KR20200070122A - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 장치와 제1 주파수를 이용하여 통신 가능한 제1 안테나; 외부 장치로부터의 제2 주파수의 신호를 수신 가능한 제2 안테나; 제2 안테나에서 수신된 제2 주파수의 신호에 기초하여 전압을 생성하는 전압 생성부; 전압 생성부에서 생성된 전압에 기초한 신호를 인에이블 신호로서 인가받는 구동부; 및 구동부로부터의 제어신호에 기초하여 배터리 셀의 상태를 나타내는 파라미터를 측정하는 셀 파라미터 측정부;를 포함하며, 인에이블 신호에 기초하여 구동부가 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이하는 셀 관리 제어기를 포함한다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANAGING BATTERY}
본 발명은 배터리 셀 단위로 배터리의 상태를 모니터링하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등과 최근의 리튬 이온 전지를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 전지는 종래의 Ni/Cd 전지, Ni/MH 전지 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 전지는 소형, 경량으로 제작할 수 있어서, 이동 기기의 전원으로 사용된다. 또한, 리튬 이온 전지는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
이차 전지는 일반적으로 복수 개의 배터리 팩들로 구성되는 배터리 시스템에서 이용된다. 배터리 시스템을 구성하는 배터리 팩들은 복수의 배터리 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되며, 각각의 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀로 이루어질 수 있다. 이러한 배터리 시스템은 배터리 관리 시스템(BMS, battery management system)에 의하여 상태 및 동작이 관리 및 제어된다. BMS는 마스터에 해당하는 배터리 관리 제어기(BMC, Battery Management Controller)와 복수 개의 배터리 팩들을 각각 제어하는 복수 개의 셀 관리 제어기(CMC, Cell Management Controller)를 포함하여 구성된다. 그리고 배터리 팩에 포함된 각각의 배터리 모듈과 그에 포함된 배터리 셀들의 각각의 상태는 대응되는 CMC에 의하여 모니터링 되고 BMC에 의하여 취합됨으로써 BMS에 의해 배터리 시스템이 모니터링 된다.
따라서, BMS가 배터리 셀들의 상태를 정확하게 파악하기 위하여는 BMC와 CMC를 효율적으로 동작시킬 필요가 있다.
본 발명의 목적은 기존의 배터리 관리 시스템에서, BMC와 CMC가 무선통신을 하는 경우 CMC가 주기적으로 깨어나는 일 없이 BMC와 효율적으로 통신할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 CMC가 감시하는 배터리 모듈의 폴트 상태를 전달할 수 있는 안전한 경로를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀 관리 제어기는 외부 장치와 제1 주파수를 이용하여 통신 가능한 제1 안테나; 외부 장치로부터의 제2 주파수의 신호를 수신 가능한 제2 안테나; 제2 안테나에서 수신된 제2 주파수의 신호에 기초하여 전압을 생성하는 전압 생성부; 전압 생성부에서 생성된 전압에 기초한 신호를 인에이블 신호로서 인가받는 구동부; 및 구동부로부터의 제어신호에 기초하여 배터리 셀의 상태를 나타내는 파라미터를 측정하는 셀 파라미터 측정부;를 포함하며, 인에이블 신호에 기초하여 상기 구동부가 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이한다.
본 실시예에 있어서, 제1 주파수와 제2 주파수는 상이한 주파수일 수도 있고, 동일한 주파수일 수도 있다.
본 실시예에 있어서, 제2 주파수의 신호는 제1 주파수의 신호보다 에너지 밀도가 더 높을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제2 주파수의 신호는 CW 신호일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 셀 관리 제어기는 제2 안테나에서 제2 주파수의 신호를 수신 가능하도록 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭 회로를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 셀 관리 제어기는 전압 생성부에 축적되는 에너지를 방전시키기 위한 방전회로를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 구동부는 셀 파라미터 측정부로부터 수신한 배터리 셀의 파라미터 값에 기초하여 배터리 셀의 이상 여부를 판단하고, 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단된 경우, 외부 장치에 배터리 셀의 이상 상태를 나타내는 폴트 신호를 제3 주파수로 전송할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 주파수와 제3 주파수는 상이한 주파수일 수도 있고, 동일한 주파수일 수도 있다.
본 실시예에 있어서, 제3 주파수의 신호는 제1 주파수의 신호보다 에너지 밀도가 더 높을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제3 주파수의 신호는 CW 신호일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 폴트 신호는 제1 안테나를 통하여 전송될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 셀 관리 제어기는 구동부로 전력을 공급하는 전원 회로를 더 포함하고, 전원 회로는 전압 생성부에서 생성된 전압이 입력될 때 구동부에 인에이블 신호를 인가하고, 구동부는 전원 회로로부터 인가되는 인에이블 신호에 기초하여 웨이크업 상태로 천이할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 셀 관리 제어기는 구동부로 전력을 공급하는 전원 회로를 더 포함하고, 전원 회로는 구동부에 전력을 상시 공급하며, 구동부는 전압 생성부에서 생성된 전압을 인에이블 신호로서 인가받을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 제어기는 외부 장치와 제1 주파수 및 제2 주파수를 이용하여 통신 가능한 제1 안테나; 및 외부 장치를 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이시키기 위한 웨이크업 신호를 제2 주파수의 신호로서 생성하여 제1 안테나를 통하여 외부 장치로 전송하고, 외부 장치와의 데이터 송수신을 제1 주파수로 수행하는 제어부;를 포함하며, 제어부는 제2 주파수의 신호의 에너지 밀도가 제1 주파수의 신호의 에너지 밀도보다 크도록 제1 주파수의 신호 및 제2 주파수의 신호를 생성한다.
본 실시예에 있어서, 배터리 관리 제어기는 외부 장치로부터 제3 주파수의 신호를 수신 가능한 제2 안테나를 더 포함하고, 제어부는 제2 안테나로부터 제3 주파수의 신호를 수신하였을 때, 외부 장치가 모니터링하는 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제어부는 제2 안테나로부터 미리 설정된 기준 이상의 에너지를 갖는 제3 주파수의 신호를 수신하는 것을 검출하는 경우, 외부 장치가 모니터링하는 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 배터리 관리 제어기는 제2 안테나에서 제3 주파수의 신호를 수신 가능하도록 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭 회로; 및 임피던스 매칭 회로를 통하여 수신되는 신호에 의하여 축적되는 에너지를 방전시키기 위한 방전회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리 셀의 상태를 모니터링 하는 복수의 셀 관리 제어기; 및 셀 관리 제어기와 통신하여 셀 관리 제어기로부터 배터리 셀에 대하여 측정한 파라미터값을 수신하는 배터리 관리 제어기;를 포함하며, 복수의 셀 관리 제어기 각각은, 배터리 관리 제어기와 제1 주파수를 이용하여 통신 가능하도록 구성된 제1 안테나와, 배터리 관리 제어기로부터 제2 주파수의 신호를 수신 가능하도록 구성된 제2 안테나와, 제2 안테나에서 수신하는 제2 주파수의 신호에 기초하여 전압을 생성하도록 구성된 전압 생성부와, 전압 생성부에서 생성된 전압에 기초한 신호를 인에이블 신호로서 인가받도록 구성된 구동부와, 구동부로부터의 제어신호에 기초하여 배터리 셀의 상태를 나타내는 파라미터를 측정하도록 구성된 셀 파라미터 측정부를 포함하며, 인에이블 신호에 기초하여 구동부가 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이한다.
본 실시예에 있어서, 복수의 셀 관리 제어기 각각에서 구동부는 셀 파라미터 측정부로부터 수신한 배터리 셀의 파라미터 값에 기초하여 배터리 셀의 이상 여부를 판단하고, 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단된 경우, 배터리 관리 제어기에 배터리 셀의 이상 상태를 나타내는 폴트 신호를 미리 설정된 제3 주파수로 전송하며, 복수의 셀 관리 제어기들은 미리 설정된 제3 주파수가 서로 상이한 주파수일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 배터리 관리 제어기는 복수의 셀 관리 제어기로부터의 폴트 신호를 수신하기 위하여 복수의 셀 관리 제어기들이 폴트 신호를 송신하는 서로 상이한 제3 주파수들을 포함하는 주파수 범위를 스캐닝할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, CMC의 대기 전력을 “0”에 근접하게 구현 가능하여, 배터리 전류 소모를 줄여 배터리 방전을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, RF 모듈을 추가하지 않고도, 폴트 신호를 BMC로 전달할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 폴트 신호를 즉시 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 관리 제어기의 간략한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 모니터링 방법의 간략한 순서도이다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 관리 제어기와 배터리 관리 제어기의 구성도가 간략히 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 또는 다른 실시예의 다단 정류 회로의 구현예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 관리 제어기의 간략한 구성도이다.
도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 상태 모니터링 방법의 간략한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 관리 제어기와 배터리 관리 제어기의 구성도가 간략히 도시되어 있다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
종래에는 BMS에서 배터리의 상태 및 성능을 관리하기 위하여, 마스터에 해당하는 BMC(배터리 관리 제어기, battey management controller)가 상위 제어부로부터 동작 시작 명령을 수신하면 BMC는 슬레이브에 해당하는 하위의 CMC(셀 관리 제어기, cell management controller)를 깨워서 해당 CMC가 연결되는 배터리 셀의 전압 또는 온도 등의 배터리 상태를 나타내는 파라미터들의 모니터링을 시작하였다. 여기서, BMC와 CMC는 BMS에 포함되는 모듈이다.
종래의 BMC와 CMC 간의 무선통신이 적용되는 경우, 유선이 아니기 때문에, CMC는 BMC로부터 수신되는 웨이크 업(wake up) 신호를 받기 위해 계속 혹은 주기적으로 깨어나 지속적으로 전류를 소모한다. 이러한 CMC의 지속적인 전류 소모로 인하여, 불필요한 전류가 소모되어, 향후 배터리의 방전을 유발할 수 있다.
따라서, BMC로부터 배터리 상태를 확인하기 위한 신호를 수신하기 위하여, CMC가 주기적으로 깨어나는 방법 이외의 좀 더 효율적이고, 전류를 절약할 수 있는 방법이 필요하다.
또한, 안전을 위하여 CMC가 배터리 셀의 상태(배터리 셀의 전압 및 온도를 측정하여 배터리 셀의 상태 체크)를 체크한 뒤, 배터리 셀(또는 모듈)의 상태에 문제가 있다고 판단되면, 폴트(fault) 신호를 BMC로 전달할 수 있는 다양한 경로가 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 구성 및 동작 방법을 이하에서 설명하도록 한다.
우선, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 관리 제어기(100)에 대해 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 관리 제어기(100)의 간략한 구성도이다.
셀 관리 제어기(100)는 제2 안테나(102), 임피던스 매칭 회로(104), 전압 생성부(106), 전원 회로(108), 셀 파라미터 측정부(110), 구동부(112), RF 모듈(114) 및 제1 안테나(116)를 포함할 수 있다.
여기서, 배터리의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 배터리는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다.
또한, 배터리는 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 배터리 모듈로 형성되고, 복수의 배터리 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 배터리 팩이 형성된다. 배터리는 하나 이상의 배터리 팩을 포함할 수 있다.
제2 안테나(102)는 외부 장치, 예를 들어 BMC로부터 제2 주파수를 가지는 RF 신호를 수신한다. 제2 안테나(102)와는 달리 제1 안테나(116)는 외부 장치로부터 제1 주파수를 가지는 RF 신호를 수신하여 일반적인 통신을 수행할 수 있다. 제2 안테나(102)에서 수신되는 RF 신호는 임피던스 매칭 회로(104)를 통해서 임피던스 매칭된다. 즉, 임피던스 매칭 회로(104)는 수신되는 RF 신호 중 미리 매칭되어 있는 주파수인 제2 주파수를 가지는 RF 신호를 선별하여 전압 생성부(106)로 전달한다.
제2 안테나(102)에서 외부 장치로부터 수신된 RF 신호는 전압 생성부(106)로 전달된다.
제2 안테나(102)로부터 RF 신호를 수신한 전압 생성부(106)는 수신된 RF 신호를 이용하여 전압을 생성한다. 즉, 전압 생성부(106)는 제2 안테나(102)에서 수신된 제2 주파수를 가지는 RF 신호에 기초하여 전압을 생성한다. 제2 안테나(102)에서 수신하는 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 제1 안테나(116)에서 BMC와 통신하기 위하여 주고받는 제1 주파수를 가지는 RF 신호에 비하여 에너지 밀도가 높다. 이는 제2 주파수를 가지는 RF 신호에 기초하여 후술하는 인에이블 신호로서 사용할 수 있는 전압이 생성되어야 하기 때문이다. 이러한 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 데이터를 포함하지 않는 신호일 수 있다. 즉, 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 변조되지 않은 신호일 수 있다. 예를 들어, 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 CW(Continuous Wave) 신호일 수 있다. 즉, 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 단순히 소정의 에너지 밀도 이상의 에너지를 셀 관리 제어기(100)에 전달하기 위한 신호일 수 있다.
전압 생성부(106)는 예를 들어, 다단 정류 회로일 수 있다. 다만, 수신된 RF 신호로 구동부(112)를 웨이크업 상태로 천이시킬 정도의 전압을 생성하는 것이 어렵게 때문에, 높은 전압 형성을 위해 필요 전압까지 다단으로 구현할 수 있다. 즉, 다단 정류 회로는 제2 주파수를 가지는 RF 신호로부터 생성되어야 할 전압에 따라 단수가 조절될 수 있다.
전압 생성부(106)는 다단 정류 회로를 구성하기 위하여 복수 개의 다이오드와 복수 개의 캐패시터를 포함할 수 있다. 다이오드는 예를 들어, 빠른 정류 및 높은 전압 형성을 위하여 다이오드의 문턱 전압(Vf)이 작고, 상태 천이 속도가 빠른 RF 다이오드일 수 있다.
전압 생성부(106)에서 RF 신호를 수신하여 전압을 생성하면, 구동부(112)에서 이를 감지하여 인에이블된다. 즉, 구동부(112)는 전압 생성부에서 생성된 전압에 기초한 신호를 인에이블 신호로서 인가받는다. 이 때, 구동부(112)는 전원 회로(108)로부터 상기 전력을 공급받는다. 구동부(112)는 예를 들어, 셀 관리 제어기(100) 내의 구성 각각을 제어하는 MCU(Micro Controller Unit)일 수 있다. MCU는 대부분의 전자제품에 채용돼 전자제품의 두뇌역할을 하는 핵심칩으로 단순 시간예약에서부터 특수한 기능에 이르기까지 제품의 다양한 특성을 컨트롤하는 역할을 하는 비메모리 반도체(시스템 반도체)이다.
전원 회로(108)로부터 인에이블 신호를 받아 인에이블된 구동부(112)가 RF 모듈(114)을 인에이블시킨다.
셀 파라미터 측정부(110)는 배터리에 연결되고, 구동부(112)에서 수신한 제어 신호에 기초하여 배터리 셀의 상태를 나타내는 파라미터를 측정한다. 배터리 셀의 상태를 나타내는 파라미터는 전압 또는 온도 중 적어도 하나일 수 있다. 셀 파라미터 측정부(110)는 본 도면에서 하나로 도시되어 있으나, 셀 전압 측정부 및 셀 온도 측정부로 별개의 구성으로도 구성될 수도 있다. 셀 파라미터 측정부(110)에서 측정한 셀의 전압 및 온도에 대한 데이터를 구동부(112)로 전송한다.
셀 파라미터 측정부(110)로부터 수신한 배터리 셀의 파라미터 값에 기초하여, 구동부(112)는 배터리 셀의 이상 여부를 판단한다. 즉, 셀 파라미터 측정부(110)로부터 셀의 전압 및 온도에 대한 데이터를 수신한 구동부(112)는, 해당 셀의 측정 전압 및 온도가 셀의 정상 동작의 범위 내인지 여부를 판단한다. 예를 들어, 측정된 셀의 전압이 제1 임계치보다 크거나 제2 임계치보다 작으면, 구동부(112)는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. 구동부(112)에서 셀의 상태가 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈(114)로 하여금 미리 설정된 주파수의 폴트 신호를 생성하도록 한다. 또한, 예를 들어, 측정된 셀의 온도가 제3 임계치보다 크면, 구동부(112)는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. 구동부(112)에서 셀의 상태에 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈(114)로 하여금 폴트 신호를 생성하도록 한다. 즉, 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단된 경우, 외부 장치로 배터리 셀의 이상 상태를 나타내는 폴트 신호를 상기 제1 주파수와는 상이한 제3 주파수로 전송한다.
이때, 제3 주파수로 전송하는 신호 또한 제2 주파수의 신호와 마찬가지로, BMC와 통신하기 위하여 주고받는 제1 주파수를 가지는 RF 신호에 비하여 에너지 밀도가 높다. 이는 제3 주파수를 가지는 RF 신호에 기초하여 배터리 관리 제어기(BMC)에서 전압이 생성되어야 하기 때문이다. 그리고 제3 주파수를 가지는 RF 신호인 폴트 신호는 데이터를 포함하지 않는 신호일 수 있다. 즉, 제3 주파수를 가지는 RF 신호는 변조되지 않은 신호일 수 있다. 예를 들어, 제3 주파수를 가지는 RF 신호는 CW(Continuous Wave) 신호일 수 있다. 즉, 폴트 신호는 단순히 소정의 에너지 밀도 이상의 에너지를 BMC에 전달하기 위한 신호일 수 있다.
본 실시예에서는 구동부(112)와 셀 파라미터 측정부(110)가 별도의 구성으로 이루어진 것으로 기재하였으나, 이는 예시적인 것으로 이들이 하나의 통합된 구성으로 구현될 수도 있을 것이다.
RF 모듈(114)은 구동부(112)가 전압 생성부(106)에서 생성된 전압에 기초한 인에이블 신호를 수신하면 구동부(112)가 인에이블시킨다. 또한, 구동부(112)가 셀의 상태에 문제가 있다고 판단하여, 구동부(112)로부터 폴트 신호 생성 신호를 수신하면, RF 모듈(114)은 제3 주파수를 가지는 폴트 신호를 생성하여 제1 안테나(116)로 전송한다.
제1 안테나(116)는 RF 모듈(114)로부터 폴트 신호를 수신한다. RF 모듈(114)로부터 폴트 신호를 수신한 제1 안테나(116)는 외부 장치, 예를 들어 BMC로 폴트 신호를 전송한다. 즉, 폴트 신호는 제1 안테나를 통하여 전송된다. 제1 안테나(116)는 또한 BMC로 폴트 신호를 전송하는 것 이외에도, BMC와 일반적인 통신을 하는 안테나이다.
한편, 도시하지는 않았으나, 전압 생성부(106)인 다단 정류 회로에 축적된 에너지를 방전시키기 위한 방전회로를 더 포함할 수 있다. 다단 정류 회로에는 제2 주파수의 신호 이외의 신호나 노이즈에 의하여 소정의 에너지가 축적될 수 있다. 축적된 에너지가 어느 정도 이상이 되면 제2 주파수의 RF 신호를 수신하지 않아도 전압 생성부(106)가 전압을 생성하여 구동부(112)가 인에이블 되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 다단 정류 회로에 축적된 에너지를 주기적으로 혹은 소정의 조건을 만족시킬 때(예를 들어, 축적된 에너지가 기준치 이상일 때) 방전시킬 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 모니터링 방법의 간략한 순서도이다.
셀 관리 제어기(100)는 BMC로부터 RF 신호를 수신하기 전까지는, MCU가 래치(latch)하는 데에 필요한 전력만 소비하므로, “0”에 가까운 대기 전력만을 소모하면서 대기를 할 수 있다. 즉, 셀 관리 제어기(100)는 RF 신호를 수신한 후에 동작을 하기 때문에, RF 신호를 수신하기 전에 주기적으로 깨어날 필요가 없다.
셀 관리 제어기(100)는 대기 상태에 있는 상태로, 제2 안테나(102)가 외부 장치, 예를 들어 BMC로부터 제2 주파수를 가지는 RF 신호를 수신한다(S200). 이 때, 임피던스 매칭 회로(104)가 제2 안테나(102)에서 수신되는 RF 신호 중 미리 매칭되어 있는 주파수의 RF 신호를 선별하여 전압 생성부(106)로 전달한다.
제2 안테나(102)에서 BMC로부터 수신된 RF 신호는 전압 생성부(106)로 전달된다. 제2 안테나(102)로부터 RF 신호를 수신한 전압 생성부(106)는 구동부(112)로 인에이블 신호를 전송하기 위한 전압을 생성한다(S202).
전압 생성부(106)는 예를 들어, 정류 회로일 수 있다. 다만, 전압 생성부(106)를 구성하는 정류 회로는 수신된 RF 신호로 구동부(112)로 인에이블 신호를 생성하여 전송할 정도의 전압을 생성하는 것이 어렵기 때문에, 높은 전압 형성을 위해 필요 전압까지 다단으로 구현할 수 있다.
전압 생성부(106)는 다단 정류 회로를 구성하기 위하여 복수 개의 다이오드와 복수 개의 캐패시터를 포함할 수 있다. 다이오드는 예를 들어, 빠른 정류 및 높은 전압 형성을 위하여 다이오드의 문턱 전압(Vf)이 작고, 상태 천이 속도가 빠른 RF 다이오드일 수 있다.
전압 생성부(106)에서 RF 신호를 수신하여 전압을 생성하면, 이를 구동부(112)에서 감지한다(S204). 즉, 구동부(112)는 전압 생성부(106)에서 생성된 전압에 기초한 인에이블 신호를 인가받는다. 전압 생성부(106)에서 생성된 전압을 감지한 구동부(112)는 인에이블되어 셀 관리 제어기(100) 내의 각 회로들을 인에이블시킨다(S206). 구동부(112)는 예를 들어, 셀 관리 제어기(100) 내의 구성을 각각 제어하는 MCU일 수 있다.
즉, 구동부(112)가 RF 모듈(114)을 인에이블시킨다. 구동부(112)로부터 인에이블 신호를 받은 전원 회로(108)는 배터리로부터 전류를 공급받아 RF 모듈(114)에 전력을 공급한다. 이 실시예에서는 구동부(112)는 전원 회로(108)로부터 최소한의 상시 전력을 공급받는다. 셀 파라미터 측정부(110)는 배터리로부터 직접 전력을 공급받을 수도 있고, 전원 회로(108)로부터 공급받을 수도 있다.
구동부(112)로부터 셀 파라미터 측정 신호(제어 신호)를 수신한 셀 파라미터 측정부는 셀의 전압 및 온도를 측정한다(S208). 셀 파라미터 측정부(110)는 배터리 셀과 연결되어 배터리 셀의 전압 및 온도를 측정한다. 셀 파라미터 측정부(110)가 배터리 셀의 전압 및 온도를 측정하여, 셀의 전압 및 온도 데이터를 구동부(112)로 전송한다.
셀 파라미터 측정부(110)에서 측정된 셀의 전압 및 온도 데이터를 수신한 구동부(112)는 수신한 셀의 전압 및 온도 데이터를 기초로 배터리 셀에 문제가 발생했는지를 판단한다(S210).
예를 들어, 측정된 셀의 전압의 제1 임계치보다 크거나 제2 임계치보다 작으면, 구동부(112)는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. 또는, 측정된 셀의 온도가 제3 임계치보다 크면, 구동부(112)는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다.
구동부(112)에서 셀의 상태가 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈(114)로 하여금 폴트 신호를 생성하여, 제1 안테나(116)를 통하여 폴트 신호를 외부 장치로 전송하도록 한다(S212). 폴트 신호는 제2 안테나가 수신하는 RF 신호와는 상이한 주파수를 가지는 신호이다. 또한, 폴트 신호는 외부 장치에서 임피던스 매칭이 되는 주파수를 가지는 신호이다.
구동부(112)에서 셀의 상태가 문제가 없다고 판단되면, 구동을 종료하고 다시 대기 모드로 들어간다. 다만, 셀의 상태가 문제가 없다고 판단될 때에도, 구동부(112)는 RF 모듈(114)로 하여금 폴트 신호와는 다른 주파수의 신호를 생성하도록 할 수는 있을 것이다. 이는 미리 설정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMC와 BMC의 구성도가 간략히 도시되어 있다. CMC는 배터리 셀과 모듈의 상태를 모니터링/관리 해주는 모듈이고, BMC는 CMC로부터 전달되는 정보를 바탕으로 배터리 상태를 진단/추정/관리 해주는 모듈이다.
각각의 배터리에 연결되는 CMC 모듈은 제1 안테나(a1), 제2 안테나(b1), 임피던스 매칭 회로, 다단 정류 회로, MCU, RF 모듈, 셀 파라미터 측정부 및 전원 회로를 포함한다.
또한, BMC는 제1 안테나(a2), 제2 안테나(b2), MCU, RF 모듈, 다단 정류 회로, 임피던스 매칭 회로를 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, CMC 및 BMC는 다단 정류 회로에 축적된 에너지를 방전시키기 위한 방전회로를 더 포함할 수 있다.
BMC의 MCU는 RF 모듈로 하여금 제2 주파수를 가지는 RF 신호를 생성하여 제1 안테나(a2)를 이용하여 CMC 모듈로 전송하도록 한다. 즉, BMC의 제어부는 CMC를 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이시키기 위한 웨이크업 신호를 제2 주파수를 가지는 신호로서 생성하여 제1 안테나(a2)를 통하여 CMC로 전송하고, CMC와 일반적인 데이터 송수신을 제1 주파수를 가지는 RF 신호로 수행하도록 한다. CMC의 제1 안테나(a2)를 통하여 전송된 RF 신호는 제2 안테나(b1)에서 수신되어 임피던스 매칭 회로에 의하여 주파수 매칭되어 MCU로 전달된다.
제2 주파수를 가지는 신호는 CMC와 BMC가 데이터 통신을 하기 위한 신호가 아니다. 제2 주파수를 가지는 신호는 단지 CMC가 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이되면 되므로, 신호 내에 명령이나 데이터가 포함될 필요는 없다. 대신, 제2 주파수를 가지는 신호를 이용하여 MCU가 웨이크업 상태로 천이될 수 있는 인에이블 신호를 생성하여야 하므로 소정의 에너지 밀도를 가질 필요가 있다. 즉, 제2 주파수를 가지는 신호의 에너지 밀도는 CMC와 BMC가 통신할 때 사용하는 제1 주파수를 가지는 신호의 에너지 밀도보다 커야 한다. 다시 말해, 제2 주파수를 가지는 신호는 데이터의 송신이 아닌 에너지의 전달이 주된 목적이다.
제2 안테나(b1)가 제1 안테나(a2)로부터 RF 신호를 수신하면, 다단 정류 회로는 전압을 생성한다. 정류 회로는 수신된 RF 신호로 MCU를 웨이크 업 상태로 천이시킬 정도의 전압을 생성하는 것은 어렵게 때문에, 높은 전압 형성을 위해 필요 전압까지 다단으로 구성될 수 있다.
다단 정류 회로는 복수 개의 다이오드와 복수 개의 캐패시터를 포함할 수 있다. 다이오드는 예를 들어, 빠른 정류 및 높은 전압 형성을 위하여 다이오드의 문턱 전압(Vf)이 작고, 상태 천이 속도가 빠른 RF 다이오드일 수 있다.
정류 다단 회로에서 RF 신호를 수신하여 전압을 생성하여 인에이블 신호를 MCU로 전송하고, MCU에서 이 신호를 감지하여 인에이블된다. MCU는 전원 회로로부터 최소한의 전력만 공급받아 인에이블 신호를 기다린다. 인에이블된 MCU는 각 회로를 인에이블시킨다.
MCU는 RF 모듈을 인에이블시킨다. MCU로부터 인에이블 신호를 받은 전원 회로가 인에이블되어, 배터리로부터 전류를 공급받아 MCU 및 RF 모듈에 전력을 공급한다.
셀 파라미터 측정부는 배터리에 연결되고, 연결된 배터리의 전압 및 온도를 측정한다. 셀 파라미터 측정부는 본 도면에서 하나로 도시되어 있으나, 셀 전압 측정부 및 셀 온도 측정부로 별개의 구성으로 구성될 수도 있다. 셀 파라미터 측정부에서 측정한 셀의 전압 및 온도에 대한 데이터를 MCU로 전송한다.
셀 파라미터 측정부로부터 셀의 전압 및 온도에 대한 데이터를 수신한 MCU는 해당 셀의 측정 전압 및 온도가 셀의 정상 동작의 범위 내인지 여부를 판단한다. 예를 들어, 측정된 셀의 전압이 제1 임계치보다 크거나 제2 임계치보다 작으면, MCU는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. MCU에서 셀의 상태가 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈로 하여금 폴트 신호를 생성하도록 한다. 또한, 예를 들어, 측정된 셀의 온도가 제3 임계치보다 크면, MCU는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. MCU에서 셀의 상태에 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈로 하여금 폴트 신호를 생성하도록 한다.
RF 모듈은 MCU가 다단 정류 회로에서 생성된 전압을 감지하여 인에이블되면, MCU로부터 인에이블 신호를 수신하여 인에이블된다. 또한, MCU가 셀의 상태에 문제가 있다고 판단하여, MCU로부터 폴트 신호 생성 신호를 수신하면, RF 모듈을 폴트 신호를 생성하여 제1 안테나(a1)로 전송한다. 폴트 신호는 제2 안테나(b1)에서 수신된 RF 신호와는 상이한 주파수를 가진다.
제1 안테나(a1)는 RF 모듈로부터 폴트 신호를 수신한다. RF 모듈로부터 폴트 신호를 수신한 제1 안테나(a1)는 BMC로 해당 폴트 신호를 전송한다. 폴트 신호는 제1 주파수 및 제2 주파수와는 상이한 제3 주파수를 가진다. 여기서 제3 주파수를 가지는 신호는 데이터가 실려 있는 신호가 아니다. 제3 주파수를 가지는 신호는 단지 BMC에 대하여 배터리 셀에 이상이 발생하였다는 사실만을 통지하면 된다. 따라서 신호 내에 명령이나 데이터가 포함될 필요는 없다. 대신, BMC에서 제3 주파수를 가지는 신호를 수신하였다는 것을 검출 가능해야 하므로, 소정의 에너지 밀도를 가질 필요가 있다. 즉, 제3 주파수를 가지는 신호의 에너지 밀도는 CMC와 BMC가 통신할 때 사용하는 제1 주파수를 가지는 신호의 에너지 밀도보다 커야 한다. 다시 말해, 제3 주파수를 가지는 신호를 송신하는 것은 에너지의 전달을 통하여 특정 이벤트가 발생하였다는 사실을 통지하는 것을 주된 목적으로 한다.
BMC의 제2 안테나(b2)에서 CMC로부터 전송된 폴트 신호를 수신한다. 해당 폴트 신호의 주파수는 미리 설정되어 있어, BMC의 임피던스 매칭 회로에 의해서 매칭되는 신호로, 제2 안테나(b2)에서 수신된다.
BMC의 제2 안테나(b2)를 통하여 수신된 폴트 신호를 BMC의 MCU에서 감지하여 해당 CMC가 감시하는 배터리 셀에 문제가 생겼음을 판단할 수 있다. 즉, BMC의 제어부는 제2 안테나(b2)로부터 제3 주파수를 가지는 신호를 수신하였을 때, CMC가 모니터링하는 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단한다.
제1 안테나(a1)는 RF 모듈로부터 폴트 신호를 수신한다. RF 모듈로부터 폴트 신호를 수신한 제1 안테나(a1)는 BMC로 폴트 신호를 전송한다.
또한, CMC의 제1 안테나(a1)는 BMC의 제1 안테나(a2)와 제1 주파수를 가지는 RF 신호를 이용하여 일반적인 통신을 수행하는 통신 경로로 사용된다. 그리고 CMC의 제1 안테나(a1)는 BMC의 제2 안테나(b2)로 제3 주파수를 가지는 폴트 신호를 전송한다. 또한, CMC의 제2 안테나(b1)는 BMC의 제1 안테나(a2)로부터 웨이크업 신호를 수신한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 정류 회로의 구현예를 도시한다.
RF 신호를 수신하여 전압을 생성하는 다단 정류 회로는, 높은 전압 형성을 위해 필요 전압까지 다단으로 구현이 가능하다.
다단 정류 회로에는 복수 개의 다이오드와 복수 개의 캐패시터가 포함된다. RF 신호가 입력되는 입력단에 캐패시터의 일단이 병렬로 연결되어 있으며, 각각의 캐패시터의 타단에는 병렬로 연결되어 있는 다이오드의 일단이 연결된다. 각각의 캐패시터의 타단에 병렬로 연결되어 있는 다이오드 중 하나의 다이오드의 타단에 캐패시터가 또 연결된다. 또한, RF 신호가 입력되는 입력단에 병렬로 연결되는 캐패시터 중 가장 끝 단에 연결되는 캐패시터의 타단에 연결되는 다이오드의 타단에서 전압이 출력된다.
입력부에 병렬로 연결되는 캐패시터의 개수에 따라 다단으로 구현될 수 있으며 원하는 전압의 크기에 따라 다단의 개수가 조절되어 구현될 수 있다.
또한, 다단 정류 회로에 포함되는 다이오드는 빠른 정류 및 높은 전압 형성을 위해 문턱 전압이 작고, 상태 천이 속도가 빠른 RF 다이오드일 수 있다.
또한 도 4에 도시된 다단 정류 회로는 일례일 뿐이며 공지된 다른 다단 정류 회로들이 적용될 수도 있을 것이다.
한편, 도 1 내지 도 4에 따른 CMC 및 BMC는 제1 주파수 내지 제3 주파수와 관련하여 다른 방식으로 동작할 수도 있을 것이다. 이하에서는 도 3의 CMC 및 BMC 구성에 기초한 다른 동작 방식에 대해서 설명한다.
다른 동작 방식의 일 예로서, 제1 주파수 신호 및 제2 주파수 신호의 주파수는 서로 동일할 수도 있다. 데이터 통신이나 명령을 송신할 때 사용하는 신호는 에너지 밀도가 낮아서 회로 부품이 동작하는데 필요한 전압을 생성하는 것이 용이하지 않다. 따라서 CMC의 MCU를 웨이크업 상태로 천이시키기 위하여 인에이블 신호에 사용하는 전압을 생성하기 위하여는, RF 신호가 소정의 에너지 밀도를 가지고 있어야 한다. 따라서 제1 주파수 신호 및 제2 주파수 신호의 주파수를 달리하는 대신에, 각각의 신호가 가지는 에너지 밀도를 달리하여 통신을 위한 신호와 웨이크업을 위한 신호로 구분할 수 있을 것이다.
다른 동작 방식의 다른 예로서, 제1 주파수 신호 및 제3 주파수 신호의 주파수는 서로 동일할 수도 있다. 제3 주파수 신호는 폴트 신호로서 데이터를 전송할 필요가 있는 것은 아니며, BMC가 제3 주파수 신호가 수신되었다는 사실만을 파악할 수 있으면 된다. 즉, CMC에서 BMC로 소정의 에너지가 전달되면 된다. 따라서 제3 주파수 신호도, 제2 주파수 신호의 경우와 마찬가지로, 주파수를 달리하는 대신에 각각의 신호가 가지는 에너지 밀도를 달리함으로써 통신을 위한 신호와 폴트 신호를 구분할 수 있을 것이다.
이와 같이 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호에서의 주파수를 동일하게 하는 경우 BMC는 하나의 RF 모듈만을 구비하면 되므로 비용 및 설치 공간을 절약할 수 있게 된다. 또한 마찬가지로 제1 주파수 신호와 제3 주파수 신호에서의 주파수를 동일하게 하는 경우 CMC는 하나의 RF 모듈만을 구비하면 되므로 비용 및 설치 공간을 절약할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀 관리 제어기의 간략한 구성도이다.
셀 관리 제어기(100)는 제2 안테나(102), 임피던스 매칭 회로(104), 전압 생성부(106), 전원 회로(108), 셀 파라미터 측정부(110), 구동부(112), RF 모듈(114) 및 제1 안테나(116)를 포함하고 있다.
여기서, 배터리의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 배터리는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다.
또한, 배터리는 복수의 전지 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 배터리 모듈로 형성되고, 복수의 배터리 모듈로 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 배터리 팩이 형성된다. 배터리는 하나 이상의 배터리 팩을 포함할 수 있다.
제2 안테나(102)는 외부 장치, 예를 들어 BMC로부터 제2 주파수를 가지는 RF 신호를 수신한다. 제2 안테나(102)에서 수신되는 RF 신호 중 임피던스 매칭 회로(104)에서 매칭이 되는 주파수를 가진 RF 신호가 전압 생성부(108)로 전달된다. 즉, 임피던스 매칭 회로(104)는 제2 안테나(102)를 통하여 수신되는 RF 신호 중 미리 매칭되어 있는 제2 주파수를 가지는 RF 신호를 선별하여 전압 생성부(108)로 전달한다.
제2 안테나(102)로부터 RF 신호를 수신한 전압 생성부(106)는 수신된 RF 신호를 이용하여 전압을 생성한다. 즉, 전압 생성부(106)는 제2 안테나(102)에서 수신된 제2 주파수를 가지는 RF 신호에 기초하여 전압을 생성한다. 제2 안테나(102)에서 수신하는 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 제1 안테나(116)에서 BMC와 통신하기 위하여 주고받는 제1 주파수를 가지는 RF 신호에 비하여 에너지 밀도가 높다. 이러한 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 데이터를 포함하지 않는 신호일 수 있다. 즉, 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 변조되지 않은 신호일 수 있다. 예를 들어, 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 CW(Continuous Wave) 신호일 수 있다. 즉, 제2 주파수를 가지는 RF 신호는 단순히 소정의 에너지 밀도 이상의 에너지를 셀 관리 제어기(100)에 전달하기 위한 신호일 수 있다.
전압 생성부(106)는 예를 들어, 다단 정류 회로일 수 있다. 다만, 수신된 RF 신호로 구동부(112)를 웨이크업 상태로 천이시킬 정도의 전압을 생성하는 것이 어렵게 때문에, 높은 전압 형성을 위해 필요 전압까지 다단으로 구현될 수 있다. 즉, 다단 정류 회로는 제2 주파수를 가지는 RF 신호로부터 생성되어야 할 전압에 따라 단수가 조절될 수 있다.
전압 생성부(106)는 다단 정류 회로를 구성하기 위하여 복수 개의 다이오드와 복수 개의 캐패시터를 포함할 수 있다. 다이오드는 예를 들어, 빠른 정류 및 높은 전압 형성을 위하여 다이오드의 문턱 전압(Vf)이 작고, 상태 천이 속도가 빠른 RF 다이오드일 수 있다.
전압 생성부(106)에서 RF 신호를 수신하여 전압을 생성하면, 전원 회로(108)에서 이를 감지하여 인에이블된다. 즉, 전압 생성부(106)에서 생성된 전압이 전원 회로(108)를 인에이블시키는 인에이블 신호가 된다. 전원 회로는 전압 생성부에서 생성된 전압이 입력될 때 구동부(112)에 인에이블 신호를 인가한다. 인에이블된 전원 회로(108)는 각 회로를 인에이블시킨다. 전원 회로(108)가 인에이블되어 셀 관리 제어기(100) 내의 각각의 회로 구성, 구동부(112), RF 모듈(114)에 전력을 공급한다.
전원 회로(108)로부터 전력을 공급받은 구동부(112)는 전원 회로(108)로부터 인가되는 인에이블 신호에 기초하여 웨이크업 상태로 천이한다. 웨이크업된 구동부(112)는 셀 파라미터 측정부(110)에 제어신호를 전송하여, 셀의 전압 또는 온도를 측정하도록 한다.
셀 파라미터 측정부(110)는 배터리에 연결되고, 구동부(112)에서 수신한 제어 신호에 기초하여 배터리 셀의 상태를 나타내는 파라미터를 측정한다. 배터리 셀의 상태를 나타내는 파라미터는 전압 또는 온도 중 적어도 하나일 수 있다. 셀 파라미터 측정부(110)는 본 도면에서 하나로 도시되어 있으나, 셀 전압 측정부 및 셀 온도 측정부로 별개의 구성으로 구성될 수도 있다. 셀 파라미터 측정부(110)에서 측정한 셀의 전압 및 온도에 대한 데이터를 구동부(112)로 전송한다.
셀 파라미터 측정부(110)로부터 수신한 배터리 셀의 파라미터 값에 기초하여, 구동부(112)는 배터리 셀의 이상 여부를 판단한다. 즉, 셀 파라미터 측정부(110)로부터 셀의 전압 및 온도에 대한 데이터를 수신한 구동부(112)는, 해당 셀의 측정 전압 및 온도가 셀의 정상 동작의 범위 내인지 여부를 판단한다. 예를 들어, 측정된 셀의 전압이 제1 임계치보다 크거나 제2 임계치보다 작으면, 구동부(112)는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. 구동부(112)에서 셀의 상태가 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈(114)로 하여금 폴트 신호를 생성하도록 한다. 또한, 예를 들어, 측정된 셀의 온도가 제3 임계치보다 크면, 구동부(112)는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. 구동부(112)에서 셀의 상태에 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈(114)로 하여금 폴트 신호를 생성하도록 한다. 즉, 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단된 경우, 외부 장치로 배터리 셀의 이상 상태를 나타내는 폴트 신호를 상기 제1 주파수와는 상이한 제3 주파수로 전송한다.
이때, 제3 주파수로 전송하는 신호 또한 제2 주파수의 신호와 마찬가지로, BMC와 통신하기 위하여 주고받는 제1 주파수를 가지는 RF 신호에 비하여 에너지 밀도가 높다. 그리고 제3 주파수를 가지는 RF 신호인 폴트 신호는 데이터를 포함하지 않는 신호일 수 있다. 즉, 제3 주파수를 가지는 RF 신호는 변조되지 않은 신호일 수 있다. 예를 들어, 제3 주파수를 가지는 RF 신호는 CW(Continuous Wave) 신호일 수 있다. 즉, 폴트 신호는 단순히 소정의 에너지 밀도 이상의 에너지를 BMC에 전달하기 위한 신호일 수 있다.
RF 모듈(114)은 전원 회로(108)로부터 전원이 공급되고, 구동부(112)에 의하여 인에이블된다. 또한, 구동부(112)가 셀의 상태에 문제가 있다고 판단하여, 구동부(112)로부터 폴트 신호 생성 신호를 수신하면, RF 모듈(114)은 제3 주파수를 가지는 폴트 신호를 생성하여 제1 안테나(116)로 전송한다.
제1 안테나(116)는 RF 모듈(114)로부터 폴트 신호를 수신한다. RF 모듈(114)로부터 폴트 신호를 수신한 제1 안테나(116)는 외부 장치, 예를 들어 BMC로 폴트 신호를 전송한다. 제1 안테나(116)는 또한 BMC로 폴트 신호를 전송하는 것 이외에도, BMC와 일반적인 통신을 하는 안테나이다.
또한, 도시하지는 않았으나, 다단 정류 회로에 축적된 에너지를 방전시키기 위한 방전회로를 더 포함할 수 있다. 방전회로는 다단 정류 회로에 축적된 에너지를 주기적으로 혹은 소정의 조건을 만족시킬 때(예를 들어, 축적된 에너지가 기준치 이상일 때) 방전시킨다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 상태 모니터링 방법의 간략한 순서도이다.
셀 관리 제어기(100)는 제2 안테나(b1)를 통하여 RF 신호를 수신한 후에 동작을 하기 때문에, RF 신호를 수신하기 전에 BMC로부터 신호를 수신하기 위하여 주기적으로 깨어날 필요가 없다.
셀 관리 제어기(100)는 평상시 대기 상태에 있다가, 제2 안테나(102)가 외부 장치, 예를 들어 BMC로부터 RF 신호를 수신한다(S500).
제2 안테나(102)에서 수신되는 RF 신호 중 임피던스 매칭 회로(104)에 의하여 주파수가 매칭되는 RF 신호만 전압 생성부(106)로 전달된다.
제2 안테나(102)에서 BMC로부터 수신된 RF 신호는 전압 생성부(106)로 전달된다. 제2 안테나(102)로부터 RF 신호를 수신한 전압 생성부(106)는 전원 회로(108)를 웨이크업 상태로 천이시키기 위한 전압을 생성한다(S502). 이 때 생성된 전압을 기초로 인에이블 신호를 전원 회로(108)로 인가한다.
전압 생성부(106)는 예를 들어, 다단 정류 회로일 수 있다. 다만, 수신된 RF 신호로 전원 회로(108)를 웨이크업 상태로 천이시킬 정도의 전압을 생성하는 것이 어렵기 때문에, 높은 전압 형성을 위해 필요 전압까지 다단으로 구현할 수 있다.
전압 생성부(106)는 다단 정류 회로를 구성하기 위하여 복수 개의 다이오드와 복수 개의 캐패시터를 포함할 수 있다. 다이오드는 예를 들어, 빠른 정류 및 높은 전압 형성을 위하여 다이오드의 문턱 전압(Vf)이 작고, 상태 천이 속도가 빠른 RF 다이오드일 수 있다.
전압 생성부(106)에서 RF 신호를 수신하여 전압을 생성하면, 이를 전원 회로(108)에서 이를 수신하여 인에이블된다(S504). 전압 생성부(106)에서 생성된 전압에 의하여 인에이블된 전원회로(108)는 셀 관리 제어기(100) 내의 각 회로에 전력을 공급하면서 인에이블시킨다(S506). 구동부(112)는 예를 들어, 셀 관리 제어기(100) 내의 구성을 각각 제어하는 MCU일 수 있다.
인에이블 신호를 수신하여 웨이크업 상태로 천이된 구동부(112)가 파라미터 측정부(110)로 셀 전압 및 온도 측정 신호(제어 신호)를 전송하여, 셀 전압 및 온도를 측정하도록 한다(S508). 구동부(112)에 의하여 구동된 셀 파라미터 측정부는 셀의 전압 및 온도를 측정한다(S510). 셀 파라미터 측정부(110)는 배터리 셀과 연결되어 배터리 셀의 전압 및 온도를 측정한다. 셀 파라미터 측정부(110)가 배터리 셀의 전압 및 온도를 측정하여, 전압 및 온도 데이터를 구동부(112)로 전송한다.
셀 파라미터 측정부(110)에서 측정된 셀의 전압 및 온도 데이터를 수신한 구동부(112)는 수신한 셀의 전압 및 온도 데이터를 기초로 배터리 셀에 문제가 발생했는지를 판단한다(S512).
예를 들어, 측정된 셀의 전압의 제1 임계치보다 크거나 제2 임계치보다 작으면, 구동부(112)는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. 또는, 측정된 셀의 온도가 제3 임계치보다 크면, 구동부(112)는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다.
구동부(112)에서 셀의 상태가 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈(114)로 하여금 제3 주파수를 가지는 폴트 신호를 생성하여, 제1 안테나(116)를 통하여 폴트 신호를 외부 장치로 전송하도록 한다(S514). 이 폴트 신호는 미리 외부 장치, 예를 들어 BMC에서 임피던스 매칭이 되는 신호이다.
구동부(112)에서 셀의 상태가 문제가 없다고 판단되면, 구동을 종료하고 다시 대기모드로 들어간다. 다만, 셀의 상태가 문제가 없다고 판단될 때에도, 구동부(112)는 RF 모듈(114)로 하여금 폴트 신호와는 다른 주파수의 신호를 생성하도록 할 수는 있을 것이다. 이는 미리 설정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMC와 BMC의 구성도가 간략히 도시되어 있다.
각각의 배터리에 연결되는 CMC 모듈은 제1 안테나(a1), 제2 안테나(b1), 임피던스 매칭 회로, 다단 정류 회로, MCU, RF 모듈, 셀 파라미터 측정부 및 전원 회로를 포함한다.
또한, BMC는 제1 안테나(a2), 제2 안테나(b2), MCU, RF 모듈, 다단 정류 회로, 임피던스 매칭 회로를 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, CMC 및 BMC는 다단 정류 회로에 축적된 에너지를 방전시키기 위한 방전회로를 더 포함할 수 있다.
BMC의 MCU는 RF 모듈로 하여금 제2 주파수를 가지는 RF 신호를 생성하여 제1 안테나(a2)를 이용하여 CMC 모듈로 전송하도록 한다. 즉, BMC의 제어부는 CMC를 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이시키기 위한 웨이크업 신호를 제2 주파수를 가지는 신호로서 생성하여 제1 안테나(a2)를 통하여 CMC로 전송하고, CMC와 데이터 송수신을 제1 주파수를 가지는 RF 신호로 수행하도록 한다. RF 신호는 미리 정해진 주파수를 가진다. CMC의 제1 안테나(a2)를 통하여 전송된 RF 신호는 제2 안테나(b1)에서 수신되고, 임피던스 매칭 회로에서 주파수 매칭이 되는 신호를 선별하여 다단 정류 회로로 전달된다.
앞선 실시예에서와 마찬가지로 제2 주파수를 가지는 신호는 CMC와 BMC가 데이터 통신을 하기 위한 신호가 아니다. 제2 주파수를 가지는 신호는 단지 CMC가 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이되면 되므로, 신호 내에 명령이나 데이터가 포함될 필요는 없다. 대신, 제2 주파수를 가지는 신호를 이용하여 전원회로가 웨이크업 상태로 천이될 수 있는 인에이블 신호를 생성하여야 하므로 소정의 에너지 밀도를 가질 필요가 있다. 즉, 제2 주파수를 가지는 신호의 에너지 밀도는 CMC와 BMC가 통신할 때 사용하는 제1 주파수를 가지는 신호의 에너지 밀도보다 커야 한다. 다시 말해, 제2 주파수를 가지는 신호는 데이터의 송신이 아닌 에너지의 전달이 주된 목적이다.
제2 안테나(b1)가 제1 안테나(a2)로부터 RF 신호를 수신하면, 다단 정류 회로는 전압을 생성한다. 정류 회로는 수신된 RF 신호로 전원 회로를 깨울 정도의 전압을 생성하는 것은 어렵게 때문에, 높은 전압 형성을 위해 필요 전압까지 다단으로 구성될 수 있다.
다단 정류 회로는 복수 개의 다이오드와 복수 개의 캐패시터를 포함할 수 있다. 다이오드는 예를 들어, 빠른 정류 및 높은 전압 형성을 위하여 다이오드의 문턱 전압(Vf)이 작고, 상태 천이 속도가 빠른 RF 다이오드일 수 있다.
정류 다단 회로에서 RF 신호를 수신하여 전압을 생성하면, 전원회로에서 이를 인에이블 신호로 감지하여(또는 생성된 전압을 인가받아) 인에이블되어 각 회로에 전력을 공급한다. 즉, 전원 회로가 각 회로의 구성 MCU, RF 모듈을 인에이블시킨다.
전원 회로로부터 인에이블 신호를 수신한 MCU는 셀 파라미터 측정부로 하여금 셀의 전압 및 온도를 측정하도록 한다.
셀 파라미터 측정부는 배터리에 연결되고, 연결된 배터리의 전압 및 온도를 측정한다. 셀 파라미터 측정부는 본 도면에서 하나로 도시되어 있으나, 셀 전압 측정부 및 셀 온도 측정부로 별개의 구성으로 구성될 수도 있다. 셀 파라미터 측정부에서 측정한 셀의 전압 및 온도에 대한 데이터를 MCU로 전송한다.
셀 파라미터 측정부로부터 셀의 전압 및 온도에 대한 데이터를 수신한 MCU는 해당 셀의 측정 전압 및 온도가 셀의 정상 동작의 범위 내인지 여부를 판단한다. 예를 들어, 측정된 셀의 전압이 제1 임계치보다 크거나 제2 임계치보다 작으면, MCU는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. MCU에서 셀의 상태가 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈로 하여금 폴트 신호를 생성하도록 한다. 또한, 예를 들어, 측정된 셀의 온도가 제3 임계치보다 크면, MCU는 셀의 상태에 문제가 있다고 판단한다. MCU에서 셀의 상태에 문제가 있다고 판단되면, RF 모듈로 하여금 폴트 신호를 생성하도록 한다.
RF 모듈은 MCU가 전원 회로로부터 인에이블 신호를 수신하여, 다시 RF 모듈로 인에이블 신호를 전송하면 인에이블된다. 또한, MCU가 셀의 상태에 문제가 있다고 판단하여, MCU로부터 폴트 신호 생성 신호를 수신하면, RF 모듈을 제3 주파수를 가지는 폴트 신호를 생성하여 제1 안테나(a1)로 전송한다.
제1 안테나(a1)는 RF 모듈로부터 폴트 신호를 수신한다. RF 모듈로부터 폴트 신호를 수신한 제1 안테나(a1)는 BMC로 해당 폴트 신호를 전송한다. 여기서 제3 주파수를 가지는 신호는 데이터가 실려 있는 신호가 아니다. 제3 주파수를 가지는 신호는 단지 BMC에 대하여 배터리 셀에 이상이 발생하였다는 사실만을 통지하면 된다. 따라서 신호 내에 명령이나 데이터가 포함될 필요는 없다. 대신, BMC에서 제3 주파수를 가지는 신호를 수신하였다는 것을 검출 가능해야 하므로, 소정의 에너지 밀도를 가질 필요가 있다. 즉, 제3 주파수를 가지는 신호의 에너지 밀도는 CMC와 BMC가 통신할 때 사용하는 제1 주파수를 가지는 신호의 에너지 밀도보다 커야 한다. 다시 말해, 제3 주파수를 가지는 신호를 송신하는 것은 에너지의 전달을 통하여 특정 이벤트가 발생하였다는 사실을 통지하는 것을 주된 목적으로 한다.
BMC의 제2 안테나(b2)에서 CMC에서 전송된 폴트 신호를 수신한다. 해당 폴트 신호의 주파수는 미리 설정되어 있어, BMC의 임피던스 매칭 회로에 의해서 매칭되는 신호로, 제2 안테나(b2)에서 수신된다.
BMC의 제2 안테나(b2)를 통하여 수신된 폴트 신호를 BMC의 MCU에서 감지하여 해당 CMC가 감시하는 배터리 셀에 문제가 생겼음을 판단할 수 있다. 즉, BMC의 제어부는 제2 안테나(b2)로부터 제3 주파수를 가지는 신호를 수신하였을 때, CMC가 모니터링하는 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단한다. 폴트 신호는 에너지 전달을 통한 이벤트 검출의 통지가 목적이므로, BMC의 MCU는 제2 안테나(b2)로부터 미리 설정된 기준 이상의 에너지를 갖는 제3 주파수의 신호를 수신하는 것을 검출하는 경우, CMC가 모니터링하는 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단할 수 있다.
또한, CMC의 제1 안테나(a1)는 BMC의 제1 안테나(a2)와 제1 주파수를 가지는 RF 신호를 이용하여 일반적인 통신을 수행하는 통신 경로로 사용된다. 그리고 CMC의 제1 안테나(a1)는 BMC의 제2 안테나(b2)로 제3 주파수를 가지는 폴트 신호를 전송한다. 또한, CMC의 제2 안테나(b1)는 BMC의 제2 안테나(b2)로부터 웨이크업 신호인 RF 신호를 수신한다.
도 1 내지 도 4에 따른 실시예의 경우와 마찬가지로, 도 5 내지 도 7에 따른 CMC 및 BMC가 제1 주파수 내지 제3 주파수가 서로 동일한 주파수인 경우에도 동작할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 제1 주파수 내지 제3 주파수가 서로 동일한 주파수인 경우, 제2 주파수의 신호와 제3 주파수의 신호는 에너지 밀도를 달리함으로써 본 발명의 목적을 달성할 수 있을 것이다.
추가적으로, 도 4 및 도 7에 도시한 바와 같이, BMC가 복수의 CMC를 관리하는 경우에 다음과 같은 변형예를 고려할 수 있다.
복수의 CMC 각각은 동일한 구성을 갖는다. 다만, CMC에서 자신이 모니터링하는 배터리 셀에 이상이 발생한 것을 검출한 경우, BMC로 전송하는 폴트 신호의 주파수를 서로 다르게 설정한다. 즉, 폴트 신호 전송을 위한 제3 주파수의 신호에 있어서의 제3 주파수가 각 CMC마다 서로 상이하다.
이와 함께, BMC는 복수의 CMC와 제1 주파수로 통신을 수행하는 것에 더하여 복수의 CMC 중 어느 CMC로부터 폴트 신호가 수신되는지를 모니터링 해야 한다. 즉, 어느 CMC에서 폴트 신호가 송신되는지 알 수 없기 때문에, 대상이되는 모든 주파수를 스캔해야 한다. 따라서, CMC의 MCU는 임피던스 매칭 회로의 임피던스를 조정하는 등 하여, 복수의 CMC들이 폴트 신호를 송신하게 되는 서로 상이한 제3 주파수들을 포함하는 주파수 범위를 스캐닝한다.
이러한 구성으로 인하여 BMC는 어느 CMC에서 이상이 발생하였는지를 즉시 파악할 수 있게 된다. 즉, BMC가 폴트 신호를 수신한 주파수를 파악할 수 있기 때문에 폴트 신호에 다른 정보가 포함되어 있지 않아도 BMC는 폴트 신호를 송신한 CMC를 특정할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
100 셀 관리 제어기
102 제2 안테나
104 임피더스 매칭 회로
106 전압 생성부
108 전원 회로
110 셀 파라미터 측정부
112 구동부
114 RF 모듈
116 제1 안테나

Claims (16)

  1. 외부 장치와 제1 주파수를 이용하여 통신 가능한 제1 안테나;
    상기 외부 장치로부터의 제2 주파수의 신호를 수신 가능한 제2 안테나;
    상기 제2 안테나에서 수신된 상기 제2 주파수의 신호에 기초하여 전압을 생성하는 전압 생성부;
    상기 전압 생성부에서 생성된 전압에 기초한 신호를 인에이블 신호로서 인가받는 구동부; 및
    상기 구동부로부터의 제어신호에 기초하여 배터리 셀의 상태를 나타내는 파라미터를 측정하는 셀 파라미터 측정부;를 포함하며,
    상기 인에이블 신호에 기초하여 상기 구동부가 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이하는 셀 관리 제어기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 주파수의 신호는 상기 제1 주파수의 신호보다 에너지 밀도가 더 높은 것을 특징으로 하는 셀 관리 제어기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 안테나에서 상기 제2 주파수의 신호를 수신 가능하도록 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭 회로를 더 포함하는 셀 관리 제어기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전압 생성부에 축적되는 에너지를 방전시키기 위한 방전회로를 더 포함하는 셀 관리 제어기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부는 상기 셀 파라미터 측정부로부터 수신한 상기 배터리 셀의 파라미터 값에 기초하여 상기 배터리 셀의 이상 여부를 판단하고,
    상기 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단된 경우, 상기 외부 장치에 상기 배터리 셀의 이상 상태를 나타내는 폴트 신호를 제3 주파수로 전송하는 것을 특징으로 하는, 셀 관리 제어기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제3 주파수의 신호는 상기 제1 주파수의 신호보다 에너지 밀도가 더 높은 것을 특징으로 하는 셀 관리 제어기.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 폴트 신호는 상기 제1 안테나를 통하여 전송되는 것을 특징으로 하는, 셀 관리 제어기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부로 전력을 공급하는 전원 회로를 더 포함하고,
    상기 전원 회로는 상기 전압 생성부에서 생성된 전압이 입력될 때 상기 구동부에 인에이블 신호를 인가하고,
    상기 구동부는 상기 전원 회로로부터 인가되는 상기 인에이블 신호에 기초하여 웨이크업 상태로 천이하는 것을 특징으로 하는 셀 관리 제어기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동부로 전력을 공급하는 전원 회로를 더 포함하고,
    상기 전원 회로는 상기 구동부에 전력을 상시 공급하며,
    상기 구동부는 상기 전압 생성부에서 생성된 상기 전압을 상기 인에이블 신호로서 인가받는 것을 특징으로 하는 셀 관리 제어기.
  10. 외부 장치와 제1 주파수 및 제2 주파수를 이용하여 통신 가능한 제1 안테나; 및
    상기 외부 장치를 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이시키기 위한 웨이크업 신호를 상기 제2 주파수의 신호로서 생성하여 상기 제1 안테나를 통하여 상기 외부 장치로 전송하고, 상기 외부 장치와의 데이터 송수신을 상기 제1 주파수로 수행하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 제2 주파수의 신호의 에너지 밀도가 상기 제1 주파수의 신호의 에너지 밀도보다 크도록 상기 제1 주파수의 신호 및 제2 주파수의 신호를 생성하는 배터리 관리 제어기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 외부 장치로부터 제3 주파수의 신호를 수신 가능한 제2 안테나를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제2 안테나로부터 상기 제3 주파수의 신호를 수신하였을 때, 상기 외부 장치가 모니터링하는 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단하는 배터리 관리 제어기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2 안테나로부터 미리 설정된 기준 이상의 에너지를 갖는 제3 주파수의 신호를 수신하는 것을 검출하는 경우, 상기 외부 장치가 모니터링하는 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단하는 배터리 관리 제어기.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 안테나에서 상기 제3 주파수의 신호를 수신 가능하도록 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭 회로; 및
    상기 임피던스 매칭 회로를 통하여 수신되는 신호에 의하여 축적되는 에너지를 방전시키기 위한 방전회로를 더 포함하는 배터리 관리 제어기.
  14. 배터리 셀의 상태를 모니터링 하는 복수의 셀 관리 제어기; 및
    상기 셀 관리 제어기와 통신하여 상기 셀 관리 제어기로부터 상기 배터리 셀에 대하여 측정한 파라미터값을 수신하는 배터리 관리 제어기;를 포함하며,
    상기 복수의 셀 관리 제어기 각각은,
    상기 배터리 관리 제어기와 제1 주파수를 이용하여 통신 가능하도록 구성된 제1 안테나와, 상기 배터리 관리 제어기로부터제2 주파수의 신호를 수신 가능하도록 구성된 제2 안테나와, 상기 제2 안테나에서 수신하는 상기 제2 주파수의 신호에 기초하여 전압을 생성하도록 구성된 전압 생성부와, 상기 전압 생성부에서 생성된 전압에 기초한 신호를 인에이블 신호로서 인가받도록 구성된 구동부와, 상기 구동부로부터의 제어신호에 기초하여 상기 배터리 셀의 상태를 나타내는 파라미터를 측정하도록 구성된 셀 파라미터 측정부를 포함하며,
    상기 인에이블 신호에 기초하여 상기 구동부가 대기 상태에서 웨이크업 상태로 천이하는, 배터리 관리 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 셀 관리 제어기 각각에서,
    상기 구동부는 상기 셀 파라미터 측정부로부터 수신한 상기 배터리 셀의 파라미터 값에 기초하여 상기 배터리 셀의 이상 여부를 판단하고,
    상기 배터리 셀에 이상이 발생하였다고 판단된 경우, 상기 배터리 관리 제어기에 상기 배터리 셀의 이상 상태를 나타내는 폴트 신호를 미리 설정된 제3 주파수로 전송하며,
    상기 복수의 셀 관리 제어기들은 상기 미리 설정된 제3 주파수가 서로 상이한 주파수인 것을 특징으로 하는, 배터리 관리 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 배터리 관리 제어기는,
    상기 복수의 셀 관리 제어기로부터의 폴트 신호를 수신하기 위하여 상기 복수의 셀 관리 제어기들이 폴트 신호를 송신하는 서로 상이한 제3 주파수들을 포함하는 주파수 범위를 스캐닝하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
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