JP6448655B2 - 故障発生如何を分析可能な信号を出力するバッテリー管理システム及びそれを含むバッテリー駆動システム - Google Patents

故障発生如何を分析可能な信号を出力するバッテリー管理システム及びそれを含むバッテリー駆動システム Download PDF

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Description

本発明は、バッテリー管理システムに関し、より詳しくは、外部装置に信号を出力するとき、バッテリー管理システム自体の故障発生如何を分析可能な信号を出力するバッテリー管理システムに関する。
本出願は、2014年2月17日出願の韓国特許出願第10−2014−0017848号及び2015年2月17日出願の韓国特許出願第10−2015−0023856号に基づく優先権を主張するものであり、該当韓国出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
製品群毎の適用性が高く、高いエネルギー密度などの電気的特性を有する二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気的駆動源によって駆動する電気自動車(EV;Electric Vehicle)またはハイブリッド自動車(HEV;Hybrid Electric Vehicle)、電力貯蔵装置(Energy Storage System)などに普遍的に用いられている。このような二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少させるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用による副産物が全く発生しないという点で環境にやさしく、エネルギー効率向上のための新たなエネルギー源として注目されている。
このような二次電池は、正極及び負極集電体、セパレータ、活物質、電解液などを含み、構成要素間の電気化学的反応によって充放電を繰り返すことができる。一例として広く使用されるリチウムポリマー二次電池の場合、約3.7V〜4.2Vの動作電圧を有する。したがって、前記電気自動車などに適用される高出力バッテリーパックを得るためには、複数の単位二次電池セル(cell)を直列に接続してバッテリーパックを構成する。
このような基本的構造に加えて前記バッテリーパックには、モーターなどの駆動負荷に対する電力供給の制御、電流または電圧などの電気的特性値の測定、充放電制御、電圧の平滑化(equalization)制御、SOC(State Of Charge)の推定などのためのアルゴリズムが適用され、二次電池の状態をモニタリングし制御するバッテリー管理装置などがさらに含まれて構成される。
一方、近来、エネルギー貯蔵源としての活用を含めて大容量構造の必要性が高まると共に、複数の二次電池セルを含むバッテリーモジュールを集合させたマルチモジュール構造のバッテリーパックへの需要が伸びている。
このようなマルチモジュール構造のバッテリーパックは多数の二次電池セルを含むため、1つのバッテリー管理装置を用いて全ての二次電池セルまたは複数のバッテリーモジュールの充放電状態を制御するには限界がある。したがって、最近はバッテリーパックに含まれているそれぞれのバッテリーモジュール毎にバッテリー管理ユニット(Battery Management Unit)を設け、これらをスレーブユニットとして指定した後、スレーブユニットを制御するマスターユニットをさらに設けるか又はスレーブユニットのうち少なくとも1つをマスターユニットとして指定することで、マスターユニットとスレーブユニットを含むバッテリー管理システムを構成する技術が用いられている。
このとき、バッテリー管理システムに含まれたバッテリー管理ユニットは、外部装置に自身が管理する二次電池セルの異常発生如何に関する信号を出力する。ところが、異常発生如何を伝達する回路または配線に問題が生じた場合は、バッテリー管理ユニットに異常または故障が発生したとしても異常発生如何についての信号が出力できず、逆に、バッテリー管理ユニットが正常状態であるのにバッテリー管理ユニットに異常が生じたことを示す信号が出力されることもある。従って、バッテリー管理ユニット自体の故障であるか、それとも、バッテリー管理システム内部の回路、スイッチング装置、信号線などの故障であるかを把握し難いという問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリー管理システムが外部装置に信号を出力するとき、バッテリー管理システム自体の故障発生如何を分析可能な信号を出力するバッテリー管理システムを提供することをその目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、以下に記載する説明によって理解でき、本発明の実施態様によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するため、本発明によるバッテリー管理システムは、自身が管理する二次電池セルを診断して異常発生如何に関する信号を出力するN個のバッテリー管理ユニットであって、そのうち第1バッテリー管理ユニットは、データ伝送準備区間でローロジックレベルの電圧を有し、データ伝送区間でハイロジックレベルの電圧を有するADSYNC信号を出力する、N個のバッテリー管理ユニットと、前記N個のバッテリー管理ユニットが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つが正常状態を示すとき又は前記ADSYNC信号がハイロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ローロジックレベルの電圧を出力する第1信号検出部と、前記N個のバッテリー管理ユニットが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つが異常発生を示すとき又は前記ADSYNC信号がローロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ハイロジックレベルの電圧を出力する第2信号検出部と、前記第1信号検出部から出力されたハイロジックレベルの電圧によってターンオフされる第Aスイッチと、前記第2信号検出部から出力されたハイロジックレベルの電圧によってターンオンされる第Bスイッチと、前記第Aスイッチと前記第Bスイッチとの間に電気的に直列に接続され、前記第Aスイッチと前記第Bスイッチとが同時にターンオンされたときに信号を出力する信号出力部とを含む。
本発明の一実施態様によれば、前記第1信号検出部は、前記N個のバッテリー管理ユニットから出力された異常発生如何に関する信号を受信して論理値を出力するAND論理ゲートと、前記第1バッテリー管理ユニットから出力されたADSYNC信号を受信して論理値を出力するNOT論理ゲートと、前記AND論理ゲート及び前記第1バッテリー管理ユニットから出力されたADSYNC信号を受信して論理値を出力するAND論理ゲートとを含む。
本発明の一実施態様によれば、前記N個のバッテリー管理ユニットは、自身が管理する二次電池セルに異常が発生したとき、ローロジックレベルの電圧を出力し、前記第1信号検出部は、前記N個のバッテリー管理ユニットと前記AND論理ゲートとの間に電気的に直列に接続されたNOT論理ゲートをさらに含む。
本発明の一実施態様によれば、前記第2信号検出部は、前記N個のバッテリー管理ユニットから出力された異常発生如何に関する信号を受信して論理値を出力するOR論理ゲートと、前記第1バッテリー管理ユニットから出力されたADSYNC信号を受信して論理値を出力するNOT論理ゲートと、前記AND論理ゲート及び前記NOT論理ゲートから出力された論理値を受信して論理値を出力するOR論理ゲートとを含む。
本発明の一実施態様によれば、前記N個のバッテリー管理ユニットは、自身が管理する二次電池セルに異常が発生したとき、ローロジックレベルの電圧を出力し、前記N個のバッテリー管理ユニットと前記OR論理ゲートとの間に電気的に直列に接続されたNOT論理ゲートをさらに含む。
本発明の一実施態様によれば、相互に電気的に直列に接続され、前記N個のバッテリー管理ユニットから出力された異常発生如何に関する信号によってターンオンされる第1ないし第Nスイッチをさらに含み、前記第1信号検出部は、前記第1ないし第Nスイッチが全てターンオンしたときにターンオンされるように電気的に接続された第Fスイッチと、前記第Fスイッチのターンオン時にターンオフ、前記第Fスイッチのターンオフ時にターンオンされるように電気的に接続された第Eスイッチと、前記ADSYNC信号がハイロジックレベルの電圧を有するときにターンオンされて前記第Aスイッチをターンオンさせ、前記ADSYNC信号がローロジックレベルの電圧を有するときにターンオフされて、前記Eスイッチのターンオンまたはターンオフ動作が前記第Aスイッチのターンオンまたはターンオフ動作を決定するように電気的に接続された第Dスイッチとを含み、前記第2信号検出部は、前記第1ないし第Nスイッチのうち少なくともいずれか1つのターンオン時にターンオンされるように前記第Bスイッチと前記第1スイッチとを電気的に接続する第1ラインと、前記ADSYNC信号がローロジックレベルの電圧を有するときにターンオフされ、前記第Bスイッチをターンオンさせるように電気的に接続された第Cスイッチとを含む。
本発明の一実施態様によれば、前記第1ないし第Nスイッチは、PNP型バイポーラ接合トランジスタである。
本発明の一実施態様によれば、前記第Aスイッチは、NPN型バイポーラ接合トランジスタである。
本発明の一実施態様によれば、前記第Bないし第Fスイッチは、PNP型バイポーラ接合トランジスタである。
本発明の一実施態様によれば、前記信号出力部は、オプトカプラ(opto−coupler)である。
本発明の一実施態様によれば、前記N個のバッテリー管理ユニットは、前記ADSYNC信号のデータ伝送準備区間が始まる部分、前記ADSYNC信号のデータ伝送区間が始まる部分及び前記ADSYNC信号のデータ伝送区間で伝送される複数のデータが始まる部分にインデックスパルスを出力し、正常時はハイロジックレベルの電圧を出力し、自身が管理する二次電池セルに異常が発生したときにローロジックレベルの電圧を出力する。
本発明の一実施態様によれば、前記インデックスパルスは、ローロジックレベルの電圧を有する。
本発明によるバッテリー管理システムは、バッテリー管理システムと、前記バッテリー管理システムの前記信号出力部を通じて前記バッテリー管理システムの異常発生如何に関する信号を受信し、それを処理する判断部を有する外部装置とを含むバッテリー駆動システムの一構成要素である。
本発明によれば、前記外部装置がバッテリー管理システムから受信した信号を分析し、バッテリー管理システムの故障発生如何、さらには具体的な故障の発生位置、故障の種類を判断することができる。
外にも本発明は他の多様な効果を奏し得、このような本発明の他の効果は後述される説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施形態を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするものであるので、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明によるバッテリー管理システムの一部を論理ゲートを用いて具現した例示図である。 第1信号検出部の出力信号と、それによる第Aスイッチのターンオン及びターンオフ動作をまとめた表である。 第2信号検出部の出力信号と、それによる第Bスイッチのターンオン及びターンオフ動作をまとめた表である。 本発明によるバッテリー管理システムをバイポーラ接合トランジスタルを用いて構成した例示図である。 第Aないし第Fスイッチのターンオン及びターンオフ動作をまとめた表である。 本発明によるバッテリー管理システムの各部分から出力される信号の波形を示した図である。 外部装置で前記信号出力部を通じて受信した信号の波形を示した図である。 図4に示されたバッテリー管理システムにおいて故障が発生した位置を示した回路図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想の全てを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図1は本発明によるバッテリー管理システムの一部を論理ゲートを用いて具現した例示図であり、図2は第1信号検出部の出力信号と、それによる第Aスイッチのターンオン及びターンオフ動作をまとめた表であり、図4は本発明によるバッテリー管理システムをバイポーラ接合トランジスタルを用いて構成した例示図である。
図1及び図4を参照し、本発明によるバッテリー管理システム10の各構成を説明する。
本発明によるバッテリー管理システム10は、N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−n、第1信号検出部21、第2信号検出部22、第AスイッチQ(A)、第BスイッチQ(B)及び信号出力部31を含む。ここで、Nは1以上の自然数であり、前記バッテリー管理ユニットは少なくとも1つ備えられる。前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−n、第1信号検出部21、第2信号検出部22、第AスイッチQ(A)、第BスイッチQ(B)及び信号出力部31は、後述される動作を具現するため、相互に電気的に接続される。
前記N個のバッテリー管理ユニットのうち第1バッテリー管理ユニット11−1は、ADSYNC信号を出力することができる(図4のADSYNC端子を参照)。図6を参照すれば、図示された信号波形のうち最上段にADSYNCが示されている。前記ADSYNC信号は2つの区間が1つの周期を構成する信号である。前記2つの区間は「データ伝送準備区間」及び「データ伝送区間」である。前記第1バッテリー管理ユニット11−1は、データ伝送準備区間でローロジックレベルの電圧を有する信号を出力し、データ伝送区間でハイロジックレベルの電圧を有する信号を出力する。一例として、前記ローロジックレベルの電圧は0Vであり、前記ハイロジックレベルの電圧は5Vであり得る。ただし、前記ローロジックレベルの電圧値及び前記ハイロジックレベルの電圧値は一例に過ぎず、多様な値で設定され得る。
前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nは、自身が管理する二次電池セルに対する故障診断又は自己故障診断を行い、異常発生如何に関する信号(2nd PROT/Diag Rsult)を出力する。前記「異常発生如何」とは、自身が管理する二次電池セルの過充電、過放電及びバッテリー管理ユニット自身の故障発生如何に関する情報のうち少なくともいずれか1つの情報を含む信号を意味する。前記「異常発生如何」を示す信号が2以上の情報を含む信号である場合、2以上の情報は所定の時間及び/または手順によって時分割方式で表すことができるだけでなく、それぞれのバッテリー管理ユニットは、所定の時間及び/または手順によって異常発生如何を示す信号を出力することができる。一実施形態によれば、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nは、自身が管理する二次電池セルまたは自身に異常が発生したとき、ローロジックレベルの電圧を出力し、正常状態である場合、すなわち異常が発生していない場合はハイロジックレベルの電圧を出力するように構成することができる。
前記第1信号検出部21は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つが正常状態を示すとき又は前記ADSYNC信号がハイロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ローロジックレベルの電圧を出力する。
前記第2信号検出部22は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つが異常発生を示すとき又は前記ADSYNC信号がローロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ハイロジックレベルの電圧を出力する。
前記第AスイッチQ(A)は、前記第1信号検出部21から出力されたローロジックレベルの電圧によってターンオンされ、ハイロジックレベルの電圧によってターンオフされる。
前記第BスイッチQ(B)は、前記第2信号検出部22から出力されたハイロジックレベルの電圧によってターンオンされ、ローロジックレベルの電圧によってターンオフされる。
前記信号出力部31は、前記第AスイッチQ(A)と前記第BスイッチQ(B)との間に電気的に直列に接続され、前記第AスイッチQ(A)と前記第BスイッチQ(B)とが同時にターンオンされたときに信号を出力する。
以下、本発明によるバッテリー管理システム10を具現した具体的な実施形態を挙げてより詳しく説明する。
図1を参照すれば、前記第1信号検出部21から出力されたローロジックレベルの電圧によってターンオンされ、ハイロジックレベルの電圧によってターンオフされる第AスイッチQ(A)は、PNP型バイポーラ接合トランジスタ(PNP−BJT)で具現されたことが確認できる。すなわち、前記第AスイッチQ(A)は、PNP型バイポーラ接合トランジスタで具現され、前記第1信号検出部21から出力された電圧レベルがベース端子を通じて入力されるように構成される。前記第AスイッチQ(A)はPNP型バイポーラ接合トランジスタであるため、ベース端子にローロジックレベルの電圧が入力されればターンオンされ、ベース端子にハイロジックレベルの電圧が入力されればターンオフされる。そして、前記第2信号検出部22から出力されたハイロジックレベルの電圧によってターンオンされ、ローロジックレベルの電圧によってターンオフされる第BスイッチQ(B)は、NPN型バイポーラ接合トランジスタ(NPN−BJT)で具現されたことが確認できる。すなわち、前記第BスイッチQ(B)は、NPN型バイポーラ接合トランジスタで具現され、前記第2信号検出部22から出力された電圧レベルがベース端子を通じて入力されるように構成される。前記第BスイッチQ(B)はNPN型バイポーラ接合トランジスタであるため、ベース端子にハイロジックレベルの電圧が入力されればターンオンされ、ベース端子にローロジックレベルの電圧が入力されればターンオフされる。一方、PNP型バイポーラ接合トランジスタ及びPNP型バイポーラ接合トランジスタは周知慣用の技術であるだけでなく、通常の技術者の技術常識に照らしてそれについての説明が本明細書に記載されているのと同様に自明な事項であるため、各端子及び動作についての具体的な説明は省略する。
そして、前記信号出力部31は、オプトカプラで具現されたことが確認できる。前記オプトカプラは発光源と光検出器で構成されたスイッチング素子である。前記オプトカプラの発光源としては、赤外線発光ダイオード(LED)が使用でき、光検出器としてはフォトダイオードやフォトトランジスタが使用できる。ここで、フォトダイオードやフォトトランジスタは発光源から光を受ければターンオンされるように構成される。従って、発光源に電流が流れれば、発光源から光を発散し、光検出器は発光源から発散された光を受けてターンオンされる。オプトカプラは光を用いて信号を伝送するため、信号を伝達しながらも送受信側の間を電気的に絶縁させることができる。
一方、前記オプトカプラは、前記第AスイッチQ(A)と前記第BスイッチQ(B)との間に電気的に直列に接続され、前記第AスイッチQ(A)と前記第BスイッチQ(B)とが同時にターンオンされたときに信号を出力するように構成される。
本発明の実施形態によれば、前記第1信号検出部21は、2個のAND論理ゲート211、212及びNOT論理ゲート214を含む。前記AND論理ゲート、前記NOT論理ゲート及び後述するOR論理ゲートなどは周知慣用の構成要素であるだけでなく、通常の技術者の技術常識に照らしてそれについての説明が本明細書に記載されているのと同様に自明な事項であるため、これらの入出力動作についての説明は省略する。
前記AND論理ゲート211は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nから出力された異常発生如何に関する信号(2nd PROT/Diag Rsult−1、2nd PROT/Diag Rsult−2、…、2nd PROT/Diag Rsult−n)を受信して論理値を出力する。
上述したように、本発明の一実施形態によれば、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nは、自身が管理する二次電池セルまたは自身に異常が発生したとき、ローロジックレベルの電圧を出力することができる。この場合、第1信号検出部21は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nと前記AND論理ゲート211との間に電気的に直列に接続されたNOT論理ゲート213をさらに含むことができる。
前記AND論理ゲート212は、前記AND論理ゲート211と前記第1バッテリー管理ユニット11−1から出力されたADSYNC信号を受信し、論理値を出力する。このとき、前記第1バッテリー管理ユニット11−1から出力されたADSYNC信号はNOT論理ゲート214を通って出力される。従って、前記AND論理ゲート212は、前記AND論理ゲート211と前記NOT論理ゲート214から出力された値を受信して、論理値を出力する。
したがって、前記第1信号検出部21は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つが正常状態を示すとき又は前記ADSYNC信号がハイロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ローロジックレベルの電圧を出力することができる。その結果、第AスイッチQ(A)は、前記第1信号検出部21から出力されたローロジックレベルの電圧によってターンオンされ、ハイロジックレベルの電圧によってターンオフされる。
前記第1信号検出部21の出力信号と、それによる前記第AスイッチQ(A)のターンオン及びターンオフ動作は、図2にまとめて示されている。
本発明の実施形態によれば、前記第2信号検出部22は、2個のOR論理ゲート221、222及びNOT論理ゲート224を含む。
前記2個のOR論理ゲートのうち一方のOR論理ゲート221は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nから出力された異常発生如何に関する信号(2nd PROT/Diag Rsult−1、2nd PROT/Diag Rsult−2、…、2nd PROT/Diag Rsult−n)を受信して論理値を出力する。
上述したように本発明の一実施形態によれば、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nは、自身が管理する二次電池セルに異常が発生したとき、ローロジックレベルの電圧を出力することができる。この場合、第2信号検出部22は前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nと前記OR論理ゲート221との間に電気的に直列に接続されたNOT論理ゲート223をさらに含むことができる。
前記2個のOR論理ゲートのうち他方のOR論理ゲート222は、前記OR論理ゲート221と前記第1バッテリー管理ユニット11−1から出力されたADSYNC信号を受信して論理値を出力する。このとき、前記第1バッテリー管理ユニット11−1から出力されたADSYNC信号はNOT論理ゲート224を通って出力される。従って、前記OR論理ゲート222は前記OR論理ゲート221と前記NOT論理ゲート224から出力された値を受信して論理値を出力する。
したがって、前記第2信号検出部22は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つが異常発生を示すとき又は前記ADSYNC信号がローロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ハイロジックレベルの電圧を出力する。その結果、前記第BスイッチQ(B)は、前記第2信号検出部22から出力されたハイロジックレベルの電圧によってターンオンされ、ローロジックレベルの電圧によってターンオフされる。
前記第2信号検出部22の出力信号と、それによる前記第BスイッチQ(B)のターンオン及びターンオフ動作は、図3にまとめて示されている。
図4は、本発明によるバッテリー管理システム10をバイポーラ接合トランジスタルを用いて構成した例示図である。
図4を参照すれば、第1信号検出部21及び第2信号検出部22は、第BスイッチQ(B)、第CスイッチQ(C)、第DスイッチQ(D)、第EスイッチQ(E)、第FスイッチQ(F)、第1スイッチQ(1)ないし第nスイッチQ(n)及び抵抗素子で具現されたことが確認できる。
まず、N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nには、それぞれ第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)が接続される。前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)は、図4に示されたように、PNP型バイポーラ接合トランジスタで具現できる。各PNP型バイポーラ接合トランジスタのエミッタ端子には、各バッテリー管理ユニット11から出力された固定電圧(5VLDO)が印加されるように構成される。前記各バッテリー管理ユニット11から出力された電圧は、一例として、5Vの値を有し得、他の値を有しても良い。また、各PNP型バイポーラ接合トランジスタのベース端子には、各バッテリー管理ユニット11から出力された異常発生如何に関する信号(2nd PROT/Diag Rsult)が印加される。従って、各バッテリー管理ユニット11から異常発生如何を示すためにローロジックレベルの電圧を出力するとき、前記各PNP型バイポーラ接合トランジスタはターンオンされる。
前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)は電気的に直列に接続されるように構成される。すなわち、PNP型バイポーラ接合トランジスタで具現された前記第1ないし第Nスイッチは、隣接したPNP型バイポーラ接合トランジスタのコレクタとエミッタが相互に接続されるように構成される。従って、前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)が全てターンオンされたとき、前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)の一部がターンオンされたとき、及び前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)が全てターンオフされたとき、前記第1スイッチQ(1)のコレクタ端子に流れる電流の量はそれぞれ異なる。
前記第1信号検出部21は、第DスイッチQ(D)、第EスイッチQ(E)及び第FスイッチQ(F)を含む。前記第DスイッチQ(D)、第EスイッチQ(E)及び第FスイッチQ(F)はPNP型バイポーラ接合トランジスタで具現できる。
前記第FスイッチQ(F)は、前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)が全てターンオンしたときにターンオンされるように電気的に接続される。前記第FスイッチQ(F)は、前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)が全てターンオンされたときに前記第1スイッチQ(1)のコレクタ端子に流れる電流量によってターンオンされる特性を有するトランジスタを選択して具現することができる。また、前記第FスイッチQ(F)の特性に合わせて、前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)に接続された抵抗素子の抵抗値を選択して具現することもできる。さらに、通常の技術者が前記トランジスタ及び前記抵抗素子の素子値を適切に調節して前記第FスイッチQ(F)を具現できることは勿論である。
前記第EスイッチQ(E)は、前記第FスイッチQ(F)がターンオンされたときターンオフされ、前記第FスイッチQ(F)がターンオフされたときターンオンされるように電気的に接続される。
また、前記第DスイッチQ(D)は、前記ADSYNC信号がハイロジックレベルの電圧を有するときターンオンされ、前記第AスイッチQ(A)をターンオンさせる。また、前記第DスイッチQ(D)は、前記ADSYNC信号がローロジックレベルの電圧を有するときターンオフされる。この場合(第Dスイッチがターンオフされた場合)、前記第AスイッチQ(A)は前記第EスイッチQ(E)のターンオンによってターンオンされるか又は前記第EスイッチQ(E)のターンオフによってターンオフされるように電気的に接続される。
したがって、前記第1信号検出部21は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つが正常状態を示すとき又は前記ADSYNC信号がハイロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ローロジックレベルの電圧を出力することができる。その結果、第AスイッチQ(A)は、前記第1信号検出部21から出力されたローロジックレベルの電圧によってターンオンされる。
前記第2信号検出部22は、前記第BスイッチQ(B)と前記第1スイッチQ(1)とを電気的に接続する第1ライン41及び第CスイッチQ(C)を含む。前記第CスイッチQ(C)は、PNP型バイポーラ接合トランジスタで具現できる。
前記第1ライン41は、前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)のうち少なくとも1つのターンオン時にターンオンされるように、前記第BスイッチQ(B)と前記第1スイッチQ(1)との間に接続される。より具体的に、前記第1ライン41は、前記第1スイッチQ(1)のコレクタと前記第BスイッチQ(B)のベースとの間に接続されるように構成される。前記第BスイッチQ(B)は、前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)のうち少なくとも1つのスイッチがターンオンされたときに前記第1スイッチQ(1)のコレクタ端子に流れる電流によってターンオンされる特性を有するトランジスタを選択して具現することができる。また、前記第BスイッチQ(B)の特性に合わせて、前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)に接続された抵抗素子の抵抗値又は前記第1スイッチQ(1)のコレクタと前記第BスイッチQ(B)との間に接続された抵抗素子の抵抗値を選択して具現することもできる。さらに、通常の技術者は、前記トランジスタ及び前記抵抗素子の素子値を適切に調節することで、上述したように動作するように具現することができる。
そして、前記第CスイッチQ(C)は、前記ADSYNC信号がローロジックレベルの電圧を有するときにターンオフされ、前記第BスイッチQ(B)をターンオンさせるように電気的に接続される。
図4に示された各抵抗素子の抵抗値は、上述した動作を具現するために選択された例示的な値である。従って、第Aないし第FスイッチQ(A)〜Q(F)の実際の動作特性を考慮して前記抵抗値を調節することができる。
図5は、前記第Aないし第FスイッチQ(A)〜Q(F)のターンオン及びターンオフ動作をまとめた表である。
図5を参照すれば、前記ADSYNC信号の電圧レベル及びN個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが出力した異常発生如何に関する信号による、上述した第Aないし第FスイッチQ(A)〜Q(F)のターンオン及びターンオフ動作が表に記載されている。
図5の表の理解を助けるため、幾つかの用語を説明する。
前記ADSYNC信号の電圧レベルは、ハイロジックレベルの電圧とローロジックレベルの電圧を有する。従って、前記ADSYNCがハイロジックレベルを有するときは「ADSYNC−high」と示した。そして、前記ADSYNCがローロジックレベルを有するときは「ADSYNC−low」と示した。
前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが出力した異常発生如何に関する信号は、前記第1スイッチQ(1)のコレクタ端子に流れる電流値によって区分できる。前記第1スイッチQ(1)のコレクタ端子に流れる電流値は「Ic_Q1」と示した。前記第1スイッチのコレクタ端子に流れる電流値(Ic_Q1)は総3個の区間を有し得る。まず、前記第1スイッチQ(1)のコレクタ端子に流れる電流値(Ic_Q1)は、前記第BスイッチQ(B)をターンオン可能な臨界電流値(I_thr_Q(B))より小さい値を有し得る。これは、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−n全部が前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)全てのターンオフ状態を維持させた場合である。次に、前記第1スイッチQ(1)のコレクタ端子に流れる電流値(Ic_Q1)は、前記第Bスイッチをターンオン可能な臨界電流値(I_thr_Q(B))以上であるものの、前記第FスイッチQ(F)をターンオン可能な臨界電流値(I_thr_Q(F))より小さい値を有し得る。これは、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)のうち一部のみをターンオンさせた場合である。最後に、前記第1スイッチQ(1)のコレクタ端子に流れる電流値(Ic_Q1)は、前記第FスイッチQ(F)をターンオン可能な臨界電流値(I_thr_Q(F))以上の値を有し得る。これは、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−n全部が前記第1ないし第NスイッチQ(1)〜Q(n)全てをターンオンさせた場合である。
本発明によるバッテリー管理システム10は、前記バッテリー管理システム10から信号を受信する外部装置に、故障発生如何を分析できるように信号を出力することを特徴とする。そのため、本発明によるバッテリー管理システム10は、前記信号出力部31から出力された信号を通じて故障発生如何を分析できるように、前記第AスイッチQ(A)及び第BスイッチQ(B)を制御する。以下、本発明によるバッテリー管理システム10に故障が発生していない場合に出力された信号及び故障が発生した場合に出力された信号を通じて、バッテリー管理システム自体の故障発生如何を分析する方法について説明する。
一方、本発明によるバッテリー管理システム10は、前記バッテリー管理システム10及び外部装置を含むバッテリー駆動システムの一構成要素になり得る。前記バッテリー駆動システムの一例としては、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気自転車(E−Bike)、電動工具(Power tool)、電力貯蔵装置、無停電電源装置(UPS)、携帯用パソコン、携帯電話、携帯用オーディオ装置、携帯用ビデオ装置などが挙げられる。このとき、前記外部装置は、本発明によるバッテリー管理システム10が管理するバッテリーパックから電力が供給される装置の中央制御装置であり得る。
前記外部装置は判断部(図示せず)を含むが、前記判断部は前記バッテリー管理システムの前記信号出力部を通じて前記バッテリー管理システムの異常発生如何に関する信号を受信し、それを処理する。
理解の便宜上、前記バッテリー管理システム10は電気自動車に搭載されたバッテリーパックを管理するシステムであり、前記外部装置は電気自動車のメイン制御装置である。従って、前記バッテリー管理システム10は、電気自動車に搭載されたバッテリーパックの異常発生如何を前記電気自動車のメイン制御装置に報告する。このとき、前記メイン制御装置には、前記バッテリー管理システム10から出力された信号を分析してバッテリーパックの異常発生如何及び前記バッテリー管理システム10自身の故障発生如何も診断できるロジックが含まれていると仮定する。
図6は、本発明によるバッテリー管理システム10の各部分から出力する信号の波形を示した図である。
図6を参照すれば、最上段にADSYNCの波形が示されている。
前記ADSYNCは、上述したように、データ伝送準備区間でローロジックレベルの電圧を有し、データ伝送区間でハイロジックレベルの電圧を有する。
二段目には、各バッテリー管理ユニット11から出力される異常発生如何に関する信号(2nd PROT/Diag Rsult)の波形が示されている。本発明の実施形態によって、前記バッテリー管理ユニット11は、前記ADSYNCのデータ伝送準備区間が始まる部分、前記ADSYNCのデータ伝送区間が始まる部分、及び前記ADSYNCのデータ伝送区間で伝送される複数のデータが始まる部分に、インデックスパルス51、52を出力することができる。そして、前記バッテリー管理ユニット11は、前記ADSYNCのデータ伝送区間に自身が伝送しようとする情報(例えば、二次電池セルの過充電、過放電、故障発生如何など)を重ねて伝送することができる。このとき、前記バッテリー管理ユニット11は、正常時はハイロジックレベルの電圧を出力し、自身が管理する二次電池セルに異常が発生したときにローロジックレベルの電圧を出力することができる。
図6に示された波形は、総3個の情報を時分割して伝送する実施形態の例示的な波形である。前記3個の情報は、各バッテリー管理ユニット11が管理する二次電池セルの過充電(丸付き数字1)、過放電(丸付き数字2)及び自己診断結果(丸付き数字3)に関する情報であり得、各バッテリー管理ユニットが伝送する異常状態如何に関する情報が時分割された情報であり得る。そして、図6に示された例示には、前記3個の情報に対して全てハイロジックレベルの電圧を出力しているため、二次電池セル及びバッテリー管理ユニット自体に異常が発生していないことを意味する。
三段目には、前記第1信号検出部21から出力される信号(21−out)が示されている。上述したように、前記第1信号検出部21は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つがハイロジックレベルを出力するとき(すなわち、少なくとも1つが正常状態を示すとき)又は前記ADSYNC信号がハイロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ローロジックレベルの電圧を出力する。従って、21−out信号は、原則的に二段目の波形のロジックレベルと逆の波形を有する。ただし、ADSYNCがハイロジックレベルの電圧を有するデータ伝送区間では、異常発生如何に関する信号と関係なく、第1信号検出部はローロジックレベルの電圧を出力する(図6の強制ターンオン区間を参照)。
四段目には、前記第2信号検出部22から出力される信号(22−out)が示されている。上述したように、前記第2信号検出部22は、前記N個のバッテリー管理ユニット11−1〜11−nが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つがローロジックレベルの電圧を出力するとき(すなわち、少なくとも1つが異常発生を示すとき)又は前記ADSYNC信号がローロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ハイロジックレベルの電圧を出力する。従って、22−out信号は、原則的に二段目の波形と同じロジックレベルの波形を有する。ただし、ADSYNCがローロジックレベルの電圧を有するデータ伝送準備区間では、異常発生如何に関する信号と関係なく、第2信号検出部はハイロジックレベルの電圧を出力する(図6の強制ターンオン区間を参照)。
上述したように、前記第1信号検出部21から出力された信号によって第AスイッチQ(A)が、さらに前記第2信号検出部22から出力された信号によって第BスイッチQ(B)が同時にターンオンされたときのみ、前記信号出力部31は前記外部装置に信号を出力する。一方、前記第AスイッチQ(A)及び前記第BスイッチQ(B)のいずれか1つでもターンオフされれば、前記信号出力部31は前記外部装置に信号を出力しない。
図7は、外部装置で前記信号出力部31を通じて受信した信号の波形を示した図である。
図7を参照すれば、最上段に示された波形は、バッテリー管理システム10に故障が発生していない正常状態を示す。示された波形のような信号が受信されれば、前記外部装置に含まれた判断部は、バッテリー管理システム10が正常状態であると判断する。
二段目ないし四段目に示された波形は、バッテリー管理システム10に故障が発生した場合、変調された波形である。
図8は、図4に示されたバッテリー管理システム10において故障が発生した位置を示した回路図である。
図8を参照すれば、「×」で示された部分(1、2、4〜18)は断線を意味し、「<」で示された部分(S1〜S9)は短絡を意味する。
図7及び図8を参照すれば、断線1ないし6が発生した場合、断線9が発生した場合、断線11が発生した場合、短絡S5が発生した場合、短絡S6が発生した場合、または短絡S8が発生した場合は、ADSYNCのデータ伝送準備区間のインデックスパルスが現れない(故障1)。
短絡S1ないしS3、S9が発生した場合は、ADSYNCのデータ伝送区間でローロジックレベルの電圧波形のみが受信される(故障2)。
断線12、断線16、短絡S4、短絡S7が発生した場合は、ADSYNCのデータ伝送準備区間でハイロジックレベルの電圧波形のみが受信される(故障3)。
断線10、断線14、断線15が発生した場合は、ADSYNCのデータ伝送区間でハイロジックレベルの電圧波形のみが受信される(故障4)。
短絡S10が発生した場合は、ADSYNCのデータ伝送準備区間で正常状態とは逆のロジックレベルを有する波形が受信される(故障5)。
断線13が発生した場合は、ADSYNCのデータ伝送区間で正常状態とは逆のロジックレベルを有する波形が受信される(故障6)。
断線7または断線8が発生した場合は、前記故障1及び故障4の現象が一緒に現れる。
断線17または断線18が発生した場合は、前記故障3及び故障4の現象が一緒に現れる。
上述したように、前記外部装置に含まれた判断部は、受信した波形を分析して、バッテリー管理システム10の故障発生如何、さらには具体的な故障の発生位置、故障の種類を判断することができる。
一方、本発明の説明において、図1及び図2に示された本発明の各構成要素は、物理的に区分される構成要素ではなく、論理的に区分される構成要素と理解されねばならない。
すなわち、各構成要素は、本発明の技術思想を実現するための論理的な構成要素に該当するので、各構成要素が統合または分離されても、本発明の論理構成が果たす機能を実現できれば、本発明の範囲内であると解釈されねばならず、同一または類似機能を果たす構成要素であれば、その名称の一致如何とは関係なく、本発明の範囲内であると解釈されねばならないことは勿論である。
以上、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれらによって限定されず、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者にとって、本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは勿論である。
11−1,11−2,11−n−1,11−n バッテリー管理ユニット
21 第1信号検出部
211,212 AND論理ゲート
213,214 NOT論理ゲート
22 第2信号検出部
221,222 OR論理ゲート
223,224 NOT論理ゲート
31 信号出力部
Q(A) 第Aスイッチ
Q(B) 第Bスイッチ
Q(C) 第Cスイッチ
Q(D) 第Dスイッチ
Q(E) 第Eスイッチ
Q(F) 第Fスイッチ
Q(1) 第1スイッチ
Q(2) 第2スイッチ
Q(n−1) 第n−1スイッチ
Q(n) 第nスイッチ

Claims (9)

  1. バッテリー管理システムであって、
    自身が管理する二次電池セルの故障診断又は自己故障診断を実施して異常発生如何に関する信号を出力するN個のバッテリー管理ユニットであって、そのうち第1バッテリー管理ユニットが、データ伝送準備区間でローロジックレベルの電圧を有し、データ伝送区間でハイロジックレベルの電圧を有するADSYNC信号を出力する、N個のバッテリー管理ユニットと、
    前記N個のバッテリー管理ユニットが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つが正常状態を示すとき又は前記ADSYNC信号がハイロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ローロジックレベルの電圧を出力する第1信号検出部と、
    前記N個のバッテリー管理ユニットが出力した異常発生如何に関する信号のうち少なくとも1つが異常発生を示すとき又は前記ADSYNC信号がローロジックレベルの電圧を有するときを検出し、ハイロジックレベルの電圧を出力する第2信号検出部と、
    前記第1信号検出部から出力されたローロジックレベルの電圧によってターンオンされる第Aスイッチと、
    前記第2信号検出部から出力されたハイロジックレベルの電圧によってターンオンされる第Bスイッチと、
    前記第Aスイッチと前記第Bスイッチとの間に電気的に直列に接続され、前記第Aスイッチと前記第Bスイッチとが同時にターンオンされたときに信号を出力する信号出力部と、を含むことを特徴とするバッテリー管理システム。
  2. 前記第1信号検出部は、
    前記N個のバッテリー管理ユニットから出力された異常発生如何に関する信号を受信して論理値を出力する第1AND論理ゲートと、
    前記第1バッテリー管理ユニットから出力されたADSYNC信号を受信して論理値を出力するNOT論理ゲートと、
    前記第1AND論理ゲート及び前記NOT論理ゲートから出力された論理値を受信して論理値を出力する第2AND論理ゲートと、を含むことを特徴とする請求項1に記載のバッテリー管理システム。
  3. 前記N個のバッテリー管理ユニットは、自身が管理する二次電池セルまたは自身に異常が発生したとき、ローロジックレベルの電圧を出力し、
    前記第1信号検出部は、前記N個のバッテリー管理ユニットと前記第1AND論理ゲートとの間に電気的に直列に接続されたNOT論理ゲートをさらに含むことを特徴とする請求項2に記載のバッテリー管理システム。
  4. 前記第2信号検出部は、
    前記N個のバッテリー管理ユニットから出力された異常発生如何に関する信号を受信して論理値を出力する第1OR論理ゲートと、
    前記第1バッテリー管理ユニットから出力されたADSYNC信号を受信して論理値を出力するNOT論理ゲートと、
    前記第1OR論理ゲート及び前記NOT論理ゲートから出力された論理値を受信して論理値を出力する第2OR論理ゲートと、を含むことを特徴とする請求項1に記載のバッテリー管理システム。
  5. 前記N個のバッテリー管理ユニットは、自身が管理する二次電池セルに異常が発生したとき、ローロジックレベルの電圧を出力し、
    前記第2信号検出部は、前記N個のバッテリー管理ユニットと前記第1OR論理ゲートとの間に電気的に直列に接続されたNOT論理ゲートをさらに含むことを特徴とする請求項4に記載のバッテリー管理システム。
  6. 前記信号出力部は、オプトカプラであることを特徴とする請求項1に記載のバッテリー管理システム。
  7. 前記N個のバッテリー管理ユニットは、
    前記ADSYNC信号のデータ伝送準備区間が始まる部分、前記ADSYNC信号のデータ伝送区間が始まる部分及び前記ADSYNC信号のデータ伝送区間で伝送される複数のデータが始まる部分にインデックスパルスを出力することを特徴とする請求項1に記載のバッテリー管理システム。
  8. 前記インデックスパルスは、ローロジックレベルの電圧を有することを特徴とする請求項に記載のバッテリー管理システム。
  9. 請求項1ないしのうちいずれか一項に記載のバッテリー管理システムと、
    前記バッテリー管理システムの前記信号出力部を通じて前記バッテリー管理システムの異常発生如何に関する信号を受信し、それを処理する判断部を有する外部装置と、を含むことを特徴とするバッテリー駆動システム。
JP2016552618A 2014-02-17 2015-02-17 故障発生如何を分析可能な信号を出力するバッテリー管理システム及びそれを含むバッテリー駆動システム Active JP6448655B2 (ja)

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