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KR102446380B1 - 배터리 관리 시스템 - Google Patents

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KR102446380B1
KR102446380B1 KR1020180023444A KR20180023444A KR102446380B1 KR 102446380 B1 KR102446380 B1 KR 102446380B1 KR 1020180023444 A KR1020180023444 A KR 1020180023444A KR 20180023444 A KR20180023444 A KR 20180023444A KR 102446380 B1 KR102446380 B1 KR 102446380B1
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KR
South Korea
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balancing
cell
switches
voltage
cells
Prior art date
Application number
KR1020180023444A
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English (en)
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KR20190109615A (ko
Inventor
타카오 히다카
김화수
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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Filing date
Publication date
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Priority to US16/286,025 priority patent/US11050266B2/en
Publication of KR20190109615A publication Critical patent/KR20190109615A/ko
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Abstract

배터리 관리 시스템은, 서로 직렬 연결되는 복수의 셀 각각에 연결되어, 상기 복수의 셀 각각의 밸런싱 방전 경로를 형성하는 복수의 밸런싱 저항, 상기 밸런싱 방전 경로에 대한 밸런싱 전류의 흐름을 제어하는 복수의 밸런싱 스위치, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 복수의 셀 중 밸런싱 대상 셀에 대해, 대응하는 상기 밸런싱 저항의 양단 전압을 검출하는 전압 검출 회로, 및 상기 대응하는 밸런싱 저항의 양단 전압을 이용하여 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 방전 전류의 누적값에 대응하는 전압 누적값을 획득하며, 상기 전압 누적값에 기초하여 상기 밸런싱 대상 셀에 대한 셀 밸런싱 종료 여부를 판단하는 밸런싱 제어 회로를 포함할 수 있다.

Description

배터리 관리 시스템{METHOD AND BATTERY MANAGEMENT SYTEM FOR CELL BALANCING}
실시 예들은 배터리 관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀 밸런싱을 위한 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
최근 CO2 규제 등 환경 규제가 강화됨에 따라 친환경 차량에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 자동차 회사들은 하이브리드(Hybrid) 차량이나 플러그인 하이브리드(Plug-in Hybrid) 차량뿐만 아니라, 순수 전기 차량 또는 수소 차량에 대해 연구 및 제품 개발을 활발히 진행하고 있다.
친환경 차량에는 다양한 에너지원으로부터 얻어지는 전기 에너지를 저장하기 위해 고전압 배터리가 적용된다. 고전압 배터리는 고전압의 전기 에너지를 제공하기 위해 직렬 또는 병렬로 연결되는 복수의 셀을 포함한다. 이러한 고전압의 배터리는 각 셀의 전압, 온도, 충방전 전류 등을 상시 검출하여 배터리의 이상 시에 배터리를 보호하기 위한 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 탑재된다. 각 셀의 상태를 모니터링하여 셀 간 편차를 보상하는 셀 밸런싱(cell balancing) 기능은, 배터리 관리 시스템의 주요 기능 중 하나이다.
배터리를 효율적으로 사용하기 위해서는 배터리를 구성하는 셀들의 특성이 평준화되는 것이 중요하다. 그러나, 제조 시 편차나, 사용 중 환경 차이 등으로 인해 셀들 간에는 특성 편차가 발생한다. 셀들 간에 편차가 발생한 상태로 충방전을 반복할 경우 만충 혹은 방전의 종료 시 셀 전압에 차이가 발생하게 된다. 이로 인해, 셀마다 가해지는 스트레스가 달라져 열화 진행에 차이가 발생하며, 배터리 수명에까지 영향을 주게 된다. 특히, 가장 특성이 나쁜 셀에 의해 배터리 전체의 특성 열화가 가속화될 수 있다.
따라서, 배터리 전체의 수명 연장을 위해서는 셀 밸런싱을 통해 배터리를 구성하는 셀들의 특성을 평준화하는 작업이 필요하다.
실시 예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 셀 밸런싱을 위해 필요한 방전량을 산출하는 과정에서 정확도를 개선할 수 있는 셀 밸런싱 방법 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 일 실시 예에 따른 배터리 관리 시스템은, 서로 직렬 연결되는 복수의 셀 각각에 연결되어, 상기 복수의 셀 각각의 밸런싱 방전 경로를 형성하는 복수의 밸런싱 저항, 상기 밸런싱 방전 경로에 대한 밸런싱 전류의 흐름을 제어하는 복수의 밸런싱 스위치, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 복수의 셀 중 밸런싱 대상 셀에 대해, 대응하는 상기 밸런싱 저항의 양단 전압을 검출하는 전압 검출 회로, 및 상기 대응하는 밸런싱 저항의 양단 전압을 이용하여 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 방전 전류의 누적값에 대응하는 전압 누적값을 획득하며, 상기 전압 누적값에 기초하여 상기 밸런싱 대상 셀에 대한 셀 밸런싱 종료 여부를 판단하는 밸런싱 제어 회로를 포함할 수 있다.
상기 복수의 밸런싱 스위치, 상기 전압 검출 회로 및 상기 밸런싱 제어 회로는, 배터리 집적 회로 내에 포함될 수 있다.
상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 밸런싱 단자를 더 포함하고, 상기 복수의 밸런싱 저항은, 상기 복수의 셀의 제1극과 상기 복수의 밸런싱 단자 사이에 연결되며, 상기 복수의 밸런싱 스위치들은, 상기 복수의 밸런싱 단자들 중 서로 이웃하는 두 개의 밸런싱 단자들 사이에 각각 연결될 수 있다.
상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 입력 단자를 더 포함하고, 상기 전압 검출 회로는, 제1 및 제2입력을 통해 입력되는 전압들 간의 차 전압을 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기, 상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제1스위치, 및 상기 복수의 밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제2스위치를 포함하며, 상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제2스위치는, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 상기 밸런싱 저항의 양단이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 연결되도록 제어될 수 있다.
상기 밸런싱 제어 회로는, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 데이터로부터, 상기 전압 누적값을 획득하는 적산기, 상기 적산기로부터 출력되는 상기 전압 누적값과, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 타겟 전압 누적값을 비교한 결과를 출력하는 비교기, 및 상기 비교기의 출력에 대응하여, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 상기 밸런싱 스위치를 제어하는 밸런싱 스위치 제어 로직을 포함하고, 셀 밸런싱 중 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 데이터는, 상기 대응하는 밸런싱 저항의 양단 전압에 대응할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 복수의 셀 각각의 셀 상태 정보로부터 상기 복수의 셀 각각의 밸런싱 필요량을 산출하고, 상기 밸런싱 필요량으로부터 상기 타겟 전압 누적값을 산출하는 배터리 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 입력 단자를 더 포함하고, 상기 전압 검출 회로는, 제1 및 제2입력을 통해 입력되는 전압들 간의 차 전압을 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기, 상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제1스위치, 및 상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제2스위치를 포함하며, 상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제2스위치는, 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압 검출 시에는, 상기 복수의 셀 각각의 제1 및 제2극이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 순차적으로 연결되도록 제어될 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 복수의 셀의 제1극과 상기 복수의 입력 단자 사이에 연결되는 복수의 필터 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압 검출 시, 상기 아날로그 디지털 변환기의 출력 데이터를 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압으로 저장하는 셀 전압 레지스터를 더 포함할 수 있다.
상기 전압 검출 회로는, 상기 복수의 밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제3스위치, 및 상기 복수의 밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제4스위치를 더 포함하며, 상기 복수의 제3스위치 및 상기 복수의 제4스위치는, 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압 검출 시, 상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제2스위치를 대신하여, 상기 복수의 셀 각각의 제1 및 제2극이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 순차적으로 연결되도록 제어될 수 있다.
상기 복수의 셀은, 복수의 홀수번째 셀과 복수의 짝수번째 셀을 포함하며, 상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 홀수번째 셀의 제1극에 각각 연결되는 복수의 제1밸런싱 단자, 상기 복수의 짝수번째 셀의 제2극에 각각 연결되는 복수의 제2밸런싱 단자, 및 상기 복수의 홀수번째 셀의 제2극에 각각 연결되는 복수의 공통 단자를 더 포함하고, 상기 복수의 밸런싱 저항은, 상기 복수의 홀수번째 셀의 제1극과 복수의 제1밸런싱 단자 사이에 각각 연결되는 복수의 제1밸런싱 저항, 및 상기 복수의 짝수번째 셀의 제2극과 복수의 제2밸런싱 단자 사이에 각각 연결되는 복수의 제2밸런싱 저항을 포함하며, 상기 밸런싱 스위치는, 상기 복수의 제1밸런싱 단자와 상기 복수의 공통 단자 사이에 각각 연결되는 복수의 제1밸런싱 스위치, 및 상기 복수의 제2밸런싱 단자와 상기 복수의 공통 단자 사이에 각각 연결되는 복수의 제2밸런싱 스위치를 포함할 수 있다.
상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 홀수번?? 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 제1입력 단자, 및 상기 복수의 짝수번째 셀 각각의 제2극에 연결되는 복수의 제2입력 단자를 더 포함하며, 상기 전압 검출 회로는, 제1 및 제2입력을 통해 입력되는 전압들 간의 차 전압을 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기, 상기 복수의 제1입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제1스위치, 상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제2스위치, 상기 복수의 제1밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제3스위치, 및 상기 복수의 제2밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제4스위치를 포함하고, 상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제3스위치는, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 제1밸런싱 저항의 양단이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 연결되도록 제어되고, 상기 복수의 제2스위치 및 상기 복수의 제4스위치는, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 제2밸런싱 저항의 양단이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 연결되도록 제어될 수 있다.
상기 밸런싱 제어 회로는, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 데이터로부터, 상기 전압 누적값을 획득하는 적산기, 상기 적산기로부터 출력되는 상기 전압 누적값과, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 타겟 전압 누적값을 비교한 결과를 출력하는 비교기, 및 상기 비교기의 출력에 대응하여, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 상기 밸런싱 스위치를 제어하는 밸런싱 스위치 제어 로직을 포함하고, 셀 밸런싱 중 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 전압값은, 상기 대응하는 밸런싱 저항의 양단 전압에 대응할 수 있다.
상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 입력 단자를 더 포함하고, 상기 전압 검출 회로는, 제1 및 제2입력을 통해 입력되는 전압들 간의 차 전압을 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기, 상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제1스위치, 및 상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제2스위치를 더 포함하며, 상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제2스위치는, 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압 검출 시에는, 상기 복수의 셀 각각의 제1 및 제2극이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 순차적으로 연결되도록 제어될 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 복수의 셀의 제1극과 상기 복수의 입력 단자 사이에 연결되는 복수의 필터 저항을 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 따르면, 셀 밸런싱을 위해 필요한 방전량을 정확히 산출할 수 있으며, 이를 이용하여 밸런싱 완료 여부의 판정 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 는 도 1의 배터리 팩에서의 셀 전압 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 배터리 팩에서 밸런싱 단자를 이용하여 셀 전압을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 1의 배터리 팩에서의 밸런싱 전류 측정 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 제1실시 예에 따른 배터리 팩에서 밸런싱 방전 용량을 누적하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8는 본 발명의 제3실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9 내지 도 11는 도 8의 배터리 팩에서의 밸런싱 전류 측정 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 팩에서의 셀 밸런싱 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 실시 예들은 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께 및 영역을 과장하여 나타낼 수 있다.
2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 커패시터 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.
이하, 필요한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 관리 시스템 및 이를 포함하는 배터리 팩에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다. 또한, 도 2 는 도 1의 배터리 팩에서의 셀 전압 측정 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1의 배터리 팩에서 밸런싱 단자를 이용하여 셀 전압을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 4 및 도 5는 도 1의 배터리 팩에서의 밸런싱 전류 측정 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 또한, 도 6은 본 발명의 제1실시 예에 따른 배터리 팩에서 밸런싱 방전 용량을 누적하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따른 배터리 팩(10a)은 배터리 모듈(100) 및 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)을 포함할 수 있다.
배터리 모듈(100)은 서로 직렬 연결되는 복수의 셀(Cell)을 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템은 배터리 팩(10a)의 전반적인 동작을 제어하며, 이를 위해 배터리 집적 회로(Integrated Cicuit, IC)(200) 및 배터리 제어기(300)를 포함할 수 있다.
배터리 IC(200)는 배터리 모듈(100)을 구성하는 각 셀의 셀 전압, 충방전 전류, 온도 등을 검출하며, 배터리 모듈(100)에 대한 셀 밸런싱을 제어할 수 있다. 이러한 배터리 IC(200)는, 배터리의 아날로그 프론트 엔드(Analog Front End, AFE) IC, 셀 전압 모니터링(Cell Voltage Monitoring, CVM) IC 등을 포함할 수 있다.
배터리 IC(200)는 복수의 입력 단자(Cin), 복수의 밸런싱 단자(Bin), 밸런싱 스위치 회로(210), 전압 검출 회로, 및 밸런싱 제어 회로(240)를 포함할 수 있다.
복수의 입력 단자(Cin)는 배터리 모듈(100)을 구성하는 복수의 셀 각각에 연결되며, 셀 전압 검출을 위한 입력 단자로 사용될 수 있다. 각 입력 단자(Cin)와 이에 대응하는 셀 사이에는 필터 저항(Rf)이 연결될 수 있다.
한편, 도 1의 배터리 팩(10a)에서는 이웃(인접)하는 두 개의 셀 간에 입력 단자(Cin)를 공유하여 사용할 수 있다. 즉, 각 셀의 음극(negative electrode)에 연결된 입력 단자(Cin)는, 동일한 필터 저항(Rf)에 의해 이웃하는 셀의 양극(positive electrode)과도 연결될 수 있다. 도 2를 참조하면, 각 셀의 셀 전압 검출 시, 해당 셀의 음극 및 양극에 각각 연결된 두 개의 입력 단자(Cin)가 사용되는 데, 이 중 해당 셀의 음극에 연결된 입력 단자(Cin)는 이웃 셀의 전압 검출 시에는 이웃 셀의 양극에 연결되어 사용될 수 있다.
다시, 도 1을 보면, 복수의 밸런싱 단자(Bin)는 각 셀의 양극에 연결되며, 대응하는 셀의 밸런싱 방전을 위해 사용될 수 있다. 각 밸런싱 단자(Bin)와 이에 대응하는 셀의 양극 사이에는 밸런싱 저항(Rb)이 연결되어, 대응하는 셀의 밸런싱 방전 경로를 형성할 수 있다.
한편, 도 1의 배터리 팩(10a)에서는 이웃하는 두 개의 셀간에는 밸런싱 단자(Bin)를 공유하여, 밸런싱 방전 경로의 일부가 공유될 수 있다. 즉, 각 셀의 음극에 연결된 밸런싱 단자(Bin)는, 동일한 밸런싱 저항(Rb)에 의해 이웃하는 셀의 양극과도 연결될 수 있다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 각 셀의 밸런싱 방전 시, 해당 셀의 음극 및 양극에 각각 연결된 두 개의 밸런싱 단자(Bin)가 사용되는데, 이 중 해당 셀의 음극에 연결된 밸런싱 단자(Bin)는 이웃 셀의 밸런싱 방전 시에는 이웃 셀의 양극에 연결되어 사용될 수 있다. 이에 따라, 각 셀의 밸런싱 방전 경로는, 해당 셀의 양극에 연결된 밸런싱 저항(Rb) 및 밸런싱 단자(Bin), 대응하는 밸런싱 스위치(SWb), 그리고 해당 셀의 음극에 연결된 밸런싱 저항(Rb) 및 밸런싱 단자(Bin)(이웃 셀의 음극에 연결된 밸런싱 저항(Rb) 및 밸런싱 단자(Bin))로 구성될 수 있다.
밸런싱 스위치 회로(210)는, 각 셀의 밸런싱 방전 경로를 흐르는 밸런싱 방전 전류의 흐름을 베어하기 위한 밸런싱 스위치(SWb)들을 포함하며, 각 밸런싱 스위치(SWb)는 이웃하는 두 개의 밸런싱 단자(Bin) 사이에 연결될 수 있다. 이에 따라, 각 밸런싱 스위치(SWb)는 두 개의 밸런싱 저항(Rb)들을 통해 대응하는 셀의 양단 사이에 연결되며, 온/오프를 통해 대응하는 두 개의 밸런싱 저항(Rb)들에 대한 밸런싱 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 각 밸런싱 스위치(SWb)는 트랜지스터로 구성될 수 있다.
전압 검출 회로는 스위칭 회로인 멀티플렉서(Multiplexter, 220) 및 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, ADC)(230)를 포함할 수 있다.
멀티플렉서(220)는, 2계통의 스위치 회로(SW_Cin, SW_Bin)로 구성될 수 있다.
멀티 플렉서(220)는 각 셀의 양단 전압이 ADC(230)의 차동 입력으로 입력될 수 있도록 스위칭하는, 스위치들(SW_Cin1, SW_Cin2)을 포함할 수 있다. 각 스위치(SW_Cin1)는, 대응하는 입력 단자(Cin)와 ADC(230)의 제1입력 사이에 연결되며, 대응하는 셀의 양극과 ADC(230)의 제1입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. 각 스위치(SW_Cin2)는, 대응하는 입력 단자(Cin)와 ADC(230)의 제2입력 사이에 연결되며, 대응하는 셀의 음극과 ADC(230)의 제2입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다.
각 스위치(SW_Cin1) 및 스위치(SW_Cin2)는 후술하는 MUX 제어 로직(247)에 의해 제어될 수 있다. 스위치(SW_Cin1)들 및 스위치(SW_Cin2)들은, 셀 전압 검출 시 각 셀의 양단 전압이 ADC(230)의 차동 입력(제1 및 제2입력)으로 순차적으로 전달되도록 스위칭될 수 있다. 도 2를 참조하면, 셀 전압 검출 시, MUX 제어 로직(247)은 전압 검출 대상인 셀의 양단이 ADC(230)의 차동 입력과 연결되도록 스위치(SW_Cin1, SW_Cin2)들을 제어한다. 이에 따라, 전압 검출 대상인 셀의 양극 전압은 대응하는 스위치(SW_Cin1)에 의해 ADC(230)의 제1입력으로 전달되고, 음극 전압은 대응하는 스위치(SW_Cin2)에 의해 ADC(230)의 제2입력으로 전달되며, ADC(230)는 제1 및 제2입력 간의 전압차를 디지털 데이터로 변환하여 출력한다.
다시, 도 1을 보면, 멀티플렉서(220)는 각 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압이 ADC(230)의 차동 입력으로 입력될 수 있도록, 스위치들(SW_Bin1, SW_Bin2)을 포함할 수 있다.
도 4를 예로 들면, 각 스위치(SW_Bin2)는, 셀 밸런싱 중 대응하는 스위치(SW_Cin1)와 함께 밸런싱 저항(Rb)의 양단과 ADC(230)의 제1 및 제2입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. 이 경우, 각 스위치(SW_Cin1)는, 대응하는 입력 단자(Cin)와 ADC(230)의 제1입력 사이에 연결되며, 대응하는 밸런싱 저항(Rb)의 일단과 ADC(230)의 제1입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. 또한, 각 스위치(SW_Bin2)는, 대응하는 밸런싱 단자(Bin)와 ADC(230)의 제2입력 사이에 연결되며, 대응하는 밸런싱 저항(Rb)의 타단과 ADC(230)의 제2입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. MUX 제어 로직(247)은 셀 밸런싱 중인 상태에서, 해당 셀의 양극에 연결되어 밸런싱 방전 경로를 구성하는 밸런싱 저항(Rb)의 양단이 ADC(230)의 차동 입력과 연결되도록 스위치(SW_Cin1, SW_Bin2)들을 제어한다. 이에 따라, 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압이 ADC(230)의 제1 및 제2입력으로 각각 전달되며, ADC(230)는 제1 및 제2입력 간의 전압차를 디지털 데이터로 변환하여 출력한다.
또한, 도 5를 예로 들면, 각 스위치(SW_Bin1)는, 셀 밸런싱 중 대응하는 스위치(SW_Cin2)와 함께 밸런싱 저항(Rb)의 양단과 ADC(230)의 제1 및 제2입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. 이 경우, 각 스위치(SW_Bin1)는, 대응하는 밸런싱 단자(Bin)와 ADC(230)의 제1입력 사이에 연결되며, 대응하는 밸런싱 저항(Rb)의 일단과 ADC(230)의 제1입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. 또한, 각 스위치(SW_Cin2)는, 대응하는 입력 단자(Cin)와 ADC(230)의 제2입력 사이에 연결되며, 대응하는 밸런싱 저항(Rb)의 타단과 ADC(230)의 제2입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. MUX 제어 로직(247)은 셀 밸런싱 중인 상태에서, 해당 셀의 음극에 연결되어 밸런싱 방전 경로를 구성하는 밸런싱 저항(Rb)의 양단이 ADC(230)의 차동 입력과 연결되도록 스위치(SW_Bin1, SW_Cin2)들을 제어한다. 이에 따라, 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압이 ADC(230)의 제1 및 제2입력으로 각각 전달되며, ADC(230)는 제1 및 제2입력 간의 전압차를 디지털 데이터로 변환하여 출력한다.
도 1의 배터리 팩(10a)에서, 각 셀의 밸런싱 방전 경로는, 각 셀의 양극과 대응하는 밸런싱 단자(Bin) 사이에 연결된 밸런싱 저항(Rb) 및 각 셀의 음극과 대응하는 밸런싱 단자(Bin) 사이에 연결되는 밸런싱 저항(Rb)을 포함하여 구성된다. 각 셀의 양단과 대응하는 밸런싱 단자들(Bin) 사이에 각각 연결되는 두 개의 밸런싱 저항(Rb)은, 대응하는 밸런싱 스위치(SWb)가 온 되면, 각 셀의 양단 사이에 직렬 연결되어 밸런싱 방전 전류가 흐르게 된다.
통상적으로, 밸런싱 저항(Rb)들은 동일한 저항값을 가지도록 설계된다. 따라서, 본 발명의 제1실시 예에서는 각 셀의 밸런싱 방전 경로를 흐르는 밸런싱 방전 전류의 검출을 위해, 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 각 밸런싱 방전 경로를 구성하는 두 개의 밸런싱 저항(Rb) 중 어느 하나를 선택하여 양단 전압을 측정하며, 선택된 밸런싱 저항(Rb)에 대한 양단 전압 검출이 불가능한 경우, 나머지 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압을 측정하여 밸런싱 방전 전류를 검출할 수 있다.
한편, 밸런싱 단자(Bin)와 ADC(230)의 차동 입력 사이의 연결을 스위칭하기 위한 스위치들(SW_Bin1, SW_Bin2)은, 셀 전압 검출을 위한 스위치들(SW_Cin1, SW_Cin2)의 고장을 검출하거나, 스위치들(SW_Cin1, SW_Cin2)를 대체하여 셀 전압 검출에 사용될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 밸런싱 단자(Bin)와 ADC(230)의 차동 입력 사이의 연결을 스위칭하기 위한 스위치들(SW_Bin1, SW_Bin2)은 셀 밸런싱이 수행중이지 않은 상태, 즉 밸런싱 스위치(SWb)가 오프된 상태에서는, 대응하는 셀의 양단을 ADC(230)의 제1 및 제2입력에 연결하도록 스위칭될 수 있다. 이 경우, 각 스위치(SW_Bin1)는, 밸런싱 저항(Rb)을 통해 밸런싱 단자(Bin)와 ADC(230)의 제1입력 사이에 연결되며, 대응하는 셀의 양극과 ADC(230)의 제1입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. 또한, 각 스위치(SW_Bin2)는, 밸런싱 저항(Rb)을 통해 밸런싱 단자(Bin)와 ADC(230)의 제2입력 사이에 연결되며, 대응하는 셀의 음극과 ADC(230)의 제2입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다.
이와 같이, 도 1의 배터리 팩(10a)에서는 스위치(SW_Bin1) 및 스위치(SW_Bin2)가 각 셀의 양단 전압을 ADC(230)의 차동 입력으로 전달할 수 있어, 스위치(SW_Cin1) 및 스위치(SW_Cin2)의 고장을 검출하거나, 스위치(SW_Cin1) 및 스위치(SW_Cin2)를 대체할 수도 있다.
다시, 도 1을 보면, 밸런싱 제어 회로(240)는 ADC(230)로부터 출력되는 셀 전압을 배터리 제어기(300)로 전달하거나, ADC(230)로부터 출력되는 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압으로부터 셀 밸런싱 완료 여부를 판정할 수 있다. 이를 위해, 밸런싱 제어 회로(240)는 셀 전압 레지스터(241), 적산기(242), 비교기(243), 설정값 레지스터(244), 상태 레지스터(245), 밸런싱 스위치 제어 로직(246), 및 MUX 제어 로직(247)을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 셀 전압 검출 시 ADC(230)로부터 출력되는 디지털 데이터는 각 셀의 양단 전압 즉, 셀 전압에 대응한다. 따라서, 셀 전압 레지스터(241)는, 셀 전압 검출 시 ADC(230)로부터 출력되는 디지털 데이터를 수신하여 각 셀의 셀 전압으로 저장할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 셀 밸런싱 중 ADC(230)로부터 출력되는 디지털 데이터는 각 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압이다. 따라서, 적산기(242)는 셀 밸런싱 수행 중 ADC(230)로부터 출력되는 디지털 데이터를 수신하고, 이를 각 밸런싱 저항(Rb) 별로 누적하여 각 밸런싱 저항(Rb)에 대응하는 전압 누적값을 산출할 수 있다. 적산기(242)에 의해 적산된 각 밸런싱 저항(Rb)의 전압 누적값은 비교기(243)로 순차적으로 전달된다.
셀 전압 검출과 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압의 검출은 서로 영향을 주지 않기 위해, 배타적으로 실시될 수 있다.
비교기(243)는 각 밸런싱 저항(Rb)에 대해 적산기(242)로부터 입력되는 전압 누적값과 설정값 레지스터(244)에 저장된 설정값을 비교하여, 대응하는 셀의 밸런싱 완료 여부를 판정할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 각 밸런싱 저항(Rb)은 일단이 대응하는 셀의 양극(또는 음극)에 연결되고, 타단이 밸런싱 단자(Bin)에 연결된다. 또한, 밸런싱 저항(Rb)에서, 대응하는 셀의 양극(또는 음극)에 연결된 단자는 필터 저항(Rf)을 통해 입력 단자(Cin)에 연결된다. 이에 따라, 밸런싱 저항(Rb)의 양단에 연결된 입력 단자(Cin) 및 밸런싱 단자(Bin) 간의 전압이 ADC(230)의 차동 입력으로 전달되도록 MUX(220)를 제어할 경우, 대응하는 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압 측정이 가능하다.
셀 밸런싱을 위해 밸런싱 스위치(SWb)가 온 되면, 대응하는 셀의 양단에 연결된 밸런싱 저항(Rb)들로 밸런싱 방전 전류가 흐른다. 이 때, 셀의 양단 전압을 Vcell, 대응하는 셀의 양단 사이에 흐르는 밸런싱 방전 전류를 Ib, 밸런싱 스위치(SWb)의 온 저항을 Ron, 각 밸런싱 저항(Rb)의 저항값을 RB라 정의하면, 각 셀의 밸런싱 방전 전류(Ib)는 아래의 수학식 1과 같이 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Ib = Vcell /(Ron + RB × 2)
위 수학식 1을 참조하면, 각 셀의 밸런싱 방전 전류(Ib)는 대응하는 셀의 셀 전압(Vcell), 밸런싱 저항(Rb)의 저항값(RB), 및 밸런싱 스위치(SWb)의 온 저항(Ron)에 의해 결정된다.
한편, 각 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압(RB × Ib)은 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 이웃하는 입력 단자(Cin)와 밸런싱 단자(Bin) 사이의 전압을 측정하여 검출이 가능하다. 각 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압으로부터 각 셀의 밸런싱 방전 전류(Ib)를 산출하면, 아래의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Ib = VRb/Rb = |VCin - VBin|/Rb
위 수학식 2에서, VCin은 대응하는 입력 단자(Cin)에서 측정된 전압이고, VBin 은 대응하는 밸런싱 단자(Bin)에서 측정된 전압이다.
한편, 각 셀의 밸런싱 방전 전류(Ib)는, 밸런싱 스위치(SWb)의 온 저항(Ron)에 영향을 받는다. 밸런싱 스위치(SWb)의 온 저항(Ron)은 온도 등의 환경에 의해 저항값이 변동될 수 있으며, 이는 배터리 팩(10a)의 주위 환경에 따라 밸런싱 방전 전류가 변동되는 요인으로 작용할 수 있다. 그러나, 주위 환경이 변화한다고 해도 밸런싱 방전 전류가 단시간에 극단적으로 변하는 것은 아니어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 위 수학식 2를 통해 검출된 밸런싱 전류(Ib)를 소정 구간(ΔT) 누적한 전류 누적값 즉, 밸런싱 방전 용량(ΔQb)은, 동일한 구간(ΔT) 동안 실제 밸런싱 전류를 누적한 값과의 차이가 작을 수 있다.
[수학식 3]
ΔQb = Ib × ΔT
위 수학식 3에서, ΔT는 현재 밸런싱 방전 전류(Ib)를 검출한 시점에서 다음번 밸런싱 방전 전류(Ib)의 검출 시점까지의 시간을 나타낸다.
셀 밸런싱이 개시되면, 위 수학식 3을 이용하여 주기적으로 산출되는 밸런싱 방전 용량(ΔQb)을 아래의 수학식 4와 같이 누적할 경우, 대응하는 셀의 누적 밸런싱 방전 용량(Qb)을 획득하는 것이 가능하다.
[수학식 4]
Qb = Σ(Qb) = Σ(Ib × ΔT) = ΣIb × ΔT
수학식 4에 위 수학식 2를 적용할 경우, 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Qb = ΣIb × ΔT = Σ(VRb/Rb) × ΔT = Σ(VRb) × ΔT/Rb
위 수학식 5는 아래의 수학식 6으로 변환될 수 있다.
[수학식 6]
Qb × Rb/ΔT = Σ(VRb)
한편, 각 셀의 셀 밸런싱은, 아래의 수학식 7과 같이, 각 셀의 누적 밸런싱 방전 용량(Qb)이 밸런싱 필요량(Qt)과 동일해지는 것을 목표로 한다.
[수학식 7]
Qt = Qb = Σ(VRb) × ΔT/Rb
위 수학식 5를 참조하여, 각 셀의 밸런싱 필요량(Qt)을 아래의 수학식 8과 같이 정의하면, 위 수학식 6으로부터 아래의 수학식 9가 도출될 수 있다.
[수학식 8]
Qt = Σ(Vt) × ΔT/Rb
[수학식 9]
Σ(VRb) = Σ(Vt)
위 수학식 9를 참조하면, 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압을 누적한 전압 누적값(Σ(VRb))과 목표 전압 누적값(Σ(Vt))을 비교하여, 대응하는 셀의 밸런싱 완료 여부를 판정할 수 있다.
이를 위해, 배터리 제어기(300)는 위 수학식 8을 이용하여 각 셀의 밸런싱 필요량(Qt)에 대응하는 설정값(Σ(Vt))을 산출하고, 이를 배터리 IC(200) 내 설정값 레지스터(244)에 저장할 수 있다.
다시, 도 1을 보면, 비교기(243)에서의 비교 결과는 상태 레지스터(245)에 저장되어 배터리 제어기(300)로 전달되고, 배터리 제어기(300)는 이를 토대로 각 셀의 셀 밸런싱 완료 여부를 판정할 수 있다.
또한, 비교기(243)에서의 비교 결과는 밸런싱 스위치 제어 로직(246)으로 전달되며, 밸런싱 스위치 제어 로직(246)은 이를 토대로 각 밸런싱 스위치(SWb)의 온/오프를 제어할 수 있다.
배터리 제어기(300)는 배터리 IC(200)를 통해 배터리 모듈(100)을 구성하는 각 셀의 상태 정보를 획득하고, 이에 기초하여 각 셀의 셀 밸런싱 여부를 결정할 수 있다. 여기서, 셀 상태 정보는, 각 셀의 셀 전압, 충방전 전류, 온도, 충전 상태(State Of Charge, SOC) 등을 포함할 수 있다.
배터리 제어기(300)는 배터리 모듈(100)에 대한 셀 밸런싱이 필요한 것으로 판단되면, 각 셀의 셀 전압에 기초하여 밸런싱이 필요한 각 셀(이하, '밸런싱 대상 셀'이라 명명하여 사용함)의 밸런싱 필요량을 산출하고, 이로부터 수학식 8을 참조하여 목표 전압 누적값(Σ(Vt))을 산출할 수 있다.
배터리 제어기(300)는 목표 전압 누적값(Σ(Vt))이 산출되면, 이를 포함하는 셀 밸런싱 제어 정보를 배터리 IC(200)로 전달함으로써 셀 밸런싱의 개시를 요청할 수 있다. 여기서, 셀 밸런싱 제어 정보는, 밸런싱 대상 셀 정보, 각 밸런싱 대상 셀의 목표 전압 누적값(Σ(Vt)), 셀 전압 검출 주기 등을 포함할 수 있다.
한편, 도 1에서는 입력 단자(Cin)들과 ADC(230)의 차동 입력 사이를 스위칭하기 위한 스위치들(SW_Cin1, SW_Cin2)과, 밸런싱 단자(Bin)들과 ADC(230)의 차동 입력 사이를 스위칭하기 위한 스위치들(SW_Bin1, SW_Bin2)이 하나의 MUX(230)로 구현되는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명의 실시 예는 이로 한정되는 것은 아니다. 도 7은 본 발명의 제2실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것으로서, 입력 단자(Cin)들과 ADC(230)의 차동 입력 사이를 스위칭하기 위한 스위치들(SW_Cin1, SW_Cin2)과, 밸런싱 단자(Bin)들과 ADC(230)의 차동 입력 사이를 스위칭하기 위한 스위치들(SW_Bin1, SW_Bin2)이 서로 다른 MUX(221, 222)로 구현되는 경우를 예로 들어 도시한 것이다. 도 7의 배터리 팩(10b)에서는, 셀 전압 측정 시 MUX(221)가 주요 전압 측정 경로를 제공하며, MUX(221)의 고정 시에는 MUX(222)가 MUX(221)를 대체하여 전압 측정 경로를 제공함으로써, 리던던시(redundancy)를 확보할 수 있다.
한편, 도 1의 배터리 팩(10a)에서는 각 셀마다 하나의 밸런싱 단자(Bin)를 보유하며, 이웃하는 셀의 밸런싱 단자(Bin)들 사이에 밸런싱 스위치(SWb)가 연결된다. 이러한 구조에서는, 이웃하는 두 개 이상의 셀의 밸런싱 스위치(SWb)를 동시에 온시키면, 이들의 바깥쪽에 위치하는 밸런싱 스위치(SWb)가 오프 상태를 유지하기 위해서는 밸런싱 스위치(SWb)를 구성하는 트랜지스터의 소스-드레인 사이에 셀 두 개 이상의 분량의 전압이 인가된다. 동시에 온 되는 이웃하는 셀들의 개수가 많을수록, 이들의 외측에 위치하는 밸런싱 스위치(SWb)가 오프 상태를 유지하기 위해 소스-드레인 사이에 인가되는 전압은 더욱 상승하며, 소스-드레인 간 트랜지스터의 오프 내압 이상으로 상승하는 상황이 발생할 수 있다.
따라서, 도 1의 배터리 팩(10a)에서는 이웃하는 셀들이 동시에 온 되는 것을 피하기 위해, 홀수 번째 셀과 짝수 번째 셀에 대한 셀 밸런싱을 교대로 수행하는 방법이 사용되나, 이러한 방식은 밸런싱 효율이 저하되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 후술하는 본 발명의 제3실시 예에서는 두 개의 셀마다 하나의 공통 단자를 추가하여 이웃하는 셀들끼리 동시에 온 되는 것이 가능하도록 하였다.
도 8는 본 발명의 제3실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이고, 도 9 내지 도 11는 도 8의 배터리 팩에서의 밸런싱 전류 측정 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
한편, 아래에서는 중복되는 설명을 피하기 위해, 도 8에 도시된 배터리 팩(10c)의 구성 요소들 중 도 1 및 도 7을 참조하여 설명한 본 발명의 제1실시 예에 따른 배터리 팩(10a)과 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 8를 참조하면, 본 발명의 제3실시 예에 따른 배터리 팩(10c)은, 배터리 모듈(100), 배터리 IC(200), 및 배터리 제어기(300)를 포함할 수 있다.
배터리 IC(200)는 복수의 입력 단자(Cin), 복수의 밸런싱 단자(Bin), 복수의 공통 단자(COM), 밸런싱 스위치 회로(210), 전압 검출 회로, 및 밸런싱 제어 회로(240)를 포함한다.
복수의 입력 단자(Cin)는 배터리 모듈(100)을 구성하는 복수의 셀에 각각 연결되며, 셀 전압 검출을 위한 입력 단자로 사용될 수 있다. 각 입력 단자(Cin)와 이에 대응하는 셀 사이에는 필터 저항(Rf)이 연결될 수 있다.
도 8의 배터리 팩(10c)에서는 이웃(인접)하는 두 개의 셀 간에 입력 단자(Cin)를 공유하여 사용할 수 있다. 즉, 각 셀의 음극에 연결된 입력 단자(Cin)는, 동일한 필터 저항(Rf)에 의해 이웃하는 셀의 양극과도 연결될 수 있다.
복수의 밸런싱 단자(Bin)는 복수의 셀 각각에 연결되며, 대응하는 셀의 밸런싱 방전을 위해 사용될 수 있다. 각 밸런싱 단자(Bin)와 이에 대응하는 셀 사이에는 밸런싱 저항(Rb)이 연결되어, 대응하는 셀의 밸런싱 방전 경로를 형성할 수 있다.
복수의 공통 단자(COM)는, 서로 이웃하는 두 개의 셀(홀수번째 셀 및 짝수번째 셀)마다 하나씩 배치되며, 대응하는 두 개의 셀의 밸런싱 방전을 위해 사용될 수 있다.
배터리 팩(10c)에서, 공통 단자(COM)를 공유하는 이웃하는 두 개의 셀은, 서로 다른 극에 밸런싱 단자(Bin)가 연결되며, 두 셀의 연결 노드에 공통 단자(COM)가 연결된다. 이에 따라, 공통 단자(COM)를 공유하는 이웃하는 두 개의 셀 중 어느 하나의 밸런싱 방전 경로는, 도 9에 도시된 바와 같이, 해당 셀의 양극에 연결된 밸런싱 저항(Rb) 및 밸런싱 단자(Bin), 밸런싱 스위치(SWb), 및 해당 셀의 음극에 연결된 공통 단자(COM)로 구성되고, 나머지 셀의 밸런싱 방전 경로는, 도 10에 도시된 바와 같이, 해당 셀의 양극에 연결된 공통 단자(COM), 밸런싱 스위치(SWb), 해당 셀의 음극에 연결된 밸런싱 단자(Bin) 및 밸런싱 저항(Rb)에 의해 구성될 수 있다. 따라서, 각 셀의 밸런싱 방전 경로는 하나의 밸런싱 저항(Rb)으로만 구성될 수 있다.
밸런싱 스위치 회로(210)는, 각 셀의 밸런싱 방전 경로를 흐르는 밸런싱 방전 전류의 흐름을 베어하기 위한 밸런싱 스위치(SWb)들을 포함하며, 서로 이웃하는 두 개의 밸런싱 스위치(SWb)는, 각각 대응하는 밸런싱 단자(Bin)와 공통 단자(COM) 사이에 연결될 수 있다.
멀티 플렉서(220)는 각 셀의 양단 전압이 ADC(230)의 차동 입력으로 입력될 수 있도록 스위칭하는, 스위치들(SW_Cin1, SW_Cin2)을 포함할 수 있다. 각 스위치(SW_Cin1)는, 대응하는 입력 단자(Cin)와 ADC(230)의 제1입력 사이에 연결되며, 대응하는 셀의 양극과 ADC(230)의 제1입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. 각 스위치(SW_Cin2)는, 대응하는 입력 단자(Cin)와 ADC(230)의 제2입력 사이에 연결되며, 대응하는 셀의 음극과 ADC(230)의 제2입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다.
멀티플렉서(220)는 각 셀의 밸런싱 중 대응하는 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압이 ADC(230)의 차동 입력으로 입력될 수 있도록, 스위치들(SW_Bin1, SW_Bin2)을 더 포함할 수 있다.
도 9을 예로 들면, 대응하는 셀의 양극에 연결된 밸런싱 저항(Rb)은, 스위치(SW_Cin1) 및 스위치(SW_Bin2)에 의해 양단이 ADC(230)의 제1 및 제2입력과 연결될 수 있다. 이 경우, 스위치(SW_Cin1)는, 대응하는 입력 단자(Cin)와 ADC(230)의 제1입력 사이에 연결되며, 밸런싱 저항(Rb)의 일단과 ADC(230)의 제1입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. 또한, 스위치(SW_Bin2)는, 대응하는 밸런싱 단자(Bin)와 ADC(230)의 제2입력 사이에 연결되며, 밸런싱 저항(Rb)의 타단과 ADC(230)의 제2입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다.
도 10을 예로 들면, 대응하는 셀의 음극에 연결된 밸런싱 저항(Rb)은, 스위치(SW_Bin1) 및 스위치(SW_Cin2)에 의해 양단이 ADC(230)의 제1 및 제2입력과 연결될 수 있다. 이 경우, 스위치(SW_Bin1)는, 대응하는 밸런싱 단자(Bin)와 ADC(230)의 제1입력 사이에 연결되며, 밸런싱 저항(Rb)의 일단과 ADC(230)의 제1입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다. 또한, 스위치(SW_Cin2)는, 대응하는 입력 단자(Cin)와 ADC(230)의 제2입력 사이에 연결되며, 밸런싱 저항(Rb)의 타단과 ADC(230)의 제2입력 사이의 연결을 스위칭할 수 있다.
한편, 본 발명의 제3실시 예에서는, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 방법으로 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압을 검출하는 것이 어려울 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 대응하는 셀의 셀 전압과, 대응하는 밸런싱 스위치(SWb)의 드레인-소스 간 전압을 측정하고, 두 전압 간의 차로부터 대응하는 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압을 획득할 수도 있다.
도 11를 예로 들면, 밸런싱 스위치(SWb)는, 대응하는 셀의 밸런싱 단자(Bin)와 공통 단자(COM) 사이에 연결되며, 공통 단자(COM)는 필터 저항(Rf)을 통해 대응하는 셀의 입력 단자와 연결된다. 따라서, 밸런싱 스위치(SWb)의 드레인-소스 간 전압은, 대응하는 셀의 양단에 연결된 입력 단자(Cin)들 중 공통 단자(COM)에 연결된 입력 단자(Cin)와, 대응하는 밸런싱 단자(Bin) 사이의 전압을 측정함으로써 획득될 수 있다. 스위치(SW_Cin1, SW_Cin2, SW_Bin1, SW_Bin2)들은, 셀 밸런싱 중, 각 밸런싱 대상 셀의 공통 단자(COM)에 연결된 입력 단자(Cin)와 밸런싱 단자(Bin)가 ADC(230)의 차동 입력에 연결되도록 스위칭될 수 있다.
한편, 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압을 검출하기 위해, 밸런싱 스위치(SWb)의 드레인-소스 간 전압을 측정하는 동작과, 대응하는 셀의 양단 전압을 측정하는 동작은, 서로 배타적으로 수행될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 팩에서의 셀 밸런싱 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 후술하는 셀 밸런싱 방법은, 도 1 내지 도 11를 참조하여 설명한 배터리 팩(10a, 10b, 10c)들에 의해 수행될 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 배터리 팩(10a, 10b)에서, 배터리 제어기(300)는 배터리 IC(200)로부터 배터리 모듈(100)을 구성하는 각 셀의 셀 전압, 충방전 전류, 온도 등의 셀 상태를 주기적으로 수신하고, 이로부터 셀 상태 정보를 획득한다(S100).
상기 S100 단계에서, 셀 상태 정보는, 각 셀의 셀 전압 또는 충전 상태(State Of Charge, SOC) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 각 셀의 충전 상태는, 각 셀의 셀 전압, 충방전 전류 또는 온도로부터 추정될 수 있다.
배터리 제어기(300)는 배터리 모듈(100)을 구성하는 각 셀의 상태 정보가 획득되면, 이에 기초하여 셀 밸런싱이 필요한 셀이 있는지 판정한다(S101).
배터리 제어기(300)는 배터리 모듈(100)에 대한 셀 밸런싱이 필요한 것으로 판단되면, 각 밸런싱 대상 셀의 셀 상태 정보에 기초하여 각 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 필요량을 산출한다(S102). 또한, 전술한 수학식 8을 참조하여, 각 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 필요량으로부터 목표 전압 누적값(Σ(Vt))을 산출한다(S103).
배터리 제어기(300)는 목표 전압 누적값(Σ(Vt))이 산출되면, 이를 포함하는 셀 밸런싱 제어 정보를 배터리 IC(200)로 전달하고(S104), 배터리 IC(200)로 셀 밸런싱의 개시를 요청한다(S105).
상기 S104 단계에서, 셀 밸런싱 제어 정보는, 밸런싱 대상 셀 정보, 각 밸런싱 대상 셀의 목표 전압 누적값(Σ(Vt)), 전압 검출 주기 등을 포함할 수 있다.
배터리 제어기(300)로부터 셀 밸런싱 제어 정보를 수신한 배터리 IC(200)는, 이에 기초하여 셀 밸런싱 제어 파라미터를 설정한다(S200).
상기 S200 단계에서, 배터리 IC(200)는 셀 밸런싱 제어 정보로부터 밸런싱 대상 셀 정보를 획득하고, 이를 바탕으로 밸런싱 대상 셀 선택 정보를 설정할 수 있다. 또한, 배터리 IC(200)는 셀 밸런싱 제어 정보로부터 각 셀의 목표 전압 누적값(Σ(Vt))을 획득하고, 이를 설정값 레지스터(243)에 저장할 수 있다. 또한, 셀 밸런싱 제어 정보로부터 전압 검출 주기를 수신하고, 셀 밸런싱 중 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압을 검출하는 주기를 설정할 수 있다.
이후, 배터리 IC(200)는 배터리 제어기(300)로부터 셀 밸런싱 개시가 요청되면 상기 S200 단계를 통해 설정된 제어 파라미터들에 기반하여, 셀 밸런싱을 개시한다(S202). 즉, 상기 S200 단계를 통해 설정된 밸런싱 대상 셀 선택 정보에 기반하여, 대응하는 셀의 밸런싱 스위치(SWb)들을 온시킴으로써 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 방전 경로로 밸런싱 전류가 흐르도록 할 수 있다.
한편, 배터리 IC(200)는 셀 밸런싱이 개시되면, 각 밸런싱 대상 셀에 대해 대응하는 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압을 주기적으로 측정한다(S202). 그리고, 측정된 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압에 기반하여, 전압 누적값(Σ(VRb))을 산출한다(S203).
상기 S202 단계에서, 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압을 검출하는 방법은 상기에서 도 4, 도 5, 및 도 9 내지 도 11를 참조하여 상세히 설명하였으므로, 아래에서는 이에 대한 설명을 생략한다.
배터리 IC(200)는 각 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 저항(Rb)에 대해 전압 누적값(Σ(VRb))이 산출되면, 이를 대응하는 셀의 목표 전압 누적값(Σ(Vt))과 비교한다(S204). 그리고, 비교 결과, 전압 누적값(Σ(VRb))이 목표 전압 누적값(Σ(Vt)) 이상인 셀이 존재하면, 해당 셀에 대한 셀 밸런싱을 종료한다(S205). 즉, 해당 셀의 밸런싱 스위치(SWb)를 오프시킨다.
배터리 IC(200)는 모든 밸런싱 대상 셀에 대해 셀 밸런싱이 종료될 때까지 상기 S202 단계 내지 S205 단계를 반복 수행하며(S206), 모든 밸런싱 대상 셀의 밸런싱이 종료되지 않은 상태에서 최대 방전 시간이 경과하면(S207), 모든 밸런싱 대상 셀의 셀 밸런싱을 종료한다(S208).
한편, 배터리 IC(200)는 모든 밸런싱 대상 셀의 셀 밸런싱이 종료되면, 다음의 셀 밸런싱 수행을 위해 대기한다(S209).
전술한 바에 따르면, 본 발명의 실시 예들에서는 새로운 단자의 추가 없이 입력 단자(Cin)를 이용하여 밸런싱 저항(Rb) 양단의 전압을 측정할 수 있으며, 이를 이용하여 셀 밸런싱 중 밸런싱 방전 전류를 추정하고, 나아가서 셀 밸런싱 완료 여부를 판정하는 것이 가능하다.
한편, 전술한 본 발명의 실시 예들에서는 계산 복잡도를 줄이기 위해 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압을 누적한 전압 누적값과(Σ(VRb))과, 배터리 제어기(300)가 각 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 필요량으로부터 산출한 목표 전압 누적값(Σ(Vt))을 직접 비교하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 실시 예들은 이로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 밸런싱 제어 회로(240)는 위 수학식 2를 참조하여 밸런싱 저항(Rb)의 양단 전압으로부터 밸런싱 방전 전류(Ib)를 산출하고, 이를 누적한 전류 누적값을 목표 전류 누적값과 비교하여 밸런싱 완료 여부를 판정할 수도 있다. 이 경우, 배터리 제어기(300)는 위 수학식 5와 유사한 방식으로 각 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 필요량(Qt)으로부터 목표 전류 누적값을 산출할 수도 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10a, 10b, 10c: 배터리 팩
100: 배터리 모듈
200: 배터리 IC
210: 밸런싱 스위치 회로
220, 221, 222: 멀티플렉서
230: 아날로그 디지털 변환기
240: 밸런싱 제어 회로
241: 셀 전압 레지스터
242: 적산기
243: 비교기
244: 설정값 레지스터
245: 상태 레지스터
246: 밸런싱 스위치 제어 로직
247: MUX 제어 로직
SWb: 밸런싱 스위치
Rb: 밸런싱 저항
Rf: 필터 저항
Bin: 밸런싱 단자
Cin: 입력 단자
COM: 공통 단자

Claims (16)

  1. 서로 직렬 연결되는 복수의 셀 각각에 연결되어, 상기 복수의 셀 각각의 밸런싱 방전 경로를 형성하는 복수의 밸런싱 저항,
    상기 밸런싱 방전 경로에 대한 밸런싱 전류의 흐름을 제어하는 복수의 밸런싱 스위치,
    셀 밸런싱이 개시되면, 상기 복수의 셀 중 밸런싱 대상 셀에 대해, 대응하는 상기 밸런싱 저항의 양단 전압을 검출하는 전압 검출 회로, 및
    상기 대응하는 밸런싱 저항의 양단 전압을 이용하여 상기 밸런싱 대상 셀의 밸런싱 방전 전류의 누적값에 대응하는 전압 누적값을 획득하며, 상기 전압 누적값에 기초하여 상기 밸런싱 대상 셀에 대한 셀 밸런싱 종료 여부를 판단하는 밸런싱 제어 회로를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 밸런싱 스위치, 상기 전압 검출 회로 및 상기 밸런싱 제어 회로는, 배터리 집적 회로 내에 포함되는 배터리 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 밸런싱 단자를 더 포함하고,
    상기 복수의 밸런싱 저항은, 상기 복수의 셀의 제1극과 상기 복수의 밸런싱 단자 사이에 연결되며,
    상기 복수의 밸런싱 스위치들은, 상기 복수의 밸런싱 단자들 중 서로 이웃하는 두 개의 밸런싱 단자들 사이에 각각 연결되는 배터리 관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 입력 단자를 더 포함하고,
    상기 전압 검출 회로는,
    제1 및 제2입력을 통해 입력되는 전압들 간의 차 전압을 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기,
    상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제1스위치, 및
    상기 복수의 밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제2스위치를 포함하며,
    상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제2스위치는, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 상기 밸런싱 저항의 양단이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 연결되도록 제어되는 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어 회로는,
    셀 밸런싱이 개시되면, 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 데이터로부터, 상기 전압 누적값을 획득하는 적산기,
    상기 적산기로부터 출력되는 상기 전압 누적값과, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 타겟 전압 누적값을 비교한 결과를 출력하는 비교기, 및
    상기 비교기의 출력에 대응하여, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 상기 밸런싱 스위치를 제어하는 밸런싱 스위치 제어 로직을 포함하고,
    셀 밸런싱 중 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 데이터는, 상기 대응하는 밸런싱 저항의 양단 전압에 대응하는 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 셀 각각의 셀 상태 정보로부터 상기 복수의 셀 각각의 밸런싱 필요량을 산출하고, 상기 밸런싱 필요량으로부터 상기 타겟 전압 누적값을 산출하는 배터리 제어기를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 입력 단자를 더 포함하고,
    상기 전압 검출 회로는,
    제1 및 제2입력을 통해 입력되는 전압들 간의 차 전압을 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기,
    상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제1스위치, 및
    상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제2스위치를 포함하며,
    상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제2스위치는, 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압 검출 시에는, 상기 복수의 셀 각각의 제1 및 제2극이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 순차적으로 연결되도록 제어되는 배터리 관리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 셀의 제1극과 상기 복수의 입력 단자 사이에 연결되는 복수의 필터 저항을 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 집적 회로는,
    상기 복수의 셀에 대한 셀 전압 검출 시, 상기 아날로그 디지털 변환기의 출력 데이터를 상기 복수의 셀 각각의 셀 전압으로 저장하는 셀 전압 레지스터를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전압 검출 회로는,
    상기 복수의 밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제3스위치, 및
    상기 복수의 밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제4스위치를 더 포함하며,
    상기 복수의 제3스위치 및 상기 복수의 제4스위치는, 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압 검출 시, 상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제2스위치를 대신하여, 상기 복수의 셀 각각의 제1 및 제2극이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 순차적으로 연결되도록 제어되는 배터리 관리 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 셀은, 복수의 홀수번째 셀과 복수의 짝수번째 셀을 포함하며,
    상기 배터리 집적 회로는,
    상기 복수의 홀수번째 셀의 제1극에 각각 연결되는 복수의 제1밸런싱 단자,
    상기 복수의 짝수번째 셀의 제2극에 각각 연결되는 복수의 제2밸런싱 단자, 및
    상기 복수의 홀수번째 셀의 제2극에 각각 연결되는 복수의 공통 단자를 더 포함하고,
    상기 복수의 밸런싱 저항은, 상기 복수의 홀수번째 셀의 제1극과 복수의 제1밸런싱 단자 사이에 각각 연결되는 복수의 제1밸런싱 저항, 및 상기 복수의 짝수번째 셀의 제2극과 복수의 제2밸런싱 단자 사이에 각각 연결되는 복수의 제2밸런싱 저항을 포함하며,
    상기 밸런싱 스위치는, 상기 복수의 제1밸런싱 단자와 상기 복수의 공통 단자 사이에 각각 연결되는 복수의 제1밸런싱 스위치, 및 상기 복수의 제2밸런싱 단자와 상기 복수의 공통 단자 사이에 각각 연결되는 복수의 제2밸런싱 스위치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 홀수번?? 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 제1입력 단자, 및 상기 복수의 짝수번째 셀 각각의 제2극에 연결되는 복수의 제2입력 단자를 더 포함하며,
    상기 전압 검출 회로는,
    제1 및 제2입력을 통해 입력되는 전압들 간의 차 전압을 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기,
    상기 복수의 제1입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제1스위치,
    상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제2스위치,
    상기 복수의 제1밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제3스위치, 및
    상기 복수의 제2밸런싱 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제4스위치를 포함하고,
    상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제3스위치는, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 제1밸런싱 저항의 양단이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 연결되도록 제어되고,
    상기 복수의 제2스위치 및 상기 복수의 제4스위치는, 셀 밸런싱이 개시되면, 상기 제2밸런싱 저항의 양단이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 연결되도록 제어되는 배터리 관리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 밸런싱 제어 회로는,
    셀 밸런싱이 개시되면, 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 디지털 데이터로부터, 상기 전압 누적값을 획득하는 적산기,
    상기 적산기로부터 출력되는 상기 전압 누적값과, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 타겟 전압 누적값을 비교한 결과를 출력하는 비교기, 및
    상기 비교기의 출력에 대응하여, 상기 밸런싱 대상 셀에 대응하는 상기 밸런싱 스위치를 제어하는 밸런싱 스위치 제어 로직을 포함하고,
    셀 밸런싱 중 상기 아날로그 디지털 변환기로부터 출력되는 전압값은, 상기 대응하는 밸런싱 저항의 양단 전압에 대응하는 배터리 관리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 셀 각각의 셀 상태 정보로부터 상기 복수의 셀 각각의 밸런싱 필요량을 산출하고, 상기 밸런싱 필요량으로부터 상기 타겟 전압 누적값을 산출하는 배터리 제어기를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 집적 회로는, 상기 복수의 셀 각각의 제1극에 연결되는 복수의 입력 단자를 더 포함하고,
    상기 전압 검출 회로는,
    제1 및 제2입력을 통해 입력되는 전압들 간의 차 전압을 디지털 데이터로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기,
    상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제1스위치, 및
    상기 복수의 입력 단자와 상기 아날로그 디지털 변환기의 제2입력 사이의 연결을 스위칭하는 복수의 제2스위치를 더 포함하며,
    상기 복수의 제1스위치 및 상기 복수의 제2스위치는, 상기 복수의 셀에 대한 셀 전압 검출 시에는, 상기 복수의 셀 각각의 제1 및 제2극이 상기 아날로그 디지털 변환기의 제1 및 제2입력에 순차적으로 연결되도록 제어되는 배터리 관리 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 셀의 제1극과 상기 복수의 입력 단자 사이에 연결되는 복수의 필터 저항을 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
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