KR20200047075A - 밸런싱 장치, 및 그것을 포함하는 배터리 관리 시스템과 배터리팩 - Google Patents

밸런싱 장치, 및 그것을 포함하는 배터리 관리 시스템과 배터리팩 Download PDF

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Abstract

밸런싱 장치 및 그것을 포함하는 배터리팩이 제공된다. 상기 밸런싱 장치는, 보조 배터리의 전압으로부터 제1 하이 레벨 전압을 선택적으로 생성하도록 구성되는 전압 레귤레이터; 제1 전류 단자, 제2 전류 단자 및 제어 단자를 포함하되, 상기 제1 전류 단자는 배터리 그룹의 고전압 노드에 전기적으로 연결되는 전원 스위치; 전압 입력 단자 및 전압 출력 단자를 포함하되, 상기 전압 입력 단자에 인가되는 전압으로부터 제2 하이 레벨 전압을 생성하고, 상기 제2 하이 레벨 전압을 상기 전압 출력 단자에 출력하도록 구성되며, 상기 전압 입력 단자는 상기 제2 전류 단자에 전기적으로 연결되는 DCDC 컨버터; 상기 배터리 그룹에 포함된 복수의 배터리 셀에 병렬 연결되는 복수의 밸런싱 회로를 포함하는 밸런싱부; 및 전원 단자, 홀드 단자 및 복수의 밸런싱 단자를 포함하되, 상기 전원 단자는 상기 전압 출력 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 홀드 단자는 상기 제어 단자에 전기적으로 연결되며, 상기 복수의 밸런싱 단자는 상기 복수의 밸런싱 회로에 전기적으로 연결되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 전원 단자에 상기 제2 하이 레벨 전압이 인가되는 것에 응답하여, 상기 제1 하이 레벨 전압을 상기 홀드 단자를 통해 홀드하도록 구성된다.

Description

밸런싱 장치, 및 그것을 포함하는 배터리 관리 시스템과 배터리팩{balancing apparatus, and battery management system and battery pack including the same}
본 발명은 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 균등화하기 위한 밸런싱 장치, 및 그것을 포함하는 배터리 관리 시스템과 배터리팩에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리팩은, 복수의 배터리 셀 및 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템은, 복수의 배터리 셀의 상태를 관리하기 위하여 제공된다. 배터리팩의 충방전이 반복됨에 따라, 복수의 배터리 셀 간의 충전 상태에 불균형이 발생할 수 밖에 없다. 이러한 불균형을 억제하기 않고 계속적으로 배터리팩의 충방전을 반복할 경우, 배터리팩을 충분히 활용할 수 없을 뿐만 아니라, 복수의 배터리 셀의 수명이 빠르게 단축된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 균등화하기 위한 밸런싱 장치가 제안된바 있다.
그런데, 종래기술에 따른 밸런싱 장치는, 배터리팩이 탑재된 전동 장치(예, 전기 자동차)에 별도로 마련되어 있는 보조 배터리(예, 납축 배터리)로부터 전력이 공급되는 동안에만, 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 균등화하는 동작이 가능하다는 제약이 존재하였다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 균등화하는 동작 중에 보조 배터리로부터의 전력 공급이 중단되더라도, 복수의 배터리 셀을 전원으로서 이용하여 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 균등화하는 동작을 유지할 수 있는 밸런싱 장치, 및 그것을 포함하는 배터리 관리 시스템과 배터리팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 밸런싱 장치는, 보조 배터리의 전압으로부터 제1 하이 레벨 전압을 선택적으로 생성하도록 구성되는 전압 레귤레이터; 제1 전류 단자, 제2 전류 단자 및 제어 단자를 포함하되, 상기 제1 전류 단자는 배터리 그룹의 고전압 노드에 전기적으로 연결되는 전원 스위치; 전압 입력 단자 및 전압 출력 단자를 포함하되, 상기 전압 입력 단자에 인가되는 전압으로부터 제2 하이 레벨 전압을 생성하고, 상기 제2 하이 레벨 전압을 상기 전압 출력 단자에 출력하도록 구성되며, 상기 전압 입력 단자는 상기 제2 전류 단자에 전기적으로 연결되는 DCDC 컨버터; 상기 배터리 그룹에 포함된 복수의 배터리 셀에 병렬 연결되는 복수의 밸런싱 회로를 포함하는 밸런싱부; 및 전원 단자, 홀드 단자 및 복수의 밸런싱 단자를 포함하되, 상기 전원 단자는 상기 전압 출력 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 홀드 단자는 상기 제어 단자에 전기적으로 연결되며, 상기 복수의 밸런싱 단자는 상기 복수의 밸런싱 회로에 전기적으로 연결되는 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 상기 전원 단자에 상기 제2 하이 레벨 전압이 인가되는 것에 응답하여, 상기 제1 하이 레벨 전압을 상기 홀드 단자를 통해 홀드하도록 구성된다.
상기 각 밸런싱 회로는, 서로 직렬 연결되는 저항 소자 및 밸런싱 스위치를 포함한다. 상기 각 밸런싱 스위치는, 상기 각 밸런싱 단자에 전기적으로 연결된다.
상기 제어부는, 마스터 컨트롤러로부터 셀 식별 번호 및 밸런싱 필요 기간을 나타내는 정보를 포함하는 밸런싱 요구 메시지를 수신 시, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 상기 셀 식별 정보에 대응하는 어느 한 배터리 셀을 밸런싱 타겟으로서 설정하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 전원 단자에 상기 제2 하이 레벨 전압이 인가되는 동안, 상기 복수의 밸런싱 회로 중에서 상기 밸런싱 타겟에 병렬 연결된 상기 밸런싱 회로의 상기 밸런싱 스위치를 온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 밸런싱 타겟에 병렬 연결된 상기 밸런싱 회로의 상기 밸런싱 스위치가 온 상태로 제어된 기간을 카운팅하도록 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 상기 카운팅된 기간이 상기 밸런싱 필요 기간에 도달하는 경우, 상기 제1 하이 레벨 전압의 홀드를 중단하도록 구성될 수 있다.
상기 마스터 컨트롤러와 상기 제어부를 양방향 통신 가능하게 접속하도록 구성되는 통신 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 전원 스위치는, 상기 제어 단자에 상기 제1 하이 레벨 전압이 인가되는 경우, 온 상태로 될 수 있다. 상기 전원 스위치가 온 상태인 동안, 상기 전원 단자에 상기 제2 하이 레벨 전압이 인가될 수 있다.
상기 전원 스위치는, 상기 제1 전류 단자로서의 소스, 상기 제2 전류 단자로서의 드레인 및 상기 제어 단자로부터의 게이트를 포함하는 n-채널 MOSFET일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 홀드 단자와 접지 사이에 연결되는 홀드 커패시터를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 홀드 커패시터에 병렬 연결되는 홀드 스위치를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 전원 단자에 상기 제2 하이 레벨 전압이 인가되는 것에 응답하여, 상기 홀드 스위치를 오프 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 고전압 노드에 전기적으로 연결되는 디스에이블 단자를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 디스에이블 단자에 인가되는 전압이 임계 전압보다 낮은 경우, 상기 홀드 스위치를 온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 관리 시스템은, 상기 밸런싱 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리팩은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 보조 배터리로부터의 전력 공급이 중단되더라도, 복수의 배터리 셀을 전원으로서 이용하여 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 균등화하는 동작을 유지할 수 있다.
또한, 배터리팩이 과방전될 위험이 있는 경우, 복수의 배터리 셀의 충전 상태를 균등화하는 동작을 자동적으로 중단할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리팩의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어부에 포함되는 전압 홀드 회로의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리팩의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리팩의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
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 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
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 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리팩(10)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 제어부(270)에 포함되는 전압 홀드 회로(280)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리팩(10)은, 배터리 그룹(20) 및 배터리 관리 시스템(50)을 포함하고, 전기 자동차의 전기 모터에 전력을 공급할 수 있다.
배터리 그룹(20)은, 고전압 단자(21), 저전압 단자(22) 및 복수의 배터리 셀(30)을 포함한다. 복수의 배터리 셀(30)은, 고전압 단자(21)와 저전압 단자(22) 사이에 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 배터리 셀(30)은, 예컨대 리튬 이온 셀(30)과 같이, 재충전 가능한 것이라면 그 종류는 특별히 제한되지 않는다.
배터리 관리 시스템(50)은, 마스터 컨트롤러(100) 및 밸런싱 장치(200)를 포함한다.
마스터 컨트롤러(100)는, 밸런싱 장치(200)와 동작 가능하게 결합된다. 마스터 컨트롤러(100)는, 밸런싱 장치(200)로부터의 통지 정보를 기초로, 밸런싱 장치(200)를 제어하도록 구성된다. 마스터 컨트롤러(100)는, 배터리팩(10)이 탑재되어 있는 전기 자동차의 시동이 켜지는 것에 응답하여, 보조 배터리(40)로부터의 동작 전원을 밸런싱 장치(200)에 공급할 수 있다.
밸런싱 장치(200)는, 전압 레귤레이터(210), 전원 스위치(220), DCDC 컨버터(230), 밸런싱부(240) 및 제어부(270)를 포함한다. 밸런싱 장치(200)는, 통신 회로(260)를 더 포함할 수 있다.
전압 레귤레이터(210)는, 동작 중, 보조 배터리(40)의 전압(예, 12V)으로부터 제1 하이 레벨 전압(예, 5V)을 생성하도록 구성된다. LDO(Low-dropout) 레귤레이터일 수 있다. 보조 배터리(40)로는, 예컨대 납축 배터리를 이용할 수 있다. 마스터 컨트롤러(100)는 배터리팩(10)이 탑재되어 있는 전동 장치가 구동하는 동안 전압 레귤레이터(210)를 동작시키고, 이에 따라 전압 레귤레이터(210)는 제1 하이 레벨 전압을 전원 스위치(220)에게 출력할 수 있다. 마스터 컨트롤러(100)는 전동 장치의 구동이 중단되어 있는 동안 전압 레귤레이터(210)의 동작을 중단시키고, 이에 따라 전압 레귤레이터(210)는 제1 하이 레벨 전압의 출력을 중단할 수 있다.
전원 스위치(220)는, 제1 전류 단자(221), 제2 전류 단자(222) 및 제어 단자(223)를 포함한다. 전원 스위치(220)로서 n채널 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)이 이용될 수 있다. n채널 MOSFET은, 제1 전류 단자(221)로서의 소스(또는 드레인), 제2 전류 단자(222)로서의 드레인(또는 소스) 및 제어 단자(223)로서의 게이트를 포함한다. 제1 전류 단자(221)는, 배터리 그룹(20)의 고전압 단자(21)에 전기적으로 연결된다. 제어 단자(223)는, 전압 레귤레이터(210)로부터의 제1 하이 레벨 전압을 수신할 수 있도록, 전압 레귤레이터(210)에 전기적으로 연결된다. 전원 스위치(220)는, 제어 단자(223)에 제1 하이 레벨 전압이 인가되는 것에 응답하여, 온 상태로 되다. 전원 스위치(220)가 온 상태인 동안, 제1 전류 단자(221)로부터 제2 전류 단자(222)로의 전류가 흐를 수 있다. 전원 스위치(220)는, 제어 단자(223)에 제1 하이 레벨 전압보다 낮은 로우 레벨 전압(예, 0V)이 인가되는 것에 응답하여, 오프 상태로 되다. 전원 스위치(220)가 오프 상태인 동안, 제1 전류 단자(221)와 제2 전류 단자(222) 간의 전류 흐름은 차단될 수 있다.
DCDC 컨버터(230)는, 전압 입력 단자(231) 및 전압 출력 단자(232)를 포함한다. DCDC 컨버터(230)로는, 예컨대 SMPS(switched mode power supply)와 같은 전압 강압 회로가 이용될 수 있다. 전압 입력 단자(231)는, 제2 전류 단자(222)에 전기적으로 연결된다. DCDC 컨버터(230)는, 전원 스위치(220)가 온 상태인 동안에 전압 입력 단자(231)에 인가되는 전압으로부터 제2 하이 레벨 전압을 생성한 다음, 제2 하이 레벨 전압을 전압 출력 단자(232)에 출력하도록 구성된다. 제2 하이 레벨 전압은, 제어부(270)의 동작을 위한 전원으로서 이용될 수 있다. 전원 스위치(220)가 오프 상태인 동안, DCDC 컨버터(230)에 의한 제2 하이 레벨 전압의 생성은 중단된다.
밸런싱부(240)는, 복수의 밸런싱 회로(BC)를 포함한다. 복수의 밸런싱 회로(BC)는, 배터리 그룹(20)에 포함된 복수의 배터리 셀(30)에 병렬 연결된다. 각 밸런싱 회로(BC)는, 서로 전기적으로 직렬 연결되는 방전 저항 소자(RD) 및 밸런싱 스위치(SWD)를 포함한다. 즉, 밸런싱부(240)는, 복수의 방전 저항 소자(RD) 및 복수의 밸런싱 스위치(SWD)를 포함한다. n채널 MOSFET와 같은 공지의 스위칭 소자가 밸런싱 스위치(SWD)로서 이용될 수 있다. 복수의 밸런싱 스위치(SWD)는, 제어부(270)에 의해 온 상태 또는 오프 상태로 제어된다.
통신 회로(260)는, 마스터 컨트롤러(100)와 제어부(270)를 양방향 통신 가능하게 접속하도록 구성된다. 통신 회로(260)는, 마스터 컨트롤러(100)와 제어부(270) 간의 유선 또는 무선 통신을 지원한다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: controller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다.
제어부(270)는, 하드웨어적으로 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 제어부(270)에는 메모리 디바이스가 내장될 수 있으며, 메모리 디바이스로는 예컨대 RAM, ROM, 레지스터, 하드디스크, 광기록 매체 또는 자기기록 매체가 이용될 수 있다. 메모리 디바이스는, 제어부(270)에 의해 실행되는 각종 제어 로직을 포함하는 프로그램, 및/또는 상기 제어 로직이 실행될 때 발생되는 데이터를 저장, 갱신 및/또는 소거할 수 있다. 제어부(270)는, 마스터 컨트롤러(100)의 감독 하에 있다는 점에서, '슬레이브 컨트롤러'라고 칭할 수도 있다.
제어부(270)는, 복수의 센싱 단자(PS), 전원 단자(PP), 홀드 단자(PH), 전압 홀드 회로(280) 및 복수의 밸런싱 단자(PB)를 포함한다.
복수의 센싱 단자(PS)는, 복수의 배터리 셀(30)의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결된다. 이로써, 제어부(270)는, 복수의 센싱 단자(PS) 중에서 서로 인접한 쌍들 간의 전압을 복수의 배터리 셀(30) 각각의 전압으로서 검출할 수 있다.
전원 단자(PP)는, 제2 하이 레벨 전압을 수신할 수 있도록, DCDC 컨버터(230)의 전압 출력 단자(232)에 전기적으로 연결된다. 제2 하이 레벨 전압은, 제어부(270)의 동작에 요구되는 전압 또는 전압 범위를 지칭하는 것일 수 있다.
홀드 단자(PH)는, 제1 하이 레벨 전압을 수신할 수 있도록, 제어 단자(223)에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 전압 레귤레이터(210)로부터의 제1 하이 레벨 전압은, 제어 단자(223)와 홀드 단자(PH)에 동시에 인가될 수 있다.
전압 홀드 회로(280)는, 홀드 커패시터(CH) 및 홀드 스위치(SWH)를 포함할 수 있다. 홀드 커패시터(CH)는, 홀드 단자(PH)와 접지 사이에 전기적으로 연결된다. 홀드 스위치(SWH)는, 홀드 커패시터(CH)에 전기적으로 병렬 연결된다. 전압 홀드 회로(280)는, 방전 저항 소자(RH)를 더 포함할 수 있다. 방전 저항 소자(RH)는, 홀드 스위치(SWH)에 전기적으로 직렬 연결되고, 홀드 커패시터(CH)에 전기적으로 병렬 연결된다.
제어부(270)는, 전원 단자(PP)에 제2 하이 레벨 전압이 인가되는 것에 응답하여, 제어부(270)가 홀드 스위치(SWH)를 오프 상태로 제어하여, 제어 단자(223)에 인가되고 있는 제1 하이 레벨 전압을 홀드 단자(PH)를 통해 홀드하도록 구성된다.
제1 하이 레벨 전압을 홀드한다는 것은, 제어 단자(223)에 인가되는 제1 하이 레벨 전압이 홀드 단자(PH)를 통해 홀드 커패시터(CH)에 충전된다는 것을 의미한다. 홀드 커패시터(CH)에 의해 제1 하이 레벨 전압이 홀드되어 있는 동안에는, 전압 레귤레이터(210)가 제1 하이 레벨 전압을 출력을 중단하더라도, 전원 스위치(220)는 온 상태로 유지되므로, 제어부(270)는 복수의 배터리 셀(30)을 전원으로서 이용하여 복수의 배터리 셀(30)의 충전 상태를 균등화하는 동작을 계속할 수 있다.
복수의 밸런싱 단자(PB)는, 복수의 밸런싱 회로(BC)에 전기적으로 연결된다. 즉, 복수의 밸런싱 스위치(SWD)는, 복수의 밸런싱 단자(PB)에 하나씩 전기적으로 연결될 수 있다. 제어부(270)는, 복수의 밸런싱 스위치(SWD) 각각의 온오프를 제어하기 위한 스위칭 신호를 복수의 밸런싱 단자(PB)에 선택적으로 출력하도록 구성된다.
제어부(270)는, 밸런싱부(240)를 통해 복수의 배터리 셀(30) 각각의 양극 단자와 음극 단자에 전기적으로 연결된다. 제어부(270)는, 제어부(270)에 구비된 복수의 차동 증폭기 및 아날로그-디지털 컨버터를 이용하여, 복수의 배터리 셀(30) 각각의 개방 전압(OCV: open circuit voltage)을 검출한 다음, 검출된 개방 전압을 나타내는 전압 신호를 포함하는 상기 통지 정보를 생성하도록 구성된다. 상기 통지 정보는, 통신 회로(260)를 통해 마스터 컨트롤러(100)에게 전달될 수 있다.
마스터 컨트롤러(100)는, 전압 신호를 기초로, 충전 상태 및 개방 전압 간의 관계를 나타내는 데이터가 기록되어 있는 룩업테이블을 참조하여, 복수의 배터리 셀(30)의 충전 상태를 결정한다. 마스터 컨트롤러(100)는, 복수의 배터리 셀(30)의 충전 상태로부터 최대치, 최소치 및 셀 ID를 결정한 다음, 최대치 및 최소치 간의 차이를 기초로 밸런싱 필요 기간을 결정한다. 셀 ID는, 상기 최대치의 충전 상태를 가지는 배터리 셀(30)을 나타낸다. 또한, 밸런싱 필요 기간은, 최대치 및 최소치 간의 차이에 비례할 수 있다. 그 다음, 마스터 컨트롤러(100)는, 셀 ID 및 밸런싱 필요 기간을 나타내는 정보를 포함하는 밸런싱 요구 메시지를 생성할 수 있다. 밸런싱 요구 메시지는, 통신 회로(260)는 통해 제어부(270)에게 전달될 수 있다.
제어부(270)는, 통신 회로(260)를 통해 밸런싱 요구 메시지를 수신 시, 복수의 배터리 셀(30) 중에서 셀 ID에 대응하는 어느 한 배터리 셀(30)을 밸런싱 타겟으로서 설정한다. 제어부(270)는, 전원 단자(PP)에 제2 하이 레벨 전압이 인가되는 동안, 복수의 밸런싱 회로(BC) 중에서 밸런싱 타겟에 병렬 연결된 어느 한 밸런싱 회로(BC)의 밸런싱 스위치(SWD)를 온 상태로 제어되고, 나머지 밸런싱 스위치(SWD)는 모두 오프 상태로 제어된다. 이에 따라, 온 상태로 제어되는 밸런싱 스위치(SWD)를 포함하는 밸런싱 회로(BC)의 방전 저항 소자(RD)에 의해 밸런싱 타겟으로 설정된 배터리 셀(30)의 전기 에너지가 소모되면서, 밸런싱 타겟의 충전 상태가 최소치를 향하여 점차적으로 감소한다.
제어부(270)는, 제어부(270)에 구비된 타이머를 이용하여, 밸런싱 타겟에 대한 밸런싱 누적 기간을 카운팅할 수 있다. 밸런싱 누적 기간은, 제어부(270)가 밸런싱 요구 메시지를 수신한 것에 응답하여, 밸런싱 타겟에 병렬 연결된 밸런싱 회로(BC)의 밸런싱 스위치(SWD)가 온 상태로 제어된 기간을 나타낸다.
제어부(270)는, 밸런싱 누적 기간이 밸런싱 필요 기간에 도달하는 경우, 제1 하이 레벨 전압의 홀드를 중단할 수 있다. 제1 하이 레벨 전압의 홀드를 중단한다는 것은, 제어부(270)가 홀드 스위치(SWH)를 온 상태로 제어하여, 홀드 커패시터(CH)를 방전시킨다는 것을 의미한다. 따라서, 밸런싱 누적 기간이 밸런싱 필요 기간에 도달한 시점부터는, 홀드 커패시터(CH)에 의해 제1 하이 레벨 전압이 홀드될 수 없으므로, 전압 레귤레이터(210)가 제1 하이 레벨 전압을 출력하는 동안에만 전원 스위치(220)가 온 상태로 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리팩(10)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 제2 실시예에 따른 배터리팩(10)에 대하여는, 도 1 및 도 2를 참조하여 전술한 제1 실시예와 공통된 내용에 대한 반복 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제2 실시예의 배터리팩(10)과 제1 실시예의 배터리팩(10)의 차이점은, 밸런싱 장치(200)가 전압 분배기(292)를 더 포함하고, 제어부(270)가 디스에이블 단자(PD)를 더 포함한다는 점이다.
전압 분배기(voltage divider, 292)는, 고전압 단자(21)의 전압을 이용하여 진단 전압을 생성하도록 구성된다. 전압 분배기(292)는, 고전압 단자(21)와 접지 사이에서 서로 직렬 연결되는 보호 저항 소자(RP1) 및 보호 저항 소자(RP2)를 포함한다. 즉, 보호 저항 소자(RP1)의 일단은 고전압 단자(21)에 전기적으로 연결되고, 보호 저항 소자(RP2)의 일단은 접지에 전기적으로 연결되며, 보호 저항 소자(RP1)의 타단은 보호 저항 소자(RP2)의 타단에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 고전압 단자(21)의 전압은 보호 저항 소자(RP1) 및 보호 저항 소자(RP2)에 의해 분배되며, 상기 진단 전압은 보호 저항 소자(RP2)의 양단에 걸친 전압이다. VG는 고전압 단자(21)의 전압, rP1은 보호 저항 소자(RP1)의 저항(resistance), rP2은 보호 저항 소자(RP2)의 저항, VD는 진단 전압이라고 할 때, VD = VG × {rP2 / (rP1 + rP2)}이다.
디스에이블 단자(PD)는, 보호 저항 소자(RP2)의 타단에 전기적으로 연결된다. 제어부(270)는, 디스에이블 단자(PD)에 인가되는 상기 진단 전압이 소정의 임계 전압보다 낮은 경우, 배터리 그룹(20)의 과방전을 방지하기 위하여, 홀드 스위치(SWH)를 온 상태로 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 홀드 스위치(SWH)를 온 상태로 제어한다는 것은, 홀드 커패시터(CH)가 제1 하이 레벨 전압으로 충전되지 못하게 한다는 것을 의미한다. 밸런싱 누적 기간이 밸런싱 필요 기간에 도달하기 전이라도, 고전압 단자(21)의 전압이 임계 전압 미만이 되면, 전원 단자(PP)는 더 이상 제1 하이 레벨 전압으로 유지되지 못한다. 이에 따라, 전원 스위치(220)가 오프 상태로 됨으로써, 배터리 그룹(20)을 과방전으로부터 보호할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리팩(10)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 제3 실시예에 따른 배터리팩(10)에 대하여는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 제1 및 제2 실시예와 공통된 내용에 대한 반복 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제3 실시예의 배터리팩(10)과 제1 및 제2 실시예의 배터리팩(10)의 차이점은, 밸런싱 장치(200)가 전압 분배기(294) 및 보호 스위치(SWP)를 더 포함한다는 점이다.
전압 분배기(294)는, 고전압 단자(21)의 전압을 이용하여 보호 전압을 생성하도록 구성된다. 전압 분배기(294)는, 고전압 단자(21)와 접지 사이에서 서로 직렬 연결되는 보호 저항 소자(RP3) 및 보호 저항 소자(RP4)를 포함한다. 즉, 보호 저항 소자(RP3)의 일단은 고전압 단자(21)에 전기적으로 연결되고, 보호 저항 소자(RP4)의 일단은 접지에 전기적으로 연결되며, 보호 저항 소자(RP3)의 타단은 보호 저항 소자(RP4)의 타단에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 고전압 단자(21)의 전압은 보호 저항 소자(RP3) 및 보호 저항 소자(RP4)에 의해 분배되며, 상기 보호 전압은 보호 저항 소자(RP4)의 양단에 걸친 전압이다. VG는 고전압 단자(21)의 전압, rP3은 보호 저항 소자(RP3)의 저항(resistance), rP4은 보호 저항 소자(RP4)의 저항, VP는 보호 전압이라고 할 때, VP = VG × {rP4 / (rP3 + rP4)}이다.
보호 스위치(SWP)는, 제1 전류 단자(295), 제2 전류 단자(296) 및 제어 단자(297)를 포함한다. n채널 MOSFET와 같은 공지의 스위칭 소자가 보호 스위치(SWP)로서 이용될 수 있다. 보호 스위치(SWP)의 제1 전류 단자(295)는 DCDC 컨버터(230)의 전압 출력 단자(232)에 전기적으로 연결된다. 보호 스위치(SWP)의 제2 전류 단자(296)는, 제어부(270)의 전원 단자(PP)에 전기적으로 연결된다. 보호 스위치(SWP)의 제어 단자(297)는, 보호 저항 소자(RP4)의 타단에 전기적으로 연결된다.
보호 전압이 제3 하이 레벨 전압 이상인 경우, 보호 스위치(SWP)는 온 상태로 된다. 반면, 보호 전압이 제3 하이 레벨 전압 미만인 경우, 보호 스위치(SWP)는 오프 상태로 된다. 보호 전압이 제3 하이 레벨 전압 미만이라는 것은, 배터리 그룹(20)의 충전 상태가 소정의 정상 범위의 하한값(예, 20%)의 아래로 떨어졌음을 나타낼 수 있다. 보호 스위치(SWP)가 오프 상태인 동안에는, 고전압 단자(21)로부터 제어부(270)의 전원 단자(PP)까지의 전류 경로가 차단되므로, 배터리 그룹(20)의 과방전을 방지할 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 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.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
10: 배터리팩
20: 배터리 그룹
30: 배터리 셀
50: 배터리 관리 시스템
100: 마스터 컨트롤러
200: 밸런싱 장치
210: 전압 레귤레이터
220: 전원 스위치
230: DCDC 컨버터
240: 밸런싱부
BC: 밸런싱 회로
260: 통신 회로
270: 제어 회로
280: 전압 홀드 회로
292, 294: 전압 분배기

Claims (12)

  1. 밸런싱 장치에 있어서,
    보조 배터리의 전압으로부터 제1 하이 레벨 전압을 선택적으로 생성하도록 구성되는 전압 레귤레이터;
    제1 전류 단자, 제2 전류 단자 및 제어 단자를 포함하되, 상기 제1 전류 단자는 배터리 그룹의 고전압 노드에 전기적으로 연결되는 전원 스위치;
    전압 입력 단자 및 전압 출력 단자를 포함하되, 상기 전압 입력 단자에 인가되는 전압으로부터 제2 하이 레벨 전압을 생성하고, 상기 제2 하이 레벨 전압을 상기 전압 출력 단자에 출력하도록 구성되며, 상기 전압 입력 단자는 상기 제2 전류 단자에 전기적으로 연결되는 DCDC 컨버터;
    상기 배터리 그룹에 포함된 복수의 배터리 셀에 병렬 연결되는 복수의 밸런싱 회로를 포함하는 밸런싱부; 및
    전원 단자, 홀드 단자 및 복수의 밸런싱 단자를 포함하되, 상기 전원 단자는 상기 전압 출력 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 홀드 단자는 상기 제어 단자에 전기적으로 연결되며, 상기 복수의 밸런싱 단자는 상기 복수의 밸런싱 회로에 전기적으로 연결되는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 전원 단자에 상기 제2 하이 레벨 전압이 인가되는 것에 응답하여, 상기 제1 하이 레벨 전압을 상기 홀드 단자를 통해 홀드하도록 구성되는, 밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 밸런싱 회로는, 서로 직렬 연결되는 저항 소자 및 밸런싱 스위치를 포함하고,
    상기 각 밸런싱 스위치는, 상기 각 밸런싱 단자에 전기적으로 연결되는, 밸런싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 마스터 컨트롤러로부터 셀 식별 번호 및 밸런싱 필요 기간을 나타내는 정보를 포함하는 밸런싱 요구 메시지를 수신 시, 상기 복수의 배터리 셀 중에서 상기 셀 식별 정보에 대응하는 어느 한 배터리 셀을 밸런싱 타겟으로서 설정하도록 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 전원 단자에 상기 제2 하이 레벨 전압이 인가되는 동안, 상기 복수의 밸런싱 회로 중에서 상기 밸런싱 타겟에 병렬 연결된 상기 밸런싱 회로의 상기 밸런싱 스위치를 온 상태로 제어하도록 구성되는, 밸런싱 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 밸런싱 타겟에 병렬 연결된 상기 밸런싱 회로의 상기 밸런싱 스위치가 온 상태로 제어된 기간을 카운팅하도록 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 카운팅된 기간이 상기 밸런싱 필요 기간에 도달하는 경우, 상기 제1 하이 레벨 전압의 홀드를 중단하도록 구성되는, 밸런싱 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 마스터 컨트롤러와 상기 제어부를 양방향 통신 가능하게 접속하도록 구성되는 통신 회로를 더 포함하는, 밸런싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전원 스위치는, 상기 제어 단자에 상기 제1 하이 레벨 전압이 인가되는 경우, 온 상태로 되고,
    상기 전원 스위치가 온 상태인 동안, 상기 전원 단자에 상기 제2 하이 레벨 전압이 인가되는, 밸런싱 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원 스위치는, 상기 제1 전류 단자로서의 소스, 상기 제2 전류 단자로서의 드레인 및 상기 제어 단자로부터의 게이트를 포함하는 n-채널 MOSFET인, 밸런싱 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 홀드 단자와 접지 사이에 연결되는 홀드 커패시터를 더 포함하는, 밸런싱 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 홀드 커패시터에 병렬 연결되는 홀드 스위치를 더 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 전원 단자에 상기 제2 하이 레벨 전압이 인가되는 것에 응답하여, 상기 홀드 스위치를 오프 상태로 제어하도록 구성되는, 밸런싱 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 고전압 노드에 전기적으로 연결되는 디스에이블 단자를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 디스에이블 단자에 인가되는 전압이 임계 전압보다 낮은 경우, 상기 홀드 스위치를 온 상태로 제어하도록 구성되는, 밸런싱 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 상기 밸런싱 장치를 포함하는, 배터리 관리 시스템.
  12. 제11항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는, 배터리팩.
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