KR101487574B1 - 이차 전지의 과전압 보호 장치, 보호 방법 및 전지 팩 - Google Patents

이차 전지의 과전압 보호 장치, 보호 방법 및 전지 팩 Download PDF

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Abstract

이차 전지의 과전압 보호 장치는 주 릴레이, 보조 유닛, 및 과전압이 검출됨에 따라 전지 모듈을 보호하는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 상기 전지 모듈이 발전기에 의해 충전되는 정상 상태에서 상기 주 릴레이를 ON 시키고, 상기 과전압이 검출되면, 상기 보조 유닛을 동작시킨 후 상기 주 릴레이를 OFF 시켜 강하된 전압이 흐르도록 한다.

Description

이차 전지의 과전압 보호 장치, 보호 방법 및 전지 팩{OVERVOLTAGE PROTECTION APPARATUS FOR SECONDARY BETTERY, PROTECTION METHOD AND BATTERY PACK}
본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차 전지의 과전압 보호 장치와 이를 이용한 보호 방법 및 전지 팩에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차 전지에 대한 중요성이 증가되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 기존의 납 축전지와, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차 전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다. 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등을 들 수 있다. 이 중에서, 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하다.
리튬 이차 전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온 전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있다. 그리고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
이차 전지가 과전압 또는 과전류 상태가 되면, 안전성을 보장하기 어렵기 때문에 이차 전지의 과전압 상태를 감지하고 보호하기 위한 다양한 방법이 게시되고 있다.
한국공개특허 제2010-0005371호 "휴대용 단말의 배터리 보호 장치 및 방법"는 충전 단자로부터 배터리 셀로 인가되는 과전류를 차단하는 제 1 보호 회로 및 단말 회로로부터 상기 배터리 셀로 인가되는 과전류를 차단하는 제 2 보호 회로를 포함하는 보호 장치를 게시하고 있다.
전기 자동차에 사용되는 이차전지는 일반적으로 100A 내지 300A의 대용량을 제공하는 것이 필요하다. 대용량의 이차전지에 대해 과전압으로 인한 손상을 방지할 수 있는 기법이 필요하다.
한국공개특허 제2010-0005371호, 한국공개특허 제2009-0072281호, 미국등록특허 제6762589호
본 발명은 복수의 릴레이를 이용한 이차 전지의 과전압 보호 장치를 제공한다.
본 발명은 또한 복수의 릴레이를 이용한 이차 전지의 과전압 보호 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 복수의 릴레이를 이용한 이차 전지의 과전압 보호 장치를 이용한 전지 팩을 제공한다.
일 양태에 있어서, 이차 전지의 과전압 보호 장치는 전지 모듈과 발전기 간의 연결을 1차적으로 ON/OFF 시키는 주 릴레이, 상기 전지 모듈과 상기 발전기 간의 전압을 강하시키는 보조 유닛, 및 과전압이 검출됨에 따라 상기 전지 모듈을 보호하는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 상기 전지 모듈이 상기 발전기에 의해 충전되는 정상 상태에서 상기 주 릴레이를 ON 시키고, 상기 과전압이 검출되면, 상기 보조 유닛을 동작시킨 후 상기 주 릴레이를 OFF 시켜 강하된 전압이 흐르도록 한다.
상기 보조 유닛은 상기 주 릴레이와 병렬로 연결되는 제1 보조 릴레이 및 제1 저항, 및 상기 주 릴레이와 직렬로 연결되는 제2 보조 릴레이 및 제2 저항을 포함할 수 있다.
상기 정상 상태에서 상기 제1 및 제2 보조 릴레이는 OFF 이고, 상기 과전압이 검출되면, 상기 제어기는 상기 제1 및 제2 보조 릴레이를 ON 시킬 수 있다.
상기 제어기는 상기 제1 및 제2 보조 릴레이가 ON 된 후 일정 시간 동안 일정 값 이상의 전압이 검출되면 상기 제1 및 제2 보조 릴레이를 OFF 시킬 수 있다.
상기 전지 모듈은 복수의 이차 전지 셀을 포함하고, 상기 전지 모듈의 용량은 100A 내지 300A 일 수 있다.
다른 양태에서, 이차 전지의 과전압 보호 방법은 전지 모듈이 발전기에 의해 충전되는 정상 상태에서 상기 전지 모듈과 상기 발전기 간의 연결을 1차적으로 ON/OFF 시키는 주 릴레이를 ON 시키는 단계, 상기 전지 모듈과 상기 발전기 간에 과전압을 검출하는 단계, 및 상기 과전압이 검출되면, 보조 유닛을 동작시킨 후 상기 주 릴레이를 OFF 시켜 강하된 전압이 흐르도록 하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 전지 팩은 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 전지 모듈, 및 상기 전지 모듈의 충전 상태를 모니터링하고, 상기 전지 모듈의 과전압으로 인한 손상을 방지하는 전지 관리 모듈을 포함한다. 상기 전지 관리 모듈은 상기 전지 모듈과 발전기 간의 연결을 1차적으로 ON/OFF 시키는 주 릴레이, 상기 전지 모듈과 상기 발전기 간의 전압을 강하시키는 보조 유닛, 및 과전압이 검출됨에 따라 상기 전지 모듈을 보호하는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 상기 전지 모듈이 상기 발전기에 의해 충전되는 정상 상태에서 상기 주 릴레이를 ON 시키고, 상기 과전압이 검출되면, 상기 보조 유닛을 동작시킨 후 상기 주 릴레이를 OFF 시켜 강하된 전압이 흐르도록 한다.
과전압이 검출되더라도, 강하된 전압을 제공하여 일시적인 과전압으로 인해 전원이 완전히 차단되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 방법을 나타낸 흐름도이다.
전기 자동차(electric vehicle)는 추진력으로 하나 또는 그 이상의 전기 모터를 포함하는 차량을 말한다. 전기 자동차를 추진하는 데 사용되는 에너지는 재충전가능한 배터리 및/또는 연료 전지와 같은 전기적 소스(electrical source)를 포함한다. 전기 자동차는 내연 기관(combustion engine)을 또 하나의 동력원으로 사용하는 하이브리드 전기 자동차일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차를 나타낸 블록도이다.
전기 자동차(100)는 전지 팩(110), ECU(Electronic Control Unit, 120), 발전기(generator, 130), 및 모터(140)를 포함한다.
전지 팩(110)은 전기 자동차(100)의 구동에 사용되는 전기적 축전 소스이다. 전지 팩(110)은 부하인 모터(140)에 구동력을 제공하고, 모터(140) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 발전기(130)에 의해 충전될 수 있다. 상기 전지 팩(110)의 용량은 100A 내지 300A일 수 있다.
전지 팩(110)은 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 전지 모듈(112) 및 상기 전지 모듈(112)의 충전 상태를 모니터링하는 전지 관리 모듈(114)을 포함한다. 전지 관리 모듈(114)은 후술하는 전지 모듈(112)의 과전압로 인한 손상을 방지하는 과전압 보호 장치(도 2의 200)를 포함할 수 있다.
ECU(120)는 전기 자동차(100)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다.
발전기(130)는 모터(140) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 전지 팩(110)을 충전한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 장치를 나타낸 블록도이다.
과전압 보호 장치(200)는 주 릴레이(main relay, 210), 보조 유닛(230) 및 제어기(240)를 포함한다.
주 릴레이(210)는 전지 모듈(112)과 발전기(130) 및/또는 모터(140) 간의 연결을 1차적으로 ON/OFF 시킨다. 여기서, 'OFF' 란 해당되는 연결이 끊어지는 것을 의미하고, 'ON'는 그 반대이다.
보조 유닛(230)은 과전압이 검출됨에 따라 전압 강하를 위한 유닛이다. 보조 유닛(230)은 제1 보조 릴레이(231), 제1 저항(232), 제2 보조 릴레이(233), 및 제2 저항(234)을 포함한다. 제1 보조 릴레이(231) 및 제1 저항(232)은 주 릴레이(210)와 병렬로 연결된다. 제2 보조 릴레이(233) 및 제2 저항(234)은 주 릴레이(210)와 직렬로 연결된다.
전압 센서(290)는 전지 모듈(112)과 발전기(130) 및/또는 모터(140) 간의 연결에 흐르는 전압을 측정한다. 전압 센서(290)는 전지 팩(110)의 일부일 수 있고, 또는 전지 팩(110)의 외부에 배치될 수 있다.
제어기(240)는 측정된 전압을 이용하여 과전압이 흐르는지 여부를 검출하고, 과전압가 검출됨에 따라 보조 유닛(230)을 동작시켜 전지 모듈(112)을 보호한다.
전지 모듈(112)이 발전기(130)에 의해 충전되거나, 전지 모듈(112)에 의해 모터(140)가 구동될 때, 정상적인 전류가 흐르는 정상 상태에서, 제어기(240)는 주 릴레이(210)는 ON 이다. 보조 유닛(230)은 동작하지 않는다. 즉, 제1 보조 릴레이(231)와 제2 보조 릴레이(233)는 OFF 이다.
과전압이 검출되면, 제어기(240)는 보조 유닛(230)을 동작시키고 주 릴레이(210)를 OFF 시킨다. 따라서, 강하된 전압이 전지 모듈(112)에 공급되도록 한다.
보조 유닛(230)이 동작되면, 제1 보조 릴레이(231)와 제2 보조 릴레이(233)는 ON 이 된다. 제1 보조 릴레이(231) 및 제2 보조 릴레이(233)가 ON 됨에 따라, 제1 저항(232) 및 제2 저항(234)에 전류가 흐른다. 제1 저항(232) 및 제2 저항(234)은 전지 모듈(112)에 걸리는 전압의 크기를 낮추는 분압 저항의 역할을 수행한다.
보조 유닛(230)이 동작된 후 일정 시간 동안 일정 값 이상의 전압이 검출되면 제1 보조 릴레이(231)와 제2 보조 릴레이(233) 모두를 OFF 시킨다.
과전압이 검출되면, 보조 유닛(230)을 통해 강하된 전압을 제공하여 이차 전지를 보호한다. 만약 일정 시간 경과 후에도 전압의 크기가 줄어들지 않으면, 전압을 차단한다. 따라서, 일시적으로 과전압이 검출되더라도 전지 모듈(112)을 완전히 차단하지 않고, 일정 시간 동안 감소된 전압을 제공할 수 있다.
도 2의 실시예는 과전압 보호 장치(200)가 전지 팩(110)의 일부인 예를 나타낸다. 하지만, 과전압 보호 장치(200)는 전지 팩의 외부에 독립적인 장치로 배치될 수 있다. ECU(120)가 과전압 보호 장치(200)의 제어기(240)의 기능을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 보호 방법을 나타낸 흐름도이다. 이 방법은 도 2의 과전압 보호 장치(200)에 의해 수행될 수 있다.
정상 상태에서 주 릴레이는 ON, 제1 및 제2 보조 릴레이는 OFF 된다(S310). 정상 상태는 전지 모듈이 발전기에 의해 충전되거나, 전지 모듈에 의해 모터가 구동될 때, 정상적인 크기의 전압이 제공되는 상태이다.
제어기는 전지 모듈과 발전기/모터 간에 과전압을 검출한다(S320).
과전압이 검출되면, 제어기는 제1 및 제2 보조 릴레이를 ON 시킨 후 주 릴레이를 OFF 시킨다(S330). 강하된 전압이 전지 모듈에 제공된다.
제어기는 제1 및 제2 보조 릴레이가 ON 된 후 일정 시간 동안 일정 값 이상의 전압이 검출되는지 여부를 확인한다(S340).
일정 값 이상의 전압이 검출되면 제1 및 제2 보조 릴레이를 OFF 시킨다(S350). 만약, 일정 시간 동안 일정 값 이상의 전압이 검출되지 않으면 다시 정상 상태로 복귀한다.
제어기는 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 실시예가 소프트웨어로 구현될 때, 상술한 기법은 상술한 기능을 수행하는 모듈(과정, 기능 등)로 구현될 수 있다. 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다.
상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 이차 전지의 과전압 보호 장치에 있어서,
    전지 모듈과 발전기 간의 연결을 1차적으로 ON/OFF 시키는 주 릴레이;
    상기 전지 모듈과 상기 발전기 간의 전압을 강하시키며, 상기 주 릴레이와 병렬로 연결되는 제1 보조 릴레이 및 상기 주 릴레이와 직렬로 연결되는 제2 보조 릴레이를 포함하는 보조 유닛; 및
    과전압이 검출됨에 따라 상기 전지 모듈을 보호하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는
    상기 전지 모듈이 상기 발전기에 의해 충전되는 정상 상태에서는, 상기 주 릴레이를 ON 시키고 상기 보조 유닛의 제1 및 제2 보조 릴레이를 OFF 시키며,
    상기 과전압이 검출되면, 상기 제어기는 상기 보조 유닛의 제1 및 제2 보조 릴레이를 ON 시키고 상기 주 릴레이를 OFF 시켜 강하된 전압이 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 과전압 보호 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 유닛은
    상기 제1 보조 릴레이와 직렬로 연결되는 제1 저항; 및
    상기 제2 보조 릴레이와 직렬로 연결되는 제2 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 과전압 보호 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 및 제2 보조 릴레이가 ON 된 후 일정 시간 동안 일정 값 이상의 전압이 검출되면 상기 제1 및 제2 보조 릴레이를 OFF 시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 과전압 보호 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전지 모듈은 복수의 이차 전지 셀을 포함하고, 상기 전지 모듈의 용량은 100A 내지 300A 인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 과전압 보호 장치.
  6. 이차 전지의 과전압 보호 방법에 있어서,
    전지 모듈이 발전기에 의해 충전되는 정상 상태에서 상기 전지 모듈과 상기 발전기 간의 연결을 1차적으로 ON/OFF 시키는 주 릴레이를 ON 시키고, 상기 주 릴레이와 병렬로 연결된 보조 유닛의 제1 보조 릴레이 및 상기 주 릴레이와 직렬로 연결된 보조 유닛의 제2 보조 릴레이를 OFF 시키는 단계;
    상기 전지 모듈과 상기 발전기 간에 과전압을 검출하는 단계; 및
    상기 과전압이 검출되면, 상기 보조 유닛의 제1 및 제2 보조 릴레이를 ON 시키고 상기 주 릴레이를 OFF 시켜 강하된 전압이 흐르도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 과전압 보호 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 보조 유닛은
    상기 제1 보조 릴레이와 직렬로 연결되는 제1 저항; 및
    상기 제2 보조 릴레이와 직렬로 연결되는 제2 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 과전압 보호 방법.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 보조 릴레이가 ON 된 후 일정 시간 동안 일정 값 이상의 전압이 검출되면 상기 제1 및 제2 보조 릴레이가 OFF 되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 과전압 보호 방법.
  10. 복수의 이차 전지 셀을 포함하는 전지 모듈; 및
    상기 전지 모듈의 충전 상태를 모니터링하고, 상기 전지 모듈의 과전압으로 인한 손상을 방지하는 전지 관리 모듈을 포함하되,
    상기 전지 관리 모듈은
    상기 전지 모듈과 발전기 간의 연결을 1차적으로 ON/OFF 시키는 주 릴레이;
    상기 전지 모듈과 상기 발전기 간의 전압을 강하시키며, 상기 주 릴레이와 병렬로 연결되는 제1 보조 릴레이 및 상기 주 릴레이와 직렬로 연결되는 제2 보조 릴레이를 포함하는 보조 유닛; 및
    과전압이 검출됨에 따라 상기 전지 모듈을 보호하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는
    상기 전지 모듈이 상기 발전기에 의해 충전되는 정상 상태에서는 상기 주 릴레이를 ON 시키고 상기 보조 유닛의 제1 및 제2 보조 릴레이를 OFF 시키며,
    상기 과전압이 검출되면, 상기 제어기는 상기 보조 유닛의 제1 및 제2 보조 릴레이를 ON 시키고 상기 주 릴레이를 OFF 시켜 강하된 전압이 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 보조 유닛은
    상기 제1 보조 릴레이와 직렬로 연결되는 제1 저항; 및
    상기 제2 보조 릴레이와 직렬로 연결되는 제2 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 및 제2 보조 릴레이가 ON 된 후 일정 시간 동안 일정 값 이상의 전압이 검출되면 상기 제1 및 제2 보조 릴레이를 OFF 시키는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
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