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KR101696160B1 - 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법 Download PDF

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KR101696160B1
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이종범
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Abstract

본 발명은 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 배터리 모듈(Battery Module)을 포함하는 배터리 랙에 흐르는 전류를 통전 또는 차단하는 릴레이(Relay)를 설치하는데 있어서 일부 배터리 랙에서 배터리 모듈과 릴레이가 비정상적으로 연결되어 배터리 랙에 기 설정된 전압 제한값 미만의 전압이 인가되는 경우, 배터리 랙과 릴레이가 쇼트 서킷(Short Circuit)을 형성하기 전에 릴레이의 동작 상태를 제어함으로써 릴레이가 비정상적으로 설치된 배터리 랙에 발생되는 쇼트(Short) 현상을 방지하여 배터리 랙의 파손을 방지하는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법{Apparatus, system and method for preventing damage of battery rack using voltage measurement}
본 발명은 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 배터리 모듈(Battery Module)을 포함하는 배터리 랙에 흐르는 전류를 통전 또는 차단하는 릴레이(Relay)를 설치하는데 있어서 일부 배터리 랙에서 배터리 모듈과 릴레이가 비정상적으로 연결되어 배터리 랙에 기 설정된 전압 제한값 미만의 전압이 인가되는 경우, 배터리 랙과 릴레이가 쇼트 서킷(Short Circuit)을 형성하기 전에 릴레이의 동작 상태를 제어함으로써 릴레이가 비정상적으로 설치된 배터리 랙에 발생되는 쇼트(Short) 현상을 방지하여 배터리 랙의 파손을 방지하는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈과 화석 에너지의 사용으로 인한 환경오염으로 이차 전지 배터리를 이용하여 구동할 수 있는 전기 제품에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라, 모바일 기기, 전기 차량(Electric Vehicle; EV), 하이브리드 차량(Hybrid Vehicle; HV), 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 및 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 배터리의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이러한 이차 전지 배터리는 화석 에너지의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
특히 전기 차량, 하이브리드 차량, 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치에 사용되는 이차 전지 배터리는 고출력 및 대용량의 전력을 충전 또는 방전하기 위하여 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙을 여러 개 연결하여 구성된다. 이와 같이, 고출력 및 대용량의 전력이 수시로 충전 또는 방전되는 배터리 랙에는 과충전, 과방전 및 써지성 전류로부터 배터리 랙을 보호하기 위해 릴레이를 설치하여 배터리 랙에 흐르는 전류를 제어하는 릴레이 제어 기술이 구비되어 있다.
하지만, 배터리 랙을 보호하기 위해 설치자에 의해 설치된 릴레이가 비정상적으로 설치되어 외부 부하없이 릴레이와 배터리 랙으로만 연결된 폐회로로 구성되는 경우 배터리 랙에는 쇼트 현상이 발생된다. 고용량을 확보하기 위해 복수로 연결된 배터리 랙 중 일부 배터리 랙에서 상기의 쇼트 현상이 발생되는 경우 배터리 랙 간에 용량 편차로 인해 각 배터리 랙의 충전 속도가 달라지고, 이로 인해 먼저 충전된 배터리 랙이 과충전됨으로써 배터리 랙이 과열 또는 스웰링으로 파손되는 문제점이 발생된다.
이에, 본 발명자는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙에 흐르는 전류를 통전 또는 차단하는 릴레이를 설치하는데 있어서 일부 배터리 랙에서 배터리 모듈과 릴레이가 비정상적으로 연결되어 배터리 랙에 기 설정된 전압 제한값 미만의 전압이 인가되는 경우, 배터리 랙과 릴레이가 쇼트 서킷을 형성하기 전에 릴레이의 동작 상태를 제어함으로써 릴레이가 비정상적으로 설치된 배터리 랙에 발생되는 쇼트 현상을 방지하여 배터리 랙의 파손을 방지하는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법을 발명하기에 이르렀다.
한국공개특허 제10-2012-0005368호
본 발명의 목적은, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙에 흐르는 전류를 통전 또는 차단하는 릴레이를 설치하는데 있어서 일부 배터리 랙에서 배터리 모듈과 릴레이가 비정상적으로 연결되어 배터리 랙에 기 설정된 전압 제한값 미만의 전압이 인가되는 경우, 배터리 랙과 릴레이가 쇼트 서킷을 형성하기 전에 릴레이의 동작 상태를 제어함으로써 릴레이가 비정상적으로 설치된 배터리 랙에 발생되는 쇼트 현상을 방지하여 배터리 랙의 파손을 방지하는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 설치자의 비정상적인 릴레이 설치로 인해 외부 부하없이 릴레이와 배터리 랙으로만 연결된 폐회로가 구성되는 경우 전압 측정부를 통해 배터리 랙의 전압을 측정하여 배터리 랙에서 발생될 수 있는 쇼트 현상 감지하고 측정된 전압값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우 배터리 랙에 쇼트 현상이 일어난 것으로 판단하여 릴레이 제어부를 통해 프리차지 릴레이와 메인 릴레이를 제어함으로써 배터리 랙에 흐르는 전류를 차단하여 쇼트 현상으로 인한 배터리 랙의 파손을 방지할 수 있는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 목적은 하나 이상의 배터리 랙이 연결되어 전력을 충방전하는 에너지 저장 장치 또는 배터리 시스템에서, 하나 이상의 배터리 랙 각각에 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치를 구비하고, 해당 배터리 랙에 대하여 해당 배터리 랙의 전압값을 측정하여 기 설정된 전압 제한값과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 해당 배터리 랙의 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이의 동작 상태를 제어하는 과정을 개별적으로 수행할 수 있는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙의 전압값을 측정하는 전압 측정부; 상기 전압 측정부를 통해 측정된 전압값과 기 설정된 전압 제한값의 대소를 비교하는 비교부; 및 프리차지 릴레이의 동작 상태가 온(On) 상태로 변경된 후, 메인 릴레이의 동작 상태가 오프(Off)에서 온(On) 상태로 변경되기 전에 상기 비교부를 통해 도출된 비교 결과값을 근거하여 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이의 동작 상태를 제어하는 릴레이 제어부;를 포함하되, 하나 이상의 배터리 랙 각각에 구비되어, 해당 배터리 랙에 대하여 해당 배터리 랙의 전압값을 측정하여 기 설정된 전압 제한값과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 해당 배터리 랙의 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이의 동작 상태를 제어하는 과정을 개별적으로 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프리차지 릴레이는 상기 배터리 랙의 용량에 따라 저항값이 결정되는 프리차지 저항과 직렬로 연결되어 상기 배터리 랙으로 흐르는 과전류의 전류값을 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전압 측정부는 상기 배터리 랙의 양단의 인가되는 전압을 측정하고 측정된 전압값을 상기 비교부로 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 비교부는 상기 전압 측정부로부터 전송받은 전압값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우 전압 미달 신호를 상기 릴레이 제어부에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 릴레이 제어부는 상기 비교부로부터 상기 전압 미달 신호를 전송받는 경우 상기 프리차지 릴레이의 동작 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키고 상기 메인 릴레이의 동작 상태를 오프 상태로 유지시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치는 상기 하나 이상의 배터리 랙을 제어하는 배터리 관리 시스템에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템은 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙의 전압값을 측정하는 전압 측정부; 상기 전압 측정부를 통해 측정된 전압값과 기 설정된 전압 제한값의 대소를 비교하는 비교부; 및 프리차지 릴레이의 동작 상태가 온 상태로 변경된 후, 메인 릴레이의 동작 상태가 오프에서 온 상태로 변경되기 전에 상기 비교부를 통해 도출된 비교 결과값을 근거하여 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이의 동작 상태를 제어하는 릴레이 제어부;를 포함하는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치를 하나 이상의 배터리 랙 각각에 구비하고, 해당 배터리 랙에 대하여 해당 배터리 랙의 전압값을 측정하여 기 설정된 전압 제한값과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 해당 배터리 랙의 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이의 동작 상태를 제어하는 과정을 개별적으로 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템에 구비된 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치의 상기 프리차지 릴레이는 상기 배터리 랙의 용량에 따라 저항값이 결정되는 프리차지 저항과 직렬로 연결되어 상기 배터리 랙으로 흐르는 과전류의 전류값을 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템에 구비된 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치의 상기 전압 측정부는 상기 배터리 랙의 양단의 인가되는 전압을 측정하고 측정된 전압값을 상기 비교부로 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템에 구비된 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치의 상기 비교부는 상기 전압 측정부로부터 전송받은 전압값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우 전압 미달 신호를 상기 릴레이 제어부에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템에 구비된 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치의 상기 릴레이 제어부는 상기 비교부로부터 상기 전압 미달 신호를 전송받는 경우 상기 프리차지 릴레이의 동작 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키고 상기 메인 릴레이의 동작 상태를 오프 상태로 유지시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템은 상기 하나 이상의 배터리 랙을 제어하는 배터리 관리 시스템에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 방법은 (a) 전압 측정부, 비교부 및 릴레이 제어부를 포함하는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치를 하나 이상의 배터리 랙 각각에 구비하는 단계; 및 (b) 상기 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치가 상기 하나 이상의 배터리 랙 각각에 구비되어, 해당 배터리 랙에 대하여 해당 배터리 랙의 전압값을 측정하여 기 설정된 전압 제한값과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 해당 배터리 랙의 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이의 동작 상태를 제어하는 과정을 개별적으로 수행하는 단계;를 포함하되, 상기 (b) 단계는 (b1) 상기 전압 측정부가 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙의 전압값을 측정하는 단계; (b2) 상기 비교부가 상기 전압 측정부를 통해 측정된 전압값과 기 설정된 전압 제한값의 대소를 비교하는 단계; 및 (b3) 상기 릴레이 제어부가 상기 프리차지 릴레이의 동작 상태가 온 상태로 변경된 후, 상기 메인 릴레이의 동작 상태가 오프에서 온 상태로 변경되기 전에 상기 비교부를 통해 도출된 비교 결과값을 근거하여 상기 프리차지 릴레이 및 상기 메인 릴레이의 동작 상태를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (b1) 단계는 상기 전압 측정부가 상기 배터리 랙의 양단의 인가되는 전압을 측정하고 측정된 전압값을 상기 비교부로 전송하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (b2) 단계는 상기 비교부가 상기 전압 측정부로부터 전송받은 전압값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우 전압 미달 신호를 상기 릴레이 제어부에 전송하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (b3) 단계는 상기 릴레이 제어부가 상기 비교부로부터 상기 전압 미달 신호를 전송받는 경우, 상기 릴레이 제어부가 상기 프리차지 릴레이의 동작 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키고 상기 메인 릴레이의 동작 상태를 오프 상태로 유지시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치, 시스템 및 방법은 배터리 랙의 측정 전압값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우 배터리 랙에 쇼트 현상이 발생되기 전에, 프리차지 릴레이와 메인 릴레이의 동작상태를 제어함으로써, 릴레이가 비정상적으로 설치된 배터리 랙에 흐르는 전류를 차단시킨다. 따라서, 배터리 랙에 발생될 수 있는 쇼트 현상을 방지하여 과충전 및 과열로 인한 배터리 랙 손상 및 화재를 예방하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 배터리 랙이 연결되어 전력을 충방전하는 에너지 저장 장치 또는 배터리 시스템에서, 하나 이상의 배터리 랙 각각에 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치를 구비하고, 해당 배터리 랙에 대하여 해당 배터리 랙의 전압값을 측정하여 기 설정된 전압 제한값과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 해당 배터리 랙의 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이의 동작 상태를 제어하는 과정을 개별적으로 수행함으로써, 일부 배터리 랙의 쇼트 현상으로 인한 배터리 랙 간에 충전 용량 불균형을 방지하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치가 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치가 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템에서 동작하는 경우의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치가 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템에서 동작하는 경우의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 방법의 순서를 도시한 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치가 적용될 수 있는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치가 전기 자동차에 적용된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치는 전기 자동차 이외에도 모바일 기기, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS) 또는 무정전 전원 공급 장치(Uninterruptible Power Supply; UPS) 등 이차 전지 배터리가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.
전기 자동차(1)는 배터리(10), BMS(Battery Management System, 20), ECU(Electronic Control Unit, 30), 인버터(40) 및 모터(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(10)는 모터(50)에 구동력을 제공하여 전기 자동차(1)를 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리(10)는 모터(50) 또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(40)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
여기서, 배터리(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)를 관리한다. 예컨대, 배터리(10)의 잔존 용량(State Of Charging; SOC), 잔존 수명(State Of Health; SOH), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리(10) 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리(10)의 교체 시기 추정도 가능하다.
또한, 상기 BMS(20)는 후술하는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치 및 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치 및 시스템에 의해 배터리(10)가 과충전으로 인해 과열되거나 쇼트(Short) 현상이 발생되어 파손되는 것을 방지할 수 있다.
ECU(30)는 전기 자동차(1)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다. 예컨대, 액셀러레이터(Accelerator), 브레이크(Break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(50)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(30)는 BMS(20)에 의해 전달받은 배터리(10)의 SOC, SOH 등의 상태 정보에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(40)에 제어 신호를 보낸다.
인버터(40)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리(10)가 충전 또는 방전되도록 한다.
모터(50)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 전기 자동차(1)를 구동한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치의 구성을 도시한 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100)는 배터리 랙(110), 제1 배터리 랙(111), 제2 배터리 랙(112), 전압 측정부(120), 비교부(130), 프리차지 릴레이(141), 프리차지 저항(142), 메인 릴레이(143) 및 릴레이 제어부(150)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2 내지 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
배터리 랙(110)은 전력을 공급받아 충전되거나 배터리 랙(110)에 충전된 전기에너지를 부하에 공급함으로써 방전될 수 있다. 여기서 배터리 랙(110)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 복수의 배터리 모듈(Battery Module)을 포함하여 구성 될 수 있다.
일 실시예에서, 배터리 랙(110)은 도 1에 도시된 배터리(10)에 포함될 수 있으며, 배터리 랙(110)은 기존의 공지된 기술을 사용하기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 3에 도시된 제1 배터리 랙(111) 및 제2 배터리 랙(112)은 상기 배터리 랙(110)에 포함될 수 있으며, 상기 배터리 랙(110)의 파손을 방지하기 위해 연결된 상기 프리차지 릴레이(141), 상기 프리차지 저항(142) 및 상기 메인 릴레이(143)를 기준으로 아래쪽에 연결된 배터리 모듈(111a, 111b, ..., 111n)은 제1 배터리 랙(111)의 구성요소일 수 있고, 위쪽에 연결된 배터리 모듈(112a, 112b, ..., 112n)은 제2 배터리 랙(112)의 구성요소일 수 있다. 상기의 경우 후술되는 전압 측정부(120)는 제1 배터리 랙(111)의 마이너스(-)극과 제2 배터리 랙(112)의 플러스(+)극과 접하게 위치하여 전압을 측정할 수 있다.
전압 측정부(120)는 상술된 배터리 랙(110)의 양단(플러스(+)극 및 마이너스(-)극과 접하게 위치하여 배터리 랙(110)에 인가된 전압의 전위차를 측정하는 역할을 수행할 수 있다. 한편, 전압 측정부(120)는 배터리 랙(110)의 전압을 측정 하기 위해 하나 이상의 스위치 소자, 캐패시터, 도선 등을 포함할 수 있다. 이러한, 전압 측정부(120)를 통해 측정된 전압값은 후술되는 비교부(130)로 전송될 수 있다.
비교부(130)는 전압 측정부(120)로부터 측정 전압값을 수신하고, 이를 기 설정된 전압 제한값과 비교 판단하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 기 설정된 전압 제한값은 상기 배터리 랙(110)과 후술되는 프리차지 릴레이(141), 프리차지 저항(142) 및 메인 릴레이(143)가 정상적으로 연결되어 쇼트 서킷(Short Circuit)이 형성되지 않는 배터리 랙(110)에서 측정되는 전압값으로 초기 설정되어 있거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다. 예를 들어, 상기 기 설정된 전압 제한값은 400V일 수 있다.
이어서, 상기 측정 전압값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우, 비교부(130)는 전압 미달 신호를 후술되는 릴레이 제어부(150)에 전송할 수 있고, 측정 전압값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하지 않는 경우에는 전압 미달 신호를 전송하지 않게 된다.
일 실시예에서, 비교부(130)에는 전압 측정부(120)와 마찬가지로 별도의 안정기(예를 들어, 높은 저항값을 가지는 저항체 등)(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 그에 따라 고전압으로부터 자체적으로 내부를 보호하도록 구성될 수 있다.
프리차지 릴레이(141)와 프리차지 저항(142)은 직렬로 연결될 수 있고 메인 릴레이(143)는 상기 직렬로 연결된 프리차지 릴레이(141) 및 프리차지 저항(142)과 병렬로 연결되어 상기 배터리 랙(110)에 흐르는 전류를 통전 또는 차단하는 역할을 수행할 수 있다. 프리차지 릴레이(141) 및 메인 릴레이(143)의 동작 상태는 한 쌍의 도선이 서로 접한 온(On) 상태 또는 도선이 서로 이격된 오프(Off) 상태 중 어느 하나에 해당할 수 있으며, 프리차지 릴레이(141) 및 메인 릴레이(143) 중 어느 하나 이상의 동작 상태가 온 상태에 해당되는 경우 상기 배터리 랙(110)에 흐르는 전류가 통전되고, 프리차지 릴레이(141) 및 메인 릴레이(143) 모두 오프 상태에 해당되는 경우 상기 배터리 랙(110)에 흐르는 전류가 차단될 수 있다.
한편, 상기 배터리 랙(110)에 전력이 공급되는 초기에 써지(Surge)성 전류로부터 배터리 랙(110)을 보호 하기 위해 프리차지 릴레이(141)는 동작 상태가 온 상태로 변경될 수 있고, 프리차지 릴레이(141)가 온 상태로 변경되는 경우 프리차지 릴레이(141)와 직렬로 연결된 프리차지 저항(142)으로 써지성 전류가 흐름으로써 상기 배터리 랙(110)을 보호할 수 있다. 프리차지 릴레이(141)의 동작 상태가 온 상태로 변경된 뒤 기 설정된 시간(예를 들어, 1s에 해당하는 시간) 이후 메인 릴레이(143)의 동작 상태가 온 상태로 변경될 수 있고, 상기 비교부(130)는 프리차지 릴레이(141)의 동작 상태가 온상태로 변경된 뒤부터 메인 릴레이(143)의 동작 상태가 온 상태로 변경되기 전까지 상기 전압 측정부(120)를 통해 측정된 전압값과 기 설정된 전압 제한값을 비교 판단하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 기 설정된 전압 제한값은 상기 배터리 랙(110)과 프리차지 릴레이(141), 프리차지 저항(142) 및 메인 릴레이(143)가 정상적으로 연결되어 쇼트 서킷이 형성되지 않는 배터리 랙(110)에서 측정되는 전압값으로 초기 설정되어 있거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다. 예를 들어, 상기 기 설정된 전압 제한값은 400V일 수 있다.
프리차지 릴레이(141) 및 메인 릴레이(143)의 동작 상태가 온 상태로 변경된 뒤 기 설정된 시간(예를 들어, 1s에 해당하는 시간) 이후 프리차지 릴레이(141)의 동작 상태가 오프 상태로 변경되어 상기 배터리 랙(110)으로 공급되는 전력이 프리차지 저항(142)을 통하지 않고 공급될 수 있다.
릴레이 제어부(150)는 상기 비교부(130), 프리차지 릴레이(141), 프리차지 저항(142) 및 메인 릴레이(143)와 연결될 수 있으며, 릴레이 제어부(150)는 상기 비교부(130)를 통해 전압 미달 신호를 전송받는 경우 상기 프리차지 릴레이(141)의 동작 상태를 온에서 오프 상태로 변경시킬 수 있고 상기 메인 릴레이(143)의 동작 상태를 오프 상태로 유지시키는 역할을 수행할 수 있다. 상기 프리차지 릴레이(141) 및 상기 메인 릴레이(143)의 동작 상태 오프 상태일 경우 상기 배터리 랙(110)에 흐르는 전류가 차단될 수 있다.
반대로, 상기 비교부(130)를 통해 전압 미달 신호를 전송받지 않는 경우 릴레이 제어부(150)는 상기 프리차지 릴레이(141) 및 상기 메인 릴레이(143)의 동작 상태를 제어하지 않을 수 있다.
도 4는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치가 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템에서 동작하는 경우의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템(100')은 하나 이상의 배터리 랙(111', 110'b, ..., 110'n) 각각에 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'a, ..., 100'n)를 구비할 수 있다.
전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템(100')은 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'a)가 구비된 제1 및 제2 배터리 랙(111', 112')에 대하여, 제1 및 제2 배터리 랙(111', 112')의 전압값을 측정하여 기 설정된 전압 제한값과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 제1 및 제2 배터리 랙(111', 112')의 프리차지 릴레이(141') 및 메인 릴레이(143')의 동작 상태를 제어하는 과정을 개별적으로 수행할 수 있다.
전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'a)가 구비된 제1 및 제2 배터리 랙(111', 112')에 대하여, 상기의 과정을 개별적으로 수행한 것과 같이, 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'b, ..., 100'n)가 각각 구비된 배터리 랙(110'b, ..., 110'n)에 대해서도 상기의 과정을 각각 개별적으로 수행할 수 있다.
이러한 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'a, ..., 100'n)의 개별적 수행 과정을 통해 하나 이상의 배터리 랙이 연결되어 전력을 충방전하는 에너지 저장 장치 또는 배터리 시스템에서 프리차지 릴레이, 프리차지 저항 및 메인 릴레이가 비정상적으로 설치된 배터리 랙만을 손쉽게 파악할 수 있으며, 상호 연결된 하나 이상의 배터리 랙 전체의 전류를 차단하지 않고 해당 배터리 랙의 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이만을 개별적으로 차단하여 에너지 저장 장치 또는 배터리 시스템의 충방전을 지속적으로 수행할 수 있다.
다음으로, 프리차지 릴레이(141'), 프리차지 저항(142') 및 메인 릴레이(143')가 비정상적으로 설치된 제1 배터리 랙(111')을 통해 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'a)를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'a)는 제1 배터리 랙(111')과 프리차지 릴레이(141'), 프리차지 저항(142') 및 메인 릴레이(143')가 비정상적으로 연결되어 외부 부하가 없는 폐회로로 형성된 예일 수 있다. 상기 폐회로에서 프리차지 질레이(141')와 프리차지 저항(142')은 직렬로 연결되어 프리차지 릴레이(141')의 동작 상태가 오프에서 온 상태로 변경되는 경우 쇼트 현상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
제2 배터리 랙(112')은 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'b, ..., 100'n)의 프리차지 저항(142'b, ..., 142'n)과 연결되어 쇼트 현상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'a)가 전력 변환 장치(200)으로부터 전력을 공급받는 경우 제1 배터리 랙(111')을 제외한 제2 배터리 랙(112')에 전력이 충전될 수 있으며 전압 측정부(120'a)에서는 제1 배터리 랙(111')을 제외한 제2 배터리 랙(112')에 인가된 전압을 측정하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 전압 측정부(120')를 통해 측정된 전압값은 제1 배터리 랙(111')을 제외한 제2 배터리 랙(112')에만 인가된 전압을 측정한 측정값이므로 다른 전압 측정부(120'b, ..., 120'n)에서 측정된 전압값 보다 작을 수 있다.
메인 릴레이(143')의 동작 상태가 오프에서 온 상태로 변경되는 경우 상기 폐회로에는 쇼트 현상이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해 비교부(130')는 상기 전압 측정부(120')를 통해 측정된 전압값과 기 설정된 전압 제한값을 비교 판단하여 측정된 전압값이 기설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우 전압 미달 신호를 릴레이 제어부(150')로 전송하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 전압 미달 신호를 전송받은 릴레이 제어부(150')는 상기 메인 릴레이(143')의 동작 상태가 오프에서 온 상태로 변경되기 전에, 상기 프리차지 릴레이(141')의 동작 상태를 오프 상태로 유지함으로써 상기 제1 배터리 랙(111')에서 발생하는 쇼트 현상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 제1 배터리 랙(111')에 쇼트 현상이 발생되는 경우 배터리 랙(111', 112', 110'b, ..., 110'n) 간에 용량 편차로 각각의 충전 속도가 달라짐으로써 발생되는 과충전, 과열 또는 스웰링(Swelling)으로 인한 파손을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 기 설정된 전압 제한값은 상기 제1 배터리 랙(111') 및 제2 배터리 랙(112')과 프리차지 릴레이(141'), 프리차지 저항(142') 및 메인 릴레이(143')가 정상적으로 연결되어 쇼트 서킷이 형성되지 않은 제1 배터리 랙(111')의 마이너스(-)극과 제2 배터리 랙(112')의 플러스(+)극 양단에서 측정되는 전압값으로 초기 설정되어 있거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다. 예를 들어, 상기 기 설정된 전압 제한값은 400V일 수 있다.
도 5는 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치가 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템에서 동작하는 경우의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템(100")은 하나 이상의 배터리 랙(112", 110"b, ..., 110"n) 각각에 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100"a, ..., 100"n)를 구비할 수 있다.
전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템(100")은 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100"a)가 구비된 제1 및 제2 배터리 랙(111", 112")에 대하여, 제1 및 제2 배터리 랙(111", 112")의 전압값을 측정하여 기 설정된 전압 제한값과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 해당 제1 및 제2 배터리 랙(111", 112")의 프리차지 릴레이(141") 및 메인 릴레이(143")의 동작 상태를 제어하는 과정을 개별적으로 수행할 수 있다.
전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100"a)가 구비된 제 1 및 제2 배터리 랙(111", 112")에 대하여, 상기의 과정을 개별적으로 수행한 것과 같이, 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100"b, ..., 100"n)가 각각 구비된 해당 배터리 랙(110"b, ..., 110"n)에 대해서도 상기의 과정을 각각 개별적으로 수행할 수 있다.
이러한 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100"a, ..., 100"n)의 개별적 수행 과정을 통해 하나 이상의 배터리 랙이 연결되어 전력을 충방전하는 에너지 저장 장치 또는 배터리 시스템에서 프리차지 릴레이, 프리차지 저항 및 메인 릴레이가 비정상적으로 설치된 배터리 랙만을 손쉽게 파악할 수 있으며, 상호 연결된 하나 이상의 배터리 랙 전체의 전류를 차단하지 않고 해당 배터리 랙의 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이만을 개별적으로 차단하여 에너지 저장 장치 또는 배터리 시스템의 충방전을 지속적으로 수행할 수 있다.
다음으로, 프리차지 릴레이(141'), 프리차지 저항(142') 및 메인 릴레이(143')가 비정상적으로 설치된 제1 배터리 랙(111')을 통해 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100'a)를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100"a)는 제2 배터리 랙(112")과 프리차지 릴레이(141"), 프리차지 저항(142") 및 메인 릴레이(143")가 비정상적으로 연결되어 외부 부하가 없는 폐회로로 형성된 예일 수 있다. 상기 폐회로에서 프리차지 질레이(141")와 프리차지 저항(142")은 직렬로 연결되어 프리차지 릴레이(141")의 동작 상태가 오프에서 온 상태로 변경되는 경우 쇼트(Shrot) 현상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
제1 배터리 랙(111")은 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100"b, ..., 100"n)의 프리차지 저항(142"b, ..., 142"n)과 연결되어 쇼트 현상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치(100")가 전력 변환 장치(200)으로부터 전력을 공급받는 경우 제2 배터리 랙(112")을 제외한 제1 배터리 랙(111")에 전력이 충전될 수 있으며 전압 측정부(120")에서는 제2 배터리 랙(112")을 제외한 제1 배터리 랙(111")에 인가된 전압을 측정하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 전압 측정부(120")를 통해 측정된 전압값은 제2 배터리 랙(112")을 제외한 제1 배터리 랙(111")에만 인가된 전압을 측정한 측정값이므로 다른 전압 측정부(120"b, ..., 120"n)에서 측정된 전압값보다 작을 수 있다.
메인 릴레이(143")의 동작 상태가 오프에서 온 상태로 변경되는 경우 상기 폐회로에는 쇼트 현상이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해 비교부(130")는 상기 전압 측정부(120")를 통해 측정된 전압값과 기 설정된 전압 제한값을 비교 판단하여 측정된 전압값이 기설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우 전압 미달 신호를 릴레이 제어부(150")로 전송하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 전압 미달 신호를 전송받은 릴레이 제어부(150")는 상기 메인 릴레이(143")의 동작 상태가 오프에서 온 상태로 변경되기 전에, 상기 프리차지 릴레이(141")의 동작 상태를 온에서 오프 상태로 변경하고 상기 메인 릴레이(143")의 동작 상태를 오프 상태로 유지함으로써 상기 제2 배터리 랙(112")에서 발생하는 쇼트 현상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 상기 제2 배터리 랙(112")에 쇼트 현상이 발생되는 경우 배터리 랙(111", 112", 110"b, ..., 110"n) 간에 용량 편차로 각각의 충전 속도가 달라짐으로써 발생되는 과충전, 과열 또는 스웰링으로 인한 파손을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 기 설정된 전압 제한값은 상기 제1 배터리 랙(111") 및 제2 배터리 랙(112")과 프리차지 릴레이(141"), 프리차지 저항(142") 및 메인 릴레이(143")가 정상적으로 연결되어 쇼트 서킷이 형성되지 않은 제1 배터리 랙(111")의 마이너스(-)극과 제2 배터리 랙(112")의 플러스(+)극 양단에서 측정되는 전압값으로 초기 설정되어 있거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다. 예를 들어, 상기 기 설정된 전압 제한값은 400V일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 방법의 순서를 도시한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 먼저 전압 측정부(120)는 배터리 랙(110)의 양단(플러스(+)극 및 마이너스(-)극에 인가된 전압을 측정하고, 측정된 전압값을 비교부(130)로 전송하게 된다(S601).
다음으로, 비교부(130)는 전압 측정부(120)를 통해 전송 받은 측정전압 값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하는지 비교 및 판단하게 된다(S602).
여기서, 기 설정된 전압 제한값은 배터리 랙(110)과 후술되는 프리차지 릴레이(141), 프리차지 저항(142) 및 메인 릴레이(143)가 정상적으로 연결되어 쇼트 서킷(Short Circuit)이 형성되지 않는 배터리 랙(110)에서 측정되는 전압값으로 초기 설정되어 있거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다. 예를 들어, 기 설정된 전압 제한값은 400V일 수 있다.
만약, 비교부(130)에서 판단된 비교 결과값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우(S603), 비교부(130)는 전압 미달 신호를 릴레이 제어부(150)에 전송하게 된다(S604).
반대로, 비교부(130)에서 판단된 비교 결과값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하지 않는 경우 시작으로 돌아가게 된다.
릴레이 제어부(150)는 전압 미달 신호를 전송받아 프리차지 릴레이(141)의 동작 상태를 온(On)에서 오프(Off) 상태로 변경시키고, 메인 릴레이(143)의 동작 상태가 오프에서 온 상태로 변경되기 전에 오프 상태로 유지시키게 된다(S605).
결과적으로, 프리차지 릴레이(141) 및 메인 릴레이(143)의 동작 상태가 오프 상태가 됨으로써 배터리 랙(110)에 흐르는 전류를 차단하게 된다(S606).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 전기 자동차
10 : 배터리 20 : BMS
30 : ECU 40 : 인버터
50 : 모터
100 : 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 장치
100', 100" : 전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템
110 : 배터리 랙
111 : 제1 배터리 랙 112 : 제2 배터리 랙
120 : 전압 측정부
130 : 비교부
141 : 프리차지 릴레이 142 : 프리차지 저항
143 : 메인 릴레이
150 : 릴레이 제어부
200 : 전력 변환 장치

Claims (4)

  1. 배터리 랙 파손 방지 시스템에 있어서,
    상기 배터리 랙 파손 방지 시스템은 병렬 연결된 복수의 배터리 랙 파손 장치를 포함하고,
    상기 복수의 배터리 랙 파손 장치 각각은,
    하나 이상의 배터리 모듈(Battery Module)을 포함하는 제 1 배터리 랙;
    하나 이상의 배터리 모듈(Battery Module)을 포함하며, 그 마이너스(-) 단자가 상기 배터리 랙 파손 장치의 마이너스(-) 단자에 연결되는 는 제 2 배터리 랙;
    상기 제 1 배터리 랙의 마이너스(-) 단자와 상기 제 2 배터리 랙의 플러스(+) 단자 사이에 연결된 메인 릴레이(Main Relay);
    상기 메인 릴레이와 병렬 연결된 프리차지 릴레이(Precharge Relay) 및 프리차지 저항;
    상기 제 1 배터리 랙의 플러스(+) 단자와 제 2 배터리 랙의 마이너스(-) 단자 사이의 전압값을 측정하는 전압 측정부;
    상기 전압 측정부를 통해 측정된 전압값과 기 설정된 전압 제한값의 대소를 비교하는 비교부;
    전력이 공급되는 초기에 프리차지 릴레이의 동작 상태를 온(On) 상태로 변경하고, 프리차지 릴레이의 동작 상태가 온(On) 상태로 된 시점으로부터 기 설정된 시간 이후 상기 비교부를 통해 비교된 상기 전압값이 상기 기 설정된 전압 제한값 이상인 경우 메인 릴레이의 동작 상태를 온(On) 상태로 변경하고, 상기 전압값이 상기 기 설정된 전압 제한값 이하인 경우 메인 릴레이의 동작 상태를 오프(Off) 상태로 유지하는 제어부;를 포함하는,
    전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 랙 파손 방지 시스템은,
    상기 복수의 배터리 랙 파손 장치 각각에 포함된 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이의 동작 상태를 제어하는 과정을 개별적으로 수행함으로써 프리차지 릴레이 및 메인 릴레이가 잘못 연결되어 쇼트(Short)상태가 되는 배터리 랙의 메인 릴레이가 개별적으로 온 상태가 되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는,
    전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비교부는,
    상기 전압 측정부로부터 전송 받은 전압값이 기 설정된 전압 제한값 미만에 해당하는 경우 전압 미달 신호를 릴레이 제어부에 전송하고,
    상기 릴레이 제어부는,
    프리차지 릴레이의 동작 상태가 온(On) 상태로 된 시점으로부터 기 설정된 시간 이내에 상기 전압 미달 신호를 수신하는 경우 메인 릴레이의 동작 상태를 오프 상태로 유지시키는 것을 특징으로 하는,
    전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 랙 파손 방지 시스템은,
    상기 제 1 배터리 랙 및 상기 제 2 배터리 랙을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)에 포함된 것을 특징으로 하는,
    전압 측정을 통한 배터리 랙 파손 방지 시스템.
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