KR102401970B1 - 배터리 과충전 방지장치 및 방법 - Google Patents

배터리 과충전 방지장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 과충전 방지장치를 개시한다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀의 일면에 고정되는 과충전 감지부; 일측이 과충전 감지부에 연결되는 팽창력 전달부; 및 팽창력 전달부의 타측에 연결되는 스위치부를 포함하되, 배터리 셀의 일면이 상승할 때, 과충전 감지부 및 팽창력 전달부의 일측은 제1방향(D1)으로 이동하고, 팽창력 전달부의 타측 및 스위치부는 제1방향(D1)과 반대인 제2방향(D2)으로 이동하고, 스위치부가 제2방향(D2)으로 이동할 때, 스위치부는 배터리 외부로 흐르는 전류를 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 방지장치를 제공한다.

Description

배터리 과충전 방지장치 및 방법{Method And Apparatus for Preventing Battery Overcharge}
본 개시는 배터리 과충전 방지장치 및 이를 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 배터리 셀이 과충전되는 경우 배터리 셀의 팽창력을 이용하여 배터리 외부로 흐르는 전류를 차단함으로써, 외력에 의하여 배터리 셀이 파열되지 않고 릴레이 등 전기적 소자를 사용하지 않는 간단한 장치로 배터리 과충전을 방지하는 구조 및 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
환경 차량은 구동력을 발휘하기 위한 모터(motor), 모터에 전기를 공급하는 인버터(inverter) 및 고전압배터리(high-voltage battery)를 포함한다. 여기서, 고전압 배터리는 충전된 전기를 소모하고 나면 재충전을 하게 되는데, 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)라는 배터리 제어기가 충전기와 상호 협조 제어하여 고전압 배터리를 충전하게 된다.
그러나, 배터리, 인버터 또는 충전기 등의 고장으로 인하여 고전압 배터리가 정상적인 충전량을 초과해서 과충전되는 경우, 배터리 셀이 팽창하여 차량에 화재나 폭발이 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 차량의 안전성을 확보하기 위하여, 고전압 배터리의 과충전시 전류를 차단하는 구조가 필요하다.
도 1은 종래 기술에 의한 과충전 방지 구조의 제 1 예를 도시한 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 의한 과충전 방지 구조의 제 2 예를 도시한 사시도이며, 도 3은 종래 기술에 의한 과충전 방지 구조의 제 2 예를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 과충전 방지 구조의 제 1 예는, 고전압 배터리(10)가 과충전되어 배터리 셀(30)이 팽창하는 경우 배터리 셀(30)의 물리적인 팽창력을 이용하여 배터리 셀의 (+)단자(20) 및 (-)단자(21)가 파열됨으로써, 전류를 차단하는 방법이 사용되었다. 즉, 고전압 배터리(10)가 과충전되면 배터리 셀(30) 내에 가스가 발생하고, 발생된 가스에 의해 배터리 셀(30)이 팽창하여 (+), (-)단자(20, 21)가 외부로 돌출되며, 외부로 돌출된 (+), (-)단자(20, 21)의 용접부가 팽창에 의해 뜯겨짐으로써 전류가 차단되는 메카니즘이 사용된 것이다. 그러나, 종래 기술은 배터리 셀(30) 용접부를 물리적인 외력에 취약하게 구성하여 배터리 셀탭부의 용접강도를 저하시킬 수 밖에 없으므로, 차량의 진동 등의 물리적 외력에 의하여 배터리 셀이 파열될 수 있는 문제점이 있다.
도 2및 도 3을 참조하면, 종래 기술에 의한 과충전 방지 구조의 제 2 예는, 고전압 배터리(10)가 과충전되어 배터리 셀(30)이 팽창하는 경우 배터리 셀의 커버(31)가 팽창하고, 팽창된 배터리 셀 커버(31)가 스위치(32)를 눌러 전원을 차단하는 릴레이를 개방함으로써, 전류를 차단하는 방법이 사용되었다. 그러나, 종래 기술은 릴레이가 다른 원인에 의하여 융착(상시 붙은 상태)되는 경우 작동할 수 없으며, 스위치(32)가 셀 팽창시 유효 위치에 장착되고 배터리 셀 팽창(2)에 따른 변위 발생이 없어야 하므로 고정 브라켓(33) 등을 이용하여 스위치(32)를 위치를 고정하고 배터리 셀 팽챙력을 제어해야하는 문제점이 있다.
KR 2013-0044874 A
본 개시는 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 배터리 셀이 과충전되는 경우 배터리 셀의 팽창력을 이용하여 배터리 외부로 흐르는 전류를 차단함으로써, 외력에 의하여 배터리 셀이 파열되지 않고 릴레이 등 전기적 소자를 사용하지 않는 간단한 장치로 배터리 과충전을 방지하는 구조를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 배터리 셀의 일면에 고정되는 과충전 감지부; 일측이 과충전 감지부에 연결되는 팽창력 전달부; 및 팽창력 전달부의 타측에 연결되는 스위치부를 포함하되, 배터리 셀의 일면이 상승할 때, 과충전 감지부 및 팽창력 전달부의 일측은 제1방향(D1)으로 이동하고, 팽창력 전달부의 타측 및 스위치부는 제1방향(D1)과 반대인 제2방향(D2)으로 이동하고, 스위치부가 제2방향(D2)으로 이동할 때, 스위치부는 배터리 외부로 흐르는 전류를 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 방지장치를 제공한다.
본 개시에 의한 배터리 과충전 방지장치에 의하면, 배터리 셀이 과충전되는 경우 외력에 의하여 배터리 셀이 파열되지 않고 릴레이 등 전기적 소자를 사용하지 않는 간단한 장치로 배터리 과충전을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 과충전 방지 구조의 제 1 예를 도시한 사시도.
도 2는 종래 기술에 의한 과충전 방지 구조의 제 2 예를 도시한 사시도.
도 3은 종래 기술에 의한 과충전 방지 구조의 제 2 예를 도시한 단면도.
도 4는 본 개시에 의한 과충전 방지 구조가 장착된 배터리 모듈을 도시한 사시도.
도 5는 본 개시에 의한 과충전 방지 구조를 도시한 사시도.
도 6은 본 개시에 의한 과충전 방지 구조를 도시한 측면도.
도 7은 배터리 모듈이 과충전되는 경우 배터리 셀의 팽창력을 측정한 다이어그램.
도 8은 본 개시에 의한 과충전 방지 구조의 작동 메커니즘을 도시한 흐름도.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시에 의한 배터리 과충전 방지장치의 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다
도 4는 본 개시에 의한 과충전 방지 구조가 장착된 배터리 모듈을 도시한 사시도이고, 도 5는 본 개시에 의한 과충전 방지 구조를 도시한 사시도이며, 도 6은 본 개시에 의한 과충전 방지 구조를 도시한 측면도이고, 도 7은 배터리 모듈이 과충전되는 경우 배터리 셀의 팽창력을 측정한 다이어그램이다.
도 4내지 도 7을 참조하면, 본 개시에 의한 배터리 과충전 방지장치의 일 실시예는, 과충전 감지부(overcharge detecting unit, 100), 팽창력 전달부(expansion force transmission unit, 200) 및 스위치부(switching unit, 300)를 포함할 수 있다.
과충전 감지부(100)는, 배터리 셀(battery cell)의 팽창력을 감지한다. 더욱 상세하게는, 과충전 감지부(100)는, 배터리 셀(30)이 과충전되어 팽창하는 경우 배터리 셀의 외부 보호재(34)의 변형력을 감지할 수 있다. 즉, 과충전 감지부(100)는, 배터리 셀(30)이 과충전되어 팽창하는 경우 배터리 셀(30)의 팽창력을 배터리 셀의 외부 보호재(34)의 변형을 통하여 감지하는 것이다. 여기서, 배터리 셀(30)은 외부 보호재(34)에 의해 감싸여 있을 수 있다. 특히, 배터리 셀(30)이 과충전되는 경우 배터리 셀(30)의 상부 부분이 부풀어 오를 수 있다. 왜냐하면, 배터리 셀(30)의 상부 부분을 제외하고는 배터리 모듈 케이스 등에 의해 배터리 셀(30)이 팽창할 수 있는 공간이 제한되기 때문이다. 그 후, 과충전 감지부(100)는 부풀어 오른 배터리 셀(30)의 상부 부분의 팽창력을 감지할 수 있다. 또한, 과충전 감지부(100)는, 배터리 셀(30) 상부에 장착되어 배터리 셀 상부의 팽창력을 감지하고 배터리 셀 상부의 상향하는 팽창력을 팽창력 전달부(200)로 전달할 수 있다. 여기서, 과충전 감지부(100)가 감지하는 배터리 셀의 팽창력의 방향은 제한이 없으며, 배터리 셀의 팽창력의 방향에 따라 과충전 감지부(100)의 형태는 다양할 수 있다.
팽창력 전달부(200)는, 과충전 감지부(100)로부터 배터리 셀의 팽창력을 전달받아 스위치부(300)로 전달한다. 더욱 상세하게는, 팽창력 전달부(200)는 제 1 전달부(first transmission portion, 210), 방향 전환부(direction changing portion, 220) 및 제 2 전달부(second transmission portion, 230)을 포함할 수 있다.
제 1 전달부(210)는, 과충전 감지부(100)로부터 배터리 셀의 팽창력을 전달받는다. 즉, 제 1 전달부(210)는, 배터리 셀(30)이 과충전되어 팽창하는 경우 배터리 셀 상부의 상향하는 팽창력을 과충전 감지부(100)로부터 전달받는 것이다. 여기서, 배터리 셀의 팽창력의 방향은 제한이 없으며, 배터리 셀의 팽창력의 방향에 따라 제 1 전달부(210)의 형태는 다양할 수 있다.
방향 전환부(220)는, 전달받은 배터리 셀의 팽창력의 방향을 전환한다. 즉, 방향 전환부(220)는, 스위치부(300)를 구동시켜 배터리 외부로 흐르는 전류를 차단하기 위하여 스위치부(300)에 전달되는 팽창력의 방향을 전환하는 것이다. 특히, 방향 전환부(220)는, 상향하는 배터리 셀의 팽창력을 하향하는 방향으로 전환할 수 있다. 여기서, 방향 전환부(220)가 전환하는 배터리 셀의 팽창력의 방향은 제한이 없으며, 전환되는 배터리 셀의 팽창력의 방향에 따라 방향 전환부(220)의 형태는 다양할 수 있다.
제 2 전달부(230)는, 전환된 팽창력을 스위치부(300)로 전달한다. 즉, 제 2 전달부(230)는, 전환된 팽창력을 스위치(300)로 전달하여 스위치부(300)가 배터리 외부로 흐르는 전류를 차단하도록 하는 것이다. 특히, 제 2 전달부(230)는, 하향하는 전환된 팽창력을 스위치부(300)로 전달할 수 있다. 여기서, 제 2 전달부(230)가 전달하는 전환된 배터리 셀의 팽창력의 방향은 제한이 없으며, 전환된 배터리 셀의 팽창력의 방향에 따라 제 2 전달부(230)의 형태는 다양할 수 있다.
스위치부(300)는, 팽창력 전달부(200)로부터 전달된 팽창력에 의해 배터리(10) 외부로 흐르는 전류를 차단한다. 더욱 상세하게는, 스위치부(300)는, 제 1 버스바부(first bus bar portion, 310), 제 2 버스바부(second bus bar portion, 320), 연결부(connecting portion, 330) 및 스프링부(spring portion, 340)을 포함할 수 있다.
제 1 버스바부(310)는, 배터리(10) 외부로 전류를 전도한다. 즉, 제 1 버스바부(310)는, 배터리(10)와 외부 부하를 연결하여 배터리 셀의 전류를 외부 부하로 전도하는 것이다. 여기서, 제 1 버스바부(310)의 형태는 제한이 없으며 다양한 형상을 가질 수 있다.
제 2 버스바부(320)는, 배터리 셀 전류를 제 1 버스바부(310)로 전도한다. 즉, 제 2 버스바부(330)는, 제 1 버스바부(310)가 외부 부하에 배터리 셀 전류를 전도할 수 있도록 배터리 셀(30)의 전류를 제 1 버스바부(310)으로 전도하는 것이다. 여기서, 제 2 버스바부(320)의 형태는 제한이 없으며 다양한 형상을 가질 수 있다.
연결부(330)는, 제 1 버스바부(310)와 제 2 버스바부(320)를 연결한다. 즉, 연결부(330)는, 스프링부(340)에 의해 가해진 압력에 의하여 제 1 버스바부(310)와 제 2 버스바부(320)를 연결시켜 배터리 셀 전류를 전도시키는 것이다. 그러나, 배터리 셀(30)이 과충전되어 팽창하는 경우, 팽창력 전달부(200)로부터 전환된 팽창력을 전달받아 스프링부(340)가 가해준 압력이 제거되면 제 1 버스바부(310)와 제 2 버스바부(320)의 연결을 해제할 수 있다. 여기서, 연결부(330)의 형태는 제한이 없으며 다양한 형상을 가질 수 있다.
스프링부(340)는, 제 1 버스바부(310)와 제 2 버스바부(320)가 연결되도록 연결부(330)에 압력을 가한다. 즉, 스프링부(340)는, 압력을 가하는 압축스프링(341)을 포함하고 있으므로, 배터리 셀(30)이 과충전되지 않는 경우 제 1 버스바부(310)와 제 2 버스바부(320)가 연결되도록 연결부(330)에 압력을 가할 수 있다. 그러나, 스프링부(340)는, 배터리 셀(30)이 과충전되어 팽창하는 경우 연결부(330)에 가한 압력을 해제하여 제 1 버스바부(310)와 제 2 버스바부(320)의 연결을 해제할 수 있다. 특히, 스프링부(340)는, 배터리 셀(30)이 과충전되어 팽창하는 경우 팽창력 전달부(200)로부터 전달된 팽창력에 의해 연결부(330)에 가한 압력을 해제하여 제 1 버스바부(310)와 제 2 버스바부(320)의 연결을 차단할 수 있다. 여기서, 스프링부(340)가 연결부(330)에 가하는 압력의 방향은 제한이 없으며, 압력의 방향에 따라 스프링부(340)의 형태는 다양할 수 있다.
이하에서는 본 개시에 의한 배터리 과충전 방지장치의 작동 매커니즘을 보다 상세하게 설명한다.
도 8은 본 개시에 의한 과충전 방지 구조의 작동 메커니즘을 도시한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 배터리 셀(30)이 과충전되는 경우 배터리 셀(30)이 부풀어 오르게 된다. 배터리 셀(30)이 부풀어 오르면 배터리 셀 상부 또는 상부 카트리지(31)가 상승하여 변형되고, 배터리 셀(30)에 장착된 과충전 감지부(100)를 상승시킨다. 배터리 셀의 팽창력에 의해 상승된 과충전 감지부(100)는 팽창력을 팽창력 전달부(200)에 의해 스위치부(300)로 전달하고 팽창력 전달부(200)에 의해 방향이 전환된 팽창력은 스위치부(300) 내 스프링부(340)를 변형 또는 하강시킨다. 그 후, 스프링부(340)의 변형 또는 하강에 의해 스프링부(340)는 연결부(330)에 가한 압력을 해제하여 제 1 버스바부(310)과 제 2 버스바부(320)의 연결을 단락하여 전류를 차단시킨다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 배터리 모듈 (또는 고전압 배터리)
20: 배터리 셀의 용접된 (+) 단자부
21: 배터리 셀의 용접된 (-) 단자부
30: 배터리 셀
31: 배터리 셀 커버(상부 카트리지) 32: 스위치
33: 고정 브라켓 34: 배터리 셀의 외부 보호재
100: 과충전 감지부
200: 팽창력 전달부
210: 제 1 전달부 220: 방향 전환부
230: 제 2 전달부
300: 스위치부
310: 제 1 버스바부 320: 제 2 버스바부
330: 연결부 340: 스프링부

Claims (6)

  1. 배터리 셀(battery cell)의 일면에 고정되는 과충전 감지부(overcharge detecting unit);
    일측이 상기 과충전 감지부에 연결되는 팽창력 전달부(expansion force transmission unit); 및
    상기 팽창력 전달부의 타측에 연결되는 스위치부(switching unit)를 포함하고,
    상기 스위치부는,
    상기 배터리 셀의 외부로 전류를 전도하기 위한 제1 버스바부(first bus bar portion); 및
    상기 제1 버스바부와 이격되어 배치되고, 연결부(connecting portion)에 의해 상기 제1 버스바부와 연결되어 상기 제1 버스바부에 상기 배터리 셀의 전류를 전도할 수 있도록 구성된 제2 버스바부(second bus bar portion)
    를 포함하되,
    상기 배터리 셀의 일면이 상승할 때, 상기 과충전 감지부 및 상기 팽창력 전달부의 일측은 제1방향(first direction, D1)으로 이동하고, 상기 팽창력 전달부의 타측 및 상기 연결부는 상기 제1방향과 반대인 제2방향(second direction, D2)으로 이동하고,
    상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)은 상기 배터리 셀의 일면의 상승 방향과 평행하며,
    상기 연결부가 제2방향(D2)으로 이동할 때, 상기 제1 버스바부 및 상기 제2 버스바부의 연결이 해제됨으로써, 배터리 외부로 흐르는 전류를 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 방지장치(apparatus for preventing battery overcharge).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 팽창력 전달부는,
    상기 팽창력 전달부의 일측에 형성되는 제1 전달부(first transmission portion) 및 상기 팽창력 전달부의 타측에 형성되는 제2 전달부(second transmission portion)를 포함하되,
    상기 제1 전달부는 상기 과충전 감지부와 회전 가능하게 연결되고,
    상기 제2 전달부는 상기 스위치부와 회전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 방지장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전달부가 상기 제1방향(D1) 및 상기 제2방향(D2) 중 하나의 방향으로 이동할 때, 상기 제2 전달부는 상기 제1방향(D1) 및 상기 제2방향(D2) 중 다른 하나의 방향으로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 방지장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 팽창력 전달부는,
    상기 제1 전달부 및 상기 제2 전달부 사이에 배치되는 방향 전환부(direction changing portion)
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 방지장치.
  6. 제1항에 따른 배터리 과충전 방지장치를 이용한 배터리 과충전 방지방법에 있어서,
    상기 배터리 셀의 일면이 상승함에 따라, 상기 과충전 감지부 및 상기 팽창력 전달부의 일측을 상기 제1방향(D1)으로 이동시키는 과정;
    상기 팽창력 전달부의 타측 및 상기 연결부를 상기 제2방향(D2)으로 이동시키는 과정; 및
    상기 연결부가 상기 제2방향(D2)으로 이동하면서 상기 제1 버스바부 및 상기 제2 버스바부의 연결이 해제되어 배터리 외부로 흐르는 전류를 차단하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 방지방법.
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