KR20220043645A - 릴레이의 고장 진단 방법 및 이를 이용하는 배터리 시스템 - Google Patents

릴레이의 고장 진단 방법 및 이를 이용하는 배터리 시스템 Download PDF

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Abstract

배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 상기 배터리와 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 방전 스위치 및 제1 충전 스위치, 그리고 상기 배터리와 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제2 방전 스위치 및 제2 충전 스위치를 포함하는 릴레이부, 및 진단 모드에서, 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 방전 스위치와 상기 제1 충전 스위치 사이의 제1 접점의 전압이 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 방전 스위치를 개방 고장으로 판단하고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 충전 스위치를 개방 고장으로 판단하며, 상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 제2 임계치 이상일 때, 상기 제1 방전 스위치 및 상기 제1 충전 스위치 중 하나를 단락으로 판단하는 배터리 관리 시스템을 포함한다.

Description

릴레이의 고장 진단 방법 및 이를 이용하는 배터리 시스템{Relay fault diagnosis method and battery system using the same}
본 개시는 릴레이의 고장 진단 방법 및 이를 이용하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래 릴레이를 포함하는 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
배터리 시스템의 릴레이는 배터리와 배터리 시스템의 출력단 사이에 연결되어 있다. 배터리 시스템의 출력단은 외부 전력 장치에 연결되고, 외부 전력 장치는 배터리 시스템으로부터 전력을 공급받는 전기 부하이거나, 배터리를 충전하는 충전기 등일 수 있다. 배터리와 외부 전력 장치 간의 전류 용량을 증가시키기 위해서, 배터리와 외부 전력 장치 간의 전류 용량을 증가시키기 위해서, 릴레이는 병렬로 연결된 복수의 충전 MOSFET(FETB1~FETB3)과 복수의 방전 MOSFET(FETA1~FETA3)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 3개의 방전 MOSFET(FETA1~FETA3)은 병렬 연결되어 있고, 3개의 충전 MOSFET(FETB1~FETB3)이 병렬 연결되어 있으며, 6개의 MOSFET의 소스는 공통으로 연결되고, 3개의 방전 MOSFET(FETA1~FETA3)의 드레인은 배터리에 연결되어 있으며, 3개의 충전 MOSFET(FETB1~FETB3)의 드레인은 배터리 시스템의 출력단(+)에 연결되어 있다. 3개의 방전 MOSFET(FETA1~FETA3) 및 3개의 충전 MOSFET(FETB1~FETB3)이 동일한 게이트 전압에 따라 동작한다.
도 1에 도시된 종래 릴레이에 대한 고장 진단은 릴레이의 양단 전압과 6개의 MOSFET의 소스가 공통으로 연결된 접점의 전압을 측정하여 진행되었다. 종래 진단 방법에 따르면, MOSFET 중 어느 하나가 고장으로 개방된 경우, 릴레이의 양단 전압과 소스 공통 접점의 전압으로는 개방을 검출할 수 없다.
예를 들어, FETA1이 개방 상태로 고정되는 개방 고장인 경우에, 게이트 전압이 온 레벨인 경우에는 릴레이 양단의 전압과 소스 공통 접점의 전압이 동일하고, 게이트 전압이 오프 레벨인 경우에는, 소스 공통 접점의 전압이 0V이고 릴레이의 양단 전압은 배터리의 전압과 출력단의 전압에 따라 결정된다. 즉, 모든 MOSFET이 정상 상태일 때의 릴레이의 양단 전압 및 소스 공통 접점의 전압과, FETA1이 개방 고장일 때의 릴레이의 양단 전압 및 소스 공통 접점의 전압이 동일하다.
이와 같이, 종래 릴레이는 릴레이를 구성하는 복수의 MOSFET 중 고장이 발생한 MOSFET을 개별적으로 검출할 수 없다. 이에 따라 배터리가 과방전, 과충전 등에 의해 손상될 수 있다.
릴레이를 구성하는 모든 MOSFET 각각에 대한 고장을 진단할 수 릴레이의 고장 진단 방법 및 이를 이용하는 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 상기 배터리와 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 방전 스위치 및 제1 충전 스위치, 그리고 상기 배터리와 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제2 방전 스위치 및 제2 충전 스위치를 포함하는 릴레이부, 및 진단 모드에서, 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 방전 스위치와 상기 제1 충전 스위치 사이의 제1 접점의 전압이 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 방전 스위치를 개방 고장으로 판단하고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 충전 스위치를 개방 고장으로 판단하며, 상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 제2 임계치 이상일 때, 상기 제1 방전 스위치 및 상기 제1 충전 스위치 중 하나를 단락으로 판단하는 배터리 관리 시스템을 포함한다.
상기 배터리 관리 시스템은 제1 및 제2 게이트 제어 신호를 생성하고, 상기 릴레이부는, 상기 제1 게이트 제어 신호에 따라 상기 제1 및 제2 방전 스위치의 게이트에 게이트 전압을 공급하는 제1 드라이버, 및 상기 제2 게이트 제어 신호에 따라 상기 제1 및 제2 충전 스위치의 게이트에 게이트 전압을 공급하는 제2 드라이버를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서, 상기 제1 및 제2 충전 스위치를 오프 제어하고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서, 상기 제1 및 제2 방전 스위치를 오프 제어할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 릴레이부에 대한 개방 조건에서, 상기 제1 및 제2 방전 스위치 및 상기 제1 및 제2 충전 스위치를 오프 제어할 수 있다.
상기 제1 및 제2 방전 스위치의 일단은 상기 배터리의 일 전극에 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치의 일단은 상기 출력단에 연결되어 있으며, 상기 제2 임계치는, 상기 제1 접점의 전압이 상기 배터리의 일 전극 전압인지 비교하기 위한 레벨로 설정될 수 있다.
상기 제1 임계치는, 상기 제1 접점의 전압이 영 전압인지 비교하기 위한 레벨로 설정되는, 배터리 시스템.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 진단 모드에서, 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 방전 스위치와 상기 제2 충전 스위치 사이의 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제2 방전 스위치를 개방 고장으로 판단하고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제2 충전 스위치를 개방 고장으로 판단하며, 상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 제2 임계치 이상일 때, 상기 제2 방전 스위치 및 상기 제2 충전 스위치 중 하나를 단락으로 판단할 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 배터리와 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 방전 스위치 및 제1 충전 스위치, 그리고 상기 배터리와 상기 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제2 방전 스위치 및 제2 충전 스위치를 포함하는 릴레이부의 진단 방법은, 상기 제1 및 제2 방전 스위치를 온 제어하는 단계, 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 방전 스위치와 상기 제1 충전 스위치 사이의 제1 접점의 전압을 측정하고, 상기 제1 접점의 전압이 제1 임계치 이하인지 판단하는 단계, 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 방전 스위치를 개방 고장으로 판단하는 단계, 상기 제1 및 제2 충전 스위치를 온 제어하는 단계, 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압을 측정하고, 상기 제1 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하인지 판단하는 단계, 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 충전 스위치를 개방 고장으로 판단하는 단계, 상기 릴레이부를 개방 제어하는 단계, 상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압을 측정하고, 상기 제1 접점의 전압이 제2 임계치 이상인지 판단하는 단계, 및 상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 상기 제2 임계치 이상일 때, 상기 제1 방전 스위치 및 상기 제1 충전 스위치 중 하나를 단락으로 판단하는 단계를 포함한다.
상기 릴레이부의 진단 방법은, 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 방전 스위치와 상기 제2 충전 스위치 사이의 제2 접점의 전압을 측정하고, 상기 제2 접점의 전압이 제2 임계치 이하인지 판단하는 단계 및 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제2 방전 스위치를 개방 고장으로 판단하는 단계를 더 포함한다.
상기 릴레이부의 진단 방법은, 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 방전 스위치와 상기 제2 충전 스위치 사이의 제2 접점의 전압을 측정하고, 상기 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하인지 판단하는 단계 및 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제2 충전 스위치를 개방 고장으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 릴레이부의 진단 방법은, 상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제2 방전 스위치와 상기 제2 충전 스위치 사이의 제2 접점의 전압을 측정하고, 상기 제2 접점의 전압이 제2 임계치 이상인지 판단하는 단계 및 상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 상기 제2 임계치 이상일 때, 상기 제2 방전 스위치 및 상기 제2 충전 스위치 중 하나를 단락으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 방전 스위치의 일단은 상기 배터리의 일 전극에 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치의 일단은 상기 출력단에 연결되어 있으며, 상기 제2 임계치는, 상기 제1 접점의 전압이 상기 배터리의 일 전극 전압인지 비교하기 위한 레벨로 설정될 수 있다.
상기 제1 임계치는, 상기 제1 접점의 전압이 영 전압인지 비교하기 위한 레벨로 설정될 수 있다.
릴레이를 구성하는 모든 MOSFET 각각에 대한 고장을 진단할 수 있는 릴레이의 고장 진단 방법 및 이를 이용하는 배터리 시스템을 제공한다.
도 1은 종래 릴레이를 포함하는 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 일 실시예에 따른 릴레이의 고장 진단 방법을 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 2는 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
배터리 시스템(1)은 배터리(10), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(20), 릴레이부(30), 및 전류 센서(40)를 포함한다.
배터리 시스템(1)의 출력단(+)과 출력단(-)은 외부 전력 장치에 연결되어 있을 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(10)는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11-15)을 포함한다. 도 2에서는 배터리(10)가 5개의 배터리 셀(11-15)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로 발명이 이에 한정되지 않는다.
릴레이부(30)는 배터리(10)의 충전 및 방전 시의 경로를 제어한다. 릴레이부(30)는 배터리(10)의 양극과 배터리 시스템(1)의 출력단(+) 사이에 연결되어 있다. 릴레이부(30)의 닫힘 및 열림은 BMS(20)로부터 공급되는 복수의 게이트 제어 신호(VC1-VC2)에 따라 제어된다.
릴레이부(30)는 3개의 방전 스위치(31-33), 3개의 충전 스위치(34-36), 및 2 개의 드라이버(301-302)를 포함한다.
드라이버(301)는 게이트 제어 신호(VC1)에 따라 게이트 전압(VG1-VG3)을 생성하여 방전 스위치(31)의 게이트, 방전 스위치(32)의 게이트, 및 방전 스위치(33)의 게이트에 공급한다.
드라이버(302)는 게이트 제어 신호(VC2)에 따라 게이트 전압(VG4-VG6)을 생성하여 충전 스위치(34)의 게이트, 충전 스위치(35)의 게이트, 및 충전 스위치(36)의 게이트에 공급한다.
BMS(20)는 정상 동작 모드의 경우 개의 방전 스위치(31-33) 및 3개의 충전 스위치(34-36)를 동일한 게이트 제어 신호로 제어할 수 있다. 즉, 복수의 게이트 제어 신호(VC1-VC2)가 지시하는 제어 명령이 동일하다. 예를 들어, BMS(20)는 방전 또는 충전 시에, 온을 지시하는 게이트 제어 신호(VC1-VC2)를 생성하여 드라이버(301-302)에 전송할 수 있다. BMS(20)는 릴레이부(30)를 개방 시킬 때, 오프를 지시하는 게이트 제어 신호(VC1-VC2)를 생성하여 드라이버(301-302)에 전송할 수 있다.
또는, BMS(20)는 방전 시에, 온을 지시하는 게이트 제어 신호(VC1)를 생성하여 드라이버(301)에 전송하고, 충전 시에, 온을 지시하는 게이트 제어 신호(VC2)를 생성하여 드라이버(302)에 전송할 수 있다.
BMS(20)는 릴레이부(30)의 스위치 고장 여부를 판단하기 위한 진단 모드의 경우 복수의 게이트 제어 신호(VC1-VC2) 각각을 다르게 생성하여 복수의 드라이버(301-302)에 전송할 수 있다. 스위치 고장은 스위치가 개방 상태로 고정된 개방 고장(stuck open)과 단락 상태로 고정된 단락 고장(stuck closed)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방전 스위치(31-33) 각각의 개방 고장 여부를 진단하기 위해서, BMS(20)는 게이트 제어 신호(VC1)를 온 레벨로 생성하고, 게이트 제어 신호(VC2)를 오프 레벨로 생성할 수 있다. 또한, 충전 스위치(34-36) 각각의 개방 고장 여부를 진단하기 위해서, BMS(20)는 게이트 제어 신호(VC2)를 온 레벨로 생성하고, 게이트 제어 신호(VC2)를 오프 레벨로 생성할 수 있다.
도 2에서는 3개의 경로를 형성하기 위해 방전 스위치들 및 충전 스위치들 각각의 개수가 3개인 것으로 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전류 크기에 따라 방전 스위치들 및 충전 스위치들을 개수가 결정될 수 있다. 또한, 3개의 방전 스위치(31-33) 및 3개의 충전 스위치(34-36)는 n 채널 타입의 MOSFET으로 구현되어 있으나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 타입의 트랜지스터 소자로 구현될 수 있다.
3개의 방전 스위치(31-33) 각각의 드레인은 접접(N1)에서 배터리(10)의 양의 전극에 연결되어 있고, 방전 스위치(31)의 소스는 접점(N2)에, 방전 스위치(32)의 소스는 접점(N3)에, 그리고 방전 스위치(33)의 소스는 접점(N4)에 연결되어 있다. 방전 스위치(31)의 게이트에는 게이트 전압(VG1)이, 방전 스위치(32)의 게이트에는 게이트 전압(VG2)이, 그리고 방전 스위치(33)의 게이트에는 게이트 전압(VG3)이 공급된다. 예를 들어, 온 레벨의 게이트 전압(VG1-VG3)에 따라 방전 스위치(31-33)는 온 되고, 오프 레벨의 게이트 전압(VG1-VG3)에 따라 방전 스위치(31-33)는 오프 된다.
3개의 충전 스위치(34-36) 각각의 드레인은 접점(N5)에서 배터리 시스템(1)의 출력단(+)에 연결되어 있고, 충전 스위치(34)의 소스는 접점(N2)에, 충전 스위치(35)의 소스는 접점(N3)에, 그리고 충전 스위치(36)의 소스는 접점(N4)에 연결되어 있다. 충전 스위치(34)의 게이트에는 게이트 전압(VG4)이, 충전 스위치(35)의 게이트에는 게이트 전압(VG5)이, 그리고 충전 스위치(36)의 게이트에는 게이트 전압(VG6)이 공급된다. 예를 들어, 온 레벨의 게이트 전압(VG4-VG6)에 따라 충전 스위치(34-36)는 온 되고, 오프 레벨의 게이트 전압(VG4-VG6)에 따라 충전 스위치(34-36)는 오프 된다.
복수의 접점(N1-N5)은 배선(도시하지 않음)을 통해 BMS(20)에 연결되어 있고, BMS(20)는 복수의 접점(N1-N5) 각각의 전압을 측정할 수 있다. 도 2에서는 BMS(20)가 복수의 접점(N1-N5) 각각의 전압을 측정하지만, 별도의 전압 센서가 BMS(20)의 외부에 위치하여 복수의 접점(N1-N5) 각각의 전압을 측정할 수 있다. 이 경우, BMS(20)는 전압 센서로부터 복수의 접점(N1-N5) 각각의 전압을 지시하는 신호를 수신할 수 있다.
전류센서(40)는 션트 저항(41)을 포함하고, 배터리(10)에 흐르는 배터리 전류를 감지하며, 감지된 배터리 전류를 지시하는 전류 감지 신호(SC)를 BMS(20)에 전송할 수 있다. 도 2에서는 션트 저항(41)이 배터리(10)의 음극과 배터리 시스템(1)의 출력단(-) 사이에 연결되어 있다. 션트 저항(41)은 도 1에 도시된 것과 달리 배터리(10)의 양극과 배터리 시스템(1)의 출력단(+) 사이에 연결되어 있을 수 있다.
BMS(20)는 정상 모드에서 복수의 배터리 셀(11-15)의 셀 전압, 배터리(10)의 양단 전압인 배터리 전압, 배터리 전류 등의 정보에 기초하여 배터리(10)의 충방전 전류를 제어하고, 복수의 배터리 셀(11-15)에 대한 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
또한, BMS(20)는 진단 모드에서 복수의 접점(N1-N5) 각각의 전압을 측정하고, 측정된 전압들에 기초하여 복수의 방전 스위치(31-33) 및 복수의 충전 스위치(34-36) 중 고장이 발생한 스위치를 검출할 수 있다.
예를 들어, 아래 표 1과 같이, 복수의 방전 스위치(31-33) 및 복수의 충전 스위치(34-36) 모두가 정상 상태라면, 릴레이부(30)의 개방을 지시하는 오프 레벨의 게이트 제어 신호(VC1-VC2)에 따라 복수의 방전 스위치(31-33) 및 복수의 충전 스위치(34-36)는 모두 오프 상태이다. 그러면, 접점(N1)의 전압(V1)은 배터리(10)의 양의 전극 전압인 14V이고, 접점(N5)의 전압(V5)은 출력단(+)의 전압인 14V이며, 접점(N2, N3, N4)의 전압(V2, V3, V4)은 0V이다. 출력단(+)의 전압이 14V인 것은 일 예로, 배터리 시스템(1)의 출력단(+)과 출력단(-) 사이에 외부 전원이 연결되어, 출력단(+)에 14V의 전압이 공급되기 때문이다.
복수의 방전 스위치(31-33) 및 복수의 충전 스위치(34-36) 모두가 정상 상태라면, 릴레이부(30)의 닫힘을 지시하는 온 레벨의 게이트 제어 신호(VC1-VC2)에 따라 복수의 방전 스위치(31-33) 및 복수의 충전 스위치(34-36)는 모두 온 상태이다. 그러면, 접점(N1)의 전압(V1), 접점(N5)의 전압(V5), 및 접점(N2, N3, N4)의 전압(V2, V3, V4)은 배터리(10)의 양의 전극 전압인 14V이다.
일 실시예에서는 충전 시 그리고 방전 시 모두에 대해서, 게이트 제어 신호(VC1-VC2)가 온 레벨인 것으로 설명한다. 그러나, 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 충전 시에는 게이트 제어 신호(VC4)는 온 레벨이고 게이트 제어 신호(VC1)는 오프 레벨이고, 방전 시에는 게이트 제어 신호(VC13)는 온 레벨이고 게이트 제어 신호(VC2)는 오프 레벨일 수 있다.
게이트 제어 신호
(VC1-VC2)		 V1 V2, V3, V4 V5
온 레벨 14V 14V 14V
오프 레벨 14V 0V 14V
진단 모드에서 게이트 제어 신호(VC1)만 온 레벨일 때, 방전 스위치(31)가 정상 상태일 때와 개방 고장(stuck open)일 때의 접점(N1-N5)의 전압(V1-V5)들은 아래 표 2와 같다. 이때, 배터리(10)의 양의 전극 전압은 14V이고, 출력단(+)에 공급되는 외부 전원의 전압이 없는 것으로 설정된다.
상태 V1 V2 V3 V4 V5
정상 상태 14V 14V 14V 14V 14V
개방 고장 14V 0V 14V 14V 0V
즉, 방전 스위치(31)가 개방 고장인 경우, 접점(N1)과 접점(N2) 간의 연결이 차단되어, 접점(N2)의 전압이 정상 상태와 달리 0V이다. 정상 상태에서는 접점(N2)의 전압(V2)에 의해 충전 스위치(34)의 바디 다이오드가 순방향 바이어스 되어, 접점(N5)의 전압(V5)이 14V이다. 그러나, 개방 고장에서는 접점(N2)의 전압(V2)이 0V이므로, 충전 스위치(34)의 바디 다이오드는 도통되지 않고 접점(N5)의 전압(V5)은 0V이다.진단 모드에서 모든 게이트 제어 신호(VC1-VC2)가 오프 레벨 즉, 릴레이부(30)가 개방 상태일 때, 방전 스위치(31)가 정상 상태일 때와 단락 고장(stuck short)일 때의 접점(N1-N5)의 전압들은 아래 표 3과 같다. 이때, 배터리(10)의 양의 전극 전압은 14V이고, 출력단(+)에 공급되는 외부 전원의 전압이 없는 것으로 설정된다.
상태 V1 V2 V3 V4 V5
정상 상태 14V 0V 0V 0V 0V
단락 고장 14V 14V 0V 0V 14V
즉, 방전 스위치(31)가 단락 고장인 경우, 접점(N1)과 접점(N2)이 단락 상태인 방전 스위치(31)를 통해 연결되어, 접점(N2)의 전압(V2)이 14V이고, 충전 스위치(34)의 바디 다이오드가 순방향으로 바이어스 되어 접점(N5)의 전압(V5)도 14V가 된다. 이어서, 진단 모드에서 게이트 제어 신호(VC2)만 온 레벨일 때, 충전 스위치(34)가 정상 상태일 때와 개방 고장(stuck open)일 때의 접점(N1-N5)의 전압들은 아래 표 4와 같다. 이때, 배터리(10)의 양의 전극 전압은 14V이고, 출력단(+)에 공급되는 외부 전원의 전압은 14V인 것으로 설정된다. 외부 전원은 출력단(+)과 출력단(-) 사이에 연결된 DC-DC 컨버터(도시하지 않음)로부터 공급될 수 있다.
상태 V1 V2 V3 V4 V5
정상 상태 14V 14V 14V 14V 14V
개방 고장 14V 0V 14V 14V 14V
즉, 충전 스위치(34)가 개방 고장인 경우, 접점(N5)과 접점(N2) 간의 연결이 차단되어, 접점(N2)의 전압이 정상 상태와 달리 0V이다.진단 모드에서 모든 게이트 제어 신호(VC1-VC2)가 오프 레벨 즉, 릴레이부(30)가 개방 상태일 때, 충전 스위치(34)가 정상 상태일 때와 단락 고장(stuck short)일 때의 접점(N1-N5)의 전압(V1-V5)들은 아래 표 5과 같다. 이때, 배터리(10)의 양의 전극 전압은 14V이고, 출력단(+)에 공급되는 외부 전원의 전압은 14V인 것으로 설정된다.
상태 V1 V2 V3 V4 V5
정상 상태 14V 0V 0V 0V 14V
단락 고장 14V 14V 0V 0V 14V
즉, 충전 스위치(34)가 단락 고장인 경우, 접점(N5)과 접점(N2)이 단락 상태인 충전 스위치(34)를 통해 연결되어, 접점(N2)의 전압(V2)이 14V이다.이와 같이, 진단 모드에서 방전 스위치(31-33) 중 개방 고장인 방전 스위치가 있을 경우, 개방 고장인 방전 스위치에 온 레벨의 게이트 전압이 공급되더라도, 개방 고장인 방전 스위치가 턴 온 되지 않아, 개방 고장인 방전 스위치에 연결된 접점의 전압은 0V이다.
진단 모드에서 방전 스위치(31-33) 중 단락 고장인 방전 스위치가 있을 경우, 릴레이부(30)를 개방 제어하더라도, 단락 고장인 방전 스위치를 통해 배터리(10)의 전압이 단락 고장인 방전 스위치가 연결된 접점에 인가되고, 단락 고장인 방전 스위치에 직렬 연결된 충전 스위치의 바디 다이오드를 순방향 바이어스 시켜 출력단(+)에 배터리(10)의 양의 전극 전압이 전달된다.
진단 모드에서 충전 스위치(34-36) 중 개방 고장인 충전 스위치가 있을 경우, 개방 고장인 충전 스위치에 온 레벨의 게이트 전압이 공급되더라도, 개방 고장인 충전 스위치가 턴 온 되지 않아, 개방 고장인 충전 스위치에 연결된 접점의 전압은 0V이다.
진단 모드에서 충전 스위치(34-36) 중 단락 고장인 충전 스위치가 있을 경우, 릴레이부(30)를 개방 제어하더라도, 단락 고장인 충전 스위치를 통해 출력단(+)의 전압이 단락 고장인 방전 스위치가 연결된 접점에 인가된다.
나머지 다른 충전 및 방전 스위치들의 개방 고장 및 단락 고장 시에, 접접(N1-N5)의 전압(V1-V5)을 나타내면 다음 표 6과 같다. 이때, 진단 모드에서 방전 스위치의 개방 고장 및 단락 고장을 진단할 때, 배터리(10)의 양의 전극 전압은 14V이고, 출력단(+)에 공급되는 외부 전원의 전압이 없는 것으로 설정된다. 그리고 진단 모드에서 충전 스위치의 개방 고장 및 단락 고장을 진단할 때, 배터리(10)의 양의 전극 전압은 14V이고, 출력단(+)에 공급되는 외부 전원의 전압은 14V인 것으로 설정된다.
스위치 게이트 제어 신호 및 외부 전원 조건 V1 V2 V3 V4 V5 상태
방전 스위치
(32)		 게이트 제어 신호(VC1)만 온 레벨, 외부 전원 무 14V 14V 14V 14V 14V 정상
14V 14V 0V 14V 14V 개방 고장
모든 게이트 제어 신호 오프 레벨, 외부 전원 무 14V 0V 0V 0V 0V 정상
14V 0V 14V 0V 14V 단락 고장
방전 스위치
(33)		 게이트 제어 신호(VC1)만 온 레벨, 외부 전원 무 14V 14V 14V 14V 14V 정상
14V 14V 14V 0V 14V 개방 고장
모든 게이트 제어 신호 오프 레벨, 외부 전원 무 14V 0V 0V 0V 0V 정상
14V 0V 0V 14V 14V 단락 고장
충전 스위치
(35)		 게이트 제어 신호(VC2)만 온 레벨, 외부 전원 유 14V 14V 14V 14V 14V 정상
14V 14V 0V 14V 14V 개방 고장
모든 게이트 제어 신호 오프 레벨, 외부 전원 유 14V 0V 0V 0V 14V 정상
14V 0V 14V 0V 14V 단락 고장
충전 스위치
(36)		 게이트 제어 신호(VC2)만 온 레벨, 외부 전원 유 14V 14V 14V 14V 14V 정상
14V 14V 14V 0V 14V 개방 고장
모든 게이트 제어 신호 오프 레벨, 외부 전원 유 14V 0V 0V 0V 14V 정상
14V 0V 0V 14V 14V 단락 고장
BMS(20)는 진단 모드에서 접점(N1-N5)의 전압(V1-V5)를 측정하고, 복수의 게이트 제어 신호(VC1-VC2) 중 온 레벨인 게이트 제어 신호 및 측정된 전압(V1-V5)의 값을 분석하여 위 표들에 기재된 바와 같이 각 스위치들의 고장 상태를 진단할 수 있다. 도 3은 일 실시예에 따른 릴레이의 고장 진단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3의 순서도에는 진단 모드에서의 BMS(20)가 방전 스위치(31)에 대한 개방 고장 및 단락 고장을 판단하는 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, BMS(20)는 게이트 제어 신호(VC1)을 온 레벨로 생성하여, 방전 스위치(31-33)에 대한 온 제어를 수행한다(S1).
BMS(20)는 접점(N2)의 전압(V2)을 측정한다(S2).
BMS(20)는 전압(V2)이 소정의 제1 임계치 이하인지 판단한다(S3). 이 때, 소정의 제1 임계치는 전압(V2)이 영전압인지 판단하기 위한 기준 전압으로 영전압에 가까운 낮은 전압 레벨일 수 있다.
S3 판단 결과, 전압(V2)이 제1 임계치 이하이면, BMS(20)는 방전 스위치(31)를 개방 고장으로 판단한다(S4).
S3 판단 결과, 전압(V2)이 제1 임계치 보다 크면, BMS(20)는 방전 스위치(31)에 대한 개방 고장 판단을 종료한다. 즉, 방전 스위치(31)은 개방 고장 상태가 아니다.
이어서, BMS(20)는 모든 게이트 제어 신호(VC1-VC2)를 오프 레벨로 생성하여, 릴레이부(30)에 대한 개방 제어를 수행한다(S5).
BMS(20)는 접점(N2)의 전압(V2)을 측정한다(S6).
BMS(20)는 전압(V2)이 소정의 제2 임계치 이상인지 판단한다(S7). 이 때, 소정의 제2 임계치는 전압(V2)이 배터리(10)의 양의 전극 전압인지 판단하기 위한 기준 전압으로, 배터리(10)의 양의 전극 전압 보다 낮지만 가까운 전압 레벨일 수 있다.
S7 판단 결과, 전압(V2)이 제2 임계치 이상이면, BMS(20)는 방전 스위치(31)를 단락 고장으로 판단한다(S8).
S7 판단 결과, 전압(V2)이 제2 임계치 보다 작으면, BMS(20)는 방전 스위치(31)에 대한 단락 고장 판단을 종료한다. 즉, 방전 스위치(31)은 단락 고장 상태가 아니다. 결과적으로, 방전 스위치(31)은 정상 상태이다.
나머지 방전 스위치(32, 33)에 대해서도, S1부터 S8까지의 단계와 동일한 방식으로, 전압(V2) 대신 방전 스위치(32)에 대한 고장 진단 시에는 전압(V3)를, 방전 스위치(33)에 대한 고장 진단 시에는 전압(V4)를 이용하여, BMS(20)는 고장 진단 방법을 수행한다.
도 4는 일 실시예에 따른 릴레이의 고장 진단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4의 순서도에는 진단 모드에서의 BMS(20)가 충전 스위치(34)에 대한 개방 고장 및 단락 고장을 판단하는 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, BMS(20)는 게이트 제어 신호(VC2)을 온 레벨로 생성하여, 충전 스위치(34-36)에 대한 온 제어를 수행한다(S11).
BMS(20)는 접점(N2)의 전압(V2)을 측정한다(S12).
BMS(20)는 전압(V2)이 소정의 제1 임계치 이하인지 판단한다(S13).
S13 판단 결과, 전압(V2)이 제1 임계치 이하이면, BMS(20)는 충전 스위치(34)를 개방 고장으로 판단한다(S14).
S13 판단 결과, 전압(V2)이 제1 임계치 보다 크면, BMS(20)는 충전 스위치(34)에 대한 개방 고장 판단을 종료한다. 즉, 충전 스위치(34)은 개방 고장 상태가 아니다.
이어서, BMS(20)는 모든 게이트 제어 신호(VC1-VC2)를 오프 레벨로 생성하여, 릴레이부(30)에 대한 개방 제어를 수행한다(S15).
BMS(20)는 접점(N2)의 전압(V2)을 측정한다(S16).
BMS(20)는 전압(V2)이 소정의 제2 임계치 이상인지 판단한다(S17). 이 때, 소정의 제2 임계치는 전압(V2)이 출력단(+)의 전압인지 판단하기 위한 기준 전압으로, 출력단(+)의 전압 보다 낮지만 가까운 전압 레벨일 수 있다.
S17 판단 결과, 전압(V2)이 제2 임계치 이상이면, BMS(20)는 충전 스위치(34)를 단락 고장으로 판단한다(S18).
S17 판단 결과, 전압(V2)이 제2 임계치 보다 작으면, BMS(20)는 충전 스위치(34)에 대한 단락 고장 판단을 종료한다. 즉, 충전 스위치(34)은 단락 고장 상태가 아니다. 결과적으로, 충전 스위치(34)는 정상 상태이다.
나머지 충전 스위치(35, 36)에 대해서도, S11부터 S18까지의 단계와 동일한 방식으로, 전압(V2) 대신 충전 스위치(35)에 대한 고장 진단 시에는 전압(V3)를, 충전 스위치(36)에 대한 고장 진단 시에는 전압(V4)를 이용하여, BMS(20)는 고장 진단 방법을 수행한다.
이와 같이, 일 실시예는 릴레이부의 접점들의 전압들을 측정하고, 측정된 전압들 및 게이트 제어 신호에 따른 제어 조건에 따라 충전 스위치 및 방전 스위치에 대한 개방 고장 및 단락 고장을 진단할 수 있다.
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
10: 배터리
20: 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)
30: 릴레이부
40: 전류 센서
11-15: 배터리 셀
31-33: 방전 스위치
34-36: 충전 스위치
37-39: 션트 저항
300: 게이트 구동 회로

Claims (13)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 배터리와 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 방전 스위치 및 제1 충전 스위치, 그리고 상기 배터리와 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제2 방전 스위치 및 제2 충전 스위치를 포함하는 릴레이부; 및
    진단 모드에서, 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 방전 스위치와 상기 제1 충전 스위치 사이의 제1 접점의 전압이 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 방전 스위치를 개방 고장으로 판단하고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 충전 스위치를 개방 고장으로 판단하며, 상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 제2 임계치 이상일 때, 상기 제1 방전 스위치 및 상기 제1 충전 스위치 중 하나를 단락으로 판단하는 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 제1 및 제2 게이트 제어 신호를 생성하고,
    상기 릴레이부는,
    상기 제1 게이트 제어 신호에 따라 상기 제1 및 제2 방전 스위치의 게이트에 게이트 전압을 공급하는 제1 드라이버, 및
    상기 제2 게이트 제어 신호에 따라 상기 제1 및 제2 충전 스위치의 게이트에 게이트 전압을 공급하는 제2 드라이버를 더 포함하는, 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서, 상기 제1 및 제2 충전 스위치를 오프 제어하고,
    상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서, 상기 제1 및 제2 방전 스위치를 오프 제어하는, 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 릴레이부에 대한 개방 조건에서, 상기 제1 및 제2 방전 스위치 및 상기 제1 및 제2 충전 스위치를 오프 제어하는, 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방전 스위치의 일단은 상기 배터리의 일 전극에 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치의 일단은 상기 출력단에 연결되어 있으며,
    상기 제2 임계치는, 상기 제1 접점의 전압이 상기 출력단의 전압인지 비교하기 위한 레벨로 설정되는, 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 임계치는, 상기 제1 접점의 전압이 영 전압인지 비교하기 위한 레벨로 설정되는, 배터리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 진단 모드에서, 상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 방전 스위치와 상기 제2 충전 스위치 사이의 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제2 방전 스위치를 개방 고장으로 판단하고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제2 충전 스위치를 개방 고장으로 판단하며, 상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 제2 임계치 이상일 때, 상기 제2 방전 스위치 및 상기 제2 충전 스위치 중 하나를 단락으로 판단하는, 배터리 시스템.
  8. 배터리와 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제1 방전 스위치 및 제1 충전 스위치, 그리고 상기 배터리와 상기 출력단 사이에 직렬 연결되어 있는 제2 방전 스위치 및 제2 충전 스위치를 포함하는 릴레이부의 진단 방법에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방전 스위치를 온 제어하는 단계;
    상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 방전 스위치와 상기 제1 충전 스위치 사이의 제1 접점의 전압을 측정하고, 상기 제1 접점의 전압이 제1 임계치 이하인지 판단하는 단계;
    상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 방전 스위치를 개방 고장으로 판단하는 단계;
    상기 제1 및 제2 충전 스위치를 온 제어하는 단계;
    상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압을 측정하고, 상기 제1 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하인지 판단하는 단계;
    상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제1 충전 스위치를 개방 고장으로 판단하는 단계;
    상기 릴레이부를 개방 제어하는 단계;
    상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압을 측정하고, 상기 제1 접점의 전압이 제2 임계치 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제1 접점의 전압이 상기 제2 임계치 이상일 때, 상기 제1 방전 스위치 및 상기 제1 충전 스위치 중 하나를 단락으로 판단하는 단계를 포함하는, 릴레이부의 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 방전 스위치와 상기 제2 충전 스위치 사이의 제2 접점의 전압을 측정하고, 상기 제2 접점의 전압이 제2 임계치 이하인지 판단하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 방전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제2 방전 스위치를 개방 고장으로 판단하는 단계를 더 포함하는, 릴레이부의 진단 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 방전 스위치와 상기 제2 충전 스위치 사이의 제2 접점의 전압을 측정하고, 상기 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하인지 판단하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 충전 스위치에 대한 온 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 상기 제1 임계치 이하일 때, 상기 제2 충전 스위치를 개방 고장으로 판단하는 단계를 더 포함하는, 릴레이부의 진단 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제2 방전 스위치와 상기 제2 충전 스위치 사이의 제2 접점의 전압을 측정하고, 상기 제2 접점의 전압이 제2 임계치 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 릴레이부에 대한 개방 제어 조건에서 상기 제2 접점의 전압이 상기 제2 임계치 이상일 때, 상기 제2 방전 스위치 및 상기 제2 충전 스위치 중 하나를 단락으로 판단하는 단계를 더 포함하는, 릴레이부의 진단 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방전 스위치의 일단은 상기 배터리의 일 전극에 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2 충전 스위치의 일단은 상기 출력단에 연결되어 있으며,
    상기 제2 임계치는, 상기 제1 접점의 전압이 상기 배터리의 일 전극 전압인지 비교하기 위한 레벨로 설정되는, 릴레이부의 진단 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1 임계치는, 상기 제1 접점의 전압이 영 전압인지 비교하기 위한 레벨로 설정되는, 릴레이부의 진단 방법.
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