KR101686280B1 - 배터리 관리 시스템 및 그의 스위칭 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 배터리 관리 시스템 및 그의 스위칭 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 릴레이의 턴오프(개방) 시 아크 및 스파크 현상을 방지하여 릴레이의 융착 현상을 방지하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 배터리 팩과 부하의 사이에 연결된 제1메인 릴레이; 상기 제1메인 릴레이에 병렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 제1서브 릴레이 소자를 포함하는 제1서브 릴레이; 및, 상기 제1메인 릴레이 및 상기 제1서브 릴레이를 제어하도록 하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 팩이 상기 부하로부터 전기적으로 분리될 때, 상기 제1서브 릴레이가 턴온되었을 경우에만 상기 제1메인 릴레이가 턴 오프되도록 상기 제1메인 릴레이 및 상기 제1서브 릴레이 소자를 제어하는 배터리 관리 시스템 및 그의 스위칭 방법을 제공한다.

Description

배터리 관리 시스템 및 그의 스위칭 방법{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND SWITCHING METHOD THEREOF}
본 발명의 일 실시예는 배터리 관리 시스템 및 그의 스위칭 방법에 관한 것이다.
가솔린이나 디젤을 연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해 발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여, 전기 자동차 또는 하이브리드(hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기 자동차는 배터리에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 모터를 이용하는 자동차이다. 이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(배터리 셀)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리 팩을 주동력원으로 이용하기 때문에 배기 가스가 전혀 없으며 소음이 작은 장점이 있다. 또한, 하이브리드 자동차라 함은 내연 엔진을 이용하는 자동차와 전기 자동차의 중간 단계의 자동차로서, 두 가지 이상의 동력원, 예컨대 내연 엔진 및 배터리를 사용하는 자동차이다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 배터리 셀의 성능이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 각 배터리 셀의 전압, 전체 배터리 팩의 전압, 전류 및 온도 등을 측정하여 각 배터리 셀의 충전 및 방전을 효율적으로 관리할 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)이 필요하다.
한편, 이러한 배터리 관리 시스템은 배터리의 전원을 모터에 공급하거나, 제너레이터의 전원을 배터리에 공급하거나, 또는 위험 상황에서 전원을 차단하기 위한 다수의 릴레이를 갖는다. 이러한 릴레이는 특성상 전류가 흐르지 않는 상황보다 전류가 흐르는 상황에서 턴오프(개방)될 경우 상대적으로 더 큰 스트레스를 받는다. 특히, 전류가 흐르는 상황에서 릴레이가 턴오프될 경우 릴레이에 아크 및 스파크가 발생하면서 릴레이가 용착되는 경우가 많다.
본 발명의 일 실시예는 릴레이의 턴오프 시 아크 및 스파크 현상을 방지하여 릴레이의 융착 현상을 방지할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 그의 스위칭 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은 배터리 팩과 부하의 사이에 연결된 제1메인 릴레이; 상기 제1메인 릴레이에 병렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 제1서브 릴레이 소자를 포함하는 제1서브 릴레이; 및, 상기 제1메인 릴레이 및 상기 제1서브 릴레이를 제어하도록 하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리 팩이 상기 부하에 전기적으로 연결될 때 상기 제1메인 릴레이의 턴온 시 상기 제1서브 릴레이가 턴오프되어 있도록 하고, 상기 배터리 팩이 상기 부하로부터 전기적으로 분리될 때 상기 제1메인 릴레이의 턴오프 직전에만 상기 제1서브 릴레이가 턴온되도록 한다.
상기 제1서브 릴레이 소자는 상기 제1서브 릴레이에 직렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 저항을 더 포함할 수 있다.
삭제
상기 컨트롤러는 상기 제1메인 릴레이의 턴오프 이후에 상기 제1서브 릴레이를 턴오프하도록 할 수 있다.
상기 배터리 팩은 제1,2전극을 포함하고, 상기 제1메인 릴레이는 제1전극과 상기 부하의 사이에 연결되고, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 제2전극과 상기 부하의 사이에 연결된 제2메인 릴레이를 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 제2메인 릴레이를 제어하도록 하고, 상기 컨트롤러는 상기 제1서브 릴레이가 턴온되고 상기 제1메인 릴레이가 턴오프된 경우에만 상기 제2메인 릴레이를 턴오프하도록, 상기 제1메인 릴레이, 상기 제1서브 릴레이 소자 및 상기 제2메인 릴레이를 제어하도록 할 수 있다.
제2서브 릴레이를 포함하는 제2서브 릴레이 소자를 포함하고, 상기 제2서브 릴레이 소자는 상기 제2메인 릴레이에 병렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결될 수 있다.
상기 제2서브 릴레이 소자는 상기 제2서브 릴레이에 직렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 저항을 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 제2메인 릴레이 및 제2서브 릴레이를 제어하도록 하고; 상기 컨트롤러는 상기 제2서브 릴레이가 턴온되었을 경우에만 상기 제2메인 릴레이가 턴오프되도록 상기 제2메인 릴레이 및 상기 제2서브 릴레이 소자를 제어할 수 있다.
상기 부하는 인버터를 포함할 수 있다. 상기 부하는 상기 인버터에 연결된 모터 제너레이터를 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는 인버터 컨트롤러, 상기 배터리 팩의 동작 상태를 모니터링하도록 하는 마스터 배터리 관리 시스템, 또는 에어백 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩은 양극 및 음극을 포함하고, 상기 제1메인 릴레이는 상기 양극과 상기 부하의 사이에 연결되고, 상기 제1서브 릴레이는 상기 양극과 상기 부하의 사이에 연결될 수 있다.
상기 배터리 팩은 양극 및 음극을 포함하고, 상기 제1메인 릴레이는 상기 음극과 상기 부하의 사이에 연결되고, 상기 제1서브 릴레이는 상기 음극과 상기 부하의 사이에 연결될 수 있다. 상기 음극과 상기 부하 사이에 연결된 제2메인 릴레이를 포함할 수 있다. 상기 양극과 상기 부하 사이에 연결된 제2메인 릴레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 스위칭 방법은 배터리 팩과 부하의 사이에 연결된 제1메인 릴레이를 턴온하는 단계; 상기 제1메인 릴레이에 병렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 제1서브 릴레이 소자 내의 제1서브 릴레이를 턴온하는 단계; 및 상기 제1서브 릴레이의 턴오프 이전에 상기 제1메인 릴레이를 턴오프하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 제2메인 릴레이를 턴온하는 단계; 및 상기 제1메인 릴레이의 턴오프 이후와 상기 제1서브 릴레이의 턴오프 이전에 상기 제2메인 릴레이를 턴오프하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 제2메인 릴레이를 턴온하는 단계; 상기 제2메인 릴레이에 병렬로 상기 배터리 팩 및 상기 부하의 사이에 연결된 제2서브 릴레이 소자 내의 제2서브 릴레이를 턴온하는 단계; 및 상기 제2서브 릴레이의 턴오프 이전에 상기 제2메인 릴레이를 턴오프하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 부하는 인버터를 포함하고, 상기 제1서브 릴레이의 턴오프 이전에 상기 제1메인 릴레이의 턴오프 단계는 상기 인버터를 제어하도록 하는 인버터 컨트롤러 또는 에어백을 제어하도록 하도록 에어백 컨트롤러로부터의 신호에 따라 상기 제1서브 릴레이의 턴오프 이전에 상기 제1메인 릴레이를 턴오프할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3은 릴레이의 부하 전류 및 릴레이 수명 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 스위칭 방법을 도시한 순서도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 스위칭 방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 6a는 메인 릴레이를 턴오프하였을 경우 시간 및 전류 사이의 관계를 도시한 그래프이고, 도 6b는 서브 릴레이를 턴온한 이후 메인 릴레이를 턴오프하였을 경우 시간 및 전류 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 스위칭 방법을 도시한 순서도이다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 릴레이의 턴오프 순서를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 설명되는 "릴레이"란 용어는 전자기 릴레이로서, 일례로, DC 전자기 릴레이, AC 전자기 릴레이, 마그네틱-래칭(latching) 릴레이, 유극성(polarized) 릴레이, 리드(reed) 릴레이 등을 포함한다. 나아가, 본 명세서에서 사용되는 "릴레이"는 상대적으로 작은 전기적 신호에 의해 상대적으로 큰 전기적 신호를 제어할 수 있는 장치를 포함하는 개념이며, 본 명세서에서 릴레이의 종류를 한정하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(101)은 다수의 배터리 팩(110), 다수의 슬레이브 배터리 관리부(120), 마스터 배터리 관리부(130), 전류 센서(131), 제1메인 릴레이(141), 제1서브 릴레이 소자를 포함하는 제1서브 릴레이(142) 및 제2메인 릴레이(151)를 포함한다. 또한, 본 발명은 안전 스위치(161) 및 안전 퓨즈(162)를 포함할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 제어부(170)(또는 인버터 제어부), 인버터(180) 및 모터 제너레이터(190)를 더 포함할 수 있다. 슬레이브 배터리 관리부는 슬레이브 배터리 관리 시스템(도면에서는 슬레이브 BMS)으로, 마스터 배터리 관리부는 마스터 배터리 관리 시스템(도면에서는 마스터 BMS)로 지칭될 수 있다. 또한, 인버터 및 모터 제너레이터는 부하(load)로 지칭될 수 있다.
다수의 배터리 팩(110) 각각은 다수의 배터리 셀(111)을 포함한다. 이러한 배터리 셀(111)은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 다수의 배터리 팩(110) 역시 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 배터리 셀(111)은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 및 그 등가물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나일 수 있으며, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 더욱이, 본 발명에서는 배터리 팩(110) 외에도 연료 전지, 태양 전지 또는 풍력 발전기 등도 이용할 수 있다.
다수의 슬레이브 배터리 관리부(120) 각각은 대응하는 배터리 팩(110)에 전기적으로 연결되어, 배터리 팩(110)의 전압 및/또는 온도를 센싱하고, 배터리 팩(110)의 충전, 방전 및/또는 셀 밸런싱 등을 관리한다. 물론, 하나의 슬레이브 배터리 관리부(120)는 하나의 배터리 팩(110)을 관리한다. 더불어, 이러한 슬레이브 배터리 관리부(120)는 캔(CAN) 방식으로 상호간 전기적으로 연결될 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다. 일례로, 시리얼 통신의 일종인 RS232, RS422 또는 IEEE1394 방식으로 상호간 전기적으로 연결될 수도 있다.
마스터 배터리 관리부(130)는 슬레이브 배터리 관리부(120)에 전기적으로 연결되어, 각 슬레이브 배터리 관리부(120)로부터 전송된 배터리 팩(110)의 전압 및/또는 온도를 이용하여 모든 배터리 팩(110)의 전체적인 충전, 방전 및/또는 팩 밸런싱 등을 관리한다. 더욱이, 이러한 마스터 배터리 관리부(130)는 전류 센서(131)로부터 얻은 전류값을 이용하여, 배터리 팩(110)에 과전류가 입력되거나 또는 배터리 팩(110)으로부터 과전류가 출력되지 않도록 관리한다. 더욱이, 이러한 마스터 배터리 관리부(130)는 하기할 제1메인 릴레이(141), 제1서브 릴레이(142), 제2메인 릴레이(151), 제2서브 릴레이(152, 도 2 참조)의 턴온 및/또는 턴오프 상태를 직접 제어한다.
전류 센서(131)는 배터리 팩(110)과 부하(여기서는, 인버터(180))의 사이에 전기적으로 연결되어, 배터리 팩(110)에 입력(충전)되는 전류 및/또는 출력(방전)되는 전류를 감지하고, 이를 마스터 배터리 관리부(130)에 전달한다. 전류 센서(131)는 홀 센서, 션트 저항 및 그 등가물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 본 발명에서 이를 한정하는 것은 아니다.
제1메인 릴레이(141)는 배터리 팩(110)의 양극과 부하(여기서는, 인버터(180))의 사이에 전기적으로 연결된다. 이러한 제1메인 릴레이(141)는 배터리 팩(110)의 정상 상태에서 턴온 상태를 유지하지만, 배터리 팩(110)의 과충전, 과방전 및/또는 과전류와 같은 비정상 상태에서 턴오프된다. 이를 위해, 제1메인 릴레이(141)는 마스터 배터리 관리부(130)의 제어 신호에 의해 턴온 및/또는 턴오프된다. 더욱이, 이러한 제1메인 릴레이(141)는 인버터(180)를 제어하는 인버터 제어부(170), 에어백을 제어하는 에어백 제어부(도시되지 않음)의 제어 신호에 의해 턴온 및/또는 턴오프될 수 있다. 실제로, 제1메인 릴레이(141)는 1차로 인버터 제어부(170)에 의해 턴온 및/또는 턴오프되고, 이러한 인버터 제어부(170)가 고장났을 경우 2차로 마스터 배터리 관리부(130)에 의해 턴온 및/또는 턴오프된다. 물론, 제1메인 릴레이(141)는 에어백 제어부의 제어 신호에 의해 언제든지 턴온 및/또는 턴오프될 수 있다. 다른 말로, 제1메인 릴레이를 제어하기 위한 제어부는 마스터 배터리 관리부(130), 인버터 제어부(170) 및 에어백 제어부를 포함한다.
제1서브 릴레이 소자는 저항(R)을 더 포함하며, 제1메인 릴레이(141)에 병렬로 연결된다. 저항(R)은 제1서브 릴레이(142)에 직렬로 연결된다. 이러한 제1서브 릴레이(142)는 배터리 팩(110)의 정상 상태에서 턴오프 상태를 유지하지만, 제1메인 릴레이(141)의 턴오프 전에 일정 시간동안 먼저 턴온 상태를 유지한다. 실제로, 이러한 제1서브 릴레이(142)는 배터리 팩(110)이 과방전된 상태에서 배터리 팩(110)이 예비 충전될 수 있도록 먼저 턴온 상태를 유지할 수도 있다. 물론, 예비 충전이 완료된 상태에서 제1서브 릴레이(142)는 턴오프되고, 제1메인 릴레이(141)가 턴온된다. 상술한 바와 유사하게, 제1서브 릴레이(142) 역시 마스터 배터리 관리부(130)의 제어 신호에 의해 턴온 및/또는 턴오프된다.
더불어, 상술한 바와 유사하게, 제1서브 릴레이(142)는 인버터(180)를 제어하는 인버터 제어부(170), 에어백을 제어하는 에어백 제어부의 제어 신호에 의해 턴온 및/또는 턴오프될 수 있다.
또한, 제1서브 릴레이(142)는 1차로 인버터 제어부(170)에 의해 턴온 및/또는 턴오프되고, 인버터 제어부(170)가 고장났을 경우 2차로 마스터 배터리 관리부(130)에 의해 턴온 및/또는 턴오프될 수 있다. 물론, 제1서브 릴레이(142)는 에어백 제어부의 제어 신호에 의해 언제든지 턴온 및/또는 턴오프될 수 있다. 다른 말로, 제1서브 릴레이를 제어하기 위한 제어부는 마스터 배터리 관리부(130), 인버터 제어부(170) 및 에어백 제어부를 포함한다.
제2메인 릴레이(151)는 배터리 팩(110)의 음극과 부하(여기서는, 인버터(180))의 사이에 전기적으로 연결된다. 이러한 제2메인 릴레이(151)는 배터리 팩(110)의 정상 상태에서 턴온 상태를 유지하지만, 배터리 팩(110)의 과충전, 과방전 및/또는 과전류 상태와 같은 비정상 상태에서 턴오프된다. 이를 위해, 제2메인 릴레이(151)는 마스터 배터리 관리부(130)의 제어 신호에 의해 턴온 및/또는 턴오프된다. 더욱이, 이러한 제2메인 릴레이(151)는 인버터(180)를 제어하는 인버터 제어부(170), 에어백을 제어하는 에어백 제어부의 제어 신호에 의해 턴온 및/또는 턴오프될 수 있다. 실제로, 제2메인 릴레이(151)는 1차로 인버터 제어부(170)에 의해 턴온 및/또는 턴오프되고, 인버터 제어부(170)가 고장났을 경우, 2차로 마스터 배터리 관리부(130)에 의해 턴온 및/또는 턴오프된다. 물론, 제2메인 릴레이(151)는 에어백 제어부의 제어 신호에 의해 언제든지 턴온 및/또는 턴오프될 수 있다. 다른 말로, 제2메인 릴레이를 제어하기 위한 제어부는 마스터 배터리 관리부(130), 인버터 제어부(170) 및 에어백 제어부를 포함한다.
안전 스위치(161)는 배터리 팩(110) 사이에 전기적으로 연결되며, 이는 배터리 관리 시스템(101)의 고장 수리나 점검 시, 작업자에 의해 턴오프될 수 있다. 따라서, 고장 수리 및 점검 시 안전 스위치(161)가 턴오프되어 있다면, 작업자에 고전류가 흐르는 위험을 방지할 수 있다.
안전 퓨즈(162)는 배터리 팩(110)과 부하(여기서는, 인버터(180)) 사이에 연결되어, 기준치 이상의 과전류가 흐를 때 용융되어 전류를 차단하고, 이에 따라 배터리 관리 시스템(101)의 손상을 방지한다.
제어부(170)는 마스터 배터리 관리부(130)에 전기적으로 연결되어, 마스터 배터리 관리부(130)로부터 얻은 정보에 기초하여 인버터(180)를 제어한다. 물론, 이러한 제어부(170)에는 사용자에 의한 악셀 패달의 개방 각도 정보 및/또는 브레이크 패달의 개방 각도 정보가 입력되어, 인버터(180)가 제어되도록 하나, 이는 본 발명의 내용과 관련이 적으므로 이에 대한 설명은 생략한다. 한편, 이러한 제어부(170)는 모터 컨트롤 유닛(motor control unit) 또는 하이브리 컨트롤 유닛(hybrid control unit)으로 불리기도 한다.
인버터(180)는 제1메인 릴레이(141), 제1서브 릴레이(142) 및 제2메인 릴레이(151)에 전기적으로 연결되어, 자동차의 가속 시 배터리 팩(110)으로부터의 전원을 일정 레벨로 변환하여 모터 제너레이터(190)에 전달하거나, 또는 자동차의 감속 시 모터 제너레이터(190)로부터 얻은 전원을 배터리 팩(110)으로 전달한다. 즉, 인버터(180)는 양방향으로 동작한다.
모터 제너레이터(190)는 인버터(180)에 전기적으로 연결되어, 자동차에 추진력을 제공하거나, 또는 자동차의 감속시 배터리 팩(110)에 전원을 제공한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
실질적으로, 도 2에 도시된 배터리 관리 시스템(102)은 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템(101)에 비교하여, 서브 릴레이의 연결 위치가 상이할 뿐이다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템(102)은 배터리 팩(110)의 음극과 부하(여기서는, 인버터(180))의 사이에 제2메인 릴레이(151)가 전기적으로 연결되고, 이러한 제2메인 릴레이(151)에 병렬로 제2서브 릴레이(152)가 전기적으로 연결된다. 물론, 제2서브 릴레이(152)에는 저항(R)이 직렬로 연결된다. 제2서브 릴레이 및 저항 R이 제2서브 릴레이 소자를 형성한다.
도 3은 릴레이의 부하 전류 및 릴레이 수명 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3에서 X축(수평축)은 부하 전류(A)이고, Y축(수직축)은 릴레이의 추정 수명(사이클)이다. 여기서, 사이클이란 릴레이의 턴온 및/또는 턴오프 횟수를 의미한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 동일 용량의 릴레이라고 해도, 부하 전류가 크면 클수록 추정 수명은 작아짐을 볼 수 있다. 물론, 부하 전류가 작으면 작을수록 추정 수명은 증가함을 볼 수 있다. 따라서, 릴레이의 수명을 증가시키기 위해서는, 릴레이의 턴온 및/또는 턴오프 시 부하 전류를 감소시킬 필요가 있다. 특히, 릴레이의 턴온 시보다는 릴레이의 턴오프 시에 릴레이에 스트레스가 상대적으로 크게 인가되므로, 릴레이의 턴오프 시 부하 전류를 감소시킬 필요가 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 스위칭 방법을 도시한 순서도이다. 여기서, 도 4는 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템(101)의 스위칭 방법을 도시한 것이다. 또한, 스위칭 방법은 배터리 팩(110)과 부하(여기서는, 인버터(180))가 전기적으로 연결된 상태에서 전기적으로 분리된 상태로 전환하는 방법을 의미한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 제1,2메인 릴레이 턴온 단계(S1), 제1서브 릴레이 턴온 단계(S2), 제1메인 릴레이 턴오프 단계(S3), 제2메인 릴레이 턴오프 단계(S4) 및 제1서브 릴레이 턴오프 단계(S5)를 포함한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 스위칭 방법을 순차적으로 도시한 도면이다. 도 4를 함께 참조하여, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(101)의 스위칭 방법을 설명한다. 여기서, 제어의 주체는 제어부(170), 마스터 배터리 관리부(130) 또는 에어백 제어부이다. 실질적으로, 제어부(170)가 주제어권을 가지며, 제어부(170)가 제어를 하지 못할 경우 마스터 배터리 관리부(130)가 주제어권을 갖는다. 더불어, 에어백이 동작하면, 즉각적으로 에어백 제어부가 주제어권을 갖는다.
제1,2메인 릴레이 턴온 단계(S1)에서는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1메인 릴레이(141) 및 제2메인 릴레이(151)를 턴온시킴으로써, 배터리 팩(110)과 부하(여기서는, 인버터(180))가 전기적으로 연결되도록 한다. 물론, 이때 제1서브 릴레이(142)는 턴오프된 상태를 유지한다. 이러한 상태는 배터리 팩(110)이 정상적으로 충전 및/또는 방전되는 동안 유지된다.
제1서브 릴레이 턴온 단계(S2)에서는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1서브 릴레이(142)를 턴온시킴으로써, 제1메인 릴레이(141)를 통한 전류가 감소하도록 한다. 즉, 제1서브 릴레이(142)가 턴온되기 전에 전류는 제1메인 릴레이(141)를 통해서만 흘렀으나, 제1서브 릴레이(142)가 턴온됨으로써, 제1메인 릴레이(141)를 통한 전류는 감소하게 된다. 이러한 상태는 배터리 팩(110)이 비정상적으로 충전 및/또는 방전되거나, 기준 전류보다 큰 과전류가 흐르거나, 또는 에어백이 동작하였을 때 시작된다.
제1메인 릴레이 턴오프 단계(S3)에서는, 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1서브 릴레이(142)에 병렬로 연결된 제1메인 릴레이(141)를 턴오프한다. 여기서, 제1메인 릴레이(141)에 병렬로 연결된 제1서브 릴레이(142)가 턴온된 상태이므로, 제1메인 릴레이(141)를 턴오프한다고 하여도, 배터리 팩(110)의 양극과 부하(여기서는, 인버터(180)) 사이의 전류가 급격하게 감소하지 않게 된다. 즉, 제1메인 릴레이(141)가 턴오프된다고 해도, 저항(R)을 갖는 제1서브 릴레이(142)가 턴온된 상태이므로, 이러한 제1서브 릴레이(142)를 통해 일정 레벨의 전류가 흐른다.
제2메인 릴레이 턴오프 단계(S4)에서는, 도 5d에 도시된 바와 같이, 제2메인 릴레이(151)를 턴오프시킴으로써, 배터리 팩(110)의 음극과 부하(여기서는, 인버터(180)) 사이의 전기적 경로가 차단되도록 한다.
제1서브 릴레이 턴오프 단계(S5)에서는, 도 5e에 도시된 바와 같이, 제1서브 릴레이(142)를 턴오프시킴으로써, 배터리 팩(110)의 양극과 부하(여기서는, 인버터(180)) 사이의 전기적 경로가 차단되도록 한다. 이와 같이 하여, 배터리 팩(110)과 부하(여기서는, 인버터(180)) 사이의 전기적 경로는 완전히 차단된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(101) 및 그 스위칭 방법은 배터리 팩(110)의 양극과 부하 사이에 연결된 제1메인 릴레이(141)의 턴오프(개방) 시 전류가 서서히 감소하도록 하여 아크 및 스파크 현상을 방지하고, 이에 따라 제1메인 릴레이(141)의 융착 현상을 효율적으로 방지할 수 있다. 즉, 본 발명은 제1메인 릴레이(141)의 턴오프(개방) 전에 저항(R)을 갖는 제1서브 릴레이(142)를 먼저 턴온(폐쇄)하고, 이어서 제1메인 릴레이(141)를 턴오프하며, 마지막으로 제1서브 릴레이(142)를 턴오프함으로써, 전류가 단계적으로 감소하도록 하여, 제1메인 릴레이(141)에서의 아크 및 스파크 현상을 방지하고, 이에 따라 제1메인 릴레이(141)의 융착 현상을 방지할 수 있게 된다.
도 6a는 메인 릴레이를 턴오프하였을 경우 시간 및 전류 사이의 관계를 도시한 그래프이고, 도 6b는 서브 릴레이를 턴온한 이후 메인 릴레이를 턴오프하였을 경우 시간 및 전류 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 서브 릴레이가 없는 상태에서 메인 릴레이를 직접 턴오프(개방)하였을 경우 일정 시간동안 전류가 급격하게 감소함으로써, 메인 릴레이에서 아크 및 스파크가 발생할 위험이 커지고, 이에 따라 메인 릴레이가 융착될 수 있다.
그러나, 도 6b에 도시된 바와 같이, 서브 릴레이가 턴온된 상태에서 메인 릴레이가 턴오프되고, 마지막으로 서브 릴레이가 턴오프될 경우 일정 시간동안 전류가 단계적으로 감소함으로써, 메인 릴레이에서 아크 및 스파크가 발생할 위험이 작아지고, 이에 따라 메인 릴레이가 융착될 확률이 작아진다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 스위칭 방법을 도시한 순서도이다. 즉, 도 7은 도 2에 도시된 배터리 관리 시스템(102)의 스위칭 방법을 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명은 제1,2메인 릴레이 턴온 단계(S11), 제2서브 릴레이 턴온 단계(S12), 제2메인 릴레이 턴오프 단계(S13), 제1메인 릴레이 턴오프 단계(S14) 및 제2서브 릴레이 턴오프 단계(S15)를 포함한다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템에서 릴레이의 턴오프 순서를 도시한 도면이다. 도 7을 함께 참조하여, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(102)의 스위칭 방법을 설명한다.
제1,2메인 릴레이 턴온 단계(S11)에서는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 제1메인 릴레이(141) 및 제2메인 릴레이(151)를 턴온시킴으로써, 배터리 팩(110)과 부하(여기서는, 인버터(180))가 전기적으로 연결되도록 한다. 물론, 이때 제2서브 릴레이(152)는 턴오프된 상태를 유지한다.
제2서브 릴레이 턴온 단계(S12)에서는, 도 8b에 도시된 바와 같이, 제2서브 릴레이(152)를 턴온시킴으로써, 제2메인 릴레이(151)를 통한 전류가 감소하도록 한다. 즉, 제2서브 릴레이(152)가 턴온되기 전에 전류는 제2메인 릴레이(151)를 통해서만 흘렀으나, 제2서브 릴레이(152)가 턴온됨으로써, 제2메인 릴레이(151)를 통한 전류는 감소하게 된다.
제2메인 릴레이 턴오프 단계(S13)에서는, 도 8c에 도시된 바와 같이, 제2서브 릴레이(152)가 병렬로 연결된 제2메인 릴레이(151)를 턴오프한다. 여기서, 제2메인 릴레이(151)에 병렬로 연결된 제2서브 릴레이(152)가 턴온된 상태이므로, 제2메인 릴레이(151)를 턴오프한다고 하여도, 배터리 팩(110)과 부하(여기서는, 인버터(180)) 사이의 전류가 급격하게 감소하지 않게 된다. 즉, 제2메인 릴레이(151)가 턴오프된다고 해도, 저항(R)을 갖는 제2서브 릴레이(152)가 턴온된 상태이므로, 이러한 제2서브 릴레이(152)를 통해 여전히 전류가 흐르기 때문이다.
제1메인 릴레이 턴오프 단계(S14)에서는, 도 8d에 도시된 바와 같이, 제1메인 릴레이(141)를 턴오프시킴으로써, 배터리 팩(110)의 양극과 부하(여기서는, 인버터(180)) 사이의 전기적 경로가 차단되도록 한다.
제2서브 릴레이 턴오프 단계(S15)에서는, 도 8e에 도시된 바와 같이, 제2서브 릴레이(152)를 턴오프시킴으로써, 배터리 팩(110)의 음극과 부하(여기서는, 인버터(180)) 사이의 전기적 경로가 차단되도록 한다. 이와 같이 하여, 배터리 팩(110)과 부하(여기서는, 인버터(180)) 사이의 전기적 경로는 완전히 차단된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템(102) 및 그 스위칭 방법은 배터리 팩(110)의 음극과 부하 사이에 연결된 제2메인 릴레이(151)의 턴오프(개방) 시 전류가 서서히 감소하도록 하여 아크 및 스파크 현상을 방지하고, 이에 따라 제2메인 릴레이(151)의 융착 현상을 효율적으로 방지할 수 있다. 즉, 본 발명은 제2메인 릴레이(151)의 턴오프(개방) 전에 저항(R)을 갖는 제2서브 릴레이(152)를 먼저 턴온(폐쇄)하고, 이어서 제2메인 릴레이(151)를 턴오프하며, 마지막으로 제2서브 릴레이(152)를 턴오프함으로써, 전류가 단계적으로 감소하도록 하여, 제2메인 릴레이(151)에서의 아크 및 스파크 현상을 방지하고, 이에 따라 제2메인 릴레이(151)의 융착 현상을 방지할 수 있게 된다.
한편, 상술한 바와 같이 제1메인 릴레이에 저항을 갖는 제1서브 릴레이가 병렬로 연결된 경우와, 제2메인 릴레이에 저항을 갖는 제2서브 릴레이가 병렬로 연결된 경우를 각각 설명하였으나, 본 발명에서는 위의 각 경우가 하나의 회로에서 동시에 구현될 수도 있다.
즉, 제1메인 릴레이에 저항을 갖는 제1서브 릴레이가 병렬로 연결된 동시에, 제2메인 릴레이에 저항을 갖는 제2서브 릴레이가 병렬로 연결된 회로도 가능하다. 물론, 이 경우 제1서브 릴레이가 턴온된 이후 제1메인 릴레이가 턴오프되고, 또한 제2서브 릴레이가 턴온된 이후 제2메인 릴레이가 턴오프될 수 있다. 더불어, 제2서브 릴레이가 턴온된 이후 제2메인 릴레이가 턴오프되고, 또한 제1서브 릴레이가 턴온된 이후 제1메인 릴레이가 턴오프될 수 있다. 더욱이, 이러한 동작 이후에는, 제1,2서브 릴레이가 턴오프됨으로써, 제1,2메인 릴레이에서의 아크, 스파크 및 융착 현상을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템 및 그의 스위칭 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
101,102; 본 발명에 따른 배터리 관리 시스템
110; 배터리 팩 111; 배터리 셀
120; 슬레이브 배터리 관리부 130; 마스터 배터리 관리부
131; 전류 센서 141; 제1메인 릴레이
142; 제1서브 릴레이 151; 제2메인 릴레이
152; 제2서브 릴레이 161; 안전 스위치
162; 안전 퓨즈 170; 제어부
180; 인버터 190; 모터 제너레이터

Claims (20)

  1. 배터리 팩과 부하의 사이에 연결된 제1메인 릴레이;
    상기 제1메인 릴레이에 병렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 제1서브 릴레이 소자를 포함하는 제1서브 릴레이; 및,
    상기 제1메인 릴레이 및 상기 제1서브 릴레이를 제어하도록 하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 배터리 팩이 상기 부하에 전기적으로 연결될 때 상기 제1메인 릴레이의 턴온 시 상기 제1서브 릴레이가 턴오프되어 있도록 하고, 상기 배터리 팩이 상기 부하로부터 전기적으로 분리될 때 상기 제1메인 릴레이의 턴오프 직전에만 상기 제1서브 릴레이가 턴온되도록 함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1서브 릴레이 소자는 상기 제1서브 릴레이에 직렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 저항을 더 포함함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 제1메인 릴레이의 턴오프 이후에 상기 제1서브 릴레이를 턴오프하도록 함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 제1,2전극을 포함하고,
    상기 제1메인 릴레이는 제1전극과 상기 부하의 사이에 연결되고,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 제2전극과 상기 부하의 사이에 연결된 제2메인 릴레이를 더 포함함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 제2메인 릴레이를 제어하도록 하고,
    상기 컨트롤러는 상기 제1서브 릴레이가 턴온되고 상기 제1메인 릴레이가 턴오프된 경우에만 상기 제2메인 릴레이를 턴오프하도록, 상기 제1메인 릴레이, 상기 제1서브 릴레이 소자 및 상기 제2메인 릴레이를 제어하도록 함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    제2서브 릴레이를 포함하는 제2서브 릴레이 소자를 포함하고,
    상기 제2서브 릴레이 소자는 상기 제2메인 릴레이에 병렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결됨을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2서브 릴레이 소자는
    상기 제2서브 릴레이에 직렬로 상기 배터리 팩과 상기 부하의 사이에 연결된 저항을 더 포함함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 제2메인 릴레이 및 제2서브 릴레이를 제어하도록 하고;
    상기 컨트롤러는 상기 제2서브 릴레이가 턴온되었을 경우에만 상기 제2메인 릴레이가 턴오프되도록 상기 제2메인 릴레이 및 상기 제2서브 릴레이 소자를 제어함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 부하는 인버터를 포함함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 부하는 상기 인버터에 연결된 모터 제너레이터를 포함함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 인버터 컨트롤러, 상기 배터리 팩의 동작 상태를 모니터링하도록 하는 마스터 배터리 관리 시스템, 또는 에어백 컨트롤러를 포함함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 제1메인 릴레이는 상기 양극과 상기 부하의 사이에 연결되고,
    상기 제1서브 릴레이는 상기 양극과 상기 부하의 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 제1메인 릴레이는 상기 음극과 상기 부하의 사이에 연결되고,
    상기 제1서브 릴레이는 상기 음극과 상기 부하의 사이에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 음극과 상기 부하 사이에 연결된 제2메인 릴레이를 포함함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 양극과 상기 부하 사이에 연결된 제2메인 릴레이를 포함함을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템.
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