KR101047831B1 - 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치 - Google Patents

수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치 Download PDF

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장수엽
최영림
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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치는, 다수 개의 배터리 셀(Cell)이 각각 구비된 다수 개의 배터리 모듈; 다수 개의 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩; 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 상태를 감시할 수 있도록 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 전압을 모니터링하고 제어하는 배터리 제어시스템(BMS); 상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 제어시스템 간에 연결되고 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 전압을 센싱(sensing)하는 센싱 라인; 및 상기 센싱 라인에 연결되고 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 단자와 직렬로 연결되어 상기 센싱 라인으로 폐회로가 구성되는 단락사고 발생시에 동작하는 수동적 안전장치를 포함하며 차량에 적용되는 것을 특징으로 한다.

Description

수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치{Safety Component by Fuse at High Voltage Battery Sensing Line}
본 발명은 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 모듈과 배터리 제어시스템 간에 연결되어 배터리 셀의 전압값을 체크하는 센싱 라인에 퓨즈 및 피티시와 같은 수동 안전소자를 직렬로 연결하여 센싱 라인으로 폐회로가 구성되는 단락사고가 발생했을 때 2차, 3차 사고로 확대되는 것을 막아주는 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치에 관한 것이다.
가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해 발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해 발생을 줄이기 위하여 전기 자동차 또는 하이브리드(hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
최근 들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차전지가 개발되고 있다.
전기 자동차 등과 같이 모터 구동을 위한 대전력을 필요로 하는 기기에 사용될 수 있도록 고출력 이차전지 복수개를 직렬로 연결하여 대용량인 이차전지를 구성하게 된다.
이와 같이, 하나의 대용량 이차전지(이하 '배터리'라 한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차전지로 이루어진다.
특히, HEV용 배터리의 경우 수 개에서 많게는 수십 개의 이차전지가 충전과 방전을 번갈아 가면서 수행하게 됨에 따라 이러한 충방전 등을 제어하여 배터리가 적정한 상태로 유지되도록 관리할 필요성이 있다.
이를 위해, 배터리에 대한 제반적인 상태를 관리하는 배터리 제어시스템(BMS: Battery Management System)이 구비된다. BMS는 전지의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 SOC를 연산에 의해 추정하고, 차량의 연료 효율이 가장 좋아지도록 SOC를 제어한다.
고전압 배터리를 사용하는 하이브리드 차량은 비상사태 발생시 자동적으로 메인 고전압 배터리의 전원을 차단하는 시스템을 갖추고 있다.
비상사태라 함은 관련부품의 노후화에 의한 과도한 누전, 절연파괴 등과 외부적인 충격에 의한 부품파괴로 생겨나는 쇼트에 의해 발생하는 과도한 누전, 절연파괴 등을 말한다.
차량에 비상사태가 발생되면 BMS(Battery Management System)나 HCU(Hybrid Control Unit)등 고전압 부품을 제어하는 상위의 부품에서 메인 전원을 차단하도록 하는 명령을 내려 전원을 단속하게 된다.
고전압 관련 부품은 전원을 연결해 주는 선로의 전압과 전류를 일련의 프로그램 또는 센서를 통해 모니터링하여 정상범위를 벗어난 전압, 전류가 검출되거나 허용치 이상의 누설전류가 있는 경우, 그리고 허용치 이상의 절연저항 파괴 등이 있는 경우에 CAN 통신 또는 시그날 전송을 통하여 메인 전원을 차단하게 된다.
이러한 전기 자동차용 고용량 배터리와 관련된 안전성 확보를 위한 종래의 기술은 주로 배터리를 주동력으로 사용하는 경우를 가정하여 조치를 취하고 있으며, 배터리 셀의 상태를 모니터링하기 위한 센싱 라인의 단락사고 등에 대해서는 안전성을 확보하기 위한 장치가 마련되어 있지 않은 상황이다.
상술한 바와 같이, 배터리는 수 개의 배터리 셀을 직병렬로 연결하여 사용자가 원하는 출력 및 저장능력을 가지도록 구성되며, 이때 사용되는 모든 셀들은 BMS에서 모니터링되며, 사고 발생 당시 또는 사고 발생이 우려되는 상황에서 이를 방지하기 위한 조치들을 취하도록 구성되어 있다. 이를 능동적 안전장치라 한다.
하지만, 사고 상황이 모두 차량이 운행 중에 생기는 것이 아니며, 차량이 시동 상태가 아닐 경우, 즉, BMS가 동작하지 않는 상황에서 불의의 사고 발생시 이를 방지하는 장치의 필요성이 대두되고 있다.
이를 위한 수동적 안전장치들로는 배터리 셀의 물리적 상태의 변화를 이용하여 전기적 연결부를 끊는 등의 보조 장치를 부착하거나 배터리와 인버터를 전기적으로 연결하는 주동력 라인에 대용량 퓨즈를 장착하는 등의 방법이 있다.
하지만, 센싱 라인의 경우 별도의 수동적 안전장치가 구비되어 있지 않아 단락사고 발생시 센싱 라인의 발화 가능성이 크고 이로 인한 2차 화재(배터리의 발화) 및 3차 화재(차량의 발화)가 우려되는 상황이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 배터리와 인버터를 전기적으로 연결하는 주동력 라인에 대용량 퓨즈를 장착하는 종래의 기술과 달리 배터리 모듈과 배터리 제어시스템 간에 연결된 센싱 라인에 대한 수동적 안전장치를 배터리 셀과 가까운 곳에 부착하여 센싱 라인의 단락으로 인한 화재사고를 방지하는 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치는, 다수 개의 배터리 셀(Cell)이 각각 구비된 다수 개의 배터리 모듈; 다수 개의 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩; 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 상태를 감시할 수 있도록 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 전압을 모니터링하고 제어할 수 있게 된 배터리 제어시스템(BMS); 상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 제어시스템 간에 연결되고 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 전압을 센싱(sensing)하는 센싱 라인; 및 상기 센싱 라인에 연결되고 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 단자와 직렬로 연결되어 상기 센싱 라인으로 폐회로가 구성되는 단락사고 발생시에 동작하는 수동적 안전장치를 포함하며 차량에 적용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치에서 상기 수동적 안전장치는 퓨즈 또는 피티시로 구현되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치에서 상기 센싱 라인은 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀에 연결되고 0.5sqmm 이하의 전선을 사용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 일실시예에 따른 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치에 따르면, 배터리 모듈과 배터리 관리시스템 간에 연결되어 배터리 셀의 전압값을 체크하는 센싱 라인에 퓨즈 및 피티시와 같은 수동 안전소자를 직렬로 연결하여 차량이 시동 상태가 아닐 경우, 즉, BMS가 동작하지 않는 상황에서 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고를 방지할 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 수동적 안전장치가 부착되어 있는 경우를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 수동적 안전장치가 부착되어 있는 경우를 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따라 수동적 안전장치가 부착되어 있는 경우를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 수동적 안전장치가 부착되어 있는 경우를 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100), 배터리 제어시스템(200), 센싱 라인(300), 및 수동적 안전장치(400)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 다수 개의 배터리 셀(Cell)이 각각 구비된다. 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩은 다수 개의 배터리 모듈(100)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리 제어시스템(200)은 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 상태를 감시할 수 있도록 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 전압을 모니터링하고 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 센싱 라인(300)은 배터리 모듈(100) 및 배터리 제어시스템(200) 간에 연결된다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 센싱 라인(300)은 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 전압을 센싱(sensing)한다.
본 발명의 일실시예에 따른 센싱 라인(300)은 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀에 연결된다. 상술한 바와 같이, 배터리 셀들이 적층된 배터리 팩을 구비하고 배터리 팩으로부터 이격되어 배터리 제어시스템(200)이 배치되며, 배터리 팩의 각각의 배터리 셀과 배터리 제어시스템(200)이 각각 연결되는 형태로 되어 있다.
따라서, 배터리 제어시스템(200)은 n개의 배터리 셀과 각각의 센싱 라인(300)를 통해 연결되어 n개의 배터리 셀의 정보를 센싱하고 동작을 제어한다. 배터리 제어시스템(200)이 각 배터리 셀의 전압과 온도를 센싱하기 위해 모든 배터리 셀이 하나의 배터리 제어시스템(200)에 각각 연결되어야 한다.
센싱 라인(300)은 기본적으로 배터리를 구성하는 배터리 셀의 수량 이상으로 구성된다. 예를 들어, 배터리를 구성하는 배터리 셀이 20개인 경우 센싱 라인(300)의 개수는 최소 21개 이상으로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 센싱 라인(300)은 실전류의 크기가 너무나 미미하여 가는 전선을 사용하여 구성될 수 있다.
센싱 라인(300)의 경우, 배터리 셀의 전압을 측정하기 위해 수 kΩ의 저항이 연결되어 있기 때문에 실전류의 크기가 극히 미미해 대부분의 경우, 0.5 sqmm 이하의 가는 전선을 사용하여 구성된다.
이때, 내외부적인 요인들로 인해 단락사고가 발생한 경우 순간적으로 많은 전류가 흐르게 되는데 배터리와 인버터를 전기적으로 연결하는 주동력 라인이 아니라 센싱 라인(300)으로 폐회로가 구성되어 전류가 흐르므로 주동력 라인의 퓨즈는 무의미한 상황이 된다.
이에, 센싱 라인(300)에 퓨즈 및 피티시와 같은 수동적 안전장치(400)를 직렬로 연결하여 1차 단락사고로 인한 2차, 3차 화재사고가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 수동적 안전장치(400)는 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 단자와 직렬로 연결되어 센싱 라인(300)으로 폐회로가 구성되는 단락사고 발생시에 동작한다. 본 발명의 일실시예에 따른 수동적 안전장치(400)는 퓨즈 또는 피티시로 구현될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 수동적 안전장치(400)는 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)과 인접한 곳에 부착되는 것이 바람직하다. 센싱 라인(300)의 어느 지점에서라도 단락사고는 발생 가능하며, 이 때문에 수동적 안전장치(400)는 배터리 셀과 가장 가까운 곳에 부착하는 것이 효과적이라 할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따르면, 배터리 모듈과 배터리 관리시스템 간에 연결되어 배터리 셀의 전압값을 체크하는 센싱 라인에 퓨즈 및 피티시와 같은 수동 안전소자를 직렬로 연결하여 차량이 시동 상태가 아닐 경우, 즉, BMS가 동작하지 않는 상황에서 센싱 라인의 단락으로 인한 2차, 3차 사고를 방지할 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 배터리 모듈
200: 배터리 제어시스템
300: 센싱 라인
400: 수동적 안전장치

Claims (5)

  1. 다수 개의 배터리 셀(Cell)이 각각 구비된 다수 개의 배터리 모듈;
    다수 개의 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩;
    상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 상태를 감시할 수 있도록 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 전압을 모니터링하고 제어하는 배터리 제어시스템(BMS);
    상기 배터리 모듈 및 상기 배터리 제어시스템 간에 연결되고 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 전압을 센싱(sensing)하는 센싱 라인; 및
    상기 센싱 라인에 연결되고 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀의 단자와 직렬로 연결되어 상기 센싱 라인으로 폐회로가 구성되는 단락사고 발생시에 동작하는 수동적 안전장치
    를 포함하며 차량에 적용되는 것을 특징으로 하는 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수동적 안전장치는 퓨즈 또는 피티시로 구현되는 것을 특징으로 하는 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 라인은 상기 각각의 배터리 팩에 구비된 상기 각각의 배터리 셀에 연결되고 0.5sqmm 이하의 전선을 사용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수동적 안전장치를 이용한 배터리의 센싱 라인의 단락으로 인한 2차 사고 방지장치.
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