KR20140090649A - 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 시스템(1)으로서, 특히 리튬-이온 셀을 가지는 배터리(2), 적어도 하나의 퓨즈(6) 및 적어도 하나의 스위칭 릴레이(4)가 전기적으로 직렬로 접속되는 과전류 스위치-오프 디바이스(3), 및 배터리 전류(I)를 검출하기 위한 적어도 하나의 전류 센서(5a; 5b)를 가지는, 배터리 시스템(1)에 관련되는데, 이에 의하여 상기 스위칭 릴레이(4)는 최대 스위칭가능 전류(Imax)가 있는 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)를 가지고, 상기 퓨즈(6)는 최소 스위칭가능 전류(Imin)가 있는 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)를 가지며, 이에 의하여 제 1 전류 범위(I3)의 최대 스위칭가능 전류(Imax) 및 제 2 전류 범위(I4)의 최소 스위칭가능 전류(Imin)는 동작 전류 범위(I1)의 최대 전류(Ip) 보다 크고, 이에 의하여 상기 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)의 스위칭가능 전류(I)는 적어도 주로 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)의 스위칭가능 전류(I) 보다 더 크다. 컴포넌트에 손상을 주지 않고 배터리 전류의 신뢰성있는 인터럽트를 보장하기 위하여, 제 1 및 제 2 스위치-오프 전류 범위(I3, I4)는 중첩 범위(ΔI)를 가지고, 적어도 하나의 제 1 전류 센서(5a)는 상기 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)의 최소 스위칭가능 전류(Imin)까지, 바람직하게는 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)의 최대 스위칭가능 전류(Imax) 까지 전류(I)를 검출하는 방식으로 구성된다.

Description

배터리 시스템{BATTERY SYSTEM}
본 발명은 배터리 시스템으로서, 특히 리튬-이온 셀을 가지는 배터리, 및
적어도 하나의 퓨즈 및 적어도 하나의 스위칭 릴레이가 전기적으로 직렬로 접속되는 과전류 스위치-오프 디바이스, 및 배터리 전류를 검출하기 위한 적어도 하나의 전류 센서를 포함하는, 배터리 시스템에 관련되는데, 상기 스위칭 릴레이는 최대 스위칭가능 전류가 있는 제 1 스위치-오프 전류 범위를 가지고, 상기 퓨즈는 최소 스위칭가능 전류가 있는 제 2 스위치-오프 전류 범위를 가지며, 제 1 전류 범위의 최대 스위칭가능 전류 및 제 2 전류 범위의 최소 스위칭가능 전류는 동작 전류 범위의 최대 전류 보다 크고, 상기 제 2 스위치-오프 전류 범위의 스위칭가능 전류는 적어도 주로 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위의 스위칭가능 전류 보다 더 크다.
과전류의 스위치-오프를 오직 메인 릴레이를 개방시킴으로써만 수행하는 것이 공지된다. 더욱이, 과전류에 대해 그리고 단락 회로의 경우에 리던던트 보호를 제공하기 위한 퓨즈가 흔히 고-전압 경로에 설치된다.
이러한 배터리 시스템은 예를 들어 제 JP 2008-193 776 A1 호로부터 지득된다. 배터리 시스템은 퓨즈를 통하여 직렬로 연결되는 배터리 블록을 포함한다. 추가적으로, 배터리 시스템은 배터리의 출력측에 접속되는 릴레이를 포함한다. 이러한 배터리 시스템에서, 퓨즈는 과도한 전류가 구동 배터리 내로 흘러가는 경우 끊어지고(blow out) 배터리 내의 전류를 스위치 오프할 것이다. 더욱이, 릴레이를 제어하는 제어 회로가 전류를 끊기 위하여 릴레이를 스위치 오프한다. 배터리 시스템의 제어 회로에는 배터리의 전류를 검출하기 위한 전류 검출 회로가 제공되는데, 여기에서 배터리의 충방전은 검출된 전류에 기초하여 제어된다. 전류 검출 회로는 정상 배터리 충방전 범위, 예를 들어 차량의 배터리 시스템에서 200 A 이거나 그 아래인 정상 배터리 충방전 범위 내에서 전류를 검출한다. 만일 배터리 내에 이러한 것보다 더 높은 전류가 흐른다면, 특히 비정상적으로 높은 전류가 배터리 내에 흐른다면, 릴레이는 배터리 전류를 인터럽트하기 위하여 "오프"로 스위칭된다.
단락 회로 또는 배터리 외부의 전력 전자제품에서의 오류의 결과로서, 또는 컴포넌트 결함에 의한 시스템 내의 결함의 경우에, 일반적으로 허용되거나 또는 규정된 전류 범위를 넘는 전류가 발생할 수 있다. 이러한 배터리 팩 내에서 사용되는 퓨즈는 과전류를 차단하기 위한 용도를 제한하는 불리한 성질을 가진다. 퓨즈는 노화되지 않고 그리고 너무 일찍 끊어지지 않으면서 동작 전류 범위를 견뎌낼 수 있어야 한다. 이것을 보장하기 위하여, 퓨즈 엘리먼트는 이에 상응하여 설계되어야 한다. 이것은 퓨즈에 대한 하단 스위치-오프 전류 제한(최소 스위칭가능 전류)을 초래한다. 퓨즈는 이러한 하단 스위치-오프 제한 아래에서 끊어지도록 제작되어서는 안 된다. 이러한 하단 임계 값 다소 아래의 전류는 화재가 발생하는 데에까지 이르게 하는 과열 및 주변 부분의 용융을 초래할 수 있다.
반면에, 위에서 언급된 종류의 배터리 시스템에 대해서 이용가능한 릴레이는 전류의 스위치-오프 능력에서 불리한 성질을 가진다. 고전류의 스위치-오프의 결과로서, 콘택은, 재활성화의 경우에 콘택 저항이 너무 열화되어 추가적 동작 동안에 릴레이의 과열과 이에 따라 전체 시스템의 성능에서의 현저한 감소가 발생할 수도 있는 정도로 손상될 수 있다. 더욱이, 콘택 재료는 강한 아크에 기인하여 고-전류 범위 내의 스위치-오프 도중에 콘택 챔버 내에 분산되며, 이것이 릴레이의 하나의 콘택 폴(contact pole)로부터 다른 것으로의 절연 저항을 허용된 임계 아래로 떨어지게 한다. 이것이 스위칭 릴레이가 개방된다는 사실에도 불구하고 전압이 배터리 외부로 태핑될 수 있는 가능성을 초래한다.
배터리에 연결된 퓨즈가 있는 배터리 시스템이 DE 10 2009 053 712 A1 호로부터 더욱 지득되는데, 이 퓨즈는 과도한 전류의 흐름 도중에 끊어질 것이다. 릴레이는 배터리의 출력측에도 역시 연결된다. 과도한 배터리 전류가 검출될 수 있고 릴레이는 전류 인터럽트 회로를 통하여 제어될 수 있다. 전류 인터럽트 회로는 릴레이의 트리핑을 위한 지연 시간을 결정하는 타이머 섹션으로 연결된다. 퓨즈의 융해 전류(fusing current)는, 타이머 섹션의 지연 시간 동안 릴레이의 최대 인터럽트 전류 보다 낮고 최대 허용된 배터리 충방전 전류보다 높은 레벨로 설정될 것이다. 릴레이의 최대 인터럽트 전류 보다 더 큰 과도한 전류가 배터리를 통해 흐르는 상황에서는, 퓨즈가 타이머 지연 시간 동안에 끊어질 것이고, 전류 인터럽트 회로는 지연 시간이 만료될 때 릴레이를 "온"으로부터 "오프"로 스위칭한다. 퓨즈는 전류를 릴레이 콘택을 융해하기에 충분히 큰 전류에서 인터럽트하기 위하여 지연 시간 동안에 끊어질 것이다. 그러므로 퓨즈가 지연 시간 도중에 끊어지도록 허용하지 않는 과도한 전류는, 릴레이 콘택이 융해하도록 하지 않는 전류일 것이며, 이것이 릴레이가 지연 시간 이후에 트립될 수 있는 이유이다.
과도한 전류의 레벨이 검출되지 않고, 릴레이가 지연 시간의 만료 이후에만 트립되는 것은 불리하다. 비록 지연 시간은 0.3 초일 뿐이지만, 주변 부분의 과도한 가열이 최대 동작 전류 강도보다 더 크지만 그 퓨즈에 대한 트리핑 전류 강도 보다 다소 낮은 전류 강도에서 발생할 수 있고, 그 결과로서 국부적 열적 과부하가 배제될 수 없다.
컴포넌트의 열적 과부하를 초래하지 않으면서 배터리 전류를 신뢰성있게 인터럽트 또는 스위치-오프할 수 있는 배터리 시스템을 가능한 한 가장 단순한 방식으로 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
이것은, 제 1 및 제 2 스위치-오프 전류 범위가 중첩 범위를 가지고, 적어도 하나의 제 1 전류 센서가 제 2 스위치-오프 전류 범위의 최소 스위칭가능 전류까지, 바람직하게는 제 1 스위치-오프 전류 범위의 최대 스위칭가능 전류까지 전류를 검출하기 위하여 구성되는 방식으로, 본 발명에 따라서 달성된다.
제 2 전류 센서가 오직 동작 전류 범위 내에서 전류를 검출하기 위하여 구현되는 것이 바람직하다.
동작 전류 범위는, 컴포넌트들에 열적으로 과부하를 인가하지 않으면서 동작에 있어서 정상인 충방전 프로세스가 임의의 시간 제한사항이 없이 발생할 수 있는 전류 범위이다. 그러나, 동작 전류 범위의 충방전 전류보다 더 큰 전류가 과전류 범위에서 발생한다. 그러므로 과전류 범위는 과전류 범위의 최대 허용된 전류로부터 단락 회로 전류까지 연장한다. 과전류는, 특히 컴포넌트들이 연장된 시간 기간에 걸쳐 계속 동작하는 경우에 이들의 열적 스트레스를 초래한다.
중첩 범위는 제 1 스위치-오프 전류 범위의 적어도 5%, 바람직하게는 적어도 10%일 수 있다.
DE 10 2009 053 712 A1 호와 반대로, 스위칭 릴레이를 트립하기 위하여 지연 시간 동안 대기하는 것이 불필요하다. 그러므로 스위칭 릴레이의 트리핑은, 배터리 제어 유닛에 의하여 전류 센서에 의하여 측정된 전류가 제 1 스위치-오프 전류 범위 내이지만 최대 동작 전류 범위 위에 있다는 것이 결정되기만 하면 즉시 발생한다.
바람직하게는 제 2 스위치-오프 전류 범위의 최소 스위칭가능 전류 아래, 바람직하게는 최대 동작 전류 범위 위의 전류의 경우에 스위칭 릴레이를 개방함으로써 배터리 전류는 인터럽트된다.
더 나아가, 스위칭 릴레이의 개방은 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위 위의, 또는 상기 제 2 스위치-오프 전류 범위의 최소 스위칭가능 전류 위의 전류에서 방지되는 것이 제공될 수 있다. 반면에, 퓨즈에 의한 배터리 전류의 인터럽트는 제 2 스위치-오프 전류 범위 아래의 전류에서 방지된다.
전류 센서 중 적어도 하나가 적어도 중첩 범위의 시작에까지 측정을 수행하는 능력을 가지기 때문에, 스위칭 릴레이가 작동될 수 있는지 여부가 직접적으로 결정될 수 있다. 그러면 전류 측정의 기초에서, 스위칭 릴레이가 닫힌 상태로 유지되는지(측정 전류가 릴레이의 스위칭 전류보다 더 높을 때) 또는 이것이 개방될 수 있고(측정된 전류가 릴레이의 최대 스위칭가능 전류 보다 더 낮기 때문) 전기 회로를 인터럽트 하는지가 결정된다.
만일 전류가 영구적으로 너무 높다면, 퓨즈는 전기 회로를 인터럽트할 것이다. 따라서 전류 측정에 의하여 후속하여, 전류가 릴레이의 최대 스위칭가능 전류 보다 더 낮다는 것이 인식될 수 있고, 따라서 릴레이가 다시 개방될 수 있다.
본 발명은 아래에서 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다:
도 1 은 본 발명에 따르는 배터리 시스템을 개략적으로 도시한다, 그리고
도 2 는 본 발명에 따르는 배터리 시스템의 과전류 스위치-오프 디바이스에 대한 동작 범위를 도시한다.
배터리 시스템(1)은 재충전가능 배터리(2), 예를 들어 리튬-이온 스토리지 배터리, 및 스위칭 릴레이(4)가 있는 과전류 스위치-오프 디바이스(3), 제 1 전류 센서(5a), 제 2 전류 센서(5b), 및 가융성 컷아웃(fusible cutout)으로서 구현되는 퓨즈(6)를 포함한다. 배터리(2), 스위칭 릴레이(4) 및 전류 센서(5a, 5b)는 배터리 제어 유닛(BCU)과 연결된다. 스위칭 릴레이(4)는 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)를 가지는데 그 안에서 스위칭 릴레이(4)는 무오류(failsafe) 방식에서 적어도 한 번 스위칭될 수 있음으로써, 스위칭 릴레이(4)의 절연 저항이 충분히 높은 범위에 있게 한다.
두 개의 전류 센서(5a, 5b)는 상이한 측정 범위를 가진다. 제 1 전류 센서(5a)는, 스위칭 릴레이(4)의 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)를 실질적으로 커버하는 다른 측정 범위(I2)를 포함한다. 이러한 전류 센서(5a)의 측정 정밀도는 매우 높을 필요가 없다.
제 2 전류 센서(5b)는 최대 허용된 피크 전류(IP)까지의 동작 전류 범위(I1)에 대하여 구성된다. 퓨즈(6)는 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)를 가진다. 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)는 주로 고전류(I)에서 제 1 스위치 오프 범위(I3) 보다 더 높은데, 여기에서 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3) 및 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)는 중첩 범위(ΔI)를 가진다. IC는 연속 동작 전류를 지칭하는데, 그 안에서 시간에 있어서 제한되지 않는 동작이 컴포넌트의 임의의 열적 과부하가 없이 가능하다.
IU는 동작 범위(I1)위에서 단락 회로 전류(Isc)까지 연장하는 과전류 범위를 지칭한다. NA는 도 2 에서 스위칭 릴레이(4) 및 퓨즈(6)에 대한 비-스위칭가능 전류 범위를 지칭한다.
제 1 전류 센서(5a)는 중첩 범위(ΔI)까지 측정할 능력을 제공한다. 제 1 전류 센서(5a)의 측정에 기초하여, 스위칭 릴레이(4)가 닫힌 상태로 유지하는지 또는 이것이 개방되는지 여부가 결정된다. 스위칭 릴레이(4)는 전류(I)가 제 1 전류 센서(5a)의 측정 범위 위에 있는 경우에는 언제나 닫힌 상태로 유지되는데, 이것은 이러한 경우에 전류(I)가 스위칭가능 릴레이(4)에 대하여 너무 높기 때문이다. 만일 전류(I)가 과전류 범위(IU) 내에 있지만 스위칭 릴레이(4)의 최대 스위칭가능 전류(Imax) 아래라면, 스위칭 릴레이(4)는 전류(I)를 인터럽트하기 위하여 사용될 수 있고 개방될 수 있다.
반면에 만일 전류(I)가 스위칭 릴레이(4)에 의하여 스위칭가능한 최대 전류(Imax) 보다 영구적으로 더 높다면, 퓨즈(6)는 용융에 의하여 전기 회로를 인터럽트할 것이다. 후속하여, 만일 전류 센서(5a, 5b) 중 하나에 의하여 전류가 스위칭 릴레이(4)의 최대 스위칭가능 전류(Imax) 아래에 있다는 것이 인식된다면, 추가적 보안을 위하여 스위칭 릴레이(4)는 또한 개방될 수 있다.
스위칭 릴레이(4) 및 퓨즈(6)는 스위치-오프 능력의 그들의 성질을 고려하여 구성되어야 하며, 따라서 그들은 특정한 중첩 범위(ΔI)를 가진다. 도 2 에 도시되는 예에서, 스위칭 릴레이(4)는 0 A 및 1000 A 사이의 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3) 내에서 스위치-오프 능력을 가지고, 퓨즈는 근사적으로 900 A로부터 단락 회로 전류(ISC)까지의 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)를 가진다. 제 1 전류 센서(5a)는 전류(I)를 근사적으로 1000 A까지 측정할 수 있어야 하는데, 여기에서 거친 해상도(coarse resolution)가 충분하다.
과전류 상황에서, 1000 A까지의 전류(I)는 제 1 전류 센서(5a)에 의하여 측정된다. 전류에서의 상승이 1000 A 아래에서 유지된다면, 스위칭 릴레이(4)는 트립되고 따라서 전기 회로는 인터럽트된다. 만일 전류(I)가 제 2 전류 센서의 측정 범위(I2)를 넘어 상승하거나 또는 퓨즈(6)의 최소 스위칭가능 전류(Imin) 위에 있다면, 스위칭 릴레이(4)는 퓨즈(6)가 전기 회로를 단선시킬 때까지 닫힌 상태로 유지된다.
따라서 0 A로부터 단락 회로 전류(ISC)까지의 모든 전류 단계들이 시스템에 임의의 손상을 초래하지 않으면서 컴포넌트들로부터 안전하게 단선된다.

Claims (7)

  1. 배터리 시스템(1)으로서,
    특히 리튬-이온 셀을 가지는 배터리(2);
    적어도 하나의 퓨즈(6) 적어도 하나의 스위칭 릴레이(4) 가 전기적으로 직렬로 접속되는 과전류 스위치-오프 디바이스(3); 및
    배터리 전류(I)를 검출하기 위한 적어도 하나의 전류 센서(5a; 5b)를 포함하며,
    상기 스위칭 릴레이(4) 는 최대 스위칭가능 전류(Imax)가 있는 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)를 가지고, 상기 퓨즈(6) 는 최소 스위칭가능 전류(Imin)가 있는 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)를 가지며, 제 1 전류 범위(I3) 의 최대 스위칭가능 전류(Imax) 및 제 2 전류 범위(I4) 의 최소 스위칭가능 전류(Imin) 는 동작 전류 범위(I1)의 최대 전류(Ip) 보다 크고, 상기 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4) 의 스위칭가능 전류(I) 는 적어도 주로 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)의 스위칭가능 전류(I) 보다 더 크며,
    상기 제 1 및 제 2 스위치-오프 전류 범위(I3, I4) 는 중첩 범위 (ΔI)를 가지고, 상기 적어도 하나의 제 1 전류 센서(5a) 는 상기 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)의 최소 스위칭가능 전류(Imin) 까지, 바람직하게는 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)의 최대 스위칭가능 전류(Imax) 까지 전류(I)를 검출하는 방식으로 구성되는, 배터리 시스템(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전류 센서(5b)는 오직 상기 동작 전류 범위(I1) 내에서 전류(I)를 검출하기 위하여 구현되는, 배터리 시스템(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중첩 전류 범위(ΔI)는 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)의 적어도 5%, 바람직하게는 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)의 적어도 10%인, 배터리 시스템(1).
  4. 배터리 시스템(1) 내의 과전류의 경우 배터리(2)를 스위치오프하는 방법에 있어서, 상기 배터리 시스템(1)은, 특히 리튬-이온 셀을 가지는 배터리(2); 적어도 하나의 퓨즈(6) 및 적어도 하나의 스위칭 릴레이(4)가 전기적으로 직렬로 접속되는 과전류 스위치-오프 디바이스(3); 및 배터리 전류(I)를 검출하기 위한 적어도 하나의 전류 센서(5a; 5b)를 포함하며, 상기 스위칭 릴레이(4)는 최대 스위칭가능 전류(Imax)가 있는 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)를 가지고, 상기 퓨즈(6)는 최소 스위칭가능 전류(Imin)가 있는 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)를 가지며, 제 1 전류 범위(I3)의 최대 스위칭가능 전류(Imax) 및 제 2 전류 범위(I4)의 최소 스위칭가능 전류(Imin)는 동작 전류 범위(I1)의 최대 전류(Ip) 보다 크고, 상기 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)의 스위칭가능 전류(I)는 적어도 주로 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3)의 스위칭가능 전류(I) 보다 더 큰, 방법으로서,
    상기 배터리 전류(I)를 적어도 하나의 전류 센서(5a, 5b)에 의하여 측정하는 단계; 및
    상기 배터리 전류(I)를, 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3) 내이며 상기 최대 동작 전류 범위(I1) 위의 전류(I)에서 상기 스위칭 릴레이(4)를 개방함으로써 인터럽트시키는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배터리 전류(I)는 상기 제 2 전류 범위(I4)의 최소 스위칭가능 전류(Imin) 아래의 전류(I)에서 상기 스위칭 릴레이(4)를 개방함으로써 인터럽트되는, 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 스위칭 릴레이(4)의 개방은 상기 제 1 스위치-오프 전류 범위(I3) 위의, 또는 상기 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4)의 최소 스위칭가능 전류(Imin) 위의 전류(I)에서 방지되는, 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    퓨즈(6)에 의한 상기 배터리 전류의 인터럽트는 제 2 스위치-오프 전류 범위(I4) 아래의 전류(I)에서 방지되는, 방법.
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