KR20150127765A - 고전압 배터리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리 시스템은 배터리 팩, 릴레이부, 릴레이 컨트롤부, 저역 통과 필터부를 포함하여 구성되며, 상기 릴레이 컨트롤부의 출력단에서 출력되는 릴레이 제어신호를 상기 저역 통과 필터부가 입력받아 노이즈를 제거하여 릴레이 융착의 근본적인 원인을 제거하는 장치를 제공한다.

Description

고전압 배터리 시스템{HIGH VOLTAGE BATTERY SYSTEM}

본 발명은 고전압 배터리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 릴레이 컨트롤부에서의 릴레이 제어 신호 출력단에 저역 통과 필터와 슈미트 트리거를 이용하여 채터링 및 노이즈를 제거할 수 있는 고전압 배터리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료(가솔린 등 화석 연료)를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 회전력을 얻는 전기 모터에 의해 구동하는 차량을 의미하며, 이를 통상 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.

이러한 하이브리드 차량은 엔진뿐만 아니라 전기 모터를 보조 동력원으로 채택하여 연비 향상 및 배기 가스 저감을 도모할 수 있는 미래형 차량으로서, 연비를 개선하고 환경 친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 더욱 활발한 연구가 진행되고 있다.

하이브리드 차량은 엔진과 전기 모터를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기 에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점 때문에 승용차 등에 널리 채택되고 있다.

한국공개특허 [10-2010-0064068] ("릴레이 융착 방지 방법", 이하 종래기술 1)에서는 릴레이 접점의 융착 방지에 관한 것으로, 임의의 제어기가 BMS에 메인 릴레이의 오프를 요청하려 하면, 임의의 제어기가 BMS에 메인 릴레이의 오프를 요청하는 신호를 전송하기 전에, BMS에 메인 릴레이의 오프를 요청하지 않은 타 제어기들의 메인 릴레이와 관련한 작동을 중지시킴으로써 메인 릴레이가 융착되는 것을 방지할 수 있는 릴레이 융착 방지 방법이 개시되어있다.

이와 같이 종래에 다양한 릴레이 융창 방지 방법이 개시되고 있다.

본 발명은 고전압용 배터리 팩에서 릴레이 융착의 주된 원인이 되는 릴레이 제어 신호의 채터링 및 노이즈를 저역통과 필터와 슈미트트리거를 이용하여 억제시킴으로써 릴레이의 융착을 막는 것이다.

한국 특허 공개 2010-0004567

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 고전압용 배터리 팩에서 릴레이 융착의 주된 원인이 되는 릴레이 제어 신호의 채터링 및 노이즈를 저역 통과 필터와 슈미트 트리거를 이용하여 억제시킴으로써 릴레이의 융착을 막을 수 있는 고전압 배터리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 고전압 배터리 시스템은, 양극 단자 및 음극 단자를 갖는 배터리 팩;

상기 배터리 팩의 양극 단자와 직렬로 연결되는 제1 메인 릴레이, 상기 배터리 팩의 음극 단자와 직렬로 연결되는 제2 메인 릴레이, 상기 제1 메인 릴레이와 병렬 연결되는 프리차지 릴레이 및 상기 프리차지 릴레이와 직렬로 연결되는 프리차지 저항을 포함하여 구성되는 릴레이부; 상기 릴레이부를 제어하는 릴레이 컨트롤부; 및 상기 릴레이 컨트롤부의 출력단에 일단이 직렬로 연결되고, 상기 릴레이부의 각각의 릴레이 코일에 타단이 직렬로 연결되며, 상기 릴레이 컨트롤부에서 출력되는 릴레이 제어 신호에 포함된 노이즈를 1차 제거하는 저역 통과 필터부를 포함하는 것이 바람직하다.

또, 상기 고전압 배터리 시스템은 상기 저역 통과 필터부의 출력단에 직렬로 연결되어 상기 저역 통과 필터부를 통과한 상기 릴레이 신호를 입력받아 처리하는 슈미트 트리거부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리 시스템에서 상기 저역 통과 필터부는 RC 회로를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리 시스템에서 상기 저역 통과 필터부는 일단이 상기 릴레이 회로의 출력단에 연결되고, 타단이 제1 노드에 연결되는 저항; 일단이 상기 제1 노드에 연결되고, 타단이 그라운드에 연결되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리 시스템에서 상기 저역 통과 필터부는 OP-AMP 회로를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리 시스템에 따르면, 고전압용 배터리 팩에서 릴레이 융착의 주된 원인이 되는 릴레이 신호의 채터링 및 노이즈를 저역 통과 필터와 슈미트 트리거를 이용하여 억제시킴으로써 릴레이의 융착을 막을 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 시스템의 구성을 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저역 통과 필터부의 구성을 도시한 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이 회로에서 출력되는 릴레이 신호의 파형을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저역 통과 필터부를 통과한 릴레이 신호의 파형을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈미트 트리거부를 통과한 릴레이 신호의 파형을 도시한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 시스템의 구성을 도시한 회로도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 시스템은 배터리 팩(100), 릴레이부(300), 릴레이 컨트롤부(200), 저역 통과 필터부(400)를 포함하여 구성된다.

배터리 팩(100)은 양극 단자 및 음극 단자를 포함하여 구성되며, 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리 시스템의 배터리 팩(100)은 하이브리드 차량의 고전압 배터리인 것이 바람직하다.

릴레이부(300)는 배터리 팩(100)의 양극단자와 직렬로 연결되는 제1 메인 릴레이(310), 배터리 팩(100)의 음극 단자와 직렬로 연결되는 제2 메인 릴레이(320), 제1 메인 릴레이(310)와 병렬로 연결되는 프리차지 릴레이(330), 프리차지 릴레이(330)와 직렬로 연결되는 프리차지 저항(340)을 포함하여 구성된다. 프리차지 릴레이(330)와 프리차지 저항(340)은 직렬 연결되는 프리차지 회로를 구성하여 구비된다. 프리차지 릴레이(330)는 배터리에서 출력되는 전류가 제1 메인 릴레이(310)에 접속하기 전에 프리차지(Pre-Charge) 되도록 하는 것이다. 이를 통해, 제1 메인 릴레이(310)에 바로 접속 시 발생할 수 있는 아크 방전(Arc Discharge)을 방지하여 회로의 안정성을 확보할 수 있다. 이 때, 프리차지 릴레이(330)는 제1 메인 릴레이(310)와 병렬로 연결되는 것이 바람직하다.

릴레이 컨트롤부(200)는 릴레이부(300)를 제어한다.

하이브리드 차량은 2차 전지 등의 직류 전원으로부터의 전력에 의해 전기 모터를 구동하는 구성을 갖는다. 그 경우, 직류 전원으로부터의 전력으로 전기 모터를 직접 구동하는 구성인 것은 드물고, 직류 전원으로부터의 전력을 인버터에 공급하고, 이 인버터에 의해 전기 모터에 공급되어야 할 교류 전력 또는 직류 전력을 생성하도록 한다. 인버터를 사용함에 의해, 그 인버터에서의 스위칭 제어에 의해, 전기 모터의 회전수나 출력 토크의 제어를 행할 수 있다. 하이브리드 차량의 경우, 직류 전원으로서는, 예를 들면 리튬 이온 2차 전지의 배터리 팩(100)이 사용되고, 배터리 팩(100)으로서의 단자 사이 전압은, 예를 들면 288V이다.

하이브리드 차량으로서의 용도의 경우, 예를 들면 170V 이상의 전압이며 게다가 대전류를 흘릴 수 있는 직류 전원을 사용하기 때문에, 보안, 전기적 안전 등을 위해, 이 직류 전원의 정측 및 부측 각각의 전원 라인에 릴레이 접점을 삽입하고, 직류 전원을 사용하지 않을 때에는, 인버터 등의 부하 회로측에서 직류 전원을 완전히 분리하도록 한다. 또한, 전기 모터 구동 등의 용도에서는, 부하의 변동이 현저하며 그에 수반하여 인버터 등의 부하 회로에의 입력 전압이 크게 변동하기 때문에, 그것을 경감하기 위해 부하 회로의 입력측에 있어서, 전원 라인의 정부간에, 평활용의 대용량 캐패시터가 마련되어 있다.

제1, 제2 메인 릴레이(310, 320)의 접점이 모두 도통된 상태로 한 때의 캐패시터에 큰 돌입(突入) 전류가 흐르고, 이들 메인 릴레이의 접점이 융착, 즉, 고착할 우려가 있다. 그와 같은 융착이 발생한다면 그 릴레이 접점은 다시는 차단 상태로는 천이하지 않게 되어, 릴레이로서의 기능을 잃어버리게 된다. 이 경우 인버터의 부하회로 측에서 전원을 완전하게 분리하지 못하는 문제가 발생되고 이로 인해 감전 등에 의한 인체상해 및 배터리의 과반응에 의한 화재사고가 발생될 우려가 있다. 물론, 부하 회로 자체의 전기적 특성에 의해서는, 특히 캐패시터를 마련하지 않는 경우라도, 릴레이의 접점을 융착시키는 큰 돌입 전류가 흐르는 일이 있다.

그래서 프리차지 저항(340)과 프리차지 릴레이(330)가 직렬로 연결되어 구성되는 과전류 방지 회로부가 제1 메인 릴레이(310)와 병렬로 연결되는 회로를 마련하고, 릴레이의 접점의 융착을 방지할 수 있도록 한다. 즉, 차단 상태로부터 부하 회로에 전력을 공급하는 경우에는, 릴레이 컨트롤부(200)는 우선 부측의 제2 메인 릴레이(320)를 온 상태로 하고, 다음에, 프리차지 릴레이(330)를 온 상태로 한다. 그 결과, 캐패시터에 충전 전류는 프리차지 저항(340)을 통하여 흐르게 되고, 캐패시터는 서서히 충전된다. 그 후, 릴레이 컨트롤부(200)는 정측의 제1 메인 릴레이(310)를 온 상태로 하고, 그것에 뒤이어서 프리차지 릴레이(330)를 오프 상태로 함에 의해, 큰 돌입 전류의 발생 없이 제1, 제2 메인 릴레이(310, 320)를 통하여 배터리 팩(100)으로부터 부하 회로에 전력이 공급되게 된다.

상술한 바와 같이, 캐패시터는 부하의 급격한 전력 변동 시 대응을 위해 배터리 팩(100)과 부하 회로 사이에서 적절히 충방전되면서 완충 역할을 하는 구성이다.

상기한 구성에서 릴레이 컨트롤부(200)의 제어로 먼저 프리차지 릴레이(330)가 온되면 프리차지 저항(340)에 의한 피크 전류가 제한되면서 캐패시터가 충전되고, 이후 제1 메인 릴레이(310)가 온되고 프리차지 릴레이(330)가 오프되어 충방전을 시작하게 된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 릴레이 회로에서 출력되는 릴레이 신호의 파형을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 릴레이 컨트롤부(200)에서 출력되는 릴레이 신호에는 노이즈가 있다. 릴레이 컨트롤부(200)의 릴레이 제어 신호는 순간적인 불특정 펄스가 발생할 수 있는데 이러한 현상을 채터링 혹은 바운싱 현상이라고 한다. 이러한 현상이 발생하면 시스템이 오동작할 수가 있다. 따라서 이러한 현상을 방지하는 회로가 필요하며 본 발명에서는 저역 통과 필터부(400)와 슈미트 트리거부(500)를 이용하여 쉽게 구현할 수 있다.

저역 통과 필터부(400)는 도 1에 도시된 바와 같이, 릴레이 컨트롤부(200)의 출력단에 일단이 직렬로 연결되고, 릴레이부(300)의 각각의 릴레이 코일에 타단이 직렬로 연결되며, 릴레이 컨트롤부(200)에서 출력되는 릴레이 제어 신호에 포함된 노이즈를 1차 제거한다. 저역 통과 필터부(400)는 RC 회로 또는 OP-AMP 회로를사용할수있다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저역 통과 필터부(400)의 구성을 도시한 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 저역 통과 필터부(400)는 저항(410)과 커패시터(420)를 포함할 수 있다. 저항(410)은 릴레이 컨트롤부(200)와 릴레이부(300)의 사이에 직렬로 구비되어 연결된다. 커패시터(420)는 저항(410)과 릴레이부(300)의 사이에 일단이 연결되고, 타단이 그라운드(430)에 연결된다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저역 통과 필터부(400)를 통과한 릴레이 신호의 파형을 도시한 도면이다.

저역 통과 필터부(400)는 고주파 성분을 접지하여 주 신호인 릴레이 신호에서 없애는 회로이다. 이 저역 통과 필터부(400)는 도 4에 도시된 바와 같이, 릴레이 신호에 들어 있는 고주파 잡음을 제거하는데 매우 유용하다.

본 발명의 일실시예에 따른 고전압 배터리 시스템은 슈미트 트리거부(500)를 더 포함하여 구성할 수 있다. 슈미트 트리거부(500)는 저역 통과 필터부(400)의 출력단에 직렬로 연결되어 저역 통과 필터부(400)를 통과한 릴레이 신호를 입력받아 릴레이 제어 신호에 포함된 노이즈를 2차 제거한다. 슈미트 트리거부(500)는 히스테리시스를 갖는 비교기이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 슈미트 트리거부(500)를 통과한 릴레이 신호의 파형을 도시한 도면이다.

슈미트 트리거부(500)의 슈미트 트리거(510)는 도 5에 도시된 바와 같이, 저역 통과 필터부(400)로부터 입력되는 릴레이 신호의 진폭이 소정의 값을 넘으면 급격히 작동하여 거의 일정한 출력을 얻고, 소정의 값 이하가 되면 즉시 복구하는 동작을 한다.

슈미트 트리거부(500)는 입력 전압이 상승 트리거 레벨 전압 이상이 되면 출력은 하이에서 로우로 변환하고, 하강 트리거 레벨 전압 이하가 되면 출력이 로우에서 하이로 변환하는 회로이다. 따라서, 구형파가 아닌 임의의 사인파나 삼각파가 인가되면 그 트리거 레벨에 해당하는 펄스 폭의 구형파를 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 고전압 배터리 시스템에 따르면, 고전압용 배터리 팩(100)에서 릴레이 융착의 주된 원인이 되는 릴레이 신호의 채터링 및 노이즈를 저역통과 필터와 슈미트트리거를 이용하여 억제시킴으로써 릴레이의 융착을 막을 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 배터리 팩
300: 릴레이부
310: 제1 메인 릴레이
320: 제2 메인 릴레이
330: 프리차지 릴레이
340: 프리차지 저항
400: 저역 통과 필터부
410: 저항
420: 커패시터
430: 그라운드
500: 슈미트 트리거부
510: 슈미트 트리거

Claims (5)

1. 양극 단자 및 음극 단자를 갖는 배터리 팩;
   상기 배터리 팩의 양극 단자와 직렬로 연결되는 제1 메인 릴레이, 상기 배터리 팩의 음극 단자와 직렬로 연결되는 제2 메인 릴레이, 상기 제1 메인 릴레이와 병렬 연결되는 프리차지 릴레이 및 상기 프리차지 릴레이와 직렬로 연결되는 프리차지 저항을 포함하여 구성되는 릴레이부;
   상기 릴레이부를 제어하는 릴레이 컨트롤부; 및
   상기 릴레이 컨트롤부의 출력단에 일단이 직렬로 연결되고, 상기 릴레이부의 각각의 릴레이 코일에 타단이 직렬로 연결되며, 상기 릴레이 컨트롤부에서 출력되는 릴레이 제어 신호에 포함된 노이즈를 1차 제거하는 저역 통과 필터부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 고전압 배터리 시스템은
   상기 저역 통과 필터부의 출력단에 직렬로 연결되며, 상기 저역 통과 필터부를 통과한 상기 릴레이 제어 신호에 포함된 노이즈를 2차 제거하는 슈미트 트리거부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 저역 통과 필터부는 RC 회로를 사용하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 시스템.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 저역 통과 필터부는
   상기 릴레이 컨트롤부와 상기 릴레이부의 사이에 직렬로 구비되어 연결되는 저항;
   상기 저항과 릴레이부의 사이에 일단이 연결되고, 타단이 그라운드에 연결되는 커패시터
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 저역 통과 필터부는 OP-AMP 회로를 사용하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 시스템.

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