特表 2024-546795 統合型電流センシング装置およびこれを含むバッテリーパック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-12-26

(54)【発明の名称】統合型電流センシング装置およびこれを含むバッテリーパック

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/00 20060101AFI20241219BHJP

   H01M 50/569 20210101ALI20241219BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

G01R31/00

H01M50/569

H01M10/48 P

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024534688

(86)(22)【出願日】2023-09-08

(85)【翻訳文提出日】2024-06-11

(86)【国際出願番号】 KR2023013531

(87)【国際公開番号】W WO2024080570

(87)【国際公開日】2024-04-18

(31)【優先権主張番号】10-2022-0129776

(32)【優先日】2022-10-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521065355

【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100229448

【弁理士】

【氏名又は名称】中槇 利明

(72)【発明者】

【氏名】イ，ヨンジュン

【テーマコード（参考）】

2G036

5H030

5H043

【Ｆターム（参考）】

2G036BA35

2G036BB08

2G036CA09

5H030AS06

5H030FF42

5H043AA05

5H043HA35

(57)【要約】

本発明は、複数のスロットを備えたケースと、スロットに装着される少なくとも一つ以上の電流センシングモジュールを連結するためのセンサーコネクタを備えたセンサーボードと、ＢＭＳとの通信および制御手段を備えたメインボードと、を含むことを特徴とする統合型電流センシング装置およびこれを含むバッテリーパックに関する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも一つ以上の電流センシングモジュールと、
複数のスロットを備えたケースと、
前記スロットに装着される少なくとも一つ以上のセンサーボードと、
通信および制御手段を備えたメインボードと、を含み、
前記センサーボードは、前記電流センシングモジュールを連結するためのセンサーコネクタを備えている、統合型電流センシング装置。

【請求項2】

前記センサーボードは、前記電流センシングモジュールから測定された信号を前記メインボードに伝達する、
請求項１に記載の統合型電流センシング装置。

【請求項3】

前記メインボードは、前記センサーボードから受信される前記測定された信号を取り合わせて診断するメイン制御部と、ＢＭＳとの通信のための信号伝送部と、を含む、
請求項２に記載の統合型電流センシング装置。

【請求項4】

前記電流センシングモジュールは連結端子を備え、前記センサーボードの前記センサーコネクタに連結される、
請求項１に記載の統合型電流センシング装置。

【請求項5】

前記電流センシングモジュールは、ホール（Ｈａｌｌ）タイプ、フラックスゲート（Ｆｌｕｘ ｇａｔｅ）タイプまたはシャント（Ｓｈｕｎｔ）タイプの電流センサーである、
請求項１に記載の統合型電流センシング装置。

【請求項6】

前記センサーボードは、前記電流センシングモジュールのタイプ別に異なるように構成される、
請求項５に記載の統合型電流センシング装置。

【請求項7】

前記ケースは、連結溝を含む上部カバーと、ＢＭＳとの通信のための外部連結部と、をさらに含む、
請求項１に記載の統合型電流センシング装置。

【請求項8】

前記センサーコネクタは、前記電流センシングモジュールとの連結のために前記連結溝から突出する、
請求項７に記載の統合型電流センシング装置。

【請求項9】

前記センサーボードおよび電流センシングモジュールは、ＢＭＳとの通信手段を除く、
請求項１に記載の統合型電流センシング装置。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか一項に記載の統合型電流センシング装置を使用して電流を測定する方法であって、
少なくとも一つ以上の電流センシングモジュールから測定された電流量をセンサーボードが受信する第１段階と、
前記センサーボードが測定された電流量をデジタルに変換してメインボードに伝達する第２段階と、
前記メインボードが受信された電流値を予め保存された臨界値と比較して異常有無を診断する第３段階と、
異常電流値と診断される場合、ＢＭＳに通知し、アラームを発生する第４段階と、を含む、電流を測定する方法。

【請求項11】

請求項１～９のいずれか一項に記載の統合型電流センシング装置を含む、バッテリーパック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０２２年１０月１１日付け韓国特許出願第１０－２０２２－０１２９７７６号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願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。

【0002】

本発明は、統合型電流センシング装置およびこれを含むバッテリーパックに関し、詳しくは少なくとも一つ以上の電流センサーモジュールを連結するセンサーボードと、ＢＭＳと通信する手段および電流センシングモジュールを制御する手段を備えたメインボードとを含む統合型電流センシング装置およびこれを含むバッテリーパックに関する。

【背景技術】

【0003】

現代社会で必要不可欠に使用されている各種の電子機器のエネルギー源として使用されている二次電池は、モバイル機器の使用量の増加および複雑化、電気自動車などの開発によって所要容量が増加している。使用者の需要を満たすために、小型機器には多数の電池セルを配置しているが、自動車などには多数の電池セルを電気的に連結する電池モジュールまたはこのような電池モジュールを多数備えた電池パックが使用される。

【0004】

このような二次電池を用いるバッテリーパックは、電流を測定するための電流センサーを備えている。電流センサーは、バッテリーパックの充放電経路に流れる電流を測定してバッテリーパックの状態をモニタリングし、バッテリーパックに流れる過電流などを感知する。

【0005】

そして、電流センサーを介して測定された電流はＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に伝送されることで、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を計算する情報として活用されるかまたは充放電過程が正常になされているかを判断する根拠として活用することができる。

【0006】

しかし、電流センサーは多数のバッテリーモジュールのそれぞれに備えられなければならず、測定された電流量をＢＭＳに個別的に伝送しなければならない。これにより、それぞれの電流センサーはＢＭＳとの通信のための追加回路を備えることになるので、コストが増加する問題点が発生する。

【0007】

また、安全レベルを高めるために、少なくとも二つ以上の電流センサーを配置し、これらの測定値の誤差比較によって診断するかまたは振動や衝撃によって電流センサーに異常が発生して安定的な測定が難しい場合、これを補助する補助センサーによって二重化する必要があるので、多数の電流センサーを隣接して配置する必要がある。

【0008】

特許文献１は、ＢＭＳが直接電流センサーを制御することを特徴とし、ＢＭＳおよび一つの電流センサーは、電源供給、ＧＮＤ、出力電圧ラインと直接電気的に連結されている。よって、バッテリーパック内に備えられる電流センサーの数が増加するほど、ＢＭＳの負荷も一緒に増加することになる問題点が発生する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】韓国公開特許第１０－２０１７－００７７７１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上記のような問題点を解決するために、本発明は、電流を測定する最小限の回路のみを備えた複数の電流センサーの連結とＢＭＳとの通信および制御とのための統合ボードを備えた統合型電流センシング装置およびこれを含むバッテリーパックを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記のような目的を達成するために、本発明による統合型電流センシング装置は、少なくとも一つ以上の電流センシングモジュール（４００）と、複数のスロット（１１０）を備えたケース（１００）と、スロット（１１０）に装着される少なくとも一つ以上のセンサーボード（３００）と、通信および制御手段を備えたメインボード（２００）と、を含み、前記センサーボード（３００）は、前記電流センシングモジュール（４００）を連結するためのセンサーコネクタ（３１０）を備えることを特徴とする。

【0012】

また、本発明による統合型電流センシング装置において、センサーボード（３００）は、前記電流センシングモジュール（４００）から測定された信号をメインボード（２００）に伝達することを特徴とする。

【0013】

また、本発明による統合型電流センシング装置において、メインボード（２００）は、前記センサーボード（３００）から受信される前記測定された信号を取り合わせて診断するメイン制御部（２１０）と、ＢＭＳとの通信のための信号伝送部（２２０）と、を含むことを特徴とする。

【0014】

また、本発明による統合型電流センシング装置において、電流センシングモジュール（４００）は連結端子（４０５）を備え、前記センサーボード（３００）の前記センサーコネクタ（３１０）に連結されることを特徴とする。

【0015】

また、本発明による統合型電流センシング装置において、電流センシングモジュール（４００）は、ホール（Ｈａｌｌ）タイプ、フラックスゲート（Ｆｌｕｘｇａｔｅ）タイプまたはシャント（Ｓｈｕｎｔ）タイプの電流センサーであることを特徴とする。

【0016】

また、本発明による統合型電流センシング装置において、センサーボード（３００）は、前記電流センシングモジュール（４００）タイプ別に異なるように構成されることを特徴とする。

【0017】

また、本発明による統合型電流センシング装置において、ケース（１００）は、連結溝（１３０）を含む上部カバー（１２０）と、ＢＭＳとの通信のための外部連結部（１４０）と、をさらに含むことを特徴とする。

【0018】

また、本発明による統合型電流センシング装置において、センサーコネクタ（３１０）は、前記電流センシングモジュール（４００）との連結のために、前記連結溝（１３０）から突出することを特徴とする。

【0019】

また、本発明による統合型電流センシング装置において、センサーボード（３００）および電流センシングモジュール（４００）は、ＢＭＳとの通信手段を除くことを特徴とする。

【0020】

また、本発明による統合型電流センシング装置を使用して電流を測定する方法は、少なくとも一つ以上の電流センシングモジュール（４００）から測定された電流量をセンサーボード（３００）が受信する第１段階と、前記センサーボード（３００）が測定された電流量をデジタルに変換してメインボード（２００）に伝達する第２段階と、前記メインボード（２００）が受信された電流値を予め保存された臨界値と比較して異常有無を診断する第３段階と、異常電流値と診断される場合、ＢＭＳに通知し、アラームを発生する第４段階と、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

以上で説明したように、本発明による統合型電流センシング装置およびこれを含むバッテリーパックによれば、電流センサーが共通して備えなければならないＢＭＳとの通信手段および連結コネクタなどを一つに統合することにより、関連した重複部品を最小化して電流センサーの製造コストを節減する利点がある。

【0022】

また、本発明による統合型電流センシング装置およびこれを含むバッテリーパックによれば、それぞれの電流センサーから測定された電流値をＢＭＳに伝送するに先立ち、早期に取り合わせて診断することができるので、ＢＭＳの負荷を最小化することができるという利点がある。

【0023】

さらに、本発明による統合型電流センシング装置およびこれを含むバッテリーパックによれば、電流センサーだけでなく、温度センサー、電解液漏液センサーなどのバッテリーパック内部の多様なセンサーを統合してＢＭＳに伝送することにより、通信のためのワイヤ連結を簡素化することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】従来技術による電流センサーとＢＭＳとの間の連結構成図である。

【図2】本発明の好適な実施例による統合型電流センシング装置の斜視図である。

【図3】図２の統合型電流センシング装置の分解斜視図である。

【図4】本発明の好適な実施例による統合型電流センシング装置の内部構成図である。

【図5】本発明の好適な実施例による統合型電流センシング装置によって電流を測定する例を示す図である。

【図6】本発明の好適な実施例による統合型電流センシング装置を使用して電流を測定する手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、添付図面に基づき、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施することができる実施例を詳細に説明する。ただし、本発明の好適な実施例の動作原理を詳細に説明するにあたり、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判定される場合にはその詳細な説明を省略する。

【0026】

また、図面全般にわたって類似の機能および作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般にわたって、ある部分が他の部分と連結されているというとき、これは直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むことは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

【0027】

以下、本発明による統合型電流センシング装置を添付図面に基づいて説明する。

【0028】

図１は従来技術によるＢＭＳ１と通信することができる複数の電流センサー２を示す。このような電線３の電流量を測定する電流センサー２は、電源ライン（ＶＣＣ、ＧＮＤ）の他にＢＭＳとの通信のための追加のライン（図面符号４参照）と通信回路部品および電流センサーの種類別に電流量を増幅するなどの回路部品を内蔵する必要があるため、費用が増加する問題点が発生する。

【0029】

図２は本発明の好適な実施例による統合型電流センシング装置の斜視図であり、図３は図２の分解斜視図である。

【0030】

図２および図３に示すように、本発明の実施例による統合型電流センシング装置は、メインボード２００およびセンサーボード３００を含むケース１００と、外部でワイヤを介して連結される電流センシングモジュール４００と、を含む。

【0031】

まず、ケース１００は、各種のボードを固定装着して電気的に互いに連結することができる複数のスロット１１０と、開閉可能な上部カバー１２０と、を含む。

【0032】

また、ケース１００は別途の外部連結部１４０を備えることで、電源供給および外部、特にＢＭＳとの通信などのための多様な連結手段を提供する。好ましくは、電源供給およびＢＭＳとの通信のためのワイヤ連結が可能なコネクタであるが、無線通信のためのアンテナをさらに備えることができる。

【0033】

図２および図３には示していないが、それぞれのスロット１１０はバスタイプの回路を備えることにより、メインボード２００と少なくとも１種以上のセンサーボード３００との間に信号の送受信および電源供給が可能であり、必要に応じて拡張が可能である。これは当該技術分野で通常の技術者であれば容易に設計することができるので、詳細な説明は省略する。

【0034】

上部カバー１２０は複数の連結溝１３０を備える。この連結溝１３０を通してセンサーボード３００に備えられた少なくとも一つ以上のセンサーコネクタ３１０が外部に容易に露出されるようにして、電流センシングモジュール４００のワイヤの末端に備えられた連結端子４０５と容易に締結できるようにする。そして、センサーボード３００に備えられたセンサーコネクタ３１０の位置によって連結溝１３０の位置は多様に変更可能である。

【0035】

以上で説明したケース１００はスロットの位置によって多様な形態になることができる。例えば、既存の汎用パーソナルコンピュータのように、メインボード２００はマザーボード（ｍｏｔｈｅｒ ｂｏａｒｄ）のように別途のスロットに装着されないこともでき、マザーボード内に備えられたメモリモジュールが装着されるスロットのようにセンサーボード３００をドーターボード（ｄａｕｇｈｔｅｒ ｂｏａｒｄ）の形態に連結することができるので、ケース１００およびスロット１１０の形態は限定されず、通常の技術者のレベルで多様に変形可能である。

【0036】

図２および図３を参照すると、電流センシングモジュール４００は、センサーボード３００に連結するためのワイヤおよび連結端子４０５を含む。

【0037】

また、電流センシングモジュール４００は、用途および目的によって、非接触式電流センサーおよび接触式電流センサーに区分される。すなわち、電線に流れる電流によってコアで発生する磁界の大きさを測定するホール電流センサー、電流の周辺で発生する磁界をＭＩ（ｍａｇｎｅｔｏ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子を用いてホール効果によって電圧に変換して測定するフラックスゲート（ｆｌｕｘ ｇａｔｅ）電流センサー、およびシャント抵抗（ｓｈｕｎｔ ｒｅｓｉｓｔｅｒ）による電圧降下を電流に変換する抵抗を検出する直接連結方式のシャント電流センサーに区分される。

【0038】

これらの電流センシングモジュール４００を連結するためのセンサーボード３００は、電流センシングモジュール４００の種類に関係なくいずれにも連結可能であるが、好ましくはホール電流センサー、フラックスゲート電流センサーおよびシャント電流センサーに区分して別途のセンサーボード３００を備えることができる。したがって、一種の電流センサーを複数備えるセンサーボード３００の回路部を単純化することができる。

【0039】

また、電流センシングモジュール４００に連結されているワイヤの数およびコネクタ４０５、３１０は多様に構成できるので、図２および図３に示すものに限定されず、多様な変形が可能である。

【0040】

以下、図４および図５を参照して、電流センシングモジュール４００、センサーボード３００およびメインボード２００の詳細機能および構成について詳細に説明する。

【0041】

図４は本発明の好適な実施例による統合型電流センシング装置の内部構成図である。

【0042】

図４を参照すると、統合型電流センシング装置１０のケース１００の内部には、メインボード２００と各種電流センシングモジュール４００とを連結するセンサーコネクタ３１０を備えた、少なくとも一つ以上のセンサーボード３００を含んでいる。

【0043】

ＰＣＢ基板から製造されるセンサーボード３００およびメインボード２００は、連結バス２３０に連結され得る。しかし、バスの形態ではなく、一つのセンサーボード３００およびメインボード２００をＰＣＢ上の回路パターンを介して直接的に連結することができる。これは通常の技術者レベルで容易に設計することができるので、センサーボード３００とメインボード２００との間の連結構造は限定されない。

【0044】

また、センサーボード３００は電流センシングモジュール４００のタイプによって異なるように構成され、少なくとも一つ以上の電流センシングモジュール４００を連結することができる。

【0045】

通常のホール電流センサーは、電流が流れる電線が通過する磁性体コアによって集束された磁場の変化に比例する電流（または電圧）を発生させるホール素子を備え、ホール素子から出力されるアナログ電流値をデジタル電流データに変換して出力するＡ／Ｄ変換を実行し、これにより変換出力されるデジタル電流データを生成した後、予め設定されたデータ値と比較演算し、その結果値をＢＭＳに伝送する。

【0046】

図４において、ホール電流センサー４１０は、ホール素子から出力されるアナログ電流値をセンサーボード３００に伝達する機能のみを果たすことができる。また、センサーボード３００は、アナログ電流値をデジタル電流データに変換出力するＡ／Ｄ変換、およびこれにより変換出力されるデジタル電流値を生成する役割を担当する。

【0047】

一方、シャント電流センサー４２０はバッテリーのプラス（＋）端と負荷との間に配置され、連結されたシャント抵抗を介して電圧を降下し、降下した電圧信号によってシャント抵抗の両端で測定された電圧の差を算出した後、算出された電圧差を用いて電流を算出する。ここで、シャント抵抗の抵抗値およびシャント抵抗の両端にかかる電圧の差からオームの法則を用いて電流を算出する。これは公知の技術であるので、詳細な説明は省略する。

【0048】

ただし、このようなシャント電流センサーは、電圧信号降下および電流測定手段によって測定された電流に基づいてＭＣＵでバッテリー状態を予測する演算を実施する素子を含む一つの回路で構成され、また、演算結果をＢＭＳに伝送する伝送手段も単一のセンサー内に含まなければならない。

【0049】

これを解決するために、図４のシャント電流センサー４２０は、シャント抵抗の両端で測定された電圧のみを測定してセンサーボード３００に伝送し、センサーボード３００は電圧降下および電流測定手段を備え、演算およびＢＭＳ伝送回路はメインボード２００に備えられるので、少なくとも二つ以上の電流センサーの場合に回路部品の重複を防止することができる。

【0050】

図４を参照すると、メインボード２００は、メイン制御部２１０および信号伝送部２２０を含み、図４には示されていないが、このためのＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉｔ）を含み、別途の電源供給およびセンサーボード３００と連結するための連結手段を備えることができる。

【0051】

メイン制御部２１０は、センサーボード３００を介して所定の時間間隔で周期的に電流センサーによって電流を測定するように制御するか、またはセンサーボード３００から伝送される電流の測定値を予め保存された臨界値と比較して、電流に異常がないかまたは電流センサーが誤動作するかなどを判断することができるので、ＢＭＳの機能の一部を代わることができる。

【0052】

また、信号伝送部２２０は、メイン制御部２１０からＢＭＳにデータを伝達する通信回路およびプロトコルを含む。

【0053】

図５は本発明の好適な実施例による統合型電流センシング装置によって電流を測定する例を示す図である。

【0054】

図５を参照すると、電流センシングモジュール４００は、ホール電流センサー４１０と、シャント電流センサー４２０とに区分され、それぞれ互いに異なるセンサーボード３００にワイヤ４１５、４２５を介して連結され得る。

【0055】

また、並列に連結された電流ラインＬのそれぞれの電流を、ホール電流センサー４１０およびシャント電流センサー４２０で同時に測定することができ、これらの電流測定の誤差を、ＢＭＳではないメインボード２００のメイン制御部２１０で比較して短絡や漏洩などをすぐ診断することができ、正常の電流値を有する状態であれば別にＢＭＳに通知する必要がなく、また、ＢＭＳの制御なしにメインボード２００で自ら測定することができる。

【0056】

本発明の好適な変形実施例では、センサーボード３００は電流センシングモジュール４００だけでなく、温度センサー、電圧センサー、湿度センサーなどのバッテリーパック内部の各種のセンサーとの連結のためのインターフェースをさらに備え、これらのそれぞれのセンサーによってセンシングされた測定値を、追加としてメインボード２００に伝達することができ、メインボード２００はそれぞれのセンサーに適した制御および診断機能とＢＭＳとの連結手段を提供することができる。

【0057】

図６は本発明の好適な実施例による統合型電流センシング装置を使用して電流を測定する手順を示すフローチャートである。

【0058】

好適な実施例による統合型電流センシング装置を使用して電流を測定する方法は、少なくとも一つ以上の電流センシングモジュール４００から測定された電流量をセンサーボード３００が受信する第１段階と、センサーボード３００が測定された電流量をデジタルに変換してメインボード２００に伝達する第２段階と、メインボード２００が受信された電流値を予め保存された臨界値と比較して異常有無を診断する第３段階と、異常電流値と診断される場合、ＢＭＳに通知し、アラームを発生する第４段階と、を含むことができる。

【0059】

具体的には、第１段階は、少なくとも一つ以上の電流センシングモジュール４００のホール素子やシャント抵抗から出力されるアナログ電流値をセンサーボード３００が受信する段階であり、第２段階は、センサーボード３００がアナログ電流値をデジタル電流データに変換出力するＡ／Ｄ変換を実施し、これにより変換出力されるデジタル電流値を生成してメインボード２００に伝達する段階である。

【0060】

第３段階は、メインボード２００がセンサーボード３００から伝達された電流値の異常有無を診断する段階であり、測定された電流値と予め保存された当該電流センシングモジュール４００の電流値の臨界値とを比較し、臨界値範囲を超える場合、異常状態と判定する診断機能を果たす。ここで、異常状態と診断されると、ＢＭＳに通知し、アラームを発生する第４段階を実施し、正常状態であると、第１段階を繰り返し実施することができる。

【0061】

また、メインボード２００は、予め設定された周期で反復的に電流センシングモジュール４００を動作させることができるが、必要に応じて、選択的にＢＭＳの制御信号に応じて電流センシングモジュール４００を動作させることもできる。

【0062】

これまで、本発明について具体的な実施例を参照して説明した。しかし、本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用および変形が可能であろう。

【符号の説明】

【0063】

１０ 統合型電流センシング装置
１００ ケース
１１０ スロット
１２０ 上部カバー
１３０ 連結溝
１４０ 外部連結部
２００ メインボード
２１０ メイン制御部
２２０ 信号伝送部
２３０ 連結バス
３００ センサーボード
３１０ センサーコネクタ
４００ 電流センシングモジュール
４０５ 連結端子
４１０ ホール電流センサー
４１５、４２５ ワイヤ
４２０ シャント電流センサー
Ｌ 電流ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】