KR20210068895A - 스파크 방지 장치 - Google Patents

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KR20210068895A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치는 부하와 연결된 배터리 팩에 구비된 배터리 모듈의 절연 저항을 측정하는 장치로서, 상기 배터리 모듈에 병렬로 연결된 제1 릴레이, 제2 릴레이 및 복수의 저항을 포함하고, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이의 동작 상태에 대응되는 측정 신호를 출력하도록 구성된 진단부; 상기 진단부와 상기 배터리 팩의 음극 단자 사이에 일단이 연결되고, 상기 배터리 팩의 양극 단자와 연결된 상기 부하의 고전위 라인에 타단이 연결되도록 구성된 바이패스 릴레이; 및 소정의 제어 순서에 따라 상기 제1 릴레이, 상기 제2 릴레이 및 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 제어하고, 상기 진단부로부터 수신한 측정 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈의 절연 저항을 측정하도록 구성된 제어부를 포함한다.

Description

스파크 방지 장치{APPARATUS FOR PREVENTING SPARK}
본 발명은 스파크 방지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리 모듈의 절연 저항을 측정할 때 부하에 스파크 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있는 스파크 방지 장치에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
한편, 이러한 배터리는 단일의 배터리로 사용되는 경우도 있지만, 고전압 및/또는 대용량의 전력 저장 장치를 제공하기 위해 복수의 배터리가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 상태로 사용되는 경우가 많으며, 내부의 배터리의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 관리 장치가 포함된 배터리 팩의 형태로 사용되고 있다.
이와 같은 고전압, 대용량 배터리를 사용하는 전력 저장 장치는 절연 상태를 유지하는 것이 매우 중요하다. 만일, 배터리의 절연 상태가 유지되지 않을 경우, 누설 전류(leakage current)가 발생하여 다양한 문제가 야기될 수 있다. 구체적으로는 누설 전류로 인해, 배터리의 수명이 단축될 수 있을 뿐만 아니라, 배터리와 연결된 전기 장비의 오작동을 야기할 수 있으며, 감전 등과 같은 안전 사고가 발생할 수 있다. 이와 같은 누설 전류가 발생하지 않도록 하기 위해, 배터리의 절연 저항에 대한 모니터링이 요구된다.
도 1은 종래의 배터리 팩과 부하가 연결된 예시적 구성을 도시한 비교예이다. 도 1을 참조하면, 종래의 배터리 팩에 구비된 MCU(Micro controller unit)은 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 배터리(B)의 절연 저항을 측정하고, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해 부하(L)의 고전위 라인의 전압을 측정할 수 있다.
여기서, MCU는 부하(L)의 고전위 라인의 전압을 측정함으로써, 부하(L)에 고전압이 인가되는지 여부를 확인할 수 있다. 또한, MCU는 부하(L)의 고전위 라인의 전압을 측정함으로써, 배터리 팩과 부하(L) 간의 연결 상태를 판단할 수 있다. 예컨대, MCU는 부하(L)의 고전위 라인의 전압과 배터리(B) 전압을 비교하여, 배터리 팩과 부하(L) 간의 커넥터의 연결 상태를 판단할 수 있다. 또한, MCU는 부하(L)의 고전위 라인의 전압을 측정함으로써, 상술한 바와 같이 누설 전류의 존재 여부를 확인할 수 있다. 따라서, 종래의 배터리 팩은 구비된 MCU에서 부하(L)의 고전위 라인의 전압을 측정하도록 구성되었다.
다만, 종래와 같은 경우, 배터리(B)의 절연 저항을 측정하는 과정에서 부하(L)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 문제가 있다.
도 2는 종래의 배터리 팩을 이용하여 배터리(B)의 절연 저항을 측정하는 과정에서 부하(L)의 고전위 라인(HV)에 인가되는 전압의 예시를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, MCU가 배터리(B)의 절연 저항을 측정할 때마다, 부하(L)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 1의 비교예에서, MCU는 메인 릴레이(c, d)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어할 수 있다. 그리고, MCU는 a 릴레이 및 b 릴레이를 번갈아가며 턴-온 상태로 제어하면서 배터리(B)의 절연 저항을 측정할 수 있다. 예컨대, MCU는 a 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, b 릴레이의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어한 후 배터리(B)의 양극 절연 저항을 측정할 수 있다. 그리고, MCU는 b 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, a 릴레이의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어한 후 배터리(B)의 음극 절연 저항을 측정할 수 있다.
도 2를 참조하면, MCU가 배터리의 절연 저항을 측정하기 위해 a 스위치 및 b 스위치 중 어느 하나를 턴-온 상태로 제어하는 과정에서, 부하(L)의 고전위 라인(HV)에는 스파크 전압이 인가될 수 있다. 이러한 스파크 전압은, 부하(L)에 구비된 커패시터에서 발생될 수 있다.
예컨대, 도 2에서, 25초에서 a 스위치가 턴-온 상태로 제어되는 경우 및 105초에서 b 스위치가 턴-온 상태로 제어되는 경우, 부하(L)에 구비된 커패시터에서 발생된 스파크 전압이 부하(L)의 고전위 라인(HV)에 인가될 수 있다.
따라서, MCU가 배터리(B)의 절연 저항을 측정하기 위해 a 스위치 및 b 스위치의 동작 상태를 제어할 때, 부하(L)에 구비된 커패시터에 의해 부하(L)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가될 수 있고, 이러한 스파크 전압에 의해 부하(L)가 손상될 수 있는 문제가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리의 절연 저항을 측정하는 과정에서 부하에 스파크 전압이 인가되는 것을 방지하는 스파크 방지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 일 측면에 따른 스파크 방지 장치는 부하와 연결된 배터리 팩에 구비된 배터리 모듈의 절연 저항을 측정하는 장치로서, 상기 배터리 모듈에 병렬로 연결된 제1 릴레이, 제2 릴레이 및 복수의 저항을 포함하고, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이의 동작 상태에 대응되는 측정 신호를 출력하도록 구성된 진단부; 상기 진단부와 상기 배터리 팩의 음극 단자 사이에 일단이 연결되고, 상기 배터리 팩의 양극 단자와 연결된 상기 부하의 고전위 라인에 타단이 연결되도록 구성된 바이패스 릴레이; 및 소정의 제어 순서에 따라 상기 제1 릴레이, 상기 제2 릴레이 및 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 제어하고, 상기 진단부로부터 수신한 측정 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈의 절연 저항을 측정하도록 구성된 제어부를 포함할 수 있다.
상기 진단부는, 일단이 상기 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 배터리 팩의 양극 단자 사이에 연결되고, 타단이 상기 배터리 모듈의 음극 단자와 상기 배터리 팩의 음극 단자 사이에 연결되며, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이가 직렬로 배치되도록 구성된 제1 진단 라인; 일단이 상기 제1 진단 라인의 일단과 상기 배터리 팩의 양극 단자 사이에 연결되고, 타단이 상기 제1 진단 라인의 타단과 상기 배터리 팩의 음극 단자 사이에 연결되고, 복수의 저항이 직렬로 배치되도록 구성된 제2 진단 라인; 및 일단이 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이의 사이에 연결되고, 타단이 상기 제2 진단 라인에 구비된 복수의 저항 사이를 통과하여 공통 접지에 연결되도록 구성된 제3 진단 라인을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 공통 접지는, 상기 제3 진단 라인 및 상기 부하에 공통으로 연결된 접지일 수 있다.
상기 바이패스 릴레이는, 동작 상태가 턴-온 상태일 경우, 상기 공통 접지 및 상기 바이패스 릴레이를 통해서 상기 배터리 모듈이 상기 부하와 통전되도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 팩은, 상기 제2 진단 라인의 일단과 상기 배터리 팩의 양극 단자 사이에 배치된 제1 메인 릴레이; 및 상기 제2 진단 라인의 타단과 상기 배터리 팩의 음극 단자 사이에 배치된 제2 메인 릴레이를 더 포함할 수 있다.
상기 바이패스 릴레이는, 상기 제2 진단 라인의 타단과 상기 제2 메인 릴레이 사이에 일단이 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 모듈의 절연 저항을 측정하기 전에, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 모듈의 절연 저항을 측정할 때, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이 중 어느 하나의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어한 후, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, 소정의 시간이 경과한 후, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 제어한 후, 상기 진단부로부터 수신한 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈의 제1 절연 저항을 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제2 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, 소정의 시간이 경과한 후, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 제어한 후, 상기 진단부로부터 수신한 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈의 제2 절연 저항을 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 본 발명의 일 측면에 따른 스파크 방지 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 자동차는 본 발명의 일 측면에 따른 스파크 방지 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스파크 방지 장치는 배터리 모듈의 절연 저항을 측정하는 과정에서, 부하의 고전위 라인에 스파크 전압이 인가되는 것을 방지함으로써, 부하의 고전위 라인이 손상되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 스파크 방지 장치는 진단부에 구비된 복수의 릴레이의 동작 상태를 제어함으로써, 배터리 모듈의 양극 절연 저항 및 음극 절연 저항을 용이하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 배터리 팩과 부하가 연결된 예시적 구성을 도시한 비교예이다.
도 2는 종래의 배터리 팩을 이용하여 배터리의 절연 저항을 측정하는 과정에서 부하의 고전위 라인에 인가되는 전압의 예시를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치를 포함하는 배터리 팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치를 포함하는 배터리 팩의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치를 포함하는 배터리 팩과 배터리 팩에 연결된 부하의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 제어부와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)는 진단부(110), 바이패스 릴레이(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)는 배터리 모듈(10)이 구비된 배터리 팩(1)에 포함될 수 있다.
여기서, 배터리 모듈(10)에는 하나 이상의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 구비될 수 있다. 그리고, 배터리 셀은, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 하나가 배터리 셀로 간주될 수 있다.
구체적으로, 스파크 방지 장치(100)는 배터리 팩(1)에 구비된 배터리 모듈(10)의 절연 저항 측정 과정에서, 배터리 팩(1)과 연결된 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 스파크 전압은 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(10)의 절연 저항 측정 과정에서 부하(200)의 커패시터에 의해 발생되는 것으로서, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 인가되는 전압일 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 및 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)에 부하(200)가 연결될 수 있다. 그리고, 부하(200)에는 고전위 라인(HV)과 저전위 라인(LV)이 연결될 수 있다. 예컨대, 고전위 라인(HV)은 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 연결된 라인이고, 저전위 라인(LV)은 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)와 연결된 라인일 수 있다.
진단부(110)는 상기 배터리 모듈(10)에 병렬로 연결된 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 복수의 저항(R1, R2, R3, R4, R5)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이하에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 릴레이(111)가 배터리 모듈(10)의 양극측에 연결된 릴레이이고, 제2 릴레이(112)가 배터리 모듈(10)의 음극측에 연결된 릴레이인 것으로 설명한다.
구체적으로, 진단부(110)는 배터리 모듈(10)에 병렬로 연결되고, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하는데 이용되는 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 복수의 저항(R1, R2, R3, R4, R5)을 포함할 수 있다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 진단부(110)는 메인 충방전 경로에 배터리 모듈(10)과 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 메인 충방전 경로란 배터리 팩(1)에서 전류가 흐르는 대전류 경로이다. 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+), 배터리 모듈(10) 및 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)가 연결된 라인이 메인 충방전 경로일 수 있다.
또한, 진단부(110)는 상기 제1 릴레이(111) 및 상기 제2 릴레이(112)의 동작 상태에 대응되는 측정 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
즉, 진단부(110)에서는 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112)의 동작 상태에 따라서, 상이한 측정 신호가 출력될 수 있다. 예컨대, 제1 릴레이(111)의 동작 상태가 턴-온 상태일 경우, 진단부(110)에서 배터리 모듈(10)의 양극 절연 저항에 대응되는 측정 신호가 출력될 수 있다. 반대로, 제2 릴레이(112)의 동작 상태가 턴-온 상태일 경우, 진단부(110)에서 배터리 모듈(10)의 음극 절연 저항에 대응되는 측정 신호가 출력될 수 있다.
바이패스 릴레이(120)는 상기 진단부(110)와 상기 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 일단이 연결되도록 구성될 수 있다. 그리고, 바이패스 릴레이(120)는 상기 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 연결된 상기 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 타단이 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 바이패스 릴레이(120)가 연결된 라인(배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 부하(200)의 고전위 라인(HV)을 연결하는 라인)에는 제6 저항(R6)이 구비될 수 있다.
진단부(110)와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이의 노드는 바이패스 릴레이(120)를 통해서 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 연결될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120)의 일단은 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 측에 연결되고, 바이패스 릴레이(120)의 타단은 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 연결될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 배터리 팩(1)에 구비된 복수의 릴레이(20, 30, 111, 112 및 120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어하였으나, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해서 측정된 전압이 기준 전압 이상인 경우, 제어부(130)는 배터리 모듈(10)과 부하(200)가 단락(Short circuit)되었다고 판단할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 상기 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 때, 소정의 제어 순서에 따라 상기 제1 릴레이(111), 상기 제2 릴레이(112) 및 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하도록 구성될 수 있다.
배터리 팩(1)과 부하(200)는 공통 접지(G)에 연결될 수 있다. 예컨대, 부하(200)가 차량측 부하(200)이고, 배터리 모듈(10)이 차량에 연결된 경우, 공통 접지(G)는 차량의 섀시(chassis)일 수 있다.
만약, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온 상태이면, 공통 접지(G)를 통해서 배터리 모듈(10)과 부하(200)는 통전될 수 있다. 이러한 경우에, 제어부(130)가 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 위해 제1 릴레이(111) 또는 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 턴-온 상태로 전환시키면, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 순간적으로 스파크 전압이 인가될 수 있다. 예컨대, 부하(200) 내부에 구비되어 배터리 모듈(10)과 병렬 회로를 형성하는 커패시터에 의해서 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가될 수 있다. 이 때, 고전위 라인(HV)에 인가되는 스파크 전압이 마이너스 전압(Minus voltage)일 경우, 부하(200)의 고전위 라인(HV)은 특히 더 손상되는 문제가 있다.
배터리 팩(1)에 연결되는 부하(200)의 예시적 구성에 대해서는 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)과 배터리 팩(1)에 연결된 부하(200)의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 부하(200)는 복수의 저항(Rp, Rn 및 Rx)과 복수의 커패시터(C1, C2 및 C3)를 구비하도록 구성될 수 있다. 그리고, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 부하(200)의 고전위 라인(HV)은 연결되고, 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)와 부하(200)의 저전위 라인(LV)은 연결될 수 있다.
예컨대, 도 6의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온 상태이기만 하면, 배터리 모듈(10)과 부하(200)는 통전될 수 있다. 그리고, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온일 때, 제어부(130)가 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112) 중 적어도 하나의 동작 상태를 턴-온 상태로 전환시키면, 부하(200)에 구비된 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2) 및 제3 커패시터(C3) 중 적어도 하나로부터 발생된 스파크 전압이 상기 고전위 라인(HV)에 인가될 수 있다. 이 경우, 고전위 라인(HV)은 인가된 스파크 전압에 의해 손상될 수 있다. 특히, 고전위 라인(HV)에 마이너스를 띠는 스파크 전압이 인가될 경우 고전위 라인(HV)이 손상이 심해질 수 있다. 따라서, 제어부(130)는, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 전에, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 먼저 턴-오프 상태로 제어할 수 있다.
즉, 제어부(130)는 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 전에, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어한 후, 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제어부(130)는 C 라인을 통해 제1 릴레이(111)와 연결되고, D 라인을 통해 제2 릴레이(112)와 연결되며, E 라인을 통해 바이패스 릴레이(120)와 연결될 수 있다. 즉, 제어부(130)는 C 라인에 제어 신호를 출력함으로써 제1 릴레이(111)의 동작 상태를 제어할 수 있고, D 라인에 제어 신호를 출력함으로써 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 제어할 수 있고, E 라인에 제어 신호를 출력함으로써 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어할 수 있다.
제어부(130)가 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하는 소정의 제어 순서는 구체적으로 후술한다.
그리고, 제어부(130)는 상기 진단부(110)로부터 수신한 측정 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog to digital converter)를 구비할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 진단부(110)로부터 수신한 측정 신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 제어부(130)는 변환한 디지털 신호에 기반하여, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제어부(130)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 진단부(110)와 연결될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 진단부(110)에서 출력된 신호를 수신할 수 있다. 제어부(130)는 수신한 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 변환된 디지털 신호에 기반하여 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)는 배터리 팩(1)에 구비된 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하는 과정에서 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것을 방지함으로써, 부하(200)가 손상되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)에 구비된 제어부(130)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(130)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(130) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(130)와 연결될 수 있다.
상기 진단부(110)는, 제1 진단 라인, 제2 진단 라인 및 제3 진단 라인을 포함할 수 있다.
제1 진단 라인은 일단이 상기 배터리 모듈(10)의 양극 단자와 상기 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 연결되고, 타단이 상기 배터리 모듈(10)의 음극 단자와 상기 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제1 진단 라인의 일단은 배터리 모듈(10)의 양극 단자와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이의 제1 노드(N1)에 연결될 수 있다. 그리고, 제1 진단 라인의 타단은 배터리 모듈(10)의 음극 단자와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이의 제2 노드(N2)에 연결될 수 있다.
그리고, 제1 진단 라인에는 상기 제1 릴레이(111) 및 상기 제2 릴레이(112)가 직렬로 배치되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112)는, 제1 진단 라인에 직렬로 배치될 수 있다. 즉, 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112)는 배터리 모듈(10)과 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 제1 진단 라인에는 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)이 더 구비될 수 있다. 예컨대, 도 5의 실시예에서, 제1 노드(N1)와 제1 릴레이(111) 사이에 제1 저항(R1)이 배치되고, 제2 릴레이(112)와 제2 노드(N2) 사이에 제2 저항(R2)이 배치될 수 있다.
제2 진단 라인은 일단이 상기 제1 진단 라인의 일단과 상기 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 연결되고, 타단이 상기 제1 진단 라인의 타단과 상기 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제2 진단 라인의 일단은 배터리 모듈(10)의 양극 단자와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이의 제3 노드(N3)에 연결될 수 있다. 그리고, 제2 진단 라인의 타단은 배터리 모듈(10)의 음극 단자와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이의 제4 노드(N4)에 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5의 실시예에서, 제2 진단 라인의 일단은 제1 노드(N1)와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이의 제3 노드(N3)에 연결될 수 있다. 그리고, 제2 진단 라인의 타단은 제2 노드(N2)와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이의 제4 노드(N4)에 연결될 수 있다.
그리고, 제2 진단 라인은 복수의 저항이 직렬로 배치되도록 구성될 수 있다. 여기서, 복수의 저항은, 제어부(130)가 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 때 이용되는 저항들로서, 배터리 모듈(10)의 전압을 분배하는 저항일 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제2 진단 라인에는 제3 저항(R3), 제4 저항(R4) 및 제5 저항(R5)이 직렬로 배치될 수 있다.
제3 진단 라인은 일단이 상기 제1 릴레이(111) 및 상기 제2 릴레이(112)의 사이에 연결되고, 타단이 상기 제2 진단 라인에 구비된 복수의 저항(R3, R4, R5) 사이를 통과하여 공통 접지(G)에 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제3 진단 라인의 일단은 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112)의 사이에 연결될 수 있다. 그리고, 제3 진단 라인의 타단은 제3 저항(R3)과 제4 저항(R4) 사이를 통과하여 공통 접지(G)에 연결될 수 있다.
즉, 공통 접지(G)는 상기 제3 진단 라인 및 상기 부하(200)에 공통으로 연결된 접지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은 진단부(110)에 구비된 복수의 릴레이의 동작 상태를 제어함으로써, 배터리 모듈(10)의 양극 절연 저항 및 음극 절연 저항을 용이하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
상기 바이패스 릴레이(120)는 동작 상태가 턴-온 상태일 경우, 상기 공통 접지(G) 및 상기 바이패스 릴레이(120)를 통해서 상기 배터리 모듈(10)이 상기 부하(200)와 통전되도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리 모듈(10)의 양극 단자에서 출력된 전류는, 진단부(110), 공통 접지(G), 부하(200), 부하(200)의 고전위 라인(HV) 및 바이패스 릴레이(120)를 통과하여 배터리 모듈(10)의 음극 단자로 인가될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120)가 턴-온 상태일 경우, 배터리 모듈(10)은 제2 진단 라인에 배치된 제3 저항(R3), 제3 진단 라인의 타단에 연결된 공통 접지(G), 상기 부하(200)에 연결된 공통 접지(G) 및 바이패스 릴레이(120)를 통해서 상기 부하(200)와 통전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)은 상기 제2 진단 라인의 일단과 상기 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 배치된 제1 메인 릴레이(20)를 더 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(1)은 상기 제2 진단 라인의 타단과 상기 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 배치된 제2 메인 릴레이(30)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 메인 릴레이(20)는 제2 진단 라인의 일단이 연결된 제3 노드(N3)와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 배치될 수 있다. 제2 메인 릴레이(30)는 제2 진단 라인의 타단이 연결된 제4 노드(N4)와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 배치될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제1 메인 릴레이(20) 및 제2 메인 릴레이(30)는 배터리 팩(1)의 메인 충방전 경로에 배치될 수 있다. 즉, 제1 메인 릴레이(20) 및/또는 제2 메인 릴레이(30)의 동작 상태에 따라서, 배터리 팩(1)의 메인 충방전 경로가 통전되거나 차단될 수 있다.
그리고, 상기 바이패스 릴레이(120)는, 상기 제2 진단 라인의 타단과 상기 제2 메인 릴레이(30) 사이에 일단이 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120)의 일단은 제4 노드(N4)와 제2 메인 릴레이(30)의 일단 사이에 연결되고, 바이패스 릴레이(120)의 타단은 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 연결될 수 있다.
따라서, 도 5의 실시예에서 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 항상 턴-온 상태일 경우, 배터리 모듈(10)과 부하(200)는 항상 통전되어 있을 수 있다. 그리고, 이 경우, 제어부(130)에 의해 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112) 중 적어도 하나의 동작 상태가 턴-온 상태로 제어되면, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 스파크 전압이 인가될 수 있다. 이렇듯 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 항상 턴-온 상태일 경우는, 도 1의 비교예에서 배터리 팩과 부하의 고전위 라인(HV)을 연결하는 라인이 구비된 경우와 동일한 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 제어부(130)는 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 때, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어한 후, 제1 릴레이(111) 또는 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 제어함으로써, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전류가 인가되지 않도록 할 수 있는 장점이 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 전에, 상기 제1 메인 릴레이(20) 및 상기 제2 메인 릴레이(30)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(130)는 바이패스 릴레이(120)뿐만 아니라 제1 메인 릴레이(20) 및 제2 메인 릴레이(30)의 동작 상태를 모두 턴-오프 상태로 제어함으로써, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 전에 배터리 모듈(10)과 부하(200) 간의 연결을 차단시킬 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제어부(130)는 A 라인을 통해 제1 메인 릴레이(20)와 연결되고, B 라인을 통해 제2 메인 릴레이(30)와 연결될 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 A 라인에 제어 신호를 출력함으로써 제1 메인 릴레이(20)의 동작 상태를 제어할 수 있고, B 라인에 제어 신호를 출력함으로써 제2 메인 릴레이(30)의 동작 상태를 제어할 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120), 제1 메인 릴레이(20) 및 제2 릴레이(112)의 동작 상태가 모두 턴-오프 상태일 경우, 배터리 모듈(10)과 부하(200)는 공통 접지(G)를 통해서만 연결되기 때문에, 배터리 모듈(10)과 부하(200)를 포함하는 폐회로가 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 배터리 모듈(10)과 부하(200) 간의 전기적 연결을 차단시킨 후, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정함으로써, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 때, 상기 제1 릴레이(111) 및 상기 제2 릴레이(112) 중 어느 하나의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어한 후, 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
제어부(130)가 배터리 모듈(10)의 제1 절연 저항을 측정하기 위해, 제1 릴레이(111) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하는 과정을 설명한다. 여기서, 제1 절연 저항은 배터리 모듈(10)의 양극 절연 저항일 수 있다.
먼저, 상기 제어부(130)는, 상기 제1 릴레이(111)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제어부(130)가 제1 릴레이(111)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하기 전에, 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112), 제1 메인 릴레이(20), 제2 메인 릴레이(30) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태는 턴-오프 상태이다.
소정의 시간이 경과한 후, 상기 제어부(130)는 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
여기서, 소정의 시간이 경과된 후에는, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온 상태로 전환되더라도, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되지 않을 수 있다.
구체적으로, 소정의 시간이란, 부하(200)에 구비된 커패시터의 커패시턴스(Capacitance) 및 저항의 저항값(Resistance)에 기반하여 설정될 수 있다. 예컨대, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온 상태일 때, 제어부(130)가 제1 릴레이(111) 또는 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 번갈아가며 턴-온 상태로 제어하면, 부하(200)에 구비된 커패시터에 인가되는 전위 차이 때문에 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 커패시터에 의한 스파크 전압이 인가될 수 있다. 즉, 제어부(130)가 제1 릴레이(111)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어할 때 커패시터에 인가되는 전압과 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어할 때 커패시터에 인가되는 전압은 다를 수 있다.
따라서, 제어부(130)는 부하(200)에 구비된 커패시터의 커패시턴스와 저항의 저항값을 고려하여 부하(200)에 대한 시정수(t, tau)를 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 산출한 시정수에 기반하여 상기 소정의 시간을 설정하도록 구성될 수 있다. 즉, 부하(200)에 구비된 커패시터 및 저항에 기반한 시정수를 고려하여 설정된 소정의 시간에 따라 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 제어되기 때문에, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것이 방지될 수 있다.
마지막으로, 상기 제어부(130)는 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어한 후, 상기 진단부(110)로부터 수신한 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈(10)의 제1 절연 저항을 측정하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제어부(130)는 진단부(110)로부터 수신한 신호에 기반하여 배터리 모듈(10)의 양극 절연 저항을 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 제1 릴레이(111)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 전환시킴으로써, 제1 절연 저항의 측정을 종료할 수 있다. 이 때, 제1 릴레이(111)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 동시에 턴-오프 상태로 전환되더라도, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 스파크 전압이 인가되지 않을 수 있다.
다음으로, 제어부(130)가 배터리 모듈(10)의 제2 절연 저항을 측정하기 위해, 제2 릴레이(112) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하는 과정을 설명한다. 여기서, 제2 절연 저항은 배터리 모듈(10)의 음극 절연 저항일 수 있다.
먼저, 상기 제어부(130)는, 상기 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제어부(130)가 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하기 전에, 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112), 제1 메인 릴레이(20), 제2 메인 릴레이(30) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태는 턴-오프 상태이다.
소정의 시간이 경과한 후, 상기 제어부(130)는 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다. 여기서의 소정의 시간은 앞서서 설명한 시간과 동일한 시간이다.
마지막으로, 상기 제어부(130)는 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어한 후, 상기 진단부(110)로부터 수신한 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈(10)의 제2 절연 저항을 측정하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제어부(130)는 진단부(110)로부터 수신한 신호에 기반하여 배터리 모듈(10)의 음극 절연 저항을 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 제2 릴레이(112)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 전환시킴으로써, 제2 절연 저항의 측정을 종료할 수 있다. 이 때, 제2 릴레이(112)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 동시에 턴-오프 상태로 전환되더라도, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 스파크 전압이 인가되지 않을 수 있다.
정리하면, 제어부(130)는 제1 릴레이(111)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하여 배터리 모듈(10)의 제1 절연 저항을 측정할 수 있고, 제2 릴레이(112)의 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하여 배터리 모듈(10)의 제2 절연 저항을 측정할 수 있다. 이러한 과정에서, 제어부(130)는 제1 릴레이(111) 또는 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 먼저 턴-온 상태로 제어한 후, 소정의 시간이 경과하고 나서 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어할 수 있다. 여기서, 소정의 시간은 부하(200)에 구비된 커패시터 및 저항 사양에 대응되도록 설정될 수 있다. 구체적으로, 소정의 시간은 부하(200)에 구비된 커패시터의 커패시턴스 및 저항의 저항값에 따른 시정수에 대응되도록 설정될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)는 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하는 과정에서, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전류가 인가되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 스파크 방지 장치(100)는 배터리 모듈(10)의 절연 저항 측정에 의해 부하(200)의 고전위 라인(HV)이 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)이 구비될 수 있다.
예컨대, 도 5 및 도 6의 실시예에서, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 및 음극 단자에는 전기 자동차의 모터가 연결될 수 있다. 그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차는 배터리 팩(1)에 구비된 배터리 모듈(10)로부터 구동 전원을 인가받을 수 있다.
또한, 배터리 모듈(10)의 절연 저항 측정 과정에서 전기 자동차의 모터의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것이 방지되기 때문에, 스파크 전압에 따른 모터의 손상되는 것이 방지되고, 스파크 전압에 따른 화재 발생 등의 사고가 미연에 방지될 수 있는 장점이 있다.
또한, 스파크 방지 장치(100)에 포함된 제어부(130)는 전기 자동차에 구비된 다양한 ECU(Electrical control unit)과 CAN 통신 및/또는 CAN FD 통신을 수행하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전기 자동차에 구비된 다양한 ECU에는 ACU(Airbag Control Unit), BCM(Body Control Module), ECU(Engine Control Unit), PCM(Powertrain Control Module), TCU(Transmission Control Unit), ABS(Anti-lock Braking System), ESC(Electronic Stability Control), HPCU(Hybrid Power Control Unit), BMS(Battery Management System), 및 MCU(Motor Control Unit) 등이 포함될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)의 일부 구성들은 전기 자동차에 포함된 ECU 중에서 BMS에 포함될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 제어부와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)는 진단부(110), 바이패스 릴레이(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)는 배터리 모듈(10)이 구비된 배터리 팩(1)에 포함될 수 있다.
여기서, 배터리 모듈(10)에는 하나 이상의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 구비될 수 있다. 그리고, 배터리 셀은, 음극 단자와 양극 단자를 구비하며, 물리적으로 분리 가능한 하나의 독립된 셀을 의미한다. 일 예로, 파우치형 리튬 폴리머 셀 하나가 배터리 셀로 간주될 수 있다.
구체적으로, 스파크 방지 장치(100)는 배터리 팩(1)에 구비된 배터리 모듈(10)의 절연 저항 측정 과정에서, 배터리 팩(1)과 연결된 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 스파크 전압은 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(10)의 절연 저항 측정 과정에서 부하(200)의 커패시터에 의해 발생되는 것으로서, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 인가되는 전압일 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 및 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)에 부하(200)가 연결될 수 있다. 그리고, 부하(200)에는 고전위 라인(HV)과 저전위 라인(LV)이 연결될 수 있다. 예컨대, 고전위 라인(HV)은 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 연결된 라인이고, 저전위 라인(LV)은 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)와 연결된 라인일 수 있다.
진단부(110)는 상기 배터리 모듈(10)에 병렬로 연결된 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 복수의 저항(R1, R2, R3, R4, R5)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이하에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 릴레이(111)가 배터리 모듈(10)의 양극측에 연결된 릴레이이고, 제2 릴레이(112)가 배터리 모듈(10)의 음극측에 연결된 릴레이인 것으로 설명한다.
구체적으로, 진단부(110)는 배터리 모듈(10)에 병렬로 연결되고, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하는데 이용되는 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 복수의 저항(R1, R2, R3, R4, R5)을 포함할 수 있다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 진단부(110)는 메인 충방전 경로에 배터리 모듈(10)과 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 메인 충방전 경로란 배터리 팩(1)에서 전류가 흐르는 대전류 경로이다. 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+), 배터리 모듈(10) 및 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)가 연결된 라인이 메인 충방전 경로일 수 있다.
또한, 진단부(110)는 상기 제1 릴레이(111) 및 상기 제2 릴레이(112)의 동작 상태에 대응되는 측정 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
즉, 진단부(110)에서는 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112)의 동작 상태에 따라서, 상이한 측정 신호가 출력될 수 있다. 예컨대, 제1 릴레이(111)의 동작 상태가 턴-온 상태일 경우, 진단부(110)에서 배터리 모듈(10)의 양극 절연 저항에 대응되는 측정 신호가 출력될 수 있다. 반대로, 제2 릴레이(112)의 동작 상태가 턴-온 상태일 경우, 진단부(110)에서 배터리 모듈(10)의 음극 절연 저항에 대응되는 측정 신호가 출력될 수 있다.
바이패스 릴레이(120)는 상기 진단부(110)와 상기 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 일단이 연결되도록 구성될 수 있다. 그리고, 바이패스 릴레이(120)는 상기 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 연결된 상기 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 타단이 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5를 참조하면, 바이패스 릴레이(120)가 연결된 라인(배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 부하(200)의 고전위 라인(HV)을 연결하는 라인)에는 제6 저항(R6)이 구비될 수 있다.
진단부(110)와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이의 노드는 바이패스 릴레이(120)를 통해서 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 연결될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120)의 일단은 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 측에 연결되고, 바이패스 릴레이(120)의 타단은 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 연결될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 배터리 팩(1)에 구비된 복수의 릴레이(20, 30, 111, 112 및 120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어하였으나, 제2 센싱 라인(SL2)을 통해서 측정된 전압이 기준 전압 이상인 경우, 제어부(130)는 배터리 모듈(10)과 부하(200)가 단락(Short circuit)되었다고 판단할 수 있다.
또한, 제어부(130)는 상기 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 때, 소정의 제어 순서에 따라 상기 제1 릴레이(111), 상기 제2 릴레이(112) 및 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하도록 구성될 수 있다.
배터리 팩(1)과 부하(200)는 공통 접지(G)에 연결될 수 있다. 예컨대, 부하(200)가 차량측 부하(200)이고, 배터리 모듈(10)이 차량에 연결된 경우, 공통 접지(G)는 차량의 섀시(chassis)일 수 있다.
만약, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온 상태이면, 공통 접지(G)를 통해서 배터리 모듈(10)과 부하(200)는 통전될 수 있다. 이러한 경우에, 제어부(130)가 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 위해 제1 릴레이(111) 또는 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 턴-온 상태로 전환시키면, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 순간적으로 스파크 전압이 인가될 수 있다. 예컨대, 부하(200) 내부에 구비되어 배터리 모듈(10)과 병렬 회로를 형성하는 커패시터에 의해서 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가될 수 있다. 이 때, 고전위 라인(HV)에 인가되는 스파크 전압이 마이너스 전압(Minus voltage)일 경우, 부하(200)의 고전위 라인(HV)은 특히 더 손상되는 문제가 있다.
배터리 팩(1)에 연결되는 부하(200)의 예시적 구성에 대해서는 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)과 배터리 팩(1)에 연결된 부하(200)의 예시적 구성을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 부하(200)는 복수의 저항(Rp, Rn 및 Rx)과 복수의 커패시터(C1, C2 및 C3)를 구비하도록 구성될 수 있다. 그리고, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+)와 부하(200)의 고전위 라인(HV)은 연결되고, 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-)와 부하(200)의 저전위 라인(LV)은 연결될 수 있다.
예컨대, 도 6의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온 상태이기만 하면, 배터리 모듈(10)과 부하(200)는 통전될 수 있다. 그리고, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온일 때, 제어부(130)가 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112) 중 적어도 하나의 동작 상태를 턴-온 상태로 전환시키면, 부하(200)에 구비된 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2) 및 제3 커패시터(C3) 중 적어도 하나로부터 발생된 스파크 전압이 상기 고전위 라인(HV)에 인가될 수 있다. 이 경우, 고전위 라인(HV)은 인가된 스파크 전압에 의해 손상될 수 있다. 특히, 고전위 라인(HV)에 마이너스를 띠는 스파크 전압이 인가될 경우 고전위 라인(HV)이 손상이 심해질 수 있다. 따라서, 제어부(130)는, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 전에, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 먼저 턴-오프 상태로 제어할 수 있다.
즉, 제어부(130)는 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 전에, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어한 후, 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제어부(130)는 C 라인을 통해 제1 릴레이(111)와 연결되고, D 라인을 통해 제2 릴레이(112)와 연결되며, E 라인을 통해 바이패스 릴레이(120)와 연결될 수 있다. 즉, 제어부(130)는 C 라인에 제어 신호를 출력함으로써 제1 릴레이(111)의 동작 상태를 제어할 수 있고, D 라인에 제어 신호를 출력함으로써 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 제어할 수 있고, E 라인에 제어 신호를 출력함으로써 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어할 수 있다.
제어부(130)가 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하는 소정의 제어 순서는 구체적으로 후술한다.
그리고, 제어부(130)는 상기 진단부(110)로부터 수신한 측정 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제어부(130)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog to digital converter)를 구비할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 진단부(110)로부터 수신한 측정 신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 제어부(130)는 변환한 디지털 신호에 기반하여, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제어부(130)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 진단부(110)와 연결될 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 제1 센싱 라인(SL1)을 통해 진단부(110)에서 출력된 신호를 수신할 수 있다. 제어부(130)는 수신한 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 변환된 디지털 신호에 기반하여 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)는 배터리 팩(1)에 구비된 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하는 과정에서 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것을 방지함으로써, 부하(200)가 손상되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)에 구비된 제어부(130)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(130)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 제어부(130)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 제어부(130) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 제어부(130)와 연결될 수 있다.
상기 진단부(110)는, 제1 진단 라인, 제2 진단 라인 및 제3 진단 라인을 포함할 수 있다.
제1 진단 라인은 일단이 상기 배터리 모듈(10)의 양극 단자와 상기 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 연결되고, 타단이 상기 배터리 모듈(10)의 음극 단자와 상기 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제1 진단 라인의 일단은 배터리 모듈(10)의 양극 단자와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이의 제1 노드(N1)에 연결될 수 있다. 그리고, 제1 진단 라인의 타단은 배터리 모듈(10)의 음극 단자와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이의 제2 노드(N2)에 연결될 수 있다.
그리고, 제1 진단 라인에는 상기 제1 릴레이(111) 및 상기 제2 릴레이(112)가 직렬로 배치되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 4의 실시예에서, 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112)는, 제1 진단 라인에 직렬로 배치될 수 있다. 즉, 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112)는 배터리 모듈(10)과 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 제1 진단 라인에는 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)이 더 구비될 수 있다. 예컨대, 도 5의 실시예에서, 제1 노드(N1)와 제1 릴레이(111) 사이에 제1 저항(R1)이 배치되고, 제2 릴레이(112)와 제2 노드(N2) 사이에 제2 저항(R2)이 배치될 수 있다.
제2 진단 라인은 일단이 상기 제1 진단 라인의 일단과 상기 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 연결되고, 타단이 상기 제1 진단 라인의 타단과 상기 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제2 진단 라인의 일단은 배터리 모듈(10)의 양극 단자와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이의 제3 노드(N3)에 연결될 수 있다. 그리고, 제2 진단 라인의 타단은 배터리 모듈(10)의 음극 단자와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이의 제4 노드(N4)에 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5의 실시예에서, 제2 진단 라인의 일단은 제1 노드(N1)와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이의 제3 노드(N3)에 연결될 수 있다. 그리고, 제2 진단 라인의 타단은 제2 노드(N2)와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이의 제4 노드(N4)에 연결될 수 있다.
그리고, 제2 진단 라인은 복수의 저항이 직렬로 배치되도록 구성될 수 있다. 여기서, 복수의 저항은, 제어부(130)가 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 때 이용되는 저항들로서, 배터리 모듈(10)의 전압을 분배하는 저항일 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제2 진단 라인에는 제3 저항(R3), 제4 저항(R4) 및 제5 저항(R5)이 직렬로 배치될 수 있다.
제3 진단 라인은 일단이 상기 제1 릴레이(111) 및 상기 제2 릴레이(112)의 사이에 연결되고, 타단이 상기 제2 진단 라인에 구비된 복수의 저항(R3, R4, R5) 사이를 통과하여 공통 접지(G)에 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제3 진단 라인의 일단은 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112)의 사이에 연결될 수 있다. 그리고, 제3 진단 라인의 타단은 제3 저항(R3)과 제4 저항(R4) 사이를 통과하여 공통 접지(G)에 연결될 수 있다.
즉, 공통 접지(G)는 상기 제3 진단 라인 및 상기 부하(200)에 공통으로 연결된 접지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(1)은 진단부(110)에 구비된 복수의 릴레이의 동작 상태를 제어함으로써, 배터리 모듈(10)의 양극 절연 저항 및 음극 절연 저항을 용이하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
상기 바이패스 릴레이(120)는 동작 상태가 턴-온 상태일 경우, 상기 공통 접지(G) 및 상기 바이패스 릴레이(120)를 통해서 상기 배터리 모듈(10)이 상기 부하(200)와 통전되도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리 모듈(10)의 양극 단자에서 출력된 전류는, 진단부(110), 공통 접지(G), 부하(200), 부하(200)의 고전위 라인(HV) 및 바이패스 릴레이(120)를 통과하여 배터리 모듈(10)의 음극 단자로 인가될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120)가 턴-온 상태일 경우, 배터리 모듈(10)은 제2 진단 라인에 배치된 제3 저항(R3), 제3 진단 라인의 타단에 연결된 공통 접지(G), 상기 부하(200)에 연결된 공통 접지(G) 및 바이패스 릴레이(120)를 통해서 상기 부하(200)와 통전될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)은 상기 제2 진단 라인의 일단과 상기 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 배치된 제1 메인 릴레이(20)를 더 포함할 수 있다. 또한, 배터리 팩(1)은 상기 제2 진단 라인의 타단과 상기 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 배치된 제2 메인 릴레이(30)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 메인 릴레이(20)는 제2 진단 라인의 일단이 연결된 제3 노드(N3)와 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 사이에 배치될 수 있다. 제2 메인 릴레이(30)는 제2 진단 라인의 타단이 연결된 제4 노드(N4)와 배터리 팩(1)의 음극 단자(P-) 사이에 배치될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제1 메인 릴레이(20) 및 제2 메인 릴레이(30)는 배터리 팩(1)의 메인 충방전 경로에 배치될 수 있다. 즉, 제1 메인 릴레이(20) 및/또는 제2 메인 릴레이(30)의 동작 상태에 따라서, 배터리 팩(1)의 메인 충방전 경로가 통전되거나 차단될 수 있다.
그리고, 상기 바이패스 릴레이(120)는, 상기 제2 진단 라인의 타단과 상기 제2 메인 릴레이(30) 사이에 일단이 연결되도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120)의 일단은 제4 노드(N4)와 제2 메인 릴레이(30)의 일단 사이에 연결되고, 바이패스 릴레이(120)의 타단은 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 연결될 수 있다.
따라서, 도 5의 실시예에서 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 항상 턴-온 상태일 경우, 배터리 모듈(10)과 부하(200)는 항상 통전되어 있을 수 있다. 그리고, 이 경우, 제어부(130)에 의해 제1 릴레이(111) 및 제2 릴레이(112) 중 적어도 하나의 동작 상태가 턴-온 상태로 제어되면, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 스파크 전압이 인가될 수 있다. 이렇듯 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 항상 턴-온 상태일 경우는, 도 1의 비교예에서 배터리 팩과 부하의 고전위 라인(HV)을 연결하는 라인이 구비된 경우와 동일한 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 제어부(130)는 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 때, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어한 후, 제1 릴레이(111) 또는 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 제어함으로써, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전류가 인가되지 않도록 할 수 있는 장점이 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 전에, 상기 제1 메인 릴레이(20) 및 상기 제2 메인 릴레이(30)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
즉, 제어부(130)는 바이패스 릴레이(120)뿐만 아니라 제1 메인 릴레이(20) 및 제2 메인 릴레이(30)의 동작 상태를 모두 턴-오프 상태로 제어함으로써, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하기 전에 배터리 모듈(10)과 부하(200) 간의 연결을 차단시킬 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 제어부(130)는 A 라인을 통해 제1 메인 릴레이(20)와 연결되고, B 라인을 통해 제2 메인 릴레이(30)와 연결될 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 A 라인에 제어 신호를 출력함으로써 제1 메인 릴레이(20)의 동작 상태를 제어할 수 있고, B 라인에 제어 신호를 출력함으로써 제2 메인 릴레이(30)의 동작 상태를 제어할 수 있다.
예컨대, 도 5의 실시예에서, 바이패스 릴레이(120), 제1 메인 릴레이(20) 및 제2 릴레이(112)의 동작 상태가 모두 턴-오프 상태일 경우, 배터리 모듈(10)과 부하(200)는 공통 접지(G)를 통해서만 연결되기 때문에, 배터리 모듈(10)과 부하(200)를 포함하는 폐회로가 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 배터리 모듈(10)과 부하(200) 간의 전기적 연결을 차단시킨 후, 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정함으로써, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정할 때, 상기 제1 릴레이(111) 및 상기 제2 릴레이(112) 중 어느 하나의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어한 후, 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
제어부(130)가 배터리 모듈(10)의 제1 절연 저항을 측정하기 위해, 제1 릴레이(111) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하는 과정을 설명한다. 여기서, 제1 절연 저항은 배터리 모듈(10)의 양극 절연 저항일 수 있다.
먼저, 상기 제어부(130)는, 상기 제1 릴레이(111)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제어부(130)가 제1 릴레이(111)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하기 전에, 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112), 제1 메인 릴레이(20), 제2 메인 릴레이(30) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태는 턴-오프 상태이다.
소정의 시간이 경과한 후, 상기 제어부(130)는 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다.
여기서, 소정의 시간이 경과된 후에는, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온 상태로 전환되더라도, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되지 않을 수 있다.
구체적으로, 소정의 시간이란, 부하(200)에 구비된 커패시터의 커패시턴스(Capacitance) 및 저항의 저항값(Resistance)에 기반하여 설정될 수 있다. 예컨대, 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 턴-온 상태일 때, 제어부(130)가 제1 릴레이(111) 또는 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 번갈아가며 턴-온 상태로 제어하면, 부하(200)에 구비된 커패시터에 인가되는 전위 차이 때문에 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 커패시터에 의한 스파크 전압이 인가될 수 있다. 즉, 제어부(130)가 제1 릴레이(111)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어할 때 커패시터에 인가되는 전압과 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어할 때 커패시터에 인가되는 전압은 다를 수 있다.
따라서, 제어부(130)는 부하(200)에 구비된 커패시터의 커패시턴스와 저항의 저항값을 고려하여 부하(200)에 대한 시정수(t, tau)를 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(130)는 산출한 시정수에 기반하여 상기 소정의 시간을 설정하도록 구성될 수 있다. 즉, 부하(200)에 구비된 커패시터 및 저항에 기반한 시정수를 고려하여 설정된 소정의 시간에 따라 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 제어되기 때문에, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것이 방지될 수 있다.
마지막으로, 상기 제어부(130)는 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어한 후, 상기 진단부(110)로부터 수신한 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈(10)의 제1 절연 저항을 측정하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제어부(130)는 진단부(110)로부터 수신한 신호에 기반하여 배터리 모듈(10)의 양극 절연 저항을 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 제1 릴레이(111)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 전환시킴으로써, 제1 절연 저항의 측정을 종료할 수 있다. 이 때, 제1 릴레이(111)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 동시에 턴-오프 상태로 전환되더라도, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 스파크 전압이 인가되지 않을 수 있다.
다음으로, 제어부(130)가 배터리 모듈(10)의 제2 절연 저항을 측정하기 위해, 제2 릴레이(112) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하는 과정을 설명한다. 여기서, 제2 절연 저항은 배터리 모듈(10)의 음극 절연 저항일 수 있다.
먼저, 상기 제어부(130)는, 상기 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다. 여기서, 제어부(130)가 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하기 전에, 제1 릴레이(111), 제2 릴레이(112), 제1 메인 릴레이(20), 제2 메인 릴레이(30) 및 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태는 턴-오프 상태이다.
소정의 시간이 경과한 후, 상기 제어부(130)는 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성될 수 있다. 여기서의 소정의 시간은 앞서서 설명한 시간과 동일한 시간이다.
마지막으로, 상기 제어부(130)는 상기 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어한 후, 상기 진단부(110)로부터 수신한 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈(10)의 제2 절연 저항을 측정하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제어부(130)는 진단부(110)로부터 수신한 신호에 기반하여 배터리 모듈(10)의 음극 절연 저항을 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 제2 릴레이(112)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-오프 상태로 전환시킴으로써, 제2 절연 저항의 측정을 종료할 수 있다. 이 때, 제2 릴레이(112)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태가 동시에 턴-오프 상태로 전환되더라도, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에는 스파크 전압이 인가되지 않을 수 있다.
정리하면, 제어부(130)는 제1 릴레이(111)와 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하여 배터리 모듈(10)의 제1 절연 저항을 측정할 수 있고, 제2 릴레이(112)의 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 제어하여 배터리 모듈(10)의 제2 절연 저항을 측정할 수 있다. 이러한 과정에서, 제어부(130)는 제1 릴레이(111) 또는 제2 릴레이(112)의 동작 상태를 먼저 턴-온 상태로 제어한 후, 소정의 시간이 경과하고 나서 바이패스 릴레이(120)의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어할 수 있다. 여기서, 소정의 시간은 부하(200)에 구비된 커패시터 및 저항 사양에 대응되도록 설정될 수 있다. 구체적으로, 소정의 시간은 부하(200)에 구비된 커패시터의 커패시턴스 및 저항의 저항값에 따른 시정수에 대응되도록 설정될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)는 배터리 모듈(10)의 절연 저항을 측정하는 과정에서, 부하(200)의 고전위 라인(HV)에 스파크 전류가 인가되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 스파크 방지 장치(100)는 배터리 모듈(10)의 절연 저항 측정에 의해 부하(200)의 고전위 라인(HV)이 손상되는 것을 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)를 포함하는 배터리 팩(1)이 구비될 수 있다.
예컨대, 도 5 및 도 6의 실시예에서, 배터리 팩(1)의 양극 단자(P+) 및 음극 단자에는 전기 자동차의 모터가 연결될 수 있다. 그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자동차는 배터리 팩(1)에 구비된 배터리 모듈(10)로부터 구동 전원을 인가받을 수 있다.
또한, 배터리 모듈(10)의 절연 저항 측정 과정에서 전기 자동차의 모터의 고전위 라인(HV)에 스파크 전압이 인가되는 것이 방지되기 때문에, 스파크 전압에 따른 모터의 손상되는 것이 방지되고, 스파크 전압에 따른 화재 발생 등의 사고가 미연에 방지될 수 있는 장점이 있다.
또한, 스파크 방지 장치(100)에 포함된 제어부(130)는 전기 자동차에 구비된 다양한 ECU(Electrical control unit)과 CAN 통신 및/또는 CAN FD 통신을 수행하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전기 자동차에 구비된 다양한 ECU에는 ACU(Airbag Control Unit), BCM(Body Control Module), ECU(Engine Control Unit), PCM(Powertrain Control Module), TCU(Transmission Control Unit), ABS(Anti-lock Braking System), ESC(Electronic Stability Control), HPCU(Hybrid Power Control Unit), BMS(Battery Management System), 및 MCU(Motor Control Unit) 등이 포함될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 스파크 방지 장치(100)의 일부 구성들은 전기 자동차에 포함된 ECU 중에서 BMS에 포함될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

Claims (12)

  1. 부하와 연결된 배터리 팩에 구비된 배터리 모듈의 절연 저항을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 배터리 모듈에 병렬로 연결된 제1 릴레이, 제2 릴레이 및 복수의 저항을 포함하고, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이의 동작 상태에 대응되는 측정 신호를 출력하도록 구성된 진단부;
    상기 진단부와 상기 배터리 팩의 음극 단자 사이에 일단이 연결되고, 상기 배터리 팩의 양극 단자와 연결된 상기 부하의 고전위 라인에 타단이 연결되도록 구성된 바이패스 릴레이; 및
    소정의 제어 순서에 따라 상기 제1 릴레이, 상기 제2 릴레이 및 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 제어하고, 상기 진단부로부터 수신한 측정 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈의 절연 저항을 측정하도록 구성된 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    일단이 상기 배터리 모듈의 양극 단자와 상기 배터리 팩의 양극 단자 사이에 연결되고, 타단이 상기 배터리 모듈의 음극 단자와 상기 배터리 팩의 음극 단자 사이에 연결되며, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이가 직렬로 배치되도록 구성된 제1 진단 라인;
    일단이 상기 제1 진단 라인의 일단과 상기 배터리 팩의 양극 단자 사이에 연결되고, 타단이 상기 제1 진단 라인의 타단과 상기 배터리 팩의 음극 단자 사이에 연결되고, 복수의 저항이 직렬로 배치되도록 구성된 제2 진단 라인; 및
    일단이 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이의 사이에 연결되고, 타단이 상기 제2 진단 라인에 구비된 복수의 저항 사이를 통과하여 공통 접지에 연결되도록 구성된 제3 진단 라인을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공통 접지는,
    상기 제3 진단 라인 및 상기 부하에 공통으로 연결된 접지인 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 바이패스 릴레이는,
    동작 상태가 턴-온 상태일 경우, 상기 공통 접지 및 상기 바이패스 릴레이를 통해서 상기 배터리 모듈이 상기 부하와 통전되도록 구성된 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 팩은, 상기 제2 진단 라인의 일단과 상기 배터리 팩의 양극 단자 사이에 배치된 제1 메인 릴레이; 및 상기 제2 진단 라인의 타단과 상기 배터리 팩의 음극 단자 사이에 배치된 제2 메인 릴레이를 더 포함하고,
    상기 바이패스 릴레이는,
    상기 제2 진단 라인의 타단과 상기 제2 메인 릴레이 사이에 일단이 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 모듈의 절연 저항을 측정하기 전에, 상기 제1 메인 릴레이 및 상기 제2 메인 릴레이의 동작 상태를 턴-오프 상태로 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 배터리 모듈의 절연 저항을 측정할 때, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이 중 어느 하나의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어한 후, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, 소정의 시간이 경과한 후, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 제어한 후, 상기 진단부로부터 수신한 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈의 제1 절연 저항을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, 소정의 시간이 경과한 후, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 턴-온 상태로 제어하고, 상기 바이패스 릴레이의 동작 상태를 제어한 후, 상기 진단부로부터 수신한 신호에 기반하여 상기 배터리 모듈의 제2 절연 저항을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 부하에 구비된 커패시터의 커패시턴스 및 저항의 저항값을 고려하여 상기 부하에 대한 시정수를 산출하고, 산출된 시정수에 기반하여 상기 소정의 시간을 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스파크 방지 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 스파크 방지 장치를 포함하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 스파크 방지 장치를 포함하는 전기 자동차.
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