KR101344775B1 - 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 직렬 연결형 배터리 셀과 집적 회로부의 사이에 연결되어 노이즈 필터링을 수행하는 다수의 RC 필터 회로 및, 다수의 RC 필터 회로와 상기 집적 회로부의 사이에 각각 직렬 연결되어, 배터리 셀에서 발생되는 노이즈가 상기 집적 회로부에 유입되는 것을 차단하기 위한 다수의 차단 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치{Apparatus for Eliminating Noise from Battery Cell of High Voltage Battery}

본 발명은 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고전압 배터리의 다수개의 셀 구조에 의해 발생되는 노이즈 전압을 효율적으로 제거할 수 있도록 하는 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치에 관한 것이다.

이차 전지로서 고전압 배터리는 높은 에너지 밀도의 전기적 특성을 갖춘 것으로서, 전기 차량(Electric Vehicle; EV) 또는 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle; HV), 수소연료 차량 등에 보편적으로 적용되고 있다.

이러한 고전압 배터리는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라, 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.

고전압 배터리는 통상적으로 단위 배터리 셀(Cell)이 각각 직렬로 연결되어 다수개가 집합되어 있는 구조로 이루어져 있고, 배터리 전압을 측정하여 일정 고전압이 유지되도록 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이 적용되어 운영되고 있다.

도 1은 종래 고전압 배터리의 셀 전압 필터 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 고전압 배터리의 셀 전압 필터 장치는, 서로 반대되는 극성끼리 직렬로 연결된 다수개의 배터리 셀(B1∼B8)에서 각 배터리 셀(B1∼B8)의 직렬 연결단 사이에 각 직렬 저항(R1∼R9)이 연결되고, 이 직렬 저항(R1∼R9)은 집적 회로부(100)에 연결되어 있는 구조를 이루고 있다.

여기서, 도 1에서는 다수개로서 8개의 배터리 셀이 직렬 연결되어 있는 것을 일예로 하여 설명하고 있지만, 이는 장치 설명 상의 편의성을 위해 한정한 것이고, 실제로는 통상 40개 내지 100개 내외의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 구성되어 있다.

또한, 상기 각 직렬 저항(R1∼R9)의 연결단 사이에는 다수개의 커패시터(C1∼C8)가 각각 대응적으로 병렬 연결되어 있으며, 상기 각 직렬 저항(R1∼R9)과 각 커패시터(C1∼C8)는 상기 각 배터리 셀(B1∼B8)에 대해서 RC 필터 회로로 적용되어 집적 회로부(100)에 노이즈 전압 성분이 입력되는 것을 차단할 수 있도록 한다.

한편, 상기 집적 회로부(100)는 배터리 관리 시스템(BMS)을 구성하는 IC(Integrated Circuit) 칩으로서, 상기 다수개의 배터리 셀(B1∼B8)의 전압을 측정하기 위한 것이다.

그런데, 종래 고전압 배터리의 셀 전압 필터 장치에서는, 다수개의 배터리 셀(B1∼B8)과 집적 회로부(100)의 사이에 다수개의 직렬 저항(R1∼R9)과 커패시터(C1∼C8)로 구성되는 RC 필터 회로가 적용되어 있으나, 통상 RC 필터 회로의 경우 커패시터를 신호 입력단과 접지단 사이에 연결하여, 신호 입력단을 통해 발생된 노이즈 신호를 접지단으로 유도하여 제거하는 역할을 수행하는 것이 일반적임을 감안하면, 접지단이 존재하지 않는 배터리 셀의 구조에 의해 노이즈의 제거가 효율적으로 이루어지지 못하게 된다.

도 2는 종래 고전압 배터리의 셀 전압 필터 장치에서 배터리 관리 시스템의 집적 회로부에 노이즈 성분이 입력되는 상태를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래 고전압 배터리의 셀 전압 필터 장치는, RC 필터 회로를 구성하는 각 커패시터(C1∼C8)가 접지단에 연결되어 있지 못하고 인접 배터리 셀의 RC 필터 회로단과 직접 연결되는 구조로 이루어져 있었다.

이 때문에, 다수개의 배터리 셀(B1∼B8) 중에서 적어도 하나 이상의 배터리 셀로부터 노이즈 전압이 발생되는 경우, 노이즈 전압 성분이 제거되지 않은 상태에서 노이즈가 배터리 셀 측의 RC 필터 회로(예컨대, 도 2에서는 직렬 저항(R9)과 커패시터(C8))를 통하여 인접 배터리 셀과 연결된 집적 회로부(100)의 신호 입력단에 혼입되고, 이로 인해 집적 회로부(100)의 전압 측정 오류나 내부 회로의 소손이 발생할 수 있다는 문제점이 있었다.

관련 기술로는 국내공개특허 제2012-0122007호(과전류 방지장치를 포함한 배터리 팩)(2012.11.07)가 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위해 이루어진 것으로서, 다수개의 배터리 셀이 적용된 고전압 배터리로부터 발생되는 노이즈가 전압 측정용 집적 회로부에 유입되는 것을 효율적으로 차단할 수 있도록 하는 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일측면에 따른 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치는, 다수개의 직렬 연결형 배터리 셀과 집적 회로부의 사이에 연결되어 노이즈 필터링을 수행하는 다수의 RC 필터 회로 및, 다수의 RC 필터 회로와 상기 집적 회로부의 사이에 각각 직렬 연결되어, 배터리 셀에서 발생되는 노이즈가 상기 집적 회로부에 유입되는 것을 차단하기 위한 다수의 차단 저항을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 다수의 차단 저항의 각각은, 상기 다수의 RC 필터 회로를 구성하는 직렬 저항의 저항값보다 적어도 10배 이상의 저항값을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 다수개의 배터리 셀과 상기 집적 회로부의 사이에 각각 연결되어 피크성 노이즈 성분을 제거하는 다수의 피크 커패시터를 더 포함하고, 상기 다수의 RC 필터 회로를 구성하는 각각의 커패시터의 커패시턴스값보다 적어도 1/10배 이하의 커패시턴스값을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따르면, 고전압 배터리를 구성하는 다수개의 배터리 셀마다 연결되어 있는 RC 필터 회로와 고전압 측정용 집적 회로부의 사이에 고 저항값의 저항을 연결하여, RC 필터 회로를 타고 유입되는 노이즈를 차단할 수 있도록 함으로써, 다수개의 배터리 셀에 집적 회로부가 직접 연결되어 있는 구조로 인한 노이즈의 취약성을 배제하는 것이 가능하고, 집적 회로부에 노이즈가 유입됨에 의한 오동작 또는 소손 가능성을 최소화시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 고전압 배터리의 각 배터리 셀과 이에 대응하는 RC 필터 회로 사이에 노이즈 제거용 커패시터를 각각 연결하여, 통상의 노이즈 성분과는 별도의 피크성 노이즈를 제거할 수 있도록 함으로써, 고전압 배터리로부터 발생되는 노이즈를 원천적으로 차단할 수 있다.

도 1은 종래 고전압 배터리의 셀 전압 필터 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 고전압 배터리의 셀 전압 필터 장치에서 배터리 관리 시스템의 집적 회로부에 노이즈 성분이 입력되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치에서 배터리 셀로부터의 노이즈 성분이 차단되는 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 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 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치는, 서로 반대되는 극성끼리 직렬로 연결된 다수개의 제1 내지 제8배터리 셀(B1∼B8)의 직렬 연결단 사이에 각 제1 내지 제9직렬 저항(R11∼R19)이 연결되고, 이 제1 내지 제9직렬 저항(R11∼R19)은 집적 회로부(100)에 연결되어 있는 구조를 이루고 있다.

도 3에 도시된 본 발명의 일실시예에서는, 다수개로서 8개의 배터리 셀이 직렬 연결되어 있는 것을 일예로 하여 설명하고 있지만, 이는 장치 설명 상의 편의성을 위해 한정한 것으로서, 실제로는 통상 40개 내지 100개 내외 또는 그 이상의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 구성될 수 있다.

또한, 상기 각 제1 내지 제9직렬 저항(R11∼R19)의 연결단 사이에는 다수개의 제1 내지 제8커패시터(C11∼C18)가 각각 대응적으로 병렬 연결되어 있으며, 상기 각 직렬 저항(R11∼R19)과 각 커패시터(C11∼C18)는 상기 제1 내지 제8배터리 셀(B1∼B8)에 대해서 RC 필터 회로로 적용된다.

상기 집적 회로부(100)는 배터리 관리 시스템(BMS)을 구성하는 IC(Integrated Circuit) 칩으로서, 상기 제1 내지 제8배터리 셀(B1∼B8)의 각 (+)극과 (-)극 양단 전압을 측정한다.

상기 RC 필터 회로의 제1 내지 제9직렬 저항(R11∼R19)과 상기 집적 회로부(100)의 각 배터리 셀(B1∼B8) 신호 입력단 사이에는, 고 저항값을 갖는 제1 내지 제9차단 저항(R21∼R29)이 각각 직렬로 연결되어 있다.

여기서, 상기 제1 내지 제9차단 저항(R21∼R29)의 저항값은 상기 제1 내지 제9직렬 저항(R11∼R19)의 저항값보다 적어도 10배 이상 큰 고 저항값을 갖도록 하는데(R11∼R19 ≪ R21∼R29), 예컨대 상기 제8직렬 저항(R18)의 저항값이 100 오옴(Ω)인 경우에, 상기 제8직렬 저항(R18)과 직렬 연결된 제8차단 저항(R28)의 저항값은 1,000 오옴(Ω) 이상의 저항값을 갖도록 한다.

또한, 다수개의 제1 내지 제8배터리 셀(B1∼B8)의 각 양극 연결단과, 상기 각 직렬 저항(R11∼R19) 및 각 커패시터(C11∼C18)로 이루어진 RC 필터 회로의 연결단 사이에는, 제1 내지 제8피크 커패시터(C21∼C28)가 각각 병렬로 연결되어 있다. 즉, 상기 제1 내지 제8피크 커패시터(C21∼C28)는 상기 제1 내지 제8배터리 셀(B1∼B8)의 직렬 연결 상태와 동일하게, 각 피크 커패시터(C21∼C28) 간이 상호 직렬로 연결되어 있다.

상기 제1 내지 제8피크 커패시터(C21∼C28)는 통상적인 노이즈 성분과는 별도의 피크(Peak) 노이즈 성분을 제거하기 위한 것으로서, 상기 RC 필터 회로를 구성하는 상기 각 커패시터(C11∼C18)가 통상의 노이즈를 제거하는데 비해 피크성 노이즈를 제거하는 역할을 하며, 상기 각 피크 커패시터(C21∼C28)의 커패시턴스(Capacitance)값은 상기 각 커패시터(C11∼C18)의 커패시턴스값보다 적어도 1/10 이하의 값을 갖는다.

예컨대, 상기 각 커패시터(C11∼C18)의 커패시턴스값이 100 ㎋(즉, 1 ㎋은 1,000 ㎊ 이므로, 100,000 ㎊)인 경우, 상기 제1 내지 제8피크 커패시터(C21∼C28)는 10 ㎋(즉, 10,000 ㎊) 이하의 커패시턴스값을 갖는다.

이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치의 동작에 대해 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치에서 배터리 셀로부터의 노이즈 성분이 차단되는 상태를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 제1 내지 제8배터리 셀(B1∼B8) 중에서 제7배터리 셀(B7)의 양극성 단자와 연결되어 있는 RC 필터 회로(R17, R18, C17)와, 제7차단 저항(R27), 제7피크 커패시터(C27)를 예시하여, 전체 구성의 대표적인 구성요소로서 동작 관계를 설명하기로 한다.

먼저, 고전압 배터리를 구성하는 제7배터리 셀(B7)이 상단의 배터리 셀(B8) 및 하단의 배터리 셀(B6)과 각각 상호 반대되는 극성끼리 직렬로 연결된 상태에서, 그 (+)극이 제8직렬 저항(R18) 및 제8차단 저항(R28)을 매개하여 상기 집적 회로부(100)와 연결되고, 그 (-)극이 제7직렬 저항(R17) 및 제7차단 저항(R27)을 매개하여 상기 집적 회로부(100)와 연결되어 있다. 또한, 제8직렬 저항(R18) 및 제8차단 저항(R28)의 직렬 연결단과, 제7직렬 저항(R17) 및 제7차단 저항(R27)의 직렬 연결단 사이에는 RC 필터 회로를 구성하는 커패시터(C17)가 병렬 연결되어 있다.

이와 더불어, 상기 제7배터리 셀(B7)의 양극단 사이에는 제7피크 커패시터(C27)가 병렬 연결되어 있다.

그 상태에서, 상기 집적 회로부(100)는 RC 필터 회로 및 각 차단 저항(R27, R28)이 연결된 신호 입력단을 통해 상기 제7배터리 셀(B7)의 전압을 측정하게 된다.

이 때, 고전압 배터리에서 예컨대 전원 컨넥터의 접속 해제 또는 접속 전환 등과 같은 내부적인 요인 또는 예컨대 전기 차량에 적용된 경우 시동이 꺼지는 등과 같은 외부적인 요인에 의해 노이즈가 발생되면, 상기 고전압 배터리의 일부 구성인 제7배터리 셀(B7)에서도 노이즈가 발생된다.

상기 제7배터리 셀(B7)로부터 발생되는 노이즈는 RC 필터 회로를 구성하는 제8직렬 저항(R18)과 커패시터(C17)에 인가되는데, 상기 제7배터리 셀(B7)의 (-)극과 직렬 연결된 제7직렬 저항(R17)의 저항값이 제7차단 저항(R27)의 저항값보다 적어도 1/10 이하의 작은 값으로 설정(즉, R17 ≪ R27)되어 있기 때문에, 대부분의 노이즈 성분은 제1경로(①)를 통해 빠져 나가게 되고, 상기 제7차단 저항(R27)이 연결되어 있는 제2경로(②)를 통해서는 해당 제7차단 저항(R27)에 의한 노이즈 차단이 이루어지면서 노이즈가 거의 유입되지 못하게 된다.

따라서, 고전압 배터리로부터 노이즈가 발생하더라도, 상기 RC 필터 회로 및 제7차단 저항(R27)에 의해 상기 집적 회로부(100)에 노이즈가 유입되는 것이 차단될 수 있다.

또한, 고전압 배터리에서 발생되는 노이즈 성분 중에서 피크성 노이즈의 경우에는, RC 필터 회로의 전단에 연결되어 있는 제7피크 커패시터(C27)의 충방전 동작에 의해 흡수되어 제거될 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 제7배터리 셀(B7)과 연결된 RC 필터 회로와 차단 저항(R27, R28), 피크 커패시터(C27)에 대해서만 설명하였지만, 상기 고전압 배터리를 구성하는 다른 배터리 셀(B1∼B6, B8)과 각각 연결된 RC 필터 회로와 차단 저항(R21∼R26, R29), 피크 커패시터(C21∼C26, C28)에 대해서도 상기 노이즈 차단 및 제거 동작이 동일하게 이루어질 수 있다.

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.

100:집적 회로부 B1∼B8:배터리 셀
C11∼C18:커패시터 C21∼28:피크 커패시터
R11∼R19:직렬 저항 R21∼R29:차단 저항

Claims (4)

1. 다수개의 직렬 연결형 배터리 셀과 집적 회로부의 사이에 연결되어 노이즈 필터링을 수행하는 다수의 RC 필터 회로; 및
   상기 다수의 RC 필터 회로와 상기 집적 회로부의 사이에 각각 직렬 연결되어, 배터리 셀에서 발생되는 노이즈가 상기 집적 회로부에 유입되는 것을 차단하기 위한 다수의 차단 저항을 포함하고,
   상기 다수의 차단 저항의 각각은, 상기 다수의 RC 필터 회로를 구성하는 각각의 직렬 저항의 저항값보다 적어도 10배 이상의 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   다수개의 배터리 셀과 상기 집적 회로부의 사이에 각각 연결되어 피크성 노이즈 성분을 제거하는 다수의 피크 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 다수의 피크 커패시터의 각각은, 상기 다수의 RC 필터 회로를 구성하는 각각의 커패시터의 커패시턴스값보다 적어도 1/10배 이하의 커패시턴스값을 갖는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리의 셀 노이즈 제거 장치.
   

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