KR102260829B1 - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

배터리 팩은 배터리, 상기 배터리와 부하를 연결하는 고전압 커넥터, 상기 배터리와 상기 고전압 커넥터 사이에 연결되는 고전압 스위치, 상기 배터리의 출력 전압을 강압하여 출력하는 전원 공급 장치, 그리고 상기 전원 공급 장치의 출력 전압을 상기 고전압 스위치의 동작 전원으로 공급하는 스위치 드라이버를 포함를 포함할 수 있다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
실시 예는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근 CO2 규제 등 환경 규제가 강화됨에 따라 친환경 차량에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 자동차 회사들은 하이브리드(Hybrid) 차량이나 플러그인 하이브리드(Plug-in Hybrid) 차량뿐만 아니라, 순수 전기 차량 또는 수소 차량에 대해 연구 및 제품 개발을 활발히 진행하고 있다.
친환경 차량에는 다양한 에너지원으로부터 얻어지는 전기 에너지를 저장하기 위해 고전압 배터리가 적용된다. 차량의 고전압 전장 시스템은 고전압 배터리로부터 제공되는 고전압의 전기 에너지를 차량의 구동 또는 전장 에너지로 사용한다.
고전압 배터리에는 고전류 단락에 대비하여 다양한 전력 차단 장치가 구비된다. 전력 차단 장치 중 고전압 스위치인 콘택터(contactor)는 제어장치의 제어에 의해 작동한다. 제어장치는 단락이 발생하면 이를 센싱하고, 센싱 신호를 신호 처리한 후에 콘택터로 제어신호를 출력한다. 이에 따라, 단락이 발생하고 콘택터가 제어장치의 제어신호에 대응하여 작동하기까지 시간 지연이 발생하고, 콘택터의 개방 전에 단락으로 인한 물리적 손상이 발생하여 콘택터의 개방이 어려운 상황이 발생할 수 있다.
실시 예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 단락 시 고전압 스위치의 용착을 방지할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리, 상기 배터리와 부하를 연결하는 고전압 커넥터, 상기 배터리와 상기 고전압 커넥터 사이에 연결되는 고전압 스위치, 상기 배터리의 출력 전압을 강압하여 출력하는 전원 공급 장치, 및 상기 전원 공급 장치의 출력 전압을 상기 고전압 스위치의 동작 전원으로 공급하는 스위치 드라이버를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩은 상기 스위치 드라이버를 제어하여 상기 고전압 스위치를 개폐하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치 드라이버는, 상기 제어기의 제어에 따라 상기 동작 전원을 상기 전원 공급 장치로 전달하거나, 상기 고전압 스위치에 대한 상기 동작 전원의 공급을 차단할 수 있다.
상기 배터리 팩은 상기 배터리와 상기 고전압 스위치 사이에 연결되는 퓨즈를 더 포함할 수 있다.
상기 고전압 스위치와 상기 퓨즈는 상기 배터리의 서로 다른 단자에 연결될 수 있다.
상기 전원 공급 장치는, 상기 배터리의 출력 전압을 강압하여 출력하는 DC-DC 컨버터, 및 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 레귤레이팅하여 출력하는 저전압 강하 레귤레이터(Low Drop Out regulator)를 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 배터리 팩은 도선 단락 시 고전압 스위치의 개방까지의 시간 지연을 최소화함으로써 고전압 스위치의 용착을 방지할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 배터리 팩의 고전압 스위치 동작 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 종래 기술에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 배터리 팩의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
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.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 실시 예들은 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께 및 영역을 과장하여 나타낼 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.
이하, 필요한 도면들을 참조하여 실시 예에 따른 배터리 팩에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시 예에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 실시 예에 따른 배터리 팩(10)은, 배터리(100), 고전압 커넥터(110), 퓨즈(120), 고전압 스위치(130), 스위치 드라이버(140) 및 전원 공급 장치(150)를 포함할 수 있다.
배터리(100)는 복수의 셀(cell)이 병렬 또는 직렬로 연결되어 구성되는 고전압 배터리일 수 있다.
고전압 커넥터(110)는 배터리(100)와 부하(미도시) 사이에 연결되어, 배터리(100)로부터 공급되는 전원을 부하(미도시)로 전달한다.
퓨즈(120)는 배터리(100)와 고전압 커넥터(110) 사이에 연결되며, 고전압 도선의 단락 등에 의해 퓨즈(120)로 규정된 값 이상의 과도 전류가 흐르는 경우 단선된다.
고전압 스위치(131)는 배터리(100)와 고전압 커넥터(110) 사이에 연결되며, 배터리(100)와 고전압 커넥터(110) 사이의 대전류 흐름을 개폐한다. 즉, 고전압 스위치(131)는 배터리(100)와 고전압 커넥터(110) 사이를 연결하는 고전압 도선을 개폐하기 위해 사용된다.
안전성 향상을 위해 고전압 스위치(131)와 퓨즈(120)는 배터리(100)의 서로 다른 단자들에 연결될 수 있다.
예를 들어, 퓨즈(120)가 배터리(100)의 양극 단자와 고전압 커넥터(110) 사이에 연결되면, 고전압 스위치(131)는 배터리(100)의 음극 단자와 고전압 커넥터(110) 사이에 연결될 수 있다. 배터리(100)와 고전압 스위치(131) 사이의 고전압 도선에서 단락이 발생할 경우, 고전압 스위치(131)를 개방만으로는 단락 회로를 개방하지 못할 수 있어, 퓨즈(120)의 개방을 통해 단락 회로를 개방할 수 있다. 또한, 배터리(100)와 퓨즈(120) 사이의 도선에서 단락이 발생할 경우, 퓨즈(120)의 개방만으로는 단락 회로를 개방하지 못할 수 있어, 고전압 스위치(131)의 개방을 통해 단락 회로를 개방할 수 있다.
고전압 스위치(131)는 콘택터(contactor)를 포함할 수 있다. 콘택터는 전자석에 의해 개폐되는 스위치로서, 전자석에 흐르는 전류 흐름에 따라 접점이 닫히거나 개방된다. 즉, 콘택터는 전자석으로 동작 전원이 공급되면 접점이 닫혀 온 되고, 전자석으로 공급되는 동작 전원이 차단되면 접점이 개방되어 오프된다.
스위치 드라이버(132)는 고전압 스위치(131)의 개폐를 제어한다. 스위치 드라이버(132)는 전원 공급 장치(140)로부터 공급되는 동작 전원을 고전압 스위치(131)로 공급하거나, 고전압 스위치(131)로 공급되는 동작 전원을 차단하여 고전압 스위치(131)의 개폐를 제어한다.
스위치 드라이버(132)는 제어기(150)의 제어에 따라 고전압 스위치(131)의 개폐를 제어할 수 있다.
전원 공급 장치(140)는 배터리(100)로부터 출력되는 전압을 강압하여 고전압 스위치(131)의 동작 전원으로 공급한다. 전원 공급 장치(140)는 배터리(100)의 양극 단자에 연결되는 고전압 도선들로부터 배터리(100)의 출력 전압을 입력 받을 수 있다.
배터리(100)에서 출력되는 전압은 고전압(예를 들어, 400V)이므로, 저전압(예를 들어, 12V)의 동작 전압에 의해 작동하는 고전압 스위치(131)에 인가하기 위해서는 강압이 필요하다.
전원 공급 장치(140)는 강압을 위해 DC-DC 컨버터(DC-DC Converter)(141) 및 저전압 강하 레귤레이터(Low Drop Out regulator, LDO)(142)를 포함할 수 있다.
DC-DC 컨버터(141)는 고전압인 배터리(100)의 출력 전압을 저전압으로 변환하여 출력한다.
LDO(142)는 DC-DC 컨버터(141)에서 출력되는 전압을 안정화(regulating)하여 고전압 스위치(131)의 동작 전원으로 출력한다.
제어기(150)는 고전압 스위치(131)를 개폐하도록 스위치 드라이버(132)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)는 배터리(100)와 고전압 커넥터(110) 사이의 고전압 도선의 단락이 검출되면, 고전압 스위치(131)를 개방하도록 스위치 드라이버(132)를 제어할 수 있다.
고전압 스위치(131)의 개폐가 제어기(150)의 통제에만 의존하는 경우, 고전압 도선의 단락 시 제어기(150)가 이를 검출하여 고전압 스위치(131)를 개방하기까지의 시간 지연이 발생하게 된다. 이러한 시간 지연은 고전압 스위치(131)가 개방되기 전에 단락으로 인한 고전압 스위치(131)의 물리적 손상을 발생시켜, 고전압 스위치(131)의 개방이 불가능한 상황을 야기할 수 있다.
전술한 구조의 배터리 팩(10)은 배터리(100)의 출력 전압을 강압하여 고전압 스위치(131)의 동작 전원으로 공급한다. 따라서, 고전압 도선의 단락 시에는 고전압 스위치(131)의 동작 전원이 0V로 변경되어, 제어기(150)의 제어와 상관 없이 고전압 스위치(131)가 바로 개방될 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 실시 예에 다른 배터리 팩의 고전압 스위치 동작 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3은 도 1의 배터리 팩의 고전압 스위치 동작 방법을 설명하기 위한 도면들로서, 도 2는 고전압 도선의 단락 발생 시 고전압 스위치의 동작 방법을 도시한 것이고, 도 3은 고전압 도선의 개방 시 고전압 스위치의 동작 방법을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 배터리(100)와 고전압 커넥터(110) 사이를 연결하는 고전압 도선의 단락이 발생하는 경우, 단락 전류로 인한 줄열 발생에 의해 퓨즈(120)가 용단되어 개방되기까지는 소정의 시간이 필요하다.
이에 반해, 고전압 스위치(131)는 고전압 도선의 단락 발생 시 지연 없이 바로 개방된다. 고전압 도선의 단락이 발생하면, 전원 공급 장치(140)로 입력되는 전압은 배터리(100)의 출력 전압에서 0V로 변경된다. 이에 따라, 전원 공급 장치(140)에서 고전압 스위치(131)로 공급되는 동작 전원 또한 0V로 변경되어, 제어기(150)의 제어와 상관 없이 고전압 스위치(131)가 바로 개방될 수 있다.
전술한 바와 같이, 실시 예에 따른 배터리 팩(10)에서는 고전압 도선의 단락 시 지연 없이 고전압 스위치(131)를 개방할 수 있어, 고전압 스위치(131)의 용착이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 3을 참조하면, 고전압 도선의 연결 실패 등으로 고전압 도선이 개방되는 경우에는, 이미 고전압 도선이 개방된 상태이므로 고전압 스위치(131)로 공급되는 동작 전원이 차단되어 고전압 스위치(131)가 개방되더라도 어떠한 영향을 주지 않을 수 있다.
도 4는 종래 기술에 따른 배터리 팩을 개략적으로 도시한 것이고, 도 5는 도 4의 배터리 팩의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 종래 기술에 따른 배터리 팩(20)에서는 고전압 스위치(231)의 동작 전원으로 외부 전원(240)(예를 들어, 차량의 상시 전원)을 공급한다.
따라서, 고전압 스위치(231)는 고전압 도선의 단락과 상관 없이 항상 안정된 전원을 공급받을 수 있어, 제어기(250)의 제어에 의존적으로 동작한다.
도 5를 참조하면, 대전류 경로를 형성하는 고전압 도선의 단락이 발생하는 경우, 단락 전류로 인한 줄열 발생에 의해 퓨즈(220)가 용단되어 개방되기까지는 소정의 시간이 필요하다.
한편, 고전압 스위치(231)가 개방되기까지는 퓨즈(220)의 개방보다 더 큰 시간을 필요로 한다. 이는, 전기적 에너지 이동현상(발열)에 의해 동작하는 퓨즈(220)와는 달리, 고전압 스위치(231)는 제어기(250)가 고전압 도선의 단락을 검출하여 스위치 드라이버(232)를 제어하면, 스위치 드라이버(232)에 의해 외부 전원(240)과 연결되어 개방될 수 있기 때문이다.
한편, 퓨즈(220)가 개방되어 고전압 도선이 개방되기 전까지 대전류 경로를 통해서 큰 단락 전류가 흐른다. 단락 전류는 줄열 발생을 일으켜 고전압 스위치(231)의 용융을 발생시킨다. 용융된 고전압 스위치(231)는 퓨즈(220)의 개방으로 줄열 발생이 중단되면 냉각 과정에서 고형화되어 접점의 용착이 발생하게 된다.
이와 같이, 고전압 스위치(231)가 제어기(250)의 제어에만 의존적으로 동작할 경우, 고전압 도선의 단락 발생 시 고전압 스위치(231)의 용착 발생으로 고전압 스위치(231)를 개방하는 것이 불가능한 상황이 발생할 수 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.
10: 배터리 팩
100: 배터리
110: 고전압 커넥터
120: 퓨즈
131: 고전압 스위치
132: 스위치 드라이버
140: 전원 공급 장치
141: DC-DC 컨버터
142: LDO
150: 제어기

Claims (6)

  1. 배터리,
    상기 배터리와 부하를 연결하는 고전압 커넥터,
    상기 배터리와 상기 고전압 커넥터 사이에 연결되는 고전압 스위치,
    상기 고전압 스위치에 동작 전원을 공급하거나, 상기 고전압 스위치에 상기 동작 전원이 공급되는 것을 차단하여 상기 고전압 스위치의 개폐를 제어하는 스위치 드라이버,
    상기 배터리의 양극 및 음극 단자들에 연결되어 상기 배터리의 출력 전압을 입력 받고, 상기 배터리의 출력 전압을 강압하여 상기 동작 전원으로 상기 스위치 드라이버에 출력하는 전원 공급 장치, 및
    상기 스위치 드라이버를 제어하여 상기 고전압 스위치를 개폐하는 제어기를 포함하고,
    상기 스위치 드라이버는, 상기 제어기의 제어에 따라 상기 동작 전원을 상기 고전압 스위치에 전달하거나, 상기 고전압 스위치에 대한 상기 동작 전원의 공급을 차단하는 배터리 팩.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 고전압 커넥터 사이에 연결되는 퓨즈를 더 포함하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고전압 스위치와 상기 퓨즈는 상기 배터리의 서로 다른 단자에 연결되는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급 장치는,
    상기 배터리의 출력 전압을 강압하여 출력하는 DC-DC 컨버터, 및
    상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 레귤레이팅하여 출력하는 저전압 강하 레귤레이터(Low Drop Out regulator)를 포함하는 배터리 팩.
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JP2015528267A (ja) * 2012-06-22 2015-09-24 ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング バッテリのための安全構想

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