KR102554938B1 - 배터리의 과충전 보호 시스템 및 방법 - Google Patents

배터리의 과충전 보호 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템은, 배터리 셀 장착부에 장착되며, 서로 면접촉되어 적층되는 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나 이상의 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈에 결합되고, 제1 전극 및 상기 제1 전극에 일정거리 이격되어 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정해서 측정된 정전용량에 기반하여 배터리 셀의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단부; 및 상기 과충전 판단부에서 과충전으로 판단하는 경우, 전원공급부로부터 상기 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단하여 상기 배터리 셀이 과충전되는 것을 방지하는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.

Description

배터리의 과충전 보호 시스템 및 방법{OVERCHARGE PROTECTION SYSTEM AND METHOD FOR BATTERY}
본 발명은 배터리의 과충전 보호 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 셀의 과충전시 배터리 셀에 공급되는 전원이 차단되도록 하는 배터리의 과충전 보호 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 자동차, 전기자동차 및 연료전지 자동차에는 차량 구동을 위한 전기 에너지가 공급될 수 있도록 고전압 배터리가 사용된다. 이러한 고전압 배터리는 다수의 단위전지 또는 모듈을 연결하여 고전압을 만들 수 있는 배터리 팩으로 구성되며, 이를 이용하여 높은 전력을 발생시킨다.
한편, 고전압 배터리 셀 내부에는 전해액이 주입되어 있는데, 배터리가 과충전되면 전압이 상승하게 되고, 과열로 인해 셀 내부의 전해액이 분해되어 가연성 가스가 배터리 셀 내부적으로 발생됨으로써, 배터리 셀이 팽창되는 스웰링 현상이 일어나게 되어 배터리의 발화 및 폭발 위험이 커지는 문제가 있었다. 아울러, 이와 같이 배터리 셀이 스웰링 됨에 따라 배터리 셀의 내구성이 약해진다는 문제도 있었다.
이에 따라, 배터리의 과충전에 따른 스웰링 현상이 발생할 시, 배터리에 공급되는 전원을 안정적으로 차단하여 배터리가 과충전으로 인해 스웰링되는 것으로부터 보호할 수 있는 기술개발이 필요한 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2013-0044877
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 제1전극 및 제1 전극에 일정거리 이격되어 위치하는 제2 전극을 포함하며, 배터리 모듈에 결합되는 과충전 판단부에서 제1 전극 및 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정해서 측정된 정전용량에 기반하여 배터리 셀이 과충전되고 있다고 판단할 시, 컨트롤러에서 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단함으로써, 배터리 셀이 과충전되어 발생할 수 있는 안전사고로부터 보호할 수 있으며, 배터리의 내구성을 향상시킬 수 있는 배터리의 과충전 보호 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템은, 배터리 셀 장착부에 장착되며, 서로 면접촉되어 적층되는 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나 이상의 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈에 결합되고, 제1 전극 및 상기 제1 전극에 일정거리 이격되어 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정해서 측정된 정전용량에 기반하여 배터리 셀의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단부; 및 상기 과충전 판단부에서 과충전으로 판단하는 경우, 전원공급부로부터 상기 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단하여 상기 배터리 셀이 과충전되는 것을 방지하는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.
상기 과충전 판단부는 배터리 모듈의 복수의 배터리 셀 중 최외측에 위치한 배터리 셀의 노출면 측에 결합될 수 있다.
상기 제1 전극은 배터리 모듈의 복수의 배터리 셀 중 최외측에 위치한 배터리 셀의 노출면 측에 결합되며, 상기 제2 전극은 상기 배터리 셀 장착부에 고정 결합될 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 최외측에 위치한 배터리 셀의 노출면 사이에 절연패드가 면접촉되어 삽입될 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에는 사전 설정된 값의 유전률을 갖는 매질이 포함될 수 있다.
상기 과충전 판단부는,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정하고, 측정한 정전용량에 기반하여 전압 값을 도출하며, 도출된 전압값과 사전 설정된 전압 값을 비교하여 배터리 셀의 과충전 여부를 판단할 수 있다.
상기 과충전 판단부는 상기 배터리 모듈의 배터리 셀들 사이에 결합될 수 있다.
상기 과충전 판단부는 상기 배터리 모듈들 사이에 결합될 수 있다.
상기 과충전 판단부에서 과충전으로 판단하는 경우, 과충전 발생 알림을 해주는 알림부;를 더 포함할 수 있다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 배터리의 과충전 보호 방법은, 배터리 과충전 보호 시스템을 이용한 배터리 과충전 보호 방법에 있어서, 제1 전극 및 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정하는 단계; 측정된 정전용량에 기반하여 전압을 도출하고, 도출된 전압과 사전 설정된 전압을 비교하여 과충전 여부를 판단하는 단계; 및 과충전으로 판단하는 경우, 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1전극 및 제1 전극에 일정거리 이격되어 위치하는 제2 전극을 포함하며, 배터리 모듈에 결합되는 과충전 판단부에서 제1 전극 및 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정해서 측정된 정전용량에 기반하여 배터리 셀이 과충전되고 있다고 판단할 시, 컨트롤러에서 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단함으로써, 배터리 셀이 과충전되어 발생할 수 있는 안전사고로부터 보호할 수 있으며, 배터리의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템의 전체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템의 구성을 블록도로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템에서, 배터리 셀이 과충전되면서 배터리 셀이 팽창되어 제1 전극 및 제2 전극 사이의 거리가 변화하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템에 대해 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템의 전체적인 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템의 구성을 블록도로 나타낸 도면이며, 도 3은 배터리 셀이 과충전되면서 배터리 셀이 팽창되어 제1 전극 및 제2 전극 사이의 거리가 변화하는 모습을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템(10)은 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈(100), 배터리 셀의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단부(200) 및 과충전으로 판단하는 경우 전원공급부(500)로부터 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단하는 컨트롤러(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 배터리 모듈(100)은 배터리 셀 장착부(120)에 장착되며 서로 면접촉되어 적층되는 복수의 배터리 셀(110)을 포함할 수 있으며, 각각의 배터리 셀(110)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 복수의 배터리 셀(110)이 서로 면접촉되어 적층되는 이유는 각각의 배터리 셀에 면압이 제공되도록 하기 위함이다. 아울러, 실시예에 따라, 배터리 셀(100)들 사이에는 배터리 셀의 면에 대응되는 플레이트(미도시) 또는 패드(미도시) 등이 삽입될 수 있다.
과충전 판단부(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)에 결합되고, 제1 전극(210) 및 제1 전극(210)에 일정거리 이격되어 위치하는 제2 전극(220)을 포함하며, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 사이에서 발생되는 정전용량을 측정해서 측정된 정전용량에 기반하여 배터리 셀(110)의 과충전 여부를 판단할 수 있다. 본 발명에서의 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 도 1에 도시된 바와 같이 일정 면적 이상을 갖는 플레이트 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 아울러, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 사이에는 사전 설정된 값의 유전율을 갖는 매질(230)이 포함될 수 있다. 여기서, 매질(230)의 유전율은 공기 또는 절연 특성을 가진 물질로 고정된 유전율 값을 갖는 것이 바람직하다. 과충전 판단부(200)에서 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 사이에서 발생되는 정전용량에 기반하여 배터리 셀(110)의 과충전 여부를 판단하는 것은 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
일반적으로, 정전용량(커패시턴스)은 마주보고 있는 두 장의 전극 사이에서 발생할 수 있으며, 이때 발생되는 정전용량의 크기는 하기의 수학식에 의해 결정될 수 있다.
[수학식]
Figure 112018080340233-pat00001
여기서,
Figure 112018080340233-pat00002
는 전극과 전극 사이의 매질의 유전율이며, S는 전극의 면적, d는 두 전극 사이의 거리를 의미한다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 과충전 보호 시스템에서, 과충전 판단부(200)는 배터리 모듈(100)의 복수의 배터리 셀(110) 중 최외측에 위치한 배터리 셀(110)의 노출면 측에 결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 과충전 판단부(220)의 제1 전극(210)이 배터리 모듈(100)의 복수의 배터리 셀(110) 중 최외측에 위치한 배터리 셀(110)의 노출면 측에 결합될 수 있으며, 제2 전극(220)은 제1 전극(210)와 일정거리 이격되어 위치하며 배터리 셀 장착부(120)에 고정결합될 수 있다. 다시 말해, 제1 전극(210)은 최외측에 위치한 배터리 셀(110)의 노출면 측에 결합되되 배터리 셀(110)이 스웰링되어 팽창함에 따라 위치가 변동될 수 있으며, 제2 전극(220)은 배터리 셀 장착부(220)에 고정결합되어 위치가 고정된 상태일 수 있다.
아울러, 제1 전극(210)과 최외측에 위치한 배터리 셀(110)의 노출면 사이에는 절연패드(400)가 면접촉되어 삽입될 수 있다. 이때, 절연패드(400)가 면접촉되어 제1 전극(210)과 배터리 셀(110)의 노출면 사이에 삽입되는 이유는 배터리 셀(110)과 제1 전극(210) 간에 절연을 유지하기 위함이다. 이때, 절연패드(400)는 실시예에 따라 제1 전극(210)에 접착제 등을 통해 결합될 수 있다.
한편, 과충전 판단부(200)는 제1 전극(210) 전극 및 제2 전극(220) 사이에서 발생되는 정전용량을 측정하고, 측정한 정전용량에 기반하여 전압 값을 도출하며, 도출된 전압 값과 사전 설정된 전압 값을 비교하여 배터리 셀(110)의 과충전 여부를 판단할 수 있다.
도 3을 참조하여 설명하면, 배터리 셀(110)이 과충전되면 배터리 셀(110)이 팽창하고, 팽창한 배터리 셀(110)이 제1 전극(210)을 수평 방향으로 밀어내게 되면서 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 간의 거리가 변화하게 된다. 다시 말해, 하기의 수학식에서 전극과 전극 사이의 유전율(
Figure 112018080340233-pat00003
)과 전극의 면적(S)은 고정된 값인데, 배터리 셀(110)이 과충전되어 스웰링되어 팽창함에 따라 두 전극 사이의 거리(d)가 작아지고 그에 따라 정전용량은 커지게 되므로, 정전용량의 변화여부에 따라 배터리 셀(110)의 과충전 여부를 판단할 수 있는 것이다.
[수학식]
Figure 112018080340233-pat00004
한편, 과충전 판단부(220)는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 사이에서 발생되는 정전용량을 측정하고, 측정한 정전용량에 기반하여 전압 값을 도출하며, 도출된 전압값과 사전 설정된 전압 값을 비교하여 배터리 셀(110)의 과충전 여부를 판단할 수 있다. 여기서 사전 설정된 전압 값은 배터리 셀(110)의 과충전 여부를 판단하기 위한 기준 값으로서, 실시예에 따라 배터리 셀(110)이 스웰링되어 팽창하기 이전에 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 사이에 발생되는 정전용량에 기반하여 도출된 전압 값일 수 있다.
다시 말해, 과충전 판단부(220)는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 사이에서 발생되는 정전용량을 측정하여 전압 값을 도출하며, 해당 전압 값을 사전 설정된 전압 값과 비교하여, 도출된 전압 값이 사전 설정된 전압 값보다 큰 경우 배터리 셀(110)에서 과충전이 발생하고 있다고 판단할 수 있다.
컨트롤러(300)는 과충전 판단부(200)에서 배터리 셀(110)의 과충전이 발생하고 있다고 판단한 경우, 전원공급부(500)로부터 배터리 모듈(100)에 공급되는 전원을 차단하여 배터리 셀(110)이 과충전되는 것을 방지할 수 있다. 이처럼, 본 발명에 따르면 배터리 모듈에 결합되는 과충전 판단부에서 제1 전극 및 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정해서 측정된 정전용량에 기반하여 배터리 셀이 과충전되고 있다고 판단할 시, 컨트롤러에서 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단함으로써, 배터리 셀이 과충전되어 발생할 수 있는 안전사고로부터 보호할 수 있으며, 배터리의 내구성을 향상시킬 수 있다.
알림부(500)는 과충전 판단부(200)에서 배터리 셀(110)의 과충전이 발생하고 있다고 판단한 경우, 과충전 발생 알림을 할 수 있다. 실시예에 따라, 알림부(500)는 클러스터 또는 AVN(Audio Video Navigation) 등을 통해 운전자에게 시각적으로 알림을 줄 수 있으며, 다른 실시예에 따라서는 스피커 등을 통해 청각적으로 알림을 줄 수 있다.
한편, 본 발명에 다른 실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 과충전 판단부(200)가 배터리 모듈(100)의 배터리 셀(110)들 사이에 결합될 수 있으며, 또 다른 실시예에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 배터리 모듈(100)들 사이에 결합될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 방법의 흐름도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 방법은, 제1 전극 및 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정하는 단계, 측정된 정전용량에 기반하여 전압을 도출하며, 도출된 전압과 사전 설정된 전압을 비교하여 배터리 셀의 과충전 여부를 판단하는 단계 및 과충전으로 판단하는 경우, 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 배터리의 과충전 보호 방법의 세부 단계에서 이루어지는 기술적인 특징은 앞서 설명한 배터리의 과충전 보호 시스템의 세부 구성의 기술적 특징과 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
10: 배터리의 과충전 보호 시스템
100: 배터리 모듈 110: 배터리 셀
120: 배터리 셀 장착부
200: 과충전 판단부 210: 제1 전극
220: 제2 전극 230: 매질
300: 컨트롤러 400: 절연패드
500: 전원공급부

Claims (10)

  1. 배터리 셀 장착부에 장착되며, 서로 면접촉되어 적층되는 복수의 배터리 셀을 포함하는 적어도 하나 이상의 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈에 결합되고, 제1 전극 및 상기 제1 전극에 일정거리 이격되어 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정해서 측정된 정전용량에 기반하여 배터리 셀의 과충전 여부를 판단하는 과충전 판단부; 및
    상기 과충전 판단부에서 과충전으로 판단하는 경우, 전원공급부로부터 상기 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단하여 상기 배터리 셀이 과충전되는 것을 방지하는 컨트롤러
    를 포함하되, 상기 과충전 판단부는 배터리 모듈의 복수의 배터리 셀 중 최외측에 위치한 배터리 셀의 노출면 측에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 보호 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 배터리 모듈의 복수의 배터리 셀 중 최외측에 위치한 배터리 셀의 노출면 측에 결합되며,
    상기 제2 전극은 상기 배터리 셀 장착부에 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 보호 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 최외측에 위치한 배터리 셀의 노출면 사이에 절연패드가 면접촉되어 삽입되는 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 보호 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에는 사전 설정된 값의 유전률을 갖는 매질이 포함된 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 보호 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 과충전 판단부는,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정하고, 측정한 정전용량에 기반하여 전압 값을 도출하며, 도출된 전압값과 사전 설정된 전압 값을 비교하여 배터리 셀의 과충전 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 보호 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 과충전 판단부는 상기 배터리 모듈의 배터리 셀들 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리의 과충전 보호 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 과충전 판단부는 상기 배터리 모듈들 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 보호 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 과충전 판단부에서 과충전으로 판단하는 경우, 과충전 발생 알림을 해주는 알림부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 보호 시스템.
  10. 청구항 1의 배터리 과충전 보호 시스템을 이용한 배터리 과충전 보호 방법에 있어서,
    제1 전극 및 제2 전극 사이에서 발생되는 정전용량을 측정하는 단계;
    측정된 정전용량에 기반하여 전압을 도출하고, 도출된 전압과 사전 설정된 전압을 비교하여 과충전 여부를 판단하는 단계; 및
    과충전으로 판단하는 경우, 배터리 모듈에 공급되는 전원을 차단하는 단계;를 포함하는 배터리 과충전 보호 방법.
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