KR20120124540A - 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차 스타팅 모터 구동용 배터리에 있어서, 상기 모터에 전력을 공급하는 리튬배터리, 상기 리튬배터리와 연결된 BMS를 포함함으로서 과충전, 과방전, 과전류로부터 배터리를 보호하고, 셀 밸런싱을 통해 배터리 수명을 연장하기 위한 자동차 스타팅 모터 구동용 배터리 및 배터리 제어방법에 관한 발명이다.

Description

자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리{SMART STARTING BATTERY FOR OPERATING THE VECHILE STARTING MOTOR}
본 발명은 자동차에 장착되어 있는 스타팅 용 납축배터리를 BMS를 포함한 리튬배터리로 대체하기 위한 것이다.
자동차 배터리는 차량 내 전장 시스템 뿐만 아니라, 스타팅 모터를 구동시키기 위해 많은 에너지를 소모하는 전장부품이다. 현재 대부분의 자동차는 차량 내 전조등뿐만 아니라 스타팅에도 공통적으로 납축배터리가 주로 사용된다. 납축배터리는 다공성 납 또는 납 조성 플레이트 및 희석된 황산 전해질을 사용하는데, 납축배터리의 단점은 중량과 사용할수록 메모리 효과에 의해 배터리 충전용량이 감소하여 수명이 짧고, 납축배터리는 중금속을 사용함에 따라 환경측면에서도 불리하다. 기존의 스타팅 배터리에는 BMS 기능이 들어있지 않아 여러가지 전기장치들 중 어느 하나라도 사용자의 실수로 완전히 전원을 off하지 않은 채 장시간 방치된다면, 배터리가 완전 방전되어 시동이 걸리지 않는다. 또한, 전원장치를 많이 사용하는 자동차의 경우 많은 전류를 필요로 하게되는데, 이때 방전율이 좋지 않고 수명이 짧은 납축배터리의 경우 수명이 더욱 단축되는 요인이 된다. 게다가 온도에 따른 용량 편차도 있어, 겨울철에 배터리가 자연방전되어 무리하게 시동을 걸다가 자동차를 사용하지 못하는 경우도 생길 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 여러 단점이 많은 납축배터리 대신에 BMS를 포함한 리튬배터리로서 자동차 스타팅 모터의 전원으로 사용함으로서 종래의 여러가지 문제점을 해결하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 스타팅 모터 구동을 위한 전원으로 납축배터리 대신에 리튬배터리를 사용하며, 이에 추가적으로 BMS(Battery Management System)을 포함시킴으로서 셀 밸런싱, 과충전 및 과방전 차단, 과전류 차단, 쇼트차단 등이 가능한 것을 특징으로 하는 자동차 용 스마트 스타팅 배터리가 제시된다.
상기와 같은 본 발명은, 셀 밸런싱에 의해 균등 충전이 가능하고, 배터리를 효율적이고 용량을 최대한 많이 사용할 수 있으며, BMS에 의해 과충전, 과방전차단, 과전류 차단, 쇼트 차단을 통해 배터리를 보호함으로서 수명을 길게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬배터리 BMS 블록도이며,
도 2은 본 발명에 따른 배터리 셀 밸런싱 효과에 관한 그림으로, 도 2(a)는 셀밸런싱의 개념도이고, 도 2(b)는 도1의 셀 밸런싱 블록의 상세도이다.
* 부호의 설명
1 : PCM(배터리 보호회로) IC
2 : 션트 저항
3 : DO(Over Discharge) MOSFET
4 : CO(Over Charge) MOSFET
5 : 셀 밸런싱 저항
도 1은 본 발명에 따라 스타팅 모터 구동을 위한 리튬배터리에 연결되고 병렬로 연결된 슈퍼캐패시터를 통해 충전과 방전이 이루어지는 리튬배터리 BMS로서 과충전 방지, 과방전 방지, 과전류 방지를 위한 회로구성 및 동작을 상세히 설명한다. 리튬배터리의 각 배터리 셀 별로 과충전, 과방전, 과전류를 방지하기 위한 배터리 보호용 PCM IC(1)가 병렬로 연결되고 각 셀별로 전압을 측정하여 기준전압보한다. 션트 저항(2)에서 측정된 전류값으로부터 전압을 환산하여 기 설정된 과전류 기준전압값 보다 큰 경우 MOSFET을 제어하여 과전류 차단 한다. 상기 PCM IC(1)에는 과방전 통제를 위한 DO(Over Discharge) MOSFET(3), 과충전 통제를 위한 CO(Over Charge) MOSFET(4)가 연결되어 있으며, 배터리의 (B+)단과 (B-)단의 전위차를 측정하여, 측정 전압이 기 설정된 과방전 기준전압 이하이면서 과방전 기준시간 이상으로 유지되는 경우에는 배터리의 과방전을 방지하기 위해서 상기 DO MOSFET(3)를 제어하여 방전을 차단하는 과방전 방지기능을 수행하며, 측정 전압이 기 설정된 과충전 기준전압 이상이면서 과충전 기준시간 이상으로 유지되는 경우에는 배터리의 과충전을 방지하기 위해서 상기 CO MOSFET(4)를 제어하여 충전을 차단한다. 자동차 스타팅을 위해서는 시동 키 스위치 온 시, 배터리의 전압이 스타트 모터로 통전될 지 여부를 BMS에서 판단하여 과방전이라고 판단하면 더 이상의 스타트 모터 구동을 위한 전력낭비를 억제함으로서, 불필요한 배터리 낭비를 줄이게 된다. 한편, 초기 시동시 리튬배터리에서 부족한 전류분에 대해서는 슈퍼 캐패시터에서 출력보강을 해주게 된다.
자동차 스타팅 모터 구동용 배터리 제어방법을 단계별로 살펴보면,
a) 시동 키에 의해 스위치 온되어, 배터리를 방전하는 단계; b) 상기 배터리의 전압과 상기 배터리의 방전시간을 측정하는 단계; c) 상기 측정된 배터리 전압값을 기 설정된 과방전 기준 전압값과 비교하고, 상기 측정된 배터리 방전시간값을 기 설정된 과방전 기준시간값을 비교하는 단계; d) 상기 배터리 전압값이 과방전 기준 전압값보다 작고, 상기 배터리 방전시간값이 과방전 기준시간값보다 큰 경우에 배터리 방전을 차단하는 단계로 이루어진다.
한편, 자동차 스타팅 모터 구동용 배터리 충전 시의 자동차 스타팅 모터 구동용 배터리 제어방법을 단계별로 살펴보면, a) 전압의 과충전 억제를 위해 상기 배터리의 전압과 상기 배터리 충전시간을 측정하는 단계; b) 상기 측정된 배터리 전압값을 기 설정된 과충전 기준 전압값과 비교하고, 상기 측정된 배터리 충전시간값을 기 설정된 과충전 기준시간값과 비교하는 단계; c) 상기 배터리 전압값이 과충전 기준전압값보다 크고, 상기 배터리 충전시간값이 과충전 기준 시간값보다 큰 경우에 배터리 충전을 차단하는 단계로 이루어된다. 추가적으로 과전류를 방지하기 위해서는 d) 배터리 보호용 PCM IC(1)가 전원회로에 직렬로 연결된 션트 저항(2)으로부터 전류값을 측정하여 전압을 환산하여 기 설정된 과전류 기준전압 이상일 경우 과전류 MOSFET을 제어하여 방전을 차단하는 단계;를 포함할 수도 있다.
또한, 회로 내 쇼트가 발생하면 배터리에 치명적 영향을 줄 뿐만 아니라, 화재가 발생할 우려도 있는 만큼 신속한 차단동작을 수행해야 하며, 이를 위해 상기 션트 저항(2)에서 측정된 전류값으로부터 전압을 환산하여 기 설정된 전압값보다 큰 경우, MOSFET을 제어하여 방전을 차단한다는 점에서는 과전류 차단방법과 유사한데, 션트 저항에서 측정된 전위차와의 비교대상을 상기 과전류 기준전압값 대신 쇼트 기준전압값을 사용하며, 상기 쇼트 기준전압은 과전류 기준전압보다 높다.
도 2에서 배터리 밸렁싱을 위해서는 배터리 셀 별로 병렬연결된 셀 밸런싱 저항(5)을 통해 전위차를 측정하며, 측정된 배터리 셀 전압이 셀 밸런싱 기준전압 이상이면, 셀 밸런싱 MOSFET를 제어하여 강제방전시킨다. 이때, 셀 밸런싱 기준전압은 기 설정된 값이거나, 배터리 셀별로 전압을 측정하여 평균 전압값을 선택할 수도 있다. 셀 밸런싱을 위해 e) 배터리 셀 별로 병렬연결된 셀 밸런싱 저항(5)으로부터 전압값을 측정하여, 셀 밸런싱 기준전압값보다 크면, 도2(b)에서처럼 셀 밸런싱 MOSFET를 제어하여 배터리 셀 전압이 셀 밸런싱 기준전압값이 될 때까지 강제방전하는 단계;를 포함할 수 있다.

Claims (11)

  1. 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리에 있어서,
    상기 모터에 전력을 공급하는 리튬배터리;
    상기 리튬배터리와 연결되고 슈퍼 캐패시터를 통해 상기 리튬배터리의 출력 및 입력을 제어하는 배터리 제어유닛;
    을 포함하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 제어유닛은 상기 배터리 보호를 위한 PCM IC(1), 과전류 감지를 위한 션트 저항(2)을 포함한 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 제어유닛은 과방전 통제를 위한 DO(Over Discharge) MOSFET, 과충전 통제를 위한 CO(Over Charge) MOSFET을 포함한 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 제어유닛은 상기 배터리의 셀 밸런싱 위해 상기 배터리 셀에 병렬연결된 셀 밸런싱 저항(5) 및 셀 밸런싱을 제어하기 위한 셀 밸런싱 MOSFET을 포함한 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리.
  5. 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법에 있어서,
    a) 키 시동으로 스위치 온이 되면 리튬배터리로부터 슈퍼 캐패시터를 통해 스타팅 모터로 방전하는 단계;
    b) 상기 배터리의 전압 및 상기 배터리의 방전시간을 측정하는 단계;
    c) 상기 측정된 배터리 전압값을 기 설정된 과방전 기준 전압값과 비교하고, 상기 측정된 배터리 방전시간값을 기 설정된 과방전 기준시간값을 비교하는 단계;
    d) 상기 배터리 전압값이 과방전 기준 전압값보다 작고, 상기 배터리 방전시간값이 과방전 기준시간값보다 큰 경우, 배터리 방전을 차단하는 단계;
    를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 a) 단계에서 초기 시동시 상기 리튬배터리에서 부족한 전류분은 상기 슈퍼 캐패시터에 의해 출력보강이 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법.
  7. 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법에 있어서,
    a) 배터리 충전 시, 전압의 과충전 억제를 위해 상기 배터리의 전압과 상기 배터리 충전시간을 측정하는 단계;
    b) 상기 측정된 배터리 전압값을 기 설정된 과충전 기준 전압값과 비교하고, 상기 측정된 배터리 충전시간값을 기 설정된 과충전 기준시간값과 비교하는 단계;
    c) 상기 배터리 전압값이 과충전 기준 전압값보다 크고, 상기 배터리 충전시간값이 과충전 기준 시간값보다 큰 경우, 배터리 충전을 차단하는 단계;
    를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법.
  8. 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법에 있어서,
    a) 배터리 충전 시, 전압의 과충전 억제를 위해 상기 배터리의 전압과 상기 배터리 충전시간을 측정하는 단계;
    b) 상기 측정된 배터리 전압값을 기 설정된 과충전 기준 전압값과 비교하고, 상기 측정된 배터리 충전시간값을 기 설정된 과충전 기준시간값과 비교하는 단계;
    c) 상기 배터리 전압값이 과충전 기준 전압값보다 크고, 상기 배터리 충전시간값이 과충전 기준 시간값보다 큰 경우, 배터리 충전을 차단하는 단계;
    d) 과전류를 방지하기 위해 배터리 보호용 PCM IC(1)에 병렬로 연결된 션트 저항(2)으로부터 전류값을 측정하여 전압을 환산하여 기 설정된 과전류 기준전압값보다 큰 경우, 과전류 차단 MOSFET을 제어하여 과충전을 차단하는 단계;
    를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 d) 단계의 과전류 기준전압은 쇼트 방지를 위해서는 기 설정된 과전류 기준전압값보다 큰 값을 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법.
  10. 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법에 있어서,
    a) 배터리 충전 시, 전압의 과충전 억제를 위해 상기 배터리의 전압과 상기 배터리 충전시간을 측정하는 단계;
    b) 상기 측정된 배터리 전압값을 기 설정된 과충전 기준 전압값과 비교하고, 상기 측정된 배터리 충전시간값을 기 설정된 과충전 기준시간값과 비교하는 단계;
    c) 상기 배터리 전압값이 과충전 기준 전압값보다 크고, 상기 배터리 충전시간값이 과충전 기준 시간값보다 큰 경우, 배터리 충전을 차단하는 단계;
    d) 과전류를 방지하기 위해 배터리 보호용 PCM IC(1)에 병렬로 연결된 션트 저항(2)으로부터 전류값을 측정하여 전압을 환산해, 기 설정된 과전류 기준전압값보다 큰 경우, 과전류 차단 MOSFET을 제어하여 과충전을 차단하는 단계;
    e) 배터리 셀 별로 병렬연결된 셀 밸런싱 저항(5)으로부터 전압값을 측정하여, 셀 밸런싱 기준전압값보다 큰 경우, 샐 밸런싱 MOSFET를 제어하여 각 배터리 셀 전압이 셀 밸런싱 기준전압값이 될 때까지 강제방전하는 셀 밸런싱 단계;
    를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 e) 단계의 셀 밸런싱 기준전압값은 기 설정된 값이거나 배터리 셀 별 측정된 전압의 평균값을 선택하는 것을 특징으로 하는 자동차 스타팅 모터 구동용 스마트 배터리 제어방법.
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