KR100878941B1 - 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및셀밸런싱 공용화 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 전압측정을 위한 릴레이와 셀 밸런싱을 위한 릴레이를 공용으로 구성하여 회로에 요구되는 릴레이 수를 감소시킴으로써, 배터리 전압측정 및 셀 밸런싱을 위한 회로의 제작 단가를 감소시키고 회로를 단순화시킬 수 있는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로에 대한 것이다.
이를 위해,
고전압 배터리부;
상기 고전압배터리부에 연결되어 전압측정 또는 셀 밸런싱을 수행하기 위해 다수의 릴레이로 구성된 릴레이부;
상기 릴레이부와 연결되어 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱부;
상기 릴레이부를 제어하여 고전압 배터리부의 전압을 측정하는 전압측정부;
상기 릴레이부 및 셀 밸런싱부를 제어하여 고전압 배터리부의 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로를 제공한다.
셀 밸런싱, 공용화, 전압측정, 고전압배터리, 전기자동차, 하이브리드자동차, 패시브 셀 밸런싱, 액티브 셀 밸런싱.

Description

전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로 {Circuit For Battery Voltage Estimation And Cell Balancing In Electric Vehicle And Hybrid Electric Vehicle}
본 발명은 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 전압측정을 위한 릴레이와 셀 밸런싱을 위한 릴레이를 공용으로 구성하여 회로에 요구되는 릴레이 수를 감소시킴으로써, 배터리 전압측정 및 셀 밸런싱을 위한 회로의 제작 단가를 감소시킬 수 있는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로에 대한 것이다.
일반적으로 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 기울이고 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 배터리로 이용되는 엑츄에이터를 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.
상기와 같은 전기자동차 또는 하이브리드 자동차 내의 배터리 전원 공급 장치는 관련 전자 기기에 에너지를 제공하는 전원으로서 멀티셀 배터리 팩을 적용한다. 단일셀보다는 멀티셀의 팩을 이용함으로써 고전압을 인가하거나 용량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 각각의 전지의 전압은 전지 자체적으로 충방전 특성을 갖기 때문에 시간이 경과함에 따라 언밸런싱되는 경향이 있다.
이러한 배터리 셀의 언밸런싱은 배터리 팩의 용량의 손실을 초래할 수 있으므로, 모든 배터리 전지의 과충전을 방지하고 균일하게 충전시킬 수 있도록 각각의 전지들을 밸런싱하는 셀 밸런싱 수행을 수행할 필요가 있다.
따라서, 배터리 제어 시스템(Batteyr Management System, 이하 'BMS'라 한다)은 전기자동차 또는 하이브리드 자동차의 배터리의 전압/전류/온도 등을 측정하 여 배터리 SOC 계산 및 출력가능 파워 등을 실시간으로 계산하며, 특히 직렬연결된 배터리의 각 모듈(Block, 셀)의 전압 측정하고 측정된 전압 값을 근거로 셀간의 밸런싱 제어를 수행한다.
이때, 직렬로 연결된 배터리와 차체 그라운드의 절연을 확보하면서 배터리전압을 측정하기 위해 셀 전압 측정 회로의 릴레이 및 셀 밸런싱 제어를 위한 릴레이를 적용하는 기술에 따라 BMS의 성능 및 재료비가 결정된다.
이하, 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 전압측정회로 및 셀 밸런싱 회로에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전압 측정 회로(14)와 셀 밸런싱 회로(12)는 분리되어 존재하며, 각각 다수의 릴레이를 포함하여 구성된다. 상기 전압 측정 회로(14)에 의해 측정된 전압은 아날로그-디지털 변환부(16) 내에서 디지털 신호로 변환되어 BMS 시스템 내에 입력된다.
상기 도 1과 같은 전압측정회로 및 셀 밸런싱 회로는 도 2와 같이 표현할 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 전압측정용 릴레이(14)와 셀 밸런싱용 릴레이(12)를 별개로 사용한다. 전압 측정부(18)는 상기 전압측정용 릴레이(14)를 이용하여 각 배터리 셀의 전압을 측정하며, 셀 밸런싱 제어부(20)는 상기 셀 밸런싱용 릴레이(12)를 이용하여 고전압 배터리 팩의 셀 밸런싱을 수행한다.
상기와 같은 종래의 전압측정회로 및 셀 밸런싱 회로는 다수의 릴레이를 각각 사용하므로 많은 수의 릴레이를 요구하는 문제점이 있다.
예를 들어, 리튬폴리머 배터리 180V용 전압 측정 및 셀 밸런싱 회로의 경우 전압측정을 위한 릴레이가 49개, 셀 밸런싱을 위한 릴레이가 48개 필요하여 모두 97개의 릴레이가 필요하게 되며, 이처럼 종래기술에 따른 전압측정회로 및 셀 밸런싱 회로는 다수의 릴레이를 각각 사용하여 이로 인해 회로 제작 비용이 상승하는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 배터리 전압측정을 위한 릴레이와 셀 밸런싱을 위한 릴레이를 공용으로 구성하여 회로에 요구되는 릴레이 수를 감소시킴으로써, 배터리 전압측정 및 셀 밸런싱을 위한 회로의 제작 단가를 감소시킬 수 있는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 셀 밸런싱 방법으로서 특정 셀을 방전시켜 밸런싱을 하는 방법과 특정 셀을 충전시켜 밸런싱하는 방법, 또는 상기 두 방법을 조합하여 밸런싱 하는 방법을 제공하는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로는,
고전압 배터리부;
상기 고전압배터리부에 연결되어 전압측정 또는 셀 밸런싱을 수행하기 위해 다수의 릴레이로 구성된 릴레이부;
상기 릴레이부와 연결되어 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱부;
상기 릴레이부를 제어하여 고전압 배터리부의 전압을 측정하는 전압측정부;
상기 릴레이부 및 셀 밸런싱부를 제어하여 고전압 배터리부의 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 공용화 회로를 포함하는 차량이 주행하는 경우, 상기 전압측정부를 통해 고전압배터리의 전압을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공용화 회로를 포함하는 차량이 주차 또는 정차하는 경우, 상기 셀 밸런싱 제어부를 통해 셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 한다
또한, 상기 셀 밸런싱부는 패시브 방식으로 구성되며, 상기 셀 밸런싱부 내의 저항에서 특정 셀을 방전시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 셀 밸런싱부는 액티브 방식으로 구성되며, 상기 셀 밸런싱부 내의 에너지 전환 장치를 이용하여 특정 셀을 충전시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 셀 밸런싱부는 차량 내의 배터리 에너지를 전환하여 특정 셀을 충전시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 셀 밸런싱부는 패시브 방식과 액티브 방식을 조합하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로에 의하면, 배터리 전압측정을 위한 릴레이와 셀 밸런싱을 위한 릴레이를 공용으로 구성하여 회로에 요구되는 릴레이 수를 감소시킬 수 있고, 이를 통해 배터리 전압측정 및 셀 밸런싱을 위한 회로를 단순화시킬 수 있고 그 제 작 단가를 감소시킬 수 있으므로 상당한 상업적·경제적 효과가 기대된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 고전압 배터리부(30), 고전압배터리의 전압을 측정하기 위한 전압측정부(36), 고전압배터리 셀간의 전압 편차 혹은 SOC(state of charge) 편차가 발생하였을 때 이를 밸런싱 하기 위한 셀 밸런싱 제어부(38)을 포함하여 구성되며, 특히 전압측정용 릴레이와 셀 밸런싱용 릴레이를 공용화하여 구성되는 릴레이부(32) 및 셀 밸런싱을 수행하기 위한 셀 밸런싱부(34)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 차량의 모드에 따라서 차량이 주행(44) 중에는 상기 전압측정부(36)가 상기 릴레이부(32)를 제어하여 고전압 배터리의 전압을 측정하고, 차량이 주차 또는 정차(46) 중에는 상기 셀 밸런싱 제어 부(38)가 상기 릴레이부(32) 및 상기 셀 밸런싱부(34)를 제어하여 셀 밸런싱을 수행한다.
상기와 같이 전압측정 및 셀 밸런싱 회로의 릴레이를 공용화하는 경우 회로에 요구되는 릴레이 수를 현격히 감소시킬 수 있으며, 일례로서 리튬폴리머 배터리 180V용 전압측정 및 셀 밸런싱 회로에 요구되는 릴레이 수량은 공용화회로(32)에 필요한 릴레이 49개와 셀 밸런싱부(34)에 필요한 릴레이 1개로서 총 50개의 릴레이가 요구된다.
이는 종래 기술에 따른 회로에서 요구되는 97개의 릴레이에 비해 48% 감소한 수치로서, 본 발명을 통해 릴레이로 인해 릴레이 구입에 필요한 재료비를 48% 감소시킬 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 상기 셀 밸런싱부(34)에 대하여 상세하게 설명한다.
상기 셀 밸런싱부(34)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자고 용이하게 실시할 수 있는 일반적인 셀 밸런싱 방법을 통하여 구현될 수 있으며, 이하 셀 밸런싱부(34)의 일 실시예로서 패시브(passive) 방식과 액티브(active) 방식으로 구현된 셀 밸런싱부(34)에 대하여 설명한다.
상기 패시브(passive) 방식의 경우 셀 밸런싱부(52)는 도 5에 도시된 바와 같이 스위치와 저항을 포함하여 구성되며, 상기 저항으로 특정 셀의 전류를 통전시켜 배터리 전압을 낮추거나 에너지를 소모시키는 방식으로 셀 밸런싱을 수행한다.
이와 반대로, 상기 액티브(active) 방식은 도 6에 도시된 바와 같이 에너지 전환 장치를 이용하여 특정 셀에 에너지를 공급하여 셀 밸런싱을 수행(62)한다. 일례로서, 자동차 내부에 장착된 12V 배터리의 에너지를 변환하여 특정 셀에 에너지를 공급할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 패시브 방식(73)과 액티브 방식(74)을 조합하여 셀 밸런싱부(72)를 구성할 수 있다.
상기와 패시브 방식(73)과 액티브 방식(74)을 같이 조합하여 셀 밸런싱을 수행하는 경우, 방전이 필요한 셀은 상기 패시브 회로(73)를 이용하여 방전시키고, 반대로 충전이 필요한 셀은 상기 액티브 회로(74)를 이용하여 충전시킴으로서 고전압 배터리부의 셀 밸런싱을 수행한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 HEV용 고전압 배터리 BMS 회로의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 종래 기술에 따라 전압측정회로와 셀 밸런싱 회로의 릴레이가 별개로 구성됨을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따라 전압측정회로와 셀 밸런싱 회로의 릴레이를 공용으로 구성한 회로를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따라 차량의 모드에 의하여 전압측정 또는 셀 밸런싱이 실시됨을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따라 패시브 방식으로 셀 밸런싱을 수행하는 회로 구성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따라 액티브 방식으로 셀 밸런싱을 수행하는 회로 구성을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따라 패시브 방식과 액티브 방식을 조합하여 셀 밸런싱을 수행하는 회로 구성을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
10 : 고전압 배터리부 12 : 셀 밸런싱 릴레이
14 : 셀 전압측정 릴레이 16 : 아날로그-디지털 변환부
18 : 전압측정부 20 : 셀 밸런싱 제어부
30 : 고전압 배터리부 32 : 셀 전압측정 및 셀 밸런싱 릴레이부
34 : 셀 밸런싱부 36 : 전압측정부
38 : 셀 밸런싱 제어부

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 고전압 배터리부;
    상기 고전압배터리부에 연결되어 전압측정 또는 셀 밸런싱을 수행하기 위해 다수의 릴레이로 구성된 릴레이부;
    상기 릴레이부와 연결되어 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱부;
    상기 릴레이부를 제어하여 고전압 배터리부의 전압을 측정하는 전압측정부;
    상기 릴레이부 및 셀 밸런싱부를 제어하여 고전압 배터리부의 셀 밸런싱을 수행하는 셀 밸런싱 제어부를 포함하여 구성되며,
    상기 공용화 회로를 포함하는 차량이 주차 또는 정차하는 경우, 상기 셀 밸런싱 제어부를 통해 셀 밸런싱을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 셀 밸런싱부는 패시브 방식으로 구성되며, 상기 셀 밸런싱부 내의 저항에서 특정 셀을 방전시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 셀 밸런싱부는 액티브 방식으로 구성되며, 상기 셀 밸런싱부 내의 에너지 전환 장치를 이용하여 특정 셀을 충전시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 셀 밸런싱부는 차량 내의 배터리 에너지를 전환하여 특정 셀을 충전시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 셀 밸런싱부는 패시브 방식과 액티브 방식을 조합하여 구성되되, 패시브 방식은 스위치와 저항을 포함하여 구성되어 저항으로 특정 셀의 전류를 통전시켜 배터리 전압을 낮추거나 에너지를 소모시키는 방식이고, 상기 액티브 방식은 에너지 전환 장치를 이용하여 특정 셀에 에너지를 공급하는 방식인 것을 특징으로 하는 전기자동차 및 하이브리드자동차용 배터리 전압측정 및 셀밸런싱 공용화 회로.
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