KR102034771B1 - 전기식 과충전감지장치 - Google Patents

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Abstract

전기식 과충전감지장치가 개시된다. 본 발명에 따른 전기식 과충전감지장치는, 다수 개가 서로 전기적으로 연결되어 배터리팩을 이루는 배터리셀의 과충전에 의한 팽윤을 감지하는 과충전감지장치에 있어서, 상기 배터리셀 사이에 배치되어 고정되는 지지프레임; 및 상기 지지프레임의 안쪽에 구비되어 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 물리적으로 변형되며 소정의 전기적 변화를 발생시키는 팽윤감지부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 배터리셀의 팽윤에 따라 물리적으로 변형되며 소정의 전기적 변화(저항변화 또는 정전용량변화)를 발생시키는 팽윤감지부와 이를 안쪽에서 지지하는 지지프레임이 일체화된 형태로 모듈화되어 배터리팩을 이루는 다수의 배터리셀 사이에 각각 배치됨에 따라, 배터리팩 단위가 아닌 배터리셀 단위로 과충전 여부가 기계적 방식에 비해 정밀하게 감지됨은 물론, 별도의 부품교체나 복원작업 없이 반복적인 과충전 감지가 가능하고, 과충전으로 팽윤된 배터리셀의 교체나 장착이 신속하고 용이하게 이루어질 수 있으며, 외부로 돌출되지 않고 배터리팩과 콤팩트한 외관을 이룸으로 인해 설치공간의 제약 없이 배터리팩의 설치가 용이하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Description

전기식 과충전감지장치{DEVICES FOR DETECTING OVERCHARGING ELECTRICALLY}
본 발명은 전기식 과충전감지장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 과충전에 의해 배터리셀이 팽윤되는 것을 기계적 작동방식이 아닌 전기적 작동방식으로 정밀하게 감지할 수 있는 과충전감지장치와 이를 이용한 전기식 셀보호장치에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 자동차를 비롯하여 전기 자동차나 연료전지 자동차에는 차량 구동을 위한 전기에너지를 공급할 수 있도록 고전압의 배터리가 구비되는데, 이러한 배터리는 단위전지 또는 전지모듈인 충전식 배터리셀을 다수 개로 겹겹이 연결하여 고전압을 발생시키는 배터리팩으로 구성되며, 다수의 단위전지 또는 모듈에 의해 높은 전력을 발생시키게 된다.
이때, 배터리팩은, 높은 집적도로 적층이 가능하고 용량 대비 중량이 작은 각형 또는 파우치형 배터리셀 등으로 구성되되, 배터리셀은 용량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이온전지가 많이 사용되고 있다.
그러나 리튬 이온전지는 근본적으로 안전성이 낮은데, 특히 파우치형 배터리셀은, 전지케이스의 밀봉부가 외부 충격 등에 의해 분리나 파손되는 경우, 전해액 등의 발화성 물질이 쉽게 누설되어 화재를 촉발할 수 있다는 점에서 문제가 있다.
그리고 배터리셀 내부에 주입된 전해액은, 배터리셀의 과충전으로 인한 과열로 분해가 촉진되면, 배터리셀 내부에 가연성 가스를 생성시켜 파우치형 배터리셀 자체가 팽창되는 스웰링(Swelling, 팽윤) 현상을 촉발시키게 되며, 이러한 스웰링(Swelling, 팽윤) 현상은 배터리의 발화 및 폭발의 위험을 더욱 증대시키게 된다는 점에서 이를 감지하여 해당 배터리에 대한 전원 제공을 차단하는 대책이 필요한 실정이다.
이러한 스웰링(Swelling, 팽윤) 현상의 감지하고 전원을 차단하는 종래의 기술로서, 배터리 과충전시 배터리 셀의 팽창 압력을 이용하여 용접된 배터리의 + 또는 - 단자가 끊어지게 하는 기술이 있지만, 이러한 종래 기술은 배터리 용접부의 취약성으로 인해 주행이나 이동 중의 진동으로 쉽게 용접부가 손상 또는 파손되는 문제가 있었다.
또한, 대한민국공개특허 제10-2016-0040868호(공개일: 2016년04월15일)에 개시되는 배터리 과충전 방지 장치와 도 5에 도시된 바와 같은 종래의 기계식 셀보호장치 등은, 배터리 과충전시 가스 발생에 따른 배터리팩의 팽창으로 인한 물리적 압력으로 스위치가 눌려지면, 내부의 전원 단속장치인 릴레이가 차단되는 기계적 구조로 이루어지게 된다.
이러한 종래 기계적 장치는, 위와 같은 누름 작동을 위해 소정의 부피를 갖는 관계상 다수의 배터리셀 사이사이에 얇은 두께로 각각 설치되지 못하고 배터리팩의 외측에 돌출된 형태로 설치될 수밖에 없어 구조적으로 설치공간상의 제약이나 간섭이 발생하고, 스위치 단부와 접촉한 배터리셀의 팽윤만을 감지할 뿐 개개의 배터리셀에 대한 팽윤 현상을 개별적으로 감지하지 못하며, 스위치가 눌려 작동한 이후 릴레이 등의 부품교체나 스위치 복원작업 등이 수행되어야 한다는 점에서 불편함이 있었다.
대한민국공개특허 제10-2016-0040868호(공개일: 2016년04월15일)
본 발명의 목적은, 과충전에 의해 배터리셀이 팽윤되는 것을 기계적 작동방식이 아닌 전기적 작동방식으로 정밀하게 감지할 수 있는 과충전감지장치와, 이를 이용하여 팽윤된 배터리셀이 전기적으로 단전되게 작동하는 셀보호장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 다수 개가 서로 전기적으로 연결되어 배터리팩을 이루는 배터리셀의 과충전에 의한 팽윤을 감지하는 과충전감지장치에 있어서, 상기 배터리셀 사이에 배치되어 고정되는 지지프레임; 및 상기 지지프레임의 안쪽에 구비되어 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 물리적으로 변형되며 소정의 전기적 변화를 발생시키는 팽윤감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 과충전감지장치에 의해 달성된다.
상기 팽윤감지부는, 절연물인 필름에 지그재그로 배설된 저항선으로 이루어져 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 물리적으로 변형되며 소정의 저항변화를 발생시키는 박막형 저항식 압력센서와, 상기 지지프레임의 중앙부에서 방사형으로 형성되어 상기 저항식 압력센서를 고정하는 지지리브를 포함할 수 있다.
상기 팽윤감지부는, 상기 저항식 압력센서가 외주면에 2개 이상 결합되어 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 탄성수축되며 소정의 저항변화를 발생시키는 로드셀과, 상기 지지프레임의 중앙부에서 방사형으로 형성되어 상기 로드셀을 고정하는 지지리브를 포함할 수 있다.
상기 팽윤감지부는, 서로 인접한 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 각각 선택적으로 변형되며 소정의 정전용량변화를 발생시키는 차압형 용량식 압력센서와, 상기 지지프레임의 중앙부에서 방사형으로 형성되어 상기 용량식 압력센서를 고정하는 지지리브를 포함할 수 있다.
상기 팽윤감지부는, 서로 인접한 상기 배터리셀의 사이에서 이격상태로 개재되는 감지바와, 상기 지지프레임의 중앙부에서 방사형으로 형성되어 상기 감지바를 고정하며 탄성변형되는 지지리브와, 상기 지지리브를 따라 설치되어 상기 지지리브의 탄성변형에 따라 신축되며 소정의 저항변화를 발생시키는 금속와이어를 포함할 수 있다.
상기의 또 다른 목적은, 과충전감지장치를 이용한 전기식 셀보호장치에 있어서, 다수의 배터리셀이 서로 전기적으로 연결되어 이루어진 배터리팩; 인접한 상기 배터리셀 사이에 배치되어 과충전에 의한 팽윤을 감지하는 다수의 상기 과충전감지장치; 인접한 상기 배터리셀 사이에 구비되어 상기 배터리셀 간을 전기적으로 단속하는 다수의 3방향 스위치; 및 상기 과충전감지장치에 의해 팽윤이 감지된 상기 배터리셀이 전기적으로 단선되도록 상기 스위치를 선택적으로 작동제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 셀보호장치에 의해 달성된다.
상기 제어부는, 상기 과충전감지장치, 상기 스위치 및 상기 제어부가 외부 전원과 별개로 독립적인 작동을 하도록 전원을 제공하는 전원제공부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 과충전감지장치에 의해 팽윤이 감지된 상기 배터리셀의 전기적인 단선을 위해, 인접하는 2개의 상기 스위치가 각각 절환작동하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배터리셀의 팽윤에 따라 물리적으로 변형되며 소정의 전기적 변화(저항변화 또는 정전용량변화)를 발생시키는 팽윤감지부와 이를 안쪽에서 지지하는 지지프레임이 일체화된 형태로 모듈화되어 배터리팩을 이루는 다수의 배터리셀 사이에 각각 배치됨에 따라, 배터리팩 단위가 아닌 배터리셀 단위로 과충전 여부가 기계적 방식에 비해 정밀하게 감지됨은 물론, 별도의 부품교체나 복원작업 없이 반복적인 과충전 감지가 가능하고, 과충전으로 팽윤된 배터리셀의 교체나 장착이 신속하고 용이하게 이루어질 수 있으며, 외부로 돌출되지 않고 배터리팩과 콤팩트한 외관을 이룸으로 인해 설치공간의 제약 없이 배터리팩의 설치가 용이하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기식 과충전감지장치가 설치된 배터리팩의 일부 분해도이다.
도 2는 도 1의 결합상태를 나타낸 도면이다.
도 3a는 도 1의 과충전감지장치를 도시한 사시도와 배터리셀의 팽윤에 따른 작동상태를 각각 도시한 도면이다.
도 3b는 제2 실시예에 따른 과충전감지장치의 사시도와 배터리셀의 팽윤에 따른 작동상태를 각각 도시한 도면이다.
도 3c는 제3 실시예에 따른 과충전감지장치의 사시도와 배터리셀의 팽윤에 따른 작동상태를 각각 도시한 도면이다.
도 3d는 제4 실시예에 따른 과충전감지장치의 사시도와 배터리셀의 팽윤에 따른 작동상태를 각각 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 전기식 셀보호장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 4b는 배터리셀의 팽윤시 도 4a의 작동상태를 도시한 평면도이다.
도 5는 배터리팩의 과충전을 방지하는 종래 기계식 셀보호장치와 그 작동상태를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기식 과충전감지장치가 설치된 배터리팩의 일부 분해도이고, 도 2는 도 1의 결합상태를 나타낸 도면이고, 도 3a는 도 1의 과충전감지장치를 도시한 사시도와 배터리셀의 팽윤에 따른 작동상태를 각각 도시한 도면이고, 도 3b는 제2 실시예에 따른 과충전감지장치의 사시도와 배터리셀의 팽윤에 따른 작동상태를 각각 도시한 도면이고, 도 3c는 제3 실시예에 따른 과충전감지장치의 사시도와 배터리셀의 팽윤에 따른 작동상태를 각각 도시한 도면이고, 도 3d는 제4 실시예에 따른 과충전감지장치의 사시도와 배터리셀의 팽윤에 따른 작동상태를 각각 도시한 도면이고, 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 전기식 셀보호장치를 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 4b는 배터리셀의 팽윤시 도 4a의 작동상태를 도시한 평면도이고, 도 5는 배터리팩의 과충전을 방지하는 종래 기계식 셀보호장치와 그 작동상태를 나타낸 도면이다.
발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.
본 발명에 따른 전기식 과충전감지장치(100)는, 배터리팩(10) 단위가 아니라 배터리팩(10)을 이루는 배터리셀(12) 단위로 과충전 여부를 기계적 방식에 비해 정밀하게 감지하고, 별도의 부품교체나 복원작업 없이 반복적으로 과충전을 감지하며, 과충전으로 팽윤(SW)된 배터리셀(12)의 교체나 장착을 제약하지 않는 한편, 외부로 돌출되지 않고 배터리팩(10)과 콤팩트한 외관을 이뤄 설치공간 또한 특별히 제약하지 않도록 하기 위해 안출된 발명이다.
여기서 배터리팩(10)이란, 하이브리드 자동차를 비롯한 전기 자동차 등에 차량 구동을 위한 고전압의 전기에너지를 제공하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같은 배터리집합체(5)를 이루게 되는 2차 전지모듈(도 2 참조)을 말한다.
이러한 배터리팩(10)은, 다시 단위전지 또는 전지모듈인 충전식 배터리셀(12)을 다수 개로 겹겹이 연결하는 방식으로 구성되며, 이로 인해 높은 전력 및 고전압을 발생시키게 된다.(도 1 참조)
배터리팩(10)을 이루는 배터리셀(12)은, 높은 전력밀도, 용량 대비 우수한 경량성 및 고속충전 등의 대체 불가한 장점으로 인해, 주로 리튬 이온을 소재로 하여 판상(板狀)(도 1 참조)이나 파우치형태로 제조되고 있지만, 반면에 리튬이온을 소재로 한 배터리셀(12)의 단점인 불안정성으로 인한 위험 때문에 이를 감지하고 대처하기 위한 부가적 장치가 별도로 요구되고 있다.
즉, 위와 같은 배터리팩(10)의 불안정성으로 인한 위험 특히, 과충전에 의한 팽윤(SW) 현상(스웰링,Swelling,도 3a의 (c) 참조)을 기본적으로 감지함은 물론, 상술한 바와 같은 특유의 기능 내지 작용이 구현될 수 있도록 하기 위해, 본 발명에 따른 전기식 과충전감지장치(100)는, 지지프레임(110) 및 팽윤감지부(120) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 각 구성들을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 지지프레임(110)은, 배터리팩(10)을 이루기 위해 서로 겹쳐지며 인접배치되는 배터리셀(12) 사이에서 후술할 팽윤감지부(120)가 정위치에 배치고정될 수 있도록 하기 위해 마련된 구성요소이다.
여기서 팽윤감지부(120)가 배치고정되는 정위치란, 배터리셀(12) 사이에서 팽윤(SW) 현상이 즉각적으로 감지될 수 있는 위치를 말하는 것으로서, 판상의 배터리셀(12)인 경우 넓은 쪽 면(12a)의 중앙부에서 인접한 배터리셀(12)과 각각 동일한 간격으로 이격된 위치일 수 있다.
위와 같이 배터리팩(10)을 이루게 되는 다수의 배터리셀(12) 사이에서 팽윤감지부(120)가 정위치에 배치고정될 수 있도록 인접 배터리셀(12) 간을 견고하게 지지하며 일정하게 이격시키는 링형상의 틀부재로 이루어진 것이라면, 지지프레임(110)의 형상이나 구조는 특별하게 제한되지 않는다.
다만, 본 발명의 제1,2,3,4 실시예에 따른 지지프레임(110)은, 도 1 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 배터리셀(12)의 일반적인 형상인 직육면체 형상에 대응하도록 직사각형의 링형태로 제작하되, 그 두께는 지지프레임(110)의 내측에 정위치될 팽윤감지부(120)의 두께와 인접한 배터리셀(12)의 중앙부 간 거리, 배터리셀(12)의 팽윤(SW)시 돌출되는 길이 등을 고려하여 결정할 수 있다.
여기서 지지프레임(110)과 접하게 되는 배터리셀(12)의 넓은 쪽 면(12a)에는, 지지프레임(110)이 끼워맞춤되는 결합홈이 형성될 수 있는데, 이는 과충전감지장치(100)를 포함하는 배터리팩(10)이 신속하고 용이하게 제조될 수 있도록 하기 위함이다.
팽윤감지부(120)는, 지지프레임(110)의 안쪽에 구비되어 배터리셀(12)의 팽윤(SW)에 따라 물리적으로 변형되며 소정의 전기적 변화를 발생시키는 구성요소로서, 이는 연속적으로 변하는 배터리셀(12)에 대한 팽윤(SW)의 정도를 보다 정확하고 정밀하게 실시간 모니터링할 수 있도록 한다는 점에서 종래 일정수준 이상의 팽윤(SW)에만 일회적으로 눌림 작동하게 되는 기계식 셀보호장치(20)(또는 스위치(22))와는 명확하게 차별화된다.
위와 같은 팽윤감지부(120)는, 과충전에 의한 배터리셀(12)의 팽윤(SW) 즉, 넓은 쪽 면(12a)의 위치변화를 증감하는 전기적인 신호로 변환할 수 있는 수단으로 된 것이라면, 어떠한 것이라도 무방하나, 본 발명에 따른 팽윤감지부(120)는, 다음에서 설명하는 다양한 유형의 실시예들로 제작될 수 있다.
즉, 제1 실시예에 따른 팽윤감지부(120)는, 도 1 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 박막형 저항식 압력센서(121) 및 지지리브(128) 등을 포함하여 구성된다.
여기서 박막형 저항식 압력센서(121)는, 절연물인 필름에 지그재그로 배설된 저항선으로 이루어져 배터리셀(12)의 팽윤(SW)(도 3a의 (b) 및 (c) 참조)에 대응한 물리적 변형에 따른 소정의 저항변화를 통해 전기적 신호를 발생시키는 센싱헤드(121a)와, 발생된 전기적 신호를 외부(후술할 제어부(220))로 전송하기 위한 센싱단자(121b) 등으로 구성될 수 있다.
한편, 배터리셀(12)의 팽윤(SW)시 센싱헤드(121a)에 대한 용이하고 즉각적인 접촉 내지 접근이 이루어질 수 있도록 하기 위해, 인접한 배터리셀(12)의 일측에는 센싱헤드(121a)의 양면을 각각 지향한 상태로 탈부착되는 한 쌍의 접촉식 프로브(122)가 구비될 수 있다.
지지리브(128)는, 저항식 압력센서(121)가 정위치에 배치고정될 수 있도록 지지프레임(110)과 저항식 압력센서(121) 간을 연결 고정하는 막대형상의 구성요소로서, 저항식 압력센서(121)가 정위치에 놓이게 되는 지지프레임(110)의 중앙부에서 방사형으로 형성되어 저항식 압력센서(121)를 견고하게 지지고정하게 된다.
이러한 지지리브(128)는, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 4방향에서 대칭형태로 각각 배치될 수 있지만, 이와 달리 필요에 따라서는 저항식 압력센서(121)의 견고한 고정이 담보되는 한도 내에서 경량화를 위해 1개 내지 3개로 배치형성될 수도 있음은 물론이다.
이때, 지지리브(128)는 외부 충격이나 진동에도 저항식 압력센서(121)가 정위치를 견고하게 유지할 수 있도록 하기 위해, 비탄성 소재의 막대형상으로 제작하게 되나, 다만, 도 3d의 제4 실시예에 따른 경우에는 탄성 소재의 막대형상으로 제작하게 된다. 지지리브(128) 각각이 수렴하게 되는 지지프레임(110)의 중앙부에는 저항식 압력센서(121)가 안착고정되는 고정프레임이 구비될 수 있다.
제2 실시예에 따른 팽윤감지부(120)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 로드셀(123) 및 지지리브(128) 등을 포함하여 구성된다.
여기서의 지지리브(128)는 제1 실시예의 경우와 동일하므로, 로드셀(123)에 대한 설명만을 해보면, 로드셀(123)은 배터리셀(12)의 팽윤(SW)에 따라 탄성수축 또는 탄성변형되며 소정의 저항변화를 통해 전기적 신호를 발생시키는 구성요소로서, 상술한 저항식 압력센서(센싱헤드(123a) 및 센싱단자(123b)) 2개와, 탄성체(123c)로 구성될 수 있다.
탄성체(123c)는 배터리셀(12)의 팽윤(SW) 현상을 즉각 감지할 수 있는 정위치인 지지프레임(110)의 중앙부에 배치되어 배터리셀(12)의 팽윤(SW)(도 3b의 (b) 및 (c) 참조)에 따라 양단부 중 적어도 어느 한 단부가 선택적으로 탄성수축 또는 탄성변형되는 원통형의 구성요소로서, 고무 또는 발포성 합성수지 등으로 제작될 수 있다.
저항식 압력센서는 인접한 배터리셀(12)의 넓은 쪽 면(12a)에 근접한 탄성체(123c)의 외주면에 2개 이상이 각각 결합되는 구성요소로서, 도 3b의 (c)에 도시된 바와 같은 탄성체(123c)의 수축에 대응한 물리적 변형에 따른 소정의 저항변화를 통해 전기적 신호를 발생시키는 센싱헤드(123a)와, 센싱헤드(123a)에서 발생된 전기적 신호를 외부(후술할 제어부(220))로 전송하기 위한 센싱단자(123b) 등으로 구성될 수 있다.
이때, 2 이상의 센싱헤드(123a)는 각각 인접배치된 배터리셀(12)의 팽윤(SW) 여부를 구별하여 감지하게 된다.
제3 실시예에 따른 팽윤감지부(120)는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 차압형 용량식 압력센서(124) 및 지지리브(128) 등을 포함하여 구성된다.
여기서의 지지리브(128) 또한, 제1 실시예의 경우와 동일하므로, 차압형 용량식 압력센서(124)에 대한 설명만을 해보면, 차압형 용량식 압력센서(124)는 서로 인접한 배터리셀(12)의 팽윤(SW)에 따라 각각 선택적으로 변형되며 소정의 정전용량변화를 통해 전기적 신호를 발생시키는 구성요소로서, 변위다이어프램(124a), 센싱다이어프램(124c) 및 센싱단자(124b) 등으로 구성될 수 있다.
변위다이어프램(124a)는 인접한 배터리셀(12)을 각각 마주하도록 한 쌍으로 배치되어 배터리셀(12)의 팽윤(SW)(도 3c의 (b) 및 (c) 참조)에 따라 선택적으로 변위되는 구성요소로서, 적어도 어느 한쪽의 변위에 의해 후술할 센싱다이어프램(124c) 측이 다양하게 변형되면서 정전용량의 변화가 이루어지게 된다.
센싱다이어프램(124c)은, 위와 같은 변위다이어프램(124a)의 변위에 따라 변형되며 용량식 압력센서(124)의 내부 정전용량을 가변시키는 구성요소이고, 센싱단자(124b)는 가변된 정전용량으로부터 초래된 특징적인 전기적 신호를 외부(후술할 제어부(220))로 전송하기 위한 구성요소이다.
제4 실시예에 따른 팽윤감지부(120)는, 도 3d에 도시된 바와 같이, 감지바(125), 지지리브(128) 및 금속와이어(126) 등을 포함하여 구성된다.
여기서의 지지리브(128)는 제1 실시예의 경우와 비교시 단지 탄성소재로 이루어져 인접한 배터리팩(10)의 팽윤(SW)에 따라 자유롭게 늘어나고 수축하며 한다는 점에서만 차이가 있으므로, 이하에서는 감지바(125) 및 금속와이어(126)에 대한 설명만을 하기로 한다.
먼저, 감지바(125)는 서로 인접한 배터리셀(12)의 사이에서 이격상태로 개재되어 배터리셀(12)의 팽윤(SW)(도 3c의 (b) 및 (c) 참조)에 따라 좌우로 움직이며 상술한 지지리브(128)를 변형시키는 구성요소로서, 비탄성 소재의 막대형상으로 제작될 수 있다.
금속와이어(126)는, 지지리브(128)를 따라 설치되어 지지리브(128)의 탄성변형에 따라 신축되며 소정의 저항변화를 발생시키는 전기전도성 금속선으로 된 구성요소로서, 지지리브(128)의 자유로운 신축을 방해하지 않도록, 정현파 형상으로 지지리브(128)에 결합될 수 있다.
이때, 금속와이어(126)가 지지리브(128)의 탄성변형과 함께 물리적으로 변형됨에 따른 소정의 저항변화로부터 발생하게 된 전기적 신호는 금속와이어(126)의 단부를 통해 외부(후술할 제어부(220))로 전송된다.
본 발명의 실시예에 따른 전기식 셀보호장치(200)는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 위에서 상술한 전기식 과충전감지장치(100)를 주요 구성으로 하여 전체 시스템을 구현하게 되는데, 구체적으로 배터리팩(10), 3방향 스위치(210) 및 제어부(220) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
배터리팩(10)은, 앞에서 설명한 바와 같이 하이브리드 자동차를 비롯한 전기자동차 등에 차량 구동을 위한 고전압의 전기에너지를 제공하기 위한 구성요소로서, 다수의 배터리셀(12)이 서로 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결되어 이루어지게 된다.
본 발명의 전기식 셀보호장치(200)에 적용되는 광충전감지장치는, 인접한 배터리셀(12) 사이에 각각 배치되어 과충전에 의한 팽윤(SW)을 감지하는 구성요소로서, 앞에서 구체적으로 설명한 제1,2,3,4 실시예에 따른 경우가 선택적으로 적용될 수 있음은 물론이다.
3방향 스위치(210)는, 인접한 배터리셀(12) 간을 직렬 또는 병렬연결한 배선 사이에 구비되어 배터리셀(12) 간을 전기적으로 단속(斷續)하는 구성요소로서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 후술할 제어부(220)에 의해 작동제어되는 스탭모터(미도시)의 회전에 따라 3개의 접점 간을 선택적으로 연결하는 구조로 이루어질 수 있다.
제어부(220)는 과충전감자장치, 상술한 3방향 스위치(210) 등과 전기적으로 연결된 상태에서 소정의 전원제공부(230)(미도시)를 통해 각 장치에 전원을 인가하여 그 작동을 제어하는 한편, 각 장치에서 측정된 데이터를 전송받아 처리하게 되는 구성요소로서, 과충전감지장치(100)에 의해 팽윤(SW)이 감지되면 해당 배터리셀(12)이 전기적으로 단선(斷線)되도록 3방향 스위치(210)을 선택적으로 작동제어하는 기능을 주요하게 수행하게 된다.
이러한 제어부(220)는, MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer), 아두이노(Arduino) 등과 같은 모듈화된 유닛으로 구현될 수 있는데, 본 발명에 따른 전기식 셀보호장치(200)가 차량 등에 적용되는 경우, 차량 등의 메인컨트롤러와는 별개로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
이는 차량의 사고 등으로 인해 메인컨트롤러가 파손되거나 고장이 나더라도 이와 상관없이 전기식 셀보호장치(200)가 정상적인 작동을 수행할 수 있도록 하기 위함이다.
이때, 연결된 각 장치를 제어하고 송수신되는 데이터 등을 처리하는 제어부(220)의 일련의 연산 및 데이터처리 알고리즘이나 과정은, 모듈화된 유닛을 통해 읽힐 수 있는 C, C++, JAVA, 기계어 등의 프로그래밍 언어로 코딩됨으로써 이루어지게 된다. 위와 같은 코딩은, 당업자 수준에서 목적구현을 위해 다양한 방식 및 형태로 손쉽게 이루어질 수 있는바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 제어부(220)와 연결되어 전원을 제공하게 되는 전원제공부(230) 또한, 본 발명에 따른 전기식 셀보호장치(200)가 차량 등에 적용되는 경우, 차량 등의 메인전원장치와는 별개로 과충전감지장치(100), 3방향 스위치(210) 및 제어부(220)에 독립적인 전원이 각각 제공될 수 있도록 하는 것이 바람직한데, 이유는 상술한 제어부(220)의 경우와 같다.
이상에 살펴본 본 발명의 실시예에 따른 전기식 셀보호장치(200)가 배터리셀(12)의 팽윤(SW)을 감지한 경우, 작동하게 되는 일련의 과정을 도 4b를 참조하여 간단히 설명하기로 한다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 아래쪽에서 2번째에 위치한 배터리셀(12')에 과충전 등에 의한 팽윤(SW)이 발생(①)하게 되면, 이와 인접한 과충전감지장치(100) 각각은 이를 감지하여 센싱단자(121b,123b,124b) 등을 통해 제어부(220)로 해당 전기적 신호를 송출(②,②')하게 된다.
마지막으로, 도 4a에 도시된 바와 같이, 전기적 신호를 수신한 제어부(220)는, 팽윤(SW)이 발생할 배터리셀(12')이 배터리팩(10)으로부터 고립되도록 즉, 단선(④)되도록, 인접한 2개의 3방향 스위치(210)를 각각 절환작동(③,③')하도록 제어하게 된다.
위와 같은 일련의 과정으로 작동하는 본 발명의 실시예에 따른 전기식 셀보호장치(200)로 인해, 배터리팩(10) 단위가 아닌 배터리셀(12) 단위로 팽윤(SW) 상태 여부가 즉각적으로 감지될 수 있게 됨에 따라 발화 및 폭발의 위험으로부터 더욱 안전한 배터리의 사용이 담보될 수 있음은 물론, 패터리팩 전체가 아닌 팽윤(SW)된 배터리셀(12) 만을 단선시킨 상태로 배터리팩(10)을 연속적으로 사용할 수 있게 되는 사용상의 편의가 도모될 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
SW: 팽윤, 팽창, 스웰링 5: 배터리집합체
10: 배터리팩 12: 배터리셀
12a: 배터리셀의 넓은 쪽 면 20: 종래의 기계식 셀보호장치
22: 스위치
100: 전기식 과충전감지장치 110: 지지프레임
120: 팽윤감지부 121: 저항식 압력센서
121a,123a: 센싱헤드 121b,123b,124b: 센싱단자
122: 접촉식 프로브 123: 로드셀
123c: 탄성체 124: 용량식 압력센서
124a: 변위다이어프램 124c: 센싱다이어프램
125: 감지바 126: 금속와이어
128: 지지리브
200: 전기식 셀보호장치 210: 3방향 스위치
220: 제어부 230: 전원제공부

Claims (8)

  1. 다수의 배터리셀이 서로 전기적으로 연결되어 이루어진 배터리팩; 인접한 상기 배터리셀 사이에 배치되어 과충전에 의한 팽윤을 감지하는 다수의 과충전감지장치; 인접한 상기 배터리셀 사이에 구비되어 상기 배터리셀 간을 전기적으로 단속하는 다수의 3방향 스위치; 및 상기 과충전감지장치에 의해 팽윤이 감지된 상기 배터리셀이 전기적으로 단선되도록 상기 스위치를 선택적으로 작동제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 스위치는,
    스탭모터의 회전에 따라 3개의 접점 중 2개의 상기 접점 간을 선택적으로 접속시키는 작동을 하되, 2개의 상기 접점은 인접한 상기 배터리셀 간을 직렬 또는 병렬연결하는 배선과 각각 연결되고, 나머지 1개의 상기 접점은 인접한 상기 스위치 간을 직렬 또는 병렬연결하는 배선과 연결되도록 구비되며,
    상기 제어부는,
    상기 과충전감지장치, 상기 스위치 및 상기 제어부가 외부 전원과 별개로 독립적인 작동을 하도록 전원을 제공하는 전원제공부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 과충전감지장치에 의해 팽윤이 감지된 상기 배터리셀의 전기적인 단선이 이루어지도록, 팽윤이 감지된 상기 배터리셀을 기준으로 인접한 2개의 상기 스위치를 각각 절환시키는 작동제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 전기식 셀보호장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 과충전감지장치는,
    상기 배터리셀 사이에 배치되어 고정되는 지지프레임; 및
    상기 지지프레임의 안쪽에 구비되어 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 물리적으로 변형되며 소정의 전기적 변화를 발생시키는 팽윤감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 셀보호장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팽윤감지부는,
    절연물인 필름에 지그재그로 배설된 저항선으로 이루어져 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 물리적으로 변형되며 소정의 저항변화를 발생시키는 박막형 저항식 압력센서와, 상기 지지프레임의 중앙부에서 방사형으로 형성되어 상기 저항식 압력센서를 고정하는 지지리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 셀보호장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 팽윤감지부는,
    상기 저항식 압력센서가 외주면에 2개 이상 결합되어 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 탄성수축되며 소정의 저항변화를 발생시키는 로드셀과, 상기 지지프레임의 중앙부에서 방사형으로 형성되어 상기 로드셀을 고정하는 지지리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 셀보호장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 팽윤감지부는,
    서로 인접한 상기 배터리셀의 팽윤에 따라 각각 선택적으로 변형되며 소정의 정전용량변화를 발생시키는 차압형 용량식 압력센서와, 상기 지지프레임의 중앙부에서 방사형으로 형성되어 상기 용량식 압력센서를 고정하는 지지리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 셀보호장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 팽윤감지부는,
    서로 인접한 상기 배터리셀의 사이에서 이격상태로 개재되는 감지바와, 상기 지지프레임의 중앙부에서 방사형으로 형성되어 상기 감지바를 고정하며 탄성변형되는 지지리브와, 상기 지지리브를 따라 설치되어 상기 지지리브의 탄성변형에 따라 신축되며 소정의 저항변화를 발생시키는 금속와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 셀보호장치.
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