KR102671851B1 - Y 커패시터 방전 방법, 및 이를 수행하는 전지 모듈 및 시스템 - Google Patents

Y 커패시터 방전 방법, 및 이를 수행하는 전지 모듈 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예는 차량 모듈과 결합될 수 있는 전지 모듈에 관한 것으로서, 상기 전지 모듈은 전원 및 상기 전원에 결합된 절연 모니터링 회로를 포함한다. 상기 절연 모니터링 회로는 상기 전지 모듈이 상기 차량 모듈에 결합 시, Y 커패시터 모듈을 방전할 수 있도록 구성된다.

Description

Y 커패시터 방전 방법, 및 이를 수행하는 전지 모듈 및 시스템{Y CAPACITOR DISCHARGING METHOD, AND BATTERY MODULE AND SYSTEM PERFORMING THE SAME}
본 발명은 Y 커패시터 방전 방법, 및 이를 수행하는 전지 모듈 및 시스템에 관한 것이다.
최근 이동을 위한 에너지원으로 전기 에너지를 사용하는 전기 차량의 개발이 활발하다. 이러한 전기 차량은 충전식 전지에 저장된 에너지를 사용하는 전기 모터에 의해 구동된다. 전기 차량은 전적으로 전기 모터에 의해서만 구동되거나, 화석 연료(예를 들어, 가솔린)를 사용하는 연소 엔진과 전기 모터의 조합에 의해 구동되는 하이브리드 차량의 형태일 수도 있다.
일반적으로, 전기 차량용 전지(electric vehicle battery, EVB) 또는 견인 전지(traction battery)는 전지 전기 자동차(battery electric vehicle, BEV)의 추진력을 공급하는데 사용되는 전지이다. 전기 차량용 전지는, 지속된 기간 동안 전력을 공급하도록 설계되었으므로, 시동(starting), 조명(lighting), 및 점화(ignition)용 전지와 다르다. 이차 전지(rechargeable or secondary battery)는 충전과 방전을 반복적으로 할 수 있다는 점에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지로 비가역적 변환만을 하는 일차 전지(primary battery)와 다르다. 저용량의 이차 전지는 셀룰러폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치용 전원으로서 사용되는 반면, 고용량의 이차 전지는 하이브리드(hybrid) 차량 등을 위한 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지들은 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극 단자들을 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 화학적 반응을 통해 이차 전지의 충전 및 방전이 가능하도록 하기 위해, 이차 전지의 케이스 내부로 전해질 용액이 주입된다. 케이스의 형상은 예를 들어, 원통형, 직사각형 등으로 전지의 용도에 따라서 달라진다. 최근 개발 중인 전기 차량들에는 랩탑(laptop) 및 가전 제품에 널리 사용되는 것으로 알려진 리튬 이온(및 비슷한 리튬 폴리머) 전지가 주로 적용된다.
이차 전지들은 예를 들어, 전기 차량의 모터 구동을 위한 경우와 같이 높은 에너지 밀도를 제공하기 위해, 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 전지셀로 형성되는 전지 모듈로 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 고출력의 충전식 전지를 구현하기 위해, 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 전지셀의 전극 단자들을 연결하여 형성된다.
전지의 전력 출력 및 충전에 대한 고정(static) 제어만으로는 전지 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자들의 동적 전력 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. 따라서, 전지 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에는 지속적 또는 간헐적인 정보 교환이 요구된다. 전지 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에 교환되는 정보는, 전기 소비자의 실제/예측된 전력 수요나 잉여 전력뿐만 아니라, 전지 시스템의 충전 상태(State of Charge, SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항을 포함한다.
차량의 고전압(high voltage, HV) 보드넷에는 전원 라인의 잡음 억제를 목적으로 하는 라인 바이패스 커패시터(line bypass capacitor)인 Y 커패시터(종종 "Y-Cap"이라고도 함)의 설치가 요구된다. 고전압 보드넷에 대해 요구되는 Y 커패시터의 충전/전압에 대한 표준 및 최대 값들은 일반적으로 개발 단계에서 평가되며, 평가 결과에 기초하여, Y 커패시터의 액티브 방전이 요구되는지가 결정된다. Y 커패시터는 일반적으로 전지 시스템의 작동 중에 모니터링되며, 비정상적인 작동 상황에서 전지 시스템이 셧다운되면 방전되어야 한다. 예를 들어, 차량 측의 충돌 상황에서, 소정의 임계치(예를 들어, 0.2J)보다 큰 에너지 량을 갖는 Y 커패시터는 소정 시간 내에 방전될 필요가 있다. 이러한 Y 커패시터의 방전은, 일반적으로 HV 전지 측이 아닌 차량의 HV 보드넷에 추가로 배치된 별도의 부품들에 의해 수행된다. 예를 들어, 충돌 상황에서의 Y 커패시터의 방전을 위해, HV 전극들(poles)과 섀시(chassis) 사이에는 저항, 또는 서로 직렬 연결된 저항 및 스위치가 추가로 배치될 수 있다.
전술한 Y 커패시터의 방전 방식은, 차량의 HV 보드넷에 추가적인 부품을 필요로 하며, 이에 따른 비용 상승을 야기한다.
본 발명의 실시 예들을 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 차량의 HV 보드넷에 추가적인 부품을 마련할 필요 없이, 비정상적인 동작 상황에서 Y 커패시터를 능동적으로 방전하기 위한 전지 모듈 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는 차량 모듈과 결합될 수 있는 전지 모듈에 관한 것으로서, 상기 전지 모듈은 전원 및 상기 전원에 결합된 절연 모니터링 회로를 포함한다. 상기 절연 모니터링 회로는 상기 전지 모듈이 상기 차량 모듈에 결합 시, Y 커패시터 모듈을 방전할 수 있도록 구성된다.
상기 Y 커패시터 모듈 내 Y 커패시터의 방전을 위해, 적어도 하나의 HV 전극(HV pole)이 상기 전지 모듈 내 상기 절연 모니터링 회로의 일부를 통해 상기 섀시에 연결된다. 상기 절연 모니터링 회로는 각 HV 전극과 상기 섀시 사이에 방전 스위치(절연 스위치) 및 저항을 포함하는 방전 경로를 포함한다. 비정상적인 동작 상태에서, HV 전극들이 상기 전지 모듈 내 메인 릴레이들에 의해 셀 스택으로부터 분리되면, 적어도 하나의 메인 릴레이와 대응하는 방전 스위치(절연 스위치)가 도통 상태가 되고 Y 커패시터가 상기 저항을 통해 방전된다.
본 발명의 다른 실시 예는 상기 전지 모듈 및 상기 차량 모듈을 포함하는 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 실시 예는 상기 시스템의 Y 커패시터 방전 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은, 상기 시스템에서 비정상적인 상황이 발생하면, 충돌 신호를 수신하는 단계, 상기 충돌 신호에 응답하여 상기 차량 모듈 내의 Y 커패시터의 에너지 량이 기 설정된 임계치보다 큰지 여부를 결정하는 단계, 및 상기 Y 커패시터의 에너지 량이 상기 임계치보다 큰 경우, 상기 전지 모듈 내의 절연 모니터링 회로를 방전 장치로 사용하여 상기 Y 커패시터를 방전시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 차량측 Y 커패시터를 방전하기 위해 전지 모듈에 이미 장착되어 사용 중인 부품을 이용함으로써, 차량의 HV 보드넷 측에 추가적인 부품을 배치할 필요가 없어 추가 비용 없이 비정상적인 상황에서 Y 커패시터의 안정적인 방전을 지원할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 모듈 및 차량 모듈을 포함하는 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 도 1의 시스템의 개략적인 회로도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 모듈의 개략적인 회로도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 Y 커패시터의 방전 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 이하 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예들의 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 상세히 설명하며, 특별히 언급되지 않는 한, 첨부 도면 및 상세한 설명 전반에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 그에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 본 문서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 복수의 항목들 중 어느 하나의 항목을 포함한다. 또한, 실시 예들을 설명 시 "~할 수 있다", "~일 수 있다"를 사용하는 것은 본 발명의 하나 이상의 실시 예를 나타낸다.
본 발명의 실시 예들에 대한 이하의 설명에서, 본 문서에서 "제1", "제2", 등의 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2구성요소는 제1구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1구성요소도 제2구성요소로 명명될 수 있다.
다음의 실시 예들에 대한 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥에 달리 명시되지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다.
특성, 영역, 고정 수, 단계, 프로세스, 요소, 소자, 부품, 성분, 및 이들의 조합을 특정하기 위한 "포함한다", "포함하는" 등의 용어들은 다른 특성, 영역, 고정 수, 프로세스, 요소, 소자, 부품, 성분, 및 그들의 조합을 배제하는 것은 아니다.
본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 이들 실시 예들은 본 발명의 양태 및 특징들을 당업자에게 충분히 전달할 수 있도록 예로서 제공된다. 따라서, 본 발명의 양태 및 특징들의 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않다고 여겨지는 프로세스들, 요소들, 및 기술들은 설명되지 않을 수있다. 도면에서, 엘리먼트들, 층들 및 영역들의 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.
본 문서에서, "아래에", "하부에", "위에", "상/상부에" 등과 같이 공간적인 관계를 나타내는 용어는 하나의 구성요소 또는 특징들 간의 관계를 설명함에 있어 설명의 편의를 위해 사용될 수 있다. 이러한 공간적인 관계를 나타내는 용어들은 도면에 도시된 방향뿐만 아니라, 장치의 사용 또는 작동 시 달라지는 방향들 또한 포함하도록 의도된 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집히면, 다른 요소 또는 특징의 "아래" 또는 "하부"로 기술된 요소 또는 특징은, 상기 다른 요소 또는 특징의 "위" 또는 "상부"로 배향될 수 있다. 따라서, "아래에", "하부에" 등의 예시적인 용어들은 위와 아래 방향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 다른 방향으로 회전할 수도 있고(예를 들어, 90도 또는 다른 방향으로 회전될 수 있음), 본 명세서에서 공간적인 관계를 기술하는 기술어는 그에 따라 해석되어야 한다.
본 문서에서 하나의 구성요소 또는 층이 다른 구성요소 또는 층에 대해 "상에", "연결된", 또는 "결합된" 것으로 기재되는 경우에 있어, "상에", "연결된" 및 "결합된" 것은 직접, 또는 하나 이상의 다른 구성요소 또는 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, 하나의 구성요소 또는 층이 2개의 구성요소 또는 층 "사이"에 있는 것으로 기재되는 경우, 2개의 구성요소 또는 층 사이의 유일한 구성요소 또는 층이거나, 하나 이상의 개재된 다른 요소 또는 층이 존재함으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치 또는 전기 장치, 및/또는 임의의 다른 관련 장치, 또는 구성 요소들은, 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 어플리케이션-주문형 집적 회로), 소프트웨어 또는 소프트웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(IC) 칩 또는 개별 IC 칩 상에 형성 될 수있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 연성 인쇄 회로 필름, 테이프 캐리어 패키지(TCP), 인쇄 회로 기판(PCB), 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 본 명세서에 기재된 전기 접속 또는 상호 접속은 와이어 또는 전도성 요소에 의해, 예를 들어, PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상에 구현될 수 있다. 전도성 요소는 금속 박막, 예를 들어, 표면 금속 박막 및/또는 핀들을 포함하거나, 전도성 중합체 또는 세라믹을 포함 할 수있다. 또한, 전기 에너지는 예를 들어, 전자기 방사 및/또는 빛을 사용한 무선 접속을 통해 전송될 수도 있다. 또한, 이들 장치들의 다양한 구성 요소들은 하나 이상의 컴퓨팅 장치에 포함된 하나 이상의 프로세서에서 실행되고, 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하고, 본 문서에 설명된 다양한 기능을 수행하기 위해 다른 시스템 구성 요소와 상호 작용하는 프로세스 또는 스레드일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어는 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같이 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어 CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비휘발성 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장 될 수도 있다. 또한, 당업자라면 본 발명의 예시적인 실시 예의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 컴퓨터 장비들의 기능이 단일 컴퓨팅 장치에 결합 또는 통합될 수 있으며, 특정 컴퓨팅 장치의 기능이 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들로 분산될 수 있음을 알 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 모듈 및 차량 모듈을 포함하는 시스템의 블록도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 시스템(100)은 전지 모듈(101)과, 전지 모듈(101)과 결합될 수 있는 차량 모듈(102)를 포함할 수 있다. 전지 모듈(101)은 전원(111), 그리고 전원(111)과 결합되어 전지 모듈(101)의 절연 저항을 측정하는 절연 모니터링 회로(isolation monitoring circuit)(112)를 포함할 수 있다. 여기서, 전원(111)은 서로 직렬 및/또는 병렬 연결되는 복수의 셀(201)을 포함할 수 있다. 차량 모듈(102)은 하나 이상의 Y 커패시터를 포함하는 Y 커패시터 모듈(121)을 포함하고, Y 커패시터 모듈(121)과 선택적으로 결합될 수 있는 부하(122)를 포함할 수 있다. Y 커패시터 모듈(121) 및 부하(122)는 차량 모듈(102)의 고전압(high voltage, HV) 극들(HV+, HV-) 사이에 병렬로 연결될 수 있다. Y 커패시터 모듈(121)의 각 Y 커패시터는 HV-라이프 파트(life part)들과 섀시(chassis)/LV-접지 사이의 기생 커패시터이거나, 별도의 커패시터일 수 있다.
또한, HV 전극들(HV+, HV-)은 차량측 부하(122)에 연결될 수 있다.
전지 모듈(101)의 절연 모니터링 회로(112)는 Y 커패시터 모듈(121)의 방전이, 전지 측에서 전지 모듈(101)의 절연 모니터링 회로를 사용하여 수행되도록, Y 커패시터 모듈(121)에 결합될 수 있다. 예시적으로, Y 커패시터 모듈(121)의 하나 이상의 Y 커패시터 각각에 대해, 대응하는 회로 유닛이 절연 모니터링 회로 내에 위치할 수 있으며, 각 회로 유닛은 서로 직렬 연결된 적어도 하나의 스위치 및 저항을 포함할 수 있다. 예시적으로, 절연 모니터링 회로(112) 내에서 각 Y 커패시터에 대응하는 회로 유닛은, 대응하는 스위치 및 저항과 직렬 연결되며, 대응하는 HV 전극으로부터 셀들을 전기적으로 분리할 수 있는 메인 릴레이(또는 메인 컨택터)를 더 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템(100)의 개략적인 회로도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 차량 모듈(102)에서, 두 개의 Y 커패시터들(Cy+_ext, CY-_ext)이 차량 모듈(102)의 HV 전극들(HV+, HV-) 사이에 배치된다. 두 개의 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext) 중 제1 Y 커패시터(Cy+_ext)는 제1 HV 전극(HV+)과 섀시/LV-접지(C31) 사이에 위치하고, 두 개의 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext) 중 제2 Y 커패시터(Cy-_ext)는 제2 HV 전극(HV-)과 섀시/LV-접지(C31) 사이에 위치한다. 차량 모듈(102)은 제1 및 제2 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext) 각각에 병렬 연결되는 두 개의 저항들(Riso+_ext, Riso-_ext)을 더 포함할 수도 있다. 차량 모듈(102)은 X 커패시터(C_DC_Link)와, HV 전극들(HV+, HV-) 사이에 연결되는 부하(Z_Load)를 더 포함할 수 있다. X 커패시터(C_DC_Link)의 방전을 위한 방전 회로 유닛(221)은 X 커패시터(C_DC_Link)에 병렬 연결되며, 서로 직렬 연결되는 스위치(D_sw) 및 저항(Rd)을 포함한다. 섀시(C31)는 차량 측의 섀시 접지 즉, 고전압 보드넷의 접지에 해당하며, 전지 모듈(101)의 접지(LV_Ground)에 연결될 수 있다. 한편, 비정상적인 상황에서 Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)가 기 설정된 임계치(예를 들어, 0.2J)를 초과하는 에너지 량을 가지는 경우, Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)의 방전 동작이 필요하다.
전지 모듈(101)에서, 두 개의 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext)에 대응하는 두 개의 회로 유닛들(211, 212)이 절연 모니터링 회로 내에 위치한다. 두 개의 회로 유닛들(211, 212) 중 제1 회로 유닛(211)은 전원(111)의 양극 단자와 섀시(C31) 사이에 서로 직렬 연결된 제1저항(R0+) 및 제1 절연 스위치(Iso-switch+)를 포함한다. 제1 회로 유닛(211)은 제1저항(R0+) 및 제1절연 스위치(Iso-switch+)와 직렬 연결되는 제1 메인 릴레이(Main+)를 더 포함할 수 있다. 제1 회로 유닛(211)은 제1 Y 커패시터(Cy+_ext)를 방전하기 위해 제1 Y 커패시터(Cy+_ext)와 병렬 연결될 수 있다. 두 개의 회로 유닛(211, 212)들 중 제2 회로 유닛(212)은 전원(111)의 음극 단자와 섀시(C31) 사이에 서로 직렬 연결된 제2저항(R0-) 및 제2 절연 스위치(Iso-switch-)를 포함한다. 제2 회로 유닛(212)은 제2저항(R0-) 및 제2 절연 스위치(Iso-switch-)와 직렬 연결되는 제2 메인 릴레이(Main-)를 더 포함할 수 있다. 제2 회로 유닛(212)은 제2 Y 커패시터(Cy-_ext)를 방전하기 위해 제2 Y 커패시터(Cy-_ext)와 병렬 연결될 수 있다. 메인 릴레이들(Main+, Main-)은 비정상적인 상황에서, 예를 들어, 충돌 신호에 응답하여 개방되도록 구성될 수 있다. 예시적으로, 메인 퓨즈(F)가 제1 HV 전극(HV+)과 제1 메인 릴레이(Main+) 사이에 배치될 수 있다.
절연 모니터링 회로의 각 회로 유닛(211, 212)을 구성하는 저항(R0+, Ro-)의 값은 적절한 정확도로 절연 값을 측정하고, HV-라이프 파트들과 GND/섀시(C31) 사이의 전류를 소정 값(예를 들어, 2mA) 이하로 유지하도록 설계될 수 있다. 각 회로 유닛(211, 212)의 저항(R0+, R0-)의 값은 요구 시간 내에 Y 커패시터를 방전시기키 위해 충분히 높을 수 있다. 각 회로 유닛(211, 212)저항(R0+, R0-)의 값은 Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)를 방전시키기 위해 HV 전극들(HV+, HV-)과 섀시(C31) 사이에 통상적으로 사용되는 절연 저항과 동일한 크기(예를 들어, 수백 KΩ)일 수 있다. 각 회로 유닛(211, 212)의 저항(R0)의 값은 추가적으로 시스템(100)의 동작 전압에 의존적일 수 있다. 바람직하게는, 저항(R0+, R0-)의 값은 전지 시스템의 동작 전압에 대해 적어도 500Ω/V를 보장해야 한다.
저항(R0+, R0-, 이하 설명에서 "R0"로 칭하기도 함)의 산출 예는 다음과 같다.
시스템(100)의 동작 전압(Usys)이 이고, HV-라이프 파트들과 GND/섀시(C31) 사이의 전류가 2mA 이하로 흘러야 하는 경우, 절연 모니터링 회로의 각 저항(R0+, R0-)의 저항 값은, 시스템 동작 전압(Usys)에 기초하여 산출된 이상의 값을 가져야 한다.
다음으로, 이를 토대로, 실제 저항(R0+, R0-)의 값을 500kΩ으로 구현()하고, 이 경우 비정상적인 상황에서의 Y 커패시터의 방전이 요구 조건을 만족하는지에 대해 설명한다.
비정상적인 상황에서, Y 커패시터의 에너지 량(Ey-cap)이 0.2J()을 초과하면 Y 커패시터의 방전이 필요하며, 이 경우 Y 커패시터는 최대 5초 내()에 양단 전압이 소정치(60V) 이하로 낮아져야 한다.
절연 모니터링 회로의 각 저항(R0+, R0-)의 저항 값이 500kΩ으로 구현된 상태에서, 이를 통해 4μF 값을 가지는 Y 커패시터()의 방전을 수행하는 경우, 방전 함수 에 의해 5초 후 Y 커패시터의 양단 전압은 로, 60V 이하로 낮아진다. 이와 같이, 절연 모니터링 회로 내의 각 저항(R0+, R0-)의 값을 적절하게 설계할 경우, 적절한 정확도로 절연 값을 측정하고, HV-라이프 파트들과 GND/섀시(C31) 사이의 전류를 소정 값(예를 들어, 2mA) 이하로 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 비정상적인 상황에서 Y 커패시터를 요구 시간 내에 방전시킬 수 있다.
전지 모듈(101)에서 전원(111)은 제1 메인 릴레이(Main+) 및 제2 메인 릴레이(Main-)를 통해 차량 모듈(102)에 전력을 공급하기 위해, 제1 메인 릴레이(Main+)와 제2 메인 릴레이(Main-) 사이에 연결될 수 있다. 즉, 제1 메인 릴레이(Main+)는 전원(111)의 양극 단자와 차량 모듈(102)의 제1 HV 전극(HV+) 사이에 연결되고, 제2 메인 릴레이(Main-)는 전원(111)의 음극 단자와 차량 모듈(102)의 제2 HV 전극(HV-) 사이에 연결될 수 있다. 이에 따라, 전지 모듈(101)이 차량 모듈(102)에 결합되고, 제1 메인 릴레이(Main+) 및 제2 메인 릴레이(Main-)가 도통(또는 폐쇄)되면, 전원(111)의 양극 단자는 HV+에 연결되고, 전원(111)의 음극 단자는 HV-에 연결되며, 전원(111)으로부터 차량 모듈(102)에 전력이 공급된다. 전지 모듈(101)이 차량 모듈(102)과 결합되지 않거나, 제1 메인 릴레이(Main+)와 제2 메인 릴레이(Main-) 중 하나가 개방되면, 차량 모듈(102)은 전력 공급이 차단되어 파워 오프된다. 전지 모듈(101)에서는 또한, 서로 직렬 연결된 두 개의 커패시터들(Cy+_int, Cy-_int)과, 서로 직렬 연결된 두 개의 저항들(Riso+_int, Riso-_int)이 전원(111)의 양극 단자 및 음극 단자 사이에 병렬 연결될 수 있으며, 두 개의 커패시터들(Cy+_int, Cy-_int) 중 제1 커패시터(Cy+_int)와 두 개의 저항들(Riso+_int, Riso-_int) 중 제1 저항(Riso+_int)은 전원(111)의 양극단자와 섀시(C31) 사이에 병렬 연결되고, 두 개의 커패시터들(Cy+_int, Cy-_int) 중 제2 커패시터(Cy-_int)와 두 개의 저항들(Riso+_int, Riso-_int) 중 제2 저항(Riso-_int)은 전원(111)의 양극 단자와 섀시 사이에 병렬 연결된다.
도 2를 참조하면, 메인 릴레이들(Main+, Main-)은 HV 전극들(HV+, HV-)로부터 전원(111)을 구성하는 셀(201)들을 분리할 수 있다. 또한, 전지 모듈(101)에서는, 프리차징 회로(213)가 제2 메인 릴레이(Main-)와 병렬 연결되도록 배치될 수 있다.
차량에 의해 액티브 방전이 요구되면(예를 들어, 충돌 신호를 통해), X 커패시터(C_DC_Link)는 다른 구성요소들에 의해 방전될 수 있다. Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)의 방전에 관해서는, 전지 모듈(101)이 메인 릴레이들(Main+, Main-) 중 하나를 닫힌 상태(또는 아직 닫혀 있지 않은 경우에는 이를 폐쇄한다)로 유지하고, 닫힌 메인 릴레이에 연결된 절연 스위치(Iso-switch+ 또는 Iso-switch-)를 닫는다.
따라서, 전지 모듈(101)의 외부 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext) 즉, 차량 모듈(102)의 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext)은 각각 대응하는 메인 릴레이(Main+ 또는 Main-), 대응하는 저항(R0) 및 대응하는 절연 스위치(Iso-switch+ 또는 Iso-switch-)에 의해 방전된다. 또한, 오픈 상태의 메인 릴레이에 연결된 절연 스위치(Iso-switch+ 또는 Iso-switch-)는, 오픈 상태를 유지할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext)의 방전이 필요한 경우, 절연 스위치(Iso-switch+ 또는 Iso-switch-) 및 메인 릴레이(Main+, Main-)를 선택적으로 닫음으로써, 양쪽 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext)을 방전시키는 것을 허용한다. 예를 들어, 제1 절연 스위치(Iso-switch+)와 제1 메인 릴레이(Main+)를 모두 닫아 제1 Y 커패시터(Cy+_ext)의 방전을 허용하고, 제2 절연 스위치(Iso-switch-)와 제2 메인 릴레이(Main-)를 모두 닫아 제2 Y 커패시터(Cy-_ext)의 방전을 허용할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 차량 모듈(102)에 배치된, 전지 모듈(101)의 외부 액티브 방전 회로(221)는 X 커패시터(C_DC_Link)를 방전시키기 위해 사용될 수 있다.
전술한 실시 예에 따르면, 차량 모듈(102)에 위치하는 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext)이 방전될 필요가 있는 경우(예를 들어, 충돌 시), 전지 모듈(101)은 메인 릴레이들(Main+, Main-) 중 하나를 닫힌 상태로 유지하거나, 아직 닫혀 있지 않은 메인 릴레이(Main+ 또는 Main-)를 닫을 수 있으며, 닫힌 메인 릴레이(Main+ 또는 Main-)에 연결된 절연 스위치(Iso-switch+ 또는 Iso-switch-)를 닫음으로써, 대응하는 Y 커패시터(Cy+_ext 또는 Cy-_ext)의 방전을 허용한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지 모듈의 개략적인 회로를 도시한다.
도 3을 참조하면, 전지 모듈(101)은 절연 모니터링 회로 및 전원(111)을 포함할 수 있다. 전지 모듈(101)에서, 절연 모니터링 회로는 전지 모듈(101) 외부의 두 개의 Y 커패시터들(Y+ capacity, Y- capacity)에 대응하는 두 개의 회로 유닛들(211, 212)을 포함한다. 두 개의 회로 유닛들(211, 212) 중 제1 회로 유닛(211)은 전원(111)의 양극 단자와 섀시(C31) 사이에 서로 직렬 연결된 제1 저항(R0+) 및 제1 절연 스위치(Iso-switch+)를 포함한다. 제1 회로 유닛(211)은 제1 저항(R0+) 및 제1 절연 스위치(Iso-switch+)와 직렬 연결되는 제1 메인 릴레이(Main+)를 더 포함할 수 있다. 제1 회로 유닛(211)은 제1 Y 커패시터(Y+ capacity)를 방전하기 위해 제1 Y 커패시터(Y+ capacity)와 병렬 연결될 수 있다. 두 개의 회로 유닛들(211, 212) 중 제2 회로 유닛(212)은 전원(111)의 음극 단자와 섀시(C31) 사이에 서로 직렬 연결된 제2 저항(R0-) 및 제2 절연 스위치(Iso-switch-)를 포함한다. 제2 회로 유닛(212)은 제2 저항(R0) 및 제2 절연 스위치(Iso-switch-)와 직렬 연결되는 제2 메인 릴레이(Main-)를 더 포함할 수 있다. 제2 회로 유닛(212)은 제2 Y 커패시터(Y- capacity)를 방전하기 위해 제2 Y 커패시터(Y- capacity)와 병렬 연결될 수 있다. 메인 릴레이들(Main+, Main-)은, 비정상적인 상황에서, 예를 들어, 충돌 신호에 응답하여 오픈되도록 구성될 수 있다.
절연 모니터링 회로는 전지 모듈(101)이 차량 모듈(102)에 결합하면, HV 전극들(HV+, HV-) 사이에 연결될 수 있다. 제1 회로 유닛(211)은 제1 Y 커패시터(Y+ capacity)를 방전하기 위해 제1 Y 커패시터(Y+ capacity)와 병렬 연결될 수 있다. 제2 회로 유닛(212)은 제2 Y 커패시터(Y- capacity)를 방전하기 위해 제2 Y 커패시터(Y- capacity)와 병렬 연결될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템(100)의 Y 커패시터 방전 방법(500)을 위한 흐름도를 도시한다. 도 4의 방법(500)은 위에서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 시스템(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 시스템(100)의 Y 커패시터 방전 방법(500)은 아래의 단계들을 포함할 수 있다.
전지 모듈(101) 및 차량 모듈(102)을 포함하는 시스템(100)은 비정상적인 상황이 발생하면 차량 측으로부터 충돌 신호를 수신한다(501).
이에 응답하여, 시스템(100)은 차량 모듈(102) 내의 Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)의 에너지 량이 소정의 임계치보다 큰지 판단한다(502).
상기 502 단계에서, 시스템(100)은 Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)의 에너지 량이 소정의 임계치보다 크면, 503 단계로 진행하고, 그렇지 않으면 방법이 종료된다. 여기서, 임계치는 0.2J일 수 있다.
한편, 비정상적인 상황에서 액티브 방전이 트리거되는 것이 디폴트로 설정된 경우, 501 단계를 생략하고 503 단계가 바로 수행될 수도 있다.
503 단계에서, 시스템(100)은 전지 모듈(101)의 절연 모니터링 회로를 차량 모듈(102) 내 Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)에 연결하도록 전지 모듈(101)과 차량 모듈(102) 사이의 메인 릴레이를 제어하고, Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)를 방전시키는 방전 장치로 전지 모듈(101) 내의 절연 감시 회로를 사용한다.
503 단계에서, 각 Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)를 방전시키기 위해, 절연 모니터링 회로 내 대응하는 절연 스위치(Iso-switch+ 또는 Iso-switch-) 및 메인 릴레이(Main+ 또는 Main-)가 모두 폐쇄되며, Y 커패시터(Cy+_ext, Cy-_ext)가 방전되지 않을 때는, 절연 모니터링 회로 내 대응하는 절연 스위치(Iso-switch+ 또는 Iso-switch-) 및 메인 릴레이(Main+ 또는 Main-) 중 적어도 하나가 개방된다.
한편, 503 단계에서, 시스템(100)은 에너지 량이 소정 임계치를 초과하는 Y 커패시터(Cy+_ext 및/또는 Cy-_ext)에 대해서만 절연 모니터링 회로를 이용한 방전을 진행한다. 또한, 복수의 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext)의 에너지 량이 소정 임계치를 초과하면, 복수의 Y 커패시터들(Cy+_ext, Cy-_ext)이 순차적으로 방전되도록 절연 모니터링 회로 내 절연 스위치(Iso-switch+, Iso-switch-) 및 메인 릴레이(Main+, Main-)를 제어할 수도 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치 또는 전기 장치, 및/또는 임의의 다른 관련 장치, 또는 구성 요소들은, 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 어플리케이션-주문형 집적 회로), 소프트웨어 또는 소프트웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(IC) 칩 또는 개별 IC 칩 상에 형성 될 수있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 연성 인쇄 회로 필름, 테이프 캐리어 패키지(TCP), 인쇄 회로 기판(PCB), 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 본 명세서에 기재된 전기 접속 또는 상호 접속은 와이어 또는 전도성 요소에 의해, 예를 들어, PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상에 구현될 수 있다. 전도성 요소는 금속 박막, 예를 들어, 표면 금속 박막 및/또는 핀들을 포함하거나, 전도성 중합체 또는 세라믹을 포함 할 수있다. 또한, 전기 에너지는 예를 들어, 전자기 방사 및/또는 빛을 사용한 무선 접속을 통해 전송될 수도 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 차량 모듈과 결합할 수 있는 전지 모듈에 있어서,
    전원; 및
    상기 전원에 결합된 절연 모니터링 회로를 포함하며,
    상기 절연 모니터링 회로는 상기 전지 모듈이 상기 차량 모듈에 결합하면, 상기 차량 모듈 내 Y 커패시터 모듈을 방전할 수 있도록 구성되며,
    상기 Y 커패시터 모듈은, 상기 전지 모듈 및 상기 차량 모듈을 포함하는 차량의 섀시와 상기 차량 모듈의 제1 HV 전극 사이에 연결되는 제1 Y 커패시터를 포함하며,
    상기 절연 모니터링 회로는, 외부로부터 충돌 신호가 수신된 상태에서 상기 제1 Y 커패시터의 에너지 량이 기 설정된 임계치보다 크면, 상기 제1 Y 커패시터를 방전시키는, 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 모니터링 회로는 상기 전지 모듈이 상기 차량 모듈에 결합하면, 상기 Y 커패시터 모듈에 병렬 연결되도록 구성되는 전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연 모니터링 회로는 하나 이상의 회로 유닛을 포함하며,
    상기 하나 이상의 회로 유닛 각각은, 상기 Y 커패시터 모듈에 포함된 하나 이상의 Y 커패시터 각각에 대응하는 전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 회로 유닛은 각각, 서로 직렬 연결되는 스위치 및 저항을 포함하고,
    상기 저항은 상기 Y 커패시터 모듈 내 대응하는 Y 커패시터를 요구 시간 내에 방전하도록 저항 값이 설정되는 전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 회로 유닛 각각은, 상기 스위치 및 상기 저항에 직렬 연결된 메인 릴레이를 더 포함하고,
    상기 메인 릴레이는 상기 전원을 상기 차량 모듈로부터 분리하도록 구성된 전지 모듈.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 Y 커패시터 모듈은, 상기 전지 모듈 및 상기 섀시와 상기 차량 모듈의 제2 HV 전극 사이에 연결된 제2 Y 커패시터를 더 포함하며, 상기 절연 모니터링 회로는, 상기 전원의 양극 단자와 상기 섀시 사이에 연결되는 제1 저항 및 제1 스위치를 포함하는 제1 회로 유닛 및 상기 전원의 음극 단자와 상기 섀시 사이에 연결되는 제2 저항 및 제2 스위치를 포함하는 제2 회로 유닛을 포함하며,
    상기 제1 회로 유닛 및 상기 제2 회로 유닛은, 상기 제1 Y 커패시터 및 상기 제2 Y 커패시터에 각각 병렬 연결되어, 상기 제1 Y 커패시터 및 상기 제2 Y 커패시터를 방전하는 전지 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 회로 유닛은 상기 제1 저항 및 상기 제1 스위치와 직렬 연결되는 제1 메인 릴레이를 더 포함하고,
    상기 제2 회로 유닛은 상기 제2 저항 및 상기 제2 스위치와 직렬 연결되는 제2 메인 릴레이를 더 포함하며,
    상기 전원은 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이 사이에 연결되는 전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 회로 유닛은, 상기 충돌 신호가 수신된 상태에서, 상기 제2 Y 커패시터의 에너지 량이 상기 임계치를 초과하면, 상기 제2 스위치 및 상기 제2 메인 릴레이를 폐쇄하여 상기 제2 Y 커패시터를 방전시키는 전지 모듈.
  9. 차량 모듈; 및
    상기 차량 모듈에 결합되며, 전원 및 상기 전원에 결합된 절연 모니터링 회로를 포함하는 전지 모듈을 포함하고,
    상기 차량 모듈은 하나 이상의 Y 커패시터를 포함하는 Y 커패시터 모듈을 포함하고,
    상기 절연 모니터링 회로는 상기 전지 모듈이 상기 차량 모듈에 결합하면, 상기 Y 커패시터 모듈을 방전할 수 있도록 구성되며,
    상기 Y 커패시터 모듈은, 상기 전지 모듈 및 상기 차량 모듈을 포함하는 차량의 섀시와 상기 차량 모듈의 제1 HV 전극 사이에 연결된 제1 Y 커패시터를 포함하며,
    상기 절연 모니터링 회로는, 외부로부터 충돌 신호가 수신된 상태에서 상기 제1 Y 커패시터의 에너지 량이 기 설정된 임계치보다 크면, 상기 제1 Y 커패시터를 방전시키는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 차량 모듈은 부하를 더 포함하고,
    상기 Y 커패시터 모듈 및 상기 부하는 상기 차량 모듈의 상기 제1 HV 전극 및 제2 HV 전극 사이에 병렬 연결되는 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 Y 커패시터 모듈은 하나 이상의 Y 커패시터를 포함하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 Y 커패시터 모듈은 상기 제2 HV 전극과 상기 섀시 사이에 위치하는 제2 Y 커패시터를 더 포함하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 차량 모듈은 상기 제1 HV 전극 및 상기 제2 HV 전극 사이에 연결된 X 커패시터 및 부하를 더 포함하고,
    상기 X 커패시터의 방전을 위한 방전 회로는 상기 X 커패시터에 병렬 연결되며, 서로 직렬 연결되는 스위치 및 저항을 포함하는 시스템.
  14. 전지 모듈 및 상기 전지 모듈을 포함하는 시스템의 Y 커패시터 방전 방법에 있어서,
    상기 전지 모듈이 차량 모듈에 결합한 상태에서 충돌 신호를 수신하는 단계;
    상기 충돌 신호에 응답하여 상기 차량 모듈 내의 Y 커패시터의 에너지 량이 기 설정된 임계치보다 큰지 결정하는 단계; 및
    상기 Y 커패시터의 에너지 량이 상기 기 설정된 임계치보다 크면, 상기 Y 커패시터를 방전하기 위한 방전 장치로 상기 전지 모듈 내 절연 모니터링 회로를 사용하는 단계를 포함하며,
    상기 Y 커패시터는 상기 전지 모듈 및 상기 차량 모듈을 포함하는 차량의 섀시와 상기 차량 모듈의 HV 전극들 중 어느 하나 사이에 연결되는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 임계치는 0.2J이고,
    상기 절연 모니터링 회로는 서로 직렬 연결되는 저항 및 스위치를 포함하며,
    서로 직렬 연결된 상기 저항 및 상기 스위치는, 상기 Y 커패시터와 병렬 연결되고,
    상기 사용하는 단계는, 상기 절연 모니터링 회로를 상기 Y 커패시터와 연결하도록, 상기 전지 모듈과 상기 차량 모듈 사이의 메인 릴레이들 중 상기 Y 커패시터에 대응하는 메인 릴레이를 닫는 단계를 포함하고,
    상기 방법은, 상기 Y 커패시터가 방전되지 않을 때, 상기 스위치 및 상기 대응하는 메인 릴레이 중 적어도 하나가 오픈되는 방법.
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