KR20240008936A - 배터리 및 배터리 제어 방법 - Google Patents

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미카엘 자일벡
노베르트 보첸마이어
크리스티안 지글러
사만다 짐닉
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베바스토 에스이
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Abstract

본 발명은 고전압(high-voltage) 배터리(HV 배터리) 형태의 배터리에 관한 것이며, 배터리는, 적어도 다음의 배터리 요소들: 복수의 셀 모듈 및 연관된 셀 측정 보드를 갖는 셀 격벽과, 메인 보드, 메인 마이크로프로세서 및 복수의 마이크로전자/전자 엘리먼트를 갖는 메인 제어 유닛과, 포지티브 HV 라인과 네거티브 HV 라인을 위한 2개의 컨택터를 포함하는 스위치 박스를 포함하고, 배터리 내부의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 제공되며, 이 압력 센서는 메인 보드 외부에서, 다음의 위치들, 즉 스위치 박스 내, 중앙 세컨더리 보드 상 및/또는 적어도 하나의 셀 측정 보드 상 중, 하나에 배치된다.

Description

배터리 및 배터리 제어 방법
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 배터리 및 청구항 9의 전제부에 따른 배터리 제어 방법에 관한 것이다.
배터리, 특히 다중 셀 모듈을 갖는 배터리는 전기적 및 물리적 상태와 관련하여 모니터링된다. 이것은 또한 열 상태를 모니터링하는 것, 특히 소위 열 파괴를 검출하는 것을 포함한다. 배터리 또는 배터리 시스템의 하나 이상의 셀에서 열 현상(thermal event)(열 폭주)을 검출하기 위해, 압력 또는 압력 곡선이 평가되는데, 압력 릴리프 밸브가 개방된 결과로서 압력이 상승하고, 그 결과, 배터리의 내부에서 단시간에 크게 상승한다. 이 압력 측정은, 예컨대, 배터리 관리 시스템(BMS, battery management system)의 일부로서 메인 보드 상에 배치될 수 있는 압력 센서에 의해 수행된다. 이러한 "열 현상"(열 폭주)이란, 예컨대 전류 부하와 같은 임의의 추가적인 외부 영향 없이 화학적 프로세스로 인해 발열이 독립적으로 증가하고, 동시에 화학적 프로세스가 가속되는 상태이다.
이러한 배치는, 예컨대, DE 10 2018 210 975 B4에 개시되어 있는데, 여기서는 배터리 제어 유닛의 메인 보드 상에 배치된 압력 센서에 의해 열 현상이 검출된다.
메인 보드 상에 압력 센서를 수용하는 것은, 이 메인 보드가 이러한 목적을 위해 물리적으로 더 확대되어야 하며, 이에 배터리에 수용하는 것이 어려워지고, ASIL 표준에 따라 메인 보드 상의 압력 센서로부터의 데이터를 검증하는 것이 더 복잡해지기 때문에, 단점이 있다.
본 발명의 목적은 개선된 압력 검출을 제안하는 것이다.
이 목적은 본 발명에 따라, 청구항 1의 특징에 따른 배터리 및 청구항 9의 특징에 따른 방법에 의해 달성된다. 유리한 구성들은 개개의 연관된 종속항에서 특정된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 고전압(high-voltage) 배터리(HV 배터리)의 형태이며, 다음의 배터리 요소들을 포함하는 배터리에 의해 달성된다:
― 복수의 셀 모듈 및 연관된 셀 측정 보드를 갖는 단일 레벨 또는 다중 레벨 셀 격벽,
― 메인 보드, 메인 프로세서, 및 복수의 마이크로전자/전자 엘리먼트 또는 부품을 갖는 메인 제어 유닛,
― 메인 회로에 연결하기 위한 HV+ 라인 및 HV 라인 각각에 적어도 하나씩, 적어도 2개의 컨택터가 배치되어 있는 스위치 박스. 본 발명의 본질은, 열 현상을 검출하기 위해, 즉 설정점 온도가 초과되었을 때, 배터리 내부의 압력을 측정하기 위해 압력 센서가 제공되는 것이고, 압력 센서는 메인 보드 외부에서 다음의 위치들 중 하나에 배치된다:
― 스위치 박스의 내부 또는 영역 내,
― 마찬가지로 배터리의 요소 또는 일부를 구성하는 중앙 세컨더리 보드 상, 및/또는
― 일반적으로 셀 모듈 바로 위에 배치되는, 적어도 하나의 셀 측정 보드 상.
이 경우, 셀 측정 보드란, 셀 모듈 상에 또는 셀 모듈 내에 직접 배치되고, 개개의 셀 모듈을 제어 및 평가하는 데 주로 사용되고 메인 제어 유닛에 연결되며 이것에 의해 작동되는 마이크로전자 부품 및 컴포넌트를 포함하는 보드를 의미한다. 세컨더리 보드(secondary board)는 메인 제어 유닛 및/또는 메인 보드로부터 분리되고 마찬가지로 메인 제어 유닛에 연결되는 또 다른 중앙 보드이다.
여기서 사용되는 "스위치 박스"라는 용어 대신에, "s-박스", "스위치 박스" 또는 "BJB"(배터리 접합 박스)를 사용하는 경우도 많다. 다소 드문 경우이지만, "e-박스"라는 명칭도 동일 부품에 사용될 수 있다.
이 경우, "연결되다"는 제한적인 의미로 이해되어서는 안되며, 전압 공급과 전류 공급을 위한 하나 이상의 연결뿐만 아니라 데이터 전달 통신을 위한 하나 이상의 연결 모두를 의미한다. 통신은 특히 별도의 개별 케이블을 통한 일반적인 버스 기술 및 isoSPI와 같은 직렬 인터페이스 중 하나의 형태이거나 하나 이상의 전류 수송 개별 케이블 상에서 변조될 수 있다.
여기서, 압력 센서가 복수의 셀 측정 보드 상에 배치되어 있는 각각의 경우에, 특히 각 셀 측정 보드 상에 압력 센서가 제공되는 경우에 유리하다.
이 솔루션의 큰 이점은 특정 셀 모듈 또는 셀 모듈들의 그룹의 근처에서 열 현상이 직접 검출된다는 것이다. 특히, 복수의 압력 센서가 배치되는 경우에는, 검출하는 압력 센서의 순서에 기초하여 현상의 원인이 좁혀질 수 있다.
개량된 실시형태에 있어서, 온도 센서가 셀 측정 보드 중 적어도 하나 상에 제공되고, 이 온도 센서는 동일한 셀 측정 보드 및/또는 인접한 셀 모듈의 셀 측정 보드 상에 있는 적어도 하나의 압력 센서에 인접하게 배치된다.
그 결과, 적은 수의 압력 및 온도 센서를 사용하여 열 현상을 신속하고 확실하게 검출하고, 더 나아가 이들 현상을 발생원, 즉 결함이 있는 셀 모듈 또는 셀 모듈들의 그룹에 관련하여 좁히는 것이 가능하다.
다른 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 압력 센서는 중앙 세컨더리 보드 상에 배치되고, 세컨더리 보드는 스위치 박스 내에 부착되며, 이에 대한 개량은 적어도 하나, 특히 모든 마이크로전자 고전압 엘리먼트(HV 엘리먼트)가 스위치 박스 내에 배치되는 것이고, 이들 엘리먼트는 세컨더리 보드 상에 또는 자체 고전압 보드 상에 배치된다. 마이크로전자 HV 엘리먼트를 중앙 세컨더리 보드로 옮기는 것의 큰 이점은, 고전압 라인(HV+, HV-) 근처에서 상태 검출 및 평가가 이루어진다는 것이고, 나아가 이들 HV 엘리먼트로부터의 데이터의 차폐 및 보호가 메인 보드 상의 다른 마이크로전자 엘리먼트 및 부품에 비해 개선되어 ASIL 표준을 훨씬 쉽게 준수할 수 있다는 것이다.
본원의 경우 중앙 세컨더리 보드에서 ASIL 표준을 사용하는 통신이 요구되고, 상기 통신이 압력 신호에 사용되기 때문에, 유리하게는 추가적인 통신 인터페이스가 필요하지 않다.
이 경우, HV 엘리먼트는 특히, 고전압 범위에서 저전압 범위로 데이터를 전송하기 위한 전기적으로(galvanically) 절연된 용량성 커플러, 유도성 커플러 또는 광커플러의 형태의 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 및 전압 측정 엘리먼트/칩을 의미한다.
유리하게는, μ 세컨더리 프로세서가 세컨더리 보드 및/또는 고전압 보드 상에 배치되며, μ 세컨더리 프로세서는 주로 데이터를 프로세싱하고 개개의 보드 상에 배치된 마이크로-부품을 처리하는 데 사용되며, 메인 제어 유닛, 특히 메인 제어 유닛의 메인 마이크로프로세서에 연결된다.
이상적으로, 배터리는 일반적으로 방진 및/또는 방습 방식으로 폐쇄되는 외측 배터리 하우징을 가지며, 배터리 요소들은 대체로 이 배터리 하우징 내부에 배치된다. 이 경우, 일 실시형태로서, 배터리 하우징은 또한, 개별 하우징 부품들이 연결 채널 또는 연결 공간을 통해 서로 결합되지만 외부에 공통 배터리 공간을 계속해서 형성하는 경우 다중 파트 하우징을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본 예에서는, 스위치 박스가 배터리 하우징 상에 또는 배터리 하우징에 플랜지 장착되거나 나사 고정되고, 스위치 박스와 배터리 하우징의 내부 사이에 대기와 닫혀 있는 개부구 또는 채널이 형성되는 경우가 이에 해당할 수 있다. 연결 라인은 일반적으로 이 채널 또는 이 개구부에 배치된다.
배터리 내부를 차폐하고, 전자기 간섭을 차단하기 위해 그리고 오염으로부터 보호하기 위해, 스위치 박스에 적어도 부분적으로 폐쇄된, 특히 완전히 폐쇄된 자체 박스 하우징이 있는 것이 유리하다. 박스 내에 전자기기를 설치하는 경우에, 이 박스가 금속 하우징을 갖거나 또는 금속 하우징으로 형성되는 것이 유리하다. 이 경우에 있어서 매우 유리한 것은 용이한 핸들링 및 사전 제조의 가능성이다. 따라서, 다수의 컴포넌트로 구성된 스위치 박스를 하나의 구조적 유닛으로서 외부에서 제조할 수 있고, 단지 몇 단계만으로 HV 배터리에 연결되어 하나의 유닛을 형성할 수 있다.
본 발명은 또한, 메인 제어 유닛 및 메인 보드를 갖는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고 복수의 셀 모듈을 갖는 배터리, 특히 HV 배터리를 동작시키기 위한 방법을 포함한다.
본 발명의 방법의 본질은 배터리의 내부 및/또는 셀 격벽 또는 셀 모듈의 영역에서 일반적으로 열 현상으로 지칭되는 열 임계 값의 초과를 검출하기 위하여 적어도 하나의 압력 센서가 제공되는 것이고, 압력 센서는 메인 보드 외부에 배치된다.
유리하게는, 특히 HV 배터리의 형태의 배터리가 전술한 변형 실시형태들 중 하나에 따른 배터리의 형태로 제공된다. 전체적으로, 본 경우에 있어서 고전압(HV)은 대체로 60 V 내지 2000 V DC, 특히 60 V 내지 1500 V DC의 전압 범위를 의미하고, 이는 특히, 예를 들어 전기 구동 승용차, 트럭 및 버스와 같은 전기 차량의 전력 요건에 관한 것이다.
이제, 본 발명의 추가 상세 및 이점에 대하여 도면에 예시하는 예시적인 실시형태에 기초하여 더 상세히 설명할 것이다.
도면에서,
도 1은 2-레벨 셀 격벽을 갖는 HV 배터리의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 2는 스위치 박스 안에 단일 레벨 셀 격벽 및 세컨더리 보드를 갖는 HV 배터리의 개략적인 대안 실시형태를 도시한다.
도 3은 도 2와 유사한 HV 배터리의 다른 실시형태를 도시하는데, 여기서 세컨더리 보드는 HV 엘리먼트를 포함한다.
도 1은, 필수 컴포넌트로서, 내부에 메인 제어 유닛(10), 스위치 박스(20), 및 2레벨(35, 36)을 갖는 셀 격벽(30)이 있는 배터리 하우징(15)을 구비한 HV 배터리(1)의 개략적인 설계를 도시한다. 셀 격벽(30)은 복수의 셀 모듈(31.1 … 31.n)로 분할되는데, 이것은 점선의 가로선으로 표시되어 있다. 각각의 셀 모듈(31.1 … 31.n)은 연관된 셀 측정 보드(32.1 … 32.n)를 갖는다. 메인 제어 유닛(10)과 그것의 메인 보드(11)는 LV 라인(43)을 통한 데이터 전달 및 전류 수송 방식으로 중앙 제어 및 공급 유닛(2)에 연결된다. 배터리(1)는 매우 개략적으로 나타내는 HV 라인(40, 41)을 통해 하나 이상의 부하(3)에 연결된다.
HV+ 라인(40)은 스위치 박스(20)로 라우팅되어, 라인(40)을 스위칭하는 데 사용되는 컨택터(8)에 연결된다. 마찬가지로, HV 라인(41)은 스위치 박스(20)로 라우팅되어 컨택터(9)에 연결된다. 또한, 프리차징 컨택터(precharging contactor)로서 기능하는 컨택터(12)를 동작시키기 위해 스위치 박스(20) 내의 HV+ 라인 상에 보조 전류 경로(42)가 제공된다. 또한, 스위치 박스(20)에는 전류 센서(24)가 제공되고; 기타 퓨즈, 저항기 또는 추가 컴포넌트는 도시되지 않는다. 메인 보드(11)는 라인 연결부(44)를 통해 스위치 박스(20) 또는 스위치 박스(20) 내의 개별 컴포넌트 및 부품에 연결되는데, 본원에는 이를 상세히 구분하지 않았다. 메인 보드(11)는 복수의 마이크로전자/전자 엘리먼트(5.1, 5.2, 5.3) 및 메인 마이크로프로세서(4)를 포함한다. 도시하는 예시적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 압력 센서(6)는 스위치 박스(20)에 배치되고 별도의 라인 연결부(45)를 통해 메인 제어 유닛(10) 또는 그것의 메인 보드(11)에 연결된다.
온도 센서(7)가 셀 측정 보드(32.2) 상에 장착되고, 이에 따라 압력 센서(6)의 바로 근처에 장착된다. 이 경우, 온도 센서(7)는 표면 실장 디바이스(SMD 컴포넌트)로서 셀 측정 보드(32.2)에 직접 부착된다. 압력 센서(6)가 급격한 압력 상승을 검출할 때, 열 현상이 레벨(35)에서 발생하는지, 또는 온도 센서(7)가 상승 값을 보고하지 않거나 또는 이를 매우 늦게 보고하기 때문에 열 현상이 셀 격벽(30)의 레벨(36)에서 발생하는지를 확인하는 것이 가능하다.
도 2에 따른 실시형태에서는, 배터리(1)가 단독 레벨의 셀 격벽(30)을 갖는다. 주요 양태는 세컨더리 보드(21)가 스위치 박스(20)에 배치되는 것인데, 압력 센서(6)는 SMD 컴포넌트로서 상기 세컨더리 보드 상에 배치된다. 이 세컨더리 보드(21)는 HV 상태를 검출하고 프로세싱하는 데 필요한 세컨더리 마이크로프로세서(23) 및 마이크로전자 HV 엘리먼트(5.1)를 더 포함한다. 이들 HV 엘리먼트는 특히 전기적으로 절연된 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 및 전압 측정 엘리먼트이다.
HV- 라인 상의 전류 센서(24)는 자체 라인(47)을 통해 세컨더리 보드(21) 및/또는 μ 세컨더리 프로세서(23)에 연결된다. 이 세컨더리 보드(21) 자체는, BMS 내의 종속 엘리먼트로서, 한편으로는 라인(44)을 통해 메인 보드(11)에 그리고 다른 한편으로는 라인(46)을 통해 셀 격벽(30)의 컴포넌트에 연결된다. 따라서, HV 기능을 모니터링하고 프로세싱하는 모든 컴포넌트들은 별도의 공간, 즉 스위치 박스(20)에서 결합되고, 적절한 방식으로 차폐 및 보호될 수 있다.
도 2와 매우 유사한 도 3에 따른 예시적인 실시형태에서는, 마찬가지로 스위치 박스(20) 내에 동일한 컴포넌트들을 갖는 세컨더리 보드(21)가 제공된다. 또한, 전류 센서(24)는 이제 SMD 컴포넌트로서 이 세컨더리 보드(21) 상에 배치된다. 예를 들어 도 2와의 차이점은 압력 및 온도 센서(6, 7)의 배치에 있다. 너무 많은 센서들이 제공되어야 하는 것을 방지하기 위해 두 가지 상이한 배치 옵션이 도시된다. 일 실시형태는 압력 센서(6) 및 온도 센서(7)가 셀 측정 보드(32.1, 32.2) 상에 서로 인접하게 배치되는 것으로 구성된다. 대안은, 압력 센서(6) 및 온도 센서(7)가 연관된 셀 측정 보드(32.n) 상의 셀 모듈(31.n)에서 SMD 컴포넌트로서 배치된다.
도 3은 또한 스위치 박스(20) 내부에 통상적으로 제공되는 프리차징 저항기(13)를 도시한다. 프리차징 저항기는 프리차징 컨택터로서 기능하는 컨택터(12)의 상류 또는 하류에 배치될 수 있다.
양쪽 대안은 열 현상이 셀 모듈 자체로부터 발생하는지, 바로 인접한 셀 모듈 또는 원격 배치되는 셀 모듈로부터 발생하는지 여부의 논리적 평가를 가능하게 한다.
1 배터리
2 제어 및 공급 유닛
3 부하
4 메인 마이크로프로세서
5 엘리먼트, (마이크로)전자 엘리먼트
5.1 고전압 엘리먼트, 마이크로엘리먼트
5.2 엘리먼트, 전자 엘리먼트
5.3 엘리먼트, 전자 엘리먼트
6 압력 센서
7 온도 센서
8 컨택터
9 컨택터
10 메인 제어 유닛
11 메인 보드
12 컨택터
13 프리차징 저항기
15 배터리 하우징
20 스위치 박스
21 세컨더리 보드
23 μ 세컨더리 보드
24 전류 센서
30 셀 격벽
31 셀 모듈(31.1 … 31.n)
32 셀 측정 모듈(32.1 … 32.n)
35 레벨, 하부
36 레벨, 상부
40 HV+ 라인
41 HV 라인
42 보조 전류 경로
43 LV 라인
44 라인 연결부
45 라인 연결부
46 라인
47 라인

Claims (10)

  1. 고전압(high-voltage) 배터리(HV 배터리) 형태의 배터리(1)에 있어서,
    적어도 다음의 배터리 요소들:
    ― 복수의 셀 모듈(31.1 … 31.n) 및 연관된 셀 측정 보드(32.1 … 32.n)를 갖는 셀 격벽(30),
    ― 메인 보드(11), 메인 프로세서(4), 및 복수의 전자 엘리먼트(5.1, 5.2, 5.3)를 갖는 메인 제어 유닛(10),
    ― HV+ 라인(40) 및 HV- 라인(41)을 위한 2개의 컨택터(8, 9)를 포함하는 스위치 박스(20)를 포함하며, 배터리 내부의 압력을 측정하기 위해 압력 센서(6)가 제공되고, 상기 압력 센서(6)는 상기 메인 보드(11) 외부에서 다음의 위치들:
    ― 상기 스위치 박스(20) 내,
    ― 중앙 세컨더리 보드(21) 상 및/또는
    ― 적어도 하나의 셀 측정 보드(32.1 … 32.n) 상 중, 하나에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력 센서(6)는 복수의 셀 측정 보드(32.1 … 32.n) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 셀 측정 보드(32.1 … 32.n) 중 적어도 하나 상에 온도 센서(7)가 제공되고,
    상기 온도 센서(7)는 동일한 셀 측정 보드(32.1 … 32.n) 상에 및/또는
    ― 인접한 셀 모듈(31.1 … 31.n)의 셀 측정 보드(32.1 … 32.n) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 압력 센서(6)가 중앙 세컨더리 보드(21) 상에 배치되고, 상기 세컨더리 보드(21)는 상기 스위치 박스(20) 내에 부착되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  5. 제4항에 있어서, 적어도 하나, 특히 모든 고전압 엘리먼트(5.1)가 상기 스위치 박스(20) 내에 배치되고, 이들은 상기 세컨더리 보드(21) 상에 또는 별도의 고전압 보드 상에 배치되며, 상기 고전압 엘리먼트(5.1)는 특히 전기적으로(galvanically) 절연된 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 및/또는 전압 측정 엘리먼트인 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 세컨더리 보드(21) 및/또는 상기 고전압 보드는 μ 세컨더리 프로세서(23)를 갖는 것을 특징으로 하는, 배터리(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리(1)는 외측 배터리 하우징(15)을 갖고, 상기 배터리 요소들은 상기 배터리 하우징(15) 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치 박스(20)는 적어도 부분적으로 폐쇄된, 특히 완전히 폐쇄된 자체 박스 하우징을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  9. 메인 보드(11)를 포함하는 메인 제어 유닛(10)을 구비한 배터리 관리 시스템(BMS)를 갖고 복수의 셀 모듈(31.1 … 31.n)을 포함하는 배터리(1)를 동작시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 배터리(1)의 내부에서 및/또는 상기 셀 모듈(31.1 … 31.n)의 영역에서 열 임계 값의 초과를 검출하기 위하여 적어도 하나의 압력 센서(6)가 제공되고, 상기 압력 센서는 상기 메인 보드(11) 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리(1)를 동작시키기 위한 방법.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리(1)의 형태로 배터리(1)가 제공되는 것을 특징으로 하는 배터리(1)를 동작시키기 위한 방법.
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