KR20150052384A

KR20150052384A - 선박용 ｂｍｓ 모듈

Info

Publication number: KR20150052384A
Application number: KR1020130132684A
Authority: KR
Inventors: 원준희; 배진형
Original assignee: 주식회사 엘지엠
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-05-14

Abstract

본 발명은 기존의 배터리관리시스템(BMS : Battery Management System)은 리튬 배터리 셀의 각각의 단자가 직접배선되어 전선연결이 복잡하고, 고전압설계로 인해 부품수도 많아 고장의 원인이 되며, 가스, 압력, 온도 측정수단이 없어 실질적인 배터리 수명연장이 어려운 문제점을 개선하고자, BMS 메인부에 4~8라인으로 이루어진 BMS버스를 구성하고, 리튬 배터리 셀 하나 하나에 BMS 모듈부를 구성하여, BMS 버스부를 통해 BMS 메인부로부터 전달된 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아, N개의 출력으로 분리하고, 이에 선택된 리튬 배터리 셀의 번호에 맞는 리튬 배터리 셀에 접속 신호를 보내 모스릴레이(Mos Relay)를 통해 구동시켜, 선택된 리튬 배터리 셀의 전압,충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력을 측정하고, 셀 밸런싱을 하도록 구성됨으로서, 배터리 제조 과정과 사용시 조립 검사 공정을 단축시켜 주고, 배터리의 성능향상과 수명연장 및 안전성 향상시킬 수 있는 배터리관리시스템(BMS : Battery Management System) 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

선박용 ＢＭＳ 모듈{Battery Management System of Boat}

본 발명은 전박용 전원장치에 사용되는 배터리에 적용되어 배터리를 안전하고 정확하게 관리하고, 배터리의 수명을 연장시켜주는 배터리관리시스템(BMS :Battery Management System)의 모듈에 관한 것이다.

최근에 차량과 전원장치에 쓰이는 전지가 연축전지에서 리튬이온계 2차전지로 세대교체 되어가고 있으나, 전기 화학적 특성상 과충전에 대한 스스로 억제하는 방지 기능을 수행하지 못하며 과방전 또는 출력 단락에 대한 방지 기능이 없어 배터리가 부풀거나 화재 폭발의 위험이 있어, 이러한 중대형 배터리에는 필수적으로 과충전, 과방전, 출력단락에 대한 안전 대책이 필요하다.

이러한 BMS 일례는 도 1과 같이 정전압 전원부(100),마이크로프로세서부(200), 배터리셀 차동전압 검출부(300), 충방전스위치부(400), 아날로그 스위치부(500), 차동전압 연산증폭부(600), 전자부하회로(셀밸런싱회로)(700), 배터리보호회로검출부(900)로 구성되어 있다.

정전압 전원부는 배터리의 전압 변동에 관계없이 일정한 전압을 유지해서 마이크로 프로세서와 자동전압 연산 증폭기에 공급한다.

일예로, 7개의 배터리 셀의 직렬연결된 전압은 직렬의 경우 4.2V × 7직렬 =

29.4(V)까지 도달하므로, 정전압 전원부(100), 배터리셀 차동전압 검출부(300), 충방전스위치부(400), 아날로그 스위치부(500), 차동전압 연산증폭부(600), 전자부하회로(셀 밸런싱회로)(700), 배터리보호회로검출부(900)는 내전압 36V 이상의 부품으로 구성되어야만 했다.

이와 같이 구성된 종래기술에 따른 BMS의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 종래의 BMS 구성요소 중 배터리 보호회로(PCM)의 회로도에 관한 것으로, 이는 2차전지 보호회로I.C(905)의 전압검출 단자에 배터리셀 각각의 +, -가 접속되어 주기적으로 전압을 감시하여 과충전 제한전압이, 일례로 4.25[V]에 도달하면 충전차단 신호(910)가 하이(high)로 되어 FET 10(911)을 차단하여 충전이 멈추게 된다.

반대로 배터리를 계속 방전하여 과방전금지전압이 일레로 2.4[v]에 도달하면 방전차단신호(912)가 하이(high)로 되어 방전제어 FET Q1(913)이 차단되어 더 이상의 방전은 멈추게 된다.

배터리의 출력단자가 단락되는 문제가 발생하면 FET Q10(911), FET Q5(913)의 양단의 발생되는 전압의 차이와, 전류검출단자(915)를 통해 검출하여 방전제어 FET Q5(913)의 게이트신호를 하이(High)로 하여 대전류를 차단시키고 안전 영역에 들어가게 된다.

또한 전류검출저항(916)에 흐르는 전류에 비례한 신호가 과전류 검출단자(917)로 인가되어 방전차단을 하게 되는데 배터리 출력 단자의 단락 상태의 따라 레벨을 정하여 차단 응답 시간을 구분하고 있다.

이어서, 도 3은 종래의 BMS 구성요소 중 배터리 셀 차동전압검출부와 아날로그 스위치부의 회로도에 관한 것으로, 배터리셀 각각의 용량편차, 내부저항편차, 전압편차를 감시하기 위하여 배터리셀 차동전압 검출부(300)에 안전저항(302)을 아날로그 스위치(500)로 접속한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 마이크로프로세서부(200)가 순차로 배터리셀을 선택하는 신호를 내보내고, 이때 선택된 배터리셀의 전압은 차동전압 연산증폭기(600)를 거쳐서 측정에 용이한 레벨로 변환되어 마이크로프로세서의 AD 변환기에 입력되고, 프로그램에 의해 디지털 수치를 얻게 되고 기준설정치와 비교하여 셀 밸런싱(Cell Balancing)을 할 것인지 명령을 내리면, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 셀 밸런싱 제어단자(706)에 연결된 FET Q9(707)를 온(On)하게 되고 그와 접속된 저항을 통해 방전이 이루어진다.

그러나 종래의 이러한 BMS는 배터리셀의 각각의 단자가 직접 배선되어 선이 복잡하고 감시측정 회로계통이 고전 압설계가 필요하며 그의 부품수도 많아 고장의 원인이 되며 측정정도가 낮아 실질적인 배터리 수명연장이 어려운 문제점을 가지고 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 리튬 배터리 셀과 배터리관리시스템(BMS : Battery Management System)을 전기적으로 광절연하고, 독립된 회로를 구성하여 전기 배선수를 철저하게 줄이고, 전기 회로적으로 단락사고가 없도록 안전성 완벽하게 배터리셀의 감시측정을 보다 정확하게 하여 배터리의 성능 향상과 수명 연장의 BMS 모듈을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명에서는 회로 부품을 줄이고, 값이 저렴하고 안전한 저전압 계통의 반도체 회로 구성하여 BMS의 원가절감을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 배터리의 위험이 발생하기 전에 배터리 셀의 부풀어오름 현상, 가스누출, 발열을 감지하여 전기적 회로 계통을 차단하고, 알람 경고를 해주는 BMS 모듈을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 안전성과 정확도가 우수한 2차 전지용 BMS 모듈은, 선박용 배터리에 적용되어, 그 리튬 배터리 셀의 전류, 전압, 온도, 가스, 압력을 모니터링해서 안전하고 정확하게 관리하는 배터리관리시스템(BMS : Battery Management system) 제1부로 구성된 배터리관리시스템으로 이루어지고, 상기 BMS 메인부와 BMS 모듈부를 3~8라인으로 연결시켜, BMS 모듈부에서 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력에 관한 데이터를 BMS 메인부로 전송시키는 BMS 버스부와, 리튬 배터리 셀 하나 하나에 연결되어 BMS 버스부를 통해 BMS 메인부로부터 전달된 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아, N개의 출력으로 분리하고, 이에 선택된 리튬 배터리 셀의 번호에 맞는 리튬 배터리 셀에 접속 신호를 보내 모스릴레이(Mos Relay)를 통해 구동시켜, 선택된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력을 측정하고, 셀 밸런싱을 하는 BMS 모듈부가 포함되어 구성됨으로서 달성된다.

이상에서 설명드린 바와 같이, 본 발명에서는 BMS 모듈을 사용하게 되면 배터리 셀의 강제 방전회로와 전압, 전류, 측정회로가 저가의 저전압 I.C로 대치할수 있고, 부품수가 줄어 원가 절감의 효과가 있다.

본 발명의 배터리셀에 개별적으로 구성한 측정용 센서회로를 사용하게 되면 오차가 줄어드는 직접 측정이 가능하고, 보다 정확한 배터리셀 전압의 편차에 대한 조정을 할 수 있어, 전지 수명연장의 효과가 있다.

본 발명의 광절연 결합된 회로를 사용하게 되면 전기 회로적으로 안전하게 배터리를 관리할 수 있고 보관시 자체소비 전류가 흐르지 않아서 배터리의 보관성이 우수해지는 효과가 있고, 전기 배선수가 줄어들어 배터리의 품질향상 신뢰성 향상의 효과가 있다.

도 1는 종래의 BMS 구성요소를 도시한 블럭도,
도 2는 종래의 BMS 구성요소 중 배터리 보호회로(PCM)의 회로도,
도 3은 종래의 BMS 구성요소 중 배터리 셀 차동전압검출부와 아날로그 스위치부의 회로도,
도 4는 종래의 BMS 구성요소 중 전자부하회로부(셀 밸런싱회로)를 도시한 회로도,
도 5는 종래의 BMS 구성요소 중 마이크로프로세서부를 도시한 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 BMS 메인부의 구성요소를 도시한 회로도,
도 7은 본 발명에 따른 BMS 모듈의 구성요소를 도시한 회로도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 BMS 메인부의 구성요소를 도시한 회로도에 관한 것이고, 도 7은 본 발명에 따른 BMS 모듈의 구성요소를 도시한 회로도에 관한 것으로, 이는 BMS 버스부(20), BMS 모듈부(30)로 구성된다.

먼저, BMS 버스부(20)에 관해 설명한다.

본 발명에 따른 BMS 버스부(20)는 BMS 메인부(10)와 BMS 모듈부(30)를 3~8라인으로 연결시켜, BMS 모듈부에서 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력에 관한 데이터를 BMS 메인부로 전송시키는 역할을 한다.

즉, BMS 버스부(20)가 3라인인 경우에 7개의 리튬 배터리 셀(각 셀당 3.4V출력)과 직렬로 연결되어 출력전압이 3.4V × 7 = 약 24V로 출력시키고, 4라인인 경우에 14개의 리튬 배터리 셀(각 셀당 3.4V출력)과 직렬로 연결되어 출력전압이 3.4V × 14 = 약 50V로 출력시키며, 8라인인 경우에 108개의 리튬 배터리 셀(각 셀당 3.4V출력)과 직렬로 연결되어 출력전압이 3.4V × 108 = 약 400V로 출력시키도록 구성된다.

본 발명에서는 BMS 버스부(20)가 3라인인 경우에 7개의 리튬 배터리 셀(각 셀당 3.4V출력)과 직렬로 연결되어 출력전압이 3.4V × 7 = 약 24V로 출력시키도록 구성된다.

본 발명에 따른 BMS 버스부(20)는 제1 BMS 버스(20a)와, 제2 BMS 버스(20b)로 구성된다.

상기 제1 BMS 버스(20a)는 도 6에서 도시한 바와 같이 BMS 메인부의 제1 마이크로프로세서 일측에 연결되어 리튬 배터리 셀 선택신호를 BMS 모듈부로 전송하고, 그 BMS 모듈부로부터 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전 용량, 전류, 가스, 온도, 압력에 관한 데이터를 수신받는 역할을 한다.

상기 제2 BMS 버스(20b)는 도 7에서 도시한 바와 같이 제1 BMS 버스와 핀결합되어 제1 마이크로프로세서로부터 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아 디코더 IC로 보내고, 제2 마이크로프로세서의 제어를 통해 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력에 관한 데이터를 제1BMS 버스로 전송하는 역할을 한다.

다음으로, 본 발명에 따른 BMS 모듈부(30)에 관해 설명한다.

본 발명에 따른 BMS 모듈부(30)는 리튬 배터리 셀 하나 하나에 연결되어 BMS 버스부를 통해 BMS 메인부로부터 전달된 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아, N개의 출력으로 분리하고, 이에 선택된 리튬 배터리 셀의 번호에 맞는 리튬 배터리 셀에 접속 신호를 보내 모스릴레이(Mos Relay)를 통해 구동시켜, 선택된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력을 측정하고, 셀 밸런싱을 하는 곳으로, 이는 도 7에서 도시한 바와 같이, 디코더 IC(31), 모스 릴레이(Mos Relay)부(32), 제2 마이크로프로세서(33), 가스 센서(34), 압력 센서(35), 온도 센서(36), 전자부하회로(37), 포토커플러부(38)로 구성된다.

상기 디코더 IC(31)는 제1 BMS 버스(20a)로부터 제1 마이크로프로세서(11)의 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아 N개의 출력으로 분리하고, 이에 선택된 리튬 배터리 셀의 번호에 맞는 리튬 배터리 셀에 접속 신호를 보내 모스 릴레이(Mos Relay)를 통해 구동시키는 역할을 한다.

즉, BMS 버스부(20)가 3라인인 경우에 7개의 리튬 배터리 셀(각 셀당 3.4V출력)과 직렬로 연결되도록 제1 마이크로프로세서의 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아 7개의 출력으로 분리하고, 4라인인 경우에 14개의 리튬 배터리 셀(각 셀당 3.4V출력)과 직렬로 연결되도록 제1 마이크로프로세서의 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아 14개의 출력으로 분리하며, 8라인인 경우에 108개의 리튬 배터리 셀(각 셀당 3.4V출력)과 직렬로 연결되도록 제1 마이크로프로세서의 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아 108개의 출력으로 분리한다.

본 발명에 따른 디코더 IC(31)는 도 7에서 도시한 바와 같이, 3라인으로 이루어진 제2 BMS 버스를 통해 7개의 리튬 배터리 셀(각 셀당 3.4V출력)과 직렬로 연결되도록 제1 마이크로프로세서의 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아 7개의 출력으로 분리되도록 구성된다.

상기 모스 릴레이(Mos Relay)부(32)는 디코더 IC로부터 선택된 리튬 배터리 셀의 번호에 맞는 해당 리튬 배터리 셀의 접속신호를 발광 다이오드(LED)에서 발생하는 빛으로 입력신호를 보내어 포토 엔모스펫(NMOS1,NMOS2)을 동작시키고, 그 포토 엔모스펫(NMOS1,NMOS2)을 통해 전자부하회로(37), 가스 센서(34), 압력 센서(35), 온도 센서(36)에 전원을 공급하고, 제2 마이크로프로세서에 전원을 공급하여 동작시키는 역할을 한다.

본 발명에 따른 모스 릴레이(Mos Relay)부(32)는 도 7에서 도시한 바와 같이, 디코더 IC로부터 선택된 리튬 배터리 셀의 번호에 맞는 해당 리튬 배터리 셀의 접속신호가 입력되면, 발광 다이오드(LED)에 전류가 인가되고, 이때 발광 다이오드(LED)는 빛을 내보내고, 포토 엔모스펫(NMOS1,NMOS2)의 게이트(G)는 빛을 입력으로 하여 도통되어 포토 엔모스펫들(NMOS1,NMOS2)의 접점에서 출력되는 전류는 FET Q1를 온(ON)시킴으로서, 전자부하회로,가스 센서, 압력 센서, 온도 센서에 전원을 공급하고, 제2 마이크로프로세서에 전원을 공급하여 동작시키게 된다.

여기서, 제2 마이크로프로세서(33)에 전원 공급은 리튬 배터리 셀의 전압이 정전압레귤레이터를 통해 안정된 전원으로 VBat에 공급되어 제2 마이크로프로세서의 입력단자로 입력된다.

상기 제2 마이크로프로세서(33)는 모스 릴레이(Mos Relay)부(32)로부터 전원을 공급받아 시리얼통신 방식으로 "하이(High) 신호"와 "로우(Low) 신호"의 구동출력을 출력하여 가스센서, 압력센서, 온도센서, 전자부하회로를 구동시키도록 제어하고, 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력에 관한 데이터를 포토커플러를 통해 제1 BMS 버스의 수신 데이터 라인(Rx data line)으로 전송되도록 제어하는 역할을 한다.

이는 도 7에서 도시한 바와 같이, 출력단자 P2에 가스센서와 압력센서를 구동시키는 FET Q2가 연결되고, 입력단자 AD INPUT1에 가스 센서로부터 측정된 아날로그 신호가 입력되도록 가스 센서의 출력측과 연결되며, 입력단자AD INPUT2에 압력 센서로부터 측정된 아날로그 신호가 입력되도록 압력 센서의 출력측과 연결되고, 입력단자 ADINPUT3에 모스 릴레이를 통해 안정하게 입력된 리튬 배터리 셀의 전압(Vbat)을 전압분할하여 입력되도록 저항R54와 저항 R55과 사이에 연결되며, 입력단자 AD INPUT4에 온도 센서로부터 측정된 아날로그 신호가 입력되도록 온도 센서의 출력측과 연결되고, 출력단자 Q3에 모스 릴레이부의 FET Q1을 온(ON)/오프(OFF)시키는 자가전원신호(SELF POWER ON/OFF)를 보내고, 출력단자 TXD에 포토 커플러를 통해 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전 용량, 전류, 가스, 온도, 압력에 관한 데이터를 제1BMS 버스로 전송하도록 저항 R57과 연결되고, 출력단자 P1에 리튬 배터리 셀이 바로 충전 완료되지 않게 강제 방전 신호를 보내 N개의 배터리 셀이 전체적으로 만(滿)충전에 도달하도록 셀 밸런싱(Cell Balancing)하는 전자부하회로의 FET Q3와 연결되어 구성된다.

상기 가스 센서(34)는 리튬 배터리 셀 일측에 연결되어 제2 마이크로프로세서의 제어를 통해 리튬 배터리 셀의 가스 누수 여부를 검출하는 곳으로, 이는 전기저항식 가스 센서와, 접촉 연소식 가스센서 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.

전기저항식 가스 센서는 기체성분이 반도체 표면에 흡착하여 화학반응을 일으킴으로써 전기저항이 변화하는 것으로, 감도와 응답속도, 장기 안정도, 경제성이 좋은 특성을 가진다.

접촉 연소식 가스센서는 가연성가스의 검지에 사용되는 것으로서 검지가스가 연소하는 열이 소자의 온도를 높임으로써 생기는 발열선(백금선)의 변화를 이용하는 것으로, 감도, 선택성, 응답속도, 직선성, 장기 안정도, 경제성이 좋은 특성을 가진다.

상기 압력센서(35)는 리튬 배터리 셀 일측에 연결되어 제2 마이크로프로세서의 제어를 통해 리튬 배터리 셀의 압력을 검출하는 곳으로, 이는 정전용량식 압력 센서와 역평형식 압력 센서, 그리고 반도체식 압력센서 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.

정전용량식 압력 센서는 다이어프램의 압력에 의한 변형으로 가동전극을 변위시켜, 그것에 의한 정전용량의 변화를 변환하여 압력을 전기적으로 검출한다.

역평형식 압력 센서는 측정 압력에 비례하여 발생하는 힘과 외부에서 전자적으로 만들어지는 힘과 평형하게 되어 측정압력을 전류와 전압 등으로 읽게 되는 센서이다.

반도체식 압력센서는 다이어프램에 발생하는 응력을 전기신호로 변환하는 방법으로서 진동자의 고속진동수의 변화를 검출하는 것과 표면탄성파를 이용한 센서이다.

상기 온도센서(36)는 리튬 배터리 셀 일측에 연결되어 제2 마이크로프로세서의 제어를 통해 리튬 배터리 셀의 온도를 검출하는 곳으로, 이는 백금저항온도센서와 써미스터, 그리고, 반도체 온도센서 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.

백금저항온도센서는 온도에 따라 백금의 저항치가 변하는 원리를 이용한 것으로 정확도가 높아 -260~630'C 영역에서는 표준온도센서로 사용된다.

써미스터는 금속산화물을 소결하여 만들며 온도에따라 저항치가 변하는 특성을 이용한 것으로 부특성(NTC) 서미스터, 정특성(PTC) 서미스터로 나눈다.

반도체 온도 센서는 다이오드의 순방향 전압 및 트랜지스터의 컬렉터-이미터 사이에 일정한 전류를 흘릴 때의 베이스-이미터 사이의 전압은 온도에 따라 직선적으로 변화하므로 이 특성을 온도 센서로써 이용한다.

상기 전자부하회로(37)는 제2 마이크로프로세서(33)의 제어신호에 따라 제어되어 리튬 배터리 셀을 충전시에,리튬 배터리 셀이 바로 충전 완료되지 않게 강제 방전을 시켜 N개의 배터리 셀이 전체적으로 만(滿)충전에 도달하도록 셀 밸런싱(Cell Balancing)하는 역할을 한다.

이는 리튬 배터리 셀의 (+)단자와, (-)단자 사이에 부하저항 R56과, FET Q3로 구성된다.

즉, 포토커플러 PC1의 2차측인 포토 트랜지스터에서 감지된 빛의 신호가 전기적 신호인, 일예로, 1msec에서 100msec 사이의 주기를 시간으로 변환하여 그에 비례하는 만큼 전자부하회로를 구동시킨다.

이어서, 제2 마이크로프로세서가 온(On) 신호를 내보내면 부하저항(Load Resister)에 전류가 흐르도록 FET Q3가 온(On) 상태가 되고, 온(On) 되는 시간 폭을 조절하여 필요한 만큼의 강제 방전이 이루어지게 된다.

이렇게 셀밸런싱(Cell Balancing)을 함으로써, N개의 배터리 셀을 충전시에, 먼저 어느 하나의 배터리 셀충전이 바로 완료되지 않게 강제 방전을 하여 N개의 배터리 셀이 전체적으로 만(滿)충전에 도달하게 구성할 수 있어 배

터리 용량을 증대시키는 효과를 얻을 수가 있다.

상기 포터커플러부(38)는 제2 마이크로프로세서의 제어를 통해 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력에 관한 데이터를 제1 BMS 버스의 수신 데이터 라인(Rx data line)으로 전송하고, 2차측인 포토 트랜지스터에서 감지된 빛의 신호를 전기적 신호 주기로 변환하여 그에 비례하는 만큼 전자부하회로를 구동시키는 역할을 한다.

이는 센싱저항 R57과 포토커플러 PC1으로 구성된다.

포토 커플러는 갈륭 비소를 재료로 한 고출력 적외선 발광다이오드와 고감도의 실리콘포토 TR이 서로 마주보게 하고, 발광 다이오드에서 나온 빛이 포토 트랜지스터에 전달될 수 있도록 투명 실리콘이나 광섬유로 그 사이를 채우고, 흰색이나 흑색 플라스틱으로 몰딩한 구조이다.

이렇게 하여 발광 다이오드에 전압을 가하면 빛은 잘 통과 하지만, 전압은 투명한 재질의 공간을 통과할 수 없는 구조가 된다.

이런 구조에서 전기적으로는 발광다이오드와 포토 트랜지스터가 전혀 연결되어 있지 않지만, 발광다이오드에 전류를 흘려서 다이오드로부터 빛이 나오도록 하면 그 빛은 다른 곳으로 새지 않고 맞은편 포토 트랜지스터측에 닿아 빛으로 연결되어 발광다이오드의 신호에 따라 동작하게 된다.

그리고, 가스 센서, 압력 센서, 온도 센서로부터 측정된 아날로그 신호를 제2 마이크로프로세서의 AD 컨버터에서 디지털 데이터로 변환시키고, 비교적 작은 전력에서 회로가 동작하는 제2 마이크로프로세서가 시리얼통신 방식으로 "하이(High) 신호"와 "로우(Low) 신호"의 구동신호를 출력시킨다.

이때, 저항 R57를 통해 포토커플러속의 적외선 다이오드가 구동되어 적외선의 강한 빛이 발생되고, 그 빛이 맞은편 포토 트랜지스터측에 닿아 포토 트랜지스터가 동작되고, 그 포토 트랜지스터로 제1 BMS 버스를 전기적으로 제어한다면 제1 BMS 버스측의 그라운드선이나 전원선 혹은 신호선이 제2 마이크로 프로세서 회로와는 전기적으로 완전히 분리되어 절연되어 있어서, 제1 BMS 버스를 통한 BMS 메인부 회로에서 나오는 과전류나 과전압이 제2마이크로프로세서 회로로는 넘어 올수가 없게 되어 회로를 안전하게 지킬 수 있게 된다.

이렇게 절연이 되어 있으므로 해서 포토커플러 PC1의 2차측인 포토 트랜지스터에서 감지된 빛의 신호가 전기적 신호인, 일예로, 1msec에서 100msec 사이의 주기를 시간으로 변환하여 그에 비례하는 만큼 전자부하회로를 구동시킬 수가 있게 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 BMS 메인부에 관해 설명한다.

본 발명에 따른 BMS 메인부는 도 6에서 도시한 바와 같이, 전류검출·연산증폭부회로(15)가 구성된다.

전류검출·연산증폭부 회로(15)는 직렬로 연결된 배터리셀의 (-) 단자에 접속된 전류검출저항(Current Shunt Resister)을 통해 부하측에 흐르는 전류를 검출하고, 그 검출된 전류를 연산증폭기를 통해 입력 저항치와 궤환 저항치에 비례하는 신호로 증폭시켜 제1 마이크로프로세서의 아날로그 디지탈 변환기로 전달하며, FET(Q22)를 통해 제1 마이크로프로세서의 제어신호를 입력받아 배터리셀에 과방전이 되는 것을 차단시키고, FET(Q23)를 통해 제1 마이크로프로세서의 제어신호를 입력받아 배터리셀에 과충전이 되는 것을 차단시키는 역할을 한다.

즉, 배터리셀이 직렬 연결되어 Cell- 단자에 접속된 전류검출저항(Current Shunt Resister)을 통해 부하측에 전류가 흐르면, 즉 방전상태가 되면 흐르는 전류에 비례하여 전류검출저항에 미세한 전압이 발생한다.

그 전압은 전류 × 저항으로 연산증폭기에 인가시켜 입력 저항치와 궤환 저항치에 비례하는 신호로 증폭되어 제1 마이크로프로세서의 아날로그 디지탈 변환기를 거쳐 프로그램에 의해 디지털 수치화된다.

이 수치는 연속 방전 전류의 허용치와 비교하여 이하이면 방전중지 출력단자(DOFF)를 그대로 “하이”상태를 유지하여 방전을 계속 할 수 있게 하고, 허용치 보다 전류가 많이 흐르면 “로우”를 내보내서 FET(Q22)의 게이트가 차단되어 방전을 중지 하게 하여 과방전 전류에 의한 안전 기능을 수행 하게 된다.

충전중에는 배터리쎌 각각의 전압이 과충전 방지전압에 도달하면 충전금지 출력단자(COFF)를 “로우”로 하여 충전금지 FET(Q23)을 차단함으로써 과충전에 대한 안전모드로 전환되게 한다.

이하, 본 발명에 따른 안전성과 정확도가 우수한 2차 전지용 BMS 모듈의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.

제1 BMS 버스(20a)에서 BMS 메인부(10)의 제1 마이크로프로세서(11)의 배터리셀 선택신호를 디코더 IC(31)에 연결하고, 8개의 출력으로 분리하여 해당하는 배터리셀의 번호와 접속된 신호가 모스릴레이(Mos Relay)(32)를 통해 구동된다.

모스릴레이(Mos Relay)(32)의 제어에 따라 2차측의 FET Q1이 작동되어, 전자부하회로, 가스 센서, 압력 센서,온도 센서 등의 전기회로에 전원 공급 및 전원 차단이 이루어지게 되고, 제2 마이크로프로세서(33)에 전원이 공급되어 동작하게 된다.

제2 마이크로프로세서(33)에 전원 공급은 도 7에서 도시한 바와 같이, 배터리 셀의 전압이 정전압레귤레이터를 통해 안정된 전원으로 VBat에 공급되어 제2 마이크로프로세서의 입력단자로 입력된다.

이때, 제2 마이크로프로세서(33)의 AD 컨버터에서 디지털 데이터로 변환시키고, 시리얼통신 방식으로 "하이(High) 신호"와 "로우(Low) 신호"의 구동출력을 제2 마이크로프로세서의 TXD 단자에서 내주어 포토커플러C1(38)의 LED 발광소자를 동작시킨다.

이렇게 구동된 신호는 포토커플러 PC1(38)의 2차측인 포토 트랜지스터에서 감지된 빛의 신호가 전기적 신호인,일예로, 1mSec에서 100mSec 사이의 주기를 시간으로 변환하여 그에 비례하는 만큼 전자부하회로부(37)를 구동시키고, 제2 마이크로프로세서가 온(On) 신호를 내보내면 부하저항(Load Resister)에 전류가 흐르도록 FET Q3가 온(On) 상태가 되고, 온(On) 되는 시간 폭을 조절하여 필요한 만큼의 강제 방전이 이루어지게 된다.

이렇게 함으로써, N개의 배터리 셀을 충전시에, 먼저 어느 하나의 배터리 셀충전이 바로 완료되지 않게 강제 방전을 하여 N개의 배터리 셀이 전체적으로 만(滿)충전에 도달하게 구성할 수 있어 배터리 용량을 증대시키는 효과를 이루게 된다.

본 발명에 따른 전자부하회로(37)상에서 이루어지는 방전시에는 방전 종지전압이 비슷하게 끝나도록 용량이 많거나, 또는 배터리 셀의 내부 임피던스가 작은 것을 사용한다.

그 이유는 배터리 셀 전압이 높게 검출되는 배터리 셀을 강제 방전하게 하여 동일조건의 사용환경으로 배터리의 수명을 늘려주기 위함이다.

본 발명에 따른 BMS 메인부(10)는 배터리 전체의 관리에 집중하게 하고, BMS 모듈부(30)는 배터리 셀 각각에 필요한 관리를 하게 하여 상호간의 명령과 응답데이터를 체계화한다.

즉, "하이(High)신호" 및 "로우(Low)신호"로 전류가 흘러 BMS 버스단자의 라인에 시리얼 데이터를 검출할 수 있게 해준다.

또한, 본 발명에서는 배터리 셀 일측에 부착된 가스 센서(34)를 통해 배터리 셀 일측에 가스가 발생했는지를 검출하기 위해, 가스 센서의 신호를 AD 변환하여 변동되었으면 그 데이터를 "하이(High)신호" 및 "로우(Low)신호"로 전류가 흘러 BMS 버스단자의 라인에 시리얼 데이터를 검출할 수 있게 송출한다.

그리고, 본 발명에서는 배터리 셀 일측에 부착된 압력 센서(35)를 통해 배터리 셀 일측에 압력을 검출하기 위해, 압력 센서의 신호를 AD 변환하여 변동되었으면 그 데이터를 "하이(High)신호" 및 "로우(Low)신호"로 전류가 흘러 BMS 버스단자의 라인에 시리얼 데이터를 검출할 수 있게 송출한다.

그리고, 본 발명에서는 배터리 셀 일측에 부착된 온도 센서(36)를 통해 배터리 셀 일측에 온도를 검출하기 위해, 온도 센서의 신호를 AD 변환하여 변동되었으면 그 데이터를 "하이(High)신호" 및 "로우(Low)신호"로 전류가 흘러 BMS 버스단자의 라인에 시리얼 데이터를 검출할 수 있게 송출한다.

가스 발생이나 압력변화는 배터리에 있어서 치명적인 위험의 시작이므로, 가스센서, 압력센서, 온도센서를 통해 주기적으로 감시하여 미묘한 변화라도 정밀한 데이터 송출을 하여 배터리의 안전감시를 할 수 있게 한다.

다음으로, 본 발명에 따른 배터리의 충방전시, 배터리 셀에서 열이 발생되므로 배터리 셀 각각의 온도를 측정하고, 이를 BMS 메인부(10)에 데이터를 전송하여 전체적인 온도 감시에 의한 충방전 차단기능의 기준으로 쓰이게 하고, 각각의 온도차는 배터리의 수명관리 정보로 활용한다.

배터리셀의 전압차가 발생되면 BMS 메인부(10)에서는, 높은 전압이 발생되는 해당 배터리셀에 강제 방전 명령신호를 모스 릴레이(Mos Relay)의 온/오프 주기를 변화시켜 감지하게 하고, BMS 메인부(10)가 명령을 BMS 모듈부(30)에 주면 그 명령의 수행이 종료될 때까지 배터리 셀의 전원이 전자부호 회로, 가스 센서, 압력센서, 온도센서 등의 전체회로에 공급되어야 하므로 FET Q1을 온(On) 시킨다.

이때, BMS 모듈부(30)의 제2 마이크로프로세서(33)가 출력단자 P3를 통해 자가전원신호 중 "하이(High) 신호"를 발생하면, 필요한 시간만큼 자체적인 전원공급을 계속하고, 명령수행이 끝나면 "로우(Low)신호"를 내보내서 FET Q1을 오프시켜 전원을 차단하고, 배터리 셀의 전류가 소비되지 않도록 하여 장기 보관이 가능하게 한다.

렇게 구성된 회로는 배터리셀 단위의 전기회로적인 동작을 하므로, 예를 들어 리튬이온 2차전지의 경우 4.2V에서 2.0V 영역에 필요한 IC칩과 마이크로프로세서를 사용할 수 있어, 종래의 배터리 셀 전체의 회로구성보다 용이하고 저렴하게 제작할 수 있게 된다.

10 : BMS 메인부 20 : BMS 버스부
30 : BMS 모듈부 31 : 디코더 IC
32 : 모스 릴레이 33 : 제2 마이크로프로세서
34 : 가스 센서 35 : 압력 센서
36 : 온도 센서 37 : 전자부하회로
38 : 포토커플러부

Claims

전기 자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 군용전차의 리튬 배터리에 적용되어, 그 리튬 배터리 셀의 전류, 전압, 온도, 가스, 압력을 모니터링해서 안전하고 정확하게 관리하는 배터리관리시스템(BMS : Battery Management system) 메인부(10)로 구성된 배터리관리시스템에 있어서,
상기 BMS 메인부(10)와 BMS 모듈부(30)를 3~8라인으로 연결시켜, BMS 모듈부에서 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력에 관한 데이터를 BMS 메인부로 전송시키는 BMS 버스부(20)와,리튬 배터리 셀 하나 하나에 연결되어 BMS 버스부를 통해 BMS 메인부로부터 전달된 리튬 배터리 셀 선택신호를입력받아, N개의 출력으로 분리하고, 이에 선택된 리튬 배터리 셀의 번호에 맞는 리튬 배터리 셀에 접속 신호를 보내 모스릴레이(Mos Relay)를 통해 구동시켜, 선택된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도,압력을 측정하고, 셀 밸런싱을 하는 BMS 모듈부(30)가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 안전성과 정확도가 선박용 BMS 모듈.
제1항에 있어서, BMS 버스부(20)는 BMS 메인부의 제1 마이크로프로세서 일측에 연결되어 리튬 배터리 셀 선택신호를 BMS 모듈부로 전송하고, 그 BMS 모듈부로부터 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스,온도, 압력에 관한 데이터를 수신받는 제1 BMS 버스(20a)와,그 제1BMS 버스와 핀결합되어 제1 마이크로프로세서로부터 리튬 배터리 셀 선택신호를 입력받아 디코더 IC로 보내고, 제2 마이크로프로세서의 제어를 통해 측정된 리튬 배터리 셀의 전압, 충/방전용량, 전류, 가스, 온도, 압력에 관한 데이터를 제1BMS 버스로 전송하는 제2 BMS 버스(20b)로 구성되는 것을 특징으로 하는 안전성과 정확도가 우수한 선박용 BMS 모듈.