JP2019110741A

JP2019110741A - セル電圧センシング回路

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Publication number: JP2019110741A
Application number: JP2018193136A
Authority: JP
Inventors: 鍾厚尹; Jong Hu Yoon; 美玉金; Mi-Ok Kim; 範奎金; Beom-Gyu Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2038-10-12
Also published as: EP3499256B1; US20190187215A1; KR102565347B1; JP7187248B2; US10698037B2; EP3499256A1; KR20190072764A

Abstract

【課題】本発明は、モジュール数増加及び接地絶縁問題を解決して回路構成を最適化することにより、回路のロバスト性を確保することができ、素子の数量の削減によってコストダウンを図ることができるセル電圧センシング回路を提供することを課題とする。【解決手段】本発明のセル電圧センシング回路は、複数のバッテリーセルを含む第１セルモジュールと、第１セルモジュールの各バッテリーセルの電圧をセンシングする第１センシング部と、複数のリレーを含み、第１セルモジュールの各バッテリーセルと第１センシング部との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、第１セルモジュールと第１センシング部との絶縁を維持する第１絶縁リレー部と、を含んでなる。【選択図】図２

Description

本発明は、セル電圧センシング回路に係り、より詳しくは、回路構成を最適化することにより回路のロバスト性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）を確保することができ、素子の数量削減によってコストダウンを図ることができるセル電圧センシング回路に関する。

高電圧バッテリーと１２Ｖリチウムバッテリーとが統合システム構造で開発され、ＢＭＳ（ＢａｔｔｅｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）で高電圧センシング回路と１２Ｖリチウムバッテリーモジュール（４セル／１モジュール構造）とを統合してセンシングしている。

１２Ｖリチウムバッテリーモジュールは、鉛蓄電池のように車種によって小・中・大型車別にバッテリー容量が異なり、これに対応するために、現在、１２Ｖリチウムバッテリーは４セルを１モジュールとし電気容量１２Ａｈを標準化／共用化設計して並列接続で使用している。
１２Ｖリチウムバッテリーの１モジュールは４セルから構成されており、２つのモジュールを並列接続する際には各モジュールの＋／−端子はバスバーで接続可能であるが、中間のセルは、バスバーによる接続が不可能である。

リチウムバッテリーセルの特性に応じて、各個別セルに対するＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）又は劣化状態を確認するためには、個別にセル電圧測定が必要である。即ち、ＢＭＳ制御器の１２Ｖリチウムバッテリーセンシング回路は、１モジュールの場合には４セルのセンシング回路が必要であり、２モジュールの場合には８セルのセンシング回路が必要である。このように、並列モジュールの数が増加すればするほど、ＢＭＳ回路の構成に必要な素子の数が増加し、それによるコストアップが生ずる。

また、１２Ｖリチウムバッテリーは、高電圧バッテリーのように絶縁設計を適用しなくてもよいが、１２Ｖリチウムバッテリー統合システム内のＢＭＳ制御器は、高電圧バッテリー及び車両負荷（リレーなど）を制御及びセンシングする役割と、１２Ｖリチウムバッテリーをセンシングする役割とを同時に行わなければならない。これにより、１２Ｖリチウムバッテリーのグラウンド（ＧＲＯＵＮＤ、ＧＮＤ）であるバッテリー電圧センシングラインと、車両シャーシＧＮＤと、を同時に使用しているＢＭＳは、ＧＮＤ断線の際に外部から過電流がＢＭＳ回路の内部に流入してＢＭＳＨ／Ｗ回路が焼損してしまうという問題点があった。

従って、モジュール数の増加問題及び接地絶縁問題の解決による回路構成を最適化させることにより、回路のロバスト性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）を確保することができ、素子の数量削減によってコストダウンを図ることができるソリューションが必要であった。
上記の背景技術として説明された事項は、本発明の背景に対する理解を増進するためのものに過ぎず、この技術分野における通常の知識を有する者に既に知られている従来技術に該当することを認めるものと受け止められてはならないだろう。

特開２０１１−１５５８２５号公報

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、回路構成を最適化させることにより、接地絶縁問題を解決して回路のロバスト性を確保すること、及びモジュール数の増加問題に関し、素子の数量削減によってコストダウンを図ることができるセル電圧センシング回路を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様によれば、複数のバッテリーセルを含む第１セルモジュールと、
第１セルモジュールの各バッテリーセルの電圧をセンシングする第１センシング部と、
複数のリレーを含み、第１セルモジュールの各バッテリーセルと第１センシング部との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、第１セルモジュールと第１センシング部との絶縁を維持する第１絶縁リレー部とを含んでなるセル電圧センシング回路を提供する。

ここで、複数のバッテリーセルを含み、第１セルモジュールに並列接続された第２セルモジュールと、
第２セルモジュールの各バッテリーセルの電圧をセンシングする第２センシング部と、
複数のリレーを含み、第２セルモジュールの各バッテリーセルと第２センシング部との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、第２セルモジュールと第２センシング部との絶縁を維持する第２絶縁リレー部とを更に含むことを特徴とする。

また第１絶縁リレー部及び第２絶縁リレー部の複数のリレーは、ＰｈｏｔｏＭＯＳリレーであることを特徴とする。

前記第１センシング部は、第１絶縁リレー部のリレーの作動によって、第１セルモジュールに含まれているセルの電圧を充電するキャパシタを有する充電部と、キャパシタの両端の電圧を受けて検出する比較器、及びキャパシタの両端と比較器の入力端との間をそれぞれ電気的に短絡／開放させるリレーを有する測定部とを含み、第１絶縁リレー部に含まれているリレーが作動してキャパシタを充電する場合、測定部に含まれているリレーは開放状態を維持し、測定部がキャパシタの両端の電圧を受けるように測定部に含まれているリレーが短絡状態になると、第１絶縁リレー部に含まれているリレーが開放されることを特徴とする。

前記第２センシング部は、第２絶縁リレー部のリレーの作動によって、第２セルモジュールに含まれているセルの電圧を充電するキャパシタを有する充電部と、キャパシタの両端の電圧を受けて検出する比較器、及びキャパシタの両端と比較器の入力端との間をそれぞれ電気的に短絡／開放させるリレーを有する測定部とを含み、第２絶縁リレー部に含まれているリレーが作動してキャパシタを充電する場合、測定部に含まれているリレーは開放状態を維持し、測定部がキャパシタの両端の電圧を受けるように測定部に含まれているリレーが短絡状態になると、第２絶縁リレー部に含まれているリレーが開放されることを特徴とする。

また、本発明の他の態様によれば、複数のバッテリーセルが直列接続された第１セルモジュールと、複数のバッテリーセルが直列接続され、第１セルモジュールに並列接続された第２セルモジュールと、第１セルモジュール及び第２セルモジュールの各バッテリーセルの電圧をセンシングするセンシング部と、複数のリレーを含み、第１セルモジュールと第２セルモジュールとの最上段バッテリーセル端子及びセンシング部との間、並びに第１セルモジュールと第２セルモジュールとの最下段バッテリーセル端子及びセンシング部との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し絶縁を維持する共用リレー部とを含んでなることを特徴とする。

またここで、複数のリレーを含み、第１セルモジュール及び第２セルモジュールの最上段バッテリーセル端子及び最下段バッテリーセル端子以外の端子とセンシング部との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、絶縁を維持する絶縁リレー部を更に含むことを特徴とする。

ま共用リレー部及び絶縁リレー部の複数のリレーはＰｈｏｔｏＭＯＳリレーであることを特徴とする。

またセンシング部は、共用リレー部及び絶縁リレー部の作動によって第１セルモジュール及び第２セルモジュールのセル電圧を充電するキャパシタを有する充電部と、キャパシタの両端の電圧を受けて検出する比較器、及びキャパシタの両端と比較器の入力端との間をそれぞれ電気的に短絡又は／及び開放させるリレーを有する測定部とを含み、共用リレー部及び絶縁リレー部に含まれているリレーが作動してキャパシタを充電する場合、測定部に含まれているリレーは開放状態を維持し、測定部がキャパシタの両端の電圧を受けるように測定部に含まれているリレーが短絡状態になると、共用リレー部及び絶縁リレー部に含まれているリレーは開放されることを特徴とする。

本発明のセル電圧センシング回路によれば、モジュール数の増加問題に対しては、素子の数量削減によってコストダウンを図ることができ、接地絶縁問題の解決に対しては、回路構成を最適化させることにより、回路のロバスト性を確保することができる。

また、モジュールの増加による素子の数量増加を最小限に抑えることにより、回路設計の際に必要空間を最小化させることができ、ＰＣＢ及び制御器などのサイズの増加を最小限に抑えることができる。

本発明の一実施形態に係るセル電圧センシング回路の構成図である。本発明の他の実施形態に係るセル電圧センシング回路の構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の様々な実施形態に係るセル電圧センシング回路について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るセル電圧センシング回路の構成図であり、図２は本発明の他の実施形態に係るセル電圧センシング回路の構成図である。

まず、図１に示すように、本発明の一実施形態に係るセル電圧センシング回路は、複数のバッテリーセル１０を含む第１セルモジュール１１０、第１セルモジュール１１０の各バッテリーセル１０の電圧をセンシングする第１センシング部５１０、及び複数のリレー３０を含み、第１セルモジュール１１０の各バッテリーセル１０と第１センシング部５１０との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、第１セルモジュール１１０と第１センシング部５１０との絶縁を維持する第１絶縁リレー部３１０を含んでなる。

本発明の一実施形態として、第１セルモジュール１１０は、複数の１２Ｖリチウムバッテリーセル１０が直列接続されて１モジュールを構成することができる。
第１センシング部５１０は、充電部５１１、放電部５１２、及び測定部５１３を含むことができる。

ここで、充電部５１１は、キャパシタから構成され、第１絶縁リレー部３１０の制御によって第１セルモジュール１１０に含まれているセル電圧をキャパシタに充電させる。

放電部５１２は、充電部５１１に充電された電圧を放電させるリセット（Ｒｅｓｅｔ）機能の回路又はセルバランス回路である。測定部５１３は、キャパシタの両端の電圧を検出する比較器を実現するためのＯｐ−ａｍｐ、キャパシタの両端と比較器の入力端子との間を電気的に短絡／開放させるＰｈｏｔｏＭＯＳリレー、又はＡ／Ｄコンバータなどから構成され、充電部５１１、即ちキャパシタに充電された電圧を介してセル電圧を測定する。

第１絶縁リレー部３１０と測定部５１３に含まれているリレーとは互いに相補的に制御できる。例えば、セル電圧を充電部５１１のキャパシタに充電する間は、第１絶縁リレー部３１０に所属するりれーの一部が短絡状態になり、測定部５１３に含まれているリレーが開放状態を維持する。また、充電部５１１のキャパシタに充電された電圧を測定するために測定部５１３に含まれているリレーが短絡状態になる間は、第１絶縁リレー部３１０に所属したリレーがすべて開放状態になる。

このような第１絶縁リレー部３１０と測定部５１３に含まれているリレーとの作動によって、バッテリー側と制御器側の絶縁状態を維持することができる。このような絶縁状態の維持によって外部過電流が流入するなどの状況発生した際にも、追加の絶縁通信素子なしで回路のロバスト設計が可能になる。

特に、第１絶縁リレー部３１０と測定部５１３とに含まれているリレーは、ＰｈｏｔｏＭＯＳリレーであり得る。ＰｈｏｔｏＭＯＳリレー素子を適用してセンシングを行うことにより、回路ロバスト性の面で信頼性を向上させることができる。

一方、図１に示すように、本発明の一実施形態に係るセル電圧センシング回路は、上述した第１セルモジュール１１０、第１センシング部５１０、及び第１絶縁リレー部３１０に加えて、複数のバッテリーセル１０を含み、第１セルモジュール１１０に並列接続された第２セルモジュール１２０と、第２セルモジュール１２０の各バッテリーセル１０の電圧をセンシングする第２センシング部５２０と、複数のリレー３０を含み、第２セルモジュール１２０の各バッテリーセル１０と第２センシング部５２０との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、第２セルモジュール１２０と第２センシング部５２０との絶縁を維持する第２絶縁リレー部３２０と、を更に含むことができる。

第２セルモジュール１２０は、第１セルモジュール１１０と同様に、本発明の一実施形態として、複数の１２Ｖリチウムバッテリーセル１０が直列接続されて１モジュールを構成することができる。

第２センシング部５２０は、第１センシング部５１０と同様に、充電部５２１、放電部５２２及び測定部５２３を含むことができる。充電部５２１、放電部５２２及び測定部５２３の機能及び作用は、第１センシング部５１０の充電部５１１、放電部５１２及び測定部５１３と同様なので、説明を省略する。

第２絶縁リレー部３２０及び第２センシング部５２０は、実質的に第１絶縁リレー部３１０及び第１センシング部５１０と同一の構成を有する。よって、前述した第１絶縁リレー部３１０及び第１センシング部５１０のように第２絶縁リレー部３２０及び第２センシング部５２０によってバッテリー側と制御器側の絶縁を達成して、外部過電流が流入するなどの状況が発生した際に、追加の絶縁通信素子なしで回路のロバスト設計が可能であり、ＰｈｏｔｏＭＯＳリレー素子を採用してセンシングを行うことにより、回路ロバスト性の面で信頼性が高い。

図２に示すように、本発明の他の実施形態に係るモジュールセル電圧センシング回路は、
複数のバッテリーセル１０が直列接続された第１セルモジュール１１０と、
複数のバッテリーセル１０が直列接続され、第１セルモジュール１１０に並列接続された第２セルモジュール１２０と、
第１セルモジュール１１０及び第２セルモジュール１２０の各バッテリーセルの電圧をセンシングするセンシング部５００と、
複数のリレー３０を含み、第１セルモジュール１１０と第２セルモジュール１２０との最上段バッテリーセル端子１及びセンシング部５００の間、並びに第１セルモジュール１１０と第２セルモジュール１２０との最下段バッテリーセル端子２及びセンシング部５００の間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、絶縁を維持する共通リレー部３００と、
を含んでなる。

第１セルモジュール１１０及び第２セルモジュール１２０は、一実施形態で説明した第１セルモジュール１１０及び第２セルモジュール１２０と同様なので、機能及び作用についての説明を省略する。

センシング部５００は、一実施形態の第１センシング部５１０と第２センシング部５２０とを統合したセンシング回路であって、第１セルモジュール１１０及び第２セルモジュール１２０の各バッテリーセルの電圧をセンシングする。センシングシーケンスは、第１セルモジュール１１０を順次センシングした後、第２セルモジュール１２０を順次センシングする。センシング部５００は、充電部５０１、放電部５０２及び測定部５０３を含み、一実施形態の充電部５１１、５２１、放電部５１２、５２２及び測定部５１３、５２３と同様なので、機能及び作用の説明を省略する。

共用リレー部３００は、第１セルモジュール１１０と第２セルモジュール１２０との最上段バッテリーのセル端子１及びセンシング部５００との間、並びに第１セルモジュール１１０と第２セルモジュール１２０との最下段バッテリーのセル端子２及びセンシング部５００の間にそれぞれ接続され、２モジュールを統合した構造を形成する。つまり、２モジュールの最上段のセンシングラインと最下段のセンシングラインとを共用にする統合構造を形成する。

このように、最上段及び最下段のセンシングラインの共用化設計によって、セル電圧センシング用コネクタピンの数及びコネクタサイズの縮小が可能である。センシング動作に関連して、最上段及び最下段のセンシングラインが共用であっても、センシングが順次行われるので、センシング機能は正常に動作する。

最上段バッテリーセル端子１と最下段バッテリーセル端子２以外のそれぞれの端子とセンシング部５００との間に絶縁リレー部３５０が接続されることで、電気的接続状態を決定する。

図１で説明した第１絶縁リレー部３１０と測定部５１３とに含まれているリレーの動作と同様に、図２に示した実施形態では、共用リレー部３００と絶縁リレー部３５０との複数のリレー及び測定部５０３に所属するリレーを互いに相補的に制御できる。例えば、セル電圧を充電部５０１のキャパシタに充電する間は、共用リレー部３００と絶縁リレー部３５０とに所属する複数のリレーの中の一部のリレーが短絡状態になる間は、測定部５０３に含まれているリレーは開放状態を維持する。

また、充電部５０１のキャパシタに充電された電圧を測定するために、測定部５０３に含まれているリレーが短絡状態となる間は、共用リレー部３００と絶縁リレー部３５０との複数のリレーは全て開放状態になる。このような共用リレー部３００と絶縁リレー部３５０との複数のリレー及び測定部５０３に含まれているリレーの作動によってバッテリー側及び制御器側の絶縁状態を維持することができる。このような絶縁状態の維持によって、外部の過電流が流入するなどの状況が発生した際に、追加の絶縁通信素子なしで回路のロバスト設計が可能である。

また、共用リレー部３００及び絶縁リレー部３５０の複数のリレーは、ＰｈｏｔｏＭＯＳリレーを採用することにより、回路ロバスト性の面で信頼性が高くなる。

また、共用リレー部３００及びセンシング部５００を用いた２モジュールセンシング回路の統合によって、モジュール数の増加に伴う回路、ＰＣＢ、及び機構に関連した材料費の増加分を削減することができる。また、回路設計する際の必要空間を削減することにより、ＰＣＢ及び制御器などのサイズの増加を最小限に抑えることができる。

本発明の特定の実施形態について図示及び説明したが、以下の特許請求の範囲によって提供される本発明の技術的思想を逸脱しない限度内で、本発明に多様な改良及び変化を加え得るのは、当該分野における通常の知識を有する者にとって自明であろう。

１１０第１モジュール
１２０第２モジュール
３００共用リレー部
３１０第１絶縁リレー部
３２０第２絶縁リレー部
３５０絶縁リレー部
５００センシング部
５１０第１センシング部
５２０第２センシング部

Claims

複数のバッテリーセルを含む第１セルモジュールと、
前記第１セルモジュールの各バッテリーセルの電圧をセンシングする第１センシング部と、
複数のリレーを含み、前記第１セルモジュールの各バッテリーセルと前記第１センシング部との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、前記第１セルモジュールと前記第１センシング部との絶縁を維持する第１絶縁リレー部と、
を含んでなることを特徴とするセル電圧センシング回路。
複数のバッテリーセルを含み、前記第１セルモジュールに並列接続された第２セルモジュールと、
前記第２セルモジュールの各バッテリーセルの電圧をセンシングする第２センシング部と、
複数のリレーを含み、前記第２セルモジュールの各バッテリーセルと前記第２センシング部との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、前記第２セルモジュールと前記第２センシング部との絶縁を維持する第２絶縁リレー部とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のセル電圧センシング回路。
前記第１絶縁リレー部及び前記第２絶縁リレー部の複数のリレーは、ＰｈｏｔｏＭＯＳリレーであることを特徴とする請求項２に記載のセル電圧センシング回路。
前記第１センシング部は、
前記第１絶縁リレー部のリレーの作動によって、前記第１セルモジュールに含まれているセルの電圧を充電するキャパシタを有する充電部と、
前記キャパシタの両端の電圧を受けて検出する比較器、及び前記キャパシタの両端と前記比較器の入力端との間をそれぞれ電気的に短絡／開放させるリレーを有する測定部とを含み、
前記第１絶縁リレー部に含まれているリレーが作動して前記キャパシタを充電する場合、前記測定部に含まれているリレーは開放状態を維持し、前記測定部が前記キャパシタの両端の電圧を受けるように前記測定部に含まれているリレーが短絡状態になると、前記第１絶縁リレー部に含まれているリレーが開放されることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載のセル電圧センシング回路。
前記第２センシング部は、
前記第２絶縁リレー部のリレーの作動によって、第２セルモジュールに含まれているセルの電圧を充電するキャパシタを有する充電部と、
前記キャパシタの両端の電圧を受けて検出する比較器、及び前記キャパシタの両端と前記比較器の入力端との間をそれぞれ電気的に短絡／開放させるリレーを有する測定部とを含み、
前記第２絶縁リレー部に含まれているリレーが作動して前記キャパシタを充電する場合、前記測定部に含まれているリレーは開放状態を維持し、前記測定部が前記キャパシタの両端の電圧を受けるように前記測定部に含まれているリレーが短絡状態になると、前記第２絶縁リレー部に含まれているリレーが開放されることを特徴とすることを特徴とする請求項２に記載のセル電圧センシング回路。
複数のバッテリーセルが直列接続された第１セルモジュールと、
複数のバッテリーセルが直列接続され、前記第１セルモジュールに並列接続された第２セルモジュールと、
前記第１セルモジュール及び前記第２セルモジュールの各バッテリーセルの電圧をセンシングするセンシング部と、
複数のリレーを含み、前記第１セルモジュールと前記第２セルモジュールとの最上段バッテリーセル端子及び前記センシング部との間、並びに前記第１セルモジュールと前記第２セルモジュールとの最下段バッテリーセル端子及び前記センシング部との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し絶縁を維持する共用リレー部と、
を含んでなることを特徴とするセル電圧センシング回路。
複数のリレーを含み、前記第１セルモジュール及び前記第２セルモジュールの前記最上段バッテリーセル端子及び前記最下段バッテリーセル端子以外の端子とセンシング部との間にそれぞれ接続されて電気的接続状態を決定し、絶縁を維持する絶縁リレー部を更に含むことを特徴とする請求項６に記載のセル電圧センシング回路。
前記共用リレー部及び前記絶縁リレー部の複数のリレーはＰｈｏｔｏＭＯＳリレーであることを特徴とする請求項７に記載のセル電圧センシング回路。
前記センシング部は、
前記共用リレー部及び前記絶縁リレー部の作動によって前記第１セルモジュール及び前記第２セルモジュールのセル電圧を充電するキャパシタを有する充電部と、
前記キャパシタの両端の電圧を受けて検出する比較器、及び前記キャパシタの両端と前記比較器の入力端との間をそれぞれ電気的に短絡又は／及び開放させるリレーを有する測定部とを含み、
前記共用リレー部及び前記絶縁リレー部に含まれているリレーが作動して前記キャパシタを充電する場合、前記測定部に含まれているリレーは開放状態を維持し、前記測定部が前記キャパシタの両端の電圧を受けるように前記測定部に含まれているリレーが短絡状態になると、前記共用リレー部及び前記絶縁リレー部に含まれているリレーは開放されることを特徴とする請求項７に記載のセル電圧センシング回路。