KR20180049899A - 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고전력 배터리 시스템에서 발생할 수 있는 고장전류를 저감 및 제어함으로써 고장전류에 의한 배터리 폭발 가능성 및 기타 사고를 방지하는 집합전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템은 메인 전력 라인;다수의 배터리 셀을 포함하고 상기 배터리 셀의 방전 전류를 상기 메인 전력 라인에 제공 가능하도록 연결된 배터리 스트링; 고장전류 발생시 상기 메인 전력 라인과 상기 배터리 스트링 사이의 상기 고장전류의 경로를 가이드하고 제한하기 위한 한류저항부; 상기 한류저항부와 병렬로 연결되어 상기 고장전류가 상기 한류저항부에 바이패스될 수 있도록 스위칭되는 바이패스 스위치부; 상기 메인 전력 라인 및 상기 배터리 스트링 사이의 전류를 측정하기 위한 전류측정부; 및 상기 전류측정부의 측정된 제1 샘플링 전류가 미리 결정된 정상범위 내의 전류 크기를 벗어난 경우 상기 고장전류가 발생으로 판단하여 상기 바이패스 스위치부를 스위칭 제어하여 상기 고장전류가 상기 한류저항부로 가이드 되도록 제어하는 고장전류 제어부를 포함한다. 이에 의해, 고장전류 발생시 수백 밀리 초 동안 고장전류를 저감하고 고장전류 예측을 통한 스위칭 제어를 통해 시스템 안정화를 기하여 대전력 배터리 스트링의 열 폭주 및 연쇄 화재 폭발을 방지할 수 있다.

Description

고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템{LARGE-SCALE BATTERY SYSTEM INCLUDING FAULT-CURRENT LIMITING CIRCUIT}
본 발명은 집합전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고전력 배터리 시스템에서 발생할 수 있는 고장전류를 저감 및 제어함으로써 고장전류에 의한 배터리 폭발 가능성 및 기타 사고를 방지하는 집합전지 시스템에 관한 것이다.
고전력 배터리 시스템이 점차 다양한 산업분야에서 상용화되고 있다.
승용 전기차의 경우 20kWh 수준의 배터리를 구동 전력으로 사용하고 있으며, 전기버스의 경우 100kWh 수준의 구동 배터리를 탑재하여 운영되고 있다. 최근에는 MW급 수준의 ESS가 추진되는 한편, 고출력 청소기 등의 가전제품을 비롯하여 MW급 전기선박과 항공기, 군수장비 등도 속속 개발되어 상용화되고 있다.
2차 전지의 용량, 크기, 안전성 등이 향상되고, 단위 전력당 경제성이 크게 개선되면서 다양한 산업분야에서 활용 범위가 증가하고 있지만, 2차 전지의 폭발로 인한 사고 위험성은 여전히 문제가 되고 있다.
2차 전지의 안전성을 확보하기 위한 전지 셀 단위의 안전회로 상용화를 비롯하여 BMS 기술의 고도화를 위한 연구가 지속되고 있지만, 시스템 이상에 의한 과도전류 발생, 열 폭주 및 폭발을 막을 수 있는 확실한 방안이 마련되어 있지 않은 실정이다. 전기자동차의 구동 배터리 화재 사고, 일본 유아사의 배터리 화재로 인한 보잉사 항공기 운행 중단 사고 등 고장전류에 의한 배터리 열 폭주, 화재 및 폭발 사고가 매년 끊임없이 뉴스가 되고 있다.
종래 고장전류를 저감하기 위한 기술로 초전도체를 사용하는 방법이 집중적으로 개발되어 왔으나 초전도체는 대단위 전력 시설에 사용하기는 적당하지만 전기자동차, 전기선박, 항공기, 군수장비 등에 사용되기 어려운 면이 있으며, 이러한 문제를 해소하기 위해 초경량의 초전도체를 개발하려는 연구도 일부 수행되고 있다.
2차 전지의 열 폭주는 급격하게 발생하며, 이로 인한 고장전류의 증가, 열 확산, 화재 및 폭발의 연쇄 발생으로 인한 수십 kWh 내지 수 MWh급 폭발로 인해 인명사고가 발생할 가능성이 높기 때문에 열 폭주가 발생하기 전에 신속하게 고장전류를 저감하고 제어하는 전자 제어기술이 요구되는 실정이다.
국제특허공개공보 WO2011/157305A1 대한민국공개특허 제2009-0026900호
본 발명은 전술한 종래 집합전지 시스템의 열 폭주 및 연쇄 화재 폭발을 방지하기 위해 안출된 것으로서, 고장전류 발생시 수백 밀리초 동안 고장전류를 저감하고 고장전류 예측을 통한 스위칭 제어를 통해 시스템 안정화를 기할 수 있는 집합전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명의 일 양태에 따른 고장전류(fault current) 저감 회로를 포함하는 집합전지 시스템에 있어서, 메인 전력 라인; 다수의 배터리 셀을 포함하고 상기 배터리 셀의 방전 전류를 상기 메인 전력 라인에 제공 가능하도록 연결된 배터리 스트링; 고장전류 발생시 상기 메인 전력 라인과 상기 배터리 스트링 사이의 상기 고장전류의 경로를 가이드하고 제한하기 위한 한류저항부; 상기 한류저항부와 병렬로 연결되어 상기 고장전류가 상기 한류저항부에 바이패스될 수 있도록 스위칭되는 바이패스 스위치부; 상기 메인 전력 라인 및 상기 배터리 스트링 사이의 전류를 측정하기 위한 전류측정부; 및 상기 전류측정부의 측정된 제1 샘플링 전류가 미리 결정된 정상범위 내의 전류 크기를 벗어난 경우 상기 고장전류가 발생으로 판단하여 상기 바이패스 스위치부를 스위칭 제어하여 상기 고장전류가 상기 한류저항부로 가이드 되도록 제어하는 고장전류 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템에 의해 달성될 수 있다.
상기 집합전지 시스템은 상기 한류저항부와 직렬로 연결되어 상기 전류저항부에 대한 상기 고장전류의 도통 여부를 스위칭되도록 하는 한류저항 스위치부를 더 포함하고, 상기 고장전류 제어부는 미리 결정된 샘플링 시간 간격으로 상기 전류측정부에서 측정된 제2 샘플링 전류의 크기 및 상기 제1 샘플링 전류 대비 샘플링 시간당 전류 증감률을 기초로 상기 바이패스 스위치부 및 상기 한류저항 스위치부를 선택적으로 제어하는 것으로 할 수 있다. 그리고, 상기 고장전류 제어부는 상기 전류 증감률을 기초로 상기 샘플링 시간 후에 예상되는 제3 샘플링 전류의 크기가 미리 결정된 위험값 이상인 경우 상기 한류저항 스위치부를 오프시키는 것으로 할 수 있다.
또한, 집합전지 시스템은 상기 한류저항부와 직렬로 연결되어 상기 전류저항부에 대한 상기 고장전류의 도통 여부를 스위칭되도록 하는 한류저항 스위치부를 더 포함하고, 상기 고장전류 제어부는 상기 전류측정부의 n 번째(이하, n은 임의의 자연수) 샘플링 전류를 기초로 상기 전류 증감률을 갱신하고, 상기 갱신된 전류 증감률을 기초로 상기 샘플링 시간 경과 후 예상되는 n+1 번째 샘플링 전류의 크기가 미리 결정된 위험값 이상인 경우, 상기 한류저항 스위치부를 오프시키는 것으로 할 수 있다. 여기에서, 상기 고장전류 제어부는 상기 위험값을 상기 샘플링 횟수 n에 따라 가변시키는 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 고장전류 제어부는 상기 전류측정부의 n 번째 샘플링 전류를 기초로 상기 전류 증감률을 갱신하고, 상기 갱신된 전류 증감률을 기초로 상기 샘플링 시간 경과 후 예상되는 n+1 번째 샘플링 전류의 크기가 미리 결정된 안정값 이하인 경우, 상기 한류저항부로 전류가 바이패스 되지 않도록 상기 바이패스 스위치부를 스위칭 제어하는 것으로 할 수 있다.
그리고, 상기 바이패스 스위치부는 한 쌍의 트랜지스터가 병렬로 연결되는 양방향 스위치를 포함하는 것으로 할 수 있으며, 상기 메인 전력 라인과 상기 배터리 스트링간 전류 경로 상에 인덕터를 더 포함하고, 상기 전류측정부의 샘플링 시간 간격은 시정수에 따라 결정되는 것으로 할 수 있다.
또한, 상기 집합전지 시스템은 상기 한류저항부와 직렬로 연결되어 상기 전류저항부에 대한 상기 고장전류의 도통 여부를 스위칭되도록 하는 한류저항 스위치부를 더 포함하고, 상기 전류측정부의 측정 전류가 상기 정상범위보다 작은 경우, 상기 고장전류 제어부는 미리 결정된 샘플링 시간 간격으로 상기 전류측정부에서 측정된 제2 샘플링 전류의 크기 및 상기 제1 샘플링 전류 대비 샘플링 시간당 전류 증감률을 기초로 상기 한류저항 스위치부를 선택적으로 차단 제어하는 것으로 할 수 있다.
본 발명은 고장전류 발생시 수백 밀리 초 동안 고장전류를 저감하고 고장전류 예측을 통한 스위칭 제어를 통해 시스템 안정화를 기하여 대전력 집합전지의 열 폭주 및 연쇄 화재 폭발을 방지할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 고장전류 저감회로를 포함한 집합전지 시스템의 개략적인 블록 구성도;
도2는 본 발명의 실시예에 따른 고장전류 저감회로를 포함한 집합전지 시스템의 구체적인 회로 구성도; 및
도3은 본 발명의 실시예에 따른 고장전류 저감회로를 포함한 집합전지 시스템의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 고장전류 저감회로를 포함한 집합전지 시스템의 개략적인 블록 구성도이고, 도2는 본 발명의 실시예에 따른 구체적인 회로 구성도이다.
도1 및 도2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 집합전지 시스템은 메인 전력 라인(1), 배터리 스트링(2), 한류저항부(3), 바이패스 스위치부(4), 한류저항 스위치부(5), 전류측정부(6), 전자개폐부(7), 및 고장전류 제어부(8)를 포함하여 구성된다.
메인 전력 라인(1)은 배터리 스트링(2)에서 공급되는 전력이 시스템 전체에 공급되도록 하는 브릿지 역할을 하는 전력 라인으로서, 예컨대 전기자동차, 전기선박, 전기항공기, 전기잠수함 등의 전장 장치들이 배터리 스트링(2)에서 공급되는 전력을 공급받을 수 있도록 하는 임의의 DC 네트워크를 포괄적으로 지칭한다.
배터리 스트링(2)은 다수의 배터리 셀을 직렬 혹은 직병렬 연결하여 구성되며, 방전시에는 메인 전력 라인(1)에 전력을 제공하고, 반면 충전시에는 외부 전력 공급원으로부터 혹은 내부 발전기를 통해 전력을 충전한다.
한류저항부(3)는 메인 전력 라인(1)에 연결되는 시스템 또는 배터리 스트링(2)에서 발생한 임의의 고장원인으로 흐르게 되는 고장전류를 가이드하고 제한하기 위해 마련된다. 여기에서 고장이란 배터리 셀의 관통, 오동작, 과열, 단락, 전해액 누출 등에 의한 화재, 배터리 동작 중단 등을 포함하고, 시스템상 임의의 부품 이상에 의한 비정상 동작 상태를 통칭하며, 고장전류는 이러한 고장 원인으로 발생하는 전류를 또한 지칭한다.
한류저항부(3)는 메인 전력 라인(1)과 배터리 스트링(2) 사이의 정상전류 공급라인과 병렬, 바이패스 경로상에 마련되며 도2에서는 1개의 저항으로 예시적인 구성을 나타내었다. 한류저항부(3)는 고장전류의 크기 제한을 위해 필요한 레벨의 저항 또는 임피던스 크기를 갖도록 하며, 예컨대 수 만 암페어의 전류를 수 백 암페어 이하의 전류로 제한하기 위해 시스템 임피던스를 고려하여 결정될 수 있다.
바이패스 스위치부(4)는 고장전류 발생시 고장전류를 한류저항부(3)로 바이패스 시키기 위해 사용되며, 메인 전력 라인(1)과 배터리 스트링(2) 사이의 정상전류 공급라인 상에 마련된다. 바이패스 스위치부(4)는 충전과 방전에 따른 양방향 전류에 대한 도통 및 차단을 통한 바이패스를 위해 한 쌍의 트랜지스터로 구현될 수 있다. 도2의 회로에서, Q1 스위치가 도통되면 충전 전류가 Q1을 통해 배터리 스트링(2)으로 제공되고, Q2 스위치가 도통되면 배터리 스트링(2)의 방전 전류가 Q2를 통해 DC 네트워크로 공급되며, 2개의 스위치가 모두 오프될 때 한류저항부(3)로 전류가 바이패스된다.
한류저항 스위치부(5)는 바이패스된 고장전류를 도통 또는 차단하기 위해 설치된다. 시스템 임피던스가 낮고 한류저항부(3)의 저항이 작은 경우, 고장전류를 한류저항부(3)로 도통 또는 차단하기 위해서는 한류저항부(3)에 직렬로 연결되어 전류를 스위칭하기 위한 추가의 스위치가 요구되며, 도2의 회로에서는 배터리 충방전에 따라 요구되는 양방향 스위치로서 Q3, Q4 스위치가 병렬 연결되어 구현되었다.
전류측정부(6)는 메인 전력 라인(1)과 배터리 스트링(2) 사이에 전달되는 전류를 측정하기 위한 것으로, 컨트롤러에 적합한 크기로 전류를 변환시키는 변류기(CT)로 구현될 수 있다. 공지된 CT 기술 분야에서, 다양한 방식의 변류기가 채택될 수 있음을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.
전자개폐부(7)는 메인 전력 라인(1)과 배터리 스트링(2) 사이의 전력 교환을 사용자의 조작에 의해 차단 또는 공급할 수 있도록 하기 위해 설치되며, 도2에 도시된 바와 같이, 전자접촉기(마그네틱 컨택터(MC)) 또는 전자개폐기(마그네틱 스위치(MS)) 등으로 구현될 수 있다. 전자개폐부(7)는 대전력의 주접점으로 활용하기 위한 것으로 바이패스 스위치부(4)에서 활용되는 전력반도체 소자 혹은 릴레이와 쓰임에 있어 다소 차이가 있음을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
고장전류 제어부(8)는 고장전류 발생 및 고장전류의 변동 추이에 따른 스위칭 제어를 위한 것으로서, 전류측정부(6)에서 측정되어 제공되는 측정 전류값을 입력으로 바이패스 스위치부(4), 한류저항 스위치부(5), 전자개폐부(7)를 제어함으로써 시스템의 안정적인 운영을 수행한다.
도2에 도시된 바와 같이, 고장전류 제어부(8)는 컨트롤러 및 이에 탑재되는 소프트웨어로 구현되며, 배터리 전압 감지용 핀과 CT로부터 입력되는 전류 입력 핀, 바이패스 및 한류저항 스위칭부(4,5)의 트랜지스터(Q1~Q4) 게이터 구동신호 드라이버핀, 전자개폐부(7) 제어 출력핀 등을 포함하도록 할 수 있다.
기타, 도2에 도시된 소자 중에는 배터리 고장전류 저감회로를 보호하도록 배터리 스트링(2)과 병렬로 연결되는 바리스터(Var.), 고장전류의 천이시간을 지연시키기는 인덕터, 변류기와 각종 저장 전력을 프리휠링시키기 위한 다이오드(D), 퓨즈 등이 더 포함되어 있다.
이하, 도3을 참조하여, 도1 및/또는 도2에 예시된 블록 구성도 및 회로의 동작을 설명하도록 한다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 고장전류 저감회로를 포함한 집합전지 시스템의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
배터리 스트링(2)의 동작 측면에서 동작 상태는 충전과 방전 동작으로 구분할 수 있다. 정상적인 충전 상태에서는 Q1이 온 상태가 되고, 나머지 Q2~Q4는 오프 상태로 유지되어 메인 전력 라인(1)에서 배터리 스트링(2)으로 전력이 전달될 것이며, 정상적인 방전 상태에서는 Q2가 온 상태가 되고 나머지 Q1, Q3, Q4 스위치가 오프 상태로 되어 배터리 스트링(2)으로부터 메인 전력 라인(1)으로 전력이 전달될 것이다. 전류측정부(6)의 CT는 충방전 전류의 크기를 연속적으로 혹은 미리 결정된 샘플링 시간 간격으로 전류를 측정하여 컨트롤러로 정보를 제공한다(S10).
고장전류 제어부(8)는 측정되는 전류가 정상적인 동작으로 볼 수 있는 정상범위내에 있는 경우(S11) 스위칭 제어를 수행하지 않고 충방전 상태를 유지하도록 Q1 또는 Q2를 온 상태로 유지시킨다. 반면, 고장전류 제어부(8)가 측정된 전류가 정상범위를 벗어나 고장전류인 것으로 판정한 경우(S11) 고장전류가 바이패스 될 수 있도록 한다(S12).
고장전류가 바이패스되기 위해서는, 충전상태에서 Q1을 오프시키고 Q3를 온 상태로 전환하며, 방전상태에서는 Q2를 오프시키고 Q4를 온 상태로 전환함으로써 고장전류를 한류저항부(3)로 바이패스시킬 수 있다.
이상과 같이, 고장전류 제어부(8)는 Q1 ~ Q4 트랜지스터의 게이트 신호를 제어함으로써 바이패스 경로가 형성되도록 한다(S12).
고장전류가 처음 측정된 이후, 고장전류 제어부(8)는 다음 고장전류의 샘플링 값을 취한다(S13). 여기에서 고장전류의 샘플링 값은 전류측정부(6)에서 샘플링 시간 간격으로 측정되는 값이거나 전류측정부(6)에서 연속적으로 측정된 값 중에서 컨트롤러에서 수행되는 연산에서 (클록 기준으로 소프트웨어적으로) 미리 결정된 시간 간격으로 처리되는 값이라고 할 수 있다. 여기에서, 샘플링 간격은 도2에 개시된 인덕터의 시간 지연 영향을 고려하여 결정하는 것이 바람직한데, 정상 전류와 고장전류의 크기 및 인덕턴스의 크기를 기초로 실험적으로 결정한다.
2차로 측정된 샘플링 전류가 정상범위 내라면(혹은 미리 결정된 안정값 이하인 경우)(S14), 바이패스 상태를 해제하고 원래 정상상태가 되도록 트랜지스터들을 온오프 시킨다(S15).
반면, 2차로 측정된 샘플링 전류가 정상범위가 아닐 뿐만 아니라(S14) 2차로 측정된 전류가 미리 결정된 위험값 이상의 크기인 경우(S16), 즉시 한류저항 스위치부(5)를 오프하도록 제어함으로써 메인 전력 라인(1)과 배터리 스트링(2) 사이를 전기적으로 차단하도록 한다(S21).
S16 단계에서, 측정된 샘플링 전류가 위험값 이상이 아니라면, 고장전류의 증감률을 산정하고(S17), 다음 샘플링 전류를 예측함으로써 다음 샘플링시 예상 전류가 위험값 이상인지를 판정한다(S18, S19).
고장전류의 증감률은 샘플링된 측정 전류의 샘플 수에 따라서 선형 또는 비선형 방식으로 결정될 수 있으며, 샘플의 수가 부족하다면 고장전류의 증가율의 변화율을 산출함으로써 고장전류의 증감 추이를 더 명확하게 예측하는 것이 가능하다.
다음 샘플링 전류는 현재 샘플링된 측정 전류의 크기와 증감율을 대비하여 예측할 수 있다. S19 단계에서 비교대상으로 삼은 '다음 샘플링시의 예상 전류'는 '미리 결정된 샘플링 횟수 이내에 예상되는 측정 전류'로 해석될 수 있으며, 이는 시스템 디자인에 있어서 임의로 설정할 수 있는 것이다.
중요한 점은 증감율을 통해 위험값 이상으로 고장전류가 언제 증가할 것인가인데, 다음 샘플링시에 측정되는 전류가 위험값을 넘어설 것인지 혹은 5회 이상의 샘플링 측정 이후에 위험값을 넘어설 것인지를 판정함으로써, 한류저항 스위치부(5) 오프 시점을 결정하거나 고장 상태에서의 전류를 억제하면서도 정상상태로의 환원될지를 모니터링할 수 있도록 하는 것이다.
따라서 S19 단계는 다음회 혹은 미리 결정된 횟수 이내의 샘플링 전류가 위험값을 넘어가는지를 판정하는 단계로 대체될 수 있다.
다시, 도3으로 돌아가 만약, S19단계에서 예상되는 다음 샘플링 전류의 크기가 위험값 이상이라면 한류저항 스위치부(5)를 즉시 오프함으로써(S21) 배터리 스트링(2)을 절연(isolation)시켜 배터리 스트링(2)의 열 폭주를 미연에 방지하도록 한다.
한편, S19 단계에서 예상되는 다음 샘플링 전류가 위험값보다 작다면, 판정 기준으로 삼았던 위험값을 조정한 후(S20) 다시 전류 샘플링값을 측정하여 S13 단계로부터 다시 순차적인 절차를 밟도록 한다.
고장전류는 도2의 회로도에서 인덕터에 의해 증가율이 낮아지도록 되어 있으며, 고장전류가 샘플링 횟수가 거듭됨에도 불구하고 정상상태로 환원되지도 않고 설정된 매우 위험한 위험값 이상으로 증가되지도 않는 상태가 지속된다면 위험값을 낮추어 고장상태에 대한 점검이 가능하도록 한류저항 스위치부(5)가 오프되도록 하는 것이다.
위험값이 낮추어지면, S16 단계에서 측정된 샘플링 전류에 대한 크기 비교 이후에 한류저항 스위치부(5) 오프 단계인 S21이 수행될 가능성이 높아지게 되고, 또한 S19 단계에서의 판정도 yes로 판정될 가능성이 높아지게 된다.
지금까지 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 실시예를 부분적으로 치환하거나 변형하는 것이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
예를 들어, 샘플링 증감률을 산정함에 있어 샘플의 횟수를 늘리고, 이를 기반으로 전류증감률을 산정한 후 정상상태로의 복귀 가능성에 따라서 한류저항 스위치부(5)를 오프하도록 하는 것이 가능하다. 이 경우, 도3에서 S16 단계 이후 미리 결정된 샘플링 횟수가 충족되지 않은 경우 S13 단계가 수행되도록 하는 변형이 가능하다.
또한, 전술한 바와 같이, S18 및 S19 단계에서 추정되고 비교되는 전류값을 다음 샘플링이 아닌 미리 결정된 시간 이후의 값으로 하는 것이 가능하다.
전술한 실시예는 고장전류가 증가함에 따라서 고전류로 인한 배터리 스트링(2)의 절연에 초점을 두어 설명하였으나, 고장전류가 정상전류보다 낮아 배터리 스트링(2)에 고장이 발생한 것으로 판정될 때에도 전류 측정을 통해 배터리 스트링(2)을 메인 전력 라인(1)과 절연시키는 스위칭 제어도 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 전술한 본 발명의 실시예는 예시적인 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상 및 그 균등물에 미치는 것으로 해석되어야 할 것이다.
R: 한류저항
CT: 변류기
Q1~Q4: 트랜지스터
Var. : 바리스터
D: 다이오드

Claims (9)

  1. 고장전류(fault current) 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템에 있어서,
    메인 전력 라인;
    다수의 배터리 셀을 포함하고 상기 배터리 셀의 방전 전류를 상기 메인 전력 라인에 제공 가능하도록 연결된 배터리 스트링;
    고장전류 발생시 상기 메인 전력 라인과 상기 배터리 스트링 사이의 상기 고장전류의 경로를 가이드하고 제한하기 위한 한류저항부;
    상기 한류저항부와 병렬로 연결되어 상기 고장전류가 상기 한류저항부에 바이패스될 수 있도록 스위칭되는 바이패스 스위치부;
    상기 메인 전력 라인 및 상기 배터리 스트링 사이의 전류를 측정하기 위한 전류측정부; 및
    상기 전류측정부의 측정된 제1 샘플링 전류가 미리 결정된 정상범위 내의 전류 크기를 벗어난 경우 상기 고장전류가 발생으로 판단하여 상기 바이패스 스위치부를 스위칭 제어하여 상기 고장전류가 상기 한류저항부로 가이드 되도록 제어하는 고장전류 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한류저항부와 직렬로 연결되어 상기 전류저항부에 대한 상기 고장전류의 도통 여부를 스위칭되도록 하는 한류저항 스위치부를 더 포함하고,
    상기 고장전류 제어부는 미리 결정된 샘플링 시간 간격으로 상기 전류측정부에서 측정된 제2 샘플링 전류의 크기 및 상기 제1 샘플링 전류 대비 샘플링 시간당 전류 증감률을 기초로 상기 바이패스 스위치부 및 상기 한류저항 스위치부를 선택적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고장전류 제어부는 상기 전류 증감률을 기초로 상기 샘플링 시간 후에 예상되는 제3 샘플링 전류의 크기가 미리 결정된 위험값 이상인 경우 상기 한류저항 스위치부를 오프시키는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 한류저항부와 직렬로 연결되어 상기 전류저항부에 대한 상기 고장전류의 도통 여부를 스위칭되도록 하는 한류저항 스위치부를 더 포함하고,
    상기 고장전류 제어부는 상기 전류측정부의 n 번째(이하, n은 임의의 자연수) 샘플링 전류를 기초로 상기 전류 증감률을 갱신하고, 상기 갱신된 전류 증감률을 기초로 상기 샘플링 시간 경과 후 예상되는 n+1 번째 샘플링 전류의 크기가 미리 결정된 위험값 이상인 경우, 상기 한류저항 스위치부를 오프시키는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고장전류 제어부는 상기 위험값을 상기 샘플링 횟수 n에 따라 가변시키는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고장전류 제어부는 상기 전류측정부의 n 번째 샘플링 전류를 기초로 상기 전류 증감률을 갱신하고, 상기 갱신된 전류 증감률을 기초로 상기 샘플링 시간 경과 후 예상되는 n+1 번째 샘플링 전류의 크기가 미리 결정된 안정값 이하인 경우, 상기 한류저항부로 전류가 바이패스 되지 않도록 상기 바이패스 스위치부를 스위칭 제어하는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이패스 스위치부는 한 쌍의 트랜지스터가 병렬로 연결되는 양방향 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 전력 라인과 상기 배터리 스트링간 전류 경로 상에 인덕터를 더 포함하고,
    상기 전류측정부의 샘플링 시간 간격은 시정수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 한류저항부와 직렬로 연결되어 상기 전류저항부에 대한 상기 고장전류의 도통 여부를 스위칭되도록 하는 한류저항 스위치부를 더 포함하고,
    상기 전류측정부의 측정 전류가 상기 정상범위보다 작은 경우, 상기 고장전류 제어부는 미리 결정된 샘플링 시간 간격으로 상기 전류측정부에서 측정된 제2 샘플링 전류의 크기 및 상기 제1 샘플링 전류 대비 샘플링 시간당 전류 증감률을 기초로 상기 한류저항 스위치부를 선택적으로 차단 제어하는 것을 특징으로 하는 고장전류 저감회로를 포함하는 집합전지 시스템.



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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200044591A (ko) * 2018-10-19 2020-04-29 대우조선해양 주식회사 반도체 스위치를 이용한 단락전류제한장치
WO2021112595A1 (ko) * 2019-12-05 2021-06-10 주식회사 엘지에너지솔루션 복수의 전류 경로를 포함하는 배터리 팩
US11072257B2 (en) 2018-08-13 2021-07-27 Lg Chem, Ltd. Switch control apparatus

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090026900A (ko) 2007-09-11 2009-03-16 연세대학교 산학협력단 자계 스위칭을 이용한 직류 차단기용 순간 전류 제한기
KR20110118659A (ko) * 2009-02-06 2011-10-31 지멘스 악티엔게젤샤프트 단락 회로 보호 디바이스 및 그러한 보호 디바이스들을 갖는 스위치기어 어셈블리
WO2011157305A1 (en) 2010-06-14 2011-12-22 Abb Research Ltd Fault protection of hvdc transmission lines

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090026900A (ko) 2007-09-11 2009-03-16 연세대학교 산학협력단 자계 스위칭을 이용한 직류 차단기용 순간 전류 제한기
KR20110118659A (ko) * 2009-02-06 2011-10-31 지멘스 악티엔게젤샤프트 단락 회로 보호 디바이스 및 그러한 보호 디바이스들을 갖는 스위치기어 어셈블리
WO2011157305A1 (en) 2010-06-14 2011-12-22 Abb Research Ltd Fault protection of hvdc transmission lines

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11072257B2 (en) 2018-08-13 2021-07-27 Lg Chem, Ltd. Switch control apparatus
KR20200044591A (ko) * 2018-10-19 2020-04-29 대우조선해양 주식회사 반도체 스위치를 이용한 단락전류제한장치
WO2021112595A1 (ko) * 2019-12-05 2021-06-10 주식회사 엘지에너지솔루션 복수의 전류 경로를 포함하는 배터리 팩
CN114080724A (zh) * 2019-12-05 2022-02-22 株式会社Lg新能源 包括多个电流路径的电池组
CN114080724B (zh) * 2019-12-05 2023-08-29 株式会社Lg新能源 包括多个电流路径的电池组

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