KR20210080066A - 단락 방지 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단락 방지 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 배터리 관리 시스템에 전력을 공급하는 제1 전원과 연결되도록 구성되는 한 쌍의 제1 단자; 적어도 하나의 보호 유닛에 전력을 공급하는 제2 전원에 연결되도록 구성되는 한 쌍의 제2 단자; 한 쌍의 제1 단자의 일 단자와 한 쌍의 제2 단자의 일 단자 사이의 연결 상태를 제어하도록 구성된 제1 릴레이; 한 쌍의 제2 단자 사이에 연결되어, 한 쌍의 제2 단자에 대한 제2 전원의 접속 방향에 따라 신호를 출력하도록 구성되는 포토 커플러; 및 제1 전원의 연결 및 포토 커플러로부터의 신호에 기초하여 제1 릴레이가 한 쌍의 제1 단자의 일 단자와 한 쌍의 제2 단자의 일 단자 사이를 연결시키도록 하는 제어신호를 출력하도록 구성되는 제어부;를 포함하는 단락 방지 회로를 제공한다.

Description

단락 방지 회로 및 이를 포함하는 배터리 시스템{SHORT-CIRCUIT PROTECTION CIRCUIT AND BATTERY SYSTEM INCLUDING SAME}

본 발명은 단락 방지 회로 및 이를 포함하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

최근 스마트폰 등 전자 기기의 보급과 전기 자동차 개발에 수반하여 전력 공급원으로서의 이차 전지에 대한 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 이차 전지는 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 동작을 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)을 포함하는 배터리 팩 형태로 제공된다. 또는 그리드 시스템에서의 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)에서는 복수의 배터리 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결되고, 복수의 배터리 모듈의 BMS와 통신하여 복수의 배터리 모듈을 관리하는 마스터 BMS를 포함하는 배터리 랙의 형태로 제공된다.

이러한 배터리 팩 또는 배터리 랙으로 제공되는 배터리 시스템에서 배터리에 이상 상황이 발생할 경우 사고 방지를 위하여 배터리 보호 장치(BPU: Battery Protection Unit)가 마련된다. BPU는 노이즈 제거 등을 위해서, BMS에 대한 전원과, 냉각 유닛과 같은 BPU에 대한 전원의 그라운드를 서로 연결하여 사용하였다.

그런데 두 전원의 그라운드가 서로 연결된 시스템을 구성할 때, 각 전원의 공급 단자를 대응하는 단자에 각각 정확히 연결하여야 하나, 작업자가 실수로 양단자와 음단자를 서로 반대로 연결하는 경우 두 전원의 그라운드간에 단락이 발생하는 문제가 존재하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 작업자의 실수로 전원의 공급단자를 잘못 연결하더라도 그라운드를 연결할 서로 다른 회로 사이에 단락이 발생하지 않게 하는 단락 방지 회로 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들의 일 측면에 의하면, 배터리 관리 시스템에 전력을 공급하는 제1 전원과 연결되도록 구성되는 한 쌍의 제1 단자; 적어도 하나의 보호 유닛에 전력을 공급하는 제2 전원에 연결되도록 구성되는 한 쌍의 제2 단자; 한 쌍의 제1 단자의 일 단자와 한 쌍의 제2 단자의 일 단자 사이의 연결 상태를 제어하도록 구성된 제1 릴레이; 한 쌍의 제2 단자 사이에 연결되어, 한 쌍의 제2 단자에 대한 제2 전원의 접속 방향에 따라 신호를 출력하도록 구성되는 포토 커플러; 및 제1 전원의 연결 및 포토 커플러로부터의 신호에 기초하여 제1 릴레이가 한 쌍의 제1 단자의 일 단자와 한 쌍의 제2 단자의 일 단자 사이를 연결시키도록 하는 제어신호를 출력하도록 구성되는 제어부;를 포함하는 단락 방지 회로를 제공한다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 제어부는 제1 전원이 한 쌍의 제1 단자와 올바르게 연결되어 전원이 공급되고, 제2 전원이 한 쌍의 제2 단자와 올바르게 연결되어 포토 커플러로부터 신호를 수신할 때, 제어신호에 의해 제1 릴레이의 연결 상태를 변경시킬 수 있다.

본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 제1 릴레이는 노말 오픈(normal open) 상태일 수 있다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 한 쌍의 제2 단자의 타단과 포토 커플러 사이에 연결되도록 구성되는 제2 릴레이를 더 포함할 수 있다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 제어부는 제1 전원이 한 쌍의 제1 단자와 올바르게 연결되어 전원이 공급되고, 제2 전원이 한 쌍의 제2 단자와 올바르게 연결되어 포토 커플러로부터 신호를 수신할 때, 제2 릴레이의 연결 상태를 변경시킬 수 있다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 제2 릴레이의 연결 상태의 변경에 따라서 한 쌍의 제2 단자와 포토 커플러 사이의 연결을 차단할 수 있다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 제2 릴레이는 노말 클로즈(normal close) 상태일 수 있다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 제1 릴레이 및 제2 릴레이는 릴레이 IC로 구현될 수 있다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 제어부의 제어신호에 기초하여 릴레이 IC에 전원을 연결함으로써 제1 릴레이 및 제2 릴레이의 연결 상태를 변경시킬 수 있다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 릴레이 IC의 그라운드 단자와 접지 사이에 연결되며 제어부의 제어신호가 인가될 때 온 되도록 구성되는 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 제1 릴레이 및 제2 릴레이는 기계식 릴레이로 구현될 수 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들의 다른 측면에 의하면, 배터리 모듈; 동작을 위한 제1 전원에 연결되고, 배터리 모듈의 충방전을 관리하도록 구성되는 배터리 관리 시스템; 동작을 위한 제2 전원에 연결되고, 배터리 모듈의 이상 상태를 방지하도록 구성되는 보호 유닛; 및 제1 전원 및 제2 전원이 각각 정상 연결된 경우에만, 제1 전원 및 제2 전원의 그라운드 단자를 서로 연결시키도록 구성되는 앞서 설명된 단락 방지 회로를 포함하는 배터리 시스템을 제공한다.

이상과 같은 단락 방지 회로 및 에너지 저장 시스템에 따르면 배터리 관리 시스템 및 배터리 보호 유닛에 전원을 잘못 연결하더라도 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 단락 방지 회로에서 소모되는 전력량을 저감시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 방지 회로의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도2에 따른 단락 방지 회로의 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 종래의 배터리 시스템에서 두 전원의 그라운드가 서로 연결된 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도2에 따른 단락 방지 회로의 다른 구현예를 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단락 방지 회로의 구성을 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 시스템(B)의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 배터리 시스템(B)은 하나의 이상의 배터리 셀로 이루어지고, 충방전 가능한 배터리 모듈(1)과, 배터리 모듈(1)의 +단자 측 또는 -단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(1)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(2)와, 배터리 셀 및/또는 배터리 모듈(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 및 관리하는 배터리 관리 시스템(3)(이하 'BMS'라고 함)과, 배터리 모듈(1)에 이상이 발생한 것을 검출하였을 때 사고 발생을 방지하기 위한 보호 유닛(4)을 포함한다.

배터리 모듈(1)은 충방전 가능한 하나 이상의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 셀은 리튬 이온(Li-ion) 전지, 리튬 이온 폴리머(Li-ion polymer) 전지, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-MH) 전지 등일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

스위칭부(2)는 배터리 모듈(1)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭 장치이다. 스위칭부(2)는 반도체 스위칭 소자로 구현되는 경우, 예를 들면, 적어도 하나의 MOSFET을 포함할 수 있다. 또는 스위칭부(2)는 기계식 스위칭 소자로 구현되는 경우, 적어도 하나의 기계식 릴레가 사용될 수도 있다.

BMS(3)는, 배터리 모듈(1)의 충방전을 제어 및 관리하기 위하여 스위칭부(2)의 동작을 제어할 수 있다. 또한, BMS(3)는 배터리 모듈(1) 및/또는 배터리 모듈(1)에 포함된 각 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 할 수 있다. 그리고 BMS(3)에 의한 모니터링을 위해 도시하지 않은 센서나 각종 측정 모듈이 배터리 모듈(1)이나 충방전 경로, 또는 배터리 시스템(B) 등의 임의의 위치에 추가로 설치될 수 있다. BMS(3)는 모니터링 한 전압, 전류, 온도 등의 측정값에 기초하여 배터리 모듈(1)의 상태를 나타내는 파라미터, 예를 들어 SOC나 SOH 등을 산출할 수 있다.

BMS(3)는 배터리 시스템(B)의 전반적인 동작을 제어 및 관리한다. 이를 위하여 BMS(3)는 프로그램을 실행시키고 BMS(3)의 전체 동작을 제어하는 컨트롤러로서의 마이컴과, 센서나 측정 수단 등의 입출력 장치, 기타 주변 회로 등 다양한 구성을 포함할 수 있다. 또한 BMS(3)는 동작을 위한 전원으로 제1 전원공급장치(5a)에 연결된다.

보호 유닛(4)은 예를 들면 에너지 저장 시스템(이하 'ESS'라고 함)의 온도 특히 배터리 모듈(1)의 온도와 같은 상태를 조절하고, 배터리 모듈(1)의 이상 상태의 발생을 방지하기 위한 구성으로서, BMS(3)에 의해 제어되어 동작하는 냉각 팬(fan)일 수 있다. 보호 유닛(4)은 동작을 위한 전원으로서 제2 전원공급장치(5b)에 연결된다.

일례로, BMS(3)와 보호 유닛(4)은, 각각, 외부 전원으로부터 전원을 공급받을 수 있다. 이를 위해, 배터리 시스템(B)은 예를 들면 BMS(3)에 미리 설정된 전압의 전력을 공급하는 제1 전원공급장치(5a)와, 보호 유닛(4)에 미리 설정된 전압의 전력을 공급하는 제2 전원공급장치(5b)로 이루어진 전원공급장치(5)를 더 구비할 수 있다. 예로써, 전원공급장치(5)는 SMPS일 수 있다. 또는, BMS(3)와 보호 유닛(4)은, 각각, 배터리 모듈(1)로부터 전원을 공급받을 수도 있다. 이 경우, 에너지 저장 시스템(B)은 예를 들면 배터리 모듈(1)의 전원을 미리 설정된 일정한 전압으로 변환하여 BMS(3)와 보호 유닛(4)에 각각 공급하는 전압 레귤레이터를 구비할 수 있다.

이와 같은 BMS(3)와 보호 유닛(4)을 통하여 배터리 보호 장치(BPU; Battery Protection Unit)가 구현될 수 있다.

도 1에서는 전원공급장치(5)로부터 BMS(3)에 전원을 공급하는 것을 하나의 실선으로 표시하였으나, 예를 들면, BMS(3)는 구동 전원으로서 제1 전원을 공급받기 위한 제1 한쌍의 단자(즉, 양(+)단자, 음(-)단자)를 구비할 수 있다. 마찬가지로 보호 유닛(4)도 구동 전원으로서 제2 전원을 공급받기 위한 제2 한쌍의 단자(즉, 양단자, 음단자)를 구비할 수 있다. 이때, 노이즈 제거 등을 위해서, 제1 전원의 음단자(즉, 그라운드 단자)와 제2 전원의 음단자(즉, 그라운드 단자)는 노이즈 제거 등을 위해 서로 전기적으로 연결된다.

배터리 시스템(B)은 추가로 외부의 상위 제어기(6)와 통신 가능하게 연결될 수 있다. 즉, 배터리 시스템(B)은 상위 제어기(6)로 배터리 시스템(B)에 대한 각종 데이터를 전송하고, 상위 제어기(6)로부터 배터리 시스템(B)의 동작에 관한 제어신호를 수신할 수 있다.

배터리 시스템(B)이 차량에 탑재되는 경우, 배터리 시스템(B)은 배터리 팩일 수 있다. 그리고 이 경우, 상위 제어기(6)는 배터리 시스템(B)이 전기 자동차에 탑재된 경우 차량의 운행을 제어하기 위한 차량 제어기일 수 있다. 반면, 배터리 시스템(B)이 에너지 저장 장치(ESS)에 사용되는 경우 배터리 시스템(B)은 배터리 모듈 또는 배터리 랙일 수 있다. 그리고 이 경우, 상위 제어기(6)는 복수의 배터리 모듈을 관리하는 랙 BMS나, ESS의 전체 동작을 제어하는 외부 제어 시스템일 수도 있다.

이어서, 도 2 및 도 3을 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 방지 회로(10)를 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 방지 회로(10)의 구성을 나타내는 블록도이다. 단락 방지 회로(10)는 제1 전원공급장치(5a) 및 제2 전원공급장치(5b)이 각각 정상 연결된 경우에만, 제1 전원공급장치(5a) 및 제2 전원공급장치(5b)의 그라운드 단자를 서로 연결시키도록 구성되는 회로이다. 이러한 단락 방지 회로(10)는 BMS(3)와 별도로 마련될 수도 있으며, BMS(3)를 구성하는 회로들과 통항하여 형성되어 있을 수도 있을 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단락 방지 회로(10)는 레귤레이터(11), 마이컴(MCU, 12), 릴레이부(13), 포토 커플러(14) 및 스위칭 소자(15)를 포함할 수 있다.

레귤레이터(11)는 도시하지 않은 한 쌍의 제1 단자를 통하여 BMS(3)에 전력을 공급하는 제1 전원공급장치(5a)에 연결되도록 구성된다. 레귤레이터(11)는 한 쌍의 제1 단자를 통하여 제1 전원공급장치(5a)에 연결되면, 인가되는 전압을 BMS(3)의 MCU(12)에서 사용하는 전압으로 변환한다. 레귤레이터(11)는 변환한 전압을 MCU(12)에 인가한다. 즉, 레귤레이터(11)는 제1 전원공급장치(5a)가 한 쌍의 제1 단자에 올바르게 연결되면 MCU(12)에 동작을 위한 전력을 공급한다. 반면, 제1 전원공급장치(5a)가 한 쌍의 제1 단자에 반대로 연결되면 MCU(12)에 전력을 공급하지 않는다.

MCU(12)는 BMS(3)의 전반적인 동작을 제어하는 제어부로서 동작한다. MCU(12)는 레귤레이터(11)로부터 소정의 전압으로 변환된 전력을 공급받는다. MCU(12)는 레귤레이터(11)로부터의 전력 공급에 기초하여 BMS(3)에 제1 전원공급장치(5a)가 연결된 것을 검출한다. 특히 MCU(12)는 레귤레이터(11)로부터의 전력 공급에 기초하여 한 쌍의 제1 단자에 제1 전원공급장치(5a)가 올바르게 연결되었다는 것을 파악할 수 있다.

MCU(12)는 포토 커플러(14)로부터의 출력신호가 인가될 수 있다. 포토 커플러(14)로부터의 출력신호는 보호 유닛(4)에 제2 전원공급장치(5b)가 올바르게 연결된 것을 나타내는 신호이다.

MCU(12)는 레귤레이터(11)로부터의 전력 공급 및 포토 커플러(14)로부터의 출력신호에 기초하여 제1 전원공급장치(5a) 및 제2 전원공급장치(5b)가 모두 올바르게 연결된 것으로 판단할 수 있다.

릴레이부(13)는 제1 전원공급장치(5a)에 연결되는 한 쌍의 제1 단자 중 하나의 단자와, 제2 전원공급장치(5b)에 연결되는 한 쌍의 제2 단자 중 하나의 단자 사이의 연결 상태를 제어하도록 구성된 제1 릴레이(13a)를 포함한다. 다시 말해, 제1 릴레이(13a)는 제1 전원공급장치(5a)의 한쪽 극성과 제2 전원공급장치(5b)의 한쪽 극성 사이의 연결 상태를 제어한다. 구체적으로는, 제1 전원공급장치(5a)의 그라운드와 제2 전원공급장치(5b)의 그라운드 사이의 연결 상태를 제어한다. 제1 릴레이(13a)는 MCU(12)로부터의 제어신호에 기초하여 연결 상태가 변경될 수 있다.

제1 릴레이(13a)는 초기에 제1 전원공급장치(5a)와 제2 전원공급장치(5b) 사이를 연결하지 않는다. 즉, 제1 릴레이(13a)는 초기에 제1 전원공급장치(5a)의 그라운드와 제2 전원공급장치(5b)의 그라운드 사이를 연결하지 않는다. 따라서 제1 릴레이(13a)는 노멀 오픈 상태의 릴레이일 수 있다. 그리고 MCU(12)로부터 제어신호가 인가되면 제1 릴레이(13a)는 상태가 오픈 상태에서 클로즈 상태로 변경된다. 따라서 제1 전원공급장치(5a)의 그라운드와 제2 전원공급장치(5b)의 그라운드가 서로 연결된다. 즉, 제1 전원공급장치(5a)와 제2 전원공급장치(5b)가 공통 그라운드를 형성하게 된다.

포토 커플러(14)는 도시하지 않은 한 쌍의 제2 단자를 통하여 보호 유닛(4)에 전력을 공급하는 제2 전원공급장치(5b)에 연결되도록 구성된다. 즉, 포토 커플러(14)는 한 쌍의 제2 단자 사이에 입력단자들이 연결된다. 포토 커플러(14)는 한 쌍의 제2 단자에 대한 제2 전원공급장치(5b)의 접속 방향에 따라서 출력단자에서 출력되는 출력신호가 변한다. 예를 들어, 제2 전원공급장치(5b)가 한 쌍의 제2 단자에 올바르게 연결되면, 출력단자를 통하여 하이 레벨의 출력신호를 MCU(12)에 인가한다. 반면, 제2 전원공급장치(5b)가 한 쌍의 제2 단자에 반대로 연결되면, 출력단자를 통하여 로우 레벨의 출력신호를 MCU(12)에 인가한다.

이와 관련하여, 릴레이부(13)는 포토 커플러(14)의 입력 단자 중 하나의 단자와, 한 쌍의 제2 단자 중 하나의 단자 사이에 연결되는 제2 릴레이(13b)를 포함할 수 있다. 즉, 한 쌍의 제2 단자 중 하나의 단자에서 시작하여 제2 릴레이(13b), 포토 커플러(14)를 거쳐 한 쌍의 제2 단자 중 다른 하나의 단자로 이어지는 경로가 형성될 수 있다.

제2 릴레이(13b)는 구체적으로는, 제2 전원공급장치(5b)의 양극 라인(또는 한 쌍의 제2 단자 중 양단자)과 포토 커플러(14)의 입력 단자 중 하나의 단자 사이에 연결되어 이들 사이의 연결 상태를 제어한다. 이때, 포토 커플러(14)의 입력 단자 중 다른 하나의 단자에는 제2 전원공급장치(5b)의 음극 라인(또는 한 쌍의 제2 단자 중 음단자)이 연결된다. 제2 릴레이(13b)는 MCU(12)로부터의 제어신호에 기초하여 연결 상태가 변경될 수 있다.

제2 릴레이(13b)는 초기에 제2 전원공급장치(5b)에 연결되는 한 쌍의 제2 단자 중 하나의 단자와 포토 커플러(14)의 입력 단자 사이를 연결한다. 즉, 제2 릴레이(13b)는 초기에 제2 전원공급장치(5a)로부터의 전압이 포토 커플러(14)의 입력 단자들 사이에 인가되도록 한다. 따라서 제2 릴레이(13b)는 노멀 클로즈 상태의 릴레이일 수 있다. 그리고 MCU(12)로부터 제어신호가 인가되면 제2 릴레이(13b)는 상태가 클로즈 상태에서 오픈 상태로 변경된다. 따라서 포토 커플러(14) 양단에 제2 전원공급장치(5b)로부터의 전압이 더 이상 인가되지 않게 된다. 즉, 제2 릴레이(13b)의 연결 상태의 변경에 따라서 한 쌍의 제2 단자와 포토 커플러(14) 사이의 연결을 차단한다. 이로 인해 포토 커플러(14)가 MCU(12)로 인가하는 출력신호의 상태가 변경된다. 포토 커플러(14)가 MCU(12)로 더 이상 신호를 출력하지 않게 된다.

MCU(12)는 제1 전원공급장치(5a)의 연결 및 제2 전원공급장치(5b)의 연결에 따른 신호에 기초하여 제1 릴레이(13a) 및 제2 릴레이(13b)의 연결 상태를 제어한다. 구체적으로는, MCU(12)는 제1 전원공급장치(5a)가 한 쌍의 제1 단자와 올바르게 연결되어 전원이 공급되고, 제2 전원공급장치(5b)가 한 쌍의 제2 단자와 올바르게 연결되어 포토 커플러(14)로부터 출력신호를 수신하면, 제어신호를 출력하여 제1 릴레이(13a) 및 제2 릴레이(13b)의 연결 상태를 변경한다. 즉, MCU(12)는 상기 판단에 기초하여 한 쌍의 제1 단자의 일 단자와 한 쌍의 제2 단자의 일 단자 사이를 연결시키도록 하는 제어신호를 출력하도록 구성된다. 또한, MCU(12)는 상기 판단에 기초하여 포토 커플러(14)에 인 제2 전원공급장치(5b)로부터의 전력이 공급되지 않도록 차단하도는 제어신호를 출력하록 구성된다. 제1 릴레이(13a)의 연결 상태를 변경하는 제어신호와 제2 릴레이(13b)의 연결 상태를 변경하는 제어신호는 동일한 신호일 수 있다. 또는 이들 제어신호는 개별적으로 출력되는 별개의 신호일 수도 있다.

스위칭 소자(15)는 릴레이부(13)와 그라운드 사이의 연결 상태를 제어하도록 구성된다. 스위칭 소자(15)는 MCU(12)에서 출력되는 제어신호에 기초하여 연결 상태가 제어될 수 있다. 예를 들어, MCU(12)에서 제어신호가 출력되면, 그 제어신호가 인가되어 스위칭 소자(15)가 온 되어 릴에이부(13)가 그라운드에 연결되도록 한다.

이와 같은 구성으로, MCU(12)는 제1 전원공급장치(5a)가 올바르게 연결되면, 한 쌍의 제1 단자에 전원의 양음이 올바르게 연결된다. 그리고 제1 전원공급장치(5a)가 올바르게 연결되면 레귤레이터(11)를 통하여 MCU(12)에 전력이 공급된다. 그리고 MCU(12)는 제2 전원공급장치(5b)가 올바르게 연결되면, 한 쌍의 제2 단자에 전원의 양음이 올바르게 연결된다. 그리고 제2 전원공급장치(5b)가 올바르게 연결되면 포토 커플러(14)로부터의 출력신호가 MCU(12)에 인가된다.

MCU(12)는 레귤레이터(11)로부터의 전력 공급 및 포토 커플러(14)로부터의 출력신호 인가를 검출하면 제1 전원공급장치(5a) 및 제2 전원공급장치(5b)가 각각 올바르게 연결되었다고 판단한다. 따라서 MCU(12)는 제어신호를 출력하여 제1 릴레이(13a)의 연결 상태를 변경하여 한 쌍의 제1 단자 중 음(-)단자와 한 쌍의 제2 단자 중 음(-) 단자를 연결한다. 즉, 제1 전원공급장치(5a)의 그라운드와 제2 전원공급장치(5b)의 그라운드가 서로 연결되도록 한다.

추가적으로 MCU(12)는 제어신호를 출력하여 제2 릴레이(13b)의 연결 상태를 변경하여 포토 커플러(14)에 제2 전원공급장치(5b)로부터의 전압이 인가되는 것을 차단한다. 따라서 포토 커플러(14)가 계속해서 동작하여 전력을 소모하는 것을 방지한다.

도 3은 도2에 따른 단락 방지 회로의 구현예를 나타내는 회로도이다.

도 3을 참조하면, 외부의 제1 전원공급장치(5a)의 양극 라인 및 음극 라인이 각각 한 쌍의 제1 단자(16)의 양단자(16a)와 음단자(16b)에 연결된다. 제1 전원공급장치(5a)는 BMS(3a)에 공급되는 컨트롤 전원일 수 있다.

제1 전원공급장치(5a)가 한 쌍의 제1 단자(16)에 연결되어 레귤레이터(11)에 전력이 공급된다. 이때, 역류를 방지하기 위하여 제1 단자의 양단자(16a)와 레귤레이터(11) 사이에 다이오드(D1)가 형성될 수 있다.

또한, 제1 단자의 음단자(16b)는 릴레이부로서 사용된 릴레이 IC(130)에 있어서 제1 릴레이(릴레이 IC(130)의 상단측 핀들에 의하여 동작하는 릴레이)의 SW1 단자에 연결된다. 그리고 이 제1 릴레이의 노말 오픈 단자인 NO1 단자는 한 쌍의 제2 단자의 음단자(17b)에 연결된다.

외부의 제2 전원공급장치(5b)의 양극 라인 및 음극 라인이 각각 한 쌍의 제2 단자(17)의 양단자(17a)와 음단자(17b)에 연결된다. 제1 전원공급장치(5a)는 보호 유닛(4)에 공급되는 컨트롤 전원일 수 있다.

제2 단자의 양단자(17a)는 릴레이부로서 사용된 릴레이 IC(130)에 있어서 제2 릴레이(릴레이 IC(130)의 하단측 핀들에 의하여 동작하는 릴레이)의 SW2 단자에 연결된다. 이때, 역류를 방지하기 위하여 제2 단자의 양단자(17a)와 제2 릴레이의 SW2 단자 사이에 다이오드(D2)가 형성될 수 있다. 그리고 제2 릴레이의 노말 클로즈 단자인 NC2 단자는 포토 커플러(140)의 애노드 단자(A)에 연결된다. 이때, NC2 단자와 애노드 단자(A) 사이에는 저항(R1)이 삽입될 수 있다. 그리고 포토 커플러(140)의 캐소드 단자(C)에는 제2 단자의 음단자(17b)가 연결된다.

레귤레이터(11)는 제1 전원공급장치(5a)가 한 쌍의 제1 단자(16)에 올바르게 연결되면 전력을 MCU(120)에 공급한다. 또한, 포토 커플러(140)는 제2 전원공급장치(5b)가 한 쌍의 제2 단자(17)에 올바르게 연결되면 출력 단자(Vo)를 통하여 MCU(120)에 출력신호를 인가한다. 포토 커플러(140)의 출력 단자(Vo)와 MCU(120) 사이에는 저항(R2)이 삽입될 수 있다.

MCU(120)는 레귤레이터(11)로부터의 전력 공급, 그리고 포토 커플러(140)의 출력 단자(Vo)로부터의 출력신호에 기초하여 제1 전원공급장치(5a)와 제2 전원공급장치(5b)가 올바르게 연결되어 BMS(3a) 및 보호유닛(4)에 전력을 공급할 수 있는 상태임을 판단할 수 있다. 이에 기초하여 MCU(120)는 제어신호를 스위칭 소자(15)에 출력한다. 스위칭 소자(15)는 릴레이 IC(130)의 GND 단자와 그라운드 사이에 이미터 및 컬렉터 단자가 연결되어 있으며, 베이스 단자가 MCU(120)와 연결되어 제어신호가 인가되는 구조로 형성되어 있다. 스위칭 소자(15)는 MCU(120)로부터의 제어신호에 의하여 온 되어 릴레이 IC(130)의 GND 단자를 그라운드에 연결한다. 그러나 스위칭 소자는 도 3에 도시한 바와 같이 BJT로 한정되는 것은 아니며, MOSFET이나 기타 다른 스위칭 소자가 사용될 수 있을 것이다.

MCU(120)로부터의 제어신호에 의하여 릴레이 IC(130)에 전원이 연결됨으로써, 제1 릴레이와 제2 릴레이의 연결 상태가 변경된다. 구체적으로는, 제1 릴레이에서 SW1 단자와 NO1 단자가 도통하게 된다. 이로써 제1 전원공급장치(5a)의 그라운드와 제2 전원공급장치(5b)의 그라운드가 서로 연결된다. 즉, 공통 그라운드를 형성하게 된다.

또한, MCU(120)로부터의 제어신호에 의하여 릴레이 IC(130)에 전원이 공급되면, SW2 단자와 NC2 단자는 오픈 상태가 되어 연결이 차단된다. 따라서 포토 커플러(140)의 애노드 단자(A)와 제2 전원 공급장치(5b)의 양극 라인의 연결이 차단되어 포토 커플러(140)에 전압이 인가되지 않게 된다. 따라서 포토 커플러(140)로부터의 출력신호가 출력 단자(Vo)로부터 출력되지 않으며, 따라서 제2 전원 공급장치(5b)의 전력이 포토 커플러(140)에서 소모되는 것을 감소시킬 수 있게 된다. 일단 MCU(120)는 포토 커플러(140)로부터의 출력신호가 인가되어 제어신호를 출력한 후에는, 제2 릴레이의 연결 상태가 변경되어 포토 커플러(140)로부터 출력신호가 더 이상 인가되지 않더라도 제2 전원 공급장치(5b)가 반대로 연결되었다고 판단하지는 않는다.

한편, 도 3과 같은 단락 방지 회로 구성에서 만약 제1 전원공급장치(5a)가 접속 방향이 반대로 연결되면, 레귤레이터(11)에서 MCU(120)로 전력을 공급하지 못한다. 따라서 MCU(120)는 릴레이 IC(100)를 동작시키는 제어신호를 출력하지 못하게 된다. 다시 말해 BMS(3a)가 동작하지 않는다. 결국, SW1 단자와 NO1 단자에 연결되어 노말 오픈 상태로 연결된 제1 전원공급장치(5a)의 음단자(16b) 및 제2 전원공급장치(5b)의 음단자(17b)는 서로 연결되지 않는다. 즉, 제1 전원공급장치(5a)와 제2 전원공급장치(5b) 사이에 단락이 발생하는 것을 자동으로 방지할 수 있게 된다.

또한, 도 같은 단락 방지 회로 구성에서 만약 제2 전원공급장치(5b)가 접속 방향이 반대로 연결되면, 포토 커플러(140)의 출력 단자(Vo)에서 출력신호가 출력되지 않는다. 따라서 MCU(120)는 릴레이 IC(100)를 동작시키는 제어신호를 출력하지 못하게 되며, 동일한 방식으로 제1 전원공급장치(5a)와 제2 전원공급장치(5b) 사이에 단락이 발생하는 것을 자동으로 방지할 수 있게 된다.

도 4는 종래의 배터리 시스템에서 두 전원의 그라운드가 서로 연결된 개념을 설명하기 위한 도면이다.

종래의 에너지 저장 시스템의 배터리 보호 장치(BPU)에서는, 단순히 컨트롤 전원의 그라운드(GND_C)측 단자와 Fan 전원의 그라운드(GND_F)측 단자를 직접 연결하였다. 이로 인해, 각 전원의 공급 단자를 대응하는 단자에 각각 연결할 때, 작업자가 실수로 양단자와 음단자를 서로 반대로 연결하는 경우 두 전원의 그라운드 단자간에 단락이 발생하였다.

그러나, 상술한 본 발명의 단락 방지 회로에 의하면, 각 전원의 공급 단자를 대응하는 단자에 각각 연결할 때, 작업자의 실수로 양단자와 음단자가 서로 반대로 연결하더라도 BMS(3a)가 동작하지 않거나 BMS(3a)의 MCU(120)가 제어신호를 출력하지 않아 제1 전원공급장치(5a)와 제2 전원공급장치(5b)의 그라운드 사이를 연결시키지 않는다. 따라서 두 전원의 그라운드 단자 간에 단락이 발생하지 않게 되어, 보호 기능을 보다 향상시킬 수 있다.

도 5는 도2에 따른 단락 방지 회로(10)의 다른 구현예를 나타내는 회로도이다.

본 구현예에서는 릴레이부(13)로서 릴레이 IC(130) 대신에 기계식 릴레이(131, 132)가 각각 제1 릴레이 및 제2 릴레이로서 사용되었다. 또한, 본 실시예에서는 MCU(121)가 스위칭 소자를 통하여 제1 릴레이(131) 및 제2 릴레이(132)의 연결 상태를 제어하는 것이 아니라, MCU(121)로부터의 제어신호가 직접 제1 릴레이(131) 및 제2 릴레이(132)에 인가되도록 하였다.

상기 언급한 것 외에는 도 3에 따른 구현예에서 설명한 것과 마찬가지로 동작하여 제1 전원공급장치(5a)와 제2 전원공급장치(5b) 사이에 단락이 발생하는 것을 자동으로 방지할 수 있게 된다.

한편, 도 3 및 도 5에서 릴레이들은 SPDT(Single Pole Double Through)인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 릴레이들은 SPST(Single Pole Single Through) 등 다른 접점 구조로도 구현 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단락 방지 회로의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 6을 참조하면, 도 2와 비교하여 제2 릴레이가 생략된 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서는 제2 전원공급장치(5b)의 양극 라인 및 음극 라인이 각각 한 쌍의 제2 단자(17)의 양단자(17a) 및 음단자(17b)에 연결된다. 그리고, 이들 양단자(17a) 및 음단자(17b)는 릴레이를 거치지 않고 포토 커플러(14)의 입력 단자들인 애노드 단자 및 캐소드 단자에 연결된다. 따라서 제2 전원공급장치(5b)가 올바르게 연결된 경우에는 포토 커플러(14)에 정방향 전압이 인가되므로 MCU(12)로 출력신호가 출력된다. 반대로 제2 전원공급장치(5b)가 반대 방향으로 연결된 경우에는 포토 커플러(14)에 역방향 전압이 인가되므로 MCU(12)로 출력신호가 출력되지 않는다.

따라서 본 실시예에서도, 제1 전원공급장치(5a)와 제2 전원공급장치(5b) 각각의 연결이 올바르게 되었는지를 판단하여 제1 전원공급장치(5a)와 제2 전원공급장치(5b)의 그라운드 사이를 연결할 수 있게 된다. 즉 두 전원의 그라운드 단자 간에 단락이 발생하지 않게 되어, 보호 기능을 보다 향상시킬 수 있다.

본 실시예에서는 스위칭 소자(15)가 포함된 예를 설명하였으나, 본 실시예에서도 스위칭 소자(15)를 생략하여 회로를 구현하는 것이 가능할 것이다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

B 배터리 시스템 1 배터리 모듈
2 스위칭부 3 배터리 관리 시스템
4 보호 유닛 5 전원공급장치
6 상위 제어기 11 레귤레이터
12 MCU 13 릴레이부
14 포토 커플러 15 스위칭 소자

Claims (12)

1. 배터리 관리 시스템에 전력을 공급하는 제1 전원과 연결되도록 구성되는 한 쌍의 제1 단자;
   적어도 하나의 보호 유닛에 전력을 공급하는 제2 전원에 연결되도록 구성되는 한 쌍의 제2 단자;
   상기 한 쌍의 제1 단자의 일 단자와 상기 한 쌍의 제2 단자의 일 단자 사이의 연결 상태를 제어하도록 구성된 제1 릴레이;
   상기 한 쌍의 제2 단자 사이에 연결되어, 상기 한 쌍의 제2 단자에 대한 상기 제2 전원의 접속 방향에 따라 신호를 출력하도록 구성되는 포토 커플러; 및
   상기 제1 전원의 연결 및 상기 포토 커플러로부터의 신호에 기초하여 상기 제1 릴레이가 상기 한 쌍의 제1 단자의 일 단자와 상기 한 쌍의 제2 단자의 일 단자 사이를 연결시키도록 하는 제어신호를 출력하도록 구성되는 제어부;를 포함하는 단락 방지 회로.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제1 전원이 상기 한 쌍의 제1 단자와 올바르게 연결되어 전원이 공급되고, 상기 제2 전원이 상기 한 쌍의 제2 단자와 올바르게 연결되어 상기 포토 커플러로부터 신호를 수신할 때, 상기 제어신호에 의해 상기 제1 릴레이의 연결 상태를 변경시키는 단락 방지 회로.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 릴레이는 노말 오픈(normal open) 상태인 것을 특징으로 하는 단락 방지 회로.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 한 쌍의 제2 단자의 타단과 상기 포토 커플러 사이에 연결되도록 구성되는 제2 릴레이를 더 포함하는 단락 방지 회로.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제1 전원이 상기 한 쌍의 제1 단자와 올바르게 연결되어 전원이 공급되고, 상기 제2 전원이 상기 한 쌍의 제2 단자와 올바르게 연결되어 상기 포토 커플러로부터 신호를 수신할 때, 상기 제2 릴레이의 연결 상태를 변경시키는 단락 방지 회로.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제2 릴레이의 연결 상태의 변경에 따라서 상기 한 쌍의 제2 단자와 포토 커플러 사이의 연결을 차단하는 단락 방지 회로.
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2 릴레이는 노말 클로즈(normal close) 상태인 것을 특징으로 하는 단락 방지 회로.
8. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1 릴레이 및 제2 릴레이는 릴레이 IC로 구현되는 것을 특징으로 하는 단락 방지 회로.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제어부의 제어신호에 기초하여 상기 릴레이 IC에 전원을 연결함으로써 상기 제1 릴레이 및 제2 릴레이의 연결 상태를 변경시키는 것을 특징으로 하는 단락 방지 회로.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 릴레이 IC의 그라운드 단자와 접지 사이에 연결되며 상기 제어부의 제어신호가 인가될 때 온 되도록 구성되는 스위칭 소자를 더 포함하는 단락 방지 회로.
11. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 릴레이 및 제2 릴레이는 기계식 릴레이로 구현되는 것을 특징으로 하는 단락 방지 회로.
12. 배터리 모듈;
    동작을 위한 제1 전원에 연결되고, 상기 배터리 모듈의 충방전을 관리하도록 구성되는 배터리 관리 시스템;
    동작을 위한 제2 전원에 연결되고, 상기 배터리 모듈의 이상 상태를 방지하도록 구성되는 보호 유닛; 및
    상기 제1 전원 및 제2 전원이 각각 정상 연결된 경우에만, 상기 제1 전원 및 제2 전원의 그라운드 단자를 서로 연결시키도록 구성되는 청구항 1 내지 청구항 11에 따른 단락 방지 회로를 포함하는 배터리 시스템.

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