KR20180005008A - 환경차량용 배터리 과충전 방지장치 - Google Patents

환경차량용 배터리 과충전 방지장치 Download PDF

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윤종후
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김미옥
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Abstract

본 발명은 환경차량용 배터리 과충전 방지장치에 관한 것으로, 배터리의 셀 전압을 모니터링하여 배터리 과충전을 검출하는 검출기 및 상기 검출기로부터 출력되는 출력신호에 따라 고전압 릴레이를 제어하여 차량 제동 시 발생하는 회생전력을 이용한 배터리 충전을 차단하는 신호처리기를 포함한다.

Description

환경차량용 배터리 과충전 방지장치{APPARATUS FOR PREVENTING OVERCHARGE OF BATTERY IN ECO-VEHICLE}
본 발명은 배터리관리시스템 고장 시에도 전기적으로 배터리의 과충전을 방지할 수 있는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치에 관한 것이다.
환경차량용 배터리시스템은 고출력/고에너지화의 요구에 따라 에너지밀도 및 출력밀도 증가형태로 개발되고 있으나, 배터리 안정성은 저하되고 있다. 따라서 배터리 시스템의 안전성을 개선하기 위해, 차량협조제어, BMS(Battery Management System) 능동보호, 팩 수동보호, 및 셀 강건설계 등에 관한 연구들이 계속되고 있다.
종래에는 배터리 과충전 시 셀 부품현상(swelling)이 발생할 때 리드 탭(lead tab)을 파단하는 방식으로 배터리 충전을 차단하거나 경판(end plate)의 부풀어 오름을 이용하는 방식이 소개되고 있다.
특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 물리적 과충전 보호장치는 셀(cell) 전방에 배치된 스위치(SW)가 과충전 시 눌리면 12V 릴레이(Ry)가 오프(Off) 되어, 고전압 릴레이(Power Relay Assembly, PRA)를 차단한다. 이러한 물리적 과충전 보호장치는 셀이 고용량화 되면서, 셀 리드 탭이 두꺼워져 파단이 원활하지 않거나 물리적 고장상황 이후로 추가 충전과 같이 재사용이 불가하게 된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 물리적 과충전 보호장치는 셀 최외곽에 위치하는 스위치(SW)가 배터리(B) 과충전으로 셀(cell)이 팽창하면서 스위치(SW)를 눌러 스위치(SW) 작동하는 구조를 가진다. 그러나, 셀 팽창의 정도가 수 mm 정도이기 때문에 적절한 스위치 작동 시점 결정이 어려우며 운반 및 충격에 의해 스위치 오동작 가능성 있다.
이와 같이, 물리적 과충전 보호장치는 과충전 이벤트 이후 검출 및 보호기능을 수행하여 배터리를 더 이상 사용하지 못하게 하는 것이다.
그러나, 이러한 물리적 과충전 보호장치는 배터리 과충전 시 온도 상승과 함께 셀이 부풀어 오르는 고장 상황 이후에 보호동작이 수행되는 한계가 있다.
또한, 구조적으로 BMS가 동작불능인 상태에서는 협조제어 및 능동보호를 수행할 수 없다.
KR 1019980079042 A
본 발명은 배터리관리시스템 고장 시에도 전기적으로 배터리의 과충전을 방지할 수 있는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치를 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 환경차량용 배터리 과충전 방지장치는 배터리의 셀 전압을 모니터링하여 배터리 과충전을 검출하는 검출기 및 상기 검출기로부터 출력되는 출력신호에 따라 고전압 릴레이를 제어하여 차량 제동 시 발생하는 회생전력을 이용한 배터리 충전을 차단하는 신호처리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 검출기는 배터리 셀 전압이 기준 전압을 초과하는지를 감지하는 과충전 감지수단 및 상기 셀 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 과충전 검출신호를 출력하는 포토커플러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과충전 감지수단은 상기 기준 전압을 설정하기 위한 복수 개의 저항들 및 상기 셀 전압이 상기 기준 전압을 초과하면 도통되는 션트 레귤레이터(shunt regulator)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 검출기는 배터리 셀과 포토커플러 사이에 배치되어 배터리 과충전 보호 기능의 동작 개시 시점을 제어하는 제너 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 검출기는 상기 셀 전압이 제너 다이오드의 항복전압에 도달하면 상기 배터리 과충전 보호 기능의 동작을 개시하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호처리기는 상기 검출기로 전원을 공급하는 전원부, 상기 검출기로부터 출력되는 과충전 검출 신호를 수신하면 상기 과충전 검출 신호에 따른 출력신호를 출력하는 플립플롭, 상기 플립플롭의 출력신호를 이용하여 논리연산을 수행하여 논리연산 결과에 따른 제어신호를 출력하는 복수 개의 논리소자 및 상기 복수 개의 논리소자 각각에 연결된 복수 개의 스위치들을 구비하며 상기 제어신호에 따라 복수 개의 스위치들의 동작을 제어하여 고전압 릴레이를 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호처리기는 상기 검출기로 전원을 공급하는 전원부, 상기 검출기로부터 출력되는 출력신호를 수신하여 수신한 신호가 노이즈인지를 판정하는 프로그래머블 디바이스, 상기 프로그래머블 디바이스의 판정결과에 따라 제어신호를 출력하는 복수 개의 논리소자 및 상기 복수 개의 논리소자에 각각 연결된 복수 개의 스위치들을 구비하며 상기 제어신호에 따라 복수 개의 스위치들의 동작을 제어하여 고전압 릴레이를 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 프로그래머블 디바이스는 복합 프로그래머블 논리소자(Complex Programmable Logic Device, CPLD)인 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 과충전 방지장치는 상기 프로그래머블 디바이스의 초기화를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 환경차량용 배터리관리시스템(BMS) 고장 시에도 전기적으로 배터리의 과충전을 방지할 수 있는 2차 보호 기술로서, 최소한의 하드웨어 변경으로 구조적으로 강건하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리관리시스템은 고출력/고에너지화의 성능개선에 용량, 에너지 밀도, 출력 밀도 증대에 따른 과충전 위험성을 근본적으로 개선하여 배터리관리시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 과충전 안전성을 향상시켜 A/S 비용 절감 및 사용자 만족도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 과충전 보호장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 종래의 과충전 시 셀 팽창에 의한 스위치 작동을 도시한 예시도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 환경차량용 배터리 과충전 방지장치의 회로도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 환경차량용 배터리 과충전 방지장치의 회로도.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 검출기(100)의 동작을 설명하기 위한 그래프.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 환경차량용 배터리 과충전 방지장치의 회로도.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 환경차량용 배터리 과충전 방지장치의 회로도.
도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 검출기(100)의 동작을 설명하기 위한 그래프.
도 9는 도 3 및 도 6에 도시된 플립플롭(220)의 동작 시퀀스를 도시한 도면.
도 10은 도 4 및 도 7에 도시된 프로그래머블 디바이스(23)의 동작 시퀀스를 도시한 도면.
본 명세서에 기재된 "포함하다", "구성하다", "가지다" 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 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. 또한, "일", "하나" 및 "그" 등의 관사는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 BMS 고장 시에도 전기적으로 배터리의 과충전을 방지할 수 있는 근본적인 2차 보호 대책을 제안하고자 한다.
본 발명은 배터리 셀 전압을 모니터링하고 과충전 상황을 배터리관리시스템(BMS) 고장 상태와 독립적으로 감시하여 차단하므로, BMS 고장 시에도 과충전으로부터 배터리를 보호할 수 있으며 과충전 안정성을 개선할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 환경차량용 배터리 과충전 방지장치의 회로도를 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 과충전 방지장치는 검출기(100) 및 신호처리기(200)를 포함한다. 여기서, 신호처리기(200)는 배터리관리시스템(BMS)일 수 있다.
검출기(100)는 배터리의 과충전을 감지하여 과충전 고장을 검출한다. 검출기(100)는 배터리 셀(cell)(BC)의 전압(이하, 셀 전압)을 모니터링하여 과충전을 감지한다. 예컨대, 검출기(100)는 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전으로 감지한다.
이러한 검출기(100)는 포토커플러(photo-coupler)(110)와 과충전 감지부(120)를 포함한다.
포토커플러(110)는 배터리의 과충전이 발생하면 과충전 검출신호를 출력한다. 포토커플러(110)는 발광 다이오드(발광부)와 광 트랜지스터(수광부)로 구성되며, 신호처리기(200)와 절연 분리한다. 포토커플러(110)의 1차측 발광 다이오드의 애노드(anode)는 배터리 셀(BC)과 연결된다. 포토커플러(110)의 2차측 광 트랜지스터의 콜렉터(collector)는 저항(R1)의 일단과 연결되고, 저항(R1)의 타단은 신호처리기(200)의 전원부(210)에 연결된다.
과충전 감지부(120)는 포토커플러(110)의 1차측에 연결되어 배터리의 과충전을 감지한다. 과충전 감지부(120)는 기준 전압(Vth)을 설정하는 복수 개의 저항들(R2 및 R3) 및 배터리 셀(BC)의 전압이 기준 전압을 초과하면 도통되는 션트 레귤레이터(shunt regulator)(SR)를 포함한다. 저항 R2 및 R3의 저항값을 조정하여 기준 전압(Vth)을 설정한다. 기준 전압(Vth)은 과충전 보호 레벨로, 배터리의 과충전 여부를 판단하는 기준이 된다.
셀 전압이 기준 전압을 초과하면(과충전 시) 정류기(SR)가 도통되어 포토커플러(110)를 통해 로우(low, L) 신호('0' 신호)가 출력된다. 다시 말해서, 배터리 과충전 시 검출기(100)는 포토커플러(110)를 통해 과충전 검출신호를 출력한다.
신호처리기(200)는 검출기(100)로부터 출력되는 검출 신호에 따라 고전압 릴레이(RY)를 온(on) 또는 오프(off)시켜 배터리 충전을 차단한다. 고전압 릴레이(RY)는 전력 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)로, 제동 시 모터(M)에 의해 발생되는 회생전력을 이용한 배터리 충전을 허가 또는 차단한다. 인버터(INV)는 고전압 릴레이(RY) 및 모터(M) 사이에 배치되어 모터(M)에 의해 발생되는 회생전력을 배터리 충전을 위한 충전전압으로 변환한다.
신호처리기(200)는 전원부(210), 플립플롭(flip-flop)(220), 복수 개의 논리소자(G1 내지G3), 제어부(240) 및 구동부(250)를 포함한다.
전원부(210)는 검출기(100)로 전원을 공급한다. 전원부(210)는 검출기(100)의 포토커플러(100)의 2차측으로 전원을 공급한다. 전원부(210)는 5V 전압을 출력한다.
플립플롭(220)은 검출기(100)의 포토커플러(110)의 2차측에 연결되어 포토커플러(110)로부터 출력되는 과충전 검출신호를 수신한다. 그리고, 플립플롭(220)은 과충전 검출신호에 따른 출력신호를 출력한다.
제어부(240)는 시동 온 신호를 감지하면 배터리 모니터링을 개시한다. 제어부(240)는 시동이 온 되면, 배터리의 과충전 보호 기능을 동작시킨다. 예를 들어, 제어부(240)는 과충전 보호 기능 동작 개시를 위해 하이(high, H) 신호('1' 신호)를 출력하고, 과충전 보호 기능 동작 중단을 위해 로우 신호를 출력한다.
제어부(240)는 신호처리기(200)의 중앙처리장치(CPU)로 구현될 수 있다. 다시 말해서, 제어부(240)는 배터리관리시스템의 전반적인 동작을 제어한다.
복수 개의 논리소자(G1 내지 G3)는 플립플롭(220)로부터 출력되는 신호와 제어부(240)의 출력신호를 입력으로 받아 논리곱(AND) 연산을 수행한다. 논리소자는 AND 게이트로 구현된다.
구동부(250)는 복수 개의 논리소자(G1 내지G3) 각각에 연결된 복수 개의 스위치들로 구성된다. 각 스위치들은 연결된 각 논리소자(G1, G2 또는 G3)의 출력에 따라 온 또는 오프되어 고전압 릴레이(RY)를 온 또는 오프 시킨다. 여기서, 스위치는 저전압 스위치로, MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)으로 구현될 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 배터리 과충전 방지장치의 동작을 설명한다.
먼저, 차량의 시동이 온(ON) 되면, 검출기(100)는 동작을 개시한다. 즉, 검출기(100)는 배터리 셀 전압을 모니터링한다. 검출기(100)는 배터리 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전 검출신호를 출력한다. 과충전 검출신호는 배터리의 과충전 여부를 알리는 신호로, 배터리 과충전 검출 시 로우 신호를 출력하고 배터리 과충전 미검출 시 하이 신호를 출력한다.
신호처리부(200)의 플립플롭(220)은 검출기(100)로부터 입력되는 입력신호가 하이 신호에서 로우 신호로 하강되면, 로우 신호를 출력한다. 플립플롭(200)의 출력 신호에 따라 구동부(250)의 저전압 스위치들이 오프된다. 구동부(250)의 저전압 스위치들이 오프되면 고전압 릴레이(RY)가 오프되어 배터리 과충전을 방지한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 환경차량용 배터리 과충전 방지장치의 회로도를 도시한다.
배터리 과충전 방지장치는 검출기(100) 및 신호처리기(200)를 포함한다.
검출기(100)는 배터리의 과충전을 감지하여 과충전 고장을 검출한다. 검출기(100)는 배터리 셀(cell)(BC)의 전압(이하, 셀 전압)을 모니터링하여 과충전을 감지한다. 예컨대, 검출기(100)는 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전으로 감지한다.
이러한 검출기(100)는 포토커플러(photo-coupler)(110)와 과충전 감지부(120)를 포함한다.
포토커플러(110)는 배터리의 과충전이 발생하면 과충전 검출신호를 출력한다. 포토커플러(110)는 발광 다이오드(발광부)와 광 트랜지스터(수광부)로 구성되며, 신호처리기(200)와 절연 분리한다. 포토커플러(110)의 1차측 발광 다이오드의 애노드(anode)는 배터리 셀(BC)과 연결된다. 포토커플러(110)의 2차측 광 트랜지스터의 콜렉터(collector)는 저항(R1)의 일단과 연결되고, 저항(R1)의 타단은 신호처리기(200)의 전원부(210)에 연결된다.
과충전 감지부(120)는 포토커플러(110)의 1차측에 연결되어 배터리의 과충전을 감지한다. 과충전 감지부(120)는 기준 전압(Vth)을 설정하는 복수 개의 저항들(R2 및 R3) 및 배터리 셀(BC)의 전압이 기준 전압을 초과하면 도통되는 션트 레귤레이터(shunt regulator)(SR)를 포함한다. 저항 R2 및 R3의 저항값을 조정하여 기준 전압(Vth)을 설정한다. 기준 전압(Vth)은 과충전 보호 레벨로, 배터리의 과충전 여부를 판단하는 기준이 된다.
셀 전압이 기준 전압을 초과하면(과충전 시) 정류기(SR)가 도통되어 포토커플러(110)를 통해 로우(low, L) 신호('0' 신호)가 출력된다. 다시 말해서, 배터리 과충전 시 검출기(100)는 포토커플러(110)를 통해 과충전 검출신호를 출력한다.
신호처리기(200)는 검출기(100)로부터 출력되는 검출 신호에 따라 고전압 릴레이(RY)를 온(on) 또는 오프(off)시켜 배터리 충전을 차단한다. 고전압 릴레이(RY)는 전력 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)로, 제동 시 모터(M)에 의해 발생되는 회생전력을 이용한 배터리 충전을 허가 또는 차단한다. 인버터(INV)는 고전압 릴레이(RY) 및 모터(M) 사이에 배치되어 모터(M)에 의해 발생되는 회생전력을 배터리 충전을 위한 충전전압으로 변환한다.
신호처리기(200)는 전원부(210), 프로그래머블 디바이스(230), 복수 개의 논리소자(G1 내지G3), 제어부(240) 및 구동부(250)를 포함한다.
전원부(210)는 검출기(100)로 전원을 공급한다. 전원부(210)는 검출기(100)의 포토커플러(100)의 2차측으로 전원을 공급한다. 전원부(210)는 5V 전압을 출력한다.
프로그래머블 디바이스(230)는 검출기(100)로부터 출력되는 과충전 검출신호를 수신하고 수신한 과충전 검출신호에 근거하여 고장여부를 판정한다. 예를 들어, 프로그래머블 디바이스(230)는 과충전 검출신호를 수신하면 과충전 고장으로 인식하여 로우 신호를 출력한다. 한편, 프로그래머블 디바이스(230)는 과충전 미검출신호를 수신하면 미고장으로 인식하여 하이 신호를 출력한다.
이러한 프로그래머블 디바이스(230)는 복합 프로그래머블 논리소자(Complex Programmable Logic Device, CPLD)로 구현된다.
제어부(240)는 프로그래머블 디바이스(230)으로 초기화(reset) 명령 및 펄스 신호를 출력하여 프로그래머블 디바이스(230)를 초기화한다. 여기서, 펄스 신호는 프로그래머블 디바이스(230)를 초기화할 때 제어부(240)의 이상 여부를 알리는 신호이다.
복수 개의 논리소자(G1 내지 G3)는 프로그래머블 디바이스(230)의 판정결과 및 제어부(240)의 출력을 입력으로 받아 논리곱 연산을 수행한다. 논리소자(G1, G2 또는 G3)는 AND 게이트로 구현된다.
구동부(250)는 복수 개의 논리소자(G1 내지G3) 각각에 연결된 복수 개의 스위치들로 구성된다. 각 스위치들은 연결된 각 논리소자(G1, G2 또는 G3)의 출력에 따라 온 또는 오프되어 고전압 릴레이(RY)를 온 또는 오프 시킨다.
이하, 본 실시예에 따른 배터리 과충전 방지장치의 동작을 설명한다.
차량의 시동이 온(ON) 되면, 검출기(100)는 배터리 셀 전압의 모니터링을 개시한다. 검출기(100)는 배터리 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전 검출신호를 출력한다. 과충전 검출신호는 배터리의 과충전 여부를 알리는 신호로, 배터리 과충전 검출 시 로우 신호를 출력하고 배터리 과충전 미검출 시 하이 신호를 출력한다.
프로그래머블 디바이스(230)는 검출기(100)로부터 로우 신호가 설정된 시간 이상으로 입력되면 과충전 고장신호로 판단한다. 그리고, 프로그래머블 디바이스(230)는 로우 신호를 출력한다. 프로그래머블 디바이스(230)의 출력 신호에 따라 구동부(250)의 저전압 스위치들이 오프된다. 구동부(250)의 저전압 스위치들이 오프되면 고전압 릴레이(RY)가 오프되어 배터리 과충전을 방지한다.
한편, 프로그래머블 디바이스(230)는 검출기(100)로부터 입력되는 로우 신호가 기설정된 시간 미만으로 입력되면 해당 입력 신호를 노이즈로 판단한다. 따라서, 프로그래머블 디바이스(230)는 구동부(250)를 제어하여 고전압 릴레이(RY)를 온 시켜 배터리 충전을 허가한다.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 검출기(100)의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 셀 전압이 기준 전압(Vth)를 초과하면 션트 레귤레이터(SR)가 도통된다. 션트 레귤레이터(SR)이 도통되면 포토커플러(110)의 1차측 발광 다이오드와 2차측 광 트랜지스터가 도통되어 로우(Low) 신호를 출력한다. 즉, 검출기(100)는 배터리 과충전을 알리는 과충전 검출신호를 출력한다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 환경차량용 배터리 과충전 방지장치의 회로도를 도시한다.
배터리 과충전 방지장치는 검출기(100) 및 신호처리기(200)를 포함한다.
검출기(100)는 배터리의 과충전을 감지하여 과충전 고장을 검출한다. 검출기(100)는 배터리 셀(cell)(BC)의 전압(이하, 셀 전압)을 모니터링하여 과충전을 감지한다. 예컨대, 검출기(100)는 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전으로 감지한다.
이러한 검출기(100)는 제너 다이오드(Zener Diode, ZD), 포토커플러(photo-coupler)(110) 및 과충전 감지부(120)를 포함한다.
제너 다이오드(ZD)는 배터리 셀(BC)과 포토커플러(110)의 1차측 사이에 배치된다. 제너 다이오드(ZD)는 암전류를 방지하기 위하여 설정된 임계전압까지 동작하지 않는다. 여기서, 설정된 전압은 제너 다이오드(ZD)의 항복전압(breakdown voltage, Vbr)으로, 약 4V이다.
제어 다이오드(ZD)는 셀 전압이 임계전압을 초과하면, 검출기(100)의 동작을 개시한다. 다시 말해서, 셀 전압이 제너 다이오드(ZD)의 항복전압을 초과하면, 검출기(100)는 과충전 보호를 위해 셀 전압의 모니터링을 시작한다.
포토커플러(110)는 배터리의 과충전이 발생하면 과충전 검출신호를 출력한다. 포토커플러(110)는 발광 다이오드(발광부)와 광 트랜지스터(수광부)로 구성되며, 신호처리기(200)와 절연 분리한다. 포토커플러(110)의 1차측 발광 다이오드의 애노드(anode)는 배터리 셀(BC)과 연결된다. 포토커플러(110)의 2차측 광 트랜지스터의 콜렉터(collector)는 저항(R1)의 일단과 연결되고, 저항(R1)의 타단은 신호처리기(200)의 전원부(210)에 연결된다.
과충전 감지부(120)는 포토커플러(110)의 1차측에 연결되어 배터리의 과충전을 감지한다. 과충전 감지부(120)는 기준 전압(Vth)을 설정하는 복수 개의 저항들(R2 및 R3) 및 배터리 셀(BC)의 전압이 기준 전압을 초과하면 도통되는 션트 레귤레이터(shunt regulator)(SR)를 포함한다. 저항 R2의 일단은 제너 다이오드(ZD) 및 포토커플러(110)의 발광 다이오드의 애노드에 연결되고, 저항 R2의 타단은 저항 R3과 직렬로 연결된다. 저항 R2와 R3의 접점은 정류기(SR)의 게이트에 연결되어 정류기(SR)의 도통을 제어한다. 저항 R2와 R3의 저항값을 조정하여 기준 전압(Vth)을 설정한다. 기준 전압(Vth)은 과충전 보호 레벨로, 배터리의 과충전 여부를 판단하는 기준이 된다.
셀 전압이 기준 전압(Vth)을 초과하면(과충전 시) 정류기(SR)가 도통되어 포토커플러(110)를 통해 로우(low, L) 신호('0' 신호)가 출력된다. 다시 말해서, 배터리 과충전 시 검출기(100)는 포토커플러(110)를 통해 과충전 검출신호를 출력한다. 한편, 검출기(100)는 셀 전압이 기준 전압(Vth)이하이면 포토커플러(110)를 통해 과충전 미검출신호('H' 신호)를 출력한다.
신호처리기(200)는 검출기(100)로부터 출력되는 검출 신호에 따라 고전압 릴레이(RY)를 온(on) 또는 오프(off)시켜 배터리 충전을 차단한다. 고전압 릴레이(RY)는 전력 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)로, 제동 시 모터(M)에 의해 발생되는 회생전력을 이용한 배터리 충전을 허가 또는 차단한다. 인버터(INV)는 고전압 릴레이(RY) 및 모터(M) 사이에 배치되어 모터(M)에 의해 발생되는 회생전력을 배터리 충전을 위한 충전전압으로 변환한다.
신호처리기(200)는 전원부(210), 플립플롭(flip-flop)(220), 복수 개의 논리소자(G1 내지G3), 제어부(240) 및 구동부(250)를 포함한다.
전원부(210)는 검출기(100)로 전원을 공급한다. 전원부(210)는 검출기(100)의 포토커플러(100)의 2차측으로 전원을 공급한다. 전원부(210)는 5V 전압을 출력한다.
플립플롭(220)은 검출기(100)의 포토커플러(110)의 2차측에 연결되어 포토커플러(110)로부터 출력되는 과충전 검출신호를 수신한다. 그리고, 플립플롭(220)은 과충전 검출신호에 따른 출력신호를 출력한다.
제어부(240)는 시동 온 신호를 감지하면 배터리 모니터링을 개시한다. 제어부(240)는 시동이 온 되면, 배터리의 과충전 보호 기능을 동작시킨다. 예를 들어, 제어부(240)는 과충전 보호 기능 동작 개시를 위해 하이(high, H) 신호('1' 신호)를 출력하고, 과충전 보호 기능 동작 중단을 위해 로우 신호를 출력한다.
제어부(240)는 신호처리기(200)의 중앙처리장치(CPU)로 구현될 수 있다. 다시 말해서, 제어부(240)는 배터리관리시스템의 전반적인 동작을 제어한다.
복수 개의 논리소자(G1 내지 G3)는 플립플롭(220)로부터 출력되는 신호와 제어부(240)의 출력신호를 입력으로 받아 논리곱(AND) 연산을 수행한다. 논리소자는 AND 게이트로 구현된다.
구동부(250)는 복수 개의 논리소자(G1 내지G3) 각각에 연결된 복수 개의 스위치들로 구성된다. 각 스위치들은 연결된 각 논리소자(G1, G2 또는 G3)의 출력에 따라 온 또는 오프되어 고전압 릴레이(RY)를 온 또는 오프 시킨다. 여기서, 스위치는 저전압 스위치로, MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)으로 구현될 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 배터리 과충전 방지장치의 동작을 설명한다.
먼저, 차량의 시동이 온(ON) 되면, 검출기(100)의 제너 다이오드(ZD)는 셀 전압이 설정된 임계전압을 초과하면 검출기(100)를 동작시킨다. 즉, 검출기(100)는 배터리 셀 전압을 모니터링한다. 검출기(100)는 배터리 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전 검출신호를 출력한다. 과충전 검출신호는 배터리의 과충전 여부를 알리는 신호로, 배터리 과충전 검출 시 과충전 검출신호(L 신호)를 출력하고 배터리 과충전 미검출 시 과충전 미검출신호(H 신호)를 출력한다.
신호처리부(200)의 플립플롭(220)은 검출기(100)로부터 입력되는 입력신호가 하이 신호에서 로우 신호로 하강되면, 로우 신호를 출력한다. 플립플롭(200)의 출력 신호에 따라 구동부(250)의 저전압 스위치들이 오프된다. 구동부(250)의 저전압 스위치들이 오프되면 고전압 릴레이(RY)가 오프되어 배터리 과충전을 방지한다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 환경차량용 배터리 과충전 방지장치의 회로도를 도시한다.
배터리 과충전 방지장치는 검출기(100) 및 신호처리기(200)를 포함한다.
검출기(100)는 배터리의 과충전을 감지하여 과충전 고장을 검출한다. 검출기(100)는 배터리 셀(cell)(BC)의 전압(이하, 셀 전압)을 모니터링하여 과충전을 감지한다. 예컨대, 검출기(100)는 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전으로 감지한다.
이러한 검출기(100)는 제너 다이오드(Zener Diode, ZD), 포토커플러(photo-coupler)(110) 및 과충전 감지부(120)를 포함한다.
제너 다이오드(ZD)는 배터리 셀(BC)과 포토커플러(110)의 1차측 사이에 배치된다. 제너 다이오드(ZD)는 암전류를 방지하기 위하여 설정된 임계전압까지 동작하지 않는다. 여기서, 설정된 전압은 제너 다이오드(ZD)의 항복전압(breakdown voltage, Vbr)으로, 약 4V이다.
제어 다이오드(ZD)는 셀 전압이 임계전압을 초과하면, 검출기(100)의 동작을 개시한다. 다시 말해서, 셀 전압이 제너 다이오드(ZD)의 항복전압을 초과하면, 검출기(100)는 과충전 보호를 위해 셀 전압의 모니터링을 시작한다.
포토커플러(110)는 배터리의 과충전이 발생하면 과충전 검출신호를 출력한다. 포토커플러(110)는 발광 다이오드(발광부)와 광 트랜지스터(수광부)로 구성되며, 신호처리기(200)와 절연 분리한다. 포토커플러(110)의 1차측 발광 다이오드의 애노드(anode)는 배터리 셀(BC)과 연결된다. 포토커플러(110)의 2차측 광 트랜지스터의 콜렉터(collector)는 저항(R1)의 일단과 연결되고, 저항(R1)의 타단은 신호처리기(200)의 전원부(210)에 연결된다.
과충전 감지부(120)는 포토커플러(110)의 1차측에 연결되어 배터리의 과충전을 감지한다. 과충전 감지부(120)는 기준 전압(Vth)을 설정하는 복수 개의 저항들(R2 및 R3) 및 배터리 셀(BC)의 전압이 기준 전압을 초과하면 도통되는 션트 레귤레이터(shunt regulator)(SR)를 포함한다. 저항 R2의 일단은 제너 다이오드(ZD) 및 포토커플러(110)의 발광 다이오드의 애노드에 연결되고, 저항 R2의 타단은 저항 R3과 직렬로 연결된다. 저항 R2와 R3의 접점은 정류기(SR)의 게이트에 연결되어 정류기(SR)의 도통을 제어한다. 저항 R2와 R3의 저항값을 조정하여 기준 전압(Vth)을 설정한다. 기준 전압(Vth)은 과충전 보호 레벨로, 배터리의 과충전 여부를 판단하는 기준이 된다.
셀 전압이 기준 전압(Vth)을 초과하면(과충전 시) 정류기(SR)가 도통되어 포토커플러(110)를 통해 로우(low, L) 신호('0' 신호)가 출력된다. 다시 말해서, 배터리 과충전 시 검출기(100)는 포토커플러(110)를 통해 과충전 검출신호를 출력한다. 한편, 검출기(100)는 셀 전압이 기준 전압(Vth)이하이면 포토커플러(110)를 통해 과충전 미검출신호('H' 신호)를 출력한다.
신호처리기(200)는 검출기(100)로부터 출력되는 검출 신호에 따라 고전압 릴레이(RY)를 온(on) 또는 오프(off)시켜 배터리 충전을 차단한다. 고전압 릴레이(RY)는 전력 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)로, 제동 시 모터(M)에 의해 발생되는 회생전력을 이용한 배터리 충전을 허가 또는 차단한다. 인버터(INV)는 고전압 릴레이(RY) 및 모터(M) 사이에 배치되어 모터(M)에 의해 발생되는 회생전력을 배터리 충전을 위한 충전전압으로 변환한다.
신호처리기(200)는 전원부(210), 프로그래머블 디바이스(230), 복수 개의 논리소자(G1 내지G3), 제어부(240) 및 구동부(250)를 포함한다.
전원부(210)는 검출기(100)로 전원을 공급한다. 전원부(210)는 검출기(100)의 포토커플러(100)의 2차측으로 전원을 공급한다. 전원부(210)는 5V 전압을 출력한다.
프로그래머블 디바이스(230)는 검출기(100)로부터 출력되는 과충전 검출신호를 수신하고 수신한 과충전 검출신호에 근거하여 고장여부를 판정한다. 예를 들어, 프로그래머블 디바이스(230)는 과충전 검출신호를 수신하면 과충전 고장으로 인식하여 로우 신호를 출력한다. 한편, 프로그래머블 디바이스(230)는 과충전 미검출신호를 수신하면 미고장으로 인식하여 하이 신호를 출력한다.
이러한 프로그래머블 디바이스(230)는 복합 프로그래머블 논리소자(Complex Programmable Logic Device, CPLD)로 구현된다.
제어부(240)는 프로그래머블 디바이스(230)으로 초기화(reset) 명령 및 펄스 신호를 출력하여 프로그래머블 디바이스(230)를 초기화한다. 여기서, 펄스 신호는 프로그래머블 디바이스(230)를 초기화할 때 제어부(240)의 이상 여부를 알리는 신호이다.
복수 개의 논리소자(G1 내지 G3)는 프로그래머블 디바이스(230)의 판정결과 및 제어부(240)의 출력을 입력으로 받아 논리곱 연산을 수행한다. 논리소자(G1, G2 또는 G3)는 AND 게이트로 구현된다.
구동부(250)는 복수 개의 논리소자(G1 내지G3) 각각에 연결된 복수 개의 스위치들로 구성된다. 각 스위치들은 연결된 각 논리소자(G1, G2 또는 G3)의 출력에 따라 온 또는 오프되어 고전압 릴레이(RY)를 온 또는 오프 시킨다.
이하, 본 실시예에 따른 배터리 과충전 방지장치의 동작을 설명한다.
차량의 시동이 온(ON) 되면, 검출기(100)의 제너 다이오드(ZD)는 셀 전압이 설정된 임계전압을 초과하면 검출기(100)를 동작시킨다. 즉, 검출기(100)는 배터리 셀 전압을 모니터링한다. 검출기(100)는 배터리 셀 전압이 기준 전압을 초과하면 과충전 검출신호를 출력한다. 과충전 검출신호는 배터리의 과충전 여부를 알리는 신호로, 배터리 과충전 검출 시 과충전 검출신호(L 신호)를 출력하고 배터리 과충전 미검출 시 과충전 미검출신호(H 신호)를 출력한다.
프로그래머블 디바이스(230)는 검출기(100)로부터 로우 신호가 설정된 시간 이상으로 입력되면 과충전 고장신호로 판단한다. 그리고, 프로그래머블 디바이스(230)는 로우 신호를 출력한다. 프로그래머블 디바이스(230)의 출력 신호에 따라 구동부(250)의 저전압 스위치들이 오프된다. 구동부(250)의 저전압 스위치들이 오프되면 고전압 릴레이(RY)가 오프되어 배터리 과충전을 방지한다.
한편, 프로그래머블 디바이스(230)는 검출기(100)로부터 입력되는 로우 신호가 기설정된 시간 미만으로 입력되면 해당 입력 신호를 노이즈로 판단한다. 따라서, 프로그래머블 디바이스(230)는 구동부(250)를 제어하여 고전압 릴레이(RY)를 온 시켜 배터리 충전을 허가한다.
도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 검출기(100)의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 셀 전압이 설정된 임계전압(Vbr)에 도달하면, 제너 다이오드(ZD)가 온(on) 된다. 즉, 셀 전압이 설정된 임계전압(Vbr)이 되면 제너 다이오드(ZD)가 도통된다.
이후, 셀 전압이 기준 전압(Vth)를 초과하면 션트 레귤레이터(SR)가 도통되어, 검출기(100)는 셀 전압 모니터링을 시작한다.
도 9는 도 3 및 도 6에 도시된 플립플롭(220)의 동작 시퀀스를 도시한 도면이다.
플립플롭(220)은 검출기(100)로부터 과충전 검출신호가 'H' 신호에서 'L' 신호로 하강하여 입력되면, 'L' 신호를 출력한다. 즉, 검출기(100)의 포토커플러(110)로부터 출력되는 출력신호가 'H' 신호에서 'L' 신호로 전환되면, 플립플롭(220)은 포토커플러(110)의 출력신호에 따라 'L' 신호를 출력한다.
고전압 릴레이(RY)는 플립플롭(220)의 출력신호에 따라 온 상태에서 오프 상태로 전환된다. 즉, 고전압 릴레이(RY)는 플립플롭(220)의 출력신호에 따라 차량 제동 시 발생되는 회생전력을 이용한 배터리 충전을 허가 또는 차단한다. 예컨대, 플립플롭(220)의 출력신호가 'H' 신호이면 고전압 릴레이(RY)는 배터리 충전을 허가하고, 플립플롭(220)의 출력신호가 'L' 신호이면 고전압 릴레이(RY)는 배터리 충전을 차단한다.
도 10은 도 4 및 도 7에 도시된 프로그래머블 디바이스(230)의 동작 시퀀스를 도시한 도면이다.
CPLD(230)는 제어부(240)로부터 초기화(H/W RESET) 신호와 펄스 신호(CPU OK)가 수신되면 CPLD(230)의 로직을 초기화한다. CPLD(230)는 초기화 신호의 입력이 중단되면 과충전 보호 제어권을 가진다.
CPLD(230)는 과충전 보호 제어권을 가진 후 검출기(100)로부터 출력되는 출력신호 'H' 신호가 수신되면, 'H' 신호가 설정된 시간 이상으로 유지되면 과충전 검출로 인식한다. CPLD(230)는 과충전 검출신호가 인식되면 'L' 신호를 출력한다.
한편, CPLD(230)는 'H' 신호가 설정된 시간 이상으로 유지되지 않으면, 노이즈로 인식하여 'H' 신호를 출력한다. 따라서, 신호처리기(200)는 노이즈 침입 시 과충전 검출(고장 검출) 신뢰성에 있어 우세하다.
신호처리기(200)는 제어부(240)의 이상을 감지하는 감지 기능을 추가로 탑재할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거 수 이나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다.
100: 검출기
ZD: 제너 다이오드
110: 포토커플러
200: 신호처리기
210: 전원부
220: 플립플롭
230: CPLD
240: 제어부
G1, G2, G3: 논리소자
250: 구동부
RY: 고전압 릴레이

Claims (9)

  1. 배터리의 셀 전압을 모니터링하여 배터리 과충전을 검출하는 검출기; 및
    상기 검출기로부터 출력되는 출력신호에 따라 고전압 릴레이를 제어하여 차량 제동 시 발생하는 회생전력을 이용한 배터리 충전을 차단하는 신호처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출기는,
    배터리 셀 전압이 기준 전압을 초과하는지를 감지하는 과충전 감지수단; 및
    상기 셀 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 과충전 검출신호를 출력하는 포토커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 과충전 감지수단은,
    상기 기준 전압을 설정하기 위한 복수 개의 저항들; 및
    상기 셀 전압이 상기 기준 전압을 초과하면 도통되는 션트 레귤레이터(shunt regulator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 검출기는,
    배터리 셀과 포토커플러 사이에 배치되어 배터리 과충전 보호 기능의 동작 개시 시점을 제어하는 제너 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 검출기는,
    상기 셀 전압이 제너 다이오드의 항복전압에 도달하면 상기 배터리 과충전 보호 기능의 동작을 개시하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리기는,
    상기 검출기로 전원을 공급하는 전원부;
    상기 검출기로부터 출력되는 과충전 검출 신호를 수신하면 상기 과충전 검출 신호에 따른 출력신호를 출력하는 플립플롭;
    상기 플립플롭의 출력신호를 이용하여 논리연산을 수행하여 논리연산 결과에 따른 제어신호를 출력하는 복수 개의 논리소자; 및
    상기 복수 개의 논리소자 각각에 연결된 복수 개의 스위치들을 구비하며 상기 제어신호에 따라 복수 개의 스위치들의 동작을 제어하여 고전압 릴레이를 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리기는,
    상기 검출기로 전원을 공급하는 전원부;
    상기 검출기로부터 출력되는 출력신호를 수신하여 수신한 신호가 노이즈인지를 판정하는 프로그래머블 디바이스;
    상기 프로그래머블 디바이스의 판정결과에 따라 제어신호를 출력하는 복수 개의 논리소자; 및
    상기 복수 개의 논리소자에 각각 연결된 복수 개의 스위치들을 구비하며 상기 제어신호에 따라 복수 개의 스위치들의 동작을 제어하여 고전압 릴레이를 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로그래머블 디바이스는,
    복합 프로그래머블 논리소자(Complex Programmable Logic Device, CPLD)인 것을 특징으로 하는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 프로그래머블 디바이스의 초기화를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환경차량용 배터리 과충전 방지장치.
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