KR100739054B1 - 배터리 관리 시스템 및 배터리의 셀 전압 측정방법 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 배터리의 셀 전압 측정방법 Download PDF

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Abstract

배터리 관리 시스템은 적은 수의 소자를 이용하여 배터리의 셀 전압을 더욱 효율적으로 측정할 수 있으며, 복수의 셀 전압을 측정하는 중에 팩전류 및 팩전압을 측정할 수 있다.
배터리 관리 시스템은 복수의 전지 셀이 하나의 팩으로 구성된 배터리에 연결된다. 여기서 배터리는 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀과 제2 전지 셀을 포함하는 제1 서브 팩을 포함한다. 배터리 관리 시스템은 제1 내지 제4 릴레이 및 A/D컨버터를 포함한다. 제1 및 제2 릴레이는 제1 및 제2 제어신호 각각에 응답하여 제1 서브팩의 제1 및 제2 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달한다. 제3 릴레이는 제3 제어신호에 응답하여 제1 및 제2 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 전달하고, 제1 충전부는 제3 릴레이로부터 전달된 셀 전압을 저장한다. 제4 릴레이는 제4 제어신호에 응답하여 제1 충전부에 저장된 셀 전압을 전달한다. A/D컨버터는 제4 릴레이를 통하여 전달된 셀 전압을 디지털 데이터로 변환한다.
BMS, 배터리, 셀전압, 팩전류, 팩전압, 하이브리드 자동차

Description

배터리 관리 시스템 및 배터리의 셀 전압 측정방법{Battery management system and method for measuring cell voltage of the battery}
도 1은 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센싱부를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 셀전압 측정부를 더욱 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3의 충전 릴레이부를 더욱 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제어신호를 보여주는 타이밍도이다.
본 발명은 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것으로, 특히, 전기 에너지를 이용하는 자동차에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울 이고 있다.
전기 자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
한편, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리 엔진을 사용하는 자동차이다. 현재에는, 내연 엔진과 수소와 산소를 연속적으로 공급하면서 화학반응을 일으켜 직접 전기 에너지를 얻는 연료 전지를 이용하거나, 배터리와 연료 전지를 이용하는 등 혼합된 형태의 하이브리드 자동차가 개발되고 있다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 성능이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)이 절실히 요구되는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 적은 수의 소자를 이용하여 배터리의 셀 전압을 더욱 효율적으로 측정할 수 있는 배터리 관리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 복수의 셀 전압을 측정하는 도중에 팩전류 및 팩전압을 측정할 수 있는 셀 전압 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따른 배터리 관리 시스템은, 복수의 전지 셀이 하나의 팩으로 구성된 배터리에 연결되는 배터리 관리 시스템으로서,
상기 배터리는 상기 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀과 제2 전지 셀을 포함하는 제1 서브 팩을 포함하고, 제1 및 제2 제어신호 각각에 응답하여 상기 제1 서브팩의 제1 및 제2 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제1 및 제2 릴레이; 제3 제어신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 전달하는 제3 릴레이; 상기 제3 릴레이로부터 전달된 셀 전압을 저장하는 제1 충전부; 제4 제어신호에 응답하여 상기 제1 충전부에 저장된 셀 전압을 전달하는 제4 릴레이; 및 상기 제4 릴레이를 통하여 전달된 셀 전압을 디지털 데이터로 변환하는 A/D컨버터를 포함한다.
상기 배터리는 상기 복수의 전지 셀 중 제3 전지 셀과 제4 전지 셀을 포함하는 제2 서브 팩을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 제어신호 각각에 응답하여 상기 제2 서브팩의 제3 및 제4 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제5 및 제6 릴레이; 상기 제3 제어신호에 응답하여 상기 제5 및 제6 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 전달하는 제7 릴레이; 상기 제7 릴레이로부터 전달된 셀 전압을 저장하는 제2 충전부; 및 상기 제4 제어신호에 응답하여 상기 제2 충전부에 저장된 셀 전압을 전달하는 제8 릴레이를 포함하고, 상기 A/D컨버터는 상기 제8 릴레이를 통하여 전달된 셀 전압을 디지털 데이터로 변환할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 배터리 관리 시스템은, 상기 복수의 전지 셀 중 제1 및 제2 전지 셀을 각각 포함하는 제1, 제2 및 제3 서브 팩을 포함하는 배터리;
상기 배터리의 팩전압을 측정하는 팩전압 측정부; 상기 배터리의 팩전류를 측정하는 팩전류 측정부; 상기 복수의 전지 셀의 셀전압을 각각 측정하는 셀전압 측정부; 및 상기 셀전압 측정부의 출력을 입력받는 제1, 제2 및 제3 입력단자, 상기 팩전압 측정부의 출력을 입력받는 제4 입력단자 및 상기 팩전류 측정부의 출력을 입력받는 제5 입력단자를 포함하고, 제1, 제2, 제4, 제5 및 제3 입력단자로 입력되는 신호를 순차적으로 디지털 데이터로 변환하는 A/D컨버터를 포함하고, 상기 셀전압 측정부는 상기 제1 서브팩의 상기 제1 및 제2 전지 셀 중 어느 하나의 셀 전압에 대응하는 전압을 저장하는 제1 충전부; 상기 제2 서브팩의 상기 제1 및 제2 전지 셀 중 어느 하나의 셀 전압에 대응하는 전압을 저장하는 제2 충전부; 상기 제3 서브팩의 상기 제1 및 제2 전지 셀 중 어느 하나의 셀 전압에 대응하는 전압을 저장하는 제3 충전부; 및 제1 제어신호에 응답하여 상기 제1 , 제2 및 제3 충전부에 저장된 셀 전압을 각각 상기 A/D컨버터의 상기 제1, 제2 및 제3 입력단자로 각각 전달하는 제1, 제2 및 제3 릴레이를 포함한다.
상기 셀전압 측정부는 제2 및 제3 제어신호 각각에 응답하여 상기 제1 서브팩의 제1 및 제2 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제4 및 제5 릴레이; 제4 제어신호에 응답하여 상기 제4 및 제5 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 상기 제1 충전부로 전달하는 제6 릴레이; 제2 및 제3 제어 신호 각각에 응답하여 상기 제2 서브팩의 제1 및 제2 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제7 및 제8 릴레이; 제4 제어신호에 응답하여 상기 제7 및 제8 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 상기 제2 충전부로 전달하는 제9 릴레이; 제2 및 제3 제어신호 각각에 응답하여 상기 제3 서브팩의 제1 및 제2 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제10 및 제11 릴레이; 및 제4 제어신호에 응답하여 상기 제10 및 제11 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 상기 제3 충전부로 전달하는 제12 릴레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 셀전압 측정 방법은 적어도 N×M(N은 자연수, M은 3보다 큰 자연수) 개의 전지셀이 하나의 팩으로 구성된 배터리의 관리 시스템에서 셀전압 측정 방법으로서,
a) 상기 (N+1)번째 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계;
b) 상기 (2N+1)번째 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계;
c) 상기 배터리의 팩전압 및 팩전류를 측정하는 단계; 및
d) 상기 (3N+1)번째의 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 셀전압 측정 방법은 적어도 N×M(N은 자연수, M은 3보다 큰 자연수) 개의 전지셀이 하나의 팩으로 구성된 배터리의 관리 시스템에서 셀전압 측정 방법으로서,
a) (N+1)번째 전지 셀, (2N +1)번째 전지 셀 및 (3N+1)번째 전지 셀의 셀전압이 제1 충전소자, 제2 충전소자 및 제3 충전소자 각각에 충전되는 단계;
b) 상기 제1 충전소자에 충전된 전압을 기초로 상기 (N+1)번째 전지 셀의 셀 전압을 측정하는 단계;
c) 상기 제2 충전소자에 충전된 전압을 기초로 상기 (2N+1)번째 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계;
d) 상기 배터리의 팩전압 및 팩전류를 측정하는 단계; 및
e) 상기 제3 충전소자에 충전된 전압을 기초로 상기 (3N+1)번째 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계를 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 배터리, BMS 및 BMS의 주변장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, BMS(1), 배터리(2), 전류센서(3), 냉각팬(4), 퓨즈(5) 및 메인 스위치(6)가 포함된다. 전류센서(3)는 배터리(2)의 출력전류 량을 측정하여 BMS(1)로 출력한다. 냉각팬(4)은 BMS(1)의 제어신호에 기초하여 배터리(2)의 충방전에 의해 발생할 수 있는 열을 냉각하여 온도 상승으로 인한 배터리(2)의 열화 및 충방전 효율의 저하를 방지한다. 퓨즈(5)는 배터리(2)의 단선 또는 단락에 의해 과전류가 자동차의 동력발생장치(미도시)에 전달되는 것을 방지한다. 즉 과전류가 발생하면 퓨즈(5)는 단선되어 과전류의 전달을 차단한다. 메인 스위치(6)는 과전압, 과전류, 고온 등 이상 현상이 발생하면 BMS(1)의 제어신호에 기초하여배터리(2)를 온오프 한다.
배터리(2)는 서로 직렬로 연결되는 8개의 서브팩(sub-pack, 210 ~ 280), 출력단자(291), 출력단자(292) 및 서브팩(240)과 서브팩(250) 사이에 마련되는 안전스위치(293)를 포함한다. 서브팩(210)은 서로 직렬로 연결된 5개의 2차 전지 셀을 포함한다. 마찬가지로 각 서브팩(220 ~ 280)은 각각 5개의 2차 전지 셀을 포함하여 결국 배터리(2)는 총 40개의 전지 셀을 포함한다.
여기서 서브팩은 본 실시예의 설명의 편의를 위하여 5개의 2차 전지를 하나의 그룹으로 표시한 것에 불과한 것이고, 배터리(2)는 서브팩(210~280) 없이 40개의 2차 전지 셀이 직접 연결될 수도 있다.
출력단자(291) 및 출력단자(292)는 자동자의 동력발생장치(미도시)와 연결되어 자동차 엔진에 전기에너지를 공급한다. 안전 스위치(293)는 서브팩(240)과 서브팩(250) 사이에 마련되는 스위치로서, 배터리를 교체하거나 배터리에 대한 작업을 수행할 때 작업자의 안전을 위하여 수동적으로 온 오프할 수 있는 스위치이다. 본 실시예에서는 서브팩(240)과 서브팩(250) 사이에 안전 스위치(293)가 마련되나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
BMS(1)는 센싱부(10), MCU(Main control unit, 20), 내부전원 공급부(30), 셀밸런싱부(40), 저장부(50), 통신부(60), 보호회로부(70), 파워온 리셋부(80) 및 외부인터페이스(90)를 포함한다.
센싱부(10)는 배터리 전체 팩전류, 배터리 전체 팩전압, 각 전지 셀전압, 셀온도 및 주변온도를 측정하고, 측정된 값들을 디지털 데이터로 변환하여 MCU(20)에 전달한다.
MCU(20)는 센싱부(10)로부터 전달받은 디지털 데이터에 기초하여 배터리(2)의 충전상태(state of charging, 이하 SOC), 건강상태(state of health, 이하 SOH) 등을 판단하여 배터리(2)의 충방전을 제어한다.
내부전원 공급부(30)는 일반적으로 보조 배터리를 이용하여 BMS(1)에 전원을 공급하는 장치이다.
셀밸런싱부(40)는 각 셀의 충전상태의 균형을 맞춘다. 즉, 충전상태가 비교적 높은 셀은 방전시키고 충전상태가 비교적 낮은 셀은 충전시킬 수 있다.
저장부(50)는 BMS(1)의 전원이 오프될 때, 현재의 SOC, SOH 등의 데이터들을 저장한다. 여기서 저장부(50)는 전기적으로 쓰고 지울 수 있는 비휘발성 저장장치로서 EEPROM일 수 있다.
통신부(60)는 자동차의 동력발생장치의 제어부(미도시)와 통신을 수행한다.
보호회로부(70)는 펌웨어(firm ware)를 이용하여 외부의 충격, 과전류, 저전압 등으로부터 배터리(2)를 보호하기 위한 회로이다.
파워온 리셋부(80)는 BMS(1)의 전원이 켜지면 전체 시스템을 리셋한다.
외부 인터페이스(90)는 냉각팬(4), 메인 스위치(6) 등 BMS의 보조장치들을 MCU(20)에 연결하기 위한 장치이다. 본 실시에에서는 냉각팬(4) 및 메인 스위치(6)만이 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센싱부(10)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 센싱부(10)는 제어신호 생성부(110), 셀전압 측정부(120), A/D 컨버터(160), 팩전압 측정부(130), 팩전류 측정부(140) 및 온도 측정부(150)를 포함한다.
제어신호 생성부(110)는 셀전압 측정부(120)에서 40개의 전지 셀의 전압을 순차적으로 측정할 수 있도록 제어신호(BANK1_SENSE ~ BANK5_SENSE, 도 3 참조), 제어신호(MODULE_SW, 도 3 참조) 및 제어신호(MODULE, 도 3 참조)를 생성하여 셀전압 측정부(120)로 출력한다. 여기서, 5개의 제어신호(BANK1_SENSE ~ BANK5_SENSE)는 순차적으로 온이되는 신호이고, 제어신호(MODULE_SW)는 5개의 제어신호(BANK1_SENSE ~ BANK5_SENSE) 중 어느 하나가 온일 때는 온이 되는 신호이고, 제어신호(MODULE)는 제어신호(BANK1_SENSE ~ BANK5_SENSE) 및 제어신호(MODULE_SW)가 모두 오프일 때 온되는 신호이다.
셀전압 측정부(120)는 배터리(2)의 40개의 전지 셀(211 ~ 285)의 아날로그 전압을 측정하여 A/D 컨버터(160)로 출력한다. 팩전압 측정부(130)는 배터리(2)의 출력단자(291, 도 1 참조)와 출력단자(292) 사이의 아날로그 전압값을 측정하여 A/D 컨버터(160)로 출력한다. 팩전류 측정부(140)는 전류센서(3, 도 1참조)에서 측정된 전류값을 입력받아 아날로그 전압신호로 변환하여 A/D 컨버터(160)로 출력한다. A/D 컨버터(160)는 셀전압 측정부(120), 팩전압 측정부(130), 팩전류 측정부(140)로부터 입력받은 아날로그 값들을 디지털 데이터로 변환하여 MCU(20, 도 1 참조)로 출력한다. 구체적으로 A/D 컨버터(160)는 10개의 입력단자를 포함하고 입력단자로부터 입력되는 아날로그 데이터를 순차적으로 하나씩 디지털 데이터로 변환한다. 여기서 10개의 입력단자 중 8개 입력단자(1번부터 8번 입력단자라고 칭함)는 셀전압 측정부(120)의 출력단자와 접속되고, 다른 하나의 입력단자(9번 입력단자라고 칭함)는 팩전압 측정부(130)와 연결되며, 나머지 하나의 입력단자(10번 입력단자라고 칭함)는 팩전류 측정부(140)와 연결된다.
또한 온도 측정부(150)는 배터리(2) 내의 온도 및 주변 환경 온도를 측정한 디지털 값을 MCU(20)로 출력한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 셀전압 측정부를 더욱 구체적으로 보여주는 도면이고, 도 4는 도 3의 충전 릴레이부(121a)를 더욱 구체적으로 보여주는 도면이다. 도 3에서 서브팩(220)과 서브팩(280) 사이에 위치되는 서브팩(230 ~ 270)은 도면의 간략화를 위하여 생략하였다. 마찬가지로 충전 릴레이(121c ~121g), 누설방지 릴레이(122h), 충전부(123c ~ 123g), 전달부(124c ~ 124g) 및 버퍼(125c~ 125g)는 도면의 간략화를 위하여 생략하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 셀전압 측정부(120)는 서브팩(210 ~ 280)에 각각 연결되는 충전 릴레이부(121a ~ 121h), 누설방지 릴레이(122a ~ 122h), 충전부 (123a ~ 123h), 전달부(124a ~ 124h) 및 버퍼(125a ~ 125h)를 포함한다.
충전 릴레이부(121a)는 제어신호 생성부(110)에서 출력되는 5개의 제어신호(BANK1_SENSE ~ BANK5_SENSE)에 기초하여 각각 온오프되는 5개의 셀릴레이(121a_1 ~ 121a_5)를 포함한다. 여기서 제어신호(BANK1_SENSE ~ BANK5_SENSE)는 순차적으로 특정 시간 동안 온이 되는 신호이다.
구체적으로 도 4에 도시된 바와 같이, 셀릴레이(121a_1)는 셀(121)의 음의 단자(121-) 및 셀(121)의 양의 단자(121+)에 연결되고, 입력되는 제어신호(BANK1_SENSE)에 기초하여 온되어 셀(121)의 전압을 전달한다.
셀릴레이(121a_2)는 셀(122)의 음의 단자(122-) 및 셀(122)의 양의 단자(122+)에 연결되고, 제어신호(BANK2_SENSE)에 기초하여 온되어 셀(122)의 전압을 전달한다. 마찬가지로 셀릴레이(121a_3 ~ 121a_5)는 제어신호(BANK3_SENSE ~ BANK5_SENSE)에 기초하여 각각 온되어, 셀(123 ~ 125)의 전압을 각각 전달한다.
누설방지 릴레이(122a)는 제어신호 생성부(110)에서 전달되는 제어신호(MODULE_SW)에 기초하여 충전 릴레이부(121a)에서 출력되는 전압을 충전부(123a)로 전달한다. 여기서 충전 릴레이부(121a)의 셀릴레이들(121a_1 ~ 121a_5) 중 어느 하나가 온될 때 누설방지 릴레이(122a)가 온되어 셀전압이 충전부(123a)에 충전된다. 그런 후에 누설방지 릴레이(122a)가 오프되어 충전부(123a)에 저장된 셀전압이 충전 릴레이부(121a) 방향으로 누설되는 것을 방지한다.
충전부(123a)는 적어도 하나의 커패시터를 포함하고 누설방지 릴레이(122a)에 의해 전달된 셀전압이 충전된다.
전달부(124a)는 제어신호 생성부(110)로부터 전달되는 제어신호(MODULE)에 기초하여 온되어 충전부(123a)에 저장된 셀전압을 버퍼(125a)로 출력한다. 여기서 제어신호(MODULE)는 제어신호(BANK1_SENSE ~ BANK5_SENSE) 및 제어신호(MODULE_SW)가 모두 오프일 때 온되는 신호이므로, 누설방지 릴레이(122a) 및 충전 릴레이부(121a)의 셀릴레이들(121a_1 ~ 121a_5) 중 어느 하나가 온되어 충전부(123a)에 셀전압이 충전된 후, 온이던 누설방지 릴레이(122a) 및 셀릴레이(121a_1 ~ 121a_5)가 오프되면 전달부(124a)가 온된다.
버퍼(125a)는 전달부(124a)로부터 출력되는 셀전압을 소정 전압 범위로 클램핑(clamping)하여 A/D 컨버터(160)의 첫 번째 입력단자로 출력한다.
한편, 충전 릴레이부(121b ~ 121h), 누설방지 릴레이(122b ~ 122h), 충전부(123b ~ 123h), 전달부(124b ~ 124h) 및 버퍼(125b ~ 125h) 각각의 구조 및 동작은 충전 릴레이부(121a), 누설방지 릴레이(122a), 충전부(123a), 전달부(124a) 및 버퍼(125a)와 동일하므로 그 설명은 생략한다.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 셀전압 측정부(120)의 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제어신호를 보여주는 타이밍도이다.
이하의 설명에서 제어신호 생성부(110)는 하이레벨이 온 신호이고 로우레벨이 오프신호로서 출력하는 경우에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 그 반대의 경우에도 적용될 수 있다. 또한 시간(T2)은 시간(T1)의 대략 20배에 해당하므로 도 5에서 시간(T2)의 길이는 시간(T1)의 길이보다 충분히 길게 도시되어야 하나 간략화를 위하여 실제보다는 짧게 도시하였다.
먼저, 시간(T1) 동안, 제어신호(BANK1_SENSE) 및 제어신호(MODULE_SW)는 하이레벨이고, 제어신호(BANK2_SENSE ~ BANK5_SENSE) 및 제어신호(MODULE)는 로우레벨이다. 따라서 하이레벨의 제어신호(BANK1_SENSE)에 의해 충전 릴레이부(121a)의 셀릴레이(121a_1)가 온되고, 로우레벨의 제어신호(BANK2_SENSE ~ BANK5_SENSE)에 의해 셀릴레이(121a_2 ~ 121a_5)는 오프된다. 또한 하이레벨의 제어신호(MODULE_SW)에 의해 누설방지 릴레이(122a)가 온되고 로우레벨의 제어신호(MODULE)에 의해 전달부(124a)는 오프된다. 따라서 셀(211)의 전압이 충전 릴레이부(121a) 및 누설방지 릴레이(122a)를 통하여 충전부(123a)에 저장된다.
마찬가지로, 셀릴레이(121b_1, 121c_1, 121d_1, 121e_1, 121f_1, 121h_1) 및 누설방지 릴레이(122b, 122c, 122d, 122e, 122f, 122g, 122h)가 온되어 셀(221, 231, 241, 251, 261, 271, 281)의 전압이 충전부(123b, 123c, 123d, 123e, 123f, 123g, 123h)에 각각 저장된다. 여기서 시간(T1)은 2ms일 수 있다.
다음, 시간(T2) 동안, 제어신호(BANK1_SENSE ~ BANK5_SENSE) 및 제어신호(MODULE_SW)는 로우레벨이고, 제어신호(MODULE)는 하이레벨이다. 따라서 로우레벨의 제어신호(BANK1_SENSE)에 의해 셀릴레이(121a_1)가 오프되고, 로우레벨의 제어신호(MODULE_SW)에 의해 누설방지 릴레이(122a)도 오프된다. 그리고 하이레벨의 제어신호(MODULE)에 의해 전달부(124a)는 온되어 충전부(123a)에 저장된 셀(211)의 전압이 버퍼(125a)를 통하여 A/D컨버터(160)의 1번 입력단자로 전달된다.
마찬가지로 전달부(124b, 124c, 124d, 124e, 124f, 124g, 124h)를 통하여 충 전부(123b, 123c, 123d, 123e, 123f, 123g, 123h)에 각각 저장된 셀(221, 231, 241, 251, 261, 271, 281)의 전압이 버퍼(125b, 125c, 125d, 125e, 125f, 125g, 125h)를 통하여 A/D컨버터(160)의 2번 내지 8번 입력단자로 각각 전달된다. 그리고 A/D컨버터(160)의 9번 입력단자 및 10번 입력단자는 팩전압 측정부(130) 및 팩전류 측정부(140)의 출력이 입력된다.
따라서 A/D컨버터(160)는 시간(T2) 동안 순차적으로 1번 입력단자, 2번 입력단자, 9번 입력단자, 10번 입력단자, 3번 입력단자, 4번 입력단자, 9번 입력단자, 10번 입력단자, 5번 입력단자, 6번 입력단자, 9번 입력단자, 10번 입력단자, 7번 입력단자, 8번 입력단자, 9번 입력단자, 10번 입력단자를 읽어들여(모두 16회) 디지털 데이터로 변환한다. 결국 A/D컨버터(160)가 하나의 입력단자를 읽어들여 디지털 데이터로 변환하는 데 2.5ms의 시간이 필요하다면, 시간(T2)은 16회의 데이터를 읽기 위해 40ms(2.5ms ×16회) 동안 계속될 수 있다.
결국 시간(T1) 및 시간(T2) 동안 8개의 각 서브팩(210 ~ 280)에 포함된 첫 번째 셀의 셀전압을 측정할 수 있으며, 총 시간은 42ms일 수 있다.
마찬가지로, 시간(T3) 및 시간(T4) 동안 8개의 각 서브팩(210 ~ 280)에 포함된 두 번째 셀의 셀전압을 측정한다.
먼저, 시간(T3) 동안, 제어신호(BANK2_SENSE) 및 제어신호(MODULE_SW)는 하이레벨이고, 제어신호(BANK1_SENSE), 제어신호(BANK3_SENSE ~ BANK5_SENSE), 제어신호(MODULE)는 로우레벨이다. 따라서 하이레벨의 제어신호(BANK2_SENSE)에 의해 충전 릴레이부(121)의 셀릴레이(121a_2)가 온되고, 로우레벨의 제어신호 (BANK1_SENSE) 및 제어신호(BANK3_SENSE ~ BANK5_SENSE)에 의해 셀릴레이(121a_1 및 121a_3 ~ 121a_5)는 오프된다. 이때 하이레벨의 제어신호(MODULE_SW)에 의해 누설방지 릴레이(122a)가 온되어 셀(212)의 셀전압이 충전부(123a)에 저장된다.
마찬가지로, 셀릴레이(121b_2, 121c_2, 121d_2, 121e_2, 121f_2, 121g_2, 121h_2) 및 누설방지 릴레이(122b, 122c, 122d, 122e, 122f, 122g, 122h)가 온되어 셀(222, 232, 242, 252, 262, 272, 282)의 전압이 충전부(123b, 123c, 123d, 123e, 123f, 123g, 123h)에 각각 저장된다. 여기서 시간(T3)은 2ms일 수 있다.
다음, 시간(T4) 동안, 제어신호(BANK1_SENSE ~ BANK5_SENSE) 및 제어신호(MODULE_SW)는 로우레벨이고, 제어신호(MODULE)는 하이레벨이다. 따라서 로우레벨의 제어신호(BANK2_SENSE)에 의해 셀릴레이(121a_2)가 오프되고, 로우레벨의 제어신호(MODULE_SW)에 의해 누설방지 릴레이(122a)가 오프된다. 그리고 하이레벨의 제어신호(MODULE)에 의해 전달부(124a)는 온되어 충전부(123a)에 저장된 셀(212)의 전압이 버퍼(125a)를 통하여 A/D컨버터(160)의 1번 입력단자로 전달된다.
마찬가지로 전달부(124b, 124c, 124d, 124e, 124f, 124g, 124h)를 통하여 충전부(123b, 123c, 123d, 123e, 123f, 123g, 123h)에 각각 저장된 셀(222, 232, 242, 252, 262, 272, 282)의 전압이 버퍼(125b, 125c, 125d, 125e, 125f, 125g, 125h)를 통하여 A/D컨버터(160)의 2번 내지 8번 입력단자로 각각 전달된다. 그리고 A/D컨버터(160)의 9번 입력단자 및 10번 입력단자는 팩전압 측정부(130) 및 팩전류 측정부(140)의 출력이 입력된다.
따라서 A/D컨버터(160)는 시간(T4) 동안 1번 입력단자, 2번 입력단자, 9번 입력단자, 10번 입력단자, 3번 입력단자, 4번 입력단자, 9번 입력단자, 10번 입력단자, 5번 입력단자, 6번 입력단자, 9번 입력단자, 10번 입력단자, 7번 입력단자, 8번 입력단자, 9번 입력단자, 10번 입력단자를 읽어들여(모두 16회) 디지털 데이터로 변환한다. 결국 A/D컨버터(160)가 하나의 입력단자를 읽어들여 디지털 데이터로 변환하는 데2.5ms의 시간이 필요하다면, 시간(T4)은 16회의 데이터를 읽기 위해 40ms(2.5ms ×16회) 동안 계속될 수 있다.
또한 A/D컨버터(160)는 1번 입력단자 및 2번 입력단자를 통하여 입력된 셀 전압을 출력하고, 9번 입력단자 및 10번 입력단자를 통하여 입력된 팩 전압 및 팩 전류를 출력한 후, 다시 3번 입력단자 및 4번 입력단자를 통하여 입력된 셀 전압을 출력하는 동작을 반복한다. 이와 같이 함으로써 전체 셀 전압을 측정하는 도중에 팩 전압 및 팩 전류를 여러 번 측정할 수 있어, BMS(1)의 MCU(20)는 SOC, SOH 등 배터리의 상태를 더욱 정확하게 예측할 수 있다.
한편, 시간(T1, T2) 및 시간(T3, T4)과 마찬가지로, 시간(T5,T6), 시간(T7, T8), 시간(T9, T10) 동안 각 서브팩(210 ~ 280) 각각의 세 번째, 네 번째 및 다섯 번째 셀들의 셀전압이 측정될 수 있다.
결국 8개의 서브팩의 모든 셀들, 즉 40개의 셀의 셀전압이 모두 측정되는 시간, 즉 1 싸이클(cycle)은 시간(T1, T2)의 5배(42ms × 5)인 210ms가 될 수 있다. A/D컨버터(160)는 이렇게 측정된 40개 셀의 셀전압은 MCU(20, 도 1 참조)로 출력된다.
이렇게 하여 배터리(2)의 셀전압을 보다 정밀하고 정확하게 측정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에 따르면, 복수의 셀릴레이는 각 셀의 양의 단자와 음의 단자에 연결되고, 복수의 셀릴레이의 출력이 하나의 누설방지 릴레이를 통하여 전달되어 셀전압이 측정됨으로써 BMS의 셀전압 측정부에 사용되는 소자의 수를 줄일 수 있다.
하나의 누설방지 릴레이에 연결되는 셀릴레이의 수와 동일한 수의 제어신호에 의해 복수의 셀릴레이를 각각 순차적으로 온시킴으로써 복수의 셀 전압을 순차적으로 측정할 수 있다.
또한, 셀 전압이 충전부에 충전된 후 누설방지 릴레이를 오프시킴으로써 충전된 셀전압이 누설되는 것을 방지하여 더욱 정확한 셀 전압을 측정할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명에 따르면 셀 전압을 측정하는 도중에 배터리 전체 팩전압 및 팩전류를 측정할 수 있어 팩전압 및 팩전류 측정 주기를 줄일 수 있다.

Claims (11)

  1. 복수의 전지 셀이 하나의 팩으로 구성된 배터리에 연결되는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 배터리는 상기 복수의 전지 셀 중 제1 전지 셀과 제2 전지 셀을 포함하는 제1 서브 팩을 포함하고,
    제1 및 제2 제어신호 각각에 응답하여 상기 제1 서브팩의 제1 및 제2 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제1 및 제2 릴레이;
    제3 제어신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 전달하는 제3 릴레이;
    상기 제3 릴레이로부터 전달된 셀 전압을 저장하는 제1 충전부;
    제4 제어신호에 응답하여 상기 제1 충전부에 저장된 셀 전압을 전달하는 제4 릴레이; 및
    상기 제4 릴레이를 통하여 전달된 셀 전압을 디지털 데이터로 변환하는 A/D컨버터
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 복수의 전지 셀 중 제3 전지 셀과 제4 전지 셀을 포함하는 제2 서브 팩을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 제어신호 각각에 응답하여 상기 제2 서브팩의 제3 및 제4 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제5 및 제6 릴레이;
    상기 제3 제어신호에 응답하여 상기 제5 및 제6 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 전달하는 제7 릴레이;
    상기 제7 릴레이로부터 전달된 셀 전압을 저장하는 제2 충전부; 및
    상기 제4 제어신호에 응답하여 상기 제2 충전부에 저장된 셀 전압을 전달하는 제8 릴레이를 더 포함하고,
    상기 A/D컨버터는 상기 제8 릴레이를 통하여 전달된 셀 전압을 디지털 데이터로 변환하는 배터리 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 A/D컨버터는,
    상기 제4 릴레이를 통하여 전달되는 상기 제1 서브팩의 제1 전지 셀의 셀전압 및 상기 제8 릴레이를 통하여 전달되는 상기 제2 서브팩의 제3 전지 셀의 셀전압을 디지털 데이터로 변환하고,
    상기 제4 릴레이를 통하여 전달되는 상기 제1 서브팩의 제2 전지 셀의 셀전압 및 상기 제8 릴레이를 통하여 전달되는 상기 제2 서브팩의 제4 전지 셀의 셀전압을 디지털 데이터로 변환하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제3 제어신호는 상기 제1 제어신호가 온일 때 및 상기 제2 제어신호가 온일 때 온이 되는 배터리 관리 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제4 제어신호는 상기 제3 제어신호가 오프일 때 온이 되는 신호인 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제4 제어신호는 상기 제1 및 제2 제어신호가 모두 오프인 때 온이 되는 배터리 관리 시스템.
  7. 복수의 전지 셀 중 제1 및 제2 전지 셀을 포함하는 제1 서브팩, 제3 및 제4 전지 셀을 포함하는 제2 서브팩, 및 제5 및 제6 전지 셀을 포함하는 제3 서브팩을 포함하는 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 배터리의 팩전압을 측정하는 팩전압 측정부;
    상기 배터리의 팩전류를 측정하는 팩전류 측정부;
    상기 복수의 전지 셀의 셀전압을 각각 측정하는 셀전압 측정부; 및
    상기 셀전압 측정부의 출력을 입력받는 제1, 제2 및 제3 입력단자, 상기 팩전압 측정부의 출력을 입력받는 제4 입력단자 및 상기 팩전류 측정부의 출력을 입력받는 제5 입력단자를 포함하고, 제1, 제2, 제4, 제5 및 제3 입력단자로 입력되는 신호를 순차적으로 디지털 데이터로 변환하는 A/D컨버터를 포함하고,
    상기 셀전압 측정부는,
    상기 제1 서브팩의 상기 제1 및 제2 전지 셀 중 어느 하나의 셀 전압에 대응하는 전압을 저장하는 제1 충전부;
    상기 제2 서브팩의 상기 제3 및 제4 전지 셀 중 어느 하나의 셀 전압에 대응하는 전압을 저장하는 제2 충전부;
    상기 제3 서브팩의 상기 제5 및 제6 전지 셀 중 어느 하나의 셀 전압에 대응하는 전압을 저장하는 제3 충전부; 및
    제1 제어신호에 응답하여 상기 제1 , 제2 및 제3 충전부에 저장된 셀 전압을 각각 상기 A/D컨버터의 상기 제1, 제2 및 제3 입력단자로 각각 전달하는 제1, 제2 및 제3 릴레이를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 셀전압 측정부는,
    제2 및 제3 제어신호 각각에 응답하여 상기 제1 서브팩의 제1 및 제2 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제4 및 제5 릴레이;
    제4 제어신호에 응답하여 상기 제4 및 제5 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 상기 제1 충전부로 전달하는 제6 릴레이;
    제2 및 제3 제어신호 각각에 응답하여 상기 제2 서브팩의 제3 및 제4 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제7 및 제8 릴레이;
    제4 제어신호에 응답하여 상기 제7 및 제8 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 상기 제2 충전부로 전달하는 제9 릴레이;
    제2 및 제3 제어신호 각각에 응답하여 상기 제3 서브팩의 제5 및 제6 전지 셀 각각의 출력단자에 연결되어 셀 전압을 전달하는 제10 및 제11 릴레이; 및
    제4 제어신호에 응답하여 상기 제10 및 제11 릴레이 중 어느 하나를 통하여 전달된 셀 전압을 상기 제3 충전부로 전달하는 제12 릴레이
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 제어신호 및 상기 제4 제어신호는 동시에 온이 되고, 상기 제3 제어신호 및 상기 제4 제어신호는 동시에 온이 되고,
    상기 제1 제어신호는 상기 제4 제어신호가 오프인 때 온이 되는 배터리 관리 시스템.
  10. 적어도 N×M(N은 자연수, M은 3보다 큰 자연수) 개의 전지셀이 하나의 팩으로 구성된 배터리의 관리 시스템에서 셀전압 측정 방법에 있어서,
    a) 상기 (N+1)번째 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계;
    b) 상기 (2N+1)번째 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계;
    c) 상기 배터리의 팩전압 및 팩전류를 측정하는 단계; 및
    d) 상기 (3N+1)번째의 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계
    를 포함하는 셀전압 측정 방법.
  11. 적어도 N×M(N은 자연수, M은 3보다 큰 자연수) 개의 전지셀이 하나의 팩으로 구성된 배터리의 관리 시스템에서 셀전압 측정 방법에 있어서,
    a) (N+1)번째 전지 셀, (2N +1)번째 전지 셀 및 (3N+1)번째 전지 셀의 셀전압이 제1 충전소자, 제2 충전소자 및 제3 충전소자 각각에 충전되는 단계;
    b) 상기 제1 충전소자에 충전된 전압을 기초로 상기 (N+1)번째 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계;
    c) 상기 제2 충전소자에 충전된 전압을 기초로 상기 (2N+1)번째 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계;
    d) 상기 배터리의 팩전압 및 팩전류를 측정하는 단계; 및
    e) 상기 제3 충전소자에 충전된 전압을 기초로 상기 (3N+1)번째 전지 셀의 셀전압을 측정하는 단계
    를 포함하는 셀전압 측정 방법.
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