KR20200034978A - 배터리 시스템 과전압 방지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 배터리 시스템 과전압 방지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 셀의 전압을 패시브 소자의 입력전원으로 사용하여 과전압을 감지하고, 과충전 시 배터리에 공급되는 전원을 차단하는 BMS와 독립적으로 작동하는 배터리 시스템 과전압 방지 장치를 제공한다.

Description

배터리 시스템 과전압 방지 장치 {APPARATUS FOR PREVENTING OVERVOLTAGE OF BATTERY SYSTEM}

본 발명은 배터리 시스템 과전압 방지 장치에 관한 것이다.

기존 전기 구동용 자동차의 배터리 과충전 감지 및 차단하는 RAD(Runaway Arrest Device)는 배터리가 과충전시 배터리 셀이 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상을 이용하여 과충전 여부를 감지한다. 구성상 배터리 셀의 측면에 스위치를 구비하여 배터리 셀 측면의 스웰링 변위량에 의해 물리적으로 스위치가 눌려짐으로서 과충전 여부를 감지하도록 구성된다. 이러한 RAD는 스위치를 배터리 전원을 제어하는 릴레이 제어선에 직렬 접속시켜 배터리 과충전시 배터리로 공급되는 전원을 차단하거나, 배터리 결속 상태를 감지하는 HVIL(High Voltage Interlock Loop)를 통해 배터리 관리 장치(BMS: Battery Management System)로 이상 현상을 통보함으로써 배터리 전원 공급을 차단하도록 구성될 수 있다.

그러나 RAD는 배터리 과충전시 발생하는 스웰링 현상에 의존하므로, 배터리 셀 스웰링 현상 자체가 배터리 자체 특성에 따라 나타나는 현상이 불규칙한 점을 감안해 보았을 때에, 과충전 여부를 정확하게 감지하기 어려울 수 있다. 또한, 배터리 셀의 측면에 위치하는 스위치와 배터리 셀 간의 간격을 일정하게 구성해야 하는 어려움, 외부 충격 등에 의해 오동작 가능성, 배터리 셀 측면의 스웰링을 감지하기 위해서 배터리 셀 측면에 스위치가 장착될 공간이 필요한 점 등 여러 사정이 고려되어야 하는 문제점이 존재한다.

그리고 기존 전기 구동용 자동차의 배터리 과충전 감지 및 차단하는 CID(Current Interrrupt Device)는 배터리가 과충전시 배터리 셀의 스웰링 현상을 이용하여 배터리 셀이 본래의 위치에서 이탈되도록 배터리 셀의 텝(tab)부를 끊는 구성을 가진다.

그러나 CID는 배터리 과충전시에 발생되는 배터리 셀 스웰링 현상에 민감하게 동작하기 위해서 기구적으로 weak point를 고의로 만들어야 하기 때문에, 기계적 신뢰성이 저하되는 단점과, 앞서 RAD와 같이 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하기 위해서 배터리 셀 측면에 장치가 장착될 공간이 필요하다는 단점이 존재한다.

미국공개특허 [2011-0298463]에서는 배터리 상태 감시 회로 및 배터리 장치가 개시되어 있다.

미국공개특허 [2011-0298463]

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 배터리 시스템 과전압 방지 장치에 있어서, 전기적인 변화로 과충전을 감지하고, 패시브 소자를 이용하여 과충전 시 배터리에 공급되는 전원을 차단할 수 있는 배터리 시스템 과전압 방지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 이루고 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치는, 복수 개의 배터리 셀들을 포함한 배터리 팩에서, 배터리 관리 장치와 별도로 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 감지하여, 일정전압 이상 감지되면 동작하는 전압 감지부; 및 배터리 관리 장치와 별도로 상기 전압 감지부의 동작에 의해 내부 스위치를 온 또는 오프 시켜, 상기 배터리 팩과 외부 시스템을 연결해주는 메인 릴레이를 직접 차단시키는 전원 차단부;를 포함한다.

더 나아가, 상기 전압 감지부는, 아날로그 회로로만 구성되고; 배터리 셀의 전압이 일정 전압 이상이면, 상기 배터리 관리 장치의 정상동작 또는 오동작 여부와 관계없이 독립적으로 상기 메인 릴레이가 차단되도록, 상기 전원 차단부의 내부 스위치를 온 또는 오프 제어한다.

더 나아가, 상기 배터리 시스템 과전압 방지 장치는 적어도 하나의 배터리 셀의 양단에 연결되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 분배하는 입력전압 분배부;를 더 포함하며, 상기 전압 감지부는 상기 입력전압 분배부와 연결되며, 상기 입력전압 분배부를 통해 입력된 전압이 일정전압 이상 감지되면 상기 배터리 팩의 과전압으로 판단하여 상기 메인 릴레이가 차단되도록 동작한다.

더 나아가, 상기 전압 감지부는 상기 배터리 관리 장치와 독립적으로 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 감지하여 일정전압 이상 감지되면 동작할 수 있도록 아날로그 회로로 구성된다.

더 나아가, 상기 입력전압 분배부는 직렬로 연결되는 복수 개의 저항을 포함한다.

더 나아가, 상기 전압 감지부는 션트 레귤레이터로 구성되며, 상기 션트 레귤레이터의 레퍼런스는 상기 입력전압 분배부의 저항과 저항 사이에 연결되고, 상기 션트 레귤레이터의 캐소드는 상기 전원 차단부의 일측과 연결되며, 상기 션트 레귤레이터의 애노드는 상기 입력전압 분배부와 연결된 상기 배터리 셀의 음극과 연결되고, 상기 입력전압 분배부를 이용하여 분배된 입력전압이 일정전압 이상으로 입력되면 상기 션트 레귤레이터의 캐소드와 애노드가 통전된다.

더 나아가, 상기 전원 차단부는 코일부와 스위치부를 포함하는 내부 스위치를 포함하며, 상기 코일부의 일측은 상기 배터리 셀의 양극과 연결되고 상기 코일부의 타측은 상기 션트 레귤레이터의 캐소드와 연결되며, 상기 스위치부의 일측은 상기 메인 릴레이의 코일측 선로와 연결되고 상기 스위치부의 타측은 그라운드 공통선과 연결된다.

더 나아가, 상기 전원 차단부는 상기 전압 감지부의 동작에 의해 상기 코일부에 전원이 인가되면 상기 스위치부가 동작되며, 별도의 제어가 있기 전까지 동작 상태를 그대로 유지시키는 비복귀 회로로 구성된다.

더 나아가, 상기 전원 차단부의 내부 스위치는 래칭 릴레이로 구성된다

더 나아가, 상기 전원 차단부는 상기 전원 차단부의 코일부 사이에 병렬로 연결된 저항을 포함한다.

더 나아가, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양단 또는 상기 션트 레귤레이터의 애노드와 상기 션트 레귤레이터의 레퍼런스에 연결되는 안전부;를 더 포함한다.

더 나아가, 상기 안전부는 커패시터, TVS 다이오드 중 선택되는 적어도 어느 하나이다.

더 나아가, 상기 배터리 셀과 연결되는 파워 릴레이 어셈블리에 포함되는 상기 메인 릴레이의 코일은 상기 배터리 관리 장치와 일단이 직렬 연결되고, 상기 전원 차단부와 타단이 직렬 연결된다.

더 나아가, 상기 메인 릴레이를 구성하는 코일의 상기 배터리 셀과 연결되는 파워 릴레이 어셈블리에 포함되는 프리차지 릴레이의 코일은 상기 배터리 관리 장치와 일단이 직렬 연결되고, 상기 전원 차단부와 타단이 직렬 연결된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치에 의하면, 배터리 팩의 충전 중에 과충전이 발생되면 배터리 팩에 공급되는 전원을 차단함에 따라, 발화 또는 폭발을 방지하는 효과가 있다.

또한, 배터리 관리 장치의 제어를 받는 릴레이 코일측 선로와 연결된 전원 차단부에 의해 배터리 팩의 과충전 시 배터리 관리장치의 제어를 받는 릴레이 코일측 전원이 차단됨에 따라, 배터리 관리 장치의 제어와 무관하게 배터리 팩에 공급되는 전원을 차단함에 따라, 발화 또는 폭발을 방지하는 효과가 있다.

또, 입력전압 분배부에 의해 분배된 전압을 전압감지부의 입력전압으로 사용함에 따라, 전압감지부를 다양하게 구성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 션트 레귤레이터로 구성된 전압감지부를 사용함에 따라, 전압감지부의 온도에 따른 동작편차를 최소화 하여 동작정밀도를 높이는 효과가 있다.

또, 과충전 감지회로와 배터리 팩에 공급되는 전원회로를 별도로 구성함에 따라, 평상시 전압감지부에 의해 소비되는 전력을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 전원 차단부를 비복귀 회로로 구성함에 따라, 과충전 발생 후 별도의 제어가 있기 전까지 배터리 팩에 공급되는 전원을 차단하여 안전성을 높이는 효과가 있다.

또, 래칭 릴레이로 구성된 전원 차단부를 사용함에 따라, 자기유지회로의 별도구성이 필요치 않아 크기, 비용과 무게를 줄이는 효과가 있다.

또한, 전원 차단부의 코일과 병렬로 연결된 저항에 의하여 코일 동작 시 발생되는 노이즈를 줄여 전압감지부가 영향받지 않도록 함에 따라, 전압감지부의 정밀도를 높이는 효과가 있다.

아울러, 안전부의 구성에 따라, 오차율을 감소시키고, 순간적인 전압상승에 의해 다른 소자에 미치는 영향을 최소화 하여 안정성을 높이고 동작 신뢰성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치의 전원 차단부의 연결을 보여주는 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치의 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치에 있어서, 과충전 상태가 아닌 경우를 보여주는 회로도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치에 있어서, 과충전 상태를 보여주는 회로도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전부를 포함한 배터리 시스템 과전압 방지 장치를 보여주는 회로도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치를 구현한 예를 보여주는 회로도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전부를 포함한 배터리 시스템 과전압 방지 장치를 구현한 예를 보여주는 회로도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치의 전원 차단부의 연결을 보여주는 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치의 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치에 있어서, 과충전 상태가 아닌 경우를 보여주는 회로도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치에 있어서, 과충전 상태를 보여주는 회로도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전부를 포함한 배터리 시스템 과전압 방지 장치를 보여주는 회로도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치를 구현한 예를 보여주는 회로도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 안전부를 포함한 배터리 시스템 과전압 방지 장치를 구현한 예를 보여주는 회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치(1000)는 입력전압 분배부(100), 전압 감지부(200), 전원 차단부(300)를 포함하여 구성된다.

복수 개의 배터리 셀들로 구성된 배터리 팩(10)에 있어서, 배터리 팩(10) 충전 중에 과충전이 발생되면 배터리 셀의 전압이 상승하게 되며, 배터리 셀의 과충전 시의 전압 값을 이용하여 배터리 셀의 과충전 여부를 확인 할 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 전압을 패시브 소자의 입력전원으로 사용하여 일정 전압에 패시브 소자가 동작하여 과충전을 차단하도록 구성할 수 있다.

입력전압 분배부(100)는 복수 개의 배터리 셀들로 구성된 배터리 팩(10)에서 적어도 하나의 배터리 셀의 양단에 연결되며, 배터리 셀의 전압을 분배한다.

과충전으로 판단할 수 있는 적어도 하나의 배터리 셀의 양단의 전압 값과, 패시브 소자를 동작시키기 위한 전압 값은 다를 수 있다.

적어도 하나의 배터리 셀의 양단 전압을 패시브 소자의 입력전원으로 사용하여 적어도 하나의 배터리 셀의 양단 전압이 과충전 시 전압으로 나타날 경우, 패시브 소자가 동작되도록 입력전압 분배부(100)가 입력전압(적어도 하나의 배터리 셀의 양단의 전압)을 분배한다.

여기서, 입력전압 분배부(100)는 복수 개의 배터리 셀들로 구성된 배터리 팩(10)에서 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 입력 전압으로 받도록 구성된다.

다시 말해, 복수 개의 배터리 셀들로 구성된 배터리 팩(10)에서 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 입력 전압으로 입력받거나, 배터리 팩(10) 전체 전압을 입력 전압으로 입력받도록 배터리 측과 연결될 수 있다. 또한, 복수 개의 배터리 셀들로 구성된 배터리 팩(10)에서 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 입력전압으로 받는 제1 입력전압 분배부와, 배터리 팩(10) 전체 전압을 입력 전압으로 입력받는 제2 입력전압 분배부 등 여러 개의 입력전압 분배부를 구성하고 이와 각각 연결되는 제1 전압 감지부, 제2 전압 감지부, 제1 전원 차단부, 제2 전원 차단부 등을 이용하여 여러 개의 과충전 방지장치를 구성할 수 있다. 즉, 다수 개의 과충전 방지장치(1000)를 구성하여 사용할 수 있다.

도 1에서는 일 예로 무접점 릴레이 소자(110)가 배터리 팩(10)에서 맨 하위에 연결된 단위 배터리 셀의 전압을 입력 전압으로 입력받는 형태를 도시하고 있다.

전압 감지부(200)는 입력전압 분배부(100)와 연결되며, 입력전압 분배부를 통해 입력된 전압이 일정전압 이상 감지되면 동작한다.

전원 차단부(300)는 전압 감지부(200)와 연결되며, 전압 감지부(200)의 동작에 의해 내부 스위치를 온 또는 오프 시켜 배터리 팩(10)에 공급되는 전원을 차단시킨다.

다시 말해, 전압 감지부(200)에 입력된 전압이 과충전 발생 시의 전압, 즉, 과전압이면, 전원 차단부(300)를 이용하여 배터리 팩(10)에 공급되는 전원을 차단시킬 수 있다. 즉, 외부 회로(배터리 관리 장치: BMS) 등에 영향을 받지 않고 배터리 팩(10)의 충전 중에 과충전이 발생되면 배터리 팩(10)에 공급되는 전원을 차단시킴에 따라, 발화 또는 폭발을 방지할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(10)은 배터리 셀과 연결된 파워 릴레이 어셈블리(PRA: Power Relay Assembly)(20) 및 파워 릴레이 어셈블리(20)에 포함된 각각의 릴레이를 제어하는 배터리 관리 장치(BMS: Battery Management System)(30)를 포함하여 구성될 수 있다.

파워 릴레이 어셈블리(20)는 제1 메인 릴레이(+)(21), 제2 메인 릴레이(-)(22), 프치라지(Pre-Charge) 릴레이(23), 프리차지(Pre-Charge) 저항(24)을 포함하여 구성될 수 있다.

제 1메인 릴레이(+)(21)는 배터리 팩(10)의 양극 단자에 연결되고, 배터리 팩(10)과의 전기적인 연결을 차단할 수 있다.

제2 메인 릴레이(-)(22)는 배터리 팩(10)의 음극 단자에 연결되고, 배터리 팩(10)과의 전기적인 연결을 차단할 수 있다.

프리차지 저항(24)과 프리차지 릴레이(23)는 배터리 팩(10)에서 출력되는 전류가 제1 메인 릴레이(21)에 접속하기 전에 프리차지(Pre-Charge) 되도록 하는 것이다. 이를 통해, 제1 메인 릴레이(21)에 바로 접속 시 발생할 수 있는 아크 방전(Arc Discharge)을 방지하여 회로의 안정성을 확보할 수 있다. 이 때, 프리차지 릴레이(23)는 제1 메인 릴레이(+)(21)와 병렬로 연결되고 프리차지 저항(24)은 프리차지 릴레이(23)와 직렬로 연결될 수 있다.

일반적인 배터리 팩(10)은 파워 릴레이 어셈블리(20)를 통해 전기적인 연결 및 차단이 가능하며, 배터리 관리 장치(30)에 의해 파워 릴레이 어셈블리(20)의 각각의 릴레이가 제어된다.

이에 반해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치는 메인 릴레이(21, 22)에 구성되는 코일의 일단은 배터리 관리 장치(30)와 직렬 연결되고, 타단은 전원 차단부(300)와 직렬 연결되어, 배터리 관리 장치(30) 또는 전원 차단부(300)의 제어에 의해 메인 릴레이(21, 22)의 온 또는 오프를 제어할 수 있다.

즉, 배터리 관리 장치(30)의 동작 제어와는 독립적으로, 별도로 전원 차단부(300)가 메인 릴레이(21, 22)를 차단할 수 있다.

더불어, 프리차지 릴레이(23) 역시도 구성되는 코일의 일단은 배터리 관리 장치(30)와 직렬 연결되고, 타단은 전원 차단부(300)와 직렬 연결되어, 배터리 관리 장치(30) 또는 전원 차단부(300)의 제어에 의해 메인 릴레이(21, 22)의 온 또는 오프를 제어할 수 있다.

이에 따라, 배터리 관리 장치(30)의 동작 제어와는 독립적으로, 별도로 전원 차단부(300)가 프리차지 릴레이(23)를 차단할 수 있다.

전원 차단부(300)는 코일부와 스위치부를 포함하여 구성될 수 있다.

코일부는 전압 감지부(200)와 연결된다.

도 2에 도시되지 않았으나, 전압감지부(200)가 전원 차단부(300)의 코일에 전원을 인가 할 수 있다.

스위치부는 배터리 관리 장치(30)의 제어를 받는 릴레이 코일측 선로와 연결된다.

이때, 전압 감지부(200)의 동작에 의해 전원 차단부(300)의 코일부에 전원이 인가되면 전원 차단부(300)의 스위치부가 전기적인 연결을 끊어 릴레이 코일측 선로의 전원을 차단할 수 있다. 즉, 릴레이 코일측 선로의 전원이 차단되어 각각의 릴레이 코일에 전원이 인가될 수 없기 때문에, 배터리 관리 장치(30)에 의한 각각의 릴레이 제어가 불가능하며, 각각의 릴레이는 전기적인 연결이 끊어진 상태를 유지하게 되어 배터리 팩(10)에 공급되는 전원이 차단된다.

다시 말해, 배터리 관리 장치(30)의 제어를 받는 릴레이 코일측 선로와 연결된 전원 차단부(300)에 의해 배터리 팩(10)의 과충전 시 배터리 관리장치의 제어를 받는 릴레이 코일측 전원이 차단됨에 따라, 배터리 관리 장치(30)의 제어와 무관하게 배터리 팩(10)에 공급되는 전원이 차단되어, 배터리 관리 장치(30)의 문제 발생에도 영향을 받지 않고 발화 또는 폭발을 방지할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 입력전압 분배부(100)는 직렬로 연결된 복수개의 저항을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 입력전압 분배부(100)가 배터리 셀의 전압을 분배하는 것은 전압감지부(200)의 동작에 사용되는 전압을 배터리 셀의 과충전 시 나타나는 전압과 비교할 수 있도록 하기 위함이다. 예를 들어, 배터리 셀의 과충전 시 나타나는 전압이 4.75V이고 전압감지부(200)의 동작에 필요한 전압이 2.5V인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 18KΩ과 20KΩ의 저항을 이용하면, 배터리 셀의 전압이 4.75V(과충전 시 전압) 이상인 경우, 전압감지부(200)를 동작시킬 수 있다.

다시 말해, 입력전압 분배부(100)로 입력된 전압(과충전 감지용으로 사용되는 배터리 셀의 전압)이 과충전 시 전압일 경우 전압감지부(200)를 동작시킬 수 있는 전압으로 맞추기 위해 복수 개의 저항을 이용하여 전압을 분배할 수 있다.

입력전압 분배부(100)의 직렬로 연결된 복수개의 저항은, 입력 전압으로 적어도 하나의 배터리 셀 전압을 입력받는지, 혹은 배터리 팩(10) 전체 전압을 입력받는지에 따라서, 그에 맞추어 배터리 저항 값을 선택할 수 있다.

입력전압 분배부에 의해 분배된 전압을 전압감지부의 입력전압으로 사용함에 따라, 다양한 종류(하나의 셀, 다수 개의 셀, 배터리 팩 전체 등)의 전압을 입력전압으로 사용할 수 있고, 또한 전압감지부를 다양하게 구성(전압감지부를 동작시키기 위한 전압에 따른 제약이 없다.)할 수 있는 효과가 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전압 감지부(200)는 션트 레귤레이터로 구성되며 션트 레귤레이터는 애노드, 캐소드 및 레퍼런스 단자를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 션트 레귤레이터의 레퍼런스는 입력전압 분배부(100)의 저항과 저항 사이에 연결되고, 션트 레귤레이터의 캐소드는 입력전압 분배부(100)가 연결된 배터리 셀의 양극과 연결되며, 션트 레귤레이터의 애노드는 입력전압 분배부(100)가 연결된 배터리 셀의 음극과 연결된다.

이때, 입력전압 분배부(100)를 이용하여 분배된 입력전압이 일정전압 이상으로 입력되면 션트 레귤레이터의 캐소드와 애노드가 통전된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 션트 레귤레이터(SR : Shunt Regulator)의 레퍼런스에 기 설정된 전압 크기보다 작은 전압이 인가될 경우, 캐소드와 애노드가 전기적으로 차단된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 션트 레귤레이터(SR : Shunt Regulator)의 레퍼런스에 기 설정된 전압 크기보다 큰 전압이 인가될 경우, 캐소드와 애노드가 통전(동작)된다.

통상적으로 단위 배터리 셀의 충전 전압 크기가 4.2 볼트라는 점을 고려해 보았을 때에, 도 3에 도시된 바와 같이 단위 배터리 셀의 전압을 입력 전압으로 받을 경우, 과충전으로 감지되어야 하는 전압 크기는 4.2볼트에서 5볼트 사이 값이다.

예를 들어, 배터리 셀의 과충전 시 나타나는 전압이 4.75V이고 전압감지부(200)의 동작에 필요한 전압이 2.5V인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 18KΩ과 20KΩ의 저항을 이용하면 배터리 셀의 전압이 4.75V(과충전 시 전압) 이상의 값일때 션트 레귤레이터의 레퍼런스에 2.5V 이상의 값이 인가되고, 이에 따라, 캐소드와 애노드가 통전(동작)된다.

션트 레귤레이터는 외부 온도에 따른 작동전압의 편차가 무접점 릴레이 소자(SSR: Solid State Relay) 등에 비하여 상당히 작기 때문에 높은 정밀도를 필요로 하는 것에 적용할 수 있으며, 이를 이용하여 동작편차를 최소화함으로써 동작정밀도를 높일 수 있다.

과충전으로 감지되어야 하는 전압 크기는 입력 전압으로 적어도 하나의 배터리 셀 전압을 입력받는지 혹은 배터리 팩(10) 전체 전압을 입력받는지에 따라서 그에 맞추어 배터리 과충전 여부를 감지할 수 있는 전압 크기가 결졍될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전원 차단부(300)는 코일부와 스위치부를 포함하여 구성될 수 있다.

코일부는 일측이 입력전압 분배부(100)가 연결된 배터리 셀의 양극과 연결되고, 타측이 션트 레귤레이터의 캐소드와 연결된다.

스위치부는 일측이 배터리 관리 장치(BMS)의 제어를 받는 릴레이 코일측 선로와 연결되고, 타측이 그라운드 공통선(-)과 연결된다.

배터리 팩에 공급되는 전원을 차단하기 위해서는 배터리 팩과 연결된 모든 전기적인 연결을 차단해야 한다. 예를 들어, 파워 릴레이 어셈블리가 배터리 팩에 연결될 경우 제1 메인릴레이(+), 제2 메인릴레이(-) 및 프리차지 릴레이의 전기적인 연결을 차단해야 한다. 각각의 릴레이 모두의 전기적인 연결을 한 번에 차단하기 위해서는, 각각의 릴레이 코일과 연결된 공통 선로의 사이에 전원 차단부(300)를 연결하여 공통선로를 차단하는 것으로 손쉽게 모든 릴레이의 전기적인 연결을 차단할 수 있다.

또한, 과충전 감지회로(코일부와 연결된 회로)와 배터리 팩(10)에 공급되는 전원회로(스위치부와 연결된 회로)를 별도로 구성함에 따라, 평상시 전압감지부에 의해 소비되는 전력을 최소화시킬 수 있다.

전원 차단부(300)는 전압감지부(200)의 동작에 의해 코일부에 전원이 인가되면 스위치부가 동작되며, 별도의 제어가 있기 전까지 동작 상태를 그대로 유지시키는 비복귀 회로로 구성될 수 있다.

코일부에 전원이 인가되면 스위치부가 동작되는 구성으로, 별도의 제어가 있기 전까지 스위치부의 동작 상태를 그대로 유지시켜 준다.

비복귀 회로로 구성된 전원 차단부는 비복귀 회로를 통해서 별도의 제어가 있기 전까지 배터리 모듈로 공급되는 전원을 차단해 줌으로써, 배터리 과충전에 대한 후속 조치가 있기 전까지 추가적인 사고가 발생되는 것을 방지하게 해 줄 수 있다.

또한, 전원 차단부를 비복귀 회로로 구성함에 따라, 과충전 발생 후 별도의 제어가 있기 전까지 배터리 팩(10)에 공급되는 전원을 차단하여 안전성을 높일 수 있다.

전원 차단부(300)는 래칭 릴레이로 구성될 수 있다.

도 3은 전원 차단부(300)로 래칭(Latching) 릴레이 소자가 구비된 형태를 도시하고 있다. 래칭 릴레이 소자는, 별도의 제어를 하기 전까지는 코일에 전류가 끊어져도 접점이 그대로 붙어 있는 상태로 있는 릴레이 소자이다.

예를 들어, 배터리 셀의 과충전 시 나타나는 전압이 4.75V이고 전압감지부(200)의 동작에 필요한 전압이 2.5V인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 셀 전압이 4.75V 미만이면 션트 레귤레이터가 통전불가 상태가 되고 래칭 릴레이 역시 전압 감지부(200)가 동작하지 않은 초기상태를 유지하므로 배터리 관리 장치(30)에 의한 파워릴레이 제어(제1 메인릴레이(+), 제2 메인릴레이(-) 및 프리차지 릴레이의 제어)가 가능하다.

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 셀 전압이 4.75V 이상이면 션트 레귤레이터가 통전 상태가 되고 래칭 릴레이가 동작하여 파워 릴레이 어셈블리의 코일단에 전류가 차단되어 각각의 릴레이(제1 메인릴레이(+), 제2 메인릴레이(-) 및 프리차지 릴레이) 모두가 전기적인 연결이 차단된다.

이때, 래칭 릴레이는 과충전 전압에 근거하여 동작된 이후, 별도의 제어가 있기 전까지 내부 스위치를 계속 현 상태(과충전 차단 상태)로 유지하면서 초기 상태(배터리 관리 장치(30)에 의한 릴레이 제어가 가능한 상태)로 복귀하지 않는다.

그에 따라, 배터리 과충전 상태가 발생되어 래칭 릴레이 의 스위치가 변경된 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 별도의 제어가 있기 전까지 전압 분배부(100)로 입력되는 전압이 배터리 관리 장치(30)로 전달되도록 구성(To BMS:Voltage Sensing)될 수 있다. 다시 말해, 파워 릴레이 어셈블리(20) 내의 릴레이들의 전원 차단 여부에 상관없이 배터리 관리 장치(30)에 과충전 여부를 알려줄 수 있다. 이렇게 감지된 과충전 상태는 차량 외부나 내부에 과충전을 인지할 수 있도록 알람 등을 켜지게 하여 과충전 상황을 알릴 수 있다. 다시 말해, 래칭 릴레이에 별도의 제어가 있기 전까지 지속적으로 배터리 과충전 상태를 알리는 신호가 외부로 제공되도록 해 줌으로써, 배터리 과충전에 대한 후속 조치가 있기 전까지 추가적인 사고가 발생되는 것을 방지하게 해 줄 수 있다.

그 이외에도 래칭 릴레이로 구성된 전원 차단부를 사용함에 따라, 자기유지회로의 별도구성이 필요치 않아 크기, 비용과 무게를 줄일 수 있다.

도 7은 적용 가능한 소자를 이용하여 배터리 과충전 방지장치(1000)를 직접 구현한 예를 보여준다. 이렇게 배터리 과충전 방지장치(1000)를 구성하는 소자들로만 장착된 PCB에 커넥터를 장착하여, 배터리 셀 및 파워 릴레이 어셈블리(20)에 연결할 수 있으며, 하나의 유닛으로 구성되어 배터리 팩(10) 내부 어디든 장착할 수 있어 배치가 자유로운 이점이 있다.

다른 예로, 배터리 셀의 전압을 배터리 관리 장치(30)로 전달하는 센싱PCB에 배터리 과충전 방지장치(1000)에 사용 가능한 소자들을 실장하여 구성할 수 있다. 이 경우, 기존 센싱 PCB 커넥터에 배터리 과충전 방지장치(1000)가 필요한 핀 수만 늘려 커넥터를 추가하지 않아도 구성이 가능하기 때문에 배터리 팩의 크기와 제작 단가와 무게를 줄일 수 있다.

다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 과충전 방지장치(1000)의 장착 위치를 전압 센싱 PCB 또는 배터리 팩(10) 내부 등 위치에 구애받지 않고 장착할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전원 차단부(300)는 전원 차단부(300)의 코일부 사이에 병렬로 연결된 저항을 포함하여 구성될 수 있다.

전원 차단부(300)의 코일과 병렬로 연결된 저항에 의하여 코일 동작 시 발생되는 노이즈를 줄일 수 있고, 전압감지부(200)의 노이즈에 대한 영향을 최소화하여 전압감지부(200)의 정밀도를 높일 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지장치는 배터리 셀의 양단 또는 션트 레귤레이터의 애노드와 션트 레귤레이터의 레퍼런스에 연결되는 안전부(400)를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 안전부(400)는 커패시터, TVS 다이오드 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

도 8은 적용 가능한 소자를 이용하여 배터리 과충전 방지장치를 직접 구현한 예를 보여준다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템 과전압 방지 장치는 배터리 관리 장치(30)와 별도로 배터리 과충전 상태를 감지하는 기능을 제공 가능함으로써, 차량의 안정성 추가 확보 및 ISO26262 규격에 부합하도록 해 준다.

또한, 전기적 방식으로 과충전을 감지하고 배터리 팩에 공급되는 전원을 전기적 방식으로 차단하기 때문에 기계적 방식보다 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10: 배터리 팩
20: 파워 릴레이 어셈블리
21: 제1 메인 릴레이
22: 제2 메인 릴레이
23: 프리차지 릴레이
24: 프리차지 저항
30: 배터리 관리 장치
100: 입력전압 분배부
200: 전압 감지부
300: 전원 차단부

Claims (14)

1. 복수 개의 배터리 셀들을 포함한 배터리 팩에서,
   배터리 관리 장치와 별도로 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 감지하여, 일정전압 이상 감지되면 동작하는 전압 감지부; 및
   배터리 관리 장치와 별도로 상기 전압 감지부의 동작에 의해 내부 스위치를 온 또는 오프 시켜, 상기 배터리 팩과 외부 시스템을 연결해주는 메인 릴레이를 직접 차단시키는 전원 차단부;
   를 포함하는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전압 감지부는,
   아날로그 회로로만 구성되고;
   배터리 셀의 전압이 일정 전압 이상이면, 상기 배터리 관리 장치의 정상동작 또는 오동작 여부와 관계없이 독립적으로 상기 메인 릴레이가 차단되도록, 상기 전원 차단부의 내부 스위치를 온 또는 오프 제어하는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 배터리 시스템 과전압 방지 장치는
   적어도 하나의 배터리 셀의 양단에 연결되며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 분배하는 입력전압 분배부;를 더 포함하며,
   상기 전압 감지부는 상기 입력전압 분배부와 연결되며, 상기 입력전압 분배부를 통해 입력된 전압이 일정전압 이상 감지되면 상기 배터리 팩의 과전압으로 판단하여 상기 메인 릴레이가 차단되도록 동작하는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 전압 감지부는
   상기 배터리 관리 장치와 독립적으로 적어도 하나의 배터리 셀의 전압을 감지하여 일정전압 이상 감지되면 동작할 수 있도록 아날로그 회로로 구성되는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 입력전압 분배부는 직렬로 연결되는 복수 개의 저항을 포함하는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 전압 감지부는
   션트 레귤레이터로 구성되며, 상기 션트 레귤레이터의 레퍼런스는 상기 입력전압 분배부의 저항과 저항 사이에 연결되고, 상기 션트 레귤레이터의 캐소드는 상기 전원 차단부의 일측과 연결되며, 상기 션트 레귤레이터의 애노드는 상기 입력전압 분배부와 연결된 상기 배터리 셀의 음극과 연결되고,
   상기 입력전압 분배부를 이용하여 분배된 입력전압이 일정전압 이상으로 입력되면 상기 션트 레귤레이터의 캐소드와 애노드가 통전되는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 전원 차단부는
   코일부와 스위치부를 포함하는 내부 스위치를 포함하며,
   상기 코일부의 일측은 상기 배터리 셀의 양극과 연결되고 상기 코일부의 타측은 상기 션트 레귤레이터의 캐소드와 연결되며,
   상기 스위치부의 일측은 상기 메인 릴레이의 코일측 선로와 연결되고 상기 스위치부의 타측은 그라운드 공통선과 연결되는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 전원 차단부는
   상기 전압 감지부의 동작에 의해 상기 코일부에 전원이 인가되면 상기 스위치부가 동작되며, 별도의 제어가 있기 전까지 동작 상태를 그대로 유지시키는 비복귀 회로로 구성되는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
   
9. 제 7항에 있어서,
   상기 전원 차단부의 내부 스위치는 래칭 릴레이로 구성되는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
   
10. 제 7항에 있어서,
    상기 전원 차단부는
    상기 전원 차단부의 코일부 사이에 병렬로 연결된 저항을 포함하는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
    
11. 제 7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 양단 또는 상기 션트 레귤레이터의 애노드와 상기 션트 레귤레이터의 레퍼런스에 연결되는 안전부;
    를 더 포함하는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 안전부는
    커패시터, TVS 다이오드 중 선택되는 적어도 어느 하나인 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
    
13. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 셀과 연결되는 파워 릴레이 어셈블리에 포함되는 상기 메인 릴레이의 코일은 상기 배터리 관리 장치와 일단이 직렬 연결되고, 상기 전원 차단부와 타단이 직렬 연결되는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.
    
14. 제 1항에 있어서,
    상기 메인 릴레이를 구성하는 코일의 상기 배터리 셀과 연결되는 파워 릴레이 어셈블리에 포함되는 프리차지 릴레이의 코일은 상기 배터리 관리 장치와 일단이 직렬 연결되고, 상기 전원 차단부와 타단이 직렬 연결되는 배터리 시스템 과전압 방지 장치.

Images