다.
이러한 단락출력 판단부(40)의 출력은 배터리 관리 시스템의 제어부(MCU)로 출력될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템의 단락 감지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명에 따른 배터리 관리 시스템의 단락 가지 방법은 도 3에 나타낸 바와 같이, 배터리로부터 출력에서 단락이 발생하면(S10), 션트레지스터에 단락 전류가 흐른다(S20). 이때, 단락은 실제 단락이거나 순간적인 노이즈 중 하나 일 수 있다.
그러면 션트 레지스터에 의해 양단전압변환이 발생한다(S30).
검출된 전압을 단락비교 판단을 위한 전압으로 증폭한다(S40).
그리고 증폭된 전압을 단락 비교 판단부의 오피앰프의 + 단으로 전달한다(S50).
단락 비교 판단부에서는 오피앰프를 통해 -단 기준전압과 비교판단한다(S60).
그에 따라 오피앰프 + 단 전압이 기준전압보다 큰가를 판단한다(S70).
판단결과(S70) + 단 전압이 기준전압보다 크다면 단락비교 판단부의 오피앰프에서 'H'를 출력한다(S80).
그에 따라 FET(Q1)가 턴 온(S90)되어, 레지스터(R6)에 의해 커패시터(C1)의 충전전하가 지연 방전된다(S100).
그러나 판단결과(S70) + 단 전압이 기준전압보다 작다면 단락비교 판단부의 오피앰프에서 'L'를 출력한다(S110).
그에 따라 FET(Q1)가 턴 오프되며(S120), 레지스터(R5+R6)에 의해 커패시터(C1)가 복귀 충전된다(S130).
한편 이와 같이 방전 또는 충전이 완료되면 커패시터의 전압이 단락 출력 판단부의 오피앰프의 - 단으로 전달된다(S140).
그러면 단락 출력 판단부의 오피앰프 +단의 기준전압과 비교판단한다(S150).
판단결과(S150) 오피앰프의 -단 전압이 기준전압보다 작다면 단락감지를 검출하는 것으로, 오피앰프에서는 하이(H) 신호를 출력한다.
그러나 판단결과(S150) 오피앰프의 -단 전압이 기준전압보다 작지 않다면 단락이 아닌 노이즈를 검출한 것으로, 오피앰프에서는 로우(L) 신호를 출력한다.
이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 배터리 20 : 배터리 관리 시스템
30 : 모터 드라이버 40 : 인터페이스부
50 : 표시부 60 : 제어부

Claims (8)

  1. 배터리와 배터리팩에 각각 일단 및 타단이 연결된 션트레지스터(SR)와, 배터리에 연결된 션트레지스터(SR)에 직렬연결된 제1, 제2레지스터(R1, R2)와, 일측 입력단이 제1, 제2레지스터(R1, R2) 사이에 연결되고 타측 입력단이 배터리팩에 연결된 션트 레지스터(SR)의 타단에 연결되고, 출력단이 제2레지스터(R2)에 연결된 제1오피앰프(OP1)로 구성되어 배터리의 단락을 검출하여 증폭하는 단락검출 증폭부(10);
    상기 단락검출 증폭부(10)로부터 증폭된 단락신호를 기준전압과 비교하여 판단하는 단락비교 판단부(20);
    상기 단락비교 판단부(20)에서 판단된 단락신호에서 노이즈에 오작동을 방지하기 위하여 트랜지스터(FET)와 커패시터(C1)로 구성되어 상기 커패시터(C1)에 대한 충전 및 방전을 반복하여 출력하는 검출시간 및 복귀시간 조정부(30); 및
    상기 검출시간 및 복귀시간 조정부(30)로부터의 출력신호를 입력받아 기준전압과 비교하여 기준전압보다 작은 경우 단락감지를 검출하는 단락출력 판단부(40);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단락 시 션트레지스터(SR) 양단에 걸리는 미세전압 신호를 비반전 증폭하여 비교 판단할 수 있는 전압신호로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2레지스터(R1, R2)로 증폭비를 조정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단락비교 판단부(20)는,
    제2오피앰프(OP2) 회로를 이용한 비교기 회로로 구성됨을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단락비교 판단부(20)는 상기 단락검출 증폭부(10)의 출력신호를 입력받아 상기 단락검출 증폭부(10)에서 증폭된 전압과 기준전압을 비교하여 기준전압보다 높을 경우 상기 제2오피앰프(OP2)의 출력단을 통해 검출신호(H)를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검출시간 및 복귀시간 조정부(30)는 N채널 전계효과트랜지스터(Nch-FET)(FET)와 R,C충/방전 회로(R5, R6, C1)로 구성되어, 상기 단락비교 판단부(20)로부터 출력을 입력받아 상기 커패시터(C1)의 충전 전압과 방전 전압을 변화를 줌으로서 상기 단락출력 판단부(40)에 입력이 상시 들어가게 하고, 상기 N채널 전계효과트랜지스터(Nch-FET)(FET)가 온/오프되는 것에 따라 상기 제5, 제6레지스터(R5)(R6)를 통해 상기 커패시터(C1)에 충전이 되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단락출력 판단부(40)의 출력단에는 다이오드(D1)를 추가하여 높은 전압의 역전류를 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 단락 감지 장치.
  8. 배터리로부터 출력에서 단락이 발생하면(S10), 션트레지스터에 단락 전류가 흐르고(S20), 션트 레지스터에 의해 양단전압변환이 발생하는 단계(S30);
    상기 검출된 전압을 단락비교 판단을 위한 전압으로 증폭하는 단계(S40);
    상기 증폭된 전압을 단락 비교 판단부의 오피앰프의 + 단으로 전달하는 단계(S50);
    상기 단락 비교 판단부에서 상기 오피앰프를 통해 상기 오프앰프의 -단 기준전압과 비교판단하는 단계(S60);
    상기 오피앰프 + 단 전압이 기준전압보다 크다면(S70), 하이(H)를 출력하고(S80), 상기 출력이 되면 FET(Q1)가 턴 온(S90)되어, 레지스터(R6)에 의해 커패시터(C1)의 충전전하가 지연 방전되고(S100) 상기 + 단 전압이 기준전압보다 작다면 상기 단락비교 판단부의 오피앰프에서 로우(L)를 출력하여(S110), 상기 FET(Q1)가 턴 오프되며(S120), 레지스터(R5+R6)에 의해 상기 커패시터(C1)가 복귀 충전되는 단계(S130);
    상기 방전 또는 충전이 완료되면 상기 커패시터의 전압이 단락 출력 판단부의 오피앰프의 - 단으로 전달되는 단계(S140);.
    상기 단락 출력 판단부의 오피앰프 +단의 기준전압과 비교판단하여 상기 기준전압보다 작다면 단락감지를 검출하여 하이(H) 신호를 출력하고, 상기 기준전압보다 작지 않다면 단락이 아닌 노이즈를 검출한 것으로, 로우(L) 신호를 출력하는 단계(S170);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 단락 감지 방법.
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