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KR20220086231A - 배터리 관리 시스템 및 그것의 배터리 셀 전압 측정 방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 그것의 배터리 셀 전압 측정 방법 Download PDF

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KR20220086231A
KR20220086231A KR1020200176495A KR20200176495A KR20220086231A KR 20220086231 A KR20220086231 A KR 20220086231A KR 1020200176495 A KR1020200176495 A KR 1020200176495A KR 20200176495 A KR20200176495 A KR 20200176495A KR 20220086231 A KR20220086231 A KR 20220086231A
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battery
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bus bar
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김슬기롬
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리 셀과 상기 배터리 셀에 연결된 버스바의 전압을 동시 측정하는 적어도 하나의 채널을 구비하고, 상기 버스바의 역전압을 측정하는 보조 채널을 구비하며, 상기 적어도 하나의 채널을 통해 측정된 채널 전압과 상기 역전압을 이용하여 상기 배터리 셀의 전압을 산출하는 모니터링 IC를 포함한다.

Description

배터리 관리 시스템 및 그것의 배터리 셀 전압 측정 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND BATTERY CELL VOLTAGE MEASURING METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 관리 시스템 및 그것의 배터리 셀 전압 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 차량(electric vehicle) 또는 하이브리드(Hybrid) 차량 등의 친환경 차량은 배터리의 전기 에너지를 전기 모터로 공급하여 구동력을 발생시키고, 발생된 구동력을 통해 바퀴를 회전시킴으로써 도로 주행이 가능하다.
친환경 차량의 배터리는 그 비용이 친환경 차량 전체의 절반에 가깝게 책정될 만큼 매우 중요한 부품으로 분류된다. 또한, 친환경 차량의 배터리는 차량을 움직여야 하기 때문에 고전압, 및 고전류를 출력하는 고전압 배터리인 것이 바람직하다.
예를 들면, 하이브리드 차량의 경우 대략 270V의 고전압 배터리가 요구된다. 하이브리드 차량의 고전압 배터리를 구성하는 방법으로는, 대략 3.75V의 전압을 가지는 복수의 배터리 셀이 포함되도록 복수의 배터리 모듈을 마련하고, 복수의 배터리 모듈이 포함되도록 배터리팩을 마련하는 방법이 있을 수 있다.
한편, 배터리팩에 포함되는 복수의 배터리 모듈은 버스바(Busbar)를 통해 서로 전기적으로 연결되고 있다. 이러한 버스바는 배터리 모듈에 볼트 결합 방식으로 결합될 수 있다. 그런데 버스바의 볼트 결합이 느슨해지는 상황이 발생하는 경우, 버스바의 저항이 올라가서 역전압이 발생할 위험이 있다.
배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)은 이러한 위험 상황을 감지하기 위해, 복수의 배터리 모듈과 버스바의 전압을 모니터링하는 것이 필요하다.
이하에서는, 도 1, 및 도 2를 참고하여, 복수의 배터리 모듈과 버스바의 전압 모니터링이 동시에 불가능한 경우와 가능한 경우를 비교하여 설명한다.
도 1을 참고하면, 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 모듈(110, 120, 130)과 버스바의 전압 모니터링이 동시에 불가능하다. 이때 복수의 배터리 모듈(110, 120, 130) 각각의 전압 측정을 위해서는 복수의 배터리 모듈(110, 120, 130)과 동일한 개수의 모니터링 IC(210, 220, 230)가 필요하다. 그러나, 대략 8개의 배터리 셀(CELL)로 구성되는 복수의 배터리 모듈(110, 120, 130) 각각에 대해 모니터링할 경우, 대략 12 개의 채널을 구비하고 있는 모니터링 IC(210, 220, 230) 각각에 사용하지 않는 채널(Channel)이 발생하고 있다.
이에 따라, 복수의 모니터링 IC(210, 220, 230)의 채널이 최대한 많이 사용되게 하여 미사용되는 채널의 양을 줄이는 것이 요구된다.
도 2를 참고하면, 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 모듈(110, 120, 130)과 버스바의 전압 모니터링이 동시에 가능하다. 이때 복수의 배터리 모듈(110, 120, 130)보다 작은 개수의 모니터링 IC(210, 220)를 통해 복수의 배터리 모듈(110, 120, 130) 각각의 전압을 측정할 수 있다.
이와 같이, 배터리 관리 시스템의 모니터링 IC(210, 220)에서 복수의 배터리 모듈(110, 120, 130)을 통합하여 모니터링하는 경우, 복수의 배터리 모듈(110, 120, 130)을 연결하는 버스바에 대한 모니터링이 요구된다. 한편, 버스바에 역전압이 발생하는 경우, 복수의 모니터링 IC(210, 220)의 소손이 발생할 수 있다. 이에 따라, 버스바의 역전압으로부터 복수의 모니터링 IC(210, 220)를 보호하기 위한 보호 회로가 요구된다.
대한민국 공개특허 제2020-0029305호
이에 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 안출된 것으로, 모니터링 IC의 하나의 채널을 통해 배터리 셀과 버스바의 전압을 동시 측정하고, 별도의 핀을 이용하여 버스바의 역전압을 센싱하고, 채널 전압과 센싱 결과를 통해 배터리 셀의 전압을 산출함으로써 모니터링 IC 내의 최대한 많은 개수의 채널을 사용 가능하고 역전압 발생에 따른 모니터링 IC의 소손을 방지하는 배터리 관리 시스템 및 그것의 배터리 셀 전압 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리 셀과 상기 배터리 셀에 연결된 버스바의 전압을 동시 측정하는 적어도 하나의 채널을 구비하고, 상기 버스바의 역전압을 측정하는 보조 채널을 구비하며, 상기 적어도 하나의 채널을 통해 측정된 채널 전압과 상기 역전압을 이용하여 상기 배터리 셀의 전압을 산출하는 모니터링 IC;를 포함한다.
상기 모니터링 IC는, 상기 보조 채널에 연결되는 내부 저항을 포함할 수 있다.
상기 모니터링 IC는, 상기 보조 채널에 연결되는 샘플링 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 모니터링 IC는, 상기 채널 전압에서 상기 역전압을 차감하여 상기 배터리 셀의 전압을 산출할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 배터리 셀 전압 측정 방법은, 적어도 하나의 채널을 통해 배터리 셀 전압과 상기 배터리 셀에 연결된 버스바의 전압을 동시 측정하는 채널 전압 측정 단계; 보조 채널을 통해 상기 버스바의 역전압을 측정하는 역전압 측정 단계; 및 상기 적어도 하나의 채널을 통해 측정된 채널 전압과 상기 역전압을 이용하여 상기 배터리 셀의 전압을 산출하는 배터리 셀 전압 산출 단계;를 포함할 수 있다.
상기 역전압 측정 단계는, 상기 보조 채널에 연결된 저항의 저항열을 이용하여 상기 버스바의 역전압을 측정할 수 있다.
상기 역전압 측정 단계는, 상기 보조 채널에 연결된 절연 샘플링 커패시터를 이용하여 상기 버스바의 역전압을 측정할 수 있다.
상기 셀 전압 산출 단계는, 상기 채널 전압에서 상기 버스바의 역전압을 차감하여 상기 버스바에 연결된 상기 배터리 셀의 전압을 산출할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템 및 그것의 배터리 셀 전압 측정 방법에 의하면, 하나의 채널을 통해 배터리 셀과 버스바의 전압을 동시 측정하고, 별도의 핀을 이용하여 버스바의 역전압을 센싱하고, 채널 전압과 센싱 결과를 통해 배터리 셀의 전압을 산출함으로써 모니터링 IC 내의 최대한 많은 개수의 채널을 사용 가능하고, 역전압 발생에 따른 모니터링 IC의 소손을 방지하는 효과가 있다.
또한, 버스바의 역전압 측정을 위한 별도 채널이 요구되지 않아 배터리 관리 시스템의 전체 모니터링 IC의 개수가 감소하는 효과가 있다.
또한, 버스바의 역전압으로 인한 배터리 관리 시스템의 모니터링 IC의 소손을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템의 일 예이다.
도 2는 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템의 다른 예이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 배터리 셀 전압 측정 방법의 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 개념도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(30)은, 복수의 배터리 모듈(310, 320), 및 모니터링 IC(400)을 포함한다.
배터리 관리 시스템(30)은, 복수의 배터리 모듈(310, 320)보다 적은 개수의 모니터링 IC(400)를 이용하여 모든 배터리 셀의 전압을 모니터링 가능한 것을 특징으로 한다. 또한, 배터리 관리 시스템(30)은 모니터링 IC(400) 내의 최대한 많은 개수의 채널을 사용 가능한 것을 특징으로 한다. 또한, 배터리 관리 시스템(30)은 버스바(BUS)의 역전압 발생에 따른 모니터링 IC(400)의 소손을 방지하는 것을 특징으로 한다.
복수의 배터리 모듈(310, 320)은 제1 배터리 모듈(310)과 제2 배터리 모듈(320)을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 모듈(310, 320)은 고전압 출력을 위해 더욱 많은 수의 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 모듈(310), 320)은 전기 차량 또는 하이브리드 차량에 탑재되어 차량 구동용 고전압을 출력할 수 있다.
제1 배터리 모듈(310)과 제2 배터리 모듈(320)은 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 셀은 대략 8개의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 도 3에서 제2 배터리 모듈(320)의 일부 배터리 셀은 생략된 상태이다.
제1 배터리 모듈(310)과 제2 배터리 모듈(320)은 버스바(BUS)를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 배터리 모듈(310)의 일측단의 배터리 셀(Cell 8)과 제2 배터리 모듈(310)의 일측단의 배터리 셀(Cell 1)이 버스바(BUS)를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
모니터링 IC(400)는 복수의 배터리 모듈(310, 320)의 배터리 셀 전압을 모니터링할 수 있다. 모니터링 IC(400)는 대략 13개의 복수의 채널을 구비할 수 있다. 모니터링 IC(400)는 복수의 채널을 이용하여 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있다. 모니터링 IC(400)는 제1 배터리 모듈(310)의 모든 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있다. 모니터링 IC(400)는 제2 배터리 모듈(320)의 일부 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있다. 모니터링 IC(400)는 제2 배터리 모듈(320)의 4개의 배터리 셀의 전압을 측정할 수 있다. 제2 배터리 모듈(320)의 나머지 4개의 배터리 셀의 전압은 다른 모니터링 IC에 의해 측정될 수 있다.
모니터링 IC(400)는 제2 배터리 모듈(320)의 일부 배터리 셀 전압 측정시, 하나의 채널(C9)을 통해 버스바(BUS)와, 버스(BUS)에 연결된 배터리 셀(Cell 1)의 전체 전압을 측정할 수 있다. 여기서, 채널(C9)은 배터리 셀(Cell 1)의 양전압단에 연결될 수 있다. 이를 통해 버스바(BUS)의 역전압이 발생하더라도 채널(C9)에 역전압이 인가되지 않아 모니터링 IC(400)의 소손이 방지될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 배터리 셀(Cell 1)의 전압이 4V이고, 버스바(BUS)의 전압이 -2V인 경우, 하나의 채널(C9)에 입력되는 채널 전압은 2V일 수 있다.
모니터링 IC(400)는 배터리 셀(Cell 1)의 정확한 전압을 산출하기 위해, 별도의 보조 채널(AUX1, AUX2)을 통해 버스바(BUS)의 역전압을 측정할 수 있다. 보조 채널(AUX1, AUX2)은 제1 보조 채널(AUX1)과 제2 보조 채널(AUX2)을 포함할 수 있다.
제1 보조 채널(AUX1)은 제2 배터리 모듈(320)의 배터리 셀(cell 1)에 연결되는 버스바(BUS)의 일단에 연결될 수 있다. 제1 보조 채널(AUX1)은 모니터링 IC(400)의 내부 저항(R)에 연결될 수 있다. 모니터링 IC(400)의 내부 저항(R)은 복수로 구성될 수 있다. 모니터링 IC(400)는 제1 보조 채널(AUX1)에 연결된 내부 저항(R)의 전압을 측정할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 보조 채널(AUX1)의 전압 측정 결과는 대략 30V일 수 있다.
제2 보조 채널(AUX2)은 버스바(BUS)의 타단에 연결될 수 있다. 제2 보조 채널(AUX2)은 내부 저항(R)에 연결될 수 있다. 모니터링 IC(400)는 제2 보조 채널(AUX2)에 연결된 내부 저항(R)에 걸리는 전압을 측정할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제2 보조 채널(AUX2)의 전압 측정 결과는 대략 32V일 수 있다. 모니터링 IC(400)는 제1 보조 채널(AUX2)과 제2 보조 채널(AUX2)의 전압 차이에 따라 대략 2V의 역전압을 측정할 수 있다. 모니터링 IC(400)는 보조 채널(AUX1, AUX2)을 통해 버스바(BUS)의 전압을 측정하므로 전체 내압 증가가 필요하지 않다.
모니터링 IC(400)는 하나의 채널(C9)에 입력된 채널 전압(2V)에서 보조 채널(AUX1, AUX2)에 의해 측정된 역전압(-2V)을 차감함으로써 배터리 셀(Cell 1)의 전압(4V)을 정밀하게 산출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 개념도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(30)은 버스바(BUS)의 역전압을 측정하는 일부 구성이 제1 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(30)과 차이가 있다. 이하, 상기한 차이를 위주로 설명하고 나머지 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
제2 실시예에 따른 모니터링 IC(400)는 도 3의 복수의 내부 저항(R)을 대체하여 샘플링 커패시터(C)와 복수의 스위치 소자(SW1, SW2, SW3, SW4)를 포함할 수 있다. 모니터링 IC(400)는 버스바(BUS)의 역전압 측정시, 복수의 스위치 소자(SW SW2, SW3, SW4)를 턴 온(Turn On) 제어할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 보조 채널(AUX1)의 전압 측정 결과는 대략 30V일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제2 보조 채널(AUX2)의 전압 측정 결과는 대략 32V일 수 있다. 모니터링 IC(400)는 제1 보조 채널(AUX1)에서 제2 보조 채널(AUX2)의 전압을 차감함으로써 대략 -2V의 역전압을 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 배터리 셀 전압 측정 방법의 순서도이다.
도 3, 도 4, 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 배터리 셀 전압 측정 방법은, 채널 전압 측정 단계(S510), 역전압 측정 단계(S520), 및 셀 전압 산출 단계(S530)을 포함할 수 있다.
채널 전압 측정 단계(S510)에서, 모니터링 IC(400)는 적어도 하나의 채널을 통해 배터리 셀과 이에 연결된 버스바의 전압을 동시에 측정할 수 있다. 동시 측정된 전압을 채널 전압으로 정의한다.
역전압 측정 단계(S520)에서, 모니터링 IC(400)는 별도의 보조 채널(AUX1, AUX2)을 통해 버스바(BUS)의 역전압을 측정한다. 일 실시예에 있어서, 모니터링 IC(400)는 별도 보조 채널(AUX1, AUX2)과 연결된 내부 저항(R)을 이용하여 버스바(BUS)의 절대 전위(역전압)를 측정할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 모니터링 IC(400)는 별도 보조 채널(AUX1, AUX2)과 연결된 절연 샘플링 커패시터(C)를 이용하여 버스바(BUS) 양단의 상대값(역전압)을 측정할 수 있다.
셀 전압 산출 단계(S530)에서, 모니터링 IC(400)는 채널 전압과 버스바(BUS)의 역전압을 이용하여 버스바(BUS)에 연결된 배터리 셀(Cell 1)의 전압을 정밀하게 산출한다. 모니터링 IC(400)는 채널 저압에서 역전압을 차감함으로써 배터리 셀(Cell 1)의 전압을 산출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(10)의 배터리 셀 측정 방법은, 하나의 채널을 이용하여 배터리 셀과 버스바(BUS)의 전압을 동시 측정 가능하므로 최대한 많은 개수의 채널 사용이 가능한 효과가 있다. 또한, 모니터링 IC(400)의 채널이 버스바(BUS)에 직접 연결되지 않으므로, 버스바(BUS)의 역전압 발생에 따른 모니터링 IC(400)의 소손을 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
30: 배터리 관리 시스템
310, 320: 제1, 제2 배터리 모듈
400: 모니터링 IC
AUX1, AUX2: 제1, 제2 보조 채널

Claims (8)

  1. 배터리 셀과 상기 배터리 셀에 연결된 버스바의 전압을 동시 측정하는 적어도 하나의 채널을 구비하고, 상기 버스바의 역전압을 측정하는 보조 채널을 구비하며, 상기 적어도 하나의 채널을 통해 측정된 채널 전압과 상기 역전압을 이용하여 상기 배터리 셀의 전압을 산출하는 모니터링 IC;
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터링 IC는,
    상기 보조 채널에 연결되는 내부 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터링 IC는,
    상기 보조 채널에 연결되는 샘플링 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터링 IC는,
    상기 채널 전압에서 상기 역전압을 차감하여 상기 배터리 셀의 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  5. 적어도 하나의 채널을 통해 배터리 셀 전압과 상기 배터리 셀에 연결된 버스바의 전압을 동시 측정하는 채널 전압 측정 단계;
    보조 채널을 통해 상기 버스바의 역전압을 측정하는 역전압 측정 단계; 및
    상기 적어도 하나의 채널을 통해 측정된 채널 전압과 상기 역전압을 이용하여 상기 배터리 셀의 전압을 산출하는 배터리 셀 전압 산출 단계;
    를 포함하는 배터리 관리 시스템의 배터리 셀 전압 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 역전압 측정 단계는,
    상기 보조 채널에 연결된 저항의 저항열을 이용하여 상기 버스바의 역전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 배터리 셀 전압 측정 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 역전압 측정 단계는,
    상기 보조 채널에 연결된 절연 샘플링 커패시터를 이용하여 상기 버스바의 역전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 배터리 셀 전압 측정 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 셀 전압 산출 단계는,
    상기 채널 전압에서 상기 버스바의 역전압을 차감하여 상기 버스바에 연결된 상기 배터리 셀의 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템의 배터리 셀 전압 측정 방법.
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