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JP2020504421A - バッテリー管理ユニット及びこれを含むバッテリーパック - Google Patents

バッテリー管理ユニット及びこれを含むバッテリーパック Download PDF

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JP2020504421A JP2019531422A JP2019531422A JP2020504421A JP 2020504421 A JP2020504421 A JP 2020504421A JP 2019531422 A JP2019531422 A JP 2019531422A JP 2019531422 A JP2019531422 A JP 2019531422A JP 2020504421 A JP2020504421 A JP 2020504421A
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Abstract

バッテリー管理ユニット及びこれを含むバッテリー管理システムが開示される。上記バッテリー管理ユニットは、複数のバッテリーセルに電気的に接続し、上記複数のバッテリーセル各々の電圧を検出し、上記検出された電圧を示す電圧情報を含む検出信号を出力するように構成されたセンシング部と、上記バッテリーモジュールのモジュール電圧を用いて第１動作電圧を生成するように構成された第１電源供給部と、上記第１動作電圧を用いて動作し、アンテナ、無線通信回路及び第１入力ポートを含み、上記第１入力ポートを通じて上記センシング部から上記検出信号を受信し、上記検出信号に基づき、予め決められた少なくとも一つの項目に対するテストを行い、上記テストの結果を示すＲＦ信号を上記アンテナ及び上記無線通信回路によって出力するように構成された通信部と、を含む。

Description

本発明は、バッテリー管理ユニットに関し、より詳しくは、バッテリーモジュールに含まれた複数のバッテリーセルの状態を管理するための装置及びこれを含むバッテリーパックに関する。
本出願は、２０１７年７月２５日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−００９４２５５号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
最近、ノートブックＰＣ、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急増し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれ、反復的な充放電の可能な高性能二次電池についての研究が活発に進行しつつある。
現在、商用化した二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウム二次電池などがあり、このうち、リチウム二次電池は、ニッケル系の二次電池に比べてメモリー効果がほとんど起こらず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
電気車などに適用されるバッテリーパックは、通常、相互直列に接続した複数のバッテリーモジュール及び複数のバッテリー管理ユニットを含む。バッテリー管理ユニットは、ＢＭＵ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）とも称し得る。各ＢＭＵは、自分が管理するバッテリーモジュールの状態をモニター及び制御する。最近は、大容量かつ高出力のバッテリーパックが要求されることによって、バッテリーパックに含まれるバッテリーモジュールの個数も増加しつつある。このようなバッテリーパックに含まれた各バッテリーモジュールの状態を効率的に管理するために、マルチスレーブ構造が開示されている。マルチスレーブ構造は、各バッテリーモジュールに設えられる複数のスレーブＢＭＵ及び上記複数のスレーブＢＭＵを全般的に管制するマスターＢＭＵを含む。この際、各スレーブＢＭＵは、自分が担当するバッテリーモジュールの状態をモニター及び制御し、マスターＢＭＵは、複数のスレーブＢＭＵの動作を制御する。複数のスレーブＢＭＵとマスターＢＭＵとの通信は、有線方式、無線方式または有・無線が組み合わせられた方式で行われ得る。
各スレーブＢＭＵ及びマスターＢＭＵは、多様な回路部品及びこれらを連結する複数の電気ラインを含む。特に、マスターＢＭＵが正常に複数のスレーブＢＭＵの動作を管制するためには、各スレーブＢＭＵの正常な動作が前提されるべきである。ただ一つのスレーブＢＭＵに欠陷が存在しても、バッテリーパックの全体的な性能に大きい影響を及ぼし得るためである。
したがって、スレーブＢＭＵの生産が完了した時点からバッテリーパックが出庫する時点までの期間内に、正常に動作するか否か、欠陷が存在するか否かをテストする必要がある。
ところが、従来には、生産が完了したスレーブＢＭＵに対して予め決められた項目をテストするためには、それに先立って作業者が直接スレーブＢＭＵに鉛蓄電池などのような別の電源を連結してスレーブＢＭＵをウェークアップしなければならない制約が存在し、テストのための事前準備過程が非効率的であるという短所がある。
本発明は、作業者が直接スレーブＢＭＵに電源を連結する過程がなくても、バッテリーモジュールに含まれた各バッテリーセルの正常的な管理に要求される項目に対するテストを行うことができるバッテリー管理ユニット及びこれを含むバッテリーパックを提供することを目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
上記の課題を達成するための本発明の多様な実施例は、以下のようである。
本発明の一面によるバッテリー管理ユニットは、複数のバッテリーセルを含むバッテリーモジュールのためのものである。上記バッテリー管理ユニットは、上記複数のバッテリーセルに電気的に接続し、上記複数のバッテリーセル各々の電圧を検出し、上記検出された電圧を示す電圧情報を含む検出信号を出力するように構成されたセンシング部と、上記バッテリーモジュールのモジュール電圧を用いて第１動作電圧を生成するように構成された第１電源供給部と、上記第１動作電圧を用いて動作し、アンテナ、無線通信回路及び第１入力ポートを含み、上記第１入力ポートを通じて上記センシング部から上記検出信号を受信し、上記検出信号に基づき、予め決められた少なくとも一つの項目に対するテストを行い、上記テストの結果を示すＲＦ信号を上記アンテナ及び上記無線通信回路によって出力するように構成された通信部と、を含む。
また、上記バッテリー管理ユニットは、電源端子を有し、上記電源端子に電源が接続する場合、上記電源電圧を第２動作電圧に変換するように構成された第２電源供給部と、上記第２動作電圧を用いて動作し、上記検出信号に基づき、上記センシング部を制御するための制御信号を出力する制御部と、をさらに含み得る。
また、上記バッテリー管理ユニットは、上記第１動作電圧及び上記第２動作電圧を用いて動作するように構成された絶縁部をさらに含み得る。この場合、上記絶縁部は、上記通信部と上記制御部との通信を中継する第１絶縁回路を含み得る。
また、上記絶縁部は、上記第１動作電圧及び上記第２動作電圧を用いて動作し、上記センシング部及び上記制御部との通信を中継するように構成された第２絶縁回路をさらに含み得る。
また、上記第２絶縁回路は、上記バッテリーモジュールに含まれたバッテリーセルの個数以上の絶縁素子を含み得る。
また、上記絶縁素子は、デジタルアイソレーター、オプトカプラまたはＲＦアイソレーターである。
また、上記センシング部と上記通信部とは、ＵＡＲＴモードによって相互通信し得る。
また、上記センシング部と上記制御部とは、ＳＰＩモードによって相互通信し得る。
また、上記制御部は、上記第２動作電圧が供給される場合、スイッチング信号を上記通信部に出力し得る。上記通信部は、第２入力ポートをさらに含み、上記第２入力ポートを通じて上記スイチッング信号が受信される場合、上記第１入力ポートを非活性化し得る。
本発明の他面によるバッテリーパックは、上記バッテリー管理ユニットを含む。
本発明の実施例の少なくとも一つによれば、作業者が直接電源を連結することなく、バッテリーモジュールに含まれた各バッテリーセルの正常的な管理に要求される項目に対するテストを行うことができる。
また、本発明の実施例の少なくとも一つによれば、各バッテリーセルの正常的な管理に要求される項目に対するテストの結果を無線方式によって外部（例えば、作業者のコンピュータ）に送信することができる。
また、本発明の実施例の少なくとも一つによれば、バッテリー管理システムが含まれたバッテリーパックが、予め決められた対象（例えば、電気自動車）に設けられたか否かによって、バッテリー管理ユニットに含まれた無線通信回路の機能を転換することができる。
本発明の効果は上述の効果に制限されず、言及されていないさらに他の効果は、請求範囲の記載から当業者にとって明確に理解されるであろう。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施例によるバッテリー管理システム及びこれを含むバッテリーパックの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施例によるスレーブＢＭＵの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施例によるセルバランシング部の構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施例によるマスターＢＭＵの構成を概略的に示す図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
また、本発明に関連する公知の機能または構成についての具体的な説明が、本発明の要旨をあいまいにすると判断される場合、その説明を省略する。
第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちいずれか一つを残りと区別する目的として使用され、このような用語によって構成要素が限定されることではない。
なお、明細書の全体にかけて、ある部分が、ある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反する記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載の「制御ユニット」のような用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を示し、これはハードウェアやソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの結合せにより具現され得る。
さらに、明細書の全体に亘って、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されているとするとき、これは、「直接的に連結（接続）」されている場合のみならず、その中間に他の素子を介して「間接的に連結（接続）」されている場合も含む。
以下、本発明の実施例による複数のバッテリー管理ユニットを含むバッテリー管理システムについて説明する。この際、複数のＢＭＵのうち少なくとも一つはマスターＢＭＵであり、残りはスレーブＢＭＵであり得る。
図１は、本発明の一実施例によるバッテリー管理システム３０及びこれを含むバッテリーパック１０の構成を概略的に示す図である。
図１を参照すれば、バッテリーパック１０は、複数のバッテリーモジュール２０及びバッテリー管理システム３０を含む。各バッテリーモジュール２０は、少なくとも一つのバッテリーセル（図２の「２１」参照）を含み得る。バッテリー管理システム３０は、複数のスレーブＢＭＵ１００及び少なくとも一つのマスターＢＭＵ２００を含む。バッテリーパック１０は、電気自動車に搭載され、電気自動車の電気モーターの駆動に要求される電力を供給できる。
以下では、説明の便宜のために、バッテリーパック１０が相互直列接続したｎ（ｎは、２以上の自然数）個のバッテリーモジュール２０を含み、各バッテリーモジュール２０は、相互直列接続したｍ（ｍは、２以上の自然数）個のバッテリーセル２１を含み、バッテリー管理システム３０は、ｎ個のスレーブＢＭＵ１００及び単一のマスターＢＭＵ２００を含むと仮定する。
複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎは、バッテリーパック１０に含まれた複数のバッテリーモジュール２０−１〜２０−ｎに一対一に対応するように設けられる。
複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎ各々は、複数のバッテリーモジュール２０−１〜２０−ｎのうち自分が設けられたいずれか一つのバッテリーモジュール２０−ｊと電気的に接続する。ここで、ｊは、１以上ｎ以下の自然数である。
複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎ各々は、自分と電気的に接続したバッテリーモジュール２０−ｊの全般的な状態（例えば、電圧、電流、温度）を検出し、バッテリーモジュール２０の状態を調節するための各種制御機能（例えば、充電、放電、バランシング）を行う。この際、各制御機能は、スレーブＢＭＵ１００がバッテリーモジュール２０の状態に基づいて直接実行するか、または、マスターＢＭＵ２００からの命令に応じて実行することであり得る。
複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎ及びマスターＢＭＵ２００は、デイジーチェーンＤＣ（ｄａｉｓｙ ｃｈａｉｎ）のような有線ネットワークによって相互通信接続できる。
図２は、本発明の一実施例によるスレーブＢＭＵ１００の構成を概略的に示す図であり、図３は、本発明の一実施例によるセルバランシング部１５０の構成を概略的に示す図である。
図１及び図２を参照すれば、各スレーブＢＭＵ１００は、センシング部１１０、第１電源供給部１２１及び通信部１３０を含み得る。選択的に、各スレーブＢＭＵ１００は、第２電源供給部１２２、絶縁部１４０、セルバランシング部１５０、メモリー１７１及び制御部１７０の少なくとも一つをさらに含み得る。
センシング部１１０は、バッテリーモジュール２０の状態を示す電気的パラメータを検出するように構成される。具体的に、センシング部１１０は、バッテリーモジュール２０に含まれた各バッテリーセル２１の電圧を検出する電圧測定回路を含み、選択的にバッテリーモジュール２０の温度を検出する温度検出回路をさらに含み得る。
センシング部１１０の電圧検出回路は、複数の電気ラインを介して各バッテリーセル２１に電気的に接続した電圧センサー１１１を用いて、各バッテリーセル２１の電圧を検出し、検出された電圧を示す電圧情報を生成する。
また、センシング部１１０の温度検出回路は、バッテリーモジュール２０内、またはバッテリーモジュール２０から所定の距離内に配置された温度センサー１１２を用いて、バッテリーモジュール２０またはバッテリーモジュール２０に含まれた少なくとも一つのバッテリーセル２１の温度を検出し、検出された温度を示す温度情報を受信する。
センシング部１１０は、電圧情報及び温度情報の少なくとも一つを含む検出信号を出力する。センシング部１１０によって出力された検出信号は、少なくとも通信部１３０によって受信され得る。この場合、センシング部１１０と通信部１３０とは、シリアル通信モードの一つ、例えば、ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）モードによって相互通信し得る。
第１電源供給部１２１は、ＤＣ−ＤＣ電圧変換が可能な装置、例えば、ＬＤＯ（Ｌｏｗ Ｄｒｏｐ Ｏｕｔ）レギュレーター、線形（ｌｉｎｅａｒ）レギュレーター及びＳＭＰＳ（Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）の少なくとも一つを含む電圧変換回路を含む。第１電源供給部１２１は、バッテリーモジュール２０から電気エネルギーが供給されれば、電圧変換回路を用いてバッテリーモジュール２０の両端電圧であるモジュール電圧から予め決められた一つ以上の動作電圧を生成する。その後、第１電源供給部１２１は、上記動作電圧をスレーブＢＭＵ１００に含まれた他の回路構成に提供する。
一例で、第１電源供給部１２１は、センシング部１１０、通信部１３０、絶縁部１４０及びセルバランシング部１５０に、同じレベルの動作電圧を提供し得る。他の例で、第１電源供給部１２１は、センシング部１１０、通信部１３０、絶縁部１４０及びセルバランシング部１５０のいずれか一つには、残りの他の一つに提供される動作電圧（例えば、３．３Ｖ）とはレベルが異なる動作電圧（例えば、５．０Ｖ）を提供し得る。
または、センシング部１１０、通信部１３０、絶縁部１４０及びセルバランシング部１５０の少なくとも一つは、第１電源供給部１２１によって提供される動作電圧ではなく、自らに備えられた電圧変換回路を用いて、バッテリーモジュール２０のモジュール電圧を自分の動作に要求される動作電圧に変換することもできる。
通信部１３０は、相互動作可能に連結されたアンテナ１３１、無線通信回路１３２及び有線通信回路１３３を含み、第１電源供給部１２１から提供される動作電圧を用いて動作するように構成される。
通信部１３０は、電気ラインによってセンシング部１１０に電気的に接続した第１入力ポートＩＮ１を含み、第１入力ポートＩＮ１を通じてセンシング部１１０からの検出信号を受信する。選択的に、通信部１３０は、第２入力ポートＩＮ２を含み得る。また、通信部１３０は、電気ラインによってセンシング部１１０に電気的に接続した第１出力ポートＯＵＴ１をさらに含み得、第１出力ポートＯＵＴ１を通じて検出信号の送信を要請する制御信号をセンシング部１１０に送信し得る。
無線通信回路１３２は、無線トランシーバ１３２ａ及びＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１３２ｂを含み得る。この際、無線トランシーバ１３２ａ及びＭＣＵ１３２ｂは、単一のチップに一体で集積化した半導体として具現可能であり、これを「ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）−ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ）」と称し得る。
ＭＣＵ１３２ｂは、後述する制御部１７０が非活性化の状態（即ち、電源電圧が供給されない状態）である間に、センシング部１１０からの検出信号に基づき、バッテリーモジュール２０と係わる少なくとも一つの項目に対するテストを行うことができる。例えば、テストが行われる項目には、センシング部１１０の故障有無やセルバランシング部１５０の故障有無が含まれ得る。
また、ＭＣＵ１３２ｂは、自分によって行われたテストの結果情報を無線トランシーバ１３２ａに伝達する。無線トランシーバ１３２ａは、ＭＣＵ１３２ｂからのテスト結果情報を含むＲＦ信号をアンテナ１３１によって作業者端末２またはマスターＢＭＵ２００に送信し得る。
無線通信回路１３２は、アンテナ１３１によって受信された無線信号を復調する。アンテナ１３１によって受信された無線信号は、外部、マスターＢＭＵ２００または他のスレーブＢＭＵ１００から送信されたものであり得る。
有線通信回路１３３は、第１入力ポートＩＮ１及び第１出力ポートＯＵＴ１に電気的に接続し、通信部１３０とセンシング部１１０との有線通信を支援する。
第２電源供給部１２２は、自分を含むスレーブＢＭＵ１００に設けられた電源端子Ｐに接続した電圧変換回路を含む。第２電源供給部１２２は、電圧変換回路は、ＤＣ−ＤＣ電圧変換が可能な装置、例えば、ＬＤＯレギュレーター、線形レギュレーター及びＳＭＰＳの少なくとも一つを含み得る。
第２電源供給部１２２は、電源端子Ｐに電源ＢＡＵＸ１（例えば、電気自動車の鉛蓄電池）が接続する場合、自分の電圧変換回路を用いて、電源ＢＡＵＸ１の電源電圧を予め決められた一つ以上の動作電圧へ変換するように構成される。その次、第２電源供給部１２２は、動作電圧をスレーブＢＭＵ１００に含まれた他の回路構成に提供する。
一例で、第２電源供給部１２２は、絶縁部１６０及び制御部１７０に、同じレベルの動作電圧を提供し得る。他の例で、第２電源供給部１２２は、絶縁部１６０及び制御部１７０のいずれか一つには、他の一つに提供される動作電圧（例えば、３．３Ｖ）とはレベルが異なる動作電圧（例えば、５．０Ｖ）を提供し得る。
または、制御部１７０は、第２電源供給部１２２によって提供される動作電圧ではなく、自らに備えられた電圧変換回路を用いて、電源電圧を自分の動作に要求される動作電圧に変換し得る。
絶縁部１４０は、第１電源供給部１２１から提供される動作電圧及び第２電源供給部１２２から提供される動作電圧を用いて動作するように構成される。絶縁部１４０は、スレーブＢＭＵ１００の高電圧ドメインと低電圧ドメインとの電気的絶縁状態を維持しながら、高電圧ドメインに属する構成と低電圧ドメインに属する構成との通信を支援する。本発明において、「高電圧ドメイン」とは、バッテリーモジュール２０に電気的に接続し、バッテリーモジュール２０から電気エネルギーを受けて動作する部分を意味し得る。例えば、センシング部１１０、第１電源供給部１２１及び通信部１３０が高電圧ドメインに属する。
また、「低電圧ドメイン」とは、高電圧ドメインを除いたスレーブＢＭＵ１００の残りの部分を意味し得る。例えば、第２電源供給部１２２及び制御部１７０が低電圧ドメインに属する。
絶縁部１４０は、第１絶縁回路１４１を含む。第１絶縁回路１４１は、第１電源供給部１２１から提供される動作電圧及び第２電源供給部１２２から提供される動作電圧を用いて、通信部１３０と制御部１７０との通信を中継する。即ち、通信部１３０からの信号は、第１絶縁回路１４１を介して制御部１７０に伝達し、制御部１７０からの信号は、第１絶縁回路１４１を介して通信部１３０に伝達する。
絶縁部１４０は、第２絶縁回路１４２をさらに含み得る。第２絶縁回路１４２は、第１電源供給部１２１から提供される動作電圧及び第２電源供給部１２２から提供される動作電圧を用いて、センシング部１１０と制御部１７０との通信を中継する。また、第２絶縁回路１４２は、セルバランシング部１５０及び制御部１７０との通信を中継し得る。
第１絶縁回路１４１及び第２絶縁回路１４２各々は、少なくとも一つの絶縁素子を含む。絶縁素子は、送信機及び受信機を含むものであって、入力側と出力側との間に絶縁空間が存在するデジタルアイソレーター、オプトカプラまたはＲＦアイソレーターであり得る。例えば、オプトカプラを絶縁素子として用いる場合、送信機はＬＥＤなどのような光源であり、受信機はフォトダイオードなどのような光検出器であり得る。他の例で、ＲＦアイソレーターを絶縁素子として用いる場合、送信機はＲＦ ＸＭＴＲであり、受信機はＲＦ ＲＣＶＲであり得る。
絶縁素子の送信機及び受信機のいずれか一つは、高電圧ドメイン側に電気的に結合する一方、残りの一つは、低電圧ドメイン側に電気的に結合する。
第２絶縁回路１４２は、バッテリーモジュール２０に含まれたバッテリーセル２１の個数以上の絶縁素子を含み得る。望ましくは、第２絶縁回路１４２は、少なくともｍ＋１個の絶縁素子を含み得る。このうち、ｍ個の絶縁素子は、センシング部１１０によって出力されたｍ個のバッテリーセル２１各々の電圧を示す信号を制御部１７０に伝達する。残りの一つの絶縁素子は、制御部１７０によって出力された制御信号をセンシング部１１０に伝達する。
セルバランシング部１５０は、通信部１３０または制御部１７０からのバランシング命令に応じて、各バッテリーモジュール２０に含まれた複数のバッテリーセル２１各々に対するセルバランシングを選択的に行うように構成される。セルバランシング部１５０は、セルバランシングを行う。例えば、セルバランシング部１５０は、共通するバッテリーモジュール２０に含まれた複数のバッテリーセル２１のうち、他のバッテリーセル２１よりも相対的に高い残存容量を有するバッテリーセル２１を放電させることで、共通するバッテリーモジュール２０に含まれた複数のバッテリーセル２１同士の残存容量を均一化する。
図３を参照すれば、セルバランシング部１５０は、複数のバランシング抵抗ＲＣ及び複数のバランシングスイッチＳＷを含む。一つのバランシング抵抗ＲＣ及び一つのバランシングスイッチＳＷを含む直列回路は、各バッテリーセル２１の両端の間に接続する。したがって、バッテリーモジュール２０当りのバッテリーセル２１の個数は、各セルバランシング部１５０に含まれるバランシング抵抗ＲＣの個数とバランシングスイッチＳＷの個数と同一である。
いずれか一つのバッテリーセル２１−ｊ（ｊは、１〜ｍの自然数）の電圧または残存容量が残りのバッテリーセル２１に比べて高い場合、上記いずれか一つのバッテリーセル２１−ｊの両端の間に接続したバランシングスイッチＳＷがターンオンされることで、上記いずれか一つのバッテリーセル２１の電気エネルギーがバランシング抵抗ＲＣによって消費される。
一方、セルバランシング部１５０は、複数の診断抵抗Ｒａ、複数の保護抵抗Ｒｂ及び／または複数の保護キャパシタＣをさらに含み得る。
複数の診断抵抗Ｒａは、セルバランシング部１５０内の故障を検出するのに用いられる。各バッテリーセル２１の電極ごとに一つの診断抵抗Ｒａが接続する。セルバランシング部１５０内の故障には、例えば、各バッテリーセル２１とセルバランシング部１５０とを連結する電気ラインの断線やバランシングスイッチＳＷの誤動作などが挙げられる。図３を参照すれば、相互隣接した二つのバッテリーセル２１は、一つの診断抵抗Ｒａに共に接続するため、セルバランシング部１５０には、総ｍ＋１個の診断抵抗Ｒａが含まれ得る。
複数の保護抵抗Ｒｂは、センシング部１１０に過電流が流れることを防止する。上記各直列回路の端部ごとに一つの保護抵抗Ｒｂが接続する。したがって、セルバランシング部１５０には、総ｍ＋１個の保護抵抗Ｒｂが含まれる。
複数の保護キャパシタＣは、複数の保護抵抗Ｒｂと共にＲＣフィルターとして動作する。ＲＣフィルターは、セルバランシング部１５０を介してセンシング部１１０に流入するノイズ（例えば、急激な電流変化）のフィルタリングに用いられる。各保護キャパシタＣは、各バッテリーセル２１に並列接続するため、セルバランシング部１５０には総ｍ個の保護抵抗Ｒｂが含まれ得る。
無線通信回路１３２は、セルバランシング部１５０に含まれた各バランシングスイッチＳＷをターンオンまたはターンオフする制御信号を出力し、センシング部１１０によって出力された検出信号を受信し得る。各バランシングスイッチＳＷがターンオンまたはターンオフされることによって、センシング部１１０によって出力された検出信号が示す各バッテリーセル２１の電圧は、変化できる。これに、無線通信回路１３２のＭＣＵ１３２ｂは、検出信号に基づき、各バランシングスイッチＳＷの故障またはセルバランシング部１５０内に存在する電気ラインの断線などが発生したかをテストできる。
制御部１７０は、第２電源供給部１２２から供給される電源電圧を用いて動作する少なくとも一つのプロセッサ及びメモリー１７１を含む。メモリー１７１は、制御部１７０に含まれ得る。
制御部１７０は、第１絶縁回路１４１を介して通信部１３０に動作可能に結合し、第２絶縁回路１４２を介してセンシング部１１０に動作可能に接続し得る。制御部１７０は、電源電圧が供給されれば、自分が含まれたスレーブＢＭＵ１００の全般的な動作を管理するように構成される。
特に、制御部１７０は、第２絶縁回路１４２を介してセンシング部１１０から受信した検出信号に基づき、センシング部１１０を制御するための制御信号を出力し得る。センシング部１１０を制御するために出力された制御信号は、第２絶縁回路１４２を介してセンシング部１１０に伝達される。この場合、制御部１７０は、シリアル通信モードの一つ、例えば、ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）モードでセンシング部１１０と通信し得る。
制御部１７０に含まれた各プロセッサは、多様な制御ロジッグを実行するために当業界に知られたプロセッサ、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、他のチップセット、論理回路、レジスター、通信モデム、データ処理装置などを選択的に含み得る。制御部１７０の多様な制御ロジッグは少なくとも一つ以上が組み合わせられ、組み合わせられた制御ロジッグは、コンピュータが読出可能なコード体系で作成され、コンピュータが読出可能な記録媒体に収録され得る。記録媒体は、コンピュータに含まれたプロセッサによってアクセス可能なものであれば、その種類は特に制限されない。一例として、記録媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、レジスター、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、ハードディスク、フロッピーディスク及び光データ記録装置を含む群より選択された少なくとも一つ以上を含む。また、コード体系は、キャリア信号に変調されて特定の時点で通信キャリアに含まれ得、ネットワークによって接続したコンピュータに分散して保存されて実行され得る。また、組み合わせられた制御ロジッグを具現するための機能的なプログラム、コード及びコードセグメントは、本発明が属する技術分野におけるプログラマーによって容易に推論できる。
スレーブＢＭＵ１００には、一対の信号端子ＴＤＯ、ＴＤＩが備えられ得る。制御部１７０は、一対の信号端子ＴＤＯ、ＴＤＩを通じて他のスレーブ ＢＭＵ１００及びマスターＢＭＵ２００との有線通信を行い得る。例えば、入力端子ＴＤＩを通じて他のスレーブＢＭＵ１００またはマスターＢＭＵ２００からの信号を受信し、出力端子ＴＤＯを通じてマスターＢＭＵ２００に信号を送信し得る。
メモリー１７１には、自分が含まれたスレーブＢＭＵに予め割り当てられていたＩＤが保存されている。ＩＤは、メモリー１７１を含むスレーブＢＭＵ１００の製造時に予め割り当てられたものであり得る。ＩＤは、複数のスレーブＢＭＵ１００各々がマスターＢＭＵ２００との無線通信を行うのに用いられ得る。この際、複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎのうちいずれか一つに予め割り当てられたＩＤは、残りのスレーブＢＭＵ各々に予め割り当てられたＩＤとは相違し得る。
各ＩＤは、マスターＢＭＵ２００が各スレーブＢＭＵ１００を残りのスレーブＢＭＵ１００から区分するのに用いられ得る。また、各ＩＤは、それが予め割り当てられたスレーブＢＭＵ１００が複数のバッテリーモジュール２０−１〜２０−ｎのうちいずれに設けられたかを示すものであり得る。
メモリー１７１は、データを、記録、消去、更新及び読出可能であると知られた公知の情報保存手段であれば、その種類は特に制限されない。一例として、メモリー１７１は、ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、フラッシュメモリー、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、レジスターなどであり得る。メモリー１７１は、制御部１７０によって実行可能なプロセスが定義されたプログラムコードを保存し得る。
制御部１７０は、第２電源供給部１２２から動作電圧が供給される場合、スイッチング信号を通信部１３０に出力し得る。一方、制御部１７０は、第２電源供給部１２２から動作電圧の供給が中断される場合、通信部１３０に対するスイッチング信号の出力を中断し得る。ここで、スイッチング信号は、予め決められたレベルを有する電圧信号であり得る。制御部１７０によって出力されたスイッチング信号は、第２絶縁回路１４２を介して通信部１３０に送信され得る。
通信部１３０は、第２入力ポートＩＮ２を通じて制御部１７０からのスイッチング信号を受信する。この際、予め決められたレベルを有する電圧信号は、第２入力ポートＩＮ２上に臨界電圧よりも大きい電圧を惹起する。
第２入力ポートＩＮ２に電気的に結合した有線通信回路１３３は、第２入力ポートＩＮ２に印加される電圧を予め決められた臨界電圧と比較する。マスターＢＭＵ２００が無線で送信した通知信号がアンテナ１２１を介して既に受信された状態で、臨界電圧よりも大きい電圧が第２入力ポートＩＮ２上に印加される場合、有線通信回路１３３は、第１入力ポートＩＮ１を非活性化し、両方向通信ポートＣＯＭを活性化する。通知信号については、以下、図４を参照してより具体的に説明する。
第１入力ポートＩＮ１が一度非活性化すれば、制御部１７０がスイッチング信号の出力を中断する前までは、有線通信回路１３３は、第１入力ポートＩＮ１を通じてセンシング部１１０からの検出信号を受信できない。
その代わり、臨界電圧よりも大きい電圧が第２入力ポートＩＮ２に印加されることによって第１入力ポートＩＮ１が非活性化した後から、通信部１３０は、両方向通信ポートＣＯＭを通じて制御部１７０との通信を開始する。
具体的に、通信部１３０は、アンテナ１３１によって受信されたマスターＢＭＵ２００からのＲＦ信号を復調した後、復調によって得たデータに対応する制御信号を、両方向通信ポートＣＯＭを通じて出力する。両方向通信ポートＣＯＭから出力された制御信号は、第１絶縁回路１４１を介して制御部１７０に送信される。制御部１７０は、両方向通信ポートＣＯＭから出力された制御信号に基づき、センシング部１１０及びセルバランシング部１５０の少なくとも一つを制御できる。
一方、制御部１７０は、センシング部１１０によって出力された検出信号が第２絶縁回路１４２を介して受信されれば、受信された検出信号を、第１絶縁回路１４１を介して通信部１３０の両方向通信ポートＣＯＭに送信する。これによって、通信部１３０の有線通信回路１３３は、両方向通信ポートＣＯＭを通じて受信された検出信号を無線通信回路１３２に伝達し、無線通信回路は、検出信号に対応するＲＦ信号をアンテナ１３１によってマスターＢＭＵ２００に送信し得る。
図４は、本発明の一実施例によるマスターＢＭＵ２００の構成を概略的に示す図である。
図１〜図４を参照すれば、マスターＢＭＵ２００は、メモリー２１０、通信部２２０、電源供給部２３０及び制御部２４０を含み得る。
メモリー２１０には、ＩＤテーブルが予め保存されていてもよい。ＩＤテーブルは、複数のスレーブＢＭＵに予め割り当てられていた各々のＩＤを含む。
メモリー２１０は、データを、記録、消去、更新及び読出可能であると知られた公知の情報保存手段であれば、その種類は特に制限されない。一例として、メモリー２１０は、 ＤＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、フラッシュメモリー、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、レジスターなどであり得る。メモリー２１０は、制御部１７０によって実行可能なプロセスが定義されたプログラムコードを保存し得る。
一方、メモリー２１０は、制御部２４０と物理的に分離していてもよく、チップなどに制御部２４０と一体で集積化していてもよい。
通信部２２０は、マスターアンテナ２２１及びマスター通信回路２２２を含む。マスターアンテナ２２１及びマスター通信回路２２２は、相互動作可能に連結される。マスター通信回路２２２は、マスターアンテナ２２１によって受信された無線信号を復調し得る。マスター通信回路２２２は、各スレーブＢＭＵ１００に送信しようとする信号を変調した後、変調された信号をマスターアンテナ２２２によって無線で送信し得る。マスターアンテナ２２１は、通信部２２０によって変調された信号に対応する無線信号を複数のスレーブ ＢＭＵ１００のうち少なくとも一つに選択的に送信し得る。
電源供給部２３０は、少なくとも一つのバッテリーモジュール２０、または補助電源ＢＡＵＸ２から供給される電気エネルギーを用いて、少なくとも一つの電源電圧を生成する。電源供給部２３０によって生成された電源電圧は、メモリー２１０及び通信部２２０に提供され得る。また、電源供給部２３０によって生成された電源電圧は、制御部２４０に含まれた各プロセッサに提供され得る。
制御部２４０は、メモリー２１０及び通信部２２０に動作可能に接続する。制御部２４０は、マスターＢＭＵ２００の全般的な動作を管理するように構成される。また、制御部２４０は、マスターアンテナ２２１によって受信される無線信号のうち、複数のスレーブＢＭＵ１００各々のセンシング情報に対応する無線信号に基づき、複数のスレーブＢＭＵ１００各々の ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）及び／またはＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）を演算できる。また、制御部２４０は、演算されたＳＯＣ及び／またはＳＯＨに基づき、複数のスレーブＢＭＵ１００各々の充電、放電及び／またはバランシングを制御するための制御信号を生成した後、マスターアンテナ２２１及び通信部２２０によって複数のスレーブＢＭＵ１００の少なくとも一つに選択的に送信できる。
制御部２４０は、少なくとも一つのＭＣＵを含み、各ＭＣＵは、多様な制御ロジッグを実行するために、当業界に知られたプロセッサ、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、他のチップセット、論理回路、レジスター、通信モデム、データ処理装置などを選択的に含み得る。制御部２４０の多様な制御ロジッグは少なくとも一つ以上が組み合わせられ、組み合わせられた制御ロジッグは、コンピュータが読出可能なコード体系で作成され、コンピュータが読出可能な記録媒体に収録され得る。記録媒体は、コンピュータに含まれたプロセッサによってアクセス可能なものであれば、その種類は特に制限されない。一例として、記録媒体は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、レジスター、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、ハードディスク、フロッピーディスク及び光データ記録装置を含む群より選択された少なくとも一つ以上を含む。また、コード体系は、キャリア信号に変調されて特定の時点で通信キャリアに含まれ得、ネットワークによって接続したコンピュータに分散して保存されて実行され得る。また、組み合わせられた制御ロジッグを具現するための機能的なプログラム、コード及びコードセグメントは、本発明が属する技術分野におけるプログラマーによって容易に推論できる。
図１〜図４を参照すれば、複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎ各々が予め決められた項目に対して行われたテストの結果を、無線通信回路１３２を用いて外部に無線で送信する過程が完了した後、バッテリー管理システム３０が含まれたバッテリーパック１０は、特定対象（例えば、電気自動車）に設けられ得る。以後、バッテリー管理システム３０は、上記特定対象に備えられた上位制御部１からの命令に応じて、複数のバッテリーモジュール２０−１〜２０−ｎを個別的に管理できる。
マスターＢＭＵ２００は、上位制御部１から最初にイグニッション信号を受信するとき、上記通知信号を複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎに送信し得る。上記イグニッション信号は、バッテリー管理システム３０を含むバッテリーパック１０が上記特定対象に正常に設けられ、上位制御部１からの命令に応じて運用可能な状態であることを知らせるためのものであり得る。また、上記通知信号は、複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎへ、バッテリーパック１０の使用が開始されたことを知らせるためのものである。
上位制御部１は、マスターＢＭＵ２００からマスターＢＭＵ２００によって収集された複数のバッテリーモジュール１００−１〜１００−ｎの状態情報を受信する。また、上位制御部１は、マスターＢＭＵ２００から受信した複数のバッテリーモジュール１００−１〜１００−ｎの状態情報に基づき、バッテリー管理システム３０を制御するための各種命令をマスターＢＭＵ２００に出力する。
各スレーブＢＭＵ１００の通信部１３０が上記通知信号を受信する前には、通信部１３０のアンテナ１３１及び無線通信回路１３２は、バッテリーモジュール２０に関わる少なくとも一つの項目に対するテストの結果を外部に無線で送信する機能のみを実行する。一方、各スレーブＢＭＵ１００の通信部１３０が上記通知信号を受信した後からは、通信部１３０のアンテナ１３１及び無線通信回路１３２は、他のスレーブＢＭＵ１００及び／またはマスターＢＭＵ２００とバッテリーモジュール２０に係わる信号を無線で送受信する機能を実行し得る。
一方、複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎ各々は、有線ネットワーク及び無線ネットワークを選択的に用いて、マスターＢＭＵ２００や上位制御機１との通信を行い得る。
複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎ及びマスターＢＭＵ２００がいずれも正常に動作可能な状態では、デイジーチェーンのような有線ネットワークによってマスターＢＭＵ２００との通信を行い、マスターＢＭＵ２００に故障が発生した場合には、無線ネットワークによって上位制御機１に直接バッテリーモジュール２０に係わる情報を送信し得る。
マスターＢＭＵ２００は、有線ネットワークの混雑度及び無線ネットワークの混雑度を示す情報を有線ネットワークまたは無線ネットワークによって複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎに送信し得る。もし、有線ネットワークの混雑度が臨界値を超える場合、複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎは、無線ネットワークを用いてマスターＢＭＵ２００と通信し得る。一方、無線ネットワークの混雑度が臨界値を超える場合、複数のスレーブＢＭＵ１００−１〜１００−ｎは、有線ネットワークを用いてマスターＢＭＵ２００と通信し得る。
以上で説明した本発明の実施例は、必ずしも装置及び方法を通じて具現されることではなく、本発明の実施例の構成に対応する機能を実現するプログラムまたはそのプログラムが記録された記録媒体を通じて具現され得、このような具現は、本発明が属する技術分野における専門家であれば、前述した実施例の記載から容易に具現できるはずである。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
また、上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想から脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であるため、上述の実施例及び添付された図面によって限定されず、多様な変形が行われるように各実施例の全部または一部を選択的に組み合わせて構成可能である。
１０ バッテリーパック
２０ バッテリーモジュール
２１ バッテリーセル
３０ バッテリー管理システム
１００ スレーブＢＭＵ
１１０ センシング部
１２１ 第１電源供給部
１２２ 第２電源供給部
１３０ 通信部
１４０ 絶縁部
２００ マスターＢＭＵ

Claims (10)

  1. 複数のバッテリーセルを含むバッテリーモジュールのためのバッテリー管理ユニットであって、
    前記複数のバッテリーセルに電気的に接続し、前記複数のバッテリーセルにおける各々の電圧を検出し、前記検出された電圧を示す電圧情報を含む検出信号を出力するように構成されたセンシング部と、
    前記バッテリーモジュールのモジュール電圧を用いて第１動作電圧を生成するように構成された第１電源供給部と、
    前記第１動作電圧を用いて動作し、アンテナ、無線通信回路及び第１入力ポートを含み、前記第１入力ポートを通じて前記センシング部から前記検出信号を受信し、前記検出信号に基づき、予め決められた少なくとも一つの項目に対するテストを行い、前記テストの結果を示すＲＦ信号を前記アンテナ及び前記無線通信回路によって出力するように構成された通信部と、を含む、バッテリー管理ユニット。
  2. 電源端子を有し、前記電源端子に電源が接続する場合、電源電圧を第２動作電圧に変換するように構成された第２電源供給部と、
    前記第２動作電圧を用いて動作し、前記検出信号に基づき、前記センシング部を制御するための制御信号を出力する制御部と、をさらに含む、請求項１に記載のバッテリー管理ユニット。
  3. 前記第１動作電圧及び前記第２動作電圧を用いて動作するように構成された絶縁部をさらに含み、
    前記絶縁部は、前記通信部と前記制御部との通信を中継する第１絶縁回路を含む、請求項２に記載のバッテリー管理ユニット。
  4. 前記絶縁部が、
    前記第１動作電圧及び前記第２動作電圧を用いて動作し、前記センシング部及び前記制御部との通信を中継するように構成された第２絶縁回路をさらに含む、請求項３に記載のバッテリー管理ユニット。
  5. 前記第２絶縁回路が、
    前記バッテリーモジュールに含まれたバッテリーセルの個数以上の絶縁素子を含む、請求項４に記載のバッテリー管理ユニット。
  6. 前記絶縁素子が、
    デジタルアイソレーター、オプトカプラまたはＲＦアイソレーターである、請求項５に記載のバッテリー管理ユニット。
  7. 前記センシング部と前記通信部とは、ＵＡＲＴモードによって相互通信する、請求項１から６のうちいずれか一項に記載のバッテリー管理ユニット。
  8. 前記センシング部と前記制御部とは、ＳＰＩモードによって相互通信する、請求項２から６のうちいずれか一項に記載のバッテリー管理ユニット。
  9. 前記制御部は、前記第２動作電圧が供給される場合、スイッチング信号を前記通信部に出力し、
    前記通信部は、第２入力ポートをさらに含み、前記第２入力ポートを通じて前記スイッチング信号が受信される場合、前記第１入力ポートを非活性化する、請求項２から６または、請求項８のうちいずれか一項に記載のバッテリー管理ユニット。
  10. 請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載のバッテリー管理ユニットを含む、バッテリーパック。
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