KR20140124470A

KR20140124470A - 배터리 제어 시스템 및 그의 구동 방법

Info

Publication number: KR20140124470A
Application number: KR1020130041974A
Authority: KR
Inventors: 이종원
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2014-10-27
Also published as: KR102044808B1

Abstract

본 발명은 복수의 커패시터가 직렬 연결되어 있는 배터리, 상기 커패시터의 전압을 밸런싱하는 밸런싱부, 그리고 상기 밸런싱부의 오동작 여부를 모니터링하는 모니터링부를 포함하는 배터리 제어 시스템을 제공한다. 따라서, 셀 밸런싱 회로를 모니터링함으로써 밸런싱이 정확하게 진행되고 있는지 확인할 수 있으며, 모든 셀을 동시 또는 순차적으로 진단할 수 있다.

Description

배터리 제어 시스템 및 그의 구동 방법{Battery control system and driving method of the same}

본 발명은 배터리 제어 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 배터리 셀 밸런싱 기능을 가지는 제어 시스템에 대한 것이다.

일반적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등 모터 구동용 배터리는 수 십킬로와트 정도의 대용량 전력을 발생하기 위해서는 수 십볼트(Volt), 수 백암페어(Ampere) 정도의 대용량 배터리가 필요한데, 이를 위해서는 단일 배터리 셀을 직렬로 연결하여 하나의 배터리 모듈을 형성하여 사용해야 한다.

상기 배터리 모듈은 배터리 셀간의 전압 불균형(unbalance)을 보정해야 하는데, 실제 사용할 기기에 배터리 모듈 시스템을 장착하여 기기의 부하특성을 여러가지로 인가하면서 최적의 보정 데이터를 산출한 후, 기기 내에 장착된 배터리 관리 시스템(BMS)에 저장하여 최적 상태로 배터리를 관리하여 기기를 동작할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

전기자동차나 하이브리드 전기자동차에 장착되어 있는 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리의 여러 가지 상태를 모니터링하여, 배터리의 온도, 주변온도, 충전상태, 방전상태 등에 따라 배터리 보호를 위한 제어뿐만이 아니라 기기의 운전자(OPERATOR)에게 배터리 상태를 알려주고, 배터리를 적정상태로 운전하게 관리한다.

이러한 배터리관리시스템은 US2010/0074904에 개시된 바와 같이 각 배터리의 셀간 전압 불균형을 보정하기 위해 밸런싱을 수행하는 기능을 포함하고 있다.

그러나, 이러한 배터리의 셀간 밸런싱을 수행하는 소자의 모니터링은 이루어지지 않아 밸런싱이 정확하게 수행되는지 모니터링할 수 없는 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 셀 밸런싱 회로의 정상 동작 여부를 모니터링할 수 있는 배터리 제어 시스템을 제공하는 것이다.

실시예는 복수의 커패시터가 직렬 연결되어 있는 배터리, 상기 커패시터의 전압을 밸런싱하는 밸런싱부, 그리고 상기 밸런싱부의 오동작 여부를 모니터링하는 모니터링부를 포함하는 배터리 제어 시스템을 제공한다.

실시예에 따르면, 셀 밸런싱 회로를 모니터링함으로써 밸런싱이 정확하게 진행되고 있는지 확인할 수 있으며, 모든 셀을 동시 또는 순차적으로 진단할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 배터리 제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 배터리 제어 시스템 중 Cell 전압 측정부의 상세 회로도이다.
도 3은 도 2의 배터리 관리 시스템의 동작파형도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예인 배터리 관리 시스템의 상세 회로도이다.
도 5는 도 4의 배터리 관리 시스템의 동작파형도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하 도 1 내지 도 3를 참고하여 본 발명의 일 실시예인 배터리 관리 시스템(100)에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 배터리 제어 시스템(100)의 구성도이고, 도 2는 도 1의 배터리 제어 시스템(100)의 상세 회로도이며, 도 3은 도 2의 배터리 제어 시스템(100)의 동작파형도이다.

본 발명에서 배터리 제어 시스템(100)은 배터리(10), 셀밸런싱부(20), 제어부(30) 및 모니터링부(200)를 포함한다.

배터리(10)는 복수의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있으며, 각 셀은 커패시터(C1-C10)로 구현된다.

각각의 셀의 커패시터(C1-C10)는 동일한 크기를 가지며, 정전 용량 또한 동일할 수 있다.

본 실시예에서는 각각의 셀의 커패시터(C1-C10)가 3V 내지 5V의 전압을 충전할 수 있는 것으로 설명한다.

본 실시예에서는 배터리 셀을 이루는 n개의 커패시터(C1-C10)가 직렬로 연결되어 있으며, 일 예로 10개의 커패시터(C1-C10)가 연결되어 있는 것으로 도시하였으나 수효는 이에 한정되는 것은 아니다.

제어부(30)는 각각의 셀을 충전하고, 각 셀의 충전 전압을 측정하기 위하여 밸런싱부(20)를 제어한다.

이러한 제어부(30)는 모니터링부(200)로부터 모니터링 정보를 수신할 수 있다.

밸런싱부(20)는 각각의 커패시터(C1-C10)의 충전되어 있는 전압을 일정하게 유지하기 위하여 충전되어 있는 전압을 재분배한다.

모니터링부(200)는 밸런싱부(20)의 정상 동작 여부를 판독하여 제어부(30) 또는 차량의 메인제어부(도시하지 않음)에 모니터링 정보를 제공한다.

이하에서는 도 2를 참고하여 밸런싱부(20)와 모니터링부(200)에 대하여 상세히 설명한다.

각각의 셀의 커패시터(C1-C10)는 충전 전압을 제공받도록 커패시터(C1-C10) 사이의 노드(n1-n10)가 제어부(30)와 각각 기준선(L1-L10)으로 연결되어 있으며, 각 노드(n1-n10)와 제어부(30) 사이에는 저항이 연결될 수 있다.

이때, 상기 저항은 기준선(L1-L10)의 패턴에 의한 기생저항일 수 있다.

밸런싱부(20)는 각각의 셀의 커패시터(C1-C10)와 병렬로 연결되며, 서로 직렬연결되어 있는 복수의 스위칭 소자(Q1-Q10)를 포함한다.

각각의 스위칭 소자(Q1-Q10)는 도 2와 같이 트랜지스터일 수 있다.

각각의 스위칭 소자(Q1-Q10)는 해당 커패시터(C1-C10)의 기준선(L1-L10)와 일단이 연결되고, 타단이 다이오드(D1-D10)와 연결되어 있다.

스위칭 소자(Q1-Q10)의 타단에 연결되는 다이오드(D1-D10)는 다음 커패시터(C1-C10)의 기준선(L1-L10)과 연결되어 있다.

각 다이오드(D1-D10)는 모두 동일한 크기의 턴온 전압을 가지며, 본 발명에서는 다이오드(D1-D10)의 턴온 전압을 약 0.7V 내지 1V로 설정한다.

즉, 각 커패시터(C1-C10)의 양 단에 병렬로 하나의 스위칭 소자(Q1-Q10)와 하나의 다이오드(D1-D10)가 직렬로 연결되어 있다.

이때, 각각의 스위칭 소자(Q1-Q10)와 노드(n1-n10) 사이에는 기생저항이 형성될 수 있다.

스위칭 소자(Q1-Q10)는 제어부(30)와 제어선(G1-G10)으로 연결되어 있으며, 상기 제어선(G1-G10)은 상기 스위칭 소자(Q1-Q10)가 트랜지스터일 때, 상기 트랜지스터의 게이트와 연결되어 각각의 스위칭 소자(Q1-Q10)를 온오프하는 제어신호를 전송한다.

상기 제어부(30)는 각각의 기준선(L1-L10)으로부터 커패시터(C1-C10)의 양 단의 전압을 읽어 커패시터(C1-C10)에 충전되어 있는 전압 값을 연산하고, 이를 밸런싱하기 위하여 각 스위칭 소자(Q1-Q10)의 온오프를 제어한다.

즉, 일부 커패시터(C1-C10)에 과전압이 걸리는 경우, 해당 커패시터(C1-C10)와 연결되어 있는 스위칭 소자(Q1-Q10)를 소정 시간 동안 턴온함으로써 상기 커패시터(C1-C10)에 충전되어 있는 전하를 다른 커패시터(C1-C10)에 충전하거나, 접지로 출력한다.

이때, 상기 스위칭 소자(Q1-Q10)가 고장상태인 경우, 밸런싱이 진행되지 않는다.

본 발명에서는 밸런싱 동작을 모니터링하여 배터리 밸런싱 스위칭 소자의 고장 정보를 수신할 수 있는 모니터링부(200)를 제공한다.

모니터링부(200)는 각 셀에 대응하는 모니터링선(M1-M10)을 각각 포함하며, 각 모니터링선(M1-M10)은 각 스위칭 소자(Q1-Q10)의 앞단 또는 뒷단의 전압을 읽어모니터링제어부(210)로 전달한다.

상세하게는, 제1 커패시터(C1)와 연결되는 제1 스위칭 소자(Q1)의 경우, 제1스위칭 소자(Q1)의 입력단의 전압을 읽는 제1 모니터링선(M1)이 형성되어 있다.

제1 모니터링선(M1)과 제1 노드(n1) 사이에는 제1 저항(R11)이 형성될 수 있으나, 제1 저항(R11)은 기생저항일 수 있다.

제2 커패시터(C2) 및 그 이상의 서수의 커패시터(C3-C10)와 연결되는 스위칭 소자(Q2-Q10)의 경우, 커패시터(C2-C10)의 출력단과 접지 사이에 직렬 연결되어 있는 저항열(Rn1, Rn2:n은 2부터 10까지의 정수)을 포함하며, 저항열(Rn1, Rn2) 사이의 접점에 각 모니터링선(M2-M10)이 형성되어 있다.

즉, 제2 커패시터(C2)와 연결되는 제2 스위칭 소자(Q2)의 출력단에는 제1 저항(R21)과 제2 저항(R22)이 직렬 연결되어 있으며, 제1 및 제2 저항(R21, R22) 사이에 제2 모니터링선(M2)이 연결되어 있다.

이때, 제1과 제2 저항(R21, R22)의 저항비는 제2 모니터링선(M2)으로 3 내지 5V의 전압이 출력되도록 설정될 수 있다.

제3 내지 제10 모니터링선(M3-M10) 또한 제2 모니터링선(M2)과 동일한 연결 관계를 가지며, 제3 모니터링선(M3)부터는 제2 저항(Rk2: 이때, k는 3 내지 10의 정수)과 병렬로 제너 다이오드(Z)를 포함할 수 있다.

제3 모니터링선(M3)과 연결되는 제1 및 제2 저항(R31, R32)의 저항비는 서수가 증가할수록 제1 저항(R31)의 크기를 키움으로써 제2 저항(R32)에 걸리는 전압값이 3V 내지 5V를 충족하도록 제어한다.

이하에서는 도 3을 참고하여 본 발명의 모니터링 동작을 설명한다.

먼저, 제어부(30)는 셀 밸런싱을 진행하다가, 밸런싱이 정확하게 진행되는지 확인하기 위하여 모니터링 모드(T1)를 진행한다.

모니터링 모드(T1)가 진행되면, 제어부(30)는 모든 제어선(G1-G10)으로 턴온 신호를 출력하여 제1내지 제10 스위칭 소자(Q1-Q10)를 턴온한다.

이때, 모니터링제어부(210)는 각 모니터링선(M1-M10)의 전압을 읽어 각 스위칭 소자(Q1-Q10)의 고장 여부를 판단한다.

더욱 상세하게, 제1 스위칭 소자(Q1)가 턴온되면, 제1 모니터링선(M1)은 제1 스위칭 소자(Q1)의 입력단의 전압을 읽는다.

제1 모니터링선(M1)의 전압은 제1 스위칭 소자(Q1)가 정상적으로 턴온 동작을 수행할 때, 제1 다이오드(D1)의 턴온 전압 레벨을 가진다.

즉, 제1 모니터링선(M1)의 출력값이 0.7V 내지 1V를 충족하면, 정상 동작으로 판단한다.

그러나, 제1 스위칭 소자(Q1)가 턴온되지 않으면, 제1 모니터링선(M1)에 제1 노드(n1)의 전압이 인가되므로, 제1 모니터링선(M1)에 3V 내지 5V의 전압이 감지되면, 제1 스위칭 소자(Q1-Q10)가 고장난 것으로 판단한다.

한편, 제2 스위칭 소자(Q2)가 정상적으로 턴온되면, 제2 스위칭 소자(Q2)의 출력단에는 제2 노드(n2)의 전압에 제2 다이오드(D2)의 턴온 전압만큼 더한 전압이 인가된다.

따라서, 제2 스위칭 소자(Q2)의 출력단 전압은 4 내지 6V를 충족하며, 제2 모니터링선(M2)은 제1 및 제2 저항(R21, R22)의 전압 분배에 따라 제2 저항(R22)에 걸리는 전압인 3 내지 4.5V의 전압을 읽어낸다.

따라서, 제2 스위칭 소자(Q2)가 정상 동작할 때, 3 내지 4.5V의 출력을 내고, 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴온되지 않으면, 접지전압을 출력하므로 제2 모니터링선(M2)의 전압이 하이일 때, 정상 동작으로, 로우일 때 비정상 동작으로 판단한다.

제2 이후의 스위칭 소자(Q3-Q10)를 모니터링하는 회로의 동작은 제2 스위칭소자(Q2)와 동일하며, 정상 동작 시에 3 내지 5V를 하이로 정의하도록 제1 및 제2 저항(Rn1, Rn2:n은 3부터 10까지의 정수)의 비를 설정함으로써 각 모니터링선(M3-M10)의 레벨을 판독하는 것만으로 각 스위칭 소자(Q3-Q10)의 정상 동작 여부를 알 수 있다.

모니터링제어부(210)는 각 모니터링선(M1-M10)의 전압레벨을 판독하여 적어도 하나의 스위칭 소자(Q1-Q10)가 오작동하는 것으로 판단되는 경우, 차량의 메인 제어부에 정보를 제공하여 알람할 수 있다.

이와 같이, 모니터링 모드(T1)를 두어 모든 셀의 스위칭 소자(Q1-Q10)의 고장 여부를 동시에 판독할 수 있으므로 진단수행 속도가 매우 빠르고 정확하게 고장 여부를 알 수 있다.

이하에서는 도 4 및 도 5를 참고하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리제어 시스템(100)을 설명한다.

다른 실시예에 따른 배터리 제어 시스템(100)은 도 1과 같이 배터리(10), 밸런싱부(20), 모니터링부(200) 및 제어부(30)를 포함한다.

배터리(10), 밸런싱부(20) 및 제어부(30)의 구성은 도 1과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

모니터링부(200)는 각 스위칭 소자(Q1-Q10)의 앞단 또는 뒷단의 전압을 읽어들인다.

제1 모니터링선(M1)과 제1 노드(n1) 사이에는 제1 저항(R1)이 형성될 수 있으나, 제1 저항(R1)은 기생저항일 수 있다.

제2 커패시터(C2) 및 그 이상의 서수의 커패시터(C3-C10)의 경우, 각 스위칭 소자(Q2-Q10)의 고장을 판독하는 하나의 모니터링 스위치(QM)를 포함한다.

상기 모니터링 스위치(QM)는 게이트가 각 스위칭 소자(Q1-Q10)의 출력단과 동시에 연결되어 있으며, 입력단이 각 스위칭 소자(Q1-Q10)의 입력단과 동시에 연결되어 있다.

이때, 모니터링 스위치(QM)의 게이트와 연결되는 게이트선(MG) 및 입력단과 연결되는 입력선(MI)이 복수의 스위칭 소자(Q2-Q10)를 가로질러 형성되어 있다.

게이트선(MG)과 각 스위칭 소자(Q2-Q10)의 출력단 사이에는 입력 다이오드(DI) 및 입력 저항(RI)이 직렬 연결되어 있다.

입력선(MI)과 각 스위칭 소자(Q2-Q10)의 입력 사이에는 출력 다이오드(DO) 및 출력 저항(RO)이 직렬 연결되어 있다.

이때, 모니터링 스위치(QM)의 출력단에는 모니터링 저항(RM)과 제너 다이오드(Z)가 병렬로 연결되어 있다.

도 5를 참고하여, 동작을 설명한다.

먼저, 모니터링 모드(MT)가 시작되면, 제어부(30)는 밸런싱을 정지하고, 각 스위칭 소자(Q1-Q10)를 순차적으로 턴온한다.

즉, 제1 스위칭 소자(Q1)가 턴온되면, 그에 따라 모니터링제어부(210)는 제1 모니터링선(M1)의 출력을 읽어낸다.

제1 모니터링선(M1)의 출력에 대한 정보는 도 5와 같이 하이일 때, 고장 동작이며, 로우일 때 정상 동작으로 판독한다.

다음으로, 제2 스위칭 소자(Q2)가 턴온되면, 제2 스위칭 소자(Q2)의 출력단에 제1 노드(n1) 전압에 제2 다이오드(D2)의 턴온 전압을 더한 전압인 4V 내지 6V가 인가되며, 이에 입력 다이오드(DI)에서 턴온 전압만큼 전압 강하가 발생하여 다시 3V 내지 5V의 전압이 게이트선(MG)에 인가된다.

따라서, 모니터링 스위치(QM)는 3V 내지 5V의 전압을 받아 턴온되며, 입력선(MI)의 전류를 출력단(Md)으로 흘린다.

이와 같이 해당 스위칭 소자(Q1-Q10)가 턴온될 때, 모니터링 스위치(QM)가 동시에 턴온되되어 출력단(Md)으로 전류가 흘러 하이로 인식되면, 해당 스위칭 소자(Q1-Q10)가 정상 동작하는 것으로 판단하고, 모니터링 스위치(QM)가 턴온되지 않으면, 로우로 인식하여 고장 동작하는 것으로 판독한다.

이때, 입력 저항(RI) 값은 게이트선(MG)에 인가되는 전압이 모니터링 스위치(QM)의 턴온 전압 레벨을 유지하도록 적당한 크기로 설정될 수 있다.

다음으로, 제3 내지 제10 스위칭 소자(Q3-Q10)을 순차적으로 턴온하면서, 각 스위칭 소자(Q3-Q10)가 턴온될 때마다 모니터링 스위치(MG)가 턴온되는지 여부를 판단한다. 이와 같이 다른 실시예에 따른 모니터링 회로는 스위칭 소자(Q1-Q10)를 순차적으로 턴온하면서 하나의 모니터링 스위치의 턴온 여부에 따라 해당 스위칭 소자의 정상 동작 여부를 판독할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100 : 배터리 관리 시스템
10: 배터리
20: 밸런싱부
30 : 제어부
200: 모니터링부

Claims

복수의 커패시터가 직렬 연결되어 있는 배터리를 제어하는 배터리 제어 시스템에 있어서,
상기 커패시터의 전압을 밸런싱하는 밸런싱부, 그리고
상기 밸런싱부의 고장 여부를 모니터링하는 모니터링부
를 포함하는 배터리 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 밸런싱부는
각각의 상기 커패시터와 병렬 연결되어 상기 커패시터의 전압을 분배하는 복수의 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자와 직렬 연결되어 있는 다이오드를 포함하는 배터리 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 모니터링부는
상기 스위칭 소자의 입력 또는 출력의 전압값을 읽어내는 회로부를 포함하는 배터리 제어 시스템.
제3항에 있어서,
상기 모니터링부는
접지와 연결되는 제1 커패시터와 연결되는 제1 스위칭 소자의 입력을 읽어 상기 제1 스위칭 소자의 고장 여부를 판단하는 배터리 제어 시스템.
제4항에 있어서,
상기 모니터링부는
상기 제1 커패시터와 직렬연결되는 n번째 커패시터와 각각 연결되는 상기 스위칭 소자의 출력단에 연결되어 상기 출력단의 전압을 분배하는 저항열을 포함하는 배터리 제어 시스템.
(상기 n은 2 이상의 정수)
제5항에 있어서,
상기 저항열은 모니터링부가 일정한 전압을 판독하도록 서로 다른 저항비가 설정되어 있는 배터리 제어 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제1 커패시터의 스위칭 소자는 상기 모니터링 정보가 로우일 때, 정상동작으로 판단하고, 상기 n번째 커패시터의 스위칭 소자는 모니터링 정보가 하이일 때, 정상 동작으로 판단하는 배터리 제어 시스템.
제7항에 있어서,
상기 모니터링부는 모니터링 모드에서 복수의 상기 스위칭 소자를 동시에 턴온하여 각각의 모니터링 정보를 동시에 수신하는 배터리 제어 시스템.
제7항에 있어서,
상기 모니터링부는 모니터링 모드에서 복수의 상기 스위칭 소자를 순차적으로 턴온하여 각각의 모니터링 정보를 순차적으로 수신하는 배터리 제어 시스템.
제9항에 있어서,
상기 n번째 커패시터와 연결되는 스위칭 소자의 저항열과 동시에 연결되어 상기 스위칭 소자의 동작에 따라 온오프하는 모니터링 스위치를 더 포함하는 배터리 제어 시스템.