KR102351067B1 - 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치 및 방법 - Google Patents

전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차용 배터리 전원 공급 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 상기 배터리 전원 공급장치는, 배터리와 부하 사이의 경로 상에 위치하여, 제공되는 제어신호에 따라 온/오프 되는 제1 스위칭부; 상기 배터리 외측에 설치되어 배터리의 온도 변화에 따라 온/오프 스위칭되는 제2 스위칭부; 및 상기 제2 스위칭부의 온 오프 스위칭에 따라 상기 제1 스위칭부의 온/오프를 제어하여 부하로의 전원 공급 또는 전원 공급을 차단시키는 제어부를 포함한다.

Description

전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치 및 방법{Power supply aparatus for electric vehicle and power supply method using it}
본 발명은 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 전기 자동차용 배터리의 온도를 감지하고, 감지된 배터리의 온도가 비정상적으로 높은 경우, 배터리에서 부하로 공급되는 전원을 차단하여 배터리의 안전성을 확보할 수 있도록 한 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 자동차는 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료로 구동되는 엔진과 배터리 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 자동차, 즉 HEV(Hybrid Electric Vehicle)라 부르고 있다.
이러한 하이브리드 전기 자동차 등에는 전기모터의 구동전력을 제공하는 고전압 배터리가 필수적으로 장착되며, 이는 차량 운행 중에 충전 및 방전을 반복하면서 필요한 전력을 공급하게 된다.
하이브리드 전기 자동차와 같은 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리로는 리튬 이온(폴리머) 배터리(LiPB)가 널리 사용되는데 리튬 이온 배터리 시스템에서는 다음과 같은 문제점이 존재한다.
즉, 전기 자동차용 고전압 배터리의 경우 과충전 혹은 단락과 같은 이상 상태 발생 시, 극판으로부터의 격렬한 발열 반응에 의한 배터리의 온도가 상승하게 된다. 이에 따라, 배터리 셀 내부에 압력 증가가 일어나며, 이는 배터리의 부피 팽창으로 이어진다.
상기와 같은 배터리의 온도 상승 및 부피 팽창으로 인하여 배터리의 발연, 발화 혹은 폭발로 이어지게 되며, 이는 전기 자동차에 탑재되어 있는 배터리의 안전성에 치명적인 요소로 작용한다.
이에 따라 배터리의 이상 상태를 감지하여 상기와 같은 사고를 미연에 방지하는 것을 안전성의 최우선으로 생각할 수 있다.
도 1은 배터리의 상태에 따른 온도 특성 그래프로서, 배터리가 이상상태에서 발화단계에 이르기까지 온도의 단계가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 온도를 통한 배터리의 이상 상태의 진단은 배터리의 안전성 확보에 효과적인 방법이 될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 전기 자동차용 배터리의 온도를 감지하고, 감지된 배터리의 온도가 비정상적으로 높은 경우, 배터리에서 부하로 공급되는 전원을 차단하여 배터리의 안전성을 확보할 수 있도록 한 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치는, 배터리와 부하 사이의 경로 상에 위치하여, 제공되는 제어신호에 따라 온/오프 되는 제1 스위칭부; 상기 배터리 외측에 설치되어 배터리의 온도 변화에 따라 온/오프 스위칭되는 제2 스위칭부; 및 상기 제2 스위칭부의 온/오프 스위칭에 따라 상기 제1 스위칭부의 온/오프를 제어하여 부하로의 전원 공급 또는 전원 공급을 차단시키는 제어부를 포함한다.
상기 제2 스위칭부는, 배터리의 현재 온도에 따라 온/오프 스위칭되는 바이메탈 스위치일 수 있다.
상기 제1 스위칭부는, 상기 배터리의 양극과 상기 부하의 양극 사이에 위치하는 제 1 릴레이; 및 상기 배터리의 음극과 상기 부하의 음극 사이에 위치하는 제 2 릴레이를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 제2 스위칭부가 오프되는 경우 현재 배터리의 온도가 설정된 임계 온도 이상인 것으로 판단하여 상기 제1 스위칭부를 오프시켜 부하로 전원 공급이 이루어지지 않도록 제어한다.
상기 제어부는, 상기 제2 스위칭부가 온되는 경우 현재 배터리의 온도가 설정된 임계 온도 이하인 것으로 판단하여 상기 제1 스위칭부를 온시켜 부하로 전원 공급이 이루어지도록 제어한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 전원 공급 방법은, 배터리의 온도를 감지하여 감지된 배터리의 온도에 따라 온/오프 스위칭하여 스위칭 신호를 출력하는 단계; 상기 출력되는 스위칭 신호에 따라 배터리로부터 부하로 전원 공급하거나 전원 공급을 차단하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 스위칭 제어신호에 따라 스위칭되어 부하로 배터리 전원을 공급하거나 차단하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 온도의 감지는 바이메탈 스위치에 의해 감지할 수 있다.
상기 스위칭 제어신호를 생성하는 단계는, 상기 감지된 배터리의 온도에 따라 오프 스위칭 신호가 출력되는 경우, 현재 배터리의 온도가 설정된 임계 온도 이상인 것으로 판단하여 배터리로부터 부하로 전원 공급을 차단하기 위한 스위칭 제어신호를 생성한다.
상기 스위칭 제어신호를 생성하는 단계는, 상기 감지된 배터리의 온도에 따라 온 스위칭 신호가 출력되는 경우, 현재 배터리의 온도가 설정된 임계 온도 이하인 것으로 판단하여 배터리로부터 부하로 전원을 공급하기 위한 스위칭 제어신호를 생성한다.
상기 생성된 스위칭 제어신호에 따라 스위칭되어 부하로 배터리 전원을 공급하거나 차단하는 동작은, 상기 배터리의 양극(+)과 상기 부하의 양극 사이에 위치하는 제 1 릴레이와, 상기 배터리의 음극(-)과 상기 부하의 음극 사이에 위치하는 제 2 릴레이의 온/오프 동작에 의해 이루어진다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 전기 자동차용 배터리의 온도를 감지하고, 감지된 배터리의 온도가 비정상적으로 높은 경우, 배터리에서 부하로 공급되는 전원을 차단하여 배터리의 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 배터리의 상태에 따른 온도 특성 그래프.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치에 대한 회로 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 배터리 전원 공급 방법에 대한 동작 플로우챠트를 나타낸 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 배터리 전원 공급장치에 대한 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치(100)는 배터리(B)와 부하(L) 사이에 위치하여, 배터리(B)의 온도가 적정한 경우에는 배터리(B)에서 부하(L)로 전원이 공급되도록 하며, 배터리(B)의 온도가 비정상적으로 높은 경우, 배터리(B)에서 부하(L)로 공급되는 전원을 차단하도록 구성된다.
이때, 상기 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치(100)는 릴레이부(110), 배터리 제어부(120) 및 온도 상태 변환부(130)를 포함할 수 있다.
상기 릴레이부(110)는 배터리(B)와 부하(L) 사이의 전류 경로 상에 위치하여, 외부의 제어에 따라 턴-온(turn-on) 상태 또는 턴-오프(turn-off) 상태를 스위칭하면서 배터리(B)와 부하(L)를 전기적으로 연결하거나 배터리(B)와 부하(L)의 전기적 연결 상태를 차단한다.
이때, 상기 릴레이부(110)는 배터리(B)의 양극과 부하(L)의 양극 사이에 위치하는 제 1 릴레이(111) 및 배터리(B)의 음극과 부하(L)의 음극 사이에 위치하는 제 2 릴레이(112)를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 제 1 릴레이(111)의 턴-온(turn-on) 상태 또는 턴-오프(turn-off) 상태에 따라 배터리(B)의 양극과 부하(L)의 양극에 대한 전기적 연결이 결정되고, 상기 제 2 릴레이(112)의 턴-온(turn-on) 상태 또는 턴-오프(turn-off) 상태에 따라 배터리(B)의 음극과 부하(L)의 음극에 대한 전기적 연결이 결정된다.
한편, 상기 제 1 및 제 2 릴레이(111, 112)는 각각 스위칭부(111a, 112a)와 코일(111b, 112b)로 구성될 수 있다.
이때, 코일(111b, 112b)에 의해 스위칭부(111a, 112a)를 턴 온(turn on)시킬 정도의 전류가 흐르게 되면, 스위칭부(111a, 112a)가 턴 온(trun on) 상태가 되고, 코일(111b, 112b)로 전류가 흐르지 않거나, 흐르더라도 코일(111b, 112b)을 턴 온(turn on)시킬 정도의 전류가 흐르지 않으면, 스위칭부(111a, 112a)는 턴 오프(turn off) 상태가 된다.
상기 배터리 제어부(120)는 릴레이부(110)로 전원을 공급하거나 전원 공급을 중단함으로써 릴레이부(110)의 동작을 제어한다.
이때, 상기 배터리 제어부(120)가 릴레이부(110)로 전원을 공급하면, 릴레이부(110)는 턴 온(trun on) 상태가 되고, 배터리 제어부(120)가 릴레이부(110)로의 전원 공급을 중단하면, 릴레이부(110)는 턴 오프(turn off) 상태가 된다.
여기서, 상기 배터리 제어부(120)가 릴레이부(110)로 전원을 공급한다는 것은 릴레이부(110)를 턴 온(trun on) 상태로 전환할 정도의 전류가 흐를 수 있을 정도의 전원을 공급한다는 것을 의미한다.
한편, 상기 배터리 제어부(120)는 제 1 루프(①)를 통해 제 1 릴레이(111)로 전원을 공급하고, 제 2 루프(②)를 통해 제 2 릴레이(112)로 전원을 공급한다.
이때, 상기 제 1 루프(①) 상에는 제 1 릴레이(111)의 코일(111b)이 위치하고, 상기 제 2 루프(②) 상에는 상기 제 2 릴레이(112)의 코일(112b)이 위치한다.
따라서, 상기 배터리 제어부(120)가 제 1 루프(①)를 통해 제 1 릴레이(111)로 전원을 공급하면, 제 1 루프(①)를 통해 전류가 흐르게 되고, 제 1 루프(①)를 통해 흐르는 전류가 제 1 릴레이(111)의 코일(111b)을 통과함에 따라 제 1 릴레이(111)의 스위칭부(111a)가 턴 온(turn on) 상태가 되는 것이다.
마찬가지로, 상기 배터리 제어부(120)가 제 2 루프(②)를 통해 제 2 릴레이(112)로 전원을 공급하면, 제 2 루프(②)를 통해 전류가 흐르게 되고, 제 2 루프(②)를 통해 흐르는 전류가 제 2 릴레이(112)의 코일(112b)을 통과함에 따라 제 2 릴레이(112)의 스위칭부(112a)가 턴 온(turn on) 상태가 되는 것이다.
상기 온도 상태 변환부(130)는 배터리(B)의 온도에 따라 스위칭 역할을 하며, 배터리(B)의 온도가 적정 온도인 경우에는 턴 온 상태를 유지하다가, 배터리(B)의 온도가 적정 온도 이상에서는 상태 변화를 일으켜 턴 오프 상태가 된다. 예를 들면, 상기 온도 상태 변환부(130)는 바이메탈 스위치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 온도 상태 변환부(130)는 배터리(B)의 온도에 따라 상태 변화를 일으키므로 배터리(B)의 온도에 민감하게 반응할 수 있도록 적절하게 설치되는 것이 바람직하며, 일례로 배터리(B)의 표면에 설치될 수 있다.
한편, 상기 온도 상태 변환부(130)는 제 1 루프(①) 상에 위치하거나 또는 제 2 루프(②) 상에 위치한다. 도 2에는 상기 온도 상태 변환부(130)가 제 1 폐회로(①) 상에 위치하는 것으로 도시되어 있다.
*따라서, 상기 온도 상태 변환부(130)의 상태는 제 1 루프(①)의 전기적 연결 상태를 결정한다.
즉, 상기 온도 상태 변환부(130)가 턴 온 상태인 경우, 제 1 루프(①)는 단락 회로(short circuit)가 되어, 배터리 제어부(120)가 전원을 인가하면, 제 1 루프(①)를 통해 전류가 흐르게 되나, 상기 온도 상태 변환부(130)가 턴 오프 상태인 경우, 제 1 루프(①)는 개방 회로(open circuit)가 되어, 배터리 제어부(120)가 전원을 인가하여도, 제 1 루프(①)를 통해 전류가 흐르지 않는다.
따라서, 상기 온도 상태 변환부(130)가 턴 온 상태인 경우, 제 1 루프(①)를 통해 전류가 흐르기 때문에, 제 1 릴레이(111)의 스위칭부(111a)가 턴 온(turn on) 상태가 되고, 상기 온도 상태 변환부(130)가 턴 오프 상태인 경우, 제 1 루프(①)를 통해 전류가 흐르지 않기 때문에 제 1 릴레이(111)의 스위칭부(111a)가 턴 오프(turn on) 상태가 된다.
이와 같은 동작은 상기 온도 상태 변환부(130)가 제 2 루프(②) 상에 위치하는 경우에도 동일하게 적용되므로, 온도 상태 변환부(130)가 제 2 루프(②) 상에 위치하는 경우의 동작에 대해서는 생략하도록 한다.
이하, 상기한 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 배터리 전원 공급장치의 동작에 상응하는 본 발명에 따른 전기 자동차용 배터리 전원 공급 방법에 대하여 도 3을 참조하여 단계적으로 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차용 배터리 전원 공급 방법에 대한 동작 플로우챠트를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 외부 지시에 따라 배터리(B)와 부하(L) 사이의 전류 경로 상에 위치하는 릴레이부(110)를 턴 온 시키기 위하여, 배터리 제어부(120)가 제 1 및 제 2 루프(①), ②)에 전원을 인가하면(S310), 릴레이부(110)가 턴 온 되어 배터리(B)가 부하(L)에 전원을 공급한다(S320). 이때, 최초 배터리(B)가 전원을 공급하는 시점에서는 배터리(B)가 적정 온도를 유지하고 있는 것으로 가정한다. 따라서, 이때 온도 상태 변환부(130)는 턴 온 상태에 있다.
한편, 제 1 및 제 2 루프(①), ②) 중 어느 하나에라도 배터리 제어부(120)가 전원을 인가하지 않으면, 배터리(B)의 전원은 부하(L)로 공급되지 않는다.
즉, 배터리 제어부(120)가 제 1 및 제 2 루프(①), ②) 모두에 전원을 인가하는 경우에만 배터리(B)의 전원은 부하(L)로 공급된다.
한편, 배터리 제어부가(120)가 제 1 및 제 2 루프(①), ②)에 전원을 인가하여(S310), 배터리(B)가 부하(L)로 공급하는 동안(S320), 배터리(B)의 온도가 적정 온도이면(S330-No), 온도 상태 변환부(130)는 턴 온 상태를 유지하고(S340), 이에 따라 지속적으로 배터리(B)가 부하(L)로 전원을 공급한다(S320).
하지만, 배터리(B)의 온도가 적정 온도를 초과하게 되면(S330-Yes), 온도 상태 변환부(130)가 상태 변화를 일으켜 턴 오프 상태가 되고(S350), 이에 따라 온도 상태 변환부(130)가 설치된 루프는 개방 회로가 되어, 릴레이부(110)는 턴 오프 상태가 된다(S360).
이와 같이, 릴레이부(110)가 턴 오프 상태가 되면, 배터리(B)로부터 제공되는 전원은 더 이상 부하(L)로 공급되지 않게 되고(S370), 이에 따라 배터리(B)의 온도 상승을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전기자동차용 배터리 안전 시스템을 실시 예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 기재된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 릴레이부 111, 112 : 제 1, 2 릴레이부
111a, 112a : 스위치 111b, 112b : 코일
120 : 배터리 제어부 130 : 온도 상태 변환부
B : 배터리 L : 부하

Claims (8)

  1. 배터리와 부하 사이의 경로 상에 위치하여, 제공되는 제어신호에 따라 온/오프 되는 제1 스위칭부;
    상기 배터리 외측에 설치되어 배터리의 온도 변화에 따라 온/오프 스위칭되는 제2 스위칭부; 및
    상기 제2 스위칭부의 온 오프 스위칭에 따라 상기 제1 스위칭부의 온/오프를 제어하여 부하로의 전원 공급 또는 전원 공급을 차단시키는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 제2 스위칭부가 온되는 경우 현재 배터리의 온도가 설정된 임계 온도 이하인 것으로 판단하여 상기 제1 스위칭부를 온시켜 부하로 전원 공급이 이루어지도록 제어하는 것인 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭부는, 배터리의 현재 온도에 따라 온/오프 스위칭되는 바이메탈 스위치인 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭부는,
    상기 배터리의 양극과 상기 부하의 양극 사이에 위치하는 제 1 릴레이; 및
    상기 배터리의 음극과 상기 부하의 음극 사이에 위치하는 제 2 릴레이를 포함하는 것인 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 스위칭부가 오프되는 경우 현재 배터리의 온도가 설정된 임계 온도 이상인 것으로 판단하여 상기 제1 스위칭부를 오프시켜 부하로 전원 공급이 이루어지지 않도록 제어하는 것인 전기 자동차용 배터리 전원 공급 장치.
  5. 전기 자동차용 배터리 전원 공급 방법에 있어서,
    배터리의 현재 온도를 감지하여 감지된 배터리의 온도에 따라 온/오프 스위칭하여 스위칭 신호를 출력하는 단계;
    상기 출력되는 스위칭 신호에 따라 배터리로부터 부하로 전원 공급하거나 전원 공급을 차단하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 스위칭 제어신호에 따라 스위칭되어 부하로 배터리 전원을 공급하거나 차단하는 단계를 포함하되,
    상기 스위칭 제어신호를 생성하는 단계는,
    상기 감지된 배터리의 온도에 따라 온 스위칭 신호가 출력되는 경우, 현재 배터리의 온도가 설정된 임계 온도 이하인 것으로 판단하여 배터리로부터 부하로 전원을 공급하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하는 것인 전기 자동차용 배터리 전원 공급 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 온도의 감지는 바이메탈 스위치에 의해 감지하는 것인 전기 자동차용 배터리 전원 공급방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 스위칭 제어신호를 생성하는 단계는,
    상기 감지된 배터리의 온도에 따라 오프 스위칭 신호가 출력되는 경우, 현재 배터리의 온도가 설정된 임계 온도 이상인 것으로 판단하여 배터리로부터 부하로 전원 공급을 차단하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하는 것인 전기 자동차용 배터리 전원 공급 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 생성된 스위칭 제어신호에 따라 스위칭되어 부하로 배터리 전원을 공급하거나 차단동작은, 상기 배터리의 양극(+)과 상기 부하의 양극 사이에 위치하는 제 1 릴레이와, 상기 배터리의 음극(-)과 상기 부하의 음극 사이에 위치하는 제 2 릴레이의 온/오프 동작에 의해 이루어지는 것인 전기 자동차용 배터리 전원 공급 방법.
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