KR20210041282A

KR20210041282A - 충방전 스위치 제어방법 및 이를 적용한 배터리 시스템

Info

Publication number: KR20210041282A
Application number: KR1020190123770A
Authority: KR
Inventors: 기정석
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2021-04-15

Abstract

배터리 시스템은, 배터리 모듈의 일전극과 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 충방전 스위치, 및 상기 충방전 스위치의 상태, 상기 배터리 모듈에 흐르는 배터리 전류, 상기 배터리 모듈 양단 사이의 배터리 전압, 및 충전 제어 신호 및 방전 제어 신호에 기초하여, 상기 충방전 스위치를 제어하는 배터리 관리 시스템을 포함한다. 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전류의 방향 및 크기에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하고, 상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전압의 레벨에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어할 수 있다.

Description

충방전 스위치 제어방법 및 이를 적용한 배터리 시스템{CHARGE/DISCHARGE SWITCH CONTROL METHOD AND BATTERY SYSTEM WHRER THE METHOD IS APPLIED}

본 개시는 충방전 스위치 제어방법 및 이를 적용한 배터리 시스템에 관한 것이다.

충전 스위치와 방전 스위치 각각이 분리되어 제어될 경우, 충전 스위치를 제어하기 위한 제어 신호와 방전 스위치를 제어하기 위한 제어 신호가 각각 구분되어 생성된다. 충전 스위치와 방전 스위치 각각을 제어하는 제어 신호를 분리하여 생성하는 차량에는, 충전 스위치와 방전 스위치가 동일한 신호에 의해 제어되는 배터리 시스템이 적용될 수 없다.

충전 스위치와 방전 스위치가 동일한 신호에 의해 제어되는 배터리 시스템에서, 충전 제어 신호와 방전 제어 신호가 동일할 때에는 제어에 문제가 발생하지 않는다. 그러나 충전 제어 신호와 방전 제어 신호가 다를 때 충전 스위치와 방전 스위치를 제어할 수 없는 문제가 발생한다.

충전 스위치와 방전 스위치가 동일한 신호에 의해 제어되는 배터리 시스템을 충전 스위치와 방전 스위치 각각에 대한 별도의 제어 신호를 생성하는 차량에 적용할 수 있는 충방전 스위치 제어방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 제공하고자 한다.

발명의 한 특징에 따른 배터리 시스템은, 배터리 모듈의 일전극과 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 충방전 스위치, 및 상기 충방전 스위치의 상태, 상기 배터리 모듈에 흐르는 배터리 전류, 상기 배터리 모듈 양단 사이의 배터리 전압, 및 충전 제어 신호 및 방전 제어 신호에 기초하여, 상기 충방전 스위치를 제어하는 배터리 관리 시스템을 포함한다. 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전류의 방향 및 크기에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하고, 상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전압의 레벨에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어할 수 있다.

상기 배터리 관리 시스템은, 상기 충방전 스위치가 온 상태인 경우, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다를 때, 상기 배터리 전류가 제1 기준 전류 보다 크면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하고, 상기 배터리 전류가 제2 기준 전류 보다 작으면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하며, 상기 제1 기준 전류는 상기 제2 기준 전류보다 클 수 있다.

상기 제1 기준 전류는 상기 배터리 전류가 충전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전류이고, 상기 제2 기준 전류는 상기 배터리 전류가 방전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전류일 수 있다.

상기 배터리 관리 시스템은, 상기 충방전 스위치가 온 상태인 경우, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 같을 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어할 수 있다.

상기 배터리 관리 시스템은, 상기 충방전 스위치가 오프 상태인 경우, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다를 때, 상기 배터리 전압이 제1 기준 전압 보다 높으면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하고, 상기 배터리 전압이 제2 기준 전압 보다 낮으면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하며, 상기 제1 기준 전압은 상기 제2 기준 전압 보다 높을 수 있다.

상기 제1 기준 전압은 상기 배터리 전류가 방전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전압이고, 상기 제2 기준 전압은 상기 배터리 전류가 충전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전압일 수 있다.

상기 배터리 관리 시스템은, 상기 배터리 전류에 대응하는 전류 감지 신호와 제1 기준 값 및 제2 기준 값 각각을 비교하고, 비교 결과에 따라 제1 비교 신호를 생성하는 제1 히스테리시스 비교기; 상기 배터리 전압과 제1 기준 전압 및 제2 기준 전압 각각을 비교하고, 비교 결과에 따라 제2 비교 신호를 생성하는 제2 히스테리시스 비교기; 및 상기 충방전 스위치의 현재 상태, 상기 제1 비교 신호, 상기 제2 비교 신호, 상기 충전 제어 신호, 상기 방전 제어 신호에 따라 게이트 제어 신호를 생성하는 게이트 제어 회로를 포함할 수 있다.

상기 게이트 제어 회로는, 상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 제1 비교 신호가 제1 레벨이면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 게이트 제어 신호를 생성하고, 상기 제1 비교 신호가 로우 레벨이면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 게이트 제어 신호를 생성할 수 있다.

상기 게이트 제어 회로는, 상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 제2 비교 신호가 제1 레벨이면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 게이트 제어 신호를 생성하고, 상기 제2 비교 신호가 제2 레벨이면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 게이트 제어 신호를 생성할 수 있다.

발명의 다른 특징에 다른 배터리 모듈의 일전극과 출력단 사이에 직렬 연결된 충방전 스위치를 제어하는 방법은, 충전 제어 신호 및 방전 제어 신호를 수신하는 단계, 상기 충방전 스위치의 상태를 판단하는 단계, 상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전류의 방향 및 크기에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계, 및 상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전압의 레벨에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계는, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다른지 판단하는 단계, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다를 때, 상기 배터리 전류가 제1 기준 전류 보다 크면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계, 및 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다르고, 상기 배터리 전류가 상기 제1 기준 전류 이하일 때, 상기 배터리 전류가 제2 기준 전류 보다 작으면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 제1 기준 전류는 상기 제2 기준 전류보다 클 수 있다.

상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계는, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 같을 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계는, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다른지 판단하는 단계, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다를 때, 상기 배터리 전압이 제1 기준 전압 보다 높으면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계, 및 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다르고, 상기 배터리 전압이 상기 제1 기준 전압 이하일 때, 상기 배터리 전압이 제2 기준 전압 보다 낮으면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 제1 기준 전압은 상기 제2 기준 전압 보다 높을 수 있다.

상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계는, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 같을 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 충방전 스위치의 스위칭 제어 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 메인 제어 회로의 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템(1)은 충방전 스위치(10), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(20), 배터리 모듈(30), 및 전류 센서(40)를 포함한다.

도 1에서 배터리 모듈(30)은 n 개의 배터리 셀(C1-Cn)이 직렬 연결되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 배터리 모듈(30)을 구성하는 배터리 셀의 개수는 부하에 전력을 공급하기에 적절한 개수를 설정될 수 있다. 또한, 배터리 모듈(30)은 복수의 배터리 셀이 직렬 연결된 배터리 팩들이 직렬 연결되어 구성되거나, 배터리 팩들이 병렬 연결되어 구성될 수 있다. 즉, 배터리 모듈을 구성하는 배터리 팩 및 배터리 셀 각각의 개수 및 연결 관계는 필요한 전원을 공급할 수 있도록 적절히 설계될 수 있다.

도 1에서는, 배터리 모듈(2)이 직렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀(C1-Cn)을 포함하며, 배터리 시스템(1)의 두 출력단(OUT1, OUT2) 사이에 연결되어 있으며, 배터리 시스템(1)의 양극과 출력단(OUT1) 사이에 충방전 스위치(10) 및 전류 센서(40)가 연결되어 있다. 이와 다르게, 배터리 시스템(1)의 음극과 출력단(OUT2) 사이에 충방전 스위치(10) 및 전류 센서(40) 중 적어도 하나가 연결되어 있을 수 있다. 도 1에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

충방전 스위치(10)는 배터리 시스템(1)과 외부 장치 간의 전기적 연결을 제어한다. 충방전 스위치(10)가 온 되면, 배터리 시스템(1)과 외부 장치가 전기적으로 연결되어 충전 또는 방전이 수행되고, 충방전 스위치(10)가 오프 되면, 배터리 시스템(1)와 외부 장치가 전기적으로 분리된다. 외부 장치는 부하 또는 충전기일 수 있다.

전류 센서(40)는 배터리 모듈(30)과 외부 장치간 전류 경로에 직렬 연결되어 있다. 전류 센서(40)는 배터리 모듈(30)에 흐르는 전류 즉, 충전 전류 및 방전 전류를 측정하고, 측정 결과를 지시하는 전류 감지 신호(IS)를 BMS(20)에 전달할 수 있다.

차량의 운전을 제어하는 장치 예를 들어, ECU(Electronic Control UNIT, 2)는 BMS(20)로부터 전송되는 배터리 상태 신호(BSS) 및 차량의 운전 상태에 기초하여 충전 제어 신호(CHS) 및 방전 제어 신호(DCHS)를 BMS(20)에 전송할 수 있다. 이 때, ECU(2)와 BMS(20)는 CAN 통신을 통해 필요한 정보를 송수신할 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, BMS(20)는 셀 모니터링 IC(21) 및 메인 제어 회로(22)를 포함한다.

셀 모니터링 IC(21)는 복수의 배터리 셀(C1-Cn)에 전기적으로 연결되어 복수의 배터리 셀(C1-Cn) 각각에 대한 배터리 셀 정보를 감지하고, 감지된 배터리 셀 정보를 메인 제어 회로(22)에 전달할 수 있다. 배터리 셀 정보는 배터리 셀의 전압, 온도 등을 포함할 수 있다. 셀 모니터링 IC(21)는 배터리 모듈(30)의 전압(이하, 배터리 전압)을 측정하고, 측정된 배터리 전압을 메인 제어 회로(22)에 전달할 수 있다.

메인 제어 회로(22)는 복수의 배터리 셀 각각의 배터리 셀 정보, 배터리 전압, 전류 감지 신호(IS), 충전 제어 신호(CHS), 및 방전 제어 신호(DCHS)를 수신하고, 배터리 모듈(30)을 관리하고 충방전 스위치(10)의 스위칭을 제어하며, 배터리 상태 신호(BSS)를 생성하여 ECU(2)에 전송할 수 있다.

배터리 모듈(30)의 관리는 배터리 모듈(30)에 대한 과전압 및 과전류 보호 동작, 복수의 배터리 셀(C1-Cn)에 대한 셀 밸런싱 동작, 배터리 모듈(30)의 충전 및 방전 등을 포함한다.

메인 제어 회로(22)는 복수의 배터리 셀 각각의 배터리 셀 정보, 충전 상태(State of Charge, SOC), 건강 상태 등에 대한 정보를 생성하여, 생성된 정보들을 배터리 상태 신호로 구성하여 ECU(2)에 CAN 통신을 통해 전송할 수 있다.

메인 제어 회로(22)는 배터리 모듈(30)에 흐르는 전류(이하, 배터리 전류) 및 배터리 전압, 충방전 스위치(10)의 온/오프 상태, 및 충전 제어 신호(CHS)와 방전 제어 신호(DCHS)에 기초하여, 충방전 위치(10)의 스위칭을 제어할 수 있다.

충방전 스위치(10)는 트랜지스터(11) 및 트랜지스터(12)를 포함한다. 도 2에서는 충방전 스위치(10)가 두 개의 n 채널 타입의 MOSFET 소자(11, 12)로 구현되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 충방전 스위치(10)는 병렬 연결된 복수의 MOSFET 소자로 구현될 수 있고, 채널 타입은 n 채널 타입 또는 p 채널 타입일 수 있다. 충방전 스위치(10)를 구현한 트랜지스터가 복수 개일 경우에도, 모든 트랜지스터의 게이트는 동일한 게이트 전압(VG)에 의해 제어된다. n 채널 타입인 경우, 게이트 전압(VG)은 트랜지스터(11, 12)를 턴 온 시킬 수 있는 충분히 높은 레벨 또는 트랜지스터(11, 12)를 턴 오프 시킬 수 있는 충분히 낮은 레벨일 수 있다. p 채널 타입인 경우, 게이트 전압(VG)은 트랜지스터(11, 12)를 턴 온 시킬 수 있는 충분히 낮은 레벨 도는 트랜지스터(11, 12)를 턴 오프 시킬 수 있는 충분히 높은 레벨일 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 충방전 스위치의 스위칭 제어 방법을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)의 상태를 판단한다(S1). 메인 제어 회로(22)는 게이트 전압(VG)의 레벨 또는 게이트 전압(VG)을 생성하는 게이트 회로의 제어 신호의 레벨을 검출하여 충방전 스위치(10)의 상태 즉, 온 상태(닫힘) 또는 오프 상태(개방)를 판단할 수 있다.

단계 S1의 판단 결과, 충방전 스위치(10)가 온 상태(닫힌 상태)인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충전 제어 신호(CHS)와 방전 제어 신호(DCHS)를 비교한다(S2).

ECU(2)는 배터리 모듈(30)을 충전시키기 위해서 인에이블 레벨의 충전 제어 신호(CHS)를 생성할 수 있고, 배터리 모듈(30)을 방전시키기 위해서 인에이블 레벨의 방전 제어 신호(DCHS)를 생성할 수 있다. 충전 제어 신호(CHS) 및 방전 제어 신호(DCHS)의 인에이블 레벨은 동일한 레벨(예를 들어, 하이 레벨)이고, 충전 제어 신호(CHS) 및 방전 제어 신호(DCHS)가 인에이블 레벨이 아닌 레벨(이하, 디스에이블 레벨이라 함)일 때도 서로 동일한 레벨(예를 들어, 로우 레벨)일 수 있다.

단계 S2의 판단 결과, 충전 제어 신호(CHS)와 방전 제어 신호(DCHS)가 동일한 경우, 메인 제어 회로(22)는 충전 제어 신호(CHS)와 방전 제어 신호(DCHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다(S3). 예를 들어, 충전 제어 신호(CHS) 및 방전 제어 신호(DCHS)가 인에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 온 시키는 온 레벨의 게이트 전압(VG)을 유지한다. 충전 제어 신호(CHS) 및 방전 제어 신호(DCHS)가 디스에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 오프 시키는 오프 레벨의 게이트 전압(VG)을 생성한다.

단계 S2의 판단 결과, 충전 제어 신호(CHS)와 방전 제어 신호(DCHS)가 다른 경우, 메인 제어 회로(22)는 배터리 전류가 제1 기준 전류 보다 큰지 비교한다(S4). 메인 제어 회로(22)는 전류 감지 신호(IS)와 제1 기준 전류에 대응하는 제1 기준 값을 비교할 수 있다.

단계 S4의 판단 결과, 배터리 전류가 제1 기준 전류 보다 큰 경우, 메인 제어 회로(22)는 충전 제어 신호(CHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다(S5). 예를 들어, 충전 제어 신호(CHS)가 인에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 온 시키는 온 레벨의 게이트 전압(VG)을 유지한다. 충전 제어 신호(CHS)가 디스에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 오프 시키는 오프 레벨의 게이트 전압(VG)을 생성한다. 메인 제어 회로(22)는 배터리 전류가 제1 기준 전류보다 큰 경우, 충전 방향으로 전류가 흐르고 있기 때문에 충전 제어 신호(CHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다.

단계 S4의 판단 결과, 배터리 전류가 제1 기준 전류 보다 크지 않은 경우, 메인 제어 회로(22)는 배터리 전류가 제2 기준 전류 보다 작은지 비교한다(S6). 메인 제어 회로(22)는 전류 감지 신호(IS)와 제2 기준 전류에 대응하는 제2 기준 값을 비교할 수 있다.

단계 S6의 판단 결과, 배터리 전류가 제2 기준 전류 보다 작은 경우, 메인 제어 회로(22)는 방전 제어 신호(DCHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다(S7). 예를 들어, 방전 제어 신호(DCHS)가 인에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 온 시키는 온 레벨의 게이트 전압(VG)을 유지한다. 방전 제어 신호(DCHS)가 디스에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 오프 시키는 오프 레벨의 게이트 전압(VG)을 생성한다. 메인 제어 회로(22)는 배터리 전류가 제2 기준 전류보다 작은 경우, 방전 방향으로 전류가 흐르고 있기 때문에 방전 제어 신호(DCHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다.

단계 S6의 판단 결과, 배터리 전류가 제2 기준 전류 보다 작지 않은 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)의 현 상태를 유지한다(S8).

단계 S1의 판단 결과, 충방전 스위치(10)가 오프 상태(개방 상태)인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충전 제어 신호(CHS)와 방전 제어 신호(DCHS)를 비교한다(S9).

단계 S9의 판단 결과, 충전 제어 신호(CHS)와 방전 제어 신호(DCHS)가 동일한 경우, 메인 제어 회로(22)는 충전 제어 신호(CHS)와 방전 제어 신호(DCHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다(S3). 예를 들어, 충전 제어 신호(CHS) 및 방전 제어 신호(DCHS)가 인에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 온 시키는 온 레벨의 게이트 전압(VG)을 생성한다. 충전 제어 신호(CHS) 및 방전 제어 신호(DCHS)가 디스에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 오프 시키는 오프 레벨의 게이트 전압(VG)을 유지한다.

단계 S9의 판단 결과, 충전 제어 신호(CHS)와 방전 제어 신호(DCHS)가 다른 경우, 메인 제어 회로(22)는 배터리 전압이 제1 기준 전압 보다 높은지 비교한다(S10).

단계 S10의 판단 결과, 배터리 전압이 제1 기준 전압 보다 높은 경우, 메인 제어 회로(22)는 방전 제어 신호(DCHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다(S11). 예를 들어, 방전 제어 신호(DCHS)가 인에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 온 시키는 온 레벨의 게이트 전압(VG)을 생성한다. 방전 제어 신호(DCHS)가 디스에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 오프 시키는 오프 레벨의 게이트 전압(VG)을 유지한다. 메인 제어 회로(22)는 배터리 전압이 제1 기준 전압 보다 높은 경우, 배터리 전압이 높아서 배터리 전류가 방전 방향으로 흐르는 것으로 판단하여, 방전 제어 신호(DCHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다.

단계 S10의 판단 결과, 배터리 전압이 제1 기준 전압 보다 높지 않은 경우, 메인 제어 회로(22)는 배터리 전압이 제2 기준 전압 보다 낮은지 비교한다(S12).

단계 S12의 판단 결과, 배터리 전압이 제2 기준 전압 보다 낮은 경우, 메인 제어 회로(22)는 충전 제어 신호(CHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다(S13). 예를 들어, 충전 제어 신호(CHS)가 인에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 온 시키는 온 레벨의 게이트 전압(VG)을 생성한다. 충전 제어 신호(CHS)가 디스에이블 레벨인 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)를 오프 시키는 오프 레벨의 게이트 전압(VG)을 유지한다. 메인 제어 회로(22)는 배터리 전압이 제2 기준 전압 보다 낮은 경우, 배터리 전압이 낮아서 배터리 전류가 충전 방향으로 흐르는 것으로 판단하고, 충전 제어 신호(CHS)에 따라 충방전 스위치(10)를 제어한다.

단계 S12의 판단 결과, 배터리 전압이 제2 기준 전압 보다 낮지 않은 경우, 메인 제어 회로(22)는 충방전 스위치(10)의 현 상태를 유지한다(S8).

도 4는 일 실시예에 따른 메인 제어 회로의 구성을 나타낸 도면이다.

위에서 설명한 방법을 구현하기 위해서, 메인 제어 회로(22)는 회로적으로 히스테리시스 특성을 가지는 두 개의 히스테리시스 비교기(221, 222), 게이트 제어 회로(223), 및 게이트 구동회로(224)를 포함한다.

히스테리시스 비교기(221)는 (+) 단에 입력되는 전류 감지 신호(IS)와 (-1) 단에 입력되는 제1 기준 값(IVR1) 및 (-2) 단에 입력되는 제2 기준 값(IVR2) 각각을 비교한다. 히스테리시스 비교기(221)는 (+) 단의 입력이 (-1) 단의 입력보다 클 때 하이 레벨을 출력하고, (+) 단의 입력이 (-2) 단의 입력보다 작을 때 로우 레벨을 출력하며, (+) 단의 입력이 (-1)단의 입력과 (-2) 단의 입력 사이일 때 현 출력 상태를 유지할 수 있다.

히스테리시스 비교기(221)는 전류 감지 신호(IS)가 제1 기준 값(IVR1) 보다 클 때는 제1 비교 신호(COM1)의 레벨을 하이 레벨로 변경하고, 전류 감지 신호(IS)가 제2 기준 값(IVR2) 보다 작을 때는 제1 비교 신호(COM1)의 레벨을 로우 레벨로 변경하며, 전류 감지 신호(IS)가 제1 기준 값(IVR1)과 제2 기준 값(IVR2) 사이일 때는 제1 비교 신호(COM1)의 출력을 그대로 유지한다.

히스테리시스 비교기(222)는 (+) 단에 입력되는 배터리 전압(VB)과 (-1) 단에 입력되는 제1 기준 전압(VVR1) 및 (-2) 단에 입력되는 제2 기준 전압(VVR2) 각각을 비교한다. 히스테리시스 비교기(222)는 히스테리시스 비교기(221)과 동일한 방식으로 동작할 수 있다.

히스테리시스 비교기(222)는 배터리 전압(VB)이 제1 기준 전압(VVR1) 보다 높을 때는 제2 비교 신호(COM2)의 레벨을 하이 레벨로 변경하고, 배터리 전압(VB)이 제2 기준 전압(VVR2) 보다 낮을 때는 제2 비교 신호(COM2)의 레벨을 로우 레벨로 변경하며, 배터리 전압(VB)이 제1 기준 전압(VVR1)과 제2 기준 전압(VVR2) 사이일 때는 제2 비교 신호(COM2)의 출력을 그대로 유지한다.

게이트 제어 회로(223)는 충방전 스위치(10)의 현재 상태, 제1 비교 신호(COM1), 제2 비교 신호(COM2), 충전 제어 신호(CHS), 및 방전 제어 신호(DCHS)에 기초하여 게이트 제어 신호(VGC)을 생성한다.

게이트 제어 회로(223)는 충방전 스위치(10)가 온 상태일 때, 제1 비교 신호(COM1)가 하이 레벨이면, 충전 제어 신호(CHS)에 따라 게이트 제어 신호(VGC)를 생성하고, 제1 비교 신호(COM1)가 로우 레벨이면, 방전 제어 신호(DCHS)에 따라 게이트 제어 신호(VGC)를 생성한다.

게이트 제어 회로(223)는 충방전 스위치(10)가 오프 상태일 때, 제2 비교 신호(COM2)가 하이 레벨이면, 방전 제어 신호(DCHS)에 따라 게이트 제어 신호(VGC)를 생성하고, 제2 비교 신호(COM2)가 로우 레벨이면, 충전 제어 신호(CHS)에 따라 게이트 제어 신호(VGC)를 생성한다.

게이트 구동 회로(224)는 게이트 제어 신호(VGC)에 따라 트랜지스터(11)를 구동시킬 수 있는 충분할 레벨의 게이트 전압(VG)을 생성한다. 예를 들어, 게이트 제어 신호(VGC)가 온을 지시하는 레벨인 경우, 게이트 구동 회로(224)는 하이 레벨의 게이트 전압(VG)을 생성하고, 게이트 제어 신호(VGC)가 오프를 지시하는 레벨인 경우, 게이트 구동 회로(224)는 로우 레벨의 게이트 전압(VG)을 생성한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

1: 배터리 시스템
2: ECU(Electronic Control UNIT)
10: 충방전 스위치
20: 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)
30: 배터리 모듈
40: 전류 센서

Claims

배터리 모듈의 일전극과 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 충방전 스위치; 및
상기 충방전 스위치의 상태, 상기 배터리 모듈에 흐르는 배터리 전류, 상기 배터리 모듈 양단 사이의 배터리 전압, 및 충전 제어 신호 및 방전 제어 신호에 기초하여, 상기 충방전 스위치를 제어하는 배터리 관리 시스템을 포함하고,
상기 배터리 관리 시스템은,
상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전류의 방향 및 크기에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하고,
상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전압의 레벨에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는,
배터리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 관리 시스템은,
상기 충방전 스위치가 온 상태인 경우, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다를 때,
상기 배터리 전류가 제1 기준 전류 보다 크면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하고,
상기 배터리 전류가 제2 기준 전류 보다 작으면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하며,
상기 제1 기준 전류는 상기 제2 기준 전류보다 큰, 배터리 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 기준 전류는 상기 배터리 전류가 충전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전류이고,
상기 제2 기준 전류는 상기 배터리 전류가 방전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전류인, 배터리 시스템.
제2항에 있어서,
상기 배터리 관리 시스템은,
상기 충방전 스위치가 온 상태인 경우, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 같을 때,
상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는, 배터리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 관리 시스템은,
상기 충방전 스위치가 오프 상태인 경우, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다를 때,
상기 배터리 전압이 제1 기준 전압 보다 높으면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하고,
상기 배터리 전압이 제2 기준 전압 보다 낮으면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하며,
상기 제1 기준 전압은 상기 제2 기준 전압 보다 높은, 배터리 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제1 기준 전압은 상기 배터리 전류가 방전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전압이고,
상기 제2 기준 전압은 상기 배터리 전류가 충전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전압인, 배터리 시스템.
제5항에 있어서,
상기 배터리 관리 시스템은,
상기 충방전 스위치가 온 상태인 경우, 상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 같을 때,
상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는, 배터리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 관리 시스템은,
상기 배터리 전류에 대응하는 전류 감지 신호와 제1 기준 값 및 제2 기준 값 각각을 비교하고, 비교 결과에 따라 제1 비교 신호를 생성하는 제1 히스테리시스 비교기;
상기 배터리 전압과 제1 기준 전압 및 제2 기준 전압 각각을 비교하고, 비교 결과에 따라 제2 비교 신호를 생성하는 제2 히스테리시스 비교기; 및
상기 충방전 스위치의 현재 상태, 상기 제1 비교 신호, 상기 제2 비교 신호, 상기 충전 제어 신호, 상기 방전 제어 신호에 따라 게이트 제어 신호를 생성하는 게이트 제어 회로를 포함하는, 배터리 시스템.
제8항에 있어서,
상기 게이트 제어 회로는,
상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 제1 비교 신호가 제1 레벨이면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 게이트 제어 신호를 생성하고, 상기 제1 비교 신호가 로우 레벨이면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 게이트 제어 신호를 생성하는, 배터리 시스템.
제8항에 있어서,
상기 게이트 제어 회로는,
상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 제2 비교 신호가 제1 레벨이면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 게이트 제어 신호를 생성하고, 상기 제2 비교 신호가 제2 레벨이면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 게이트 제어 신호를 생성하는, 배터리 시스템.
배터리 모듈의 일전극과 출력단 사이에 직렬 연결된 충방전 스위치를 제어하는 방법에 있어서,
충전 제어 신호 및 방전 제어 신호를 수신하는 단계;
상기 충방전 스위치의 상태를 판단하는 단계;
상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전류의 방향 및 크기에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계; 및
상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호 중 상기 배터리 전압의 레벨에 기초하여 결정되는 어느 하나에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함하는,
충방전 스위치 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계는,
상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다른지 판단하는 단계;
상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다를 때, 상기 배터리 전류가 제1 기준 전류 보다 크면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계; 및
상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다르고, 상기 배터리 전류가 상기 제1 기준 전류 이하일 때, 상기 배터리 전류가 제2 기준 전류 보다 작으면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 제1 기준 전류는 상기 제2 기준 전류보다 큰, 충방전 스위치 제어 방법.
제12항에 있어서,
상기 제1 기준 전류는 상기 배터리 전류가 충전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전류이고,
상기 제2 기준 전류는 상기 배터리 전류가 방전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전류인, 충방전 스위치 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 충방전 스위치가 온 상태일 때, 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계는,
상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 같을 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함하는, 충방전 스위치 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계는,
상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다른지 판단하는 단계;
상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다를 때, 상기 배터리 전압이 제1 기준 전압 보다 높으면, 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계; 및
상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 다르고, 상기 배터리 전압이 상기 제1 기준 전압 이하일 때, 상기 배터리 전압이 제2 기준 전압 보다 낮으면, 상기 충전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 제1 기준 전압은 상기 제2 기준 전압 보다 높은, 충방전 스위치 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 제1 기준 전압은 상기 배터리 전류가 방전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전압이고,
상기 제2 기준 전압은 상기 배터리 전류가 충전 방향으로 흐르는 것을 검출하기 위한 기준 전압인, 충방전 스위치 제어 방법.
제15항에 있어서,
상기 충방전 스위치가 오프 상태일 때, 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계는,
상기 충전 제어 신호와 상기 방전 제어 신호가 지시하는 상태가 같을 때, 상기 충전 제어 신호 및 상기 방전 제어 신호에 따라 상기 충방전 스위치를 제어하는 단계를 포함하는, 충방전 스위치 제어 방법.