KR20140073949A

KR20140073949A - 차량용 배터리 관리 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20140073949A
Application number: KR1020120142005A
Authority: KR
Inventors: 유영욱
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-17

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 전체 배터리 시스템 관리를 위해 다수의 배터리 모듈 각각에 연결되어 각 배터리 모듈을 모니터링 및 자가 진단이 가능한 슬레이브부와 다수의 슬레이브부로부터 마스터부에서 수신되는 모니터링 데이터를 이용하여 전체 배터리 시스템을 제어함으로써, 딜레이 없이 전체 배터리 시스템의 제어 기능을 수행할 수 있다.
또한, 와이어하네스 대신 무선 통신을 통해 마스터부와 슬레이브부가 통신함으로써, 차량의 진동 또는 주변 이물질로 인해 와이어가 단선되어 발생하는 에러를 미연에 방지하여 좀 더 안정적으로 배터리 모듈을 모니터링 할 수 있으며, 차량 내 고전압 배터리 모듈 수가 변하게 되더라도 슬레이브부 만을 추가 또는 제거함으로써, 하드위어 재설계 시간을 줄이고 차량 내 고전압 배터리를 다양한 구조로 설치가 가능진다.

Description

차량용 배터리 관리 시스템 및 그 방법{System for management battery of vehicle and method thereof}

본 발명은 하이브리드 차량에 관한 것으로, 특히 하이브리드 차량 내 고전압 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

최근 들어, 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 대한 관심이 높아지면서 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에는 자동차의 구동에 사용되는 모터를 구동시키기 위해 전기 에너지가 필요하고 이를 배터리를 통해 공급하게 된다. 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 배터리로는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방전과, 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 충전 과정을 반복할 수 있는 이차 전지가 주류를 이룬다. 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 리튬 계열 전지와 니켈 수소 계열의 전지로 분류된다. 리튬 계열 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품에 주로 적용되며, 니켈 수소 계열 전지는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품에 적용되어 사용되고 있다.

이러한 하이브리드 차량의 배터리 시스템은 다수의 셀연결하여 하나의 배터리 모듈로 패키지화하며, 이 패키지화된 다수의 배터리 모듈의 연결로 이뤄 진다. 일 예로, 현재 제조되는 하이브리드 차량의 고전압 배터리의 구성은 하나의 배터리 모듈에 3.75V 짜리 셀 8개가 직렬로 연결되어 패키지화되며, 이 배터리 모듈 9개를 직렬로 연결되어 270V의 고전압 배터리가 구현된다.

상술한 바와 같이, 다수개의 배터리 셀을 연결하여 하나의 배터리 모듈로 사용할 경우, 배터리 모듈을 이루는 단일 배터리 셀들이 지닌 화학적 차이, 물성적 차이, 사용 기간의 차이 등으로 인해 각 단일 배터리 셀간에 전압차가 발생되고, 이로 인해 배터리 모듈의 계속적인 사용 시 각 배터리 셀 중 전압이 낮은 셀은 더욱 전압이 낮아지게 된다.

이렇게 각 배터리 셀간의 전압차로 인해 배터리 모듈의 수명이 단축됨과 동시에 최종적으로는 패키지화된 배터리 모듈 전체를 새로운 배터리 모듈로 교체하여야 한다는 문제점이 있다.

한편, 연료 전지(Fuel Cell) 등의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈을 보다 효율적이고 안정적으로 관리하기 위해 배터리 관리 시스템이 제안되었다. 이 배터리 관리 시스템은 다수개의 배터리 셀에 연결되어 각 배터리 셀의 전압값을 읽어 들인 후 A/D 컨버터 및 분석을 통해 배터리 셀의 충전/방전을 결정 및 제어하도록 이루어진다.

그러나, 이러한 배터리 관리 시스템은 하나의 배터리 관리 시스템이 다수개의 배터리 셀을 제어하도록 이루어짐으로써, 각각의 배터리 셀 관리 시 지연(Delay)이 발생되고, 배터리 셀의 이상 시 즉각적인 조치 및 제어가 어렵다는 문제점이 있다. 이에 각 배터리 셀의 효율적인 관리 및 충전/방전 등에 대한 처리가 신속하지 못하며, 각 배터리 셀의 결함, 손상 등의 이상 유무의 파악이 어려워 전체적 시스템의 저하 등을 불러올 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 하이브리드 차량용 배터리 시스템에서 다수의 배터리 모듈 각각을 모니터링하고 유선이 아닌 무선 통신을 통해 모니터링 데이터를 전송하는 차량용 배터리 관리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 차량용 배터리 관리 시스템은 차량 내 각각의 배터리 모듈별로 연결되어 배터리 모듈들의 상태를 모니터링하는 다수의 슬레이브부, 및 상기 다수의 슬레이브부 각각으로부터 수신된 모니터링 데이터를 이용하여 상기 차량 내 배터리 시스템을 제어하는 마스터부 를 포함하며, 상기 슬레이브부와 상기 마스터부는 무선 통신을 통해 데이터를 송수신한다.

상기 다수의 슬레이브부는 각각에 연결된 상기 배터리 모듈 내 셀 전압, 셀 밸런싱, 온도 및 냉각 상태 등의 상기 배터리 모듈 상태를 모니터링 하며, 상기 다수의 슬레이브부와 상기 마스터부 간에 송수신되는 데이터는 소정의 비트 사이즈를 가지고, 상기 송수신 데이터는 여러 개로 분할되어 송수신되며, 상기 분할 데이터의 비트 사이즈는 사용자에 의해 수정 가능하다.

또한, 상기 다수의 슬레이브부는 상기 모니터링 결과 상기 배터리 모듈의 셀전압 이상 또는 과충전 및 과방전 등과 같은 에러 발생 시, 자가 진단 및 고장 수리 기능을 통하여 상기 배터리 모듈을 제어하며, 상기 마스터부로부터 송신된 배터리 모니터링 명령 및 고유 식별자 정보를 수신한 상기 다수의 슬레이브부 중 상기 송신된 고유 식별자 정보와 일치하는 슬레이브부가 상기 배터리 모듈의 모니터링 동작을 수행한다.

한편, 전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 차량용 배터리 관리 방법은 마스터부가 무선 통신을 통해 배터리 모니터링 명령 및 고유 식별자 정보를 송출하는 단계, 상기 모니터링 명령 및 고유 식별자 정보를 수신한 다수의 슬레이브부 중 상기 고유 식별자와 일치하는 슬레이브부가 상기 수신된 모니터링 명령에 따라 상기 슬레이브부에 연결된 배터리 모듈의 상태를 모니터링하는 단계, 상기 모니터링 결과 배터리 모듈 에러 발생 시, 상기 슬레이브부가 자가 진단 모드로 설정하여 상기 배터리 모듈의 상태를 기설정된 정상 상태로 제어하는 단계, 및 상기 슬레이브부가 상기 기설정된 정상 상태로 제어된 배터리 모듈의 모니터링 결과를 상기 마스터부로 전송하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 슬레이브부가 상기 배터리 모듈의 상태를 기설정된 정상 상태로 제어가 불가능한 경우, 상기 배터리 모듈의 전원을 차단하는 단계를 더 포함한다.

본 발명은 하이브리드 차량의 전체 배터리 시스템 관리를 위해 다수의 배터리 모듈 각각에 연결되어 각 배터리 모듈을 모니터링 및 자가 진단이 가능한 슬레이브부와 다수의 슬레이브부로부터 마스터부에서 수신되는 모니터링 데이터를 이용하여 전체 배터리 시스템을 제어함으로써, 딜레이 없이 전체 배터리 시스템의 제어 기능을 수행할 수 있다.

또한, 와이어하네스 대신 무선 통신을 통해 마스터부와 슬레이브부가 통신함으로써, 차량의 진동 또는 주변 이물질로 인해 와이어가 단선되어 발생하는 에러를 미연에 방지하여 좀 더 안정적으로 배터리 모듈을 모니터링 할 수 있는 효과를 창출한다.

덧붙여, 차량 내 고전압 배터리 모듈 수가 변하게 되더라도 슬레이브부 만을 추가 또는 제거함으로써, 하드위어 재설계 시간을 줄이고 차량 내 고전압 배터리를 다양한 구조로 설치가 가능진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 관리 시스템 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 배터리 관리 시스템의 송수신 데이터 구성 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 관리 방법 흐름도.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 관리 시스템 블록도이다. 도시된 바와 같이, 차량용 배터리 관리 시스템은 다수의 슬레이브부(200_1~n) 및 마스터부(100)를 포함한다.

마스터부(100)는 다수의 슬레이브부(200_1~n)에 의해 모니터링된 배터리 모듈의 상태 정보를 이용하여 차량용 배터리 시스템 전반을 제어한다. 이를 위해, 마스터부(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 마스터 통신부(120) 및 마스터 제어부(110)를 포함한다.

마스터 제어부(110)는 마스터부(100) 전반을 제어하여 차량용 배터리 시스템을 제어하기 위한 구성이다. 마스터 제어부(110)는 마스터 통신부(120)를 통해 고유 식별자 정보와 배터리 모니터링 명령 정보를 포함하는 모니터링 명령 데이터를 다수의 슬레이브부(200_1~n)로 전송한다. 또한, 다수의 슬레이브부(200_1~n)로부터 수신된 모니터링 결과 데이터를 이용하여 차량용 배터리 시스템의 전반을 제어한다.

마스터 통신부(120)는 무선 통신을 통해 다수의 슬레이브부(200_1~n)와 데이터 송수신을 위한 구성이다. 바람직하게, 마스터 통신부(120)는 IrDA, 블루투스, RF 통신의 근거리 무선 통신 모듈일 수 있다.

다수의 슬레이브부(200_1~n)는 마스터부(100)로 부터 모니터링 명령 데이터가 수신되면 그에 따라 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 모니터링 및 관리한다. 다수의 슬레이브부(200_1~n)는 차량 내 위치하는 배터리 모듈 각각 연결되며, 배터리 모듈에 대응하는 개수만큼 장착된다.

일 예로, 현재 제조되는 하이브리드 차량의 고전압 배터리의 구성은 하나의 배터리 모듈에 3.75V 짜리 셀 8개가 직렬로 연결되어 패키지화되며, 이 배터리 모듈 9개를 직렬로 연결되어 270V의 고전압 배터리가 구현된다. 이러한 경우, 각각의 배터리 모듈에 대응하여 9개의 슬레이브부가 구성된다.

또한, 다수의 슬레이브부(200_1~n) 각각에는 고유 식별자가 부여되어, 마스터부(100)로 부터 수신되는 모니터링 명령 데이터에 포함된 고유 식별자 정보와 일치하는 경우 모니터링 동작을 수행한다.

다수의 슬레이브부(200_1~n) 각각에는 도 1에 도시된 바와 같이 슬레이브 통신부(210_1~n), 배터리 모니터링부(220_1~n) 및 슬레이브 제어부(230_1~n)를 포함한다.

슬레이브 통신부(210_1~n)는 마스터부(100)와 무선 통신을 통해 데이터 송수신을 위한 구성이다. 바람직하게, 슬레이브 통신부(210_1~n)는 IrDA, 블루투스, RF 통신의 근거리 무선 통신 모듈일 수 있다.

배터리 모니터링부(220_1~n)는 슬레이브부(200_1~n)와 연결된 배터리 모듈의 배터리 셀 상태를 모니터링하기 위한 구성이다. 배터리 모니터링부(220_1~n)는 배터리 모듈 내 배터리 셀의 셀전압, 셀밸런싱, 셀 온도 및 냉각 상태 등의 배터리 모듈 상태를 모니터링 한다. 배터리 모니터링부(220_1~n)에서 배터리 모듈 모니터링이 완료되면 모니터링 결과 데이터는 슬레이브 제어부(230_1~n)로 전달된다.

슬레이브 제어부(230_1~n)는 배터리 모니터링부(220_1~n)로부터 전달된 모니터링 데이터를 이용하여 슬레이브부(200_1~n)와 연결된 배터리 모듈의 상태를 분석한다. 분석 결과 배터리 모듈의 상태가 메모리에 기설정된 정상 범위를 벗어나 에러 발생 시, 슬레이브 제어부(230_1~n)는 자가 진단 모드로 전환하여 배터리 모니터링부(220_1~n)를 통해 배터리 모듈의 모니터링을 소정 횟수 반복하여 에러가 지속적으로 발생하는지 확인한다. 소정 횟수 이상 지속적으로 에러가 발생 시, 슬레이브 제어부(230_1~n)는 배터리 모듈의 전원을 차단한다.

모니터링 결과 배터리 모듈의 상태가 기설정된 정상 범위 내인 경우, 슬레이브 제어부(230_1~n)는 모니터링 결과 데이터를 슬레이브 통신부(210_1~n)를 통해 마스터부(100)로 전달한다. 마스터부(100)는 다수의 슬레이브 제어부(230_1~n)로부터 모니터링 결과 데이터를 이용하여 차량 내 전체 배터리 시스템을 제어할 수 있다.

한편, 마스터부(100)와 슬레이브부(200_1~n) 간의 송수신 데이터는 도 2에 예시된 바와 같은 구성으로 이루어질 수 있다. 송수신 데이터의 사이즈는 32bit, 64bit 등으로 사전에 기설정되며, 여러개로 분할되어 송수신될 수 있다. 도 2에 예시된 바와 같이, 송수신 데이터는 다수의 슬레이브부(200_1~n)의 고유 식별자 편별을 위한 슬레이브부 ID bit, 송수신을 확인하기 위한 송수신 bit가 포함된다. 또한, 배터리 모듈 모니터링 수행을 위한 커맨드 bit, 모니터링 데이터 사이즈 정보에 대한 데이터 길이 bit, 모니터링 데이터 bit로 세분화되어 모니터링 데이터를 송수신한다. 그리고 배터리 진단 및 통신 데이터의 유효성 확인을 위한 배터리 모듈 진단 정보 bit, 배터리 모듈 fault bit, 통신 에러 bit 등을 더 포함하며, 이와 같은 각각의 bit 사이즈는 사용자에 의해 변경 가능하다.

도 3에 도시된 방법 흐름도를 이용하여 차량용 배터리 관리 방법에 대해 설명한다.

먼저, 마스터부(100)는 배터리 모니터링 명령이 포함된 모니터링 데이터를 다수의 슬레이브부(200_1~n)로 송신한다(S100). 이때, 마스터부(100)는 모니터링 명령이 포함된 모니터링 데이터를 해당 프로토콜에 맞게 처리하여 송신 설정을 한다. 마스터부(100)는 송신 설정된 모니터링 데이터를 다수의 슬레이브부(200_1~n)로 송신한다.

다수의 슬레이브부(200_1~n)는 마스터부(100)로부터 송신된 모니터링 데이터를 수신한다(S200).

슬레이브부(200_1~n)는 수신된 모니터링 데이터에 포함된 고유 식별자 정보를 확인하여 자신의 고유 식별자 정보와 일치하는지 확인한다(S300).

고유 식별자가 일치하는 경우, 슬레이브부(200_1~n)는 배터리 모듈의 모니터링 동작을 수행한다(S400). 이때, 슬레이브부(200_1~n)는 프로토콜에 맞게 데이터를 확인하여, 모니터링 명령 데이터를 수신한다.

배터리 모듈 모니터링 동작이 완료되면, 슬레이브부(200_1~n)는 모니터링된 배터리 모듈의 상태가 기설정된 정상 범위의 상태인지 확인한다(S500).

모니터링된 배터리 모듈의 상태가 기설정된 정상 범위를 벗어나 에러가 발생하는 경우, 슬레이브부(200_1~n)는 자가 진단 모드로 전환하여 소정 횟수 반복하여 배터리 모듈을 모니터링 한다(S600).

만약, 소정 횟수 이상 지속적으로 에러가 발생하는 경우, 슬레이브부(200_1~n)는 배터리 모듈로의 전원을 차단한다(S700)(S800). 또한, 슬레이브부(200_1~n)는 에러 발생 정보를 마스터부(100)로 전송할 수도 있다.

S500 단계에서 모니터링된 배터리 모듈이 상태가 기설정된 정상 범위 내 인경우, 슬레이브부(200_1~n)는 모니터링 결과 데이터를 마스터부(100)로 전송한다(S900). 이때, 슬레이브부(200_1~n)는 모니터링 결과 데이터를 해당 프로토콜에 맞게 처리하여 송신 설정하여 마스터부(100)로 전송한다.

마스터부(100)는 수신된 모니터링 결과 데이터 내 포함된 고유 식별자 정보를 확인하고, 프로토콜에 맞게 데이터를 확인한다(S1000). 데이터가 유효한 경우, 마스터부(100)는 모니터링 결과 데이터를 수신한다(S1100)(S1200).

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 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 할 것이다.

100 : 마스터부 110 : 마스터 제어부
120 : 마스터 통신부 200 : 슬레이브부
210 : 슬레이브 통신부 220 : 배터리 모니터링부
230 : 슬레이브 제어부

Claims

차량 내 각각의 배터리 모듈별로 연결되어 배터리 모듈들의 상태를 모니터링하는 다수의 슬레이브부; 및
상기 다수의 슬레이브부 각각으로부터 수신된 모니터링 데이터를 이용하여 상기 차량 내 배터리 시스템을 제어하는 마스터부; 를 포함하며,
상기 슬레이브부와 상기 마스터부는 무선 통신을 통해 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 관리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 다수의 슬레이브부는 각각에 연결된 상기 배터리 모듈 내 셀 전압, 셀 밸런싱, 온도 및 냉각 상태 등의 상기 배터리 모듈 상태를 모니터링 하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 관리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 다수의 슬레이브부와 상기 마스터부 간에 송수신되는 데이터는 소정의 비트 사이즈를 가지고, 상기 송수신 데이터는 여러 개로 분할되어 송수신되며, 상기 분할 데이터의 비트 사이즈는 사용자에 의해 수정 가능한 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 관리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 다수의 슬레이브부는 상기 모니터링 결과 상기 배터리 모듈의 셀전압 이상 또는 과충전 및 과방전 등과 같은 에러 발생 시, 자가 진단 및 고장 수리 기능을 통하여 상기 배터리 모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 관리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 마스터부로부터 송신된 배터리 모니터링 명령 및 고유 식별자 정보를 수신한 상기 다수의 슬레이브부 중 상기 송신된 고유 식별자 정보와 일치하는 슬레이브부가 상기 배터리 모듈의 모니터링 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 관리 시스템.
마스터부가 무선 통신을 통해 배터리 모니터링 명령 및 고유 식별자 정보를 송출하는 단계;
상기 모니터링 명령 및 고유 식별자 정보를 수신한 다수의 슬레이브부 중 상기 고유 식별자와 일치하는 슬레이브부가 상기 수신된 모니터링 명령에 따라 상기 슬레이브부에 연결된 배터리 모듈의 상태를 모니터링하는 단계;
상기 모니터링 결과 배터리 모듈 에러 발생 시, 상기 슬레이브부가 자가 진단 모드로 설정하여 상기 배터리 모듈의 상태를 기설정된 정상 상태로 제어하는 단계; 및
상기 슬레이브부가 상기 기설정된 정상 상태로 제어된 배터리 모듈의 모니터링 결과를 상기 마스터부로 전송하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 관리 방법.
제6항에 있어서,
상기 슬레이브부가 상기 배터리 모듈의 상태를 기설정된 정상 상태로 제어가 불가능한 경우, 상기 배터리 모듈의 전원을 차단하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 관리 방법.