KR20160148355A - 변압 릴레이 및 이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 변압 릴레이 및 이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템에 관한 것으로서, 변압 릴레이는 제1 권선 및 제2 권선의 권선비에 따라 전압 측정 신호의 전압을 변압시키는 변압부; 상기 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력되는 경우, 동작 상태가 온(On) 상태로 변경되어 배터리의 전압을 전달하는 릴레이부;를 포함하는 것을 특징으로 하고, 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템은 상술된 변압 릴레이 및 상기 릴레이부로부터 상기 배터리의 전압을 전달받아 배터리 전압값을 측정하는 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

변압 릴레이 및 이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템{Voltage transformation relay and system for measuring voltage of battery using the same}
본 발명은 변압 릴레이 및 이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 변압부를 이용하여 제어부에서 송신된 전압 측정 신호의 전압을 변압시키고, 배터리의 전압을 측정하는 측정부 및 배터리의 전기적 연결을 통전 또는 차단하는 릴레이부에 변압된 전압 측정 신호의 전압을 입력하여 릴레이부를 통전시켜 배터리의 전압을 측정하는 변압 릴레이 및 이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈과 화석 에너지의 사용으로 인한 환경오염으로 이차 전지 배터리를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라, 모바일 기기, 전기 차량(Electric Vehicle; EV), 하이브리드 차량(Hybrid Electric Vehicle; HEV), 플러그인 하이브리드 차량 (Plug-in Hybrid Electric Vehicle; PHEV), 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 및 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 배터리의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이러한 이차 전지 배터리는 화석 에너지의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
특히, 전기 차량, 하이브리드 차량, 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 이차 전지 배터리는 고출력 및 대용량의 특성이 요구되며, 이러한 특성을 유지하기 위해 이차 전지 배터리의 전압을 수시로 측정 및 모니터링 하는 것이 중요하다.
이에 따라, 종래에는 이차 전지 배터리 및 측정부 사이에 포토모스 릴레이를 연결하고, 이차 전지 배터리의 전압 측정이 필요한 시점에 포토모스 릴레이의 작동 상태를 온(On) 상태로 제어하여 이차 전지 배터리의 전압을 측정하였으나, 포토모스 릴레이는 내부 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)의 수명이 짧아 가용 기간이 짧으며 포토모스 릴레이의 소형화가 어려운 문제점을 가진다.
이에, 본 발명자는 상기의 문제점을 해결하기 위해, 변압부를 이용하여 제어부에서 송신된 전압 측정 신호의 전압을 변압시키고, 배터리의 전압을 측정하는 측정부 및 배터리의 전기적 연결을 통전 또는 차단하는 릴레이부에 변압된 전압 측정 신호의 전압을 입력하여 릴레이부를 통전시켜 배터리의 전압을 측정하는 변압 릴레이 및 이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템을 발명하기에 이르렀다.
한국공개 실용신안 제20-1997-0008928호
본 발명의 목적은, 변압부를 이용하여 제어부에서 송신된 전압 측정 신호의 전압을 변압시키고, 배터리의 전압을 측정하는 측정부 및 배터리의 전기적 연결을 통전 또는 차단하는 릴레이부에 변압된 전압 측정 신호의 전압을 입력하여 릴레이부를 통전시켜 배터리의 전압을 측정하는 변압 릴레이 및 이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템은 제1 권선 및 제2 권선의 권선비에 따라 전압 측정 신호의 전압을 변압시키는 변압부; 상기 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력되는 경우, 동작 상태가 온(On) 상태로 변경되어 배터리의 전압을 전달하는 릴레이부; 및 상기 릴레이부로부터 상기 배터리의 전압을 전달받아 배터리 전압값을 측정하는 측정부;를 포함하여 구성된다.
상기 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템은 기 설정된 시간에 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 상기 전압 측정 신호를 상기 변압부의 1차측으로 송신하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 릴레이부는, 게이트(Gate) 단자, 소스(Source) 단자 및 드레인(Drain) 단자를 포함하는 모스펫(Metal Oxide Silicon Field Effect Transister; MOSFET)일 수 있다.
상기 게이트 단자에는 상기 변압부의 2차측이 연결되어 상기 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력되고, 상기 소스 단자에는 상기 배터리가 연결되어 상기 배터리의 전압이 입력되며, 상기 드레인 단자에는 상기 측정부가 연결되어 상기 소스 단자에 입력된 배터리의 전압이 상기 측정부로 출력될 수 있다.
상기 권선비는 1:1일 수 있다.
본 발명에 따른 변압 릴레이는 제1 권선 및 제2 권선의 권선비에 따라 전압 측정 신호의 전압을 변압시키는 변압부; 및 상기 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력되는 경우, 동작 상태가 온 상태로 변경되어 배터리의 전압을 전달하는 릴레이부;를 포함하여 구성된다.
상기 변압부는, 기 설정된 시간에 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 상기 전압 측정 신호를 1차측으로 수신할 수 있다.
상기 릴레이부는, 게이트 단자, 소스 단자 및 드레인 단자를 포함하는 모스펫일 수 있다.
상기 게이트 단자에는 상기 변압부의 2차측이 연결되어 상기 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력되고, 상기 소스 단자에는 상기 배터리가 연결되어 상기 배터리의 전압이 입력되며, 상기 드레인 단자에는 배터리 전압값을 측정하는 측정부가 연결되어 상기 소스 단자에 입력된 배터리의 전압이 상기 측정부로 출력될 수 있다.
상기 권선비는 1:1일 수 있다.
본 발명에 따른 변압 릴레이 및 이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템은 변압부를 이용하여 제어부에서 송신된 전압 측정 신호의 전압을 변압시키고, 배터리의 전압을 측정하는 측정부 및 배터리의 전기적 연결을 통전 또는 차단하는 릴레이부에 변압된 전압 측정 신호의 전압을 입력하여 릴레이부를 통전시켜 배터리의 전압을 측정함으로써, 수명의 한계없이 배터리의 전압을 측정할 수 있는 효과를 가지며, 고전압의 배터리와 제어부의 절연을 유지할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템이 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 작동을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템이 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템(도 2 및 도 3의 1000)이 전기 자동차(1)에 적용된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템(1000)은 전기 자동차(10) 이외에도 모바일 기기, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 또는 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 등 이차 전지 배터리가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.
전기 자동차(1)는 배터리(10), 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 자동차(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(10)는 모터(50) 또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리한다. 예컨대, 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(10)의 교체 시기 추정도 가능하다.
이를 위해, BMS(20)는 후술되는 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템(1000)을 포함하여 배터리(10)와 BMS(20) 간에 절연을 유지하면서도 주기적으로 또는 사용자가 설정한 임의의 시간에 배터리(10)의 전압을 측정하고, 측정된 배터리(10)의 전압을 근거하여 상술된 SOC, SOH, 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10)의 상태 정보를 추정하고 관리할 수 있다.
ECU(30)는 전기 자동차(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(Accelerator), 브레이크(Break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 전달받은 배터리(10)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(40)에 제어 신호를 보낸다.
인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 자동차(1)를 구동한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템의 구성을 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템(1000)은 변압 릴레이(100), 제어부(120) 및 측정부(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 배터리 전압 측정 시스템(1000)은 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 전압 측정 시스템(1000)은 배터리(10)의 전압, 전류 및 온도에 근거하여 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH) 및 최대 입출력 전력 허용량을 산출하고, 산출된 배터리(10)의 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하는 BMS(도 1의 20)에 구비되어 배터리(10)의 전압을 측정하는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 변압 릴레이(100)는 제어부(200)로부터 전압 측정 신호 여부에 따라 배터리(10) 및 측정부(300) 사이의 전기적 연결을 통전 또는 차단하는 역할을 수행할 수 있다.
이를 위하여, 변압 릴레이(100)는 변압부(110) 및 릴레이부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 변압부(110)의 1차 권선(L1)에는 제어부(200)로부터 수신된 전압 측정 신호의 전압이 인가되고, 2차 권선(L2)에는 변압부(110)의 권선비에 따라 변압된 전압 측정 신호의 전압이 유기될 수 있다.
여기서, 전압 측정 신호는 기 설정된 시간에 배터리(10)의 전압을 측정하기 위하여 배터리(10) 및 측정부(300) 사이의 전기적 연결을 통전시키는 제어 신호일 수 있다.
이때, 제어부(200)는 변압부(110)에 전압 측정 신호를 송신하는 역할을 수행할 수 있으며, 상술된 기 설정된 시간은 주기적으로 설정되거나 사용자 또는 관리자에 의해 임의로 설정될 수 있다.
한편, 변압부(110)의 권선비는 1:1일 수 있다. 이에 따라, 변압부(110)에서 변압된 전압 측정 신호의 전압과 제어부(200)로부터 수신된 전압 측정 신호의 전압은 동일할 수 있다.
즉, 변압부(110)의 권선비가 1:1임에 따라, 변압 전후의 전압 측정 신호의 전압을 동일하게 유지함과 동시에 제어부(200)와 고전압이 인가된 배터리(10)를 절연시킬 수 있다.
릴레이부(120)는 변압부(110)를 통해 변압된 전압 측정 신호의 전압을 입력받아 작동 상태가 온(On) 상태로 변경되어 배터리(10) 및 측정부(300) 사이의 전기적 연결을 통전시키는 역할을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 릴레이부(120)는 게이트 단자(G), 소스 단자(S) 및 드레인 단자(D)를 포함하는 모스 펫(Metal Oxide Silicon Field Effect Transister; MOS FET)일 수 있으며, 게이트 단자(G), 소스 단자(S) 및 드레인 단자(D)는 각각 변압부(110)의 2차측, 배터리(10) 및 측정부(300)과 연결될 수 있다.
게이트 단자(G)에는 2차 권선(L2)에 유기된 전압 측정 신호의 전압이 입력될 수 있다. 즉, 게이트 단자(G)에는 변압부(110)를 통해 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력될 수 있다.
이때, 게이트 단자(G)에 입력되는 전압 측정 신호의 전압은 릴레이부(120)의 문턱 전압(Threshold Voltage) 이상의 전압일 수 있다.
이에 따라, 소스 단자(S) 및 드레인 단자(D)가 통전되어 소스 단자(S)에 입력된 배터리(10)의 전압이 드레인 단자(D)로 출력되어 측정부(300)로 입력될 수 있다.
이와 같이, 변압 릴레이(100)는 변압부(110)를 이용하여 제어부(200)로부터 수신된 전압 제어 신호를 릴레이부(120)에 전달함으로써, 고전압 및 고전류에 취약한 제어부(200)와 배터리(10)를 절연시킴으로써, 제어부(200) 및 제어부(200)를 구비하는 BMS(20)를 노이즈로부터 보호할 수 있다.
측정부(300)는 릴레이부(120)로부터 출력되는 배터리(10)의 전압을 입력받아 배터리(10)에 충전된 배터리 전압값을 측정하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서 배터리(10)는 복수의 배터리 셀(미도시)이 직렬 또는 병렬로 연결된 이차 전지 배터리일 수 있다.
이에 따라, 측정부(300)는 복수의 배터리 셀 전압값을 측정할 수도 있다.
이러한 역할을 수행하기 위하여, 측정부(300)는 하나 이상의 스위치 소자, 캐패시터, 도선 등을 포함할 수 있다.
한편, 측정부(300)를 통해 측정된 배터리 전압값은 BMS(20)에 전송될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000 : 변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템
100 : 변압 릴레이
110 : 변압부
120 : 릴레이부
200 : 제어부
300 : 측정부
G : 게이트 단자 S : 소스 단자
D : 드레인 단자
1 : 전기 자동차
10 : 배터리 20 : BMS
30 : ECU 40 : 인버터
50 : 모터

Claims (10)

  1. 제1 권선 및 제2 권선의 권선비에 따라 전압 측정 신호의 전압을 변압시키는 변압부;
    상기 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력되는 경우, 동작 상태가 온(On) 상태로 변경되어 배터리의 전압을 전달하는 릴레이부; 및
    상기 릴레이부로부터 상기 배터리의 전압을 전달받아 배터리 전압값을 측정하는 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    기 설정된 시간에 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 상기 전압 측정 신호를 상기 변압부의 1차측으로 송신하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 릴레이부는,
    게이트(Gate) 단자, 소스(Source) 단자 및 드레인(Drain) 단자를 포함하는 모스펫(Metal Oxide Silicon Field Effect Transister; MOSFET)인 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 게이트 단자에는 상기 변압부의 2차측이 연결되어 상기 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력되고,
    상기 소스 단자에는 상기 배터리가 연결되어 상기 배터리의 전압이 입력되며,
    상기 드레인 단자에는 상기 측정부가 연결되어 상기 소스 단자에 입력된 배터리의 전압이 상기 측정부로 출력되는 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 권선비는 1:1인 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이를 이용한 배터리 전압 측정 시스템.
  6. 제1 권선 및 제2 권선의 권선비에 따라 전압 측정 신호의 전압을 변압시키는 변압부; 및
    상기 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력되는 경우, 동작 상태가 온 상태로 변경되어 배터리의 전압을 전달하는 릴레이부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 변압부는,
    기 설정된 시간에 상기 배터리의 전압을 측정하기 위한 상기 전압 측정 신호를 1차측으로 수신하는 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 릴레이부는,
    게이트 단자, 소스 단자 및 드레인 단자를 포함하는 모스펫인 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 게이트 단자에는 상기 변압부의 2차측이 연결되어 상기 변압된 전압 측정 신호의 전압이 입력되고,
    상기 소스 단자에는 상기 배터리가 연결되어 상기 배터리의 전압이 입력되며,
    상기 드레인 단자에는 배터리 전압값을 측정하는 측정부가 연결되어 상기 소스 단자에 입력된 배터리의 전압이 상기 측정부로 출력되는 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 권선비는 1:1인 것을 특징으로 하는,
    변압 릴레이.
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