KR20180087014A - 배터리 팩, 배터리 팩의 관리 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 차량 - Google Patents

배터리 팩, 배터리 팩의 관리 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 차량 Download PDF

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Abstract

배터리 팩은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈, 및 배터리 팩을 웨이크 업 시키는 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 따라 배터리 팩의 동작 모드를 결정하고, 결정된 동작 모드에 따라 상기 배터리 팩을 제어하는 BMS를 포함한다.

Description

배터리 팩, 배터리 팩의 관리 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 차량{BATTERY PACK, MANAGEMENT METHOD OF THE SAME, AND VEHICLE COMPRISIN THE SAME}
본 개시는 배터리 팩, 배터리 팩의 관리 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 차량에 관한 것이다.
배터리 팩의 사용 여부에 관계 없이, 종래 배터리 팩은 항상 파워 온(power on) 상태로 유지된다. 배터리 팩의 사용 중, 배터리 팩에 안전성 문제가 발생할 때, 배터리 팩의 입출력 경로를 오프 시킨다.
배터리 팩이 항상 파워 온 상태면, 배터리 팩이 시스템과 결합 또는 분리될 때, 사용자의 실수로 인한 안전성의 문제가 발생할 수 있다. 시스템은 배터리 팩과 전기적으로 전력을 주고 받을 수 있는 장치등을 포함한다.
또한, 배터리 팩에 포함된 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 역시 배터리 팩의 사용 여부에 관계 없이 동작하게 되어, 누설 전류가 발생한다. 이와 같은 상황이 장기간 유지되면, BMS를 통한 자가방전이 발생하여 배터리 팩이 망실될 수 있다.
차량에 새로운 배터리 팩을 적용함에 있어, 배터리 팩에 추가적인 안전성을 확보하여 리튬 배터리의 사용성을 극대화 할 수 있는 배터리 팩, 배터리 팩의 관리 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 차량을 제공하고자 한다.
발명의 한 특징에 따른 배터리 팩은 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈, 및 배터리 팩을 웨이크 업 시키는 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 따라 배터리 팩의 동작 모드를 결정하고, 결정된 동작 모드에 따라 상기 배터리 팩을 제어하는 BMS를 포함한다.
상기 BMS는, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호에 따라 스위칭 동작하는 전력 인에이블 스위치, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 따라 상기 동작 모드를 결정하는 연산부, 및 상기 전력 인에이블 스위치를 통해 공급되는 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하여 상기 연산부로 공급하는 컨버터를 포함할 수 있다.
상기 BMS는, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호 및 전력 유지 신호에 따라 전력 인에이블 신호를 생성하는 OR 게이트를 더 포함할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 동기되어 상기 전력 유지 신호를 생성할 수 있다. 상기 연산부는, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 하나가 인에이블된 시점으로부터소정 지연 기간 후에 상기 전력 유지 신호를 생성할 수 있다.
상기 OR 게이트는, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호 각각이 입력되는 일전극을 포함하는 적어도 두 개의 커패시터, 상기 적어도 두 개의 커패시터 각각의 타전극에 연결되어 있는 애노드 및 제1 노드에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 적어도 두 개의 제1 다이오드, 및 상기 전력 유지 신호가 공급되는 애노드 및 상기 제1 노드에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제2 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 전력 인에이블 신호는 상기 제1 노드의 전압에 따라 결정될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호가 상기 적어도 두 개의 커패시터 중 대응하는 커패시터를 통과하고, 상기 대응하는 커패시터를 통과한 신호에 의해 상기 적어도 두 개의 제1 다이오드 중 대응하는 제1 다이오드가 도통되어 상기 전력 인에이블 신호가 하이 레벨로 상승할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 동기되어 상기 전력 유지 신호를 생성하고, 상기 전력 유지 신호에 의해 상기 제2 다이오드가 도통되어, 상기 전력 인에이블 신호가 하이 레벨로 유지될 수 있다.
상기 BMS는, 외부로 CAN 통신을 통해 상기 배터리 팩의 정보를 송신하고, 외부로부터 정보를 수시하는 CAN 송수신기를 포함하고, 상기 컨버터는, 상기 출력 전압을 상기 CAN 송수신기로 공급할 수 있다.
상기 BMS는, 제1 단자의 전압이 입력되는 애노드 및 제1 노드에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제1 다이오드, 및 제2 단자의 전압이 입력되는 애노드 및 상기 제1 노드에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제2 다이오드를 포함하고, 상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 중 도통된 다이오드를 통해 공급되는 전압에 따라 상기 적어도 두 개의 스위치 신호의 인에이블 레벨이 결정될 수 있다.
상기 BMS는, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호가 인에이블되면, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호간의 우선 순위에 따라 상기 배터리 팩의 동작 모드를 결정할 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 관리 방법은, 상기 배터리 팩을 웨이크 업 시키는 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호를 수신하는 단계, 상기 수신된 인에이블된 스위치에 따라 배터리 팩의 동작 모드를 결정하는 단계, 및 상기 결정된 동작 모드에 따라 상기 배터리 팩을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 팩의 관리 방법은, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호에 따라 전력 인에이블 스위치가 스위칭 동작하는 단계, 및 상기 전력 인에이블 스위치를 통해 공급되는 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 스위칭 동작하는 단계는, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 동기되어 상기 전력 유지 신호를 생성하는 단계, 및 상기 적어도 두 개의 스위치 신호 및 상기 전력 유지 신호에 따라 전력 인에이블 신호를 생성하는 단계, 및 상기 전력 인에이블 스위치가 상기 전력 인에이블 신호에 따라 스위칭하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동작 모드를 결정하는 단계는, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호가 인에이블되면, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호간의 우선 순위에 따라 상기 배터리 팩의 동작 모드를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
발명의 또 다른 특징에 따른 차량은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하고, 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 따라 동작 모드를 결정하는 배터리 팩, 및 외부 조작에 따라 상기 적어도 두 개의 스위치 신호를 생성하는 스위치부를 포함한다.
상기 외부 조작은, 상기 차량의 점화키를 턴 온 시키는 조작, 견인을 위해 상기 차량이 움직일 수 있도록 제어하는 스위치를 턴 온 시키는 조작, 상기 차량의 속도 조절을 위해 페달을 밟는 조작 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩은 상기 적어도 두 개의 스위치 신호에 따라 웨이크 업할 수 있다.
상기 스위치부는, 상기 배터리 팩으로부터 공급되는 전압에 연결되어 있는 일단을 포함하는 적어도 두 개의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호는 상기 적어도 두 개의 스위치가 턴 온 될 때 상기 배터리 팩으로 공급될 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 적어도 두 개의 스위치 각각의 타단에 연결되어 있는 일전극을 포함하는 적어도 두 개의 커패시터, 및 상기 적어도 두 개의 커패시터 각각의 타전극에 연결되어 있는 적어도 두 개의 다이오드를 포함할 수 있다.
차량에 새로운 배터리 팩을 적용함에 있어, 배터리 팩에 추가적인 안전성을 확보하여 리튬 배터리의 사용성을 극대화 할 수 있는 배터리 팩, 배터리 팩의 관리 방법, 및 배터리 팩을 포함하는 차량을 제공한다.
도 1은 실시 예에 따른 배터리 팩 및 이를 포함하는 차량의 일부 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 BMS의 일부 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시 예에 따른 OR 게이트를 나타낸 도면이다.
도 4는 실시 예에 따른 신호들의 파형을 나타낸 파형도이다.
도 5는 스위치부의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 스위치부의 다른 일 예를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 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, 어떤부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는경우도 포함한다. 또한어떤 부분이 어떤구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을의미한다.
도 1은 실시 예에따른 배터리 팩 및 이를 포함하는 차량의 일부 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와같이, 실시 예에따른 차량(100)은 배터리 팩(1) 및 배터리 팩과 전기적으로 연결된 차량의 다른 구성(2)을 포함한다. 도 1에서 구성(2)은 충전기(20), 제어기(30), 및 스위치부(40)를 포함한다. 도 1에 도시된 구성(2)은 설명의 편의를 위해 BMS(10)와 전기적으로 연결된 일부 구성만을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
배터리 팩(1)은 BMS(10), 두 개의 배터리 모듈(11, 12), 릴레이(13), 및 퓨즈(14)를 포함한다. 도 1에서, 배터리 팩(1)이 두 개의 배터리 모듈(11, 12)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명을 위한 예시일 뿐, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 차량(100)이 충전기(20)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 충전기(20)는 차량(100)과 별도의 구성으로 구현될 수 있다.
배터리 팩(1)은 차량(100)에 전력을 공급한다. 두 개의 배터리 모듈(11, 12) 각각은 복수의 배터리 셀을 포함하고, P+ 단자와 P- 단자 사이에 병렬로 연결되어 있다. 두 개의 배터리 모듈(11, 12) 각각은 복수의 셀에 대한 정보(예를 들어, 셀 전압, 셀 온도 등), 및 배터리 모듈에 대한 정보(예를 들어, 배터리 모듈에 흐르는 전류, 배터리 모듈의 전압, 배터리 모듈의 온도등)를 감지하여 BMS(10)에 전달할 수 있다. 이하, 복수의 셀에 대한 정보 및 배터리 모듈에 대한 정보를 배터리 감지 정보라 한다.
퓨즈(14)는 두 개의 배터리 모듈(11, 12)과 B+ 단자 사이에 연결되어 과도한 전류가 흐를 때 오픈될 수 있다.
릴레이(13)는 B+ 단자와 P+ 단자 사이에 연결되어 있고, BMS(10)의 제어에 따라 동작한다. 예를 들어, BMS(10)로부터 출력되는 릴레이 신호(Re_S)에 따라 스위칭 동작한다. BMS(10)는 충전 동작이 시작되어 충전기(20)로부터 전력이 공급될 때, 릴레이(13)를 턴 온 시키는 릴레이 신호(Re_S)를 생성할 수 있다.
BMS(10)는 두 개의 배터리 모듈(11, 12) 각각으로부터 배터리 감지 정보를 수신하고, 차량(100)의 충전기(20) 및 제어기(30)와 통신을 통해 배터리 감지 정보를 송신하고, 충전기(20) 및 제어기(30)로부터 배터리 관리에 필요한 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, BMS(10)와 제어기(30) 사이의 통신 방식은 CAN 통신일 수 있다.
배터리 팩(1)은 COM 포트를 포함하고, COM 포트에는 CAN 통신을 위한 복수의 단자들 및 BMS(10)와 충전기(20) 사이의 통신을 위한 복수의 단자들이 구비될 수 있다. 배터리 팩(1)의 P+ 단자는 차량(100)의 P+ 단자에 연결되어 있고, 배터리 팩(1)의 P- 단자는 차량(100)의 P- 단자에 연결되어 있다. 도 1에 도시되어 있지 않으나, 충전 제어 신호(CH_C)를 전송하기 위한 단자, 충전 제어 신호(CH_C)에 대한 그라운드 단자, CAN 통신을 위한 CAN 전원 단자, CAN H 단자, CAN L 단자, 및 CAN 그라운드 단자들이 COM 포트에 구비될 수 있다.
충전기(20)가 온 되었을 때, BMS(10)는 셧다운 상태에서 웨이크-업 상태로 변동하고, 제어기(30)가 내부 잠김 상태가 되면, 두 개의 배터리 모듈(11, 12) 각각으로부터 수신된 배터리 감지 정보에 기초해 충전기(20)의 동작을 제어하는 충전 제어 신호(CH_C)를 생성할 수 있다.
BMS(10)는 배터리 감지 정보에 기초해 배터리 모듈들(11, 12)의 상태를 감지하여 배터리 모듈들(11, 12)이 충전 가능한 상태임을 충전기(20)에 알리고, 충전 상태에 따라 충전 제어 신호(CH_C)를 생성할 수 있다. 충전 제어 신호(CH_C)는 펄스 폭 변조 신호(pulse width modulation signal)로, BMS(10)는 충전 상태에 따라 충전 제어 신호(CH_C)의 온-듀티비를 조절한다.
예를 들어, 배터리 모듈들(11, 12) 모두가 만충전 상태이면, BMS(10)는 만충전을 지시하는 온-듀티비 0%의 충전 제어 신호(CH_C)를 생성할 수 있다.
배터리 모듈들(11, 12)의 충전 시작 상태에서, BMS(10)는 프리챠지(pre-charge)를 지시하는 온-듀티비 12%의 충전 제어 신호(CH_C)를 생성할 수 있다. 프리챠지는 CC(Constant Current) 모드에 따라 배터리 팩(1)이 소정의 제1 전류로 충전되는 것을 의미한다. 충전 시작 상태란, 충전 시작 시점에 최소 셀 전압이 소정의 제1 전압 이하인 상태로, 충전 시작 후에 최소 셀 전압이 소정의 제2 전압에 도달할 때, 충전 시작 상태가 종료된다.
충전 시작 상태가 종료된 후, BMS(10)는 정상챠지(normal charge)를 지시하는 온-듀티비 38%의 충전 제어 신호(CH_C)를 생성할 수 있다. 프리챠지와 구분되는 정상챠지(normal charge)는 CC(Constant Current) 모드에 따라 소정의 제2 전류로 배터리 팩(1)이 충전되는 것을 의미하고, 제2 전류는 제1 전류보다 높은 레벨이다. 정상챠지는 CV 모드에 따라 소정 전압으로 배터리 팩(1)이 충전되는 것을 더 포함할 수 있다.
충전기(20)는 충전 제어 신호(CH_C)의 온-듀티비에 따라 배터리 팩(1)으로 공급되는 전류를 제어할 수 있다.
프리챠지는 충전 시작 상태뿐만 아니라, 배터리 모듈들(11, 12)의 온도가 소정이 정상 온도 범위를 벗어난 상태에서도 적용될 수 있다. BMS(10)는 정상 온도 범위를 벗어난 상태에서 프리챠지를 지시하는 충전 제어 신호(CH_C)를 생성할 수 있다. BMS(10)는 정상 온도 범위에서 정상챠지를 지시하는 온-듀티비의 충전 제어 신호(CH_C)를 생성할 수 있다.
BMS(10)는 배터리 감지 정보에 기초하여 배터리 모듈들(11, 12)의 결함을 감지할 수 있다. 배터리 모듈들(11, 12)의 결함은 배터리 모듈들(11, 12)에 포함된 셀들 중 과전압 또는 저전압인 셀이 발생한 상태, 배터리 모듈들(11, 12)의 과온 또는 저온인 상태, 배터리 팩(1)에 과전류가 흐르는 상태, 배터리 모듈들(11, 12)에 포함된 셀들 중 과방전 셀이 발생한 상태등 배터리 팩(1)이 정상 동작할 수 없는 다양한 상태를 포함한다. BMS(10)가 배터리 모듈들(11, 12)의 결함을 감지하면 이를 충전기(20)에 전송하여 충전 동작을 정지시킬 수 있다. 이 때, BMS(10)는 결함을 알리기 위해서, 온-듀티비 100%의 충전 제어 신호(CH_C)를 생성하고, 릴레이(13)를 턴 오프 시키는 릴레이 신호(Re_S)를 생성할 수 있다.
플러그(3)가 외부 전력이 공급되는 콘센트에 결합되면, 충전기(20)는 플러그인 되고, 충전기(20)는 턴 온 된다. 충전기(20)가 턴 온 되면, 충전기(20)의 P+ 단자를 통해 전력이 BMS(10) 및 제어기(30)에 소정 기간 공급되고, 제어기(30)에 내부 잠김 신호(I/L)가 전송된다. 충전기(20)는 BMS(10)로부터 배터리 팩(1)이 충전 가능한 상태임을 전달 받으면, 충전 제어 신호(CH_C)에 따라 충전 전력을 배터리 팩(1)에 공급한다.
제어기(30)는 챠량의 모든 동작을 제어하는 구성으로, BMS(10)로부터 수신되는 배터리 팩(1)의 정보를 고려하여 차량(100)의 운행을 제어할 수 있다. 배터리 팩(1)의 정보는 배터리 감지 정보를 포함한다. 제어기(30)와 BMS(10)는 서로 CAN 통신을 통해 필요한 정보를 송수신할 수 있다.
제어기(30)는 충전기(20)가 온 되었을 때, 셧다운 상태에서 웨이크-업 상태로 변동하고, 내부 잠김 신호(I/L)를 수신하면, BMS(10)로 내부 잠김 신호(I/L)에 대응하는 출력을 전송한다. 내부 잠김 신호(I/L)에 따라제어기(30)는 차량(100)의 동작을 정지 시킨다.
스위치부(40)는 외부로부터 차량(100)에 입력되는 조작에 대응하는 스위치를 턴 온 시킨다. 스위치부(40)는 배터리 팩(1)으로부터 PACK+ 전압을 공급받고, 턴 온 된 스위치에 따라 온 레벨의 스위치 신호(SG1-SG3)를 출력할 수 있다. 온 레벨은 PACK+ 전압에 따를 수 있다.
외부로부터 차량(100)에 입력되는 조작은, 차량(100)의 점화키(ignition key)를 턴 온 시키는 조작, 견인(tow)을 위해 차량(100)이 움직일 수 있도록 제어하는 스위치를 턴 온 시키는 조작, 차량(100)의 속도 조절을 위해 페달(pedal)을 밟는 조작 등이 있을 수 있다. 점화키가 턴 온 되면, 스위치부(40)의 점화 스위치가 턴 온 되어 스위치 신호(SG1)가 온 레벨이 될 수 있다. 견인을 위한 제어 스위치가 턴 온 되면, 스위치부(40)의 토우 스위치가 턴 온 되어 스위치 신호(SG2)가 온 레벨이 될 수 있다. 페달이 밟히면, 스위치부(40)의 페달 스위치가 턴 온 되어 스위치 신호(SG3)가 온 레벨이 될 수 있다.
BMS(10)의 COM 포트는 스위치 신호들(SG1-SG3)을 수신하기 위한 단자를 더 포함할 수 있다. BMS(10)는 스위치 신호들(SG1-SG3)에 따라 배터리 팩(1)의 동작 모드를 다르게 제어할 수 있다. BMS(10)는 스위치 신호들(SG1-SG3) 중 하이 레벨로 인에이블 된 신호에 기초하여 배터리 팩(1)의 동작 모드를 결정할 수 있다. 스위치 신호들(SG1-SG3)은 배터리 팩(1)을 웨이크 업(wake up) 시킬 수 있는 신호들이다. 웨이크 업 상태에서, BMS(10)는 온 되고, CAN 통신을 위한 CAN 송수신기(105, 도2 참조)도 함께 온 될 수 있다.
BMS(10)는 결정된 동작 모드에 따라 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 다르게 제어할 수 있다. 또한, 스위치 신호들(SG1-SG3) 중 인에이블 된 신호가 둘 이상인 경우, 스위치 신호들(SG1-SG3) 간의 우선순위를 정하여, 우선 순위가 높은 스위치 신호에 기초한 동작 모드로 배터리 팩(1)을 제어할 수 있다.
또한, BMS(10)는 스위치 신호들(SG1-SG3) 중 인에이블 된 신호에 따라 자동 셧다운을 위한 제어 조건을 다르게 제어할 수 있다. 자동 셧다운이란 배터리 팩(1)에 흐르는 전류가 소정의 임계 전류 이하로 소정의 임계 기간 동안 유지되면 배터리 팩(1)이 셧다운 되는 동작을 의미한다. 배터리 팩(1)이 셧다운 되면, 릴레이(13)가 오프되고 BMS(10)도 오프 된다.
도 2는 실시 예에 따른 BMS의 일부 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, BMS(10)는 전류 제한기(101), 컨버터(102), OR 게이트(103), 연산부(104), CAN 송수신기(105), 전력 인에이블 스위치(PWR_S), 및 두 개의 다이오드(D1, D2)를 포함한다.
다이오드(D1)의 애노드는 P+ 단자에 연결되어 있고, 다이오드(D2)의 애노드는 B+ 단자에 연결되어 있으며, 다이오드(D1) 및 다이오드(D2)의 캐소드는 노드(N1)에 연결되어 있다. 다이오드(D1)가 P+ 단자의 전압에 의해 도통되면, P+ 단자의 전압이 PACK+ 전압으로 출력되고, 다이오드(D2)가 B+ 단자의 전압에 의해 도통되면, B+ 단자의 전압이 PACK+ 전압으로 출력된다. 그러면, P+ 단자 및 B+ 단자의 전압 중 높은 전압이 전류 제한기(101)를 통해 PACK+ 전압으로 출력된다.
전류 제한기(101)는 P+ 단자 또는 B+ 단자로부터 스위치부(40)로 흐르는 전류가 소정의 임계치를 넘지 않도록 제한한다.
전력 인에이블 스위치(PWR_S)는 노드(N1)와 컨버터(102)의 입력단 사이에 연결되어 있고, 전력 인에이블 스위치(PWR_S)가 턴 온 되면, 컨버터(102)로 입력 전압(Vin)이 공급된다. 전력 인에이블 스위치(PWR_S)는 OR 게이트(103)로부터 출력되는 전력 인에이블 신호(PWR_EN)에 의해 스위칭 동작한다. 예를 들어, 하이 레벨의 전력 인에이블 신호(PWR_EN)에 의해 전력 인에이블 스위치(PWR_S)가 턴 온 되고, 로우 레벨의 전력 인에이블 신호(PWR_EN)에 의해 전력 인에이블 스위치(PWR_S)가 턴 오프 될 수 있다.
컨버터(102)는 입력 전압(Vin)을 입력받고, 입력 전압(Vin)을 변환하여 출력 전압(Vout)을 생성한다. 출력 전압(Vout)은 연산부(104) 및 CAN 송수신기(105)에 전원 전압일 수 있다.
연산부(104)는 스위치 신호들(SG1-SG3)을 수신하고, 스위치 신호들(SG1-SG3) 중 인에이블 된 스위치 신호에 따라 배터리 팩(1)의 동작 모드를 결정한다. 예를 들어, 스위치 신호(SG1) 및 스위치 신호(SG2)가 인에이블 되고, 스위치 신호(SG3)가 디스에이블 상태이면, 연산부(104)는 배터리 팩(1)의 모드를 RUN 모드로 결정한다. RUN 모드에 따라, 배터리 팩(1)으로부터 차량(100)에 전력이 공급된다. 또는, 스위치 신호(SG1) 및 스위치 신호(SG3)가 인에이블 되면, 연산부(104)는 배터리 팩(1)의 모드를 충전 모드로 결정한다. 충전 모드에 따라, 배터리 팩(1)은 충전기(20)로부터 공급되는 전력에 의해 충전될 수 있다.
또한, 연산부(104)는 스위치 신호들(SG1-SG3) 중 인에이블된 스위치 신호에 따라 자동 셧다운을 위한 제어 조건을 다르게 제어할 수 있다. 예를 들어, RUN 모드에서, 연산부(104)는 배터리 팩(1)으로부터 차량(100)에 공급되는 전류가 소정의 제1 임계치 이하로 제1 시간 동안 유지되면 자동 셧다운 모드로 결정한다. 또는, 충전 모드에서, 연산부(104)는 충전기(20)로부터 배터리 팩(1)으로 공급되는 전류가 소정의 제2 임계치 이하로 제2 시간 동안 유지되면 자동 셧다운 모드로 결정한다. 제1 시간이 제2 시간보다 긴 시간일 수 있다.
연산부(104)는 스위치 신호들(SG1-SG3) 모두가 디스에이블되면, 자동 셧다운 모드로 결정할 수 있다.
연산부(104)가 자동 셧다운 모드로 결정하면, 전력 인에이블 스위치(PWR_S)를 턴 오프 시키는 전력 유지 신호(PWR_KEEP)를 생성한다. 예를 들어, 연산부(104)는 전력 인에이블 신호(PWR_EN)가 하이 레벨로 상승하면 소정 지연 시간 후에 하이 레벨의 전력 유지 신호(PWR_KEEP)를 생성한다. 연산부(104)는 자동 셧다운 모드로 결정하고, 전력 유지 신호(PWR_KEEP)를 로우 레벨로 생성할 수 있다. 전력 인에이블 스위치(PWR_S)가 턴 오프 되면, 연산부(104) 및 CAN 송수신기(105)에 공급되는 전원 전압이 차단되어, BMS(10)가 오프 되고, 릴레이(13) 역시 오프 된다. 즉, 배터리 팩(1)이 오프 된다.
OR 게이트(103)는 스위치 신호들(SG1-SG3) 및 전력 유지 신호(PWR_KEEP)를 수신하고, 수신된 신호들 중 적어도 하나가 하이 레벨이면 하이 레벨의 전력 인에이블 신호(PWR_EN)를 생성한다.
CAN 송수신기(105)는 제어기(30)로 차량(100)의 운행에 필요한 정보를 CAN 통신을 송신하고, 제어기(30)로부터 CAN 통신을 통해 수신된 배터리 팩(1)의 제어에 필요한 정보를 연산부(104)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 연산부(104)가 자동 셧다운 모드를 결정하면, CAN 송수신기(105)는 자동 셧다운 모드로 배터리 팩(1)이 진입함을 제어기(30)에 알릴 수 있다.
도 3은 실시 예에 따른 OR 게이트를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, OR 게이트(103)는 세 개의 커패시터(C1-C3) 및 네 개의 다이오드(D3-D6)를 포함한다.
커패시터(C1)의 일전극에는 스위치 신호(SG1)가 입력되고, 커패시터(C1)의 타전극은 다이오드(D3)의 애노드에 연결되어 있다. 커패시터(C2)의 일전극에는 스위치 신호(SG2)가 입력되고, 커패시터(C2)의 타전극은 다이오드(D4)의 애노드에 연결되어 있다. 커패시터(C3)의 일전극에는 스위치 신호(SG3)가 입력되고, 커패시터(C3)의 타전극은 다이오드(D5)의 애노드에 연결되어 있다. 전력 유지 신호(PWR_KEEP)는 다이오드(D6)의 애노드에 공급된다.
다이오드(D3-D6)의 캐소드는 노드(N2)에 연결되어 있고, 노드(N2)의 전압에 따라 전력 인에이블 신호(PWR_EN)의 전압 레벨이 결정된다.
커패시터들(C1-C3)는 필터로서, 교류 성분만을 통과시킨다. 예를 들어, 스위치 신호(SG1)가 상승하면, 커패시터(C1)를 통과한 신호(SG1_C)는 하이 레벨 펄스로 발생한다. 그러면, 다이오드(D3)가 신호(SG1_C)의 하이 레벨 펄스 동안 도통되어, 전력 인에이블 신호(PWR_EN)가 하이 레벨 펄스가 된다.
전력 유지 신호(PWR_KEEP)가 하이 레벨인 기간 동안 다이오드(D6)가 도통되어, 전력 인에이블 신호(PWR_EN)는 하이 레벨로 유지된다.
이하, 도 4를 참조하여 OR 게이트(103) 및 연산부(104)의 동작을 설명한다.
도 4는 실시 예에 따른 신호들의 파형을 나타낸 파형도이다.
도 4에는, 스위치 신호(SG1)가 인에이블되는 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
시점 T0에 P+ 단자 또는 B+ 단자의 전압에 의해 하이 레벨의 PACK+ 전압이 출력된다. 그러면, 스위치부(40)에 하이 레벨의 PACK+ 전압이 공급되어, 스위치부(40)의 스위치들 중 턴 온 되는 스위치에 따른 스위치 신호가 인에이블 될 수 있는 상태가 된다.
시점 T1에 스위치 신호(SG1)가 인에이블 되어 하이 레벨로 상승한다. 스위치 신호(SG1)가 커패시터(C1)를 통과하여, 기간 T1-T34 동안 신호(SG1_C)가 하이 레벨 펄스가 된다.
시점 T1에 OR 게이트(103)는 신호(SG1_C)에 따라 하이 레벨의 전력 인에이블 신호(PWR_EN)를 생성한다. 연산부(104)는 기간 T1-T2 동안 초기화 상태로, 배터리 팩(1)의 초기 상태를 점검할 수 있다. 시점 T1으로부터 지연 기간이 경과한 시점 T3에 연산부(104)는 전력 유지 신호(PWR_KEEP)를 하이 레벨로 상승시킨다.
시점 T34에 신호(SG1_C)가 로우 레벨로 하강하지만, 하이 레벨의 전력 유지 신호(PWR_KEEP)에 의해 전력 인에이블 신호(PWR_EN)는 하이 레벨로 유지된다.
시점 T4에 스위치 신호(SG1)가 로우 레벨로 하강한다. 다른 스위치 신호들(SG2, SG3)은 로우 레벨인 것으로 가정한다. 그러면, 시점 T4부터 모든 스위치 신호들(SG1-SG3)이 로우 레벨이 된다.
시점 T5에 연산부(104)는 자동 셧다운 모드를 결정하고, 전력 오프를 위한 동작을 시작한다. 예를 들어, 기간T5-T6 동안, 연산부(104)는 배터리 팩(1)에 관한 정보를 백업할 수 있다. 시점 T7에 연산부(104)는 전력 유지 신호(PWR_KEEP)를 로우 레벨로 하강시킨다. 그러면, OR 게이트(103)의 모든 입력이 로우 레벨이 되어, 전력 인에이블 신호(PWR_EN)도 로우 레벨로 하강한다.
시점 T7에, 전력 인에이블 스위치(PWR_S)는 턴 오프 된다. 시점 T7부터 컨버터(102)의 출력 전압(Vout)이 발생하지 않으므로, 연산부(104) 및 CAN 송수신기(105)가 오프 되고, BMS(10)도 오프 된다.
스위치부(40)는 차량(100)에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
도 5는 스위치부의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스위치부(40)는 세 개의 스위치(41-43)를 포함할 수 있다. 스위치(41)는 신호(SW1)에 의해 스위칭 동작하고, PACK+ 전압이 공급되는 일단 및 OR 게이트(103)에 전기적으로 연결되는 타단을 포함한다. 스위치(42)는 신호(SW2)에 의해 스위칭 동작하고, PACK+ 전압이 공급되는 일단 및 OR 게이트(103)에 전기적으로 연결되는 타단을 포함한다. 스위치(43)는 신호(SW3)에 의해 스위칭 동작하고, PACK+ 전압이 공급되는 일단 및 OR 게이트(103)에 전기적으로 연결되는 타단을 포함한다.
점화키(ignition key)를 턴 온 시키는 조작이 발생하면 신호(SW1)가 하이 레벨이 되어 스위치(41)가 턴 온 될 수 있다. 견인(tow)을 위해 차량(100)이 움직일 수 있도록 제어하는 스위치를 턴 온 시키는 조작이 발생하면, 신호(SW2)가 하이 레벨이 되어 스위치(42)가 턴 온 될 수 잇다. 속도 조절을 위해 페달(pedal)을 밟는 조작이 발생하면, 신호(SW3)가 하이 레벨이 되어 스위치(43)가 턴 온 될 수 있다.
실시 예에 따른 스위치부(40)가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 스위치부의 다른 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 스위치부(40)는 세 개의 스위치(44-46)를 포함할 수 있다. 스위치(44)는 신호(SW2)에 의해 스위칭 동작하고, PACK+ 전압이 공급되는 일단 및 OR 게이트(103)에 전기적으로 연결되는 타단을 포함한다. 스위치(45)는 신호(SW1)에 의해 스위칭 동작하고, 스위치(44)의 타단에 연결되어 있는 일단 및 OR 게이트(103)에 전기적으로 연결되는 타단을 포함한다. 스위치(46)는 신호(SW3)에 의해 스위칭 동작하고, 스위치(45)의 타단에 연결되어 있는 일단 및 OR 게이트(103)에 전기적으로 연결되는 타단을 포함한다.
신호(SW1-SW3)가 하이 레벨로 발생하는 경우는 도 5의 설명과 동일하므로 그 설명은 생략한다.
이와 같이, 배터리 팩을 웨이크 업 시키는 스위치 신호들 중 인에이블된 스위치 신호들에 따라 배터리 팩의 동작 모드를 결정함으로써, 사용자가 배터리 팩을 사용할 수 있는 정도를 극대화할 수 있다.
이상에서 복수의 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는본 발명의 기본개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 배터리 팩
10: BMS
20: 충전기
30: 제어기
11, 12: 배터리 모듈
13: 릴레이
14: 퓨즈
40: 스위치부
100: 차량

Claims (20)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈, 및
    배터리 팩을 웨이크 업 시키는 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 따라 배터리 팩의 동작 모드를 결정하고, 결정된 동작 모드에 따라 상기 배터리 팩을 제어하는 BMS를 포함하는
    배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 BMS는,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호에 따라 스위칭 동작하는 전력 인에이블 스위치,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 따라 상기 동작 모드를 결정하는 연산부, 및
    상기 전력 인에이블 스위치를 통해 공급되는 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하여 상기 연산부로 공급하는 컨버터를 포함하는
    배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 BMS는,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호 및 전력 유지 신호에 따라 전력 인에이블 신호를 생성하는 OR 게이트를 더 포함하는
    배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 동기되어 상기 전력 유지 신호를 생성하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 하나가 인에이블된 시점으로부터 소정 지연 기간 후에 상기 전력 유지 신호를 생성하는 배터리 팩.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 OR 게이트는,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호 각각이 입력되는 일전극을 포함하는 적어도 두 개의 커패시터,
    상기 적어도 두 개의 커패시터 각각의 타전극에 연결되어 있는 애노드 및 제1 노드에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 적어도 두 개의 제1 다이오드, 및
    상기 전력 유지 신호가 공급되는 애노드 및 상기 제1 노드에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제2 다이오드를 포함하고,
    상기 전력 인에이블 신호는 상기 제1 노드의 전압에 따라 결정되는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호가 상기 적어도 두 개의 커패시터 중 대응하는 커패시터를 통과하고, 상기 대응하는 커패시터를 통과한 신호에 의해 상기 적어도 두 개의 제1 다이오드 중 대응하는 제1 다이오드가 도통되어 상기 전력 인에이블 신호가 하이 레벨로 상승하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 동기되어 상기 전력 유지 신호를 생성하고,
    상기 전력 유지 신호에 의해 상기 제2 다이오드가 도통되어, 상기 전력 인에이블 신호가 하이 레벨로 유지되는 배터리 팩.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 BMS는,
    외부로 CAN 통신을 통해 상기 배터리 팩의 정보를 송신하고, 외부로부터 정보를 수시하는 CAN 송수신기를 포함하고,
    상기 컨버터는, 상기 출력 전압을 상기 CAN 송수신기로 공급하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 BMS는,
    제1 단자의 전압이 입력되는 애노드 및 제1 노드에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제1 다이오드, 및
    제2 단자의 전압이 입력되는 애노드 및 상기 제1 노드에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제2 다이오드를 포함하고,
    상기 제1 다이오드 및 상기 제2 다이오드 중 도통된 다이오드를 통해 공급되는 전압에 따라 상기 적어도 두 개의 스위치 신호의 인에이블 레벨이 결정되는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 BMS는,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호가 인에이블되면, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호간의 우선 순위에 따라 상기 배터리 팩의 동작 모드를 결정하는 배터리 팩.
  12. 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩의 관리 방법에 있어서,
    상기 배터리 팩을 웨이크 업 시키는 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호를 수신하는 단계,
    상기 수신된 인에이블된 스위치에 따라 배터리 팩의 동작 모드를 결정하는 단계, 및
    상기 결정된 동작 모드에 따라 상기 배터리 팩을 제어하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 관리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호에 따라 전력 인에이블 스위치가 스위칭 동작하는 단계, 및
    상기 전력 인에이블 스위치를 통해 공급되는 입력 전압을 변환하여 출력 전압을 생성하는 단계를 더 포함하는 배터리 팩의 관리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스위칭 동작하는 단계는,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 동기되어 상기 전력 유지 신호를 생성하는 단계,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호 및 상기 전력 유지 신호에 따라 전력 인에이블 신호를 생성하는 단계, 및
    상기 전력 인에이블 스위치가 상기 전력 인에이블 신호에 따라 스위칭하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 관리 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 동작 모드를 결정하는 단계는,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호가 인에이블되면, 상기 적어도 두 개의 스위치 신호간의 우선 순위에 따라 상기 배터리 팩의 동작 모드를 결정하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 관리 방법.
  16. 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하고, 적어도 두 개의 스위치 신호 중 인에이블된 스위치 신호에 따라 동작 모드를 결정하는 배터리 팩, 및
    외부 조작에 따라 상기 적어도 두 개의 스위치 신호를 생성하는 스위치부를 포함하는 차량.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 외부 조작은,
    상기 차량의 점화키를 턴 온 시키는 조작, 견인을 위해 상기 차량이 움직일 수 있도록 제어하는 스위치를 턴 온 시키는 조작, 상기 차량의 속도 조절을 위해 페달을 밟는 조작 중 적어도 하나를 포함하는 차량.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 상기 적어도 두 개의 스위치 신호에 따라 웨이크 업하는 차량.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    상기 배터리 팩으로부터 공급되는 전압에 연결되어 있는 일단을 포함하는 적어도 두 개의 스위치를 포함하고,
    상기 적어도 두 개의 스위치 신호는 상기 적어도 두 개의 스위치가 턴 온 될 때 상기 배터리 팩으로 공급되는 차량.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    상기 적어도 두 개의 스위치 각각의 타단에 연결되어 있는 일전극을 포함하는 적어도 두 개의 커패시터, 및
    상기 적어도 두 개의 커패시터 각각의 타전극에 연결되어 있는 적어도 두 개의 다이오드를 포함하는 차량.
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