KR101769131B1 - 양방향 인터페이스 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템 - Google Patents

양방향 인터페이스 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양방향 인터페이스 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다. 양방향 인터페이스 회로는 제1 기준 전류를 복사하여 제1 출력단으로부터 싱크되는 제1 전류를 생성하는 제1 전류 미러 회로, 제2 기준 전류를 복사하여 제2 출력단으로부터 싱크되는 제2 전류를 생성하는 제2 전류 미러 회로, 상기 제1 출력단과 제2 출력단 사이에 연결되어 있는 차단 스위치, 및 상기 제1 출력단의 전압과 제1 임계 전압을 비교한 결과에 따라 상단 상태 신호를 출력하는 제1 비교기, 제3 기준 전류 및 제4 기준 전류 중 어느 하나를 복사하여 제3 출력단으로 흐르는 제3 전류를 공급하는 제3 전류 미러 회로, 및 상기 제2 출력단의 전압과 제2 임계 전압을 비교한 결과에 따라 하단 상태 신호를 출력하는 제2 비교기를 포함한다.

Description

양방향 인터페이스 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템{BIDIRECTIONAL INTERFACE CIRCUIT AND BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}
본 발명은 양방향 인터페이스 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
복수의 배터리 셀을 직렬 연결하여 배터리 스텍을 구성하고, 배터리 스택으로부터 부하에 전력이 공급된다. 부하에 따라 복수의 배터리 셀 개수가 결정된다. 예를 들어 부하의 용량이 증가할수록 복수의 배터리 셀 개수가 증가한다.
하나의 배터리 관리 IC가 제어할 수 있는 배터리 셀 개수는 한정되어 있기 때문에, 배터리 스택에 포함된 배터리 셀 개수가 증가할수록 배터리 관리 IC의 개수가 증가한다. 복수의 배터리 관리 IC 각각은 배터리 스택 중 대응하는 복수의 배터리 셀에 연결되어 대응하는 배터리 셀들을 관리한다. 이 때 복수의 배터리 관리 IC도 서로 연결되어 스택 구조를 형성한다.
이 때, 인접한 배터리 관리 IC 간에 비정상 상태를 알리기 위한 통신이 필요하다.
즉, 배터리 관리 IC에 연결되어 있는 복수의 셀에서 비정상 상태(예를 들어, 과전압, 저전압)가 감지되는 경우, 인접한 다른 배터리 관리 IC에게 비정상 상태를 알리는 신호를 송신하고, 인접한 다른 배터리 관리 IC에 발생한 비정상 상태를 알리는 신호를 수신한다.
예를 들어, 복수의 배터리 관리 IC가 연결된 경우, 배터리 관리 IC 각각은 윗방향으로 인접한 배터리 관리 IC와 신호 송수신을 위한 2 개의 핀, 및 아랫방향으로 인접한 배터리 관리 IC와 신호 송수신을 위한 2개의 핀을 포함한다. 즉, 배터리 관리 IC는 인접한 다른 배터리 관리 IC와의 통신을 위한 4 개의 핀을 포함한다.
배터리 관리 IC의 통신 핀 개수를 감소시킬 수 있는 양방향 인터페이스 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 한 실시 예에 따른 상단핀 및 하단핀을 포함하는 양방향 인터페이스 회로는, 상기 상단핀에 연결되어 있고 제1 기준 전류를 복사하여 제1 전류를 생성하는 제1 전류 미러 회로, 제2 기준 전류를 복사하여 제2 전류를 생성하는 제2 전류 미러 회로, 상기 상단핀과 제2 전류 미러 회로 사이에 연결되어 있는 차단 스위치, 상기 상단핀의 전압과 제1 임계 전압을 비교한 결과에 따라 상단 상태 신호를 출력하는 제1 비교기, 제3 기준 전류 및 제4 기준 전류 중 어느 하나를 복사하여 상기 하단핀으로 흐르는 제3 전류를 공급하는 제3 전류 미러 회로, 및 상기 하단핀의 전압과 제2 임계 전압을 비교한 결과에 따라 하단 상태 신호를 출력하는 제2 비교기를 포함한다.
상기 제1 전류 미러 회로는, 상기 제1 기준 전류를 공급하는 전류원, 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 전류원에 연결되어 있는 타단 및 제어단을 포함하는 제1 BJT, 및 상기 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 제1 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단, 및 상기 상단핀에 연결되어 있는 제2 BJT를 포함한다.
상기 제2 전류 미러 회로는, 상기 제2 기준 전류를 공급하는 전류원, 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 전류원에 연결되어 있는 타단 및 제어단을 포함하는 제3 BJT, 및 상기 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 제3 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단, 및 상기 차단 스위치에 연결되어 있는 제4 BJT를 포함한다.
상기 제3 전류 미러 회로는, 제1 전압이 공급되는 일단, 타단, 및 상기 타단과 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제5 BJT, 상기 제1 전압이 공급되는 일단, 상기 하단핀에 연결되어 있는 타단, 및 상기 제5 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제6 BJT, 상기 제5 BJT의 타단과 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 제3 기준 전류를 공급하는 전류원과 제1 트랜지스터, 및 상기 제5 BJT의 타단과 상기 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 제4 기준 전류를 공급하는 전류원과 제2 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템은, 복수의 제1 배터리 셀에 연결되어 있는 제1 배터리 관리 회로, 복수의 제1 배터리 셀에 인접한 다른 복수의 제2 배터리 셀에 연결되어 있는 제2 배터리 관리 회로, 및 상기 제1 배터리 관리 회로의 제1 상단핀과 상기 제2 배터리 관리 회로의 제2 하단핀 사이에 연결되어 있는 제1 저항을 포함한다.
상기 제1 배터리 관리 회로는, 제1 기준 전류를 복사하여 제1 전류를 상기 제1 상단핀으로부터 싱크시키는 제1 전류 미러 회로, 제2 기준 전류를 복사하여 제2 전류를 상기 제1 상단핀으로부터 싱크시키는 제2 전류 미러 회로, 상기 제1 상단핀과 상기 제2 전류 미러 회로 사이에 연결되어 있는 제1 차단 스위치, 및 상기 제1 상단핀의 제1 상단 전압과 제1 임계 전압을 비교한 결과를 출력하는 제1 비교기를 포함한다.
상기 제2 배터리 관리 회로는, 제3 기준 전류 및 제4 기준 전류 중 어느 하나를 복사하여 제3 전류를 상기 제2 하단핀으로 공급하는 제3 전류 미러 회로, 및 상기 제3 전류와 상기 저항에 의해 발생하는 상기 제2 하단핀의 제2 하단 전압과 제2 임계 전압을 비교한 결과를 출력하는 제2 비교기를 포함한다.
상기 제1 전류 미러 회로는, 상기 제1 기준 전류를 공급하는 전류원, 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 전류원에 연결되어 있는 타단 및 제어단을 포함하는 제1 BJT, 및 상기 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 제1 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단, 및 상기 제1 상단핀에 연결되어 있는 제2 BJT를 포함한다.
상기 제2 전류 미러 회로는, 상기 제2 기준 전류를 공급하는 전류원, 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 전류원에 연결되어 있는 타단 및 제어단을 포함하는 제3 BJT, 및 상기 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 제3 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단, 및 상기 제1 차단 스위치의 일단에 연결되어 있는 제4 BJT를 포함한다. 상기 제1 차단 스위치의 타단은 상기 제1 상단핀에 연결되어 있다.
상기 제3 전류 미러 회로는, 제1 전압이 공급되는 일단, 타단, 및 상기 타단과 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제5 BJT, 상기 제1 전압이 공급되는 일단, 상기 제2 하단핀에 연결되어 있는 타단, 및 상기 제5 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제6 BJT, 상기 제5 BJT의 타단과 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 제3 기준 전류를 공급하는 전류원과 제1 트랜지스터, 및 상기 제5 BJT의 타단과 상기 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 제4 기준 전류를 공급하는 전류원과 제2 트랜지스터를 포함한다.
상기 제1 트랜지스터가 온 상태에서 턴 오프 될 때, 상기 제2 하단 전압이 감소하여 상기 제2 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제1 상단 전압은 상기 제2 하단 전압의 감소에 의해 상기 제1 임계 전압 보다 작아진다.
상기 제1 트랜지스터가 오프 상태에서 턴 온 될 때, 상기 제1 상단 전압은 상기 제3 기준 전류와 상기 저항에 의해 증가하여 상기 제2 임계 전압 이상이고, 상기 제2 하단 전압은 상기 제1 상단 전압의 증가에 의해 상기 제1 임계 전압 이상이 된다.
상기 제1 차단 스위치가 턴 온 될 때, 상기 제1 상단 전압이 감소하여 상기 제1 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제2 하단 전압은 상기 제1 상단 전압의 감소에 의해 상기 제2 임계 전압 보다 작아진다.
상기 제2 하단 전압이 상기 제2 임계 전압 보다 작을 때, 상기 제1 트랜지스터는 턴 오프이고, 상기 제2 트랜지스터는 턴 온이다.
상기 제2 트랜지스터의 온 상태에서 상기 제1 차단 스위치가 턴 오프 될 때, 상기 제1 상단 전압이 증가하여 상기 제1 임계 전압 이상이 되고, 상기 제2 하단 전압은 상기 제1 상단 전압의 증가에 의해 상기 제2 임계 전압 이상이 된다.
상기 제1 상단 전압이 상기 제2 임계 전압 이상이 될 때, 상기 제1 트랜지스터를 턴 온 시키고, 상기 제2 트랜지스터를 턴 오프 시킨다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 복수의 제1 배터리 셀에 인접한 다른 복수의 제3 배터리 셀에 연결되어 있는 제3 배터리 관리 회로, 및 상기 제1 배터리 관리 회로의 제1 하단핀과 상기 제3 배터리 관리 회로의 제3 상단핀 사이에 연결되어 있는 제2 저항을 더 포함한다.
상기 제3 배터리 관리 회로는, 상기 제1 기준 전류를 복사하여 제4 전류를 상기 제3 상단핀으로부터 싱크시키는 제4 전류 미러 회로, 상기 제2 기준 전류를 복사하여 제5 전류를 상기 제3 상단핀으로부터 싱크시키는 제5 전류 미러 회로, 상기 제3 상단핀과 상기 제2 전류 미러 회로 사이에 연결되어 있는 제2 차단 스위치, 및 상기 제3 상단핀의 제3 상단 전압과 상기 제1 임계 전압을 비교한 결과를 출력하는 제3 비교기를 포함한다.
상기 제1 배터리 관리 회로는, 제2 전압이 공급되는 일단, 타단, 및 상기 타단과 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제7 BJT, 상기 제2 전압이 공급되는 일단, 상기 제1 하단핀에 연결되어 있는 타단, 및 상기 제7 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제8 BJT, 상기 제7 BJT의 타단과 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 상기 제3 기준 전류를 공급하는 다른 전류원과 제3 트랜지스터, 및 상기 제7 BJT의 타단과 상기 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 상기 제4 기준 전류를 공급하는 다른 전류원과 제4 트랜지스터를 포함한다.
상기 제3 트랜지스터가 온 상태에서 턴 오프 될 때, 상기 제2 하단 전압이 감소하여 상기 제2 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제1 상단 전압은 상기 제2 하단 전압의 감소에 의해 상기 제1 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제3 트랜지스터가 턴 오프 된다.
상기 제3 트랜지스터가 오프 상태에서 턴 온 될 때, 상기 제1 상단 전압은 상기 제3 기준 전류와 상기 저항에 의해 증가하여 상기 제2 임계 전압 이상이고, 상기 제2 하단 전압은 상기 제1 상단 전압의 증가에 의해 상기 제1 임계 전압 이상이 되고, 상기 제3 트랜지스터가 턴 온 된다.
상기 제2 차단 스위치가 턴 온 될 때, 상기 제3 상단 전압이 감소하여 상기 제1 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제1 하단핀의 제1 하단 전압은 상기 제3 상단 전압의 감소에 의해 상기 제2 임계 전압 보다 작아지며, 상기 제1 차단 스위치가 턴 온 되고, 상기 제3 트랜지스터는 턴 오프되며, 상기 제4 트랜지스터는 턴 온된다.
상기 제4 트랜지스터의 온 상태에서 상기 제2 차단 스위치가 턴 오프 될 때, 상기 제3 상단 전압이 증가하여 상기 제1 임계 전압 이상이 되고, 상기 제1 하단 전압은 상기 제3 상단 전압의 증가에 의해 상기 제2 임계 전압 이상이 되며, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 제3 트랜지스터를 턴 온 시키고, 상기 제4 트랜지스터를 턴 오프 시킨다.
본 발명의 실시 예를 통해 배터리 관리 IC의 통신 핀 개수를 감소시킬 수 있는 양방향 인터페이스 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 인터페이스를 포함하는 배터리 관리 회로로 구성된 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 회로 중 하나를 나타낸 도면이다.
도 3은 인접한 두 배터리 관리 회로간의 양방향 인터페이스를 나타낸 도면이다.
도 4는 인접한 두 배터리 관리 회로간의 양방향 인터페이스를 나타낸 도면이다.
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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 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.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 인터페이스 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템에 관해 설명한다.
본 발명의 실시 예의 설명에서 언급되는 비정상 상태란, 예를 들어, 배터리 팩에 흐르는 전류가 소정 범위를 벗어나거나, 배티리 펙에 포함된 복수의 셀 중 소정 전압 범위를 벗어나는 셀이 발생하는 경우를 의미한다. 또한 배터리 팩이 과충전 또는 과방전 발생할 때 역시 비정상 상태에 포함된다. 아울러, 비정상 상태는 앞서 언급한 예시에 한정되지 않으며, 비정상 상태에 속하는 조건은 설계에 따라 결정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 인터페이스를 포함하는 배터리 관리 회로로 구성된 배터리 관리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 회로는 집적 회로(intergrated circuit)로 구현되고, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 회로는 복수의 배터리 셀에 연결되어 있다.
도 1에서는 20개의 배터리 셀들이 직렬 연결되어 있는 배터리 팩(500)이 4 개의 배터리 관리 회로(100_1~100_4)에 의해 관리되는 것으로 설명한다. 배터리 팩(500)을 구성하는 복수의 배터리 셀의 개수(예를 들어 20개) 및 하나의 배터리 관리 회로에 연결되는 복수의 배터리 셀의 개수(예를 들어 5개)는 일 예에 지나지 않는다. 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
배터리 팩(500)의 양단에는 배터리 팩 충전기(300) 및 배터리 팩 부하(400)가 연결되어 있다. 배터리 팩 충전기(300)는 배터리 팩(500)을 충전하기 위한 충전 전류를 공급한다. 배터리 팩 부하(400)는 배터리 팩(500)으로부터 공급되는 전력에 의해 동작한다.
배터리 팩 충전기(300)의 일단 및 배터리 팩 부하(400)의 일단은 배터리 팩(500)의 양극(+)에 연결되어 있다. 배터리 팩 충전기(300)의 타단 및 배터리 팩 부하(400)의 타단은 서로 연결되어 있다.
보호 제어 스위치(200)는 배터리 팩(500)의 음극(-)과 배터리 팩 충전기(300)의 타단 및 배터리 부하(400)사이에 연결되어 있다. 보호 제어 스위치(200)가 턴 온 되어 있을 때, 배터리 팩 충전기(300)로부터 공급되는 전류에 의해 배터리 팩(500)이 충전되거나, 배터리 팩(500)으로부터 배터리 팩 부하(400)로 전류가 공급되어 배터리 팩(500)이 방전된다.
보호 제어 스위치(200)의 게이트 전극에는 배터리 관리 회로(100_4)로부터 전달되는 보호 제어신호(PCS)가 공급되고, 보호 제어 스위치(200)의 드레인 전극은 배터리 팩(500)의 음극(-)에 연결되어 있으며, 보호 제어 스위치(200)의 소스 전극은 배터리 팩 충전기(300)의 타단 및 배터리 부하(400)의 타단에 연결되어 있다.
도 1에서 배터리 관리 회로(100_1~100_4) 각각은 인접한 배터리 관리 회로와 양방향 인터페이스를 통해 서로의 상태 정보를 송수신 한다. 상태 정보는 정상 상태 또는 비정상 상태를 나타내는 정보이다.
배터리 관리 회로(100_1)은 복수의 배터리 셀(CELL1-CELL5) 각각의 전압을 측정하고, 측정된 복수의 배터리 셀(CELL1-CELL5)들의 전압들이 소정 범위에 속하는 것을 정상 상태라고 판단한다.
배터리 관리 회로(100_2)은 복수의 배터리 셀(CELL6-CELL10) 각각의 전압을 측정하고, 측정된 복수의 배터리 셀(CELL6-CELL10)들의 전압들이 소정 범위에 속하는 것을 정상 상태라고 판단한다.
배터리 관리 회로(100_3)은 복수의 배터리 셀(CELL11-CELL15) 각각의 전압을 측정하고, 측정된 복수의 배터리 셀(CELL11-CELL15)들의 전압들이 소정 범위에 속하는 것을 정상 상태라고 판단한다.
배터리 관리 회로(100_4)은 복수의 배터리 셀(CELL16-CELL20) 각각의 전압을 측정하고, 측정된 복수의 배터리 셀(CELL16-CELL20)들의 전압들이 소정 범위에 속하고, 배터리 관리 회로(100_4)는 배터리 팩(500)의 전류를 측정하여 측정된 전류가 소정 범위 내이면 정상 상태라고 판단한다.
배터리 관리 회로(100_1)는 인접한 배터리 관리 회로(100_2)과 상태 정보를 송수신한다. 배터리 관리 회로(100_1)는 최상단에 위치하므로, 윗 방향으로 인접한 배터리 관리 회로가 존재하지 않는다.
배터리 관리 회로(100_4)는 인접한 배터리 관리 회로(100_3)과 상태 정보를 송수신한다. 배터리 관리 회로(100_4)는 최하단에 위치하므로, 아래 방향으로 인접한 배터리 관리 회로가 존재하지 않는다.
배터리 관리 회로(100_4)는 충전을 제어하는 보호 제어 스위치(200)의 스위칭 동작을 제어하는 보호 제어신호(PCS)를 생성한다.
배터리 관리 회로(100_2)는 인접한 배터리 관리 회로(100_1) 및 배터리 관리 회로(100_3)과 상태 정보를 송수신한다. 배터리 관리 회로(100_3)은 인접한 배터리 관리 회로(100_2) 및 배터리 관리 회로(100_4)와 상태 정보를 송수신한다.
배터리 관리 회로(100_1~100_4) 각각은 전원핀, 그라운드핀, 상단핀 및 하단핀을 포함한다. 배터리 관리 회로(100_1~100_4) 각각의 동일 기능 핀들을 구분하기 위해 핀을 나타내는 도면 부호와 숫자를 함께 기재한다.
전원핀(VCC1-VCC4)에는 배터리 관리 회로(100_1~100_4)의 동작에 필요한 전원 전압이 공급된다. 예를 들어, 전원핀(VCC1-VCC4)는 배터리 관리 회로(100_1~100_4) 각각에 연결된 복수의 배터리 셀 중 가장 높은 전위의 배터리 셀의 양극에 연결된다. 배터리 관리 회로(100_1~100_4) 각각의 전원핀을 VCC1, VCC2, VCC3, 및 VCC4로 표시한다.
그라운드핀(GND1-GND4)을 통해 배터리 관리 회로(100_1~100_4)에 기준 전압이 공급된다. 예를 들어, 그라운드핀(GND1-GND4)은 배터리 관리 회로(100_1~100_4) 각각에 연결된 복수의 배터리 셀 중 가장 낮은 전위의 배터리 셀의 음극에 연결된다. 배터리 관리 회로(100_1~100_4) 각각의 그라운드핀을 GND1, GND2, GND3, 및 GND4로 표시한다.
배터리 관리 회로(100_2~100_4) 각각은 해당 배터리 관리 회로의 상태 정보를 상단핀(UP2-UP4)을 통해 윗방향으로 인접한 배터리 관리 회로(100_1~100_3)의 하단핀(LP1-LP3)으로 전송한다. 배터리 관리 회로(100_1~100_3)은 해당 배터리 관리 회로의 상태 정보를 하단핀(LP1-LP3)을 통해 아랫 방향으로 인접한 배터리 관리 회로(100_2~100_4)의 상단핀(UP2-UP4)으로 전송한다.
배터리 관리 회로(100_1)에 윗방향으로 인접한 배터리 관리 회로가 없으므로, 배터리 관리 회로(100_1)의 상단핀(UP1)은 플로팅 상태이다. 배터리 관리 회로(100_4)의 아랫 방향으로 인접한 배터리 관리 회로가 없으나, 배터리 관리 회로(100_4)의 하단핀(LP4)은 보호 제어 스위치(200)의 게이트 전극에 연결되어 있다. 하단핀(LP4)을 통해 보호 제어 신호(PCS)가 보호 제어 스위치(200)의 게이트 전극에 공급된다.
인접한 두 배터리 관리 회로 각각의 상단핀 및 하단핀 사이에는 저항이 존재한다. 예를 들어, 배터리 관리 회로(100_1)의 하단핀(LP1)과 배터리 관리 회로(100_2)의 상단핀(UP2) 사이에는 저항(R1)이 존재하고, 배터리 관리 회로(100_2)의 하단핀(LP2)과 배터리 관리 회로(100_3)의 상단핀(UP3) 사이에는 저항(R2)이 존재하며, 배터리 관리 회로(100_3)의 하단핀(LP3)과 배터리 관리 회로(100_4)의 상단핀(UP4) 사이에는 저항(R3)이 존재한다.
배터리 관리 회로(100_1~100_4) 각각은 제어부, 상단 통신 회로, 및 하단 통신 회로를 포함한다.
제어부(110_1~110_4)는 해당하는 배터리 셀들의 전압을 측정한 결과에 따라 상태를 결정한다. 셀 전압이 소정의 전압 범위를 벗어나는 고전압 또는 저전압인 경우 비정상이다.
또한, 제어부(110_4)는 해당하는 배터리 셀들의 전압 측정 결과와 함께 배터리 팩(500)에 흐르는 전류를 측정한 결과에 따라 상태를 결정한다. 배터리 팩(500)에 흐르는 전류가 소정 범위를 벗어나는 경우 비정상이다. 본 발명의 실시 예에서 배티러 팩 전류를 측정하는 기능인 배터리 관리 회로(100_4)에 포함된 것으로 설명하였으나,
본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 배터리 관리 회로(100_1~100_3) 중 어느 하나가 배터리 팩(500)에 흐르는 전류를 측정하고, 측정한 결과에 따라 배터리 상태를 결정할 수 있다.
이와 같이, 제어부(110_1~110_4)에 의해 상태 정보가 결정된다.
제어부는 상단 통신 회로 또는 하단 통신 회로를 통해 수신한 인접한 배터리 관리 회로의 상태 정보 및 해당하는 배터리 관리 회로의 상태 정보에 따라 상단 통신 회로 및 하단 통신 회로를 제어하는 제어 신호들을 생성한다.
배터리 관리 회로(100_1-100_4) 각각의 동일 기능 구성들을 구분하기 위해 해당 구성을 나타내는 도면 부호와 함께 숫자를 기재한다.
즉, 배터리 관리 회로(100_1)은 제어부(110_1), 상단 통신 회로(AU1), 및 하단 통신 회로(BL1)를 포함한다. 배터리 관리 회로(100_1)의 윗 방향으로 인접한 배터리 관리 회로가 존재하지 않으나, 배터리 관리 회로(100_1)은 상단 통신 회로(AU1)를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며 상단 통신 회로(AU1)를 포함하지 않을 수도 있다.
배터리 관리 회로(100_2)은 제어부(110_2), 상단 통신 회로(AU2), 및 하단 통신 회로(BL2)를 포함한다. 배터리 관리 회로(100_3)은 제어부(110_3), 상단 통신 회로(AU3), 및 하단 통신 회로(BL3)를 포함한다.
배터리 관리 회로(100_4)은 제어부(110_4), 상단 통신 회로(AU4), 및 하단 통신 회로(BL4)를 포함한다. 배터리 관리 회로(100_4)의 아랫 방향으로 인접한 배터리 관리 회로가 존재하지 않으나, 배터리 관리 회로(100_4)은 하단 통신 회로(BL4)를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며 하단 통신 회로(BL4)를 포함하지 않을 수도 있다.
배터리 관리 회로(100_1)에서, 제어부(110_1)는 상단 통신 회로(AU1)로부터 상단 상태 신호(U1)를 입력받고, 하단 통신 회로(BL1)로부터 하단 상태 신호(L1)을 입력받으며, 상단 통신 회로(AU1)에 상단 제어 신호(G11)를 공급하고, 하단 통신 회로(BL1)에 하단 제어 신호(G21) 및 감지 신호(SS1)를 공급한다. 배터리 관리 회로(100_1)의 윗 방향으로 인접한 배터리 관리 회로가 존재하지 않으므로, 상단 상태 신호(U1)는 항상 정상 상태를 나타내는 신호일 수 있다.
배터리 관리 회로(100_2)에서, 제어부(110_2)는 상단 통신 회로(AU2)로부터 상단 상태 신호(U2)를 입력받고, 하단 통신 회로(BL1)로부터 하단 상태 신호(L2)을 입력받으며, 상단 통신 회로(AU2)에 상단 제어 신호(G12)를 공급하고, 하단 통신 회로(BL2)에 하단 제어 신호(G22) 및 감지 신호(SS2)를 공급한다.
배터리 관리 회로(100_3)에서, 제어부(110_3)는 상단 통신 회로(AU3)로부터 상단 상태 신호(U3)를 입력받고, 하단 통신 회로(BL3)로부터 하단 상태 신호(L3)을 입력받으며, 상단 통신 회로(AU3)에 상단 제어 신호(G13)를 공급하고, 하단 통신 회로(BL1)에 하단 제어 신호(G23) 및 감지 신호(SS3)를 공급한다.
배터리 관리 회로(100_4)에서, 제어부(110_4)는 상단 통신 회로(AU4)로부터 상단 상태 신호(U4)를 입력받고, 하단 통신 회로(BL4)로부터 하단 상태 신호(L4)를 입력받으며, 상단 통신 회로(AU4)에 상단 제어 신호(G14)를 공급하고, 하단 통신 회로(BL4)에 하단 제어 신호(G24) 및 감지 신호(SS4)를 공급한다. 배터리 관리 회로(100_4)의 아래 방향으로 인접한 배터리 관리 회로가 존재하지 않으므로, 하단 상태 신호(L4)는 항상 정상 상태를 나타내는 신호일 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 상단 통신 회로 및 하단 통신 회로를 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 회로 중 하나를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 회로(100_2)은 제어부(110_2), 상단 통신 회로(AU2) 및 하단 통신 회로(BL2)를 포함한다.
도 2에 도시되지 않은 상단 통신 회로(AU1, AU3, AU4)는 도 2에 도시된 상단 통신 회로(AU2)와 동일한 구조로 구현될 수 있고, 도 2에 도시되지 않은 하단 통신 회로(BL1, BL3, BL4) 역시 도 2에 도시된 하단 통신 회로(BL2)와 동일한 구조로 구현될 수 있다.
상단 통신 회로(AU2)는 비교기(121), 전류 미러 회로(122, 123), 인버터(124), 및 차단 스위치(125)를 포함한다.
비교기(121)는 상단핀(UP2)을 통해 전달되는 상태 정보에 따르는 전압과 임계 전압(VT1)을 비교한 결과에 따라 상단 상태 정보(U2)를 생성한다. 상단핀(UP2)을 통해 전달되는 상태 정보에 따르는 전압은 비교기(121)의 비반전 단자(+) 전압으로서, 상단 전압(UPV2)이라 한다.
비교기(121)의 반전단자(-)에는 임계 전압(VT1)이 입력된다. 비교기(121)의 비반전단자(+)의 입력이 반전단자(-)의 입력 이상일 때, 비교기(121)의 출력은 하이 레벨이고, 그 반대의 경우 비교기(121)의 출력은 로우 레벨이다. 비교기(121)의 출력이 상단 상태 신호(U2)이다. 예를 들어, 상단 상태 신호(U2)는 배터리 관리 회로(100_1)의 상태 정보가 비정상일 때, 로우 레벨이다.
전류 미러 회로(122)는 제1 기준 전류를 복사하여 싱크 전류를 생성한다. 예를 들어, 전류 미러 회로(122)의 복사비를 1:1로 설정한 경우, 제1 기준 전류와 싱크 전류는 동일하다. 그러나 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
전류 미러 회로(122)는 전류원(I21), 및 두 개의 BJT(bipolar junction transistor)(Q21, Q22)를 포함한다. 전류원(I21)은 기준 전압(VR2)을 이용하여 제1 기준 전류 10uA를 생성한다. 제1 기준 전류를 10uA로 설정한 것은 일 예시일 뿐 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
BJT(Q21)의 베이스 및 콜렉터는 서로 연결되어 있고, BJT(Q21)의 에미터는 그라운드에 연결되어 있다. 제1 기준 전류는 BJT(Q21)의 베이스 및 컬렉터에 공급된다. BJT(22)의 베이스는 BJT(Q21)의 베이스에 연결되어 있고, BJT(22)의 콜렉터는 상단핀(UP2)에 연결되어 있으며, BJT(22)의 에미터는 그라운드에 연결되어 있다. 제1 기준 전류와 동일한 전류가 BJT(Q22)를 통해 흐른다.
전류 미러 회로(123)는 전류원(I22), 및 두 개의 BJT(Q23, Q24)를 포함한다. 전류원(I22)은 기준 전압(VR2)을 이용하여 제2 기준 전류 1.5mA를 생성한다. 제2 기준 전류를 1.5mA로 설정한 것은 일 예시일 뿐 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
BJT(Q24)의 베이스 및 콜렉터는 서로 연결되어 있고, BJT(Q24)의 에미터는 그라운드에 연결되어 있다. 제2 기준 전류는 BJT(Q24)의 베이스 및 컬렉터에 공급된다. BJT(23)의 베이스는 BJT(Q24)의 베이스에 연결되어 있고, BJT(23)의 콜렉터는 차단 스위치(125)에 연결되어 있며, BJT(23)의 에미터는 그라운드에 연결되어 있다. 제2 기준 전류와 동일한 전류가 BJT(Q23)를 통해 흐른다.
차단 스위치(125)는 상단핀(UP2)과 전류 미러 회로(123) 사이에 연결되어 있다. 차단 스위치(125)의 베이스는 인버터(124)의 출력단에 연결되어 있고, 차단 스위치(125)의 에미터는 상단핀(UP2)에 연결되어 있으며, 차단 스위치(125)의 컬렉터는 BJT(Q23)의 컬렉터에 연결되어 있다.
인버터(124)는 상단 제어 신호(G12)를 반전시켜 차단 스위치(125)의 베이스에 전달한다. 차단 스위치(125)는 pnp 타입의 BJT로 구현되어 있다. 따라서 인버터(124)의 출력이 로우 레벨인 경우 차단 스위치(125)가 턴 온 되고, 그 반대의 경우 차단 스위치(125)는 턴 오프 된다.
다이오드(D1)는 전원핀(VCC2)과 상단핀(UP2) 사이에 연결되어 있고, 전원핀(VCC2)으로부터 상단핀(UP2)으로 흐르는 전류의 발생을 차단한다. 다이오드(D1)의 애노드 전극은 상단핀(UP2)에 연결되어 있고, 다이오드(D1)의 캐소드 전극은 전원핀(VCC2)에 연결되어 있다.
하단 통신 회로(BL2)는 비교기(126) 및 전류 미러 회로(127)를 포함한다.
전류 미러 회로(127)는 전류 제어부(128) 및 두 개의 BJT(Q25, Q26)를 포함한다.
BJT(Q26)의 베이스 및 콜렉터는 서로 연결되어 있고, BJT(Q26)의 에미터는 전압(VB2)에 연결되어 있다. BJT(Q25)의 베이스는 BJT(Q26)의 베이스에 연결되어 있고, BJT(26)의 콜렉터는 하단핀(LP2)에 연결되어 있으며, BJT(26)의 에미터는 전압(VB)에 연결되어 있다.
전류 제어부(128)는 BJT(Q26)의 콜렉터에 연결되어 있는 두 전류원(I23, I24), 및 두 개의 트랜지스터(M21, M22)를 포함한다. 전류원(I23)은 전압(VB2)을 이용하여 제3 기준 전류 1mA를 생성하고, 전류원(I24)은 전압(VB2)을 이용하여 제4 기준 전류 20uA를 생성한다. 제3 기준 전류 및 제4 기준 전류를 1mA 및 20uA로 설정한 것은 일 예시일 뿐 본 발명의 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.
트랜지스터(M21)는 전류원(I23)과 그라운드 사이에 연결되어 있고, 트랜지스터(M22)는 전류원(I24)과 그라운드 사이에 연결되어 있다. 트랜지스터(M21)의 드레인 전극은 전류원(I23)에 연결되어 있고, 트랜지스터(M21)의 게이트 전극에 하단 제어 신호(G21)이 인가되며, 트랜지스터(M21)의 소스 전극은 그라운드에 연결되어 있다.
트랜지스터(M22)의 드레인 전극은 전류원(I24)에 연결되어 있고, 트랜지스터(M22)의 게이트 전극에 감지 신호(SS2)가 인가되며, 트랜지스터(M22)의 소스 전극은 그라운드에 연결되어 있다.
트랜지스터(M21) 및 트랜지스터(M22)의 스위칭 동작에 따라 BJT(Q26)을 통해 흐르는 전류가 결정된다. BJT(Q26)에 흐르는 전류는 소정의 복사비에 따라 복사되어 BJT(Q25)에 흐른다. 전류 미러 회로(127)의 복사비는 1:1인 것으로 설정한다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따른 복사비가 이에 한정되는 것은 아니다.
비교기(126)는 하단핀(LP2)을 통해 전달되는 상태 정보에 따르는 전압과 임계 전압(VT2)을 비교한 결과에 따라 하단 상태 정보(L2)를 생성한다. 하단핀(LP2)을 통해 전달되는 상태 정보에 따르는 전압은 비교기(126)의 비반전 단자(+) 전압으로서, 하단 전압(LPV2)이라 한다.
비교기(126)의 반전단자(-)에는 임계 전압(VT2)이 입력된다. 비교기(126)의 비반전단자(+)의 입력이 반전단자(-)의 입력 이상일 때, 비교기(126)의 출력은 하이 레벨이고, 그 반대의 경우 비교기(126)의 출력은 로우 레벨이다. 비교기(126)의 출력이 하단 상태 신호(L2)이다. 예를 들어, 하단 상태 신호(L2)는 배터리 관리 회로(100_3)의 상태 정보가 비정상일 때 로우 레벨이거나, 배터리 관리 회로(100_4)의 상태 정보가 비정상일 때 배터리 관리 회로(100_3)으로부터 배터리 관리 회로(100_4)의 비정상 상태를 전달받았을 때 로우 레벨이다.
제어부(110_2)는 상단 상태 신호(U2), 하단 상태 신호(L2), 및 해당 배터리 셀(CELL6-CELL10)의 상태에 따라 상단 제어 신호(G12), 하단 제어 신호(G22), 및 감지 신호(SS2)를 생성한다.
본 발명의 실시 예에서 비정상 상태를 아래와 같이 3가지로 구분한다.
제1 비정상 상태는, 해당 배터리 관리 회로를 기준으로 상단 배터리 관리 회로들 중 적어도 하나에서 비정상 상태가 발생한 경우를 의미한다.
제2 비정상 상태는, 해당 배터리 관리 회로를 기준으로 하단 배터리 관리 회로들 중 적어도 하나에서 비정상 상태가 발생한 경우를 의미한다.
제3 비정상 상태는, 해당 배터리 관리 회로가 비정상 상태일 때를 의미한다. 즉, 해당 배터리 관리 회로에 연결되어 있는 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나의 셀이 비정상이거나, 배터리 팩(500)의 전류가 소정 범위를 벗어날 때를 의미한다.
예를 들어, 제어부(110_2)는 제2 및 제3 비정상 상태가 감지될 때, 하이 레벨의 상단 제어 신호(G12)를 생성하고, 다른 조건에서는 로우 레벨의 상단 제어 신호(G12)를 생성한다.
제어부(110_2)는 정상 상태일 때만 하이 레벨의 하단 제어 신호(G22)를 생성하고, 제1 내지 제3 비정상 상태 중 어느 하나가 감지될 때 로우 레벨의 하단 제어 신호(G22)를 생성한다.
제어부(110_2)는 제2 비정상 상태가 감지될 때, 하이 레벨의 감지 신호(SS2)를 생성한다.
배터리 관리 회로들(100_1, 100_3, 100_4) 각각은 배터리 관리 회로(100_2)와 비교해 연결된 복수의 배터리 셀 및 인접한 배터리 관리 회로가 상이할 뿐, 그 구성 및 동작은 배터리 관리 회로(100_2)와 동일하다. 따라서 배터리 관리 회로들(100_1, 100_3, 100_4) 각각의 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 관리 회로 간의 양방향 인터페이스 방식에 대해서 설명한다.
도 3은 인접한 두 배터리 관리 회로간의 양방향 인터페이스를 나타낸 도면이다.
1) 예를 들어, 도 3을 참조하여 정상 상태에서, 배터리 관리 회로(100_2)의 하단 통신 회로(BL2) 및 배터리 관리 회로(100_3)의 상단 통신 회로(AU3) 간의 양방향 인터페이스 방식을 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 회로(100_3)의 상단 통신 회로(AU3)는 도 2에 도시된 배터리 관리 회로(100_2)의 하단 통신 회로(BL2)와 저항(R2)를 통해 연결되어 있다.
배터리 관리 회로(100_2)이 정상 상태이므로, 하단 제어 신호(G22)는 하이 레벨이고, 감지 신호(SS2)는 로우 레벨이다. 따라서 트랜지스터(M21)는 턴 온 상태이고, 트랜지스터(M22)는 턴 오프 상태이다.
턴 온 상태인 트랜지스터(M21)를 통해 제3 기준 전류 1mA가 BJT(Q26)를 통해 흐르고, 복사된 전류 1mA가 BJT(Q25)에 흐른다.
배터리 관리 회로(100_3) 역시 정상 상태이므로, 상단 제어 신호(G13)는 로우 레벨이고, 인버터(134)의 출력은 하이 레벨이다. 따라서, 차단 스위치(135)는 턴 오프 상태이다. 이 때, 전류 미러 회로(132)의 BJT(Q32)를 통해 제1 기준 전류인 10uA가 흐른다.
저항(R2)에 1mA의 전류가 흘러 발생하는 하단 전압(LPV2)은 임계 전압(VT2)보다 크고, 하단 전압(LPV2)이 저항(R2)을 통해 상단핀(UP3)으로 전달된다. 상단 전압(UPV3)에 의해 BJT(Q32)가 바이어스 되고, BJT(Q32)를 통해 제1 기준 전류인 10uA가 흐른다. 이 때의 상단 전압(UPV3)은 임계 전압(VT1)보다 크다.
따라서 배터리 관리 회로(100_2)의 하단 상태 신호(L2)는 하이 레벨이고, 배터리 관리 회로(100_3)의 상단 상태 신호(U3)가 하이 레벨이다. 이와 같이, 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 하단에 위치한 배터리 관리 회로(100_3)에 전송되고, 배터리 관리 회로(100_3)의 상태 정보가 상단에 위치한 배터리 관리 회로(100_2)에 전송된다.
2) 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 비정상 상태로 변경된 경우, 배터리 관리 회로(100_2)의 하단 통신 회로(BL2) 및 배터리 관리 회로(100_3)의 상단 통신 회로(AU3) 간의 양방향 인터페이스 방식을 설명한다.
배터리 관리 회로(100_1)의 상태 정보가 비정상 상태로 변경되면, 이 상태 정보가 배터리 관리 회로(100_2)의 상단 통신 회로(AU2)에 전달된다. 그러면, 제1 비정상 상태에 의해 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 변경된다.
구체적으로, 배터리 관리 회로(100_1)에 연결된 복수의 배터리 셀(CELL1-CELL5) 중에 과전압 또는 저전압이 발생하고, 제어부(110_1)는 하이 레벨의 상단 제어 신호(G11), 로우 레벨의 하단 제어 신호(G12)를 생성한다.
그러면, 하단 통신 회로(BL1)의 제1 기준 전류가 차단되어, 배터리 관리 회로(100_1)의 하단 전압이 로우 레벨이 되고 하단 상태 신호(L1)가 로우 레벨이 된다. 그리고, 배터리 관리 회로(100_2)의 상단핀(UP2)을 통해 공급되는 배터리 관리 회로(100_1)의 하단 전압이 로우 레벨이므로, 상단 전압(UPV2)도 로우 레벨이 된다. 이 때, 상단 전압(UPV2)은 임계 전압(VT1) 보다 작고, 전류 미러 회로(122)의 BJT(Q22)는 바이어스 되지 못하여 제1 기준 전류는 흐르지 않는다.
상단 상태 신호(U2)는 로우 레벨이 되고, 제어부(110_2)는 제1 비정상 상태를 감지하고, 로우 레벨의 상단 제어 신호(G12), 로우 레벨의 하단 제어 신호(G22)를 생성하고, 로우 레벨의 감지 신호(SS2)를 유지한다.
도 3을 참조하면, 하단 통신 회로(BL2)에서 로우 레벨 하단 제어 신호(22)에 의해 트랜지스터(M21)가 턴 오프 되어 제3 기준 전류 1mA가 차단되어, 저항(R2)에 공급되는 전류가 차단된다. 그러면 하단 전압(LPV2)이 임계 전압(VT2)보다 낮은 로우 레벨 전압이 되어, 하단 상태 신호(L2)는 로우 레벨이 된다.
그리고, 배터리 관리 회로(100_3)의 상단핀(UP3)을 통해 공급되는 하단 전압(LVP2)이 로우 레벨이므로, 상단 전압(UPV3)도 로우 레벨이 된다. 이 때, 상단 전압(UPV3)은 임계 전압(VT1) 보다 작고, 전류 미러 회로(132)의 BJT(Q32)는 바이어스 되지 못하여 제1 기준 전류는 흐르지 않는다.
비교기(131)는 상단 상태 신호(U3)를 로우 레벨로 변경하고, 제어부(110_3)는 제1 비정상 상태를 감지한다. 제어부(110_3)는 로우 레벨의 상단 제어 신호(G13), 로우 레벨의 하단 제어 신호(G23)를 생성하고, 로우 레벨의 감지 신호(SS3)를 유지한다. 그러면 하단 상태 신호(L3)도 로우 레벨이 된다.
이와 같은 동작이 배터리 관리 회로(100_3)의 하단 통신 회로(BL3) 및 배터리 관리 회로(100_4)의 상단 통신 회로(AU4)간에 수행된다. 그러면, 배터리 관리 회로(100_4)의 상단 상태 신호(U4)는 로우 레벨이 되고, 제어부(110_4)는 제1 비정상 상태를 감지하고, 로우 레벨의 상단 제어 신호, 로우 레벨의 하단 제어 신호를 생성하고, 로우 레벨의 감지 신호를 유지한다.
배터리 관리 회로(100_4)의 하단 통신 회로(BL4)도 앞서 설명과 같이, 로우 레벨의 하단 제어 신호 및 로우 레벨의 감지 신호에 따라 로우 레벨의 하단 상태 신호(L4)를 생성한다.
배터리 관리 회로(100_4)는 상단 상태 신호(U4) 및 하단 상태 신호(L4) 중 어느 하나가 로우 레벨일 때 보호 제어 스위치(200)를 턴 오프 시키는 보호 제어 신호(PCS)를 생성한다.
2)번 케이스에서는 배터리 관리 회로(100_1)의 상태 정보가 비정상 상태로 변경되어 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 비정상 상태로 변경된 경우를 예로 들어 설명하였다.
3) 또 다른 예로서, 배터리 셀(예를 들어, CELL6-CELL10) 중 적어도 하나가 비정상 상태(제3 비정상 상태)이거나, 배터리 팩(500)의 전류가 비성상 일 때, 배터리 관리 회로(예를 들어, 100_2)는 이를 인접한 배터리 관리 회로(예를 들어, 100_1, 100_3)에 배정상 상태를 알리기 위해 양방향 인터페이스를 이용한다.
이하, 도 4를 참조하여 양방향 인터페이스 방식을 설명한다.
도 4는 인접한 두 배터리 관리 회로간의 양방향 인터페이스를 나타낸 도면이다.
제어부(110_2)가 제3 비정상 상태를 감지하면, 제어부(110_2)는 하이 레벨의 상단 제어 신호(G12) 및 로우 레벨의 하단 제어 신호(G22)를 생성하고, 로우 레벨의 감지 신호(SS2)를 유지한다.
하이 레벨의 상단 제어 신호(G12)는 인버터(124)를 통해 반전되고, 반전된 상단 제어 신호(G12)에 의해 차단 스위치(125)가 턴 온 된다. 그러면, 전류원(I22)의 제2 기준 전류 1.5mA가 복사되어, BJT(Q23)에 흐른다.
배터리 관리 회로(100_1)의 하단핀(LP1)을 통해 배터리 관리 회로(100_2)의 상단핀(UP2)으로 흐르는 전류는 제3 기준 전류 1mA가 복사된 전류 1mA이다. 즉, 배터리 관리 회로(100_2)의 상단핀(UP2)으로부터 싱크(sink)되는 전류가 공급되는 전류 1mA 보다 크다. 그러면, 상단 전압(UPV2)은 로우 레벨이 되어 임계 전압(VT1)보다 낮은 전압이 된고, 비교기(121)는 로우 레벨의 상단 상태 신호(U2)를 출력한다.
상단 전압(UPV2)과 저항(R1)을 통해 연결되어 있는 하단핀(LP1)의 전압 즉, 하단 전압(LPV1) 역시 로우 레벨이 되어 임계 전압(VT2)보다 낮은 전압이 된다. 그러면, 비교기(116)는 로우 레벨의 하단 상태 신호(L2)를 생성한다.
제어부(110_1)는 로우 레벨의 하단 상태 신호(U2)에 따라 하이 레벨의 상단 제어 신호(G11), 로우 레벨의 하단 제어 신호(G21), 및 하이 레벨의 감지 신호(SS1)를 생성한다. 로우 레벨의 하단 제어 신호(G21)에 따라 트랜지스터(M11)가 턴 오프 되고, 하이 레벨의 감지 신호(SS1)에 따라 트랜지스터(M12)가 턴 온 된다.
이와 같이, 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 배터리 관리 회로(100_1)으로 향하는 방향(윗 방향)으로 전달된다. 즉, 배터리 관리 회로(100_2)의 윗 방향에 위치한 배터리 관리 회로가 다수(도 1에 도시된 수보다 많은 수) 있는 경우, 배터리 관리 회로(100_1)과 배터리 관리 회로(100_2) 간의 양방향 인터페이스 방식과 동일한 방식으로 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 윗 방향으로 전달된다.
따라서 배터리 관리 회로(100_2)의 상단에 위치한 모든 배터리 관리 회로의 상단 제어 신호는 하이 레벨로, 하단 제어 신호는 로우 레벨로, 그리고 감지 신호는 하이 레벨이 된다.
앞서 2) 케이스에서 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 비정상 상태로 변경된 경우에 배터리 관리 회로(100_3)과 배터리 관리 회로(100_2) 간의 양방향 인터페이스 방식을 설명하였다. 따라서 이번 3)번 케이스에서 발생하는 배터리 관리 회로(100_2)와 배터리 관리 회로(100-3) 간의 양방향 인터페이스 방식에 대한 설명은 생략한다.
덧붙여, 배터리 관리 회로(100_2)의 아래 방향에 위치한 배터리 관리 회로가 다수(예를 들면 도 1에 도시된 것보다 많은 수) 있는 경우, 배터리 관리 회로(100_2)과 배터리 관리 회로(100_3) 간의 양방향 인터페이스 방식과 동일한 방식으로 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 전달된다.
따라서 배터리 관리 회로(100_2)의 하단에 위치한 모든 배터리 관리 회로의 상단 제어 신호 및 감지 신호는 로우 레벨로 유지되고, 하단 제어 신호는 로우 레벨로 감소한다.
지금까지 정상 상태에서 비정상 상태로 변경된 배터리 관리 회로의 상태 정보가 윗 방향 및 아래 방향으로 전송되는 방식을 설명하였다.
이하, 배터리 관리 회로의 상태 정보가 비정상 상태에서 정상 상태로 변경되었을 때의 양방향 인터페이스 방식을 설명한다.
4) 3)번 케이스에서 비정상 상태였던 복수의 배터리 셀(CELL6-CELL10)의 전압이 모두 정상화 되어, 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 정상 상태로 복구되었을 때의 양방향 인터페이스 방식을 설명한다.
3)번 케이스에서, 제어부(110_1)는 로우 레벨의 하단 상태 신호(L1)가 먼저 발생하였으므로, 제2 비정상 상태를 감지하고, 로우 레벨의 하단 상태 신호(L1)가 발생한 시점으로부터 감지 신호(SS1)를 생성한다. 제어부(110_1)는 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 정상 상태로 복구된 것을 감지할 때까지 하이 레벨의 감지 신호(SS1)를 생성한다.
복수의 배터리 셀(CELL6-CELL10)의 전압이 모두 정상화 되어, 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 정상 상태로 복구된 것으로 가정한다. 그러면, 상단 제어 신호(G12)가 로우 레벨이 되어 차단 스위치(125)가 턴 오프 되어, 상단핀(UP2)으로부터 싱크(sink)되는 전류는 제1 기준 전류 10uA가 복사된 전류 10uA이다. 배터리 관리 회로(100_1)의 하단핀(LP1)을 통해 제4 기준 전류 20uA가 복사된 전류 20uA가 공급될 때(감지 신호 SS1가 하이 레벨일 때), 상단 전압(UPV2)은 하이 레벨이 되고 임계 전압(VT1)보다 큰 전압이 된다. 그러면, 상단 상태 신호(U2)는 하이 레벨이 된다.
그리고 전류 20uA가 저항(R1)에 흘러 발생하는 하단 전압(LPV1)이 하이 레벨이 되어 임계 전압(VT2)보다 큰 전압이 된다. 그러면, 하단 상태 신호(L1)가 하이 레벨이 된다. 제어부(110_1)는 하단 상태 신호(L1)의 상승에 따라 상단 제어 신호(G11)를 로우 레벨로, 그리고 하단 제어 신호(G21)를 하이 레벨로 생성한다. 그러면, 트랜지스터(M11)가 턴 온 되어 제3 기준 전류 1mA가 복사되어 저항(R1)에 흐르고, 하단 전압(LPV1)은 더욱 상승한다. 아울러, 제어부(110_1)는 하단 상태 신호(L1)가 하이 레벨로 상승한 시점에 감지 신호(SS1)를 로우 레벨로 변경한다.
덧붙이면, 배터리 관리 회로(100_2)의 윗 방향에 위치한 배터리 관리 회로가 다수(예를 들면 도 1에 도시된 것보다 많은 수) 있는 경우, 배터리 관리 회로(100_1)과 배터리 관리 회로(100_2) 간의 양방향 인터페이스 방식으로 배터리 관리 회로(100_1)의 상태 정보(비정상 상태에서 정상 상태로 변경)가 전달된다.
따라서 배터리 관리 회로(100_2)의 상단에 위치한 모든 배터리 관리 회로는 하단 상태 신호의 상승에 따라 상단 제어 신호를 로우 레벨로, 하단 제어 신호를 하이 레벨로, 그리고 감지 신호를 로우 레벨로 생성한다.
이하, 도 3을 다시 참조하여 설명한다.
배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보가 정상 상태로 복구되었을 때, 제어부(110_2)는 하단 제어 신호(G22)를 하이 레벨로 상승시킨다. 따라서 트랜지스터(M21)가 턴 온 되어, 제3 기준 전류 1mA가 복사된 전류 1mA가 하단핀(LP2)을 통해 저항(R2)으로 흐른다.
저항(R2)에 1mA의 전류가 흘러 발생하는 하단 전압(LPV2)은 임계 전압(VT2)보다 크고, 하단 전압(LPV2)이 저항(R2)을 통해 상단핀(UP3)으로 전달된다. 상단 전압(UPV3)에 의해 BJT(Q32)가 바이어스 되고, BJT(Q32)를 통해 제1 기준 전류인 10uA가 흐른다. 이 때의 상단 전압(UPV3)은 임계 전압(VT1)보다 크다.
따라서 배터리 관리 회로(100_2)의 하단 상태 신호(L2)는 하이 레벨이 되고, 배터리 관리 회로(100_3)의 상단 상태 신호(U3)가 하이 레벨이 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 제2 및 제3 비정상 상태가 감지 될 때, 해당 제어부가 하이 레벨의 상단 제어 신호를 생성한다. 즉, 3번 케이스에서 배터리 관리 회로(100_3)의 제어부(110_3)는 제1 비정상 상태를 감지하였으므로, 상단 제어 신호(G13)은 로우 레벨로 유지된다. 4번 케이스에서, BJT(Q32)가 바이어스 될 수 있는 이유는 차단 스위치(135)가 턴 오프 상태로 유지된 상태에서 배터리 관리 회로(100_2)으로부터 1mA가 공급되기 때문이다.
제어부(110_3)는 상단 상태 신호(U3)의 상승에 따라 하단 제어 신호(G23)를 하이 레벨로 상승시킨다. 그러면 하단 상태 신호(L3)는 하이 레벨로 상승한다.
배터리 관리 회로(100_2)과 배터리 관리 회로(100_3) 간의 양방향 인터페이스 방식과 동일하게, 배터리 관리 회로(100_3)과 배터리 관리 회로(100_4) 간에도 양방향 인터페이스가 수행된다.
그러면, 배터리 관리 회로(100_4)의 상단 상태 신호(U4)가 하이 레벨로 상승하여, 하단 상태 신호(L4) 역시 하이 레벨로 상승한다. 그러면 보호 제어 신호(PCS) 역시 하이 레벨로 상승하여 보호 제어 스위치(200)가 턴 온 된다.
덧붙이면, 배터리 관리 회로(100_2)의 아래 방향에 위치한 배터리 관리 회로가 다수(예를 들면 도 1에 도시된 것보다 많은 수) 있는 경우, 배터리 관리 회로(100_2)과 배터리 관리 회로(100_3) 간의 양방향 인터페이스 방식으로 배터리 관리 회로(100_2)의 상태 정보(비정상 상태에서 정상 상태로 변경)가 전달된다.
따라서 배터리 관리 회로(100_2)의 하단에 위치한 모든 배터리 관리 회로는 상단 상태 신호의 상승에 따라 하단 제어 신호를 하이 레벨로 변경한다. 이 때,상단 제어 신호 및 감지 신호는 로우 레벨로 유지되고 있다.
지금까지 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 인터페이스 방법을 설명하였다. 종래 양방향 중 한 쪽 방향으로 상태 정보를 전송하기 위해 필요한 핀의 수가 2개 즉, 총 4 개의 핀이 있어야 양방향 인터페이스가 가능한 것에 비해 본 발명의 실시 예는 2 개의 핀 만으로 양방향 인터페이스가 가능하다.
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.
배터리 관리 회로(100_1~100_4), 배터리 팩(500)
저항(R1-R3), 제어부(110_1~110_4)
상단 통신 회로(AU1-AU4), 하단 통신 회로(BL1-BL4)
배터리 셀(CELL1-CELL20), 보호 제어 스위치(200)
배터리 팩 충전기(300), 배터리 팩 부하(400)
비교기(121, 126, 116, 131)
전류 미러 회로(122, 123, 127, 117, 132, 133)
인버터(124, 134), 차단 스위치(125, 135)
전류원(I21-I24, I31, I32)
BJT(Q15, Q16, Q21-Q26, Q31-Q34)
트랜지스터(M21, M22, M11, M12)
다이오드(D0-D3)

Claims (20)

  1. 상단핀 및 하단핀을 포함하는 양방향 인터페이스 회로에 있어서,
    상기 상단핀에 연결되어 있고, 제1 기준 전류를 복사하여 제1 전류를 생성하는 제1 전류 미러 회로,
    제2 기준 전류를 복사하여 제2 전류를 생성하는 제2 전류 미러 회로,
    상기 상단핀과 상기 제2 전류 미러 회로 사이에 연결되어 있는 차단 스위치,
    상기 상단핀의 전압과 제1 임계 전압을 비교한 결과에 따라 상단 상태 신호를 출력하는 제1 비교기,
    제3 기준 전류 및 제4 기준 전류 중 어느 하나를 복사하여 상기 하단핀으로 흐르는 제3 전류를 공급하는 제3 전류 미러 회로, 및
    상기 하단핀의 전압과 제2 임계 전압을 비교한 결과에 따라 하단 상태 신호를 출력하는 제2 비교기를 포함하는 양방향 인터페이스 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류 미러 회로는,
    상기 제1 기준 전류를 공급하는 전류원,
    그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 전류원에 연결되어 있는 타단 및 제어단을 포함하는 제1 BJT, 및
    상기 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 제1 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단, 및 상기 상단핀에 연결되어 있는 제2 BJT를 포함하는 양방향 인터페이스 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전류 미러 회로는,
    상기 제2 기준 전류를 공급하는 전류원,
    그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 전류원에 연결되어 있는 타단 및 제어단을 포함하는 제3 BJT, 및
    상기 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 제3 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단, 및 상기 차단 스위치에 연결되어 있는 제4 BJT를 포함하는 양방향 인터페이스 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 전류 미러 회로는,
    제1 전압이 공급되는 일단, 타단, 및 상기 타단과 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제5 BJT,
    상기 제1 전압이 공급되는 일단, 상기 하단핀에 연결되어 있는 타단, 및 상기 제5 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제6 BJT,
    상기 제5 BJT의 타단과 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 제3 기준 전류를 공급하는 전류원과 제1 트랜지스터, 및
    상기 제5 BJT의 타단과 상기 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 제4 기준 전류를 공급하는 전류원과 제2 트랜지스터를 포함하는 양방향 인터페이스 회로.
  5. 복수의 제1 배터리 셀에 연결되어 있는 제1 배터리 관리 회로,
    복수의 제1 배터리 셀에 인접한 다른 복수의 제2 배터리 셀에 연결되어 있는 제2 배터리 관리 회로, 및
    상기 제1 배터리 관리 회로의 제1 상단핀과 상기 제2 배터리 관리 회로의 제2 하단핀 사이에 연결되어 있는 제1 저항을 포함하고,
    상기 제1 배터리 관리 회로는,
    제1 기준 전류를 복사하여 제1 전류를 상기 제1 상단핀으로부터 싱크시키는 제1 전류 미러 회로, 제2 기준 전류를 복사하여 제2 전류를 상기 제1 상단핀으로부터 싱크시키는 제2 전류 미러 회로, 상기 제1 상단핀과 상기 제2 전류 미러 회로 사이에 연결되어 있는 제1 차단 스위치, 및 상기 제1 상단핀의 제1 상단 전압과 제1 임계 전압을 비교한 결과를 출력하는 제1 비교기를 포함하고,
    상기 제2 배터리 관리 회로는,
    제3 기준 전류 및 제4 기준 전류 중 어느 하나를 복사하여 제3 전류를 상기 제2 하단핀으로 공급하는 제3 전류 미러 회로, 및 상기 제3 전류와 상기 저항에 의해 발생하는 상기 제2 하단핀의 제2 하단 전압과 제2 임계 전압을 비교한 결과를 출력하는 제2 비교기를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전류 미러 회로는,
    상기 제1 기준 전류를 공급하는 전류원,
    그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 전류원에 연결되어 있는 타단 및 제어단을 포함하는 제1 BJT, 및
    상기 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 제1 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단, 및 상기 제1 상단핀에 연결되어 있는 제2 BJT를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 전류 미러 회로는,
    상기 제2 기준 전류를 공급하는 전류원,
    그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 전류원에 연결되어 있는 타단 및 제어단을 포함하는 제3 BJT, 및
    상기 그라운드에 연결되어 있는 일단, 상기 제3 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단, 및 상기 제1 차단 스위치의 일단에 연결되어 있는 제4 BJT를 포함하고,
    상기 제1 차단 스위치의 타단은 상기 제1 상단핀에 연결되어 있는 배터리 관리 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제3 전류 미러 회로는,
    제1 전압이 공급되는 일단, 타단, 및 상기 타단과 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제5 BJT,
    상기 제1 전압이 공급되는 일단, 상기 제2 하단핀에 연결되어 있는 타단, 및 상기 제5 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제6 BJT,
    상기 제5 BJT의 타단과 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 제3 기준 전류를 공급하는 전류원과 제1 트랜지스터, 및
    상기 제5 BJT의 타단과 상기 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 제4 기준 전류를 공급하는 전류원과 제2 트랜지스터를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터가 온 상태에서 턴 오프 될 때,
    상기 제2 하단 전압이 감소하여 상기 제2 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제1 상단 전압은 상기 제2 하단 전압의 감소에 의해 상기 제1 임계 전압 보다 작아지는 배터리 관리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터가 오프 상태에서 턴 온 될 때,
    상기 제1 상단 전압은 상기 제3 기준 전류와 상기 저항에 의해 증가하여 상기 제2 임계 전압 이상이고, 상기 제2 하단 전압은 상기 제1 상단 전압의 증가에 의해 상기 제1 임계 전압 이상이 되는 배터리 관리 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 차단 스위치가 턴 온 될 때,
    상기 제1 상단 전압이 감소하여 상기 제1 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제2 하단 전압은 상기 제1 상단 전압의 감소에 의해 상기 제2 임계 전압 보다 작아지는 배터리 관리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 하단 전압이 상기 제2 임계 전압 보다 작을 때,
    상기 제1 트랜지스터는 턴 오프이고, 상기 제2 트랜지스터는 턴 온인 배터리 관리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터의 온 상태에서 상기 제1 차단 스위치가 턴 오프 될 때,
    상기 제1 상단 전압이 증가하여 상기 제1 임계 전압 이상이 되고, 상기 제2 하단 전압은 상기 제1 상단 전압의 증가에 의해 상기 제2 임계 전압 이상이 되는 배터리 관리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 상단 전압이 상기 제2 임계 전압 이상이 될 때, 상기 제1 트랜지스터를 턴 온 시키고, 상기 제2 트랜지스터를 턴 오프 시키는 배터리 관리 시스템.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 제1 배터리 셀에 인접한 다른 복수의 제3 배터리 셀에 연결되어 있는 제3 배터리 관리 회로, 및
    상기 제1 배터리 관리 회로의 제1 하단핀과 상기 제3 배터리 관리 회로의 제3 상단핀 사이에 연결되어 있는 제2 저항을 더 포함하고,
    상기 제3 배터리 관리 회로는,
    상기 제1 기준 전류를 복사하여 제4 전류를 상기 제3 상단핀으로부터 싱크시키는 제4 전류 미러 회로, 상기 제2 기준 전류를 복사하여 제5 전류를 상기 제3 상단핀으로부터 싱크시키는 제5 전류 미러 회로, 상기 제3 상단핀과 상기 제2 전류 미러 회로 사이에 연결되어 있는 제2 차단 스위치, 및 상기 제3 상단핀의 제3 상단 전압과 상기 제1 임계 전압을 비교한 결과를 출력하는 제3 비교기를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 배터리 관리 회로는,
    제2 전압이 공급되는 일단, 타단, 및 상기 타단과 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제7 BJT,
    상기 제2 전압이 공급되는 일단, 상기 제1 하단핀에 연결되어 있는 타단, 및 상기 제7 BJT의 제어단에 연결되어 있는 제어단을 포함하는 제8 BJT,
    상기 제7 BJT의 타단과 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 상기 제3 기준 전류를 공급하는 다른 전류원과 제3 트랜지스터, 및
    상기 제7 BJT의 타단과 상기 그라운드 사이에 직렬 연결되어 있는 상기 제4 기준 전류를 공급하는 다른 전류원과 제4 트랜지스터를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터가 온 상태에서 턴 오프 될 때,
    상기 제2 하단 전압이 감소하여 상기 제2 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제1 상단 전압은 상기 제2 하단 전압의 감소에 의해 상기 제1 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제3 트랜지스터가 턴 오프 되는 배터리 관리 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터가 오프 상태에서 턴 온 될 때,
    상기 제1 상단 전압은 상기 제3 기준 전류와 상기 저항에 의해 증가하여 상기 제2 임계 전압 이상이고, 상기 제2 하단 전압은 상기 제1 상단 전압의 증가에 의해 상기 제1 임계 전압 이상이 되고, 상기 제3 트랜지스터가 턴 온 되는 배터리 관리 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2 차단 스위치가 턴 온 될 때,
    상기 제3 상단 전압이 감소하여 상기 제1 임계 전압 보다 작아지고, 상기 제1 하단핀의 제1 하단 전압은 상기 제3 상단 전압의 감소에 의해 상기 제2 임계 전압 보다 작아지며,
    상기 제1 차단 스위치가 턴 온 되고, 상기 제3 트랜지스터는 턴 오프되며, 상기 제4 트랜지스터는 턴 온되는 배터리 관리 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제4 트랜지스터의 온 상태에서 상기 제2 차단 스위치가 턴 오프 될 때,
    상기 제3 상단 전압이 증가하여 상기 제1 임계 전압 이상이 되고, 상기 제1 하단 전압은 상기 제3 상단 전압의 증가에 의해 상기 제2 임계 전압 이상이 되며,
    상기 제3 트랜지스터를 턴 온 시키고, 상기 제4 트랜지스터를 턴 오프 시키는 배터리 관리 시스템.


KR1020120125669A 2012-11-07 2012-11-07 양방향 인터페이스 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템 KR101769131B1 (ko)

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