KR102244431B1

KR102244431B1 - 하이브리드 차량용 전지 시스템

Info

Publication number: KR102244431B1
Application number: KR1020170012981A
Authority: KR
Inventors: 위르겐 프리츠; 토마스 코어헤어
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2021-04-26
Also published as: CN107666017A; US10464436B2; EP3276775B1; US20180029490A1; CN107666017B; KR20180012683A; EP3276775A1

Abstract

하이브리드 차량용 전지 시스템에 관한 것으로, 하이브리드 차량용 전지 시스템은, 제1 및 제2 출력 단자와, 상기 제1 및 제2 출력 단자 중 어느 하나에 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극을 포함하는 전지 팩을 포함한다. 또한, 상기 전지 시스템은 상기 제1 전극 및 상기 제1 출력 단자에 전깆거으로 연결되는 전기 작동 프리-차지 스위치를 포함한다. 또한, 상기 전지 시스템은 상기 전기 작동 프리-차지 스위치와 전기적으로 직렬 연결되는 제1 저항 및 절연 감시 회로를 포함한다. 또한, 상기 전지 시스템에서 제2 저항은 상기 제1 저항과 직렬 연결되며, 반도체 스위치와 병렬 연결된다.

Description

하이브리드 차량용 전지 시스템{A BATTERY SYSTEM FOR A HYBRID VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 차량용 전지 시스템에 관한 것이다.

이차 전지(rechargeable battery) 시스템은 충전과 방전을 반복적으로 할 수 있다는 점에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지로 비가역적 변환만을 하는 일차 전지(primary battery) 시스템과 다르다. 저용량의 이차 전지 시스템은 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치용 전원으로서 사용되는 반면, 고용량의 이차 전지 시스템은 하이브리드(hybrid) 자동차 등에서 구동 모터를 위한 전원으로 사용된다.

이차 전지 시스템, 특히 고전압 이차 전지 시스템은 그것이 사용되는 주변의 (고전압) 컴포넌트들과 전기적으로 절연되어야 한다. 예를 들어, 하이브리드 차량의 모터 구동을 위해 사용되는 전지 시스템의 고전압 컴포넌트들은 차량 섀시(chassis)의 고전압 컴포넌트들과 절연 또는 분리되도록 구성되어야 한다. 전지 구동 전기 자동차에 대한 규약(ECE R 100)에 의하면, 이러한 주변 컴포넌트들과의 절연은 등가 네트워크 다이어그램(equivalent network diagram)에서 저항으로 표시되는 절연 수단을 통해 수행될 수 있다. 일반적으로, 절연은 절연 감시 회로에 의해 감시된다.

미국공개특허 2013/0314097(US 2013/0314097 A1)에 개시된 절연 감시 회로를 포함하는 전지 시스템은, 고전압 전지 시스템의 절연 저항을 검출하기 위한 장치를 서술한다.

종래 기술에 따른 전지 시스템에서는, 종종 절연 감시를 수행하기 위해 추가 스위치를 필요로 한다. 통상적으로 고성능 릴레이들로 구현되는 이러한 추가 스위치들은, 전지 시스템의 생산 가격을 증가시키게 된다. 또한, 스루홀 기술(through-hole technology (THT))이라 불리는 기술을 통해 장착되므로, SMD 파트인 전지 시스템에 이러한 추가 스위치들을 장착하는 것은 조립의 불편함을 초래할 수 있다.

본 발명의 실시 예들을 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 절연 감시 기능을 제공하면서도 생산 비용을 감소시킬 수 있는 차량용 전지 시스템을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 전지 시스템은, 제1 및 제2 출력 단자, 상기 제1 및 제2 출력 단자에 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극을 포함하는 전지 팩, 상기 제1 출력 단자와 상기 제1 전극 사이에 연결되는 전기 작동 프리-차지 스위치, 상기 프리-차지 스위치와 직렬 연결되는 제1 저항, 상기 전지 시스템의 전체 절연을 모니터링하는 절연 감시 회로, 상기 제1 저항과 직렬 연결되는 제2 저항, 및 상기 제2 저항과 병렬 연결되며, 제1 상태에서는 전류를 양방향 도통시키고, 제2 상태에서는 전류를 양 방향 차단하는 반도체 스위치를 포함할 수 있다.

상기 절연 감시 회로는, 상기 제1 및 제2 전극 각각에 대해 배치되며, 상기 전지 시스템의 기준 전위에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 기준 저항, 상기 적어도 하나의 기준 저항 및 상기 제1 및 제2 전극 중 어느 하나에 직렬 연결되는 스위칭 수단, 및 적어도 하나의 전압계를 포함할 수 있다. 상기 절연 감시 회로는, 전지 구동 전기 자동차를 위한 규정 즉, ECE R 100에 따른 전지 시스템의 전체 절연 감시 및 측정을 허용한다.

상기 제2 저항은 외부 고전압 컴포넌트들을 상기 전지 시스템에 결합할 수 있다.

상기 전지 시스템에 외부 고전압 컴포넌트들을 상기 전지 시스템에 연결하기 위한 저항은, 적어도 100 Ohm/V의 저항 값을 가질 수 있다.

상기 반도체 스위치는 전류를 양방향 도통시키거나 차단할 수 있다. 즉, 상기 반도체 스위치가 제1 상태이면, 전류가 서로 반대되는 두 개의 방향으로 상기 반도체 스위치의 스위칭 패스를 흐를 수 있다. 상기 반도체 스위치가 제2 상태이면, 전류는 전류의 방향과 상관 없이 상기 반도체 스위치의 스위칭 패스를 흐를 수 없다.

상기 반도체 스위치는 시리스터(thyristor)를 포함할 수 있다.

상기 상기 반도체 스위치는, 서로 비연속적(anti-serially)으로 연결되는 두 개의 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 전지 시스템의 상기 전기 작동 프리-차지 스위치 및/또는 상기 전기 작동 스위치들이 닫힌 후에 특히, 상기 전기 작동 스위치들이 각각 대응하는 출력 단자와 전극을 분리한 분리시킨 후에, 상기 두 개의 트랜지스터들이 닫히도록, 상기 두 개의 트랜지스터들의 스위칭 시퀀스가 프리-차지 사이클 내에 변동될 수 있다. 상기 스위칭 시퀀스의 변동으로, 상기 전지 시스템의 양극과 출력 터미널을 연결하거나 연결 차단하기 위해 사용되는 상기 전기 작동 스위치는, 전류 방해 없이 스위칭될 수 있어, 스위칭되는 전류의 피크치를 회피할 수 있다. 이로 인해, 상기 전지 시스템 및 상기 전기 작동 스위치의 수명 및 성능이 향상될 수 있다.

상기 두 개의 트랜지스터들은 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 전계 효과 트랜지스터는 통상적으로 비용 효율이 좋고 안정적인 스위칭 동작을 제공할 수 있다.

상기 두 개의 트랜지스터들은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터는 소형이므로 고밀도로 제조될 있으며, 짧은 응답 시간을 가진다.

상기 두 개의 트랜지스터들은 n-채널 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 비연속적으로 연결되는 트랜지스터들의 사용으로, 기생 다이오드들이 서로 반대 방향으로 위치함으로써, 상기 제2 저항의 쇼트 결합이 효율적으로 방지될 수 있다.

상기 트랜지스터들의 소스 단자는 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이로 인해, 상기 트랜지스터들의 구동 회로는 간단한 구조로 구현될 수 있다.

상기 트랜지스터들의 제어 입력 단자들은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 트랜지스터들의 게이트 단자들은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이로 인해, 상기 트랜지스터들이 함께 스위칭될 수 있어 제어가 쉬워질 수 있다.

상기 전지 시스템은, 적어도 하나의 중간 회로 캐패시터가 상기 전지 시스템에 연결되면, 상기 전기 작동 프리-차지 스위치 및 상기 반도체 스위치를 통해 상기 적어도 하나의 중간 회로 캐패시터를 프리-차지할 수 있다. 이로 인해, 중간 회로 캐패시터의 프리-차지가 프리-차지 경로 없이 프리-차지 저항에 의해 수행될 수 있다. 상기 중간 회로 캐패시터는 DC 링크 캐패시터일 수 있다.

상기 전지 시스템은 상기 제2 전극과 상기 제2 출력 단자를 서로 연결하는 도통 경로 상에 위치하는 전기 작동 스위치를 더 포함하며, 상기 전지 시스템은, 상기 전기 작동 프리-차지 스위치 및 상기 전기 작동 스위치가 닫히고 상기 반도체 스위치가 도통 상태가 되면, 상기 적어도 하나의 중간 회로 캐패시터의 프리-차지 동작을 수행할 수 있다. 상기 전지 시스템은 전지 관리 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 전지 관리 장치는 상기 전기 작동 프리-차지 스위치 및 상기 전기 작동 스위치를 닫은 후에, 상기 반도체 스위치를 도통시켜 상기 중간 회로 캐패시터의 프리-차지 동작을 수행, 제어 및/또는 관리할 수 있다. 이로 인해, 상기 전기 작동 프리-차지 스위치 및 상기 전기 작동 스위치는 상기 반도체 스위치가 도통 상태가 되기 전에 도통 상태가 될 수 있다. 이에 따라, 제2 저항이 우회되지 못해 돌입 전류가 감소하고, 전기 작동 프리-차지 스위치의 수명을 증가시킬 수 있다. 상기 전지 관리 장치는 절연 감시 회로의 일부를 형성할 수 있다.

상기 전기 작동 프리-차지 스위치는 릴레이를 포함할 수 있다. 릴레이는 높은 스위칭 전류를 허용할 수 있다. 상기 전기 작동 스위치 또한 릴레이로 구현될 수 있다.

상기 절연 감시 회로는 상기 프리-차지 스위치가 도통 상태이고 상기 반도체 스위치가 비도통 상태이면, 상기 전지 시스템의 절연 저항 측정을 수행할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전지 시스템은 상기 프리-차지 스위치가 도통 상태이고 상기 반도체 스위치가 비도통 상태일 때 상기 전지 시스템의 전체 절연 측정을 수행하도록 구성되는 전지 관리 장치를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 전지 시스템의 전체 절연 측정 및 감시는, 절연 측정 및 감시를 수행하기 위한 추가적인 스위치 없이도, 종래 기술에 따른 전지 시스템의 절연 감시 회로에서 제공되는 것과 동일한 수준으로 수행될 수 있다.

상기 절연 감시 회로의 상기 전지 관리 장치는 마이크로프로세서 또는 마이크로 컨트롤러 유닛으로 구현될 수 있다. 이러한 전지 관리 장치로 인해, 상기 전지 시스템 및 상기 전지 시스템의 컴포넌트들의 안정적인 제어, 동작, 및 관리가 보장될 수 있다.

상기 전지 관리 장치는 상기 반도체 스위치, 상기 프리-차지 스위치 및/또는 상기 전기 작동 스위치를 제어할 수 있다. 상기 전지 관리 장치는 상기 반도체 스위치 및 상기 프리-차지 스위치가 각각 작동하도록 구현될 수도 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 전지 시스템의 절연 감시 방법은, 상기 전기 작동 프리-차지 스위치를 닫는 단계, 상기 반도체 스위치를 비도통 상태로 유지하는 단계, 및 상기 절연 감시 회로를 통해 상기 전지 시스템의 전체 절연을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 차량은 상기 전지 시스템을 포함할 수 있다. 위에서 언급한 효과들은 상기 차량에서도 달성될 수 있다.

본 발명의 실시 예들에 따르면, 프리-차지 경로만 사용하여 절연 감시를 수행할 수 있다. 이에 따라, 값비싼 릴레이와 같은 비싼 추가 스위치를 생략할 수 있어, 전지 시스템의 수명은 증가시키면서도, 전지 시스템의 전체 생산 비용을 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 절연 감시 회로를 포함하는 전지 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전지 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전지 시스템을 도시한 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.

실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.

2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 커패시터 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.

도 1은 종래 기술에 따른 절연 저항들(7)과 절연 감시 회로(50)를 포함하는 전지 시스템(100)의 회로를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 전지 시스템(100)은, 하이브리드 차량의 구동 모터의 부하 임피던스(20)에 전기적으로 연결되는 두 개의 출력 단자들(1, 2)을 포함한다. 전지 시스템(100)은, 각각 어느 하나의 출력 단자(1, 2)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(primary pole, 91) 및 제2 전극(secondary pole, 92)을 포함하는 전지 팩(90)을 더 포함한다. 도 1에 도시된 전지 시스템(100)에서, 제1 전극(91)은 전지 팩(90)의 음극(negative pole)을 나타내며, 절연 저항(7)에 의해 차량의 섀시 접지로부터 절연된다. 제2 전극(92)은 전지 팩(90)의 양극(positive pole)을 나타내며, 또 다른 절연 저항(7)에 의해 차량의 섀시 접지로부터 절연된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 절연 저항(7)은 섀시 접지에 직접 연결된다. 도 1에 도시된 회로도의 양 단부에 위치하는 섀시 접지 기호는 차량 전체의 접지(GND)를 나타낸다.

도 1의 전지 시스템(100)에서, 절연 감시 회로(50)는 전지 관리 장치(battery management unit, 미도시)와 두 개의 기준 저항(reference resistor, 6)들을 포함한다. 각 기준 저항(6)은 전지 시스템의 기준 전위(예를 들어, 전지 시스템의 고전압 컴포넌트들의 접지)에 연결되며, 절연 감시 회로의 기능을 보장하기 위해 전지 시스템의 기준 전위는 차량의 섀시 접지에 연결될 수 있다. 각 기준 저항(6)은 각 기준 저항(6) 별로 마련된 하나의 스위칭 수단(6-1)을 통해 전지 팩(90)의 전극들(91, 92)에 전기적으로 연결될 수 있다. 전지 시스템(100)은 전지 관리 장치(미도시)에 전기적으로 연결되는 복수의 전압계(5)를 포함한다.

절연 감시 회로(50)는 전압계(5)들을 통해 전지 팩(90)에 의해 공급되는 전압(제1 및 제2 전극(91, 92) 사이의 전압)과 차량 섀시의 접지와 전극들(91, 92) 사이의 전압을 각각 감시 및 측정하도록 구성된다. 또한, 절연 감시 회로(50)는 전지 시스템(100)의 전체 절연(total isolation)을 감시하는 프로세스 중 전압계(5)들에 의해 측정된 전압들을 사용하도록 구성된다. 각 전극(91, 92)은 각 전극(91, 92)에 대응하는 하나의 릴레이(8)를 통해 전지 시스템(100)의 출력 단자들(1, 2)로부터 전기-기계적으로 분리될 수 있다.

도 1에 도시된 전지 시스템(100)은 프리-차지 릴레이(10)를 더 포함하며, 프리-차지 릴레이(10)는 전지 시스템(100)의 제1 전극(91)과 제1 출력 단자(1) 사이의 도전성 경로에 배치되는 릴레이(8)와 병렬 연결된다. 프리-차지 저항으로 동작하는 제1 저항(21)은 프리-차지 릴레이(10)와 직렬로 연결된다. 또한, 도 1에 도시된 전지 시스템(100)에서는, 제2 저항(22)(연결 저항이라고도 함)을 통해 차량의 고전압 회로와 연결되는 추가 스위치(18)가 프리-차지 릴레이(10)에 병렬로 연결된다. 절연 감시 회로(50)를 통해 전지 시스템(100)의 전체 절연을 측정하기 위해서는, 추가 스위치(18)가 닫혀 측정이 수행된다.

전술한 바와 같이, 종래 기술에 따른 전지 시스템(100)에서는, 절연 감시를 수행하기 위해 추가 스위치(18)를 필요로 한다. 통상적으로 고성능 릴레이들로 구현되는 이러한 추가 스위치들은, 전지 시스템의 생산 가격을 증가시키게 된다. 또한, 스루홀 기술(through-hole technology (THT))이라 불리는 기술을 통해 장착되므로, SMD 파트인 전지 시스템에 이러한 추가 스위치들을 장착하는 것은 조립의 불편함을 초래할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 실시 예들에서는 절연 감시를 통해 전지 시스템의 수명은 개선하면서도 전지 시스템의 생산 비용은 감소시킬 수 있도록, 절연 감시 기능은 제공하면서도 절연 감시 기능을 위한 추가적인 스위치를 생략한 전지 시스템을 제공한다.

이하, 필요한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 하이브리드 차량용 전지 시스템에 대해 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 전지 시스템(200)을 도시한다. 도 2에 도시된 전지 시스템(200)은 도 1에 도시된 전지 시스템(100)과 일부 유사하여, 도 1의 구성요소들과 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 표기하고, 중복되는 설명을 피하기 위해 상세한 설명을 생략한다. 제1 실시 예에 따른 전지 시스템(200)은 부하와 연결하기 위한 두 개의 출력 단자들(1, 2)을 포함한다. 또한, 전지 시스템(200)은 제1 및 제2 전극(91, 92)을 포함하는 전지 팩(90)을 포함한다. 제1 및 제2 전극(91, 92)는 각각 어느 하나의 출력 단자(1, 2)에 전기적으로 연결된다. 도 2에서 전지 팩(90)은 전압원을 나타내는 전기 기호(electronic symbol)로 표시된다. 전지 팩(90)은 서로 전기적으로 연결되는 복수의 전지 셀을 포함한다. 제1 실시 예에서는, 제1 전극(91)이 전지 팩(90)의 음극인 경우를 예로 도시하며, 제1 전극(91)은 제1 출력 단자(1)에 전기적으로 연결된다. 또한, 제1 실시 예에서는, 제2 전극(92)이 전지 팩(90)의 양극인 경우를 예로 들어 도시하며, 제2 전극(92)은 제2 출력 단자(2)에 전기적으로 연결된다.

제1 실시 예에서, 전극들(91, 92)과 출력 단자들(1, 2)을 서로 전기적으로 연결하는 도전성 경로들(9)은, 전기 작동(electrically operable) 스위치(8) 예를 들어, 릴레이를 각각 포함한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니어서 전기 작동 스위치(8) 없이 전지 시스템(200)을 구현할 수도 있다. 전지 시스템(200)은 전지 시스템(200)의 제1 출력 단자(1)와 전지 팩(90)의 제1 전극(91)에 전기적으로 연결되는 전기 작동 프리-차지 스위치(10)를 더 포함한다. 제1 실시 예에서는, 프리-차지 스위치(10)가 프리-차지 릴레이로 구현되는 경우를 예로 들어 설명한다. 제2 전극(92)을 제2 출력 단자(2)에 연결하도록 구성되는 전기 작동 스위치(8)와 프리 차지 릴레이(10)가 닫히고, 제1 전극(91)을 제1 출력 단자(1)에 연결하도록 구성되는 전기 작동 스위치(8)가 개방되어 제1 출력 단자(1)로부터 제1 전극(91)이 분리된 상태에서, 전지 시스템(200)은 전지 시스템(200)의 출력 단자들(1, 2)에 연결되는 중간 회로 캐패시터(도 2에는 도시되지 않음)의 프리 차지를 허용한다. 한편, 릴레이 외에 다른 스위칭 수단들이 전기 작동 프리-차지 스위치(10)로 사용될 수 있다. 제1 저항(21)이 전기 작동 프리-차지 스위치(10)와 직렬로 연결된다. 이러한 제1 저항(21)은 프리-차지 스위치(10)(예를 들어, 프리-차지 릴레이)가 닫히면 프리-차지 전류를 제한하는 프리-차지 저항으로 동작한다.

또한, 제1 실시 예에서, 전지 시스템(200)은 도 1에 도시된 것과 같은 절연 감시 회로(50)와, 섀시로부터 전극들(91, 92)을 절연시키기 위한 두 개의 절연 저항(7)을 더 포함한다.

제1 실시 예에 따른 전지 시스템(200)은 제2 저항(22)을 더 포함하며, 제2 저항(22)은 외부의 고전압 컴포넌트들을 전지 시스템(200)에 결합시키도록 구성된다. 제2 저항(22)은 전기 작동 프리-차지 스위치(10) 및 제1 저항(21)과 직렬 연결되고, 반도체 스위치(44)와 병렬 연결된다. 반도체 스위치(44)는, 제1 상태에서는 전류를 양방향으로(bidirectionally) 도통시키고 제2 상태에서는 전류를 양방향 차단하도록 구성된다. 제1 실시 예에 따른 반도체 스위치(44)는, 예를 들어, 반연속적으로(anti-serially) 서로 연결되는 두 개의 트랜지스터(31, 32)를 포함한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니어서, 제1 실시 예에 따른 전지 시스템(200)의 반도체 스위치(44)는 사이리스터(thyristor) 등의 다른 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 제1 실시 예에서, 두 개의 트랜지스터들 (31, 32)은 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor), 더욱 상세하게는, n-채널 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터들(n-channel-metal-oxide semiconductor field-effect transistors (n-MOSFETs))로 구현되며, 제2 저항(22)와 병렬로 연결된다. 또한, 제1 실시 예에서, 제1 트랜지스터(31)의 소스 단자(31-1)는 제2 트랜지스터(32)의 소스 단자(32-1)에 전기적으로 연결된다. 제2 트랜지스터(32)의 드레인 단자(32-3)는 제2 저항(22)의 제2 단자(22-2)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 트랜지스터(31)의 기생 다이오드(body diode)(31-5)가 제2 트랜지스터(32)의 기생 다이오드(32-5)의 방향과 반대 방향으로 배치되어, 두 기생 다이오드(31-5, 32-5)는 서로 n-p-p-n 반도체 구조를 형성한다. 또한, 제1 실시 예에서, 제1 트랜지스터(31)의 게이트 단자(31-2)는 제2 트랜지스터(32)의 게이트 단자(32-2)와 전기적으로 연결된다.

한편, 전지 시스템(200)의 다른 실시 예에서는 반도체 스위치(44)가 도 2에 도시된 방법과 다른 방법으로 연결되는 트랜지스터들을 포함하도록 구현할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전지 시스템(300)을 도시하는 것이다. 도 3에 도시된 전지 시스템(300)은 도 1에 도시된 전지 시스템(100)과 일부 유사하여, 도 1의 구성요소들과 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 표기하고, 중복되는 설명을 피하기 위해 상세한 설명을 생략한다. 한편, 도 3에 도시된 전지 시스템(300)은 도 2에 서와 같이 두 개의 트랜지스터(31, 32)를 사용하고, 제1 및 제2 저항(21, 22)이 직렬 연결된다는 점에서 도 1의 전지 시스템(200)과 다르다. 이에 따라, 도 3에서는, 절연 감시를 위한 추가적인 스위치(도 1의 도면부호 18 참조)가 사용되지 않는다. 대신에, 제2 실시 예에 따른 전지 시스템(300)은 전기 작동 프리-차지 스위치(10)를 포함하고, 프리-차지 스위치(10)는 전지 시스템(300)의 전기 작동 스위치(8)에 병렬 연결되는 프리-차지 릴레이로 구현될 수 있다. 프리-차지 릴레이는, 도 2에서와 같이 프리-차지 저항으로 동작하는 제1 저항(21)에 직렬로 연결된다. 제1 저항(21)은 제2 저항(22)에 직렬 연결되며, 제2 저항(22)은 전지 시스템(300)에 외부 고전압 컴포넌트들이 연결되도록 한다. 제2 실시 예에서는, 예를 들어, 전지 시스템(300)이 출력 단자들(1, 2)을 통해 차량의 구동 모터의 부하 임피던스(20)에 전기적으로 연결된다. 또한, 제2 저항(22)을 통해 전지 시스템(300)에 연결되는 외부 고전압 컴포넌트들은, 예를 들어, 차량의 고전압 컴포넌트들이다. 그러나, 전지 시스템(300)의 다른 실시 예에서는, 전지 시스템(300)이 다른 종류의 부하들에 전력을 공급할 수도 있다.

제2 실시 예에서, 두 개의 트랜지스터들(31, 32)은 서로 반연속적으로 연결되고, 제2 저항(22)에 병렬로 연결된다. 두 트래지스터들(31, 32)의 소스 단자들(31-1, 32-1)은 서로 전기적으로 연결된다. 또한, 트랜지스터들(31, 32)의 제어 입력 단자들(31-2, 32-2)은 서로 전기적으로 연결된다. 제2 실시 예에서, 서로 연결된 트랜지스터들(31, 32)의 제어 입력 단자들(31-2, 32-2)은, 예를 들어, 전지 관리 장치(미도시)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 실시 예에서, 전지 관리 장치는, 예를 들어, 절연 감시 회로(50)를 포함할 수 있다.

제2 실시 예에서, 전지 시스템(300)은, 전지 시스템(300)에 적어도 하나의 중간 회로 캐패시터(140)가 연결되면, 전기 작동 프리-차지 스위치(10)와 트랜지스터들(31, 32)을 통해 중간 회로 캐패시터(140)를 프리-차지하도록 구성된다. 또한, 제2 실시 예에서, 전지 관리 장치는 전기 작동 프리-차지 스위치(10)와 제2 전극(92)에 연결된 전기 작동 스위치(8)가 닫힌 후에, 트랜지스터들(31, 32)이 도통 상태가 됨에 따라, 중간 회로 캐패시터(140)의 프리-차지 동작을 수행하도록 구성된다. 제2 전극(92)에 연결된 전기 작동 스위치(8)는 제2 전극(92)과 제2 출력 단자(2)를 서로 연결하는 도통 경로에 위치한다. 다시 말해, 제2 실시 예에 따른 전지 관리 장치는 프리-차지 동작을 위해 우선, 제1 및 제2 저항(21, 22)을 통해 충전 전류가 흐르도록 프리-차지 릴레이와 제2 전극(92)에 연결된 스위치(8)를 닫는다. 이후, 기 설정된 시간이 경과하면, 전지 관리 장치는, 트랜지스터들(31, 32)을 도통 시켜 전류가 제2 저항(22)을 우회하도록 한다. 제2 실시 예에서, 제2 저항(22)은 높은 전력 손실을 견딜수 있도록 구성된다. 프리-차지 동작은, 전지 시스템(300)을 손상 시키는 요인으로 동작하는 돌입 전류를 방지한다. 특히, 프리-차지 동작은 제2 전극(92)에 연결된전기 작동 스위치(8)가 닫혔을 때, 제2 전극(92)에 의해 전기 작동 스위치(8)에 높은 피크 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 한편, 전지 시스템(300)의 다른 실시 예에서는, 전지 관리 장치나 전지 시스템(300)이 다른 방식으로 프리-차지 동작을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전기 작동 프리-차지 스위치(10) 또는 트랜지스터들(31, 32)이 도통 상태가 된 후에, 제2 전극(92)에 대한 전기 작동 스위치(8)를 도통시킴으로써, 프리-차지 동작이 수행될 수도 있다. 이 경우, 제2 저항(22)은 제2 실시 예에서 사용된 것보다 작은 저항이 사용될 수 있다.

전지 관리 장치는, 프리-차지 스위치(10)가 도통 상태이고 트랜지스터들(31, 32)이 비도통 상태이면, 전지 시스템(300)의 전체 절연 측정을 수행하도록 구성될 수 있다. 절연 측정을 수행하기 위해, 전지 관리 장치는 프리-차지 릴레이를 닫고, 트랜지스터들(31, 32)을 비도통 상태인 개방 상태로 유지하며, 스위칭 수단들(6-1)을 온/오프 상태로 교대로 스위칭한다. 전지 관리 장치는 절연 측정을 수행하기 위해 절연 감시 회로(50)의 전압계(5)를 통해 측정된 전압을 이용한다. 제2 실시 예에서, 전지 관리 장치는 기 설정된 시간 주기마다 전지 시스템(300)의 절연을 감시하고, 측정된 전압이 기 설정된 임계치를 초과하자 마자 카운터 리액션(reaction)을 초기화하도록 구성된다. 이러한 카운터 리액션은 릴레이들(8)의 개방을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전지 시스템은, 절연 감시 회로(50) 없이 전지 시스템의 절연 측정을 관리/제어하고 감시하기 위한 다른 컴포넌트들을 포함하도록 구현될 수도 있다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1, 2: 출력 단자
5: 전압계
6: 기준 저항
6-1: 수위칭 수단
7: 절연 저항
8: 전기 작동 스위치
9: 도통 경로
10: 전기 작동 프리-차지 스위치
21, 22: 저항
31, 32: 트랜지스터
31-1, 32-1: 소스 단자
31-2, 32-2: 게이트 단자
31-3, 32-3: 드레인 단자
31-5, 32-5: 기생 다이오드
44: 반도체 스위치
50: 절연 감시 회로
90: 전지 팩
91, 92: 전극
100, 200, 300: 전지 시스템

Claims

차량용 전지 시스템에 있어서,
제1 및 제2 출력 단자,
상기 제1 및 제2 출력 단자에 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극을 포함하는 전지 팩,
상기 제1 출력 단자와 상기 제1 전극 사이에 연결되는 전기 작동 프리-차지 스위치,
상기 전기 작동 프리-차지 스위치와 직렬 연결되는 제1 저항,
상기 전지 시스템의 전체 절연을 모니터링하는 절연 감시 회로,
상기 제1 저항과 직렬 연결되는 제2 저항, 및
상기 제2 저항과 병렬 연결되며, 전류를 양방향 도통시키는 제1 상태와 전류를 양 방향 차단하는 제2 상태 중 어느 하나로 동작하는 반도체 스위치를 포함하고,
상기 절연 감시 회로는, 상기 제1 전극과 상기 전지 시스템의 기준 전위 사이에 전기적으로 연결되는 제1 기준 저항, 상기 제1 전극과 상기 기준 전위 사이에서 상기 제1 기준 저항과 직렬 연결되는 제1 스위칭 수단, 및 상기 제1 전극과 상기 기준 전위 사이의 전압을 측정하는 제1 전압계를 포함하고,
상기 제1 상태는 상기 반도체 스위치가 도통된 상태이고, 상기 제2 상태는 상기 반도체 스위치의 비도통 상태인, 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 절연 감시 회로는,
상기 제2 전극과 상기 기준 전위 사이에 전기적으로 연결되는 제2 기준 저항,
상기 제2 전극과 상기 기준 전위 사이에 상기 제2 기준 저항과 직렬 연결되는 제2 스위칭 수단, 및
상기 제2 전극과 상기 기준 전위 사이의 전압을 측정하는 제2 전압계를 더 포함하는 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 반도체 스위치는, 서로 비연속적(anti-serially)으로 연결되는 두 개의 트랜지스터들을 포함하는 전지 시스템.
제3항에 있어서,
상기 두 개의 트랜지스터들 중 적어도 하나는 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor)인 전지 시스템.
제4항에 있어서,
상기 두 개의 트랜지스터들은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(n-channel-metal-oxide semiconductor field-effect transistors)인 전지 시스템.
제5항에 있어서,
상기 두 개의 트랜지스터들은 n-채널 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(n-channel-metal-oxide semiconductor field-effect transistor)인 전지 시스템.
제4항에 있어서,
상기 두 개의 트랜지스터들의 소스 단자들은 서로 전기적으로 연결되는 전지 시스템.
제3항에 있어서,
상기 두 개의 트랜지스터들의 제어 입력 단자들은 서로 전기적으로 연결되는 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제1 출력 단자 사이에서 상기 전기 작동 프리-차지 스위치, 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항을 포함하는 도전성 경로와 병렬로 연결되는 제1 전기 작동 스위치를 더 포함하며,
상기 제1 전기 작동 스위치가 개방된 상태에서 상기 전기 작동 프리-차지 스위치 및 상기 반도체 스위치가 닫히면, 상기 전기 작동 프리-차지 스위치 및 상기 반도체 스위치를 통해 상기 제1 및 제2 출력 단자 사이에 연결된 적어도 하나의 중간 회로 캐패시터가 프리-차지되는, 전지 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제2 전극과 상기 제2 출력 단자를 서로 연결하는 도통 경로 상에 위치하는 제2 전기 작동 스위치를 더 포함하며,
상기 적어도 하나의 중간 회로 캐패시터의 프리-차지 동작 시, 상기 제2 전기 작동 스위치는 닫힌 상태인, 전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전기 작동 프리-차지 스위치는 릴레이를 포함하는 전지 시스템.
제1항에 있어서,
전지 관리 장치를 더 포함하고,
상기 전지 관리 장치는, 상기 전기 작동 프리-차지 스위치가 도통 상태이고 상기 반도체 스위치가 비도통 상태이면, 상기 제1 전압계를 통해 측정된 전압을 이용하여 상기 전지 시스템의 절연 저항 측정을 수행하는 전지 시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 상기 전지 시스템의 절연 감시 방법에 있어서,
상기 전기 작동 프리-차지 스위치를 닫는 단계,
상기 반도체 스위치를 비도통 상태로 유지하는 단계, 및
상기 절연 감시 회로를 통해 상기 전지 시스템의 전체 절연을 측정하는 단계를 포함하는 전지 시스템의 절연 감시 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 상기 전지 시스템을 포함하는 차량.