KR102468604B1 - 차량용 배터리 시스템 - Google Patents

차량용 배터리 시스템 Download PDF

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권범주
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Abstract

외부로 전원을 공급하는 출력단을 갖는 차량용 배터리 시스템에 있어서, 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 각각 구성된 각각 제1 배터리 그룹 및 제2 배터리 그룹; 상기 제1 배터리 그룹과 상기 출력단 사이의 전기적 연결 상태 및 제2 배터리 그룹과 상기 출력단 사이의 전기적 연결 상태를 설정하는 제1 릴레이 박스; 상기 제1 배터리 그룹의 타의 단자와 상기 제2 배터리 그룹의 타 단자 사이의 전기적 연결 상태를 설정하는 제2 릴레이 박스; 및 상기 제1 릴레이 박스 및 상기 제2 릴레이 박스의 전기적 연결 상태를 제어하는 배터리 관리부를 포함하는 차량용 배터리 시스템이 개시된다.

Description

차량용 배터리 시스템{HIGH AND LOW VOLTAGE INTEGRATED BATTERY SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 배터리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 구동원으로 사용되는 고전압 배터리에 연결된 릴레이 구조를 개선하여 릴레이 개방 시에도 우려되는 절연 파괴로 인한 사고를 예방할 수 있으며 시스템 내에 마련된 릴레이와 퓨즈의 상태 진단의 정확도를 향상시킬 수 있는 차량용 배터리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 바퀴의 구동력을 제공하기 위한 전기 모터를 구비한 친환경 차량(하이브리드 차량, 전기 차량, 연료전지 차량 등)은, 전기 모터를 구동하기 위한 고전압의 에너지를 제공하기 위해 고전압 배터리를 구비한다. 여기서, 고전압이라고 함은, 통상 엔진 구동 차량의 시동이나 전장 부하에 전력 공급을 위해 마련되는 배터리(통상, 11 내지 14 V의 전압을 갖는)에 비해 상대적으로 높은 전압을 의미한다.
통상, 고전압 배터리 시스템에는, 차량의 시동이 오프 되는 경우 차량 내 부하들과 고전압 배터리 사이의 전기적 연결을 차단하고, 차량의 시동이 온 된 경우 부하들과 고전압 배터리 사이의 전기적 연결을 형성하기 릴레이를 구비하는 릴레이 박스가 채용되고 있다.
통상 릴레이 박스에는 고전압 배터리의 정(+) 단자와 부(-) 단자 각각과 배터리 시스템과 외부의 부하가 연결되는 출력단을 연결하는 릴레이가 구비된다. 이러한 릴레이 박스의 연결구조에 의하면, 차량의 시동이 오프 되어 릴레이가 개방된 상태라고 하더라도 고전압 배터리의 양 단자에는 고전압이 인가된 상태이므로, 차량의 사고나 침수 등에 의해 고전압 배터리의 양 단자가 서로 단락 되는 문제가 발생하거나 외부와의 절연파괴로 인해 고전압 배터리의 전력에 의한 감전 사고 등의 문제가 발생할 수 있게 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0062956 A
이에 본 발명은, 차량의 구동원으로 사용되는 고전압 배터리에 연결된 릴레이의 배치 구조를 개선하여 릴레이 개방 시에도 발생가능성이 있는 절연 파괴로 인한 사고를 예방하고 배터리 시스템 내에 마련된 릴레이와 퓨즈의 상태 진단의 정확도를 향상시키기 위한 차량용 배터리 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
외부로 전원을 공급하는 출력단을 갖는 차량용 배터리 시스템에 있어서,
상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 각각 구성된 각각 제1 배터리 그룹 및 제2 배터리 그룹;
상기 제1 배터리 그룹과 상기 출력단 사이의 전기적 연결 상태 및 제2 배터리 그룹과 상기 출력단 사이의 전기적 연결 상태를 설정하는 제1 릴레이 박스;
상기 제1 배터리 그룹의 타의 단자와 상기 제2 배터리 그룹의 타 단자 사이의 전기적 연결 상태를 설정하는 제2 릴레이 박스; 및
상기 제1 릴레이 박스 및 상기 제2 릴레이 박스의 전기적 연결 상태를 제어하는 배터리 관리부;
를 포함하는 차량용 배터리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 정의 단자와 상기 출력단 사이 또는 제2 배터리 그룹의 부의 단자 상기 출력단 사이의 전기적 연결 상태를 결정하는 적어도 하나의 릴레이를 포함하며, 상기 제2 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 제2 배터리 그룹의 정의 단자 사이의 전기적 연결 상태를 결정하는 릴레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 정의 단자와 상기 출력단 사이에 양단이 연결된 메인 릴레이와, 상기 메인 릴레이의 양단에 직렬로 연결된 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항을 포함하며, 상기 제2 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 출력단을 항시 전기적으로 연결시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 릴레이 박스는, 상기 제2 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 출력단 사이에 양단이 연결된 메인 릴레이와, 상기 메인 릴레이의 양단에 직렬로 연결된 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항을 포함하며, 상기 제1 배터리 그룹의 정의 단자와 상기 출력단을 항시 전기적으로 연결시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 제2 배터리 그룹의 정의 단자 사이에 직렬로 연결된 퓨즈 및 중간 릴레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 퓨즈의 연결단, 상기 퓨즈와 상기 중간 릴레이의 연결단 및 상기 중간 릴레이와 상기 제2 배터리 그룹의 정의 단자의 연결단 각각과 상기 배터리 관리부를 연결하는 진단용 배선을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 관리부는, 차량 시동 이전 IG ON 상태에서 상기 제1 릴레이 박스를 제어하여 상기 제1 배터리 그룹 또는 상기 제2 배터리 그룹과 상기 출력단 사이의 전기적 연결을 차단하고, 상기 제2 릴레이 박스를 제어하여 상기 제1 배터리 그룹과 상기 제2 배터리 그룹을 전기적으로 직렬 연결되게 하고, 상호 직렬 연결된 상기 제1 배터리 그룹 및 상기 제2 배터리 그룹이 형성하는 전압을 기반으로 절연저항을 진단할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 관리부는, 상기 절연저항의 진단 결과 상기 절연저항이 사전 설정된 정상 범위 내인 경우 상기 제1 릴레이 박스를 제어하여 상기 출력단과 상호 직렬 연결된 상기 제1 배터리 그룹 및 상기 제2 배터리 그룹 사이의 전기적 연결을 형성할 수 있다.
상기 차량용 배터리 시스템에 따르면, 차량의 충돌 사고 또는 침수 사고 등과 같이 차량 고전압 시스템의 누전이나 절연 파괴의 문제가 발생할 수 있는 위험 상황에서도 차량의 고전압 안전성을 확보할 수 있으며, 이를 통해 차량의 상품성 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 차량용 배터리 시스템에 따르면, 휴즈 단선 또는 릴레이 접촉불량 여부를 배터리 관리부에 의해 직접 진단 가능하므로 진단의 정확성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 시스템의 제2 릴레이 박스와 배터리 관리부 사이의 연결관계를 상세하게 도시한 회로도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 차량용 배터리 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 시스템을 도시한 회로도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 시스템의 제2 릴레이 박스와 배터리 관리부 사이의 연결관계를 상세하게 도시한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 시스템(10)은, 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11)로 각각 구성된 제1 배터리 그룹(B1) 및 제2 배터리 그룹(B2)와, 배터리 시스템(10)의 출력단과 제1 배터리 그룹(B1) 사이의 전기적 연결 상태 및 제2 배터리 그룹(B2)과 상기 출력단 사이의 전기적 연결 상태를 설정하는 제1 릴레이 박스(12)와, 제1 배터리 그룹(B1)과 제2 배터리 그룹(B2) 사이의 전기적 연결 상태를 설정하는 제2 릴레이 박스(13) 및 제1 릴레이 박스(12)와 제2 릴레이 박스(13)의 전기적 연결 상태를 제어하는 배터리 관리부(15)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리 시스템(10)에서 전기 에너지를 저장하는 배터리는 복수의 배터리 셀(11)이 서로 직렬 연결된 상태로 최외곽의 두 배터리 셀의 상호 비 연결단자에 해당하는 두 단자를 갖는 배터리 모듈의 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서 제1 배터리 그룹(B1)과 제2 배터리 그룹(B2)은 각각이 배터리 모듈의 형태로 구현되거나 단지 하나의 배터리 모듈 내에서 임의의 그룹으로 구분된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제1 배터리 그룹(B1)의 일 단자(예를 들어, 정(+)의 단자)(111)는 제1 릴레이 박스(12)에 의해 배터리 시스템 출력단(14)에 연결될 수 있으며, 제2 배터리 그룹(B2)의 일 단자(예를 들어, 부(-)의 단자)(112)는 제1 릴레이 박스(12)에 의해 배터리 시스템 출력단(14)에 연결될 수 있다.
또한, 제1 배터리 그룹(B1)과 제2 배터리 그룹(B2)는 제2 릴레이 박스(13)에 의해 서로 전기적으로 연결되는 경우 상호 전기적인 직렬연결을 형성할 수 있다.
제1 릴레이 박스(12)는 배터리 시스템의 출력단과 제1 및 제2 배터리 그룹(B1, B2) 사이의 전기적 연결을 형성/차단하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 릴레이 박스(12)는 양단이 제1 배터리 그룹(B1)의 일 단자(111) 및 배터리 시스템의 출력단(14)에 연결된 메인 릴레이(121)와 메인 릴레이(121)의 양단에 직렬로 연결된 프리차지 릴레이(122) 및 프리차지 저항(123)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 릴레이 박스(12)는 제2 배터리 그룹(B2)의 일단과 배터리 시스템(10)의 출력단(14)을 항시 전기적으로 연결되게 할 수 있다. 한편, 다른 예에서 제1 릴레이 박스는 제2 배터리 그룹(B2)의 일단과 배터리 시스템(10)의 출력단(14) 사이에 메인 릴레이와 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항을 연결하고, 제1 배터리 그룹(B1)의 일단은 배터리 시스템(10)의 출력단(14)에 항시 전기적으로 연결되게 할 수도 있다.
제1 릴레이 박스(12) 내에 마련된 메인 릴레이(121)과 프리차지 릴레이(122)는 배터리 관리부(15)의 제어에 의해 개방/단락 될 수 있다.
제2 릴레이 박스(13)는 제1 배터리 그룹(B1)과 제2 배터리 그룹(B2) 사이에 직렬로 연결된 퓨즈(132) 및 중간 릴레이(131)을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 제2 릴레이 박스(13)는, 제1 배터리 그룹(B1)의 부의 단자와 제2 배터리 그룹(B2)의 정의 단자 사이에 직렬로 연결된 퓨즈(132) 및 중간 릴레이(131)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제2 릴레이 박스(13)는 각 연결단자와 배터리 관리부(13)를 연결하는 진단용 배선을 더 포함할 수 있다. 즉, 제2 릴레이 박스(13)는, 제1 배터리 그룹(B1)의 부의 단자와 퓨즈(132)의 연결단, 퓨즈(132)와 중간 릴레이(131)의 연결단 및 중간 릴레이(131)와 제2 배터리 그룹(B2)의 정의 단자의 연결단 각각은 진단용 배선을 통해 배터리 관리부(15) 연결될 수 있다.
이러한 진단용 배선에 의해 배터리 관리부(15)는 퓨즈(132)의 양단 및 중간 릴레이(131)의 양단 저항 또는 전압을 측정할 수 있어 휴즈 단선 및 중간 릴레이(131)의 접촉 불량을 개별적으로 진단할 수 있게 된다.
물론, 제2 릴레이 박스(13)에 포함된 중간 릴레이(131) 역시 배터리 관리부(15)의 제어에 의해 동작할 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 배터리 관리부는 중간 릴레이(131) 내에 마련된 코일(131r)에 전원전압(Vdd)을 인가/차단함으로써 코일(131r)에 의해 유도되는 자기력으로 릴레이의 개방/단락을 제어할 수 있다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량용 배터리 시스템에서, 배터리 관리부(15)는 시동이 오프인 상태에서 제1 릴레이 박스(12) 및 제2 릴레이 박스(13)에 포함된 모든 릴레이들(121, 122, 131)을 개방 상태가 되게 제어한다. 이에 따라, 차량 시동 오프 시에는, 제1 배터리 그룹(B1)과 제2 배터리 그룹(B2)는 전기적으로 절연 상태가 되며, 배터리 시스템의 출력단(14)에 연결된 제1 배터리 그룹(B1)의 정의 단자(111)와 제2 배터리 그룹(B2)의 부의 단자(112) 간의 전기적 연결 상태도 개방 상태가 되어 고전압 안전성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 차량 충돌 사고 또는 주차 중 침수 사고 등이 발생하는 경우에도, 배터리 시스템의 출력단(14)에 연결된 제1 배터리 그룹(B1)의 정의 단자(111)와 제2 배터리 그룹(B2)의 부의 단자(112) 간에 전압이 형성되지 않고, 각 배터리 그룹(B1, B2)에 의한 전압(두 배터리 그룹(B1, B2)의 전압이 상호 동일한 경우 전체 고전압 시스템의 1/2)만 유지되며, 각 배터리 그룹(B1, B2)의 양단은 비교적 절연 거리를 양호하게 확보할 수 있으므로 고전압 안전성을 유지하는데 큰 이점을 갖는다.
또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 배터리 시스템에서, 배터리 관리부(15)는, 차량이 시동 되기 이전 IG ON 신호가 입력되면 제1 릴레이 박스(12)가 제1 배터리 그룹(B1) 또는 제2 배터리 그룹(B2)과 출력단(14) 사이의 전기적 연결을 차단하도록 제어하고, 제2 릴레이 박스(13)를 제어하여 제1 배터리 그룹(B1)과 제2 배터리 그룹(B2)을 전기적으로 직렬 연결되게 하여 제1 배터리 그룹(B1) 및 제2 배터리 그룹(B2)을 상호 직렬로 연결시킨다.
이후, 배터리 관리부(15)는 직렬 연결된 제1 배터리 그룹(B1) 및 제2 배터리 그룹(B2)이 형성하는 전압을 기반으로 절연저항을 진단할 수 있다.
이어, 배터리 관리부(15)는 절연저항이 사전 설정된 정상 범위 내인 경우 제1 릴레이 박스(12)를 제어하여 출력단(14)과 상호 직렬 연결된 제1 배터리 그룹(B1) 및 제2 배터리 그룹(B2) 사이의 전기적 연결을 형성하게 함으로써 차량의 고전압 시스템(예를 들어, 인버터, 구동 모터 등)에 고전압의 전력이 공급되게 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 차량용 배터리 시스템 11: 배터리 셀
12: 제1 릴레이 박스 121: 메인 릴레이
122: 프리차지 릴레이 123: 프리차지 저항
13: 제2 릴레이 박스 131: 중간 릴레이
132: 퓨즈 14: 출력단
15: 배터리 관리부 B1: 제1 배터리 그룹
B2: 제2 배터리 그룹 C: 고전압 직류 링크 커패시터

Claims (8)

  1. 외부로 전원을 공급하는 출력단을 갖는 차량용 배터리 시스템에 있어서,
    상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀로 각각 구성된 각각 제1 배터리 그룹 및 제2 배터리 그룹;
    상기 제1 배터리 그룹과 상기 출력단 사이의 전기적 연결 상태 및 제2 배터리 그룹과 상기 출력단 사이의 전기적 연결 상태를 설정하는 제1 릴레이 박스;
    상기 제1 배터리 그룹의 타의 단자와 상기 제2 배터리 그룹의 타 단자 사이의 전기적 연결 상태를 설정하는 제2 릴레이 박스; 및
    상기 제1 릴레이 박스 및 상기 제2 릴레이 박스의 전기적 연결 상태를 제어하는 배터리 관리부;
    를 포함하되,
    상기 배터리 관리부는, 차량 시동 이전 IG ON 상태에서 상기 제1 릴레이 박스를 제어하여 상기 제1 배터리 그룹 또는 상기 제2 배터리 그룹과 상기 출력단 사이의 전기적 연결을 차단하고, 상기 제2 릴레이 박스를 제어하여 상기 제1 배터리 그룹과 상기 제2 배터리 그룹을 전기적으로 직렬 연결되게 하고, 상호 직렬 연결된 상기 제1 배터리 그룹 및 상기 제2 배터리 그룹이 형성하는 전압을 기반으로 절연저항을 진단하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 정의 단자와 상기 출력단 사이 또는 제2 배터리 그룹의 부의 단자 상기 출력단 사이의 전기적 연결 상태를 결정하는 적어도 하나의 릴레이를 포함하며,
    상기 제2 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 제2 배터리 그룹의 정의 단자 사이의 전기적 연결 상태를 결정하는 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 정의 단자와 상기 출력단 사이에 양단이 연결된 메인 릴레이와, 상기 메인 릴레이의 양단에 직렬로 연결된 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항을 포함하며, 상기 제2 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 출력단을 항시 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 릴레이 박스는, 상기 제2 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 출력단 사이에 양단이 연결된 메인 릴레이와, 상기 메인 릴레이의 양단에 직렬로 연결된 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항을 포함하며, 상기 제1 배터리 그룹의 정의 단자와 상기 출력단을 항시 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 제2 배터리 그룹의 정의 단자 사이에 직렬로 연결된 퓨즈 및 중간 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 릴레이 박스는, 상기 제1 배터리 그룹의 부의 단자와 상기 퓨즈의 연결단, 상기 퓨즈와 상기 중간 릴레이의 연결단 및 상기 중간 릴레이와 상기 제2 배터리 그룹의 정의 단자의 연결단 각각과 상기 배터리 관리부를 연결하는 진단용 배선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 시스템.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 관리부는, 상기 절연저항의 진단 결과 상기 절연저항이 사전 설정된 정상 범위 내인 경우 상기 제1 릴레이 박스를 제어하여 상기 출력단과 상호 직렬 연결된 상기 제1 배터리 그룹 및 상기 제2 배터리 그룹 사이의 전기적 연결을 형성하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 시스템.
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