KR20160070774A - 적은 수의 절연소자를 사용하여 2차 보호 신호 및 진단 신호를 전송할 수 있는 배터리 관리 시스템 - Google Patents

적은 수의 절연소자를 사용하여 2차 보호 신호 및 진단 신호를 전송할 수 있는 배터리 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적은 수의 절연소자를 사용하여 2차 보호 신호 및 진단 신호를 전송할 수 있는 배터리 관리 시스템을 개시한다. 배터리 관리 시스템에 포함된 N개의 배터리 관리 유닛은 하나의 통신 라인에 2이상의 데이터를 시분할을 통해서 전송한다. N개의 배터리 관리 유닛에서 전송된 N개의 데이터 신호는 순차적으로 또는 하나의 신호로 합쳐져서 외부 장치로 전송된다.

Description

적은 수의 절연소자를 사용하여 2차 보호 신호 및 진단 신호를 전송할 수 있는 배터리 관리 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM SENDING 2ND PROTECTION AND DIGNOSIS SIGNAL USING FEWER ISOLATION DEVICES}
본 발명은 2차 보호 신호 및 진단 신호를 전송할 수 있는 배터리 관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 적은 수의 절연소자를 사용하여 2차 보호 신호 및 진단 신호를 전송할 수 있는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
본 출원은 2013년 10월 25일에 출원된 한국특허출원 제10-2013-0127905호에 기초한 우선권 주장을 하며, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
이러한 이차전지는 양극 및 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 반복적인 충방전이 가능하다. 일 예로서 널리 사용되는 리튬 폴리머 이차 전지의 경우, 약 3.7V ~ 4.2V의 동작 전압을 가진다. 따라서, 상기 전기 차량 등에 적용되는 고출력 배터리 팩을 얻기 위해 복수의 단위 이차전지 셀(cell)을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성한다.
이러한 기본적 구조에 더하여, 상기 배터리 팩은 모터 등의 구동부하에 대한 전력 공급 제어, 전류 또는 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge)의 추정 등을 위한 알고리즘이 적용되어 이차 전지의 상태를 모니터링하고 제어하는 BMS(Battery Management System) 등이 추가적으로 포함되어 구성된다.
한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 복수의 이차전지 셀을 포함하는 배터리 모듈을 집합시킨 멀티 모듈 구조의 배터리 팩에 대한 수요가 증가하고 있다.
이러한 멀티 모듈 구조의 배터리 팩은 다수의 이차전지 셀을 포함하고 있으므로 하나의 BMS를 사용하여 모든 이차전지 셀 또는 복수의 배터리 모듈의 충방전 상태를 제어하는 것은 한계가 있다. 따라서 최근에는 배터리 팩에 포함되어 있는 각각의 배터리 모듈마다 배터리 관리 유닛(Battery Management Unit)을 장착하고 이들을 슬레이브 유닛으로 지정한 후, 슬레이브 유닛들을 제어하는 마스터 유닛을 추가로 장착하는 마스터-슬레이브 방식에 의해 각 배터리 모듈의 충방전을 제어하는 기술이 사용되고 있다.
도 1은 외부장치(10)와 종래 기술에 따른 BMS(100)가 연결된 상태를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 8개의 슬레이브 유닛들(210)과 1개의 마스터 유닛(211)을 포함하는 BMS(100)를 확인할 수 있다. 그리고, 상기 BMS(100)는 복수의 이차전지 셀들(111)이 직렬로 연결된 배터리 팩(110)과 연결되어 있다. 상기 BMS(100)는 상기 배터리 팩(110)의 충전 및 방전을 제어하며, 나아가 상기 배터리 팩(110)에 포함된 이차전지 셀들(111)의 전압 등을 측정한다. 상기 BMS(100)는 외부장치(10)로부터 충전 및 방전과 관련된 제어 신호를 수신하고, 이차전지 셀들(111)의 상태에 관한 데이터를 송신한다. 그런데, 상기 배터리 팩(110)은 상술하였듯이, 전기 차량 등에 적용되는 고출력 배터리 팩을 얻기 위해 복수의 단위 이차전지 셀(cell)을 직렬로 연결된 구성을 가지고 있기 때문에 상기 BMS(100)와 상기 외부장치(10)는 전기적으로 절연을 시켜 고전압에 의해 상기 외부장치(10)가 망가지는 것을 방지한다.
이러한 목적으로, 상기 BMS(100)와 상기 외부장치(10)는 전기적으로 절연을 시키면서도 전기적 신호의 송신 및 수신이 가능한 포토 커플러(Photo Coupler)를 사용하여 연결을 한다.
상기 포토 커플러는 옵토커플러(opto-coupler)라고 명명되기도 한다. 상기 포토 커플러는 발광원(입력)과 광검출기(출력)로 이루어진 스위칭 소자이다. 일반적으로 발광원으로 적외선 발광 다이오드(LED)가 사용되며, 광검출기로서 빛을 받으면 턴온이 되는 포토다이오드나 포토트랜지스터가 사용된다. 따라서, 입력측에 전류를 흘려주면 발광원에서 빛을 발산하고, 출력측 소자인 포토다이오드나 포토트랜지스터가 턴온이 된다. 즉, 전기적 커플링이 아니라 빛에 의해서 턴온 또는 턴오프가 되는 스위칭 소자이다.
상기 포토 커플러를 사용하여 BMS(100)와 외부 장치(10)를 연결할 경우, 상기 BMS(100)와 상기 외부장치(10)가 전기적으로 절연된다는 장점이 있다. 또한, 데이터 신호를 전달하는 역할을 수행하면서 동시에, 배터리 팩(110)의 고전압 전류가 상기 외부 장치(10)측으로 입력되는 역 전류를 방지할 수 있으며, 배터리 팩(110)의 충방전 과정에서 발생되는 전자파의 영향을 적게 받을 수 있다.
한편, 마스터-슬레이브 방식에 의해 운영되는 BMS의 경우, 마스터 유닛(211)에 고장이 발생한 경우를 대비하여, 슬레이브 유닛(210)이 이차전지 셀(111)에 관한 정보를 직접 외부 장치(10)에게 전달하는 구성을 가지기도 한다. 도 1에는 각 슬레이브 유닛(210)이 마스터 유닛(211)에 고장이 발생한 경우를 대비하여 상기 외부장치(10)에게 전송하는 3가지 데이터가 도시되어 있다.
상기 슬레이브 유닛(210)에서 전송하는 '2nd_PROT'신호는 이차전지 셀(111)이 미리 설정된 전압이상으로 과충전된 것을 나타내는 신호이다. 상기 슬레이브 유닛(210)에서 전송하는 'Under V PROT'신호는 이차전지 셀(111)이 미리 설정된 전압이하으로 과방전된 것을 나타내는 신호이다. 상기 슬레이브 유닛(210)에서 전송하는 'Diag'신호는 슬레이브 유닛(210) 자체의 고장 진단을 통해 이상이 발생하였는지 여부를 나타내는 신호이다.
이처럼, 각 슬레이브 유닛(210)이 3가지 데이터를 각각 상기 외부장치(10)에게 전송하고 이러한 슬레이브 유닛(210)이 8개가 있다고 가정할 경우, 상기 외부장치(10)와 슬레이브 유닛(210)을 연결하기 위한 포토 커플러는 총 24개 필요하다. 상기 포토 커플러는 다른 전기 전자 소자에 비해 상당히 고가의 소자로서 BMS의 제조 비용을 상승시키는 요인이기도 하다.
따라서, BMS(100)와 외부장치(10)의 절연 상태를 유지하면서도, BMS(10)에 포함된 슬레이브 유닛(210)의 신호를 외부장치(10)에게 전송할 수 있는 배터리 관리 시스템에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 인식하여 안출된 것으로서, 적은 수의 절연소자를 사용하여 2차 보호 신호 및 진단 신호를 전송할 수 있는 배터리 관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리 팩을 관리하는 시스템으로서, 상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛; 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 각 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 N개의 통신 라인; 및
상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템 사이에 연결되며, 상기 외부 장치와 상기 N개의 통신 라인을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 N개의 절연소자;를 포함하는 배터리 관리 시스템이며, 상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리 팩을 관리하는 시스템으로서, 상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛; 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 각 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 N개의 통신 라인; 상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 절연소자; 제어 신호에 의해 상기 N개의 통신 라인 중 어느 하나의 통신 라인을 상기 절연소자와 선택적으로 연결하는 스위치; 및 상기 스위치에 제어 신호를 출력하는 스위치 제어기;를 포함하는 배터리 관리 시스템이며, 상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리 팩을 관리하는 시스템으로서, 상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛; 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 각 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 N개의 통신 라인; 상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 절연소자; 및 상기 N개의 통신 라인과 전기적으로 연결되어 상기 N개의 통신 라인 중 어느 하나의 통신 라인을 상기 절연소자와 연결하는 연산장치;를 포함하는 배터리 관리 시스템이며, 상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리 팩을 관리하는 시스템으로서, 상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛; 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 각 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 N개의 통신 라인; 상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 절연소자; 및 상기 N개의 통신 라인과 전기적으로 연결되어 상기 N개의 통신 라인을 통해 수신된 신호를 합치는 신호 혼합기;를 포함하는 배터리 관리 시스템이며, 상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리 팩을 관리하는 시스템으로서, 상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛; 상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 상기 N개의 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 통신 라인; 상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 절연소자; 및 상기 통신 라인과 전기적으로 연결되어 상기 통신 라인을 통해 수신된 각 배터리 관리 유닛의 신호를 합치는 신호 혼합기;를 포함하는 배터리 관리 시스템이며, 상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송한다.
본 발명에 따른 상기 절연소자는 포토 커플러가 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 상기 각 배터리 관리 유닛과 통신 라인 사이에 전기적으로 연결된 레벨 시프트;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 시스템 중 스위치 제어기를 가진 배터리 관리 시스템에서 상기 스위치 제어기는, 상기 외부 장치와 절연소자를 통해 연결되며 상기 외부 장치에 의해 제어 될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 관리 시스템 중 연산 장치를 가진 배터리 관리 시스템에서 상기 연산장치는, 상기 외부 장치와 절연소자를 통해 연결되며 상기 외부 장치로부터 제어 신호를 수신할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 각 배터리 관리 유닛은 2이상의 데이터를 데이터 전송 준비 구간 및 데이터 전송 구간의 시작점에서 신호의 로직 레벨이 변하는 ADSYNC를 이용하여 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송한다.
이때, 상기 ADSYNC의 데이터 전송 구간에 포함되는 2이상의 데이터는, 각각의 데이터의 폭이 동일할 수 있으며, 상기 데이터 전송 구간의 시작점에 가까운 데이터의 폭보다 시작점에서 먼 데이터의 폭이 더 넓을 수도 있다. 후자의 경우 상기 데이터의 폭은 상기 데이터 전송 구간의 시작점에 가까운 데이터의 폭보다 상기 데이터 전송 구간의 시작점에서 먼 데이터의 폭이 5% 이상 증가될 수 있다.
한편, 상기 ADSYNC의 데이터 전송 구간에는, 상기 데이터 사이에 경계를 나타내는 펄스가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 N개의 배터리 관리 유닛은 인접한 다른 배터리 관리 유닛과 동기화를 위해 전기적으로 연결시키는 동기화 라인;을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 N개의 배터리 관리 유닛은, ADSYNC에 의해서 동기화를 수행할 수 있다.
상기 N개의 배터리 관리 유닛은, 각각 프리-런(free-run) ADSYNC를 출력하고, 출력된 프리-런(free-run) ADSYNC 중 어느 하나의 프리-런(free-run) ADSYNC에 동기화 되는데, 상기 N개의 배터리 관리 유닛은, 상기 N개의 배터리 관리 유닛이 출력한 프리-런(free-run) ADSYNC 중 데이터 전송 준비 구간의 폭 및 ADSYNC 주기의 폭이 가장 작은 프리-런(free-run) ADSYNC에 동기화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 적은 수의 절연소자를 사용하여 배터리 관리 시스템과 외부 장치를 연결할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 외부장치와 종래 기술에 따른 BMS가 연결된 상태를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 7은 ADSYNC의 구성을 나타낸 파형도이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 관리 유닛이 출력하는 프리-런(free-run) ADSYNC를 나타내는 파형도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 동기화된 프리-런(free-run) ADSYNC의 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(101~106)의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
이하에서는 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(101~106)을 설명함에 있어서, 동일한 참조번호를 가진 구성은 동일한 기능을 하는 구성요소로 이해해야 한다. 따라서, 각 구성요소에 대한 설명은 이하에서 상세히 설명하도록 하고, 각 실시예에 따른 차이점을 중심으로 먼저 설명하도록 하겠다.
먼저 도 2에 도시된 본 발명에 따른 제1 실시예를 설명한다. 이해의 편의를 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(101)과 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템(100)을 함께 보겠다. 도 2에 도시된 배터리 관리 유닛(310)은 각각 하나의 통신 라인(330)과 연결되어 있다. 즉, 종래 기술과 달리, 전송하고자 하는 데이터의 개수에 따라 통신 라인의 개수가 증가하는 것이 아니다. 각 배터리 관리 유닛(310)은 하나의 통신 라인(330)을 통해서 외부 장치(10)에게 데이터를 전송하는 것이 제1 실시예의 특징이다. 따라서 상기 각 배터리 관리 유닛(310)은 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송한다.
그리고, 상기 각 배터리 관리 유닛(310)은 절연소자를 통해 1:1로 상기 외부 장치(10)와 연결된다. 본 발명에 있어서 상기 절연소자는 포토 커플러(320)가 될 수 있다. 상기 포토 커플러(320)에 대한 설명은 상술하였으므로 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
다음 도 3에 도시된 본 발명에 따른 제2 실시예를 설명한다. 이해의 편의를 위해, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(102)과 도 2에 도시된 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(101)을 함께 보겠다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(102)은 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(101)과 비교할 때, 상기 배터리 관리 유닛들(310)과 외부 장치(10)를 연결하는 포토 커플러(상단에 도시된 320)의 개수가 1개로 줄어든 것을 확인할 수 있다. 그리고 상기 배터리 관리 유닛들(310)과 외부 장치(10)를 선택적으로 연결하기 위해 스위치(350) 및 스위치 제어기(340)가 포함된 것을 확인할 수 있다. 그리고 스위치 제어기(340)를 제어하기 위한 제어용 포토 커플러(하단에 도시된 320)가 하나 추가된 것을 확인할 수 있다. 따라서 포토 커플러(320)는 총 2개가 된다.
상기 스위치(350)는 상기 스위치 제어기(340)의 제어 신호에 의해 상기 통신 라인들(330) 중 어느 하나의 통신 라인을 상기 포토 커플러(320)와 선택적으로 연결하는 역할을 한다. 이때, 상기 스위치 제어기(340)는 상기 외부 장치(10)와 포토 커플러(320)를 통해 연결되며 상기 외부 장치(10)에 의해 제어될 수 있다. 상기 스위치(350)를 통해 상기 포토 커플러(320)와 연결된 통신 라인(330)을 가진 배터리 관리 유닛(310)은 상기 외부 장치(10)에게 데이터를 전송할 수 있다.
다음 도 4에 도시된 본 발명에 따른 제3 실시예를 설명한다. 이해의 편의를 위해, 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(103)과 도 3에 도시된 제2 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(102)을 함께 보겠다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(103)은 상기 배터리 관리 유닛들(310)과 외부 장치(10)를 연결하는 구성이 스위치(350) 및 스위치 제어기(350)에서 연산장치(360)로 대체된 것을 확인할 수 있다.
상기 연산장치(360)는 상기 배터리 관리 유닛(310)과 상기 포토 커플러(320)를 자유롭게 그리고 선택적으로 연결할 수 있다. 상기 연산장치(360)의 구성요소는 논리회로를 포함하는 전자회로 모듈로 구체화될 수 있다. 전자회로 모듈의 일 예로는 주문형 반도체(ASIC)을 들 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 연산장치(360)를 통해 상기 포토 커플러(320)와 연결된 통신 라인(330)을 가진 배터리 관리 유닛(310)은 상기 외부 장치(10)에게 데이터를 전송할 수 있다.
다음 도 5에 도시된 본 발명에 따른 제4 실시예를 설명한다. 이해의 편의를 위해, 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(104)과 도 4에 도시된 제3 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(103)을 함께 보겠다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(104)은 상기 배터리 관리 유닛들(310)과 외부 장치(10)를 연결하는 구성이 연산장치(360)에서 신호 혼합기(370)로 대체된 것을 확인할 수 있다.
상기 신호 혼합기(370)란, N개의 데이터 신호를 합쳐서 하나의 신호로 출력하는 장치를 의미한다. 상기 신호 혼합기(370)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 공지의 구성 요소로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 신호 혼합기(370)는 상기 N개의 통신 라인(330)과 전부 각각 전기적으로 연결된다. 그리고, 상기 각 배터리 관리 유닛(310)로부터 수신한 신호를 하나의 신호로 합친다. 따라서, 상기 N개의 배터리 관리 유닛들(310)이 출력한 신호가 하나의 신호로 합쳐져서 상기 외부 장치(10)에게 전송된다.
다음 도 6에 도시된 본 발명에 따른 제5 실시예를 설명한다. 이해의 편의를 위해, 본 발명의 제5 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(105)과 도 5에 도시된 제4 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(104)을 함께 보겠다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(105)은 하나의 통신 라인(330)을 통해서 상기 각 배터리 관리 유닛들(310)과 신호 혼합기(370)가 전기적으로 연결된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 N개의 배터리 관리 유닛들(310)이 출력한 신호를 상기 신호 혼합기가 순차적으로 수신하여 하나의 신호로 합친 후 쳐져서 상기 외부 장치(10)에게 전송된다.
본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어서, 상기 외부 장치(10)와 상기 배터리 관리 시스템(101~105)을 연결하는 소자로서 포토 커플러(320)를 도시하였다. 상기 포터 커플러(320)는 상기 외부 장치(10)와 상기 배터리 관리 시스템(101~105)을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 절연소자의 일 예시이다. 따라서, 절연 소자의 일 예로 제시된 상기 포토 커플러(320)에 본 발명의 범위가 제한되지 않는다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(101~105)은 상기 각 배터리 관리 유닛(310)과 통신 라인(330) 사이에 전기적으로 연결된 레벨 시프트(390)를 더 포함할 수 있다. 레벨 시프트(390)란 입력된 신호를 원하는 범위의 전위값으로 출력하는 장치이다. 레벨 시프트(390)에 대해서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지의 소자이므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(101~105)은 N개의 배터리 관리 유닛(310)을 포함한다. 상기 N개의 배터리 관리 유닛(310)은 배터리 팩(110)에 포함된 이차전지(111)를 관리한다. 배터리 관리 유닛(310)의 이차전지(111) 관리란, 충방전 전류, 각 이차전지(111)의 전압 또는 전류를 포함한 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge)의 추정 등을 포함하여 당업자 수준에서 적용 가능한 다양한 제어의 수행을 의미한다.
한편, 상기 배터리 팩(110)은 하나 이상의 이차전지(111)를 포함하는 것으로 이차전지(111)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 각각의 이차전지는 재충전이 가능하고 충전 또는 방전 전압을 고려해야 하는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(110)에 포함되는 이차전지(111)의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이차전지(111)의 종류, 출력전압, 충전용량 등에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 2 내지 도 6에는 상기 이차전지(111)들이 모두 직렬로 연결된 실시예를 도시하였으나, 본 발명이 상기 이차전지(111)의 연결 방법에 따라 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 배터리 관리 유닛(310)은 종래 기술과 달리 2이상의 데이터를 하나의 통신 라인(330)을 통해서 전송한다. 따라서, 2이상의 데이터를 시분할을 통해서 하나의 데이터 신호로 출력한다. 이를 위해 본 발명에 따른 배터리 관리 유닛(310)은 2이상의 데이터를 데이터 전송 준비 구간 및 데이터 전송 구간의 시작점에서 신호의 로직 레벨이 변하는 ADSYNC를 이용하여 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송할 수 있다.
상기 ADSYNC란, 상기 배터리 관리 유닛(310)와 상기 외부 장치(10) 사이에서 데이터의 송수신을 위한 일종의 통신 프로토콜이다. 즉, 2이상의 데이터를 미리 약속된 방법에 의해 상기 배터리 관리 유닛(310)는 전송하고, 상기 외부 장치(10)는 상기 미리 약속된 방법에 의해 2이상의 데이터를 수신 및 해독하는 것이다.
도 7은 ADSYNC의 구성을 나타낸 파형도이다.
상기 ADSYNC는 데이터 전송 준비 구간과 데이터 전송 구간이 하나의 주기를 이룬다. 상기 데이터 전송 준비 구간과 데이터 전송 구간을 구분하기 위해 ADSYNC는 데이터 전송 준비 구간 및 데이터 전송 구간의 시작점에서 신호의 로직 레벨이 변한다. 상기 데이터 전송 준비 구간은 높은 로직 레벨 신호(H)로, 상기 데이터 전송 구간은 낮은 로직 레벨의 신호(L)로 출력될 수 있다. 상기 높은 로직 레벨은 5V, 낮은 로직 레벨은 0V로 설정될 수 있으나 본 발명이 상기 예시에 한정되는 것은 아니다. 한편, 도면에 도시된 데이터 준비 구간은 미리 설정된 최소폭이고, 1주기는 미리 설정된 ADSYNC 주기의 최소폭으로 해석하면 이해하기 쉽다.
상기 ADSYNC에 의해 동기화가 이루어진 배터리 관리 유닛(310) 및 외부 장치(10)는 상기 데이터 전송 구간에서는 상기 수집된 데이터를 미리 설정된 폭 내에서 송수신할 수 있다. 도 7에 도시된 데이터 전송 구간의 시작점부터 '2nd_PROT', 'Under V PROT' 및 'Diag'를 차례로 전송할 수 있다. 물론, 상기 데이터의 전송 순서는 다양하게 설정이 가능하다.
한편, 이후의 설명에 나타나는 ADSYNC 주기란, 상기 데이터 전송 준비 구간과 데이터 전송 구간으로 이루어지는 1주기의 신호를 의미한다(ADSYNC 주기=데이터 전송 준비 구간+데이터 전송 구간).
상기 ADSYNC의 데이터 전송 구간에 포함되는 2이상의 데이터는 각각의 데이터의 폭이 동일할 수 있으며, 서로 다를 수도 있다.
상기 ADSYNC의 데이터 전송 구간에 포함되는 2이상의 데이터는 각각의 데이터의 폭이 서로 다를 경우, 상기 데이터 전송 구간의 시작점에 가까운 데이터의 폭보다 시작점에서 먼 데이터의 폭이 더 넓어진다. 일 예로, 상기 데이터의 폭은 상기 데이터 전송 구간의 시작점에 가까운 데이터의 폭보다 상기 데이터 전송 구간의 시작점에서 먼 데이터의 폭이 5%증가한다.
데이터를 수신하는 측 즉, 외부 장치(10)쪽에서 또는 데이터를 송신하는 쪽(102)에서 RC 오실레이터를 사용하여 신호를 검출할 때 또는 송신할 때, 송수신간에 약 5% 이상의 오차가 발생할 수 있다. 물론, 성능이 우수한 RC 오실레이터를 사용할 수록 오차는 줄어들 수 있지만, 성능이 우수한 만큼 RC 오실레이터의 가격이 상승한다. 따라서, 2이상의 데이터를 전송할 때, 각 데이터의 폭을, 예를 들어, 5%씩 증가시켜 고성능 RC 오실레이터를 사용하지 않고도 오차가 발생하는 것을 감안하여 데이터의 통신이 가능하다. 오차가 -5% ~ +5% 인데 일정한 폭으로 송신한 경우에는, 송수신 가능한 데이터의 개수는 9개 이하로 제한된다.
도 7에 도시된 것과 같이 각 데이터의 폭을 조금씩 증가시켜 데이터를 전송하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 ADSYNC의 데이터 전송 구간에는 상기 데이터 사이에 경계를 나타내는 펄스가 포함될 수 있다. 이때, 증가된 데이터의 폭은 실제 사용될 시스템에서 예상되는 오차가 클 경우, 그 폭을 크게 한다.
한편, 본 발명에 따른 상기 배터리 관리 유닛(310)은 인접한 다른 배터리 관리 유닛과 동기화를 위해 전기적으로 연결시키는 동기화 라인을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 배터리 관리 유닛(310)은 ADSYNC에 의해서 동기화를 수행한다.
각 배터리 관리 유닛이 전압을 측정하거나 자기 진단하는 타이밍이 상이할 경우, 전압 측정 등이 올바르게 행해지지 않거나 또는 전압 측정 등에 의해 취득된 데이터가 외부 장치(10)에게 도움 되지 않을 수 있다. 따라서, 배터리 관리 시스템(101~106)에 모든 배터리 관리 유닛(310)이 동기화된 동작 및 데이터의 송신이 요구된다.
이를 위해, 상기 배터리 관리 유닛(310) 상호간에 연결된 동기화 라인를 통해서 프리-런(free-run) ADSYNC를 출력한다. 본 명세서에서 프리-런(free-run) ADSYNC란, 배터리 관리 유닛(310) 사이에 동기화를 이루기 위한 예비 신호이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 관리 유닛(310)이 출력하는 프리-런(free-run) ADSYNC를 나타내는 파형도이다.
도 8을 참조하면, 배터리 관리 유닛 1 내지 8이 출력한 프리-런(free-run) ADSYNC의 각 데이터 전송 준비 구간의 폭 및 ADSYNC 주기의 폭이 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 상기와 같은 각 배터리 관리 유닛(310)의 프리-런(free-run) ADSYNC는 상기 동기화 라인를 통해 모든 배터리 관리 유닛(310)이 서로 확인할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 상기 배터리 관리 유닛(310)은 출력된 프리-런(free-run) ADSYNC 중 어느 하나의 프리-런(free-run) ADSYNC에 동기화된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배터리 관리 유닛(310)은 상기 복수의 배터리 관리 유닛(310)이 출력한 프리-런(free-run) ADSYNC 중 데이터 전송 준비 구간의 폭 및 ADSYNC 주기의 폭이 가장 작은 프리-런(free-run) ADSYNC에 동기화된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 동기화된 프리-런(free-run) ADSYNC의 파형도이다.
도 8 및 도 9를 함께 참조하면, 도 8에서 유닛 8의 데이터 전송 준비 구간의 폭이 가장 작고, 프리-런(free-run) ADSYNC의 1주기가 가장 빠른 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 유닛 8의 프리-런(free-run) ADSYNC에 상기 유닛 1 및 유닛 2의 프리-런(free-run) ADSYNC가 동기화된 것을 도 9에서 확인할 수 있다.
이후 동기화된 ADSYNC의 주기에 맞추어 각 배터리 관리 유닛(310)은 이차전지(111)의 전압을 측정하거나, 고장 진단을 수행한다. 또한, 상기 외부 장치(10)에게 데이터를 전송할 때에도 자신의 데이터를 전송하는 순서를 판단하는데 사용할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 적은 수의 절연소자를 사용하여 배터리 관리 시스템과 외부 장치를 연결할 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 도 2 내지 도 6에 도시된 본 발명에 대한 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (18)

  1. 배터리 팩을 관리하는 시스템에 있어서,
    상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛;
    상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 각 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 N개의 통신 라인; 및
    상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템 사이에 연결되며, 상기 외부 장치와 상기 N개의 통신 라인을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 N개의 절연소자;를 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  2. 배터리 팩을 관리하는 시스템에 있어서,
    상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛;
    상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 각 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 N개의 통신 라인;
    상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 절연소자;
    제어 신호에 의해 상기 N개의 통신 라인 중 어느 하나의 통신 라인을 상기 절연소자와 선택적으로 연결하는 스위치; 및
    상기 스위치에 제어 신호를 출력하는 스위치 제어기;를 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  3. 배터리 팩을 관리하는 시스템에 있어서,
    상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛;
    상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 각 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 N개의 통신 라인;
    상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 절연소자; 및
    상기 N개의 통신 라인과 전기적으로 연결되어 상기 N개의 통신 라인 중 어느 하나의 통신 라인을 상기 절연소자와 연결하는 연산장치;를 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  4. 배터리 팩을 관리하는 시스템에 있어서,
    상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛;
    상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 각 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 N개의 통신 라인;
    상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 절연소자; 및
    상기 N개의 통신 라인과 전기적으로 연결되어 상기 N개의 통신 라인을 통해 수신된 신호를 합치는 신호 혼합기;를 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  5. 배터리 팩을 관리하는 시스템에 있어서,
    상기 배터리 팩에 포함된 이차전지를 관리하는 N(N은 2이상의 자연수)개의 배터리 관리 유닛;
    상기 배터리 관리 시스템을 제어하는 외부 장치에게 데이터의 송신을 할 수 있도록 상기 N개의 배터리 관리 유닛에 전기적으로 연결된 통신 라인;
    상기 외부 제어 장치와 상기 배터리 관리 시스템을 전기적으로 절연시키지만 신호를 전달하는 절연소자; 및
    상기 통신 라인과 전기적으로 연결되어 상기 통신 라인을 통해 수신된 각 배터리 관리 유닛의 신호를 합치는 신호 혼합기;를 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 각 배터리 관리 유닛은, 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연소자는, 포토 커플러인 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 배터리 관리 유닛과 통신 라인 사이에 전기적으로 연결된 레벨 시프트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 스위치 제어기는, 상기 외부 장치와 절연소자를 통해 연결되며 상기 외부 장치에 의해 제어 되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 연산장치는, 상기 외부 장치와 절연소자를 통해 연결되며 상기 외부 장치로부터 제어 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 배터리 관리 유닛은, 2이상의 데이터를 데이터 전송 준비 구간 및 데이터 전송 구간의 시작점에서 신호의 로직 레벨이 변하는 ADSYNC를 이용하여 시분할을 통해 2이상의 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 ADSYNC의 데이터 전송 구간에 포함되는 2이상의 데이터는, 각각의 데이터의 폭이 동일한 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 ADSYNC의 데이터 전송 구간에 포함되는 2이상의 데이터는, 상기 데이터 전송 구간의 시작점에 가까운 데이터의 폭보다 시작점에서 먼 데이터의 폭이 더 넓은 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 데이터의 폭은, 상기 데이터 전송 구간의 시작점에 가까운 데이터의 폭보다 상기 데이터 전송 구간의 시작점에서 먼 데이터의 폭이 5% 이상 증가된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 ADSYNC의 데이터 전송 구간에는, 상기 데이터 사이에 경계를 나타내는 펄스가 포함된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  15. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 N개의 배터리 관리 유닛은, 인접한 다른 배터리 관리 유닛과 동기화를 위해 전기적으로 연결시키는 동기화 라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 N개의 배터리 관리 유닛은, ADSYNC에 의해서 동기화를 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 N개의 배터리 관리 유닛은, 각각 프리-런(free-run) ADSYNC를 출력하고, 출력된 프리-런(free-run) ADSYNC 중 어느 하나의 프리-런(free-run) ADSYNC에 동기화 되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 N개의 배터리 관리 유닛은, 상기 N개의 배터리 관리 유닛이 출력한 프리-런(free-run) ADSYNC 중 데이터 전송 준비 구간의 폭 및 ADSYNC 주기의 폭이 가장 작은 프리-런(free-run) ADSYNC에 동기화되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
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