KR101314736B1 - 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치 - Google Patents

자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치에 관한 것으로, 다수의 배터리 셀; 상기 각 배터리 셀에 릴레이가 개별적으로 설치되어 a접점 연결을 통해 상기 배터리 셀 전원이 인가되고, 배터리 셀의 고장이나 저전압시 b접점을 연결을 통해 상기 배터리 셀의 전원을 배제시켜 바이패스하는 구조로서, 직렬 연결되어 외부의 부하와 연결되는 다수의 릴레이 회로를 포함하되, 각 배터리 셀이 정상 작동할 경우는 a접점의 연결을 유지하고, 적어도 어느 하나의 배터리 셀이 고장(open cell) 또는 저전압 상태인 경우, 고장 또는 저전압 상기 배터리 셀의 접점연결이 자동적으로 상기 b접점으로 변경되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치는 다양한 환경과 조건에서 발생할 수 있는 적어도 어느 하나의 배터리 셀 고장으로 인하여 전기자동차 모터구동의 전원차단을 자동적으로 방지하여 전력공급이 차단된 후 배터리 시스템의 관리를 위한 BMS(Battery Management System)가 고장난 배터리 셀을 제거하는 절차를 거쳐 전원을 복원시킬 필요가 없어진다는 장점이 있다.

Description

자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치 {serial battery pack automatic recovery mechanism}
본 발명은 자동차용 직렬 배터리 팩(battery pack) 고장 자동복원 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 어느 배터리 셀 고장으로 인하여 전기자동차의 운전 불능상태를 방지하고, 전력공급을 자동으로 유지하여 전기자동차의 운전이 가능하도록 유지해주는 장치이다.
전기자동차는 차체에 탑재한 배터리팩의 DC전압으로 인버터 시스템(inverter system)을 작동시켜 3상 AC 전압을 만든 후, 전기자동차에 구비된 유도 전동모터를 구동하여 움직이는 구조로 이루어져 있다. 다른 방법은 배터리의 DC전압으로 펄스발생기를 거쳐 BLDC(brushless direct current) 모터를 이용해서 자동차의 바퀴를 구동시킨다. 현재 상용화된 배터리팩의 구동 전압은 다양하며 방전시의 전압은 완전 충전시 전압의 45-50% 정도이다. 배터리팩의 방전, 충전, 수명연장 및 보호를 위해 여러가지 기능을 갖춘 다양한 종류의 BMS(Battery Management System)으로 전기자동차들의 동력원을 감지 제어한다.
리튬 배터리 셀(cell)(11) 하나의 공칭전압은 종류에 따라 1.5-3.7V 정도 이다. 따라서 사용 중인 구동 모터의 종류 및 정격 전압에 따라 4-32개의 셀을 직렬로 연결하여 하나의 배터리 모듈(module)(10)을 구성하여, 이 모듈을 필요에 따라 직렬 또는 병렬로 연결하여 인버터나 펄스발생기를 거쳐 전기자동차의 모터를 구동시킨다.
배터리 셀의 공칭 전압이 3V인 셀 12개를 직렬로 연결하여 하나의 모듈(10)로 구성하여 여덟개의 모듈을 다시 직렬로 연결한다면 288V의 배터리팩(20)이 만들어진다. 이 배터리팩(20)을 전기자동차(30)에 장착하여 동력원으로 사용함으로써 모터를 구동하게 된다.
배터리팩(20)의 전압은 충전 및 방전 상태에 따라 전압이 변동된다. 상기와 같이 배터리팩(20)의 전압을 만들기 위해서는 여러 개의 모듈을 직렬로 연결하였으나 실제로는 모든 셀(11)을 직렬로 연결한 것과 마찬가지이다. 만약, 셀(11) 하나가 고장 또는 불량(open cell)으로 인해 회로 연결이 단선되면, 배터리팩(20)의 양 단자에는 전압이 발생되지 않음으로 전기가 공급되지 않는 전기자동차(30)는 구동이 불가능해진다.
여기서 고장난 셀(11)을 직렬로 연결된 회로에서 제거하고 나머지 셀들을 연결시킨다면 배터리팩(20)의 전압은 감소하더라도 배터리팩의 방전전압 이전까지는 모터의 구동이 가능해진다.
이처럼 종래의 배터리팩(20)은 적어도 어느 하나의 셀이 고장 또는 불량으로 단선 되어 자동차에 공급되는 배터리 전원이 차단되기 때문에, 자동차의 구동이 멈추게 되어 위험을 초래하거나 전력공급의 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.
상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 다양한 환경과 조건에서 발생할 수 있는 적어도 어느 하나의 배터리 셀 고장으로 인하여 전기자동차 모터구동의 전원차단을 방지하고, 교체를 위해 고장난 셀의 확인이 용이할 뿐만 아니라, 안정성이 높고 용이하게 관리할 수 있는 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치를 제공하기 위함이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징은 다수의 배터리 셀; 상기 각 배터리 셀에 릴레이가 개별적으로 설치되어 a접점 연결을 통해 상기 배터리 셀 전원이 인가되고, 배터리 셀의 고장이나 저전압시 b접점을 연결을 통해 상기 배터리 셀의 전원을 배제시켜 바이패스하는 구조로서, 직렬 연결되어 외부의 부하와 연결되는 다수의 릴레이 회로를 포함하되, 각 배터리 셀이 정상 작동할 경우는 a접점의 연결을 유지하고, 적어도 어느 하나의 배터리 셀이 고장(open cell) 또는 저전압 상태인 경우, 고장 또는 저전압 상기 배터리 셀의 접점연결이 자동적으로 상기 b접점으로 변경되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 적어도 어느 하나의 배터리 셀은, 상기 배터리 셀이 다수개 연결된 배터리 모듈인 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 릴레이회로의 b접점과 연결되어, 접점연결 여부를 감지하는 접점 감지장치를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 접점 감지장치는, 상기 b접점으로 연결을 감지하는 압전센서; 및 상기 압전센서의 신호를 통해 점등하는 LED를 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명에 따른 자동차용 직렬 배터리 팩(battery pack) 고장 자동복원 장치는 다양한 환경과 조건에서 발생할 수 있는 적어도 어느 하나의 배터리 셀 고장으로 인하여 전기자동차 모터구동용 전원 차단으로 인한 전기자동차의 급작스런 운전불능 상태를 자동적으로 방지하여 위험한 상황이 발생하지 않도록 해준다. 이로서 전력공급의 안전성을 높이고, 전원공급이 차단된 후 배터리 시스템의 관리를 위한 BMS(Battery Management System)가 고장난 배터리 셀을 제거하는 절차를 거쳐 전원을 복원시킬 필요가 없어진다.
또한, 회로 구성이 간단하고 설치가 용이할 뿐만 아니라, 종래의 BMS에 의한 제어에 발생할 수 있는 시스템 오류 발생을 현저히 줄이고 안전성을 높일 수 있는 큰 장점이 있다.
도 1은 종래의 전기자동차용 배터리 팩의 구성을 나타낸 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 직렬 배터리 팩(battery pack) 고장 자동복원 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 자동차용 직렬 배터리 팩(battery pack) 고장 자동복원 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.
이하에서 본 발명에 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 다수의 배터리 셀(100); 및 상기 각 배터리 셀(100)에 개별적으로 설치되어 a접점(210)을 통해 상기 배터리 셀(100)의 전원을 인가하고, b접점(230)을 통해 상기 배터리 셀(100)의 전원을 배제시켜 바이패스하는 구조로서, 직렬연결되어 외부의 부하와 연결되는 다수의 릴레이 회로(200)를 포함하되, 각 배터리 셀(100)이 정상 작동할 경우는 a접점(210)의 연결을 유지하고, 적어도 어느 하나의 배터리 셀(100)이 전기가 도통되지 않는 경우나 배터리 셀(100)의 전압이 지나치게 낮은 경우 b접점(230)으로 연결을 변경하는 것을 특징으로 한다.
이처럼 본 발명은 다수개의 직렬로 연결된 배터리 셀(100) 각각에 릴레이 회로(200)를 설치하고, 상기 릴레이 회로(200)는 정상 작동시 연결되는 a 접점과, 셀(100) 고장 또는 저전압시 b접점(230)으로 연결되어 바이패스(bypass) 되는 구조로서, 다수개의 배터리 셀(100) 중 어느 하나가 방전되거나 고장시에 전체 배터리 전원이 차단되는 것을 방지하기 위해 b 접점으로 바이패스 시켜 전체 배터리 전원 연결을 유지하는 것을 특징으로 한다.
즉, 직렬로 연결된 다수개의 배터리 셀(100) 각각에 릴레이 회로(200)를 설치하게 되면, 적어도 어느 하나의 배터리 셀(100)이 고장시에 배터리 양 단자간 전압이 0이 되어 전원이 차단되는 경우나 전압이 낮아 릴레이의 코일을 작동시키지 못할 경우, 릴레이 회로(200')의 접점이 순간적으로 변경되어 상기 고장난 배터리 셀을 배제시켜 바이패스(bypass) 시킴으로써, 전체 배터리 전원 인가를 유지시키는 구조이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치는 각 배터리 셀(100) 또는 여러 배터리 셀(100)이 모여 만들어진 모듈에 8접점식 릴레이 회로(200) 장치를 장착하여 셀(100) 또는 모듈에 전기가 일정 수준 이상 흐르면 릴레이 코일이 자성을 띄게 되어 두개의 a 접점이 닫혀 있게 되고, 셀(100) 또는 모듈의 전압이 일정수준 이하이거나 고장(open cell)이 났을 때에는 코일에 자성이 없어져 릴레이 회로(200') 장치의 a접점(210)은 열리고 b접점(230)이 닫히면서 공급전원 전체의 전압에 해당 셀(100)이 영향을 전혀 미치지 못하게 되는 장치이다. 즉, 해당 배터리 셀(100) 또는 모듈만큼의 전압 강하만 발생하고 전압이 "0"으로 가지 않도록 방지하는 것이다.
여기서, 상기 배터리 셀(100)의 형태는 하나의 배터리 셀로 이루어진 단일 셀도 가능하고, 다수의 셀이 직렬로 연결된 배터리 셀 모듈인 경우도 가능하다. 즉, 하나의 셀 각각에 상기 릴레이회로가 연결된 구조일 수 있고, 다수의 셀이 질렬 연결된 셀 모듈 다수개가 직렬 연결되어 있는 경우, 상기 배터리 셀 모듈 각각에 상기 릴레이회로가 설치되 구조도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치는 어느 하나의 배터리 셀(100)의 고장으로 배터리 팩 전체 전압이 차단되어 동력에 큰 손실을 발생하는 것을 방지하기 위한 구조로, 회로 구성이 간단하고 설치가 용이할 뿐만 아니라, 종래의 BMS에 의한 제어에 발생할 수 있는 시스템 오류 발생을 현저히 줄이고 안전성을 높일 수 있는 큰 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 자동차용 직렬 배터리 팩(battery pack) 고장 자동복원 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 다수의 배터리 셀(100); 상기 각 배터리 셀(100)에 개별적으로 설치되어 a접점(210)을 통해 상기 배터리 셀(100)의 전원을 인가하고, b접점(230)을 통해 상기 배터리 셀(100)의 전원을 배제시켜 바이패스하는 구조로서, 직렬 연결되어 외부의 부하와 연결되는 다수의 릴레이 회로(200); 및 b접점(230)과 연결되어, 접점연결 여부를 감지하는 접점 감지장치를 포함하되, 각 배터리 셀(100)이 정상 작동할 경우는 a접점(210)의 연결을 유지하고, 적어도 어느 하나의 배터리 셀(100)이 고장(open cell) 또는 저전압인 경우, 고장난 상기 배터리 셀 릴레이 회로(200')의 접점연결이 b접점(230)으로 변경되는 것을 특징으로 한다.
여기서 접점 감지장치는 상기 b접점(230)으로 연결을 감지하는 압전센서(233); 및 상기 압전센서의 신호를 통해 점등하는 LED(235)를 포함하여 구성되고, 상기 릴레이 회로(200')의 접점연결이 b접점(230)으로 변경되는 경우, b접점(230)에 설치된 압전소자(233)에 의해 전기 신호를 발생하고, 상기 전기 신호를 LED(235) 소자로 연결하여 점등시키는 구조로 형성한다.
본 발명의 실시예는 어는 하나의 배터리 셀(100)이 고장난 경우에도 전체 전원을 유지시킬 수 있도록 해당 배터리 셀(100)에 설치된 릴레이 회로(200)를 통해 바이패스 시켜 전체 전원을 유지할 수 있는 구조이지만, 상기 고장난 셀을 확인하기 위해서는 BMS와 같은 외부의 감지시스템을 필요로 하거나, 각 배터리 셀(100)의 전압을 측정하여만 알 수 있지만, 본 발명의 실시예에서는 b접점(230)에 설치된 압전소자(233)와 LED(235)를 통해 고장이 발생할 경우 바로 눈으로 확인할 수 있는 큰 장점이 있다.
따라서 본 발명의 실시예는 어는 하나의 배터리 셀(100)의 고장난 경우에도, 자동차를 구동하는 구동 모터(부하)(300)에 인가되는 전원은 계속 인가되지만, 전체 전압이 떨어지기 때문에 고장난 배터리 셀(100)을 교체할 때, LED(235) 점등 상황을 보고 해당 배터리 셀(100)을 용이하게 교체할 수 있게 된다.
이처럼, 본 발명의 실시예 따른 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치는 배터리 및 릴레이 회로(200)의 간단한 연결로, 다양한 환경과 조건에서 발생할 수 있는 적어도 어느 하나의 배터리 셀(100) 고장으로 인하여 전기자동차 모터구동용 차단으로 인한 전기자동차의 급작스런 운전불능 상태를 자동적으로 방지하여 위험한 상황이 발생하지 않도록 해준다. 이로써 전력공급의 안전성을 높이고, 전원공급이 차단된 후 배터리 시스템의 관리를 위한 BMS(Battery Management System)가 고장난 배터리 셀을 제거하는 절차를 거쳐 전원을 복원시킬 필요가 없어진다.
또한, 회로 구성이 간단하고 설치가 용이할 뿐만 아니라, 종래의 BMS에 의한 제어에서 발생할 수 있는 시스템 오류 발생을 줄이고 안전성을 높일 수 있는 큰 장점이 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
배터리 셀: 100, 배터리 셀 모듈(150), 릴레이 회로(200),
200' 고장난 셀의 릴레이 회로 210: a접점, 230: b접점, 부하: 300

Claims (4)

  1. 다수의 배터리 셀;
    상기 각 배터리 셀에 릴레이가 개별적으로 설치되어 a접점 연결을 통해 상기 배터리 셀 전원이 인가되고, 배터리 셀의 고장이나 저전압시 b접점을 연결을 통해 상기 배터리 셀의 전원을 배제시켜 바이패스하는 구조로서, 상기 각각의 배터리 셀이 직렬 연결되어 외부의 부하와 연결되는 다수의 릴레이 회로;
    상기 각 릴레이 회로의 b접점에 설치되는 것으로, 상기 b 점점의 접점연결 여부를 감지하고, 상기 적어도 어느 하나의 배터리 셀의 고장이나 저전압인 상태를 표시하는 접점 감지장치를 포함하되;
    각 배터리 셀이 정상 작동할 경우는 a접점의 연결을 유지하고, 적어도 어느 하나의 배터리 셀이 고장(open cell) 또는 저전압 상태인 경우, 고장 또는 저전압 상기 배터리 셀의 접점연결이 자동적으로 상기 b접점으로 변경되는 것을 특징으로 하는 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 어느 하나의 배터리 셀은,
    상기 배터리 셀이 다수개 연결된 배터리 모듈인 것을 특징으로 하는 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각 릴레이회로의 b접점과 연결되어, 접점연결 여부를 감지하는 접점 감지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접점 감지장치는,
    상기 b접점으로 연결을 감지하는 압전센서; 및
    상기 압전센서의 신호를 통해 점등하는 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 직렬 배터리팩 고장 자동복원 장치.
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