KR20230090024A - 릴레이 진단 장치 및 릴레이 진단 방법 - Google Patents

릴레이 진단 장치 및 릴레이 진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 진단 장치는, 배터리 팩과 부하의 연결을 제어하는 메인 릴레이를 진단하는 장치로서, 상기 배터리 팩의 양극 단자와 연결되는 제1 메인 릴레이와 상기 부하 사이, 및 상기 배터리 팩의 음극 단자와 연결되는 제2 메인 릴레이의 일단 및 타단 사이에 연결되며, 복수의 저항을 포함하는 저항분해 회로; 및 상기 저항분해 회로 및 전압 소스와 연결되어, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이의 진단에 사용되는 릴레이 진단 전압을 출력하는 진단 모듈을 포함할 수 있다.

Description

릴레이 진단 장치 및 릴레이 진단 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING RELAYS}
본 발명은 릴레이 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저항분해 회로를 이용한 릴레이 진단 장치 및 릴레이 진단 방법에 관한 것이다.
사용 후 충전하여 재사용이 가능한 전지인 2차 전지는 디바이스가 요구하는 출력 용량에 따라 다수 개의 배터리 셀들을 직렬 연결하여 이루어진 배터리 모듈 또는 배터리 팩으로 제작되어, 각종 디바이스의 전원 공급원으로서 사용된다. 이와 같은 배터리는 스마트 폰 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 전기 자전거, 전기 자동차, 에너지저장시스템(ESS)에 이르기까지 다양한 분야에 사용되고 있다.
배터리 모듈 또는 배터리 팩은 다수 개의 배터리 셀들이 조합된 구조체로서, 일부 배터리 셀에서 과전압, 과전류, 과발열 등이 되는 경우에는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 안전성과 작동 효율에 문제가 발생하므로, 이들을 검출하기 위한 수단이 필수적이다. 따라서, 배터리 모듈 또는 배터리 팩에는 각 배터리 셀들의 전압 값을 측정하고, 측정된 값을 바탕으로 배터리 셀들의 전압 상태를 모니터링하며 제어하는 BMS(Battery Management System)가 장착되어 있다.
전력저장 시스템, 고용량 전기차의 경우 용량을 늘리기 위해 배터리 팩을 병렬로 연결하여 시스템을 구성하는 경우가 많다. 이렇듯 병렬로 연결된 배터리 팩을 사용하는 경우, 기존의 진단 장치로는 하나의 배터리 팩의 음극 메인 릴레이에 문제가 발생하는 경우 정상 배터리 팩의 음극 메인 릴레이의 상태를 진단하는 것이 불가능한 점 등 진단이 불가능한 영역이 발생한다는 문제가 있다.
한국 등록특허 2052956 B1
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 저항분해 회로를 이용해 릴레이를 진단하는 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 상기 릴레이 진단 장치를 이용해 릴레이를 진단하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 진단 장치는, 배터리 팩과 부하의 연결을 제어하는 메인 릴레이를 진단하는 장치로서, 상기 배터리 팩의 양극 단자와 연결되는 제1 메인 릴레이와 상기 부하 사이, 및 상기 배터리 팩의 음극 단자와 연결되는 제2 메인 릴레이의 일단 및 타단 사이에 연결되며, 복수의 저항을 포함하는 저항분해 회로; 및 상기 저항분해 회로 및 전압 소스와 연결되어, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이의 진단에 사용되는 릴레이 진단 전압을 출력하는 진단 모듈, 그리고 상기 진단 모듈이 출력하는 릴레이 진단 전압의 전압 값에 따라 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 하나 이상의 동작 이상을 진단하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 진단 모듈은 공통모드 전압차동증폭기(Common mode voltage differential Amplifier)일 수 있다.
상기 진단 모듈은, 제1 입력부; 제2 입력부; 기준 전압 입력부; 및 상기 제1 입력부를 통해 입력되는 제1 입력 전압과 상기 제2 입력부를 통해 입력되는 제2 입력 전압의 차이에 따라 기준 전압 또는 또는 상기 제1 입력 전압 및 상기 제2 입력 전압의 차이에 따른 값을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 릴레이 진단 전압이 제1 임계치 이상 또는 제2 임계치 이하일 때, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나에서 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이때, 상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치는, 상기 기준 전압에 기초하고 상기 릴레이 진단 장치에 포함된 부품 또는 회로의 특성에 따라 결정될 수 있다.
상기 출력부는 상기 제1 입력 전압과 상기 제2 입력 전압의 차이가 없을 때, 상기 기준 전압을 기준으로 상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치 사이의 릴레이 진단 전압 값을 출력한다.
상기 제어부는, 상기 릴레이 진단 전압이 상기 기준 전압을 기준으로 상기 제1 임계치와 상기 제2 임계치 사이의 값일 때, 상기 제1 메인 릴레이 또는 상기 제2 메인 릴레이에 이상이 없는 것으로 판단할 수 있다.
이때, 릴레이의 동작 이상은, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나가 고정 폐쇄(stuck close)된 상태를 포함할 수 있다.
상기 출력부는 상기 제1 입력 전압과 상기 제2 입력 전압의 차이가 기 설정된 범위 이상일 때, 제1 입력 전압과 상기 제2 입력 전압의 차이에 따라 정해지는 값을 출력할 수 있다.
상기 저항분해 회로는, 상기 제1 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 및 상기 제2 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 사이에 방전용 저항과 병렬로 배치되는 제1 저항소자 및 제2 저항소자; 및 일단이 상기 제1저항소자 및 제2 저항소자 사이에 연결되는 제3 저항소자를 포함하고, 상기 제3 저항소자의 상기 일단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제1 입력부와 연결되고, 상기 제3 저항소자의 타단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제2 입력부와 연결될 수 있다.
상기 저항분해 회로는, 일단이 전압원과 연결되고 타단이 상기 저항분해 회로에 연결되어, 상기 저항분해 회로에 대한 전압 인가를 제어하는 진단제어 스위치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 릴레이 진단 방법은, 배터리 팩과 부하의 연결을 제어하는 제1 메인 릴레이와 제2 메인 릴레이, 및 부하 사이에 위치하는 복수의 저항을 포함하는 저항분해 회로 및 상기 저항분해 회로 및 전압 소스와 연결되어, 진단 전압을 출력하는 진단 모듈을 이용해, 메인 릴레이를 진단하는 방법으로서, 릴레이 진단 요청에 따라 상기 저항분해 회로 내 진단 스위치를 온으로 전환하는 단계; 상기 진단 모듈이 출력하는 릴레이 진단 전압 값을 수신하는 단계; 및 상기 릴레이 진단 전압 값에 따라 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나가 고정폐쇄 상태인지 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 진단 모듈은, 제1 입력부; 제2 입력부; 기준 전압 입력부; 및 상기 제1 입력부를 통해 입력되는 제1 입력 전압과 상기 제2 입력부를 통해 입력되는 제2 입력 전압의 차이에 따라 기준 전압 또는 또는 상기 제1 입력 전압 및 상기 제2 입력 전압의 차이에 따른 값을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나가 고정폐쇄 상태인지 진단하는 단계는, 상기 릴레이 진단 전압이 제1 임계치 이상 또는 제2 임계치 이하일 때, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나에서 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치는, 상기 기준 전압에 기초하고 상기 릴레이 진단 장치에 포함된 부품 또는 회로의 특성에 따라 결정될 수 있다.
상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나가 고정폐쇄 상태인지 진단하는 단계는 또한, 상기 릴레이 진단 전압이 상기 기준 전압을 기준으로 상기 제1 임계치와 상기 제2 임계치 사이의 값일 때, 상기 제1 메인 릴레이 또는 상기 제2 메인 릴레이에 이상이 없는 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 저항분해 회로는, 상기 제1 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 및 상기 제2 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 사이에 방전용 저항과 병렬로 배치되는 제1 저항소자 및 제2 저항소자와 일단이 상기 제1저항소자 및 제2 저항소자 사이에 연결되는 제3 저항소자를 포함하고, 상기 제3 저항소자의 상기 일단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제1 입력부와 연결되고, 상기 제3 저항소자의 타단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제2 입력부와 연결될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 병렬 배터리 팩 시스템에서 기존의 진단 장치 대비 단순한 회로 및 방법을 통해 모든 상황에서 릴레이가 고정폐쇄된 경우를 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 구조를 나타낸다.
도 2는 일반적인 릴레이 진단 회로의 구성도이다.
도 3은 일반적인 릴레이 진단 회로에서 진단을 위해 회로에 인가되는 신호를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 회로를 포함하는 릴레이 진단 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 회로에서 진단을 위해 회로에 인가되는 신호를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 7c 는 싱글 팩 배터리 시스템에서 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 전압값 산출에 활용되는 개략 회로도이다.
도 8a 내지 8c 는 병렬 팩 배터리 시스템에서 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 전압값 산출에 활용되는 개략 회로도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 방법의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 구조를 나타낸다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에서 고려하는 배터리 시스템은 복수의 배터리 팩이 병렬로 연결된 형태(1000)의 배터리 시스템이다. 각 배터리 팩은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하여 구성될 수 있다. 배터리 셀 또는 모듈은 양극 단자 및 음극 단자를 통해 부하와 연결되어 충/방전 동작할 수 있다. 본 발명에서, 배터리 시스템 및 부하를 포함하는 장치는 전기 자동차일 수 있다.
보다 구체적으로, 개별 배터리 팩에는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)(300)이 설치될 수 있다. BMS는 자신이 관장하는 각 배터리 팩의 전류, 전압 및 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과에 근거하여 SOC(Status Of Charge)를 산출하고 충방전을 제어한다. 여기서, SOC(State of Charge; 충전율)는 배터리의 현재 충전된 상태를 비율[%]로 표현한 것이고, SOH(State of Health; 배터리 수명 상태)는 배터리의 현재 퇴화 상태를 비율[%]로 표현한 것이다.
각 배터리 팩은 개별 BDU(Battery Disconnect Unit)(100)와 연결되는데, BDU는 양극 메인 릴레이, 음극 메인 릴레이, 및 프리-차지 회로(릴레이 및 저항을 포함)을 포함할 수 있다. 프리-차지 회로는 초기 충전 회로의 역할을 수행한다. 프리-차지 회로와 병렬로 연결된 메인 릴레이는 초기 충전이 완료된 후 정상 충/방전시 닫혀 충방전 회로를 형성한다.
병렬 배터리 팩(1000)은 정션 박스(200)를 통해 부하, 즉 인터버 등을 포함하는 차량 내 다른 구성요소와 연결된다. 복수의 BDU와 연동하는 정션 박스(200)는 양극 메인 릴레이, 음극 메인 릴레이, 및 프리-차지 회로(릴레이 및 저항을 포함) 및 전류 센서를 포함할 수 있다. 정션 박스는 또한 전체 병렬 배터리 팩을 관장하는 상위BMS와 연동하여 해당 BMS로 팩 전류 및 팩 전압을 제공하고, 해당 BMS로부터 릴레이 제어 신호를 수신할 수 있다.
도 2는 일반적인 릴레이 진단 회로의 구성도이다.
앞서 살펴본 바와 같이 각 배터리 팩은 배터리와 부하 사이에서 전력을 연결 또는 차단하는 BDU를 포함하며, BDU는 양극 메인 릴레이(Main + Relay), 음극 메인 릴레이(Main - Relay), 및 프리-차지(Precharge) 회로(릴레이 및 저항을 포함)을 포함할 수 있다. 프리-차지 회로는 초기 충전 회로의 역할을 수행한다. 프리-차지 회로와 병렬로 연결된 메인 릴레이는 초기 충전이 완료된 후 정상 충/방전시 닫혀 충방전 회로를 형성한다.
BDU 동작 모드는 크게 프리차징 모드와 방전 모드, 충전 모드로 구분될 수 있다. 프리차징 모드는 릴레이 구동 시 고전압 돌입전류에 의한 인버터 손상을 방지하기 위해서 프리차징 릴레이를 통해 커패시터에 초기 충전하는 모드이다. 방전 모드는 메인 릴레이가 구동하여 인버터에 고전력을 공급하는 모드이며, 충전 모드는 급속 충전 릴레이가 동작하여 DC 전압으로 급속 충전하는 모드이다.
도 2는 양극 및 음극 메인 릴레이를 진단하기 위해 기존에 일반적으로 사용되는 진단 회로로서, PACK_POS는 양극 메인 릴레이를 기준으로 배터리 측을 나타내고 LINK_POS는 양극 메인 릴레이를 기준으로 부하(예를 들어, robot, 차량) 측을 나타낸다. 또한, PACK_NEG는 음극 메인 릴레이를 기준으로 배터리 측을 나타내고 LINK_NEG는 음극 메인 릴레이를 기준으로 부하 측을 나타낸다. 추가적으로, Pack Vias는 배터리 전압을 부하 측 음극 단에 인가하는 회로를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 기존의 릴레이 진단 회로는 배터리 팩 양극(Pos) 스위치, 팩 바이어스(Vias) 스위치, 링크 양극(Pos) 스위치, 링크 음극(Neg) 스위치, 전압 소스, 및 다수의 저항을 포함해 구성된다. 해당 진단 회로에서는 배터리 전압을 부하에 인가하고 배터리 팩의 양극 전압, 부하의 양극 전압, 부하의 음극 전압을 측정함으로써, 릴레이 상태에 대한 진단이 수행될 수 있다.
도 3은 일반적인 릴레이 진단 회로에서 진단을 위해 회로에 인가되는 신호를 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 2에서 살펴본 기존의 진단 회로를 이용해 릴레이 진단을 수행하는 방법을 설명하기 위한 것으로, 양극 메인 릴레이와 음극 메인 릴레이에 대해 별도의 시퀀스를 이용해 진단을 수행한다. 도 3의 그래프는 차량 상태가 키 온(key on) 단계를 거쳐 주행중(driving)이다가, 키 오프(ley off) 단계로 변화하는 흐름에서 릴레이 진단 신호가 키 온 단계 및 키 오프 단계에서 입력되고 진단 신호가 출력되는 상태를 보여준다.
도 3을 참조하면, S31 단계에서는 양극 메인 릴레이가 고정폐쇄(stuck close)된 경우를, S32 단계에서는 음극 메인 릴레이가 고정폐쇄된 경우를 진단할 수 있다.
양극 메인 릴레이 진단을 위한 S31 단계에서의 진단 시퀀스는, 배터리 팩 양극 스위치를 온하여 배터리 팩의 양극 전압(Pack Pos)을 측정하고, 이후 부하 양극 스위치를 온하여 부하의 양극 전압(Link Pos)을 측정하는 순서로 이루어진다. 해당 단계에서 진단은 이들 두 측정치 간 차이의 절대값(|Pack Pos - Link Pos|)이 특정 임계치를 초과하는지 체크하여, 임계치를 초과하는 경우 양극 메인 릴레이가 고정폐쇄된 상태에 있는 것으로 진단할 수 있다.
음극 메인 릴레이 진단을 위한 S32 단계에서의 진단 시퀀스는, 팩 바이어스 스위치를 온하여 부하 단의 음극 전압을 측정함으로써 이루어진다. 해당 단계에서 진단은 팩 바이어스 스위치가 온인 상태에서 측정한 부하의 음극전압의 절대값(|Link Neg|)이 특정 임계치(예를 들어, 10V) 미만인지 체크하고, 임계치 미만인 경우 음극 메인 릴레이가 고정폐쇄인 것으로 진단할 수 있다.
정리하면, 일반적인 릴레이 진단 회로를 이용해 메인 릴레이의 고정폐쇄를 진단하기 위해서는 양극 메인 릴레이를 위한 진단 시퀀스와 음극 메인 릴레이를 위한 진단 시퀀스가 별개로 필요하다. 즉, 기존의 일반적인 릴레이 진단 회로로는, 하나의 진단 시퀀스로 양극 메인 릴레이 및 음극 메인 릴레이의 고정폐쇄를 동시에 진단할 수 없다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 회로를 포함하는 릴레이 진단 장치의 구성도이다.
도 4에서, PACK_POS는 양극 메인 릴레이를 기준으로 배터리 측을 나타내고 LINK_POS는 양극 메인 릴레이를 기준으로 부하(예를 들어, robot, 차량) 측을 나타낸다. 또한, PACK_NEG는 음극 메인 릴레이를 기준으로 배터리 측을 나타내고 LINK_NEG는 음극 메인 릴레이를 기준으로 부하 측을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 릴레이 진단 장치는, 배터리 팩과 부하의 연결을 제어하는 메인 릴레이를 진단하는 장치로서, 상기 배터리 팩의 양극 단자와 연결되는 제1 메인 릴레이와 상기 부하 사이, 및 상기 배터리 팩의 음극 단자와 연결되는 제2 메인 릴레이의 일단 및 타단 사이에 연결되며, 복수의 저항과 스위치를 포함하는 저항분해 회로(410); 및 상기 저항분해 회로 및 전압 소스와 연결되어, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이의 진단에 사용되는 릴레이 진단 전압을 출력하는 진단 모듈(420); 상기 진단 모듈이 출력하는 릴레이 진단 전압의 전압 값에 따라 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 하나 이상의 동작 이상을 진단하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
이때, 제어부(미도시)는 상기 저항분해 회로 및 상기 진단 모듈과 연결되어 이들의 동작을 제어하는 MCU(Main Control Unit)일 수 있으며, 릴레이 진단 장치는 BMS(Battery Management System)에 포함될 수 있다.
진단 모듈(420)은 도 4에 도시된 바와 같이, 공통모드 전압 차동증폭기(Common mode voltage differential Amplifier)일 수 있으며, 제1 입력부(예를 들어, 양의 입력); 제2 입력부(예를 들어, 음의 입력); 기준 전압 입력부(Ref); 및 상기 제1 입력부를 통해 입력되는 제1 입력 전압과 상기 제2 입력부를 통해 입력되는 제2 입력 전압의 차에 따라 기준 전압 또는 상기 제1 입력 전압 및 상기 제2 입력 전압의 차이에 따른 값을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
출력부는 상기 제1 입력 전압과 상기 제2 입력 전압의 차이가 없을 때, 상기 기준 전압을 기준으로 상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치 사이의 값을 출력한다.
제어부는, 상기 출력부로부터 상기 기준 전압을 기준으로 상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치 사이의 값이 출력되는 경우, 상기 제1 메인 릴레이 또는 상기 제2 메인 릴레이에 이상이 없는 것으로 판단할 수 있다. 이때, 릴레이의 동작 이상은, 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 하나 이상이 고정 폐쇄(stuck close)된 상태를 의미할 수 있다.
출력부는 또한, 상기 제1 입력 전압과 상기 제2 입력 전압의 차이가 기 설정된 범위 이상일 때, 제1 입력 전압과 상기 제2 입력 전압의 차이에 따라 정해지는 값을 출력한다. 이때, 기 설정된 범위는 제1입력전압과 제2 입력 전압을 동일한 값이라고 판단할 수 없을 정도의 차이를 의미할 수 있다.
도 4의 회로에서 릴레이 진단 전압값의 도출에 영향을 미치는 저항값은 R1, R2, R3의 저항값이다.
저항분해 회로(410)는 양극 메인 릴레이와 부하의 연결단 및 음극 메인 릴레이와 부하의 연결단 사이에 방전용 저항과 병렬로 배치되는 제1 저항소자(R1) 및 제2 저항소자(R2), 그리고 일단이 상기 제1저항소자 및 제2 저항소자 사이에 연결되는 제3 저항소자(R3)를 포함할 수 있다. 제3 저항소자의 상기 일단은 간접적으로(제3 저항소자의 일단과 진단 모듈 사이에 위치하는 하나 이상의 중간 저항소자를 거쳐) 진단 모듈의 제1 입력부와 연결되고, 제3 저항소자의 타단은 간접적으로(제3 저항소자의 타단과 진단 모듈 사이에 위치하는 하나 이상의 중간 저항소자를 거쳐) 진단 모듈의 제2 입력부와 연결될 수 있다.
진단 모듈(420)의 제1 입력 및 제2 입력은 저항 분해 회로 내 R3 저항 소자에 인가되는 전압값에 따라 결정될 수 있다. 도 4의 진단 회로를 통해 메인 릴레이 진단하고자 할 때에는, 진단제어 스위치(SWdiag)를 온하여 저항분해 회로에 전압(12 ~ 13V)을 인가한다. 배터리 팩, 양극 메인 릴레이 및 음극 메인 릴레이와 연결된 저항분해 회로 내 특정 저항(도 4에서는 R3)에 인가되는 전압값에 따라 달라지는 진단 모듈의 출력 값, 즉, 릴레이 진단 전압 값을 분석하여 양극 메인 릴레이 또는 음극 메인 릴레이의 고정폐쇄(stuck close) 여부를 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 회로에서 진단을 위해 회로에 인가되는 신호를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 릴레이 진단 장치의 제어부(예를 들어, MCU)가 메인 릴레이를 진단하고자 하는 경우, 전압 소스와 저항분해 회로 사이에 위치하는 진단제어 스위치를 온하여 저항분해 회로에 전압을 인가하고, 진단 모듈이 출력하는 릴레이 진단 전압값을 분석하여 릴레이 상태를 진단할 수 있다.
도 5를 참조하면, 진단제어 스위치가 온되면 저항분해 회로에 릴레이 진단 제어(CTRL Relay Diag.) 신호가 인가된다. 릴레이 진단 제어 신호는 차량 상태가 주행 중이 아닐 때 인가되는데, 도 5에서 키 온 및 키 오프 상태에서 릴레이 진단 구간(S51)을 확인할 수 있다. 본 발명에서는 양극 메인 릴레이 진단과 음극 메인 릴레이 진단을 위한 절차가 구분되지 않으며, 동일한 하나의 진단 절차를 이용해 양극 메인 릴레이 및 음극 메인 릴레이 중 적어도 하나를 진단할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 장치는 각 배터리 팩과 연동하는BMS(Battery Management System)이거나 BMS에 포함되는 장치일 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 개념을 설명하기 위한 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 릴레이 진단 장치는, 진단 모듈이 출력하는 릴레이 진단 전압 값(Relay Diagnosis V)에 따라 제1 메인 릴레이 및 제2 메인 릴레이 중 하나 이상의 동작 이상을 진단할 수 있다. 이때, 릴레이 진단 전압이 제1 임계치 이상 또는 제2 임계치 이하일 때 상기 제1 메인 릴레이 또는 상기 제2 메인 릴레이에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
여기서, 제1 임계치 및 제2 임계치는 진단 모듈에 입력되는 기준 전압(Vref)을 중심으로 릴레이 진단 회로에 포함된 부품 또는 회로의 특성에 따라 달라지는 소정의 변동폭(마진)을 정의하기 위한 값들이다.
도 6은 도 4의 진단 회로에서의 릴레이 진단 방법을 설명하고 있으며, 그에 따라 기준 전압은 도 4의 예에서와 동일한 2.5V가 된다. 제1 임계치는 2.3V, 제2 임계치는 2.7V로 설정되어 있다. 제1 임계치 이상, 제2 임계치 이하로 정의되는 전압의 범위는 진단 모듈이 기준전압을 출력한다고 볼 수 있는 정도의 전압값을 나타내며, 회로 또는 장치에서 발생하는 다양한 노이즈 등 회로 특성에 따라 달라질 수 있는 진단 모듈의 출력값을 반영한 것이다.
또한, 상한값 4.5V 및 하한값0.5V는 저항분해 회로 내에 포함된 저항소자들의 값에 따라 나타날 수 있는 진단 모듈의 출력값 즉, 릴레이 진단 전압값의 최고치 및 최저치이다. 도 6에 도시된 전압값들은 본 발명에 따른 저항분해 회로의 저항소자 값들이 예를 들어, R1 = 50KΩ, R2 = 200KΩ, R3 = 5KΩ일 때를 가정하여 도출된 값들이다.
릴레이 진단 전압값 도출과 관련해서는 이하 도 7a 내지 7c, 그리고 도 8a 내지 8c를 통해 보다 상세히 살펴보기로 한다.
도 7a 내지 7c 는 싱글 팩 배터리 시스템에서 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 전압값 도출에 활용되는 개략 회로도이다.
도 7a 내지 7c 는 하나의 배터리 팩을 포함하는 시스템에서 릴레이 진단 회로 내 전류의 흐름을 나타낸다. 저항소자 R3에 인가되는 전압이 도 4의 진단 모듈(420)의 제1 입력과 제2 입력 간의 전압 차이가 된다.
도 7a는 양극 메인 릴레이가 고정 폐쇄된 경우의 간략 회로도로서, 해당 회로에서는 전류가 R1 및 R3를 통해 흐른다. 도 7b는 음극 메인 릴레이가 고정 폐쇄된 경우의 간략 회로도로서, 해당 회로에서는 전류가 R1 및 R2를 통해 흐른다. 또한, 도 7c는 양극 메인 릴레이 및 음극 메인 릴레이가 모두 정상적으로 오픈된 경우의 간략 회로도이다.
본 발명에 따른 저항분해 회로의 저항소자 값들이 예를 들어, R1 = 50KΩ, R2 = 200KΩ, R3 = 5KΩ이고 배터리 팩 전압이 42V 내지 60V라고 가정한다면, 도 7a의 회로에서 릴레이 진단 전압값은 팩 전압에 따라 달라져 3.0V 내지 4.5V가 된다. 또한, 도 7b의 회로에서 릴레이 진단 전압값은 1.2V 이상 2.3V미만이 될 수 있다. 도 7c의 회로에서는 저항소자 R3에 전류가 흐르지 않으므로, 진단 모듈의 출력값이 기준 전압값(Vref)을 따르고, 따라서, 릴레이 진단 전압값은 2.5V가 된다.
도 8a 내지 8c 는 복수의 병렬 배터리 팩 또는 충전기를 포함하는 시스템에서 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 전압값 산출에 활용되는 개략 회로도이다.
도 8a 내지 8c 는 복수의 병렬 배터리 팩 또는 충전기(charger)를 포함하는 시스템에서 릴레이 진단 회로 내 전류의 흐름을 나타낸다. 싱글 배터리 팩만을 포함하는 시스템과 비교할 때 충전기 또는 하나 이상의 배터리 팩이 병렬로 추가 위치한다는 차이점이 있다. 이 경우에도, 저항소자 R3에 인가되는 전압이 진단 모듈(420)의 제1 입력과 제2 입력 간의 전압 차이가 된다.
도 8a는 양극 메인 릴레이가 고정 폐쇄된 경우의 간략 회로도로, 해당 회로에서는 전류가 R1 및 R3를 통해 흐른다. 도 8b는 음극 메인 릴레이가 고정 폐쇄된 경우의 간략 회로도로, 해당 회로에서는 전류가 R1, R2 및 R3를 통해 흐른다. 또한, 도 8c는 양극 메인 릴레이 및 음극 메인 릴레이가 모두 정상적으로 오픈된 경우의 간략 회로도이다.
본 발명에 따른 저항분해 회로의 저항소자 값들이 예를 들어, R1 = 50KΩ, R2 = 200KΩ, R3 = 5KΩ이고 배터리 팩 전압이 42V 내지 60V라고 가정한다면, 도 8a의 회로에서 릴레이 진단 전압값이 팩 전압에 따라 달라지겠지만 대략 3.0V 내지 4.5V가 된다. 또한, 도 7b의 회로에서 릴레이 진단 전압값은 충전기 전압값에 따라 달라져 3.0V 내지 4.5V가 된다. 도 8c의 회로에서는 저항소자 R3에 전류가 흐르지 않으므로, 진단 모듈의 출력값이 기준 전압값(Vref)을 따르고, 따라서, 이 때의 릴레이 진단 전압값은 2.5V가 된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 방법의 순서도이다.
본 발명의 실시예에 따른 릴레이 진단 방법은 배터리 팩과 부하의 연결을 제어하는 제1 메인 릴레이와 제2 메인 릴레이, 및 부하 사이에 위치하는 복수의 저항을 포함하는 저항분해 회로 및 저항분해 회로 및 전압 소스와 연결되어, 진단 전압을 출력하는 진단 모듈을 이용해, 메인 릴레이를 진단하는 방법이다.
상기 진단 모듈은, 제1 입력부; 제2 입력부; 기준 전압 입력부; 및 상기 제1 입력부를 통해 입력되는 제1 입력 전압과 상기 제2 입력부를 통해 입력되는 제2 입력 전압의 차이에 따라 기준 전압 또는 또는 상기 제1 입력 전압 및 상기 제2 입력 전압의 차이에 따른 값을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 저항분해 회로는, 상기 양극 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 및 상기 음극 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 사이에 방전용 저항과 병렬로 배치되는 제1 저항소자 및 제2 저항소자; 및 일단이 상기 제1저항소자 및 제2 저항소자 사이에 연결되는 제3 저항소자를 포함하고, 상기 제3 저항소자의 상기 일단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제1 입력부와 연결되고, 상기 제3 저항소자의 타단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제2 입력부와 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 릴레이 진단 방법은, 앞서 살펴본 릴레이 진단 장치 또는 진단 장치 내 제어부, 예를 들어, BMS 내에 포함될 수 있는 다양한 MCU, 프로세서, 컨트롤러에 의해 수행될 수 있으나, 그 동작 주체가 이들에 제한되는 것은 아니다.
릴레이 진단 장치의 제어부는 사용자 또는 내외부 시스템의 릴레이 진단 요청이 있는 경우(S910), 저항분해 회로의 진단 스위치를 온으로 전환한다(S920).
제어부는 진단 스위치가 온됨에 따라 진단 모듈이 출력하는 릴레이 진단 전압 값을 수신하여(S930), 릴레이 진단 전압 값에 따라 제1 메인 릴레이 및 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나가 고정폐쇄 상태인지 진단할 수 있다(S940, S941, S942).
구체적으로, 제어부는 진단전압 값을 기준전압 값과 비교하고(S940), 진단전압값이 기준전압과 거의 일치할 때 릴레이 상태를 정상으로 판단하고(S941), 두 값이 일치하지 않을 때 릴레이가 비정상, 즉 고정폐쇄인 것으로 판단할 수 있다 (S942).
즉, 릴레이 진단 전압이 제1 임계치 이상 또는 제2 임계치 이하일 때, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나에서 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 이때, 제1 임계치 및 상기 제2 임계치는, 기준 전압에 기초하고 상기 릴레이 진단 장치에 포함된 부품 또는 회로의 특성에 따라 결정될 수 있다.
릴레이 진단 전압이 기준 전압을 기준으로 상기 제1 임계치와 상기 제2 임계치 사이의 값일 때, 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이에 이상이 없는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
300: BMS 410: 저항분해 회로
420: 진단 모듈

Claims (17)

  1. 배터리 팩과 부하의 연결을 제어하는 메인 릴레이를 진단하는 장치로서,
    상기 배터리 팩의 양극 단자와 연결되는 제1 메인 릴레이와 상기 부하 사이, 및 상기 배터리 팩의 음극 단자와 연결되는 제2 메인 릴레이의 일단 및 타단 사이에 연결되며, 복수의 저항을 포함하는 저항분해 회로; 및
    상기 저항분해 회로 및 전압 소스와 연결되어, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이의 진단에 사용되는 릴레이 진단 전압을 출력하는 진단 모듈을 포함하는, 릴레이 진단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단 모듈이 출력하는 릴레이 진단 전압의 전압 값에 따라 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 하나 이상의 동작 이상을 진단하는 제어부를 더 포함하는, 릴레이 진단 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단 모듈은 공통모드 전압차동증폭기(Common mode voltage differential Amplifier)인, 릴레이 진단 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 진단 모듈은,
    제1 입력부;
    제2 입력부;
    기준 전압 입력부; 및
    상기 제1 입력부를 통해 입력되는 제1 입력 전압과 상기 제2 입력부를 통해 입력되는 제2 입력 전압의 차이에 따라 기준 전압 또는 또는 상기 제1 입력 전압 및 상기 제2 입력 전압의 차이에 따른 값을 출력하는 출력부를 포함하는, 릴레이 진단 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 릴레이 진단 전압이 제1 임계치 이상 또는 제2 임계치 이하일 때, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나에서 이상이 발생한 것으로 판단하는, 릴레이 진단 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치는,
    상기 기준 전압에 기초하고 상기 릴레이 진단 장치에 포함된 부품 또는 회로의 특성에 따라 결정되는, 릴레이 진단 장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 출력부는 상기 제1 입력 전압과 상기 제2 입력 전압의 차이가 없을 때, 상기 기준 전압을 기준으로 상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치 사이의 릴레이 진단 전압 값을 출력하는, 릴레이 진단 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 릴레이 진단 전압이 상기 기준 전압을 기준으로 상기 제1 임계치와 상기 제2 임계치 사이의 값일 때, 상기 제1 메인 릴레이 또는 상기 제2 메인 릴레이에 이상이 없는 것으로 판단하는, 릴레이 진단 장치.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 동작 이상은,
    상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나가 고정 폐쇄(stuck close)된 상태를 포함하는, 릴레이 진단 장치.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 출력부는 상기 제1 입력 전압과 상기 제2 입력 전압의 차이가 기 설정된 범위 이상일 때, 제1 입력 전압과 상기 제2 입력 전압의 차이에 따라 정해지는 값을 출력하는, 릴레이 진단 장치.
  11. 청구항 4에 있어서,
    상기 저항분해 회로는,
    상기 제1 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 및 상기 제2 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 사이에 방전용 저항과 병렬로 배치되는 제1 저항소자 및 제2 저항소자; 및
    일단이 상기 제1 저항소자 및 제2 저항소자 사이에 연결되는 제3 저항소자를 포함하고,
    상기 제3 저항소자의 상기 일단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제1 입력부와 연결되고, 상기 제3 저항소자의 타단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제2 입력부와 연결되는, 릴레이 진단 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 저항분해 회로는,
    일단이 전압원과 연결되고 타단이 상기 저항분해 회로에 연결되어, 상기 저항분해 회로에 대한 전압 인가를 제어하는 진단제어 스위치를 더 포함하는, 릴레이 진단 장치.
  13. 배터리 팩과 부하의 연결을 제어하는 제1 메인 릴레이와 제2 메인 릴레이, 및 부하 사이에 위치하는 복수의 저항을 포함하는 저항분해 회로 및 상기 저항분해 회로 및 전압 소스와 연결되어, 진단 전압을 출력하는 진단 모듈을 이용해, 메인 릴레이를 진단하는 방법으로서,
    릴레이 진단 요청에 따라 상기 저항분해 회로 내 진단 스위치를 온으로 전환하는 단계;
    상기 진단 모듈이 출력하는 릴레이 진단 전압 값을 수신하는 단계; 및
    상기 릴레이 진단 전압 값에 따라 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나가 고정폐쇄 상태인지 진단하는 단계를 포함하는, 릴레이 진단 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 진단 모듈은,
    제1 입력부;
    제2 입력부;
    기준 전압 입력부; 및
    상기 제1 입력부를 통해 입력되는 제1 입력 전압과 상기 제2 입력부를 통해 입력되는 제2 입력 전압의 차이에 따라 기준 전압 또는 또는 상기 제1 입력 전압 및 상기 제2 입력 전압의 차이에 따른 값을 출력하는 출력부를 포함하는, 릴레이 진단 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나가 고정폐쇄 상태인지 진단하는 단계는,
    상기 릴레이 진단 전압이 제1 임계치 이상 또는 제2 임계치 이하일 때, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나에서 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 임계치 및 상기 제2 임계치는,
    상기 기준 전압에 기초하고 상기 릴레이 진단 장치에 포함된 부품 또는 회로의 특성에 따라 결정되는, 릴레이 진단 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 중 적어도 하나가 고정폐쇄 상태인지 진단하는 단계는,
    상기 릴레이 진단 전압이 상기 기준 전압을 기준으로 상기 제1 임계치와 상기 제2 임계치 사이의 값일 때, 상기 제1 메인 릴레이 또는 상기 제2 메인 릴레이에 이상이 없는 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 릴레이 진단 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 저항분해 회로는,
    상기 제1 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 및 상기 제2 메인 릴레이와 상기 부하의 연결단 사이에 방전용 저항과 병렬로 배치되는 제1 저항소자 및 제2 저항소자; 그리고
    일단이 상기 제1 저항소자 및 제2 저항소자 사이에 연결되는 제3 저항소자를 포함하고,
    상기 제3 저항소자의 상기 일단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제1 입력부와 연결되고, 상기 제3 저항소자의 타단은 직접 또는 간접적으로 상기 진단 모듈의 제2 입력부와 연결되는, 릴레이 진단 방법.
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