KR20180028239A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 배터리 모듈과 부하를 전기적으로 연결하는 메인 스위치, 메인 스위치에 구동 전원을 공급하는 구동 전원부, 및 배터리 모듈과 부하 간에 흐르는 전류에 따라 구동 전원을 차단시키는 전원 차단부를 포함한다.

Description

배터리 팩{BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 기술이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전 및 방전을 반복적으로 수행하는 전지로, 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 리튬(Li) 이온 전지 등이 사용된다. 이차 전지는 하나의 배터리 셀로 이루어져 휴대폰, 노트북, 컴퓨터, 카메라, 캠코더 등의 휴대용 소형 전자기기에 사용되거나, 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩으로 이루어져 고출력의 하이브리드 전기 자동차(HEV), 전기 자동차(EV) 등의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
배터리 팩은 외부 부하와 전기적으로 연결하기 위한 메인 스위치를 포함한다. 메인 스위치는 배터리 팩과 외부 부하 간에 단락 전류가 흐르면 오프(off) 되어 배터리 팩을 외부 부하로부터 분리시킨다. 그런데, 메인 스위치를 제어하는 신호의 지연이 발생하는 경우 메인 스위치 양단이 영구적으로 접합되는 융착(welding)이 유발될 수 있다.
또한, 메인 스위치의 융착 상태에서 배터리 팩과 외부 부하 간의 대전류 경로에 형성된 메인 퓨즈의 불량으로 단락 전류가 지속적으로 흐르면 배터리 팩이 발화될 위험성이 있다.
본 발명의 실시 예는 배터리 모듈의 단락에 의해 배터리 모듈과 외부 부하 간을 전기적으로 연결하는 메인 스위치에 단락 전류가 흐를 때, 메인 스위치의 융착 및 발화를 방지할 수 있는 배터리 팩을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 모듈과 부하를 전기적으로 연결하는 메인 스위치; 상기 메인 스위치에 구동 전원을 공급하는 구동 전원부; 및 상기 배터리 모듈과 상기 부하 간에 흐르는 전류에 따라 상기 구동 전원을 차단시키는 전원 차단부를 포함한다.
여기서, 상기 메인 스위치는 상기 구동 전원부에 양단이 연결된 제1 코일; 상기 배터리 모듈의 일단과 상기 부하의 일단에 각각 연결된 제1 및 제2 접촉 단자; 및 상기 제1 코일의 양단에 전류가 흐르면 상기 제1 및 제2 접촉 단자를 전기적으로 연결하는 제3 접촉 단자를 포함한다.
그리고, 상기 전원 차단부는 상기 배터리 모듈과 상기 부하 간에 흐르는 전류에 따라 상기 제1 코일의 양단을 단락시키는 보조 스위치; 및 상기 제1 코일의 일단 및 상기 구동 전원부 사이에 연결된 보조 퓨즈를 포함한다. 여기서, 상기 보조 스위치는 상기 배터리 모듈의 일단과 상기 제1 접촉 단자 사이를 연결하는 전원선 상에 배치되고, 상기 전원선에 흐르는 전류의 크기가 변화되면 기전력을 생성하는 제2 코일; 상기 제1 코일의 양단에 각각 연결된 제4 및 제5 접촉 단자; 및 상기 기전력에 의해 상기 제4 및 제5 접촉 단자를 전기적으로 연결하는 제6 접촉 단자를 포함한다.
여기서, 상기 제2 코일은 상기 배터리 모듈의 단락에 의해 상기 전원선에 흐르는 전류의 크기가 증가하면 상기 제6 접촉 단자를 상기 제4 및 제5 접촉 단자 방향으로 미는 상기 기전력을 생성한다. 그리고, 상기 보조 퓨즈는 상기 제1 코일 양단의 단락된 배선을 통해 흐르는 전류에 의해 개방된다.
본 발명은 배터리 모듈의 단락에 의해 배터리 모듈과 부하 간을 전기적으로 연결하는 메인 스위치에 단락 전류가 흐를 때, 단락 전류를 이용하여 메인 스위치의 구동 전원을 즉시 차단시킴으로써 메인 스위치의 융착 및 발화를 방지할 수 있다.
도 1은 배터리 팩을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩을 도시한 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 배터리 팩을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(10)은 제1 및 제2 전원선(PL1, PL2)을 통해 부하(20)에 전기적으로 연결되어 있고, 제3 및 제4 전원선(PL3, PL4)을 통해 저전압 배터리(30)에 전기적으로 연결되어 있다. 여기서, 제1 및 제3 전원선(PL1, PL3)은 양극 전원선이고, 제2 및 제4 전원선(PL2, PL4)은 음극 전원선이다.
배터리 팩(10)은 배터리 모듈(11), 메인 퓨즈(12), 메인 스위치(13), 스위치 구동부(14), 감지부(15) 및 메인 제어부(16)를 포함한다. 메인 퓨즈(12)는 배터리 모듈(11)의 일단(+)과 메인 스위치(13) 사이에 연결되어 있고, 배터리 모듈(11)에 단락이 발생될 경우 제1 전원선(PL1)에 흐르는 단락 전류에 의해 개방된다. 메인 스위치(13)는 스위치 구동부(14)에 의해 온/오프 제어되어 배터리 모듈(11)과 부하(20)를 선택적으로 연결한다.
여기서, 메인 스위치(13)는 제1 내지 제3 접촉 단자(13a~13c) 및 코일(13d)을 포함하는 컨택터(contactor)로 구성될 수 있다. 메인 스위치(13)는 스위치 구동부(14)에 의해 저전압 배터리(20)에 연결되어 코일(13d)에 전류가 흐르면, 제3 접촉 단자(13c)를 제1 및 제2 접촉 단자(13a, 13b) 방향으로 미는 기전력이 발생하여 온(on) 상태가 된다. 그리고, 메인 스위치(13)는 스위치 구동부(14)에 의해 저전압 배터리(20)로부터 분리되면 제3 접촉 단자(13c)가 제1 및 제2 접촉 단자(13a, 13b)로부터 분리되어 오프(off) 상태가 된다.
그런데, 메인 스위치(13)의 온/오프 동작은 스위치 구동부(14)의 상위 제어기인 메인 제어부(16)로부터 제어되기 때문에, 메인 제어부(16)의 제어가 늦어지는 경우 단락 전류에 의해 발열이 발생하여 제3 접촉 단자(13c)가 제1 및 제2 접촉 단자(13a, 13b)에 영구적으로 접합되는 융착이 발생할 수 있다.
일반적으로 메인 스위치(13)의 융착이 발생하는 시점은 단락 전류가 흐르기 시작하여 약 50ms이다. 그리고, 감지부(15)로부터 단락 전류가 감지되어 아날로그 -디지털 변환부(16a)를 통해 디지털 신호로 변환되는 시간은 약 20ms이고, 제어 신호 생성부(16b)를 통해 디지털 신호로 변환된 전류가 과전류인지 여부를 판단하는 시간은 약 40ms가 소요된다.
또한, 과전류로 판단되어 제어 신호 생성부(16b)가 메인 스위치(13)를 오프 시키는 스위치 오프 명령을 생성하는 시간은 약 30ms가 소요되고, 아날로그-디지털 변환부(16a)가 스위치 오프 명령을 아날로그 신호로 변환하는 시간은 약 20ms가 소요된다. 그리고, 스위치 구동부(14)가 스위치 오프 신호에 따라 메인 스위치(13)에 흐르는 전류를 차단하여 코일(13d)의 기전력이 소멸되는 시간, 즉 메인 스위치(13)가 오프되는 시간이 약 30ms가 소요된다.
결국, 메인 제어부(16)가 단락 전류를 감지하여 메인 스위치(13)가 오프 되기까지 총 140ms 정도의 시간이 소요된다. 이로 인해, 메인 스위치(13)의 융착이 유발되고, 메인 퓨즈(12)의 불량으로 단락 전류가 지속적으로 흐르면 배터리 팩(10)이 발화될 위험성이 높아진다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩(100)은 제1 및 제2 전원선(PL1, PL2)을 통해 부하(200)에 전기적으로 연결되어 있고, 제3 및 제4 전원선(PL3, PL4)을 통해 구동 전원부(300)에 전기적으로 연결되어 있다. 여기서, 제1 및 제3 전원선(PL1, PL3)은 양극 전원선이고, 제2 및 제4 전원선(PL2, PL4)은 음극 전원선이다. 그리고, 구동 전원부(300)는 배터리 팩(100) 내부의 부품들에 구동 전원을 공급하기 위한 것으로, 저전압 배터리일 수 있다.
배터리 팩(100)은 충방전이 가능한 고전압 배터리이다. 배터리 팩(100)은 부하(200)가 차량용 모터(M)인 경우 모터(M)에 구동 전원을 공급하고, 모터(M)의 회생 제동에 의해 충전될 수 있다. 또한, 배터리 팩(100)은 부하(200)가 충전기인 경우 충전기를 통해 충전될 수 있다.
구체적으로, 배터리 팩(100)은 배터리 모듈(110), 메인 퓨즈(120), 메인 스위치(130), 스위치 구동부(140), 감지부(150), 메인 제어부(160) 및 전원 차단부(170)를 포함한다. 배터리 모듈(110)은 제1 및 제2 전원선(PL1, PL2) 사이에 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(미도시)을 포함한다.
복수의 배터리 셀 각각은 전지 케이스에 양극판, 음극판 및 이들 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극 조립체(미도시)와 전해액을 수용하고, 전지 케이스를 밀폐한 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 복수의 배터리 셀은 리튬 이온 이차 전지일 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 리튬 폴리머 전지 등 다양한 종류의 이차 전지에 적용될 수 있다.
메인 퓨즈(120)는 배터리 모듈(110)과 메인 스위치(130) 사이의 제1 전원선(PL1) 상에 배치되고, 제1 전원선(PL1)에 단락 전류가 흐르면 개방된다. 메인 스위치(130)는 메인 퓨즈(120)와 부하(200) 사이의 제1 전원선(PL1) 상에 배치되고, 스위치 구동부(140)에 의해 온/오프 제어되어 배터리 모듈(110)과 부하(200)를 선택적으로 연결한다.
메인 스위치(130)는 컨택터(contactor)로서, 스위치 구동부(140)에 의해 온/오프 제어되어 배터리 모듈(110)과 부하(200)를 선택적으로 연결한다. 여기서, 메인 스위치(130)는 제1 내지 제3 접촉 단자(130a~130c) 및 코일(130d)을 포함한다. 제1 접촉 단자(130a)는 메인 퓨즈(120)의 일단에 연결되어 있고, 제2 접촉 단자(130b)는 감지부(150)의 일단에 연결되어 있다.
제3 접촉 단자(130c)는 탄성을 갖는 스프링 부재로서, 코일(130d)의 기전력에 의해 제1 및 제2 접촉 단자(130a, 130b)를 전기적으로 연결한다. 제3 접촉 단자(130c)는 코일(130d)에 기전력이 발생하면 제1 및 제2 접촉 단자(130a, 130b)에 접촉하고, 코일(130d)의 기전력이 소멸되면 제1 및 제2 접촉 단자(130a, 130b)로부터 분리된다. 코일(130d)은 제3 및 제4 전원선(PL3, PL4) 사이에 연결되어 있고, 코일(130d)의 양단에 전류가 흐르면 기전력이 발생한다.
스위치 구동부(140)는 코일(130d)와 구동 전원부(300) 사이의 제3 전원선(PL3) 상에 배치되고, 메인 제어부(160)에 의해 제어되어 메인 스위치(130)로 구동 전원부(300)의 구동 전원을 공급한다. 예컨대, 스위치 구동부(140)는 메인 제어부(160)에 의해 온/오프 제어되어 코일(130d)의 일단과 구동 전원부(300)의 일단을 선택적으로 연결하는 스위치(미도시)를 포함할 수 있다.
감지부(150)는 메인 스위치(130)와 부하(200) 사이의 제1 전원선(PL1) 상에 배치되고, 제1 전원선(PL1)에 흐르는 전류를 감지한다. 예컨대, 감지부(150)는 스위치 구동부(140)와 부하(200) 사이에 연결된 저항(미도시)을 포함할 수 있다.
메인 제어부(160)는 감지부(150)에 의해 감지된 전류를 미리 설정된 기준 전류와 비교하여 과전류 여부를 판단하고, 감지된 전류가 과전류인 경우 메인 스위치(130)를 오프시키기 위한 스위치 오프 신호를 생성하여 스위치 구동부(140)에 전송한다.
이를 위해, 메인 제어부(160)는 아날로그-디지털 변환부(162) 및 제어 신호 생성부(164)를 포함한다. 아날로그-디지털 변환부(162)는 감지부(150)에 의해 감지된 전류를 디지털 신호로 변환하여 제어 신호 생성부(164)에 전달한다. 아날로그-디지털 변환부(162)는 제어 신호 생성부(164)로부터 생성된 스위치 오프 명령을 아날로그 신호로 변환하여 스위치 구동부(140)에 전달한다.
제어 신호 생성부(164)는 디지털 신호로 변환된 전류를 기준 전류와 비교하고, 해당 전류의 크기가 기준 전류보다 큰 경우 과전류로 판단하여 스위치 오프 명령을 생성하고, 아날로그-디지털 변환부(162)에 전달한다.
전원 차단부(170)는 제1 전원선(PL1)에 단락 전류가 흐를 때, 메인 스위치(130)와 전원 구동부(300) 간의 연결을 차단시킨다. 즉, 전원 차단부(170)는 배터리 모듈(110)의 단락에 의해 제1 전원선(PL1)에 흐르는 전류의 크기가 커지면 메인 스위치(130)로 공급되는 구동 전원을 차단시킨다.
이를 위해, 전원 차단부(170)는 보조 스위치(172) 및 보조 퓨즈(174)를 포함한다. 보조 스위치(172)는 제1 전원선(PL1)에 단락 전류가 흐를 때, 제3 및 제4 전원선(PL3, PL4) 양단을 단락시킨다. 이를 위해, 보조 스위치(172)는 제1 내지 제3 접촉 단자(172a~172c) 및 코일(172d)을 포함한다. 제1 접촉 단자(172a)는 제3 전원선(PL3)에 연결되어 있고, 제2 접촉 단자(172b)는 제4 전원선(PL4)에 연결되어 있다.
제3 접촉 단자(172c)는 탄성을 갖는 스프링 부재로서, 코일(172d)의 기전력에 의해 제1 및 제2 접촉 단자(172a, 172b)를 전기적으로 연결한다. 제3 접촉 단자(172c)는 코일(172d)에 기전력이 발생하면 제1 및 제2 접촉 단자(172a, 172b)에 접촉하고, 코일(172d)의 기전력이 소멸되면 제1 및 제2 접촉 단자(172a, 172b)로부터 분리된다. 코일(172d)은 제1 전원선(PL1) 상에 배치되어 있고, 제1 전원선(PL1)에 흐르는 단락 전류에 의해 기전력이 발생한다.
즉, 배터리 모듈(110)의 단락에 의해 제1 전원선(PL1)에 흐르는 전류의 크기가 변화될 때, 코일(172d)에 자기장이 형성되어 제3 접촉 단자(172c)를 제1 및 제2 접촉 단자(172a, 172b) 방향으로 미는 기전력이 발생한다. 이로 인해, 제3 및 제4 전원선(PL3, PL4) 양단이 단락되고, 구동 전원부(300)의 일단(+)부터 보조 퓨즈(174), 스위치 구동부(140), 구동 전원부(300)의 타단(-)까지 단락 전류가 흐르는 단락 경로가 형성된다.
보조 퓨즈(174)는 스위치 구동부(140)와 구동 전원부(300) 사이의 제3 전원선(PL3) 상에 배치되고, 제3 전원선(PL3)에 단락 전류가 흐르면 개방된다. 본 발명의 실시 예에 따른 보조 퓨즈(174)는 배터리 모듈(110)이 단락된 후, 메인 스위치(130)의 융착이 발생하기 이전에 개방되도록 설계될 수 있다.
예컨대, 배터리 모듈(110)이 단락된 시점부터 메인 스위치(130)가 융착되기 시작하는 시점까지 약 50ms의 시간이 소요되고, 코일(130d)에 흐르는 전류를 차단한 시점부터 코일(130d)의 기전력이 소멸되는 시점까지 약 30ms인 경우 보조 퓨즈(174)는 마진을 고려하여 단락 전류가 흐르기 시작한 시점부터 약 10ms, 바람직하게는 약 5ms 이내에 개방되도록 설계될 수 있다. 이러한 보조 퓨즈(174)의 사양은 구동 전원부(300)의 전압 크기, 보조 퓨즈(174)를 구성하는 구리(Cu)의 중량, 길이 등을 고려하여 설계될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩은 배터리 모듈(110)의 단락에 의해 제1 및 제2 전원선(PL1, PL2)에 단락 전류가 흐르면, 보조 스위치(172)에 의해 제3 및 제4 전원선(PL3, PL4) 양단이 단락되고, 제3 및 제4 전원선(PL3, PL4)에 흐르는 단락 전류에 의해 보조 퓨즈(174)가 개방된다. 결국, 제1 및 제2 전원선(PL1, PL2)에 단락 전류가 흐를 때, 메인 제어부(160)의 제어와 상관없이 메인 스위치(130)의 구동 전원이 즉시 차단되어 메인 스위치(130)가 오프(off) 된다. 따라서, 메인 스위치(130)에 흐르는 단락 전류에 의해 메인 스위치(130)가 융착되는 현상을 방지할 수 있다.
구체적으로, 메인 스위치(130)에 단락 전류가 흐르기 시작하여 보조 퓨즈(174)가 개방되기까지 약 5ms가 소요되고, 코일(130d)에 흐르는 전류가 차단되어 코일(130d)의 기전력이 소멸되는 시간이 약 30ms 이므로, 메인 스위치(130)에 단락 전류가 흐르기 시작하여 약 35ms 이후에 메인 스위치(130)가 오프 된다.
즉, 메인 스위치(130)가 융착되기 이전에 메인 스위치(130)가 오프(off)됨으로써 메인 스위치(130)의 영구적인 고장을 방지할 수 있다. 또한, 메인 퓨즈(120)에 불량이 발생하거나, 메인 제어부(160)의 제어가 지연 또는 실패되더라도 배터리 모듈(110)을 부하(200)로부터 안전하게 분리시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: 배터리 모듈
120: 메인 퓨즈
130: 메인 스위치
140: 스위치 구동부
150: 감지부
160: 메인 제어부
170: 전원 차단부

Claims (6)

  1. 배터리 모듈과 부하를 전기적으로 연결하는 메인 스위치;
    상기 메인 스위치에 구동 전원을 공급하는 구동 전원부; 및
    상기 배터리 모듈과 상기 부하 간에 흐르는 전류에 따라 상기 구동 전원을 차단시키는 전원 차단부
    를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 메인 스위치는
    상기 구동 전원부에 양단이 연결된 제1 코일;
    상기 배터리 모듈의 일단과 상기 부하의 일단에 각각 연결된 제1 및 제2 접촉 단자; 및
    상기 제1 코일의 양단에 전류가 흐르면 상기 제1 및 제2 접촉 단자를 전기적으로 연결하는 제3 접촉 단자
    를 포함하는 배터리 팩.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전원 차단부는
    상기 배터리 모듈과 상기 부하 간에 흐르는 전류에 따라 상기 제1 코일의 양단을 단락시키는 보조 스위치; 및
    상기 제1 코일의 일단 및 상기 구동 전원부 사이에 연결된 보조 퓨즈
    를 포함하는 배터리 팩.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 보조 스위치는
    상기 배터리 모듈의 일단과 상기 제1 접촉 단자 사이를 연결하는 전원선 상에 배치되고, 상기 전원선에 흐르는 전류의 크기가 변화되면 기전력을 생성하는 제2 코일;
    상기 제1 코일의 양단에 각각 연결된 제4 및 제5 접촉 단자; 및
    상기 기전력에 의해 상기 제4 및 제5 접촉 단자를 전기적으로 연결하는 제6 접촉 단자
    를 포함하는 배터리 팩.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 코일은
    상기 배터리 모듈의 단락에 의해 상기 전원선에 흐르는 전류의 크기가 증가하면 상기 제6 접촉 단자를 상기 제4 및 제5 접촉 단자 방향으로 미는 상기 기전력을 생성하는 배터리 팩.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 보조 퓨즈는
    상기 제1 코일 양단의 단락된 배선을 통해 흐르는 전류에 의해 개방되는 배터리 팩.
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