KR101810655B1 - 전지팩의 과충전 방지를 위한 전원 시스템 및 이를 포함하는 디바이스 - Google Patents

전지팩의 과충전 방지를 위한 전원 시스템 및 이를 포함하는 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 둘 이상의 단위셀들을 포함하는 전지팩; 전지팩의 전력을 공급받거나, 전지팩에 전력을 공급하는 외부 전원; 전지팩으로 입출력되는 전류를 차단 또는 허용하는 PRA(Power Relay Assembly); 및 전지팩의 전압, 온도 및/또는 용량을 관리하고, 이를 통제하는 BMS(Battery Management System);를 포함하고 있고, 상기 PRA는 상기 전지팩에 포함된 단위셀들 각각의 전압을 측정하는 전압 측정기, 전지팩에서 하나 이상의 단위셀이 과충전되는 경우에 회로를 차단하도록 조합되어 있는 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부를 포함하며, 상기 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부는 4.5 V를 초과하는 전압으로 하나 이상의 전지셀이 충전될 때 전지팩으로 송전되는 전류을 차단하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템을 제공한다.

Description

전지팩의 과충전 방지를 위한 전원 시스템 및 이를 포함하는 디바이스 {Power System for Over-Charge of Battery Pack And Device Having the Same}
본 발명은 전지팩의 과충전 방지를 위한 전원 시스템 및 이를 포함하는 디바이스에 관한 것이다.
하이브리드 전기자동차(HEV; Hybrid Electric Vehicle)는 내연기관의 엔진과 배터리의 전원을 이용한 모터를 동력원으로 사용하는 차량으로서, 화석 연료의 고갈에 따른 차세대 운송 수단으로 많은 주목을 받고 있다.
이러한 하이브리드 전기자동차는 고속 주행에서 내연기관으로 운행하고, 이 때 여유 구동력 또는 제동에 따른 운동에너지를 배터리에 저장하며, 저장된 배터리의 전력을 통해 저속 주행에서 모터로 운행 하는 차량이다.
여기서, 모터의 전원으로 사용되는 배터리로 리튬 배터리가 주로 사용되고 있다. 이 리튬 배터리는 액체 전해질을 사용하는 리튬이온(Li-ion) 배터리와 고체 성분인 폴리머 전해질을 사용하는 리튬 폴리머 (Li-Polymer) 배터리가 있다.
하이브리드 전기자동차에 있어서는 배터리의 필요 용량에 따라 셀(Cell)을 50~100개 정도를 직렬 연결하여 하나의 팩(Pack) 형태로 차량에 장착하게 된다.
이에 종래에는 전지팩에 포함된 전압 측정센서로 각 셀(Cell) 전압을 측정하여 기준 전압 이상이 되면 배터리 관리 시스템(BMS;Battery Management System)에서 경고(Alarm) 메시지나 고장(Trip) 메시지를 자동차 콘트롤러(HCU)측으로 전송하여 충전을 중단하도록 하고 있다.
그러나 상기 방법은 소프트웨어적인 방법이므로 차량의 통신이 문제가 있거나 셀(Cell) 전압을 잘못 측정하게 되는 경우, 그리고 배터리 관리 시스템(BMS)의 고장 또는 오동작의 경우에 배터리가 과충전되어 폭발할 수 있게 되는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위해, 도 1과 같은 전원 시스템이 하이브리드 차량에 적용되어 사용되고 있다. 도 1을 참조하면, 전원 시스템(10)은 전지팩(20), 외부 전원인 하이브리드 차량(60), BMS(40, Battery Management System) 및 BMS(40)의 전기 신호에 따라 전지팩(20)과 차량(60)의 회로를 차단 또는 연결하는 두 개의 릴레이 부들(31, 32)로 구성되어 있다.
여기서, 두 개의 메인 릴레이 부(31, 32)는 전지팩(20)과 외부 전원인 차량(60) 사이에서 전기적으로 연결되어 있는 한편, 릴레이 부에 포함된 마그네틱 코일이 BMS(40)에 전기적으로 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.
릴레이 부들(31, 32)은 릴레이 스위치(33)와 마그네틱 코일(34)로 이루어져 있으며, 작동 원리는 마그네틱 코일(34)에 전류가 흐를 경우, 코일(34)의 자기장에 의해 릴레이 스위치(33)가 마그네틱 코일(34)에 이끌려, 회로를 닫고, 그에 따라 릴레이(33)를 통해 전류가 흐를 수 있도록 한다. 반면에, 마그네틱 코일(34)에 전류가 흐르지 않는 경우에 마그네틱 코일(34)에 자기장이 형성되지 않는 바, 릴레이 스위치(33)가 스스로 오픈 되면서 회로를 열고 그에 따라 전류가 흐르지 못하게 한다.
이러한 구조의 전원 시스템(10)은 전지팩이 기준 전압 이상으로 충전되는 경우, HCU(50)가 이를 감지하여, BMS(40)에 신호(52)를 송신하고, BMS(40)는 이 신호(52)를 수령하여, 릴레이 부들(31, 32)의 마그네틱 코일(33)에 전력 공급을 차단하게 되고, 그에 따라 릴레이 부들(31, 32)에 포함된 릴레이(33)가 오픈 되면서 전지팩(20)과 외부 전원(60) 사이의 회로를 차단하여 전지팩(20)이 충전되는 것을 방지하는 구조이다.
그러나, 이러한 구조는 HCU(50)와 BMS(40)간의 신호에 오류가 발생할 경우, 기준 전압에 상관 없이 릴레이 부들(31, 32)의 릴레이(33)를 오픈 시키거나 닫아, 소망하지 않는 전지팩(20)의 충전 또는 과충전으로 인한 전지팩(20)의 안전성 문제가 유발될 수 있다.
따라서, 하이브리드 전기자동차에 있어서, 전지팩(20)의 과충전을 효과적으로 방지할 수 있는 기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, BMS의 과충전 차단과 관계 없이, 전지팩에서 하나 이상의 단위셀이 과충전되는 경우에 회로를 차단하도록 조합되어 있는 릴레이 부들로 과충전을 방지하여, 전지팩 나아가 전지팩을 동력원을 사용하는 디바이스의 안전성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전원 시스템은 둘 이상의 단위셀들을 포함하는 전지팩;
전지팩의 전력을 공급받거나, 전지팩에 전력을 공급하는 외부 전원;
전지팩으로 입출력되는 전류를 차단 또는 허용하는 PRA(Power Relay Assembly); 및
전지팩의 전압, 온도 및/또는 용량을 관리하고, 이를 통제하는 BMS(Battery Management System);
를 포함하고 있고,
상기 PRA는 상기 전지팩에 포함된 단위셀들 각각의 전압을 측정하는 전압 측정기, 전지팩에서 하나 이상의 단위셀이 과충전되는 경우에 회로를 차단하도록 조합되어 있는 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부를 포함하며, 상기 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부는 4.5 V를 초과하는 전압으로 하나 이상의 전지셀이 충전될 때 전지팩으로 송전되는 전류을 차단하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 전지시스템은 전지팩의 과충전을 방지할 수 있는BMS 외에도, 전지팩에 포함된 단위셀들 각각의 전압을 측정하는 전압 측정기 및 다수의 릴레이 부를 포함하는 PRA를 통해, 하나 이상의 전지셀들의 과충전을 방지할 수 있는 바, 전지팩의 과충전을 효과적으로 방지할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부는 각각 전류코일 및 릴레이를 포함하고 있는 구조일 수 있다.
상기, 제 3 릴레이 부는 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부의 사이에 위치한 메인 릴레이일 수 있으며, 제 3 릴레이 부의 릴레이는 제 1 릴레이 부의 전류코일 및 제 3 릴레이 부의 전류코일 사이에 배치된 릴레이 일 수 있다.
상기 제 1 릴레이 부의 릴레이는 전지팩의 양극 단자와 외부 전원의 양극 입출력 단자 사이에서 전기적으로 연결되어 있고, 전류코일은 제 3 릴레이 부의 릴레이와 BMS의 입출력 단자 사이에 연결되어 있는 구조일 수 있다.
상기 제 2 릴레이 부의 릴레이는 전지팩의 음극 단자와 외부 전원의 음극 입출력 단자 사이에서 전기적으로 연결되어 있고, 전류코일은 BMS의 입출력 단자에 연결되어 있는 구조일 수 있다.
상기 제 3 릴레이 부의 릴레이는 제 1 릴레이 부의 전류코일과 BMS의 입출력 단자 사이에 연결되어 있고, 전류코일은 전압 측정기에 연결되어 있는 구조일 수 있다. 여기서, 전압 측정기는 측정된 하나 이상의 단위셀의 전압이 4.5 V 초과인 경우에만 제 3 릴레이부의 전류코일로 전류를 흐르게 할 수 있다.
상기 전류코일은 그것에 전류가 흐르는 경우, 자기장을 발생시켜 자기력을 가지게 되는 마그네틱 코일이며, 릴레이는 전류코일의 자기력에 대응하여 이끌리도록 금속성으로 이루어지고, 통전이 가능한 도전성의 스위치 바(Bar)의 형태로 이루어져 있다.
여기서, 상기 제 1 릴레이 부 및 제 2 릴레이 부는 전류코일로 전류가 흐르지 않는 경우에 릴레이를 오픈 시켜, 릴레이를 통해 전류가 흐르는 것을 차단하는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 제 1 릴레이 부 및 제 2 릴레이 부의 차단 구조는, 구체적으로, 상기 제 1 릴레이 부 및 제 2 릴레이 부의 릴레이는 상하로 움직임이 가능한 구조이고, 릴레이의 상단 또는 하단에 전류코일이 위치되며, 전류 코일에 전류가 흐르지 않는 경우에는 릴레이가 전류코일의 대향방면으로 이동하며, 회로와 접하지 않게 된다. 그에 따라, 릴레이를 통해 전류가 흐를 수 없다. 이와는 반대로, 전류 코일에 전류가 흐르는 경우, 릴레이가 전류코일의 방향으로 이동하며, 회로와 접점을 이루게 된다. 그에 따라, 릴레이를 통해 전류가 흐르게 된다.
한편, 제 3 릴레이 부는 제 1 릴레이 부 및 제 2 릴레이 부와 비교하여, 추가 구성을 포함하는 릴레이 부로써, 상세하게는 상기 제 3 릴레이 부는 전류코일에 인접한 곳에 위치한 마그네틱 부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제 3 릴레이 부의 릴레이는 제 1 릴레이 부의 전류코일과 제 3 릴레이 부의 전류코일 사이에 위치하는 바, 양 릴레이 부의 전류코일들에 모두 영향을 받게 된다. 이 때, 제 3 릴레이 부의 전류코일에 기준 전압 이상의 전류가 흐르게 되는 경우에 제 3 릴레이 부의 릴레이가 그것의 전류코일 방향으로 이동하게 되는데, 이 때 상기 마그네틱 부는 상기 전류코일의 근처에 릴레이와의 접점을 이루고 릴레이가 전류코일 방향으로 더 이동하지 않도록 고정하는 역할을 할 수 있다.
즉, 상기 제 3 릴레이 부는, 제 1 릴레이 부의 전류코일로 기준전압인 4.5 V 이하의 전류가 흐르는 경우에, 제 1 릴레이 부의 전류코일 방향으로 이동하며, 릴레이를 닫아 제 3 릴레이 부의 릴레이를 통해 전류가 흐르도록 하며, 제 3 릴레이 부의 전류 코일로 4.5 V 초과의 전류가 흐르는 경우에는, 제 3 릴레이 부의 릴레이가 마그네틱 부로 이동하며 상기 릴레이를 오픈 시키게 되고, 그에 따라, 제 3 릴레이 부의 릴레이를 통해 전류가 흐르는 것을 차단하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 제 3 릴레이 부는, 전지팩에서 하나 이상의 단위셀의 전압이 4.5 V 초과의 전압으로 충전되는 경우, 전압 측정기에서 제 3 릴레이의 전류코일로 전류가 흐르게 되고, 이 때, 제 3 릴레이 부의 릴레이가 마그네틱 부로 이동하며 오픈 되어, 제 3 릴레이의 릴레이로부터 제 1 릴레이 부의 전류코일로 전류가 흐르는 것을 차단하는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 제 1 릴레이 부는 그것의 전류코일에 전류가 차단되어 릴레이가 오픈 되며, 외부 전원으로부터 전지팩으로 전류가 흐르는 것을 차단하여 4.5 V를 초과하여 전지셀이 과충전되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 사이에 배치된 제 3 릴레이 부는 그것의 전류코일이 PRA의 전압측정기에 연결되어 있는 바, 전압 측정기가 전지팩의 셀들 중 하나 이상이 4.5 V 이상으로 충전되는 경우에, 제 3 릴레이 부의 릴레이가 단전되면서, 제 1 릴레이 부도 연속적으로 단전시킬 수 있는 구조이다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부의 각각의 전류코일부가 BMS와 연결되어 있으므로, BMS가 산정한 전압 측정치를 기준으로 전류코일에 전류가 흐르는 것을 차단할 수 있고, 그에 따라, 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부의 릴레이를 오픈 시켜 외부 전원으로부터 전지팩으로 전류가 흐르는 것을 차단할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전원시스템은, 외부 전원이 전지팩을 충전하는 과정에서, 기준 전압인 4.5 V를 초과하는 경우에, BMS와 PRA의 두 가지 차단 시스템이 독립적으로 전지팩의 충전을 차단할 수 있으며, 그에 따른 과충전 방지효과가 매우 우수하다.
상기, 외부 전원이란, 전지팩의 충전을 위해 외부로부터 전지팩으로의 전력 공급이 가능한 발전 요소를 의미하며, 예를 들어, 전지팩의 충전기, 또는 외부 발전기일 수 있다. 이 중, 외부 발전기의 하나의 예로서, 차량의 구동 또는 제동에 따른 운동에너지를 전기로 변환하는 차량용 발전기 일 수 있으나, 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 BMS는 외부 전압 검출 수단과, 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부를 전기적으로 연결할 수 있으며, 상기 외부 전압 검출 수단은 하나 이상의 전지셀이 4.5 V를 초과하여 충전되는 경우, 이를 감지하여, BMS로 차단 신호를 발송하고, BMS는 1 릴레이 부 및 제 2 릴레이 부의 전류코일에 전류가 흐르지 않도록 차단하여, 제 1 릴레이 부 및 제 2 릴레이 부의 릴레이들이 오픈 되면서 전지팩의 충전을 차단하는 구조일 수 있다.
또한, 상기 외부 전압 검출 수단은 PRA의 전압측정기와 전기적으로 연결되어 있으며, 전압측정기에서 전지팩의 전지셀들이 4.5 V를 초과하여 충전되는 것이 감지되면, 전압측정기는 이를 외부 전압 검출 수단에 통지하고, 외부 전압 검출 수단은 이를 판단하여, 전압측정기에 제 3 릴레이 부의 전류코일로 4.5 V를 초과하는 전류를 흐르게 하여, 제 3 릴레이 부의 릴레이를 오픈 시키는 구조일 수 있다.
상기 외부 전압 검출 수단은 HCU(Hybrid Control Unit)일 수 있다. HCU는 차량의 메인 컴퓨터로써, 차량의 주행 전반을 제어하는 장치로, 차량의 동력분배를 결정 및 통제하는 하나의 시스템이고, 그에 따라 HCU가 전지팩의 충전 여부를 결정할 수 있다.
한편, 상기 전지팩은 하나 이상의 전지셀을 포함할 수 있으며, 상기 전지셀은 양극, 음극, 및 상기 양극과 음극에 개재되는 분리막 및 리튬염 함유 비수 전해질을 포함하는 리튬 이차전지 또는 리튬-이온 이차전지일 수 있다. 상기 이차전지의 기타 구성들에 대해서는 이하에서 자세히 설명한다.
상기 양극은 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물인 전극 합제를 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물 또는 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; LiNixMn2-xO4로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 포함할 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 양극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만든다. 이러한 양극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 또는 알루미늄이나 스테리인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것 등이 사용될 수 있다. 집전체는 그것의 표면에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태가 가능하다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
한편, 탄성을 갖는 흑연계 물질이 도전재로 사용될 수 있고, 상기 물질들과 함께 사용될 수도 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 50 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조 및 프레싱하여 제조되며, 필요에 따라 상기에서와 같은 도전재, 바인더, 충진제 등이 선택적으로 더 포함될 수 있다.
상기 음극 활물질은, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe’yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me’: Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료; 티타늄 산화물; 리튬 티타늄 산화물 등을 사용할 수 있고, 상세하게는 탄소계 물질 및/또는 Si을 포함할 수 있다.
상기 음극 집전체는 일반적으로 3 ~ 500 ㎛의 두께로 만들어진다. 이러한 음극 집전체는, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 카본, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또한, 양극 집전체와 마찬가지로, 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극 활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있으며, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.
상기 분리막은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 300 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
상기 리튬염 함유 비수 전해질은, 비수 전해질과 리튬으로 이루어져 있고, 비수 전해질로는 비수계 유기용매, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용되지만 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비수계 유기용매로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합제 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 리튬염 함유 비수 전해질에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있으며, FEC(Fluoro-Ethylene Carbonate), PRS(Propene sultone) 등을 더 포함시킬 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiN(SO2CF3)2 등의 리튬염을, 고유전성 용매인 EC 또는 PC의 환형 카보네이트와 저점도 용매인 DEC, DMC 또는 EMC의 선형 카보네이트의 혼합 용매에 첨가하여 리튬염 함유 비수계 전해질을 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전원 시스템을 사용하는 중대형 디바이스를 제공하며, 상기 디바이스는 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다. 이러한 디바이스는 앞서 설명한 전원 시스템을 통해 전지팩을 충전할 수 있는 외부 전원을 포함하고 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전원 시스템은 전지팩의 과충전을 방지할 수 있는BMS 외에도, 전지팩에 포함된 단위셀들 각각의 전압을 측정하는 전압 측정기 및 다수의 릴레이 부를 포함하는 PRA를 통해, 외부 전원이 전지팩을 충전하는 과정에서, 기준 전압인 4.5 V를 초과하는 경우에, BMS와 PRA의 두 가지 방법이 독립적으로 전지팩의 충전을 차단할 수 있으며, 그에 따른 과충전 방지효과가 매우 우수한 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전원 시스템을 도시한 모식도이다;
도 2는 본 발명에 따른 전원 시스템을 도시한 모식도이다;
도 3은 도 2의 전원 시스템에서 기준 전압이상으로 전지팩이 충전되는 모습을 나타낸 모식도이다;
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명에 따른 전원시스템을 모식적으로 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 전원 시스템(100)은 충방전이 가능한 다수의 전지셀들(121)로 구성된 전지팩(120), 외부 전원(160), BMS(140, Battery Management System) 및 PRA(130, Power Relay Assembly)로 구성되어 있다.
외부 전원(160)은 하이브리드 차량의 동력 발전기일 수 있고, 외부 전압 검출 수단으로 HCU(150, Hybrid Control Unit)와 연결되어 있다. HCU(150)는 하이브리드 차량의 메인 컴퓨터로써, HCU(150)는 전지팩(120)의 충전 여부를 결정하고, 이를 BMS(140)와의 통신으로 BMS(140)에 전달하며, BMS(140)는 이를 수행한다. 따라서, 외부 전원(160)인 발전기는 하이브리드 차량의 구동 또는 제동에 따른 운동에너지를 전기로 변환하고, 이를 대략 4.5 V 이하로 전지팩(120)에 충전할 수 있으며, 이러한 충전 여부는 HCU(150)가 결정하게 된다. 즉, 충전 전압, 전지팩(120)의 용량 또는 차량의 운행 상태등을 HCU(150)가 판단하여 전지팩(120)의 충전 허용 또는 충전 중단을 결정한다.
PRA(130)는 전압측정기(134), 제 1 릴레이 부(131), 제 2 릴레이 부(132) 및 제 3 릴레이 부(133)를 포함하고 있다. 제 3 릴레이 부(133)는 제 1 릴레이 부(131) 및 제 2 릴레이 부(132) 사이에 위치되어 있다.
제 1 릴레이 부(131)는 릴레이(131a) 및 릴레이 하단에 위치하며 마그네틱 코일을 포함하는 전류코일(131b)을 포함한다. 제 2 릴레이 부(132)는 릴레이(132a) 및 릴레이 하단에 위치하며 마그네틱 코일을 포함하는 전류코일(131b)을 포함한다. 제 3 릴레이 부(133)는 릴레이(133a) 및 릴레이 하단에 위치하며 마그네틱 코일을 포함하는 전류코일(133b)을 포함하며, 릴레이(133a)와 전류코일(133b) 사이에 마그네틱 부(133c)를 더 포함한다.
제 1 릴레이 부(131)의 릴레이(131a)는 전지팩(120)의 양극 단자와 외부 전원의 단자 사이에서 전기적으로 연결되어 있다. 제 2 릴레이 부(132)는 전지팩(120)의 음극 단자와 외부 전원의 또 다른 단자 사이에서 전기적으로 연결되어 있다. 제 3 릴레이 부(133)의 릴레이(133a)는 제 1 릴레이 부(131)의 전류코일(131b)과 BMS(140) 사이에서 전기적으로 연결되어 있고, BMS(140)와의 전기적 연결은 BMS(140)를 경유하여 HCU(150)와 전기적으로 연결되어 있다.
제 1 릴레이 부(131)의 전류코일(131b)은 제 3 릴레이 부(133)의 릴레이(133a)와 BMS(140) 사이에 전기적으로 연결되어 있고, 이 전기적 연결은 BMS(140)를 경유하여 HCU(150)와 전기적으로 연결되어 있다. 제 2 릴레이 부(132)의 전류코일(132b)은 BMS(140)와 전기적으로 연결되어 있고, 이 전기적 연결은 BMS(140)를 경유하여 HCU(150)와 전기적으로 연결되어 있다. 제 3 릴레이 부(133)의 전류코일(133b)은 전압측정기(134)와 전기적으로 연결되어 있고, 전압측정기(134)에 연결된 전류코일(133b)의 회로 일부는 HCU(150)와 전기적으로 연결되어 있다.
HCU(150)는 12 V 이상의 보조 배터리(도시하지 않음)를 포함하고 있으며, HCU(150)의 보조 배터리의 전력으로 BMS(140) 또는 전압측정기(134)를 경유하여 제 1 릴레이 부(131), 제 2 릴레이 부(132) 및 제 3 릴레이 부(133)의 전류코일들(131 b, 132 b, 133b)에 전류를 공급할 수 있다.
전압측정기(134)는 전지팩(120)에 포함된 전지셀들(121)과 전기적으로 연결되어 있고, 이들의 전압을 검출한다. 이 때, 전압측정기(134)는 4.5 V 이하로 외부 전원(160)으로부터 전지팩(120)의 전지셀들(121)이 충전되는 경우에 HCU(150)의 배터리로부터의 전류를 제 3 릴레이 부(133)의 전류코일(133b)로 흐르지 못하게 단전시킨다. 따라서, 제 3 릴레이 부(133)의 릴레이(133a)는 회로를 닫아 통전되며, 제 1 릴레이 부(131)의 전류코일(131b)과 전기적으로 연결된다. 이와 동시에, HCU(150) 및 BMS(140)는 전지팩(120)의 충전 전압이 4.5 V 이하라면, BMS(140)는 HCU(150)의 배터리로부터의 전류를 제 1 릴레이 부(131) 및 제 2 릴레이 부(132)의 전류코일들(131b, 132b)을 통해 흐르게 하며 이 때 전류코일들(131b, 132b)에 형성되는 자기장에 의해, 전류코일들(131b, 132b)은 자기력을 가지게 되며, 릴레이들(131a, 132a)은 전류코일(131b, 132b) 부근으로 이동하며, 전지팩(120)과 외부 전원(160) 사이의 회로가 닫히게 되어 통전된다.
한편, 도 3에는 도 2의 전원 시스템에서 기준 전압인 4.5 V를 초과하여 전지팩이 충전되는 모습을 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 도 2와 함께 참조하면, 전압측정기(134)는 전지셀들(121)의 전압이 4.5 V를 초과하여 충전되는 경우, HCU(150)의 배터리에서 발생된 전류가 제 3 릴레이 부(133’)의 전류코일(133b)로 흐르도록 회로(154)를 개방한다. 이 때, 제 3 릴레이 부(133)의 전류코일(133b)은 자기장이 형성되며, 자기력으로 제 3 릴레이(133)의 릴레이(133a)를 전류코일(133b) 부근으로 이동시키며, 릴레이(133a)는 전류코일(133b)의 근처에 형성된 마그네틱 부(133c)에 의해 고정된다. 따라서, 제 3 릴레이 부(133)의 릴레이(133a)는 제 1 릴레이 부(131)의 전류코일(131b)이 BMS(140) 및 HCU(150)와의 전기적 연결되는 것을 차단하게 되며, 제 1 릴레이 부(131)의 전류코일(131b)이 자기장을 형성하지 못함에 따라 제 1 릴레이 부(133b)의 릴레이(131a)가 오픈 되며, 전지팩(120)과 외부 전원(160)과의 전기적 연결을 차단하고 전지팩(120)의 충전을 방지한다.
이와는 별개로, HCU(150)는 전지팩(120)이 4.5 V이상으로 과충전되는 경우에, BMS(140)를 통하여 제 1 릴레이 부(131) 및 제 2 릴레이 부(132)의 전류코일들(131b, 132b)로 전력이 공급되는 것을 차단하고, 그에 따라 각각의 릴레이들(131a, 132a)은 전류코일(131b, 132b)의 대향방향으로 움직이며 전지팩(120)과 외부전원(160)의 전기적 연결을 차단한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 둘 이상의 단위셀들을 포함하는 전지팩;
    전지팩의 전력을 공급받거나, 전지팩에 전력을 공급하는 외부 전원;
    전지팩으로 입출력되는 전류를 차단 또는 허용하는 PRA(Power Relay Assembly); 및
    전지팩의 전압, 온도 및 용량을 관리하고, 이를 통제하는 BMS(Battery Management System);
    를 포함하고 있고,
    상기 PRA는 상기 전지팩에 포함된 단위셀들 각각의 전압을 측정하는 전압 측정기, 전지팩에서 하나 이상의 단위셀이 과충전되는 경우에 회로를 차단하도록 조합되어 있는 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부를 포함하며, 상기 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부는 4.5 V를 초과하는 전압으로 하나 이상의 전지셀이 충전될 때 전지팩으로 송전되는 전류을 차단하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부는 각각 전류코일 및 릴레이를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 릴레이 부 및 제 2 릴레이 부는 전류코일로 전류가 흐르지 않는 경우에 릴레이를 오픈 시켜, 릴레이를 통해 전류가 흐르는 것을 차단하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 릴레이 부는 전류코일에 인접한 곳에 위치한 마그네틱 부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제 3 릴레이 부는, 제 1 릴레이 부의 전류코일로 4.5 V 이하의 전류가 흐르는 경우에, 릴레이를 닫아 제 3 릴레이 부의 릴레이를 통해 전류가 흐르도록 하며, 제 3 릴레이 부의 전류 코일로 4.5 V 초과의 전류가 흐르는 경우에, 제 3 릴레이 부의 릴레이가 마그네틱 부로 이동하며 상기 릴레이를 오픈 시켜, 제 3 릴레이 부의 릴레이를 통해 전류가 흐르는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 릴레이 부의 릴레이는 전지팩의 양극 단자와 외부 전원의 양극 입출력 단자 사이에서 전기적으로 연결되어 있고, 전류코일은 제 3 릴레이 부의 릴레이와 BMS의 입출력 단자 사이에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 릴레이 부의 릴레이는 전지팩의 음극 단자와 외부 전원의 음극 입출력 단자 사이에서 전기적으로 연결되어 있고, 전류코일은 BMS의 입출력 단자에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 릴레이 부의 릴레이는 제 1 릴레이 부의 전류코일과 BMS의 입출력 단자 사이에 연결되어 있고, 전류코일은 전압 측정기에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전압 측정기는 측정된 하나 이상의 단위셀의 전압이 4.5 V 초과인 경우에만 제 3 릴레이부의 전류코일로 전류를 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 릴레이 부는, 전지팩에서 하나 이상의 단위셀의 전압이 4.5 V 초과의 전압으로 충전되는 경우, 전압 측정기에서 제 3 릴레이의 전류코일로 전류가 흐르게 되고, 이 때, 제 3 릴레이 부의 릴레이가 마그네틱 부로 이동하며 오픈 되어, 제 3 릴레이의 릴레이로부터 제 1 릴레이 부의 전류코일로 전류가 흐르는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 릴레이 부는 그것의 전류코일에 전류가 차단되어 릴레이가 오픈 되며, 외부 전원으로부터 전지팩으로 전류가 흐르는 것을 차단하여 4.5 V를 초과하여 전지셀이 과충전되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 BMS는 외부 전압 검출 수단과, 제 1 릴레이 부와 제 2 릴레이 부 및 제 3 릴레이 부를 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 외부 전압 검출 수단은 하나 이상의 전지셀이 4.5 V를 초과하여 충전되는 경우, 이를 감지하여, BMS로 차단 신호를 발송하고, BMS는 1 릴레이 부 및 제 2 릴레이 부의 전류코일에 전류가 흐르지 않도록 차단하여, 제 1 릴레이 부 및 제 2 릴레이 부의 릴레이들이 오픈 되면서 전지팩의 충전을 차단하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 외부 전압 검출 수단은 HCU(Hybrid Control Unit)인 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 하나 이상의 전지셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 시스템.
  16. 제 1 항에 따른 전원 시스템을 사용하는 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 디바이스는, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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