KR102474573B1 - 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로 및 이를 구비한 배터리 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 팩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 대응되고, 상기 배터리 셀의 상태를 모니터링하거나 방전을 제어하도록 구성된 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에 있어서, 상기 배터리 셀의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하는 셀상태측정부; 상기 셀상태측정부와는 별도로 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 보조 셀전압측정부; 상기 셀상태측정부 및 보조 셀전압측정부의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기; 갈바닉 절연 방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성된 송신단 및 수신단; 및 사전설정된 통신규약에 따라 상기 송신단 및 수신단을 제어하여 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로 및 이를 구비한 배터리 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 팩을 개시한다.
이에 따라, 본 발명은, 배터리 셀마다 구비되고, 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 해당 배터리 셀의 상태를 측정 또는 모니터링하거나, 상태를 제어함으로써, 배터리 시스템의 구성 시에 배선을 간소화하고 유지보수의 효율성 뿐만 아니라 측정의 정확도와 제품의 안전성을 높일 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 본 발명은, 배터리 셀마다 구비되고, 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 해당 배터리 셀의 상태를 측정 또는 모니터링하거나, 상태를 제어함으로써, 배터리 시스템의 구성 시에 배선을 간소화하고 유지보수의 효율성 뿐만 아니라 측정의 정확도와 제품의 안전성을 높일 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로 및 이를 구비한 배터리 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명에서 제안하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는 배터리 셀마다 구비되어 해당 배터리 셀의 전압과 온도를 측정, 모니터하는 기능과 방전 등과 같은 상태 제어 명령을 수행하는 것을 최소의 기능으로 함에 있어, 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 통신한다. 높은 안전도가 요구되는 응용에서 해당 배터리 셀의 전압을 이중으로 측정 및 모니터하고 이 결과를 갈바닉 절연 방식으로 외부유닛과 통신하는 것을 특징으로 한다.
리튬-이온 배터리는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기 차량, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)이나 무정전 전원 공급 장치 등의 에너지 저장 장치로서 보편적으로 응용되고 있다.
휴대용 기기에 적용되는 소용량의 배터리와는 달리, 전기 차량이나 에너지 저장 시스템에 적용되는 중대형 이상의 배터리인 경우에는 통상적으로 복수의 배터리 셀을 직렬 또는 직·병렬로 연결하여 고용량의 배터리를 구현하여 사용하게 된다.
이와 같은 고용량의 배터리는 직렬 또는 직·병렬로 연결된 복수의 배터리 셀과, 배터리 셀의 전압 및 온도 등 배터리 셀의 적어도 하나 이상의 파라미터를 모니터링하고 이를 기반으로 배터리의 밸런싱을 제어하는 배터리 모니터링 유닛(BMU, Battery monitoring unit)을 포함하는 배터리 팩 또는 배터리 모듈로 구현될 수 있다.
다른 실시 예로서, 배터리 팩에 복수의 배터리 모듈이 탑재하여 배터리 팩을 구성하고, 제어 레벨에 따라 배터리 모듈 및 배터리 팩을 각각 모니터링 및 제어하는 BMU로서 각각 슬레이브 BMU 및 마스터 BMU를 둘 수 있다. 여기에서, 배터리 셀과 직접 전기적으로 연결되는 슬레이브 BMU를 셀 모니터링 유닛(CMU, Cell Monitoring Unit)라 하고, 슬레이브 BMU를 제어하여 배터리 팩 내의 배터리 셀을 모니터링하고 관리하는 마스터 BMU는 BMU로 정의한다.
종래의 고용량 배터리 시스템은 용량에 따라 수십 내지는 수백개의 배터리 셀로 구성되는바, 충방전 전류가 흐르는 전력선과 배터리 셀의 모니터링 및 셀 밸런싱을 위한 셀 측정배선(WCM, Wire Harness for Cell Measurement) 및 통신배선(WDC, Wire Harness for Data Communication)이 복잡하여 조립성에 기반한 생산성, 용량의 확장성을 떨어뜨리는 주요 요인이 되고 있다.
또한, 배선이 복잡하고 하나의 CMU로 여러 개의 배터리 셀이 모니터링되는 구조로 인하여 특정 배터리 셀의 불량 또는 고장 시에 해당 배터리 셀만을 교환하는 것이 곤란하여 배터리 시스템의 유지보수에 많은 비용과 시간이 투여되는 문제가 있다.
또한, 배터리 셀의 파라미터, 특히 셀전압을 모니터링하는 데에 장애가 생겼을 때에는 셀 간 밸런싱이 되지 않아 배터리 용량이 저하되는 문제가 발생하거나, 과전압 또는 과방전에 의한 폭발/화재가 발생하여 제품의 안전성이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 종래에는 배터리 셀과 배터리 셀의 파라미터를 측정하는 CMU 사이의 배선 길이가 긺에도 불구하고 차동 신호 라인으로 측정할 수 없는 환경이기 때문에 정밀한 아날로그 신호가 전달되는 셀 측정배선에 주변 전자기파 노이즈 등에 의하여 측정의 정확도가 쉽게 열화될 수 있는 한계가 있다. 결과적으로 종래의 배터리 시스템에서는 CMU가 가지는 최대의 측정 정밀도를 전혀 활용할 수 없는 문제가 있다. 또한, 주변의 전자기파 노이즈는 CMU의 통신 품질과 성능에도 영향을 주어 통신 속도를 높일 수 없고 통신 데이터 효율이 크게 떨어지는 단점이 존재한다.
따라서 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배터리 셀마다 구비되고, 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 해당 배터리 셀의 상태를 측정 또는 모니터링하거나, 상태를 제어함으로써, 배터리 시스템의 구성 시에 배선을 간소화하고 유지보수의 효율성 뿐만 아니라 측정의 정확도와 제품의 안전성을 높일 수 있는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로 및 이를 구비한 배터리 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는, 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 대응되어 마련되고, 상기 배터리 셀의 상태를 모니터링하거나 방전을 제어하도록 구성된 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에 있어서, 상기 배터리 셀의 양단의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하는 셀상태측정부; 상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 양단의 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 보조 셀전압측정부; 상기 셀상태측정부 및 보조 셀전압측정부의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기; 광신호를 이용한 광학적 통신방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성되되, 대응하는 수신수단 및 송신수단과 별도로 분리되어 마련되는 송신단 및 수신단; 및 사전설정된 통신규약에 따라 상기 송신단 및 수신단을 제어하여 외부유닛과 광학적 통신방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부를 포함하고, 상기 보조 셀전압측정부는, 상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정 또는 모니터링하되, 상기 외부유닛에 의한 제어 명령에 상관없이 독립적으로 수행가능하고, 상기 셀상태측정부에 장애가 발생하더라도 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하거나 모니터링하는 기능을 수행하도록 구성되고, 상기 싱글-셀 배터리 모니터링 회로의 적어도 일부는 저전압 반도체 공정에 의하여 반도체 집적회로로 구현이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 셀상태측정부는, 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하여 셀전압 데이터를 생성하는 셀전압측정부; 및 상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 출력하는 온도센서와, 상기 온도 감지신호에 따라 상기 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 생성하는 셀온도측정부가 구비되는 셀온도 감지회로를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 셀상태측정부는, 상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 출력하는 온도센서; 상기 온도 감지신호와 상기 배터리 셀의 셀전압 중 어느 하나를 선택하도록 제어되는 신호선택부; 및 상기 신호선택부의 선택에 따라 상기 배터리 셀의 셀전압에 대응하는 셀전압 데이터와 상기 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 선택적으로 생성하도록 제어되는 신호측정부를 포함할 수 있다.
상기 온도센서는, 상기 셀상태측정부와 함께 하나의 집적회로 내에 구현될 수 있다.
삭제
상기 보조 셀전압측정부는, 상기 셀전압과 적어도 하나 이상의 비교 기준값을 비교하는 비교기를 포함하고, 상기 비교기의 비교결과를 이용하여 상기 셀전압의 상태를 모니터링할 수 있다.
상기 셀상태측정부는, 상기 셀전압을 측정하여 제1 셀전압 데이터를 생성하는 제1 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 포함하고, 상기 보조 셀전압측정부는, 상기 제1 ADC와 별도로 상기 셀전압을 측정하여 제2 셀전압 데이터를 생성하는 제2 ADC를 이용하여 상기 셀전압을 측정 또는 모니터링할 수 있다.
상기 제1 ADC는, 제1 기준 전압 및 제1 클럭 신호에 따라 상기 제1 셀전압 데이터를 생성하고, 상기 제2 ADC는, 제2 기준 전압 및 제2 클럭 신호에 따라 상기 제2 셀전압 데이터를 생성하고, 상기 제1 및 제2 기준 전압은 별개의 회로에 의하여 서로 독립적으로 생성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 클럭 신호는 별개의 회로에 의하여 서로 독립적으로 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는, 상기 배터리 셀의 셀 밸런싱 또는 방전을 위하여 상기 배터리 셀의 방전동작을 수행하도록 제어되는 방전부를 더 포함할 수 있다.
삭제
상기 송신단 및 수신단은, 상기 셀상태측정부, 보조 셀전압측정부 및 제어기와 별개의 패키지로 패키징될 수 있다.
상기 송신단 및 수신단은, 서로 별개의 패키지로 패키징될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 배터리 유닛은, 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하고, 외부유닛과 광신호를 이용한 광학적 통신방식으로 통신하도록 구성되는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 배터리 유닛을 적어도 둘 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 유닛을 적어도 둘 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로는, 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 대응되어 마련되고, 상기 배터리 셀의 상태를 모니터링하거나 방전을 제어하도록 구성된 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로로서, 상기 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀의 양단의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하는 셀상태측정부; 상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 양단의 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 보조 셀전압측정부; 상기 셀상태측정부 및 보조 셀전압측정부의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기; 및 광신호를 이용한 광학적 통신방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성되되, 각각 대응하는 수신수단 및 송신수단과 별도로 분리되어 마련되는 송신단 및 수신단을 사전설정된 통신규약에 따라 제어하여 외부유닛과 광학적 통신방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부를 포함하고, 상기 셀상태측정부는, 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하여 셀전압 데이터를 생성하는 셀전압측정부; 및 온도센서로부터 상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 제공받고, 상기 온도 감지신호에 따라 상기 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 생성하는 셀온도측정부가 구비되는 셀온도 감지회로를 포함하여 구성되고, 상기 보조 셀전압측정부는, 상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정 또는 모니터링하되, 상기 외부유닛에 의한 제어 명령에 상관없이 독립적으로 수행가능하고, 상기 셀상태측정부에 장애가 발생하더라도 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하거나 모니터링하는 기능을 수행하도록 구성되고, 상기 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로는 저전압 반도체 공정에 의하여 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로는, 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 대응되어 마련되고, 상기 배터리 셀의 상태를 모니터링하거나 방전을 제어하도록 구성된 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로로서, 상기 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀의 양단의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하는 셀상태측정부; 상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 양단의 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 보조 셀전압측정부; 상기 셀상태측정부 및 보조 셀전압측정부의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기; 및 광신호를 이용한 광학적 통신방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성되되, 각각 대응하는 수신수단 및 송신수단과 별도로 분리되어 마련되는 송신단 및 수신단을 사전설정된 통신규약에 따라 제어하여 외부유닛과 광학적 통신방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부를 포함하고, 상기 셀상태측정부는, 온도센서로부터 상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 제공받고, 상기 온도 감지신호와 상기 배터리 셀의 셀전압 중 어느 하나를 선택하도록 제어되는 신호선택부; 및 상기 신호선택부의 선택에 따라 상기 배터리 셀의 셀전압에 대응하는 셀전압 데이터와 상기 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 선택적으로 생성하도록 제어되는 신호측정부를 포함하고, 상기 보조 셀전압측정부는, 상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정 또는 모니터링하되, 상기 외부유닛에 의한 제어 명령에 상관없이 독립적으로 수행가능하고, 상기 셀상태측정부에 장애가 발생하더라도 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하거나 모니터링하는 기능을 수행하도록 구성되고, 상기 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로는 저전압 반도체 공정에 의하여 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로는, 상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 상기 온도 감지신호를 출력하는 상기 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛은, 배터리 셀마다 구비되어 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 해당 배터리 셀의 상태를 측정 또는 모니터링하거나 상태를 제어함으로써, 배터리 시스템의 구성 시에 배선을 간소화하여 조립성 및 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛은, 배터리 셀마다 구비되기 때문에 배터리 셀의 불량 또는 고장 시에 해당 배터리 셀만을 교환할 수 있게 되어 배터리 시스템의 유지보수에 많은 비용과 시간을 절약하여 유지보수의 효율성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛은, 추가적인 셀전압 측정회로를 구비하여 셀전압 모니터링에 장애가 생기더라도 셀 밸런싱, 과전압 및 과방전에 따른 용량 저하, 폭발 및 화재 발생을 방지하여 제품의 신뢰성 및 안전성을 담보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛은, 배터리 셀에 근접배치되어 셀전압 및 셀전류와 같은 파라미터를 측정하는바 측정치의 정확도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛은, 광을 이용하여 외부유닛과의 통신을 수행함으로써 주변 전자기파 노이즈에 의하여 배터리 팩 내의 BMU 간에 발생할 수 있는 제어 또는 통신 오류를 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛의 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 보조 셀전압측정부의 구현예를 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 온도센서가 셀상태측정부와 집적회로로 온칩(on-chip)화된 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 셀전압 및 셀온도 측정회로를 통합한 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 신호선택부와 신호측정부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 본 발명의 다른 실시예에서 온도센서가 셀상태측정부와 집적회로로 온칩(on-chip)화된 구성을 도시한 블록도이다.
도 7은 종래 기술에 따른 배터리 시스템의 대표적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 보조 셀전압측정부의 구현예를 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 온도센서가 셀상태측정부와 집적회로로 온칩(on-chip)화된 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 셀전압 및 셀온도 측정회로를 통합한 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 신호선택부와 신호측정부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 본 발명의 다른 실시예에서 온도센서가 셀상태측정부와 집적회로로 온칩(on-chip)화된 구성을 도시한 블록도이다.
도 7은 종래 기술에 따른 배터리 시스템의 대표적인 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 상세한 설명은 예시적인 것에 지나지 않으며, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것에 불과하다.
본 발명과 관련한 용어를 다음과 같이 정의하기로 한다.
갈바닉 절연(Galvanic Isolation)은, 둘 이상의 전기 회로가 통신은 하되, 원치않는 DC 전류는 블로킹하는 회로 기법을 말한다. 구체적으로는, 자기 유도, 정전 용량, 광학 신호, 전자기파, 또는 음향 신호를 이용하여 구현될 수 있다. 이를 이용하여 기준 전위가 다른 시스템 간에 통신 경로를 형성하거나, 그라운드를 공유하는 시스템 간에 그라운드 루프에 의하여 원하지 않는 전류가 흐르는 것을 방지하는 효과가 있다.
멀티-셀 배터리 모니터링 회로(MCBMC, Multi-Cell Battery Monitoring Circuit)은, 복수의 직렬 연결된 배터리 셀들에 전기적으로 직접 연결되어 해당 셀들의 상태 측정/모니터/방전 기능, 및 외부유닛과의 통신 기능을 수행할 수 있는 회로이다. 이 구성의 적어도 일부는 멀티-셀 배터리 모니터링 IC(MCBMIC)로 구현될 수 있다.
멀티-셀 배터리 모니터링 IC(MCBMIC, Multi-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit)는, 멀티-셀 배터리 모니터링 회로의 적어도 일부가 집적회로로 구현된 IC이다. 복수의 배터리 셀에 대하여 요구되는 기능에 필요한 IC 내부의 회로 블록을 공유할 수 있는 장점이 있으나, 고전압 공정을 사용해야 하는 단점이 있다.
싱글-셀 배터리 모니터링 회로(SCBMC, Single-Cell Battery Monitoring Circuit)는, 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 전기적으로 직접 연결되고, 해당 셀의 상태 측정/모니터/방전 기능, 및 외부유닛과의 통신 기능을 수행할 수 있는 회로이다. 이 구성의 적어도 일부는 싱글-셀 배터리 모니터링 IC(SCBMIC)로 구현될 수 있다.
싱글-셀 배터리 모니터링 IC(SCBMIC, Single-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit)는, 싱글-셀 배터리 모니터링 회로의 적어도 일부가 집적회로로 구현된 IC이다. 복수의 배터리 셀에 대하여 요구되는 기능에 필요한 IC 내부의 회로 블록을 공유할 수 없는 단점이 있으나, 저전압의 일반 공정을 사용할 수 있는 장점이 있다.
셀 모니터링 유닛(CMU, Cell Monitoring Unit)은, 배터리 셀과 직접 연결되어 셀의 상태를 측정/모니터하고 외부유닛과 통신하는 기능을 모두 포함한 구성요소이다. 멀티-셀에 대하여 멀티-셀 배터리 모니터링 회로를 구비하거나, 싱글-셀에 대하여 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 구비하여 구성될 수 있다. 통상적으로 EV 및 ESS에는 복수의 CMU가 존재한다.
배터리 모니터링 유닛(BMU, Battery Monitoring Unit)은, CMU와 통신하여 셀 데이터를 취합하고, 연결된 CMU에 필요한 제어 명령을 송신하는 기능을 하고, 배터리 팩 전체를 관리하는 회로의 집합으로서, 배터리 시스템의 구성에 따라 CMU와 분리되어 지칭되거나, CMU를 포함하여 지칭될 수 있다. EV에서는 통상 1개의 BMU가 존재하나, 대용량의 ESS에서는 다수의 BMU가 존재할 수 있다.
배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)은, 배터리 팩 내부의 모든 셀 데이터에 대한 취합/분석을 통하여 배터리 셀 상태, SOH(State of Health), SOC(State of Charge) 등에 대한 판단과 셀 밸런싱 및 방전 등의 제어를 수행하는 기능, 회로, PCB 및 S/W 프로그램을 통칭한다.
배터리 유닛(Battery Unit)은, 배터리 셀과, 배터리 셀 상태를 측정/모니터하고 해당 셀의 상태를 제어하고 외부유닛과 통신할 수 있는 회로를 포함한 구성요소이다. 구체적으로는 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 또는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 구비한 셀 모니터링 유닛이 결합된 구조이다. 여기에서, 하나의 배터리 셀은 병렬 연결된 하나 이상의 단위 배터리 셀을 포함하는 개념이다.
배터리 모듈(Battery Module)은, 복수의 배터리 셀들을 측정/모니터/밸런싱을 수행할 수 있는 회로를 포함하여 구성된 물리적 단위로서, 복수의 배터리 셀과 이에 대응하는 셀 모니터링 유닛을 포함하되, 셀 모니터링 유닛은 멀티-셀 배터리 모니터링 회로를 포함하거나 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 포함하여 구성될 수 있다. 셀 모니터링 유닛이 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 포함하여 구성되는 경우에 배터리 모듈은 복수의 배터리 유닛을 포함한 구성일 수 있다.
배터리 팩(Battery Pack)은, EV에서 주로 사용하는 용어이며, 배터리 셀과 전자 및 전기 장치와 필요한 모든 배선을 모두 포함한다. 복수의 배터리 모듈, BMS 및 각종 통신배선을 포함하는 구성이거나, 복수의 배터리 모듈 대신에 복수의 배터리 유닛을 포함하는 구성일 수 있다.
서브 BMU(Sub-BMU)는, CMU로서 SCBMC를 적용한 복수의 배터리 유닛이 포함된 배터리 팩에서 CMU와 BMU와의 통신 가교 역할을 하기위해 필요한 구성요소이다. 배터리 팩의 규모가 크지 않을 경우 CMU-to-BMU로 직접 통신 연결이 가능하나, 배터리 팩의 규모가 큰 경우 통신 중계를 위하여 구비될 수 있다. CMU에 MCBMIC를 적용한 종래의 배터리 팩에서는 통상적으로 서브 BMU가 요구되지 않는다.
셀 측정배선(WCM, Wire Harness for Cell Measurement)은, 배터리 셀의 전압 및 온도 등을 측정/모니터하기 위해 CMU와 배터리 셀 사이를 전기적으로 연결한 전도성 wire의 집합이다.
통신배선(WDC, Wire Harness for Data Communication)은, 배터리 팩 내부에서 CMU-to-CMU 및 CMU-to-BMU 데이터 통신을 위해 유닛과 유닛 사이에 존재하는 wire의 집합이다.
무선 BMS(WBMS, Wireless BMS)는, 통신배선 중 하나 이상이 갈바닉 절연 또는 무선 처리된 BMS를 말한다.
CMU 제어기는, CMU에 포함되어 SCBMC 또는 MCBMC의 전체적인 기능을 제어하기 위하여 필요한 구성을 말한다.
마스터 제어기는, BMU에 포함되어 BMS의 전체적인 기능을 제어하기 위하여 필요한 구성을 말한다. 통상적으로 하이엔드 MCU(Micro-Controller Unit)와 펌웨어로 구현된다.
RX 프론트엔드, TX 프론트엔드(RX F/E, TX F/E)는, 통신신호를 송신 또는 수신하는 송신단, 수신단에 해당하는 구성요소로서, 특히 갈바닉 절연 통신에서 증폭/구동 기능을 가지고 있지 않은 안테나, 광소자, 커패시터 또는 트랜스포머 등 그 자체를 말한다. 구체적으로, RF 통신방식에서는 RX F/E 및 TX F/E는 안테나이고, 광 통신방식에서는 RX F/E 및 TX F/E가 각각 존재하며 기능이 분명히 구분되며, 기타, 절연 통신에서는 DC 블로킹을 위하여 아이솔레이터로 통칭되는 커패시터 또는 트랜스포머일 수 있다.
데이터 인터페이스부(Data I/F, Data Interface)는, 외부유닛과의 통신에 있어서, 프론트엔드 구동, 증폭, 변조, 복조, 인코딩, 디코딩 등의 데이터 통신 기능 적어도 일부 또는 전부를 수행하도록 구성된다. 필요에 따라 일부 기능이 물리적으로 분리된 별도의 소자에 구현될 수 있으며, 구비되는 위치에 따라 CMU 제어기 또는 마스터 제어기와 데이터 및 제어 명령을 주고 받을 수 있다.
IR-PHY(Infrared Physical layer)는, 적외선용 RX/TX 프론트엔드의 구동 및 수신과, 송수신 광신호의 전기적 변환을 함에 있어서 필요한 증폭, 구동 및 비교 기능 등을 포함한 구성요소로서, Data I/F의 적어도 일부 기능을 수행할 수 있다. 하나의 실시예로서 하나의 반도체 패키지로 형성될 수 있다.
배터리 셀은 리튬 이온 전지(Li-ion), 리튬 이온 폴리머 전지(Li-ion polymer), 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지(NiCd) 및 니켈 수소 축전지(NiMH) 중 어느 하나일 수 있으나, 최근에 전기자동차(EV) 및 ESS 등에 사용되는 배터리는 리튬 이온 전지가 다수를 차지한다.
도 7은 종래 기술에 따른 배터리 시스템의 대표적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 배터리 시스템은 다수의 배터리 셀, 각종 제어 장치, 내외부와의 통신수단 및 배선 등으로 구성되고, 전기자동차에서는 이를 배터리 팩이라고 통칭하기도 한다. 다수의 배터리 셀은 배터리 팩 내부에서 배터리 셀 관리와 조립의 효율성을 고려하여 복수의 배터리 모듈로 그룹화될 수 있다. 예를 들어 배터리 팩 내의 배터리 셀이 M개의 배터리 모듈로 그룹화되고, 각각의 배터리 모듈이 N개의 배터리 셀을 포함하고 있다면 하나의 배터리 팩 내에는 M×N 개의 배터리 셀이 포함된다. 이때 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 수가 모두 같을 필요는 없다. 여기에서 배터리 셀은 직렬 또는 직·병렬로 연결한 구조일 수 있으나, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 각각의 배터리 셀이 직렬로 연결된 전기자동차의 한 경우를 예로 들어 설명한다.
전기자동차에서 BMS는 안전하게 배터리 팩의 전기적 성능이 최적의 상태가 되도록 하는 것을 기본 기능으로 한다. 이를 위하여 BMS는 직접 배터리 셀과 전기적 연결을 가지는 다수의 셀 모니터링 유닛(CMU, Cell Monitoring Unit)과, 이 다수의 CMU와 데이터와 제어 명령을 절연 통신방법으로 송수신하고 복잡한 소프트웨어 프로그램으로 배터리 팩의 전체적인 동작을 제어하는 배터리 모니터링 유닛(BMU, Battery, Battery Monitoring Unit)으로 구성된다.
현재까지 대부분의 전기자동차 BMS는 1개의 BMU와 복수의 CMU로 구성되고, 배터리 모듈 당 1개의 CMU가 매칭되어 BMS가 추구하는 기능을 구현하고 있다. 그리고, CMU에는 통상적으로 1개의 멀티-셀 배터리 모니터링 IC (MCBMIC, Multi-Cell Battery Monitoring Integrated Circuit)가 다수의 배터리 셀과 전도성 배선으로 연결되어 배터리 셀의 상태를 측정 및 모니터하고, 필요한 경우 방전 기능을 수행한다. 이때, BMS의 성능을 최대로 구현하기 위해 배터리 셀의 상태는 매우 정밀하게 측정되어야 한다는 것이 CMU의 일반적인 요구사항이다.
종래에는, 1개의 MCBMIC가 배터리 모듈 내의 복수의 배터리 셀을 담당하는 구조였기 때문에 다음과 같은 문제가 있었다.
1) MCBMIC 핀 수와 비용(Material Cost)의 제한으로 모든 배터리 셀에 온도 센서를 둘 수 없었다.
2) 배터리 셀과 MCBMIC 사이에 셀 측정배선의 길이가 배터리 셀마다 달라, 셀 측정배선의 길이에 따른 측정 정밀도에 차이가 발생하였다.
3) 배터리 셀과 MCBMIC 사이의 셀 측정배선은 아날로그 신호용이기 때문에 원칙적으로 차동 신호 라인이어야 되나, 물리적 구조상 그렇게 구현할 수 없었다.
4) 배터리 모듈의 조립 과정에서 배터리 셀과 MCBMIC 사이에 전기적 배선을 연결할 때, 연결 납땜과 배선의 배치가 복잡하고 다양하여 조립 공정을 자동화할 수 없었다.
5) MCBMIC에 연결된 모든 배터리 셀을 동시에 밸런싱(또는 방전)하는 기능을 구현하기 위해서는 MCBMIC의 핀 수가 증가하고, 발열 문제가 발생한다.
6) MCBMIC의 발열 문제 때문에 밸런싱 전류의 크기가 제한되는 문제가 있었다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로 (SCBMC, Single-Cell Battery Monitoring Circuit) 및 이를 구비한 배터리 유닛은, 배터리 셀의 전압 및/또는 온도를 측정 또는 모니터하거나 그 상태를 제어할 수 있는 SCBMC가 배터리 셀마다 구비되고 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 통신하도록 구성되기 때문에, 위에서 언급한 문제를 해결함으로써 생산성, 조립성 및 유지보수의 효율성을 증대시킬 뿐만 아니라 측정의 정확도와 제품의 안전성을 높일 수 있는 효과가 있다.
특히, 갈바닉 절연 방식이 광신호를 이용한 광학적 통신방식인 경우, 배터리 모듈과 팩이 불투명 케이스로 광학적으로 밀폐되고, 광신호는 배터리 팩 내부 및 외부의 전자기파 간섭을 받지 않는다는 점에서, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛은, 배터리 셀의 측정, 모니터 및 제어에 오류와 장애를 배제하여 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는, 배터리 셀(10)의 전압 및 온도를 측정 또는 모니터하는 셀상태측정부(200)와, 셀상태측정부(200)와는 별도로 배터리 셀(10)의 전압을 측정 또는 모니터하는 보조 셀전압측정부(100, CVMA)와, 셀상태측정부(200) 및 보조 셀전압측정부(100, CVMA)의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기(300)와, 갈바닉 절연 방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성된 송신단(510) 및 수신단(520)과, 사전설정된 통신규약에 따라 송신단(510) 및 수신단(520)을 제어하여 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부(400)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 외부유닛이란, 배터리 유닛의 외부에 배치되는 구성으로서, 예컨대, 배터리 팩 내의 다른 배터리 유닛이거나, BMU일 수 있으며, 더 나아가 배터리 유닛과 BMU 사이에서 통신 가교 역할을 하는 서브 BMU 등, 해당 싱글-셀 배터리 모니터링 회로가 아닌 외부 통신대상을 총칭한다.
또한, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는, 배터리 셀(10)의 방전동작을 수행하도록 제어되는 방전부(600, DC)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는, 배터리 셀(10)에 대응되어 마련되고, 배터리 셀(10)의 상태를 모니터링하거나 셀 밸런싱을 제어하도록 구성된다. 여기에서, 배터리 셀(10)은 하나 이상의 배터리 셀(10)이 병렬 연결된 구성일 수 있고, 하나의 배터리 셀(10)은 하나의 단위 배터리 셀로 구성될 수 있으나, 원하는 배터리 셀의 용량을 고려하여 병렬연결된 복수의 단위 배터리 셀을 포함하여 구성하는 것도 가능하다.
셀상태측정부(200)는, 배터리 셀(10)의 상태를 측정/모니터하는 구성요소로서, 특히 배터리 셀의 전압 및/또는 온도를 측정하여 해당 배터리 셀의 상태 데이터를 생성하도록 구성될 수 있다.
구체적으로는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀상태측정부(200)는, 배터리 셀(10)의 전압을 측정하여 전압 데이터를 생성하는 셀전압측정부(210, CVM)와, 배터리 셀(10)의 온도를 측정하여 온도 데이터를 생성하는 셀온도 감지회로(220, TSC)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 셀온도 감지회로(220, TSC)에는, 배터리 셀(10)의 온도에 대응하는 온도 감지신호를 출력하는 온도센서(222, TS)와, 온도센서(222, TS)가 적절한 범위 내에서 동작할 수 있도록 바이어스를 인가하는 온도센서 바이어스 회로(223, TSBC)와, 온도 감지신호에 따라 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 생성하는 셀온도측정부(221, CTM)가 구비될 수 있다.
여기에서, 셀전압측정부(210, CVM)와 셀온도측정부(221, CTM) 각각은, 셀전압으로부터 전압 데이터를 생성하거나, 온도센서(222, TS)의 온도 감지신호로부터 온도 데이터를 생성할 수 있도록 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog-to-Digital Converter)를 포함하여 구현될 수 있다.
온도센서(222, TS)는, 배터리 셀(10)의 온도에 대응하여 전기적 신호를 출력하는 소자로서, 예컨대 NTC(Negative temperature coefficient) 또는 PTC(Positive temperature coefficient) 특성을 가진 써미스터와 같은 개별소자로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 온도센서(222, TS)는 도 1에 도시된 바와 같이 개별소자로 구성되어 배터리 셀(10)에 부착되어 배터리 셀(10)의 온도를 감지하도록 구성할 수 있으나, 셀온도를 감지하기 위한 주변회로, 즉 셀온도 감지회로(220, TSC) 또는 셀상태측정부(200)와 함께 집적회로로 온칩화하여 구성하는 것도 가능하다. 이에 관한 사항은 후술하기로 한다.
제어기(300)는, 배터리 셀(10)의 전압 및/또는 온도를 측정 또는 모니터하거나, 이를 기반으로 배터리 셀(10)의 상태 측정, 모니터 및 방전을 수행하기 위하여 셀상태측정부(200), 보조 셀전압측정부(100, CVMA), 방전부(600, DC) 및 데이터 인터페이스부(400) 등을 제어하도록 구성된다. 제어기(300)는 사전설정된 스케쥴에 따라, 또는 부가적 또는 대안적으로 BMU와 외부유닛의 제어 명령에 따라 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 제어할 수 있다. 여기에서, 제어기(300)는, 본 발명의 싱글-셀 배터리 모니터링 회로가 CMU에 구성되므로 CMU 제어기일 수 있다.
송신단(510) 및 수신단(520)은, 갈바닉 절연 방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성된 프론트엔드 소자로서, 송신단(510)은 TX 프론트엔드 소자를, 수신단(520)은 RX 프론트엔드 소자를 지칭한다. 여기에서 갈바닉 절연 방식의 통신은 트랜스포머 형태의 자기 유도를 이용한 방식, 커패시터 형태의 정전 용량을 이용한 방식, 또는 일반적인 전자기파를 이용한 RF 통신이거나, 블루투스, 지그비, 비콘을 포함하는 근거리 무선통신일 수 있고, 광신호를 이용한 광학적인 통신일 수 있다.
송신단(510) 및 수신단(520)은, 싱글-셀 배터리 모니터링 회로의 다른 구성요소, 예컨대, 셀상태측정부(200), 보조 셀전압측정부(100, CVMA) 및 제어기(300)와 별개의 패키지로 패키징될 수 있다. 또한, 송신단(510) 및 수신단(520)은, 서로 별개의 패키지로 패키징되는 것도 가능하다.
이때, 송신단(510) 및 수신단(520)과 함께 데이터 인터페이스부(400)의 일부 또는 전부의 회로 블록이 같은 패키지로 패키징될 수 있다.
본 발명의 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에서 채용하는 갈바닉 절연 통신방식이 전자기파를 이용한 일반적인 RF 방식일 경우, 송신단(510) 및 수신단(520)은 한 개의 이차원적 코일 형태의 안테나로 구현될 수 있고, 데이터 인터페이스부(400)에 일반적인 RF 트랜시버의 회로가 구현될 수 있다.
또한, 광학적 통신방식의 경우에는 송신단(510)은 전기적 신호를 광신호로 변환하는 광소자(대표적으로 LED, Light Emitting Diode)이고, 수신단(520)은 광신호를 전기적으로 변환하는 포토 디텍터이다.
특히, 본 발명의 싱글-셀 배터리 모니터링 회로가 광학적으로 외부와 통신을 하는 구성에서는 송신단(510) 및 수신단(520)은 광소자와 광 송수신 회로를 구비한 IR-PHY IC(Infrared-Physical Layer Integrated Circuit)일 수 있다. IR-PHY IC는 SCBMIC와 분리된 반도체 패키지로 구성되고, SCBMIC와 함께 본 발명의 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에 포함될 수 있다.
데이터 인터페이스부(400)는 사전설정된 통신규약에 따라 송신단(510) 및 수신단(520)을 제어하여 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 통신을 수행하도록 구성된다. 외부유닛은, 배터리 유닛의 외부에 배치되는 구성으로서, 상술한 바와 같이 배터리 팩 내의 다른 배터리 유닛, BMU 및/또는 서브 BMU일 수 있다.
또한, 데이터 인터페이스부(400)는, 본 발명의 싱글-셀 배터리 모니터링 회로 구현에 있어서 IR-PHY IC와 SCBMIC에 구동, 증폭, 변조, 복조, 인코딩, 디코딩 등의 데이터 통신 기능이 배분되어 구성될 수 있다. 이러한 기능의 배분은 동작 성능 및 재료비 등의 이유로 어떤 제한도 없이 이루어질 수 있으며 싱글-셀 배터리 모니터링 회로의 전체적인 구성은 변함이 없다.
또한, 데이터 인터페이스부(400)는, 사전설정된 통신규약에 따라 외부유닛과 갈바닉 절연 통신하도록 송신단(510) 및 수신단(520)을 제어하되, 사전설정된 통신규약은 시분할 다중화(TDM, time division multiplexing), 주파수 분할 다중화(FDM, frequency division multiplexing), 코드분할 다중화(CDM, code division multiplexing) 방식을 기반으로 설정될 수 있다.
방전부(600, DC)는, 배터리 셀(10)의 방전 동작을 수행하도록 제어된다. 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀(10)은 동일한 전류로 충전하더라도 용량 또는 초기 셀전압의 편차로 인하여 충전 중에 셀전압이 서로 달라질 수 있고, 특히 셀전압이 높은 특정 배터리 셀의 셀전압을 완충 전압으로 맞추게 되면 나머지 배터리 셀들이 완충에 도달하지 못하게 되어 배터리 전체의 충전 용량을 저하하는 문제가 발생할 수 있다.
이처럼 배터리의 충전 또는 방전 중에 셀전압을 배터리 셀(10) 간에 균등화시키는 셀 밸런싱이 중요하므로, 방전부(600, DC)는, 다른 배터리 셀(10)의 셀전압보다 높은 배터리 셀(10)을 방전시키는 기능을 한다. 여기에서 방전부(600, DC)는 저항 또는 전류원을 이용한 패시브 타입의 회로로 구성될 수 있다.
보조 셀전압측정부(100, CVMA)는, 셀상태측정부(200)의 셀전압 측정 기능과는 분리되어 독립적으로 배터리 셀(10)의 전압을 측정 또는 모니터할 수 있도록 구비되고, 외부의 명령으로 셀전압 측정 또는 모니터 기능을 수행하거나, 부가적 또는 대안적으로 외부유닛에 의한 제어 명령에 상관없이 싱글-셀 배터리 모니터링 회로 내에서 자체적으로 셀전압 측정 또는 모니터링 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
또한, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는, 상술한 바와 같이 외부의 명령으로 또는 자체적인 루틴에 의하여 셀전압을 측정하거나, 주기적 또는 비주기적으로 측정하거나, 상시적으로 특히 본 발명의 싱글-셀 배터리 모니터링 회로가 슬립 모드(저전력 모드)인 상태에서도 셀전압을 모니터하도록 구성될 수 있다.
이를 통하여, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는, 셀전압측정부(210, CVM)에 고장이나 오류가 발생하더라도 셀전압을 측정하거나 모니터하는 기능이 정상적으로 수행되도록 함으로써, 배터리의 충방전 또는 셀 밸런싱 중에 과전압 또는 과방전으로 배터리에 폭발 또는 화재가 발생하거나 제품의 수명 단축 등 배터리의 안정성 및 신뢰성이 저하되는 문제를 개선하는 효과가 있다.
도 2는 본 발명에 따른 보조 셀전압측정부(100, CVMA)의 구현예를 도시한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는, 도 2(a)와 같이 배터리 셀(10)의 셀전압을 측정하고 이에 대응하는 셀전압 데이터를 디지털 값으로 생성하는 ADC를 포함하는 구성이거나, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 셀전압과 적어도 하나 이상의 비교 기준값을 비교하고 비교결과를 제공하는 비교기를 포함하는 구성일 수 있다.
도 2(a)에 도시된 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는, 상대적으로 설계가 복잡한 ADC를 이용하고 응답속도가 다소 느리다는 단점이 있는 반면에 셀전압의 상태를 정밀하게 파악할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에서, 셀상태측정부(200)의 셀전압측정부(210, CVM)는, 셀전압을 측정하여 제1 셀전압 데이터를 생성하는 제1 ADC를 포함하고, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는, 셀전압측정부(210, CVM)의 제1 ADC와 별도로 셀전압을 측정하여 제2 셀전압 데이터를 생성하는 제2 ADC를 이용하여 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 구성일 수 있다.
여기에서, 제1 ADC는, 제1 기준 전압 및 제1 클럭 신호에 따라 제1 셀전압 데이터를 생성하고, 제2 ADC는, 제2 기준 전압 및 제2 클럭 신호에 따라 제2 셀전압 데이터를 생성하고, 여기에서 제1 및 제2 기준 전압와 제1 및 제2 클럭 신호는 각각 별개의 회로에 의하여 독립적으로 생성되는 신호일 수 있다.
이를 통하여, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는 셀전압측정부(210, CVM)와 독립적으로 동작하여 어떤 환경에서 셀전압측정부(210, CVM)에 장애가 발생하더라도 이와 별개로 배터리 셀(10)의 셀전압을 안정적으로 측정 또는 모니터링할 수 있다.
또한, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 셀전압과 적어도 하나 이상의 비교 기준값을 비교하고 비교결과를 제공하는 비교기를 포함하는 구성일 수 있다.
이와 같은 구성을 통하여, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는, ADC를 이용한 구성과 달리 셀전압의 정밀한 값보다는 셀전압이 정상범위인지, 과전압 상태인지 또는 부족전압 상태인지 여부만을 파악할 수 있지만, ADC로 구성될 때보다는 상대적으로 회로가 간단한 비교기를 이용하므로 구현이 간단하고 응답속도가 빠르다는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 온도센서(222, TS)가 셀상태측정부(200)와 집적회로로 온칩(on-chip)화된 구성을 도시한 블록도이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에서 셀온도 감지회로(220, TSC)는, 온도센서(222, TS)와, 온도센서(222, TS)에 바이어스를 인가하는 온도센서 바이어스 회로(223, TSBC)와, 셀온도에 대응하여 셀온도 데이터를 생성하는 셀온도측정부(221, CTM)를 구비한다.
도 1의 구성에 따르면, 온도센서(222, TS)는 개별소자로 구성되어 배터리 셀(10)에 부착되어 배터리 셀(10)의 온도를 감지하는 구성이 예시되어 있으나, 도 3에 도시된 것처럼 온도센서(222, TS)는, 셀온도를 감지하기 위한 주변회로, 즉 셀온도 감지회로(220, TSC) 및 셀상태측정부(200)와 함께 집적회로로 구현되어 온칩화하는 구성도 가능하다.
이와 같이 온도센서(222, TS)를 온칩화하는 경우에는 반도체 패키지의 외부온도, 즉 배터리 셀(10)의 온도가 패키지 내부로 잘 전도될 수 있도록 온도센서(222, TS)가 형성된 반도체 기판에 대응하는 패키지의 적어도 일부분이 열전도성 부재를 포함하여 형성될 수 있다. 여기에서 열전도성 부재는 예컨대 금속일 수 있다.
이러한 구성을 통하여, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛은 온도센서(222, TS)를 개별소자로 배터리 셀(10)의 케이스에 부착하거나 추가적인 배선을 하는 작업을 생략할 수 있게 되어 생산성 및 조립성이 증대되는 효과가 있다.
이상에서는 온도센서(222, TS)를 온칩화하는 구성이 보조 셀전압측정부(100, CVMA)를 포함하는 본 발명의 일 실시예의 변형예로서 설명되었으나, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)의 적용여부와는 별개로 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에 단독으로 적용되는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 도 1 및 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에서 셀상태측정부(200)는, 배터리 셀(10)의 셀전압과 셀온도를 측정하기 위하여 셀전압측정부(210, CVM)와 셀온도측정부(221, CTM)를 구비하고, 셀전압측정부(210, CVM)와 셀온도측정부(221, CTM) 각각은, 셀전압으로부터 셀전압 데이터를 생성하거나, 온도센서(222, TS)의 온도 감지신호로부터 셀온도 데이터를 생성할 수 있도록 ADC로 구현될 수 있다.
휴대형 기기에 적용되는 배터리 외에 전기 차량이나 에너지 저장 시스템에 적용되는 중대형 이상의 배터리는 통상적으로 복수의 배터리 셀(10)을 수십 개 이상 직렬로 연결하여 제조하게 되므로, 본 발명의 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 각각의 배터리 셀(10)에 적용하는 경우에는 많은 수의 ADC가 필요하게 된다.
따라서, 본 발명의 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛을 이용하여 중대형 배터리를 구성할 때는 회로설계가 까다롭고 많은 면적을 차지하는 ADC의 개수를 줄이는 방안을 강구하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 셀전압 및 셀온도 측정회로를 통합한 구성을 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는, 배터리 셀(10)의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하는 셀상태측정부(200)와, 셀상태측정부(200)와는 별도로 배터리 셀(10)의 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 보조 셀전압측정부(100, CVMA)와, 셀상태측정부(200) 및 보조 셀전압측정부(100, CVMA)의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기(300)와, 갈바닉 절연 방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성된 송신단(510) 및 수신단(520)과, 사전설정된 통신규약에 따라 송신단(510) 및 수신단(520)을 제어하여 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부(400)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는, 배터리 셀(10)의 방전동작을 수행하도록 제어되는 방전부(600, DC)를 더 포함할 수 있다.
특히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀상태측정부(200)는, 배터리 셀(10)의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 출력하는 온도센서(222, TS)와, 온도센서(222, TS)가 정상 동작전압 범위 내에서 동작할 수 있도록 바이어스를 인가하는 온도센서 바이어스 회로(223, TSBC)와, 온도 감지신호와 배터리 셀(10)의 셀전압 중 어느 하나를 선택하도록 제어되는 신호선택부(230, SEL)와, 신호선택부(230, SEL)의 선택에 따라 배터리 셀(10)의 셀전압에 대응하는 셀전압 데이터와 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 선택적으로 생성하도록 제어되는 신호측정부(240, MEAS)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예와 달리 본 발명의 다른 실시예에서는 셀전압과 셀온도를 측정하는 구성요소가 각각 구비되는 것이 아니라 셀전압과 셀온도 중에서 신호선택부(230, SEL)에 의하여 선택된 파라미터를 신호측정부(240, MEAS)가 측정하기 때문에 신호선택부(230, SEL)의 선택에 따라 신호측정부(240, MEAS)는 셀전압과 셀온도를 모두 측정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 신호선택부(230, SEL)를 이용하여 셀전압 및 셀온도를 신호측정부(240, MEAS)에서 선택적으로 측정하면 회로설계가 까다롭고 많은 면적을 차지하는 ADC의 개수를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 이상에서는 셀전압과 셀온도를 신호선택부(230, SEL)와 신호측정부(240, MEAS)를 이용하여 선택적으로 측정하는 구성이 보조 셀전압측정부(100, CVMA)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예의 변형예로서 설명되었으나, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)의 유무와 상관없이 단독으로 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에 적용되는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 신호선택부(230, SEL)와 신호측정부(240, MEAS)의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호선택부(230, SEL)는, 셀온도에 대응하여 온도센서(222, TS)에서 출력하는 온도 감지신호와 배터리 셀(10)의 셀전압 중 어느 하나를 선택하기 위한 멀티플렉서(Multiplexer)로 구현될 수 있고, 더욱 상세하게는 멀티플렉서는 아날로그 신호인 온도 감지신호와 셀전압을 선택하기 위한 아날로그 멀티플렉서일 수 있다.
신호측정부(240, MEAS)는, 신호선택부(230, SEL)에 의해서 선택된 배터리 셀(10)의 셀전압 및 셀온도에 대응하는 아날로그 신호를 입력받아 디지털 값으로 변환하는 데이터 변환부(242)를 포함하여 구성될 수 있고, 구체적으로 데이터 변환부(242)는 ADC일 수 있다. 따라서, 신호측정부(240, MEAS)는 신호선택부(230, SEL)의 선택에 따라 디지털 값인 셀전압 데이터 및 셀온도 데이터를 선택적으로 생성할 수 있다.
또한, 신호측정부(240, MEAS)는, 신호선택부(230, SEL)에서 선택되어 출력되는 아날로그 신호를 스케일링하기 위한 게인제어부(241, GC)를 더 포함할 수 있다. 게인제어부(241, GC)는 데이터 변환부(242)의 입력 레인지에 맞도록 아날로그 신호를 증폭 또는 감쇄시키거나, 신호선택부(230, SEL)에서 선택된 아날로그 신호가 셀전압에 대한 것인지, 또는 셀온도에 대한 것인지에 따라 아날로그 신호를 적절한 크기로 스케일링하여 최적의 해상도로 데이터 변환부(242)의 ADC가 동작하게 할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에서, 신호측정부(240, MEAS)는, 신호선택부(230, SEL)의 선택에 따라 배터리 셀(10)의 셀전압 또는 셀온도에 대응하여 셀전압 데이터 또는 셀온도 데이터를 선택적으로 생성하도록 제어되는 ADC를 포함하여 구성되고, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는, 신호측정부(240, MEAS)의 ADC와 별도로 셀전압을 측정하여 셀전압 데이터를 생성하는 ADC를 이용하여 상기 셀전압을 측정 또는 모니터링할 수 있다.
신호측정부(240, MEAS)의 ADC와 신호측정부(240, MEAS)에서 생성하는 셀전압 데이터를 각각 제1 ADC 및 제1 셀전압 데이터라 하고, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)의 ADC와 보조 셀전압측정부(100, CVMA)에서 생성하는 셀전압 데이터를 각각 제2 ADC 및 제2 셀전압 데이터라 할 때, 제1 ADC는, 제1 기준 전압 및 제1 클럭 신호에 따라 제1 셀전압 데이터를 생성하고, 제2 ADC는, 제2 기준 전압 및 제2 클럭 신호에 따라 제2 셀전압 데이터를 생성한다.
이때, 제1 및 제2 기준 전압과 제1 및 제2 클럭 신호는 각각 별개의 회로에 의하여 독립적으로 생성되는 신호일 수 있다.
이를 통하여, 보조 셀전압측정부(100, CVMA)는 신호측정부(240, MEAS)와 독립적으로 동작하여 어떤 환경에서 신호측정부(240, MEAS)에 장애가 발생하더라도 이와 별개로 배터리 셀(10)의 셀전압을 안정적으로 측정 또는 모니터링할 수 있다.
보조 셀전압측정부(100, CVMA)의 그 외 상세 구성 및 효과는, 도 2에 도시된 구성을 기초로 앞에서 이미 설명하였으므로 이하에서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 6은 도 4의 본 발명의 다른 실시예에서 온도센서(222, TS)가 셀상태측정부(200)와 집적회로로 온칩(on-chip)화된 구성을 도시한 블록도이다.
도 4에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에서 셀온도 감지회로(220, TSC)는, 온도센서(222, TS)와, 온도센서(222, TS)에 바이어스를 인가하는 온도센서 바이어스 회로(223, TSBC)를 구비한다.
도 4의 구성에 따르면, 온도센서(222, TS)는 개별소자로 구성되어 배터리 셀(10)에 부착되어 배터리 셀(10)의 온도를 감지하는 구성으로 예시되어 있으나, 도 6에 도시된 것처럼 온도센서(222, TS)는, 셀온도를 감지하기 위한 주변회로, 즉 셀온도 감지회로(220, TSC) 및 셀상태측정부(200)와 함께 집적회로로 구현되어 온칩화하는 구성도 가능하다.
이와 같이 온도센서(222, TS)를 온칩화하는 경우에는 반도체 패키지의 외부온도, 즉 배터리 셀(10)의 온도가 패키지 내부로 잘 전도될 수 있도록 온도센서(222, TS)가 형성된 반도체 기판에 대응하는 패키지의 적어도 일부분이 열전도성 부재를 포함하여 형성될 수 있다. 여기에서 열전도성 부재는 예컨대 금속일 수 있다.
이러한 구성을 통하여, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 및 이를 구비한 배터리 유닛은 온도센서(222, TS)를 개별소자로 배터리 셀(10)의 케이스에 부착하거나 추가적인 배선을 하는 작업을 생략할 수 있게 되어 생산성 및 조립성이 증대되는 효과가 있다.
이상에서는 온도센서(222, TS)를 온칩화하는 구성이 신호선택부(230, SEL) 및 신호측정부(240, MEAS)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예의 변형예로서 설명되었으나, 신호선택부(230, SEL) 및 신호측정부(240, MEAS)의 유무와는 상관없이 단독으로 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에 적용하는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로의 적어도 일부는 반도체 집적회로로 구현될 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는 송신단(510), 수신단(520) 및 온도센서(222, TS)를 제외하거나 송신단(510) 및 수신단(520)만을 제외하고 반도체 집적회로로 구현될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로는, 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀(10)의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하는 셀상태측정부(200)와, 셀상태측정부(200)와는 별도로 배터리 셀(10)의 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 보조 셀전압측정부(100, CVMA)와, 셀상태측정부(200) 및 보조 셀전압측정부(100, CVMA)의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기(300)와, 갈바닉 절연 방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성된 송신단(510) 및 수신단(520)을 사전설정된 통신규약에 따라 제어하여 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 일 예로서 셀상태측정부(200)는, 배터리 셀(10)의 셀전압을 측정하여 셀전압 데이터를 생성하는 셀전압측정부(210, CVM)와, 온도센서(222, TS)로부터 배터리 셀(10)의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 제공받고, 온도 감지신호에 따라 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 생성하는 셀온도측정부(221, CTM)가 구비되는 셀온도 감지회로(220, TSC)를 포함하는 구성일 수 있다.
다른 예로서 셀상태측정부(200)는, 온도센서(222, TS)로부터 배터리 셀(10)의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 제공받고, 온도 감지신호와 상기 배터리 셀(10)의 셀전압 중 어느 하나를 선택하도록 제어되는 신호선택부(230, SEL)와, 신호선택부(230, SEL)의 선택에 따라 배터리 셀(10)의 셀전압에 대응하는 셀전압 데이터와 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 선택적으로 생성하도록 제어되는 신호측정부(240, MEAS)를 포함하는 구성일 수 있다.
상술한 본 발명의 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로는, 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에서 송신단(510), 수신단(520) 및 온도센서(222, TS)가 제외되어 있으나, 온도센서(222, TS)를 더 포함하여 구성하는 것도 가능하다.
본 발명은 상술한 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 구비한 배터리 유닛일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 유닛은, 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀(10)과, 배터리 셀(10)의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하고, 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 통신하도록 구성되는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기에서 하나의 배터리 셀(10)은, 하나 이상의 단위 배터리 셀이 병렬로 연결된 형태일 수 있고, 본 발명의 배터리 유닛에 적용되는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로는 상술한 본 발명의 일 실시예, 다른 실시예 및 그 변형예를 모두 포함할 수 있는 구성일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 유닛을 적어도 둘 이상을 포함하여 배터리 모듈을 구성하거나, 배터리 유닛 및/또는 배터리 모듈을 적어도 둘 이상을 포함하여 배터리 팩을 구성하는 것도 가능하다.
상술한 구성을 통하여, 본 발명에 따른 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로 및 이를 구비한 배터리 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 팩은, 배터리 셀(10)마다 구비되고, 외부유닛과 갈바닉 절연 방식으로 해당 배터리 셀(10)의 상태를 측정 또는 모니터링하거나, 상태를 제어함으로써, 배터리 시스템의 구성 시에 배선을 간소화하고 유지보수의 효율성 뿐만 아니라 측정의 정확도와 제품의 안전성을 높일 수 있는 효과가 있다.
이상에서는, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시 예를 기초로 본 발명을 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 배터리 셀 100: 보조 셀전압측정부(CVMA)
200: 셀상태측정부 210: 셀전압측정부(CVM)
220: 셀온도 감지회로(TSC) 221: 셀온도측정부(CTM)
222: 온도센서(TS) 223: 온도센서 바이어스 회로(TSBC)
230: 신호선택부(SEL) 240: 신호측정부(MEAS)
241: 게인제어부(GC) 242: 데이터 변환부
300: 제어기 400: 데이터 인터페이스부
510: 송신단(TX F/E) 520: 수신단(RX F/E)
600: 방전부(DC)
200: 셀상태측정부 210: 셀전압측정부(CVM)
220: 셀온도 감지회로(TSC) 221: 셀온도측정부(CTM)
222: 온도센서(TS) 223: 온도센서 바이어스 회로(TSBC)
230: 신호선택부(SEL) 240: 신호측정부(MEAS)
241: 게인제어부(GC) 242: 데이터 변환부
300: 제어기 400: 데이터 인터페이스부
510: 송신단(TX F/E) 520: 수신단(RX F/E)
600: 방전부(DC)
Claims (19)
- 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 대응되어 마련되고, 상기 배터리 셀의 상태를 모니터링하거나 방전을 제어하도록 구성된 싱글-셀 배터리 모니터링 회로에 있어서,
상기 배터리 셀의 양단의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하는 셀상태측정부;
상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 양단의 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 보조 셀전압측정부;
상기 셀상태측정부 및 보조 셀전압측정부의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기;
광신호를 이용한 광학적 통신방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성되되, 대응하는 수신수단 및 송신수단과 별도로 분리되어 마련되는 송신단 및 수신단; 및
사전설정된 통신규약에 따라 상기 송신단 및 수신단을 제어하여 외부유닛과 광학적 통신방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부를 포함하고,
상기 보조 셀전압측정부는, 상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정 또는 모니터링하되, 상기 외부유닛에 의한 제어 명령에 상관없이 독립적으로 수행가능하고, 상기 셀상태측정부에 장애가 발생하더라도 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하거나 모니터링하는 기능을 수행하도록 구성되고,
상기 싱글-셀 배터리 모니터링 회로의 적어도 일부는 저전압 반도체 공정에 의하여 반도체 집적회로로 구현이 가능한 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 셀상태측정부는,
상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하여 셀전압 데이터를 생성하는 셀전압측정부; 및
상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 출력하는 온도센서와, 상기 온도 감지신호에 따라 상기 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 생성하는 셀온도측정부가 구비되는 셀온도 감지회로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 셀상태측정부는,
상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 출력하는 온도센서;
상기 온도 감지신호와 상기 배터리 셀의 셀전압 중 어느 하나를 선택하도록 제어되는 신호선택부; 및
상기 신호선택부의 선택에 따라 상기 배터리 셀의 셀전압에 대응하는 셀전압 데이터와 상기 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 선택적으로 생성하도록 제어되는 신호측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 온도센서는, 상기 셀상태측정부와 함께 하나의 집적회로 내에 구현되는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 보조 셀전압측정부는, 상기 셀전압과 적어도 하나 이상의 비교 기준값을 비교하는 비교기를 포함하고, 상기 비교기의 비교결과를 이용하여 상기 셀전압의 상태를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 셀상태측정부는, 상기 셀전압을 측정하여 제1 셀전압 데이터를 생성하는 제1 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 포함하고,
상기 보조 셀전압측정부는, 상기 제1 ADC와 별도로 상기 셀전압을 측정하여 제2 셀전압 데이터를 생성하는 제2 ADC를 이용하여 상기 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 ADC는, 제1 기준 전압 및 제1 클럭 신호에 따라 상기 제1 셀전압 데이터를 생성하고,
상기 제2 ADC는, 제2 기준 전압 및 제2 클럭 신호에 따라 상기 제2 셀전압 데이터를 생성하고,
상기 제1 및 제2 기준 전압은 별개의 회로에 의하여 서로 독립적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 제8항에 있어서,
상기 제1 및 제2 클럭 신호는 별개의 회로에 의하여 서로 독립적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 제1항에 있어서,
상기 배터리 셀의 셀 밸런싱 또는 방전을 위하여 상기 배터리 셀의 방전동작을 수행하도록 제어되는 방전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 송신단 및 수신단은, 상기 셀상태측정부, 보조 셀전압측정부 및 제어기와 별개의 패키지로 패키징되는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 제12항에 있어서,
상기 송신단 및 수신단은, 서로 별개의 패키지로 패키징되는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 회로.
- 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀; 및
상기 배터리 셀의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하도록 상기 배터리 셀에 대응되어 마련되고, 외부유닛과 광신호를 이용한 광학적 통신방식으로 통신하도록 구성되는 제1항에 기재된 싱글-셀 배터리 모니터링 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 유닛.
- 제14항에 기재된 배터리 유닛을 적어도 둘 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
- 제14항에 기재된 배터리 유닛을 적어도 둘 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
- 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 대응되어 마련되고, 상기 배터리 셀의 상태를 모니터링하거나 방전을 제어하도록 구성된 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로로서,
상기 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀의 양단의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하는 셀상태측정부;
상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 양단의 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 보조 셀전압측정부;
상기 셀상태측정부 및 보조 셀전압측정부의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기; 및
광신호를 이용한 광학적 통신방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성되되, 각각 대응하는 수신수단 및 송신수단과 별도로 분리되어 마련되는 송신단 및 수신단을 사전설정된 통신규약에 따라 제어하여 외부유닛과 광학적 통신방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부를 포함하고,
상기 셀상태측정부는,
상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하여 셀전압 데이터를 생성하는 셀전압측정부; 및
온도센서로부터 상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 제공받고, 상기 온도 감지신호에 따라 상기 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 생성하는 셀온도측정부가 구비되는 셀온도 감지회로를 포함하여 구성되고,
상기 보조 셀전압측정부는, 상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정 또는 모니터링하되, 상기 외부유닛에 의한 제어 명령에 상관없이 독립적으로 수행가능하고, 상기 셀상태측정부에 장애가 발생하더라도 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하거나 모니터링하는 기능을 수행하도록 구성되고,
상기 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로는 저전압 반도체 공정에 의하여 구현되는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로.
- 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀에 대응되어 마련되고, 상기 배터리 셀의 상태를 모니터링하거나 방전을 제어하도록 구성된 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로로서,
상기 병렬 연결된 하나 이상의 배터리 셀의 양단의 셀전압 및 셀온도를 측정 또는 모니터링하는 셀상태측정부;
상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 양단의 셀전압을 측정 또는 모니터링하는 보조 셀전압측정부;
상기 셀상태측정부 및 보조 셀전압측정부의 측정 또는 모니터링 동작을 제어하는 제어기; 및
광신호를 이용한 광학적 통신방식으로 외부유닛과 통신하도록 구성되되, 각각 대응하는 수신수단 및 송신수단과 별도로 분리되어 마련되는 송신단 및 수신단을 사전설정된 통신규약에 따라 제어하여 외부유닛과 광학적 통신방식으로 통신을 수행하는 데이터 인터페이스부를 포함하고,
상기 셀상태측정부는,
온도센서로부터 상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 온도 감지신호를 제공받고, 상기 온도 감지신호와 상기 배터리 셀의 셀전압 중 어느 하나를 선택하도록 제어되는 신호선택부; 및
상기 신호선택부의 선택에 따라 상기 배터리 셀의 셀전압에 대응하는 셀전압 데이터와 상기 셀온도에 대응하는 셀온도 데이터를 선택적으로 생성하도록 제어되는 신호측정부를 포함하고,
상기 보조 셀전압측정부는, 상기 셀상태측정부에 대하여 독립적으로 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정 또는 모니터링하되, 상기 외부유닛에 의한 제어 명령에 상관없이 독립적으로 수행가능하고, 상기 셀상태측정부에 장애가 발생하더라도 상기 배터리 셀의 셀전압을 측정하거나 모니터링하는 기능을 수행하도록 구성되고,
상기 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로는 저전압 반도체 공정에 의하여 구현되는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로.
- 제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 배터리 셀의 셀온도에 대응하는 상기 온도 감지신호를 출력하는 상기 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210160313A KR102474573B1 (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로 및 이를 구비한 배터리 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 팩 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210160313A KR102474573B1 (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로 및 이를 구비한 배터리 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 팩 |
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| KR102474573B1 true KR102474573B1 (ko) | 2022-12-06 |
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| KR1020210160313A KR102474573B1 (ko) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 싱글-셀 배터리 모니터링 회로, 싱글-셀 배터리 모니터링 반도체 집적회로 및 이를 구비한 배터리 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 팩 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090012479A (ko) * | 2007-07-30 | 2009-02-04 | 삼성전자주식회사 | 배터리 모듈, 이를 포함하는 컴퓨터 시스템 및 그전원제어방법 |
| WO2013024541A1 (ja) * | 2011-08-18 | 2013-02-21 | 日立ビークルエナジー株式会社 | 電池監視装置およびこれを備えた電池制御装置 |
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| KR20160062194A (ko) * | 2014-02-13 | 2016-06-01 | 로베르트 보쉬 게엠베하 | 복수의 배터리 셀을 포함한 배터리용 배터리 관리 시스템 및 그 방법 |
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2021
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| KR20160062194A (ko) * | 2014-02-13 | 2016-06-01 | 로베르트 보쉬 게엠베하 | 복수의 배터리 셀을 포함한 배터리용 배터리 관리 시스템 및 그 방법 |
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