KR102368977B1 - 배터리 관리 장치 - Google Patents

배터리 관리 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102368977B1
KR102368977B1 KR1020200023001A KR20200023001A KR102368977B1 KR 102368977 B1 KR102368977 B1 KR 102368977B1 KR 1020200023001 A KR1020200023001 A KR 1020200023001A KR 20200023001 A KR20200023001 A KR 20200023001A KR 102368977 B1 KR102368977 B1 KR 102368977B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
balancing
diagnostic
switches
nodes
filtering
Prior art date
Application number
KR1020200023001A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210108149A (ko
Inventor
김선민
김형준
이환
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020200023001A priority Critical patent/KR102368977B1/ko
Publication of KR20210108149A publication Critical patent/KR20210108149A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102368977B1 publication Critical patent/KR102368977B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • G01R31/3277—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers of low voltage devices, e.g. domestic or industrial devices, such as motor protections, relays, rotation switches
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
    • G01R1/203—Resistors used for electric measuring, e.g. decade resistors standards, resistors for comparators, series resistors, shunts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
    • G01R1/206—Switches for connection of measuring instruments or electric motors to measuring loads
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/04—Voltage dividers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0084—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring voltage only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/282—Testing of electronic circuits specially adapted for particular applications not provided for elsewhere
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

다양한 실시예들에 따라서 복수의 입력 노드들 사이에 연결되는 복수의 배터리 셀들을 관리하기 위한 배터리 관리 장치가 제공된다. 배터리 관리 장치는 복수의 중간 노드들 사이에 연결되는 복수의 밸런싱 회로들, 복수의 출력 노드들 사이에 연결되는 복수의 필터링 커패시터들, 상기 복수의 중간 노드들과 상기 복수의 출력 노드들 사이에 연결되는 복수의 필터링 저항들, 상기 복수의 입력 노드들 중에서 제1 입력 노드와 상기 복수의 중간 노드들 중에서 상기 제1 입력 노드에 대응하는 제1 중간 노드 사이에 연결되는 진단 저항, 및 상기 복수의 입력 노드들 중에서 나머지 입력 노드들과 상기 복수의 중간 노드들 중에서 나머지 중간 노드들 사이에 연결되는 복수의 진단 스위치들을 포함한다.

Description

배터리 관리 장치{Battery management device and fault diagnosis method}
본 발명은 배터리 관리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스스로 고장 발생 여부를 진단할 수 있는 셀 밸런싱 동작을 위한 배터리 관리 장치에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차 전지(rechargeable battery)는 셀룰러 폰(cellular phone), 노트북 컴퓨터 등 휴대용 전자기기에 광범위하게 사용되고 있다. 이차 전지 셀들은 주변회로와 함께 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩의 외부 단자를 통해 충전과 방전이 이루어진다.
종래의 배터리 팩은 크게 배터리 셀들, 및 충방전 회로를 포함하는 주변회로를 포함한다. 주변회로는 인쇄 회로 기판으로 제작된 후, 배터리 셀들과 결합된다. 배터리 팩의 외부 단자에 외부 전원이 연결되면 배터리 셀이 충전되고, 외부 단자에 부하(load)가 연결되면, 배터리 셀이 방전된다. 충방전 회로는 외부 단자와 배터리 셀 사이에서 배터리 셀의 충방전을 제어한다. 일반적으로 부하의 소모 용량에 따라 복수의 배터리 셀들이 직렬 및 병렬로 연결된다.
배터리 팩을 구성하는 배터리 셀들에는 제조 공정 상의 여러 가지 이유로 인해 용량 편차가 존재한다. 따라서 배터리 팩이 충방전을 반복함에 따라 배터리 셀들의 셀 전압에는 편차가 발생한다. 이에 따라 충전 중에 배터리 셀들 중 일부 배터리 셀이 과충전되거나, 방전 중에 배터리 셀들 중 일부 배터리 셀이 과방전될 수 있다. 이와 같이 배터리 셀들 중에서 일부 배터리 셀이 과충전되거나 과방전됨에 따라, 배터리 팩의 용량이 감소될 뿐만 아니라, 배터리 팩은 빠르게 열화되고 수명이 짧아진다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 직렬 연결된 배터리 셀들의 셀 전압의 차이를 최소화하기 위한 셀 밸런싱 회로가 사용된다. 배터리 관리 장치는 셀 밸런싱 회로를 이용하여 셀 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 강제로 방전시켜 모든 배터리 셀들의 셀 전압값이 설정된 범위 내에 분포하도록 한다.
그러나, 셀 전압 측정 회로에 고장이 발생한 경우, 셀 밸런싱이 필요하지 않은 배터리 셀을 강제로 방전시킨다거나, 셀 밸런싱 회로에 고장이 발생한 경우, 셀 밸런싱 동작이 수행되지 않을 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 내부 회로에 고장이 발생하였는지의 여부를 진단할 수 있는 셀 밸런싱 동작을 위한 배터리 관리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라서 복수의 입력 노드들 사이에 연결되는 복수의 배터리 셀들을 관리하기 위한 배터리 관리 장치가 제공된다. 배터리 관리 장치는 복수의 중간 노드들 사이에 연결되는 복수의 밸런싱 회로들, 복수의 출력 노드들 사이에 연결되는 복수의 필터링 커패시터들, 상기 복수의 중간 노드들과 상기 복수의 출력 노드들 사이에 연결되는 복수의 필터링 저항들, 상기 복수의 입력 노드들 중에서 제1 입력 노드와 상기 복수의 중간 노드들 중에서 상기 제1 입력 노드에 대응하는 제1 중간 노드 사이에 연결되는 진단 저항, 및 상기 복수의 입력 노드들 중에서 나머지 입력 노드들과 상기 복수의 중간 노드들 중에서 나머지 중간 노드들 사이에 연결되는 복수의 진단 스위치들을 포함한다.
일 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 상기 복수의 출력 노드들 중에서 2개의 출력 노드를 선택하는 선택 회로, 및 상기 2개의 출력 노드들 사이의 전압값에 대응하는 전압값 데이터를 출력하는 전압 센싱 회로를 더 포함할 수 있다.
다른 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 상기 선택 회로 및 상기 전압 센싱 회로를 제어하여 상기 복수의 배터리 셀들 각각의 셀 전압값을 감지하고, 상기 복수의 배터리 셀들 각각의 셀 전압값에 기초하여 상기 복수의 밸런싱 회로들을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 복수의 밸런싱 회로들 각각은 직렬로 연결되는 밸런싱 스위치 및 밸런싱 저항을 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 상기 복수의 출력 노드들 중에서 선택되는 2개의 출력 노드 사이의 전압값을 감지하는 센싱 회로를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 배터리 관리 장치는 상기 복수의 진단 스위치들, 상기 복수의 밸런싱 스위치들, 및 상기 센싱 회로를 제어하여, 상기 복수의 밸런싱 스위치들, 상기 복수의 밸런싱 저항들, 상기 복수의 필터링 커패시터들, 상기 복수의 필터링 저항들, 상기 진단 저항, 및 상기 복수의 진단 스위치들의 불량 여부를 판정하도록 구성되는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라서 제1 내지 제(n+1) 입력 노드들 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제n 배터리 셀들을 관리하기 위한 배터리 관리 장치가 제공된다. 배터리 관리 장치는 제1 내지 제(n+1) 중간 노드들 사이에 각각 직렬로 연결되는 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들과 제1 내지 제n 밸런싱 저항들, 제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제n 필터링 커패시터들, 상기 제1 내지 제(n+1) 입력 노드들과 상기 제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제(n+1) 필터링 저항들, 상기 제1 입력 노드와 상기 제1 중간 노드 사이에 연결되는 진단 저항, 상기 제2 내지 제(n+1) 입력 노드들과 상기 제2 내지 제(n+1) 중간 노드들 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제n 진단 스위치들, 상기 제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 중에서 선택되는 2개의 출력 노드 사이의 전압값을 감지하는 센싱 회로, 및 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들, 상기 제1 내지 제n 진단 스위치들, 및 상기 센싱 회로를 제어하는 제어부를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 내지 제n 밸런싱 저항들 각각의 초기 저항값, 상기 제1 내지 제n 필터링 커패시터들 각각의 초기 커패시턴스값, 상기 제1 내지 제(n+1) 필터링 저항들 각각의 초기 저항값, 및 상기 진단 저항의 초기 저항값을 저장할 수 있다.
다른 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들, 상기 제1 내지 제n 진단 스위치들, 및 상기 센싱 회로를 제어하여, 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들, 상기 제1 내지 제n 밸런싱 저항들, 상기 제1 내지 제n 필터링 커패시터들, 상기 제1 내지 제(n+1) 필터링 저항들, 상기 진단 저항, 및 상기 제1 내지 제n 진단 스위치들의 불량 여부를 판정하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제n 진단 스위치 및 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들을 턴 온 시키고 상기 제1 내지 제(n-1) 진단 스위치들을 턴 오프 시킨 상태에서 감지되는 상기 제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 간의 전압값들에 기초하여 상기 제1 내지 제n 밸런싱 저항들의 불량 여부를 판정하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 진단 스위치를 턴 온 시키고 상기 제2 내지 제n 진단 스위치들 및 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들을 턴 오프 시킨 상태에서 감지되는 상기 제1 내지 제2 출력 노드들 간의 밸런싱 오프 전압값, 및 상기 제1 진단 스위치 및 제1 밸런싱 스위치를 턴 온 시키고 상기 제2 내지 제n 진단 스위치들 및 상기 제2 내지 제n 밸런싱 스위치들을 턴 오프 시킨 상태에서 감지되는 상기 제1 내지 제2 출력 노드들 간의 밸런싱 온 전압값에 기초하여, 상기 진단 저항의 불량 여부를 판정하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제n 진단 스위치를 턴 온 시키고 상기 제1 내지 제(n-1) 진단 스위치들 및 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들을 턴 오프 시킨 상태에서 감지되는 상기 제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 간의 전압값들에 기초하여 상기 제1 내지 제n 필터링 커패시터들의 불량 여부를 판정하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에 따르면, 상기 제어부는 전하가 충전된 상기 제i 필터링 커패시터에 대응하는 상기 제i 밸런싱 스위치를 턴 온 시킨 후, 미리 설정된 시간 후에 감지되는 제i 및 제(i+1) 출력 노드들 간의 전압값을 기초로 상기 제i 및 제(i+1) 필터링 저항들의 불량 여부를 판정하도록 구성될 수 있다.
본 발명적 사상에 따른 배터리 관리 장치는 내부 회로에 고장이 발생하였는지의 여부를 진단할 수 있다. 따라서, 배터리 관리 장치는 셀 밸런싱 동작을 신뢰성 있게 수행할 수 있다.
아래에 첨부 도면들을 참조로 예시적인 실시예들을 더욱 자세하게 설명함으로써 특징들이 본 기술분야의 당업자들에게 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 진단 회로, 셀 밸런싱 회로 및 필터링 회로의 등가 회로도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라서 밸런싱 저항들의 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라서 진단 저항의 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서 필터링 커패시터들의 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따라서 필터링 저항들의 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이제, 예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 참조로 아래에서 더욱 자세히 설명될 것이다. 그러나, 여러 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되는 실시예들로 한정되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 차라리, 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고 완벽해지며, 예시적인 구현예들을 본 기술분야의 당업자들에게 완전하게 전달할 수 있도록 제공되는 것이다.
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 이들을 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. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 예시적인 실시예들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 더욱 완벽하게 실시예들이 설명될 것이다. 전체적으로 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 나타낸다. 도면들에서, 동일하거나 대응하는 구성 요소들에는 동일한 도면번호가 부여되고, 이에 대하여 중복하여 설명하지 않을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 블록도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 배터리 관리 장치(100)는 배터리 셀들(CELL1-CELL4, 이하 'CELL'로 통칭함)에 연결되며, 진단 회로(110), 셀 밸런싱 회로(120), 필터링 회로(130), 센싱 회로(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
배터리 셀(CELL)은 충전가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(CELL)은 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1에는 4개의 배터리 셀(CELL)이 직렬로 연결되는 것으로 도시되지만, 이는 오로지 예시적이다. 배터리 셀(CELL)의 개수 및 연결 방식은 배터리 셀(CELL)이 연결되는 부하의 요구 전압 및 요구 전력량에 따라 결정될 수 있다. 아래에서는 도 1에 도시된 바와 같이 4개의 배터리 셀(CELL)이 직렬로 연결되는 예를 중심으로 설명하지만, 다른 개수의 배터리 셀(CELL)이 다른 방식으로 연결되는 경우에도 본 발명적 사상이 그대로 적용될 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는 배터리 셀들(CELL)과 함께 배터리 팩을 구성할 수 있다. 배터리 팩은 배터리 셀들(CELL)과 부하 및/또는 충전 장치가 연결될 수 있는 한 쌍의 전력 단자를 포함한다. 도 1에 도시되지 않았지만, 배터리 관리 장치(100)는 배터리 셀들(CELL)과 전력 단자 사이에 배터리 셀들(CELL)의 충전 및 방전을 제어하기 위한 충방전 회로를 더 포함할 수 있다. 충방전 회로는 제어부(150)에 의해 제어되는 충전 제어 스위치와 방전 제어 스위치를 포함할 수 있다. 그 외에도, 배터리 관리 장치(100)는 퓨즈나 온도 센서 등을 더 포함할 수 있다.
셀 밸런싱 회로(120)는 배터리 셀들(CELL)의 셀 밸런싱을 위해 배터리 셀들(CELL) 각각을 강제로 방전시킬 수 있는 경로를 제공할 수 있다. 셀 밸런싱 회로(120)는 배터리 셀들(CELL) 각각과 병렬로 연결되는 밸런싱 회로들을 포함할 수 있으며, 밸런싱 회로들 각각은 직렬로 연결되는 밸런싱 저항과 밸런싱 스위치를 포함할 수 있다. 밸런싱 회로들을 구성하는 밸런싱 저항들은 실질적으로 동일한 저항값을 가질 수 있다.
셀 밸런싱 회로(120)는 제어부(150)에 의해 제어된다. 제어부(150)는 배터리 셀들(CELL) 각각의 셀 전압을 감지하고, 셀 밸런싱 알고리즘에 따라 설정되는 기준보다 높은 셀 전압을 갖는 배터리 셀(CELL)을 강제로 방전시키기 위해 셀 밸런싱 회로(120)를 이용할 수 있다.
필터링 회로(130)는 배터리 셀들(CELL)의 셀 전압을 안정적으로 측정하기 위한 회로이다. 필터링 회로(130)는 센싱 라인들에 직렬로 연결되는 필터링 저항들과 센싱 라인들 사이에 연결되는 필터링 커패시터들을 포함할 수 있다. 필터링 저항들은 실질적으로 동일한 저항값을 가지고, 필터링 커패시터들은 동일한 커패시턴스값을 가질 수 있다.
센싱 회로(140)는 센싱 라인들 사이의 전압값을 측정할 수 있다. 센싱 회로(140)는 센싱 라인들 중에서 2개의 센싱 라인을 선택하기 위한 선택 회로, 및 선택된 2개의 센싱 라인들 사이의 전압을 측정하기 위한 전압 센싱 회로를 포함할 수 있다. 선택 회로는 2개의 멀티플렉서를 포함할 수 있다. 2개의 멀티플렉서는 제어부(150)에 의해 동일하게 제어될 수 있다.
전압 센싱 회로는 아날로그 디지털 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 아날로그 디지털 컨버터 회로는 선택 회로에 의해 선택된 2개의 센싱 라인들 사이의 전압에 대응하는 전압값 데이터를 출력할 수 있다. 제어부(150)는 아날로그 디지털 컨버터 회로에 의해 출력된 전압값 데이터를 수신할 수 있다.
제어부(150)는 센싱 회로(140)를 이용하여 배터리 셀들(CELL) 각각의 셀 전압을 측정하고, 셀 밸런싱 알고리즘에 따라 셀 전압이 기준치보다 높은 배터리 셀(CELL)을 선택하여 셀 밸런싱 회로(120)를 이용하여 강제로 방전시킬 수 있다. 제어부(150)는 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 또는 컨트롤러로 구현될 수 있다.
배터리 팩이 사용됨에 따라 셀 밸런싱 회로(120)를 구성하는 전기 소자들과 필터링 회로(130)를 구성하는 전기 소자들에 불량이 발생할 수 있다. 예컨대, 접촉 불량이 발생할 수도 있고, 전기 소자들이 파손될 수도 있다.
필터링 회로(130)에 불량이 발생할 경우, 셀 전압이 높게 감지될 수 있다. 이 경우, 셀 전압값이 높게 감지된 배터리 셀은 셀 밸런싱 회로(120)에 의해 강제로 방전될 수 있으며, 심지어 과방전될 수도 있다. 셀 밸런싱 저항(120)에 불량이 발생할 경우, 셀 밸런싱 동작에 제어되지 않을 수 있다.
배터리 관리 장치(100)는 배터리 셀들(CELL)의 셀 밸런싱 동작을 수행하는 것만큼 셀 밸런싱 회로(120)과 필터링 회로(130)를 구성하는 전기 소자들에 불량이 발생하였는지를 진단하는 것이 중요하다.
본 발명에 따르면, 진단 회로(110)는 셀 밸런싱 회로(120)과 필터링 회로(130)를 구성하는 전기 소자들뿐만 아니라, 진단 회로(110)를 구성하는 전기 소자들에 불량이 발생하였는지의 여부를 진단할 수 있도록 한다. 진단 회로(110)는 제어부(150)에 의해 제어될 수 있다. 제어부(150)는 진단 알고리즘에 따라 진단 회로(110), 셀 밸런싱 회로(120) 및 센싱 회로(140)를 제어함으로써, 진단 회로(110), 셀 밸런싱 회로(120) 및 필터링 회로(130)를 구성하는 전기 소자들의 고장 발생 여부를 진단할 수 있다.
도 1에 도시되지 않았지만, 제어부(150)는 진단 회로(110), 셀 밸런싱 회로(120) 및 센싱 회로(140)를 제어할 수 있다.
아래에서는 본 발명의 일 예에 다른 배터리 관리 장치(1000에 대하여 더욱 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 진단 회로, 셀 밸런싱 회로 및 필터링 회로의 등가 회로도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 오로지 예시적인 목적으로 4개의 배터리 셀들(CELL1-CELL4)이 직렬로 연결된다. 전술한 바와 같이 배터리 셀들(CELL1-CELL4)의 개수 및 연결 방식은 본 발명을 한정하지 않는다. 아래에서는 4개의 배터리 셀들(CELL1-CELL4)이 직렬로 연결된 예에 대하여 설명하지만, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않는다.
4개의 배터리 셀들(CELL1-CELL4)은 제1 내지 제5 입력 노드들(N11-N15) 사이에 각각 연결된다. 가장 높은 전위를 갖는 노드를 제1 입력 노드(N11)로 지칭하고, 가장 낮은 전위를 갖는 노드를 제5 입력 노드(N15)로 지칭한다. 그러나, 이는 예시적이다.
진단 회로(110)는 제1 내지 제5 입력 노드들(N11-N15)과 제1 내지 제5 중간 노드들(N21-N25) 사이에 연결된다. 진단 회로(110)는 제1 입력 노드(N11)와 제1 중간 노드(N21) 사이에 연결되는 진단 저항(Rd), 및 제2 내지 제5 입력 노드들(N12-N15)와 제2 내지 제5 중간 노드들(N22-N25) 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4)을 포함한다. 도 2에 도시되진 않았지만, 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4)은 제어부(150)에 의해 제어된다.
진단 저항(Rd)이 제1 입력 노드(N11)와 제1 중간 노드(N21) 사이에 연결되는 것으로 도시되어 있지만, 제5 입력 노드(N15)와 제5 중간 노드(N25) 사이에 연결되고, 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4)이 제1 내지 제4 입력 노드들(N11-N14)와 제1 내지 제4 중간 노드들(N21-N24) 사이에 각각 연결될 수도 있다.
셀 밸런싱 회로(120)는 제1 내지 제5 중간 노드들(N21-N25) 사이에 연결된다. 셀 밸런싱 회로(120)는 제1 내지 제5 중간 노드들(N21-N25) 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제4 밸런싱 회로들을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 밸런싱 회로들은 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4) 및 제1 내지 제4 밸런싱 저항들(Rb1-Rb4)을 각각 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4)은 제어부(150)에 의해 제어된다.
필터링 회로(130)는 제1 내지 제5 중간 노드들(N21-N25)과 제1 내지 제5 출력 노드들(N31-N35) 사이에 연결된다. 필터링 회로(130)는 제1 내지 제5 중간 노드들(N21-N25)과 제1 내지 제5 출력 노드들(N31-N35) 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제5 필터링 저항(Rf1-Rf5) 및 제1 내지 제5 출력 노드들(N31-N35) 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제4 필터링 커패시터(Cf1-Cf4)를 포함한다.
센싱 회로(140)는 선택 회로(142) 및 전압 센싱 회로(144)를 포함할 수 있다. 선택 회로(142)는 제어부(150)의 제어에 따라 제1 내지 제5 출력 노드들(N31-N35) 중에서 2개의 출력 노드를 선택할 수 있다. 선택 회로(142)에 의해 선택되는 2개의 출력 노드는 제1 내지 제5 출력 노드들(N31-N35) 중에서 서로 인접한 출력 노드들일 수 있다. 2개의 출력 노드는 제1 내지 제5 출력 노드들(N31-N35) 중에서 임의로 선택될 수도 있다.
일 예에 따르면, 선택 회로(142)는 제1 및 제2 멀티플렉서 회로들을 포함할 수 있다. 제1 멀티플렉서 회로는 제어부(150)의 제어에 따라서 제1 내지 제4 출력 노드들(N31-N34) 중에서 하나의 출력 노드를 선택하고, 제2 멀티플렉서 회로는 제어부(150)의 제어에 따라서 제2 내지 제5 출력 노드들(N31-N34) 중에서 하나의 출력 노드를 선택할 수 있다. 제1 및 제2 멀티플렉서 회로들이 제어부(150)에 의해 동일하게 제어될 경우, 제1 멀티플렉서 회로에 의해 선택되는 출력 노드와 제2 멀티플렉서 회로에 의해 선택되는 출력 노드는 서로 인접하게 된다.
전압 센싱 회로(144)는 선택 회로(142)에 의해 선택되는 2개의 출력 노드들 사이의 전압값을 센싱할 수 있다. 전압 센싱 회로(144)는 아날로그 디지털 변환 회로를 포함할 수 있다. 전압 센싱 회로(144)는 선택 회로(142)에 의해 선택되는 2개의 출력 노드들 사이의 전압값에 대응하는 전압값 데이터를 제어부(150)에 제공할 수 있다. 제어부(150)는 전압 센싱 회로(144)의 센싱 타이밍을 결정할 수 있다.
제어부(150)는 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4), 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4), 선택 회로(142), 및 전압 센싱 회로(144)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(150)는 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4)를 턴 온 시키고, 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4)을 모두 턴 오프 시키고, 선택 회로(142)를 이용하여 제1 내지 제5 출력 노드들(N31-N35) 중에서 인접한 출력 노드들을 순차적으로 선택하고, 전압 센싱 회로(144)로부터 전압 데이터를 수신함으로써, 제1 내지 제4 배터리 셀들(CELL1-CELL4) 각각의 셀 전압값을 감지할 수 있다.
예를 들면, 제어부(150)는 제1 내지 제4 배터리 셀들(CELL1-CELL4)의 셀 전압값들 중에서 가장 높은 셀 전압과 가장 낮은 셀 전압의 차이가 미리 설정된 기준치보다 클 경우, 가장 높은 셀 전압을 갖는 배터리 셀(CELLj)에 대응하는 밸런싱 스위치(SWbj)를 턴 온 시킴으로써, 가장 높은 셀 전압을 갖는 배터리 셀(CELLj)을 강제로 방전시켜서 셀 전압을 낮출 수 있다. 이러한 방식의 셀 밸런싱 방식은 오로지 예시적이다. 제어부(150)는 미리 저장된 셀 밸런싱 알고리즘에 따라 셀 밸런싱을 수행할 배터리 셀을 결정하고, 셀 밸런싱을 수행할 시간(time period)을 결정할 수 있다.
제어부(150)는 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4), 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4), 선택 회로(142), 및 전압 센싱 회로(144)를 제어하여, 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4), 제1 내지 제4 밸런싱 저항들(Rb1-Rb4), 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4), 제1 내지 제5 필터링 저항들(Rf1-Rf5), 진단 저항(Rd), 및 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4)의 불량 여부를 판정할 수 있다.
제어부(150)는 제1 내지 제4 밸런싱 저항들(Rb1-Rb4) 각각의 초기 저항값, 진단 저항(Rd)의 초기 저항값, 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4)의 초기 커패시턴스값, 및 제1 내지 제5 필터링 저항들(Rf1-Rf5) 각각의 초기 저항값을 저장할 수 있다. 제1 내지 제4 밸런싱 저항들(Rb1-Rb4)은 실질적으로 동일한 저항값을 가질 수 있다. 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4)은 실질적으로 동일한 커패시턴스값을 가질 수 있다. 제1 내지 제5 필터링 저항들(Rf1-Rf5)은 실질적으로 동일한 저항값을 가질 수 있다.
제어부(150)는 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4)과 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4) 각각을 턴 온 또는 턴 오프 시킨 후, 대응하는 출력 노드들의 전압값의 변화를 통해 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4)과 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4) 각각의 불량 여부를 판정할 수 있다.
예를 들면, 제어부(150)는 제1 진단 스위치(SWd1)를 턴 온 또는 턴 오프 시킨 후 제1 및 제2 출력 노드들(N31, N32) 사이에서 감지된 전압값에 기초하여 제1 진단 스위치(SWd1)의 정상 동작 여부를 판정할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 제1 밸런싱 스위치(SWb1)를 턴 온 또는 턴 오프 시킨 후 제1 및 제2 출력 노드들(N31, N32) 사이에서 감지된 전압값에 기초하여 제1 밸런싱 스위치(SWb1)의 정상 동작 여부를 판정할 수 있다.
아래에서는 제어부(150)가 제1 내지 제4 밸런싱 저항들(Rb1-Rb4), 진단 저항(Rd), 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4), 및 제1 내지 제5 필터링 저항들(Rf1-Rf5)의 불량 여부를 판단하는 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라서 밸런싱 저항들의 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 내지 제5 출력 노드들(N31-N35)을 각각 제1 내지 제5 노드(A, B, C, D, E)로 표시하고, 제1 내지 제4 필터링 커패시터(Cf1-Cf4) 양단의 전압을 각각 제1 출력 전압(Vab), 제2 출력 전압(Vbc), 제3 출력 전압(Vcd), 제4 출력 전압(Vde)으로 표시한다.
제어부(150)는 제1 내지 제4 밸런싱 저항들(Rb1-Rb4)에 배터리 셀들(CELL1-CELL4)의 전체 셀 전압(Vcell1+Vcell2+Vcell3+Vcell4)이 균등하게 인가되도록 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4) 및 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-Swb4)을 제어할 수 있다.
도 2의 회로도에서, 제어부(150)는 제4 진단 스위치(SWd4)와 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4)을 턴 온 시키고, 제1 내지 제3 진단 스위치들(SWd1-SWd3)을 턴 오프 시킬 수 있다. 제1 중간 노드(N21)와 제5 중간 노드(N25) 사이에는 배터리 셀들(CELL1-CELL4)의 전체 셀 전압(Vcell1+Vcell2+Vcell3+Vcell4)이 인가된다. 제1 내지 제4 밸런싱 저항들(Rb1-Rb4)는 실질적으로 동일한 저항값을 가지므로, 제1 내지 제4 밸런싱 저항들(Rb1-Rb4)에는 동일한 크기의 전압 강하가 이루어진다. 따라서, 제1 내지 제4 출력 전압(Vab, Vbc, Vcd, Vde)은 실질적으로 동일해야 한다. 제1 내지 제4 출력 전압(Vab, Vbc, Vcd, Vde)이 모두 미리 설정된 오차보다 작은 차이만을 가질 경우, 제어부(150)는 제1 내지 제4 밸런싱 저항(Rb1-Rb4)이 모두 정상이라고 진단할 수 있다.
만약 제1 내지 제4 출력 전압(Vab, Vbc, Vcd, Vde) 중 어느 하나가 다른 출력 전압들에 비해 미리 설정된 오차보다 크거나 작다면, 이에 대응하는 밸런싱 저항(Rbi)에 불량이 발생하였음을 진단할 수 있다. 예컨대, 제1 출력 전압(Vab)이 제2 내지 제4 출력 전압들(Vbc, Vcd, Vde)에 비해 미리 설정된 오차보다 크거나 작을 경우, 제1 밸런싱 저항(Rb1)에 불량이 발생하였다고 진단할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라서 진단 저항의 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 제어부(150)는 제1 진단 스위치(SWd1)를 턴 온 시키고 제2 내지 제4 진단 스위치들(SWd2-SWd4) 및 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4)을 턴 오프 시킬 수 있다. 이 상태에서, 제어부(150)는 제1 출력 전압(Vab)을 감지하여 밸런싱 오프 전압값을 결정할 수 있다. 밸런싱 오프 전압값은 제1 배터리 셀(CELL1)의 셀 전압값(Vcell1)과 동일하다. 밸런싱 오프 전압값은 Vcell1_off로 표시한다.
도 4b를 참조하면, 제어부(150)는 제1 진단 스위치(SWd1)와 제1 밸런싱 스위치(SWb1)를 턴 온 시키고 제2 내지 제4 진단 스위치들(SWd2-SWd4) 및 제2 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb2-SWb4)을 턴 오프 시킬 수 있다. 제1 배터리 셀(CELL1), 진단 저항(Rd), 및 제1 밸런싱 저항(Rb1)을 통해 전류 경로가 형성되며, 진단 전류(Idg)가 흐르게 된다. 이 상태에서, 제어부(150)는 제1 출력 전압(Vab)을 감지하여 밸런싱 온 전압값을 결정할 수 있다. 밸런싱 온 전압값은 제1 배터리 셀(CELL1)의 셀 전압이 제1 밸런싱 저항(Rb1)에 의해 전압 강하된 크기와 동일하다. 밸런싱 온 전압값은 Vcell1_on으로 표시한다.
진단 저항(Rd)의 양단 전압값(Vrd)은 진단 저항(Rd)과 진단 전류(Idg)의 곱으로 표현할 수 있으며, 밸런싱 오프 전압값(Vcell1_off)에서 밸런싱 온 전압값(Vcell1_on)을 뺀 값과 동일하다. 즉, Vrd = Rd * Idg = Vcell1_off - Vcell1_on이다.
진단 전류(Idg)는 밸런싱 온 전압값(Vcell1_on)을 제1 밸런싱 저항(Rb1)으로 나눈 값, 즉, Vcell1_on / Rb1과 동일하다. 따라서, 진단 저항(Rd)의 저항값은 Rd = (Vcell1_off - Vcell1_on) / Idg = (Vcell1_off - Vcell1_on) * Rb1 / Vcell1_on와 같이 산출될 수 있다.
제어부(150)는 도 3의 방법을 이용하여 제1 밸런싱 저항(Rb1)이 정상임을 확인할 수 있고, 도 4a의 방법을 이용하여 밸런싱 오프 전압값(Vcell1_off)을 감지할 수 있고, 도 4b의 방법을 이용하여 밸런싱 온 전압값(Vcell1_on)을 감지할 수 있다. 따라서, 제어부(150)는 위의 수식과 같이 진단 저항(Rd)의 저항값을 산출할 수 있으며, 진단 저항(Rd)의 초기 저항값과 비교하여 진단 저항(Rd)에 불량이 발생하였는지의 여부를 진단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서 필터링 커패시터들의 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제어부(150)는 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4)에 배터리 셀들(CELL1-CELL4)의 전체 셀 전압(Vcell1+Vcell2+Vcell3+Vcell4)이 균등하게 인가되도록 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4) 및 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-Swb4)을 제어할 수 있다.
도 2의 회로도에서, 제어부(150)는 제4 진단 스위치(SWd4)를 턴 온 시키고, 제1 내지 제3 진단 스위치들(SWd1-SWd3) 및 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4)을 턴 오프 시킬 수 있다. 제1 출력 노드(N31)와 제5 출력 노드(N35) 사이에는 배터리 셀들(CELL1-CELL4)의 전체 셀 전압(Vcell1+Vcell2+Vcell3+Vcell4)이 인가된다. 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4)은 실질적으로 동일한 커패시턴스값을 가지므로, 제1 내지 제4 출력 전압(Vab, Vbc, Vcd, Vde)은 실질적으로 동일해야 한다. 제1 내지 제4 출력 전압(Vab, Vbc, Vcd, Vde)이 모두 미리 설정된 오차보다 작은 차이만을 가질 경우, 제어부(150)는 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4)이 모두 정상이라고 진단할 수 있다.
만약 제1 내지 제4 출력 전압(Vab, Vbc, Vcd, Vde) 중 어느 하나가 다른 출력 전압들에 비해 미리 설정된 오차보다 크거나 작다면, 이에 대응하는 필터링 커패시터(Cfi)에 불량이 발생하였음을 진단할 수 있다. 예컨대, 제1 출력 전압(Vab)이 제2 내지 제4 출력 전압들(Vbc, Vcd, Vde)에 비해 미리 설정된 오차보다 크거나 작을 경우, 제1 필터링 커패시터(Cf1)에 불량이 발생하였다고 진단할 수 있다.
제어부(150)가 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4)이 모두 정상이라고 진단한 경우, 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4) 각각에는 배터리 셀들(CELL1-CELL4)의 평균 셀 전압(Vav)에 대응하는 전하가 저장된다고 가정한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따라서 필터링 저항들의 불량 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5와 함께 도 6a를 참조하면, 제어부(150)는 도 5와 같이 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4) 각각에 배터리 셀들(CELL1-CELL4)의 평균 셀 전압(Vav)에 대응하는 전하를 저장할 수 있으며, 이때의 제1 내지 제4 출력 전압(Vab, Vbc, Vcd, Vde)의 전압값을 저장할 수 있다.
제어부(150)는 제1 내지 제4 밸런싱 스위치들(SWb1-SWb4) 및 제1 내지 제4 진단 스위치들(SWd1-SWd4)을 모두 턴 오프 시킨 후, 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 밸런싱 스위치(SWb1)만 턴 온 시킬 수 있다.
제1 필터링 커패시터(Cf1)에 저장된 전하는 제1 및 제2 필터링 저항(Rf1, Rf2) 및 제1 밸런싱 저항(Rb1)을 통해 흐르는 방전 전류(Idc)로 방전된다. 이때, 제1 필터링 커패시터(Cf1) 양단의 전압값(Vcf1)은 Vcf1 = Vav e-t/τ에 따라 감소한다. 여기서 τ는 시정수로서, τ = (Rb1 + Rf1 + Rf2) * Cf1와 같다. 제어부(150)는 제1 및 제2 필터링 저항(Rf1, Rf2) 및 제1 밸런싱 저항(Rb1)의 초기 저항값들 및 제1 필터링 커패시터(Cf1)의 초기 커패시턴스값을 기초로 시정수(τ)의 값을 미리 산출하여 저장할 수 있다.
제어부(150)는 제1 밸런싱 스위치(SWb1)를 턴 온 시키고 미리 설정된 시간(td)이 경과한 후에 제1 출력 전압값(Vab)을 감지할 수 있다. 일 예에 따르면, 미리 설정된 시간(td)은 시정수(τ)와 동일하게 설정될 수 있다. 이 경우, 제1 출력 전압값(Vab)은 Vab = e-1 * Vav ≒ 0.368 Vav이다. 제어부(150)는 초기 전압값(Vav)에 0.368을 곱한 값을 제1 출력 전압값(Vab)과 비교하여 제1 및 제2 필터링 저항(Rf1, Rf2)에 불량이 발생하였는지의 여부를 판단할 수 있다.
만약 제1 출력 전압값(Vab)이 초기 전압값(Vav)에 0.368을 곱한 값과 미리 설정된 오차 범위 내의 차이만을 갖는다면, 제어부(150)는 제1 및 제2 필터링 저항(Rf1, Rf2)이 정상이라고 진단할 수 있다. 그러나, 제1 출력 전압값(Vab)이 초기 전압값(Vav)에 0.368을 곱한 값에 비해 미리 설정된 오차보다 크거나 작다면, 제어부(150)는 제1 및 제2 필터링 저항(Rf1, Rf2) 중 적어도 하나에 불량이 발생하였다고 진단할 수 있다.
미리 설정된 시간(td)은 예컨대, 5ms, 10ms, 20ms, 50ms, 100ms 등과 같은 값으로 설정될 수도 있다. 제어부(150)는 초기 전압값(Vav)에 e-td/τ에 을 곱한 값을 제1 출력 전압값(Vab)과 비교할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 제어부(150)는 도 6b에 도시된 바와 같이, 제2 밸런싱 스위치(SWb2)만 턴 온 시킬 수 있다.
제2 필터링 커패시터(Cf2)에 저장된 전하는 제2 및 제3 필터링 저항(Rf2, Rf3) 및 제2 밸런싱 저항(Rb2)을 통해 흐르는 방전 전류(Idc)로 방전된다. 이때, 제2 필터링 커패시터(Cf2) 양단의 전압값(Vcf2)은 Vcf2 = Vav e-t/τ에 따라 감소한다. 여기서 τ는 시정수로서, τ = (Rb2 + Rf2 + Rf3) * Cf2와 같다. 제어부(150)는 제2 및 제3 필터링 저항(Rf2, Rf3) 및 제2 밸런싱 저항(Rb2)의 초기 저항값들 및 제2 필터링 커패시터(Cf2)의 초기 커패시턴스값을 기초로 시정수(τ)의 값을 미리 산출하여 저장할 수 있다.
제어부(150)는 제2 밸런싱 스위치(SWb2)를 턴 온 시키고 미리 설정된 시간(td)이 경과한 후에 제2 출력 전압값(Vbc)을 감지할 수 있다. 일 예에 따르면, 미리 설정된 시간(td)은 시정수(τ)와 동일하게 설정될 수 있다.
만약 제2 출력 전압값(Vbc)이 초기 전압값(Vav)에 e-td/τ을 곱한 값과 미리 설정된 오차 범위 내의 차이만을 갖는다면, 제어부(150)는 제2 및 제3 필터링 저항(Rf2, Rf3)이 정상이라고 진단할 수 있다. 이 경우, 만약 제어부(150)가 도 6a의 방법에 따라 제1 및 제2 필터링 저항(Rf1, Rf2) 중 적어도 하나에 불량이 발생하였다고 진단하였다면, 제어부(150)는 제1 필터링 저항(Rf1)에 불량이 발생하였음을 정확히 진단할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 제1 밸런싱 스위치(SWb1)를 턴 온 시키고 미리 설정된 시간(td)이 경과한 후에 감지한 제1 출력 전압값(Vab)을 기초로 제1 필터링 저항(Rf1)의 불량에 의해 변경된 시정수(τc)를 계산하고, 변경된 시정수(τc)를 기초로 제1 필터링 저항(Rf1)의 저항값을 산출할 수도 있다.
제2 출력 전압값(Vbc)이 초기 전압값(Vav)에 e-td/τ을 곱한 값에 비해 미리 설정된 오차보다 크거나 작다면, 제어부(150)는 제2 및 제3 필터링 저항(Rf2, Rf3) 중 적어도 하나에 불량이 발생하였다고 진단할 수 있다. 필터링 회로(130) 내의 소자들 중에서 어느 한 소자에 불량이 발생할 가능성이 둘 이상의 소자에 불량이 발생할 가능성보다 상당히 높기 때문에, 만약 제어부(150)가 도 6a의 방법에 따라 제1 및 제2 필터링 저항(Rf1, Rf2) 중 적어도 하나에 불량이 발생하였다고 진단하였다면, 제어부(150)는 제2 필터링 저항(Rf2)에 불량이 발생하였다고 추정할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 제어부(150)는 도 6c에 도시된 바와 같이, 제3 밸런싱 스위치(SWb3)만 턴 온 시킬 수 있다. 제어부(150)는 제3 밸런싱 스위치(SWb3)를 턴 온 시키고 미리 설정된 시간(td)이 경과한 후에 제3 출력 전압값(Vcd)을 감지할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제어부(150)는 도 6a, 도6b, 도 6c에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 밸런싱 스위치(SWb1-SWb4) 중 하나를 순차적으로 턴 온 시키고 미리 설정된 시간(td)이 경과한 후에 제1 내지 제4 출력 전압값(Vab, Vbc, Vcd, Vde) 중 대응하는 출력 전압값을 감지할 수 있다. 미리 설정된 시간(td)이 동일하다면, 도 5와 같이 제1 내지 제4 필터링 커패시터들(Cf1-Cf4) 각각에 배터리 셀들(CELL1-CELL4)의 평균 셀 전압(Vav)에 대응하는 전하가 저장되어 있었으므로, 제1 내지 제4 출력 전압값(Vab, Vbc, Vcd, Vde)은 실질적으로 동일해야 한다.
제어부(150)는 미리 설정된 시간(td)이 경과한 후에 감지된 제1 내지 제4 출력 전압값들(Vab, Vbc, Vcd, Vde)을 기초로 제1 내지 제5 필터링 저항들(Rf1-Rf5)의 불량 여부를 진단할 수 있다.
예를 들면, 제1 출력 전압값(Vab)이 제2 내지 제4 출력 전압값들(Vbc, Vcd, Vde)에 비해 오차 범위 밖에서 높다면 제1 필터링 저항(Rf1)에 불량이 발생한 것으로 진단할 수 있다. 제1 및 제2 출력 전압값(Vab, Vbc)이 제3 내지 제4 출력 전압값들(Vcd, Vde)에 비해 오차 범위 밖에서 높다면 제2 필터링 저항(Rf2)에 불량이 발생한 것으로 진단할 수 있다. 이러한 방법에서는 제어부(150)가 초기 전압값(Vav)에 e-td/τ을 곱한 값을 산출하지 않아도 된다.
본 명세서에 도시되고 설명된 특정 구현예들은 설명을 위한 예들이며, 어떠한 방식으로도 실시예들의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것이며, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가적인 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 구현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같은 구체적인 언급이 없다면, 필수 구성 요소로 간주되지 않는다.
실시예들(특히 특허청구범위)을 기술함에 있어서, "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 실시예들에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예들의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
예시적인 실시예들이 본 명세서에 제시되었으며, 특정 용어들이 사용되었을 지라도, 이 용어들은 한정을 목적으로 사용한 것이 아니며 일반적이고 설명을 위한 것으로 해석되어야 한다. 일부 예들에서, 본 출원의 출원 시의 당업자들에게 자명하겠지만, 특정 실시예와 관련하여 설명되는 특징들, 및/또는 구성요소들은 구체적으로 다르게 기재되어 있지 않는 한, 단독으로 사용될 수도 있고, 다른 실시예들과 관련하여 설명되는 특징들, 및/또는 구성요소들과 함께 사용될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 배터리 관리 장치
110: 진단 회로
120: 셀 밸런싱 회로
130: 필터링 회로
140: 센싱 회로
150: 제어부

Claims (13)

  1. 복수의 입력 노드들 사이에 연결되는 복수의 배터리 셀들을 관리하기 위한 배터리 관리 장치로서,
    복수의 중간 노드들 사이에 연결되는 복수의 밸런싱 회로들;
    복수의 출력 노드들 사이에 연결되는 복수의 필터링 커패시터들;
    상기 복수의 중간 노드들과 상기 복수의 출력 노드들 사이에 연결되는 복수의 필터링 저항들;
    상기 복수의 입력 노드들 중에서 제1 입력 노드와 상기 복수의 중간 노드들 중에서 상기 제1 입력 노드에 대응하는 제1 중간 노드 사이에 연결되는 진단 저항; 및
    상기 복수의 입력 노드들 중에서 나머지 입력 노드들과 상기 복수의 중간 노드들 중에서 나머지 중간 노드들 사이에 연결되는 복수의 진단 스위치들을 포함하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 출력 노드들 중에서 2개의 출력 노드를 선택하는 선택 회로; 및
    상기 2개의 출력 노드들 사이의 전압값에 대응하는 전압값 데이터를 출력하는 전압 센싱 회로를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 선택 회로 및 상기 전압 센싱 회로를 제어하여 상기 복수의 배터리 셀들 각각의 셀 전압값을 감지하고, 상기 복수의 배터리 셀들 각각의 셀 전압값에 기초하여 상기 복수의 밸런싱 회로들을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 밸런싱 회로들 각각은 직렬로 연결되는 밸런싱 스위치 및 밸런싱 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 출력 노드들 중에서 선택되는 2개의 출력 노드 사이의 전압값을 감지하는 센싱 회로를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 진단 스위치들, 상기 복수의 밸런싱 스위치들, 및 상기 센싱 회로를 제어하여, 상기 복수의 밸런싱 스위치들, 상기 복수의 밸런싱 저항들, 상기 복수의 필터링 커패시터들, 상기 복수의 필터링 저항들, 상기 진단 저항, 및 상기 복수의 진단 스위치들의 불량 여부를 판정하도록 구성되는 제어부를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  7. 제1 내지 제(n+1) 입력 노드들 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제n 배터리 셀들을 관리하기 위한 배터리 관리 장치로서,
    제1 내지 제(n+1) 중간 노드들 사이에 각각 직렬로 연결되는 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들과 제1 내지 제n 밸런싱 저항들;
    제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제n 필터링 커패시터들;
    상기 제1 내지 제(n+1) 입력 노드들과 상기 제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제(n+1) 필터링 저항들;
    상기 제1 입력 노드와 상기 제1 중간 노드 사이에 연결되는 진단 저항;
    상기 제2 내지 제(n+1) 입력 노드들과 상기 제2 내지 제(n+1) 중간 노드들 사이에 각각 연결되는 제1 내지 제n 진단 스위치들;
    상기 제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 중에서 선택되는 2개의 출력 노드 사이의 전압값을 감지하는 센싱 회로; 및
    상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들, 상기 제1 내지 제n 진단 스위치들, 및 상기 센싱 회로를 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 관리 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 내지 제n 밸런싱 저항들 각각의 초기 저항값, 상기 제1 내지 제n 필터링 커패시터들 각각의 초기 커패시턴스값, 상기 제1 내지 제(n+1) 필터링 저항들 각각의 초기 저항값, 및 상기 진단 저항의 초기 저항값을 저장하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들, 상기 제1 내지 제n 진단 스위치들, 및 상기 센싱 회로를 제어하여, 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들, 상기 제1 내지 제n 밸런싱 저항들, 상기 제1 내지 제n 필터링 커패시터들, 상기 제1 내지 제(n+1) 필터링 저항들, 상기 진단 저항, 및 상기 제1 내지 제n 진단 스위치들의 불량 여부를 판정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제n 진단 스위치 및 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들을 턴 온 시키고 상기 제1 내지 제(n-1) 진단 스위치들을 턴 오프 시킨 상태에서 감지되는 상기 제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 간의 전압값들에 기초하여 상기 제1 내지 제n 밸런싱 저항들의 불량 여부를 판정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 진단 스위치를 턴 온 시키고 상기 제2 내지 제n 진단 스위치들 및 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들을 턴 오프 시킨 상태에서 감지되는 상기 제1 내지 제2 출력 노드들 간의 밸런싱 오프 전압값, 및 상기 제1 진단 스위치 및 제1 밸런싱 스위치를 턴 온 시키고 상기 제2 내지 제n 진단 스위치들 및 상기 제2 내지 제n 밸런싱 스위치들을 턴 오프 시킨 상태에서 감지되는 상기 제1 내지 제2 출력 노드들 간의 밸런싱 온 전압값에 기초하여, 상기 진단 저항의 불량 여부를 판정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제n 진단 스위치를 턴 온 시키고 상기 제1 내지 제(n-1) 진단 스위치들 및 상기 제1 내지 제n 밸런싱 스위치들을 턴 오프 시킨 상태에서 감지되는 상기 제1 내지 제(n+1) 출력 노드들 간의 전압값들에 기초하여 상기 제1 내지 제n 필터링 커패시터들의 불량 여부를 판정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  13. 제7 항에 있어서,
    상기 제어부는 전하가 충전된 상기 제i 필터링 커패시터에 대응하는 상기 제i 밸런싱 스위치를 턴 온 시킨 후, 미리 설정된 시간 후에 감지되는 제i 및 제(i+1) 출력 노드들 간의 전압값을 기초로 상기 제i 및 제(i+1) 필터링 저항들의 불량 여부를 판정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
KR1020200023001A 2020-02-25 2020-02-25 배터리 관리 장치 KR102368977B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200023001A KR102368977B1 (ko) 2020-02-25 2020-02-25 배터리 관리 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200023001A KR102368977B1 (ko) 2020-02-25 2020-02-25 배터리 관리 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210108149A KR20210108149A (ko) 2021-09-02
KR102368977B1 true KR102368977B1 (ko) 2022-03-02

Family

ID=77794314

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200023001A KR102368977B1 (ko) 2020-02-25 2020-02-25 배터리 관리 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102368977B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014064404A (ja) 2012-09-21 2014-04-10 Yazaki Corp 電圧検出装置及び均等化装置
KR101619483B1 (ko) * 2014-12-15 2016-05-10 현대오트론 주식회사 배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법
JP2016152720A (ja) 2015-02-18 2016-08-22 三菱電機株式会社 セルバランス回路及びその故障診断装置
JP2019169471A (ja) * 2019-04-24 2019-10-03 日立オートモティブシステムズ株式会社 電池システム監視装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101256952B1 (ko) * 2010-03-05 2013-04-25 주식회사 엘지화학 셀 밸런싱부의 고장 진단 장치 및 방법
KR102044808B1 (ko) * 2013-04-17 2019-11-15 엘지이노텍 주식회사 배터리 제어 시스템 및 그의 구동 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014064404A (ja) 2012-09-21 2014-04-10 Yazaki Corp 電圧検出装置及び均等化装置
KR101619483B1 (ko) * 2014-12-15 2016-05-10 현대오트론 주식회사 배터리 전압 측정회로의 진단 장치 및 그 방법
JP2016152720A (ja) 2015-02-18 2016-08-22 三菱電機株式会社 セルバランス回路及びその故障診断装置
JP2019169471A (ja) * 2019-04-24 2019-10-03 日立オートモティブシステムズ株式会社 電池システム監視装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210108149A (ko) 2021-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102150147B1 (ko) 배터리 모듈 균등화 장치 및 방법
JP6627635B2 (ja) 電圧測定装置および電圧測定方法、並びに電圧制御装置および電圧制御方法
JP5169491B2 (ja) 組電池監視装置及び組電池用配線の断線検出方法
US7288919B2 (en) Voltage balance circuit, voltage detective circuit, voltage balancing method, and voltage detecting method
JP5989620B2 (ja) 組電池モジュール及び断線検出方法
US10901036B2 (en) Assembled battery monitoring system
US8836340B2 (en) Assembled battery system and failure detection method of assembled battery system
US8421413B2 (en) Battery fault detection apparatus
EP2741093A1 (en) Ground fault detection device, ground fault detection method, solar energy system, and ground fault detection program
US10502790B2 (en) Battery internal resistance measuring device having a differential value calculating unit to treat two adjacent first voltage sampling values with first slope value calculation
EP2190055A1 (en) Battery device comprising a voltage detection and control circuit
JP5910889B2 (ja) 蓄電システム
CN108432082B (zh) 一种使用仅一个开关进行的连通性检查的方法和装置
WO2011036867A1 (ja) 断線検知回路、及び電池電源装置
JP5310646B2 (ja) フライングキャパシタ式組電池電圧検出回路の駆動方法
US20220311065A1 (en) Device and method for monitoring at least three battery cells of a battery
JP6518082B2 (ja) 電圧検出装置、電圧検出方法および組電池システム
US20150380774A1 (en) Battery state monitoring circuit and battery device
JP2012220344A (ja) セル電圧測定装置
WO2018147091A1 (ja) 均等化制御装置及び車載用電源装置
KR102368977B1 (ko) 배터리 관리 장치
US20050206364A1 (en) Apparatus and method for switch control, and voltage measuring device
JP2017219430A (ja) 電池システム
JP6507989B2 (ja) 電池監視装置
US20230138164A1 (en) Method for analyzing the contact assignment of a contact element of a cell module for a vehicle battery and module charger having a diagnosis function for the contact assignment of a contact element

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant