KR20190116086A - 자동차용 배터리 시스템 및 자동차 - Google Patents

자동차용 배터리 시스템 및 자동차

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KR20190116086A
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폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 자동차(2)용 배터리 시스템(4)에 관한 것으로, 복수의 배터리 셀(12)과 상기 배터리 셀들(12)의 충전 상태를 모니터링하고 설정하기 위한 셀 컨트롤러(14)를 가진 적어도 하나의 배터리 모듈(10), 및 상기 또는 각각의 셀 컨트롤러(14)에 신호 기술적으로 결합된 배터리 관리 컨트롤러(18)를 포함하고, 상기 셀 컨트롤러(14)는 필터 회로(24)에 의해 배터리 모듈(10)의 배터리 셀들(12)에 안내되는 아날로그 디지털 변환기(22) 및 필터 회로(24)의 차단 주파수(fg)를 설정하기 위한 주파수 회로(30)를 포함하고, 상기 필터 회로(24)의 상기 차단 주파수(fg)는 상기 셀 컨트롤러(14)가 상기 배터리 셀들(12)을 모니터링하는 샘플링 지속 시간(ta) 동안 제 1 주파수 값(f1)으로 설정되고, 상기 배터리 관리 컨트롤러(18)가 상기 배터리 셀들(12)을 모니터링하는 진단 지속 시간(td) 동안 제 2 주파수 값(f2)으로 설정된다.

Description

자동차용 배터리 시스템 및 자동차{BATTERY SYSTEM FOR A MOTOR VEHICLE AND A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 복수의 배터리 셀과 배터리 셀들의 충전 상태를 모니터링하고 조정하기 위한 셀 컨트롤러를 가진 적어도 하나의 배터리 모듈, 및 상기 또는 각각의 셀 컨트롤러에 신호 기술적으로 결합된 배터리 관리 컨트롤러를 포함하고, 상기 셀 컨트롤러는 아날로그 디지털 변환기를 포함하며, 상기 변환기는 필터 회로에 의해배터리 모듈의 배터리 셀들에 안내되는, 자동차용 배터리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 배터리 시스템을 구비한 자동차에 관한 것이다.
자동차에서 전기 계통(자동차 전기 계통)은 전기 소비 장치와 기기들에 전기 계통의 작동 전압(전기 계통 전압)을 공급하는데 이용된다. 예를 들어 전기 또는 하이브리드 차량과 같은 전기 구동식 또는 구동 가능한 자동차에서, 전기 계통에 추가하여 전동식 드라이브에 필요한 더 높은 전력을 제공하는 고압 공급부로서 트랙션 네트워크가 제공된다. 이러한 전기 계통 또는 트랙션 네트워크는 일반적으로, 예를 들어 전술한 방식의 전기화학 배터리 시스템 형태의 각각의 에너지 저장 장치를 이용해서 전력을 공급받는다. 이와 같은 배터리 시스템은 이 경우 특히 자동차의 소위 2차 배터리(secondary battery)이다. 이러한 (2차) 배터리에서 반응된(변환된) 화학 에너지는 전기 충전 과정(charging process)에 의해 복구될 수 있다.
이러한 배터리 또는 배터리 시스템은 특히 전기화학 축전지(accumulator)로서, 예를 들어 리튬이온 축전지로서 구현되고, 이러한 축전지에서 복수의 개별 배터리- 또는 축전지 셀들은 조립되어 하나 이상의 배터리 모듈을 형성한다.
배터리 시스템의 확실하고 신뢰적인 작동을 위해 일반적으로 배터리 관리 시스템(BMS)이 제공된다. 상기 시스템은 배터리 시스템의 작동 한계를 모니터링하고, 경우에 따라서는 배터리 시스템 및 그 주변의 손상을 방지하기 위한 조치를 취한다. BMS는 이러한 안전 기능을 넘어서 배터리 모듈 또는 개별 배터리 셀들의 상태 변수, 예를 들어 이들의 현재 충전 상태, 가용 전력 및/또는 노후화 상태를 결정한다. 또한, BMS는, 예를 들어 상위 자동차 시스템과 데이터 교환을 위한 다양한 통신 인터페이스를 갖는다.
BMS는 일반적으로 배터리 관리 컨트롤러(BMC, Battery Pack Controller)와 배터리 모듈에 할당된 복수의 셀 컨트롤러(Cell Controller)를 포함하고, 이들은 예를 들어 CAN(Central Area Network) 버스를 이용해서 신호 기술적으로 서로 연결된다. 배터리 시스템의 정상 작동 시 개별 배터리 모듈 또는 배터리 셀들의 작동 상태들은 개별 셀 관리 과정에서 각각의 관련된 셀 컨트롤러를 이용해서 모니터링되고, 셀 컨트롤러로부터 배터리 관리 컨트롤러로 해당 측정 데이터가 전송된다. 셀 컨트롤러는 이 경우 개별 셀 관리 과정에서 특히 개별 배터리 셀들 사이의 충전 밸런싱(Balancing)을 위해 설계되고, 즉, 셀 컨트롤러는 보상 스테이지 또는 밸런싱 스테이지를 포함하며, 상기 스테이지에 의해 개별 배터리 셀들 사이의 충전 차이가 보상될 수 있다.
셀 컨트롤러는 배터리 셀들을 모니터링하기 위해 적어도 하나의 아날로그 디지털 변환기를 가진 셀 전압 측정 장치를 각각 포함하고, 상기 변환기는 배터리 셀들의 (배터리-)셀 전압을 샘플링 주파수를 이용해서 샘플링하여 디지털 (측정-) 신호로 변환한다. 나이키스트-섀넌(Nyquist-Shannon) 샘플링 이론을 준수하기 위해 셀 컨트롤러의 아날로그-디지털 변환기의 입력 접속부들 앞에 주로 필터 회로, 특히 저역 패스 필터가 연결된다. 이는 즉, 필터 회로의 차단 주파수가 아날로그 디지털 변환기의 1/2 샘플링 주파수보다 바람직하게 작거나 같은 것을 의미한다. 나이키스트-섀넌 샘플링 이론에 따라, 최대 주파수로 대역 제한된 신호는, 신호의 최대 주파수의 적어도 2배인 샘플링 주파수로 샘플링되었을 때, 등거리 샘플링 값들로부터 정확하게 재구성될 수 있다.
BMS는 작동 시, 바람직하게는 충전- 또는 방전 과정 동안 배터리 시스템을 제어 및/또는 조절하고 모니터링한다. 특히 이 경우 셀 컨트롤러를 이용해서 개별 셀- 및 시스템 수준에서 충전 상태(State of Charge, SOC)가 모니터링된다. 추가 센서 장치를 이용해서 배터리 셀들 및 전체 시스템의 배터리 전류, 배터리 전압 및 배터리 온도가 측정되고 조절된다. 배터리 관리 컨트롤러는 이 경우 특히 배터리 시스템의 접속 및 차단뿐만 아니라 오류 검출 또는 오류 로깅(logging)을 가능하게 한다.
특히, 예를 들어 전기- 또는 하이브리드 차량과 같은 전기 구동식 또는 구동 가능한 자동차에서, 배터리 시스템은 자동차의 배출 관련 시스템이다. 따라서, 배터리 시스템이 OBD(On-Board-Diagnose), 소위 OBD2의 요건을 충족하는 것이 바람직하다. 이는, 주행 작동 시 배터리 시스템의, 특히 각각의 배터리 모듈 또는 각각의 배터리 셀의 충전 상태가 모니터링되고, 발생하는 오류는 (자동차-)제어장치의 오류 메모리에 저장되는 것을 의미한다. 다시 말해서, 모든 배터리 모듈의 작동 상태들의 진단 또는 질의는 주기적으로 또는 규칙적으로 이루어진다. 특히 OBD2에 따라, 500ms(Millisecond)의 경과 후에 주기적으로 배터리 시스템의 모든 센서와 작동기들의 진단이 이루어져야 하는 것이 요구된다.
배터리 시스템의 비용 절감을 위해, BMS의 CAN-노드의 개수를 줄이는 것이 요구된다. 동시에 BMS 및 셀 컨트롤러는 또한 OBD2를 충족해야 한다. 이를 위해 종종 배터리 시스템 내부의 인터페이스가 셀 컨트롤러들 사이의 신호 통신을 위해 이용되고, 이로써 CAN-노드의 개수가 감소한다. 바람직하지 않게는 이로써 최대로 전송 가능한 측정값들이 제한된다. 이는 결과적으로 개별 셀 전압의 가능한 샘플링 레이트 또는 샘플링 주파수에 부정적으로 작용한다.
필터 회로의 차단 주파수는 OBD2의 과정에서 필수적인 진단 시간에, 즉 셀 전압 측정 장치 또는 밸런싱 스테이지의 진단을 위한 지속 시간에 직접적으로 영향을 미친다. 이러한 진단 동안, 특히 셀 컨트롤러의 개별 셀 관리와 관련해서, 배터리 시스템의 정상 작동에 대한 측정값들은 검출되지 않기 때문에, 가능한 한 짧은 진단 시간이 요구된다. 이는 필터 회로들의 가능한 한 높은 차단 주파수에 상응한다. 다른 한편으로 정상 작동 시, 아날로그 디지털 변환기를 이용해서 셀 전압의 가능한 한 최적의 오류 없는 샘플링을 보장하기 위해, 필터 회로들의 비교적 낮은 차단 주파수가 요구된다.
이로써 한편으로 정상 작동을 위한 필터 회로의 가능한 한 낮은 차단 주파수와 다른 한편으로 배터리 시스템의 진단 작동을 위한 필터 회로의 가능한 한 높은 차단 주파수 사이에 교환 관계가 존재한다. 이러한 교환 관계를 피하기 위해 예를 들어, 각각의 개별 셀 컨트롤러와 배터리 관리 컨트롤러 사이의 직접적인 통신을 제공하여, 인터페이스 전송에 의한 제한이 발생하지 않는 것이 고려될 수 있다. 이로 인해 CAN-노드의 개수와 요구되는 필요 조립 공간은 물론 제조-및 조립 비용도 바람직하지 않게 증가할 수 있다.
대안으로서 또한 중복 측정 시스템이 고려될 수 있고, 이러한 시스템은 진단을 위해서만 제공된다. 그러나 이것 또한 필요 조립 공간 및 제조 비용의 바람직하지 않은 증가를 야기한다. 또한, 샘플링 이론 또는 OBD2의 요건을 적어도 부분적으로 위반하는 배터리 시스템을 사용하는 것이 고려될 수 있다. 그러나 이로 인해 추가 측정 오류가 야기되고 및/또는 전기- 또는 하이브리드 차량에서 제약 없이 이용 또는 사용할 수 없는 배터리 시스템을 감수해야 한다.
DE 101 43 732 A1호에 선형 스케일을 갖는 이동 측정 장치용 측정 신호-발생기 회로가 설명된다. 측정 신호-발생기 회로는 능동 필터 형태의 저역 패스 회로를 포함하고, 상기 필터의 차단 주파수는 이동 속도에 따라 변경된다. 이를 위해 저역 패스 회로는 이동 속도에 의존하는 클록 신호에 의해 제어되는 시상수 회로를 위한 스위칭된 커패시턴스를 갖는다.
DE 693 18 782 T2호에 디지털 계량 신호를 제공하기 위해 계량되어야 할 하중을 계량하는 계량 장치가 공개되어 있다. 계량 장치는 아날로그 계량 신호를 생성하기 위한 중량 검출기를 포함한다. 아날로그 계량 신호는 필터 회로를 이용해서 제 1 차단 주파수로 필터링되어 아날로그 디지털 변환기에 제공되고, 상기 변환기는 아날로그 계량 신호를 디지털 계량 신호로 변환한다. 디지털 계량 신호는 후속해서 디지털 필터에 의해 제 1 차단 주파수보다 높은 제 2 차단 주파수로 필터링된다.
DE 691 18 469 T2호는 루프(loop) 필터의 차단 주파수의 조정 및/또는 조절을 위한 주파수 조절 회로를 가진 루프 필터를 포함하는 위상 조절 루프 회로를 기술한다. 공개된 루프 필터는 루프 방향으로 제 1 옴 저항을 갖는다. 상기 제 1 저항 뒤에 노드점이 연결되고, 상기 노드점은 접지에 연결된 전류 경로를 갖는다. 전류 경로에서 노드 측으로 제 2 옴 저항이 연결되고, 접지 측으로 제 1 커패시터가 연결된다. 주파수 조절 회로가 제 1 커패시터에 병렬 접속되고, 상기 주파수 조절 회로는 아날로그 회로 소자 및 접지에 연결된 제 2 커패시터의 직렬 회로를 갖는다.
본 발명의 과제는 자동차에 특히 적합한 배터리 시스템을 제공하는 것이다. 특히, 한편으로는 샘플링 이론의 요건과 다른 한편으로는 자동차의 온 보드 진단의 요건을 충족하는 배터리 시스템을 제시하는데 있다. 또한, 본 발명의 과제는 이러한 배터리 시스템을 구비한 자동차를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 배터리 시스템과 관련해서 청구항 제 1 항의 특징들에 의해 그리고 자동차와 관련해서는 청구항 제 8 항의 특징들에 의해 해결된다.
바람직한 실시예들과 개선예들은 각각의 종속 청구항의 대상이다.
본 발명에 따른 배터리 시스템은 자동차에 적합하고 자동차를 위해 설계된다. 배터리 시스템은 이 경우 특히 자동차-트랙션 네트워크를 위한 전기화학 에너지 저장 장치로서 구현된다. 특히 배터리 시스템은 전기- 또는 하이브리드 차량의 고압-전압 공급 시스템으로서 구현된다.
배터리 시스템은 복수의 배터리 셀과 배터리 셀들을 모니터링하기 위한 하나의 셀 컨트롤러(Cell controller)를 가진 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함한다. 셀 컨트롤러는 이 경우 개별 셀 관리를 위해, 특히 배터리 셀들의 충전 상태의 모니터링과 조정 및/또는 조절을 위해 제공된다. 배터리 시스템은 또한 상기 또는 각각의 셀 컨트롤러에 신호 기술적으로 연결된 배터리 관리 컨트롤러를 포함한다. 배터리 관리 컨트롤러 또는 상기 또는 각각의 셀 컨트롤러는 배터리 시스템의 배터리 관리 시스템(BMS)을 형성한다.
각각의 셀 컨트롤러는 적어도 하나의 아날로그 디지털 변환기를 갖고, 상기 변환기를 이용해서, 이하에서 셀 전압이라고도 하는, 배터리 셀의 아날로그 전압 신호는 디지털 측정 신호로 변환된다. 아날로그 디지털 변환기는 이 경우 각각의 필터 회로를 이용해서 배터리 모듈의 배터리 셀들에 안내된다. 필터 회로는 이 경우 예를 들어 셀 컨트롤러에 통합되거나 배터리 셀 측으로 상기 셀 컨트롤러 앞에 연결된다.
배터리 시스템은 본 발명에 따라 필터 회로의 차단 주파수를 설정하기 위한 주파수 회로를 포함한다. 특히 주파수 회로는 이 경우 바람직하게 각각의 필터 회로의 부분이다. 필터 회로의 차단 주파수는 셀 컨트롤러가 배터리 셀들을 모니터링하는, 즉 셀 전압이 샘플링 주파수를 이용해서 아날로그 디지털 변환기에 의해 샘플링되고 디지털화되는 샘플링 지속 시간 동안 주파수 회로를 이용해서 제 1 주파수 값으로 조정되고, 배터리 관리 컨트롤러가 배터리 셀들을 모니터링하는, 즉 배터리 셀들의 작동 상태, 특히 배터리 셀들의 관련된 센서들과 작동기들의 작동 상태를 검출하는 진단 지속 시간 동안 제 2 주파수 값으로 조정된다. 이로 인해 특히 적합한 배터리 시스템이 실현된다.
샘플링 지속 시간은 이 경우 특히 배터리 시스템의 정상 작동을 나타내고, 이러한 지속 시간에 배터리 셀들의 작동 상태들은 개별 셀 관리 과정에서 배터리 모듈의 각각의 셀 컨트롤러에 의해 검출되고 모니터링된다. 진단 지속 시간은 특히 배터리 시스템의 진단 작동의 과정에서 배터리 셀들의 작동 상태들이 오류 로깅과 관련해서 배터리 관리 컨트롤러에 의해 검출되고 모니터링되는 지속 시간을 의미한다. 진단 지속 시간은 이 경우 배터리 시스템의 작동 시 바람직하게 규칙적으로, 특히 OBD(On Board Diagnose) 과정에서, 바람직하게는 OBD2의 과정에서 트리거된다. 다시 말해서 샘플링 지속 시간은 실질적으로 연속하는 2개의 진단 지속 시간 사이의 지속 시간, 즉 셀 컨트롤러의 개별 셀 관리가 중단 또는 정지되는 지속 시간이다. OBD2의 경우 진단 지속 시간의 트리거는 바람직하게 늦어도 500 ms(millisecond) 후에 이루어진다. 이는, 배터리 시스템의 작동 시 샘플링 지속 시간이 특히 500 ms보다 작거나 같은 것을 의미한다.
샘플링 지속 시간 동안 제 1 주파수 값은 이 경우 바람직하게, 필터 회로 뒤에 연결된 아날로그 디지털 변환기를 위한 샘플링 이론을 충족하도록 선택된다. 다시 말해서 제 1 주파수 값은 바람직하게 아날로그 디지털 변환기의 1/2 샘플링 주파수보다 작거나 같다. 진단 지속 시간 동안 제 2 주파수 값은 특히, 가능한 한 짧은 진단 지속 시간이 실현되도록 선택된다. 다시 말해서 제 2 주파수 값은 특히 제 1 주파수 값보다 고주파이다.
필터 회로는 따라서 아날로그 능동 필터로서 구현되고, 상기 필터의 차단 주파수는 주파수 회로를 이용해서 조정될 수 있다. 특히 필터 회로는 샘플링 지속 시간 동안 비교적 낮은 차단 주파수로 조정되므로, 셀 전압의 가능한 한 신뢰적이고 가동에 이상이 없는, 가급적 높은 샘플링이 보장된다. 진단, 특히 OBD2의 과정에서 필터 회로는 진단 지속 시간 동안 규칙적으로 비교적 높은 차단 주파수로 조정되고, 이로써 특히 효율적이고 시간을 절약하는 진단과 오류 로깅이 가능해진다.
바람직하게는 이로써 샘플링 이론 및 OBD2의 요건을 충족시키는 자동차용 배터리 시스템이 실현된다. 배터리 시스템의 정상 작동 시 상기 또는 각각의 배터리 모듈의 배터리 셀들의 셀 전압은 샘플링 이론의 요건에 따라 BMS에 의해 신뢰적으로 및 작동 안정적으로 검출된다. 진단 작동 중에 진단 지속 시간을 위한 필터 회로의 차단 주파수는 단시간에 높아지므로, 현재 작동 상태들이 가급적 짧은 지속 시간 내에 배터리 관리 컨트롤러에 의해 검출된다. 이로 인해 셀 컨트롤러의 측에서 셀 전압의 측정이 이루어지지 않는 지속 시간은 바람직하게 감소한다. 이로써 배터리 시스템의 특히 신뢰적이고 가동에 이상이 없는 작동이 보장된다.
필터 회로는 예를 들어 고역 패스 필터, 저역 패스 필터, 대역 소거 필터 또는 대역 패스 필터로 구현될 수 있으며, 대역 소거 필터 또는 대역 패스 필터의 경우, 주파수 회로에 의해 상한 및/또는 하한 주파수가 조정될 수 있다.
용어 "차단 주파수"란, 특히 전송- 또는 베이스 주파수(cutoff frequency), 즉 그것의 초과 시 필터 회로의 출력부에서 입력 측 신호 진폭이 특정 값만큼 감소하는 주파수 값을 의미한다. 1의 최대 (전압-)전송 계수를 갖는 고역 패스 필터 또는 저역 패스 필터의 경우, 차단 주파수에서 전송되는 진폭은 1/√2 감소한 값으로 낮아진다. 특히 차단 주파수에서 입력 신호와 출력 신호 사이에 45°의 위상 변이가 나타난다.
필터 회로의 차단 주파수를 일시적으로 전환함으로써, (전기-)자동차 용도에 특히 적합한 배터리 시스템이 형성된다.
BMS, 즉 배터리 관리 컨트롤러와 상기 또는 각각의 셀 컨트롤러는 일반적으로 프로그램- 및/또는 회로 기술적으로 차단 주파수의 전술한 전환을 수행하기에 적합하고 이를 위해 설계된다. BMS는 따라서 구체적으로는, 샘플링 지속 시간 동안 주파수 회로를 제어하여, 필터 회로의 차단 주파수를 위한 제 1 주파수 값이 야기되도록, 그리고 진단 지속 시간의 트리거 또는 야기 시 차단 주파수는 제 2 주파수 값으로 조정(전환, 변경)되도록 설계된다.
바람직한 실시예에서 배터리 관리 컨트롤러 및/또는 셀 컨트롤러의 적어도 코어는 프로세서와 데이터 메모리를 포함하는 마이크로컨트롤러에 의해 형성되고, 상기 마이크로컨트롤러에서 본 발명에 따른 전환의 수행을 위한 기능은 운영 소프트웨어(Firmware)의 형태로 프로그램 기술적으로 구현되므로, - 경우에 따라서 자동차 사용자와 상호 작용하는 - 방법은 운영 소프트웨어의 실행 시 마이크로컨트롤러에서 자동으로 수행된다.
배터리 관리 컨트롤러 및/또는 셀 컨트롤러는 본 발명과 관련해서 대안으로서 프로그래밍 불가능한 전자 소자, 예를 들어 전용형 회로(ASIC)에 의해서도 형성될 수 있고, 상기 회로에서 전환의 수행을 위한 기능은 회로 기술적인 수단에 의해 실행된다.
바람직하게는 배터리 관리 컨트롤러는 마이크로컨트롤러로서 구현되고, 상기 또는 각각의 셀 컨트롤러는 적어도 부분적으로 ASIC로서 구현된다.
바람직한 구현 시 배터리 시스템은 복수의 배터리 모듈을 포함하고, 상기 배터리 모듈들은 연달아 또는 직렬로 및 병렬로도 접속되거나 접속 가능하다. 복수의 배터리 모듈의 셀 컨트롤러는 이 경우 데이지 체인(daisy chain) 방식에 따라 버스 라인을 이용해서 배터리 관리 컨트롤러에 안내된다. 바람직하게는 데이지 체인은 셀 컨트롤러들 사이에서 셀 컨트롤러에 통합된 인터페이스를 이용해서 실현되고, 이로써 배터리 시스템의 CAN-인터페이스는 바람직하게 감소한다. 다시 말해서 버스 라인은 실질적으로 셀 컨트롤러의 내부 인터페이스를 이용해서 형성된다. 이로 인해 특히 조립 공간이 콤팩트하고 라인이 감소한 배터리 시스템이 실현된다. 조정 가능한 차단 주파수에 의해 이 경우, 특히 배터리 시스템의 진단 과정에서 버스 라인을 따라 항상 신뢰적이고 효율적인 데이터 전송이 실현된다.
바람직하게는 이로써 통신은 고유의 통신 버스(TPL, ISO-SPI,...)의 셀 컨트롤러를 이용해서 실현된다. 대안으로서 예를 들어, 셀 컨트롤러의 통신은 표준 버스 시스템, 특히 CAN으로 전환되는 것이 고려될 수도 있고, 이 경우 셀 컨트롤러는 바람직하게 저전압 공급 시스템에 연결된다.
바람직한 개선예에서 필터 회로는 주파수 회로를 이용해서 주파수 값들 사이에서 가역적으로 전환 가능하다. 이로써 특히 적합한 배터리 시스템이 실현된다.
특히 바람직한 구현 시 필터 회로는 저역 패스 필터로서 구현된다. 이로 인해, 특히 샘플링 지속 시간 동안 스캐닝 이론의 준수가 보장된다.
적합한 실시예에서 필터 회로는 배터리 셀들과 아날로그 디지털 변환기에 직렬 접속된 옴 저항 및 배터리 셀들과 아날로그 디지털 변환기에 병렬 접속된 제 1 커패시터를 갖는다. 다시 말해서 필터 회로는 특히 RC-저역 패스 필터(RC-부재)로서 구현된다. 이로 인해 특히 저렴하고 부품이 감소된 필터 회로가 실현된다.
필터 회로의 가능한 구현 시 주파수 회로는 필터 회로의 필터 소자(커패시터, 저항, 코일)에 병렬 접속된다. 주파수 회로는 이 경우 적절한 방식으로 필터 회로의 필터 소자와 동일한 종류의 제 2 필터 소자를 갖는다. 주파수 회로의 작동 시 2개의 필터 소자는 서로 병렬 접속되므로, 효과적으로 작용하는 필터 값(커패시턴스, 저항, 인덕턴스)이 변경되고, 따라서 차단 주파수가 조정된다. 특히 필터 회로는 RC-부재의 제 1 커패시터에 병렬 접속된다.
적절한 개선예에서 주파수 회로는 이 경우 작동 가능한 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자에 직렬 접속된 제 2 커패시터를 포함한다. 이로 인해 특히 유연하고 효과적인 필터 회로가 실현된다.
스위칭 소자는 예를 들어 전기 기계 릴레이 또는 바람직하게 전자적으로 스위칭 가능한 바이폴라- 또는 전계효과 트랜지스터로서 구현된다. 주파수 회로에 의해 제 2 커패시터는 제 1 커패시터에 병렬 접속 가능하고, 이로써 스위칭 소자의 폐쇄 시 커패시턴스의 병렬 회로가 실현된다. 이로 인해 제 1 및 제 2 커패시턴스의 커패시턴스 값들이 합산되어 유효한 전체 값을 형성하고, 이로써 필터 회로는 효과적으로 감소한 차단 주파수를 갖는다.
다시 말해서 스위칭 소자는 샘플링 지속 시간 동안 폐쇄되고, 즉 전도성으로 스위칭 되므로, 차단 주파수는 제 1 주파수 값으로 낮아지거나 감소한다. 진단 지속 시간 동안 스위칭 소자가 개방되고, 즉 전기적으로 비 전도성으로 또는 차단하도록 스위칭 되므로, 제 1 커패시턴스만이 작용하고, 필터 회로의 차단 주파수는 제 2 주파수 값에 상응한다.
대안 실시예에서 주파수 회로는 예를 들어 제 2 옴 저항과 스위칭 소자의 직렬 회로로서 구현되고, 상기 회로는 RC-저역 패스 필터의 제 1 저항에 병렬 접속된다. 이로 인해 폐쇄된 스위칭 소자의 경우에 옴 저항들의 컨덕턴스들이 합산된다. 즉, 작용하는 또는 유효한 저항값은 2개의 저항의 최소 저항값보다 작다. 저항들의 크기가 동일하게 설정되면, 절반의 저항값이 효과적으로 작용한다. 이로써 차단 주파수는 높아진다. 이러한 실시예에서 스위칭 소자는 샘플링 지속 시간 동안 폐쇄되고, 진단 지속 시간 동안 개방된다.
바람직한 이용예에서 배터리 시스템은 자동차 내에 설치된다. 즉, 자동차는 전술한 배터리 시스템을 포함한다. 자동차는 특히 전기 구동식 또는 구동 가능한 차량이고, 바람직하게는 전기- 또는 하이브리드 차량이다. 배터리 시스템은 이 경우 자동차-트랙션 네트워크의 부분이고, 특히 고압-전압 공급 시스템으로서 형성된다. (차량-) 진단 또는 OBD 과정에서 필터 회로들의 차단 주파수의 본 발명에 따른 전환에 의해, 배터리 시스템의 특히 적절하고 가동에 이상이 없는, 바람직하게 자동차의 작동으로 준용되는 작동이 보장된다. 이로써 특히 적합한 자동차가 실현된다.
이하에서 본 발명의 실시예들이 도면을 참고로 설명된다. 도면은 간단하게 도시된다.
도 1은 배터리 시스템을 포함하는 자동차를 개략적으로 도시한 블록선도.
도 2는 배터리 시스템의 배터리 모듈을 블록선도에 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 제 1 실시예에 따른 배터리 시스템의 필터 회로를 도시한 도면.
도 4는 제 2 실시예에 따른 배터리 시스템의 필터 회로를 도시한 도면.
서로 상응하는 부분들 및 치수들은 도면에서 항상 동일한 도면부호를 갖는다.
도 1에 매우 간단하게 도시된 자동차(2)는 배터리 시스템(4)을 포함한다. 자동차(2)는 이 실시예에서 특히 전기- 또는 하이브리드 차량이고, 이 경우 배터리 시스템(4)은 특히 도시되지 않은 전동식 구동 모터의 작동을 위한 고압-전압 공급 시스템으로서 형성된다. 배터리 시스템(4)은 전기 또는 전기 화학 에너지 저장 장치로서 자동차-트랙션 네트워크의 부분이다. 배터리 시스템(4)은 2개의 접속부(6, 8)를 이용해서 자동차(2)의 도시되지 않은 중간 회로에 접속될 수 있다.
배터리 시스템(4)은 도 1에 도시된 개략적인 실시예에서 2개의 배터리 모듈(10)을 포함한다. 배터리 모듈(10)은 이 경우 각각 예를 들어 직렬 접속된 4개의 배터리 셀(12)을 포함하고, 각각 셀 컨트롤러(14)와 함께 구현된다. 셀 컨트롤러(14)는 개별 모듈 관리 및 개별 셀 관리에 적합하고 이를 위해 설계된다. 셀 컨트롤러(14)는 즉, 셀 컨트롤 시스템 또는 셀 제어장치이고, 모니터링- 및 제어 유닛(Cell Supervision)으로서 배터리 셀들(12)의 그룹을 모니터링 및 제어한다. 배터리 셀들(12)은 도면에서 예시적으로만 도면부호를 갖는다.
셀 컨트롤러(14)는 개별 셀 관리의 과정에서 배터리 모듈(10) 또는 복수의 배터리 셀(12)의 작동 상태를 모니터링 한다. 작동 상태는 이 경우 특히 각각의 (배터리-)셀 전압의 검출에 의해 모니터링되고, 상기 셀 전압은 관련 배터리 파라미터의 결정을 가능하게 한다. 특히 이 경우 배터리 셀들(12)의 각각의 충전 상태(State of Charge, SOC)가 결정되고 모니터링된다. 셀 컨트롤러(14)는 이 경우 바람직하게 회로 기술적으로, 각각의 배터리 모듈(10)의 배터리 셀들(12)의 충전 차이를 검출하고 보상하는데 적합하고 이를 위해 설계된다. 다시 말해서 셀 컨트롤러(14)는 배터리 셀들(12)의 충전 상태를 제어 및/또는 조절한다.
배터리 모듈(10)의 셀 컨트롤러(14)는 직렬 회로 기술로 데이지 체인 방식에 따라 버스 라인(16)을 이용해서 서로 신호 기술적으로 연결되고, 공통의 배터리 관리 컨트롤러(18)에 안내된다. 배터리 관리 컨트롤러(18)는 특히 배터리 시스템(2)의 온도 관리 및 작동에 적합하고 이를 위해 설계된다. 배터리 관리 컨트롤러(18)는 예를 들어 접속부(6, 8)에 인가하는 배터리 전압을 배터리 시스템(2)의 작동 상태에 대한 척도로서 검출하고, 또한 배터리 시스템(2)의 오류 없는 가동에 이상이 없는 작동을 위한 진단- 및 안전 기능을 갖는다. 배터리 관리 컨트롤러(18)는 또한 자동차(2)의 제어 유닛과 신호- 및/또는 데이터 기술적으로 통신을 위한 통신 라인(19)을 갖는다. 셀 컨트롤러(14)와 배터리 관리 컨트롤러(18)는 배터리 시스템(2)의 표시되지 않은 배터리 관리 시스템(BMS)을 형성한다.
특히 마이크로컨트롤러로 구현된 배터리 관리 컨트롤러(18)는 신호 기술적으로 배터리 분리 유닛(20)에 연결된다. 배터리 분리 유닛(20)은 접속부(6, 8)의 영역에 배치되고, 소비 장치에 또는 소비 장치로부터 배터리 시스템(2)의 접속 및 차단에 이용된다. 도 1의 도시된 실시예에서 배터리 분리 유닛(20)은 특히 전기 계통의 중간 회로에 배터리 시스템(2)을 접속하고 차단하는데 이용된다. 배터리 분리 유닛(20)은 배터리 관리 컨트롤러(18)에 의해 제어된다. 배터리 관리 컨트롤러(18)는 이 경우, 배터리 시스템(2)이 확실하게 고장 전류 및/또는 고장 전압에 대해 보호되는 것을 보장한다. 특히 이 경우 중간 회로로부터 배터리 셀들(12)의 2극 분리가 가능해지고, 이는 특히 배터리 시스템(2) 및/또는 트랙션 네트워크의 유지 관리 및 수리와 관련해서 바람직하다.
이하에서는 도 2를 참고로 배터리 모듈(10)의 구성이 설명된다. 배터리 모듈(10)은 예를 들어 리튬이온 셀로서 구현된 배터리 셀들(12)의 그룹, 즉 패킷 또는 스택을 포함한다. 배터리 셀들(12)은 예를 들어 파우치 셀로서 구현되고, 인접하게 병치되고 상호 연결된다. 배터리 셀들(12)은 배터리 모듈(10)의 셀 컨트롤러(14)에 연결된다.
셀 컨트롤러(14)는 아날로그 디지털 변환기(22)를 포함하고, 상기 변환기는 필터 회로(24)를 이용해서 배터리 셀들(12)의 극 또는 접속부에 안내된다. 이러한 실시예에서 필터 회로(24)는 특히 셀 컨트롤러(14)의 부분이다. 다시 말해서 필터 회로(24)는 셀 컨트롤러(14)에 통합된다. 아날로그 디지털 변환기(22)는 배터리 셀들(12)의 검출된 셀 전압을 디지털화하고, 디지털화된 출력 신호를 셀 컨트롤러(14)의 평가 전자장치(26)에 전송한다. 평가 전자장치(26)는 특히 전용형 회로(ASIC)로서 구현되고, 이하에서 이렇게 칭한다. 바람직하게는 아날로그 디지털 변환기(22)는 ASIC(26)의 부분이다.
ASIC(26)는 평가된 데이터를 셀 컨트롤러(14)에 통합된 인터페이스(28)를 이용해서 이와 같이 형성된 버스 라인(16)을 통해 인접한 셀 컨트롤러(14) 또는 배터리 관리 컨트롤러(18)에 전송한다.
아날로그 디지털 변환기(22)는 샘플링 주파수(fa)를 이용해서 배터리 셀들(12)의 셀 전압을 샘플링하고, 샘플링 포인트에 따라 디지털(측정-) 신호를 생성한다. 나이키스트-섀넌 샘플링 이론을 준수하기 위해 필터 회로(24)는 차단 주파수(fg)를 갖고, 상기 차단 주파수는 아날로그 디지털 변환기(22)의 1/2 샘플링 주파수(fa)보다 작거나 같다(fg ≤ 1/2 fa). 필터 회로(24)는 이 경우 특히 바람직하게 저역 패스 필터로서 구현된다.
배터리 시스템(4)은 또한 온 보드 진단(OBD), 특히 소위 OBD2의 요건을 충족한다. 즉, 자동차(2)의 작동 시 배터리 시스템(4)의, 특히 각각의 배터리 모듈(10) 또는 각각의 배터리 셀(12)의 작동 상태가 규칙적으로 모니터링되고, 발생하는 오류는 통신 라인(19)을 통해 (자동차-) 제어장치에 전송되고, 거기에서 오류 메모리에 저장된다. 다시 말해서 모든 배터리 모듈(10)의 작동 상태들의 진단 또는 질의 및 오류 로깅이 주기적으로 또는 규칙적으로 이루어진다. 필터 회로의 차단 주파수(fg)는 OBD2의 과정에서 필요로 하는 진단 지속 시간(td)에 직접적인 영향을 미친다.
배터리 시스템(2)의 정상 작동 시 샘플링 지속 시간(ta) 동안 배터리 셀들(12)의 작동 상태들이 셀 컨트롤러(14)를 이용해서 검출되고 평가된다. OBD2의 과정에서, 정상 작동, 즉 셀 컨트롤러(14) 측에서 수행된 개별 셀 관리는 진단 지속 시간(td) 동안 일시적으로 중단되고, 이 경우 배터리 셀들(12), 특히 거기에 할당된 센서들 및 작동기들의 작동 상태들이 배터리 관리 컨트롤러(18)에 의해 모니터링되고, 통신 라인(19)을 통해 (자동차-) 제어장치에 전송될 수 있다.
필터 회로(24)는 이 경우 주파수 회로(30)를 갖고, 상기 주파수 회로를 이용해서 필터 회로(24)의 차단 주파수(fg)가 조정 가능하거나 전환 가능하고, 즉 변경 가능하다. 특히 주파수 회로(24)는, 필터 회로(24)의 차단 주파수(fg)를 샘플링 지속 시간(ta) 동안 제 1 주파수 값(f1)으로 그리고 진단 지속 시간(td) 동안 제 2 주파수 값(f2)으로 조정(전환)하는데 적합하고 이를 위해 설계된다. 주파수 회로(24)는 이 경우 특히 주파수 값들(f1, f2) 사이에서 차단 주파수(fg)의 가역적인 전환에 적합하고 이를 위해 설계된다.
샘플링 지속 시간(ta) 동안 주파수 값(f1)은, 필터 회로(24) 뒤에 연결된 아날로그 디지털 변환기(22)와 관련해서 샘플링 이론을 충족하도록 선택된다. 다시 말해서 주파수 값(f1)은 아날로그 디지털 변환기(22)의 1/2 샘플링 주파수보다 바람직하게 작거나 같다(fg = f1 ≤ 1/2fa).
진단 지속 시간(td) 동안 주파수 값(f2)은 특히, 가급적 짧은 진단 지속 시간(td)이 실현되도록 선택된다. 다시 말해서 주파수 값(f2)은 특히 주파수 값(f1)보다 고주파이다(f1 < f2). 주파수 값들(f1, f2) 사이에서 전환을 위해 주파수 회로(30)는 관련된 셀 컨트롤러(14)의 제어 신호(S)로 제어된다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참고로 주파수 회로(30)의 2개의 실시예가 설명된다. 도시된 실시예에서 필터 회로(24)는 필터 소자로서 커패시터(34)와 옴 저항(32)을 갖는 각각 RC-저역 패스 필터로서 구현된다. 저항(32)은 이 경우 배터리 셀(12)과 아날로그 디지털 변환기(22) 사이에 직렬 접속되고, 이 경우 커패시터(34)는 아날로그 디지털 변환기(22)의 입력부에 병렬 접속된다.
도 3의 실시예에서 주파수 회로(30)는 커패시터(34)에 병렬 접속된다. 주파수 회로(30)는 이 경우 제 2 필터 소자로서 작용하는 커패시터(36) 및 제어 신호(S)에 의해 작동 가능한 스위칭 소자(38)를 가진 직렬 회로를 포함한다. 스위칭 소자(38)는 이 경우 특히 바이폴라 트랜지스터로서 구현되고, 이 경우 제어 신호(S)는 제어- 또는 베이스 접속부에 안내된다. 저항(32)은 저항값(R1)을 갖는다. 커패시터(34)는 커패시턴스 값(C1)을 갖고, 커패시터(36)는 커패시턴스 값(C2)을 갖는다.
개방된, 즉 차단된 또는 비 전도성으로 스위칭 된 스위칭 소자(38)의 경우 RC-저역 패스 필터의 커패시터(34)와 저항(32)만이 작용하므로, 아날로그 디지털 변환기(22)에 대해 결과되는 차단 주파수(fg)는 다음과 같이 구해진다:
상기 식에서 Π는 원주율(Pi)이다. 다시 말해서 차단 주파수(fg)는 저항값(R1)과 커패시턴스 값(C1)의 곱에 반비례한다. 따라서 필터 회로(24)는 주파수 값(f2)과 동일한 차단 주파수(fg)를 갖는다.
폐쇄된, 즉 전도성으로 스위칭 된 스위칭 소자(38)의 경우 RC-저역 패스 필터의 저항(32)과 커패시터(34) 외에 추가로 주파수 회로(30)의 커패시터(36)가 작용하고, 따라서 차단 주파수(fg)가 구해진다:
이러한 경우에 차단 주파수(fg)는 커패시턴스 값(C1, C2)의 합과 저항값(R1)의 곱에 반비례한다. 따라서 차단 주파수(fg)는 주파수 값(f1)으로 조정된다.
다시 말해서 스위칭 소자(38)는 샘플링 지속 시간(ta) 동안 폐쇄되고, 즉 제어 신호(S)를 이용해서 전도성으로 스위칭 되므로, 차단 주파수(fg)는 주파수 값(f1)으로 낮아지고 또는 감소한다. 진단 지속 시간(td) 동안 스위칭 소자(38)가 개방되고, 즉 제어 신호(S)를 이용해서 전기적으로 비 전도성으로 또는 차단하도록 스위칭 되므로, 제 1 커패시턴스만이 작용하고, 필터 회로(24)의 차단 주파수(fg)는 더 고주파의 주파수 값(f2)에 상응한다.
도 4에 도시된, 대안적인 실시예에서 주파수 회로(30)는 RC-저역 패스 필터의 저항(32)에 병렬 접속된다. 주파수 회로(30)는 이 경우 스위칭 소자(38) 및 저항값(R2)을 갖는 옴 저항(40)의 직렬 회로를 포함한다. 이러한 실시예에서 저항(32, 40)은 차단 주파수(fg)의 조정을 위한 병렬 접속된 필터 소자로서 작용한다.
폐쇄된 스위칭 소자(38)의 경우 옴 저항들(32, 40)의 컨덕턴스가 합산된다. 이로써 작용하는 차단 주파수(fg)는 하기 식으로서 구해지고:
이는 이러한 실시예에서 더 고주파의 주파수 값(f2)에 상응한다.
개방된 스위칭 소자(38)의 경우에 또한 RC-저역 패스 필터만이 작용하므로, 아날로그 디지털 변환기(22)에 대해 결과되는 차단 주파수(fg)는 하기식으로서 구해진다:
이는 이러한 실시예에서 저주파의 주파수 값(f1)에 상응한다.
다시 말해서 스위칭 소자(38)는 샘플링 지속 시간(ta) 동안 개방되고, 이로써 차단 주파수(fg)는 저주파의 주파수 값(f1)으로 조정된다. 진단 지속 시간(td) 동안 스위칭 소자(38)는 폐쇄되므로, 필터 회로(24)의 차단 주파수(fg)는 고주파의 주파수 값(f2)으로 조정된다.
바람직하게는 주파수 값들(f1, f2) 사이의 차이는 최소 한 자리 수다.
도 3에 도시된 실시예의 적절한 설계 시 커패시턴스 값(C1)은 예를 들어 10 nF(Nanofarad)이고, 커패시턴스 값(C2)은 470 nF이다. 저항값(R1)은 바람직하게 대략 6.8 kOhm(Kiloohm)이므로, 제 1 주파수 값(f1)은 대략 48.8 kHz(Kilohertz)이고, 제 2 주파수 값(f2)은 대략 2.34 kHz이다.
도 4의 실시예에서 커패시턴스 값(C1)은 예를 들어 470 nF이고, 이 경우 저항값(R1)은 대략 6.8 kOhm으로, 저항값(R2)은 대략 150 Ohm으로 정해진다. 이로써 주파수 값(f1)은 예를 들어 49.8 kHz의 값을 갖고, 주파수 값(f2)은 대략 2.31 kHz의 값을 갖는다.
본 발명은 전술한 실시예에 제한되지 않는다. 오히려 본 발명의 대상을 벗어나지 않으면서, 본 발명의 다른 변형예도 당업자에 의해 도출될 수 있다. 특히 실시예와 관련해서 설명된 모든 개별 특징들 또한, 본 발명의 대상을 벗어나지 않으면서, 다른 방식으로도 서로 조합될 수 있다.
2 자동차 4 배터리 시스템
6, 8 접속부 10 배터리 모듈
12 배터리 셀 14 셀 컨트롤러
16 버스 라인 18 배터리 관리 컨트롤러
20 배터리 분리 유닛 22 아날로그 디지털 변환기
24 필터 회로 26 평가 전자장치/ASIC
28 인터페이스 30 주파수 회로
32 저항 34, 36 커패시터
38 스위칭 소자 40 저항
fa 샘플링 주파수 fg 차단 주파수
ta 샘플링 지속 시간 td 진단 지속 시간
f1, f2 주파수 값 S 제어 신호
R1, R2 저항값 C1, C2 커패시턴스 값

Claims (8)

  1. 자동차(2)용 배터리 시스템(4)으로서,
    배터리 시스템(4)은, 복수의 배터리 셀들(12)과 상기 배터리 셀들(12)의 충전 상태를 모니터링하고 설정하기 위한 셀 컨트롤러(14)를 가진 적어도 하나의 배터리 모듈(10), 및 상기 또는 각각의 셀 컨트롤러(14)에 신호 기술적으로 결합된 배터리 관리 컨트롤러(18)를 포함하고,
    상기 셀 컨트롤러(14)는, 필터 회로(24)에 의해 배터리 모듈(10)의 배터리 셀들(12)에 안내되는 아날로그 디지털 변환기(22) 및 필터 회로(24)의 차단 주파수(fg)를 설정하기 위한 주파수 회로(30)를 포함하고,
    상기 필터 회로(24)의 상기 차단 주파수(fg)는, 상기 셀 컨트롤러(14)가 상기 배터리 셀들(12)을 모니터링하는 샘플링 지속 시간(ta) 동안 제 1 주파수 값(f1)으로 설정되고, 상기 배터리 관리 컨트롤러(18)가 상기 배터리 셀들(12)을 모니터링하는 진단 지속 시간(td) 동안 제 2 주파수 값(f2)으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동차(2)용 배터리 시스템(4).
  2. 제 1 항에 있어서,
    복수의 배터리 모듈(10)의 상기 셀 컨트롤러(14)는, 데이지 체인 방식에 따라 버스 라인(16)에 의해 상기 배터리 관리 컨트롤러(18)에 안내되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(4).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 필터 회로(24)는, 상기 주파수 회로(30)에 의해 상기 주파수 값들(f1, f2) 사이에서 가역적으로 전환 가능한 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(4).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 필터 회로(24)는, 저역 패스 필터로서 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(4).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 필터 회로(24)는, 상기 배터리 셀들(12)과 상기 아날로그 디지털 변환기(22)에 직렬 접속된 옴 저항(32) 및 상기 배터리 셀들(12)과 상기 아날로그 디지털 변환기(22)에 병렬 접속된 제 1 커패시터(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(4).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수 회로(30)는, 상기 필터 회로(24)의 필터 소자에 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(4).
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수 회로(30)는 작동 가능한 스위칭 소자(38) 및 제 2 커패시터(36)를 포함하고, 상기 제 2 커패시터는 상기 스위칭 소자(38)에 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(4).
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 배터리 시스템(4)을 구비한 자동차(2).
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