KR102268681B1 - 과전압 방지 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

과전압 방지 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 과전압 방지 장치는, 배터리 팩의 제1 단자와 제2 단자 사이에서 서로 직렬 접속된 복수의 배터리 모듈의 과전압을 방지하기 위한 것으로서, 상기 복수의 배터리 모듈에 일대일로 대응하도록 설치되는 복수의 보호 블록;을 포함한다. 상기 각 보호 블록은, 상기 배터리 모듈의 전압을 모니터링하고, 상기 배터리 모듈의 전압이 미리 정해진 기준 전압을 초과하는 경우 트리거 신호를 출력하도록 구성된 배터리 관리 유닛; 상기 배터리 모듈에 직렬 접속된 전류 차단 소자; 상기 배터리 모듈과 상기 전류 차단 소자의 직렬 접속 회로에 병렬 접속되고, 상기 트리거 신호에 응답하여 상기 배터리 모듈을 대신하는 바이패스 경로를 제공하도록 구성된 바이패스 유닛; 및 상기 배터리 모듈에 병렬 접속되고, 상기 바이패스 유닛에 광적으로 결합되어, 상기 바이패스 경로가 제공되어 있는 동안 상기 바이패스 경로와는 전기적으로 독립된 방전 경로를 상기 배터리 모듈에게 제공하도록 구성된 방전 유도 유닛;을 포함한다.

Description

과전압 방지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PREVENTING OVER-VOLTAGE}
본 발명은 과전압 방지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리팩에 포함되는 복수의 배터리 모듈을 과전압으로부터 개별적으로 보호하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 자동차 등에 탑재되는 배터리 팩은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 것이 일반적이다. 이때, 각 배터리 모듈은, 하나 또는 서로 직렬 접속된 둘 이상의 전지 셀을 포함한다.
이러한 배터리 팩에 포함된 각각의 배터리 모듈의 상태는 BMS(Battery Management System)가 탑재된 컨트롤러에 의해 모니터링된다. 컨트롤러는 각 배터리 모듈로부터 모니터링된 상태를 기초로, 밸런싱 동작, 냉각 동작, 충전 동작, 방전 동작 등을 제어하기 위한 신호를 출력할 수 있다.
배터리 팩에 충전 전류가 공급됨에 따라, 각 배터리 모듈의 전압은 점차적으로 상승하여 과전압될 수 있다. 과전압으로 인해 배터리 모듈이 폭발하는 등의 위험 상황이 발생할 수 있는바, 이러한 과전압을 방지하기 위한 종래기술로서 특허문헌 1이 존재한다. 특허문헌 1에 따른 배터리 팩은 상기 배터리 모듈에 대응하는 배터리 및 전류 차단 장치를 포함하며, 배터리에 과전압이 발생하는 경우 전류 차단 장치가 배터리를 대전류 경로로부터 전기적으로 분리한다.
그런데, 배터리의 과전압 시에 단순히 배터리를 대전류 경로로부터 전기적으로 분리해버릴 경우, 주요한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차에 탑재되는 배터리 팩의 배터리가 대전류 경로로부터 전기적으로 분리될 경우, 전기 자동차가 갑자기 정지하게 되는 위험이 있다.
특허문헌 1: 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0017043호(공개일자: 2014년 2월 11일)
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리팩에 포함된 일부 배터리 모듈이 과전압 상태가 되는 경우, 과전압 상태가 된 각 배터리 모듈을 배터리팩의 대전류 경로로부터 전기적으로 분리할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 충방전 전류가 과전압 상태인 일부 배터리 모듈을 바이패스하면서 과전압 상태가 아닌 나머지 배터리 모듈을 통해 흐르게 하고자 한다.
또한, 배터리팩의 대전류 경로와는 전기적으로 독립된 방전 경로를 배터리팩의 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 각 배터리 모듈에게 제공함으로써, 과전압 상태인 배터리 모듈을 정상적인 상태로 유도할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.
본 발명의 일 측면에 따른 과전압 방지 장치는, 배터리 팩의 제1 단자와 제2 단자 사이에서 서로 직렬 접속된 복수의 배터리 모듈의 과전압을 방지하기 위한 것으로서, 상기 복수의 배터리 모듈에 일대일로 대응하도록 설치되는 복수의 보호 블록;을 포함한다. 상기 각 보호 블록은, 상기 배터리 모듈의 전압을 모니터링하고, 상기 배터리 모듈의 전압이 미리 정해진 기준 전압을 초과하는 경우 트리거 신호를 출력하도록 구성된 배터리 관리 유닛; 상기 배터리 모듈에 직렬 접속된 전류 차단 소자; 상기 배터리 모듈과 상기 전류 차단 소자의 직렬 접속 회로에 병렬 접속되고, 상기 트리거 신호에 응답하여 상기 배터리 모듈을 대신하는 바이패스 경로를 제공하도록 구성된 바이패스 유닛; 및 상기 배터리 모듈에 병렬 접속되고, 상기 바이패스 유닛에 광적으로 결합되어, 상기 바이패스 경로가 제공되어 있는 동안 상기 바이패스 경로와는 전기적으로 독립된 방전 경로를 상기 배터리 모듈에게 제공하도록 구성된 방전 유도 유닛;을 포함한다.
또한, 상기 바이패스 유닛은, 턴 오프 상태에서 상기 트리거 신호에 응답하여 턴 온 상태로 동작하도록 구성된 바이패스 스위치; 및 상기 바이패스 스위치에 직렬 접속되고, 상기 바이패스 경로를 통해 흐르는 전류를 이용하여 광신호를 출력하도록 구성된 발광 회로;를 포함할 수 있다. 상기 방전 유도 유닛은, 상기 발광 회로에 광적으로 결합되어, 비도통 상태에서 상기 광신호에 응답하여 도통 상태로 동작하는 제1 수광 소자;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 각 전류 차단 소자는, 상기 바이패스 스위치가 턴 온 상태로 동작함에 따라, 자신에게 흐르는 전류가 규정치를 초과하면 용단되도록 구성된 퓨즈일 수 있다.
또한, 상기 방전 유도 유닛은, 상기 제1 수광 소자와 병렬로 접속되고, 상기 발광 회로에 광적으로 결합되어, 비도통 상태에서 상기 광신호에 응답하여 도통 상태로 동작하는 제2 수광 소자;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 수광 소자와 상기 발광 회로 간의 거리는, 상기 제2 수광 소자와 상기 발광 회로 간의 거리와는 상이할 수 있다.
또한, 상기 발광 회로는, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 중 어느 하나로부터 다른 하나로 흐르는 전류를 이용하여 광신호를 출력하도록 구성된 제1 발광 소자 스트링; 및 상기 제1 발광 소자에 역병렬 접속되는 제2 발광 소자 스트링;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 발광 회로는, 제1 입력 노드, 제2 입력 노드, 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드를 가지는 브릿지 다이오드 회로; 및 상기 제1 출력 노드 및 상기 제2 출력 노드의 사이에 접속되는 발광 소자;를 포함할 수 있다. 상기 제1 입력 노드 및 상기 제2 입력 노드는, 상기 직렬 접속 회로의 일단과 타단에 각각 접속될 수 있다.
또한, 상기 바이패스 유닛은, 상기 바이패스 스위치에 직렬 접속되는 부특성 서미스터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상기 과전압 방지 장치;를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리팩에 포함된 일부 배터리 모듈이 과전압 상태가 되는 경우, 과전압 상태가 된 각 배터리 모듈을 배터리팩의 대전류 경로로부터 전기적으로 분리할 수 있다. 즉, 충전 전류 및/또는 방전 전류가 과전압 상태인 일부 배터리 모듈을 바이패스하면서 과전압 상태가 아닌 나머지 배터리 모듈을 통해 흐르게 할 수 있다. 이에 따라, 과전압 상태가 아닌 나머지 배터리 모듈을 충전 및/또는 방전시킬 수 있다.
또한, 배터리팩의 대전류 경로와는 전기적으로 독립된 방전 경로를 배터리팩의 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 각 배터리 모듈에게 제공함으로써, 과전압 상태인 배터리 모듈을 정상적인 상태로 유도할 수 있다. 이에 따라, 과전압 상태가 아닌 배터리 모듈의 충전 또는 방전이 진행되는 중에도, 과전압 상태인 배터리 모듈을 방전시킴으로써, 과전압 상태인 배터리 모듈로 인한 화재 등의 위험성을 저감할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 개략적인 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩에 대응하는 회로의 개략적인 구성도이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 바이패스 유닛의 다양한 구현예를 보여준다.
도 6 내지 도 8은 도 2에 도시된 방전 유도 유닛의 다양한 구현예를 보여주는 도면이다.
도 8 내지 도 10은 도 2에 도시된 회로의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 접속"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 접속"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)의 개략적인 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 팩(1)에 대응하는 회로의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(1)은 축전 장치(10) 및 과전압 방지 장치(30)를 포함한다. 축전 장치(10)는, N개의 배터리 모듈(20-1~20-N)을 포함한다. 여기서, N은 1 이상의 자연수로서, 배터리 팩(1)이 장착되는 대상에 의해 요구되는 전력량에 따라 적절히 결정될 수 있다.
N개의 배터리 모듈(20-1~20-N)은, 서로 직렬 접속되고, 배터리 팩(1)의 대전류 경로 상에 설치된다. 상세히는, 각 배터리 모듈(20)은, 배터리 팩(1)의 제1 단자(P1)와 제2 단자(P2) 사이의 대전류 경로에 순차적으로 위치하는 복수의 노드 중 서로 인접한 두 노드 사이에 접속될 수 있다.
각 배터리 모듈(20)은, 적어도 하나의 배터리 셀(21)을 포함한다. 각 배터리 모듈(20)에 복수의 배터리 셀(21)이 포함된 경우, 이 중 어느 하나는 나머지 중 적어도 하나와 직렬 또는 병렬 접속될 수 있다. 또한, 각 배터리 모듈(20)은, 이에 포함되는 각 배터리 셀(21)을 적어도 부분적으로 커버하는 구조를 가지는 케이스(22)를 포함할 수 있다. 케이스(22)는, 효율적인 열 방출을 위해 금속 재질로 이루어질 수 있다.
과전압 방지 장치(30)는, 적어도 하나의 보호 블록(110)을 포함한다. 바람직하게는, 보호 블록(110)의 개수는, 축전 장치(10)에 포함되는 배터리 모듈(20)의 개수와 같다. 즉, N개의 배터리 모듈(20-1~20-N)에 일대일로 대응하도록 설치되는 N개의 보호 블록(110-1~110-N)이 과전압 방지 장치(30)에 포함될 수 있다.
각 보호 블록(110)은, 배터리 관리 유닛(BMU, 210), 전류 차단 소자(220), 바이패스 유닛(230) 및 방전 유도 유닛(240)을 포함한다.
BMU(210)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
BMU(210)는, 전류 차단 소자(220), 바이패스 유닛(230) 및/또는 방전 유도 유닛(240)과 통신 가능하게 연결되어, 이들의 동작을 전반적으로 제어한다. 여기서, 서로 다른 두 구성요소가 통신 가능하게 연결된다는 것은, 어느 한 구성요소가 다른 구성요소에게 신호나 데이터를 전송할 수 있도록 유선 및/또는 무선을 통해 연결된다는 것일 의미할 수 있다.
각 BMU(210)는, N개의 배터리 모듈(20-1~20-N) 중 자신이 관리하는 어느 한 배터리 모듈(20)에 대한 과전압 방지 동작을 실행하도록 구성된다. 특히, BMU(210)는, 자신에게 내장된 전압 센서(211)를 이용하여, 자신이 관리하는 어느 한 배터리 모듈(20) 양단의 전압을 모니터링한다.
또한, BMU(210)는 모니터링되는 전압과 미리 정해진 기준 전압 간의 비교 결과를 기초로, 바이패스 유닛(230) 및/또는 전류 차단 소자(220)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다. 각 BMU(210)는 모니터링된 배터리 모듈(20)의 전압이 기준 전압을 초과하는 경우, 트리거 신호를 바이패스 유닛(230)에게 출력한다.
BMU(210)로부터의 트리거 신호에 따라, 바이패스 유닛(230)은 배터리 모듈(20)에게 바이패스 경로를 제공하거나, 기 제공된 바이패스 경로를 제거할 수 있다. 선택적으로, BMU(210)로부터의 제어 신호에 따라, 전류 차단 소자(220)는 각 배터리 모듈(20)을 대전류 경로로부터 전기적으로 분리할 수 있다.
전류 차단 소자(220)는, 대전류 경로 내에서 배터리 모듈(20)과 직렬 접속된다. 전류 차단 소자(220)는, BMU(210)의 명령 또는 규정치를 초과하는 전류에 의해, 배터리 모듈(20)을 배터리 팩(1)으로부터 전기적으로 분리 가능하게 구성된다. 즉, 전류 차단 소자(220)는, 대전류 경로로부터 배터리 모듈(20)을 일시적 또는 영구적으로 전기적으로 분리한다.
바이패스 유닛(230)은, BMU(210)로부터의 트리거 신호에 응답하여, 배터리 모듈(20)을 대신하여 대전류 경로를 구성하는 바이패스 경로를 제공하도록 구성된다.
구체적으로, 바이패스 유닛(230)은, 배터리 모듈(20)과 전류 차단 소자(220)의 직렬 접속 회로에 병렬 접속된다. 바이패스 유닛(230)은, 바이패스 스위치(231) 및 발광 회로(232)를 포함한다. 바이패스 스위치(231)는, 릴레이나 MOSFET 등과 같이 외부로부터의 신호에 응답하여 온오프 제어 가능한 것이라면 무방하다.
바이패스 스위치(231)가 턴 오프 상태로 동작하는 동안에는, 배터리 모듈(20)에게 바이패스 경로가 제공되지 않는다. 반면, BMU(210)로부터의 트리거 신호에 의해 바이패스 스위치(231)가 턴 온 상태로 동작하는 동안에는, 배터리 모듈(20)에게 바이패스 경로가 제공된다.
바이패스 유닛(230)에 의해 제공되는 바이패스 경로를 통해, 배터리 팩(1)의 충전 전류 또는 방전 전류의 일부 또는 전부가 흐르게 된다. 즉, 배터리 모듈(20)에게 바이패스 경로가 제공되는 동안에는, 충전 전류 또는 방전 전류가 발광 회로(232)에 흐를 수 있다. 발광 회로(232)는, 충전 전류 및/또는 방전 전류를 빛으로 전환할 수 있다. 즉, 발광 회로(232)는, 충전 전류 및/또는 방전 전류를 이용하여 광신호를 출력할 수 있다. 광신호의 세기는 충전 전류 및/또는 방전 전류의 크기에 대응할 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
일 구현예에서, 전류 차단 소자(220)는 도 2와 같이 퓨즈일 수 있다. 이 경우, 전류 차단 소자(220)는, 자신에게 흐르는 전류가 규정치를 초과하면 용단되도록 구성된다. 규정치는, 기준 전압과 발광 회로(232)의 저항값에 따라 미리 정해지는 것일 수 있다. 예컨대, 발광 회로(232)의 저항값이 충분히 작게 제작된 경우, 바이패스 스위치(231)가 턴 오프 상태에서 턴 온 상태로 전환되는 시점부터 매우 짧은 시간 동안에는 배터리 모듈(20)의 전압에 의해 전류 차단 소자(220)에 규정치를 초과하는 전류가 흐르게 된다. 이에 따라, 전류 차단 소자(220)가 용단되어, 배터리 모듈(20)은 대전류 경로로부터 전기적으로 제거된다. 배터리 모듈(20)이 대전류 경로로부터 제거된 이후에는, 충전 전류 또는 방전 전류는 배터리 모듈(20) 대신 바이패스 유닛(230)을 통해 흐르게 된다.
다른 구현예에서, 도 2에 도시된 바와는 달리, 전류 차단 소자(220)는 BMU(210)에 의해 제어 가능한 스위치일 수 있다. 이 경우, 전류 차단 소자(220)는, BMU(210)에 의해 바이패스 스위치(231)와 반대로 동작할 수 있다. 예컨데, 바이패스 스위치(231)가 턴 오프 상태인 동안에 전류 차단 소자(220)는 턴 온 상태로 동작하는 반면, 바이패스 스위치(231)가 턴 온 상태인 동안에는 전류 차단 소자(220)가 턴 오프 상태로 동작할 수 있다.
방전 유도 유닛(240)은, 배터리 모듈(20)에 병렬 접속된다. 따라서, 배터리 모듈(20)이 전류 차단 소자(220)에 의해 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되는 경우, 방전 유도 유닛(240) 역시 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된다.
방전 유도 유닛(240)은, 배터리 모듈(20)에게 바이패스 경로가 제공되어 있는 동안에 특정 조건이 만족되면, 바이패스 경로와는 전기적으로 독립된 방전 경로를 배터리 모듈(20)에게 제공하도록 구성된다.
이를 위해, 방전 유도 유닛(240)은, 바이패스 유닛(230)의 발광 회로(232)에 광적으로 결합(optically coupled)될 수 있는 적어도 하나의 수광 소자(도 6, 241)를 포함한다. 각 수광 소자(241)는, 발광 회로(232)로부터의 광신호에 응답하여, 비도통 상태로부터 도통 상태로 전환될 수 있다. 즉, 수광 소자(241)는 광신호의 세기가 소정치 미만인 경우에는 비도통 상태로 동작하고, 광신호의 세기가 소정치 이상인 경우에는 도통 상태로 동작할 수 있다.
수광 소자(241)가 비도통 상태로 동작하는 동안에는 배터리 모듈(20)에 대한 방전 경로의 제공이 중단되는 반면, 수광 소자(241)가 도통 상태로 동작하는 동안에는 배터리 모듈(20)에 대한 방전 경로가 제공된다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 바이패스 유닛(230)의 다양한 구현예를 보여준다.
우선 도 3을 참조하면, 바이패스 유닛(230)의 발광 회로(232)는 제1 발광 소자 스트링(233a) 및 제2 발광 소자 스트링(233b)을 포함할 수 있다. 제1 발광 소자 스트링(233a)은 하나 또는 서로 직렬 접속되는 둘 이상의 발광 소자(DL)를 포함한다. 제2 발광 소자 스트링(233b) 역시 하나 또는 서로 직렬 접속되는 둘 이상의 발광 소자를 포함한다. 제2 발광 소자 스트링(233b)은, 제1 발광 소자 스트링(233a)에 역병렬 접속된다.
제1 발광 소자 스트링(233a)은, 제1 단자(P1)로부터 제2 단자(P2)로 흐르는 전류인 충전 전류를 이용하여 광신호를 출력하도록 구성된다. 이와 대조적으로, 제2 발광 소자 스트링(233b)은, 제2 단자(P2)로부터 제1 단자(P1)로 흐르는 전류인 방전 전류를 이용하여 광신호를 출력하도록 구성된다.
제1 발광 소자 스트링(233a) 또는 제2 발광 스티링(233b)으로부터 광신호가 출력되는 동안, 방전 유도 유닛(240)에 의해 배터리 모듈(20)의 방전이 진행될 수 있다. 즉, 제1 발광 소자 스트링(233a)을 통해 충전 전류가 흐르거나 제2 발광 소자 스트링(233b)을 통해 방전 전류가 흐르게 되면, 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되어 있는 배터리 모듈(20)의 양단의 전압이 점차적으로 낮아지게 된다.
도 4를 참조하면, 바이패스 유닛(230)의 발광 회로(232)는 제3 발광 소자 스트링(233c) 및 브릿지 다이오드 회로(234)를 포함할 수 있다. 제3 발광 소자 스트링(233c)은 하나 또는 서로 직렬 접속되는 둘 이상의 발광 소자(DL)를 포함한다.
브릿지 다이오드 회로(234)는, 전파 정류기(full wave rectifier)를 구현하는 4개의 다이오드(DB)를 포함한다. 또한, 브릿지 다이오드 회로는, 4개의 다이오드가 상호 접속되는 4개의 노드인 제1 입력 노드(N1), 제2 입력 노드(N2), 제1 출력 노드(N3) 및 제2 출력 노드(N4)를 가진다.
제1 입력 노드(N1)와 제2 입력 노드(N2)는, 배터리 모듈(20)과 전류 차단 소자(220)의 직렬 접속 회로의 일단과 타단에 각각 접속된다. 또한, 제1 출력 노드(N3) 및 제2 출력 노드(N4)는, 제3 발광 소자 스트링(233c)의 양극과 음극에 각각 접속된다.
브릿지 다이오드 회로는, 제1 입력 노드(N1)와 제2 입력 노드(N2) 사이에 인가되는 전원을 정류하고, 정류된 전원이 제1 출력 노드(N3) 및 제2 출력 노드(N4)를 통해 제3 발광 소자 스트링(233c)에게 출력된다. 따라서, 배터리 팩(1)의 제1 단자(P1)와 제2 단자(P2)를 통해 흐르는 전류의 방향과는 무관하게, 제3 발광 소자 스트링(233c)에는 순방향의 전류만이 흐르게 되어 제3 발광 소자 스트링(233c)이 광신호를 출력할 수 있다.
제3 발광 소자 스트링(233c)으로부터 광신호가 출력되는 동안, 방전 유도 유닛(240)에 의해 배터리 모듈(20)의 방전이 진행될 수 있다.
도 5를 참조하면, 바이패스 유닛(230)은 바이패스 스위치(231) 및 발광 회로(232)와 함께 부특성 서미스터(235)를 더 포함할 수 있다. 부특성 서미스터(235)는 바이패스 스위치(231) 및 발광 회로(232)에 직렬 접속될 수 있다.
부특성 서미스터(235)는, 온도가 증가함에 따라 저항값이 감소하는 특성을 가지는 저항체로서, NTC로 약칭될 수 있다. 배터리 모듈(20)은 충전이 진행될수록 그 온도가 높아지는 경향을 가진다. 따라서, 부특성 서미스터(235)는 바이패스 스위치(231) 및 발광 회로(232)보다 배터리 모듈(20)에 상대적으로 가깝게 배치되는 것이 좋다.
제1 단자(P1)와 제2 단자(P2)의 전위차가 일정하면서 바이패스 스위치(231)가 턴 온 상태로 유지되는 상황을 가정해보자. 배터리 모듈(20)의 발열에 의해 부특성 서미스터(235)의 온도가 높아짐에 따라, 부특성 서미스터(235)의 저항값은 작아지므로, 발광 회로(232)를 통해 흐르는 전류의 크기가 커진다. 다시 말해, 배터리 모듈(20)의 발열량이 많을수록, 발광 회로(232)에 의해 출력되는 광신호의 세기는 증가한다. 후술하겠지만, 광신호의 세기가 증가할수록, 발광 회로(232)에 광적 결합된 방전 유도 유닛(240)의 수광 회로를 통해 흐르는 전류는 증가할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 도 2에 도시된 방전 유도 유닛(240)의 다양한 구현예를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 방전 유도 유닛(240)은 제1 수광 소자(241a)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 방전 유도 유닛(240)은 제1 수광 소자(241a)에 직렬 접속되는 제1 저항 소자(242a)를 더 포함할 수 있다. 제1 저항 소자(242a)는, 제1 수광 소자(241a)를 통해 흐르는 전류의 크기를 제한하는 역할을 담당한다.
제1 수광 소자(241a)는, 발광 회로(232)에 광적 결합된다. 즉, 제1 수광 소자(241a)는, 평상시에는 비도통 상태인데, 발광 회로(232)로부터의 광신호에 응답하여 도통 상태로 동작할 수 있다. 즉, 제1 수광 소자(241a)는, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된다. 바람직하게는, 제1 수광 소자(241a)는, 자신에게 전달되는 광신호의 세기가 제1 세기에 도달한 때부터 도통 상태로 동작할 수 있다.
제1 수광 소자(241a)가 도통 상태에서 동작하는 동안, 배터리 모듈(20)에게 방전 경로가 제공된다. 도통 상태에서 동작하는 제1 수광 소자(241a)에 의해 배터리 모듈(20)에 저장된 에너지가 소모됨에 따라, 배터리 모듈(20)의 양단의 전압은 서서히 낮아지게 된다.
도 7을 참조하면, 방전 유도 유닛(240)은 제2 수광 소자(241b)를 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 방전 유도 유닛(240)은 제2 수광 소자(241b)에 직렬 접속되는 제2 저항 소자(242b)를 더 포함할 수 있다. 제2 저항 소자(242b)는, 제2 수광 소자(241b)를 통해 흐르는 전류의 크기를 제한하는 역할을 담당한다.
제2 수광 소자(241b)는, 제1 수광 소자(241a)에 병렬 접속되며, 제1 수광 소자(241a)와 마찬가지로 발광 회로(232)에 광적으로 결합된다. 제2 수광 소자(241b)는, 자신에게 전달되는 광신호의 세기가 제2 세기에 도달한 때부터 도통 상태로 동작할 수 있다.
제1 수광 소자(241a)와 발광 회로(232) 간의 거리는, 제2 수광 소자(241b)와 발광 회로(232) 간의 거리와는 상이할 수 있다.
제1 수광 소자(241a)가 제2 수광 소자(241b)보다 발광 회로(232)에 가깝게 위치한다고 가정해보자. 만약, 제1 수광 소자(241a)에게 전달되는 광신호의 세기가 제1 세기 이상하고 제2 수광 소자(241b)에게 전달되는 광신호의 세기가 제2 세기 미만이라면, 제1 수광 소자(241a)만이 배터리 모듈(20)에게 방전 경로를 제공할 것이다. 반면, 제2 수광 소자(241b)에게 전달되는 광신호의 세기가 제2 세기 이상이라면, 제1 수광 소자(241a)는 물론 제2 수광 소자(241b)도 배터리 모듈(20)에게 방전 경로를 제공할 것이다.
이에 따르면, 바이패스 경로를 통해 흐르는 전류가 크지 않은 상황에서는 제1 수광 소자(241a)에 의해서만 배터리 모듈(20)이 방전되고, 바이패스 경로를 통해 흐르는 전류가 일정 레벨을 넘어서는 상황에서는 제2 수광 소자(241b)에 의해서도 배터리 모듈(20)의 방전이 이루어질 수 있다. 결과적으로, 충전 전류 또는 방전 전류의 크기에 따라, 배터리 모듈(20)의 방전이 이루어지는 속도가 자동적으로 조절될 수 있다.
도 8 내지 도 10은 도 2에 도시된 회로의 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 설명의 편의를 위해, 전류 차단 소자(220)는 퓨즈라고 가정하겠다.
도 8은 축전 장치(10)에 포함된 N개의 배터리 모듈(20-1~20-N) 모두가 과전압 상태가 아닌 경우를 예시한다. 이 경우, 모든 보호 블록(110-1~110-N)의 BMU(210)는 트리거 신호를 출력하지 않으므로, 바이패스 스위치(231)는 턴 오프 상태로 동작한다. 이에 따라, 축전 장치(10)에 포함된 단 하나의 배터리 모듈(20)도 대전류 경로로부터 전기적으로 제거되지 않으며, 배터리 팩(1) 내에는 단 하나의 바이패스 경로도 존재하지 않게 않는다. 따라서, 점선 경로(800)를 따라, 모든 배터리 모듈(20)을 통해 충전 전류 또는 방전 전류가 흐를 수 있다.
도 9는 축전 장치(10)에 포함된 N개의 배터리 모듈(20-1~20-N) 중 일부가 과전압 상태가 된 경우를 예시한다. 이해를 돕기 위해, N개의 배터리 모듈(20-1~20-N) 중 최고전위에 해당하는 가장 상단의 배터리 모듈(20-1)만이 과전압 상태가 된 것으로 가정하겠다. 이 경우, 배터리 모듈(20-1)에 대응하여 설치된 보호 블록(110-1)의 BMU(210)만이 트리거 신호를 출력하므로, 보호 블록(110-1)의 바이패스 스위치(231)는 턴 온 상태로 동작한다. 보호 블록(110-1)의 바이패스 스위치(231)가 턴 온 상태가 된 때부터 매우 짧은 시간 동안에, 보호 블록(110-1)의 전류 차단 소자(220)에 과도한 전류(IOV)가 순간적으로 유입되어 보호 블록(110-1)의 전류 차단 소자(220)는 용단되고, 이로 인해 배터리 모듈(20-1)은 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된다.
도 10은 도 9와 같이 배터리 모듈(20-1)이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리된 채, 나머지 배터리 모듈(20-2~20-N)의 충전 또는 방전이 이루어지는 경우를 예시한다. 배터리 모듈(20-1)이 대전류 경로로부터 전기적으로 분리되기 전에, 보호 블록(110-1)의 바이패스 스위치(231)는 턴 온 상태로 동작하므로, 배터리 팩(1)의 충전 전류 또는 방전 전류는 점선 경로(900)를 따라 나머지 배터리 모듈(20-2~20-N)을 통해 흐를 수 있다.
이에 따라, 보호 블록(110-1)의 발광 회로(232)가 광신호를 출력하고, 보호 블록(110-1)의 방전 유도 유닛(240)은 배터리 모듈(20-1)에게 방전 경로를 제공한다. 방전 경로를 통해 배터리 모듈(20-1)로부터의 방전 전류(ID)가 흐르게 된다. 보호 블록(110-1)에 의해 제공되는 바이패스 경로와 방전 경로는 서로 전기적으로 독립된 것이므로, 배터리 모듈(20-1)의 방전과 나머지 배터리 모듈(20-1)의 충전 또는 방전이 동시에 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 배터리팩
10: 축전 장치
20: 배터리 모듈
21: 배터리 셀
30: 과전압 방지 장치
110: 보호 블록
210: 배터리 관리 유닛
211: 전압 센서
220: 전류 차단 소자
230: 바이패스 유닛
231: 바이패스 스위치
232: 발광 회로
240: 방전 유도 유닛
241: 수광 소자

Claims (9)

  1. 배터리 팩의 제1 단자와 제2 단자 사이에서 서로 직렬 접속된 복수의 배터리 모듈의 과전압을 방지하기 위한 장치에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈에 일대일로 대응하도록 설치되는 복수의 보호 블록;을 포함하되,
    상기 각 보호 블록은,
    상기 배터리 모듈의 전압을 모니터링하고, 상기 배터리 모듈의 전압이 미리 정해진 기준 전압을 초과하는 경우 트리거 신호를 출력하도록 구성된 배터리 관리 유닛;
    상기 배터리 모듈에 직렬 접속된 전류 차단 소자;
    상기 배터리 모듈과 상기 전류 차단 소자의 직렬 접속 회로에 병렬 접속되고, 상기 트리거 신호에 응답하여 상기 배터리 모듈을 대신하는 바이패스 경로를 제공하도록 구성된 바이패스 유닛; 및
    상기 배터리 모듈에 병렬 접속되고, 상기 바이패스 유닛에 광적으로 결합되어, 상기 바이패스 경로가 제공되어 있는 동안 상기 바이패스 경로와는 전기적으로 독립된 방전 경로를 상기 배터리 모듈에게 제공하도록 구성된 방전 유도 유닛;을 포함하고,
    상기 바이패스 유닛은,
    턴 오프 상태에서 상기 트리거 신호에 응답하여 턴 온 상태로 동작하도록 구성된 바이패스 스위치; 및
    상기 바이패스 스위치에 직렬 접속되고, 상기 바이패스 경로를 통해 흐르는 전류를 이용하여 광신호를 출력하도록 구성된 발광 회로;를 포함하고,
    상기 방전 유도 유닛은,
    상기 발광 회로에 광적으로 결합되어, 비도통 상태에서 상기 광신호에 응답하여 도통 상태로 동작하는 제1 수광 소자;
    를 포함하는, 과전압 방지 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각 전류 차단 소자는,
    상기 바이패스 스위치가 턴 온 상태로 동작함에 따라, 자신에게 흐르는 전류가 규정치를 초과하면 용단되도록 구성된 퓨즈인, 과전압 방지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방전 유도 유닛은,
    상기 제1 수광 소자와 병렬로 접속되고, 상기 발광 회로에 광적으로 결합되어, 비도통 상태에서 상기 광신호에 응답하여 도통 상태로 동작하는 제2 수광 소자;
    를 더 포함하는, 과전압 방지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 수광 소자와 상기 발광 회로 간의 거리는,
    상기 제2 수광 소자와 상기 발광 회로 간의 거리와는 상이한, 과전압 방지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발광 회로는,
    상기 제1 단자와 상기 제2 단자 중 어느 하나로부터 다른 하나로 흐르는 전류를 이용하여 광신호를 출력하도록 구성된 제1 발광 소자 스트링; 및
    상기 제1 발광 소자에 역병렬 접속되는 제2 발광 소자 스트링;
    를 포함하는, 과전압 방지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 회로는,
    제1 입력 노드, 제2 입력 노드, 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드를 가지는 브릿지 다이오드 회로; 및
    상기 제1 출력 노드 및 상기 제2 출력 노드의 사이에 접속되는 발광 소자;를 포함하되,
    상기 제1 입력 노드 및 상기 제2 입력 노드는,
    상기 직렬 접속 회로의 일단과 타단에 각각 접속되는, 과전압 방지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 바이패스 유닛은,
    상기 바이패스 스위치에 직렬 접속되는 부특성 서미스터;
    를 더 포함하는, 과전압 방지 장치.
  9. 제1항 및 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 과전압 방지 장치;
    를 포함하는, 배터리 팩.
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