KR101982427B1 - 자동차의 배터리용 배터리 셀, 배터리 및 자동차 - Google Patents

자동차의 배터리용 배터리 셀, 배터리 및 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 갈바닉 요소(26)가 수용되는 배터리 셀 하우징(32)을 갖는 자동차의 배터리용 배터리 셀(24)에 관한 것이다. 상기 배터리 셀(24)은 상기 배터리 셀(24)이 상기 배터리의 적어도 하나의 다른 배터리 셀에 전기적으로 연결될 수 있게 하는 2개의 전기 연결부(28, 30)를 포함한다. 적어도 하나의 스위칭 요소(38)가 제어 유닛(40)에 의해, 상기 갈바닉 요소(26)의 서지 변환기(34)와 상기 전기 연결부(28, 30) 중 적어도 하나 사이의 전기 전도성 연결이 차단되는 스위칭 상태로 전환된다. 본 발명은 또한 이러한 복수의 배터리 셀(24)을 갖는 배터리 및 배터리를 갖는 자동차에 관한 것이다.

Description

자동차의 배터리용 배터리 셀, 배터리 및 자동차
본 발명은 자동차의 배터리용 배터리 셀에 관한 것이다. 상기 배터리 셀은 갈바닉 요소가 수용되는 배터리 셀 하우징을 포함한다. 2개의 전기 연결부를 통해 상기 배터리 셀은 상기 배터리의 적어도 하나의 다른 배터리 셀에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 본 발명은 이러한 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 및 배터리를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
종래 기술, 예를 들어 DE 10 2010 045 037 A1호로부터, 복수의 배터리 셀이 특정 전압 또는 특정 전류를 제공하기 위해 배터리에 함께 연결되는 것이 알려져 있다. 이러한 배터리는 오늘날 특히 전기 구동 에너지를 제공하기 위해 예를 들어 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차와 같은 자동차의 구동 배터리(traction batteries)로서 사용된다.
이와 같은 배터리 셀의 경우, 소위 전류 차단 장치(Current Interrupt Device))(CID)가 제공될 수 있다. 이러한 전류 차단 장치는 너무 큰 외부 전류 흐름 시에, 즉 외부 단락 시에 그리고 추가적으로 또는 대안적으로 배터리 셀 하우징의 내부의 내부 압력의 증가 시에 1회 트리거링되도록 제공된다. 결과적으로, 배터리 셀을 통한 전류 흐름이 차단되므로, 배터리 셀의 더 이상의 가열은 없게 된다. 이를 통해, 더 이상의 화학 반응이 초래되거나 또는 증폭될 수 없고, 배터리 셀의 소위 열 폭주("thermal runaway")가 회피된다. 이와 동시에, 그러나, 이러한 경우에, 배터리 셀의 기능, 즉 전류의 방전 또는 수전은 더 이상 존재하지 않는다.
자동차의 구동 배터리용으로 사용되는 것과 같이, 시판되고 있는 배터리 셀의 경우, 전류 차단 장치가 제공될 수 있는데, 이는 도 1을 참조로 설명될 것이다. 개략적으로 도시된 배터리 셀(10)에서 배터리 셀 하우징(12)이 부분적으로 도시되어 있고, 이 배터리 셀 하우징 내에는 갈바닉 요소(14)가 배치된다. 갈바닉 요소(14)의 서지 변환기(16)와 배터리 셀(10)의 전기 연결부(18) 사이에는 전류 차단 장치(20)가 배치되고, 이 전류 차단 장치는 배터리 셀(10)에서 외부 영향의 결과로서 변형 가능한 금속 시트(22)를 포함한다. 금속 시트(22)는 그 변형이 온도에 의존하는 바이메탈 요소에 상응하게 기능한다. 초기 상태에서, 연결부(18)에 연결된 금속 시트(22)는 도 1에 도시된 바와 같이 서지 변환기(16)에 또한 접한다. 그러나, 예를 들어 가스 발생으로 인해 배터리 셀 하우징(12) 내부의 온도 상승 또는 압력 증가 시에 금속 시트(22)는 아치 형상으로 된다.
이는 도 2에 도시되어 있다. 이를 통해, 서지 변환기(16)와 전기 연결부(18) 사이의 전기 전도성 연결이 차단된다. 서지 변환기(16)는, 상기 서지 변환기(16)에 추가하여 (도시되지 않는) 전극의 화학적 활성 재료를 포함하는 갈바닉 요소(14)의 전극의 일부이다.
또한, EP 2 306 485 A1호에는 퓨즈로서 설계된 전류 차단 장치를 갖는 배터리 셀이 설명되어 있다. 예를 들어, 아연 재료를 용융시킴으로써 여기서 갈바닉 요소의 서지 변환기와 배터리 셀의 전기 연결부 또는 극 사이의 접촉이 영구적으로 차단된다.
그러한 전류 차단 장치가 비교적 고가의 부품이라는 사실은 이러한 배터리 셀에서 불리한 것으로 간주된다. 또한, 이러한 전류 차단 장치의 개념에는 일련의 절충안이 도입되어야 한다. 트리거링 기능은 전기 퓨즈와 비교될 수 있다. 이에 상응하게, 압력, 온도 및 전류 세기뿐만 아니라 그러한 많은 양이 존재하게 하는 지속 시간은 트리거링 거동과 관련하여 큰 역할을 한다. 결과적으로, 이들 파라미터의 상응하는 특성이 중첩되고, 히스테리시스가 발생할 수 있다. 이로 인해, 정확한 트리거링 임계값을 사전 설정하는 것은 어려운 일이다. 즉, 가능한 한 다양한 요인들의 상호 작용을 고려하는 것이 실제로 어렵다. 또한, 각 배터리 셀 타입에 대해 이들 인자를 고려하여 적합한 조정을 수행하는 것은 매우 성가신 일이다.
또한, 이러한 기계적 전류 차단 장치는 한 번만 트리거링될 수 있다. 즉, 전류 차단 장치는 트리거링 후에 다시 복원될 수 없기 때문에, 전류 차단은 비가역적이다. 또한, 전류 차단 장치가 원하는 기능을 충족할 수 있기 위해, 이러한 기계적 구성 요소는 배터리 셀의 제조 시에 큰 정밀도를 요구한다.
배터리 셀 하우징 내의 내부 압력이 상승할 때 트리거링되는 전류 차단 장치를 갖는 배터리 셀에서, 또한 일반적으로 소위 과충전 첨가제가 사용된다. 이러한 첨가제는 배터리 셀의 과충전 시에 가스의 방출로 이어지고, 따라서 내부 압력이 증가하게 된다. 그러나, 이러한 과충전 첨가제를 배터리 셀에 도입하는 것은 바람직하지 않은데, 왜냐하면 배터리 셀 하우징의 내부 압력의 증가는 가능한 한 회피되어야 하기 때문이다. 과충전 첨가제는 또한 배터리 셀 하우징의 내부의 압력을 느리게, 일정하게 증가시킨다. 이를 통해, 시간의 경과 중에 그리고 특히 예측할 수 없는 시간에 전류 차단 장치의 바람직하지 못한 트리거링이 발생할 수 있다.
따라서 과충전 시에 셀 내부 압력을 불필요하게 증가시키지 않기 위해, 비- 가스 발생 방식의 과충전 첨가제를 포함하는, 전류 차단 장치가 없는 배터리 셀도 있다. 따라서 전류 차단 장치 및 그 장단점에 대해서는 활발하고 논쟁적으로 논의가 이루어지고 있다. 즉, 한편으로 배터리 셀의 전류 차단 장치는 가능한 한 신뢰성 있고 견고한 것이 바람직하다. 그러나, 다른 한편으로는 전류 차단 장치는 트리거링과 관련하여 가능한 한 민감해야 한다.
본 발명의 목적은 배터리 셀의 전류 차단 관점에서 개선된 서두에 언급된 유형의 배터리 셀, 배터리 및 자동차를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허 청구범위 제1항의 특징을 갖는 배터리 셀, 특허 청구범위 제9항의 특징을 갖는 배터리 및 특허 청구범위 제10항의 특징을 갖는 자동차에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 개선을 포함하는 유리한 실시예가 종속항에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀은 적어도 하나의 스위칭 요소를 포함하고, 상기 적어도 하나의 스위칭 요소는 제어 유닛에 의해, 상기 갈바닉 요소의 서지 변환기와 상기 전기 연결부 중 적어도 하나 사이의 전기 전도성 연결이 차단되는 스위칭 상태로 전환될 수 있다. 스위칭 요소를 제어하여 스위칭 요소가 개방 스위칭 상태로 전환될 수 있게 하는 제어 유닛을 제공함으로써, 지능형 배터리 셀, 즉, 소위 "스마트 셀(Smart Cell)"이 제공된다. 제어 유닛에 의해 특히 간단한 기준이 사전 설정될 수 있는데, 이 기준의 충족 시 적어도 하나의 스위칭 요소는 전기 전도성 연결이 차단되도록 스위칭된다. 따라서 지능을 통해 스위칭 요소의 정확한 트리거링을 사전 설정하거나 또는 프로그래밍할 수 있다. 이에 상응하게 배터리 셀은 특히 전류 차단과 관련하여 개선된다.
또한, 스위칭 요소의 다중 트리거링이 가능하다. 스위칭 요소는 제어 유닛에 의해, 서지 변환기와 배터리 셀의 적어도 하나의 전기 연결부 사이의 전기 전도성 연결이 확립되는 다른 스위칭 상태로 다시 전환될 수 있다. 따라서, 전기 전도성 연결의 차단은 가역적이므로, 스위칭 요소는 새로운 트리거링을 위해 재활성화될 수 있다.
제어 유닛은 또한, 제어 유닛의 상응하는 프로그래밍에 의해 이러한 유형의 배터리 셀에 적응되는 트리거링 기준을 결정함으로써, 새로운 세대의 배터리 셀의 개발 또는 배터리 셀의 수정을 고려하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 전기 전도성 연결의 차단은 이미 배터리 셀의 제조 시에 그리고 그 후 예를 들어 자동차의 배터리에 설치 시에도 새로운 환경에 특히 쉽게 적응될 수 있다.
갈바닉 요소의 2개의 서지 변환기 각각과 각각의 전기 연결부 사이에서 제어 유닛에 의해 스위칭될 수 있는 스위칭 요소를 제공하는 것도 또한 제안될 수 있다. 따라서, 배터리 셀을 배터리의 다른 배터리 셀로부터 특히 안전하게 분리하는 것이 달성될 수 있다.
스위칭 요소를 릴레이로 설계하는 것이 가능하다. 이러한 경우 특히 안전한 갈바닉 분리가 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 기계적으로 작동하는 부품은 배터리 셀 내에 비교적 많은 공간을 필요로 한다. 따라서, 적어도 하나의 스위칭 요소는 반도체 요소로서 설계되는 것이 바람직하다. 이러한 반도체 요소는 특히 간단하고 신속하게 원하는 스위칭 상태로 전환될 수 있으며, 이를 위해 제어 장치 측에 존재하는 에너지 요구량은 매우 낮다. 또한, 반도체 요소와 릴레이의 조합은, 전기 전도성 연결을 특히 신속하게 그리고 특히 안전하게 차단할 수 있도록 제공될 수 있다.
반도체 요소의 바람직한 특성을 제공하기 위해, 스위칭 요소로서, 리버스 다이오드, 예를 들어 전계 효과 트랜지스터, 특히 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터), 바람직하게는 파워-MOSFET을 갖는 예를 들어 전력 단로기(power disconnector)가 사용될 수 있다. 또한, 서지 변환기와 전기 연결부 중 적어도 하나 사이의 경로 상에 스위칭 요소로서 전자 릴레이에, 안티-시리얼로 접속된, 즉, 전기적으로 직렬로 접속된 전계 효과 트랜지스터가 반대의 동작 방향을 갖는 리버스 다이오드를 포함하는 2개의 전계 효과 트랜지스터(특히 2개의 MOSFETs)가 제공될 수 있다. 따라서, 전기 전도성 연결의 차단이 특히 안전하게 보장될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 적어도 하나의 스위칭 요소는, 예를 들어 실리콘 카바이드(SiC) 형태로 넓은 밴드 갭을 갖는 그러한 재료를 갖는 질화갈륨-스위치(GaN-스위치) 또는 이와 유사한 스위칭 요소로서 설계될 수 있다.
이러한 반도체 요소는 특히 반도체 요소당 달성될 수 있는 큰 전류 밀도 또는 전력 밀도와 관련하여 전기적 특성에 관한 상당한 장점을 갖는다. 또한, 특히 컴팩트한 스위칭 요소가 제공될 수 있다. 또한, 스위칭 요소는 특히 높은 스위칭 가속도, 특히 스위칭 오프 가속도, 예를 들어 수백 kHz(및 그 이상)를 허용한다. 따라서 전류 차단은 특히 신속하게 발생할 수 있다. 또한, 이러한 반도체 스위치는 스위칭 요소에 비가역적인 손상이 발생하지 않고 섭씨 250도까지의 특히 높은 작동 온도를 허용한다. 또한, 언급된 반도체 요소에 의해, 바람직한 낮은 스위칭 손실을 수반하는 특히 낮은 순방향 저항이 구현될 수 있다.
특히, 적어도 하나의 스위칭 요소는 소위 게이트 인젝션 트랜지스터(GIT), 예를 들어 자기 차단형 GaN-트랜지스터로 설계될 수 있다. 이러한 GaN-트랜지스터는 상기 언급된 유리한 특성을 특히 많이 포함한다. 이러한 스위칭 요소는 제어 전압 없이 게이트 연결에 어떠한 전류도 통과시키지 않는다. 따라서, 전기 전도성 연결이 차단되는 오프 상태에서 제어 전압이 없다. 이는 안전상의 이유로 유리하다.
파워 트랜지스터와 같은 반도체 요소는 단지 2개의 스위칭 상태만을 포함하도록, 즉, 전기 전도성 연결이 차단되는 스위칭 상태와, 서지 변환기와 전기 연결부 사이의 전기 전도성 연결이 확립되는 다른 스위칭 상태를 포함하는 방식으로 설계될 수 있다. 이는 반도체 요소의 설계를 간단하게 하고 반도체 요소의 스위칭을 특히 안전하게 한다.
바람직하게는, 제어 유닛은 배터리 셀 하우징 내부에 배치된다. 이러한 경우 제어 유닛은 양호하게 보호된다. 또한, 배터리 셀의 파라미터를 검출하고 또한 이를 위해 마찬가지로 배터리 셀 하우징 내부에 위치하는 센서로부터의 신호가 특히 양호하게 제어 유닛에 공급될 수 있다.
배터리 셀을 통해 흐르는 전류의 전류 세기를 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 파라미터가 제어 유닛에 의해 검출될 수 있다면 보다 더 유리하다는 것이 판명되었다. 이 경우, 제어 유닛은 적어도 하나의 파라미터에 따라 적어도 하나의 스위칭 요소를, 갈바닉 요소의 서지 변환기와 적어도 하나의 전기 연결부 사이의 전기 전도성 연결이 차단되는 스위칭 상태로 전환하도록 설계된다.
따라서, 예를 들어, 높은 단락 전류, 예를 들어 2 kA 내지 4 kA의 전류 세기를 갖는 전류에서, 갈바닉 요소를 연결부 또는 배터리 극으로부터 안전하게 특히 다중으로 분리하고 이에 따라 배터리 셀의 스위칭 오프가 보장될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 예를 들어 제어 유닛에 연결된 적어도 하나의 센서에 의해, 예를 들어 적어도 하나의 파라미터로서의 온도가 검출될 수 있다. 따라서 예를 들어, 온도의 임계값이 초과되면, 적어도 하나의 스위칭 요소는, 전기 전도성 연결이 차단되는 스위칭 상태로 전환될 수 있다. 따라서 특히 단락 시에 또는 열 폭주(thermal runaway) 전에 배터리 셀을 안전하게 스위칭 오프할 수 있다.
배터리 셀의 외부로부터의 온도 부하의 경우에도, 즉 배터리 셀 내부의 공정에 의해 야기되지 않는 열 부하의 경우에도, 제어 유닛은 안전을 위해 스위칭 요소를 제어하고, 전기 전도성 연결을 차단할 수 있다. 이는 예를 들어, 배터리의 다른 배터리 셀 또는 다른 구성 요소(또는 배터리에 인접한 구성 요소)의 발화로 인해 열이 배터리 셀 내로 유입되는 경우일 수 있다.
배터리 셀에서 발생하거나 또는 배터리 셀의 주변으로부터 배터리 셀에 작용하는 그러한 열 부하에 관한 정보가 바람직하게는 제어 유닛에 의해, 예를 들어 배터리의 상위 제어 장치로 통신될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이러한 정보는 제어 유닛의 메모리에 저장되고 필요에 따라 판독될 수 있다.
제어 유닛과 연결된 적어도 하나의 센서에 의해 또는 제어 유닛 자체에 의해 전압 및/또는 압력 및/또는 기계적 응력 및/또는 갈바닉 요소의 전해질의 특성 및/또는 가속도가 검출될 수 있는 것이 유리한 것으로 판명되었고, 여기서 제어 유닛은 적어도 하나의 그러한 파라미터에 따라 적어도 하나의 스위칭 요소를 개방하도록 설계된다.
따라서, 예를 들어, 그러한 파라미터의 임계값 또는 그러한 파라미터들의 임계값들이 초과되면 서지 변환기와 전기 연결부 사이의 전기 전도성 연결이 차단될 수 있다. 이러한 방식으로, 특히, 결함 있는 배터리 셀이 배터리의 배터리 셀 결합으로부터 전기적으로 분리되도록 하는 것이 보장될 수 있다.
특히, 예를 들어 온도, 전류 세기 또는 전압의 최대값이 초과될 때 배터리 셀이 스위칭 오프되거나 또는 턴 오프되면 과부하 보호가 제공될 수 있다. 또한 예를 들어 온도, 전류 세기, 압력 등의 최대값을 초과하는 경우에 퓨즈의 방식에 따른 이러한 배터리 셀의 자체 트리거링이 구현될 수 있다.
가속도에 따라 적어도 하나의 스위칭 요소가 전기 전도성 연결이 차단되도록 스위칭될 때, 배터리 셀의 안전성은 또한 유리하다. 따라서, 배터리가 장착된 자동차의 경우, 예를 들어 충돌 시 배터리 셀의 무-전압 스위칭이 보장될 수 있다.
따라서, 적어도 하나의 센서에 의해 또는 제어 유닛에 의해 검출된 데이터에 따라, 전류 중단의 신뢰성 있는 트리거링을 위한 특히 많은 트리거링 기준을 고려하는 것이 가능하다.
여기서 대응되는 센서는 배터리 셀 하우징 내부에서 상기 언급된 파라미터를 검출할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 적어도 하나의 파라미터에 기초하여 배터리 셀 하우징 외부에 존재하는 조건을 검출하는 센서가 제공될 수 있다. 배터리 셀 하우징 내부 및/또는 외부의 조건을 설명하는 복수의 파라미터를 고려함으로써, 각각의 상황에 대해 매우 양호하게 적응된 트리거링 기준이 사전 설정될 수 있으므로, 전기 전도성 연결의 안전한 차단이 항상 보장될 수 있다. 따라서, 특히 안전한 지능형 배터리 셀("Safe SmartCeH")이 제작된다. 대응하는 트리거링 기준은 특성 곡선 또는 특성 곡선 필드에, 예를 들어 제어 유닛의 메모리 모듈에 저장될 수 있다. 특성 또는 특성 곡선 필드를 변경함으로써 특히 배터리 셀의 노후화를 고려할 수 있다.
제어 유닛은 바람직하게는 적어도 하나의 파라미터의 임계값이 변경될 수 있게 하는 인터페이스를 포함하며, 상기 임계값을 초과하는 경우 상기 적어도 하나의 스위칭 요소는 상기 스위칭 상태로 전환된다. 따라서 트리거링 기준은 특히 특성 곡선 또는 특성 곡선 필드를 수정하여 적응될 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 수명에 걸친 배터리 셀의 변화가 고려될 수 있다. 따라서 트리거링 기준은 한 번에 사전 설정되어 정적인 것이 아니라, 변화하는 조건에 동적으로 적응될 수 있다. 이는 전류 중단의 트리거링을 특히 유연하게 한다. 트리거링 기준의 적응은 또한 제어 유닛을 교환함에 의해서도 달성될 수 있지만, 그러나 제어 유닛의 인터페이스를 통해 이러한 변경을 수행하는 것이 훨씬 비용이 적게 든다.
또한, 제어 유닛이 배터리의 상위 제어 장치로 정보를 전송하고 그리고/또는 상위 제어 장치에 의해 출력된 명령을 수신하도록 설계된 경우에 유리한 것으로 판명되었다. 이를 위해 특히 제어 유닛의 인터페이스를 사용할 수 있다.
이러한 경우 라인 결합 및/또는 무선 통신이 제공될 수 있다. 따라서, 예를 들어 배터리 관리 시스템과 같은 상위 제어 장치로 스위칭 요소의 에러 및/또는 각각의 스위칭 상태가 통지될 수 있다. 또한, 상위 제어 장치는 배터리 셀의 제어 유닛에 명령을 출력할 수 있다. 특히, 전체 배터리의 상태와 관련하여, 전기 전도성 연결의 중단은 스위칭 요소를 제어하는 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다.
또한, 배터리의 상위 제어 장치와 통신하도록 설계된 제어 유닛은 상호 연결된 배터리 셀의 데이터 교환을 가능하게 한다. 따라서 예를 들어, 트리거링 기준이 충족되는 복수의 배터리 셀, 특히 모든 배터리 셀은 예를 들어 안전상 이유로 비활성화될 수 있다. 이에 대응하여, 각각의 배터리 셀에서 스위칭 요소는, 서지 변환기와 전기 연결부 사이의 전기 전도성 연결이 차단되는 스위칭 상태로 전환된다.
제어 유닛에 전기 에너지를 공급하기 위해 제어 유닛이 갈바닉 요소에 결합되는 것이 또한 유리하다. 이러한 경우 제어 유닛은 스위칭 요소의 스위칭을 위해 필요한 전기 에너지를 배터리 셀로부터 직접 획득한다. 이는, 제어 유닛이 매우 적은 양의 에너지를 사용하므로, 즉 바람직하게는 저-전력-버전, 특히 초-저-전력-버전이므로, 배터리 셀에 의해 제공된 전기 에너지에 관해서는 문제가 되지 않는다.
추가적으로 또는 대안적으로, 제어 유닛은 전기 에너지 저장소에, 예를 들어 배터리 셀 하우징 내에 배치된 커패시터에 결합될 수 있다. 이러한 별도의 에너지 저장소의 제공은 제어 유닛에 대한 전기 에너지의 제공이, 배터리 셀의 갈바닉 요소가 제공하는 전기 에너지와 독립적일 수 있게 한다. 따라서, 스위칭 요소의 신뢰성 있는 스위칭 및 이에 따른 전류 흐름의 차단이 항상 보장될 수 있다.
특히, 그러한 전기 에너지 저장소는 배터리 셀을 충전할 때 함께 충전될 수 있다. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리가 차량에서 사용될 때, 이는 예를 들어 소위 회복 동작 중에 행해질 수 있다. 그러나 별도의 에너지 저장소는 또한 배터리를 전류 소스에 연결한 후에 함께 충전될 수도 있다.
최종적으로, 제어 유닛이 적어도 하나의 스위칭 요소의 기능 효율성을 검사하도록 설계된다면 유리한 것으로 판명되었다. 따라서, 예를 들어 사전 설정 가능한 시간 간격으로 적어도 하나의 스위칭 요소가 검사되는 자가 진단 기능이 제어 유닛에 통합될 수 있다. 이를 위해 제어 유닛에 의해 스위칭 요소에 대한 측정이 이루어질 수 있으며, 이 제어 유닛은 스위칭 요소의 상태에 대한 정보를 제공한다.
이러한 자가 진단은 사전 설정 가능한, 프로그래밍 가능한 시간 간격으로 제공되거나 또는 외부적으로 트리거링될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 요소의 상태 또는 그 기능적 효율성에 대한 이러한 질의가 예를 들어 배터리 관리 시스템의 마이크로프로세서 형태의 외부 제어 장치에 의해 트리거링될 수 있다. 따라서, 스위칭 요소에 결함이 있는 경우, 전기 전도성 연결의 영구적인 차단이 보장될 수 있다. 다른 한편으로는, 스위칭 요소를 검사함으로써, 스위칭 요소가 전류 흐름을 허용하지 않는, 전기 전도성 연결을 차단하는 스위칭 상태로 신뢰성 있게 전환될 수 있는지 여부를 결정할 수 있다. 이러한 경우 결함 있는 스위칭 요소의 존재가 작동자에게 통신될 수 있고, 스위칭 요소는 필요한 경우 교체될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리는 직렬로 연결될 수 있고 그리고/또는 병렬로 연결될 수 있는 복수의 본 발명에 따른 배터리 셀을 포함한다.
본 발명에 따른 자동차는 적어도 하나의 본 발명에 따른 배터리를 포함한다. 자동차는 예를 들어, 승용차, 특히 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로 설계될 수 있다. 또한, 자동차는 전기 구동식 오토바이 또는 전기 구동식 자전거일 수도 있다.
또한, 고정식 에너지 저장 시스템에 배터리를 제공하는 것도 가능하다. 또한, 자동차에 제공되었던 배터리가 소위 세컨드 라이프 배터리로서 재사용되는 것이 제공될 수 있고, 이 경우 또한 배터리는 상이한 유형의 사용을 위해 공급된다. 특히, 세컨드 라이프 적용의 경우, 예를 들어 배터리 셀의 성능에 관한 요건은 자동차의 배터리에 대해 배터리 셀을 사용하는 경우보다 더 낮을 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀에 대해 설명된 장점 및 바람직한 실시예는 또한 본 발명에 따른 배터리 및 본 발명에 따른 자동차에도 적용된다.
본 설명에서 앞서 언급된 특징 및 특징 조합 그리고 이하 도면의 설명에 언급된 그리고/또는 도면에만 도시된 특징 및 특징 조합은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면, 각각 표시된 조합뿐만 아니라 다른 조합으로도 또는 단일 설정으로도 사용될 수 있다. 따라서, 도면에 명시적으로 도시되거나 또는 설명되지는 않았지만 분리된 특징 조합들에 의해 설명된 실시예들로부터 도출되고 생성될 수 있는 실시예들은 본 발명에 포함되고 개시되는 것으로 간주되어야 한다.
본 발명의 다른 장점, 특징 및 세부 사항은 청구범위, 이하의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명 및 도면으로부터 나타난다.
도 1은 종래 기술에 따른 전류 차단 장치를 갖는 배터리 셀을 개략적으로 단면도로서 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 배터리 셀로서, 그러나 전류 차단 장치가 트리거링된 도면을 도시한다.
도 3은 반도체 스위칭 요소가 제어 유닛에 의해 배터리 셀의 갈바닉 요소의 서지 변환기와 배터리 셀의 전기 연결부 사이의 전기적 전도성 연결을 차단하도록 제어되는 전자 전류 차단 장치를 갖는 배터리 셀을 개략적으로 도시한다.
도 1 및 도 2에 도시된 종래 기술에 따른 배터리 셀(10)을 설명하기 위해 본 명세서의 서론이 참조된다.
도 3에는 마찬가지로 전류 차단 장치를 포함하는 개선된 배터리 셀(24)이 개략적으로 도시되어 있다. 배터리 셀(24)은 예를 들어 자동차의 배터리에 사용될 수 있으며, 예를 들어, 리튬-이온-셀로 형성될 수 있다. 자동차용 구동 배터리로 사용되는 배터리에서, 일반적으로 이러한 복수의 배터리 셀(24)은 상응하는 높은 전압 및 전류를 제공하기 위해 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결된다.
배터리 셀(24)의 동작 중에, 배터리 셀(24)의 갈바닉 요소(26)로부터 배터리 셀(24)의 2개의 전기 연결부(28, 30) 중 적어도 하나로의 전류 흐름이 차단되면 유리한 상황이 발생할 수 있다. 이는 도 3에 개략적으로 도시된 스위칭 가능하고 지능형인 배터리 셀(24)에 의해 보장될 수 있다.
배터리 셀(24)은 배터리 셀 하우징(32)을 포함하고, 이 배터리 셀 하우징은 본 경우 예를 들어 프리즘 형으로 형성되어 있다. 배터리 셀 하우징(32) 내부에는 갈바닉 요소(26)가 수용된다. 갈바닉 요소(26)는 각각 전기 화학적 활성 재료로 코팅된 서지 변환기(34, 36)를 포함한다. 간략화를 위해, 본 경우에는 배터리 셀(24)의 제1 전기 연결부(28)(예를 들어 양극)로 안내되는 서지 변환기(34) 및 배터리 셀(24)의 제2 전기 연결부(30)로 안내되는 서지 변환기(36)만이 도시된다. 서지 변환기(34, 36) 중 적어도 하나와 연결부(28, 30) 중 하나 사이에 스위칭 요소(38)가 배치되고, 스위칭 요소(38)를 개방함으로써, 상기 스위칭 요소에 의해 전기 전도성 연결이 차단될 수 있다. 본 경우에 스위칭 요소(38)는, 예를 들면 갈바닉 요소(26)의 서지 변환기(34)와 양극을 형성하는 배터리 셀(24)의 연결부(28) 사이의 전기적 전도성 연결에 배치된다. 그러나, 대안적인 실시예에서는, 또한 이러한 스위칭 요소(38)를 제공함으로써, 서지 변환기(36)는 전기 연결부(30)로부터 분리될 수 있다.
예컨대 반도체 요소로 설계된 스위칭 요소(38)를 제어하기 위해, 본 경우에 배터리 셀 하우징(32) 내부에 배치된 제어 유닛(40)이 제공된다. 스위칭 요소(38)의 설계에 따라, 제어 유닛(40)은, 제어 전압이 스위칭 요소(38)에 인가될 때 서지 변환기(34)와 연결부(28) 사이의 전기적 전도성 연결이 차단되거나 또는 확립되도록 보장할 수 있다. 스위칭 요소(38)를 제어 유닛(40)과 함께 사용함에 의해, 반도체 요소를 위한 지능형 구동 장치가 제공됨으로써, 전자 전류 차단 장치가 제공된다.
이는 특히, 정확한 트리거링을 프로그래밍할 수 있게 하는데, 즉, 제어 유닛(40)이 스위칭 요소(38)의 개방을 발생시킬지 여부에 대해 결정할 때 고려되는 파라미터를 사전 설정할 수 있게 한다.
이를 위해, 제어 유닛(40)은 본 경우에 복수의 파라미터를 검출할 수 있는 센서(42)와 결합된다. 본 경우, 배터리 셀 하우징(32)의 내부에 배치되어 배터리 셀 하우징(32) 내부의 대응하는 파라미터를 검출하는 센서(42)가 개략적으로 도시된다. 이들 파라미터는 예를 들어 온도, 압력, 가속도, (예를 들어 역각 센서에 의해 검출 가능한) 기계적 응력, 또는 갈바닉 요소(26)의 전해질의 조성을 포함할 수 있다. 제어 유닛(40) 자체는 또한 배터리 셀(24)을 통한 전류 흐름 및 서지 변환기(34, 36)에 인가되는 전압을 검출할 수 있다. 센서 데이터 및 제어 유닛(40)에 의해 직접 검출된 측정값에 기초하여 복수의 트리거링 기준이 고려되어, 스위칭 요소(38)를, 서지 변환기(34)와 전기 연결부(28) 사이의 전기 전도성 연결이 차단되는 개방 스위칭 상태로 전환할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, (도시되지 않은) 센서들은 예를 들어 온도, 가속도 및 특히 전류 세기 및 전압의 값과 같은 배터리 셀 하우징(32) 외부에 존재하는 대응하는 파라미터들을 검출할 수 있다. 이러한 측정값은 또한 트리거링 기준을 결정할 때 고려될 수도 있다.
더욱이, 제어 유닛(40)을 제공함으로써, 배터리 셀(24)의 서비스 수명에 걸쳐 트리거링 기준이 동적으로 적응 및 변경될 수 있다. 이를 위해, 제어 유닛(40)은 인터페이스(44)를 포함할 수 있는데, 상기 인터페이스는 제어 유닛(40)의 대응하는 재프로그래밍을 가능하게 한다.
스위칭 요소(38)를 제어하는 제어 유닛(40)을 제공함에 의해, 또한 스위칭 요소(38)의 다중 트리거링 및 스위칭 요소(38)의 가역적 재활성화도 가능하다. 즉, 반도체 컴포넌트는 서지 변환기(34)와 연결부(28) 사이의 전기 전도성 연결이 확립되는 스위칭 상태로 다시 전환될 수 있다.
인터페이스(44)를 통해, 제어 유닛(40)은 또한 예를 들어 배터리 관리 시스템으로 설계될 수 있는 배터리의 상위 제어 장치(46)로 정보를 전송할 수 있다. 더욱이, 상위 제어 장치(46)로부터 명령이 제어 유닛(40)으로 전송될 수 있다. 복수의 배터리 셀(24)의 이러한 네트워킹 및 서로 간의 데이터 교환은 특히 복수의 해당 배터리 셀(24)을 예를 들어 보안상의 이유로 비활성화시키는 것을 가능하게 한다.
특히, 새로운 세대의 배터리 셀(24)을 개발할 때 또는 기존의 배터리 셀(24)에 변형이 이루어질 때, 제어 유닛(40)의 간단한 프로그래밍에 의해 트리거링 기준이 새로운 조건에 적응될 수 있다. 이는 예를 들어 배터리 셀(24)의 제조 시에 수행되거나 또는 배터리, 특히 자동차의 배터리를 제조하기 위해 배터리 셀(24)을 사용하는 작동 시에 수행된다. 또한, 배터리 셀(24)을 포함하는 배터리의 유지 보수 동안 트리거링 기준의 이러한 업데이트가 수행될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 스위칭 요소(38)로서, 그 트리거링 거동이 배터리 셀(24)의 타입에 대해 조정된 방식으로 프로그래밍될 수 있는, 상이한 타입의 배터리 셀(24)에 대해 균일한 전자 부품이 사용되는 경우 비용적인 장점을 갖는다.

Claims (10)

  1. 자동차의 배터리용 배터리 셀에 있어서,
    갈바닉 요소(26)가 수용되는 배터리 셀 하우징(32); 및
    배터리 셀(24)이 상기 배터리의 적어도 하나의 다른 배터리 셀에 전기적으로 연결될 수 있게 하는 2개의 전기 연결부(28, 30)
    를 포함하고,
    제어 유닛(40)에 의해 또는 상기 제어 유닛(40)에 결합된 적어도 하나의 센서(42)에 의해 적어도 하나의 파라미터가 검출될 수 있고,
    적어도 하나의 스위칭 요소(38)가 상기 제어 유닛(40)에 의해, 그리고 상기 적어도 하나의 파라미터에 따라, 상기 갈바닉 요소(26)의 서지 변환기(34)와 상기 전기 연결부(28, 30) 중 적어도 하나 사이의 전기 전도성 연결이 차단되는 스위칭 상태로 전환될 수 있고,
    상기 적어도 하나의 스위칭 요소(38) 및 상기 제어 유닛(40)은 상기 배터리 셀 하우징(32) 내부에 배치되고,
    상기 제어 유닛(40)은 상기 적어도 하나의 파라미터의 임계값이 변경될 수 있게 하는 인터페이스(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리용 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스위칭 요소(38)는 반도체 요소로서 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리용 배터리 셀.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 파라미터는,
    - 상기 배터리 셀(24)을 통해 흐르는 전류의 전류 세기 또는
    - 온도 또는
    - 전압 또는
    - 압력 또는
    - 기계적 응력 또는
    - 상기 갈바닉 요소(26)의 전해질 상태 또는
    - 가속도
    를 포함하는 그룹에서 검출될 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리용 배터리 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 임계값이 초과되는 경우 상기 적어도 하나의 스위칭 요소(38)는 상기 스위칭 상태로 전환되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리용 배터리 셀.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 유닛(40)은 상기 배터리의 상위 제어 장치(46)로 정보를 전송하거나, 상기 상위 제어 장치(46)에 의해 출력된 명령을 수신하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리용 배터리 셀.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 유닛(40)에 전기 에너지를 공급하기 위해 상기 제어 유닛(40)은 상기 갈바닉 요소(26), 전기 에너지 저장소, 또는 상기 갈바닉 요소(26)와 상기 전기 에너지 저장소에 결합되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리용 배터리 셀.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 유닛(40)은 상기 적어도 하나의 스위칭 요소(38)의 기능 효율성을 검사하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 배터리용 배터리 셀.
  9. 제1항 또는 제2항에 따른 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀(24)을 포함하는 배터리.
  10. 제9항에 따른 적어도 하나의 배터리를 포함하는 자동차.
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