KR20140032657A

KR20140032657A - 배터리 관리 장치

Info

Publication number: KR20140032657A
Application number: KR1020120099206A
Authority: KR
Inventors: 안창덕; 양태규
Original assignee: 안창덕
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-03-17
Also published as: KR101413957B1

Abstract

본 발명은 배터리 관리 장치에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 직렬로 연결되는 다수의 배터리셀; 각 배터리셀의 전압을 검출하여 기준전압과 비교하는 전압검출부; 및 상기 배터리셀들 중 전기용량이 가장 감소된 열화 셀의 전압이 상기 기준전압의 범위를 벗어나는 경우 상기 배터리셀들이 충방전회로와 차단되도록 제어하는 차단신호 발생부를 포함한다.
본 발명에 따르면 열화셀을 기준으로 과충전 및 과방전의 기준전압을 설정함으로써 열화셀의 수명을 최대한 보장하고 전체 배터리팩의 성능을 최대한 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

배터리 관리 장치{Device for battery management}

본 발명은 배터리 관리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 이차전지의 과충전, 과방전, 과전압 및 과전류 등으로부터 이차전지를 보호하기 위한 회로에 관한 것이다.

전지관련 기술은 크게 제작기술과 컨트롤 기술로 구분되고, 컨트롤 기술은 적용대상의 전지 용량, 용도에 따라 PCM(Protection circuit module), SM(Smart module), BMS(Battery management system)으로 나뉜다.

일반적으로 큰 용량의 배터리를 제작하기 위해 복수의 배터리셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용하는 경우가 많다. 이 경우 배터리를 사용하면서 충방전이 반복됨에 따라 배터리셀간 전압차가 커지면서 불평형이 생기는 경향이 있다. 이러한 경우 일부의 열화 배터리셀에 의하여 전체 배터리의 수명이 단축되고, 심지어는 화재나 폭발의 위험성도 증가하게 된다. 배터리 관리 장치는 각 배터리셀의 전류, 전압, 온도 및 잔존용량 상태를 감시하며 이상 상태를 발견하는 경우 경보 또는 전원을 차단하는 기능을 수행한다.

이러한 기술의 일 예로서 대한민국 공개특허 제10-2006-0060830호 "배터리 셀 발란싱 기능을 가진 충방전 제어장치 및 이를 이용한 최적의 배터리 모듈 사용조건의 설정방법" 이하 배경기술 1이라 함)을 들 수 있다.

배경기술 1은 도 1에 도시된 바와 같이 "충방전 제어수단(20)에 제어신호를 인가하여 배터리 모듈(3)에 최적의 설정 상태로 충방전이 이루어지게 하되, 센싱수단(40)과 온도 측정수단(60)을 통해 전송된 신호값을 통해 최적의 상태에서 충방전이 종료되게 하고, 발란싱수단(30)에 제어신호를 인가하여 각 배터리 셀의 전압을 동일하게 유지할 수 있도록 해당 회로소자를 제어하는 제어수단(0); 상기 제어수단(0)의 제어를 받아 전원부(70)에서 공급되는 전원에 대해 일정량의 전류 및 전압의 전원으로 유지하여 배터리 모듈에 공급되도록 충방전단자를 형성하여 충방전 제어트랜지스터(Q1,Q2)를 제어하는 충방전 제어수단(20); 센싱저항(RS)으로부터 유입되는 전류 및 전압값을 모니터링하면서 충방전 종료 조건에 도달하면, 상기 제어수단(0) 및 충방전 제어수단에 종료 시점을 출력하는 센싱수단(40); 상기 충·방전 제어수단을 통해 배터리 모듈에 충방전 작용시, 부하에 발생하는 전압을 센싱수단을 출력하는 센싱저항(RS); 배터리 모듈의 각 배터리 셀의 표면에 부착된 온도센서와 각각 연결되는 입력단자를 형성하여 각 배터리 셀의 온도를 감지하여 제어수단에 출력하는 온도 측정수단(60); 배터리 모듈의 각 배터리 셀과 회로적으로 연결하여 상기 제어수단에서 인가된 제어 전압을 통해 각 배터리 셀의 전압을 동일하게 유지되도록 발란싱 처리하는 발란싱수단(30);의 결합"으로 구성된다.

구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 배경기술 1은 셀(4)을 직렬로 연결하였을 경우 발란싱수단(30)을 통하여 각 배터리셀(4)들을 발란싱한다. 발란싱수단(30)은 각각의 배터리셀(4)의 전압과 제어수단으로부터 전송되는 전압(Vc1, Vc2, Vc3, Vc4)를 각각 비교하는 비교기(32, 33, 34, 35, 36)을 구비한다. 즉, 배경기술 1에서는 각 배터리셀의 전압을 기준전압과 각각 비교하는 방식을 취하고 있다. 그 결과 비교기 등의 전압 비교를 위한 회로가 각 배터리셀 마다 구비됨으로써 전체 회로의 크기가 증가하는 것을 알 수 있다.

즉, 이러한 배터리 관리 장치는 충전 작업에 앞서 각 배터리셀의 성능을 체크하거나 전체 배터리의 전원을 관리하기 이전에는 각 배터리셀의 전압을 정확하게 측정하는 것이 선행되어야 한다. 그러나 다수의 배터리셀이 공통으로 그라운드에 연결되어 있는 상태에서 배터리셀의 전압을 측정하기 위하여 기준 전압과 비교를 하는 경우에는 셀이 많아 질수록 각 배터리셀의 전압값을 정확히 산출하는 것이 용이하지 않다. 또한 충전이나 방전 시 각 배터리셀을 체크하기 위하여 충방전을 중단하는 경우에는 정확한 전압의 측정을 할 수 없게 된다. 또한 각 배터리셀의 전압을 측정하기 위하여 각 배터리셀마다 전압을 측정하기 위한 회로를 구성하는 것은 장치 자체의 복잡도를 증가시킴으로써 오히려 전압 측정 시 오류를 발생시켜 정확도를 떨어뜨릴 수도 있다.

한편, 배터리팩의 성능은 해당 배터리팩을 구성하는 다수의 배터리 셀 중 전기용량이 가장 감소되어 있는 열화셀에 의하여 결정될 수 있다. 타 배터리셀들과 병렬로 연결된 열화셀은 배터리팩 내에서의 자연방전량을 증가시켜 배터리 용량을 감소시키는 원인이 될 수 있으며, 심하게 열화된 경우 단락 또는 개방회로로 작동하여 배터리팩의 손상을 일으키는 원인이 될 수도 있다. 한편, 타 배터리셀들과 직렬로 연결된 배터리셀의 경우 방전 시에 가장 먼저 과방전 기준전압에 도달하고 타 배터리가 과방전 기준전압에 도달할 때에는 이미 해당 열화셀은 과방전 기준전압 이하로 떨어지게 된다. 마찬가지로 충전 시에는 해당 열화셀이 적은 전기용량으로 인하여 가장 먼저 과충전 기준전압에 도달하게 되고, 타 배터리셀들이 과충전 기준전압에 도달하는 경우 해당 열화셀은 이미 과충전 기준전압을 초과하게 된다. 이러한 과충전과 과방전이 지속되는 경우 해당 열화셀의 수명은 더욱더 단축될 수 있으며 전체 배터리팩의 성능을 크게 떨어뜨리는 문제점이 발생한다.

본 발명은 배터리팩 자체의 수명을 최대한 보장할 수 있도록 충방전을 제어하는 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 정밀한 충방전의 제어를 위하여 복수의 배터리셀이 직렬 형태로 충전되는 경우 별도의 그라운드 전극을 구비하지 않고도 각 배터리셀의 전압값을 정확하게 산출할 수 있는 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 배터리 관리 장치는 직렬로 연결되는 다수의 배터리셀; 각 배터리셀의 전압을 검출하여 기준전압과 비교하는 전압검출부; 및 상기 배터리셀들 중 전기용량이 가장 감소된 열화 셀의 전압이 상기 기준전압의 범위를 벗어나는 경우 상기 배터리셀들이 충방전회로와 차단되도록 제어하는 차단신호 발생부를 포함한다.

또한 상기 차단신호 발생부는 상기 전압검출부에 의하여 검출된 어느 한 배터리셀의 전압이라도 과충전 기준전압보다 크거나, 과방전 기준전압보다 낮은 경우 상기 배터리셀들이 충방전회로와 차단되도록 제어하는 차단신호 발생부를 포함할 수 있다.

나아가 상기 전압검출부는, 공통의 그라운드를 기준으로 상기 배터리셀들 중 제1 배터리셀부터 제k 배터리셀(k는 n이하의 임의의 자연수)을 포함하는 제1 노드와 제1 배터리셀부터 제(k-1) 배터리셀을 포함하는 제2 노드로 형성되는 출력쌍으로부터 전압이 출력되도록 스위칭하는 스위칭부; 및 상기 제1 노드로부터 입력된 전압과 상기 제2 노드로부터 입력된 전압 및 상기 기준 전압의 합을 비교하여 상기 제k 배터리셀의 전압과 상기 기준 전압의 크기를 비교하는 비교부;를 포함할 수 있다.

나아가 상기 스위칭부는, 상기 k값에 따라 다수의 스위칭 모드를 구비하는 셀스위치; 및 상기 다수의 스위칭 모드 간을 순차적으로 전환시키도록 상기 셀스위치를 제어하는 링카운터:를 포함할 수 있다.

나아가 상기 비교부는 OP AMP 전압 비교기를 포함할 수 있다.

나아가 상기 비교부는 순차적으로 전환되는 스위칭 모드 마다 상기 출력쌍의 전압을 비교하여, 반전 입력단자에 입력되는 전압이 비반전 입력단자에 입력되는 전압보다 큰 경우 이상신호를 출력할 수 있다.

또한 상기 비교부는, 제1 반전 입력단자에 상기 제1 노드가 연결되고, 제1 비반전 입력단자에 상기 제2 노드가 연결되는 제1 비교기를 구비하되, 제1 비반전 입력단자와 상기 제2 노드 사이에는, 상기 과충전 기준전압의 크기에 상응하는 크기를 갖고 상기 제2 노드 측으로 음극이 연결되는 제1 전압원이 개재될 수 있다.

또한 상기 비교부는, 제2 비반전 입력단자에 상기 제1 노드가 연결되고, 제2 반전 입력단자에 상기 제2 노드가 연결되는 제2 비교기를 구비하되, 상기 제2 반전 입력단자와 상기 제2 노드 사이에는, 상기 과방전 기준전압의 크기에 상응하는 크기를 갖고 상기 제2 노드 측으로 음극이 연결되는 제2 전압원이 개재될 수 있다.

또한 상기 비교부는 상기 제1 노드에 연결되는 제1 반전 입력단자와, 상기 제2 노드 측으로 음극이 연결되는 상기 과충전 기준전압의 크기에 상응하는 전압크기의 제1 전압원이 개재된 상태로 상기 제2 노드가 연결되는 제1 비반전 입력단자를 구비하는 제1 비교기; 및 상기 제1 노드에 연결되는 제2 비반전 입력단자와, 상기 제2 노드 측으로 음극이 연결되는 상기 과방전 기준전압의 크기에 상응하는 전압크기의 제2 전압원이 개재된 상태로 상기 제2 노드가 연결되는 제2 반전 입력단자를 구비하는 제2 비교기를 동시에 구비할 수 있다.

나아가 외부의 충방전회로와 상기 배터리셀들의 전기적 연결을 개폐하는 전원스위치;를 포함할 수 있다.

나아가 상기 차단신호 발생부는 상기 제1 비교기 및 상기 제2 비교기 중 어느 하나라도 이상신호를 출력하는 경우 상기 전원스위치를 개방하도록 제어하는 신호를 출력할 수 있다.

나아가 상기 차단신호 발생부는 래치, 플립플롭, 순차논리회로 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한 상기 배터리셀들에 공급되는 전류량을 감지하여 과전류 시 상기 전원스위치를 차단하는 전류제어부를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 각 배터리셀들의 온도를 측정하는 온도센싱부; 및 상기 온도센싱부에 의하여 측정된 온도가 기준온도 이상인 경우 상기 전원스위치를 차단하는 온도제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 열화셀을 기준으로 과충전 및 과방전의 기준전압을 설정함으로써 열화셀의 수명을 최대한 보장하고 전체 배터리팩의 성능을 최대한 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면 배터리셀의 전압측정을 위하여 별도의 그라운드를 구비하지 않고도 각 배터리셀의 전압을 정확히 측정함으로써 과전압 및 과충전 등 배터리셀의 안정성에 문제를 유발할 수 있는 상황을 미연에 방지함으로써 건전한 배터리 이용을 가능하게 한다.

도 1은 종래의 배터리 충방전 제어장치의 내부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 종래의 배터리 셀 발란싱 수단의 내부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 모습을 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 전압 제어부를 포함하는 배터리 관리 장치의 모습을 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 전압 검출의 원리를 나타내기 위한 회로도이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 스위칭부를 나타내는 회로도이다.
도 6b 내지 도 6e는 일 실시예에 따른 스위칭부의 순차적인 작동 모습을 나타내는 회로도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 비교부의 모습을 나타내는 회로도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 차단신호 발생부의 모습을 나타내는 회로도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 관리 장치를 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 모습을 나타내는 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리셀(300)의 충방전 작업을 안전하게 관리하기 위한 장치로서, 전원부(100), 전원 스위치(200), 전압 제어부(400), 전류 제어부(500) 및 온도 제어부(600)를 포함한다.

본 실시예에서의 배터리셀(300)은 직렬로 연결된다. 전원부(100)는 배터리셀(300)들에 충전 전력을 공급한다. 전원 스위치(200)는 전원부(100)로부터 배터리셀(300)들에 공급되는 전력을 개폐함으로써, 충전 또는 방전이 수행되도록 하거나 차단하는 기능을 수행한다. 전원 스위치(200)로는 릴레이, FET 또는 각종 스위치 등이 이용될 수 있다.

또한 전류 제어부(500)는 센싱 저항(Rs)를 흐르는 전류를 측정함으로써, 배터리셀(300)들에 공급되는 전류량을 감지한다. 이 후 측정된 전류값이 기준치 이상인 것으로 측정되는 경우 과전류로 판단하여 배터리셀(300)에 전달되는 전력을 차단하기 위한 신호를 전원스위치(200)에 전송한다.

또한 온도 제어부(600)는 서미스터나 PTC 소자 등의 온도센싱부(미도시)를 배터리셀(300) 각각에 부착하여 각 배터리셀(300)들의 온도를 측정한다. 온도 제어부(600)는 온도센싱부(미도시)에 의하여 측정된 온도가 기준온도 이상인 경우 정상적인 충방전 상태가 아닌 것으로 판단하여 배터리셀(300)에 전달되는 전력을 차단하기 위한 신호를 전원스위치(200)에 전송한다.

한편, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 전압 제어부(400)에 포함되는 각 구성부 중 전압의 검출과 관련된 셀 스위치(410), 링카운터(420), 비교기(430)를 포괄하여 전압 검출부라 하고, 특히 이 중 배터리셀(300)의 전압을 측정하기 위하여 각 노드를 개폐하고 스위칭하는 기술과 관련된 셀 스위치(410)와 링카운터(420)를 스위칭부라 칭하며, 전압 제어부(400)는 이외에도 충방전 회로와의 연결 및 차단을 제어하는 차단신호 발생부를 포함한다.

이하에서는 도 4 내지 도 7을 참조하여 구체적으로 전압 검출부를 중심으로 전압을 측정하기 위한 구성부들을 설명한다. 도 4는 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 모습을 개략적으로 나타내는 회로도이고, 도 5는 본 발명에 따른 배터리 전압 검출의 원리를 나타내기 위한 회로도이다. 또한 도 6a는 일 실시예에 따른 스위칭부를 나타내는 회로도이고, 도 6b 내지 도 6e는 일 실시예에 따른 스위칭부의 순차적인 작동 모습을 나타내는 회로도이다. 도 7은 일 실시예에 따른 비교부의 모습을 나타내는 회로도이다.

먼저 전압 검출부를 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이 전압 검출부는 배터리셀(300)들의 전압을 측정하는데 관여하는 구성부들로서, 셀 스위치(410), 링카운터(420) 및 비교기(430)를 지칭한다. 배터리셀(300)들은 그라운드(GND) 측에 연결된 순으로 제1 배터리셀(V1), 제2 배터리셀(V2), 제3 배터리셀(V3) 및 제4 배터리셀(V4)로 지칭한다. 도 4에 도시된 실시예에서는 총 4개의 배터리셀을 구비하고 있으나, 이에 한정되지는 않으며 배터리셀의 개수가 증가함에 따라 관련 구성부가 동일한 방식으로 늘어나면 동일한 효과를 얻을 수 있다.

전압 검출부의 각 구성부의 설명에 앞서 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 전압의 검출 원리를 설명한다. 도 5에 도시된 바와 같이 비교기(Cp)의 비반전(+) 입력측에는 제2 내지 제4 배터리셀의 전압과 기준전압(Vref)의 합, 즉 V2 + V3 + V4 + Vref의 값이 입력되고, 비교기(Cp)의 반전(-) 입력측에는 제1 내지 제4 배터리셀의 전압의 합, 즉 V1 + V2 + V3 + V4의 값이 입력된다. 비교기(Cp)가 두 입력측의 값을 비교하는 것은 결국 제1 배터리셀의 전압(V1)과 기준전압(Vref)의 값을 비교하는 것이 된다. 나머지 제2 내지 제4 배터리셀의 전압과 기준전압을 비교하는 원리도 동일하다. 이하에서 설명하는 각 구성부들은 이와 같은 배터리셀 측정 원리를 이용한 것이다.

셀스위치(410)는 도 6a에 도시된 바와 같이 각 배터리셀(V1, V2, V3, V4)들의 전압을 측정하기 위하여 노드 1(node 1) 및 노드 2(node 2)에 각 배터리셀(V1, V2, V3, V4)들의 양단을 스위칭하는 기능을 수행한다. 예를들어 제1 스위칭 모드에서는 도 6b에 도시된 바와 같이 스위치 11 및 스위치 12를 클로징할 수 있다. 이 경우 노드 2(node 2)에는 V1 + V2 + V3 + V4의 전압이 걸리게 되고, 노드 1에는 V2 + V3 + V4의 전압이 걸리게 된다. 다음으로 제2 스위칭 모드에서는 도 6c에 도시된 바와 같이 스위치 21 및 스위치 22를 클로징할 수 있다. 이 경우 노드 2(node 2)에는 V2 + V3 + V4의 전압이 걸리게 되고, 노드 1에는 V3 + V4의 전압이 걸리게 된다. 다음으로 제3 스위칭 모드에서는 도 6d에 도시된 바와 같이 스위치 31 및 스위치 32를 클로징할 수 있다. 이 경우 노드 2(node 2)에는 V3 + V4의 전압이 걸리게 되고, 노드 1에는 V4의 전압이 걸리게 된다. 다음으로 제4 스위칭 모드에서는 도 6e에 도시된 바와 같이 스위치 41 및 스위치 42를 클로징할 수 있다. 이 경우 노드 2(node 2)에는 V4의 전압이 걸리게 되고, 노드 1에는 그라운드 전압이 걸리게 된다. 이 때 각 스위칭 모드에서 노드 1(node 1)에 기준 전압을 더해주게 되면, 노드 2(node 2)와 노드 1(node 1)에는 각각 (V1 + V2 + V3 + V4)과 (Vref + V2 + V3 + V4), (V2 + V3 + V4)과 (Vref + V3 + V4), (V3 + V4)과 (Vref + V4) 및 (V4)와 (Vref)의 전압이 걸리도록 할 수 있다.

링카운터(420)는 일반적으로 N개의 계수요소가 환형으로 접속되고, 그 중 1개만이 동작상태에 있으며, 계수 펄스가 1개 가해질 때마다 동작상태가 이웃 요소에 이행되도록 회로를 구성한 것을 말한다. 본 실시예에서 링카운터(420)는 상술한 셀스위치(410)의 4가지 스위칭 상태를 순차적으로 수행하도록 제어하는 기능을 수행한다. 즉, 링카운터(420)는 (V1 + V2 + V3 + V4)과 (Vref + V2 + V3 + V4), (V2 + V3 + V4)과 (Vref + V3 + V4), (V3 + V4)과 (Vref + V4) 및 (V4)와 (Vref)의 전압이 비교기(430)의 양 입력측에 각각 전달될 수 있도록 스위치(410)를 제어한다.

비교기(430)는 기 설정된 기준전압과 배터리셀(300)들로부터 측정되는 전압을 비교하여 기준전압 이상인지 아닌지의 여부를 판단한다. 비교기(430)로는 전용 비교기를 이용할 수도 있으나, 본 실시예에서는 도 7에 도시된 바와 같이 OP AMP를 이용하여 구현하였다. 비교기의 종류에는 제한이 없다. 또한 여기서 기준전압이란 각 배터리셀(300)의 스펙에 따라 가변적으로 변동가능한 전압값으로서, 각 배터리셀(300)의 허용 가능한 전압 값을 미리 입력, 즉 앞서 설명한 노드 1에 해당 기준 전압 값이 더해지도록 미리 회로를 구성함으로써 설정이 가능하다.

본 실시예에서의 비교기는 과충전 기준전압과의 비교를 위한 제1 비교기(Cp1)와 과방전 기준전압과의 비교를 위한 제2 비교기(Cp2)를 별도로 구비한다. 앞서 설명한 바와 같이 특정 스위칭 모드에서 노드 2에는 제1 내지 제k 번째 배터리셀을 포함하는 전압이 걸리도록 스위칭되고, 노드 1에는 제1 내지 제(k-1)번째 배터리셀을 포함하는 전압이 걸리도록 스위칭된다. 제1 비교기(Cp1)의 비반전 입력단자(+)에는 제1 내지 제(k-1)번째 배터리 셀을 포함하는 전압과 과충전 기준전압(VH_ref)가 합하여 입력되며, 제1 비교기(Cp1)의 반전 입력단자(-)에는 제1 내지 제k 번째 배터리셀을 포함하는 전압이 입력된다. 마찬가지로 제2 비교기(Cp2)의 비반전 입력단자(+)에는 제1 내지 제k 번째 배터리셀을 포함하는 전압이 입력되고, 제2 비교기(Cp2)의 반전입력단자(-)에는 제1 내지 제(k-1)번째 배터리 셀을 포함하는 전압과 과방전 기준전압(VL_ref)가 합하여 입력된다. 각 비교기(Cp1, Cp2)는 반전입력단자(-)에 입력된 전압이 비반전입력단자(+)에 입력된 전압보다 큰 경우 출력단자(out)로 신호(이상이 있다는 의미의 신호)를 출력한다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 비교기(Cp)는 배터리셀을 포함하는 스위칭부와 공통의 그라운드를 이용할 수 있다. 일반적으로 배터리셀의 전압을 정확하게 측정하기 위하여 배터리셀의 마이너스극 측을 배터리셀들이 연결되어 있는 그라운드와는 별도의 그라운드에 연결하여야 급격한 방전이나 과전류의 위험을 방지할 수 있다. 그러나 본 발명의 경우 특정 배터리셀의 전압을 측정하기 위하여 배터리셀의 마이너스측 노드를 그라운드 전극에 연결하여야 할 필요가 없으므로 BMS의 구성면에서 자유롭다.

링카운터(420)가 셀스위치(410)를 제어하여 (V1 + V2 + V3 + V4)과 (V2 + V3 + V4), (V2 + V3 + V4)과 (V3 + V4), (V3 + V4)과 (V4) 및 (V4)와 (그라운드전압)이 각각 노드2(node2)와 노드1(node1)에 걸리도록 제어하면, 노드 1에는 과충전 기준전압(VH_ref)과 과방전 기준전압(VL_ref)이 합산되고, 두 비교기(Cp1, Cp2)의 입력측에는 각각 (V1 + V2 + V3 + V4)과 (Vref + V2 + V3 + V4), (V2 + V3 + V4)과 (Vref + V3 + V4), (V3 + V4)과 (Vref + V4) 및 (V4)와 (Vref)이 순차적으로 입력된다.

도 4 및 도 8을 참조하여 차단신호 발생부(440, 450)를 설명한다. 도 8은 일 실시예에 따른 차단신호 발생부의 모습을 나타내는 회로도이다. 차단신호 발생부(440, 450)는 비교기(430)의 비교 결과에 따라 공급 전력을 차단하도록 하는 신호를 전원 스위치(200)로 전송한다. 즉, 차단신호 발생부(440, 450)는 배터리셀들 중 전기용량이 가장 감소된 열화 셀의 전압이 기준전압의 범위를 벗어나는 경우 배터리셀들이 충방전회로와 차단되도록 제어한다. 열화셀은 전기 용량이 줄어들기 때문에 같은 전력으로 충전하거나 방전하는 경우 타 배터리셀들에 비하여 가장 먼저 과충전 기준전압에 도달하거나 과방전 기준전압에 도달한다. 따라서 충방전 과정에서 다수의 배터리셀들 중 어느 하나라도 과방전 기준전압 또는 과충전 기준전압에 도달한 배터리셀이 있다면 해당 셀이 열화셀일 가능성이 높다.

또한 차단신호 발생부(440, 450)는 전류 제어부(500)의 신호에 따라 공급 전력을 차단하도록 하는 신호를 전원 스위치(200)로 전송한다. 본 실시예에서의 차단신호 발생부(440, 450)는 엔코더(440)와 래치(450)를 포함한다. 엔코더(440)는 비교기(430)나 전류 제어부(500)로부터 전송되는 아날로그 신호를 논리 회로에 적합한 디지털 형식으로 전환하여 전송한다. 래치(450)는 디지털 논리회로의 일종으로서 엔코더(440)로부터 전송되는 신호에 따라 전원 스위치(200)에 공급중인 전력을 차단하도록 하는 신호를 출력한다. 도 8에 이러한 래치(450)의 일 예를 도시하였다. 먼저 각각 과충전 기준전압과 과방전 기준전압을 비교하기 위한 비교기(Cp1, Cp2)로부터 기준 전압 범위를 벗어나는 전압을 하나라도 감지하는 경우 OR 게이트를 통하여 1의 신호가 출력된다. 래치(450)는 1의 신호가 입력되는 경우 전원스위치(200)를 향하여 신호를 끊어줌으로써 전원스위치(200)를 차단할 수 있다. 본 실시예에서는 전원스위치(200)를 예로 들고 있으나, 배터리셀들이 전원을 공급하는 대상인 외부 장치와의 연결을 끊어 방전을 중단시키는 스위치일 수도 있다. 즉, 본 실시예에서의 전원스위치(200)는 충전을 위한 전원스위치 뿐 아니라 방전을 위한 외부 회로와의 전기적 연결을 끊는 스위치로 대체되거나 추가될 수 있다. 또한 상술한 래치(450)는 동일한 기능 또는 효과를 얻을 수 있는 한 다양한 방식의 래치 또는 플립플롭, 또는 이를 포함하는 다양한 순차 논리회로 장치로 대체될 수 있다.

한편, 전류 제어부(500)는 앞서 설명한 바와 같이 배터리셀(300)들에 공급되는 전류를 측정하여, 과전류 상태인지 여부를 판단한다.

이하에서는 전압 검출 프로세스를 설명한다. 충전이 시작되면 각 셀을 체크하게 된다. 이 경우 앞서 설명한 바와 같이 제1 스위칭 모드로 전환하여 V1 전압을 검출(S10)하고, 검출된 전압 V1과 기준전압을 비교한다. 비교 결과 검출된 전압이 과충전 기준전압 이상 또는 초과되는 경우 앞서 설명한 바와 같이 과충전을 방지하기 위하여 공급 전력을 찬단하기 위한 신호를 발신한다. 마찬가지로 비교 결과 검출된 전압이 과방전 기준전압 이하이거나 또는 미달되는 경우에는 과방전을 방지하기 위하여 공급 전력을 차단하기 위한 신호를 발신하게 된다. 다음으로 제2 스위칭 모드로 전환하여 V2 전압을 검출한다. 이와 같은 방법으로 제3 스위칭 모드와 제4 스위칭 모드를 순차적으로 전환하면서 V3 전압과 V4 전압을 기준 전압과 비교하게 된다.

한편, 더하는 전압은 포토 커플러 등을 이용해 그라운드를 분리시켜 적용할 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 배터리 관리 장치로 구현될 수 있다.

100: 전원부 200: 전원 스위치
300: 배터리셀들 400: 전압 제어부
410: 셀 스위치 420: 링카운터
430: 비교기 440: 엔코더
450: 래치 500: 전류 제어부
600: 온도 제어부

Claims

직렬로 연결되는 다수의 배터리셀;
각 배터리셀의 전압을 검출하여 기준전압과 비교하는 전압검출부; 및
상기 배터리셀들 중 전기용량이 가장 감소된 열화 셀의 전압이 상기 기준전압의 범위를 벗어나는 경우 상기 배터리셀들이 충방전회로와 차단되도록 제어하는 차단신호 발생부를 포함하는 배터리 관리 장치.
제1항에 있어서,
상기 차단신호 발생부는 상기 전압검출부에 의하여 검출된 어느 한 배터리셀의 전압이라도 과충전 기준전압보다 크거나, 과방전 기준전압보다 낮은 경우 상기 배터리셀들이 충방전회로와 차단되도록 제어하는 차단신호 발생부를 포함하는 배터리 관리 장치.
제2항에 있어서,
상기 전압검출부는,
공통의 그라운드를 기준으로 상기 배터리셀들 중 제1 배터리셀부터 제k 배터리셀(k는 n이하의 임의의 자연수)을 포함하는 제1 노드와 제1 배터리셀부터 제(k-1) 배터리셀을 포함하는 제2 노드로 형성되는 출력쌍으로부터 전압이 출력되도록 스위칭하는 스위칭부; 및
상기 제1 노드로부터 입력된 전압과 상기 제2 노드로부터 입력된 전압 및 상기 기준 전압의 합을 비교하여 상기 제k 배터리셀의 전압과 상기 기준 전압의 크기를 비교하는 비교부;를 포함하는 배터리 관리 장치.
제3항에 있어서,
상기 스위칭부는,
상기 k값에 따라 다수의 스위칭 모드를 구비하는 셀스위치; 및
상기 다수의 스위칭 모드 간을 순차적으로 전환시키도록 상기 셀스위치를 제어하는 링카운터:를 포함하는 배터리 관리 장치.
제4항에 있어서,
상기 비교부는 OP AMP 전압 비교기를 포함하는 배터리 관리 장치.
제5항에 있어서,
상기 비교부는 순차적으로 전환되는 스위칭 모드 마다 상기 출력쌍의 전압을 비교하여, 반전 입력단자에 입력되는 전압이 비반전 입력단자에 입력되는 전압보다 큰 경우 이상신호를 출력하는 배터리 관리 장치.
제6항에 있어서,
상기 비교부는,
제1 반전 입력단자에 상기 제1 노드가 연결되고, 제1 비반전 입력단자에 상기 제2 노드가 연결되는 제1 비교기를 구비하되,
제1 비반전 입력단자와 상기 제2 노드 사이에는, 상기 과충전 기준전압의 크기에 상응하는 크기를 갖고 상기 제2 노드 측으로 음극이 연결되는 제1 전압원이 개재되는 배터리 관리 장치.
제6항에 있어서,
상기 비교부는,
제2 비반전 입력단자에 상기 제1 노드가 연결되고, 제2 반전 입력단자에 상기 제2 노드가 연결되는 제2 비교기를 구비하되,
상기 제2 반전 입력단자와 상기 제2 노드 사이에는, 상기 과방전 기준전압의 크기에 상응하는 크기를 갖고 상기 제2 노드 측으로 음극이 연결되는 제2 전압원이 개재되는 배터리 관리 장치.
제6항에 있어서,
상기 비교부는,
상기 제1 노드에 연결되는 제1 반전 입력단자와, 상기 제2 노드 측으로 음극이 연결되는 상기 과충전 기준전압의 크기에 상응하는 전압크기의 제1 전압원이 개재된 상태로 상기 제2 노드가 연결되는 제1 비반전 입력단자를 구비하는 제1 비교기; 및
상기 제1 노드에 연결되는 제2 비반전 입력단자와, 상기 제2 노드 측으로 음극이 연결되는 상기 과방전 기준전압의 크기에 상응하는 전압크기의 제2 전압원이 개재된 상태로 상기 제2 노드가 연결되는 제2 반전 입력단자를 구비하는 제2 비교기를 포함하는 배터리 관리 장치.
제9항에 있어서,
외부의 충방전회로와 상기 배터리셀들의 전기적 연결을 개폐하는 전원스위치;를 포함하는 배터리 관리 장치.
제10항에 있어서,
상기 차단신호 발생부는 상기 제1 비교기 및 상기 제2 비교기 중 어느 하나라도 이상신호를 출력하는 경우 상기 전원스위치를 개방하도록 제어하는 신호를 출력하는 배터리 관리 장치.
제11항에 있어서,
상기 차단신호 발생부는 래치, 플립플롭, 순차논리회로 중 어느 하나를 포함하는 배터리 관리 장치.
제10항에 있어서,
상기 배터리셀들에 공급되는 전류량을 감지하여 과전류 시 상기 전원스위치를 차단하는 전류제어부를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
제10항에 있어서,
상기 각 배터리셀들의 온도를 측정하는 온도센싱부; 및
상기 온도센싱부에 의하여 측정된 온도가 기준온도 이상인 경우 상기 전원스위치를 차단하는 온도제어부를 더 포함하는 배터리 관리 장치.