KR102303124B1 - 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로 - Google Patents

전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 침수 상태를 감지하여 배터리 팩을 보호하는 전원차단회로에 있어서, 배터리의 전압, 전류, 온도를 기반으로 배터리의 충/방전 제어신호를 생성하는 BMS(Battery Management System), 배터리의 침수 여부를 감지하여, 배터리 충/방전 차단신호를 생성하는 침수센싱부, 상기 침수센싱부에서 침수가 감지되면, 사용자에게 침수정보를 제공하는 침수 경고부, 충/방전 경로상에서 전원을 스위칭 하는 게이트 및 상기 BMS(Battery Management System)의 충/방전 제어신호 및 상기 침수센서의 충/방전 차단신호를 입력받아 상기 게이트 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력하는 게이트 드라이버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로 { BATTERY PACK POWER CUT-OFF CIRCUIT WHEN IMMERSING ELECTRIC VEHICLE }
본 발명은 전기자동차의 침수 시 전원공급을 제어하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 침수센서에서 침수가 감지되면 상기 전기자동차의 충/방전 경로를 차단하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로에 관한 것이다.
최근 들어 종래의 화석연료의 고갈 등의 문제로 인하여, 그 대체 에너지에 대한 연구가 활발해지고, 특히 대기오염의 주범으로 지적되는 자동차의 에너지원에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 연구 중에서, 대표적인 것이 자동차 에너지원인 화석연료를 전기 에너지로 대체하는 전기자동차의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 전기자동차는 화석연료를 대신하여 2차 전지를 포함하는 배터리 팩의 전원을 동력으로 주행하는 차량으로, 전기자동차에 적용되는 배터리 팩의 용량이 증가하면서 주행거리가 점점 증가하고 출력도 향상되고 있는 추세이다.
종래의 배터리 팩에서는 BMS(Battery Management System)에서 상기 배터리 팩의 안전성을 확보하기 위해 비정상상태에서 전원이 지속적으로 공급되는 것으로부터 배터리 팩을 보호하는 보호기능이 적용되어 왔다.
도 1은 종래의 일반적인 2차전지를 포함하는 배터리 팩에서 이상상태 시에 배터리 보호 동작을 통한 전원차단회로의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩 보호기능은 과전압(Over Voltage), 과전류(Over Current), 저전압(Under Voltage), 저전류(Under Current)등의 상기 BMS(Battery Management System)에서 검출할 수 있는 항목들에 대해서 설정범위를 벗어나게 되면 이상상태로 인식하고 보호기능을 작동하여 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)(110)에서 게이트 드라이버(130)로 이상신호가 전송되고, 상기 이상신호를 수신한 상기 게이트 드라이버(130)는 게이트(120)를 오프(OFF)하여 배터리 셀(300)로부터 시스템(400)으로 흐르는 전원을 차단할 수 있는 것이다.
그런데 기존의 배터리 팩 보호기능은 BMS(Battery Management System)가 외부환경 변화를 감지하지 못하기 때문에 전기자동차의 침수 사고에 대해서는 보호기능을 작동 시키지 못하는 실정이다.
또한, 전기자동차의 침수로 인한 전지의 누전 누전되는 고전압 또는 고전류에 의해 승차자가 감전 사고를 당할 수 있는 것이다.
따라서 전기자동차가 침수되는 경우, 상기 전기자동차의 배터리 팩의 충/방전 경로를 차단하여 배터리의 고전압 또는 고전류에 의한 사고를 예방하는 기술이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기자동차의 배터리 팩에 배치된 침수센서에서 침수가 감지되면 상기 전기자동차의 충/방전 경로를 차단하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
전기자동차의 침수 상태를 감지하여 배터리 팩을 보호하는 전원차단회로에 있어서,
배터리의 전압, 전류, 온도를 기반으로 배터리의 충/방전 제어신호를 생성하는 BMS(Battery Management System), 배터리의 침수 여부를 감지하여, 배터리 충/방전 차단신호를 생성하는 침수센서, 상기 침수센서에서 침수가 감지되면, 사용자에게 침수정보를 제공하는 침수 경고부, 충/방전 경로상에서 전원을 스위칭 하는 게이트 및 상기 BMS(Battery Management System)의 충/방전 제어신호 및 상기 침수센서의 충/방전 차단신호를 입력받아 상기 게이트 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력하는 게이트 드라이버를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 침수센서는, 상기 BMS(Battery Management System)의 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)에 실장되어 구성될 수 있다.
상기 침수센서는, 상기 배터리 팩 내부의 BMS(Battery Management System) 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)가 배치되는 높이에 장착되어 구성될 수 있다.
상기 침수센서는, 상기 배터리의 충/방전 차단신호를 출력하는 제어부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 침수센서가 침수를 감지하면 충/방전 차단신호를 상기 게이트 드라이버에 전송하는 것을 특징으로 한다.
침수 경고부는, 상기 제어부에서 충/방전 차단신호를 상기 게이트 드라이버로 전송하기에 앞서 차량의 ECU(Electric Controll Unit)에 침수경고 신호를 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 게이트 드라이버는, 차량의 정상상태에서는 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)로부터 전원 공급 및 차단 신호가 입력되면 상기 게이트에 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력하고, 차량이 침수되어 상기 침수센서가 침수를 감지하여 상기 제어부로부터 충/방전 차단 신호가 입력되는 경우에는, 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)로부터 입력되는 전원 공급 및 차단 신호보다 우선적으로 상기 제어부로부터 입력되는 충/방전 차단 신호에 따라 상기 게이트로 오프(OFF) 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 게이트 드라이버는, 상기 제어부로부터 입력되는 충/방전 차단 신호를 입력 받아 상기 게이트에 오프(OFF) 신호를 출력한 이후에는 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)로부터 전원 공급 및 차단 신호가 입력되는 경우에도 상기 게이트에 온/오프(ON/OFF)신호를 출력하지 않도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전기자동차의 배터리 팩의 BMS(Battery Management System)의 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board) 상에 배치한 침수센서에서 침수가 감지되면 배터리 팩의 충/방전 경로를 차단하여 상기 배터리 팩의 전압, 누전 전류에 따른 추가적인 사고를 예방하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 2차전지를 포함하는 배터리 팩에서 이상상태 시에 배터리 보호 동작을 통한 전원차단회로의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원자단회로에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예 및 제2실시에에 따른 배터리 팩 내부에 침수센서가 배치되는 위치를 간단하게 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 의한 스위치를 포함하는 게이트 드라이버를 포함하는 전원차단회로의 모식도인다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 의한 게이트 드라이버에 논리연산자가 적용된 경우의 전원차단회로의 모식도인다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로써 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 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. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로에 관하여 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명에 제1실시예에 의한 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로에 대한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시에에 따른 전기자동차의 침수 상태를 감지하여 배터리 팩을 보호하는 전원차단회로는 배터리의 전압, 전류, 온도를 기반으로 배터리의 충/방전 제어신호를 생성하는 BMS(Battery Management System), 배터리의 침수 여부를 감지하여, 배터리 충/방전 차단신호를 생성하는 침수센싱부(200), 상기 침수센싱부(200)에서 침수가 감지되면, 사용자에게 침수정보를 제공하는 침수 경고부(230), 충/방전 경로상에서 전원을 스위칭 하는 게이트(120) 및 상기 BMS(Battery Management System)의 충/방전 제어신호 및 상기 침수센싱부(200)의 충/방전 차단신호를 입력받아 상기 게이트(120) 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력하는 게이트 드라이버(130)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 BMS(Battery Management System)는 배터리 팩의 내부의 상부 공간, 즉 배터리 팩에 내장되는 배터리 셀(300)의 상부에 배치되도록 한다.
또한, BMS(Battery Management System)(미도시)는 상기 배터리의 전압, 전류, 온도를 기반으로 상기 배터리의 상태를 체크하여 상기 배터리의 충/방전 제어신호를 생성하기 위한 시스템(400)으로써, 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 전압 모니터(미도시), 전류를 측정하기 위한 전류 모니터(미도시), 온도를 측정하기 위한 온도 모니터(미도시) 및 상기 배터리의 충/방전 제어신호를 출력하고 상기 배터리 팩과 연결된 시스템(400)에 상기 배터리 팩의 정보를 전송하는 MCU(Micro Control Unit)(110)를 포함하 는 PCB(Printed Circuit Board) 상에 구성된다.
또한, 상기 전압 모니터, 전류 모니터 및 온도 모니터로부터 검출되는 전압, 전류, 온도를 통해서 충/방전 과전류 및 /충방전 과전압, 배터리 셀(300)의 온도 및 배터의 온도를 측정하여 보다 안정적으로 상기 배터리의 충/방전을 제어하는 역할을 한다.
도 3(a)를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 침수센싱부(200)는 침수센서(210)을 더 포함할 수 있다. 상기 침수센싱부(200)은 상기 BMS(Battery Management System)의 PCB(Printed Circuit Board)에 실장되어 상기 침수센서(210)이 침수를 감지하면 상기 배터리 팩의 충/방전 차단 신호를 생성하게 된다. 이는, 종래의 배터리 팩에서는 차량의 침수와 같은 외부환경의 변화뿐만 아니라 내부환경의 변화를 감지하지 못하였던 것을 상기 침수센서(210)가 배터리 팩 내부로 물이 유입되어 상기 배터리 팩의 상부에 위치하는 BMS(Battery Management System)의 PCB(Printed Circuit Board)까지 침수가 되는 경우는 상기 배터리 팩의 전원을 완전 차단하여 추가적인 안전 사고를 방지할 수 있는 것이다.
또한, 도 3(b)를 참조하면, 본 발명의 제2실시예 에서는 상기 침수센싱부(200)가 상기 배터리 팩의 내부에 배치되는데, 상기 BMS(Battery Management System)의 PCB(Printed Circuit Board)가 배치되는 높이에 상기 침수센싱부(200)의 침수센서(210)를 배치함으로써, 상기 차량이 침수되어 상기 배터리 팩이 완전 침수되는 것을 감지하여 상기 배터리 팩의 충/방전 차단신호를 생성하여 전원을 완전 차단할 수 있는 것이다. 즉, 배터리의 바닥면을 기준으로 셀(300)들의 상부에 BMS(Battery Management System) PCB(Printed Circuit Board)가 장착되는 경우, 상기 침수센서(210)는 배터리 팩의 하우징 내부 측벽에 장착될 수 있는데, 이 경우 하우징의 바닥면으로부터 침수센서(210)가 상기 BMS(Battery Management System) PCB(Printed Circuit Board) 높이에 장착된다는 의미이다. 이와 같이 장착되는 경우, 배터리 내부로 물이 침투하여 BMS(Battery Management System) PCB(Printed Circuit Board) 높이까지 완전침수되는 경우를 감지할 수 있다.
상기 침수센싱부(200)는 상기 차량이 침수되어 상기 BMS(Battery Management System)의 PCB(Printed Circuit Board)까지 침수가 진행되어 상기 침수센서(210)에의해 침수가 감지되는 경우 생성된 상기 배터리 팩의 충/방전 차단신호를 상기 게이트 드라이버(130)로 출력하는 제어부(220)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 제1실시에에 따른 침수 경고부(230)는 상기 침수센서(210)가 침수를 감지하여 상기 제어부(220)에서 충/방전 차단신호를 상기 게이트 드라이버(130)로 전송하는 경우, 차량의 ECU(Electric Control Unit)(600)에 침수경고 신호를 전송하여 상기 차량의 디스플레이를 통해서 사용자에게 침수경고를 하게 되고, 또는, 블루투스 송신기가 내장된 핸드폰 등 휴대기기에 침수경고 신호를 전송하여 사용자가 차량 외부에 있는 경우에도 차량의 침수경고를 알 수 있도록 하게 된다.
본 발명의 제1실시예에 따른 게이트(120)는, 상기 배터리 팩 내부에 포함되는 배터리 셀(300)의 B+단자와 시스템(400)의 P+단자가 연결되는 충/방전 경로 상에 위치하게 된다. 상기 게이트(120)는 상기 배터리 팩의 충전 또는 방전 시의 전원 공급 및 차단 하는 역할을 하며 상기 배터리 셀(300)로부터 상기 시스템(400)으로 흐르는 전원의 경로를 완전 차단하는 역할도 하게 된다. 본 실시예 에서는 게이트(120)를 릴레이로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고, MOSFET 등의 스위치 기능을 가지는 형태의 소자로 마련될 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 상기 게이트(120) 드라이버(130)는 차량의 정상상태에서는 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)(110)로부터 전원 공급 및 차단 신호가 입력되면 상기 게이트(120)에 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력하여, 상기 배터리 팩의 충전 및 방전을 제어한다.
반면, 차량이 침수되어 상기 침수센서(210)가 침수를 감지하여 상기 제어부(220)로부터 충/방전 차단 신호가 입력되는 경우에는, 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)(110)로부터 입력되는 전원 공급 및 차단 신호보다 우선적으로 상기 제어부(220)로부터 입력되는 충/방전 차단 신호에 따라 상기 게이트(120)로 오프(OFF) 신호를 출력하여 상기 배터리 셀(300)로부터 시스템(400)으로 흐르는 전원을 완전 차단하게 된다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에서 게이트 드라이버(130)에 스위치가 더 포함되는 회로를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 차량이 정상상태일 경우에는 상기 스위치는 항상 온(ON)상태를 유지하게 된다. 따라서, 상기 게이트 드라이버(130)는 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)(110)으로부터 입력되는 충/방전 제어 신호에 따라 상기 게이트(120)에 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력하여 충/방전을 제어하게 된다.
반면, 차량이 침수되는 경우에는 상기 제어부(220)로부터 충/방전 차단 신호가 입력되어 상기 스위치가 온(ON) 상태에서 오프(OFF)상태로 변환되고, 상기 게이트 드라이버(130)는 상기 게이트(120)에 오프(OFF) 신호를 출력하게 된다.
또한, 상기 스위치가 오프(OFF) 상태로 변환되어 상기 BMS(Battery Management System)의 충/방전 제어 신호에 의한 게이트(120)의 제어를 방지하게 된다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에서 게이트 드라이버(130)에 논리연산기가 적용되는 회로를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 게이트 드라이버(130)는 차량이 정상상태일 경우에는 상기 제어부(220)로부터 정상상태인 신호(하이)가 입력되어 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)(110)으로부터 입력되는 충/방전 공급(하이) 및 차단(로우) 신호에 따라 상기 게이트(120) 온(ON)(하이)/오프(OFF)(로우) 신호를 출력하고,
상기 침수센싱부(200)가 침수를 감지되는 경우,
상기 제어부(220)로부터 충/방전 차단 신호(로우)가 입력되어 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)(110)으로부터 입력되는 충/방전 공급(하이) 및 차단(로우) 신호가 입력되더라고 상기 게이트(120)에 오프(OFF)(로우)신호만을 출력하도록 한다.
이는, 상기 침수센서(210)가 침수를 감지한다는 것은 상기 차량이 완전 침수가 되어 상기 배터리 팩 내부도 침수가 되는 최악의 상황이기 때문에 상기 배터리 팩의 교환이 이루어 지지 않는다면 추가적인 2차 사고가 발생할 수 있는 가능성을 완전 배제하기 위한 것이다.
이상으로 본 발명에 따른 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로에 대한 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였다.
전술된 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 이미 및 범위는 물론, 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 배터리 팩
20 BMS(Battery Management System) PCB(Printed Circuit Board)
110 MCU(Micro Control Unit)
120 게이트
130 게이트 드라이버
200 침수센싱부
210 침수센서
220 제어부
230 침수 경고부
300 배터리 셀
400 시스템
600 ECU(Electric Control Unit)

Claims (10)

  1. 전기자동차의 침수 상태를 감지하여 배터리 팩을 보호하는 전원차단회로에 있어서,
    배터리의 전압, 전류, 온도를 기반으로 배터리의 충/방전 제어신호를 생성하는 BMS(Battery Management System);
    배터리의 침수 여부를 감지하여, 배터리 충/방전 차단신호를 생성하는 침수센싱부;
    상기 침수센싱부에서 침수가 감지되면, 사용자에게 침수정보를 제공하는 침수 경고부;
    충/방전 경로상에서 전원을 스위칭 하는 게이트; 및
    상기 BMS(Battery Management System)의 충/방전 제어신호 및 상기 침수센싱부의 충/방전 차단신호를 입력받아 상기 게이트로 게이트 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력하는 게이트 드라이버;
    를 포함하고
    상기 게이트 드라이버는,
    차량이 정상상태일 경우에는 온(ON) 상태가 유지되어 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)로부터 전원 공급 및 차단 신호에 따라 상기 게이트 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력할 수 있도록 하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로
  2. 제1항에 있어서,
    상기 침수센싱부는,
    상기 BMS(Battery Management System)의 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)에 실장 되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로
  3. 제1항에 있어서,
    상기 침수센싱부는,
    상기 배터리 팩 내부의 BMS(Battery Management System) 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)이 배치되는 높이에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로
  4. 제1항에 있어서,
    상기 침수센싱부는,
    침수 상태를 감지하는 침수 센서; 및
    상기 배터리의 충/방전 차단신호를 출력하는 제어부;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 침수센서가 침수를 감지하면 충/방전 차단신호를 상기 게이트 드라이버에 전송하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로
  6. 제4항에 있어서,
    침수 경고부는,
    상기 제어부에서 충/방전 차단신호를 상기 게이트 드라이버로 전송하는 경우, 차량의 ECU(Electric Controll Unit) 또는 블루투스 송신기에 침수경고 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로
  7. 삭제
  8. 제4항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 제어부로부터 충/방전 차단신호가 입력되는 경우에 온(ON) 상태에서 오프(OFF) 상태로 변경되어 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)에 의한 상기 게이트의 충/방전 제어 신호를 차단하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로
  9. 제4항에 있어서,
    상기 게이트 드라이버는,
    상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)의 출력과 상기 제어부의 충/방전 차단 신호를 각각 입력 받아 논리 연산하여 상기 게이트에 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력하는 논리 연산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로
  10. 제9항에 있어서,
    상기 논리 연산기는,
    차량이 정상상태일 경우,
    상기 제어부로부터 정상상태 신호가 입력되어 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)으로부터 입력되는 충/방전 신호에 따라 상기 게이트를 온/오프(ON/OFF) 신호를 출력하고,
    상기 침수센싱부가 침수를 감지되는 경우,
    상기 제어부로부터 충/방전 차단 신호가 입력되어 상기 BMS(Battery Management System)의 MCU(Micro Control Unit)으로부터 입력되는 충/방전 신호가 입력되더라도 상기 게이트에 오프(OFF)신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 침수 시 배터리 팩 전원차단회로
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