KR20140052327A - 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템 - Google Patents

차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 전기자동차 또는 하이브리드 차량에 적용되는 고전압, 대용량 배터리 팩의 내부를 구성하는 배터리모듈의 기능이상이 발생될 때 정상 작동하는 배터리모듈의 출력전원을 제어하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템에 관한 것이다. 그 구성은 플러스단자(+)와 연결된 제1 메인 스위치부와, 마이너스단자(-)와 연결된 제2 메인 스위치부가 연결되며, 배터리 셀이 구비되는 복수 개의 배터리모듈부; 상기 배터리모듈부의 동작을 제어하는 복수 개의 보조 배터리관리부; 및 상기 보조 배터리관리부의 동작을 총괄 제어하는 주 배터리관리부를 내부에 구비하는 배터리 팩의 배터리모듈부 제어시스템에 있어서, 상기 복수 개의 배터리모듈부에 모듈 별로 기능이상 발생에 의해 출력 스위칭신호의 동작을 제어하는 복수 개의 파워스위치부를 포함하되, 상기 복수 개의 파워스위치부를 총괄 제어하는 파워스위치제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템을 개시한다.

Description

차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템{Battery module control system for battery pack of vehicle}
본 발명은 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 전기자동차 또는 하이브리드 차량에 적용되는 고전압, 대용량 배터리 팩의 내부를 구성하는 배터리모듈의 기능이상이 발생될 때 정상 작동하는 배터리모듈의 출력 전원을 제어하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 전기자동차 또는 하이브리드(hybrid) 차량은 에너지 공급원으로 사용하기 위한 복수 개의 배터리 하드웨어 시스템을 구비하고 있다.
상기 배터리 하드웨어 시스템에 적용되는 고전압 배터리는 리듐 폴리머(lithium polymer) 형태로 제작될 수 있으며, 배터리 충전을 위한 기본 단위인 셀(cell)이 복수 개로 결합된 것을 배터리모듈(battery module)이라 하고, 이러한 배터리모듈이 복수 개로 결합된 형태를 배터리 팩(battery pack)이라 한다.
이러한 배터리 하드웨어 시스템은 대용량 배터리 팩을 사용하고 있으나, 배터리 셀의 사용연한으로 인해 배터리 팩 또는 배터리모듈의 교환이 요구되고 있는 실정이다.
도 1은 종래 기술로서 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템을 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리모듈의 이상동작에 따른 배터리 팩의 출력 전원 정지상태를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 배터리모듈 제어시스템은 배터리 팩(100) 내부에 주 배터리관리부(110)의 총괄 제어에 의해 복수 개의 제1 내지 제4보조 배터리관리부(120a~120d)들이 연결되어 있으며, 각각의 보조 배터리관리부에는 배터리모듈부의 동작을 제어하는 제 1 내지 제 4 배터리모듈부(130a~130d)들이 연결되어 있다.
또한, 각각의 배터리모듈부에는 플러스단자(+)와 연결된 제1 메인 스위치부(140a)와 마이너스 단자(-)와 연결된 제2 메인 스위치부(140b)가 구비되어 있다. 이때, 배터리 팩(100)의 제1 메인 스위치부(140a)를 통해 차량의 각종 구동장치에 인가되는 플러스(+) 고전압이 흐르게 되며, 제2 메인 스위치부(140b)를 통해 차량의 각종 구동장치에 인가되는 마이너스(-) 고전압이 흐르게 된다.
즉, 종래의 고전압, 대용량 배터리 팩(100)의 내부에는 배터리 셀이 직렬 연결되는 복수 개의 배터리모듈부들이 구성되며, 각각의 배터리모듈부들은 직렬 연결되어 제1 및 제2 메인 스위치부(140a,140b)를 통해 흐르는 배터리 전류가 배터리 팩(100)으로부터 차량에 공급된다. 이때, 각각의 배터리모듈부에는 대략 10개 내외의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래의 배터리모듈 제어시스템에서 도 2에 도시된 바와 같이 임의의 배터리모듈부, 즉 제2 배터리모듈부(130b)에 기능 이상이 발생 되는 경우 제2 보조 배터리관리부(120b)는 주 배터리관리부(110)로 이상 동작 신호를 전송하고, 주 배터리관리부(110)에서는 경고등(150)의 경고 신호 출력과 함께 제1 및 제2 메인 스위치부(140a, 140b)의 전원을 차단하여 배터리 팩(100)의 출력전원을 차단하게 된다.
그러나 상기와 같은 동작은 배터리 팩 내부의 다른 배터리모듈부에 전원이 남아있음에도 불구 하고 전원을 차단함으로써 전기자동차 또는 하이브리드 차량의 주행모드를 제한하였다. 또한, 심지어 차량이 운행 중지되거나 전기 구동모드에서 엔진구동모드로 강제로 전환되는 문제점이 발생 되었다.
따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위해 이루어진 것으로서 그 목적은 배터리 팩 내부의 배터리모듈부에 연결된 각각의 배터리모듈부를 제어할 수 있는 파워스위치부를 부가적으로 연결함으로써 특정 배터리모듈부에 기능이상이 발생되더라도 배터리 팩의 전원 공급능력을 유지하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 배터리 팩 내부의 배터리모듈부 별로 분리된 각각의 배터리모듈부에서 특정 배터리모듈부에 기능이상이 발생되는 경우 해당 배터리모듈부로부터의 출력전원을 차단함과 동시에 주 전원이 바이패스 되도록 파워스위치부를 전환하여 배터리 팩의 전원출력이 일정하게 유지되도록 하여 배터리 모드에 의한 주행 기능을 제공하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치에 따르면, 플러스단자(+)와 연결된 제1 메인 스위치부와, 마이너스단자(-)와 연결된 제2 메인 스위치부가 연결되며, 배터리 셀이 구비되는 복수 개의 배터리모듈부; 상기 배터리모듈부의 동작을 제어하는 복수 개의 보조 배터리관리부; 및 상기 보조 배터리관리부의 동작을 총괄 제어하는 주 배터리관리부를 내부에 구비하는 배터리 팩의 배터리모듈부 제어시스템에 있어서, 상기 복수 개의 배터리모듈부에 모듈별로 기능이상 발생에 의해 출력 스위칭신호의 동작을 제어하는 복수 개의 파워스위치부를 포함하되, 상기 복수 개의 파워스위치부를 총괄 제어하는 파워스위치제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템을 제공한다.
또한, 상기 배터리모듈부에 기능 이상이 발생 되는 경우, 상기 주 배터리관리부는 제1 및 제2 메인 스위치의 전원을 차단함과 동시에 상기 파워스위치제어부를 통해 기능 이상에 해당하는 배터리 모듈부의 파워스위칭 동작을 바이패스 신호로 변경하고, 다시 상기 제1 및 제2 메인 스위치의 전원을 연결하여 정상적인 배터리모듈부의 전원을 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파워스위치부는 각각의 입력버스바와 출력버스바를 구비하며, 상기 입력버스바에 입력 전원을 연결하는 파워스위치부가 출력버스바와 연결된 연장버스바와 더 연결되며, 상기 파워스위치부의 동작명령에 의해 상기 입력 전원이 상기 파워스위치부의 입력버스바 또는 출력버스바에 연결된 연장버스바에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리모듈부의 출력스위칭신호를 제어하는 파워스위치부는 상기 파워스위치제어부에 의해 모터액츄에이터가 동작 되고, 상기 모터액츄에이터에 연결된 파워스위치부의 연결회로를 입력버스바 또는 연장버스바에 연결하며, 상기 모터액츄에이터의 작동 후 상태유지를 위한 별도의 전원공급이 없어도 회로기능이 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리모듈부에 기능이상이 발생되는 경우 상기 파워스위치제어부는 모든 배터리모듈부의 파워스위치부 동작을 바이패스하여 상기 배터리 팩의 방전 전압이 배터리모듈 단위의 전압으로 낮춰지도록 제어하는 것을 특징으로
이상과 같은 본 발명에 따르면, 배터리 팩 내부의 배터리모듈부에 각각의 배터리모듈부를 제어할 수 있는 파워스위치부를 연결하고, 특정 배터리모듈부에 기능이상이 발생되는 경우에도 배터리 팩의 전원공급 능력을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 팩 내부의 배터리모듈부 별로 분리된 각각의 배터리모듈부에서 특정 배터리모듈부에 기능이상이 발생 되는 경우 보조 배터리관리부의 이상동작 신호를 전달받은 주 배터리관리부에 의해 해당 배터리모듈부에 공급되는 전원을 차단함과 동시에 주 전원이 바이패스 되도록 파워스위치부를 전환하여 배터리 팩의 출력 전원을 유지하여 배터리 모드에 의한 주행모드 기능을 유지할 수 있다.
도 1은 종래 기술로서 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템을 나타낸 전체구성도,
도 2는 도 1에 도시된 배터리모듈의 이상동작에 따른 배터리 팩의 출력 전원 정지상태를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템을 나타낸 전체구성도,
도 4는 도 3에 도시된 배터리모듈부에 기능이상이 발생된 파워스위치부의 동작 상태를 나타낸 도면,
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 배터리모듈부에 임의의 기능이상 발생에 따른 파워스위치의 동작 상태를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 도 4에 도시된 배터리모듈부에 임의의 기능이상 발생에 따른 파워스위치의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리모듈의 기능이상이 발생 될 때 각 구성요소의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템을 나타낸 전체구성도이다. 본 발명에서의 기능이상이란 해당 배터리의 기능이 정상적으로 동작되지 않는 상태를 말한다.
도 3을 살펴보면, 본 발명에 의한 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템은 배터리 팩(200)의 내부에 제1 내지 제4 보조 배터리관리부(220a~220d)를 총괄 제어하는 주 배터리관리부(210); 제1 내지 제4 배터리모듈부(230a~230d)의 동작을 제어하는 제1 내지 제4보조 배터리관리부(220a~220d); 배터리 셀이 구비되는 제1 내지 제4 배터리모듈부(230a~230d); 차량의 각종 구동장치에 인가되는 플러스(+) 고전압과 마이너스 고전압(-)을 스위칭 제어하는 제1 및 제 2메인 스위치부(240a,240b); 기능 이상에 의해 출력 스위칭신호의 동작을 제어하는 제1 내지 제4 파워스위치부(250a~250d); 제1 내지 제4 파워스위치부(250a~250d)를 총괄 제어하는 파워스위치제어부(260); 및 주 배터리관리부(210)의 제어신호에 따라 경고음을 출력하는 경고등(270)이 구비되어 있다. 이때, 제1 내지 제4 파워스위치부(250a~250d)는 도 3및 도 4에서는 SW1 ~ SW4로 표시되어 있다.
즉, 상기의 특징된 연결 관계는 각각의 제1 내지 제4 배터리모듈부(230a~230d)에 제1 내지 제4 파워스위치부(250a~250d)가 연결되고, 제1 내지 제4 파워스위치부(250a~250d)를 제어하기 위한 파워스위치제어부(260)에 파워스위치부의 제어명령을 전달하는 주 배터리관리부(210)가 연결되어 구성됨으로써 임의의 배터리모듈부에 기능이상이 발생되는 경우 해당하는 배터리모듈부를 바이패스(bypass)하여 출력전원이 유지될 수 있도록 하고 있다.
다시 말해, 상기 배터리모듈부(230a~230d)에 기능 이상이 발생 되는 경우, 상기 주 배터리관리부(210)는 제1 및 제2 메인 스위치(240a 및 240b)의 전원을 차단함과 동시에 상기 파워스위치제어부(260)를 통해 기능 이상에 해당하는 배터리모듈부(230a~230d)의 파워스위칭 동작을 바이패스 신호로 변경하고, 다시 상기 제1 및 제2 메인 스위치(240a 및 240b)의 전원을 연결하여 정상적인 배터리모듈부(230a~230d)의 전원을 출력하게 된다.
이들의 상호 연결 관계는 배터리 팩(200) 내부에 주 배터리관리부(210)의 총괄 제어에 의해 복수 개의 제1 보조 배터리관리부(220a) 내지 제4보조 배터리관리부(220d)들이 연결되어 있으며, 각각의 보조 배터리관리부에는 배터리모듈부의 동작을 제어하는 제1 내지 제4 배터리모듈부(230a~230d)들이 직렬로 연결되어 있다.
이때, 상기 배터리모듈부에는 모듈별로 기능이상에 의해 출력 스위칭 신호의 동작을 제어하는 제1 내지 제4 파워스위치부(250a~250d)가 연결되어 있으며, 상기 제1 내지 제4 파워스위치부(250a~250d)에는 파워스위부를 총괄 제어하는 파워스위치제어부(260)가 연결되어 있다. 상기 파워스위칭부와 상기 주 배터리관리부(210)간에는 유선 또는 무선으로 연결되어 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 제4 파워스위치부(230a~230d)는 각각의 입력버스바(251)와 출력버스바(252)를 구비하며, 상기 입력버스바(251)에 입력 전원을 연결하는 파워스위치부가 출력버스바(252)와 연결된 연장버스바(도시 안됨)와 더 연결되며, 상기 파워스위치부의 동작명령에 의해 상기 입력전원이 상기 파워스위치부의 입력버스바(251) 또는 출력버스바(252)에 연결된 연장버스바에 연결된다.
또한, 상기 배터리모듈부의 출력스위칭 신호를 제어하는 제1 내지 제4 파워스위치부(230a~230d)는 파워스위치제어부(260)에 의해 모터액츄에이터가 작동되고, 상기 모터액츄에이터에 연결된 제1 내지 제4 파워스위치부(230a~230d)의 연결회로를 입력버스바(251) 또는 연장버스바에 연결하며, 상기 모터액츄에이터의 작동 후 상태유지를 위한 별도의 전원공급이 없어도 회로기능이 유지할 수 있다. 여기서, 모터액츄에어터는 도시되지 않았지만 통상적인 모터액츄에어터의 기능 및 동작과 동일하다.
또한, 각각의 배터리모듈부에는 플러스단자(+)와 연결된 제1 메인 스위치부(240a)와 마이너스 단자(-)와 연결된 제2 메인 스위치부(240b)가 구비되어 있다. 이때, 배터리 팩(100)의 제1 메인 스위치부(240a)를 통해 차량의 각종 구동장치에 인가되는 플러스(+) 고전압이 흐르게 되며, 제2 메인 스위치부(240b)를 통해 차량의 각종 구동장치에 인가되는 마이너스(-) 고전압이 흐르게 된다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리모듈부에 기능이상이 발생된 파워스위치부의 동작 상태를 나타낸 것이다,
도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(200) 내의 제2배터리모듈부(230b)에 기능 이상이 발생 되면, 제2 보조 배터리관리부(220b)는 주 배터리관리부(210)로 이상 동작신호를 전송하고, 주 배터리관리부(210)는 경고등(270)의 경고등 출력과 함께 제2 파워스위치부(250b)를 바이패스(bypass)로 경로를 변경하여 기능 불량이 발생된 제2 배터리모듈부(230b)의 기능을 정지시킴과 동시에 바이패스되어 배터리 팩(200)의 출력 전원이 차량에 공급될 수 있게 된다.
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 배터리모듈부에 임의의 기능이상 발생에 따른 파워스위치 동작 상태를 나타낸 것이다.
도 5a(정상 상태) 및 도 5b(기능이상 상태)에 도시된 바와 같이, 배터리모듈부(220b)가 정상으로 동작할 때의 제2 파워스위치부(250b)는 전원이 입력버스바(251)에 연결되어 제2 배터리모듈부(220b)의 전류가 출력버스바(252)로 출력되며, 제2 배터리모듈부(220b)에 기능이상이 발생 되는 경우 제2 파워스위치부(250b)가 바이패스(bypass) 상태로 경로 전환되어 입력 전원이 출력버스바(252)로 연결되어 제2 배터리모듈부(220b)를 바이패스를 하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 도 4에 도시된 배터리모듈부에 임의의 기능이상 발생에 따른 파워스위치의 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 6에서와 같이, 본 발명에 의한 제1 내지 제4 배터리모듈부(230a~230d)에 차량 침수 또는 차량사고 등으로 인해 기능 이상이 발생되는 경우 상기 파워스위치제어부(260)는 제1 내지 제4 배터리모듈부(230a~230d)의 파워스위치부(250a~250d) 동작을 바이패스(bypass)하여 배터리 팩(200)의 방전 전압이 배터리모듈 단위의 전압으로 낮춰지도록 제어함으로써 차량 내에 흐르게 되는 방전전압으로부터 운전자를 보호할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리모듈의 기능이상이 발생될 때 각 구성요소의 동작 파형을 나타낸 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 1메인스위치(240a)와 제2 메인스위치(240b)가 온(ON)되어 있는 상태에서 제2 보조 배터리관리부(220b)에 기능이상 동작의 신호가 감지되면, 주 배터리관리부(210)는 경고등(270)의 점등 신호와 함께 제1 메인스위치부(240a)와 제2 메인스위치부(240b)를 오프(off)동작으로 전환한다.
그리고 주 배터리관리부(210)는 파워스위치제어부(260)에 기능이상이 발생된 제2 배터리모듈부(230b)의 제2 파워스위치부(250b)를 정상 동작에서 바이패스(bypass)로 전환할 것을 명령하고, 이를 수신한 파워스위치제어부(260)는 제2 파워스위치부(250b)의 상태를 전환하고, 그 동작결과를 주 배터리관리부(210)로 전송한다. 그러면, 제2 파워스위치부(250c)의 동작 결과를 수신한 주 배터리관리부(210)는 제1 메인스위치부(240a)와 제2 메인스위치부(240b)를 다시 연결하여 배터리 팩(200)의 전원이 차량으로 공급될 수 있도록 하게 된다.
상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 아니 되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
200: 배터리 팩 210: 주 배터리관리부
220a~220d: 제1 내지 제4 보조 배터리관리부
230a~230d: 제1 내지 제4 배터리모듈부
240a, 240b: 제1 및 제 2메인 스위치부
250a~250d: 제1 내지 제4파워스위치부
260: 파워스위치제어부 270: 경고등

Claims (5)

  1. 플러스단자(+)와 연결된 제1 메인 스위치부와, 마이너스단자(-)와 연결된 제2 메인 스위치부가 연결되며, 배터리 셀이 구비되는 복수 개의 배터리모듈부; 상기 배터리모듈부의 동작을 제어하는 복수 개의 보조 배터리관리부; 및 상기 보조 배터리관리부의 동작을 총괄 제어하는 주 배터리관리부를 내부에 구비하는 배터리 팩의 배터리모듈부 제어시스템에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리모듈부에 모듈별로 기능이상 발생에 의해 출력 스위칭 신호의 동작을 제어하는 복수 개의 파워스위치부를 포함하되, 상기 복수 개의 파워스위치부를 총괄 제어하는 파워스위치제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리모듈부에 기능 이상이 발생되는 경우, 상기 주 배터리관리부는 제1 및 제2 메인 스위치의 전원을 차단함과 동시에 상기 파워스위치제어부를 통해 기능 이상에 해당하는 배터리 모듈부의 파워스위칭 동작을 바이패스 신호로 변경하고, 다시 상기 제1 및 제2 메인 스위치의 전원을 연결하여 정상적인 배터리모듈부의 전원을 출력하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 파워스위치부는 각각의 입력버스바와 출력버스바를 구비하며, 상기 입력버스바에 입력 전원을 연결하는 파워스위치부가 출력버스바와 연결된 연장버스바와 더 연결되며, 상기 파워스위치부의 동작명령에 의해 상기 입력전원이 상기 파워스위치부의 입력버스바 또는 출력버스바에 연결된 연장버스바에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리모듈부의 출력스위칭신호를 제어하는 파워스위치부는 상기 파워스위치제어부에 의해 모터액츄에이터가 작동되고, 상기 모터액츄에이터에 연결된 파워스위치부의 연결회로를 입력버스바 또는 연장버스바에 연결하며, 상기 모터액츄에이터의 작동 후 상태유지를 위한 별도의 전원공급이 없어도 회로기능이 유지되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리모듈부에 기능이상이 발생 되는 경우 상기 파워스위치제어부는 모든 배터리모듈부의 파워스위치부 동작을 바이패스하여 상기 배터리 팩의 방전 전압이 배터리모듈 단위의 전압으로 낮춰지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 팩의 배터리모듈 제어시스템.
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