KR20160071207A - 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서의 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법은 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 상기 어느 하나의 배터리 셀의 전압을 방전 저항을 통해 방전시키는 적어도 하나의 과전압 보호부; 상기 적어도 하나의 과전압 보호부와 각각 연결된 1차측을 통해 전류가 흐르면, 2차측과 연결된 전압원이 도통되어 온(ON) 신호를 출력하는 적어도 하나의 포토 커플러; 상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 상기 수신된 각각의 출력 신호를 논리합 연산하여 출력하는 논리 연산부; 및 상기 논리 연산부를 통해 출력된 논리합 연산 결과에 따라 배터리 셀의 과전압 발생 여부를 인식하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROTECTING OVER CHARGE OF BATTERY CELL}
본 명세서는 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 셀과 연결된 방전 저항 및 다이오드를 이용하여 배터리 셀에서 과전압이 발생하는지 여부를 확인할 수 있는, 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차(EV; electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량, 배터리 용량의 한계 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 상용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 본격화 되었다.
한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다. HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있으며, 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 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.
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 셀을 센싱하는 셀 센싱 IC의 상태를 모니터링하여 해당 셀의 안정적인 컨트롤이 가능한 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 차량용 배터리 관리 시스템(100)은 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택(10), 차량 전자 장치(20) 및 배터리 제어장치(30)를 포함한다.
배터리 스택(10)은 복수의 배터리 모듈(11, 12)을 포함하며, 배터리 모듈(11, 12)은 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 스택(10)은 충전된 고전압 직류 전력을 모터 등의 차량 전자 장치(20)에 공급한다.
배터리 제어장치(30)는 복수의 MCU(31, 32)와 상기 MCU를 제어하는 BCU(33)를 포함할 수 있다. 배터리 제어장치(30)는 배터리 스택과 연결되어 배터리 스택(10)의 충방전 상태를 모니터링하고, 배터리 스택(10)의 충방전 동작을 제어한다.
상기와 같이 복수의 배터리 셀을 결합한 배터리 관리 시스템에서는 구조적 차이에 기인한 배터리 셀 간의 전압 편차가 필연적으로 발생하게 된다. 이와 같은 전압편차는 배터리 전압의 균일성을 저해하게 되고, 결국에는 배터리 열화의 원인으로 작용하게 되어 배터리의 수명을 감소시킨다.
따라서, 배터리 전력을 이용한 시스템 운용 중이나 배터리 셀의 충방전시 각 셀의 전압을 균등하게 유지하는 배터리 셀 밸런싱 동작은 배터리 관리 시스템의 매우 중요한 요소가 된다.
이러한 배터리 셀의 밸런싱 기술은 낮은 셀의 전압을 기준으로 이보다 높은 셀 전압을 방전시킨다. 이를 위해, 배터리 관리 시스템에는 배터리 셀의 밸런싱을 위해 배터리 셀 간의 전압을 측정하는 회로, 각 배터리 셀의 전압을 비교하는 회로, 낮은 셀의 전압을 방전시키는 회로 등이 필요하게 된다.
또한, 배터리 관리 시스템은 특정 구간에서만 각 배터리 셀의 전압을 측정하거나 비교하는 것이 아니라, 항상 배터리 셀을 모니터링하고 있어야 한다. 따라서 배터리 관리 시스템의 모니터링 및 제어와 관련된 부하가 가중될 수 있다.
본 명세서의 실시 예들은 배터리 셀과 연결된 방전 저항 및 다이오드를 이용하여 배터리 셀에서 과전압이 발생하는지 여부를 확인할 수 있는, 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 다이오드의 턴-온에 따른 전류가 포토 커플러(Photo coupler)의 1차측을 통해 흘러 2차측을 통해 온(ON) 신호를 출력하면 출력 신호의 논리 연산 결과를 이용하여 배터리 셀에서 과전압이 발생하는지 여부를 확인할 수 있는, 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 다이오드의 턴-온에 따른 전류가 포토 커플러(Photo coupler)의 1차측을 통해 흘러 2차측을 통해 온(ON) 신호를 출력하면 출력 신호의 멀티플렉싱 결과를 이용하여 배터리 셀에서 과전압이 발생하는지 여부와 과전압이 발생한 배터리 셀의 위치를 확인할 수 있는, 배터리 셀의 과충전 보호 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 명세서의 제1 측면에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 상기 어느 하나의 배터리 셀의 전압을 방전 저항을 통해 방전시키는 적어도 하나의 과전압 보호부; 상기 적어도 하나의 과전압 보호부와 각각 연결된 1차측을 통해 전류가 흐르면, 2차측과 연결된 전압원이 도통되어 온(ON) 신호를 출력하는 적어도 하나의 포토 커플러; 상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 상기 수신된 각각의 출력 신호를 논리합 연산하여 출력하는 논리 연산부; 및 상기 논리 연산부를 통해 출력된 논리합 연산 결과에 따라 배터리 셀의 과전압 발생 여부를 인식하는 제어부를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치가 제공될 수 있다.
상기 과전압 보호부는 상기 적어도 하나의 배터리 셀과 각각 연결된 적어도 하나의 방전 저항; 및 상기 적어도 하나의 방전 저항과 각각 연결되고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 턴-온(Turn-ON)되어 상기 배터리 셀의 전압을 상기 연결된 방전 저항을 통해 방전시키는 적어도 하나의 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 다이오드는 상기 기설정된 임계전압의 항복 전압(Breakdown voltage)을 가지는 제너 다이오드(Zener diode)로 이루어질 수 있다.
상기 논리 연산부는 상기 적어도 하나의 포토 커플러의 2차측이 게이트 입력단마다 각각 연결되어 논리합 연산하는 적어도 하나의 논리합 게이트; 및 상기 적어도 하나의 논리합 게이트의 게이트 출력단이 하나의 게이트 입력단에 모두 연결되어 논리합 연산하는 통합 게이트를 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제2 측면에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 상기 어느 하나의 배터리 셀의 전압을 방전 저항을 통해 방전시키는 적어도 하나의 과전압 보호부; 상기 적어도 하나의 과전압 보호부와 각각 연결된 1차측을 통해 전류가 흐르면, 2차측과 연결된 전압원이 도통되어 온(ON) 신호를 출력하는 적어도 하나의 포토 커플러; 상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 상기 수신된 각각의 출력 신호를 순차적으로 출력단을 통해 출력하는 멀티플렉서; 및 상기 멀티플렉서를 통해 출력된 결과에 따라 상기 어느 하나의 배터리 셀의 과전압 발생을 인식하는 제어부를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치가 제공될 수 있다.
상기 과전압 보호부는 상기 적어도 하나의 배터리 셀과 각각 연결된 적어도 하나의 방전 저항; 및 상기 적어도 하나의 방전 저항과 각각 연결되고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 턴-온(Turn-ON)되어 상기 배터리 셀의 전압을 상기 연결된 방전 저항을 통해 방전시키는 적어도 하나의 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 다이오드는 상기 기설정된 임계전압의 항복 전압을 가지는 제너 다이오드로 이루어질 수 있다.
상기 멀티플렉서는 상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 다중 입력단을 통해 각각의 출력 신호를 수신하면, 최상위 또는 최하위 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호부터 순차적으로 하나의 출력단을 통해 출력할 수 있다.
상기 제어부는 상기 멀티플렉서로부터 순차적으로 출력된 출력 신호 중에서 온(ON) 신호에 대응하는 배터리 셀을 과전압이 발생한 배터리 셀의 위치로 검출할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제3 측면에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀과 각각 연결된 적어도 하나의 방전 저항 및 적어도 하나의 다이오드를 포함한 배터리 셀의 과충전 보호 장치에서의 과충전 보호 방법에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 적어도 하나의 다이오드가 턴-온(Turn-ON)되어 상기 배터리 셀의 전압을 상기 연결된 방전 저항을 통해 방전시키는 단계; 상기 적어도 하나의 다이오드와 각각 연결된 포토 커플러의 1차측을 통해 전류가 흐르면, 상기 포토 커플러의 2차측과 연결된 전압원이 도통되어 온(ON) 신호를 출력하는 단계; 상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 상기 수신된 각각의 출력 신호를 논리합 연산하는 단계; 및 상기 논리합 연산된 연산 결과에 따라 배터리 셀의 과전압 발생 여부를 인식하는 단계를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법이 제공될 수 있다.
상기 적어도 하나의 다이오드는 상기 기설정된 임계전압의 항복 전압을 가지는 제너 다이오드로 이루어질 수 있다.
상기 논리합 연산하는 단계는 상기 적어도 하나의 포토 커플러의 2차측이 게이트 입력단마다 각각 연결된 적어도 하나의 논리합 게이트를 통해 각각 논리합 연산하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 논리합 게이트의 게이트 출력단이 하나의 게이트 입력단에 모두 연결된 통합 게이트를 통해 논리합 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제4 측면에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀과 각각 연결된 적어도 하나의 방전 저항 및 적어도 하나의 다이오드를 포함한 배터리 셀의 과충전 보호 장치에서의 과충전 보호 방법에 있어서, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 적어도 하나의 다이오드가 턴-온(Turn-ON)되어 상기 배터리 셀의 전압을 상기 연결된 방전 저항을 통해 방전시키는 단계; 상기 적어도 하나의 다이오드와 각각 연결된 포토 커플러의 1차측을 통해 전류가 흐르면, 상기 포토 커플러의 2차측과 연결된 전압원이 도통되어 온(ON) 신호를 출력하는 단계; 상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 상기 수신된 각각의 출력 신호를 순차적으로 출력하는 단계; 및 상기 순차적으로 출력된 결과에 따라 배터리 셀의 과전압 발생 여부를 인식하는 단계를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법이 제공될 수 있다.
상기 적어도 하나의 다이오드는 상기 기설정된 임계전압의 항복 전압을 가지는 제너 다이오드로 이루어질 수 있다.
상기 출력 신호를 순차적으로 출력하는 단계는 상기 적어도 하나의 포토 커플러의 다중 입력단을 통해 각각의 출력 신호를 수신하면, 최상위 또는 최하위 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호부터 순차적으로 하나의 출력단을 통해 출력할 수 있다.
상기 방법은, 상기 순차적으로 출력된 출력 신호 중에서 온(ON) 신호에 대응하는 배터리 셀을 과전압이 발생한 배터리 셀의 위치로 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 실시 예들은 배터리 셀과 연결된 방전 저항 및 다이오드를 이용하여 배터리 셀에서 과전압이 발생하는지 여부를 확인할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 다이오드의 턴-온에 따른 전류가 포토 커플러(Photo coupler)의 1차측을 통해 흘러 2차측을 통해 온(ON) 신호를 출력하면 출력 신호의 논리 연산 결과를 이용하여 배터리 셀에서 과전압이 발생하는지 여부를 확인할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 다이오드의 턴-온에 따른 전류가 포토 커플러(Photo coupler)의 1차측을 통해 흘러 2차측을 통해 온(ON) 신호를 출력하면 출력 신호의 멀티플렉싱 결과를 이용하여 배터리 셀에서 과전압이 발생하는지 여부와 과전압이 발생한 배터리 셀의 위치를 확인할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치의 구성도이다.
도 3은 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치의 구성도이다.
도 4는 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 방법에 대한 흐름도이다.
도 5는 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 2는 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치의 구성도이다.
우선, 본 명세서의 일 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 배터리 모듈과 연결되어 있다. 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 전기자동차(EV: Electric Vehicle), 하이브리드 자동차 및 무정전 전원공급 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply) 등과 같이 배터리를 이용하는 응용분야에서 배터리의 전압 및 전류의 변화가 시간에 따라 큰 폭으로 랜덤하게 변동하는 시스템에서 자율적으로 셀 밸런싱이 가능하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 과전압 보호부(210), 포토 커플러(220), 논리 연산부(230) 및 제어부(240)를 포함한다.
이하, 도 2의 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다. 본 명세서의 제1 실시 예에 대한 설명을 위해, 제1 및 제2 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈과 배터리 셀마다 방전 저항과 다이오드가 연결되는 구조를 기준으로 설명하기로 한다. 여기서, 단순히 특정 개수의 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈로 한정되지 않는다. 또한, 배터리 모듈이 아닌 적어도 하나의 배터리 모듈로 이루어진 배터리 팩에서도 동일한 과충전 보호 장치가 적용될 수 있다.
여기서, 배터리 팩은 일반적인 차량의 저전압 배터리에 비해 고전압을 출력하는 배터리 팩이다. 고전압 배터리는 엔진과 모터를 통해 주행하기 위한 구동수단으로 하이브리드 자동차나 전기자동차에 이용될 수 있다. 이러한 배터리 팩의 양단에는 모터가 필요에 따라 부하로서 연결되거나, 얼터네이터 등이 필요에 따라 충전기로서 연결될 수 있다.
제1 및 제2 배터리 셀에 대해서, 과전압 보호부(210)는 제1 및 제2 방전 저항(R1 및 R2)과 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D2)를 포함한다.
방전 저항은 2개의 제1 및 제2 방전 저항(R1 및 R2)으로 이루어지고, 2개의 배터리 셀인 제1 및 제2 배터리 셀과 각각 연결되어 있다. 여기서, 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀로 이루어질 수 있다.
다이오드는 2개의 다이오드로 이루어진다. 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D2)는 제1 및 제2 방전 저항(R1 및 R2)과 각각 연결된다. 이러한 다이오드와 방전 저항의 연결 구조에서 제1 및 제2 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면, 다이오드가 턴-온(Turn-ON)되어 다이오드의 역방향으로 전류를 흐르게 된다. 그러면, 턴-온된 다이오드는 배터리 셀의 전압을 다이오드와 연결된 방전 저항을 통해 배터리 셀의 과전압을 방전시킨다.
이러한 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D2)를 통한 방전을 위해, 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D2)는 기설정된 임계전압의 항복 전압(Breakdown voltage)을 가지는 제너 다이오드(Zener diode)로 이루어질 수 있다. 여기서, 임계전압은 배터리 셀이 과충전되어 과전압으로 판단될 수 있는 전압으로 미리 설정될 수 있다. 이때, 다이오드는 배터리 셀에서 과전압이 발생하더라도 자율적으로 턴-온(Turn-ON)되어 배터리 셀에서의 과전압을 해당 방전 저항을 통해 방전 즉, 밸런싱시킬 수 있다. 이러한 방전 동작은 특정 배터리 셀로 한정되지 않고, 임의의 배터리 셀이 기설정된 임계전압을 초과하여 과전압이 되면, 그 과전압으로 인해 다이오드가 턴-온되어 샐 밸런싱이 수행된다.
한편, 배터리 셀의 과충전으로 인해 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D2) 중 어느 하나의 다이오드가 턴-온되면, 이를 포토 커플러(220)를 통해 제어부(240)로 전달하는 과정에 대해서 설명하기로 한다.
제1 및 제2 포토 커플러(220)의 1차측은 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D2)와 각각 연결되어 있다. 또한, 제1 및 제2 포토 커플러(220)의 2차측의 일단은 전압원(221)과 연결되어 있다. 제1 및 제2 포토 커플러(220)의 2차측의 타단은 각각 논리 연산부(230)와 연결되어 있다.
여기서, 포토 커플러(220)는 입력 신호와 출력 신호를 광을 통해 전달하는 기능을 수행한다. 포토 커플러(220)는 1차측에 발광소자를 구비하고, 2차측에 수광소자를 구비하며, 발광소자와 수광소자를 하나의 패키지에 결합하여 입출력간을 전기적으로 절연시켜 광으로 신호를 전달한다.
제1 및 제2 포토 커플러(220)는 과전압 보호부(210)와 각각 연결된 1차측을 통해 전류가 흐르면, 2차측과 연결된 전압원(221)이 도통되어 온(ON) 신호를 출력한다. 예를 들면, 제1 및 제2 포토 커플러(220)는 전압원(221)이 5V 전압인 경우, 출력단에 5V 전압을 출력할 수 있다.
논리 연산부(230)는 적어도 하나의 논리 연산 게이트(A1, A2, A3)를 포함한다. 일례로, 논리 연산부(230)는 적어도 하나의 논리합 게이트(OR gate)로 이루어질 수 있다. 또한, 논리 연산부(230)와 포터 커플러(220)의 타단 사이에 풀-다운(Pull-down) 저항(R3, R4)이 병렬로 각각 연결되어 있다.
논리 연산부(230)가 3개의 논리 연산 게이트(A1, A2, A3)를 포함하는 것을 기준으로 설명하기로 한다.
제1 및 제2 포토 커플러(220)로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 2차측의 전압원에서 풀-다운 저항(R3, R4)으로 전류 흐름이 발생하게 된다. 그러면 논리 연산 게이트(A1, A2)의 게이트 입력단에 하이(High) 전압이 인가된다.
그리고 논리 연산부(230)는 그 수신된 각각의 출력 신호를 논리합 연산하여 출력한다.
여기서, 논리 연산부(230)는 게이트 입력단이 포토 커플러(220)와 연결되고, 게이트 출력단이 통합 게이트(A3)의 입력단에 모두 연결되는 제1 및 제2 논리합 게이트(A1, A2)를 포함한다.
또한, 게이트 입력단이 제1 및 제2 논리합 게이트(A1, A2)의 출력단에 연결되고, 게이트 출력단이 제어부와 연결된 통합 게이트를 포함한다.
한편, 제어부(240)는 논리 연산부(230)를 통해 출력된 논리합 연산 결과에 따라 배터리 셀의 과전압 발생 여부를 인식한다. 예를 들면, 제어부(240)는 논리 연산부(230)의 출력단을 통해 5V 전압이 출력되면 배터리 셀의 과전압이 발생한 것으로 인식할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 과전압 보호부(210), 포토 커플러(220), 멀티플렉서(Multiplexer)(310) 및 제어부(240)를 포함한다.
이하, 도 3의 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명하기로 한다. 이때, 본 명세서의 제1 실시 예와 제2 실시 예 사이의 차이점에 대해서 설명하기로 한다. 본 명세서의 제1 실시 예와 제2 실시 예 사이에 중복되는 내용에 대해서는 도 2의 설명을 참조한다.
제1 및 제2 포토 커플러(220)는 과전압 보호부(210)와 각각 연결된 1차측을 통해 전류가 흐르면, 2차측과 연결된 전압원(221)이 도통되어 온(ON) 신호를 출력한다.
멀티플렉서(310)는 제1 및 제2 포토 커플러(220)로부터 각각의 출력 신호를 수신한다. 그러면, 멀티플렉서(310)는 그 수신된 각각의 출력 신호를 순차적으로 출력단을 통해 출력한다.
이후, 제어부는 멀티플렉서(310)를 통해 출력된 결과에 따라 어느 하나의 배터리 셀의 과전압 발생을 인식한다.
한편, 멀티플렉서(310)는 제1 및 제2 포토 커플러(220)로부터 다중 입력단을 통해 각각의 출력 신호를 수신하면, 최상위 또는 최하위 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호부터 순차적으로 하나의 출력단을 통해 출력할 수 있다.
일례로, 포토 커플러(220)가 제1 내지 제N개의 포토 커플러로 이루어진 경우, 멀티플렉서(310)는 최상위 포토 커플러인 제1 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호를 하나의 출력단을 통해 먼저 출력한다. 이어서, 멀티플렉서(310)는 최상위의 하위단에 위치한 제2 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호를 하나의 출력단을 통해 출력한다.
이후, 멀티플렉서(310)는 최하위 포토 커플러인 제N 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호를 하나의 출력단을 통해 출력한다.
제어부(230)는 멀티플렉서(220)로부터 순차적으로 출력된 출력 신호 중에서 온(ON) 신호에 대응하는 배터리 셀을 과전압이 발생한 배터리 셀의 위치로 검출할 수 있다. 예를 들어, 제2 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호가 온(ON) 신호이고, 제어부(230)는 그 온(ON) 출력 신호를 하나의 출력단을 통해 수신하면 제2 포토 커플러와 대응되는 제2 배터리 셀을 과전압이 발생한 배터리 셀의 위치로 검출할 수 있다.
도 4는 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 방법에 대한 흐름도이다.
도 4에 도시된 배터리 셀의 과충전 보호 방법은 제1 및 제2 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈에서 배터리 셀과 각각 연결된 제1 및 제2 방전 저항(R1 및 R2) 및 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D2)를 포함한 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)에 적용될 수 있다.
우선, 배터리 모듈 즉, 제1 및 제2 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 다이오드의 역방향으로 전류를 흐르게 된다. 그러면, 배터리 셀의 전압이 배터리 셀과 연결된 방전 저항(R1 및 R2)을 통해 셀 밸런싱이 수행된다.
배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 배터리 모듈 양단에서 과전압이 발생하는지 여부를 확인한다(S402).
상기 확인 결과(S402), 배터리 모듈 양단에서 과전압이 발생하지 않으면, 배터리 모듈이 정상 동작으로 수행된다S(S404).
상기 확인 결과(S402), 배터리 모듈 양단에서 과전압이 발생하면, 배터리 모듈과 연결된 제너 다이오드가 턴-온된다(S406).
이어서, 제너 다이오드의 턴-온(Turn ON)으로 인해 다이오드의 역방향 전류가 방전 저항(R1 및 R2)를 통해 흐르고, 그 방전 전류는 배터리 모듈의 과전압을 방전시킨다(S408).
그러면, 포토 커플러(220)의 1차측 전류가 흐르게 된다(S410).
그리고 포토 커플러(220)의 2차측이 도통되어 논리 연산부(230)의 입력단에 온(ON) 신호를 입력시킨다(S412).
이어서, 논리 연산부(230)는 포토 커플러(220)로부터 출력된 온(ON) 신호를 논리 연산 게이트를 통해 논리 연산하여 출력단을 통해 온(ON) 신호를 출력한다(S414).
제어부(240)는 논리 연산부(230)에서 논리 연산된 결과 즉, 논리 연산부(230)의 출력단을 통해 출력된 출력 신호를 이용하여 배터리 모듈의 과전압 발생을 인식한다(S416).
도 5는 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀의 과충전 보호 방법에 대한 흐름도이다.
도 5에 도시된 배터리 셀의 과충전 보호 방법은 제1 및 제2 배터리 셀로 이루어진 배터리 모듈에서 배터리 셀과 각각 연결된 제1 및 제2 방전 저항(R1 및 R2) 및 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D2)를 포함한 배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)에 적용될 수 있다.
우선, 배터리 모듈 즉, 제1 및 제2 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 다이오드의 역방향으로 전류를 흐르게 된다. 그러면, 배터리 셀의 전압이 배터리 셀과 연결된 방전 저항(R1 및 R2)을 통해 셀 밸런싱이 수행된다.
배터리 셀의 과충전 보호 장치(200)는 배터리 모듈 양단에서 과전압이 발생하는지 여부를 확인한다(S502).
상기 확인 결과(S502), 배터리 모듈 양단에서 과전압이 발생하지 않으면, 배터리 모듈이 정상 동작으로 수행된다S(S504).
상기 확인 결과(S502), 배터리 모듈 양단에서 과전압이 발생하면, 배터리 모듈과 연결된 제너 다이오드가 턴-온된다(S506).
이어서, 제너 다이오드의 턴-온(Turn ON)으로 인해 다이오드의 역방향 전류가 방전 저항(R1 및 R2)를 통해 흐르고, 그 방전 전류는 배터리 모듈의 과전압을 방전시킨다(S508).
그러면, 포토 커플러(220)의 1차측 전류가 흐르게 된다(S510).
그리고 포토 커플러(220)의 2차측이 도통되어 논리 연산부(230)의 입력단에 온(ON) 신호를 입력시킨다(S512).
이어서, 멀티플렉서(240)는 포토 커플러(220)로부터 출력된 온(ON) 신호를 복수의 입력단을 순차적으로 제어부(240)로 연결한다(S514). 포토 커플러(220)의 다중 입력단을 통해 각각의 출력 신호를 수신하면, 멀티플렉서(240)는 최상위 또는 최하위 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호부터 순차적으로 하나의 출력단을 통해 제어부(240)로 출력할 수 있다.
제어부(240)는 멀티플렉서(240)의 입력단을 통해 순차적으로 입력된 신호를 감지한다(S516).
그리고 제어부(240)는 과전압이 발생된 배터리 모듈을 인식한다(S518). 이때, 제어부(240)는 멀티플렉서(230)로부터 순차적으로 출력된 출력 신호 중에서 온(ON) 신호에 대응하는 배터리 셀을 과전압이 발생한 배터리 셀의 위치로 검출할 수 있다.
본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 고장에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 배터리 관리 시스템(BMS)
10: 배터리 팩
11, 12, 13: 배터리 모듈
20: 차량 전자 장치
30: 배터리 제어장치
31, 32: MCU
33: BCU
200: 배터리 셀의 과충전 보호 장치
210: 과전압 보호부
220: 포토 커플러
230: 논리 연산부
240: 제어부
310: 멀티플렉서
R1 및 R2: 제1 및 제2 방전 저항
R3 및 R4: 풀-다운 저항
D1 및 D2: 제1 및 제2 다이오드

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 상기 어느 하나의 배터리 셀의 전압을 방전 저항을 통해 방전시키는 적어도 하나의 과전압 보호부;
    상기 적어도 하나의 과전압 보호부와 각각 연결된 1차측을 통해 전류가 흐르면, 2차측과 연결된 전압원이 도통되어 온(ON) 신호를 출력하는 적어도 하나의 포토 커플러;
    상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 상기 수신된 각각의 출력 신호를 논리합 연산하여 출력하는 논리 연산부; 및
    상기 논리 연산부를 통해 출력된 논리합 연산 결과에 따라 배터리 셀의 과전압 발생 여부를 인식하는 제어부
    를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 과전압 보호부는
    상기 적어도 하나의 배터리 셀과 각각 연결된 적어도 하나의 방전 저항; 및
    상기 적어도 하나의 방전 저항과 각각 연결되고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 턴-온(Turn-ON)되어 상기 배터리 셀의 전압을 상기 연결된 방전 저항을 통해 방전시키는 적어도 하나의 다이오드
    를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다이오드는
    상기 기설정된 임계전압의 항복 전압(Breakdown voltage)을 가지는 제너 다이오드(Zener diode)로 이루어지는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 논리 연산부는
    상기 적어도 하나의 포토 커플러의 2차측이 게이트 입력단마다 각각 연결되어 논리합 연산하는 적어도 하나의 논리합 게이트; 및
    상기 적어도 하나의 논리합 게이트의 게이트 출력단이 하나의 게이트 입력단에 모두 연결되어 논리합 연산하는 통합 게이트
    를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  5. 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 상기 어느 하나의 배터리 셀의 전압을 방전 저항을 통해 방전시키는 적어도 하나의 과전압 보호부;
    상기 적어도 하나의 과전압 보호부와 각각 연결된 1차측을 통해 전류가 흐르면, 2차측과 연결된 전압원이 도통되어 온(ON) 신호를 출력하는 적어도 하나의 포토 커플러;
    상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 상기 수신된 각각의 출력 신호를 순차적으로 출력단을 통해 출력하는 멀티플렉서; 및
    상기 멀티플렉서를 통해 출력된 결과에 따라 상기 어느 하나의 배터리 셀의 과전압 발생을 인식하는 제어부
    를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 과전압 보호부는
    상기 적어도 하나의 배터리 셀과 각각 연결된 적어도 하나의 방전 저항; 및
    상기 적어도 하나의 방전 저항과 각각 연결되고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 턴-온(Turn-ON)되어 상기 배터리 셀의 전압을 상기 연결된 방전 저항을 통해 방전시키는 적어도 하나의 다이오드
    를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다이오드는
    상기 기설정된 임계전압의 항복 전압을 가지는 제너 다이오드로 이루어지는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 멀티플렉서는
    상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 다중 입력단을 통해 각각의 출력 신호를 수신하면, 최상위 또는 최하위 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호부터 순차적으로 하나의 출력단을 통해 출력하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 멀티플렉서로부터 순차적으로 출력된 출력 신호 중에서 온(ON) 신호에 대응하는 배터리 셀을 과전압이 발생한 배터리 셀의 위치로 검출하는 배터리 셀의 과충전 보호 장치.
  10. 적어도 하나의 배터리 셀과 각각 연결된 적어도 하나의 방전 저항 및 적어도 하나의 다이오드를 포함한 배터리 셀의 과충전 보호 장치에서의 과충전 보호 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 적어도 하나의 다이오드가 턴-온(Turn-ON)되어 상기 배터리 셀의 전압을 상기 연결된 방전 저항을 통해 방전시키는 단계;
    상기 적어도 하나의 다이오드와 각각 연결된 포토 커플러의 1차측을 통해 전류가 흐르면, 상기 포토 커플러의 2차측과 연결된 전압원이 도통되어 온(ON) 신호를 출력하는 단계;
    상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 상기 수신된 각각의 출력 신호를 논리합 연산하는 단계; 및
    상기 논리합 연산된 연산 결과에 따라 배터리 셀의 과전압 발생 여부를 인식하는 단계
    를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다이오드는
    상기 기설정된 임계전압의 항복 전압을 가지는 제너 다이오드로 이루어지는 배터리 셀의 과충전 보호 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 논리합 연산하는 단계는
    상기 적어도 하나의 포토 커플러의 2차측이 게이트 입력단마다 각각 연결된 적어도 하나의 논리합 게이트를 통해 각각 논리합 연산하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 논리합 게이트의 게이트 출력단이 하나의 게이트 입력단에 모두 연결된 통합 게이트를 통해 논리합 연산하는 단계
    를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법.
  13. 적어도 하나의 배터리 셀과 각각 연결된 적어도 하나의 방전 저항 및 적어도 하나의 다이오드를 포함한 배터리 셀의 과충전 보호 장치에서의 과충전 보호 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀 중에서 어느 하나의 배터리 셀의 전압이 기설정된 임계전압을 초과하면 적어도 하나의 다이오드가 턴-온(Turn-ON)되어 상기 배터리 셀의 전압을 상기 연결된 방전 저항을 통해 방전시키는 단계;
    상기 적어도 하나의 다이오드와 각각 연결된 포토 커플러의 1차측을 통해 전류가 흐르면, 상기 포토 커플러의 2차측과 연결된 전압원이 도통되어 온(ON) 신호를 출력하는 단계;
    상기 적어도 하나의 포토 커플러로부터 각각의 출력 신호를 수신하면, 상기 수신된 각각의 출력 신호를 순차적으로 출력하는 단계; 및
    상기 순차적으로 출력된 결과에 따라 배터리 셀의 과전압 발생 여부를 인식하는 단계
    를 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다이오드는
    상기 기설정된 임계전압의 항복 전압을 가지는 제너 다이오드로 이루어지는 배터리 셀의 과충전 보호 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 출력 신호를 순차적으로 출력하는 단계는
    상기 적어도 하나의 포토 커플러의 다중 입력단을 통해 각각의 출력 신호를 수신하면, 최상위 또는 최하위 포토 커플러로부터 수신된 출력 신호부터 순차적으로 하나의 출력단을 통해 출력하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 순차적으로 출력된 출력 신호 중에서 온(ON) 신호에 대응하는 배터리 셀을 과전압이 발생한 배터리 셀의 위치로 검출하는 단계
    를 더 포함하는 배터리 셀의 과충전 보호 방법.
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