KR20090013867A - 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치에 관한 것으로서, 하이브리드 차량 또는 연료전지 차량 등 전기 차량에 장착되는 고전압 배터리의 과충전시에 배터리가 가연성 가스에 의해 팽창하는 압력을 이용하여 충전전류가 흐르도록 된 도체판을 파단시켜 충전전류가 자동 차단되도록 함으로써, 배터리가 더 이상 과충전되는 것을 차단하는 동시에 배터리의 발화 및 폭발 등 안전사고를 방지하게 되는 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치에 관한 것이다.

하이브리드, 연료전지, 전기 차량, 배터리, 안전장치

Description

전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치{Fail safety system of battery for electric vehicle}

본 발명은 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량 또는 연료전지 차량에 장착되는 고전압 배터리의 과충전시에 배터리가 팽창하는 압력을 이용하여 충전전류를 자동 차단시켜 줌으로써, 배터리가 더 이상 과충전되는 것을 차단하는 동시에 배터리의 발화 및 폭발 등 안전사고를 방지하게 되는 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치에 관한 것이다.

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료로 구동되는 엔진과 배터리 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량, 즉 HEV(Hybrid Electric Vehicle)라 부르고 있다.

이러한 하이브리드 전기 차량 등에는 전기모터의 구동전력을 제공하는 고전 압 배터리가 필수적으로 장착되며, 이는 차량 운행 중에 충/방전을 반복하면서 필요한 전력을 공급하게 된다.

하이브리드 전기 차량에서 고전압 배터리로는 고출력 리튬이온(폴리머) 배터리(LiPB)가 널리 사용되고 있는데, 리튬이온 배터리 시스템에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 과충전이 발생하는 경우, 발열반응인 전해액 분해에 의해 가연성 가스가 발생하고, 이에 전지 내압이 상승하여 두께 팽창이 수반되며, 그에 따라 온도가 상승하고 단락이 발생하여 가연성 가스가 점화 및 발화되면서 운전자 및 차량의 안전에 치명적인 결과를 초래하게 된다.

특히, 하이브리드 차량 또는 연료전지 차량의 배터리는 고전압을 위해서 다수의 전지가 모듈화로 장착되어 있으므로 과충전 및 발화 발생시에 안전성에 문제가 발생할 가능성이 높다.

첨부한 도 7은 배터리의 충방전 도식도로서, 전지의 과충전시(LiPB : 5V 이상)에는 폴리머 연결구조를 가진 전해질이 전기분해되어 가연성 가스가 발생하게 된다.

과충전 메커니즘에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

전기 차량에서 고전압 배터리의 과충전은 BMS(배터리 관리 시스템)에서 제어가 되고 있으나, BMS의 고장시에는 과충전을 일으켜 배터리의 연소 및 폭발 가능성이 있게 된다.

우선, BMS가 고장난 상황에서 리젠(Regeneration,회생발전) 파워(전류)가 배 터리에 충전되는 상황이 되면, 배터리 전압이 상승하고, 이후 SOC 100% 이상의 충전(전압 4.3V)이 진행되게 된다.

이때, 전지의 저항도 증가하며, 이에 각 전지의 전압이 5.0V(전해액 분해 전위) 부근까지 상승하게 된다.

이러한 상황에서 BMS의 고장으로 과충전 제어가 이루어지지 못하여 결국 전해액 분해 발열반응이 일어나게 되고, 이후 '전압 상승 곡선 평탄, 온도 증가, 가연성 가스 발생 → 전지 내압 증가 → 지속적 전류 공급 → 전해액 고갈(분해), 전지 실링 해제 → 가연성 가스 방출, 온도 상승 → 음극 피막 분해, 저항 증가 →격리막 수축 및 용융 → 내부 쇼트 또는 전지 변형에 의한 외부 단락 발생 → 가연성 가스 발화'의 순으로 위험이 진행된다.

이와 같이 제어기의 고장시에 배터리가 과충전되면, 전지 전압이 증가하게 되면서 전해질이 분해되어 가연성 가스가 발생하고, 가연성 가스가 발생함에 따라 배터리가 팽창하는바, 이때 회로 단락 등에 의해 가연성 가스가 점화될 경우에는 매우 위험한 상황에 직면하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 하이브리드 차량 또는 연료전지 차량 등 전기 차량에 장착되는 고전압 배터리의 과충전시에 충전전류를 자동 차단시켜 주어 배터리가 더 이상 과충전되는 것을 차단하는 동시에 배터리의 발화 및 폭발 등 안전사고를 방지하게 되는 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 전기 차량용 고전압 배터리에서 과충전시 발생하는 가연성 가스에 의해 셀이 부풀어 오르는 스웰링 현상의 팽창압력을 이용하여 충전전류를 자동 차단시켜 주는 것으로서,

상, 중, 하로 배치되어 배터리에 충전되는 전류가 흐르도록 된 회로를 구성하는 도체 재질의 도체판, 작동판, 베이스판으로 구성되되, 상기 작동판은 양단부가 배터리 측 고정부에 고정되어 지지되면서 중간부가 하방으로 벤딩되어 하측의 베이스판에 접속되는 곡면부로 되어 있고, 상기 베이스판은 팽창하는 셀이 밀어줄 수 있는 위치에 설치되어서 셀의 팽창압력을 받아 상기 작동판의 곡면부를 밀어줄 수 있게 되어 있으며, 상기 작동판의 일단부는 접속부를 매개로 상기 도체판의 일단부에 전기적으로 연결되고, 상기 베이스판의 일단부와 상기 도체판의 타단부가 충전전류 경로상의 도체수단에 접속되어,

과충전시의 셀 팽창압력에 의해 상기 베이스판이 작동판의 곡면부를 밀어줄 경우 상기 곡면부가 뒤집어지면서 상기 도체판을 가격하여 파단시킴으로써 충전전류의 흐름을 차단하도록 된 것을 특징으로 하는 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 작동판의 곡면부는 그 양단부가 작동판의 나머지 부위에 힌지 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 도체판은 Al으로 제작된 것을 특징으로 한다.

상기한 특징을 갖는 본 발명의 안전장치에 의하면, 하이브리드 차량 또는 연료전지 차량 등 전기 차량에 장착되는 고전압 배터리의 과충전시에 배터리가 가연성 가스에 의해 팽창하는 압력을 이용하여 충전전류가 흐르도록 된 도체판을 파단시킴과 동시에 충전전류가 자동 차단되도록 함으로써, 배터리가 더 이상 과충전되는 것을 차단하게 되고, 배터리의 발화 및 폭발 등 안전사고를 방지하는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 하이브리드 차량 또는 연료전지 차량 등 전기 차량에 장착되는 고 전압 배터리(구동모터에 전력 제공)의 과충전시에 배터리가 가연성 가스에 의해 팽창하는 압력을 이용하여 충전전류가 흐르도록 된 도체판을 파단시켜 충전전류가 자동 차단되도록 함으로써, 배터리가 더 이상 과충전되는 것을 차단하는 동시에 과충전에 의해 발생할 수 있는 배터리의 발화 및 폭발 등 안전사고를 방지하게 되는 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 과충전시에 전해질 분해에 의해 발생하는 가연성 가스에 의해 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(Swelling) 현상의 압력을 이용하여 충전전류가 흐르도록 된 회로의 도체판을 파단시킴으로써, 충전전류를 자동 차단시키고, 과충전을 막게 된다.

첨부한 도 1은 과충전 전지의 스웰링에 의한 팽창압력 방향을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 안전장치가 설치되는 위치를 나타낸 도면이다.

제어기 고장 등의 원인으로 인해 배터리 과충전이 발생하면 전지(셀)의 스웰링 현상이 발생하는데, 이때 팽창압력의 방향은 도 1의 화살표 방향이 된다.

따라서, 도 2에 나타낸 바와 같이 배터리(1a)의 스웰링이 가장 크게 발생하는 부위에 본 발명의 안전장치를 설치하고, 이 안전장치의 작동판이 배터리의 스웰링 압력에 의해 뒤집히게 되면, 취성이 약한 재질로 제작된 상측의 도체판 부위가 하측의 작동판이 가하는 압력에 의해 깨지면서 과충전이 방지되도록 한다.

본 발명의 안전장치가 설치되는 위치는 팽창이 가장 많이 일어나는 부위, 예컨대 도 2에서와 같이 배터리(1)의 중앙부가 될 수 있는데, 설치위치에서 배터리 내부에 셀과의 사이에 부착되어 가연성 가스 발생에 따른 팽창압력을 직접적으로 받을 수 있도록 한다.

상기 작동판과 도체판은 모두 도체 재질로 제작되되, 도체판은 작동판이 작동하면서 가하는 충격에 의해 쉽게 찢어질 수 있는 금속을 재질로 하여 제작된다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 안전장치의 작동상태를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이 안전장치(100)는 상, 중, 하로 배치되는 도체판(130), 작동판(120), 베이스판(110)으로 구성되는데, 이들 모두 도체 재질로 제작되어 배터리에 충전되는 전류가 흐르는 회로를 형성하며, 도체판(130)의 파단에 의해 회로가 오픈될 경우에 배터리로의 충전전류가 차단되도록 구성된다.

즉, 상기 3개의 판으로 구성된 안전장치(100)는 도체판(130)이 파단되면서 배터리에 충전되는 전류의 흐름을 차단하는 차단 스위치의 역할을 하게 되는데, 과충전시의 배터리 팽창압력에 의해 충전전류 회로가 차단되도록 작동판(120)이 도체판(130)을 파단시키고, 이에 충전전류가 차단되면서 더 이상의 과충전 및 가연성 가스 발생, 배터리의 과도한 팽창 및 단락 발생, 가스 발화 및 폭발 등의 위험이 방지되게 된다.

도 3을 참조하면, 배터리에 충전되는 전류는 베이스판(110), 작동판(120), 도체판(130)을 통해 흐르도록 되어 있는데, 작동판(120)은 중간부가 소정의 곡률로 하방으로 벤딩된 곡면부(121)로 되어 있고, 이 곡면부(121)의 중앙이 하측의 베이스판(110)에 접속되어 있다.

또한 작동판(120)의 일단부는 도체 재질의 접속부(123)를 매개로 상측의 도체판(130)에 전기적으로 연결되어 있다.

상기 작동판(120)은 양단부가 배터리 측에 고정된 부도체 재질의 고정부(2)에 결합되어 지지되며, 베이스판(110)은 팽창하는 셀(전지)(1)이 밀어줄 수 있는 위치에 설치되어서 일단부가 충전전류 경로상의 도체수단(2)에 접속되어 전류를 인가받을 수 있게 되어 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 작동판(120)의 곡면부(121)는 양단부가 작동판의 나머지 부위와 힌지 결합될 수 있는데, 하측의 베이스판(110)이 접속된 곡면부(121)를 상방으로 밀어줄 경우에 곡면부(121)가 양단부의 힌지 결합부위(122)를 중심으로 회전하면서 순간 뒤집어지게 되어 있다.

상기 도체판(130)은 일단부가 접속부(123)를 매개로 작동판(120)에 연결되어 있지만, 타단부는 고정부(2)에 지지된 상태에서 충전전류 경로상의 도체수단(4)에 접속되어 있다.

도 3에서 좌측의 (a) 도면은 평소 정상상태의 작동판(120) 상태를 나타낸 것이며, 우측의 (b) 도면은 과충전으로 가연성 가스가 발생하여 셀(1)의 팽창압력에 의해 작동판(120)이 작동한 상태를 나타낸 것이다.

상기 작동판(120)은 철판으로 구성될 수 있는데, 벤딩된 구조의 철판은 뒤집어 놓으면 그 상태에서 머물러 있다가 반대방향으로 힘을 받으면 빠른 속도로 뒤집어졌다가 다시 원복하는 성질이 있다.

이러한 성질을 이용한 것으로, 도 3의 (a)에서와 같이 작동판(120)의 곡면부(121)가 하방으로 굴곡된 상태에서 하측의 베이스판(110)에 접속된 상태로 있게 되면, 배터리에 충전되는 전류가 정상적으로 베이스판(110), 작동판(120), 도체 판(130)을 따라 흐르게 되지만, 과충전시 셀(1)의 팽창압력을 베이스판(110)이 받게 되면서 작동판(120)의 곡면부(121)를 상방으로 밀어주게 되면, 작동판(120)의 곡면부(121)가 순간 뒤집어지면서 그 상측의 도체판(130)을 가격하게 된다.

이때, 하측의 작동판(120)이 가하는 충격에 의해 도 3의 (b)에서와 같이 도체판(130)이 파단되면서 회로가 끊어지게 되고, 결국 배터리에 충전되는 전류의 흐름이 차단되게 된다.

상기 도체판(130)은 하측의 작동판(120)이 가하는 충격에 의해 파단이 가능한 연성의 재질로 제작되며, 예컨대 Al과 같이 전기전도성을 가지면서 어느 정도의 충격에 쉽게 찢어지는 금속을 재질로 하여 제작된다.

상기 베이스판(110)은 셀(1)의 스웰링에 의한 압력, 즉 팽창압력을 직접적으로 받는 위치에 설치되며, 셀(1)이 가연성 가스에 의해 부풀어 오르면서 발생하는 높은 팽창압력이 베이스판(110)을 도면상 상측으로 밀어줌과 동시에 베이스판(110)이 작동판(120)을 상측으로 순간 밀어주어 뒤집어주게 된다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 안전판에서 작동판의 곡면부와 베이스판, 도체판의 작동상태를 나타낸 사시도로서, 도 4의 (a)에서 작동판(120)의 곡면부(121)는 하방으로 굴곡되어 베이스판(110)에 접속되어 있으며, 이때 외부에서 반대의 힘을 주지 않은 한 휘어놓은 모양으로 그대로 고정되어 있게 된다.

상기 작동판(120)의 곡면부(121)는 외부에서 힘이 주어지지 않은 상태에서 베이스판(110)에 접속된 상태로 휘어진 모양을 유지할 수 있게 철판의 강성 및 연성, 곡률을 고려하여 설계 및 제작되어야 한다.

본 발명의 실시예에서, 차량 진동에 의해서는 작동판(120)의 곡면부(121)가 반대로 휘어지지 않도록 베이스판(110)에 접속된 작동판 곡면부 부위(A)를 도체판(130)에 고정(또는 접착)하는 것도 가능하며, 이때 셀(1)의 스웰링에 의한 높은 압력 작용시에는 베이스판(110)의 미는 힘에 의해 작동판(120)의 곡면부(121)가 베이스판(110)으로부터 분리될 수 있도록 접속부위의 고정(접착)강도를 적정선에서 관리해주어야 한다.

도 4의 (b)를 참조하면, 과충전에 의한 스웰링 압력은 상당히 높은 압력이므로 Al과 같은 소재는 작동판(120)의 곡면부(121)에 의해 정확히 파단되어 찢어지게 된다.

첨부한 도 5와 도 6은 본 발명에 따른 안전장치의 작용 효과를 설명하기 위한 도면으로서, 우선 도 5를 참조하면, 정상적인 상태에서 과충전이 발생을 하면 전압은 ⓔ 곡선처럼 상승을 해야 하지만 실제로 ⓓ처럼 전압이 상승하며, 전압 상승이 주춤하는 구간에서는 전류(에너지)가 열로 변환되는 과정을 거친다.

따라서, 온도는 ⓐ 곡선처럼 상승을 하다가 압력이 2kgf/㎠가 되면 실링(sealing)이 해제되면서 압력곡선은 ⓒ처럼 나타나게 된다.

하지만, 열 폭주가 일어나는 순간보다 작은 압력, 예컨대 1.5kgf/㎠ 이하에서는 본 발명의 안전장치를 이용해 충전전류를 차단시키면(도체판 파단) 추가 화학반응 없이 온도는 ⓑ 곡선처럼 낮아지면서 압력은 ⓕ 곡선처럼 감소하게 된다.

본 발명의 안전장치에서는 한번 스웰링이 발생하게 되면 도체판이 파단되므로 배터리는 더 이상 사용을 못하는 배터리가 되지만, 과충전으로 인해 발생하는 배터리의 발화 및 폭발을 막는 것에 목적이 있는 만큼 치명적인 안전사고는 막을 수 있게 된다.

도 6에 대해 설명하면, 본 발명에서 배터리 과충전이 발생하면 전해액이 분해(양극 구조 붕괴)되면서 가스가 발생하고, 만약 본 발명의 안전장치가 없다면 셀 내부의 압력이 증가하여 2kgf/㎠ 이상으로 상승하게 될 때 실링이 해제되어 가스 방출, 스파크, 발화 등이 순차적으로 발생할 수 있다.

반면, 본 발명의 안전장치를 설치한 경우에는 셀 내부의 압력이 1.5kgf/㎠에 도달하였을 때 팽창하는 셀이 베이스판을 미는 힘에 의해 작동판이 작동되고, 이에 도체판이 파단되면서 충전전류가 차단되어 추가 반응 없이 셀 냉각이 이루어지면서 가스 폭발, 발화 등의 안전사고는 발생하지 않게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 안전장치에 의하면, 과충전시에 가연성 가스에 의해 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(Swelling) 현상의 압력을 이용하여 충전전류가 흐르도록 된 회로의 도체판을 파단시킴으로써, 충전전류를 자동 차단하고, 이에 가스 폭발 및 발화 등의 심각한 안전사고를 방지할 수 있게 된다.

도 1은 과충전 전지의 스웰링에 의한 팽창압력 방향을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 안전장치가 설치되는 위치를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 안전장치의 작동상태를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 안전판에서 작동판의 곡면부와 베이스판, 도체판의 작동상태를 나타낸 사시도,

도 5와 도 6은 본 발명에 따른 안전장치의 작용 효과를 설명하기 위한 도면,

도 7은 배터리의 충방전 도식도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 셀 2 : 고정부

3, 4 : 도체수단 100 : 안전장치

110 : 베이스판 120 : 작동판

121 : 곡면부 123 : 접속부

130 : 도전판

Claims (3)

1. 전기 차량용 고전압 배터리에서 과충전시 발생하는 가연성 가스에 의해 셀이 부풀어 오르는 스웰링 현상의 팽창압력을 이용하여 충전전류를 자동 차단시켜 주는 것으로서,

   상, 중, 하로 배치되어 배터리에 충전되는 전류가 흐르도록 된 회로를 구성하는 도체 재질의 도체판, 작동판, 베이스판으로 구성되되, 상기 작동판은 양단부가 배터리 측 고정부에 고정되어 지지되면서 중간부가 하방으로 벤딩되어 하측의 베이스판에 접속되는 곡면부로 되어 있고, 상기 베이스판은 팽창하는 셀이 밀어줄 수 있는 위치에 설치되어서 셀의 팽창압력을 받아 상기 작동판의 곡면부를 밀어줄 수 있게 되어 있으며, 상기 작동판의 일단부는 접속부를 매개로 상기 도체판의 일단부에 전기적으로 연결되고, 상기 베이스판의 일단부와 상기 도체판의 타단부가 충전전류 경로상의 도체수단에 접속되어,

   과충전시의 셀 팽창압력에 의해 상기 베이스판이 작동판의 곡면부를 밀어줄 경우 상기 곡면부가 뒤집어지면서 상기 도체판을 가격하여 파단시킴으로써 충전전류의 흐름을 차단하도록 된 것을 특징으로 하는 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 작동판의 곡면부는 그 양단부가 작동판의 나머지 부위에 힌지 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 도체판은 Al으로 제작된 것을 특징으로 하는 전기 차량용 고전압 배터리의 안전장치.

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