KR20220039414A - 배터리 보호 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 배터리 보호 장치는, 배터리 모듈과 외부 부하 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 전류 경로를 차단하는 퓨즈 소자, 그리고 배터리 모듈 또는 배터리 모듈에 의해 충전되는 커패시터로부터 작동 전압을 공급받고, 퓨즈 소자를 점화시키는 점화 스위치를 포함한다.

Description

배터리 보호 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템{BATTERY PROTECTION APPARATUS AND BATTERY SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 개시는 배터리 보호 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
충전식 또는 이차전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서, 화학 물질의 전기 에너지로의 비가역적 변환만을 제공하는 일차전지와 상이하다. 저용량의 재충전 가능한 배터리는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원 공급 장치로서 사용되고, 고용량의 재충전 가능한 배터리는 전기차량(EV: Electric Vehicle), 하이브리드 차량(HV: Hybrid Vehicle) 또는 가정용 또는 산업용으로 이용되는 중대형 배터리를 이용하는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)이나 무정전 전원 공급 장치(UPS: Uninterruptible Power Supply) 시스템 등의 전원 공급 장치로서 사용된다.
재충전 가능한 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 결합된 다수의 단위 배터리 셀로 형성된 배터리 모듈로서 사용되어, 예를 들어 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위한, 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 즉, 배터리 모듈은 예를 들어, 전기 자동차용 고전력 재충전 가능한 배터리를 구현하기 위해 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 배터리 셀의 전극 단자들을 상호 연결하여 형성된다. 배터리 시스템을 구성하기 위해 하나 이상의 배터리 모듈이 기계적 및 전기적으로 통합된다.
배터리 모듈의 경우, 과전류가 흐르는 등의 작동 이상이 발생했을 경우 과열에 의하여 단위 배터리 셀이 부풀어서 파손되는 등의 문제가 생길 수 있다. 따라서 퓨즈와 같은 보호 소자를 사용함으로써, 과전류로부터 단위 셀의 파손을 방지하고, 과전류로부터 부하를 분리시켜 부하를 보호해야 한다.
그러나, 퓨즈가 정상 작동하지 않는 경우. 과전류 및 외부의 쇼트로부터 부하를 안전하게 보호할 수 없는 문제가 있다.
실시예들은 다양한 신호로써 퓨즈를 작동시켜 배터리 모듈을 보호하기 위한 것이다.
실시예들은 저비용으로 퓨즈를 진단하고, 배터리를 보호하기 위한 것이다.
실시예들은 사고 발생 시에도 퓨즈를 작동시키기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 배터리 보호 장치는, 배터리 모듈과 외부 부하 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 전류 경로를 차단하는 퓨즈 소자, 그리고 배터리 모듈 또는 배터리 모듈에 의해 충전되는 커패시터로부터 작동 전압을 공급받고, 퓨즈 소자를 점화시키는 점화 스위치를 포함한다.
점화 스위치는 복수의 상이한 외부 유닛으로부터 인가되는 제어 신호에 의해 퓨즈 소자를 점화시키는 신호를 생성할 수 있다.
배터리 보호 장치는 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system) 및 차량의 전자 제어 유닛(ECU: electronic control unit)에 연결되고, 점화 스위치는 BMS 또는 ECU로부터 제어 신호를 수신할 수 있다.
배터리 모듈로부터 작동 전압을 인가받고, 퓨즈 소자에 진단 전류를 인가하는 제1 스위치, 그리고 진단 전류가 퓨즈 소자에 흐르는 때, 퓨즈 소자에 걸리는 전압을 측정하는 이상 검출 유닛을 더 포함하고, BMS는 퓨즈 소자에 걸리는 전압에 기초하여 퓨즈 소자의 고장을 판정할 수 있다.
파이로 퓨즈와 그라운드 사이에 연결되는 제2 스위치를 더 포함하고, 이상 검출 유닛은 퓨즈 소자가 그라운드에 연결되어 있지 않은 때, 퓨즈 소자를 점화시키는 신호의 전압을 측정하고, BMS는 퓨즈 소자를 점화시키는 신호의 전압에 기초하여 점화 스위치의 고장을 판정할 수 있다.
제2 스위치는 진단 전류가 흐르는 동안 파이로 퓨즈와 그라운드를 연결하도록 작동할 수 있다.
제2 스위치는 커패시터로부터 작동 전압을 공급받을 수 있다.
퓨즈 소자는 전류 경로에 인접하여 위치한 파이로 퓨즈(pyro fuse)일 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 배터리 보호 장치, 그리고 배터리 모듈과 배터리 보호 장치를 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)을 포함하고, 배터리 보호 장치는 배터리 모듈 또는 배터리 모듈에 의해 충전되는 커패시터로부터 작동 전압을 공급받는다.
배터리 보호 장치는, 배터리 모듈과 외부 부하 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 전류 경로를 차단하는 퓨즈 소자, 그리고 배터리 모듈 또는 커패시터로부터 작동 전압을 공급받고, 퓨즈 소자를 점화시키는 점화 스위치를 포함할 수 있다.
점화 스위치는 복수의 상이한 외부 유닛으로부터 인가되는 제어 신호에 의해 퓨즈 소자를 점화시키는 신호를 생성할 수 있다.
배터리 시스템은 차량에 탑재되고, 점화 스위치는 BMS 또는 차량의 전자 제어 유닛(ECU: electronic control unit)로부터 제어 신호를 수신할 수 있다.
배터리 보호 장치는, 배터리 모듈로부터 작동 전압을 인가받고, 퓨즈 소자에 진단 전류를 인가하는 제1 스위치, 그리고 진단 전류가 퓨즈 소자에 흐르는 때, 퓨즈 소자에 걸리는 전압을 측정하는 이상 검출 유닛을 더 포함하고, BMS는 퓨즈 소자에 걸리는 전압에 기초하여 퓨즈 소자의 고장을 판정할 수 있다.
배터리 보호 장치는, 파이로 퓨즈와 그라운드 사이에 연결되는 제2 스위치를 더 포함하고, 이상 검출 유닛은 퓨즈 소자가 그라운드에 연결되어 있지 않은 때, 퓨즈 소자를 점화시키는 신호의 전압을 측정하고, BMS는 퓨즈 소자를 점화시키는 신호의 전압에 기초하여 점화 스위치의 고장을 판정할 수 있다.
제2 스위치는 진단 전류가 흐르는 동안 파이로 퓨즈와 그라운드를 연결하도록 작동할 수 있다.
제2 스위치는 커패시터로부터 작동 전압을 공급받을 수 있다.
퓨즈 소자는 전류 경로에 인접하여 위치한 파이로 퓨즈(pyro fuse)일 수 있다.
실시예들에 따르면, 안전한 배터리 모듈을 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
실시예들에 따르면, 퓨즈의 이상 여부를 쉽게 확인할 수 있는 효과가 있다.
실시예들에 따르면, 배터리로 인한 추가적인 사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 포함하는 차량을 나타낸 블록도(block diagram)다.
도 2는 일 실시예의 배터리 보호 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 배터리 보호 장치를 나타낸 회로도이다.
도 4는 일 실시예의 배터리 보호 장치의 커패시터에 충전되는 전압을 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예의 배터리 보호 장치가 배터리 전원으로 작동하는 경우의 신호를 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예의 배터리 보호 장치가 자체 전원으로 작동하는 경우의 신호를 나타낸 그래프이다.
도 7, 도 8, 도 9, 및 도 10은 다른 실시예의 배터리 보호 장치의 진단 시의 신호를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 작용 효과 및 그 구현 방법을 설명한다. 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 소자를 나타내며, 중복되는 설명은 생략된다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 구체화될 수 있으며, 여기에 도시된 실시예들에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시예들은 본 개시가 철저하고 완전하게 될 수 있도록 예로서 제공되며, 당업자에게 본 발명의 양태 및 특징을 충분히 전달할 것이다.
따라서, 본 발명의 양태들 및 특징들의 완전한 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않다고 여겨지는 프로세스들, 요소들, 및 기술들은 설명되지 않을 수 있다. 도면에서, 소자, 층, 및 영역의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.
여기서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 연관되고 열거된 항목의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 기술할 때 "할 수 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다. 본 발명의 실시예들에 대한 이하의 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥이 다른 것을 명백하게 나타내지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다.
"제1" 및 "제2"라는 용어는 다양한 요소를 설명하기 위해 사용되지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 제한되어서는 안됨을 이해할 것이다. 이 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들어, 제1 요소는 제2 요소로 명명될 수 있고, 마찬가지로, 제2 요소는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 제1 요소로 명명될 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련되고 열거된 항목의 임의 및 모든 조합을 포함한다. "적어도 하나"와 같은 표현은, 요소들의 목록에 선행하여, 요소의 전체 목록을 수정하고 목록의 개별 요소를 수정하지 않는다.
여기서 사용되는 용어 "실질적으로", "약" 및 유사한 용어는 근사의 용어로 사용되고 정도의 용어로 사용되지 않으며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 수 있는 측정된 값 또는 계산된 값의 고유한 편차를 설명하기 위한 것이다. 또한, 용어 "실질적으로"가 수치를 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합하여 사용되면, "실질적인"이라는 용어는 그 수치를 중심으로 한 값의 +/-5%의 범위를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 포함하는 차량을 나타낸 블록도(block diagram)다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템이 차량에 적용된 예를 도시하고 있으나, 배터리 시스템은 차량 이외에도 가정용 또는 산업용 에너지 저장 시스템(ESS)이나 무정전 전원 공급 장치(UPS) 시스템 등 이차 전지가 적용될 수 있는 분야라면 어떠한 기술 분야라도 적용될 수 있다.
차량은 배터리 시스템(1), ECU(Electronic control unit, 40), 및 부하(50)를 포함할 수 있다. 이때 부하에는 모터(52) 및 인버터(54)가 포함될 수 있다.
배터리 시스템(1)은 모터(52)에 구동력을 제공하여 차량을 구동시키는 전기 에너지원이다. 배터리 시스템(1)은 배터리 모듈(10), 배터리 보호 장치(20), 및 제어부(30)를 포함한다.
배터리 모듈(10) 내에는 복수의 단위 배터리 셀(100-1, ??, 100-n)이 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있다. 여기서, 배터리 모듈(10)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등으로 구성될 수 있다.
또한, 배터리 모듈(10)은 모터(52) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 인버터(54)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다. 배터리 모듈(10)은 양극 단자(B+)를 통해 흐르는 충전 전류(Icharge) 또는 방전 전류(Idischarge)에 의해 충전 또는 방전될 수 있다.
배터리 모듈(10)의 충전/방전 경로 상에 배터리 모듈(10)을 보호하기 위한 배터리 보호 장치(20)가 위치할 수 있다. 배터리 보호 장치(20)는 배터리 모듈(10)에 대한 보호 작동을 수행할 수 있다. 배터리 보호 장치(20)는 배터리 모듈(10)로부터 배터리 전압(VB+)을 공급받아 작동할 수 있다.
배터리 보호 장치(20)는 충방전 배선에 직접 연결되는 퓨즈를 포함할 수 있거나, 충방전 배선에 인접하여 위치한 파이로 스위치(pyro switch)를 포함할 수 있다.
파이로 스위치는 제어부(30)로부터의 작동 신호 또는 ECU(40)로부터의 작동 신호에 의해 폭발하여, 파이로 스위치의 인접 영역(CA) 내의 충방전 배선을 분리할 수 있다. 또는 파이로 스위치는 배터리 모듈(10) 내의 단위 배터리 셀(100-1, ??, 100-n) 사이에 연결되어, 단위 배터리 셀(100-1, ??, 100-n) 사이의 연결 배선을 분리할 수도 있다.
배터리 모듈(10) 및 배터리 보호 장치(20) 등의 모니터링, 제어, 및/또는 설정을 위해, 배터리 시스템(1)은 제어부(30)를 포함한다. 제어부(30), 즉 배터리 관리 유닛(BMU: battery management unit) 및/또는 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)을 포함한다.
제어부(30)는 배터리 모듈(10)의 상태를 추정하고, 추정한 상태 정보를 이용하여 배터리 모듈(10)을 관리한다. 예컨대, 제어부(30)는 배터리 모듈(10)의 잔존 용량(SOC: State Of Charging), 잔존 수명(SOH: State Of Health), 최대 입출력 전력 허용량, 출력 전압 등 배터리 모듈(10)의 상태 정보를 추정하고 관리한다. 그리고, 제어부(30)는 이러한 상태 정보를 이용하여 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전을 제어하며, 나아가 배터리 모듈(10)의 교체 시기 추정도 가능하다. 이러한 제어 유닛은 배터리 시스템의 필수 부품일 수 있고 공통의 하우징 내에 배치될 수 있거나 또는 적절한 통신 버스를 통해 배터리 시스템과 통신하는 원격 제어 유닛의 일부일 수 있다. 제어부(30)는 일반적으로 배터리 시스템의 각각의 배터리 모듈뿐만 아니라 하나 이상의 전기 소비원의 컨트롤러에도 연결된다.
제어부(30)는 배터리 보호 장치(20)와 연결되어 있다. 제어부(30)는 배터리 보호 장치(20)로부터 퓨즈 진단에 관련된 신호를 전달 받아 퓨즈, 파이로 스위치등을 진단할 수 있다. 또한 제어부(30)는 배터리 모듈(10)의 상태에 따라 배터리 보호 장치(20)를 작동시킬 수 있다.
ECU(40)는 차량을 제어한다. 예컨대, ECU(30)는 액셀러레이터(accelerator), 브레이크(break), 속도 등의 정보에 기초하여 토크 정도를 결정하고, 모터(52)의 출력이 토크 정보에 맞도록 제어한다.
또한, ECU(40)는 제어부(30)에 의해 배터리 모듈(10)이 충전 또는 방전될 수 있도록 인버터(54)에 제어 신호를 보낸다.
모터(52)는 배터리 모듈(10)의 전기 에너지를 이용하여 ECU(30)로부터 전달되는 제어 정보(예컨대, 토크 정보)에 기초하여 차량을 구동한다.
인버터(54)는 ECU(30)의 제어 신호에 기초하여 배터리 모듈(10)이 충전 또는 방전되도록 한다.
다음으로 도 2를 참조하여, 배터리 보호 장치(20)에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2는 일 실시예의 배터리 보호 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 보호 장치(20)는 파이로 퓨즈(200)와 파이로 퓨즈(200)를 점화하는 점화 스위치(210), 제1 스위치(220), 이상 검출 유닛(230), 및 제2 스위치(240)를 포함할 수 있다.
파이로 퓨즈(200)는 점화 스위치(210)로부터의 점화 신호에 의한 내부에 구비한 불꽃 장약 등의 폭발로 배선을 절단한다.
점화 스위치(210)는 작동을 위한 전압(VB+, VC1)을 공급받을 수 있으며, 외부로부터의 작동 신호(CS, Ign)에 의해, 점화 스위치(210)를 점화시키는 점화 신호를 생성할 수 있다. 작동 신호(CS)는 제어부(30)로부터 인가되고, 작동 신호(Ign)는 ECU(40)로부터 인가될 수 있다.
제1 스위치(220)는 작동을 위한 전압(VB+)을 인가받으며, 파이로 퓨즈(200)의 정상 작동 여부를 확인하기 위해 진단 전류(I_Ign)를 공급할 수 있다. 제어부(30)로부터 모니터링 신호(Mon)를 수신하면, 제1 스위치(220)는 거의 일정한 진단 전류(I_Ign)를 파이로 퓨즈(200) 측에 흐르게 한다.
이상 검출 유닛(230)은 진단 전류(I_Ign)가 파이로 퓨즈(200)에 흐를 때, 노드 전압(V_Ign)을 증폭하여 이를 진단 신호(V_Sensing)로서 출력할 수 있다. 진단 신호(V_Sensing)는 제어부(30)에 출력될 수 있다. 일정한 크기의 진단 전류(I_Ign)가 흐르는 파이로 퓨즈(200)의 저항이 변화하는 경우, 노드 전압(V_Ign)이 변하게 되므로, 제어부(30)는 파이로 퓨즈(200)의 이상 여부를 진단할 수 있다.
이상 검출 유닛(230)은 특정 주기(예를 들어, 33Hz(10ms ON duty/20ms OFF duty))로 진단 전류(I_Ign)를 공급하고 파이로 퓨즈(200)의 내부 저항을 확인할 수 있다.
또한, 이상 검출 유닛(230)은 이하에서 설명하는 바와 같이, 제2 스위치(240)와 함께 작동함으로써, 점화 스위치(210)의 이상 여부를 확인할 수 있다.
제2 스위치(240)는 점화 스위치(210)의 이상 여부를 확인하도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 점화 스위치(210)의 이상 여부를 확인하기 위해, 제2 스위치(240)는 진단 신호(Dig)에 의해 턴 오프될 수 있다. 이 경우, 파이로 퓨즈(200)는 플로팅 상태가 되어, 전류가 흐르지 않게 되고, 점화 스위치(210)의 작동에 의해 노드 전압(V_Ign)의 값이 변경된다. 점화 스위치(210)에 고장이 발생된 경우, 노드 전압(V_Ign)의 값이 변경되지 않거나, 변경되는 전압 값이 매우 작아, 진단 신호(V_Sensing)를 통해 점화 스위치(210)의 고장을 판별할 수 있다.
또한 제2 스위치(240)는 커패시터(C1)로부터의 전압(VC1)을 전달 받아 동작하여, 배터리 전압(VB+)이 배터리 보호 장치(20)에 인가되지 않더라도 작동할 수 있다. 점화 스위치(210)를 진단하는 기간 외의 기간에서, 제2 스위치(240)는 턴 온 상태를 유지할 수 있다.
다음으로, 도 3 내지 도 10을 참조하여, 배터리 보호 장치(20)의 내부 회로 및 그 작동에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 도 2의 배터리 보호 장치를 나타낸 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 점화 스위치(210)는 다이오드(D1)를 통해 배터리 전압(VB+)을 공급받거나, 배터리 전압(VB+)에 의해 충전된 커패시터(C1)의 전압을 공급받을 수 있다. 그리고, 사고 발생 시 커패시터(C1)는 다이오드(D2)를 통해 전압을 전달한다. 도 4를 참조하여 커패시터(C1)의 충전 작동에 대해 설명한다.
도 4는 일 실시예의 배터리 보호 장치의 커패시터에 충전되는 전압을 나타낸 그래프이다.
커패시터(C1)는 기간(t00 내지 t01) 동안 돌입 전류(inrush current) 방지를 위해 저항(R1)을 통해 충전된다. 예를 들어, 배터리 전압(VB+)이 V1인 경우, 커패시터(C1)에 충전된 전압은 V2일 수 있다.
점화 스위치(210)는 이네이블 레벨의 작동 신호(CS 또는 Ign)에 의해 턴 온되어, 노드 전압(V_ign)을 상승시킬 수 있다. 도 5 및 도 6을 참조하여 점화 스위치(210)의 점화 작동에 대해 설명한다.
도 5는 일 실시예의 배터리 보호 장치가 배터리 전원으로 작동하는 경우의 신호를 나타낸 그래프이고, 도 6은 일 실시예의 배터리 보호 장치가 자체 전원으로 작동하는 경우의 신호를 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, t11 시점에 동작 신호(Ign)가 점화 스위치(210)에 인가되는 경우, 높은 전류(I_Ign)가 파이로 퓨즈(200)에 흘러 파이로 퓨즈(200)가 점화된다.
도 6에 도시된 바와 같이, t21 시점에서부터 배터리 전압(VB+)이 점화 스위치(210)에 공급되고 있지 않다. 이 경우 점화 스위치는 커패시터(C1)에 저장되어 있는 백업 전원에 의해 동작하게 된다. t21 시점에 동작 신호(Ign)가 점화 스위치(210)에 인가되는 경우, 높은 전류(I_Ign)가 파이로 퓨즈(200)에 흘러 파이로 퓨즈(200)가 점화된다.
즉, 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치(20)는 배터리 모듈(10)로부터 작동 전압이 공급되지 않더라도, 파이로 퓨즈(200)를 작동시켜 배터리 모듈(10), 배터리 시스템(1), 및 이를 탑재한 차량을 보호할 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 제1 스위치(220)는 이네이블 레벨의 모니터링 신호(Mon)를 입력 받고, 턴 온되어 파이로 퓨즈(200)에 일정한 크기의 전류(I_Ign)를 인가한다. 그러면, 파이로 퓨즈(200)의 저항 값에 따라 상이한 노드 전압(V_Ign)이 이상 검출 유닛(230)에 인가된다. 이때, 전류(I_Ign)의 크기는 저항(R2)의 값을 변경하여 설계함으로써 설정될 수 있다.
제1 스위치(220)의 동작에 대해 도 7, 도 8, 도 9, 및 도 10을 참조하여 설명한다.
도 7, 도 8, 도 9, 및 도 10은 다른 실시예의 배터리 보호 장치의 진단 시의 신호를 나타낸 그래프이다. 도 7, 도 8, 도 9, 및 도 10에서, 시간에 따라 전압, 전류 등이 변화하는 것으로 도시하였으나, 이는 배터리 전압(VB+)이 소정 전압 범위 내에 있는 경우를 실험하기 위해 도시한 것이지, 배터리 전압(VB+) 자체가 소정 주기로 변화하는 것이 아님에 유의해야 한다. 즉 도면들에서 배터리 전압(VB+)이 변화하더라도, 이상 검출 유닛(230)으로부터의 신호가 일정 값을 나타내므로, 통상의 기술자는 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치(20)의 신뢰성을 알 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 배터리 전압(VB+)이 6V 내지 16V로 공급되는 경우, 제1 스위치(220)에 의해 파이로 퓨즈(200)에 흐르는 전류(I_Ign)는 95mA 내지 103mA일 수 있다.
도 8은 파이로 퓨즈(200)의 내부 저항 값이 2.1Ω인 경우, 도 9는 파이로 퓨즈(200)의 내부 저항 값이 1Ω인 경우, 도 10은 파이로 퓨즈(200)의 내부 저항 값이 3Ω인 경우를 도시한다.
도 8에서, 배터리 전압(VB+)이 6V 내지 16V로 공급되는 경우, 노드 전압(V_Ign)은 1.2V 내지 1.4V일 수 있다. 도 9에서, 배터리 전압(VB+)이 6V 내지 16V로 공급되는 경우, 노드 전압(V_Ign)은 0.58V 내지 0.64V일 수 있다. 도 10에서, 배터리 전압(VB+)이 6V 내지 16V로 공급되는 경우, 노드 전압(V_Ign)은 1.7V 내지 1.9V일 수 있다.
즉, 일 실시예에 따른 배터리 보호 장치(20)는 노드 전압(V_Ign)을 진단 신호(V_Sensing)로서 증폭하여 출력함으로써, 파이로 퓨즈(200)의 내부 저항 값의 변화를 검출할 수 있다.
차량 사고 시에는 인명 피해가 야기될 수 있으므로, 차량에 탑재되는 배터리 시스템의 경우 배터리 모듈에 의한 오동작을 방지하고자 파이로 퓨즈가 탑재되고 있는 실정이다. 파이로 퓨즈의 작동을 위한 점화 스위치의 전원이 배터리로부터 인가되는데, 차량 사고 시에 배터리로부터의 전원이 인가되지 않을 수 있는 문제가 있다.
일 실시예에 따른 배터리 보호 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템은 배터리로부터 전달되는 전원 외에도 백업 전원을 구비함으로써, 차량 사고 시에도 파이로 퓨즈의 작동을 보장할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 보호 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템은 누설 전류가 수 nA 내지 수uA인 수동 소자를 사용하여, 배터리 전원이 아닌 커패시터 전원으로 항상 동작하는 제2 스위치 또한 전류를 사용하지 않는 FET를 포함하므로, 차량의 충돌 이후 배터리로부터의 전원이 공급되지 않아도 커패시터의 전류가 거의 소비되지 않으므로, 차량 사고 시에도 파이로 퓨즈의 작동을 보장할 수 있다.
일 실시예에 따른 배터리 보호 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템은 단순한 하드웨어를 구비하여 파이로 퓨즈의 이상 진단 및 점화 스위치의 이상 진단을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. 배터리 모듈과 외부 부하 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 전류 경로를 차단하는 퓨즈 소자, 그리고
    상기 배터리 모듈 또는 상기 배터리 모듈에 의해 충전되는 커패시터로부터 작동 전압을 공급받고, 상기 퓨즈 소자를 점화시키는 점화 스위치
    를 포함하는 배터리 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 점화 스위치는 복수의 상이한 외부 유닛으로부터 인가되는 제어 신호에 의해 상기 퓨즈 소자를 점화시키는 신호를 생성하는,
    배터리 보호 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 보호 장치는 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system) 및 차량의 전자 제어 유닛(ECU: electronic control unit)에 연결되고,
    상기 점화 스위치는 상기 BMS 또는 상기 ECU로부터 제어 신호를 수신하는,
    배터리 보호 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 모듈로부터 작동 전압을 인가받고, 상기 퓨즈 소자에 진단 전류를 인가하는 제1 스위치, 그리고
    상기 진단 전류가 상기 퓨즈 소자에 흐르는 때, 상기 퓨즈 소자에 걸리는 전압을 측정하는 이상 검출 유닛
    을 더 포함하고,
    상기 BMS는 상기 퓨즈 소자에 걸리는 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자의 고장을 판정하는,
    배터리 보호 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 파이로 퓨즈와 그라운드 사이에 연결되는 제2 스위치를 더 포함하고,
    상기 이상 검출 유닛은 상기 퓨즈 소자가 상기 그라운드에 연결되어 있지 않은 때, 상기 퓨즈 소자를 점화시키는 신호의 전압을 측정하고,
    상기 BMS는 상기 퓨즈 소자를 점화시키는 신호의 전압에 기초하여 상기 점화 스위치의 고장을 판정하는,
    배터리 보호 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 상기 진단 전류가 흐르는 동안 상기 파이로 퓨즈와 상기 그라운드를 연결하도록 작동하는,
    배터리 보호 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 상기 커패시터로부터 작동 전압을 공급받는,
    배터리 보호 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈 소자는 상기 전류 경로에 인접하여 위치한 파이로 퓨즈(pyro fuse)인,
    배터리 보호 장치.
  9. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈,
    배터리 보호 장치, 그리고
    상기 배터리 모듈과 상기 배터리 보호 장치를 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)
    을 포함하고,
    상기 배터리 보호 장치는 상기 배터리 모듈 또는 상기 배터리 모듈에 의해 충전되는 커패시터로부터 작동 전압을 공급받는,
    배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 보호 장치는,
    상기 배터리 모듈과 외부 부하 사이의 전류 경로 상에 위치하며, 상기 전류 경로를 차단하는 퓨즈 소자, 그리고
    상기 배터리 모듈 또는 상기 커패시터로부터 작동 전압을 공급받고, 상기 퓨즈 소자를 점화시키는 점화 스위치
    를 포함하는,
    배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 점화 스위치는 복수의 상이한 외부 유닛으로부터 인가되는 제어 신호에 의해 상기 퓨즈 소자를 점화시키는 신호를 생성하는,
    배터리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리 시스템은 차량에 탑재되고,
    상기 점화 스위치는 상기 BMS 또는 상기 차량의 전자 제어 유닛(ECU: electronic control unit)로부터 제어 신호를 수신하는,
    배터리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리 보호 장치는,
    상기 배터리 모듈로부터 작동 전압을 인가받고, 상기 퓨즈 소자에 진단 전류를 인가하는 제1 스위치, 그리고
    상기 진단 전류가 상기 퓨즈 소자에 흐르는 때, 상기 퓨즈 소자에 걸리는 전압을 측정하는 이상 검출 유닛
    을 더 포함하고,
    상기 BMS는 상기 퓨즈 소자에 걸리는 전압에 기초하여 상기 퓨즈 소자의 고장을 판정하는,
    배터리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배터리 보호 장치는,
    상기 파이로 퓨즈와 그라운드 사이에 연결되는 제2 스위치를 더 포함하고,
    상기 이상 검출 유닛은 상기 퓨즈 소자가 상기 그라운드에 연결되어 있지 않은 때, 상기 퓨즈 소자를 점화시키는 신호의 전압을 측정하고,
    상기 BMS는 상기 퓨즈 소자를 점화시키는 신호의 전압에 기초하여 상기 점화 스위치의 고장을 판정하는,
    배터리 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 상기 진단 전류가 흐르는 동안 상기 파이로 퓨즈와 상기 그라운드를 연결하도록 작동하는,
    배터리 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 상기 커패시터로부터 작동 전압을 공급받는,
    배터리 시스템.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 퓨즈 소자는 상기 전류 경로에 인접하여 위치한 파이로 퓨즈(pyro fuse)인,
    배터리 시스템.
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