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KR101602434B1 - 충전시 발생하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치 및 오진단 방지 방법 - Google Patents

충전시 발생하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치 및 오진단 방지 방법 Download PDF

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KR101602434B1
KR101602434B1 KR1020120126939A KR20120126939A KR101602434B1 KR 101602434 B1 KR101602434 B1 KR 101602434B1 KR 1020120126939 A KR1020120126939 A KR 1020120126939A KR 20120126939 A KR20120126939 A KR 20120126939A KR 101602434 B1 KR101602434 B1 KR 101602434B1
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Abstract

본 발명은 배터리의 충전시 발생하는 밸런싱 스위치의 오진단을 방지하는 오진단 방지 장치 및 오진단 방지 방법을 개시한다. 본 발명에 따르는 오진단 방지 장치는, 배터리의 밸런싱을 수행하도록 각 셀의 양 단자에 연결된 센싱 라인에 병렬 연결되고, 셀의 전압을 방전시키는 방전 저항과 셀과 방전 저항을 연결 또는 해제하는 셀 밸런싱 스위치를 포함하는 밸런싱 회로; 및 셀의 전류와 임계 전류를 비교하여 충전 여부를 판단하고, 충전 중이 아닌 것으로 판단되면 진단 대상의 셀 밸런싱 스위치를 온 또는 오프 제어하고, 셀 밸런싱 스위치의 오프 상태 및 온 상태에서 전압 센싱 회로로부터 출력된 셀의 전압을 비교하여 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 진단하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 따르면 배터리의 충전 중에 밸런싱 스위치가 고장으로 오진단되는 것을 방지하여 진단의 신뢰로가 향상된다.

Description

충전시 발생하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치 및 오진단 방지 방법{System for protecting wrong diagnosis of sell balancing switch occurred in charging and method thereof}
본 발명은 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치 및 오진단 방지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리가 충전 중일 때 셀 밸런싱 스위치가 고장난 것으로 오진단되는 것을 방지하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치 및 오진단 방지 방법에 관한 것이다.
배터리 관리 장치(BMS : Battery Management System)의 주된 목적 중 하나는 배터리를 주기적으로 밸런싱하여 특정 배터리 셀이 더 낮은 전압까지 사용하는 것을 방지하여 오랜 수명을 유지하는 것이다. 배터리 관리 장치는 배터리의 셀 밸런싱을 수행하여 셀 밸런싱 스위치의 온 또는 오프 동작을 제어한다. 배터리의 셀 밸런싱은 셀 밸런싱 스위치를 이용하여 수행되기 때문에 배터리 관리 장치가 진단 장치로서 기능하여 상기 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 진단하는 것은 진단 대상의 항목들 중에서 높은 우선 순위를 갖는다.
도 1은 종래 기술에서 진단 장치가 셀 밸런싱 스위치의 고장을 진단하는 순서도이다. 진단 장치가 상기 스위치의 진단 처리를 시작하면, 상기 스위치가 오프(S/W off)일 때 셀 전압(Vswitch- off)과 온(S/W on)일 때 셀 전압(Vswitch - on)을 각각 측정한 후 각각의 측정된 셀 전압을 비교한다. 밸런싱 셀 스위치가 정상적으로 온/오프 동작하는 상황이라 가정하면, 밸런싱 스위치가 온 상태일 때에는 셀의 전류가 저항을 통과하여 방전되는 셀 밸런싱 동작이 수행되기 때문에 밸런싱 스위치가 오프 상태일 때의 전압보다 상대적으로 낮은 전압이 감지되어 조건 1 Vswitch - off > V switch -on 을 만족한다. 여기서, 밸런싱 스위치가 오프 상태일 때의 측정된 셀 전압과 온 상태일 때의 측정된 셀 전압을 비교하여 소정의 임계 전압을 초과하는 차이가 나는 조건 2 Vswitch - off - V switch - on > 임계 전압을 만족하면 상기 스위치는 정상적인 온/오프 동작을 하는 것으로 진단된다. 반면에, 측정된 상기 셀 전압의 비교 결과가 상기 조건 2를 만족하지 못하면 상기 스위치는 고장으로 판단되어 진단된다.
하지만, 배터리가 충전되는 상황에서는 단순히 셀 밸런싱 스위치의 오프 상태와 온 상태의 전압 레벨을 비교하는 것 만으로는 상기 스위치의 온/오프 동작에 대해 오진단을 발생시킬 수 있다. 왜냐하면, 충전 중인 상황에서는 상기 스위치의 오프 상태 및 온 상태의 전환에 의해 셀 전압이 영향을 받기보다는 외부로부터 공급되는 에너지에 의해 셀 전압이 영향을 받기 때문이다. 오히려, 배터리의 충전에 의해 상기 스위치의 온 상태의 셀 전압이 오프 상태의 셀 전압보다 높아져 상기 조건 1을 만족하지 못하는 상황(예 : Vswitch - off < V switch - on )이 발생된다. 따라서, 상기 조건 1이 불만족되는 경우, 상기 조건 2 또한 불만족되기 때문에 정상적으로 온/오프 동작하는 스위치가 고장난 스위치로 오진단된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 인식 하에 창출된 것으로서, 배터리의 충전 중에 발생하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단을 방지하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치 및 오진단 방지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 셀 밸런싱 스위치의 진단시에 배터리의 충전 여부를 먼저 판단한 후 배터리가 충전 중이 아니라 판단되면 셀 밸런싱 스위치를 진단하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 충전시 발생하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치는, 배터리가 충전 중인 각 셀에 대응하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단을 방지하는 장치에 있어서, 배터리의 밸런싱을 수행하도록 각 셀의 양 단자에 연결된 센싱 라인에 병렬 연결되고, 상기 셀의 전압을 방전시키는 방전 저항과 상기 셀과 방전 저항을 연결 또는 해제하는 셀 밸런싱 스위치를 포함하는 밸런싱 회로; 및 진단 대상의 셀 밸런싱 스위치에 대응하는 셀의 전류와 임계 전류를 비교하여 충전 여부를 판단하고, 충전 중이 아닌 것으로 판단되면 상기 셀 밸런싱 스위치를 온 또는 오프 제어하고, 상기 셀 밸런싱 스위치의 오프 상태 및 온 상태에서 각각 측정된 셀의 전압을 비교하여 상기 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 진단하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 오진단 방지 장치는, 상기 셀의 전류가 상기 임계 전류를 초과할 경우 시간을 측정하는 타이머 회로를 더 포함한다.
또한, 상기 오진단 방지 장치는, 상기 센싱 라인을 통해 감지된 셀의 전류를 측정하여 상기 제어부로 출력하는 전류 센싱 회로; 및 상기 센싱 라인을 통해 감지된 셀의 전압을 측정하여 상기 제어부로 출력하는 전압 센싱 회로를 더 포함한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 셀의 전류가 상기 임계 전류를 초과하는 동안에 측정된 측정 시간이 임계 시간 미만이면, 상기 셀의 전류를 재측정하여 상기 임계 전류와 비교한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 셀의 전류가 상기 임계 전류를 초과하는 동안에 측정된 측정 시간이 임계 시간을 초과할 경우, 상기 셀이 충전 중인 것으로 판단한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 셀이 충전 중인 것으로 판단하면 진단 처리를 종료한 이후로, 기 설정된 시간 이후로 진단 처리를 시작하거나, 다음번 진단 주기에 진단 처리를 시작하거나 또는 사용자의 요청으로 진단 처리를 시작한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제어부는, 상기 셀의 전류가 상기 임계 전류 이하이면 충전 중이 아닌 것으로 판단한 후, 상기 셀 밸런싱 스위치의 오프 상태에서 측정된 상기 셀의 전압으로부터 상기 셀 밸런싱 스위치의 온 상태에서 측정된 상기 셀의 전압을 차감한 차이값이 제 1임계 전압을 초과할 경우 상기 셀 밸런싱 스위치를 정상으로 진단한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 차이값이 제 2임계 전압 이하일 경우 상기 셀 밸런싱 스위치를 고장으로 진단한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 셀 밸런싱 스위치를 고장으로 진단한 상태에서, 고장난 상기 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀의 전압이 인접하는 셀의 셀 밸런싱 스위치가 오프인 상태에서 측정된 전압보다 낮으면 고장난 상기 스위치를 단락 고장(short-fault)으로 진단하고, 고장난 상기 스위치가 온 상태에서 측정된 셀의 전압이 인접하는 셀의 오프 상태에서 측정된 전압과 동일하면 고장난 상기 스위치를 단선 고장(open-fault)으로 진단한다.
더욱이, 상기 제 2임계 전압은 상기 제 1임계 전압보다 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 충전시 발생하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 방법은, 배터리가 충전 중인 각 셀에 대응하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단을 방지하는 오진단 방지 장치가 하기의 단계들을 실행하는 방법에 있어서, (a)상기 셀 밸런싱 스위치에 대응하는 셀의 전류를 측정하는 전류 측정 단계; (b)측정된 셀의 전류를 임계 전류를 비교하는 전류 비교 단계; (c)상기 셀의 전류가 상기 임계 전류를 초과하면, 상기 초과가 지속되는 동안에 측정된 측정 시간이 임계 시간을 초과할 경우, 상기 셀이 충전 중인 것으로 판단하여 진단 처리를 종료하는 충전 판단 단계; 및 (d)상기 셀의 전류가 상기 임계 전류보다 이하이면, 상기 셀 밸런싱 스위치의 온 상태 및 오프 상태에서 상기 셀의 전압을 각각 측정하고, 측정된 상기 셀의 전압의 차이를 비교하여 상기 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 진단하는 스위치 진단 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 셀 밸런싱 스위치의 진단을 시작하면 배터리가 충전 중인지를 판단하고, 충전 중이 아니라 판단되면 스위치의 고장 여부를 진단함으로써 배터리의 충전 중에 상기 스위치가 고장이라고 오진단되는 것을 방지한다.
또한, 셀 밸런싱 스위치의 진단 신뢰성을 향상시켜 배터리의 밸런싱이 수행되기 때문에 배터리의 수명이 증가하고, 배터리로부터 에너지를 공급받는 전기 장치의 안정성이 강화된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 종래 기술에서 셀 밸런싱 스위치를 진단하는 방법의 개략적 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치의 개략적 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정상 상태와 충전 상태의 전압 레벨의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 고장난 상태의 전압 레벨의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단선 고장난 상태의 전압 레벨의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 방법의 개략적 순서도이다.
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 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치의 개략적 회로 구성을 도시한다. 도 2에는 셀이 3개로 예시되어 있으나, 본 발명은 셀의 수에 의해 한정되지 않는다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정상 상태와 배터리가 충전 중인 상태의 전압 레벨의 예시를 도시한다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 기술을 설명한다.
참고로, 상기 오진단 방지 장치는 배터리 단위의 밸런싱 스위치가 고장으로 오진단되는 것을 방지하고, 밸런싱 스위치가 고장났는지 여부를 진단한다. 상기 밸런싱 스위치는 적어도 하나의 셀을 포함하는 배터리 단위별로 할당되고, 스위치의 온/오프 동작에 따라 배터리 단위의 밸런싱을 수행한다. 이하에서는 설명의 편의상 밸런싱 스위치가 각 셀마다 할당되어 상기 배터리 단위가 한 개의 셀이라 가정하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치는, 복수개 셀(VB1, VB2, VB3)을 포함하는 배터리 팩(10)에서 각 셀(VB1, VB2, VB3)의 양 단자에 연결된 센싱 라인에 병렬 연결되고 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)와 방전저항(Rd)을 포함하는 셀 밸런싱 회로(20) 및 상기 셀이 충전 중이 아닐 경우 상기 셀 밸런싱 스위치(SWb)를 턴온 또는 턴오프시켜 턴온시의 셀 전압과 와 턴오프 시의 셀 전압의 변화 패턴을 분석하여 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부와 고장 원인을 판별하는 제어부(40)를 포함한다.
바람직하게, 상기 오진단 방지 장치는, 상기 셀 밸런싱 회로(20)와 센싱 라인이 연결된 노드(고전위 노드(A)와 저전위 노드(B))를 기준으로 셀 측 센싱 라인 상에 설치된 진단 저항(Rm), 개별 셀의 전류를 센싱하여 셀 전류로서 출력하는 전류 센싱 회로(31) 및 개별 셀의 전압을 센싱하여 셀 전압으로서 출력하는 전압 센싱 회로(32)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기의 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B)는 상기 셀 밸런싱 회로(20)와 센싱 라인이 접속되는 상대적인 지점으로 예컨대, 제 1번 셀(VB1)의 양극과 접속하여 연장된 센싱 라인과 셀 밸런싱 회로(20)가 접속되는 지점은 고전위 노드(A)가 되고, 제 1번 셀(VB1)의 음극과 접속하여 연장된 센싱 라인과 셀 밸런싱 회로(20)가 접속되는 지점은 저전위 노드(A)가 된다. 또한, 제 1번 셀(VB1)의 고전위 노드(A)는 제 2번 셀(VB2)의 음극과 접속하여 저전위 노드(B)가 된다. 즉, 개별 셀은 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B)를 가지며, 각각의 노드는 인접하는 2개의 셀에 대해 고전위 노드(A) 또는 저전위 노드(B)가 된다.
이때, 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B)의 전위차는 셀(VB1)의 전압(이하 '셀 전압'이라 함)이 되며 다음의 수학식 1로 표기된다.
Figure 112012092392754-pat00001
상기 셀 밸런싱 회로(20)는 제어부(40)에 의해 동작이 제어되는 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)와 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 동작에 따라 셀 전압을 방전시키는 방전 저항(Rd)으로 구성된다. 필수적인 것은 아니지만, 셀 밸런싱 회로(20) 상의 저전위 노드(B) 측에는 역 방향으로 전압이 인가되는 것을 제한하는 다이오드(D)가 더 포함될 수 있다. 여기서, 상기 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)는 전계효과트랜지스터(field effect transistor; FET)가 사용되는 것이 바람직하다. 전계효과트랜지스터(FET)는 소오스 단자, 드레인 단자 및 게이트 단자를 구비하며, 게이트 단자에는 상기 제어부(40)의 제어에 따라 구동 전압이 인가되며, 구동 전압의 인가로 인해 셀 밸런싱 회로(20)가 도통되고 상기 방전 저항(Rd)을 통해 셀 전류가 방전된다. 본 발명의 실시예에서 전계효과트랜지스터(FET)의 회로 구성 및 동작 방식은 주요 요지가 아니므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상기 진단 저항(Rm)은 본 발명에서 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장을 진단하는 구성 요소로서, 셀 전압이 방전될 때 방전 저항(Rd)을 통해 방전 전류가 흐를 때와 흐르지 않을 때 노드간 전압 차에 변화를 유발한다. 즉, 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)가 온 상태(단락 상태)가 되면 화살표로 표시된 방전 루프를 통해 방전 전류가 흘러서 밸런싱이 수행된다. 이때, 고전위 노드의 전위는 고전위 노드 측의 진단 저항(Rm)에 흐르는 방전 전류로 인해 방전 전류가 흐르지 않는 경우에 비해 감소하고, 저전위 노드의 전위는 저전위 노드 측의 진단 저항(Rm)에 흐르는 방전 전류로 인해 방전 전류가 흐르지 않는 경우에 비해 상승한다. 그 결과, 밸런싱이 수행되어 방전 루프에 방전 전류가 흐르면 셀 전압은 밸런싱이 수행되지 않는 상태의 셀 전압보다 감소하게 된다.
상기 전류 센싱 회로(31)는 각 셀(VB1, VB2, VB3)이 충전 중인지 판단하기 위한 것으로서, 각 셀의 전류를 센싱하여 아날로그 전압 신호로 출력한다. 출력된 셀 전류의 값이 기 설정된 임계 전류의 값을 초과할 경우, 상기 제어부(40)는 셀이 충전 중인 것으로 판단한다.
상기 전압 센싱 회로(32)는 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장을 진단하기 위한 것으로서, 상기 제어부(40)의 제어에 의해 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)가 턴온/턴오프되면 상기 수학식 1에 의거하는 각 셀의 고전위 노드(A)와 저전위 노드(B) 간의 전위차를 센싱하여 아날로그 전압 신호로 출력한다.
바람직하게, 상기 전압 센싱 회로(32)는 각 셀(VB1, VB2, VB3)의 전압을 주기적으로 센싱하기 위해 통상적으로 사용되는 회로를 그대로 이용한다. 이런 경우 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장을 진단하기 위한 목적으로 별도의 전압 센싱 회로를 설치하지 않아도 되는 이점이 있다.
상기 제어부(40)는 전류 센싱 회로(31) 및 전압 센싱 회로(32)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환 모듈(미도시)과, A/D 변환 모듈을 통해 입력되는 디지털 신호를 저장하는 메모리부(미도시)와, 밸런싱을 수행하기 위해 상기 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 온/오프 동작을 제어하며, 전류 센싱 회로(31)를 이용하여 배터리가 충전 중인지 판별하고, 전압 센싱 회로(32)를 이용하여 얻은 셀 전압의 변화 패턴을 분석하여 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장 여부를 판별하는 중앙 연산 모듈(미도시)을 포함하여 구성된다. 이러한 제어부(40)의 구성은 일반적으로 배터리를 관리하는 시스템에 사용되는 것으로 널리 알려져 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 배터리가 충전 중이 아니고 셀 밸런싱 스위치가 고장이 아니라 가정하면, 셀 밸런싱 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀 전압과 온인 상태에서 측정된 셀 전압의 차이는 임계 전압을 초과하며 다음의 수학식 2로 표기된다.
Figure 112012092392754-pat00002
따라서, 제어부(40)는 상기 수학식 2의 조건이 만족된다고 판단하면 셀 밸런싱 스위치가 정상 동작하는 것으로 판단한다.
반면에, 배터리가 충전 중이라 가정하면, 셀 밸런싱 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀 전압보다 온인 상태에서 측정된 셀 전압이 더 높아진다. 예를 들어, 전기 자동차(Electric Vehicle)에서 배터리를 급속 충전하는 상황 또는 하이브리드 전기 자동차(Hibrid Electric Vehicle)에서 회생 제동에 의해 순간적인 급속 충전 상황에서는 배터리가 충전 중인 상태가 된다. 이때, 배터리에서 셀 밸런싱 스위치의 진단을 위해 밸런싱이 수행되면, 셀 전압이 낮아지고 낮아진 셀 전압을 보상하기 위해 충전 전압이 급격히 높아져 오히려 셀 전압은 상승하게 된다. 그러면, 제어부(2)는 정상 동작하는 셀 밸런싱 스위치임에도 불구하고 상기 수학식 2에 위배되는 것으로 판단하여 상기 스위치를 고장이라고 오진단한다.
상기 오진단이 발생하는 경우, 배터리에서 밸런싱 스위치의 진단은 높은 우선 순위를 갖기 때문에 고장으로 진단된 결과에 따라 배터리 장치의 동작은 중단된다. 예를 들면, 전기차에서 배터리 장치를 사용할 경우 밸런싱 스위치의 고장으로 전기차의 운행이 금지될 수 있다. 이런 상황이 자주 발생한다면 운전자로 하여금 전기차에 문제가 많은 것으로 인식하여 차량 성능에 대한 신뢰성이 떨어질 수 있다. 차량 성능은 소비자의 차량 구매에 직결되기 때문에 높은 우선 순위를 갖는 진단의 경우 높은 신뢰성을 갖도록 설계되어야만 한다.
상기 오진단을 배제하기 위한 본 발명의 오진단 방지 장치가 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb2, SWb3)의 고장을 판별하는 과정을 제 2번 셀(VB2)에 해당하는 셀 밸런싱 스위치(SWb2)의 고장 진단 과정을 중심으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 제어부(40)는 진단 대상이 되는 제2번 셀(VB2)의 전류를 측정하고, 측정된 전류를 임계 전류와 비교한다. 측정 전류가 임계 전류를 초과하는 것으로 판단되면, 제어부(40)는 배터리가 충전 중인지 여부를 판단하기 위해 상기 초과가 지속되는 동안의 측정 시간의 계수를 시작한다.
바람직하게, 상기 오진단 방지 장치는 시간 계수를 위해 타이머 회로(33)를 더 포함한다. 제어부(40)는 상기 측정 전류의 초과 상태를 감지하면 타이머 회로(33)를 통해 측정 시간을 계수한다. 제어부(40)는 측정 시간이 임계 시간 미만이면 일시적인 초과 상태이거나 또는 충전 중인 상태가 곧 종료될 수 있기에 다시 제2번 셀(VB2)의 전류를 재측정하고, 측정 전류를 임계 전류와 재비교한다. 상기 재비교의 결과가 초과 상태가 지속되는 경우이면, 상기 측정 시간의 계수를 지속하면서 측정 시간을 임계 시간과 재비교한다.
측정 시간의 재비교 결과, 측정 시간이 임계 시간을 초과하는 것이라 판단되면, 제어부(40)는 제2번 셀(VB2)이 충전 중인 상태로 판단하고 셀 밸런싱 스위치의 진단 처리를 종료한다. 충전 중인 상태에서 제어부(40)가 충전이 종료되었는지를 판단하기 위해 지속적으로 임계 전류를 비교하는 것은 소모적인 프로세스이기 때문에 진단 처리를 종료하여 프로세스 자원을 절감하는 것이 선호된다.
여기서, 상기 제어부(40)는 배터리가 충전 중인 것으로 판단되어 중간에서 종료된 진단의 처리를 다시 재개한다. 제어부(40)는 기 설정된 시간이 경과할 경우, 다음번 진단 주기가 도래하는 경우 또는 사용자의 진단 요청이 있을 경우, 셀 밸런싱 스위치의 진단 처리를 재개할 수 있다.
만약, 상기 제어부(40)가 진단 대상이 되는 제2번 셀(VB2)의 측정 전류가 임계 전류 이하인 것으로 판단하면, 배터리가 충전 중이 아닌 것으로 판단한다. 그러면, 제어부(40)는 인접하는 제 1번 셀(VB1)과 제 3번 셀(VB3)의 셀 밸런싱 스위치(SWb1, SWb3)를 오프시키고 제2번 셀(VB2) 또한 셀 밸런싱 스위치(SWb2)를 오프 시킨 상태에서 제2번 셀(VB2)의 셀 전압을 측정한다. 그런 다음, 제어부(40)는 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)를 온시킨 후, 제2번 셀(VB2)의 셀 전압을 측정한다. 다음으로, 제어부(40)는 제2번 셀(VB2)의 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 오프 상태에서 측정된 셀 전압으로부터 온 상태에서 측정된 셀 전압을 차감한 차이값이 제 1임계 전압을 초과한다고 판단하면 상기 수학식 2가 만족되어 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 정상인 것으로 판단한다. 반면에, 제어부(40)가 상기 차이값이 제 2 임계 전압 이하로서 오프 상태의 셀 전압과 온 상태의 셀 전압이 동일하다고 판단되면 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 고장인 것으로 판단한다. 여기서, 제 2임계 전압은 제 1임계 전압 이하이다. 셀 밸런싱 스위치(SWb2)가 고장인 것은 온 상태가 지속되는 단락 고장(short fault)이거나 또는 오프 상태가 지속되는 단선 고장(short fault)이다. 고장 상태에서는 밸런싱 스위치의 오프 상태 및 온 상태에서 각각 측정된 셀 전압이 서로 동일하다. 그리고 단락 고장은 제2번 셀(VB2)에서 밸런싱이 계속되는 것을 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 고장난 상태의 전압 레벨의 예시도이다.
먼저, 셀 밸런싱 스위치가 정상인 상태에서, 상기 스위치가 온 상태가 되어 셀 밸런싱이 수행되면 밸런싱되는 셀의 셀 전압은 감소된다. 상기 제어부(4)는 오프 상태의 셀 전압과 온 상태의 셀 전압이 수학식 2를 만족하는 경우 셀 밸런싱 스위치가 정상이라고 진단하다. 이때, 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀 전압의 전압 레벨은 스위치가 온 상태가 되면 낮아짐을 알 수 있다.
다음으로, 셀 밸런싱 스위치가 단락 고장 또는 단선 고장난 상태에서는 스위치의 오프 상태 및 온 상태의 셀 전압의 차이는 제 2임계 전압 이하로서 동일하다. 이때, 상기 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀 전압과 온 상태에서 측정된 셀 전압의 전압 레벨은 변화가 없음을 알 수 있다.
여기서, 상기 제어부(40)가 고장으로 진단된 스위치에 대응하는 셀의 전압과 정상 동작하는 인접 셀의 전압을 비교해 보면, 단락 고장인지를 판별할 수 있다. 셀 밸런싱 스위치가 단락 고장인 상태에서는 밸런싱이 지속되고 밸런싱 수행의 중단이 불능이기 때문에, 고장난 스위치의 셀은 셀 전압이 상기 인접 셀의 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀 전압보다 항상 낮다. 따라서, 제어부(40)는 스위치가 고장난 셀의 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀 전압이 상기 인접 셀의 셀 밸런싱 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀 전압보다 미만이면 셀 밸런싱 스위치가 단선 고장난 것으로 진단한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단선 고장난 상태의 전압 레벨의 예시도이다.
상기 제어부(40)가 고장으로 진단된 셀 밸런싱 스위치에 대응하는 셀의 전압과 상기 스위치가 정상 동작하는 인접 셀의 전압을 비교해 보면, 단선 고장인지를 판별할 수 있다. 상기 스위치가 단선 고장인 상태에서는 밸런싱 동작이 불능이라서 상기 스위치가 오프인 상태에서 인접하는 셀들의 전압은 항상 동일하다. 따라서, 제어부(40)는 스위치가 고장난 셀의 스위치가 온인 상태에서 측정된 셀 전압과 상기 인접 셀의 셀 밸런싱 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀 전압이 동일하면 셀 밸런싱 스위치가 단선 고장난 것으로 진단한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 방법의 개략적 순서도이다.
상기 오진단 방지 장치가 셀 밸런싱 스위치의 진단을 개시하면, 진단 대상의 스위치에 대응하는 셀의 전류를 측정한다(S61). 그리고 상기 오진단 방지 장치는 전류가 측정된 셀의 측정 전류와 임계 전류를 비교한다(S62).
상기 측정 전류가 임계 전류를 초과할 경우, 상기 오진단 방지 장치는 상기 셀이 충전 중인지 판단하기 위해 시간의 측정을 시작한다(S63). 여기서, 측정되는 시간은 상기 초과 상태가 지속되는 시간이다. 그리고 오진단 방지 장치는 측정 시간과 임계 시간을 비교한다(S64). 측정 시간이 임계 시간 이하이면 일시적으로 상기 초과 상태가 발생했거나 충전 중인 상태가 종료될 수 있으므로 오진단 방지 장치는 상기 단계(S61)로 되돌아가 셀의 전류 측정을 다시 한다(S65). 이후, 상기 단계(S62)의 초과 상태가 지속되는 경우, 오진단 방지 장치는 측정 시간을 누적하면서 상기 단계(S64)를 수행한다. 만약, 상기 측정 시간이 임계 시간을 초과하는 것으로 판단되면, 오진단 방지 장치는 셀이 충전 중인 것으로 판단하고 진단 처리를 종료한다(S66).
배터리가 충전 중으로 판단되어 진단이 종료된 경우, 오진단 방지 장치는 기 설정된 시간이 경과된 경우, 다음번 진단 주기가 도래하는 경우 또는 사용자가 밸런싱 스위치의 진단을 요청하는 경우, 다시 진단 처리를 재개할 수 있다. 한편, 상기 초과 상태로 접어들어 측정 시간이 누적되다가 상기 초과 상태가 해제되면, 측정 시간은 초기화된다.
다음으로, 상기 측정 전류가 임계 전류 이하일 경우, 오진단 방지 장치는 배터리가 충전 중이 아니라고 판단하여 진단 대상의 셀 밸런싱 스위치에 대응하는 셀의 전압을 측정한다.
먼저, 상기 오진단 방지 장치는 셀 밸런싱 스위치가 오프 상태일 때의 셀 전압을 측정한다(S671). 그리고 오진단 방지 장치는 상기 스위치가 온 상태일 때의 센 전압을 측정한다(S672). 각각의 오프 상태와 온 상태에서 셀 전압이 측정되면, 오진단 방지 장치는 오프 상태의 셀 전압에서 온 상태의 셀 전압을 차감한 차이가 제 1임계 전압을 초과하는지 비교한다(S673). 상기 스위치가 정상 동작할 경우, 스위치 온 상태는 셀의 밸런싱이 수행되어 셀 전압이 강하한다. 오진단 방지 장치가 상기 차이가 제 1임계 전압을 초과하는 것으로 판단하면 상기 스위치의 온/오프 동작은 정상 동작하는 것으로 진단한다(S674).
반면에, 상기 오진단 방지 장치는 상기 차이가 제 2임계 전압 이하로서 스위치의 온/오프 상태 전후로 전압 레벨의 변화가 없다고 판단하면, 스위치의 온/오프 제어는 고장난 것으로 진단한다(S675).
여기서, 상기 고장은 스위치의 단락 고장 또는 단선 고장으로 구분되는데 고장난 스위치에 대응하는 셀의 셀 전압과 상기 셀과 인접하는 인접 셀의 셀 전압을 비교하면 어느 쪽의 고장인지 판별할 수 있다.
단락 고장은 스위치가 온 상태로 지속되어 밸런싱의 중단이 불능되는 상태이다. 따라서, 오진단 방지 장치가 스위치 오프 상태인 인접 셀의 셀 전압과 스위치 오프 상태인 고장난 스위치의 셀의 셀 전압을 비교하여 차이값이 일정치 이상이면 단락 고장으로 판별할 수 있다. 물론, 정상 스위치라면 동일한 오프 상태에서 인접 셀들간의 셀 전압은 동일해야만 한다.
그리고 단선 고장은 스위치가 오프 상태로 지속되어 밸런싱이 불능되는 상태이다. 따라서, 오진단 방지 장치가 스위치 오프 상태인 인접 셀의 셀 전압과 스위치 온 상태의 고장난 스위치의 셀의 셀 전압을 비교하여 차이값이 일정치 이하로서 양측 셀 전압이 동일하면 단선 고장으로 판별한다. 물론, 정상 스위치라면, 상기 스위치의 셀은 밸런싱이 수행되어 인접 셀보다 셀 전압이 낮아져야만 한다.
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.
10 : 배터리 셀 20 : 밸런싱 회로
31 : 전류 센싱 회로 32 : 전압 센싱 회로
33 : 타이머 회로 40 : 제어부

Claims (17)

  1. 배터리가 충전 중인 각 셀에 대응하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단을 방지하는 장치에 있어서,
    배터리의 밸런싱을 수행하도록 각 셀의 양 단자에 연결된 센싱 라인에 병렬 연결되고, 상기 셀의 전압을 방전시키는 방전 저항과 상기 셀과 방전 저항을 연결 또는 해제하는 셀 밸런싱 스위치를 포함하는 밸런싱 회로;
    상기 셀의 전류가 임계 전류를 초과할 경우 시간을 측정하는 타이머 회로; 및
    진단 대상의 셀 밸런싱 스위치에 대응하는 셀의 전류와 임계 전류를 비교하고, 상기 셀의 전류가 상기 임계 전류를 초과하는 동안에 상기 타이머 회로에 의해 측정된 측정 시간이 임계 시간을 초과할 경우, 상기 셀이 충전 중인 것으로 판단하고, 충전 중이 아닌 것으로 판단되면 상기 셀 밸런싱 스위치를 온 또는 오프 제어하고, 상기 셀 밸런싱 스위치의 오프 상태 및 온 상태에서 각각 측정된 셀의 전압을 비교하여 상기 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 진단하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 센싱 라인을 통해 감지된 셀의 전류를 측정하여 상기 제어부로 출력하는 전류 센싱 회로; 및
    상기 센싱 라인을 통해 감지된 셀의 전압을 측정하여 상기 제어부로 출력하는 전압 센싱 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 셀의 전류가 상기 임계 전류를 초과하는 동안에 측정된 측정 시간이 임계 시간 미만이면, 상기 셀의 전류를 재측정하여 상기 임계 전류와 비교하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 셀이 충전 중인 것으로 판단하면 진단 처리를 종료한 이후로, 기 설정된 시간 이후로 진단 처리를 시작하거나, 다음번 진단 주기에 진단 처리를 시작하거나 또는 사용자의 요청으로 진단 처리를 시작하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 셀의 전류가 상기 임계 전류 이하이면 충전 중이 아닌 것으로 판단한 후, 상기 셀 밸런싱 스위치의 오프 상태에서 측정된 상기 셀의 전압으로부터 상기 셀 밸런싱 스위치의 온 상태에서 측정된 상기 셀의 전압을 차감한 차이값이 제 1임계 전압을 초과할 경우 상기 셀 밸런싱 스위치를 정상으로 진단하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 차이값이 제 2임계 전압 이하일 경우 상기 셀 밸런싱 스위치를 고장으로 진단하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 셀 밸런싱 스위치를 고장으로 진단한 상태에서,
    고장난 상기 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀의 전압이 인접하는 셀의 셀 밸런싱 스위치가 오프인 상태에서 측정된 전압보다 낮으면 고장난 상기 스위치를 단락 고장(short-fault)으로 진단하고,
    고장난 상기 스위치가 온 상태에서 측정된 셀의 전압이 인접하는 셀의 오프 상태에서 측정된 전압과 동일하면 고장난 상기 스위치를 단선 고장(open-fault)으로 진단하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2임계 전압은 상기 제 1임계 전압보다 이하인 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 장치.
  11. 배터리가 충전 중인 각 셀에 대응하는 셀 밸런싱 스위치의 오진단을 방지하는 오진단 방지 장치가 하기의 단계들을 실행하는 방법에 있어서,
    (a)진단 대상의 셀 밸런싱 스위치에 대응하는 셀의 전류를 측정하는 전류 측정 단계;
    (b)측정된 셀의 전류를 임계 전류를 비교하는 전류 비교 단계;
    (c)상기 셀의 전류가 상기 임계 전류를 초과하는 상태가 최초 판단되면, 타이머 회로를 이용하여 상기 셀의 전류가 상기 임계 전류를 초과하는 동안을 측정 시간으로서 측정하고, 상기 측정 시간과 임계 시간을 비교하고, 상기 측정 시간이 상기 임계 시간 이하이면, 상기 측정 시간의 측정을 유지하면서 상기 단계(a)부터 재시작하고, 상기 측정 시간이 임계 시간을 초과할 경우, 상기 셀이 충전 중인 것으로 판단하여 상기 측정 시간을 초기화하고 셀 밸런싱 스위치의 진단 처리를 종료하는 충전 판단 단계; 및
    (d)상기 셀의 전류가 상기 임계 전류보다 이하로서 충전 중이 아니면, 상기 셀 밸런싱 스위치의 온 상태 및 오프 상태에서 상기 셀의 전압을 각각 측정하고, 측정된 상기 셀의 전압의 차이를 비교하여 상기 셀 밸런싱 스위치의 고장 여부를 진단하는 스위치 진단 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 단계(c)는, 상기 셀이 충전 중인 것으로 판단하면 진단 처리를 종료한 이후로,
    기 설정된 시간이 경과하면 진단 처리를 시작하는 단계;
    다음번 진단 주기에 진단 처리를 시작하는 단계; 및
    사용자의 요청으로 진단 처리를 시작하는 단계
    중에서 적어도 하나의 단계를 실행하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 단계(d)는,
    상기 셀 밸런싱 스위치의 오프 상태에서 상기 셀의 전압을 측정하는 단계;
    상기 셀 밸런싱 스위치의 온 상태에서 상기 셀의 전압을 측정하는 단계;
    상기 오프 상태에서 측정된 전압으로부터 상기 온 상태에서 측정된 전압을 차감한 차이값을 제 1임계 전압과 비교하는 단계; 및
    상기 차이값이 제 1임계 전압을 초과할 경우 상기 셀 밸런싱 스위치를 정상으로 진단하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 방법.
  16. 제 11항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 단계(d)는,
    상기 오프 상태에서 측정된 전압으로부터 상기 온 상태에서 측정된 전압을 차감한 차이값을 제 2임계 전압과 비교하고, 상기 차이값이 제 2임계 전압 이하일 경우 상기 셀 밸런싱 스위치를 고장으로 진단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    고장난 상기 스위치의 셀에 인접하는 셀의 셀 밸런싱 스위치가 오프인 상태에서 인접 셀의 전압을 측정하는 단계;
    측정된 상기 인접 셀의 전압보다 고장난 상기 스위치가 오프인 상태에서 측정된 셀의 전압이 임계치를 초과하여 낮으면, 고장난 상기 스위치를 단락 고장(short-fault)으로 진단하는 단계; 및
    측정된 상기 인접 셀의 전압과 고장난 상기 스위치가 온인 상태에서 측정된 셀의 전압이 동일하다고 판단되면, 고장난 상기 스위치를 단선 고장(open-fault)인 것으로 진단하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸런싱 스위치의 오진단 방지 방법.
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