KR20200033012A - 배터리 팩 및 배터리 팩이 장착된 이동 수단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩 및 배터리 팩이 장착된 이동 수단에 관한 것이다. 상기 배터리 팩은, 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 충, 방전 동작을 제어하기 위한 배터리 관리 시스템과, 배터리 관리 시스템의 동작 전원을 공급하기 위한 전원 공급 단자와, 전원 공급 단자와 배터리 관리 시스템 사이에 연결된 것으로, 배터리 모듈의 이상 상황을 포착하여 턴-온 되는 기계식 스위치를 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 팩의 상태를 감시하고, 충 방전 동작을 제어하기 위한 배터리 관리 시스템이 슬립 모드에 있는 동안에도, 배터리 모듈의 이상 상황을 포착하여 배터리 관리 시스템을 웨이크-업 시킴으로써, 적절한 보호 동작이 개시될 수 있는 배터리 팩 및 배터리 팩이 장착된 이동 수단이 제공될 수 있다.

Description

배터리 팩 및 배터리 팩이 장착된 이동 수단{Battery pack and means of transportation having the battery pack}
본 발명은 배터리 팩 및 배터리 팩이 장착된 이동 수단에 관한 것이다.
통상적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차 전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 무정전 전원공급장치(uninterruptible power supply) 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 전지들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 모듈 형태로 사용되기도 한다.
휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 전지의 출력과 용량으로 소정시간 동안 작동이 가능하지만, 전력소모가 많은 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지를 포함하는 모듈 형태가 선호되며, 내장된 전지의 개수에 따라 출력전압이나 출력전류를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 배터리 팩의 상태를 감시하고, 충 방전 동작을 제어하기 위한 배터리 관리 시스템이 슬립 모드에 있는 동안에도, 배터리 모듈의 이상 상황을 포착하여 배터리 관리 시스템을 웨이크-업 시킴으로써, 적절한 보호 동작이 개시될 수 있는 배터리 팩 및 배터리 팩이 장착된 이동 수단을 포함할 수 있다.
상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 배터리 팩은,
배터리 모듈;
상기 배터리 모듈의 충, 방전 동작을 제어하기 위한 배터리 관리 시스템;
상기 배터리 관리 시스템의 동작 전원을 공급하기 위한 전원 공급 단자; 및
상기 전원 공급 단자와 배터리 관리 시스템 사이에 연결된 것으로, 배터리 모듈의 이상 상황을 포착하여 턴-온 되는 기계식 스위치를 포함한다.
예를 들어, 상기 전원 공급 단자는 배터리 모듈의 출력 전압 보다 낮은 정전압 전원과 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 배터리 관리 시스템은, 상기 기계식 스위치의 턴-온 시에 전원 공급 단자와 연결되어 전원 공급이 개시됨에 따라 웨이크-업 될 수 있다.
예를 들어, 상기 배터리 관리 시스템은,
배터리 관리 시스템의 동작을 전반적으로 제어하는 제어부; 및
상기 전원 공급 단자의 전력을 입력으로 하여, 상기 제어부의 구동 전력을 제공하기 위한 전력 변환부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 기계식 스위치는, 상기 전원 공급 단자와 상기 전력 변환부 사이에 연결되며,
상기 기계식 스위치의 턴-온에 따라 상기 전력 변환부는 상기 전원 공급 단자의 전력을 입력으로 하여, 제어부의 구동 전력을 출력할 수 있다.
예를 들어, 상기 기계식 스위치는, 프레임과, 상기 프레임의 일 측 및 타 측에 각각 고정된 고정 접점 부재와 가동 접점 부재를 포함하며,
상기 가동 접점 부재는, 배터리 모듈이 수용되는 수용 공간으로 노출될 수 있다.
예를 들어, 상기 고정 접점 부재는 중앙 위치를 관통하여 프레임에 체결되는 고정 핀에 의해 프레임에 고정될 수 있다.
예를 들어, 상기 가동 접점 부재는,
상기 프레임에 고정된 고정 단부;
감응 온도 이상의 고온 또는 감응 압력 이상의 고압 하에서 물리적으로 변형됨에 따라 고정 접점 부재에 대해 접촉되도록 고정 접점 부재의 적어도 일부와 마주하게 배치되는 자유 단부; 및
상기 고정 단부와 자유 단부를 서로 연결하면서 자유 단부의 변형을 허용하도록 상대적으로 얇은 두께로 형성된 힌지부;를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 고정 접점 부재 및 가변 접점 부재는, 상기 배터리 모듈이 수용되는 수용 공간으로 노출되어 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 기계식 스위치는, 배터리 모듈과 배터리 관리 시스템 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 기계식 스위치는 상기 배터리 관리 시스템을 마주하는 배터리 모듈의 외면에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 기계식 스위치는 상기 배터리 모듈을 마주하는 배터리 관리 시스템의 외면에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 배터리 팩은, 상기 배터리 모듈, 배터리 관리 시스템 및 기계식 스위치가 함께 수용되는 팩 케이스를 더 포함하며,
상기 기계식 스위치는, 상기 배터리 모듈과 마주하는 팩 케이스의 내부면에 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩이 장착된 이동 수단은,
배터리 모듈;
상기 배터리 모듈의 충, 방전 동작을 제어하기 위한 배터리 관리 시스템;
상기 배터리 관리 시스템의 동작 전원을 공급하기 위한 전원 공급부; 및
상기 전원 공급부와 배터리 관리 시스템 사이에 연결된 것으로, 배터리 모듈의 이상 상황을 포착하여 턴-온 되는 기계식 스위치;
상기 배터리 모듈로부터 구동 동력을 전달받는 모터; 및
상기 모터 구동의 전반을 제어하기 위한 ECU;를 포함한다.
예를 들어, 상기 기계식 스위치는 상기 전원 공급부와 제1 노드 사이에 연결되며,
상기 배터리 관리 시스템 및 ECU는 상기 제1 노드에 병렬 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 배터리 관리 시스템 및 ECU는, 상기 기계식 스위치의 턴-온 시에 제1 노드를 통하여 전원 공급부에 동시에 연결되어 전원 공급이 개시됨에 따라 웨이크-업 될 수 있다.
본 발명에 의하면, 이동 수단의 시동 키가 오프된 상태와 같이, 배터리 팩의 상태를 감시하고, 충 방전 동작을 제어하기 위한 배터리 관리 시스템이 슬립 모드에 있는 동안에도, 과열이나 고압과 같은 배터리 모듈의 이상 상황을 포착하여 배터리 관리 시스템을 웨이크-업(wake-up) 시킴으로써, 배터리 모듈의 과열이나 고압과 같은 이상 상황에 대응하여 적절한 보호 동작을 개시하여 배터리 모듈의 발화나 폭발과 같은 사고의 발생을 사전에 방지할 수 있고, 탑승자의 대피를 유도하도록 적절한 경고 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 과열이나 고압과 같은 배터리 모듈의 이상 상황을 포착하여 배터리 팩의 배터리 관리 시스템과 이동 수단의 ECU를 동시에, 웨이크-업(wake-up) 시킴으로써, 배터리 모듈의 이상 상황을 감지한 배터리 팩의 배터리 관리 시스템과 이동 수단의 ECU가 서로 협력하여 배터리 모듈의 발화나 폭발과 같은 안전 사고의 예방 및 탑승자의 대피를 위한 동작을 함께 수행할 수 있다.
도 1에는 본 발명의 배터리 팩 및 배터리 팩이 장착된 이동 수단의 개략적인 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템의 보다 구체적인 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 기계식 스위치의 구조를 보여주는 도면으로, 각각 턴-오프 상태 및 턴-온 상태를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 5에는 기계식 스위치의 평면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 6 내지 도 8에는 도 3에 도시된 기계식 스위치의 서로 다른 배치 구조가 도시되어 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에 관한 배터리 팩 및 배터리 팩이 장착된 이동 수단에 대해 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 배터리 팩 및 배터리 팩이 장착된 이동 수단의 개략적인 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 2에는 도 1에 도시된 배터리 관리 시스템의 보다 구체적인 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
본 발명의 이동 수단(1)은, 배터리 팩(10)을 장착하고 배터리 팩(10)을 에너지원으로 하는 다양한 이동 수단(1)을 포괄할 수 있으며, 전기 바이크, 전기 자동차와 같은 다양한 형태의 이동 수단(1)을 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 이동 수단(1)은, 에너지원으로서의 배터리 팩(10), 배터리 팩(10)으로부터 구동 동력을 전달받는 모터(258), 그리고, 모터(258)의 구동 전반을 제어하기 위한 ECU(255) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 팩(10)은, 이동 수단(1)의 내부에 장착되어 구동 동력을 제공할 수 있으며, 보다 구체적으로, 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈(50)과, 배터리 모듈(50)의 충, 방전 동작을 제어하기 위한 배터리 관리 시스템(150, Battery Management System, 이하 BMS)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈(50)은, 고용량 고출력을 제공하기 위해 다수의 배터리 셀이 전기적으로 연결되어 모듈화된 형태로 마련될 수 있으며, 배터리 모듈(50)의 출력 전원은 이동 수단(1)의 모터(258)로 공급될 수 있다. 이동 수단(1) 내부에는 모터(258) 구동의 전반을 제어하기 위한 ECU(255)가 장착될 수 있으며, ECU(255)로부터 출력되는 모터(258) 구동신호에 따라 제어된 구동 전류가 모터(258)로 공급될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 BMS(150)는 BMS(150)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 제어부(155)를 포함하며, 배터리 모듈(50)로부터 전달되는 온도 및 전압 등의 상태 정보에 관한 측정 값을 양자화된 디지털 값으로 변환하여 제어부(155)로 전달하고, 제어부(155)의 제어 신호에 따라 충전 스위치(SW2) 및 방전 스위치(SW1)에 대한 온 오프 제어 신호를 출력하는 아날로그 프론트 엔드(153, Analog Front End, AFE)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 BMS의 동작에 대해 살펴보면 이하와 같다. 즉, 상기 BMS(150)는, 배터리 모듈(50)의 상태를 모니터링하고 배터리 모듈(50)의 충, 방전 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 BMS(150)는 배터리 모듈(50)의 충, 방전 패스 상에 연결된 충전 스위치(SW2) 및 방전 스위치(SW1)의 온/오프 동작을 제어함으로써, 배터리 팩(10)의 충, 방전 동작을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 BMS(150)는, 배터리 모듈(50)에 장착된 서미스터(미도시)와 전압 측정 단자를 통하여 온도 및 전압에 관한 정보를 입수할 수 있고, 충, 방전 경로 상에 배치된 전류 센서(R)를 이용하여 충, 방전 전류량을 측정할 수 있으며, 전압, 전류, 온도와 같은 배터리 모듈(50)의 상태 정보에 근거하여, 과충전, 과방전, 과전류와 같은 이상 상황을 포착하고 배터리 모듈(50)의 보호 동작을 수행할 수 있다. 또한, 상기 BMS(150)는 배터리 모듈(50)을 형성하는 각 배터리 셀들 사이에서 충전 상태의 균형을 맞추기 위한 셀 밸런싱 동작을 수행할 수 있으며, 예를 들어, 상기 BMS(150)는 충전 상태가 비교적 높은 배터리 셀은 방전시키고 충전 상태가 비교적 낮은 배터리 셀은 충전시키는 셀 밸런싱 동작을 수행할 수 있다.
상기 BMS(150)는, BMS(150) 동작의 전반을 제어하기 위한 제어부(155)를 포함할 수 있으며, 제어부(155)를 포함하는 BMS(150)의 각 개소에 전원을 공급하기 위한 전력 변환부(158)를 포함할 수 있다. 상기 제어부(155)는, 아날로그 프론트 엔드(153, Analog Front End, AFE)를 통하여 배터리 모듈(50)의 충, 방전 경로 상에 연결된 충전 스위치(SW2) 및 방전 스위치(SW1)에 대해 온/오프의 제어 신호를 출력할 수 있으며, 셀 밸런싱 동작의 개시 시점을 결정하고 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있고, 배터리 모듈(50)의 충전상태(state of charging, SOC), 건강상태(state of health, SOH) 등에 관한 정보를 생성할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 전력 변환부(158)는 전원 공급부(200)로부터 전력을 공급받고, 전원 공급부(200)의 전력을 BMS(150)의 각 개소에서 받아들일 수 있는 전력으로 변환하여 BMS(150)의 동작 전원으로 공급할 수 있으며, 제어부(155)를 포함하는 BMS(150)의 각 회로에 대한 동작 전원을 공급할 수 있다.
상기 전원 공급부(200)는 12V의 정전압 전원을 공급할 수 있으며, 배터리 팩(10)의 BMS(150)와 이동 수단(1)의 ECU(255)에 대한 동작 전원을 공급할 수 있다. 상기 전원 공급부(200)에는 이동 수단(1) 내부에 장착된 다양한 전장 부하(미도시)들이 연결될 수 있으며, 다양한 전장 부하(미도시)들은 상기 전원 공급부(200)로부터 동작 전원을 공급받을 수 있다.
상기 전원 공급부(200)는 배터리 팩(10)과는 별도의 구성으로 이동 수단(1) 내부에 마련될 수 있으며, 배터리 팩(10)의 전원 공급 단자(P)를 통하여 배터리 팩(10)과 연결될 수 있다. 예를 들어, BMS(150)가 이동 수단(1)의 전원 공급부(200)로부터 전원 공급을 받는다는 것은, BMS(150)가 전원 공급부(200)와 연결된 전원 공급 단자(P)로부터 전원 공급을 받는다는 것을 의미할 수 있고, 이동 수단(1)의 전원 공급부(200)와 배터리 팩(10)의 전원 공급 단자(P)는 서로 대체적으로 사용될 수 있다.
상기 전원 공급부(200)는 이동 수단(1)의 주 동력원으로서의 배터리 팩(10) 이외의 보조 배터리로 제공될 수 있으며, 배터리 팩(10)으로부터 공급되는 고전압의 전력이 DC-DC 컨버터(미도시)를 통하여 12V의 저전압으로 변환된 후 전원 공급부(200)에 충전될 수 있다.
이동 수단(1)의 시동 스위치(시동 키)가 온 되는 이그니션(IG) 상태에서 상기 전력 변환부(158)는 BMS(150)의 동작 전원을 공급한다. 즉, 상기 전력 변환부(158)는, 전원 공급부(200)의 전력을 제어부(155)의 구동에 적합한 전력으로 변환하고, 변환된 전력을 제어부(155)의 구동 전원으로 공급할 수 있다. 상기 전력 변환부(158)는 제어부(155)를 포함하는 BMS(150)의 각 회로에 대해, 각각의 회로에 적합한 구동 전원을 공급할 수 있다.
예를 들어, 시동 스위치(시동 키)가 온 되는 이그니션(ignition) 상태에서 상기 제어부(155)에 대해 구동 전원이 공급되어 제어부(155)가 소정 시간 동안 동작될 수 있으며, 상기 제어부(155)는 동작 전원을 공급하도록 전력 변환부(158)에 대해 전력 공급 신호를 출력할 수 있다. 제어부(155)로부터 전력 공급 신호가 수신된 전력 변환부(158)는, 전원 공급부(200)의 전력을 제어부(155)의 구동에 적합한 전력으로 변환하고, 변환된 전력을 제어부(155)의 구동 전원으로 공급할 수 있다.
이동 수단(1)의 시동 스위치(시동 키)가 오프된 상태에서 상기 전력 변환부(158)는 BMS(150)의 동작 전원을 차단하며, BMS(150)는 동작 전원이 차단된 슬립 모드로 전환될 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부(155)는, 시동 스위치(시동 키)가 오프된 상태에서 BMS(150)의 동작 전원을 차단하도록 전력 변환부(158)에 대해 전력 차단 신호를 출력할 수 있고, 이에 따라, BMS(150)는 동작 전원이 차단된 슬립 모드로 전환될 수 있다. 상기 BMS(150)는, 이동 수단(1)의 시동이 오프된 상태에서는 슬립 모드로 대기하다가, 이동 수단(1)의 시동이 온 되면 시동 전원이 공급되면서 동작을 개시할 수 있다.
상기 BMS(150)는 이동 수단(1)의 시동이 오프된 상태에서는 슬립 모드로 대기하다가, 과열이나 고압과 같은 배터리 모듈(50)의 이상 상황을 포착한 기계식 스위치(100)의 작동에 따라 BMS(150)의 전원 공급이 개시되면서 슬립 모드에서 웨이크-업(wake-up) 모드로 전환될 수 있다. 그리고, 상기 BMS(150)는 배터리 모듈(50)의 이상 상황에 대응하여 배터리 모듈(50)의 보호 동작을 개시할 수 있으며, 이동 수단(1)의 내부로 경보 신호를 출력하여 탑승자의 대피를 유도하거나 또는 무선 통신망을 통하여 원격지의 운행자에게 경보 신호를 제공할 수도 있다.
상기 BMS(150)는 동작 전원이 차단된 슬립 모드에서도, 과열, 고압 등 배터리 모듈(50)의 이상 상황을 포착하여 BMS(150)를 웨이크-업 시키는 기계식 스위치(100)의 동작에 따라 배터리 모듈(50)의 폭발이나 발화와 같은 안전 사고의 발생을 미연에 방지할 수 있다.
상기 기계식 스위치(100)는, 감응 온도 이상의 고온 또는 감응 압력 이상의 고압 하에서, 접점이 연결되면서 턴-온 될 수 있고, 턴-온시 전원 공급부(200, 또는 전원 공급 단자 P)와 BMS(150, 보다 구체적으로 BMS 150의 전력 변환부 158) 사이를 연결하도록 전원 공급부(200, 또는 전원 공급 단자 P)와 BMS(150) 사이에 연결될 수 있다. 상기 기계식 스위치(100)의 구조에 대해서는 후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
이동 수단(1) 내에는 배터리 팩(10)의 BMS(150)와 통신 가능하게 연결된 ECU(255)가 탑재될 수 있다. 상기 ECU(255)는 이동 수단(1)의 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 이동 수단(1)의 속도 등의 정보에 기초하여, 모터(258) 구동신호를 출력하고, 모터(258)의 회전 속도나 토크를 제어할 수 있으며, ECU(255)로부터 출력되는 모터(258) 구동신호에 따라 모터(258)에 제어된 구동 전류가 인가될 수 있다.
이동 수단(1)의 ECU(255)와 배터리 팩(10)의 BMS(150)는 CAN 등의 통신 라인을 통하여 정보를 교환할 수 있도록 서로 통신 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 BMS(150)는 충전상태(state of charging, 이하 SOC), 건강상태(state of health, 이하 SOH) 등에 관한 정보를 생성하고 이동 수단(1)의 ECU(255)에 전달해줄 수 있다.
상기 기계식 스위치(100)는, 배터리 팩(10)의 BMS(150) 및 이동 수단(1)의 ECU(255)에 함께 연결될 수 있다. 상기 기계식 스위치(100)는, 감응 온도 이상의 고온 또는 감응 압력 이상의 고압 하에서, 접점이 연결되면서 턴-온 되며, BMS(150)에 대한 전원 공급이 개시됨에 따라 BMS(150)를 웨이크-업 시킬 수 있다. 턴-온 시에, 상기 기계식 스위치(100)는 배터리 팩(10)의 BMS(150)와 이동 수단(1)의 ECU(255)를 동시에 웨이크-업(wake-up) 시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 기계식 스위치(100)는 전원 공급부(200)와 제1 노드(N1) 사이에 연결될 수 있으며, 배터리 팩(10)의 BMS(150)와 이동 수단(1)의 ECU(255)는 상기 제1 노드(N1)에 병렬 연결되어 기계식 스위치(100)의 턴-온 시에 제1 노드(N1)를 통하여 전원 공급부(200)와 배터리 팩(10)의 BMS(150)와 이동 수단(1)의 ECU(255)가 동시에 연결될 수 있으며, 배터리 팩(10)의 BMS(150)와 이동 수단(1)의 ECU(255)에 대해 동시에 전원 공급이 개시됨에 따라 배터리 팩(10)의 BMS(150)와 이동 수단(1)의 ECU(255)가 동시에 웨이크-업(wake-up) 될 수 있다.
이와 같이, 상기 기계식 스위치(100)는 감응 온도 이상의 고온 또는 감응 압력 이상의 고압 하에서, 턴-온 되어 배터리 팩(10)의 BMS(150)와 이동 수단(1)의 ECU(255)를 동시에 웨이크-업 시킴으로써, 배터리 모듈(50)의 이상 상황을 감지한 배터리 팩(10)의 BMS(150)와 이동 수단(1)의 ECU(255)가 서로 협력하여 배터리 모듈(50)의 발화나 폭발과 같은 안전 사고의 예방 및 탑승자의 대피를 위한 동작을 함께 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 팩(10)의 BMS(150)는 기계식 스위치(100)의 턴-온에 따라 곧바로 전원 공급이 개시됨에 따라 웨이크-업 모드로 전환될 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 다른 실시형태에서, 배터리 팩(10)의 BMS(150)는 기계식 스위치(100)의 턴-온으로 발생된 기동 신호에 따라 배터리 팩(10)의 BMS(150)에 대한 전원 공급이 개시됨으로써, BMS(150)가 슬립 모드에서 웨이크-업 모드로 전환될 수도 있다.
유사하게, 본 발명의 일 실시형태에서, 이동 수단(1)의 ECU(255)는 기계식 스위치(100)의 턴-온에 따라 곧바로 전원 공급이 개시됨에 따라 웨이크-업 모드로 전환될 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 다른 실시형태에서, 이동 수단(1)의 ECU(255)는 기계식 스위치(100)의 턴-온으로 발생된 기동 신호에 따라 이동 수단(1)의 ECU(255)에 대한 전원 공급이 개시됨으로써, ECU(255)가 슬립 모드에서 웨이크-업 모드로 전환될 수도 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 기계식 스위치(100)의 구조를 보여주는 도면으로, 각각 턴-오프 상태 및 턴-온 상태를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 5에는 기계식 스위치(100)의 평면 구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 상기 기계식 스위치(100)는, 주변의 온도 및/또는 압력에 반응하여 트리거(trigger) 되며, 감응 온도 이상의 고온 또는 감응 압력 이상의 고압 하에서 기계식 스위치(100)의 일부 구성이 물리적으로 변형됨에 따라 턴-온 상태로 전환될 수 있으며, 기계식 스위치(100)의 턴-온 동작을 위한 별도의 전기적 전원을 필요로 하지 않는다. 상기 기계식 스위치(100)는 전기적으로 구동되지 않으며, 주변의 온도, 압력과 같은 물리적인 환경 변수에 따라 턴-온 될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 기계식 스위치(100)는, 프레임(105)과, 상기 프레임(105)에 고정된 고정 접점 부재(110)와, 주변의 온도/압력에 따라 고정 접점 부재(110)에 대해 접촉되도록 변형 가능한 가동 접점 부재(120)를 포함할 수 있다.
상기 프레임(105)은, 기계식 스위치(100)를 지지하는 지지 구조(S) 상에 결합될 수 있으며, 예를 들어, 상기 프레임(105)은 볼트(B)와 같은 체결 부재를 통하여 지지 구조(S) 상에 결합될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 기계식 스위치(100)는, 배터리 모듈(50)과 함께 팩 케이스(15, 도 6 참조) 내부에 수용될 수 있으며, 배터리 모듈(50)과 마주하는 팩 케이스(15, 도 6 참조)의 내부면에 결합될 수 있다. 이때, 상기 지지 구조(S)는, 팩 케이스(15, 도 6 참조)에 해당될 수 있으며, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 기계식 스위치(100)는 배터리 모듈(50) 및 BMS(150)의 서로 마주하는 외면에 결합될 수 있으며, 이때, 상기 지지 구조(S)는, 배터리 모듈(50)의 외면이나, BMS(150)의 외면에 해당될 수 있다.
상기 가동 접점 부재(120)는, 주변의 온도/압력에 따라 변형 가능한 구조를 갖고, 물리적인 변형에 따라 고정 접점 부재(110)에 대해 접촉되어 도통될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 가동 접점 부재(120)는 배터리 모듈(50)의 정상 상태에서는 고정 접점 부재(110)로부터 이격되어 턴-오프 상태를 유지하다가, 감응 온도 이상의 고온 또는 감응 압력 이상의 고압 하에서 고정 접점 부재(110)에 접촉되도록 변형되면서 턴-온 상태로 전환될 수 있다.
상기 가동 접점 부재(120)는, 배터리 모듈(50)의 수용 공간(G)이 감응 온도 이상으로 과열된 상태에서, 형상의 변형을 통하여 고정 접점 부재(110)와 도통될 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 가동 접점 부재(120)는 바이메탈 또는 형상 기억 합금으로 형성될 수 있다. 상기 가동 접점 부재(120)는 프레임(105)에 고정된 고정 단부(121)와, 고정 접점 부재(110)의 적어도 일부와 마주하게 배치되며 물리적인 변형에 수반하여 고정 접점 부재(110)와의 접촉을 형성하는 자유 단부(122)를 포함할 수 있다. 상기 고정 단부(121)와 자유 단부(122) 사이에는 고정 단부(121)와 자유 단부(122)를 서로 연결하면서도 자유 단부(122)의 변형을 허용하도록 상대적으로 얇은 두께로 형성된 힌지부(125)가 형성될 수 있다. 상기 가동 접점 부재(120)의 고정 단부(121)는 프레임(105)의 걸림턱(108) 및 힌지부(125)에 끼워진 조립 핀(109)에 의해 프레임(105)에 위치 고정될 수 있다.
상기 가동 접점 부재(120)는 배터리 모듈(50)의 수용 공간(G)에 압력이 축적된 고압 상태에서 축적된 압력에 순응하여 고정 접점 부재(110)에 대해 접촉되도록 변형되면서 턴-온 상태로 전환될 수도 있다. 상기 가동 접점 부재(120)는 고정 단부(121)와 자유 단부(122) 사이의 힌지부(125)를 중심으로 자유 단부(122)가 고압에 의해 고정 접점 부재(110)를 향하여 선회되면서 고정 접점 부재(110)와 접촉되어 턴-온 될 수 있다.
상기 고정 접점 부재(110)도 주변의 온도/압력에 따라 변형될 수 있으나, 고정 접점 부재(110)와 가동 접점 부재(120) 간의 도통 여부는 가동 접점 부재(120)의 변형에 의존하며, 이에 따라, 가동 접점 부재(120)의 감응 온도 또는 감응 압력에 따라 기계식 스위치(100)의 턴-온 조건이 정교하게 설정될 수 있다. 상기 고정 접점 부재(110)는 고정 핀(111)에 의해 프레임(105)에 위치 고정될 수 있고, 상기 고정 핀(111)은, 고정 접점 부재(110)의 변형을 저지할 수 있도록 고정 접점 부재(110)의 중앙 위치에서 고정 접점 부재(110)를 관통하여 프레임(105)에 체결될 수 있다.
상기 고정 접점 부재(110)와 가동 접점 부재(120)는 프레임(105)의 일 편 및 타 편에 각각 위치 고정될 수 있다. 상기 고정 접점 부재(110)와 가동 접점 부재(120)는 프레임(105)으로부터 노출되도록 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 고정 접점 부재(110)와 가동 접점 부재(120)는 모두 프레임(105)으로부터 노출되어 있다. 이와 달리, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 고정 접점 부재(110)는 프레임(105)에 의해 은폐되어 배터리 모듈(50)의 수용 공간(G)으로 노출되지 않을 수 있고, 상기 가동 접점 부재(120)는 프레임(105)으로부터 벗어나 배터리 모듈(50)의 수용 공간(G)으로 노출될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 프레임(105)은 고정 접점 부재(110)와 가동 접점 부재(120)를 온전하게 둘러싸는 구조가 아니며, 프레임(105)의 일부가 개방되어 적어도 상기 가동 접점 부재(120)가 배터리 모듈(50)의 수용 공간(G)으로 노출됨으로써, 높은 민감도로 배터리 모듈(50)의 이상 상황을 포착할 수 있도록 가동 접점 부재(120)는 배터리 모듈(50)의 수용 공간(G)으로 노출될 수 있으며, 프레임(105)에 의해 배터리 모듈(50)과 가동 접점 부재(120)가 서로 격리되지 않도록 프레임(105)은 개방된 형태로 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 기계식 스위치(100)는 배터리 모듈(50)이 수용된 팩 케이스(15, 도 6 참조) 내에 배치될 수 있으며, 기계식 스위치(100)와 배터리 모듈(50)은, 팩 케이스(15, 도 6 참조)의 내부 공간(배터리 모듈 50을 수용하는 수용 공간 G)을 통하여 서로 유체적으로 연결될 수 있다. 여기서, 기계식 스위치(100)와 배터리 모듈(50)이 서로 유체적으로 연결된다는 것은, 배터리 모듈(50)의 온도 및 압력이 기계식 스위치(100)(보다 구체적으로, 기계식 스위치 100의 가동 접점 부재 120)로 그대로 전달될 수 있도록 기계식 스위치(100)와 배터리 모듈(50) 사이에는 이들을 서로 다른 공간으로 격리시키는 구조가 개재되지 않는다는 것을 의미할 수 있다.
도 6 내지 도 8에는 도 3에 도시된 기계식 스위치의 서로 다른 배치 구조가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 기계식 스위치(100)는 배터리 모듈(50)과 함께, 팩 케이스(15) 내부에 배치될 수 있다. 상기 팩 케이스(15)는, 배터리 팩(10)의 외형을 형성할 수 있으며, 외부 환경으로부터 배터리 팩(10)의 내부 구성을 보호하는 기능을 할 수 있다. 상기 팩 케이스(15)는 배터리 모듈(50)이 수용되는 수용 공간(G)을 제공할 수 있으며, 팩 케이스(15)의 내부 공간은 배터리 모듈(50)의 수용 공간(G)을 의미할 수 있다.
상기 팩 케이스(15) 내에는 배터리 모듈(50)과 BMS(150)가 수용될 수 있으며, 상기 기계식 스위치(100)는 팩 케이스(15)의 내부 공간(배터리 모듈 50을 수용하는 수용 공간 G)에 배치되는 한도에서 팩 케이스(15) 내부의 여하의 위치에도 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 기계식 스위치(100)는 배터리 모듈(50)과 마주하는 팩 케이스(15)의 내부면에 배치될 수 있고, 보다 구체적으로, 팩 케이스(15)의 상측 내부면에 배치될 수 있다. 기계식 스위치(100)가 배터리 모듈(50)과 마주하는 위치에 형성됨으로써, 배터리 모듈(50)의 온도/압력 등이 기계식 스위치(100)로 양호하게 전달될 수 있다. 즉, 배터리 모듈(50)에 의해 가열된 더운 공기는 부력에 의해 배터리 모듈(50)의 상부로 이동할 수 있고, 기계식 스위치(100)에 의해 감지될 수 있다. 또한, 배터리 모듈(50)의 폭발 등으로 유발된 고압의 가스는 배터리 모듈(50)의 상부로 이동하여 기계식 스위치(100)에 의해 감지될 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 실시형태에서, 상기 기계식 스위치(100)는 배터리 모듈(50)과 BMS(150) 사이에 배치될 수 있다. 상기 기계식 스위치(100)는 배터리 모듈(50)의 온도, 압력에 민감하게 반응할 수 있도록 배터리 모듈(50)과 인접한 위치에 배치되면서, BMS(150)와 연결되는 배선 길이가 단축될 수 있도록 배터리 모듈(50) 및 BMS(150)에 모두 가까운 위치, 그러니까, 배터리 모듈(50)과 BMS(150) 사이에 배치될 수 있다. 상기 기계식 스위치(100)가 배터리 모듈(50)과 BMS(150) 사이에 배치된다는 것은, 상기 기계식 스위치(100)가 서로 마주보는 배터리 모듈(50)의 외면이나 BMS(150) 외면에 배치되는 것을 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 실시형태에서, 상기 기계식 스위치(100)는 배터리 모듈(50)과 마주하는 BMS(150)의 외면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 기계식 스위치(100)는 BMS(150)를 형성하는 회로기판에 탑재될 수 있는데, 회로기판 중에서 배터리 모듈(50)과 마주하는 회로기판의 하부면에 배치될 수 있다. 이때, 기계식 스위치(100)가 BMS(150)에 탑재됨으로써, 기계식 스위치(100)와 BMS(150) 사이의 배선 길이를 단축시킬 수 있다.
도 8에 도시된 실시형태에서, 상기 기계식 스위치(100)는 BMS(150)와 마주하는 배터리 모듈(50)의 외면에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 상기 기계식 스위치(100)는 BMS(150)와 마주하는 배터리 모듈(50)의 상부면에 배치될 수 있다. 이때, 기계식 스위치(100)가 배터리 모듈(50)에 배치됨으로써, 배터리 모듈(50)의 온도 및 압력을 높은 민감도로 감지할 수 있고, 배터리 모듈(50)의 과열이나 폭발과 같은 이상 상황을 누락 없이 포착해낼 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
1: 이동 수단 10: 배터리 팩
15: 팩 케이스 50: 배터리 모듈
100: 기계식 스위치 110: 고정 접점 부재
120: 가동 접점 부재 150: BMS
155: 제어부 158: 전력 변환부
200: 전원 공급부 255: ECU
P: 전원 공급 단자 G: 수용 공간
N1: 제1 노드

Claims (16)

  1. 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 충, 방전 동작을 제어하기 위한 배터리 관리 시스템;
    상기 배터리 관리 시스템의 동작 전원을 공급하기 위한 전원 공급 단자; 및
    상기 전원 공급 단자와 배터리 관리 시스템 사이에 연결된 것으로, 배터리 모듈의 이상 상황을 포착하여 턴-온 되는 기계식 스위치를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급 단자는 배터리 모듈의 출력 전압 보다 낮은 정전압 전원과 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은, 상기 기계식 스위치의 턴-온 시에 전원 공급 단자와 연결되어 전원 공급이 개시됨에 따라 웨이크-업 되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    배터리 관리 시스템의 동작을 전반적으로 제어하는 제어부; 및
    상기 전원 공급 단자의 전력을 입력으로 하여, 상기 제어부의 구동 전력을 제공하기 위한 전력 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기계식 스위치는, 상기 전원 공급 단자와 상기 전력 변환부 사이에 연결되며,
    상기 기계식 스위치의 턴-온에 따라 상기 전력 변환부는 상기 전원 공급 단자의 전력을 입력으로 하여, 제어부의 구동 전력을 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기계식 스위치는, 프레임과, 상기 프레임의 일 측 및 타 측에 각각 고정된 고정 접점 부재와 가동 접점 부재를 포함하며,
    상기 가동 접점 부재는, 배터리 모듈이 수용되는 수용 공간으로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고정 접점 부재는 중앙 위치를 관통하여 프레임에 체결되는 고정 핀에 의해 프레임에 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 가동 접점 부재는,
    상기 프레임에 고정된 고정 단부;
    감응 온도 이상의 고온 또는 감응 압력 이상의 고압 하에서 물리적으로 변형됨에 따라 고정 접점 부재에 대해 접촉되도록 고정 접점 부재의 적어도 일부와 마주하게 배치되는 자유 단부; 및
    상기 고정 단부와 자유 단부를 서로 연결하면서 자유 단부의 변형을 허용하도록 상대적으로 얇은 두께로 형성된 힌지부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 고정 접점 부재 및 가변 접점 부재는, 상기 배터리 모듈이 수용되는 수용 공간으로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기계식 스위치는, 배터리 모듈과 배터리 관리 시스템 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기계식 스위치는 상기 배터리 관리 시스템을 마주하는 배터리 모듈의 외면에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 기계식 스위치는 상기 배터리 모듈을 마주하는 배터리 관리 시스템의 외면에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈, 배터리 관리 시스템 및 기계식 스위치가 함께 수용되는 팩 케이스를 더 포함하며,
    상기 기계식 스위치는, 상기 배터리 모듈과 마주하는 팩 케이스의 내부면에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈의 충, 방전 동작을 제어하기 위한 배터리 관리 시스템;
    상기 배터리 관리 시스템의 동작 전원을 공급하기 위한 전원 공급부; 및
    상기 전원 공급부와 배터리 관리 시스템 사이에 연결된 것으로, 배터리 모듈의 이상 상황을 포착하여 턴-온 되는 기계식 스위치;
    상기 배터리 모듈로부터 구동 동력을 전달받는 모터; 및
    상기 모터 구동의 전반을 제어하기 위한 ECU;를 포함하는 이동 수단.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기계식 스위치는 상기 전원 공급부와 제1 노드 사이에 연결되며,
    상기 배터리 관리 시스템 및 ECU는 상기 제1 노드에 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 이동 수단.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템 및 ECU는, 상기 기계식 스위치의 턴-온 시에 제1 노드를 통하여 전원 공급부에 동시에 연결되어 전원 공급이 개시됨에 따라 웨이크-업 되는 것을 특징으로 하는 이동 수단.
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