KR102161639B1 - 배터리 시스템 및 이의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 자동차를 위한 배터리 시스템과; 전기 기계, 특히 차량 구동부를 위한 배터리 시스템을 포함하는 전원 공급 장치와; 배터리 시스템의 충전 방법에 관한 것이다.

Description

배터리 시스템 및 이의 작동 방법{BATTERY SYSTEM AND METHOD FOR THE OPERATION THEREOF}
본 발명은 특히 자동차를 위한 배터리 시스템과; 전기 기계, 특히 차량 구동부를 위한 배터리 시스템을 포함하는 전원 공급 장치와; 배터리 시스템의 충전 방법에 관한 것이다.
주행 또는 이동을 위해 하나 이상의 전기 모터를 구비하며 사용하는 자동차는 전기 차량 또는 하이브리드 차량으로 지칭된다. 이 경우, 자동차의 주행 작동 중에, 하나 이상의 전기 모터는 배터리 또는 축전지로도 지칭될 수 있는 하나 이상의 전기 에너지 저장부로부터 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 상기 하나 이상의 전기 에너지 저장부는 예를 들어 고전압 배터리(HV 배터리)일 수 있다. 상기 고전압 배터리는 이후 충전 작동 중 전기 에너지를 공급받을 수 있다.
HV 배터리의 개발 경향은 더 높은 정격 전압을 갖는 배터리를 위한 것이다. 그 결과, 전압 증가 시에, 원하는 출력에 도달하는 데에 더 낮은 전류 강도가 요구되기 때문에, 차량 내의 전기 부품들의 중량 및 케이블 치수가 감소할 수 있다. 전압 증가는 차량 내의 부품들뿐만 아니라 HV 배터리를 충전하는 데에 요구되는 외부 인프라구조에 대한 추가 요건을 수반한다. 800 V 초과의 정격 전압을 갖는 충전소는 현재 거의 이용 가능하지 않다. 그러므로, 이러한 종류의 HV 배터리 시스템이 또한 현재 이용 가능한 충전 인프라구조를 사용하여 충전될 수 있는 것이 바람직할 것이다.
HV 배터리는 대개 복수의 배터리 모듈을 포함한다. 내부 단락의 경우 손상을 제한하기 위해, 전기 퓨즈가 일반적으로 모듈들 사이에 구비된다. 고장의 발생 시 평균 수리 시간(MTTR)이 가능한 한 짧도록 상기 퓨즈는 쉽게 교체될 수 있어야 한다.
US 2016/272084 A1에는 차량 배터리 세트를 위한 충전 시스템이 개시되어 있는데, 복수의 충전 장치가 각각 배터리 세트의 대응하는 수의 배터리 모듈 섹션에 연결된다.
US 5 477 936 A에는, 복수의 배터리 장치, 및 작동 회로를 위한 인터페이스를 제공하기 위해 각각의 배터리 장치와 플러그 사이에 직렬로 연결되는 퓨즈를 구비한 차량 배터리 세트가 개시되어 있다.
US 8 704 485 B1에는, 복수의 섹션 내에 배치되는 배터리들, 및 각각의 배터리 모듈과 직렬로 연결되는 스위치 퓨즈들을 구비한 차량 배터리 세트가 개시되어 있다.
게다가, HV 배터리의 안전한 조립, 분해, 또는 수송이 가능하도록, 내부 회로로부터 배터리를 절연하고 그 연결부들을 무전위로 만들기 위한 간단한 옵션을 갖는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 배터리 시스템의 정격 전압보다 낮은 출력 전압을 갖는 충전 장치를 사용하여 충전될 수 있는, 높은 정격 전압을 갖는 배터리 시스템을 제공하는 데에 있다. 본 발명의 다른 목적은 내부 단락 후에 간단하고 신속하게 수리될 수 있는 이러한 종류의 배터리 시스템을 제공하는 데에 있다. 또 다른 목적은 안전하게 배터리 시스템을 조립, 분해, 및 수송할 수 있다는 데에 있다.
본 발명은 특히 차량을 위한 HV 배터리를 제공한다. HV 배터리는 전압이 연결부들에 인가되지 않도록 내부 절연을 갖는다. 그에 따라, 배터리의 조립, 분해, 및 수송이 안전하다. HV 배터리는 섹션들로 나뉘어지는 복수의 셀의 직렬 회로를 포함한다. 도체들은 인터페이스에 셀들의 양 연결부 및 음 연결부를 연결한다. 인터페이스는 또한 배터리의 중간 전극들에 연결하기 위한 극들을 구비한다. 배터리가 방전 모드일 때, 이는 온보드 컨버터에 연결된다. 중간 전극들은 인터페이스의 타 측에 있는 연결부들 사이의 중간 퓨즈들과 직렬로 연결된다. 중간 퓨즈들은 이런 방식으로 배터리 하우징의 외부에 배치되어, 그 중량 및 크기가 감소된다.
분할형 충전 연결 시스템을 추가로 제공한다. 배터리의 충전 모드에서, 복수의 충전 장치는 섹션들을 병렬로 충전하기 위해 중간 전극들을 사용하여 각각 하나의 배터리 섹션에 연결된다. 이는 더 낮은 전압 범위를 갖는 덜 강력한 충전 장치들을 사용할 수 있게 한다.
본 발명의 주제는 직렬로 연결되는 각각 2개 이상의 셀을 구비한 2개 이상의 모듈을 포함하는 배터리 시스템이다. 이러한 배터리 시스템은 모듈들의 수의 2배에 해당하는 수의 연결부를 구비한 제1 인터페이스를 포함한다. 모듈들의 각각의 극은 각각의 경우 도체에 의해 제1 인터페이스의 각각의 연결부에 연결된다. 제1 인터페이스에 모듈들의 양극들을 연결하는 도체들은 각각 스위치를 구비하며, 스위치는 제1 인터페이스의 관련 연결부가 개방될 때 개방된다.
일 구현예에서, 배터리 시스템은 HV 배터리 시스템이다. 일 구현예에서, 모듈들의 전압의 합은 800 V 초과, 예를 들어 1000 V 초과 또는 1200 V 초과이다.
배터리 시스템의 일 구현예에서, 제1 인터페이스는 HV 플러그 커넥터로 구현된다. 제1 인터페이스는 예를 들어 다극 소켓 또는 다극 플러그로 구현될 수 있다.
제1 인터페이스에 모듈들의 양극들을 연결하는 도체들에 배치되는 스위치들은 배터리 시스템의 외측으로부터 작동될 수 있는 기계식 스위치로 구현될 수 있다. 일 구현예에서, 스위치들은 자기 작동식 리드 스위치이다. 상기 스위치들은 바람직하게는 전기 작동식 스위치로 구현된다. 일 구현예에서, 상기 스위치들은 릴레이로 구현된다. 일 구현예에서, 상기 스위치들은 전자 스위치, 예를 들어 트랜지스터로 구현된다.
본 발명의 주제는 또한 본 발명에 따른 배터리 시스템을 포함하는, 전기 기계, 특히 차량 구동부를 위한 전원 공급 장치이다. 전원 공급 장치는 배터리 시스템의 제1 인터페이스와 같은 수의 연결부를 구비한 제2 인터페이스를 포함한다. 제2 인터페이스의 각각의 연결부는 제1 인터페이스의 각각의 연결부에 연결된다. 각각의 퓨즈가 배터리 시스템의 모듈들 중 하나의 양극 및 배터리 시스템의 모듈들 중 다른 하나의 음극에 각각 연결되도록, 배터리 시스템 내의 모듈들의 수에서 1을 뺀 수에 해당하는 수의 퓨즈들이 제2 인터페이스에 연결된다. 따라서, 배터리 시스템의 모든 모듈이 퓨즈들에 의해 직렬로 연결된다. 전원 공급 장치는 또한 컨버터를 포함한다. 배터리 시스템의 모듈들의 전압의 합이 컨버터의 입력부에 인가되도록, 컨버터의 입력부는 제2 인터페이스의 두 잔여 연결부에 연결된다.
컨버터는 배터리 모듈의 전압을 전기 기계를 작동시키는 데에 요구되는 전압으로 변환한다. 사용되는 전기 기계의 유형에 따라, 요구된 볼트수로 DC 전압 또는 AC 전압을 발생시키는 컨버터가 사용된다. 일 구현예에서, 컨버터는 인버터를 포함한다. 다른 구현예에서, 컨버터는 강압(step-down) 컨버터를 포함한다.
퓨즈들은 과전압 또는 과전류로 인한 손상으로부터 배터리 시스템의 모듈들을 보호한다. 적절한 퓨즈들이 원칙적으로 당업자들에게 공지되어 있다. 예로서, 안전 퓨즈, 전자 퓨즈, 이원금속 퓨즈 또는 PTC 서미스터와 같은 자동-초기화(self-resetting) 퓨즈, 회선 회로 차단기 등이 있다.
제1 인터페이스의 각각의 연결부가 제2 인터페이스의 대응하는 연결부에 연결되도록, 제2 인터페이스는 제1 인터페이스의 상대(counterpart)로 구현된다. 예를 들어, 제1 인터페이스가 다극 소켓으로 구현되는 경우, 제2 인터페이스는 대응하는 상대, 즉 다극 플러그를 나타낸다. 다른 구현예에서, 제1 인터페이스는 다극 플러그로 구현되고 제2 인터페이스는 다극 소켓으로 구현된다. 일 구현예에서, 제1 인터페이스 및 제2 인터페이스는 함께 HV 플러그 연결부를 형성한다.
본 발명의 주제는 또한 복수의 모듈을 포함하는 배터리 시스템의 충전 방법으로, 하나 이상의 충전 장치가 배터리 시스템의 하나 이상의 모듈에 연결되며 충전된다.
방법의 일 구현예에서, 배터리 시스템의 각각의 모듈은 하나의 충전 장치에 연결되며 충전된다.
방법의 일 구현예에서, 복수의 충전 장치가 각각의 경우 배터리 시스템의 하나 이상의 모듈에 동시에 연결되고, 충전 장치들에 연결된 모듈들은 동시에 충전된다. 일 구현예에서, 충전 장치들의 수는 배터리 시스템의 모듈들의 수와 같으며, 즉, 배터리 시스템의 각각의 모듈은 각각 하나의 충전 장치에 연결되고, 모든 모듈은 동시에 충전된다.
본 발명은 구현예를 참조하여 도면에 개략적으로 도시되며, 도면을 참조하여 개략적으로 및 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 구현예의 개략도를 도시한다.
도 3은 배터리 시스템을 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도를 도시한다.
도면은 상호관련 및 포괄적인 방식으로 설명될 것이다. 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 직렬로 연결되는 M개의 셀을 포함하는 배터리(10)를 도시하는데, 상기 셀들은 N개의 섹션 또는 모듈(2)로 나뉘어진다. 도체(4)가 (i*M/N+1)번째(i=1...N-1) 셀의 음극에서 HV 연결부의 인터페이스(6)까지 이어진다. 다른 도체(3)가 (i*M/N)번째(i=1...N-1) 셀의 양극에서 HV 연결부의 인터페이스(6)까지 이어진다. 인터페이스(6)는 2×N개의 극을 갖는데, 2개는 배터리(10)의 양극 및 음극을 위한 것이며, 나머지는 배터리(10) 내의 중간 극들을 위한 것이다. 인터페이스(6)에 모듈들(2)의 양극들을 연결하는 도체들(3)에 스위치들(5)이 구비되되, 상기 스위치들은 인터페이스(6)의 접점들이 개방될 때, 즉 충전 장치 또는 부하에 연결되지 않을 때 개방된다. 도 1에 도시된 구현예에서, 또 다른 스위치(5)가 도체(4)에 추가로 구비되되, 상기 스위치는 인터페이스(6)에 캐스케이딩 모듈들(2) 중 마지막 모듈의 음극, 즉 배터리(10)의 음극을 연결한다.
배터리(10)가 연결되지 않을 때, 전압이 인터페이스(6)에 인가되지 않으며, 인터페이스(6)의 연결부들은 무전위가 된다. 그 결과, 배터리(10)의 안전한 조작 및 안전한 수송을 보장한다. 이는 종래 설계의 배터리들 내의 배터리 팩들 사이의 내부 스위치 퓨즈의 제거, 또는 배터리 팩들 사이의 중앙 차단기의 개방에 대응한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 설계는 중앙 차단기의 사용을 불필요하게 만들고, 그 결과 중량 및 부피를 절약한다. 모듈들 사이의 스위치 퓨즈들은 배터리 하우징의 외부에서 발견되고, 이는 중량 및 부피를 추가로 절약할 수 있게 한다. 또한, 이는 불량 퓨즈의 교체를 상당히 용이하게 한다.
도 2는 전기 기계를 위한 본 발명에 따른 전원 공급 장치의 구현예를 도시한다. 배터리(10)는 제1 인터페이스(6)에 의해 제2 인터페이스(7)에 연결된다. 인터페이스들(6, 7)은 예를 들어 HV 플러그 연결부의 두 절반부이다. 배터리(10)의 양극 및 음극은 배터리 전압을 전기 기계(도 2에 미도시)의 작동에 적합한 전압으로 변환하는 컨버터(20)의 입력부에 연결된다. 배터리(10)의 중간 극들은 직렬로 연결되고, N-1개의 퓨즈(8)가 중간 극들 사이에 배치되어, 캐스케이딩 모듈들(2)은 각각의 경우 하나의 퓨즈(8)에 의해 연결된다. 그러므로, 모듈들(2)의 개별 전압의 합이 컨버터(20)의 입력부에 인가된다. 방전 모드에서, 배터리(10) 내의 모든 스위치(5)가 폐쇄되고, 전류가 흐를 수 있다.
도 3은 제1 인터페이스(6) 및 제2 인터페이스(7)에 의해 일련의 충전 장치(30)에 연결되는 본 발명에 따른 배터리(10)의 구현예를 도시한다. 충전 모드에서, 모듈들(2)이 충전될 수 있도록 배터리(10) 내의 모든 스위치(5)가 폐쇄된다. 도 3에 도시된 구현예에서, N개의 충전 장치가 제2 인터페이스(7)에 연결된다. N개의 모듈(2)이 배터리(10)의 중간 극들에 의해 병렬로 충전될 수 있되, 상기 극들은 인터페이스(6)에 연결된다. 도 3에 도시된 구현예에서, N은 배터리(10)의 모듈들(2)의 총 수로, 다시 말하면, 배터리(10)의 각각의 모듈(2)은 하나의 충전 장치(30)에 연결된다. 다른 구현예들에서, 충전 장치(30)는 직렬로 연결되는 복수의 모듈(2)의 일부의 양극 및 음극에 연결된다. 다른 구현예에서, 모든 모듈(2)이 동시에 충전 장치(30)에 연결되는 것이 아니라, 단 하나의 모듈(2) 또는 모듈들(2)의 총수보다 작은 수 또는 그룹의 모듈들(2)이 연결된다.
각각의 모듈(2)이 하나의 충전 장치(30)에 연결되며 모든 모듈(2)이 병렬로 충전되는 도 3에 도시된 구현예에서, 모든 충전 장치(30)는 동일한 전류 그러나 각각의 경우 배터리(10)의 정격 전압의 1/N만을 전달한다.
분할형 충전 연결 시스템을 사용하는 본 발명에 따른 충전 방법은 덜 강력한 충전 장치들의 사용을 가능하게 한다. 그 결과, 배터리의 총 정격 전압이 단일 충전 장치에 의해 제공될 필요가 없기 때문에, 더 낮은 출력 전압을 전달하는 충전 장치들을 또한 사용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 직렬로 연결되는 각각 2개 이상의 셀(1)을 구비한 2개 이상의 모듈(2), 및 모듈들(2)의 수의 2배에 해당하는 수의 연결부를 구비한 제1 인터페이스(6)를 포함하는 배터리 시스템(10),
    배터리 시스템(10)의 제1 인터페이스(6)와 같은 수의 연결부를 구비한 제2 인터페이스(7),
    배터리 시스템(10) 내의 모듈들(2)의 수에서 1을 뺀 수에 해당하는 수의 퓨즈들(8), 및
    컨버터(20)를 포함하는, 전기 기계를 위한 전원 공급 장치이며,
    상기 배터리 시스템(10)은, 모듈들(2)의 각각의 극은 각각의 경우 도체(3, 4)에 의해 제1 인터페이스(6)의 각각의 연결부에 연결되고, 제1 인터페이스(6)에 모듈들(2)의 양극들을 연결하는 도체들(3)은 각각 스위치(5)를 구비하며, 상기 스위치는 제1 인터페이스(6)의 관련 연결부가 개방될 때 개방되고,
    제2 인터페이스(7)의 각각의 연결부는 제1 인터페이스(6)의 각각의 연결부에 연결되며, 배터리 시스템(10)의 모든 모듈(2)이 퓨즈들(8)에 의해 직렬로 연결되도록 각각의 퓨즈(8)는 배터리 시스템(10)의 모듈들(2) 중 하나의 양극 및 배터리 시스템(10)의 모듈들(2) 중 다른 하나의 음극에 각각 연결되고, 제2 인터페이스(7)의 두 잔여 연결부는 컨버터(20)의 입력부에 연결되는, 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 시스템(10)은 HV 배터리 시스템인, 전원 공급 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    모듈들(2)의 전압의 합은 800 V를 초과하는, 전원 공급 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 인터페이스(6)는 HV 플러그 커넥터로 구현되는, 전원 공급 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    스위치들(5)은 전기 또는 전자 작동식 스위치로 구현되는, 전원 공급 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    컨버터(20)는 인버터를 포함하는, 전원 공급 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    컨버터(20)는 강압 컨버터를 포함하는, 전원 공급 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    퓨즈들(8) 중 하나 이상은 안전 퓨즈인, 전원 공급 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    퓨즈들(8) 중 하나 이상은 전자 퓨즈인, 전원 공급 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    제1 인터페이스(6) 및 제2 인터페이스(7)는 함께 HV 플러그 연결부를 형성하는, 전원 공급 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 따른 전원 공급 장치의 배터리 시스템(10)의 충전 방법에 있어서, 하나 이상의 충전 장치(30)가 배터리 시스템(10)의 하나 이상의 모듈(2)에 연결되며 충전되는, 전원 공급 장치의 배터리 시스템의 충전 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    각각의 모듈(2)은 하나의 충전 장치(30)에 연결되며 충전되는, 전원 공급 장치의 배터리 시스템의 충전 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    복수의 충전 장치(30)가 각각 하나 이상의 모듈(2)에 동시에 연결되고, 충전 장치들(30)에 연결된 모듈들(2)은 동시에 충전되는, 전원 공급 장치의 배터리 시스템의 충전 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    충전 장치들(30)의 수는 배터리 시스템(10) 내의 모듈들(2)의 수와 같은, 전원 공급 장치의 배터리 시스템의 충전 방법.
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