KR101740242B1 - 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템 - Google Patents

고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치 및 이를 이용한 보호 회로 모듈가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치는 역방향 다이오드가 병렬 연결되며, 배터리 팩의 방전시 턴온되는 제 1 비접촉 스위치부; 상기 제 1 비접촉 스위치부와 역방향으로 직렬 연결되고, 역방향 다이오드가 병렬 연결되며, 상기 배터리 팩의 충전시 턴온되는 제 2 비접촉 스위치부; 및 상기 제 1 비접촉 스위치부와 상기 제 2 비접촉 스위치부의 직렬 연결에 대하여 병렬로 연결되며, 상기 제 1 비접촉 스위치부 및 상기 제 2 비접촉 스위치부 중 어느 하나가 턴온되는 경우 동시에 온되고, 상기 턴온된 어느 하나의 비접촉 스위치부가 턴오프되는 경우 먼저 오프되는 기계적 접점 스위치를 포함한다.

Description

고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템{Protection circuit module for high voltage level battery pack and energy storage system using the same}
본 발명은 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 특히, 배터리 팩의 충전 및 방전시 이상 상태를 신속하게 해제시킬 수 있는 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장용 배터리는 에너지 저장 시스템(ESS; energy Storage system)의 중요한 부분 중의 하나이다. 이러한 에너지 저장 시스템의 에너지 저장용 배터리는 출력 용량의 증대와 교류 그리드와의 연계를 위하여 여러 개의 배터리 셀들을 직렬 및 병렬 접속하여 구성되며 이를 배터리팩이라고 지칭한다.
최근 들어, 에너지 저장 시스템의 용량이 ㎾ 레벨에서 수십 ㎿ 레벨로 증가하면서 배터리 팩의 전압이 수천 볼트에 이르는 것이 나타나고 있다. 따라서, 리튬 이차 전지를 사용하는 배터리 팩은 부하 방전 전류 및 충전 전류가 허용값을 넘는 경우 보호를 위하여 안전 스위치가 구비된다.
이때, 배터리 팩의 충전 및 방전 전류를 검출하기 위해 션트 저항을 사용하며, 션트 저항 양단의 전압을 검출하여 충전 및 방전 전류의 방향과 크기를 검출할 수 있다.
여기서, 안전 스위치는 충전 운전 중에 온되는 충전용 정지전력형 스위치(예를 들어, FET) 및 방전 운전중에 온되는 방전용 정지전력형 스위치(예를 들어, FET)를 포함한다.
이 경우, 배터리 팩의 전압이 수천 볼트 정도로 높아지면, 안전 스위치의 전압 정격도 높아져야 하므로 제조 단가가 상승하고 사고의 위험도 증가한다. 또한, 정상 동작시 안전 스위치 양단의 전압 강하에 의해 전력 손실이 발생하여 운전 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
한편, 기계적 접점 스위치는 도통 손실이 거의 제로에 가깝기 때문에, 고효율 운전이 가능하지만, 차단시 아크가 발생하여 화재위험이 따른다. 이러한 차단 아크 현상은 배터리 팩의 전압이 증가할수록 심하여지며 배터리 팩에 흐르는 전류의 크기가 커질수록 심각한 상황에 이르게 되어 화재로까지 진행할 수 있으므로 고전압 배터리 팩에 사용할 경우 위험 요소를 배제할 수 없었다.
KR 2013-0065958 A
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 전력 손실을 감소시키면서도 차단 아크의 발생을 억제할 수 있는 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치가 제공된다. 상기 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치는 역방향 다이오드가 병렬 연결되며, 배터리 팩의 방전시 턴온되는 제 1 비접촉 스위치부; 상기 제 1 비접촉 스위치부와 역방향으로 직렬 연결되고, 역방향 다이오드가 병렬 연결되며, 상기 배터리 팩의 충전시 턴온되는 제 2 비접촉 스위치부; 및 상기 제 1 비접촉 스위치부와 상기 제 2 비접촉 스위치부의 직렬 연결에 대하여 병렬로 연결되며, 상기 제 1 비접촉 스위치부 및 상기 제 2 비접촉 스위치부 중 어느 하나가 턴온되는 경우 동시에 온되고, 상기 턴온된 어느 하나의 비접촉 스위치부가 턴오프되는 경우 먼저 오프되는 기계적 접점 스위치를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 배터리 팩의 방전 운전 중 중단되는 경우, 상기 기계적 접점 스위치부가 먼저 오프되고 일정 시간 경과후 상기 제 1 비접촉 스위치부가 순차적으로 오프될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 팩의 충전 운전 중 중단되는 경우, 상기 기계적 접점 스위치부가 먼저 오프되고, 일정 시간 경과후 상기 제 2 비접촉 스위치부가 순차적으로 오프될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 비접촉 스위치부, 상기 제 2 비접촉 스위치부 및 상기 기계적 접점 스위치부는 상기 배터리 팩의 양극측에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 비접촉 스위치부, 상기 제 2 비접촉 스위치부 및 상기 기계적 접점 스위치부는 상기 배터리 팩의 접지측에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 비접촉 스위치부 및 상기 제 2 비접촉 스위치부는 MOSFET로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 비접촉 스위치부 및 상기 제 2 비접촉 스위치부는 어느 하나가 턴온되는 경우, 턴온되지 않은 다른 하나는 상기 역방향 다이오드를 통하여 전류 경로를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈이 제공된다. 상기 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈은 역방향 다이오드가 병렬 연결된 제 1 비접촉 스위치부, 역방향 다이오드가 병렬 연결된 제 2 비접촉 스위치부, 및 상기 제 1 비접촉 스위치부와 상기 제 2 비접촉 스위치부의 직렬 연결에 대하여 병렬로 연결되는 기계적 접점 스위치를 포함하는 안전 스위치; 배터리 팩의 충전 및 방전 전류를 감지하기 위한 션트 저항부; 및 상기 배터리 팩의 충전시 상기 제 1 비접촉 스위치부를 턴온시키고, 상기 배터리 팩의 방전시 상기 제 2 비접촉 스위치부를 턴온시키며, 상기 제 1 비접촉 스위치부 및 상기 제 2 비접촉 스위치부 중 어느 하나를 턴온시키는 경우 동시에 상기 기계적 접점 스위치부를 온시키고, 상기 션트 저항부를 통하여 상기 배터리 팩의 이상 상태를 감지한 경우, 상기 턴온된 어느 하나의 비접촉 스위치부를 턴오프시키기 전에 먼저 상기 기계적 접점 스위치부를 오프시키도록 제어하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈 및 이를 이용한 에너지 저장 시스템은 배터리 팩의 이상 상태가 검출되면 기계적 접점 스위치부를 먼저 오프시킨 후 일정 시간 경과후 비접촉 스위치부를 턴오프시킴으로써 차단 아크의 발생을 억제하여 안전하게 회로를 차단시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 도통 손실이 거의 없는 기계적 접점 스위치부에 의해 충전 전류 또는 방전 전류를 공급함으로써, 안전 스위치에 의한 전력 소모의 손실이 거의 없이 고효율의 운전이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 안전 스위치를 배터리 팩의 접지측에 설치함으로써, 안전 스위치가 높은 전압 스트레스를 받지 않도록 하여, 높은 전압 스트레스로 인한 고장의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 안전 스위치를 배터리 팩이 접지측에 배치됨으로써 안전 스위치를 전압 정격이 낮고 상대적으로 제조 단가가 저렴한 것으로 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈의 개략적 구성도이다.
도 2는 도 1의 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치의 세부 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 2의 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치의 (a) 정상 충전 운전 및 (b) 충전 운전 중 이상 상태 발생시 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 도 2의 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치의 (a) 정상 방전 운전 및 (b) 방전 운전 중 이상 상태 발생시 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈의 개략적 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명은 충전 운전 및 방전 운전에 대하여 턴온되는 비접촉 스위치의 양단에서 발생하는 전력의 손실을 줄이기 위하여 정상 동작시 비접촉 스위치와 기계적 접점 스위치를 병렬로 연결한 것이다. 이때, 기계적 접점 스위치는 도통 손실이 거의 없어 고효율 운전이 가능하기 때문에, 충전 및 방전을 위해 비접촉 스위치를 턴온시키는 경우 동시에 기계적 접점 스위치를 온시킴으로써 안전 스위치에 의한 전력 손실을 줄일 수 있다. 또한, 이상 상태가 감지되면, 기계적 접점 스위치를 먼저 오프 시킨후 일정 시간 지연 후 비접촉 스위치를 오프시킴으로써 기계적 접점 스위치에 의한 차단 아크의 발생을 억제하여 안전하게 회로를 차단시킬 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈의 개략적 구성도이고, 도 2는 도 1의 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치의 세부 구성을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(10)은 배터리 팩(12), 휴즈(14), 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈(100), 방전 운전 스위치(16), 충전 운전 스위치(18), 부하(200) 및 충전기(300)를 포함한다.
이러한 에너지 저장 시스템(10)은 직렬 연결된 복수의 배터리 블록 또는 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩(12)의 전력을 부하(200)로 방전하고, 배터리 팩(12)이 저전압 상태가 되면 충전기(300)로부터 배터리 팩(12)을 충전시킨다. 이와 같이 배터리 팩(12)의 방전 운전 및 충전 운전은 방전 운전 스위치(16) 및 충전 운전 스위치(18)에 의해 선택적으로 동작한다. 이때, 에너지 저장 시스템(10)은 배터리 팩(12)의 전력을 부하(200)로의 방전시 또는 충전기(300)로부터 배터리 팩(12)을 충전시 과전류를 차단하는 휴즈(14)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 충전 운전 및 방전 운전시, 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈(100)은 충전 또는 방전 전류를 검출하여 이상 상태가 발생하는 경우, 배터리 팩(12)을 부하(200) 또는 충전기(300)로부터 차단시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈(100)은 제어부(110), 션트 저항부(120) 및 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)를 포함한다.
제어부(110)는 충전 및 방전 운전시 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)의 온오프를 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(110)는 배터리 팩(12)의 충전시 제 1 비접촉 스위치부(132)를 턴온시키고, 배터리 팩(12)의 방전시 제 2 비접촉 스위치부(134)를 턴온시킬 수 있다. 이때, 제어부(110)는 제 1 비접촉 스위치부(132) 및 제 2 비접촉 스위치부(134) 중 어느 하나를 턴온시키는 경우 동시에 기계적 접점 스위치부(136)를 온시킬 수 있다.
또한, 제어부(110)는 션트 저항부(120)를 통하여 배터리 팩(12)의 충전 및 방전 전류를 감지하고, 충전 운전 및 방전 운전에 대한 이상 상태를 감지할 있다. 이때, 제어부(110)는 충전 및 방전 운전을 위해 턴온된 어느 하나의 비접촉 스위치부를 턴오프시키기 전에 먼저 기계적 접점 스위치부(136)를 오프시키도록 제어할 수 있다. 여기서, 제어부(110)는 배터리 팩(12)의 과전압 또는 저전압 상태를 감지하여 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)의 온오프를 제어할 수 있다.
션트 저항부(120)는 배터리 팩(12)의 음극과 에너지 저장 시스템(10)의 접지측 사이에 직렬로 연결되어 배터리 팩(12)의 전류를 감지할 수 있다.
고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)는 배터리 팩(12)의 접지측에 배치되어 제어부(110)의 제어에 따라 방전 및 충전 운전을 개시하기 위해 온오프되며, 제 1 비접촉 스위치부(132), 제 2 비접촉 스위치부(134) 및 기계적 접점 스위치부(136)를 포함한다.
여기서, 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)는 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(12)의 접지측에 배치됨으로써, 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)가 정상적인 운전중에 높은 전압 스트레스를 받지 않도록 하여, 높은 전압 스트레스로 인한 고장의 발생을 억제할 수 있다. 이에 의해, 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)는 그 전압 정격이 낮고 상대적으로 제조 단가가 저렴한 것으로 구현될 수 있다.
제 1 비접촉 스위치부(132)는 배터리 팩(12)의 방전시 제어부(110)에 의해 턴온될 수 있다. 이러한 제 1 비접촉 스위치부(132)는 정지전력형 스위치, 즉 제 1 스위치(132a)를 포함할 수 있으며, 제 1 스위치(132a)는, 예를 들면, MOSFET으로 구성될 수 있다. 도 1에서 제 1 비접촉 스위치부(132)의 제 1 스위치(132a)는 n형 MOSFET으로 구성된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고, p형 MOSFET으로 구성될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 비접촉 스위치 디바이스로 구성될 수 있다.
또한, 제 1 비접촉 스위치부(132)는 역방향 다이오드, 즉 제 1 다이오드(132b)가 제 1 스위치(132a)와 역방향으로 병렬 연결될 수 있으며, 이러한 역방향 다이오드에 의해, 제 1 비접촉 스위치부(132)는 충전 운전시 턴오프된 상태에서도 전류의 경로를 형성할 수 있다.
제 2 비접촉 스위치부(134)는 배터리 팩(12)의 충전시 제어부(110)에 의해 턴온될 수 있다. 제 2 비접촉 스위치부(134)는 정지전력형 스위치, 즉 제 2 스위치(134a)를 포함할 수 있으며, 제 2 스위치(134a)는, 예를 들면, MOSFET으로 구성될 수 있다. 도 1에서 제 2 비접촉 스위치부(134)의 제 2 스위치(134a)는 n형 MOSFET으로 구성된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고, p형 MOSFET으로 구성될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 비접촉 스위치 디바이스로 구성될 수 있다.
또한, 제 2 비접촉 스위치부(134)는 역방향 다이오드, 즉 제 2 다이오드(134b)가 제 2 스위치(134a)와 역방향으로 병렬 연결될 수 있으며, 이러한 역방향 다이오드에 의해, 제 2 비접촉 스위치부(134)는 방전 운전시 턴오프된 상태에서도 전류의 경로를 형성할 수 있다.
여기서, 제 1 비접촉 스위치부(132) 및 제 2 비접촉 스위치부(134)는 서로에 대하여 역방향으로 직렬 연결될 수 있다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 비접촉 스위치부(132) 및 제 2 비접촉 스위치부(134)가 n형 MOSFET으로 구성되는 경우, 제 1 비접촉 스위치부(132)는 션트 저항부(120)를 통하여 배터리 팩(12) 측에 배치되고, 제 2 비접촉 스위치부(134)는 부하(200) 또는 충전기(300) 측에 배치될 수 있다.
대안적으로, 제 1 비접촉 스위치부(132) 및 제 2 비접촉 스위치부(134)가 p형 MOSFET으로 구성되는 경우, 제 1 비접촉 스위치부(132)는 부하(200) 또는 충전기(300) 측에 배치되고, 제 2 비접촉 스위치부(134)는 션트 저항부(120)를 통하여 배터리 팩(12) 측에 배치될 수 있다.
기계적 접점 스위치부(136)는 제 1 비접촉 스위치부(132)와 제 2 비접촉 스위치부(134)의 직렬 연결에 대하여 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 기계적 접점 스위치부(136)는 제어부(110)에 의해 제 1 비접촉 스위치부(132) 및 제 2 비접촉 스위치부(134) 중 어느 하나가 턴온되는 경우, 동시에 온될 수 있다. 즉, 기계적 접점 스위치부(136)는 배터리 팩(12)의 방전시, 제 1 비접촉 스위치부(132)와 동시에 온되고, 충전시 제 2 비접촉 스위치부(134)와 동시에 온될 수 있다.
또한, 기계적 접점 스위치부(136)는 배터리 팩(12)의 이상 상태 감지에 따라 턴온된 어느 하나의 비접촉 스위치부가 턴오프되는 경우, 턴오프되는 비접촉 스위치부보다 먼저 오프될 수 있다. 예를 들면, 배터리 팩(12)의 방전 운전 중 이상 상태에 의해 방전이 중단되는 경우, 기계적 접점 스위치부(136)는 제 1 비접촉 스위치부(132)보다 먼저 오프될 수 있다. 또한, 배터리 팩(12)의 충전 운전 중 이상 상태에 의해 충전이 중단되는 경우, 기계적 접점 스위치부(136)는 제 1 비접촉 스위치부(132)보다 먼저 오프될 수 있다.
도 2를 참조하면, 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)는 정상적인 방전 운전시 제 1 비접촉 스위치부(132)와 기계적 접점 스위치부(136)가 동시에 온되어 방전 전류(idischarge)가 흐르고, 정상적인 충전 운전시 제 2 비접촉 스위치부(134)와 기계적 접점 스위치부(136)가 동시에 온되어 충전 전류(icharge)가 흐를 수 있다. 이때, 하나의 비접촉 스위치부가 턴온되면, 전류는 해당 스위치 및 턴오프 상태인 다른 스위치의 역방향 다이오드를 통하여 흐른다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)의 동작을 설명한다.
도 3은 도 2의 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치의 (a) 정상 충전 운전 및 (b) 충전 운전 중 이상 상태 발생시 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
배터리 팩(12)의 충전 운전시, 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)의 제 2 비접촉 스위치부(134) 및 기계적 접점 스위치부(136)는 제어부(110)의 트립 제어 신호(Tripcharge) 및 스탠바이 제어 신호(Stand-by)에 의해 동시에 온될 수 있다.
이때, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 턴온된 제 2 비접촉 스위치부(134)와 턴오프 상태인 제 1 비접촉 스위치부(132)에 역방향으로 연결된 다이오드를 통하여 충전 전류가 흐르지만(점선), 제 1 비접촉 스위치부(132)의 역방향 다이오드와 제 2 비접촉 스위치부(134)의 MOSFET에 의해 전압 강하가 발생하여 상대적으로 임피던스가 증가하기 때문에, 실질적으로 충전 전류(icharge)는 모두 도통 손실이 거의 제로에 가까운 기계적 접점 스위치부(136)를 통하여 흐른다. 따라서, 정상적인 충전 운전 중 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)에서 발생하는 전력 소모는 거의 발생하지 않을 수 있고 따라서 고효율의 운전이 가능하다.
한편, 이와 같은 정상 충전 운전 중, 제어부(110)가 이상 상태를 감지하면, 먼저, 기계적 접점 스위치부(136)가 오프되고, 일정 시간 경과 후 제 2 비접촉 스위치부(134)가 순차적으로 오프됨으로써, 신속하게 이상 상태가 해제될 수 있다.
예를 들면, 제어부(110)가 충전중 과전류가 발생하거나 배터리 팩(12)의 전압이 과전압 상태에 도달하였음을 감지하면, 제어부(110)는 먼저 기계적 접점 스위치부(136)를 오프시킬 수 있다.
이때, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 기계적 접점 스위치부(136)가 오프되는 즉시, 충전 전류(icharge)는 제 1 비접촉 스위치부(132)의 역방향 다이오드와 제 2 비접촉 스위치부(134)의 MOSFET를 통하여 바이패스될 수 있다. 따라서, 기계적 접점 스위치부(136)가 차단되더라도 차단 아크의 발생이 억제될 수 있다.
다음으로, 일정 시간(예를 들면, 4㎳) 경과한 후, 제어부(110)는 제 2 비접촉 스위치부(134)를 턴오프시킴으로써, 차단 아크가 발생하지 않고도 이상 상태를 해제시킬 수 있다.
도 4는 도 2의 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치의 (a) 정상 방전 운전 및 (b) 방전 운전 중 이상 상태 발생시 동작을 설명하기 위한 구성도이다.
배터리 팩(12)의 방전 운전시, 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)의 제 1 비접촉 스위치부(132) 및 기계적 접점 스위치부(136)는 제어부(110)의 트립 제어 신호(Tripdischarge) 및 스탠바이 제어 신호(Stand-by)에 의해 동시에 온될 수 있다.
이때, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 턴온된 제 1 비접촉 스위치부(132)와 턴오프 상태인 제 2 비접촉 스위치부(134)에 역방향으로 연결된 다이오드를 통하여 방전 전류가 흐르지만(점선), 제 1 비접촉 스위치부(132)의 MOSFET과 제 2 비접촉 스위치부(134)의 역방향 다이오드에 의해 전압 강하가 발생하여 상대적으로 임피던스가 증가하기 때문에, 실질적으로 방전 전류(idischarge)는 모두 도통 손실이 거의 제로에 가까운 기계적 접점 스위치부(136)를 통하여 흐른다. 따라서, 정상적인 방전 운전 중 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130)에서 발생하는 전력 소모는 거의 발생하지 않을 수 있고 따라서 고효율의 운전이 가능하다.
한편, 이와 같은 정상 방전 운전 중, 제어부(110)가 이상 상태를 감지하면, 먼저, 기계적 접점 스위치부(136)가 오프되고, 일정 시간 경과 후 제 1 비접촉 스위치부(132)가 순차적으로 오프됨으로써, 신속하게 이상 상태가 해제될 수 있다.
예를 들면, 제어부(110)가 방전중 과전류가 발생하거나 배터리 팩(12)의 전압이 저전압 상태에 도달하였음을 감지하면, 제어부(110)는 먼저 기계적 접점 스위치부(136)를 오프시킬 수 있다.
이때, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 기계적 접점 스위치부(136)가 오프되는 즉시, 방전 전류(idischarge)는 제 1 비접촉 스위치부(132)의 MOSFET와 제 2 비접촉 스위치부(134)의 역방향 다이오드를 통하여 바이패스될 수 있다. 따라서, 기계적 접점 스위치부(136)가 차단되더라도 차단 아크의 발생이 억제될 수 있다.
다음으로, 일정 시간(예를 들면, 4㎳) 경과한 후, 제어부(110)는 제 1 비접촉 스위치부(132)를 턴오프시킴으로써, 차단 아크가 발생하지 않고도 이상 상태를 해제시킬 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈을 설명한다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈의 개략적 구성도이다.
본 실시예는 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치가 배터리 팩(12)의 양극 측에 배치되는 것을 제외한 구성이 도 1의 실시예와 동일하므로 여기서는 그 구체적인 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 고전압 배터리 팩 보호용 안전 스위치(130')는 배터리 팩(12)의 양극 측에 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 비접촉 스위치부(132) 및 제 2 비접촉 스위치부(134)는 서로에 대하여 역방향으로 직렬 연결될 수 있다.
이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 비접촉 스위치부(132) 및 제 2 비접촉 스위치부(134)가 n형 MOSFET으로 구성되는 경우, 제 1 비접촉 스위치부(132)는 휴즈(14)를 통하여 부하(200) 또는 충전기(300) 측에 배치되고, 제 2 비접촉 스위치부(134)는 배터리 팩(12)의 양극에 연결될 수 있다.
대안적으로, 제 1 비접촉 스위치부(132) 및 제 2 비접촉 스위치부(134)가 p형 MOSFET으로 구성되는 경우, 제 1 비접촉 스위치부(132)는 배터리 팩(12)의 양극에 연결되고, 제 2 비접촉 스위치부(134)는 휴즈(14)를 통하여 부하(200) 또는 충전기(300)에 배치될 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 에너지 저장 시스템 12 : 배터리 팩
14 : 휴즈 16 : 방전 운전 스위치
18 : 충전 운전 스위치 100 : 보호 회로 모듈
110 : 제어부 120 : 션트 저항부
130 : 안전 스위치 132 : 제 1 비접점 스위치부
132a : 제 1 스위치 132b : 제 1 다이오드
134 : 제 2 비접촉 스위치부 134a : 제 2 스위치
134b : 제 2 다이오드 136 : 기계적 접점 스위치부
200 : 부하 300 : 충전기

Claims (8)

  1. 에너지 저장 시스템에 포함되는 고접압 배터리 팩용 보호 회로 모듈로서,
    안전 스위치;
    배터리 팩의 음극과 에너지 저장 시스템의 접지측 사이에 직렬로 연결되며, 배터리 팩의 충전 및 방전 전류를 감지하기 위한 션트 저항부; 및
    션트 저항부를 통하여 배터리 팩의 충전 및 방전 전류를 감지하여 충전 운전 및 방전 운전에 대한 이상 상태를 감지하는 제어부;를 포함하고,
    상기 안전 스위치는,
    제 1 스위치, 및 제 1 스위치와 역방향으로 병렬 연결되는 제 1 다이오드를 각각 구비한 제 1 비접촉 스위치부;
    제 1 스위치와 역방향으로 직렬 연결되는 제 2 스위치, 및 제 2 스위치와 역방향으로 병렬 연결되는 제 2 다이오드를 각각 구비한 제 2 비접촉 스위치부; 및
    제 1 비접촉 스위치부와 제 2 비접촉 스위치부의 직렬 연결에 대하여 병렬로 연결되는 기계적 접점 스위치;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    배터리 팩의 방전시 제 1 스위치는 턴온시키고 제 2 스위치는 턴오프시켜 제 1 스위치 및 제 2 다이오드를 방전 전류의 경로에 포함되게 하고, 배터리 팩의 충전시 제 2 스위치는 턴온시키고 제 1 스위치부는 턴오프시켜 제 2 스위치 및 제 1 다이오드를 충전 전류의 경로에 포함되게 하되,
    제 1 스위치 및 제 2 스위치 중 어느 하나를 턴온시키고 나머지 하나를 턴오프시키는 경우, 동시에 기계적 접점 스위치부를 턴온시켜 충전 전류 및 방전 전류가 기계적 접점 스위치부를 통해 흐르도록 유도하며,
    션트 저항부를 통하여 배터리 팩의 이상 상태를 감지한 경우, 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 모두 턴오프시키되, 기계적 접점 스위치부를 먼저 오프시킨 후에 해당 스위치를 턴오프시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    배터리 팩의 방전 운전 중 중단되는 경우, 기계적 접점 스위치부를 먼저 오프시키고 일정 시간 경과후 제 1 스위치를 순차적으로 오프시키는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    배터리 팩의 충전 운전 중 중단되는 경우, 기계적 접점 스위치부를 먼저 오프시키고, 일정 시간 경과후 제 2 스위치를 순차적으로 오프시키는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 비접촉 스위치부, 상기 제 2 비접촉 스위치부 및 상기 기계적 접점 스위치부는 배터리 팩의 양극측에 배치되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 비접촉 스위치부, 상기 제 2 비접촉 스위치부 및 상기 기계적 접점 스위치부는 배터리 팩의 접지측에 배치되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 MOSFET으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈.
  7. 복수의 배터리 블록 또는 배터리 셀로 이루어진 배터리 팩;
    배터리 팩의 전력을 방전하는 부하;
    배터리 팩을 충전하는 충전기; 및
    충전 운전 및 방전 운전시, 충전 또는 방전 전류를 검출하여 이상 상태가 발생하는 경우, 배터리 팩을 부하 또는 충전기로부터 차단시키는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 고전압 배터리 팩용 보호 회로 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 전력을 부하로의 방전시 또는 충전기로부터 배터리 팩을 충전시 과전류를 차단하는 휴즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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