KR102350085B1 - 배터리 관리 시스템 - Google Patents

Abstract

실시 예는 복수의 셀로부터 제1 전압을 전달받아 일정한 레벨의 제1 출력 전압을 생성하는 정전압 DC/DC 컨버터, 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 측정하고, 상기 복수의 셀의 밸런싱을 수행하는 집적 회로, 및 상기 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하여 출력하는 레귤레이터를 포함한다. 상기 제1 출력 전압이 상기 집적 회로의 전원 전압으로 공급된다.

Description

배터리 관리 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}

실시 예들은 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

복수의 셀이 직렬 연결되어 배터리를 구성한다. 복수의 셀 각각의 용량 편차를 줄이기 위해서 셀 밸런싱이 수행된다. 셀 밸런싱 대상 셀을 결정하기 위해서는 복수의 셀 각각의 전압을 측정할 필요가 있다. 측정된 셀 전압에 기초하여 셀들 간의 용량 편차를 예측할 수 있다.

셀 전압 측정 및 셀 밸런싱은 집적 회로에 의해 수행되고, 집적 회로는 복수의 셀 각각에 연결되어 있다. 이 집적 회로의 동작에 필요한 전원 전압은 집적 회로가 연결된 복수의 셀로부터 공급된다.

그런데, 배터리에 속한 복수의 셀 개수가 전원 전압을 공급하기에 충분하지 않건, 복수의 셀들이 저전압 상태인 경우에는 집적 회로가 정상적으로 동작하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

셀 전압 측정 및 셀 밸런싱을 위한 집적 회로에 안정적으로 전원 전압을 공급하는 배터리 관리 시스템을 제공하고자 한다.

실시 예에 따른 배터리 관리 시스템은, 복수의 셀로부터 제1 전압을 전달받아 일정한 레벨의 제1 출력 전압을 생성하는 정전압 DC/DC 컨버터, 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 측정하고, 상기 복수의 셀의 밸런싱을 수행하는 집적 회로, 및 상기 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하여 출력하는 레귤레이터를 포함하고, 상기 제1 출력 전압이 상기 집적 회로의 전원 전압으로 공급된다.

상기 배터리 관리 시스템은 상기 배터리 관리 시스템의 동작을 제어하는 CPU를 더 포함하고, 상기 제2 출력 전압이 상기 레귤레이터의 동작 전압으로 공급된다.

상기 제1 전압은 상기 집적 회로에 연결된 복수의 셀 중 가장 높은 전압일 수 있다.

상기 집적 회로는, 상기 집적 회로에 필요한 다른 레벨의 전압들을 생성하는 내부 전원 회로를 포함한다.

상기 정전압 DC/DC 컨버터는 상기 제1 전압을 입력받고, 제1 전압과 상기 제1 출력 전압 간의 대소에 따라 적어도 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하는 벅-부스트 정전압 DC/DC 컨버터로 구현될 수 있다.

상기 배터리 관리 시스템은, 상기 제1 전압에 연결되어 있는 애노드 및 상기 집적 회로에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제1 다이오드, 및 상기 제1 출력 전압에 연결되어 있는 애노드 및 상기 집적 회로에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제2 다이오드를 더 포함하고, 상기 제1 다이오드의 캐소드 및 상기 제2 다이오드의 캐소드는 서로 연결되어 있다.

상기 제1 전압이 상기 제1 출력 전압 보다 높을 때, 상기 제1 다이오드가 도통되어 상기 집적 회로는 상기 제1 전압을 전원 전압으로 공급받는다.

상기 제1 출력 전압이 상기 제1 전압 보다 높을 때, 상기 제2 다이오드가 도통되어 상기 집적 회로는 상기 제1 출력 전압을 전원 전압으로 공급받는다.

상기 집적 회로의 채널 수가 상기 집적 회로에 연결된 복수의 셀 개수보다 클 때, 상기 집적 회로의 복수의 채널 중 상기 복수의 셀과 연결되지 않은 적어도 하나의 채널에 상기 제1 출력 전압과 상기 제1 전압 사이의 전압이 공급된다.

상기 배터리 관리 시스템은, 상기 제1 전압과 상기 제1 출력 전압 사이에 직렬 연결되어 있는 복수의 저항을 더 포함하고, 상기 복수의 저항 중 인접하는 두 저항의 연결 노드가 상기 집적 회로의 복수의 채널 중 상기 복수의 셀과 연결되지 않은 채널들 중 대응하는 하나에 연결된다.

상기 제1 출력 전압은 상기 제2 출력 전압보다 큰 전압일 수 있다.

셀 전압 측정 및 셀 밸런싱을 위한 집적 회로에 안정적으로 전원 전압을 공급하는 배터리 관리 시스템을 제공한다.

도 1은 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 정전압 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 또 다른 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 또 다른 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템(10)은 직렬 연결된 복수의 셀을 포함하는 배터리(20)에 연결되어 있다. 설명의 편의를 위해서 복수의 셀 중 6개의 셀(CELL1-CELL6)만이 도 1에 도시되어 있다.

배터리 관리 시스템(10)은 정전압 DC/DC 컨버터(100), 레귤레이터(200), 적어도 하나의 집적 회로(300), 및 CPU(400)를 포함한다.

도 1에서는, 6개의 셀(CELL1-CELL6)의 셀 전압 측정 및 셀 밸런싱을 수행하는 집적 회로(300)가 도시되어 있다. 배터리 관리 시스템(10)은 다른 셀들의 셀 전압 측정 및 셀 밸런싱을 수행하는 다른 집적 회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.

도 1에서는 CPU만이 도시되어 있으나, 다른 기타 회로도 배터리 관리 시스템(10)에 포함될 수 있고, 레귤레이터(200)으로부터 전원 전압을 공급 받을 수 있다.

CPU(400)는 배터리 관리 시스템(10)의 이상 여부를 감지, 배터리 관리 시스템(10)에 필요한 데이터를 저장 및 업데이트, 및 배터리(20)에 연결된 부하 또는 충전기와 정보를 주고 송수신 기능등을 수행할 수 있다. CPU(400)는 배터리 관리 시스템(10)의 동작을 제어하는데 필요한 기능들을 수행하는 구성일 수 있다.

집적 회로(300)의 동작 전압은 집적 회로(300)에 연결되어 있는 복수의 셀들의 전압을 기준으로 결정되므로, CPU(400) 또는 기타 회로(도시되어 있지 않음)에 필요한 전원 전압 레벨보다 높다.

레귤레이터(200)는 정전압 DC/DC 컨버터(100)으로부터 공급되는 제1 출력 전압(Vout1)의 레벨을 COU(400) 또는 기타 회로(도시되어 있지 않음)에 적합한 레벨로 변환하여 제2 출력 전압(Vout2)을 생성한다.

집적 회로(300)는 복수의 셀(CELL1-CELL6) 각각에 배선(L1-L7)을 통해 연결되어 복수의 셀(CELL1-CELL6) 각각의 셀 전압을 측정하고, 셀 밸런싱 대상 셀을 검출하여 셀 밸런싱 동작을 수행한다. 집적 회로(300)는 셀 밸런싱 대상 셀을 검출하기 위해 셀들의 OCV(open circuit voltage), SOC(state of charge), 또는 OCV 및 SOC를 모두 이용할 수 있다.

예를 들어, 집적 회로(300)는 측정된 셀 전압을 이용하여 OCV를 산출하고, 배터리(20)에 흐르는 전류를 이용하여 SOC를 산출하며, 셀들 간의 OCV 편차, SOC 편차, 또는 OCV 편차와 SOC 편차가 소정의 임계 값보다 클 때 해당 셀 중 높은 값을 가지는 셀을 방전시켜 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.

OCV 및 SOC를 산출하는 방식 및 셀 밸런싱 대상 셀을 검출하는 방식은 실시 예가 속하는 기술분야에서 매우 다양하고, 위에서 언급한 내용에 실시 예가 한정되는 것은 아니다.

집적 회로(300)은 내부 전원 회로(310)을 포함하고, 내부 전원 회로(310)은 정전압 DC/DC 컨버터(100)의 제1 출력 전압(Vout1)을 입력받고, 제1 출력 전압(Vout1)을 변환하여 집적 회로(300)에 필요한 다른 레벨의 전압들을 생성할 수 있다. 실시 예에서 제1 출력 전압(Vout1)이 집적 회로(300)의 전원 전압이다.

정전압 DC/DC 컨버터(100)는 노드(N1)의 전압(Vin)을 입력받고, 일정한 레벨의 제1 출력 전압(Vout1)을 생성한다. 노드(N1)의 전압(Vin)은 집적 회로(300)가 연결된 복수의 셀의 전위 중 가장 높은 전압이다. 복수의 셀(CELL1-CELL6)의 충전 상태에 따라 노드(N1)의 전압이 변하지만, 정전압 DC/DC 컨버터(100)를 통해 일정한 레벨의 제1 출력 전압(Vout1)이 집적 회로(300)에 공급된다.

이하, 도 2를 참조하여 정전압 DC/DC 컨버터(100)의 구성을 설명한다. 정전압 DC/DC 컨버터(100)는 다양한 방식으로 구현될 수 있고, 실시 예에서는 벅-부스트(buck-boost) 정전압 DC/DC 컨버터가 적용되었다. 구체적으로, 도 2는 비동기식 벅-부스트 정전압 DC/DC 컨버터이지만, 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 실시 예에 따른 정전압 DC-DC 정전압 DC/DC 컨버터를 나타낸 도면이다.

정전압 DC/DC 컨버터(100)는 제1 스위치(Q1), 제2 스위치(Q2), 인덕터(L), 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 및 출력 커패시터(CO)를 포함한다. 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)는 BJT(bipolar junction transistor)로 n 채널 타입이다.

제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2) 각각의 베이스에는 스위칭 동작을 제어하는 제1 스위칭 신호(S1) 및 제2 스위칭 신호(S2)가 공급된다.

제1 스위치(Q1)의 콜렉터에는 전압(Vin)이 입력되고, 제1 스위치(Q1)의 에미터는 제1 다이오드(D1)의 캐소드 및 인덕터(L)의 일단에 연결되어 있다. 제2 스위치(Q2)의 콜렉터는 인덕터(L)의 타단 및 제2 다이오드(D2)의 애노드에 연결되어 있다. 제2 다이오드(D2)의 캐소드는 출력 커패시터(CO)의 일전극 및 제1 출력 전압(Vout1)에 연결되어 있다.

제1 다이오드(D1)의 애노드, 제2 스위치(Q2)의 에미터, 및 출력 커패시터(CO)의 타전극은 그라운드(GND)에 연결되어 있다.

정전압 DC/DC 컨버터(100)는 일정한 레벨의 제1 출력 전압(Vout1)을 생성하기 위해 벅 모드, 부스트 모드 및 벅 모드와 부스트 모드 사이의 트랜지션(transition) 모드로 동작할 수 있다.

예를 들어, 전압(Vin)이 높을 때, 정전압 DC/DC 컨버터(100)는 벅 모드로 동작하여 전압(Vin)을 감소시켜 제1 출력 전압(Vout1)을 생성한다. 예를 들어, 제1 스위치(Q1)가 턴 온 되고, 제2 스위치(Q2)가 턴 오프되어 전압(Vin)에 의해 인덕터(L)에 전류가 흘러 인덕터(L)에 에너지가 저장된다. 이 때 제2 다이오드(D2)는 도통 상태이다.

그리고 제1 스위치(Q1)가 턴 오프 되고, 제1 다이오드(D1)가 도통된다. 그러면, 제1 다이오드(D1), 인덕터(L1), 및 제2 다이오드(D2)를 통해 전류가 프리휠링한다. 이와 같은 동작이 주기적으로 반복되고, 제1 출력 전압(Vout1)이 일정한 레벨로 제어된다.

반대로, 전압(Vin)이 낮을 때, 정전압 DC/DC 컨버터(100)는 부스트 모드로 동작하여 전압(Vin)을 증가시켜 제1 출력 전압(Vout1)을 생성한다. 예를 들어, 제1 스위치(Q1) 및 제2 스위치(Q2)가 턴 온 되어 있는 기간 동안, 전압(Vin)에 의해 인덕터(L)에 전류가 흐르고, 인덕터(L)에 에너지가 저장된다. 이 때, 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는 도통되지 않는다.

그리고 제2 스위치(Q2)가 턴 온 되고, 제2 다이오드(D2)가 도통된다. 그러면, 제1 스위치(Q1), 인덕터(L), 및 제2 다이오드(D2)를 통해 전류가 프리휠링한다.

이와 같은 동작이 주기적으로 반복되고, 제1 출력 전압(Vout1)이 일정한 레벨로 제어된다.

트랜지스터 모드에서는 벅 모드에서 부스트 모드로 또는 부스트 모드에서 벅 모드로 변경된다.

도 3은 다른 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

다른 실시 예는 집적 회로에 전압(Vin) 및 제1 출력 전압(Vout1) 중 높은 전압이 인가되도록 설계된 배터리 관리 시스템이다.

앞서 설명한 실시 예와 비교해 다른 실시예의 차이점을 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템(11)은 제3 다이오드(D3) 및 제4 다이오드(D4)를 더 포함한다. 제3 다이오드(D3)의 캐소드 및 제4 다이오드(D4)의 캐소드가 연결된 노드(N3)의 전압(VSS1)이 집적 회로(300)의 전원 전압으로 공급된다. 제3 다이오드(D3)의 애노드는 노드(N1)에 연결되어 있고, 제4 다이오드(D4)의 애노드는 노드(N2)에 연결되어 있다.

제1 출력 전압(Vout1)이 노드(N1)의 전압(Vin) 보다 높을 때, 제4 다이오드(D4)가 도통되고 제3 다이오드(D3)는 도통되지 않으며, 노드(N3)의 전압(VSS1)은 제1 출력 전압(Vout1)이 된다.

노드(N1)의 전압(Vin)이 제1 출력 전압(Vout1) 보다 높을 때, 제3 다이오드(D3)가 도통되고 제4 다이오드(D4)는 도통되지 않으며, 노드(N3)의 전압(VSS1)은 전압(Vin)이 된다. 정전압 DC/DC 컨버터(100)는 제1 출력 전압(Vout1)을 셀 전체 전압 즉, 노드(N1)의 전압과 동일하도록 제어할 수 있다.

도4는 또 다른 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

집적 회로의 채널 수에 비해 연결되어 있는 복수의 셀 개수가 적을 수 있다. 이 때는 정전압 DC/DC 컨버터(100)의 제1 출력 전압과 노드(N1) 사이의 전압 차를 분압하는 저항들이 더 포함될 수 있다.

앞서 설명한 다른 실시 예와 비교해 또 다른 실시예의 차이점을 설명한다.

집적 회로(320)의 채널 수가 복수의 셀 개수에 비해 4개 더 많은 경우가 도 4에 도시되어 있다. 이는 설명의 편의를 위한 설정으로 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.

노드(N1)과 노드(N4) 사이에 4 개의 저항(R1-R4)가 직렬 연결되어 있고, 노드(N4)가 집적 회로(320)의 한 채널에 연결되고, 저항(R1)과 저항(R2)이 연결되는 노드(N5)가 집적 회로(320)의 다른 한 채널에 연결되며, 저항(R2)과 저항(R3)이 연결되는 노드(N6)가 집적 회로(320)의 또 다른 한 채널에 연결되고, 저항(R3)과 저항(R4)가 연결되는 노드(N7)가 집적 회로(320)의 다른 한 채널에 연결된다.

그러면, 집적 회로(320)의 복수의 채널 중 복수의 셀(CELL1-CELL6)에 연결되지 않은 채널들에 전압(Vin)과 제1 출력 전압(Vout1)이 저항 분배된 전압들이 공급된다.

노드(N4)와 셀(CELL1) 사이의 단락이 일어날 수 있는데, 실시 예에 따르면 복수의 저항(R1-R4)을 통해 노드(N4)와 셀(CELL1) 사이의 전압이 분압되고, 단락이 방지될 수 있다.

도4는 도 3에 도시된 다른 실시 예에 복수의 저항(R1-R4)가 연결되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 또 다른 실시 예에서는 도 1에 도시된 실시 예에 복수의 저항(R1-R4)들이 연결될 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템(13)에서, 집적 회로(320)의 복수의 채널 중 복수의 셀(CELL1-CELL6)에 연결되지 않은 채널들에 전압(Vin)과 제1 출력 전압(Vout1)이 저항 분배된 전압들이 공급된다.

이상에서 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 든다고 할것이다.

배터리 관리 시스템(10, 11, 12, 13)
정전압 DC/DC 컨버터(100)
레귤레이터(200)
집적 회로(300)
CPU(400)
셀(CELL1-CELL6)
다이오드(D1-D4)
저항(R1-R4)

Claims (13)

1. 복수의 셀로부터 제1 전압을 전달받아 일정한 레벨의 제1 출력 전압을 생성하는 정전압 DC/DC 컨버터,
   상기 복수의 셀 각각의 셀 전압을 측정하고, 상기 복수의 셀의 밸런싱을 수행하는 집적 회로,
   상기 제1 출력 전압을 제2 출력 전압으로 변환하여 출력하는 레귤레이터, 및
   배터리 관리 시스템의 동작을 제어하는 CPU를 포함하고,
   상기 제1 출력 전압이 상기 집적 회로의 전원 전압으로 공급되며,
   상기 제2 출력 전압이 상기 CPU의 동작 전압으로 공급되는, 배터리 관리 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전압은 상기 집적 회로에 연결된 복수의 셀 중 가장 높은 전압인 배터리 관리 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 집적 회로는,
   상기 집적 회로에 필요한 다른 레벨의 전압들을 생성하는 내부 전원 회로를 포함하는 배터리 관리 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 정전압 DC/DC 컨버터는 상기 제1 전압을 입력받고, 제1 전압과 상기 제1 출력 전압 간의 대소에 따라 적어도 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하는 벅-부스트 정전압 DC/DC 컨버터로 구현된 배터리 관리 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전압에 연결되어 있는 애노드 및 상기 집적 회로에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제1 다이오드, 및
   상기 제1 출력 전압에 연결되어 있는 애노드 및 상기 집적 회로에 연결되어 있는 캐소드를 포함하는 제2 다이오드를 더 포함하고,
   상기 제1 다이오드의 캐소드 및 상기 제2 다이오드의 캐소드는 서로 연결되어 있는 배터리 관리 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 전압이 상기 제1 출력 전압 보다 높을 때, 상기 제1 다이오드가 도통되어 상기 집적 회로는 상기 제1 전압을 전원 전압으로 공급받는 배터리 관리 시스템.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제1 출력 전압이 상기 제1 전압 보다 높을 때, 상기 제2 다이오드가 도통되어 상기 집적 회로는 상기 제1 출력 전압을 전원 전압으로 공급받는 배터리 관리 시스템.
9. 제6항에 있어서,
   상기 집적 회로의 채널 수가 상기 집적 회로에 연결된 복수의 셀 개수보다 클 때, 상기 집적 회로의 복수의 채널 중 상기 복수의 셀과 연결되지 않은 적어도 하나의 채널에 상기 제1 출력 전압과 상기 제1 전압 사이의 전압이 공급되는 배터리 관리 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전압과 상기 제1 출력 전압 사이에 직렬 연결되어 있는 복수의 저항을 더 포함하고,
    상기 복수의 저항 중 인접하는 두 저항의 연결 노드가 상기 집적 회로의 복수의 채널 중 상기 복수의 셀과 연결되지 않은 채널들 중 대응하는 하나에 연결되는 배터리 관리 시스템.
11. 제1항에 있어서,
    상기 집적 회로의 채널 수가 상기 집적 회로에 연결된 복수의 셀 개수보다 클 때, 상기 집적 회로의 복수의 채널 중 상기 복수의 셀과 연결되지 않은 적어도 하나의 채널에 상기 제1 출력 전압과 상기 제1 전압 사이의 전압이 공급되는 배터리 관리 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전압과 상기 제1 출력 전압 사이에 직렬 연결되어 있는 복수의 저항을 더 포함하고,
    상기 복수의 저항 중 인접하는 두 저항의 연결 노드가 상기 집적 회로의 복수의 채널 중 상기 복수의 셀과 연결되지 않은 채널들 중 대응하는 하나에 연결되는 배터리 관리 시스템.
13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 출력 전압은 상기 제2 출력 전압보다 큰 전압인, 배터리 관리 시스템.

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