KR102541790B1 - 고전압 배터리 클러스터 및 과전류 보호 회로 및 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스 - Google Patents

고전압 배터리 클러스터 및 과전류 보호 회로 및 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스 Download PDF

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Abstract

고전압 배터리 클러스터 및 과전류 보호 회로 및 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스가 제공된다. 과전류 보호 회로는 제 1 퓨징 모듈 및 제 2 퓨징 모듈을 포함한다. 제 1 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선이 제 2 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선과 상이하기 때문에, 과전류 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 하나의 퓨징 모듈은 다른 퓨징 모듈에 앞서 고전압 배터리 클러스터에 개방 회로를 야기할 수 있으며, 그에 의해 과전류 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에 고전압 배터리 클러스터가 큰 전류에 의해 차단되는 것을 방지하며, 그리하여 고전압 배터리 클러스터의 전기적 안전을 보장한다. 또한, 기존 기술과 비교하여, 본 개시 내용에 따르면, 과전류 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에, 오직 하나의 퓨즈 모듈이 고전압 배터리 클러스터를 회로로부터 연결해제하도록 퓨징되며, 그 결과 기존 기술에서 두 개의 퓨즈들이 동시에 퓨징될 때 야기되는 전류 변화 레이트들의 중첩이 회피될 수 있으며, 이는 다시 전체 연결해제 프로세스 동안 회로에서의 전류 변화 레이트가 기존 기술에서 두 개의 퓨즈들이 동시에 퓨징되는 경우에 야기되는 전류 변화 레이트보다 낮게 되도록 야기하며, 그에 의해 회로에서 생성되는 전류 임펄스 및 전압 임펄스를 감소시키고, 그리하여 기존 기술에서의 문제점을 해결할 수 있다.

Description

고전압 배터리 클러스터 및 과전류 보호 회로 및 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스
본 개시 내용은 전력 전자 기술 분야에 관한 것이며, 보다 상세하게는 고전압 배터리 클러스터 및 과전류 보호 회로 및 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스에 관한 것이다.
본 출원은 출원번호가 201910609878.8이고 출원일이 2019년 7월 8일이고 발명의 명칭이 "HIGH VOLTAGE BATTERRY CLUSTER, AND OVERCURRENT PROTECTION CIRCUIT AND SWITCH BOX THEREOF"인 중국 특허 출원에 대한 우선권을 주장하며, 상기 중국 특허 출원은 여기에 전체로서 참조로 통합된다.
현재, 전기화학적 에너지 스토리지는 전력 시스템들에서 폭넓게 개발되고 있다. 전형적인 애플리케이션에서 전기화학적 에너지 스토리지의 용량은 단일 컨테이너에 대하여 MWh 레벨에 도달하며, 단일 배터리 팩의 포트 전압은 1000V에 도달하며, 단일 배터리 팩의 충전/방전 전류는 수백 암페어에 도달하고 있다. 그러므로, 고-전압 및 큰-전류 하의 동작 환경에서, 단락 고장(short-circuit fault) 또는 과부하 고장(overload fault)과 같은 과전류 고장이 회로에서 발생하는 경우에 심각한 회로 안전 문제가 야기될 수 있다.
회로에서 발생하는 과전류 고장에 기인하여 야기되는 심각한 회로 안전 문제를 피하기 위해, 기존의 기술에서, 과전류 고장이 회로에서 발생시에 고전압 배터리 클러스터가 회로로부터 분리되도록 보장하기 위해, 고전압 배터리 클러스터의 포지티브 분기 및 네거티브 분기 각각은 일반적으로 퓨즈와 함께 배치된다.
그러나, 위의 방법으로, 과전류 고장이 회로에서 발생할 때 두 개의 퓨즈들 모두는 퓨징되며, 그리하여 생성된 드론 아크(drawn arc)는 큰 전류 변화 레이트를 야기할 수 있다. 추가적으로, 큰 전류 변화 레이트는 회로의 기생 인덕턴스의 작용 하에서 야기되며, 이는 고전압 배터리 클러스터의 두 개의 단부들을 가로질러 큰 역방향 전압을 야기할 수 있다. 역방향 전압의 피크 값은 고전압 배터리 클러스터의 레이팅된 전압의 2배 내지 5배일 수 있으며, 이는 직접적으로 고전압 배터리 클러스터의 전기적 안전성에 심각하게 영향을 주게 된다.
이러한 점에 있어서, 두 개의 퓨즈들 모두가 퓨징되는 것에 기인하여 회로에서 야기되는, 기존 기술에서의 전류 임펄스 및 전압 임펄스를 감소시키기 위해, 본 개시 내용에 따른 고전압 배터리 클러스터 및 과전류 보호 회로 및 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스가 제공된다.
위의 목적을 달성하기 위해, 본 개시 내용의 실시예들에 따른 다음의 기술적 해결책들이 제공된다.
본 개시 내용의 제 1 양상에 따르면, 고전류 배터리 클러스터의 과전류 보호 회로(overcurrent protection circuit)가 제공된다. 과전류 보호 회로는 제 1 퓨징(fusing) 모듈 및 제 2 퓨징 모듈을 포함한다. 제 1 퓨징 모듈은 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스의 포지티브 분기(positive branch)에 배치된다. 제 2 퓨징 모듈은 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스의 네거티브 분기(negative branch)에 배치된다. 제 1 퓨징 모듈의 내전류(withstand current)-시간 곡선은 제 2 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선과 상이하다.
일 실시예에서, 상기 제 1 퓨징 모듈은 상기 포지티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 포지티브 분기의 출력 단자 사이에 배치되고, 상기 제 2 퓨징 모듈은 상기 네거티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 네거티브 분기의 입력 단자 사이에 배치된다. 대안적으로, 상기 제 1 퓨징 모듈은 상기 포지티브 분기에 있는 상기 직류 스위치 및 상기 포지티브 분기의 입력 단자 사이에 배치되고, 상기 제 2 퓨징 모듈은 상기 네거티브 분기에 있는 상기 직류 스위치 및 상기 네거티브 분기의 출력 단자 사이에 배치된다.
일 실시예에서, 상기 제 1 퓨징 모듈은 상기 포지티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 포지티브 분기의 출력 단자 사이에 배치되고, 상기 제 2 퓨징 모듈은 상기 네거티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 네거티브 분기의 출력 단자 사이에 배치된다. 대안적으로, 상기 제 1 퓨징 모듈은 상기 포지티브 분기에 있는 상기 직류 스위치 및 상기 포지티브 분기의 입력 단자 사이에 배치되고, 상기 제 2 퓨징 모듈은 상기 네거티브 분기에 있는 상기 직류 스위치 및 상기 네거티브 분기의 입력 단자 사이에 배치된다.
일 실시예에서, 상기 제 1 퓨징 모듈 및 상기 제 2 퓨징 모듈 중 하나는 고감도로(high-sensitively) 동작하는 퓨즈이다.
일 실시예에서, 상기 제 1 퓨징 모듈 및 상기 제 2 퓨징 모듈 중 다른 하나는 과부하 차단 용량(overload breaking capacity) 및 단락 차단 용량(short-circuit breaking capacity) 모두를 갖는 퓨즈이다.
일 실시예에서, 동일한 내전류(withstanding current) 하에서, 상기 제 1 퓨징 모듈의 퓨징 듀레이션(fusing duration) 및 상기 제 2 퓨징 모듈의 퓨징 듀레이션 각각은 상기 고전압 배터리 클러스터의 상기 스위치 박스에 있는 직류 스위치의 퓨징 듀레이션보다 작다.
일 실시예에서, 상기 제 1 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선은 상기 제 2 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선과의 교차점을 가진다.
일 실시예에서, 과전류 보호 회로는 RCD 스너버(snubber) 회로를 더 포함한다. 상기 RCD 스너버 회로의 입력 단자는 상기 스위치 박스의 포지티브 입력 단자로 연결되고, 상기 RCD 스너버 회로의 출력 단자는 상기 스위치 박스의 포지티브 출력 단자 또는 네거티브 입력 단자로 연결된다.
일 실시예에서, 상기 RCD 스너버 회로는 저항기, 커패시터 및 다이오드를 포함한다. 상기 저항기의 단자는 상기 다이오드의 포지티브 전극으로 연결되고, 상기 저항기의 단자 및 상기 다이오드의 포지티브 전극 간의 연결 포인트는 상기 RCD 스너버 회로의 입력 단자로서 제공되며, 상기 저항기의 다른 단자 및 상기 다이오드의 네거티브 전극은 상기 커패시터의 단자로 연결되며, 상기 커패시터의 다른 단자는 상기 RCD 스너버 회로의 출력 단자로서 제공된다.
본 개시 내용의 제 2 양상에 따르면, 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스가 추가적으로 제공된다. 스위치 박스는 포지티브 분기, 네거티브 분기 및 위에서 설명된 고전압 배터리 클러스터들의 과전류 보호 회로 중 임의의 하나를 포함한다. 상기 포지티브 분기 및 상기 네거티브 분기 각각은 직류 스위치와 함께 배치된다. 상기 포지티브 분기의 입력 단자는 상기 스위치 박스의 포지티브 입력 단자로서 제공되고, 상기 포지티브 분기의 출력 단자는 상기 스위치 박스의 포지티브 출력 단자로서 제공된다. 상기 네거티브 분기의 입력 단자는 상기 스위치 박스의 네거티브 입력 단자로서 제공되고, 상기 네거티브 분기의 출력 단자는 상기 스위치 박스의 네거티브 출력 단자로서 제공된다.
본 개시 내용의 제 3 양상에 따르면, 고전압 배터리 클러스터가 추가적으로 제공된다. 고전압 배터리 클러스터는 N개의 배터리 모듈들 및 위에서 설명된 스위치 박스를 포함한다. 상기 N개의 배터리 모듈들은 직렬 분기를 형성하기 위해 직렬로 순차적으로 연결되고, 상기 직렬 분기의 포지티브 전극은 상기 스위치 박스의 포지티브 입력 단자로 연결되고, 상기 직렬 분기의 네거티브 전극은 상기 스위치 박스의 네거티브 입력 단자로 연결된다. 상기 스위치 박스의 포지티브 출력 단자는 상기 고전압 배터리 클러스터의 포지티브 전극으로서 제공되고, 상기 스위치 박스의 네거티브 출력 단자는 상기 고전압 배터리 클러스터의 네거티브 전극으로서 제공된다.
본 개시 내용에 따르면 고전압 배터리 클러스터의 과전류 보호 회로는 제 1 퓨징 모듈 및 제 2 퓨징 모듈을 포함한다. 제 1 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선이 제 2 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선과 상이하기 때문에, 과전류 고장(overcurrent fault)이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 하나의 퓨징 모듈은 다른 퓨징 모듈에 앞서 고전압 배터리 클러스터에 개방 회로를 야기할 수 있으며, 그에 의해 과전류 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에 고전압 배터리 클러스터가 큰 전류에 의해 차단되는 것을 방지하며, 그리하여 고전압 배터리 클러스터의 전기적 안전을 보장한다. 또한, 기존 기술과 비교하여, 본 개시 내용에 따르면, 과전류 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에, 오직 하나의 퓨즈 모듈이 고전압 배터리 클러스터를 회로로부터 연결해제(disconnect)하도록 퓨징되며, 그 결과 두 개의 퓨즈들이 동시에 퓨징될 때 야기되는 기존 기술에서의 전류 변화 레이트(current change rate)들의 중첩(superposition)이 회피될 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 연결해제 프로세스 동안, 본 개시 내용에서 회로에서의 전류 변화 레이트는 기존 기술에서 두 개의 퓨즈들이 동시에 퓨징되는 경우에 야기되는 전류 변화 레이트보다 낮으며, 그에 의해 회로에서 생성되는 전류 임펄스 및 전압 임펄스를 감소시키고, 그리하여 기존 기술에서의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 클러스터의 도식적인 다이어그램이다.
도 2는 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에 2개의 퓨즈들 또는 2개의 퓨징 모듈들이 퓨징되기 전에 기존 기술 및 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 클러스터의 회로의 단순화된 도식적인 다이어그램이다.
도 3은 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에 2개의 퓨즈들이 모두 퓨징된 후에 기존 기술에 따른 고전압 배터리 클러스터의 회로의 단순화된 도식적인 다이어그램이다.
도 4는 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에 2개의 퓨즈들 중 하나가 퓨징된 후에 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 클러스터의 회로의 단순화된 도식적인 다이어그램이다.
도 5는 고전압 배터리 클러스터의 2개의 단부들에서 역방향 전압 및 단락 전류의 도식적인 다이어그램이다.
도 6은 고전압 배터리 클러스터가 적용되는 경우에 연결의 도식적인 다이어그램이다.
도 7 및 도 8은 제 1 퓨징 모듈(110), 제 2 퓨징 모듈(120) 및 직류 스위치의 내전류-시간 곡선들을 각각 도시하는 그래프들이다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른 3개의 고전압 배터리 클러스터들의 도식적인 다이어그램들이다.
도 10은 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른 RCD 스너버 회로를 갖는 고전압 배터리 클러스터의 회로의 단순화된 도식적인 다이어그램이다.
도 11은 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른 RCD 스너버 회로를 갖는 고전압 배터리 클러스터의 회로의 단순화된 도식적인 다이어그램이다.
본 개시 내용을 추가적으로 이해하기 위해, 본 개시 내용의 선호되는 기술적 해결책들이 실시예들과 관련하여 아래에서 설명된다. 그러나, 이러한 설명들은 본 개시 내용의 청구항들을 한정하는 것이 아니라 단지 특징들 및 본 개시 내용의 장점들을 추가적으로 설명하기 위해 사용되는 것임을 이해해야 할 것이다.
기존 기술에서의 방법으로, 단락 고장 또는 과부하 고장과 같은 과전류 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 2개의 퓨즈들이 거의 동시에 퓨징되기 때문에, 2개의 퓨즈들에 의해 생성되는 드론 아크는 회로에서 전류 변화 레이트들의 중첩을 초래할 수 있으며, 이는 회로에서의 큰 전류 변화 레이트를 야기할 수 있고 추가적으로 회로에서의 큰 전압 변화 레이트를 야기할 수 있다. 이러한 경우에, 큰 전류 임펄스 및 큰 전압 임펄스가 회로에서 고전압 배터리 클러스터의 포지티브 전극 및 네거티브 전극으로 야기될 수 있으며, 고전압 배터리 클러스터의 전기적 안전에 심각한 영향을 초래하게 된다.
퓨즈들이 퓨징될 때 큰 전류 임펄스 및 큰 전압 임펄스가 회로에서 생성되는 기존 기술에서의 문제점을 해결하기 위해, 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 클러스터의 과전류 보호 회로가 제공된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 과전류 보호 회로는 제 1 퓨징 모듈(110) 및 제 2 퓨징 모듈(120)을 포함한다.
제 1 퓨징 모듈(110)은 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스(150)의 포지티브 분기(130)에 배치되고, 제 2 퓨징 모듈(120)은 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스(150)의 네거티브 분기(140)에 배치된다.
제 1 퓨징 모듈(110)의 내전류-시간 곡선은 제 2 퓨징 모듈(120)의 내전류-시간 곡선과 상이하다. 즉, 제 1 퓨징 모듈(110)이 내전류를 견딜 수 있는 듀레이션은 제 2 퓨징 모듈(120)이 동일한 내전류를 견딜 수 있는 듀레이션과 상이하다. 그러므로, 과전류 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에, 제 1 퓨징 모듈(110) 및 제 2 퓨징 모듈(120) 중 하나는 제 1 퓨징 모듈(110) 및 제 2 퓨징 모듈(120) 중 다른 하나에 앞서서 고전압 배터리 클러스터에 개방 회로를 야기하도록 퓨징되며, 그에 의해 큰 전류에 의한 차단으로부터 고전압 배터리 클러스터를 보호한다.
기존 기술과 비교하여, 본 개시 내용에 따르면, 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에, 오직 하나의 퓨즈 모듈이 고전압 배터리 클러스터를 회로로부터 연결해제하도록 퓨징되며, 그 결과 두 개의 퓨즈들이 동시에 퓨징될 때 야기되는 기존 기술에서의 전류 변화 레이트들의 중첩이 회피될 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 연결해제 프로세스 동안 회로에서의 전류 변화 레이트가 기존 기술에서 두 개의 퓨즈들이 동시에 퓨징되는 경우에 야기되는 전류 변화 레이트보다 낮으며, 그에 의해 회로에서 생성되는 전류 임펄스 및 전압 임펄스를 감소시키고, 그리하여 기존 기술에서의 문제점을 해결할 수 있다.
기존 기술 및 본 개시 내용에서, 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 2개의 퓨즈들 또는 2개의 퓨징 모듈들이 퓨징되기 전에 고전압 배터리 클러스터의 회로 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 단순화될 수 있다. 도 2에서, F1 및 F2는 기존 기술에서의 2개의 퓨즈들을 나타내며 본 개시 내용에서의 2개의 퓨징 모듈들을 나타낸다.
기존 기술에서, 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 2개의 퓨즈들이 퓨징된 후에 고전압 배터리 클러스터의 회로 구조는 도 3에 도시된 바와 같이 단순화될 수 있으며, 이러한 경우에 형성되는 회로 인덕턴스는 Lconventional = L1 + L2 + L3로서 표현될 수 있다. 본 실시예에서, 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 2개의 퓨징 모듈들 중 하나가 퓨징된 후에 고전압 배터리 클러스터의 회로 구조는 도 4에 도시된 바와 같이 단순화될 수 있으며, 이러한 경우에 형성되는 회로 인덕턴스는 Lpresent = L1 + L2 + L3 + L4 + L5로서 표현될 수 있으며, 이는 기존 기술에서 형성되는 회로 인덕턴스 Lconventional보다 크며 회로에서 전류의 변화를 임피딩(impeding)하는데 있어 보다 양호한 성능을 가진다. 이러한 방식으로, 회로의 전류는 느리게 변화하고 퓨징 듀레이션은 연장되며, 그 결과 전류 변화 레이트 di/dt가 감소되며, 그에 의해 회로에서 생성되는 전류 임펄스 및 전압 임펄스를 감소시킨다.
위의 표현들에서, L1은 고전압 배터리 클러스터에서 배터리 모듈들 사이의 직렬 라인의 기생 인덕턴스를 나타내고, L2는 고전압 배터리 클러스터에서 스위치 박스(150)의 포지티브 입력 단자 B+ 및 배터리 모듈 분기의 포지티브 전극 사이의 연결 라인의 기생 인덕턴스를 나타내고, L3은 고전압 배터리 클러스터에서 스위치 박스(150)의 네거티브 입력 단자 B- 및 배터리 모듈 분기의 네거티브 전극 사이의 연결 라인의 기생 인덕턴스를 나타내고, L4 및 L5 각각은 고전압 배터리 클러스터가 배터리 수집 패널(BCP) 및 파워 변환 시스템(PCS)으로 각각 연결되는 포지티브 및 네거티브 리드(lead)들의 기생 인덕턴스들을 나타낸다.
과부하 고장이 고전력 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 프로세스는 위의 프로세스와 동일하며, 여기에서 상세하게 설명되지 않는다.
또한, 상기 실시예에서, 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 시점으로부터 2개의 퓨징 모듈들 중 하나가 퓨징되는 시점까지의 프로세스에서, 회로의 저항 r이 감소되기 때문에, 고전압 배터리 클러스터의 단자 전압은 감소되고, 단락 전류 Is는 급격하게 증가된다. 이러한 프로세스 동안 단락 전류 Is 및 역방향 전압 U의 변화하는 곡선들은 도 5의 프로세스 A로 도시된 바와 같다. 또한, 상기 실시예에서 고전압 배터리 클러스터의 과전류 보호 회로를 통해, 회로에서 생성되는 전류 임펄스 및 전압 임펄스는 감소될 수 있다. 그러나, 2개의 퓨징 모듈들 중 하나의 모듈이 퓨즈하는 시점으로부터 2개의 퓨징 모듈들 중 상기 모듈이 퓨즈된 시점까지의 프로세스 동안, 고전압 배터리 클러스터가 (도 6에 도시된 바와 같이) 긴 포지티브 및 네거티브 리드들에 의해 각각 배터리 수집 패널 BCP 및 파워 변환 시스템 PCS로 연결되고 고전압 배터리 클러스터의 배터리 모듈들이 직렬 라인들에 의해 직렬로 연결되기 때문에, 회로에서 생성되는 인덕턴스 L은 크며, 그 결과 큰 전류 변화 레이트 di/dt가 드론 아크가 형성되는 시간 기간 동안 퓨징 모듈에 의해 야기될 수 있으며, 상기 시간 기간은 일반적으로 수십 마이크로세컨드 내지 수백 마이크로센컨드이다. 이러한 경우에, 큰 역방향 전압이 생성될 수 있으며, 이는 U = L*di/dt로서 표현되고, 단락 전류 Is 및 역방향 전압 U의 변화하는 곡선들은 도 5의 프로세스 B로 도시된 바와 같다.
드론 아크가 형성되는 시간 기간은 주로 재료 특성들 및 선택된 퓨즈들의 퓨징 메커니즘에 의존한다.
구체적으로, 배터리 수집 패널(BCP)는 제 1 퓨즈(310), 제 2 퓨즈(320), 제 1 직류 스위치(S3) 및 제 2 직류 스위치(S4)를 포함한다. 제 1 퓨즈(310)는 분기를 형성하기 위해 제 1 직류 스위치(S3)와 직렬로 연결되고, 분기의 하나의 단자는 배터리 수집 패널(BCP)의 포지티브 입력 단자로서 제공되고, 분기의 다른 단자는 배터리 수집 패널(BCP)의 포지티브 출력 단자로서 제공된다. 제 2 퓨즈(320)는 분기를 형성하기 위해 제 2 직류 스위치(S4)와 직렬로 연결되고, 분기의 하나의 단자는 배터리 수집 패널(BCP)의 네거티브 입력 단자로서 제공되고, 분기의 다른 단자는 배터리 수집 패널(BCP)의 네거티브 출력 단자로서 제공된다.
구체적으로, 파워 변환 시스템(PCS)은 제 3 퓨즈(330), 제 4 퓨즈(340), 제 3 직류 스위치(S5), 제 4 직류 스위치(S6) 및 인버터(350)를 포함한다. 제 3 퓨즈(330)는 분기를 형성하기 위해 제 3 직류 스위치(S5)와 직렬로 연결되고, 분기의 하나의 단자는 파워 변환 시스템(PCS)의 포지티브 입력 단자로서 제공되고, 분기의 다른 단자는 인버터(350)의 포지티브 입력 단자로 연결된다. 제 4 퓨즈(340)는 분기를 형성하기 위해 제 4 직류 스위치(S6)와 직렬로 연결되고, 분기의 하나의 단자는 파워 변환 시스템(PCS)의 네거티브 입력 단자로서 제공되고, 분기의 다른 단자는 인버터(350)의 네거티브 입력 단자로 연결된다. 인버터(350)의 제 1 출력 단자는 파워 변환 시스템(PCS)의 제 1 출력 단자로서 제공되고 파워 그리드(power grid)의 제 1 입력 단자로 연결되고, 인버터(350)의 제 2 출력 단자는 파워 변환 시스템(PCS)의 제 2 출력 단자로서 제공되고 파워 그리드의 제 2 입력 단자로 연결되고, 인버터(350)의 제 3 출력 단자는 파워 변환 시스템(PCS)의 제 3 출력 단자로서 제공되고 파워 그리드의 제 3 입력 단자로 연결된다.
일 실시예에서, 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 최대 단락 전류 Imax는 배터리의 안전 및 수명에 큰 영향을 주게 되며, 심각한 경우에는 열폭주와 같은 전기적 위험이 배터리로 야기될 수 있다. 그러므로, 최대 단락 전류 Imax가 작은 범위에 있도록 제어하기 위해 고-감도로 동작하는 퓨즈가 제 1 퓨징 모듈(110) 및 제 2 퓨징 모듈(120) 중 하나로서 사용된다. 또한, 전류 변화 레이트 di/dt가 작은 범위에 있도록 제어하고 역방향 전압 U의 피크 값 Umax를 감소시키기 위해, 드론 아크가 형성되는 적절한 시간 기간을 가지는, 고감도로 동작하는 퓨즈가 사용되도록 요구된다.
단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 고감도로 동작하는 퓨즈는 다른 퓨징 모듈에 앞서서 고전압 배터리 클러스터에 개방 회로를 야기하도록 퓨징됨을 유의하도록 한다.
일 실시예에서, 과부하 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에 고전압 배터리 클러스터의 동작 민감도 및 전류 플로우 용량에 대한 요건들을 충족하면서 고전압 배터리 클러스터의 전기적 안전을 보장하기 위하여, 과부하 차단 용량 및 단락 차단 용량 모두를 갖는 퓨즈가 제 1 퓨징 모듈(110) 및 제 2 퓨징 모듈(120) 중 다른 하나로서 사용된다.
과부하 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생시에, 과부하 차단 용량 및 단락 차단 용량을 갖는 퓨즈는 다른 퓨즈에 앞서서 고전압 배터리 클러스터에 개방 회로를 야기하도록 퓨징됨을 유의하도록 한다.
일 실시예에서, 고감도로 동작하는 퓨즈는 AR 고속 퓨징 퓨즈일 수 있고, 과부하 차단 용량 및 단락 차단 용량을 갖는 퓨즈는 gPV 저속 퓨징 퓨즈일 수 있다.
또한, 실제 적용에서, 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 퓨징 모듈(110)의 내전류-시간 곡선은 제 2 퓨징 모듈(120)의 내전류-시간 곡선과의 교차 포인트를 갖는다.
제 1 퓨징 모듈(110)이 고감도로 동작하는 퓨즈이고 제 2 퓨징 모듈(120)이 과부하 차단 용량 및 단락 차단 용량을 갖는 퓨즈인 경우에, 제 1 퓨징 모듈(110)의 내전류-시간 곡선 및 제 2 퓨징 모듈(120)의 내전류-시간 곡선은 도 7에 도시된 바와 같다. 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 제 1 퓨징 모듈(110)은 제 2 퓨징 모듈(120)에 앞서서 고전압 배터리 클러스터에 개방 회로를 야기하도록 퓨징되고, 과부하 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 제 2 퓨징 모듈(120)은 제 1 퓨징 모듈(110)에 앞서서 고전압 배터리 클러스터에 개방 회로를 야기하도록 퓨징된다.
제 1 퓨징 모듈(110)이 과부하 차단 용량 및 단락 차단 용량을 갖는 퓨즈이고 제 2 퓨징 모듈(120)이 고감도로 동작하는 퓨즈인 경우에, 제 1 퓨징 모듈(110)의 내전류-시간 곡선 및 제 2 퓨징 모듈(120)의 내전류-시간 곡선은 도 8에 도시된 바와 같다. 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 제 2 퓨징 모듈(120)은 제 1 퓨징 모듈(110)에 앞서서 고전압 배터리 클러스터에 개방 회로를 야기하도록 퓨징되고, 과부하 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 제 1 퓨징 모듈(110)은 제 2 퓨징 모듈(120)에 앞서서 고전압 배터리 클러스터에 개방 회로를 야기하도록 퓨징된다.
또한, 제 1 퓨징 모듈(110) 및 제 2 퓨징 모듈(120)의 퓨징 곡선들은 직류 스위치의 내전류-시간 곡선 아래에 있어야 한다. 즉, 동일한 내전류 하에서, 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 퓨징 모듈(110)의 퓨징 듀레이션 및 제 2 퓨징 모듈(120)의 퓨징 듀레이션 모두는 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스(150)에 있는 직류 스위치의 퓨징 듀레이션보다 작다. 직류 스위치가 차단되기 전에, 제 1 퓨징 모듈(110) 또는 제 2 퓨징 모듈(120)은 직류 스위치에 앞서서 고전압 배터리 클러스터를 회로로부터 연결해제하도록 퓨징되며, 그에 의해 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스(150)에서 직류 스위치의 동작 안전성을 보장한다.
본 개시 내용의 다른 실시예에서, 제 1 퓨징 모듈(110) 및 제 2 퓨징 모듈(120)의 다음의 4가지 배치들이 제공된다.
제 1 배치는 도 1에 도시된 바와 같으며, 여기서 제 1 퓨징 모듈(110)은 포지티브 분기(130)에 있는 직류 스위치(S1) 및 포지티브 분기(130)의 출력 단자 사이에 배치되고, 제 2 퓨징 모듈(120)은 네거티브 분기(140)에 있는 직류 스위치(S2) 및 네거티브 분기(140)의 출력 단자 사이에 배치된다.
제 2 배치는 도 9a에 도시된 바와 같으며, 여기서 제 1 퓨징 모듈(110)은 포지티브 분기(130)에 있는 직류 스위치(S1) 및 포지티브 분기의 입력 단자 사이에 배치되고, 제 2 퓨징 모듈(120)은 네거티브 분기(140)에 있는 직류 스위치(S2) 및 네거티브 분기(140)의 입력 단자 사이에 배치된다.
제 3 배치는 도 9b에 도시된 바와 같으며, 여기서 제 1 퓨징 모듈(110)은 포지티브 분기(130)에 있는 직류 스위치(S1) 및 포지티브 분기(130)의 출력 단자 사이에 배치되고, 제 2 퓨징 모듈(120)은 네거티브 분기(140)에 있는 직류 스위치(S2) 및 네거티브 분기(140)의 입력 단자 사이에 배치된다.
제 4 배치는 도 9c에 도시된 바와 같으며, 여기서 제 1 퓨징 모듈(110)은 포지티브 분기(130)에 있는 직류 스위치(S1) 및 포지티브 분기(130)의 입력 단자 사이에 배치되고, 제 2 퓨징 모듈(120)은 네거티브 분기(140)에 있는 직류 스위치(S2) 및 네거티브 분기(140)의 출력 단자 사이에 배치된다.
4개의 배치들 중 하나에 필요에 따라 선택될 수 있으며, 이에 한정되지 않음을 유의하도록 한다.
단락 고장이 고전압 배터리 클러스터 외부에서 발생하는 경우에, 즉, 단락 고장이 단락 포인트 B1에서 발생하는 경우에, 상기 실시예에서의 제 1 퓨즈(110) 및 제 2 퓨즈(120)의 4개의 배치들 중 임의의 하나는 고전압 배터리 클러스터의 전기적 안전을 보장하도록 사용될 수 있으며, 그 결과 고전압 배터리 클러스터가 퓨즈들이 퓨징되는 시간 기간 동안 야기되는 큰 전류 임펄스 및 큰 전압 임펄스뿐만 아니라 큰 단락 전류 Is에 기인하여 차단되는 것으로부터 회피될 수 있음을 유의하도록 한다. 또한, 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에, 즉, 단락 고장이 단락 포인트 B2에서 발생하는 경우에, 제 2 배치, 제 3 배치 및 제 4 배치 중 임의의 하나는 고전압 배터리 클러스터의 전기적 안전을 보장하도록 사용될 수 있으며, 그 결과 고전압 배터리 클러스터가 퓨즈들이 퓨징되는 시간 기간 동안 야기되는 큰 전류 임펄스 및 큰 전압 임펄스뿐만 아니라 큰 단락 전류 Is에 기인하여 차단되는 것으로부터 회피될 수 있다. 또한, 단락 고장이 고전압 배터리 클러스터에서 발생하는 경우에 상기 실시예에서의 제 1 퓨즈(110) 및 제 2 퓨즈(120)의 4개의 배치들 중 임의의 하나는 고전압 배터리 클러스터의 전기적 안전을 보장하도록 사용될 수 있으며, 그 결과 고전압 배터리 클러스터가 퓨즈들이 퓨징되는 시간 기간 동안 야기되는 큰 전류 임펄스 및 큰 전압 임펄스뿐만 아니라 큰 단락 전류 Is에 기인하여 차단되는 것으로부터 회피될 수 있다.
다른 구조들 및 동작 원리들은 위의 실시예들에서의 구조들 및 원리들과 동일하며, 여기에서 상세하게 설명되지 않는다.
본 개시 내용의 다른 실시예에서, 고전압 배터리 클러스터의 과전류 보호 회로가 제공된다. 위의 실시예들 중 임의의 하나에 기초하여, 과전류 보호 회로는 도 10 또는 도 11에 도시된 바와 같이 RCD 스너버 회로(210)를 더 포함한다(스위치 박스(150)는 도 10 및 도 11에 미도시됨).
RCD 스너버 회로(210)의 입력 단자는 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스(150)의 포지티브 입력 단자 B+로 연결되고, RCD 스너버 회로(210)의 출력 단자는 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스(150)의 (도 10에 도시된 바와 같은) 네거티브 입력 단자 B- 또는 (도 11에 도시된 바와 같은) 포지티브 출력 단자 P+로 연결된다.
회로에서 생성되는 전류 임펄스 및 전압 임펄스를 감소시키기 위하여, 역방향 전압 U의 피크 값 Umax을 감소시키도록, RCD 스너버 회로(210)는 퓨즈의 퓨징 프로세스 동안 생성되는 역방향 전압 U를 추가적으로 감소시킬 수 있음을 유의하도록 한다.
구체적으로, RCD 스너버 회로(210)는 저항기(R), 커패시터(C) 및 다이오드(D)를 포함한다. 커패시터(C)의 단자는 RCD 스너버 회로(210)의 출력 단자로서 제공되고, 커패시터(C)의 다른 단자는 저항기(R)의 단자 및 다이오드(D)의 네거티브 전극으로 연결되고, 저항기(R)의 다른 단자는 다이오드(D)의 포지티브 전극으로 연결되며, 저항기(R)의 다른 단자 및 다이오드(D)의 포지티브 전극의 연결 포인트는 RCD 스너버 회로(210)의 입력 단자로서 제공된다.
다른 구조들 및 동작 원리들은 위의 실시예들에서의 구조들 및 원리들과 동일하며, 여기에서 상세하게 설명되지 않는다.
본 개시 내용의 다른 실시예에서, 도 1, 도 9a, 도 9b 또는 도 9c에 도시된 바와 같이, 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스가 추가적으로 제공된다. 스위치 박스는 위의 실시예들 중 임의의 하나의 실시예에서 설명되는 고전압 배터리 클러스터의 과전류 보호 회로, 포지티브 분기(130) 및 네거티브 분기(140)를 포함한다.
포지티브 분기(130)는 직류 스위치(S1)와 함께 배치되고, 네거티브 분기(140)는 직류 스위치(S2)와 함께 배치된다
포지티브 분기(130)의 입력 단자는 스위치 박스(150)의 포지티브 입력 단자 B+로서 제공되고, 포지티브 분기(130)의 출력 단자는 스위치 박스(150)의 포지티브 출력 단자 P+로서 제공된다.
네거티브 분기(140)의 입력 단자는 스위치 박스(150)의 네거티브 입력 단자 B-로서 제공되고, 네거티브 분기(140)의 출력 단자는 스위치 박스(150)의 네거티브 출력 단자 P-로서 제공된다.
고전압 배터리 클러스터의 설치를 용이하게 하도록, 고전압 배터리 클러스터의 과전류 보호 회로의 RCD 스너버 회로(210)는 스위치 박스(150) 내에 배치될 수 있음을 유의하도록 한다. 또한, RCD 스너버 회로(210)의 분해를 용이하게 하도록, RCD 스너버 회로(210)는 또한 스위치 박스(150) 외부에 배치될 수 있으며, 필요에 따라 RCD 스너버 회로(210)의 배치 여부가 결정될 수 있다. RCD 스너버 회로(210)의 2가지 배치들 중 하나는 실제 필요에 따라 선택될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
다른 구조들 및 동작 원리들은 위의 실시예들에서의 구조들 및 원리들과 동일하며, 여기에서 상세하게 설명되지 않는다.
본 개시 내용의 다른 실시예에서, 도 1, 도 9a, 도 9b 또는 도 9c에 도시된 바와 같이, 고전압 배터리 클러스터가 추가적으로 제공된다. 고전압 배터리 클러스터는 N개의 배터리 모듈들(배터리 모듈들의 제 1 스트링, 배터리 모듈들의 제 2 스트링,... 및 배터리 모듈들의 (m)번째 스트링) 및 위의 실시예에서 설명된 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스(150)를 포함한다.
N개의 배터리 모듈들은 배터리 모듈 분기를 형성하도록 순차적으로 직렬로 연결된다. 배터리 모듈 분기의 포지티브 전극은 스위치 박스(150)의 포지티브 입력 단자 B+로 연결되고, 배터리 모듈 분기의 네거티브 전극은 스위치 박스(150)의 네거티브 입력 단자 B-로 연결된다.
스위치 박스(150)의 포지티브 출력 단자 P+는 고전압 배터리 클러스터의 포지티브 전극으로서 제공되고 회로의 포지티브 전극으로 연결된다. 스위치 박스(150)의 네거티브 출력 단자 P-는 고전압 배터리 클러스터의 네거티브 전극으로서 제공되고 회로의 네거티브 전극으로 연결된다.
다른 구조들 및 동작 원리들은 위의 실시예들에서의 구조들 및 원리들과 동일하며, 여기에서 상세하게 설명되지 않는다.
본 명세서에서 실시예들은, 이들 실시예들 각각이 다른 실시예들과의 차이점들을 강조하고, 실시예들 사이에서 동일하거나 또는 유사한 부분들은 서로에 대하여 참조될 수 있는, 점전적인 방식으로 설명되었다.
위에서 제시된 실시예들의 설명을 통해, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 개시 내용의 기술적 해결책들을 구현 및 사용할 수 있다. 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하며, 여기에서 정의되는 일반적인 원리들은 본 개시 내용의 정신 또는 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에서 구현될 수 있다. 그러므로, 본 개시 내용은 여기에서 설명되는 실시예들로 한정되지 않으며, 여기에서 제시되는 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광위의 범위를 따른다.

Claims (11)

  1. 고전압 배터리 클러스터의 과전류 보호 회로(overcurrent protection circuit)로서,
    상기 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스의 포지티브 분기(positive branch)에 배치되는 제 1 퓨징(fusing) 모듈; 및
    상기 고전압 배터리 클러스터의 상기 스위치 박스의 네거티브 분기(negative branch)에 배치되는 제 2 퓨징 모듈을 포함하며,
    상기 제 1 퓨징 모듈의 내전류(withstand current)-시간 곡선은 상기 제 2 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선과 상이하고,
    상기 제 1 퓨징 모듈은 상기 포지티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 포지티브 분기의 입력 단자 또는 출력 단자 사이에 배치되고, 상기 제 2 퓨징 모듈은 상기 네거티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 네거티브 분기의 입력 단자 또는 출력 단자 사이에 배치되고,
    과부하 고장 또는 단락 고장이 상기 고전압 배터리 클러스터에 발생할 경우, 상기 제 1 퓨징 모듈 및 상기 제 2 퓨징 모듈 중 하나가 상기 고전압 배터리 클러스터를 상기 과전류 보호회로로부터 연결해제하고, 두 개의 퓨즈들이 동시에 퓨징될 때 야기되는 전류 변화 레이트들의 중첩을 회피하고, 상기 과전류 보호 회로에서 생성되는 전류 임펄스 및 전압 임펄스를 감소시키도록 퓨징되는,
    과전류 보호 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 퓨징 모듈은 상기 포지티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 포지티브 분기의 출력 단자 사이에 배치되고, 상기 제 2 퓨징 모듈은 상기 네거티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 네거티브 분기의 입력 단자 사이에 배치되거나, 또는
    상기 제 1 퓨징 모듈은 상기 포지티브 분기에 있는 상기 직류 스위치 및 상기 포지티브 분기의 입력 단자 사이에 배치되고, 상기 제 2 퓨징 모듈은 상기 네거티브 분기에 있는 상기 직류 스위치 및 상기 네거티브 분기의 출력 단자 사이에 배치되는,
    과전류 보호 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 퓨징 모듈은 상기 포지티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 포지티브 분기의 출력 단자 사이에 배치되고, 상기 제 2 퓨징 모듈은 상기 네거티브 분기에 있는 직류 스위치 및 상기 네거티브 분기의 출력 단자 사이에 배치되거나, 또는
    상기 제 1 퓨징 모듈은 상기 포지티브 분기에 있는 상기 직류 스위치 및 상기 포지티브 분기의 입력 단자 사이에 배치되고, 상기 제 2 퓨징 모듈은 상기 네거티브 분기에 있는 상기 직류 스위치 및 상기 네거티브 분기의 입력 단자 사이에 배치되는,
    과전류 보호 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 퓨징 모듈 및 상기 제 2 퓨징 모듈 중 하나는 고감도로 동작하는 퓨즈인,
    과전류 보호 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 퓨징 모듈 및 상기 제 2 퓨징 모듈 중 다른 하나는 과부하 차단 용량(overload breaking capacity) 및 단락 차단 용량(short-circuit breaking capacity) 모두를 갖는 퓨즈인,
    과전류 보호 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    동일한 내전류(withstanding current) 하에서, 상기 제 1 퓨징 모듈의 퓨징 듀레이션(fusing duration) 및 상기 제 2 퓨징 모듈의 퓨징 듀레이션 각각은 상기 고전압 배터리 클러스터의 상기 스위치 박스에 있는 직류 스위치의 퓨징 듀레이션보다 작은,
    과전류 보호 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선은 상기 제 2 퓨징 모듈의 내전류-시간 곡선과의 교차 포인트를 가지는,
    과전류 보호 회로.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    RCD 스너버 회로를 더 포함하며,
    상기 RCD 스너버 회로의 입력 단자는 상기 스위치 박스의 포지티브 입력 단자로 연결되고, 상기 RCD 스너버 회로의 출력 단자는 상기 스위치 박스의 포지티브 출력 단자 또는 네거티브 입력 단자로 연결되는,
    과전류 보호 회로.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 RCD 스너버 회로는 저항기, 커패시터 및 다이오드를 포함하고,
    상기 저항기의 단자는 상기 다이오드의 포지티브 전극으로 연결되고, 상기 저항기의 단자 및 상기 다이오드의 포지티브 전극 간의 연결 포인트는 상기 RCD 스너버 회로의 입력 단자로서 제공되며,
    상기 저항기의 다른 단자 및 상기 다이오드의 네거티브 전극은 상기 커패시터의 단자로 연결되며,
    상기 커패시터의 다른 단자는 상기 RCD 스너버 회로의 출력 단자로서 제공되는,
    과전류 보호 회로.
  10. 고전압 배터리 클러스터의 스위치 박스로서,
    포지티브 분기, 네거티브 분기 및 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 고전압 배터리 클러스터의 과전류 보호 회로를 포함하며,
    상기 포지티브 분기 및 상기 네거티브 분기 각각은 직류 스위치와 함께 배치되고,
    상기 포지티브 분기의 입력 단자는 상기 스위치 박스의 포지티브 입력 단자로서 제공되고, 상기 포지티브 분기의 출력 단자는 상기 스위치 박스의 포지티브 출력 단자로서 제공되고,
    상기 네거티브 분기의 입력 단자는 상기 스위치 박스의 네거티브 입력 단자로서 제공되고, 상기 네거티브 분기의 출력 단자는 상기 스위치 박스의 네거티브 출력 단자로서 제공되는,
    스위치 박스.
  11. 고전압 배터리 클러스터로서,
    N개의 배터리 모듈들 및 제 10 항의 스위치 박스를 포함하고,
    상기 N개의 배터리 모듈들은 직렬 분기를 형성하기 위해 직렬로 순차적으로 연결되고, 상기 직렬 분기의 포지티브 전극은 상기 스위치 박스의 포지티브 입력 단자로 연결되고, 상기 직렬 분기의 네거티브 전극은 상기 스위치 박스의 네거티브 입력 단자로 연결되고,
    상기 스위치 박스의 포지티브 출력 단자는 상기 고전압 배터리 클러스터의 포지티브 전극으로서 제공되고,
    상기 스위치 박스의 네거티브 출력 단자는 상기 고전압 배터리 클러스터의 네거티브 전극으로서 제공되는,
    고전압 배터리 클러스터.
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