KR101744374B1

KR101744374B1 - 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101744374B1
Application number: KR1020140017400A
Authority: KR
Inventors: 장진수; 강영주; 홍현주; 김동현
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: KR20150096230A

Abstract

본 발명은 배터리에 공급되는 전력을 통전 또는 차단하는 릴레이(Relay)의 제어가 불가능할 경우, 보호 회로의 상태를 오프(Off)에서 온(On) 상태로 변경시켜 배터리에 유입되는 전류를 보호 회로로 흐르게 함으로써 배터리가 과충전되는 것을 방지하고, 또한 배터리로 기 설정된 전류값 이상의 써지(Surge)성 전류가 흐르는 경우, 보호 회로의 상태를 오프에서 온으로 변경시킴으로써 써지성 전류가 배터리로 유입되는 것을 방지하는 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법{Apparatus and method for preventing battery using protective circuit}

본 발명은 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배터리에 공급되는 전력을 통전 또는 차단하는 릴레이(Relay)의 제어가 불가능할 경우, 보호 회로의 상태를 오프(Off)에서 온(On) 상태로 변경시켜 배터리에 유입되는 전류를 보호 회로로 흐르게 함으로써 배터리가 과충전되는 것을 방지하고, 또한 배터리로 기 설정된 전류값 이상의 써지(Surge)성 전류가 흐르는 경우, 보호 회로의 상태를 오프에서 온으로 변경시킴으로써 써지성 전류가 배터리로 유입되는 것을 방지하는 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지로는 니켈/카드뮴(Ni-Ca) 이차전지, 니켈/수소(Ni-Mh) 이차전지, 밀폐납산(SLA) 이차전지, 리튬(Li) 이온 이차전지, 리튬(Li)-중합체 이차전지 및 재사용 알카리(Reusable alkaline) 이차전지 등이 있다. 상기 이차전지가 적정 충전조건을 넘어 과충전 상태가 되는 것은 전해액의 분해에 따르는 가스의 발생이나 발열의 원인이 되어 전지성능의 열화나 파손 등을 초래하게 된다. 특히, 리튬 이온 이차전지는 과충전되었을 때 열화나 손상을 받는 정도가 크기 때문에 과충전으로부터 리튬 이온 이차전지를 보호하기 위해 릴레이 제어 기술이 구비되어 있다.

이러한 종래의 릴레이(Relay) 제어 기술에 대해 살펴보면, 과전류가 이차전지로 유입되는 경우 별도로 구비된 전류 감지 센서가 과전류를 감지하고, 제어부가 상기 감지 결과값에 따라 릴레이를 제어함으로써 이차전지를 보호한다. 하지만 제어부가 전류 감지 센서로부터 측정값을 받아 릴레이를 제어하기 전까지 지연되는 시간으로 인해 회로의 손상(예를 들어, 융착 등)이 발생하는 문제점을 가진다.

또한, 배터리를 주요 동력원으로 이용하는 자동차(예를 들어, 전기자동차 등)에서 필수적으로 사용되는 모터의 경우, 안전상의 문제로 모터 구동 중에 릴레이의 제어가 불가능하기 때문에 이차전지를 과전류로부터 보호 하지 못한다는 문제점을 가지고 있다.

종래의 이차전지 과충전 방지 기술에 대해 살펴보면, 한국공개특허 제10-2013-0090255호는 과충전 방지 회로에 관한 것으로서, 충전 전압이 임계값(Vmax) 이상이 되어 이차전지가 과충전되었을 때 통전 화학반응을 일으켜 화학적 스위칭 소자를 온(On) 시킴으로써 이차전지로 흐르는 전류를 과충전 방지 회로로 유입시켜 이차전지의 과충전을 방지하는 것을 특징으로 한다.

하지만, 상술된 종래의 과충전 방지 회로를 살펴보면, 이차전지가 과충전되었을 때 과충전 방지 회로로 흐르는 충전 전류값의 크기가 클 경우 화학적 스위칭 소자가 손상되어 이차전지의 과충전 방지를 하지 못한다는 문제점을 가지고 있다.

이에, 본 발명자는 상술된 종래의 릴레이 제어 기술과 과충전 방지 회로가 가지는 문제점을 해결하기 위해, 배터리에 공급되는 전력을 통전 또는 차단하는 릴레이(Relay)의 제어가 불가능할 경우, 보호 회로의 상태를 오프(Off)에서 온(On) 상태로 변경시켜 배터리에 유입되는 전류를 보호 회로로 흐르게 함으로써 배터리가 과충전되는 것을 방지하고, 또한 배터리로 기 설정된 전류값 이상의 써지(Surge)성 전류가 흐르는 경우, 보호 회로의 상태를 오프에서 온으로 변경시킴으로써 써지성 전류가 배터리로 유입되는 것을 방지하는 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법을 발명하기에 이르렀다.

한국공개특허 제 10-2013-0090255호

본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 배터리에 공급되는 전력을 통전 또는 차단하는 릴레이(Relay)의 제어가 불가능할 경우, 보호 회로의 상태를 오프(Off)에서 온(On) 상태로 변경시켜 배터리에 유입되는 전류를 보호 회로로 흐르게 함으로써 배터리가 과충전되는 것을 방지하고, 또한 배터리로 기 설정된 전류값 이상의 써지(Surge)성 전류가 흐르는 경우, 보호 회로의 상태를 오프에서 온으로 변경시킴으로써 써지성 전류가 배터리로 유입되는 것을 방지하는 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 릴레이가 비정상적으로 동작(예를 들어, 융착에 의한 릴레이 고정 등)되어 배터리가 과충전 될 우려가 있는 경우, 보호 회로의 상태를 오프에서 온으로 변경시킴으로써, 전력 공급부로부터 공급되는 전력이 배터리에 공급되기 전에 보호 회로로 유입되도록 하여 과열 또는 스웰링(Swelling)으로인한 배터리의 손상을 방지할 수 있는 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 목적은 전력 공급부로부터 기 설정된 전류값 이상의 써지성 전류가 발전 및 출력되는 경우, 이를 감지하고 보호 회로의 상태를 오프에서 온으로 변경시킴으로써, 전력 공급부로부터 공급되는 전력이 배터리에 공급되기 전에 보호 회로로 유입되도록 하여 과열 또는 스웰링(Swelling)으로인한 배터리의 손상을 방지할 수 있는 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

실시예들 중에서, 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치는 전력 공급부로부터 전력을 공급받아 충전 또는 방전되는 배터리 및 상기 전력 공급부로부터 공급되는 전력을 통전 또는 차단시키는 릴레이부 사이에 제공되는 보호 회로; 및 상기 보호 회로의 상태를 온 또는 오프 상태로 변경하는 보호 회로 제어부;를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 회로 제어부는 상기 배터리의 충전 전압값, 상기 배터리로 유입되는 전류의 전류값 및 상기 릴레이부의 상태 중 하나 이상에 근거하여, 상기 보호 회로의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시켜 상기 배터리로 유입되는 전류를 상기 보호 회로로 흐르도록 할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치는 상기 릴레이부의 상태를 온 또는 오프 상태로 변경시키는 릴레이 제어부;를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치는 상기 배터리의 충전 전압값을 측정하는 전압 측정부;를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 릴레이 제어부는 상기 전압 측정부를 통해 측정된 충전 전압값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하는 경우, 상기 릴레이부의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 회로 제어부는 상기 릴레이 제어부가 상기 릴레이부의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키지 못하는 경우, 상기 보호 회로 제어부가 보호 회로의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치는 상기 배터리로 유입되는 전류의 전류값을 측정하고 측정된 전류값을 상기 보호 회로 제어부로 전송하는 전류 측정부;를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 회로 제어부는 상기 전류 측정부를 통해 측정된 전류의 전류값이 기 설정된 전류값 이상에 해당하는 경우, 상기 보호 회로의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 회로는 보호 회로 스위치; 및 보호 회로 저항;을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 회로 스위치는 상기 보호 회로 제어부의 제어를 통해 온 또는 오프 상태로 변경되고, 상기 보호 회로 스위치가 온 상태가 되면, 상기 배터리로 유입되는 전류가 상기 보호 회로 저항으로 흐를 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 회로 저항의 저항값은 배터리의 용량에 따라 결정 될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 보호 저항은 가변 저항일 수 있다.

다른 실시예들 중에서, 보호 회로를 이용한 배터리 보호 방법은 (a) 전력 공급부로부터 전력을 공급받아 충전 또는 방전되는 배터리 및 전력 공급부로부터 공급되는 전력을 통전 또는 차단시키는 릴레이부 사이에 제공되는 보호 회로를 구비하는 단계; (b) 상기 배터리의 충전 전압값, 상기 배터리로 유입되는 전류의 전류값 및 상기 릴레이부의 상태 중 하나 이상을 확인하는 단계; 및 (c) 상기 배터리의 충전 전압값, 상기 배터리로 유입되는 전류의 전류값 및 상기 릴레이부의 상태 중 하나 이상에 근거하여, 상기 보호 회로의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시켜 상기 배터리로 유입되는 전류를 보호 회로로 흐르도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (b) 단계는 전압 측정부가 상기 배터리의 충전 전압값을 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (c) 단계는 상기 전압 측정부를 통해 측정된 충전 전압값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하는 경우, 상기 릴레이부의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키는 단계;를 포함할 수 있다

일 실시예에서, 상기 (c) 단계는 상기 릴레이부의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키지 못하는 경우, 상기 보호 회로의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (b) 단계는 전류 측정부가 상기 배터리로 유입되는 전류의 전류값을 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 (c) 단계는 전류 측정부를 통해 측정된 배터리로 유입되는 전류의 전류값이 기 설정된 전류값 이상에 해당하는 경우, 상기 보호 회로의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시키는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법은 릴레이가 비정상적으로 동작되어 배터리가 과충전 되는 경우, 보호 회로의 상태를 오프 에서 온으로 변경시킴으로써, 전력 공급부로부터 배터리로 공급되는 전류를 보호 회로로 유입시킨다. 따라서, 보호 회로의 제어를 통해 전류를 보호 회로로 흐르게 함으로써 과충전에 따른 배터리의 과열 또는 스웰링(Swelling)으로인해 배터리의 손상을 방지하여 배터리의 수명을 연장시키는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 메인 릴레이의 단락이 허가되지 않는 상황(예를 들어, 전기 자동차 모터의 구동 중에 발전되는 전력에 의해 배터리가 충전되는 상황에서 일시적으로 모터에서 써지(Surgey)성 전류가 출력되는 경우, 메인 릴레이가 오프 상태가 되어야 하나, 메인 릴레이가 단락될 경우 전기 자동차의 운행 중 모터가 급정지하는 문제가 발생할 수 있어 BMS(Battery Management System)가 메인 릴레이의 상태를 오프로 변경하는 것을 허가하지 않는 상황) 에서 보호 회로의 상태를 오프에서 온으로 변경시킴으로써, 메인 릴레이의 단락 여부에 관계없이 써지성 전류가 배터리에 유입되지 못하도록 하는 효과를 가진다.

도 1은 종래의 전기 자동차(1)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 회로를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 회로를 도시한 회로도이다.
도 5는 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 일 실시예에 따른 동작 순서를 도시한 순서도이다.
도 6은 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 다른 실시예에 따른 동작 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 종래의 전기 자동차(1)의 구성을 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 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) 및 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.

또한, 배터리(10)는 복수의 전지 셀이 직렬 및 병렬로 연결되어 있는 전지 팩으로 형성된다. 그리고, 이러한 전지 팩이 하나 이상 구비되어 배터리(10)를 형성할 수도 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, BMS(20)는 도 2 내지 도 6에서 후술되는 릴레이 제어부(130) 및 보호 회로 제어부(160) 중 어느 하나 이상에 해당하거나 포함할 수 있으며, 이러한 BMS(20)에 의해 후술되는 전압 측정부(110), 릴레이부(120), 전류 측정부(140) 및 보호 회로(150)가 제어되어 배터리(10)와 모터(50) 간의 전류 안정성이 높아질 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.

상술한 전기 자동차(1)는 배터리(10)의 전기 에너지를 이용하여 구동되므로, 배터리(10)와 모터(50)는 다양한 회로를 통해 연결된다. 이때, 회로에는 미소전류부터 고전류까지 전위차가 상이한 전류가 흐를 수 있으며 이러한 전류로부터 배터리(10) 및 모터(50)를 보호하기 위해서는 릴레이와 같은 회로 보호 장치를 구비하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 구성을 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 회로도를 도시한 회로도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 회로를 도시한 회로도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)는 전압 측정부(110), 릴레이부(120), 릴레이 제어부(130), 전류 측정부(140), 보호 회로(150) 및 보호 회로 제어부(160)를 포함한다.

이때, 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)는 전력 공급부(60) 및 배터리(70)와 연결될 수 있다.

여기에서, 전력 공급부(60)는 컨버터(61) 및 교류 전압원(62)을 포함할 수 있다. 컨버터(61)는 교류 전압원(62)으로부터 공급받은 교류 입력 전압을 직류 출력 전압으로 변환한다. 이에 따라, 전력 공급부(60)는 변환된 직류 출력 전압을 배터리(70)의 양 단에 공급함으로써 배터리(70)를 충전하는 역할을 수행할 수 있다.

한편, 상술한 전력 공급부(60)는 도 2와 상이한 형태로 구성될 수 있는데, 이는 도 4를 통해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 4를 살펴보면 도 4에 도시된 전력공급부(60')는 도 2 및 도 3에 도시된 전력 공급부(60)과 상이한 형태를 취할 수 있으며, 전력 공급부(60')는 인버터(61') 및 모터(62')를 포함할 수 있다.

또한, 인버터(61')는 상술된 도 1에 도시된 인버터(40)에 포함될 수 있으며, 도 1에 도시된 전기 자동차(1)가 후술되는 배터리(70)의 충전 전력을 통해 주행하는 경우, 인버터(61')는 배터리(70)에서 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하고, 변환된 교류 전압을 통해 모터(62')를 구동할 수 있다.

한편, 도 1에 도시된 전기 자동차(1)가 내연 기관(미도시)의 동력으로 주행하는 경우 또는 주행 중에 감속 장치를 이용하여 감속하는 경우, 인버터(61')는 모터(62')에서 발전되어 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 변환된 직류 전압을 통해 배터리(70)를 충전할 수 있다.

이 때, 모터(62)의 구동 중에 발전되는 전류의 전류값이 기 설정된 전류값 이상에 해당하고 해당 전류가 배터리(70)로 흐르는 경우, 후술되는 보호 회로 제어부(160)는 후술되는 보호 회로(150)의 상태를 오프에서 온으로 변경시킴으로써 배터리(70)의 과충전을 방지할 수 있다. 여기서, 상기 기 설정된 전류값은 해당 전류가 배터리를 손상시키지 않는 범위로 초기 설정되어 있거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다. 예를 들어, 상기 기 설정된 전류값은 50A일 수 있다.

마지막으로, 모터(62')는 상술된 도 1에 도시된 모터(50)에 포함될 수 있다.

배터리(70)는 전력 공급부(60)로부터 전력을 공급받아 충전 또는 방전될 수 있다. 일 실시예에서, 배터리(70)는 상술된 도 1에 도시된 배터리(10)에 포함될 수 있으며, 배터리(70)는 기존의 공지된 기술을 사용하기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 하며 배터리(70)가 전력 공급부(60)을 통해 전력을 공급받아 충전 되는 한, 배터리(70)의 종류 및 충전 용량은 제한되지 않음을 유의한다.

전압 측정부(110)는 상술된 배터리(70)의 양측 말단부(플러스(+)극 및 마이너스(-)극)와 접하게 위치하여 배터리(70)의 전위차를 측정하는 역할을 수행할 수 있다. 한편, 전압 측정부(110)는 배터리(70)의 전압을 측정 하기 위해 하나 이상의 스위치 소자, 캐패시터, 도선 등을 포함할 수 있다. 이러한, 전압 측정부(110)를 통해 측정된 충전 전압값은 후술되는 릴레이 제어부(130)에 전송될 수 있다.

릴레이부(120)는 전력 공급부(60)로부터 공급되는 전력을 통전 또는 차단시킬 수 있으며, 제1 메인 릴레이(121), 제2 메인 릴레이(122), 프리차지 저항(123) 및 프리차지 릴레이(124)을 포함할 수 있다.

먼저, 제1 메인 릴레이(121)는 배터리(70)의 플러스(+)극에 연결되고 제2 메인 릴레이(122)는 배터리(70)의 마이너스(-)극에 연결될 수 있다. 그에 따라 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태가 오프 상태에서 온 상태로 변경되는 경우 전력 공급부(60)로부터 배터리(70)에 전력이 공급될 수 있다.

프리차지 저항(123) 및 프리차지 릴레이(124)는 제1 메인 릴레이(121)와 병렬로 연결될 수 있고, 프리차지 릴레이(124)의 상태가 온 상태로 변경되어 전력이 프리차지 저항(123)을 통해 흐르는 경우 해당 전력의 전류값은 배터리(70)의 충전 초기(예를 들어, 20ms 이하에 해당하는 시간)동안 감소될 수 있다. 이에 따라, 프리차지 릴레이(124)는 충전을 시작하는 단계에서 발생할 수 있는 과전류의 전류값을 감소시키고 프리차리 저항(123)으로 과전류를 흐르게 함으로써, 충전 초기, 제1 메인 릴레이(121)가 과전류로 인해 손상되는 것을 방지하고 배터리(70)를 과전류로부터 보호할 수 있다. 그리고 충전 초기 이후, 프리차지 릴레이(124)의 상태는 온에서 오프 상태로 변경되고 제1 메인 릴레이(121)의 상태는 오프에서 온 상태로 변경됨으로써, 배터리(70)는 전력 공급부(60)로부터 전력을 공급받아 계속해서 충전을 할 수 있다.

릴레이 제어부(130)는 전압 측정부(110), 릴레이부(120) 및 후술되는 보호 회로 제어부(160)와 연결될 수 있으며, 릴레이 제어부(130)는 전압 측정부(110)를 통해 측정된 배터리(70)의 충전 전압값을 전송받고, 전압 측정부(110)를 통해 측정된 충전 전압값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하는 경우, 상기 릴레이부(120)의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키는 역할을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 기 설정된 전압값은 해당 전압이 배터리를 손상시키지 않는 범위로 초기 설정되어 있거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다. 예를 들어, 상기 기 설정된 전압값은 400V일 수 있다.

보다 구체적으로, 전압 측정부(110)를 통해 측정된 배터리(70)의 충전 전압값이 기 설정된 전압값이상에 해당하는 경우, 릴레이 제어부(130)는 릴레이부(120)에 포함된 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 온에서 오프 상태로 변경할 수 있으며, 그에 따라 전력 공급부(60)로부터 배터리(70)로 공급되는 전력이 차단될 수 있다.

반대로, 전압 측정부(110)를 통해 측정된 배터리(70)의 충전 전압값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하지 않는 경우, 릴레이 제어부(130)는 릴레이부(120)에 포함된 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 온에서 오프 상태로 변경하지 않으며, 그에 따라 배터리(70)의 충전은 유지될 수 있다.

한편, 전압 측정부(110)를 통해 측정된 배터리(70)의 충전 전압값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하여, 릴레이 제어부(130)가 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시켜야 함에 불구하고, 릴레이 제어부(130)가 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 온에서 오프 상태로 변경하지 못하는 경우 릴레이 제어부(130)는 후술되는 보호 회로 제어부(160)에 스위치 변경 불가 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, 릴레이부(120)로 흐르는 과전류로 인해 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)가 과열되어 융착되는 경우 또는 릴레이 제어부(130)가 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 제어하지 못하는 경우에, 릴레이 제어부(130)는 보호 회로 제어부(160)에 스위치 변경 불가 신호를 전송할 수 있다.

여기에서, 스위치 변경 불가 신호는 릴레이 제어부(130)가 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 온에서 오프 상태로 변경하지 못하는 경우 릴레이 제어부(130)에서 보호 회로 제어부(160)에 현재 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 온에서 오프 상태로 변경되지 않았음을 확인시키는 신호를 의미할 수 있다.

전류 측정부(140)는 배터리(70)와 직렬로 연결되어 전력 공급부(60)로부터 배터리(70)로 유입되는 전력의 전류값을 측정하는 역할을 수행할 있다.

이러한 역할을 수행하는 전류 측정부(140)는 변류기(Current transformer) 방식, 홀 소자(Hall element) 방식 및 퓨즈(Fuse) 방식 중 하나 이상에 해당하는 전류 센서(Current sensor)를 포함할 수 있다.

여기에서, 전류 센서라 함은 직류 전류에 흐르는 전류량을 측정하는 센서를 의미할 수 있다.

일 실시예에서, 전류 측정부(140)는 내부 소자들을 과전류(예를 들어, 50A 이상에 해당하는 전류)로 인한 화재로부터 보호할 수 있는 안정기(예를 들어, 높은 저항값을 가지는 저항체 등)(미도시)를 더 포함할 수 있다.

한편, 전류 측정부(140)를 통해 측정된 전류값은 후술되는 보호 회로 제어부(160)에 전송될 수 있으며, 전류 측정부(140)가 상술한 역할을 수행하는 한, 전류 측정부(140)의 종류는 제한되지 않음을 유의한다.

보호 회로(150)는 전력 공급부(60)로부터 전력을 공급받아 충전 또는 방전되는 배터리(70) 및 전력 공급부(60)로부터 공급되는 전력을 통전 또는 차단시키는 릴레이부(120) 사이에 제공되며, 보호 회로 스위치(151) 및 보호 회로 저항(152)를 포함한다.

보호 회로 스위치(151)의 상태는 한 쌍의 도선이 서로 이격된 상태인 단락 상태 또는 한 쌍의 도선이 서로 접한 접촉 상태 중 어느 하나에 해당할 수 있으며, 보호 회로 스위치(151)의 상태가 단락 상태에 해당되는 경우 배터리(70)으로 전류가 유입되고, 보호 회로 스위치(151)의 상태가 접촉 상태에 해당하는 경우 배터리(70)로 전류가 유입되지 않고 후술되는 보호 회로 저항(152)에 전류가 공급될 수 있다.

또한, 이러한 보호 회로 스위치(151)는 후술되는 보호 회로 제어부(160)의 제어를 통해 온 또는 오프 상태로 변경될 수 있고, 보호 회로 스위치(151)가 온 상태가 되면, 배터리(70)로 유입되는 전류가 보호 회로 저항(152)으로 흐를 수 있다.

보호 회로 저항(152)은 배터리(70)의 충전 용량에 따라 저항값이 가변될 수 있고, 그에 따라 해당 유입되는 전류의 전력값이 감소될 수 있다.

결과적으로, 보호 회로 스위치(151)의 상태가 온 상태에 해당하는 경우 보호 회로 스위치(151)의 접촉에 의하여 전류가 흐르게 되고, 이때 흐르는 전류의 전류값은 보호 회로 저항(152)에 의하여 감소될 수 있다.

보호 회로 제어부(160)는 릴레이 제어부(130), 전류 측정부(140) 및 보호 회로(150)와 연결될 수 있다.

보호 회로 제어부(160)는 전류 측정부(140)를 통해 측정된 전류의 전류값이 기 설정된 전류값 이상에 해당하는 경우, 보호 회로(150)의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 보호 회로 제어부(160)는 배터리(70)으로 유입되는 전류의 전류값을 전류 측정부(140)로부터 전송 받아 기 설정된 전류값과 비교 및 판단하고, 결과값이 설정된 전류값 이상에 해당하는 경우, 보호 회로 스위치(151)의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시켜 전력 공급부(60)로부터 공급되는 전력이 보호 회로(150)로 공급되도록 할 수 있다.

또한, 보호 회로 제어부(160)는 릴레이 제어부(130)으로부터 스위치 변경 불가 신호를 전송 받아 보호 회로 스위치(151)의 상태를 오프 에서 온 상태로 변경시킬 수 있고, 릴레이부(120)의 고장(예를 들어, 융착)시에도 배터리(70)에 공급되는 전력을 보호 회로(150)를 통해 선 차단함으로써 배터리(70)의 과충전을 방지할 수 있다.

이상 본 발명의 일 실시예에 따른 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 구성 요소에 대해 설명하였으며, 이러한 구성 요소들을 구비한 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 동작의 실시예들에 대해 이하 도 5 및 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 5는 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 일 실시예에 따른 동작 순서를 도시한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 먼저 전압 측정부(110)는 현재 충전이 진행중인 배터리(70)의 충전 전압값을 측정하고(S501), 측정된 충전 전압값을 릴레이 제어부(130)에 전송하게 된다(S502).

다음으로, 릴레이 제어부(130)는 전압 측정부(110)를 통해 전송 받은 충전 전압값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하는지 비교 및 판단하게 된다(S503). 여기서, 상기 기 설정된 전압값은 해당 전압이 배터리를 손상시키지 않는 범위로 초기 설정되어 있거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다. 예를 들어, 상기 기 설정된 전압값은 400V일 수 있다.

만약, 판단된 결과값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하는 경우, 릴레이 제어부(130)는 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키게 된다(S504).

반대로, 판단된 결과값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하지 않는 경우, 릴레이제어부(130)는 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 온 상태로 유지시키게 된다.

릴레이 제어부(130)는 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태가 온에서 오프상태로 변경되었는지 판단하고(S505), 만약, 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태가 온에서 오프 상태로 변경되지 않는 경우 릴레이 제어부(130)는 보호 회로 제어부(160)로 스위치 변경 불가 신호를 전송하게 된다(S506).

보호 회로 제어부(160)는 스위치 변경 불가 신호를 전송받아 보호 회로(150)의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시키게 된다(S507). 보호 회로 제어부(160)는 배터리(70)로 유입되는 전류를 보호 회로(150)로 흐르도록 하고(S508), 결과적으로 전력 공급부(60)에서 배터리(70)로 공급되는 전력이 차단되게 된다(S509).

반대로, 릴레이 제어부(130)가 제1 메인 릴레이(121) 및 제2 메인 릴레이(122)의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시킨 경우에는, 배터리(70)로 공급되는 전력이 차단됨으로써 배터리(70)로 전력이 공급되지 않는다(S509).

도 6은 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치(100)의 다른 실시예에 따른 동작 순서를 도시한 순서도이다.

도 6을 참조하면, 먼저 전류 측정부(140)는 배터리(70)로 유입되는 전류의 전류값을 측정하고(S601), 측정된 전류값을 보호 회로 제어부(150)에 전송하게 된다(S602).

다음으로, 보호 회로 제어부(160)는 전류 측정부(140)를 통해 전송 받은 측정 전류값이 기 설정된 전류값 이상에 해당하는지 비교 및 판단하게 된다(S603). 여기서, 상기 기 설정된 전류값은 해당 전류가 배터리를 손상시키지 않는 범위로 초기 설정되어 있거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값이다. 예를 들어, 상기 기 설정된 전류값은 50A일 수 있다.

만약, 판단된 결과값이 기 설정된 전류값 이상에 해당하는 경우, 보호 회로 제어부(160)는 보호 회로(150)의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시키게 된다(S604).

반대로, 판단된 결과값이 기 설정된 전류값 이상에 해당하지 않는 경우, 시작으로 돌아가게 된다.

보호 회로 제어부(160)는 배터리(70)로 유입되는 전류를 보호 회로로 흐르도록 하고(S605), 결과적으로 전력 공급부(60)에서 배터리(70)로 공급되는 전력이 차단되게 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
60 : 전력 공급부
61 : 컨버터 62 : 교류 전압원
60' : 전력 공급부
61' : 인버터 62' : 모터
70 : 배터리
100 : 보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치
110 : 전압 측정부
120 : 릴레이부
121 : 제1 메인 릴레이 122 : 제2 메인 릴레이
123 : 프리차지 저항 124 : 프리차지 릴레이
130 : 릴레이 제어부
140 : 전류 측정부
150 : 보호 회로
151 : 보호 회로 스위치 152 : 보호 회로 저항
160 : 보호 회로 제어부

Claims

전력 공급부로부터 전력을 공급받아 충전 또는 방전되는 배터리 및 상기 전력 공급부로부터 공급되는 전력을 통전 또는 차단시키는 릴레이부 사이에 제공되는 보호 회로;
상기 보호 회로의 상태를 온 또는 오프 상태로 변경하는 보호 회로 제어부;
상기 릴레이부의 상태를 온 또는 오프 상태로 변경시키는 릴레이 제어부;
상기 배터리의 충전 전압값을 측정하는 전압 측정부; 및
상기 배터리로 유입되는 전류의 전류값을 측정하는 전류 측정부;를 포함하되,
상기 릴레이 제어부는,
상기 전압 측정부를 통해 측정된 충전 전압값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하는 경우, 상기 릴레이부의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키고,
상기 보호 회로 제어부는,
상기 릴레이 제어부가 상기 릴레이부의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키지 못하는 경우 또는 상기 전류 측정부를 통해 측정된 전류의 전류값이 기 설정된 전류값 이상에 해당하는 경우, 상기 보호 회로의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시키며,
상기 보호 회로는,
보호 회로 스위치; 및
보호 회로 저항;을 포함하고,
상기 보호 회로 스위치는 상기 보호 회로 제어부의 제어를 통해 온 또는 오프 상태로 변경되고, 상기 보호 회로 스위치가 온 상태가 되면, 상기 배터리로 유입되는 전류가 상기 보호 회로 저항으로 흐르도록 하되, 상기 보호 회로 저항의 저항값은 배터리의 용량에 따라 결정되는 가변 저항인 것을 특징으로 하는,
보호 회로를 이용한 배터리 보호 장치.
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(a) 전력 공급부로부터 전력을 공급받아 충전 또는 방전되는 배터리 및 전력 공급부로부터 공급되는 전력을 통전 또는 차단시키는 릴레이부 사이에 제공되는 보호 회로를 구비하는 단계;
(b) 전압 측정부 및 전류 측정부가 상기 배터리의 충전 전압값 및 상기 배터리로 유입되는 전류의 전류값을 각각 측정하는 단계; 및
(c) 전압 측정부를 통해 측정된 충전 전압값이 기 설정된 전압값 이상에 해당하는 경우, 상기 릴레이부의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키고, 상기 릴레이부의 상태를 온에서 오프 상태로 변경시키지 못하는 경우 또는 전류 측정부를 통해 측정된 상기 배터리로 유입되는 전류의 전류값이 기 설정된 전류값 이상에 해당하는 경우, 상기 보호 회로의 상태를 오프에서 온 상태로 변경시키는 단계;를 포함하며,
상기 보호 회로는,
보호 회로 스위치; 및
보호 회로 저항;을 포함하고,
상기 (c) 단계는,
상기 (c) 단계를 통해 온 또는 오프 상태로 변경되는 상기 보호 회로 스위치가 온 상태가 되면, 상기 배터리로 유입되는 전류를 배터리의 용량에 따라 저항값이 결정되는 상기 보호 회로 저항으로 흐르도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
보호 회로를 이용한 배터리 보호 방법.
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