KR20230126466A - 배터리 셀 전압 측정 회로 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 셀 전압 측정 회로에 관한 것으로, 배터리 스택에 구성된 복수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자; 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 각 단자에 각기 병렬로 연결되는 보호회로; 및 상기 보호회로에 전원을 인가하는 외부전원;을 포함한다.

Description

배터리 셀 전압 측정 회로 및 그 제어 방법{CIRCUIT FOR MEASURING BATTERY CELL VOLTAGE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 셀 전압 측정 회로 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 셀에 역전압이 발생할 경우 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 손상을 방지할 수 있도록 하는, 배터리 셀 전압 측정 회로 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차(EV : Electric Vehicle / HEV : Hybrid Electric Vehicle)는 배터리(또는 연료전지, 수소전지)에 의해 전기 모터를 구동한다.
따라서 전압 제어(예 : 셀 간 전압 차이가 최소화 되게 하는 전압 밸런싱 제어)를 위해서는 배터리(또는 연료전지, 수소전지)의 각 셀의 전압 측정(또는 전압 모니터링)이 필요하다. 이를 통해 과전압이나 저전압을 방지함으로써 배터리가 안전하게 긴 수명을 갖도록 하는 역할을 한다.
이 때 사용되는 전압 측정 회로는, 통상적으로 다수의 배터리 셀 중 하나를 선택하기 위한 먹스(MUX : Multiplexer) 소자와 상기 먹스 소자(MUX)를 통해 출력된 값을 디지털 값으로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter) 소자를 포함한다(도 1 내지 도 3 참조).
여기서 상기 먹스 소자(MUX)를 포함하는 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)는 하나의 센싱 채널이 0~5V의 정전압을 감지하게 된다.
그런데 만약 배터리 셀에서 역전압이 발생하는 특수한 상황이 존재할 경우(특히 수소 전지의 경우), 기존의 배터리 셀 전압 측정 회로는 상기 역전압에 대응하는 보호회로가 포함되어 있지 않기 때문에 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)에 소손이 발생하게 된다. 또한 상기 역전압 발생 현상이 지속될 경우 배터리 셀에도 손상을 일으키게 되는 문제점이 있다.
예컨대 전기차에 탑재되는 배터리는 수많은 셀들이 직렬 스택으로 쌓여 구성된다. 따라서 배터리 셀 전압 측정 회로(또는 BMS 시스템)는 상기 배터리 셀들을 모니터링하기 위해 수십 개의 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)들로 구성된다. 따라서 만약에 역전압 상황이 발생하여 특정 배터리 셀 전압 측정 소자에 소손이 발생하면, BMS 시스템 전체를 교체해야 할 수도 있다. 그리고 셀이 하나라도 손상될 경우에는 배터리 전체를 교체해야 하기 때문에 막대한 비용이 소요될 수 있는 문제점이 있다.
이에 따라 배터리 셀에서 역전압이 발생하는 특수한 상황이 발생할 경우 상기 역전압에 의한 배터리 셀 전압 측정 회로(또는 BMS 시스템)의 및 배터리 셀의 소손을 방지할 수 있도록 하는 보호회로가 포함된 배터리 셀 전압 측정 회로가 필요한 상황이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1527136호(2015.06.02. 등록, 전기 자동차용 배터리 진단 장치 및 그 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 배터리 셀에 역전압이 발생할 경우 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 손상을 방지할 수 있도록 하는, 배터리 셀 전압 측정 회로 및 그 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 셀 전압 측정 회로는, 배터리 스택에 구성된 복수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자; 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 각 단자에 각기 병렬로 연결되는 보호회로; 및 상기 보호회로에 전원을 인가하는 외부전원;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 보호회로는, 저항(RPU)에 직렬 연결된 다이오드(DPU)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 보호회로는, 상기 다이오드(DPU)의 애노드는 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 전원단자(VPU)를 통해 외부전원의 양극에 연결되고, 상기 다이오드(DPU)의 캐소드는 상기 저항(RPU)의 일 단에 연결되며, 상기 저항(RPU)의 다른 일 단이 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 각 단자(VCO, VC1, VC2)에 각기 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리 스택은, 가장 하단 배터리 셀의 음극이 병렬 연결된 바텀 저항(RBOTTOM)과 바텀 다이오드(DBOTTOM)를 통해 상기 외부전원의 음극과 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 접지 단자(GND)에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 바텀 저항(RBOTTOM)은, 일 단이 상기 바텀 다이오드(DBOTTOM)의 캐소드와 상기 배터리 스택의 가장 하단 배터리 셀의 음극에 연결되고, 다른 일 단이 상기 바텀 다이오드(DBOTTOM)의 애노드와 상기 외부전원의 음극과 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 접지 단자(GND)에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자는, 각 단자(VCO, VC1, VC2)와 각 배터리 셀의 음극이 저항(RF)을 통해 직렬 연결되고, 상기 각 단자(VCO, VC1, VC2)와 각 저항(RF)의 사이에는 커패시터(CF)가 각기 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 셀 전압 측정 회로의 제어 방법은, 제어부가 배터리 셀의 역전압 발생을 감지하는 단계; 상기 배터리 셀의 역전압 발생이 감지되면, 상기 제어부가 배터리 셀의 수소 충전을 위한 상위 시스템에 역전압 감지 신호를 출력하는 단계; 상기 제어부가 상기 배터리 셀의 역전압이 해소되는지 체크하는 단계; 및 상기 배터리 셀의 역전압이 해소되면 역전압 감지 신호의 출력을 종료하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 배터리 셀에 역전압이 발생할 경우 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자 및 배터리 셀 자체의 소손을 방지할 수 있도록 한다.
도 1은 일반적인 배터리 셀 전압 측정 회로의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 보호회로가 포함된 배터리 셀 전압 측정 회로의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 3은 상기 도 2에 있어서, 역전압이 발생한 배터리 셀 전압의 측정 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 4는 상기 도 3에 있어서, 배터리 셀에 역전압이 발생할 경우 제어부(MCU)의 동작을 설명하기 위한 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 셀 전압 측정 회로 및 그 제어 방법의 일 실시 예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 일반적인 배터리 셀 전압 측정 회로의 개략적인 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 기존의 일반적인 배터리 셀 전압 측정 회로는, 배터리 스택(Battery stack)의 복수의 배터리 셀(CELL1, CELL2, CELL3, ...) 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)를 포함하고, 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 각 단자(VCO, VC1, VC2)와 각 배터리 셀의 음극은 저항(RF)을 통해 직렬 연결되고, 상기 각 단자(VCO, VC1, VC2)와 각 저항(RF)의 사이에는 커패시터(CF)가 각기 병렬 연결되며, 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 접지 단자(GND)와 상기 배터리 스택(Battery stack)의 가장 하단 배터리 셀(CELL1)의 음극은 공통으로 연결된다.
이 때 만약 어느 하나의 배터리 셀(예 : CELL2)에서 역전압이 발생하는 특수한 상황이 발생할 경우(특히 수소 전지의 경우), 상기 배터리 셀(예 : CELL2)의 양극(또는 직렬 연결된 상위 배터리 셀(CELL3)의 음극)에 연결된 단자(VC2)를 통해 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)에 소손이 발생하게 된다. 또한 상기 역전압 발생 현상이 지속될 경우 상기 배터리 셀(예 : CELL2)에도 손상을 일으키게 되는 문제점이 있다.
따라서 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자 및 배터리 셀의 소손을 방지할 수 있도록 하는 보호회로가 포함된 배터리 셀 전압 측정 회로가 필요한 상황이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 보호회로가 포함된 배터리 셀 전압 측정 회로의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 저항(RPU)에 직렬 연결된 다이오드(DPU)로 구성된 보호회로가 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 각 단자(VCO, VC1, VC2)에 각기 병렬로 연결된다.
상기 보호회로에서 다이오드(DPU)의 애노드는 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 전원단자(VPU)를 통해 외부전원(110)의 양극에 연결되고, 상기 다이오드(DPU)의 캐소드는 상기 저항(RPU)의 일 단에 연결되며, 상기 저항(RPU)의 다른 일 단이 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 각 단자(VCO, VC1, VC2)에 각기 연결되며, 상기 배터리 스택(Battery stack)의 가장 하단 배터리 셀(CELL1)의 음극은 병렬 연결된 바텀 저항(RBOTTOM)과 바텀 다이오드(DBOTTOM)가 상기 외부전원(110)의 음극과 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 접지 단자(GND)에 공통으로 연결된다.
보다 구체적으로, 상기 바텀 저항(RBOTTOM)의 일 단과 상기 바텀 다이오드(DBOTTOM)의 캐소드가 상기 배터리 스택(Battery stack)의 가장 하단 배터리 셀(CELL1)의 음극에 연결되고, 상기 바텀 저항(RBOTTOM)의 다른 일 단과 상기 바텀 다이오드(DBOTTOM)의 애노드가 상기 외부전원(110)의 음극과 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 접지 단자(GND)에 공통으로 연결된다.
이 때 상기 외부전원(110)에서 공급되는 전압은 배터리 셀 전압(예 : 5V) 이하이며 전류는 최소(예 : 수 ㎂)로 공급된다.
예컨대 상기 도 2에서 어느 하나의 배터리 셀(예 : CELL2)에 역전압이 발생했다고 가정할 경우, 가령, CELL1=2V, CELL2=-4V와 같이 CELL2에서 역전압이 발생할 경우, 이에 대응하여 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 단자(예 : VC2)in에는 음전압이 인가된다. 이렇게 음전압이 먹스(MUX)에 인가될 경우, 상기 먹스(MUX)를 구성하는 내부 소자에 소손이 발생하여 해당 채널은 정상 동작이 불가능해진다. 그리고 상기 배터리 셀(예 : CELL2)와 같이 역전압이 걸리는 상황이 계속 방치될 경우, 해당 배터리 셀에도 손상이 발생하게 된다.
이 때 본 실시 예에서는, 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 단자(예 : VC2)에는 음전압이 인가될 때, 상기 단자(예 : VC2)의 전위는 외부전원(110)에 연결된 전원단자(VPU)의 전위보다 낮기 때문에 풀업(Pull-Up) 전류가 노란색 경로(즉, 외부전원(110)의 양극→전원단자(VPU)→보호회로→역전압이 발생한 배터리 셀(CELL2)→배터리 스택의 가장 하단 배터리 셀(CELL1)→바텀 저항(RBOTTOM)→외부전원(110)의 음극)를 따라 흐르게 됨으로써, 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 각 단자(VCO, VC1, VC2)의 전위를 입력 전류(IPU)x 바텀 저항(RBOTTOM)만큼 모두 올려주게 된다.
결과적으로 상기 역전압이 발생한 배터리 셀(예 : CELL2) 전압을 측정하는 단자(VC2)의 전위가 높아져서 양전압으로 바뀌게 됨으로써 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)를 보호하여 손상을 방지할 수 있게 된다.
이 때 상기 외부전원(110)에서 공급되는 전류는 매우 작기 때문에(예 : 수 ㎂)에 배터리 셀 전압 측정 값에 미치는 영향은 크지 않으며, 더구나 본 실시 예에서 의미하는 배터리 셀 전압은 스택에 연결된 각 배터리 셀 간의 상대적인 전압을 측정하는 것이므로, 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)의 각 단자(VCO, VC1, VC2)의 전위가 동일하게 증가하기 때문에 각 배터리 셀 간의 상대적인 전압에는 변화가 없게 된다.
도 3은 상기 도 2에 있어서, 역전압이 발생한 배터리 셀 전압의 측정 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도로서, 역전압이 발생한 배터리 셀(예 : CELL2) 전압이 보호회로를 통해 인가되는 전류에 의해 양전압으로 변화되고, 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자(예 : BMS Sensing IC)를 통해 측정된 양전압이 먹스(MUX)를 통해 ADC로 전달되고, 상기 ADC를 통해 디지털 값으로 변환된 배터리 셀 전압 측정 값이 제어부(MCU)로 정상적으로 인가됨으로써 배터리 셀 전압을 모니터링 할 수 있게 된다.
이에 상기 제어부(MCU)는 상기 배터리 셀 전압을 바탕으로 역전압이 발생한 배터리 셀(예 : CELL2)이 정전압으로 바뀌도록 제어(예 : 알람 신호 출력)할 수 있게 된다(도 4 참조).
도 4는 상기 도 3에 있어서, 배터리 셀에 역전압이 발생할 경우 제어부(MCU)의 동작을 설명하기 위한 흐름도로서, 배터리 셀의 역전압이 감지될 경우(S101의 예), 상기 제어부(MCU)는 상위 시스템(예 : 수소 충전 시스템)(미도시)에 역전압 감지 신호(또는 알람 신호)를 출력한다(S102).
여기서 상기 상위 시스템(예 : 수소 충전 시스템)(미도시)은 상기 배터리가 수소전지인 경우에 상기 배터리에 수소를 충전(또는 분사)하는 시스템으로서, 상기 역전압 감지 신호(또는 알람 신호)를 수신한 상기 상위 시스템(예 : 수소 충전 시스템)(미도시)이 배터리에 수소를 충전할 경우 역전압이 해소된다.
따라서 상기 제어부(MCU)는 배터리 셀의 역전압이 해소되기 전까지(S103의 아니오) 역전압 감지 신호(또는 알람 신호)를 출력하고, 배터리 셀의 역전압이 해소되면(S103의 예) 역전압 감지 신호(또는 알람 신호)의 출력을 종료한다.
결과적으로 본 실시 예에 따른 회로는 역전압이 발생한 배터리 셀이 역전압 상황에 노출되는 것을 방지함으로써, 배터리 셀 전압을 측정하는 소자 및 배터리 셀 자체의 소손을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
110 : 외부전원
MUX : 먹스
ADC : 에이디컨버터
MCU : 제어부
BMS Sensing IC : 배터리 셀 전압을 측정하는 소자

Claims (7)

  1. 배터리 스택에 구성된 복수의 배터리 셀;
    상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자;
    상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 각 단자에 각기 병렬로 연결되는 보호회로; 및
    상기 보호회로에 전원을 인가하는 외부전원;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 측정 회로.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 보호회로는,
    저항(RPU)에 직렬 연결된 다이오드(DPU)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 측정 회로.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 보호회로는,
    상기 다이오드(DPU)의 애노드는 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 전원단자(VPU)를 통해 외부전원의 양극에 연결되고,
    상기 다이오드(DPU)의 캐소드는 상기 저항(RPU)의 일 단에 연결되며, 상기 저항(RPU)의 다른 일 단이 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 각 단자(VCO, VC1, VC2)에 각기 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 측정 회로.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 배터리 스택은,
    가장 하단 배터리 셀의 음극이 병렬 연결된 바텀 저항(RBOTTOM)과 바텀 다이오드(DBOTTOM)를 통해 상기 외부전원의 음극과 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 접지 단자(GND)에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 측정 회로.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 바텀 저항(RBOTTOM)은,
    일 단이 상기 바텀 다이오드(DBOTTOM)의 캐소드와 상기 배터리 스택의 가장 하단 배터리 셀의 음극에 연결되고,
    다른 일 단이 상기 바텀 다이오드(DBOTTOM)의 애노드와 상기 외부전원의 음극과 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자의 접지 단자(GND)에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 측정 회로.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 배터리 셀 전압을 측정하는 소자는,
    각 단자(VCO, VC1, VC2)와 각 배터리 셀의 음극이 저항(RF)을 통해 직렬 연결되고, 상기 각 단자(VCO, VC1, VC2)와 각 저항(RF)의 사이에는 커패시터(CF)가 각기 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 측정 회로.
  7. 제어부가 배터리 셀의 역전압 발생을 감지하는 단계;
    상기 배터리 셀의 역전압 발생이 감지되면, 상기 제어부가 배터리 셀의 수소 충전을 위한 상위 시스템에 역전압 감지 신호를 출력하는 단계;
    상기 제어부가 상기 배터리 셀의 역전압이 해소되는지 체크하는 단계; 및
    상기 배터리 셀의 역전압이 해소되면 역전압 감지 신호의 출력을 종료하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 전압 측정 회로의 제어 방법.
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