KR20220130594A - 배터리 시스템 및 배터리 시스템을 포함하는 차량 - Google Patents

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KR20220130594A
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볼프강 라인프레헤트
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Abstract

본 개시는 전기 차량용 배터리 시스템(10) 및 이를 포함하는 차량에 관한 것이다. 배터리 시스템은 배터리 시스템 단자들(14, 16)에 고전압 출력을 제공하기 위해 서로 상호 연결된 복수의 배터리 셀을 갖는 고전압 배터리(12)를 포함하는 배터리 시스템(10)은, 배터리 시스템의 오작동 또는 전기 차량의 충돌이 발생한 경우에 배터리 시스템 단자들(14, 16) 중 적어도 하나로부터 고전압 배터리(12)를 분리하기 위한 배터리 분리 수단(20)을 더 포함하며, 배터리 분리 수단(20)은 고전압 배터리(12)에 의해 전원이 공급될 수 있다.

Description

배터리 시스템 및 배터리 시스템을 포함하는 차량{BATTERY SYSTEM AND VEHICLE INCLUDING BATTERY SYSTEM}
본 발명은 배터리 시스템 및 이를 포함하는 차량에 관한 것이다.
최근에, 전력을 동력원으로 사용하는 차량들이 개발되었다. 전기 차량은 전기 모터에 의해 이차 배터리들에 저장된 에너지를 사용하여 구동되는 차량이다. 전기 차량은 배터리들에 의해서만 전력을 공급받을 수 있거나, 또는 예를 들어 가솔린 발전기에 의해 동력을 공급받는 하이브리드(hybrid) 차량의 형태일 수 있다. 또한, 차량은 전기 모터와 종래의 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전기 차량용 배터리(electric vehicle battery, EVB) 또는 견인 배터리(traction battery)는 배터리 전기 차량(battery electric vehicle, BEV)의 추진력을 공급하는데 사용되는 배터리이다. 전기 차량용 배터리는, 지속되는 기간 동안 전력을 공급하도록 설계되었으므로, 시동(starting), 조명(lighting), 및 점화(ignition)용 배터리와 다르다. 이차(rechargeable 또는 secondary) 배터리는 충전과 방전을 반복적으로 할 수 있다는 점에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지로 비가역적 변환만을 하는 일차 배터리(primary battery)와 다르다. 저용량의 이차 배터리는 셀룰러폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 디바이스용 전원으로서 사용되는 반면, 고용량의 이차 배터리는 하이브리드 차량 등을 위한 전원으로 사용된다.
일반적으로 이차 배터리는 양극, 음극, 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극 단자들을 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 화학적 반응을 통해 이차 배터리의 충전 및 방전이 가능하도록 하기 위해, 이차 배터리의 케이스 내부로 전해질 용액이 주입된다. 케이스의 형상은 예를 들어, 원통형, 직사각형 등으로 배터리의 용도에 따라서 달라진다. 최근 개발 중인 전기 차량들에는 랩탑(laptop) 및 가전 제품들에 널리 사용되는 것으로 알려진 리튬-이온(및 비슷한 리튬 폴리머) 배터리가 주로 적용된다.
높은 에너지 밀도를 제공하기 위해, 특히 하이브리드 차량의 모터 구동을 위해, 이차 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈로 사용될 수 있다. 즉, 배터리 모듈은 고출력의 이차 배터리를 구현하기 위해, 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 배터리 셀의 전극 단자들을 연결하여 형성된다.
배터리 모듈은 블록 설계 또는 모듈 설계 방식으로 구성될 수 있다. 블록 설계 방식에서, 각 배터리는 공통 전류 콜렉터 구조(common current collector structure)로 결합되고, 배터리 관리 시스템(battery management system, 이하 'BMS'라 칭함) 및 그 유닛은 하우징 내에 배치된다. 모듈 설계 방식에서, 복수의 배터리 셀은 서브 모듈을 형성하도록 연결되고, 몇몇의 서브 모듈들이 배터리 모듈을 형성하도록 연결된다. 차량 어플리케이션들에서, 배터리 시스템들은 종종 원하는 전압을 제공하기 위해 직렬로 연결된 복수의 배터리 모듈로 구성된다. 여기서, 배터리 모듈들은, 각각이 병렬로 연결된 셀들을 포함하고 서로 직렬 연결되는 복수의 셀 스택들(XpYs), 또는 서로 직렬로 연결되고 다시 병렬로 연결된 다중 셀들(XsYp)을 포함하는 서브 모듈들을 포함할 수 있다.
배터리 팩은 여러 개의(가능한 동일한) 배터리 모듈들의 세트이다. 배터리 모듈들은 원하는 전압, 용량 또는 전력 밀도를 제공하기 위해, 직렬, 병렬 또는 두 가지의 혼합 방식으로 구성될 수 있다. 배터리 팩의 구성요소들에는 각각의 배터리 모듈들과, 이들 간의 전기 전도성을 제공하는 인터커넥트(interconnect)가 포함된다.
배터리의 전력 출력 및 충전에 대한 고정(static) 제어만으로는 배터리 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자들의 동적 전력 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. 따라서, 배터리 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에는 지속적 또는 간헐적인 정보 교환이 요구된다. 배터리 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에 교환되는 정보는, 전기 소비자의 실제/예측된 전력 수요나 잉여 전력 뿐만 아니라, 배터리 시스템의 충전 상태(State of Charge, SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항을 포함한다. 따라서 배터리 시스템은 일반적으로 시스템 레벨에 대한 이러한 정보를 획득 및 처리하기 위한 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)과, 배터리 시스템의 배터리 모듈의 일부로서 시스템 모듈 레벨에서 관련 정보를 획득 및 처리하는 복수의 배터리 모듈 관리자(battery module management, BMM)로 구성된다. 특히 BMS는 일반적으로 시스템 전압, 시스템 전류, 시스템 하우징 내부 여러 위치의 국부 온도, 충전 부품과 시스템 하우징 사이의 절연 저항을 측정한다. 또한 BMM은 일반적으로 배터리 모듈에 있는 배터리 셀들의 개별 셀 전압과 온도를 측정한다.
따라서 BMS/BMU는 배터리가 안전한 작동 영역 밖에서 작동하지 않도록 보호하고, 상태를 모니터링하고, 2차 데이터를 계산하고, 해당 데이터를 보고하고, 환경을 제어하고, 인증 및/또는 밸런싱하는 것과 같은 배터리 팩 관리를 위해 제공된다. 그것.
비정상적인 작동 상태이면, 배터리 팩은 일반적으로 배터리 팩의 단자에 연결된 부하에서 분리되어야 한다. 따라서, 배터리 시스템은 배터리 모듈과 배터리 시스템 단자 사이에 전기적으로 연결된 배터리 분리 유닛(battery disconnect unit, BDU)을 더 포함한다. BDU는 배터리 팩과 차량의 전기 시스템 사이의 주요 인터페이스이다. BDU에는 배터리 팩과 전기 시스템 사이의 고전류 경로를 열거나 닫는 전기기계 스위치가 포함된다. BDU는 전압 및 전류 측정과 같이 배터리 모듈들에 동반되는 피드백을 배터리 제어 유닛(battery control unit, BCU)에 제공한다. BCU는 BDU에서 수신된 피드백을 기반으로 저전류 경로를 사용하여 BDU의 스위치를 제어한다. 따라서, BDU의 주요 기능에는 배터리 팩과 전기 시스템 사이의 전류 흐름 제어 및 전류 감지가 포함될 수 있다. BDU는 외부 충전(external charging) 및 사전 충전(pre-charging)과 같은 추가 기능을 추가로 관리할 수 있다. 배터리의 오작동 또는 배터리를 적재한 전기 차량의 충돌이 발생하는 경우, 배터리를 분리하기 위해 파이로 소자(pyrotechnic element)가 자주 사용된다.
일반적으로 BDU는 전기 차량의 저전압 전원, 특히 12V 차량 배터리에 의해 구동된다. 단선을 위해, 특히 파이로 소자를 트리거하기 위해, 필요한 전원을 확보하기 위해서는, 저전압 전원 공급이 갑자기 끊어진 경우에도 사용 가능하고 필요한 에너지를 저장하기 위해 커패시터가 사용된다.
DE 10 2012 215 074 A1은 그러한 커패시터를 포함하는 BDU를 기술하고 있다. BDU는 파이로 스위치(pyrotechnic switch)와 파이로 스위치가 있는 전기 회로에 배열된 별도의 열적 트리거 요소로 구성된다. 배터리의 온도가 특정 임계값을 초과하면, 열 트리거 요소가 파이로 스위치를 전원 공급 장치인 커패시터에 연결하는 전기 회로를 닫도록 트리거한다. 이러한 방식으로 파이로 스위치가 작동되고 배터리가 배터리 시스템 단자에서 분리되어 차량의 전기 시스템에서 분리된다.
에너지 저장을 위해 커패시터에 의존하는 BDU는, 파이로 소자의 원하는 해제(release)를 보장하기 위해 여러 구성요소를 필요로 하기 때문에 높은 복잡도를 가진다. 또한, 저전압 전원 공급 장치가 BDU와 순간적으로 연결이 끊긴 경우가 아닌(예를 들어, 연결 케이블의 손상 때문에) 오랜 시간 동안 BDU와 연결이 끊긴 경우, 커패시터가 충전될 수 없고 이에 따라 파이로 소자가 작동할 수 없는 문제가 있다.
본 발명을 통해 해결하고자 하는 과제는 배터리 시스템의 오작동 또는 배터리 시스템을 탑재한 차량의 충돌이 발생한 경우에, 고전압 배터리를 차량의 전기 시스템으로부터 안전하고 확실하게 분리될 수 있으며 복잡도가 감소한 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면 전기 차량용 배터리 시스템이 제공된다. 전기 차량용 배터리 시스템은 배터리 시스템의 배터리 시스템 단자들에 고전압 출력을 제공하기 위해 서로 상호 연결된 복수의 배터리 셀을 갖는 고전압 배터리, 및 배터리 시스템의 오작동 또는 차량의 충돌이 발생한 경우에 배터리 시스템 단자들 중 적어도 하나로부터 고전압 배터리를 분리하기 위한 배터리 분리 수단을 포함하며, 배터리 분리 수단은 고전압 배터리에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
고전압 배터리는 전기 차량의 견인 배터리(traction battery)로 동작할 수 있다. 즉, 고전압 배터리는 배터리로 구동되는 전기 차량의 추진수단(propulsion)에 전력을 공급할 수 있다. 고전압 배터리는 배터리 시스템 단자들을 통해 차량의 전기 시스템에 연결되도록 구성되며, 고전압(high voltage, HV) 범위의 전압(예를 들어, 60V와 1,500V 사이)의 전압을 제공할 수 있다. 예를 들어, 고전압 배터리는 400V의 전압 및/또는 20mA의 전류를 배터리 시스템 단자들에 제공할 수 있다. 따라서 고전압 배터리는 전기 차량의 전기 추진수단을 위해 전력을 제공하는 역할을 하는 전기 차량의 HV 공급 회로의 일부를 형성할 수 있다. 전기 차량은 추가 전원 공급 회로, 예를 들어, 전기 차량의 저전압 전원(예를 들어, 12V 차량 배터리)에 의해 전원이 공급되는 저전압(low voltage, LV) 공급 회로를 가질 수 있다. LV 공급 회로는 일반적으로 전기 차량의 추진수단 이외의 기능들(예를 들어, 편의 기능)에 전원을 공급하는 역할을 한다.
배터리 분리 수단은 고전압 배터리가 오작동하는 경우, 또는 고전압 배터리를 견인 배터리로 포함하는 전기 차량의 충돌이 발생한 경우에, 배터리 시스템 단자들 중 적어도 하나로부터 고전압 배터리를 분리하는 역할을 한다. 일 예로, 고전압 배터리에 과전류가 발생하면 고전압 배터리의 오작동으로 해석될 수 있다. 배터리 시스템은 이러한 과전류를 감지하기 위해 과전류 센서를 더 포함할 수 있다. 차량의 충돌은 차량에 포함된 충돌 센서에 의해 감지될 수 있다. 배터리 분리 수단은 고전압 배터리와, 배터리 시스템 단자들 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된다. 배터리 분리 수단은 고전압 배터리와 배터리 시스템 단자들 사이에 전기적으로 연결되며, 위에서 언급한 바와 같이 배터리 분리 유닛(battery disconnect unit, BDU)의 일부로 간주될 수 있다. 배터리 시스템 단자들 중 적어도 하나로부터 고전압 배터리를 분리함으로써, 고전압 배터리는 차량의 전기 시스템, 특히 위에서 언급된 HV 공급 회로로부터 분리된다.
배터리 분리 수단은 고전압 배터리, 즉 전기 차량의 견인 배터리에 의해 전원이 공급된다. 배터리 분리 수단이 고전압 배터리에 의해 전원을 공급받는다는 것은, 배터리 분리 수단을 트리거하는 데 필요한 에너지가 고전압 배터리에 의해 제공됨을 의미한다. 예를 들어, 배터리 분리 수단은 파이로 소자(pyro element)를 포함할 수 있으며, 파이로 퓨즈를 트리거하는 데 필요한 에너지는 고전압 배터리로부터 공급될 수 있다. 배터리 분리 수단에 전원이 공급되거나 배터리 분리 수단이 트리거되면 고전압 배터리는 배터리 시스템 단자들 중 적어도 하나에서 분리되고, 이에 따라 차량의 전기 시스템에서 분리된다.
전기 차량의 견인 배터리인 고전압 배터리가 배터리 분리 수단, 특히 파이로 소자에 전력을 공급하거나 파이로 소자를 트리거하기 위해 사용될 수 있다. 다시 말해, 배터리 시스템의 오작동 또는 차량의 충돌 발생 시, 배터리 분리 수단, 특히 파이로 소자를 트리거하는 데 필요한 에너지는 구동 시스템에서 전기적으로 분리되도록 의도된 고전압 배터리에서 가져온다. 따라서 차량의 견인 배터리인 고전압 배터리는 배터리 시스템의 오작동 또는 차량 충돌 발생 시, 차량의 전기 시스템, 즉 HV 공급 회로에서 자체적으로 분리된다. 고전압 배터리의 전원 공급이 가능한 한, 배터리 분리 수단을 트리거하기에 충분한 전력이 제공될 수 있다. 따라서 차량의 전기 시스템에서 배터리 시스템을 분리하기 위한 에너지를 항상 사용할 수 있으며 커패시터에 저장할 필요가 없다.
일 실시예에 따르면, 배터리 분리 수단은 파이로 소자, 예를 들어, 파이로 퓨즈를 포함할 수 있다. 파이로 소자의 트리거링은 배터리 시스템 단자들 중 적어도 하나로부터 고전압 배터리를 분리하고, 이로 인해 고전압 배터리가 차량의 전기 시스템으로부터 분리되도록 한다. 파이로 소자는 특히 안정적인 분리를 보장할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 시스템은 변압기를 더 포함하며, 변압기는 고전압 배터리의 고전압을 배터리 분리 수단에 전력을 공급하기에 적합한 전압으로 변환하는 것, 및 고전압 배터리의 전류를 배터리 분리 수단에 전력을 공급하기에 적합한 전류로 변환하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된다. 따라서, 고전압 배터리의 전압 및/또는 전류 출력은, 변압기를 통해 배터리 분리 수단에 전력을 공급하거나 배터리 분리 수단을 트리거하기에 적합한 레벨로 조정될 수 있다. 따라서, 배터리 분리 수단이 파이로 소자를 포함하는 경우, 변압기는 고전압 배터리의 고전압 및/또는 전류를 파이로 소자를 트리거하기에 적합한 전압 및/또는 전류로 변환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 변압기는 고전압 배터리의 400V/20mA 출력을 배터리 분리 수단을 작동시키기에 적합한 4V/2A로 변환하도록 구성될 수 있다. 변압기는 배터리 시스템의 BDU의 일부일 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 분리 수단은 스위치 및 스위치를 작동시키도록 구성된 제어 유닛을 더 포함할 수 있다. 여기서 스위치를 작동시키는 것은 배터리 분리 수단에 전력을 공급하는 것으로 이어질 수 있다. 특히, 스위치를 작동시키는 것은, 배터리 분리 수단을 고전압 배터리에 연결함으로써 배터리 분리 수단에 전력을 공급하거나 또는 배터리 분리 수단을 트리거하도록 할 수 있다. 본 문서에서 스위치를 작동시키는 것은 스위치를 닫는 것을 의미하며, 고전압 배터리와 배터리 분리 수단을 포함하는 구동 회로가 스위치를 통해 배터리 분리 수단이 트리거될 수 있도록 하는 것을 의미한다. 스위치는 제어 유닛에 의해 작동될 수 있다. 제어 유닛은 고전압 배터리의 오작동이 발생하거나, 또는 차량의 충돌이 발생할 때, 스위치를 작동시키도록 구성될 수 있다. 이러한 오작동 또는 충돌을 감지하기 위해 각각의 센서가 제공될 수 있으며, 이러한 센서들의 출력에 따라 제어 유닛은 스위치를 작동시킬 수 있다. 위에서 언급한 저전압 공급 회로를 통해, 저전압 전원(예를 들어, 12V 차량 배터리)은 제어 유닛에 전원을 공급될 수 있다. 따라서 제어 유닛은 저전압 공급 회로의 일부일 수 있다. 스위치 및/또는 스위치용 제어 유닛은 배터리 시스템의 BDU의 일부일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 배터리 시스템은 제어 유닛의 주전원이 고장난 경우에 제어 유닛에 전원을 공급하기 위한 백업 전원을 더 포함할 수 있다. 언급된 바와 같이, 제어 유닛의 주전원 공급 장치는 전기 차량의 저전압 공급 장치(예를 들어, 12V 차량 배터리)일 수 있다. 이 주전원 공급 장치가 고장난 경우, 예를 들어 12V 차량 배터리가 제어 유닛 및/또는 BDU에서 분리되어 있는 경우, 제어 유닛은 백업 전원으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 따라서, 제어 유닛의 주전원 공급 장치가 고장난 경우, 예를 들어 12V 차량 배터리가 제어 유닛 및/또는 BDU에서 분리되어 있는 경우에도, 배터리 분리 수단이 트리거되는 것이 보장된다.
다른 실시예에 따르면, 제어 유닛은 미리 결정된 시간 구간, 특히 몇 밀리초 동안 스위치를 작동시키도록 구성될 수 있다. 다시 말해서, 제어 유닛은 스위치를 닫아서 배터리 분리 수단을 고전압 배터리에 연결한 후 미리 결정된 시간 구간 후에는 스위치를 다시 열도록 구성될 수 있다. 여기서, 미리 결정된 시간 구간은 배터리 분리 수단이 트리거되기에 충분한 시간 구간 동안 배터리 분리 수단에 전원이 공급되도록 선택될 수 있다. 이와 같이, 제한된 시간 동안만 스위치를 작동시킴으로써 시스템이 더 안전해질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 변압기는 제1 코일과 제2 코일을 포함할 수 있다. 제1 코일과 스위치는 서로 직렬로 연결되고, 제1 코일과 스위치 모두 2개의 배터리 시스템 단자들 사이에서 고전압 배터리에 병렬로 연결될 수 있다. 제2 코일은 배터리 분리 수단에 연결되어 배터리 분리 수단을 트리거하는 전원을 전달할 수 있다. 이러한 배열은 단순한 BDU 설계를 가능하게 한다.
다른 실시예에 따르면, 배터리 시스템은 변압기의 제1 코일에 병렬로 연결된 다이오드를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 다이오드는 플라이백(flyback) 다이오드일 수 있다. 다이오드는 스위치를 보호할 수 있다. 플라이백 다이오드는 플라이백, 즉 공급 전류가 갑자기 감소하거나 중단될 때 유도성 부하로 변압기 전체에 걸쳐 나타나는 급격한 전압 스파이크를 제거하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술한 배터리 시스템을 포함하는 전기 차량이 제공된다. 전기 차량은 완전한(full) 전기 차량 또는 하이브리드일 수 있다. 전술한 배터리 시스템의 고전압 배터리는 전기 차량의 견인 배터리로 동작할 수 있다. 전기 차량은 전기 차량의 저전압 전원에 의해 전원이 공급되는 저전압 공급 회로, 및 위에서 또한 설명된 바와 같이 배터리 시스템의 고전압 전원에 의해 전원이 공급되는 고전압 공급 회로를 포함할 수 있다. 저전압 전원은 또한 위에서 설명된 바와 같이 배터리 분리 수단에 전력을 공급하기 위해 스위치를 작동시키도록 구성된 제어 유닛에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 배터리 시스템은 배터리 시스템의 오작동 또는 차량의 충돌이 발생한 경우에, 고전압 배터리를 차량의 전기 시스템으로부터 안전하고 확실하게 분리할 수 있으면서 복잡도 또한 감소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타내는 블록도이다.
이하 실시 예들을 상세히 설명하며, 그 예들은 첨부 도면에 도시되어 있다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 도면에서 동일한 참조 부호는 유사한 구성요소를 나타내며, 중복되는 설명은 생략된다. 더 나은 가독성을 위해 도면의 모든 요소가 반드시 참조 부호로 표시되는 것은 아니다. 특히, 중복되는 요소의 경우, 일부 요소에만 참조 부호가 있을 수 있다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시 예들은 본 발명의 양태 및 특징들을 당업자에게 충분히 전달할 수 있도록 예로서 제공된다.
따라서, 본 발명의 양태 및 특징들의 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않다고 여겨지는 프로세스들, 요소들, 및 기술들은 설명되지 않을 수있다. 도면에서, 엘리먼트들, 층들 및 영역들의 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 관련된 나열된 항목 중 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명할 때 "할 수 있다"의 사용은 "하나 이상의 본 발명의 실시 예"를 의미한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 단수형의 용어는 문맥상 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다.
"제1", "제2" 등의 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소를 설명하기 위해 사용되지만, 이러한 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이러한 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한, 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있으며, 이와 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"포함한다", "구성된다", "포함하는", "구성하는" 등의 용어들은 특성, 영역, 고정 수, 단계, 프로세스, 요소, 소자, 부품, 성분, 및 이들의 조합을 특정하는 것으로，다른 특성, 영역, 고정 수, 프로세스, 요소, 소자, 부품, 성분, 및 그들의 조합을 배제하지는　않는　것으로　이해될　것이다．
본 발명의 실시 예들에 대한 다음의 설명에서, 단수형의 용어들은 문맥 상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치 또는 전기 장치, 및/또는 임의의 다른 관련 장치, 또는 구성 요소들은, 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 어플리케이션-주문형 집적 회로), 소프트웨어 또는 소프트웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(IC) 칩 또는 개별 IC 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 연성 인쇄 회로 필름, 테이프 캐리어 패키지(TCP), 인쇄 회로 기판(PCB), 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 본 명세서에 기재된 전기 접속 또는 상호 접속은 와이어 또는 전도성 요소에 의해, 예를 들어, PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상에 구현될 수 있다. 전도성 요소는 금속 박막, 예를 들어, 표면 금속 박막 및/또는 핀들을 포함하거나, 전도성 중합체 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 또한, 전기 에너지는 예를 들어, 전자기 방사 및/또는 빛을 사용한 무선 접속을 통해 전송될 수도 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 용어(기술 용어 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술 및/또는 본 명세서와 관련하여 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명시적으로 정의되지 않는 한 이상적이거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다.
도 1에는 전기 차량용 배터리 시스템(10)이 도시되어 있다.
배터리 시스템(10)은 복수의 배터리 셀을 포함하는 고전압 배터리(12)를 포함할 수 있다. 배터리 셀들은 하나 이상의 배터리 모듈을 형성하며, 각 배터리 모듈은 행으로 배열된 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 각각의 배터리 셀은 각각의 배터리 셀의 전극들과 연결된 2개의 전극 단자를 포함할 수 있다. 배터리 셀들은 2개의 이웃하는 배터리 셀의 전극 단자들 사이에서 전기적 연결 수단을 형성하는 버스바를 통해 서로 상호 연결될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀들은 배터리 모듈 내의 버스바를 통해 직렬로 서로 상호 연결될 수 있다.
고전압 배터리(12)는 고전압 배터리(12)가 전기 차량에 고전압 출력을 제공할 수 있도록 하는 2개의 배터리 시스템 단자들(14, 16)과 연결될 수 있다.
배터리 시스템(10)은 배터리 시스템의 오작동 또는 차량 충돌이 발생한 경우에, 배터리 시스템 단자들(14, 16) 중 적어도 하나로부터 고전압 배터리(12)를 분리하기 위한 배터리 분리 수단으로서 파이로 퓨즈(20)를 더 포함할 수 있다. 도 1을 예로 들면, 파이로 퓨즈(20)는 배터리 시스템 단자(16)와 고전압 배터리(12) 사이의 연결을 끊을 수 있다. 파이로 퓨즈(20)는 다음에서 설명되는 바와 같이 고전압 배터리(12)에 의해 전원이 공급될 수 있다.
배터리 시스템(10)은 변압기(22) 및 스위치(24)를 더 포함할 수 있다. 변압기(22)는 제1 코일(22a) 및 제2 코일(22b)을 포함할 수 있다. 제1 코일(22a) 및 스위치(24)는 서로 직렬로 연결되며, 서로 직렬로 연결된 제1 코일(22a) 및 스위치(24)는, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 2개의 배터리 시스템 단자(14, 16) 사이에 고전압 배터리(12)와 병렬로 연결될 수 있다. 제2 코일(22b)은 파이로 퓨즈(20)에 연결될 수 있다.
고전압 배터리(12), 변압기(22) 및 스위치(24)는 파이로 퓨즈(20)를 트리거하기 위해 파이로 퓨즈(20)에 전원을 공급하기 위한 구동 회로를 형성할 수 있다. 파이로 퓨즈(20), 변압기(22) 및 스위치(24)는 배터리 차단 유닛(battery disconnect unit, BDU)의 일부일 수 있다.
배터리 시스템의 오작동, 또는 고전압 배터리(12)를 견인 배터리로서 포함하는 전기 차량의 충돌이 발생한 경우, 제어 유닛(미도시)은 스위치(24)를 작동(즉, 폐쇄)시켜 파이로 퓨즈(20)를 작동시킬 수 있다. 제어 유닛은 차량의 시스템에 의해 제공된 충돌 신호 또는 고전압 배터리(12)의 과전류 모니터링 시스템의 신호 출력을 수신할 때, 스위치(24)를 작동시킬 수 있다. 제어 유닛이 스위치(24)를 작동시킴으로써 파이로 퓨즈(20)에 전원을 공급하기 위한 구동 회로가 폐쇄되어, 파이로 퓨즈(20)가 트리거 되도록 고전압 배터리(12)가 전원으로서 파이로 퓨즈(20)와 연결된다. 변압기(22)는 갈바닉(galvanic) 절연을 가지며 파이로 퓨즈(20)를 충분히 트리거할 수 있는 적합한 전력을 제공하도록 구성될 수 있다. 즉, 변압기(22)는 코일(22a, 22b)을 통해 고전압 배터리(12)에 의해 제공되는 저전류, 고전압 펄스를, 파이어 퓨즈(20)를 점화하기 위해 파이로 퓨즈(20)를 트리거하기에 적합한 저전압, 고전류 펄스로 변환할 수 있다.
또한, 파이로 퓨즈(20)에 전원을 공급하기 위한 구동 회로는 변압기(22)의 제1 코일(22a)에 병렬로 연결된 플라이백 다이오드(26)를 더 포함할 수 있다. 다이오드(26)는 플라이백(flyback), 즉 공급 전류가 갑자기 감소하거나 중단될 때 변압기(22) 전체에 걸쳐 나타나는 급격한 전압 스파이크로부터 스위치(24)를 보호할 수 있다. 플라이백 다이오드(26)는 또한 BDU의 일부일 수 있다.
전술한 실시 예에 따르면, 배터리 시스템(10)에서 고전압 배터리(12), 즉 전기 차량의 견인 배터리(12) 자체가 배터리 분리 수단에 전력을 공급하기 위해, 즉 파이로 퓨즈(20)를 트리거하기 위해 사용된다. 따라서, 전기 차량의 저전압 전원을 통해 배터리 분리 수단에 전력을 공급하는 종래 기술과 대조적으로, 배터리 분리 수단에 전력을 제공하기 위해 커패시터를 필요로 하지 않는다. 이와 같이, 커패시터가 필요하지 않기 때문에 구조상 복잡도가 감소된 BDU가 제공될 수 있다.
또한, 선행 기술과 대조적으로, 전술한 실시 예에 따른 배터리 시스템(10)은 배터리 분리 수단에 전원을 공급하거나 또는 배터리 분리 수단을 트리거하기 위해 전기 차량의 LV 전원 공급 장치를 사용하지 않고, 오히려 HV 전원 공급 장치, 즉 배터리 분리 수단을 통해 분리되어야 하는 고전압 배터리를 사용한다. 따라서, 전술한 실시 예에 따른 배터리 시스템(10)은 배터리 시스템(10)의 오작동 또는 차량 충돌이 발생한 경우에 차량의 전기 시스템으로부터 안전하고 확실하게 분리될 수 있으면서도 복잡도가 감소할 수 있다. 또한, 이러한 복잡도 감소로 인해 BDU의 오작동 위험이 더 낮아질 수 있다.
10: 배터리 시스템
12: 고전압 배터리
14, 16: 배터리 시스템 단자
20: 파이로 퓨즈
22: 변압기
22a: 변압기의 제1 코일
22b: 변압기의 제2 코일
24: 스위치
26: 플라이백 다이오드

Claims (12)

  1. 전기 차량용 배터리 시스템으로서,
    배터리 시스템 단자들에 고전압 출력을 제공하기 위해 서로 상호 연결된 복수의 배터리 셀을 갖는 고전압 배터리, 그리고
    상기 배터리 시스템의 오작동 또는 전기 차량의 충돌이 발생한 경우에 상기 배터리 시스템 단자들 중 적어도 하나로부터 상기 고전압 배터리를 분리하기 위한 배터리 분리 수단을 포함하고,
    상기 배터리 분리 수단이 상기 고전압 배터리에 의해 전원을 공급받는, 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 분리 수단은 파이로 소자를 포함하는 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    변압기를 더 포함하며,
    상기 변압기는,
    상기 고전압 배터리의 고전압을 상기 배터리 분리 수단에 전력을 공급하기에 적합한 전압으로 변환하는 것과,
    상기 고전압 배터리의 전류를 상기 배터리 분리 수단에 전력을 공급하기에 적합한 전류로 변환하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된, 배터리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 분리 수단은 스위치 및 상기 스위치를 작동시키도록 구성된 제어 유닛을 포함하고,
    상기 스위치가 작동되면, 상기 배터리 분리 수단에 전력이 공급되는, 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 미리 결정된 시간 구간 동안 상기 스위치를 작동시키도록 구성된, 배터리 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어 유닛의 주전원에 장애가 발생하면, 상기 제어 유닛에 전력을 공급하기 위한 백업 전원을 더 포함하는 배터리 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 변압기는 제1 코일 및 제2 코일을 포함하고,
    상기 제1 코일 및 상기 스위치는 서로 직렬 연결되며,
    직렬 연결된 상기 제1 코일 및 상기 스위치는 상기 배터리 시스템 단자들 사이에 상기 고전압 배터리와 병렬로 연결되고,
    상기 제2 코일은 상기 배터리 분리 수단을 트리거하기 위해 상기 배터리 분리 수단에 연결되는, 배터리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 변압기의 상기 제1 코일에 병렬로 연결된 다이오드를 더 포함하는, 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다이오드는 플라이백 다이오드인, 배터리 시스템.
  10. 제1항의 배터리 시스템을 포함하는 전기 차량.
  11. 제10항에 있어서,
    저전압 전원에 의해 전원이 공급되는 저전압 공급 회로, 및 상기 고전압 배터리에 의해 전원이 공급되는 고전압 공급 회로를 더 포함하는 전기 차량.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 분리 수단은 스위치 및 상기 스위치를 작동시키도록 구성된 제어 유닛을 포함하고,
    상기 스위치가 작동되면, 상기 배터리 분리 수단에 전력이 공급되며,
    상기 저전압 전원은 상기 배터리 분리 수단에 전력을 공급하기 위해 상기 스위치를 작동시키도록 구성된 상기 제어 유닛에 전력을 공급하도록 구성되는, 전기 차량.
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