KR102601989B1 - 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템 - Google Patents

고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경차량용 고전압배터리의 예열시 과전류와 과전압을 방지할 수 있는 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템에 관한 것으로, 배터리관리시스템; 고전압배터리; 배터리관리시스템으로부터 전원을 인가받아 구동전원을 발생시키며, 배터리관리시스템 저전압측과 고전압배터리 고전압측 사이를 절연시키는 절연스위치부; 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이를 차단시키며, 절연스위치부에서 발생한 구동전원이 인가되면 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이를 도통시키는 반도체스위치부; 반도체스위치부와 고전압배터리 사이에 연결되어 과전압과 역전류를 방지하는 배터리보호부; 및 고전압배터리에 연결되어 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이가 도통되면 전류를 인가받아 열을 발생시켜 고전압배터리를 승온시키는 부하부;를 포함하는 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템에 관한 것이다.

Description

고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템{ELECTRONIC RELAY SYSTEM FOR HIGH VOLTAGE BATTERY HEATING}
본 발명은 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템에 관한 것으로, 특히, 친환경차량용 고전압배터리의 예열시 과전류와 과전압을 방지할 수 있는 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템에 관한 것이다.
전기자동차, 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차는 모터를 차량 주행을 위한 구동원으로 사용하여 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 친환경 자동차로서, 친환경 자동차에서는 모터 작동을 위한 동력원인 고전압배터리가 인버터를 통해 모터와 충방전 가능하게 연결된다.
친환경 자동차의 고전압배터리는 고출력, 고용량의 전기에너지를 저장하고 출력하기 위하여 다수의 배터리 셀을 하나로 묶어 모듈화하고 복수의 배터리 모듈들을 직렬로 연결한 배터리 팩 구조로 이루어져 있다.
한편, 동절기에는 배터리 모듈의 온도가 낮아진 경우 충방전이 가능한 전력이 작아져 배터리 시스템의 효율이 낮아지므로 배터리 온도를 가능한 한 적정 온도 이상으로 빠르게 승온시키는 것이 필요하다.
또한, 고전압 배터리는 저온에서 용량 특성 및 출력 성능이 떨어지는 경향이 있고, 특히 전기자동차의 경우 고전압 배터리만을 주 동력원으로 사용하기 때문에 하이브리드 자동차보다 배터리 온도에 대해 더욱 민감하다.
따라서, 친환경 자동차에서는 사용자의 출발시간에 맞추어 용량 및 출력 상승을 위해 배터리 온도를 짧은 시간 내에 승온시키는 배터리 승온 시스템이 구비되어 있다.
이와 같은 승온 시스템은 부하에 전류를 인가하여 열을 발생시키고, 이를 통해 배터리를 승온시키는 구조이며, 부하에 전류를 인가하기 위해서는 배터리의 (+)단과 (-)단 사이를 차단 및 도통시키기 위한 승온 릴레이가 필요하다.
승온 릴레이는 일반적으로 기계식 릴레이가 사용되고 있으나, 기계식 릴레이는 무겁고, 부피가 큰 단점을 갖는다. 더욱이 최근 800V급 고전압배터리를 사용하는 친환경자동차에 대한 관심이 증대되면서 이에 맞는 승온 릴레이에 대한 관심도 함께 높아지고 있다.
한편, 800V급 고전압배터리의 승온 릴레이를 기계식 릴레이로 적용할 경우 중량 및 부피 등이 크게 증가함은 물론, 역전류 및 역전압으로 인한 고전압배터리의 폭발 위험성이 내재되어 있어 이에 대한 해결책이 시급한 실정이다. 즉, 800V급 이상의 고전압배터리는 승온 릴레이를 턴온(turn on)시 높은 과전압과 역전류(20A)의 문제가 발생할 수 있으며, 이는 고전압배터리의 온도를 급격히 상승시키면서 배터리 폭발 문제로 이어지므로 800V급 이상의 고전압배터리에서는 이와 같은 문제를 반드시 해결해야만 한다.
국내등록특허 제10-1558674호 국내등록특허 제10-1551088호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기와 같은 문제점들을 해결하고 고전압배터리에 적용할 수 있는 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 고전압배터리의 역전류 및 역전압을 방지하여 안정성을 확보한 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명인 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템은, 배터리관리시스템; 고전압배터리; 상기 배터리관리시스템으로부터 전원을 인가받아 구동전원을 발생시키며, 상기 배터리관리시스템 저전압측과 상기 고전압배터리 고전압측 사이를 절연시키는 절연스위치부; 상기 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이를 차단시키며, 상기 절연스위치부에서 발생한 구동전원이 인가되면 상기 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이를 도통시키는 반도체스위치부; 상기 반도체스위치부와 상기 고전압배터리 사이에 연결되어 과전압과 역전류를 방지하는 배터리보호부; 및 상기 고전압배터리에 연결되어 상기 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이가 도통되면 전류를 인가받아 열을 발생시켜 상기 고전압배터리를 승온시키는 부하부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연스위치부는 포토커플러로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체스위치부는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리보호부는, 상기 고전압배터리의 (-)단에서 (+)단으로의 역전류를 방지하는 역전류방지부; 및 상기 고전압배터리의 (-)단에서 (+)단으로의 역전압을 방지하는 역전압방지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 상술한 본 발명에 의한 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
먼저, 포토커플러를 적용하여 저전압 측과 고전압 측을 절연시킴으로써 안전성을 높일 수 있다.
또한, IGBT를 적용하여 기계식 릴레이 대비 반영구적인 수명, 빠른 응답성, 신뢰성 및 내구성이 우수한 특징을 갖는다.
또한, 역전류와 과전압을 방지할 수 있으므로 800V급의 고전압배터리의 릴레이에 안전하게 사용할 수 있다.
또한, 기계식 릴레이를 전자식 릴레이로 대체함으로써 무게, 크기 및 부피를 줄일 수 있으며, 기계식 릴레이와 비교하여 제작 비용을 상대적으로 절감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템의 일실시례에 의한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템의 일실시례에 의한 절연스위치부, 반도체스위치부 및 배터리보호부의 회로 구성 상태를 모델링한 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시례들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템의 일실시례에 의한 구성도이며, 이를 참조하여 본 발명인 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템은 배터리관리시스템(100), 고전압배터리(200), 절연스위치부(300), 반도체스위치부(400), 배터리보호부(500) 및 부하부(600)를 포함하여 구성된다.
배터리관리시스템(100, BMS : Battery Management System)은 기본적으로 고전압배터리(200)의 전압, 전류, 온도, 충전상태(State of Charge,SOC) 등 배터리 상태 정보를 수집하면서, 수집되는 배터리 상태 정보를 직접 충방전 제어 등에 이용하거나, 차량 제어 등에 이용될 수 있도록 차량 내/외부의 타 제어기에 제공하며, 고전압배터리(200)의 예열시 후술할 절연스위치부(300)로 12V의 전원을 인가한다.
한편, 본 발명이 적용되는 고전압배터리(200)는 400V급 이상으로, 바람직하게는 800V급 이상의 고전압배터리(200)에 적용한다.
절연스위치부(300)는 배터리관리시스템(100)으로부터 12V의 전원을 인가받아 구동전원을 발생시키며, 후술할 반도체스위치부(400)에 대한 게이트 드라이버(gate driver) 역할을 수행한다.
반도체스위치부(400)는 평상시 고전압배터리(200)의 (+)단과 (-)단 사이를 차단(turn off)시키며, 절연스위치부(300)에서 발생한 상기 구동전원이 인가되면 고전압배터리(200)의 (+)단과 (-)단 사이를 도통(turn on)시킨다. 이때, 800V급 이상의 고전압배터리(200)에는 반도체스위치부(400)의 턴온(turn on)시 순간적으로 높은 과전압과 20A 이상의 높은 역전류가 발생할 수 있다.
배터리보호부(500)는 반도체스위치부(400)와 고전압배터리(200) 사이에 연결되어 상기와 같은 과전압과 역전류를 방지하여 고전압배터리(200)의 안전성을 확보할 수 있다.
부하부(600)는 고전압배터리(200)에 연결되어 고전압배터리(200)의 (+)단과 (-)단 사이가 도통되면 전류를 인가받아 열을 발생시키고, 이를 통해 고전압배터리(200)를 승온시켜 예열한다. 부하부(600)는 고 와트(W)의 저항을 사용하여 구성하며, 차량의 환경과 고전압배터리(200)의 종류에 따라 공지된 기술 내에서 다양한 적용이 가능할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템의 일실시례에 의한 회로 구성 상태를 모델링한 도면이며, 이를 참조하여 절연스위치부(300), 반도체스위치부(400) 및 배터리보호부(500)의 회로 구성 상태를 설명하면 다음과 같다.
절연스위치부(300)로는 포토커플러를 적용할 수 있다. 포토커플러는 발광 다이오드 등의 전기-광변환 소자를 발광부로 하고, 포토트랜지스터 등의 광-전기 변환 소자를 수광(受光)부로 한 회로를 구성하여 전기신호를 발광부에서 빛으로 변환하고, 수광부에서는 다시 전기신호로 환원시키는 소자이다. 포토커플러의 입출력 간은 전기적으로 절연되어 있으므로 배터리관리시스템(100)의 저전압 측과 고전압배터리(200)의 고전압 측을 절연시킨다. 즉, 포토커플러는 저전압과 고전압 측을 절연시키고, 반도체스위치부(400)의 구동 드라이버로 사용된다.
반도체스위치부(400)로는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용할 수 있다. IGBT는 고전압 및 전류에 대한 연속 통전이 가능하며, 고속 스위칭 특성을 갖고 있다. IGBT는 포토커플러에서 출력된 구동전원이 게이트(G)전압으로 공급되어 동작한다. IGBT의 콜렉터(C) 단은 고전압배터리의 (+)단자에 연결되고, 에미터(E) 단은 고전압배터리(200)의 (-)단자로 연결된다.
배터리보호부(500)는 역전류방지부(510) 및 역전압방지부(520)로 구성된다.
역전류방지부(510)는 정류다이오드를 사용할 수 있으며, 반도체스위치부(400)의 턴온(turn on)시 HV, 즉 고전압배터리(200)의 (-)단에서 (+)단으로의 역전류를 방지한다. 정류다이오드는 고전압배터리와 IGBT 사이에 직렬로 연결되어 IGBT를 통해 흐르는 고전압배터리의 (+)단의 전류를 고전압배터리의 (-)단으로 흐르도록 연결된다.
역전압방지부(520)는 제너다이오드를 사용할 수 있으며, 제너다이오드는 IGBT와 정류다이오드에 병렬로 연결되어 반도체스위치부(400)의 턴온(turn on)시 고전압배터리(200)의 (-)단에서 (+)단으로의 역전압을 방지한다.
한편, 배터리관리시스템(100), 고전압배터리(200) 및 부하부(600)는 전술한 기능과 배터리 규격을 만족시킬 수 있다면 공지의 다양한 기술을 적용할 수 있음은 당연하다 할 것이다.
이상에서 설명한 본 발명인 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템의 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명인 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템을 사용하기 전에는 IGBT가 턴오프(turn off) 상태로, 고전압배터리(200)의 (+)단과 (-)단은 전류의 흐름이 차단된 상태이다. 이후 고전압배터리(200)를 예열시 배터리관리시스템(100)으로부터 12V의 전원이 포토커플러로 인가된다. 인가된 12V의 입력전원은 기절정된 값의 구동전원으로 출력되어 IGBT의 게이트전압으로 공급된다. 상기 게이트전압의 공급으로 IGBT가 턴온(turn on)되며, IGBT의 턴온(turn on)으로 고전압배터리(200)의 전원이 (+)단에서 (-)단으로 흘러간다. 이때, 800V급 고전압배터리(200)의 경우 20A 이상의 높은 전류와 과전압이 발생할 수 있으나 정전류다이오드 및 제너다이오드에 의해 역전류 및 과전압이 방지된다. 한편, 고도의 과전압 발생시에는 제너다이오드가 소손되면서 본 발명인 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템의 회로가 쇼트(short)되어 고전압배터리(200)와 IGBT 등을 보호할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시례를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 배터리관리시스템 200 : 고전압배터리
300 : 절연스위치부 400 : 반도체스위치부
500 : 배터리보호부 510 : 역전류방지부
520 : 역전압방지부 600 : 부하부

Claims (4)

  1. 고전압배터리;
    상기 고전압배터리의 전압, 전류, 온도, 충전상태(SoC)를 포함하는 배터리 상태정보를 수집하고 상기 고전압배터리의 예열시 전원을 출력하는 배터리관리시스템;
    상기 배터리관리시스템으로부터 출력되는 전원을 인가받아 구동전원을 발생시키며, 상기 배터리관리시스템의 저전압측과 상기 고전압배터리의 고전압측 사이를 절연시키는 절연스위치부;
    평상시 상기 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이를 차단시키며, 상기 절연스위치부에서 발생한 구동전원이 인가되면 상기 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이를 도통시키는 반도체스위치부;
    상기 반도체스위치부와 상기 고전압배터리의 사이에 연결되어 과전압과 역전류를 방지하는 배터리보호부; 및
    상기 고전압배터리에 연결되어 상기 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이가 도통되면 전류를 인가받아 열을 발생시켜 상기 고전압배터리를 승온시키는 부하부;를 포함하고,
    상기 반도체스위치부는 IGBT로 구성되고, 상기 IGBT는 상기 절연스위치부로부터 구동전원이 인가되면 턴온되고,
    상기 IGBT는 상기 절연스위치부에서 출력된 구동전원이 게이트(G)전압으로 공급되어 동작하고, 상기 IGBT의 콜렉터(C) 단은 상기 고전압배터리의 (+)단자에 연결되고, 에미터(E) 단은 상기 고전압배터리의 (-)단자로 연결되고,
    상기 배터리보호부는 역전류방지부와 역전압방지부를 포함하고,
    상기 역전류방지부는 정류다이오드를 포함하고, 상기 정류다이오드는 상기 고전압배터리의 (-) 단과 상기 IGBT의 에미터 단 사이에 직렬로 연결되어 상기 IGBT를 통해 흐르는 상기 고전압배터리의 (+)단의 전류를 상기 고전압배터리의 (-)단으로 흐르도록 하고, 상기 IGBT의 턴온시 상기 고전압배터리의 (-)단에서 (+)단으로 제공되는 역전류를 방지하고,
    상기 역전압방지부는 제너다이오드를 포함하고, 상기 제너다이오드는 상기 IGBT와 상기 정류다이오드에 병렬로 연결되면서 상기 고전압배터리의 (+)단과 (-)단 사이에 연결되며, 상기 IGBT의 턴온시 상기 고전압배터리의 (-)단에서 (+)단으로의 역전압을 방지하며,
    기설정된 전압 이상의 과전압 발생시 상기 고전압배터리 및 상기 IGBT를 보호하도록 상기 제너다이오드는 상기 과전압에 의해 소손되면서 상기 제너다이오드의 양단이 쇼트(short)되는 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연스위치부는 포토커플러로 구성된 고전압용 전자식 승온 릴레이 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
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