JP7601307B2 - 外部短絡診断方法およびこれを適用したバッテリーシステム - Google Patents

Description

［関連出願（等）との相互引用］
本出願は、２０２２年０１月０６日付の韓国特許出願第１０－２０２２－０００２１３４号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。

本開示は、外部短絡診断方法およびこれを適用したバッテリーシステムに関するものである。

現在、高電圧（Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ）バッテリーパックに対する外部短絡を診断する方法は、高電圧バッテリーパックに対するプリチャージング（ｐｒｅ－ｃｈａｒｇｉｎｇ）中にプリチャージング経路に流れる電流を用いる。例えば、高電圧バッテリーのバッテリー管理システムが高電圧バッテリーのフリーチャージング中に、高電圧バッテリーパックと外部装置との間のリンク配線に流れる電流を測定する。バッテリー管理システムは、測定した電流がしきい値以上であるとき、バッテリーパックと外部装置との間の連結を遮断する方式で高電圧バッテリーを外部短絡から保護する。

しかし、前記のような方式に従う場合、連結が遮断される前のプリチャージング期間の間、多くの電流がリンク配線に流れるようになって、高電圧バッテリーパックと外部装置との間に連結されているリレーおよび抵抗、並びに高電圧バッテリーパックに損傷が発生することがある。

バッテリーシステムを構成する素子の損傷なしに外部短絡を診断できる外部短絡診断方法およびこれを用いたバッテリーシステムを提供しようとする。

発明の一つの特徴に係るバッテリーシステムは、複数のバッテリーセルを含むバッテリーパック、前記バッテリーパックの正極に連結されている一端を含む第１メインリレー、前記バッテリーパックの負極に連結されている一端を含む第２メインリレー、前記第１メインリレーの他端に連結されている第１リンク配線、前記第２メインリレーの他端に連結されている第２リンク配線、および前記第１メインリレーを閉じ、前記バッテリーパックの正極電圧および前記第２リンク配線の負リンク電圧を測定し、前記バッテリーパックの正極電圧と前記負リンク電圧との間の電圧差が所定の基準電圧より小さいとき、外部短絡と決めるバッテリー管理システムを含んでもよい。

前記バッテリー管理システムは、前記バッテリーパックの正極電圧から前記負リンク電圧を差し引いた電圧が、前記基準電圧より小さいとき、外部短絡と決めてもよい。

前記バッテリー管理システムは、前記バッテリーパックの正極電圧に所定比率を乗じて前記基準電圧を生成してもよい。

前記バッテリー管理システムは、外部短絡を決めるための所定の診断期間の間、前記第１メインリレーを閉じ、前記第２メインリレーを開放してもよい。

前記バッテリーシステムは、前記第１メインリレーに対して並列連結されているプリチャージリレーをさらに含み、前記バッテリー管理システムは、外部短絡を決めるための所定の診断期間の間、前記第１メインリレーを閉じ、前記プリチャージリレーを開放してもよい。

バッテリーシステムは、複数のバッテリーセルを含むバッテリーパックの正極に連結されている一端を含む第１メインリレー、前記バッテリーパックの負極に連結されている一端を含む第２メインリレー、およびバッテリー管理システムを含んでもよい。発明の他の特徴に係る、前記バッテリー管理システムによって行われるバッテリーシステムの外部短絡を診断する方法は、診断期間の間、前記第１メインリレーを閉じるステップ、前記バッテリーパックの正極電圧および前記第２リンク配線の負リンク電圧を測定するステップ、前記バッテリーパックの正極電圧と前記負リンク電圧との間の電圧差を所定の基準電圧と比較するステップ、および前記電圧差が前記基準電圧より小さいとき、外部短絡と決めるステップを含んでもよい。

前記電圧差と所定の基準電圧とを比較するステップは、前記バッテリーパックの正極電圧から前記負リンク電圧を差し引いた電圧が、前記基準電圧より小さいかを比較するステップを含んでもよい。

前記バッテリーシステムの外部短絡診断方法は、前記バッテリーパックの正極電圧に所定比率を乗じて前記基準電圧を生成するステップをさらに含んでもよい。

前記バッテリーシステムの外部短絡診断方法は、前記診断期間の間、前記第２メインリレーは開放するステップをさらに含んでもよい。

前記バッテリーシステムの外部短絡診断方法は、前記診断期間の間、前記第１メインリレーに対して並列連結されているプリチャージリレーを開放するステップをさらに含んでもよい。

本発明は、バッテリーシステムを構成する素子の損傷なしに外部短絡を診断できる外部短絡診断方法およびこれを適用したバッテリーシステムを提供する。

一実施例に係るバッテリーシステムを示した図である。 一実施例に係るバッテリーシステムに外部短絡が発生した場合の図である。 一実施例に係る外部短絡診断方法を示すフローチャートである。

以下、添付の図面を参照して本明細書に開示された実施例を詳しく説明するが、同一または類似の構成要素には、同一または類似の図面符号を付与し、これに対する重複する説明は省略することにする。以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞「モジュール」および／または「部」は、明細書の作成の容易さだけが考慮されて付与されるか混用されるものであって、それ自体で互いに区別される意味または役割を有するものではない。また、本明細書に開示された実施例を説明するにあたり、関連する公知技術に対する具体的な説明が本明細書に開示された実施例の要旨を曖昧にする可能性があると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、添付の図面は、本明細書に開示された実施例を容易に理解できるようにするためのものであって、添付の図面によって本明細書に開示された技術的な思想が制限されず、本発明の思想および技術範囲に含まれる全ての変更、均等物または代替物を含むものと理解されるべきである。

第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素等を説明するために使用されてもよいが、前記構成要素等は、前記用語等によって限定されない。前記用語等は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にだけ使用される。

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるか、「接続されて」いると言及されたときには、その他の構成要素に直接に連結されているかまたは接続されていることもあるが、中間に他の構成要素が存在することもあると理解されるべきである。これに対し、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるか、「直接接続されて」いると言及されたときには、中間に他の構成要素が存在しないものと理解されるべきである。

本出願で、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴等や数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたもの等の存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

図１は、一実施例に係るバッテリーシステムを示した図である。

バッテリーシステム１は、バッテリーパック１０、バッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）２０、第１メインリレー３１、第２メインリレー３２、プリチャージ（ｐｒｅｃｈａｒｇｅ）リレー３３、プリチャージ抵抗３４、電流センサー５０、およびリンクキャパシタ６０を含んでもよい。

外部電力装置２は、バッテリーシステム１から電力の供給を受ける負荷であるか、バッテリーシステム１を充電するための充電器であってもよい。例えば、外部電力装置２は、バッテリーシステム１を含む車両のインバータ、ＤＣ－ＤＣコンバータ、モータ、電子制御回路、ＯＢＣ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）、高速充電器のうちの少なくとも一つを含んでもよい。

図１に示されているように、バッテリーパック１０は、直列連結された複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿ｎを含む。ｎは、２以上の自然数であってもよい。図１では一つのバッテリーパック１０が示されているが、バッテリーシステム１は、直列、並列、または直並列連結された複数のバッテリーパックを含んでもよい。

電流センサー５０は、バッテリーパック１０に流れる電流（以下、バッテリーパック電流）を感知し、電流センサー５０は、感知された電流を指示する信号をＢＭＳ２０に伝送することができる。

リンクキャパシタ６０は、バッテリーシステム１の二つの出力端Ｐ+、Ｐ－の間に連結されている。

ＢＭＳ２０は、バッテリーパック１０の運営を管理することができる。例えば、ＢＭＳ２０は複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿ｎに連結され、複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿ｎのセル電圧を測定し、バッテリーパック電流およびバッテリーパック１０の温度などの情報を受信し、複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿ｎの複数のセル電圧、バッテリーパック電流、温度などに基づいてバッテリーパック１０の充放電を制御して、複数のバッテリーセル１０＿１－１０＿ｎに対するセルバランシング動作を制御することができる。

第１メインリレー３１、第２メインリレー３２、およびプリチャージリレー３３は、バッテリーパック１０に対する充電電流または放電電流が流れるように電流経路を形成する。プリチャージリレー３３は、プリチャージ抵抗３４とともに第１メインリレー３１に対して並列連結されている。

第１メインリレー３１の一端はリンク配線４１に連結されており、第１メインリレー３１の他端はリンク配線４３に連結されている。第２メインリレー３２の一端はリンク配線４２に連結されており、第２メインリレー３２の他端はリンク配線４４に連結されている。プリチャージリレー３３の一端はリンク配線４３に連結されており、プリチャージリレー３３の他端はプリチャージ抵抗３４の一端に連結されており、プリチャージ抵抗３４の他端はリンク配線４１に連結されている。

リンク配線４１は、バッテリーパック１０の正極と第１メインリレー３１の一端との間に延びており、リンク配線４２は、バッテリーパック１０の負極と第２メインリレー３２の一端との間に延びており、リンク配線４３は、第１メインリレー３１の他端と外部電力装置２の第１入力端ＩＮ１との間に延びており、リンク配線４４は、第２メインリレー３２の他端と外部電力装置２の第２入力端ＩＮ２との間に延びている。

ＢＭＳ２０は、第１および第２メインリレー３１、３２、およびプリチャージリレー３３の開放および閉を制御するリレー制御信号ＲＣＳ１～ＲＣＳ３を生成して第１および第２メインリレー３１、３２、およびプリチャージリレー３３に供給することができる。第１メインリレー３１は、リレー制御信号ＲＣＳ１のオンレベルによって閉じられ、リレー制御信号ＲＣＳ１のオフレベルによって開放される。第２メインリレー３２は、リレー制御信号ＲＣＳ２のオンレベルによって閉じられ、リレー制御信号ＲＣＳ２のオフレベルによって開放される。プリチャージリレー３３は、リレー制御信号ＲＣＳ３のオンレベルによって閉じられ、リレー制御信号ＲＣＳ３のオフレベルによって開放される。

充放電のためにバッテリーパック１０と外部電力装置２とを連結するとき、ＢＭＳ２０は第２メインリレー３２とプリチャージリレー３３とが閉じられるように制御し、所定の第１期間経過後、第１メインリレー３１が閉じられるように制御することができる。ＢＭＳ２０は第１メインリレー３１が閉じられた時点から所定の第２期間経過後、プリチャージリレー３３が開放されるように制御することができる。ＢＭＳ２０は前記のような動作を制御するためにオンレベルのリレー制御信号ＲＣＳ２、ＲＣＳ３を生成した後、第１期間経過後、オンレベルのリレー制御信号ＲＣＳ１を生成し、第２期間経過後、オフレベルのリレー制御信号ＲＣＳ３を生成することができる。

ＢＭＳ２０は、バッテリーシステム１の外部短絡を診断するために、充放電前に第１メインリレー３１だけを所定の診断期間の間閉じていてもよい。診断期間の間、リレー制御信号ＲＣＳ１だけオンレベルであり、リレー制御信号ＲＣＳ２、ＲＣＳ３はオフレベルであってもよい。

ＢＭＳ２０は、診断期間の間、リンク配線４４の電圧を測定し、測定されたリンク配線４４の電圧（以下、負リンク電圧）ＶＬ－とバッテリーパック１０の正極電圧ＶＰ+間の電圧差が所定の基準電圧以下であれば、外部短絡が発生したと決めてもよい。

図２は、一実施例に係る外部短絡のための診断期間の間のバッテリーシステムを示した回路図である。

図２に示されているように、外部短絡によって、リンク配線４３とリンク配線４４との間の点線で示された電気的な連結が形成されてもよい。診断期間の間、第１メインリレー３１は閉状態である。

図３は、一実施例に係る外部短絡方法を示すフローチャートである。

まず、ＢＭＳ２０は第１メインリレー３１を閉じる（Ｓ１）。つまり、ＢＭＳ２０はオンレベルのリレー制御信号ＲＣＳ１を生成して第１メインリレー３１に供給する。ＢＭＳ２０は外部短絡を行う診断期間の間、第２メインリレー３２およびプリチャージリレー３３を開放する。

ＢＭＳ２０は、バッテリーパック１０の正極電圧ＶＰ+および負リンク電圧ＶＬ－を測定する（Ｓ２）。ＢＭＳ２０は、バッテリーセル１０＿１の正極電圧をバッテリーパック１０の正極電圧ＶＰ+として測定し、リンク配線４４の電圧を負リンク電圧ＶＬ－として測定してもよい。

ＢＭＳ２０は、バッテリーパック１０の正極電圧ＶＰ+と負リンク電圧ＶＬ－との間の電圧差ＶＤを算出する（Ｓ３）。例えば、ＢＭＳ２０は正極電圧ＶＰ+から負リンク電圧ＶＬ－を差し引きして電圧差を算出してもよい。

ＢＭＳ２０は、電圧差ＶＤと基準電圧ＶＲとを比較する（Ｓ４）。例えば、ＢＭＳ２０は電圧差ＶＤが基準電圧ＶＲより小さいかを比較することができ、ＢＭＳ２０は測定したバッテリーパック１０の正極電圧ＶＰ+に所定比率（例えば、５０％）を乗じて基準電圧ＶＲを生成することができる。比率５０％は一例であって、本発明がこれに限定されるものではない。

Ｓ４ステップの比較結果、電圧差ＶＤが基準電圧ＶＲより小さいと、ＢＭＳ２０は外部短絡が発生したと決める（Ｓ５）。外部短絡が発生する場合、第１メインリレー３１および短絡４５を介してバッテリーパック１０の正極がリンク配線４４に電気的に連結される。すると、負リンク電圧ＶＬ－が正極電圧ＶＰ+に近接したレベルになり得る。したがって、外部短絡によって正極電圧ＶＰ+と負リンク電圧ＶＬ－との間の電圧差ＶＤは非常に小さい電圧となる。基準電圧ＶＲは外部短絡が発生するときの電圧差ＶＤを検出するためのレベルに設定されてもよい。

Ｓ４ステップの比較結果、電圧差が基準電圧以上であれば、ＢＭＳ２０は外部短絡が発生しない正常状態と判断し、診断を終了する（Ｓ６）。正常状態で、負リンク電圧ＶＬ－は０Ｖであってもよい。

以上で本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲がこれに限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者が多様に変形および改良した形態も本発明の権利範囲に属する。

Claims (10)

1. 複数のバッテリーセルを含むバッテリーパックと、
   前記バッテリーパックの正極に連結されている一端を含む第１メインリレーと、
   前記バッテリーパックの負極に連結されている一端を含む第２メインリレーと、
   前記第１メインリレーの他端に連結されている第１リンク配線と、
   前記第２メインリレーの他端に連結されている第２リンク配線と、
   前記第１メインリレーを閉じ、前記バッテリーパックの正極電圧および前記第２リンク配線の負リンク電圧を測定し、前記バッテリーパックの正極電圧と前記負リンク電圧との間の電圧差が所定の基準電圧より小さいとき、外部短絡と決めるバッテリー管理システムと、を含む、
   バッテリーシステム。
2. 前記バッテリー管理システムは、
   前記バッテリーパックの正極電圧から前記負リンク電圧を差し引いた電圧が、前記基準電圧より小さいとき、外部短絡と決める、請求項１に記載のバッテリーシステム。
3. 前記バッテリー管理システムは、
   前記バッテリーパックの正極電圧に所定比率を乗じて前記基準電圧を生成する、請求項２に記載のバッテリーシステム。
4. 前記バッテリー管理システムは、
   外部短絡を決めるための所定の診断期間の間、前記第１メインリレーを閉じ、前記第２メインリレーを開放する、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリーシステム。
5. 前記第１メインリレーに対して並列連結されているプリチャージリレーをさらに含み、
   前記バッテリー管理システムは、
   外部短絡を決めるための所定の診断期間の間、前記第１メインリレーを閉じ、前記プリチャージリレーを開放する、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリーシステム。
6. 複数のバッテリーセルを含むバッテリーパックの正極に連結されている一端を含む第１メインリレー、前記バッテリーパックの負極に連結されている一端を含む第２メインリレー、およびバッテリー管理システムを含むバッテリーシステムの外部短絡を診断する方法において、前記バッテリー管理システムが、
   診断期間の間、前記第１メインリレーを閉じるステップと、
   前記バッテリーパックの正極電圧および前記第２メインリレーの他端に連結されている第２リンク配線の負リンク電圧を測定するステップと、
   前記バッテリーパックの正極電圧と前記負リンク電圧との間の電圧差を所定の基準電圧と比較するステップと、
   前記電圧差が前記基準電圧より小さいとき、外部短絡と決めるステップと、を含む、
   バッテリーシステムの外部短絡診断方法。
7. 前記電圧差と所定の基準電圧とを比較するステップは、
   前記バッテリーパックの正極電圧から前記負リンク電圧を差し引いた電圧が、前記基準電圧より小さいかを比較するステップを含む、 請求項６に記載のバッテリーシステムの外部短絡診断方法。
8. 前記バッテリーパックの正極電圧に所定比率を乗じて前記基準電圧を生成するステップをさらに含む、請求項７に記載のバッテリーシステムの外部短絡診断方法。
9. 前記診断期間の間、前記第２メインリレーは開放するステップをさらに含む、請求項６から８のいずれか一項に記載のバッテリーシステムの外部短絡診断方法。
10. 前記診断期間の間、前記第１メインリレーに対して並列連結されているプリチャージリレーを開放するステップをさらに含む、 請求項６から８のいずれか一項に記載のバッテリーシステムの外部短絡診断方法。

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