KR20110061901A - 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치는, 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수용하는 셀 외장재를 포함하는 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치로서, 상기 셀 외장재의 내부면에 부착된 제1 극판; 상기 제1극판과 접속되도록 상기 전극 조립체의 외부면에 부착된 제2 극판; 상기 제1 극판과 상기 제2 극판에 연결되어 교류 전원을 인가하는 교류전원 공급부; 상기 제1극판 또는 상기 제2극판과 상기 교류전원 공급부 사이에 연결된 저항부; 상기 교류전원 공급부에 의한 전압과 전류의 위상차를 감지하는 위상차 감지부; 및 상기 위상차 감지부에 의해 감지된 전압과 전류의 위상차가 참조값 이상인 경우, 상기 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 제어부;를 포함한다.
배터리, 셀 스웰링, 극판, 커패시터, 위상차

Description

배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법{Apparatus and method for protecting battery pack by detecting swelling phenomenon of battery cell}
본 발명은 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 셀 외장재와 전극 조립체에 부착된 극판의 커패시터 기능을 이용하여 셀의 스웰링 현상을 감지함으로써 배터리 팩을 보호하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
일반적인 리튬 이온 배터리 셀은, 다공성의 양극 집전체 및 음극 집전체와 세퍼레이터가 서로 번갈아 가며 겹쳐진 형태로 이루어진 전극 조립체와, 상기 전극 조립체 및 전해액을 수용하는 셀 외장재로 이루어져 있다. 이러한 배터리 셀은, 셀 외장재의 형태에 따라 캔(can)형 배터리 셀 혹은 파우치(pouch)형 배터리 셀로 구분되기도 한다.
한편, 최근 배터리와 관련하여 사회적으로 가장 큰 이슈가 되고 있는 것이 배터리의 안전성 문제이다. 노트북이나 휴대폰의 경우, 사용 인구가 급격히 증가하고 있고, 배터리의 폭발은 휴대용 전자제품의 파손을 가져올 뿐만 아니라 화재로 연결될 수 있다는 점에서 배터리의 안전성 확보가 시급하다. 따라서, 종래에는 배터리의 이상상태 감지시 충방전 전류를 차단하여 배터리의 안전성을 확보하는 다양한 보호 장치들이 사용되고 있다.
이러한 종래의 배터리 팩 보호 장치는 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어진 셀 집합체와 연결되고, 일반적으로 과충전, 과방전, 단락, 과전류 등의 이상 상태가 발생되었을 경우 배터리 팩을 보호하기 위해 충방전 전류가 흐르는 선로를 비가역적으로 단선시켜 전류의 흐름을 차단하는 퓨즈와 충방전 전류의 크기를 감지하기 위한 센스 저항(sense resistor)을 포함한다.
하지만, 이러한 종래의 배터리 팩 보호 장치는 배터리 셀의 스웰링(swelling) 현상이 일어나는 경우 이를 제대로 감지할 수 없다. 여기서 셀의 스웰링 현상이란, 셀 내부의 압력이 급격히 증가하게 되어 캔이 부풀어 오르는 현상을 말한다. 이러한 스웰링 현상은 리튬 이온 배터리 셀 전극의 발열이나 발화로 인 해 가스가 생성되거나, 또는 과전압에 의한 전해액의 분해로 인하여 가스가 생성되는 경우 등과 같이 주로 셀 내부의 가스 생성으로 인해 발생할 수 있다.
이와 같은 셀 스웰링 현상은, 배터리 팩의 폭발을 야기할 수 있어 배터리 팩과 배터리 팩이 부착된 장치를 파괴하는 것은 물론 인명 피해를 유발시킬 수도 있다. 또한, 셀 외장재의 파손으로 셀 내부의 전해액이 유출되어 단락이나 감전, 화재와 같은 추가적인 피해를 발생시킬 수도 있다. 특히, 하이브리드 차량이나 전기 차량과 같이 고전압 배터리가 사용되는 경우에는, 이러한 피해 상황은 더욱 심각하게 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩의 안전성을 효율적으로 향상시킬 수 있는 배터리 팩 보호 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치는, 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수용하는 셀 외장재를 포함하는 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치로서, 상기 셀 외장재의 내부면에 부착된 제1 극판; 상기 제1극판과 접속되도록 상기 전극 조립체의 외부면에 부착된 제2 극판; 상기 제1 극판과 상기 제2 극판에 연결되어 교류 전원을 인가하는 교류전원 공급부; 상기 제1극판 또는 상기 제2극판과 상기 교류전원 공급부 사이에 연결된 저항부; 상기 교류전원 공급부에 의한 전압과 전류의 위상차를 감지하는 위상차 감지부; 및 상기 위상차 감지부에 의해 감지된 전압과 전류의 위상차가 참조값 이상인 경우, 상기 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 제어부;를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 방 법은, 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수용하는 셀 외장재를 포함하는 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 방법으로서, (S1) 상기 셀 외장재의 내부면에 부착된 제1 극판과 상기 제1 극판과 접속되도록 상기 전극 조립체의 외부면에 부착된 제2 극판을 제공하는 단계; (S2) 상기 제1 극판과 상기 제2 극판에 교류전원을 인가하는 단계; (S3) 상기 교류전원 인가에 의한 전압과 전류의 위상차를 감지하는 단계; 및 (S4) 상기 감지된 전압과 전류의 위상차가 참조값 이상인 경우, 상기 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 배터리 셀에 스웰링 현상이 발생한 경우 이를 신속하고 정확하게 감지할 수 있다.
따라서, 스웰링 현상이 발생한 경우 배터리 팩의 충방전 전류를 신속하게 차단함으로써, 스웰링 현상으로 인해 배터리 팩의 폭발이나 전해액 누출과 같은 사고를 예방할 수 있다. 그러므로, 배터리 팩의 안전성을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)의 기능적 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)는 제1 극판(110), 제2 극판(120), 교류전원 공급부(130), 저항부(140), 위상차 감지부(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)에서, 상기 제1 극판(110)은 셀 외장재(210)의 내부면에 부착된다. 또한, 상기 제2 극판(120)은, 제1 극판(110)에 접속되도록 전극 조립체(220)의 외부면에 부착된다. 즉, 정상적인 배터리 셀(200)에서는 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 서로 접속되어 있는 상태를 유지한다.
상기 제1 극판(110)과 제2 극판(120)은 도체 특성을 갖는 물질로서 커패시터의 전극으로 이용될 수 있는 것이면 가능하다. 예를 들어, 알루미늄과 같은 금속이 제1 극판(110)과 제2 극판(120)에 이용될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이러한 제1 극판(110)과 제2 극판(120)의 특정 재질에 의해 한정되는 것은 아니며 다양한 재질로 제1 극판(110)과 제2 극판(120)을 구성하는 것이 가능하다.
도 2는, 상기 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 셀 외장재(210)와 전극 조립 체(220)에 부착되는 상태를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 극판(110)은 배터리 셀(200)에서 셀 외장재(210)의 내부면에 부착되고, 제2 극판(120)은 전극 조립체(220)의 외부면에 부착된다. 이때 전극 조립체(220)는 양극 집전체와 음극 집전체를 포함하고 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 양극 집전체로부터 연장된 양극 탭(221)과 음극 집전체로부터 연장된 음극탭(222)이 구비될 수 있다.
도 2에서는, 셀 외장재(210)의 하부면에 제1 극판(110)이 부착되고, 전극 조립체(220)의 상부면에 제2 극판(120)이 부착되는 것으로 도시되었으나, 전극 조립체(220)의 하부 측에서 셀 외장재(210)의 상부면에 제1 극판(110)이 부착되고 전극 조립체(220)의 하부면에 제2 극판(120)이 부착되는 형태도 가능하다.
이와 같이 제1 극판(110)과 제2 극판(120)을 부착하고, 전극 조립체(220)와 전해액을 셀 외장재(210)에 삽입한 후 셀 외장재(210)를 밀봉하면, 제1 극판(110)과 제2 극판(120)은 서로 접속되는 상태가 된다.
한편, 도 2에서는 셀 외장재(210)가 파우치 형태인 경우를 도시하였으나, 캔 형태인 경우와 같이 다양한 셀 외장재(210) 형태에도 본 발명이 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 3은, 배터리 셀(200)의 내부에서 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 서로 접속되는 상태를 도시하는 단면도이다.
도 3에서는, 배터리 셀(200) 중 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 부착된 부분만이 확대되어 도시되었다. 배터리 셀(200)은 전극 조립체(220)가 셀 외장 재(210)에 수용되어 있고, 전극 조립체(220) 이외의 공간에는 전해액이 채워져 있다. 배터리 셀(200)은 정상적인 상태, 즉 스웰링 현상이 발생하지 않은 상태에서는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 서로 접촉되어 있다. 이때, 제1 극판(110)과 제2 극판(120)은 도체이므로, 제1 극판(110)으로 유입된 전류는 제2 극판(120)으로 직접 전달된다. 따라서, 정상적인 상태에서는 제1 극판(110)과 제2 극판(120)은 서로 단락(short)된 상태가 되어 전류가 흐를 수 있는 도선으로서 역할을 하게 된다.
한편 제2 극판(120)은, 도면에 도시된 바와 같이 절연체(121) 위에 부착되는 것이 바람직하다. 교류전원 공급부(130)가 교류전원을 공급하면 제1 극판(110)과 제2 극판(120)을 경유하여 전류가 흐를 수 있다. 그런데, 이와 같이 절연체(121)를 통해 제2 극판(120)과 전극 조립체(220) 사이를 절연시키지 않게 되면, 제2 극판(120)을 통해 흐르는 전류가 전극 조립체(220)로 유입될 수 있으며, 이는 정상적인 충방전 경로를 통한 전류의 유입이 아니므로 셀(200)의 충방전 기능을 파괴시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 셀(200)로부터 발생된 전류 또한 제2 극판(120)으로 흐를 수 있으므로 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)의 기능도 무력화시킬 수 있다. 그러므로, 제2 극판(120)과 전극 조립체(220) 사이에는 상기와 같이 절연체(121)를 두어 양자 간의 전류의 흐름을 차단하는 것이 좋다. 한편, 일반적인 파우치 셀의 경우 셀 외장재(210)가 부도체인 폴리머 재질로 되어 있어, 이 경우에는 제1 극판(110)과 셀 외장재(210) 사이에 절연체를 두지 않아도 된다. 그러나, 셀 외장재(210)가 금속과 같이 도체 물질로 이루어져 있다면, 제2 극판(120)과 마찬가 지로 제1 극판(110)은 절연체 위에 부착되는 것이 좋다.
도 4는, 도 3의 실시예에서 배터리 셀(200)에 스웰링이 발생한 경우 제1 극판(110)과 제2 극판(120)의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 셀(200)에 스웰링이 발생한 경우, 셀 외장재(210)가 부풀어 오르게 되어 셀 외장재(210)와 전극 조립체(220) 사이의 거리가 멀어지게 된다. 따라서, 셀 외장재(210)에 부착된 제1 극판(110)과 전극 조립체(220)에 부착된 제2 극판(120)은 소정 거리를 두고 서로 이격된다. 또한, 셀 외장재(210)와 전극 조립체(220) 사이에는 전해액이 채워져 있으므로, 이격된 제1 극판(110)과 제2 극판(120) 사이에도 전해액이 존재하게 된다. 이때, 제1 극판(110)과 제2 극판(120)은 금속판과 같은 도체이고, 제1 극판(110)과 제2 극판(120) 사이 공간에 존재하는 전해액은 유전체에 해당한다. 따라서, 배터리 셀(200)에 스웰링이 발생한 경우에는 제1 극판(110)과 제2 극판(120)은 커패시터로서 역할을 할 수 있게 된다.
상기 교류전원 공급부(130)는, 상기 제1 극판(110)과 상기 제2 극판(120)에 연결되어 제1 극판(110)과 제2 극판(120)으로 교류 전원을 인가한다. 여기서, 교류전원 공급부(130)가 직류 전원이 아닌 교류 전원을 인가하는 이유는 회로에 흐르는 전압과 전류의 위상차를 감지하기 위함이다. 한편, 이러한 교류전원 공급부(130)가 전원을 인가하는 방식으로는 교류 전압을 인가하는 방식이나 교류 전원을 인가하는 방식 모두 포함될 수 있다.
바람직하게는, 상기 교류전원 공급부(130)는, 일정 주기마다 교류 전원을 인가할 수 있다. 예를 들어, 교류전원 공급부(130)는 10분 동안 교류 전원을 인가한 후 20분 동안 교류 전원을 인가하지 않고, 다시 10분 동안 교류 전원을 인가한 후 20분 동안 교류 전원을 인가하지 않는 방식으로 전원을 인가할 수 있다. 이와 같이 교류전원 공급부(130)가 주기적으로 교류 전원을 인가하는 경우, 계속적으로 교류 전원을 인가하는 경우에 비해 전원 인가로 소모되는 에너지를 줄일 수 있는 장점을 갖는다.
상기 저항부(140)는, 제1 극판(110)과 교류전원 공급부(130) 사이 또는 제2 극판(120)과 교류전원 공급부(130) 사이에 연결된다. 즉, 저항부(140)는 제1 극판(110), 제2 극판(120) 및 교류전원 공급부(130)로 구성된 회로 경로상에 위치하여 그 회로에 인가되는 전압과 전류의 위상차를 구할 수 있도록 하는 구성 요소이다. 또한, 상기 저항부(140)는 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 서로 접속된 경우 교류전원 공급부(130)의 양극과 음극이 서로 단락되지 않도록 하는 구성 요소이기도 하다. 즉, 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 서로 접속된 경우에는 제1 극판(110)과 제2 극판(120)은 일반적인 도선 역할을 하게 되므로 교류전원 공급부(130)의 양극과 음극이 서로 단락될 수 있는데, 저항부(140)는 이를 방지하는 역할을 한다. 이러한 기능 구현을 위해 상기 저항부(140)는 충분한 크기의 저항을 갖는 것이 바람직하다.
상기 저항부(140)로는 일반적으로 저항 소자가 이용될 수 있다. 하지만, 저항 성분을 갖는 다른 소자나 장치도 본 발명에 따른 저항부(140)로 이용될 수 있다.
상기 위상차 감지부(150)는, 교류전원 공급부(130)에 의해 발생된 전압과 전 류의 위상차를 감지한다. 즉, 제1 극판(110), 제2 극판(120) 및 저항부(140)로 이루어진 회로에서 교류전원 공급부(130)에 의해 생성된 전압과 상기 저항부(140)를 통해서 흐르는 전류 간의 위상차를 감지한다. 예를 들어, 상기 위상차 감지부(150)는 저항부(140) 측으로 인가한 전압과 저항부(140)에 흐르는 전류의 위상을 비교하여 그 위상차를 감지한다. 이를 위해, 상기 위상차 감지부(150)는 교류전원 공급부(130)가 생성한 교류 전압 신호를 입력받으며, 이렇게 입력받은 교류 전압 신호는 위상차 계산시 기준 신호로 사용된다.
상기 위상차 감지부(150)에 의해 감지되는 전압과 전류의 위상차는, 저항 소자만으로 이루어진 회로에서는 대략 0의 값을 갖는다. 반면, 저항 소자와 인덕터로 이루어진 회로(RL 회로) 또는 저항 소자와 커패시터로 이루어진 회로(RC 회로)에서는 대략 ±90도의 값을 갖는다.
도 5는, 정상적인 상태에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)의 각 구성 요소에 의한 회로도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3의 실시예에서 설명한 바와 같이, 정상적인 배터리 셀(200)의 경우에는 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 서로 접속되어 제1 극판(110)과 제2 극판(120)은 회로에서 일반적인 도선으로서 역할을 하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)에 의한 회로는, 도 5에 도시된 바와 같이, 교류전원(130)과 저항 소자(140)만으로 이루어진 회로가 된다. 이러한 회로에서는 임피던스(impedance)에 저항 성분만이 존재하고 리액턴스(reactance) 성분은 존재하지 아니하므로, 전압과 전류의 위상차는 존재하지 않게 된다. 그러므로, 위상차 감지 부(150)는 정상적인 셀(200) 상태에서 전압과 전류의 위상차가 거의 없는 것으로, 즉 0에 가까운 것으로 감지하게 된다.
도 6은, 스웰링이 발생한 상태에서 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)의 각 구성요소에 의한 회로도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4의 실시예에서 설명한 바와 같이, 스웰링이 발생한 배터리 셀(200)의 경우에는 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 서로 이격되어 제1 극판(110)과 제2 극판(120)이 커패시터로서 역할을 하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)에 의한 회로는, 도 6에 도시된 바와 같이, 교류전원(130)과 저항 소자(140), 그리고 커패시터(115)로 이루어진 회로가 된다. 이러한 회로에서는 커패시터(115)로 인해 임피던스에 리액턴스 성분도 존재하게 되어, 전압과 전류에 위상차가 발생하게 된다. 보다 구체적으로는, 이러한 RC 회로에서는 전류의 위상이 전압의 위상보다 약 90도 정도 빠르게 된다. 그러므로, 위상차 감지부(150)는 셀(200)에 스웰링이 발생한 상태에서 전류와 전압의 위상차가 약 90도 정도인 것으로 감지하게 된다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상차 감지부(150)에 의해 감지된 전압과 전류의 위상차를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(200)에 스웰링이 발생하면 제1 극판(110)과 제2 극판(120)의 커패시터 역할로 인해 전류(i)의 위상이 전압(v)의 위상보다 빠르게 되며, 도면에서는 이러한 전압과 전류의 위상차를 'ψ'로 표시하였다. 그리고, 이러한 위상차(ψ)는, 도 6과 같은 RC 회로에서 이론적으로 90도가 될 것이나, 실제적으로는 어느 정도 오차가 발생할 수 있다.
상기 제어부(160)는, 상기 위상차 감지부(150)가 감지한 전압과 전류의 위상차에 대한 정보를 위상차 감지부(150)로부터 수신한다. 그리고, 수신된 위상차가 참조값 이상인 경우, 배터리 팩의 충방전 전류를 차단한다. 이때, 제어부(160)가 충방전 전류를 차단하는 기준인 참조값은 0일 수 있다. 상술한 바와 같이 정상적인 배터리 셀(200)이라면 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치(100)에 흐르는 전압과 전류의 위상차는 존재하지 않을 것이기 때문이다.
다만, 위상차 감지부(150)에 의해 감지된 위상차에 오차가 발생할 가능성을 감안하여 참조값은 0에 가까운 값인 것이 보다 바람직하다. 예를 들어, 참조값을 ±10도로 하여, 전압과 전류의 위상차가 ±10도 이상인 경우에 제어부(160)가 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하도록 할 수 있다. 만일 이러한 실시예에서, 전압과 전류의 위상차가 ±10도 미만으로 감지되었다면 제어부(160)는 이를 오차 등에 의한 위상차로 보고 배터리 셀(200)은 정상적인 상태에 있는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 제어부(160)는 이러한 경우에는 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하지 않게 된다. 그러나, 전압과 전류의 위상차가 ±10도 이상으로 감지된 때에는 배터리 셀(200)에 스웰링이 발생한 것으로 보고 제어부(160)가 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하게 된다.
이때, 상기 제어부(160)는 참조값 이상의 위상차가 일정 시간 이상 지속되는 경우 배터리 팩의 충방전 전류를 차단할 수 있다. 즉, 위상차 감지부(150)에 의해 감지된 위상차가 참조값 이상으로 유지되는 시간이 일정 시간 이상인 경우에만 셀(200)의 스웰링 현상으로 인해 위상차가 발생한 것으로 판단하고, 그렇지 않은 경우에는 스웰링이 아닌 오차 등으로 인해 일시적인 위상차가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 위상차에 대한 참조값을 ±10도라 할 경우, 전압과 전류의 위상차가 ±10도 이상으로 5초 이상 유지되는 경우에만 배터리 팩의 충방전 전류를 차단할 수 있다. 이와 같이 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하기 위해 일정 시간 이상 위상차가 지속될 것을 요구하면, 셀(200)의 스웰링에 의해 위상차가 발생된 경우를 정확하게 감지할 수 있고, 오차 등 다른 원인에 의해 위상차가 일시적으로 발생하였을 때 불필요하게 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 제어부(160)는, BMU(Battery Management Unit)에 의해 구현될 수 있다. 여기서, BMU란 배터리 셀(200)의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 관리 장치를 의미한다. 그러나, 본 발명이 반드시 이러한 제어부(160)의 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 제어부(160)는 BMU와 별도로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 제어부(160)는, 퓨즈(300)를 융단시킴으로써 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 것이 바람직하다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 제어부(160)는 배터리 팩의 충방전 경로 상의 퓨즈(300)에 직접 연결될 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이러한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 제어부(160)가 다른 보호 장치, 이를테면 셀(200)의 과충전시 퓨즈(300)를 융단시키는 종래의 보호회로에 퓨즈 융단 신호를 전달하여 퓨즈(300)를 융단시키는 형태와 같은 다양한 구성이 가능하다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 먼저 셀 외장재의 내부면에 제1 극판을 부착하고, 제1 극판과 접속되도록 전극 조립체의 외부면에 제2 극판을 부착한다(S110). 다음으로, 제1 극판과 제2 극판에 교류 전원을 인가하는데(S120), 이때 일정 주기마다 교류 전원을 인가할 수도 있다.
그리고 나서, 교류 전원 인가에 따른 전압과 전류의 위상차를 감지하여(S130), 감지된 전압과 전류의 위상차가 참조값 이상인 경우, 셀에 스웰링 현상이 발생한 것으로 보고 배터리 팩의 충방전 전류를 차단한다(S140). 이때, 상기 S140 단계에서 참조값 이상의 위상차가 일정 시간 이상 지속되는 경우 배터리 팩의 충방전 전류를 차단할 수 있다. 또한, 상기 S140 단계에서 배터리 팩의 충방전 경로 상의 퓨즈를 융단시켜 배터리 팩의 충방전 전류를 차단할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 '부'라는 용어를 사용하였으나, 이는 논리적인 구성 단위를 나타내는 것으로서, 반드시 물리적으로 분리될 수 있는 구성요소를 나타내는 것이 아니라는 점은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치의 기능적 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는, 상기 제1 극판과 제2 극판이 셀 외장재와 전극 조립체에 부착되는 상태를 도시하는 도면이다.
도 3은, 배터리 셀의 내부에서 제1 극판과 제2 극판이 서로 접속되는 상태를 도시하는 단면도이다.
도 4는, 도 3의 실시예에서 배터리 셀에 스웰링이 발생한 경우 제1 극판과 제2 극판의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 5는, 정상적인 상태에서 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 장치의 각 구성 요소에 의한 회로도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은, 스웰링이 발생한 상태에서 본 발명에 따른 배터리 팩 보호 장치의 각 구성요소에 의한 회로도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상차 감지부에 의해 감지된 전압과 전류의 위상차를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 보호 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

Claims (8)

  1. 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수용하는 셀 외장재를 포함하는 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 장치에 있어서,
    상기 셀 외장재의 내부면에 부착된 제1 극판;
    상기 제1 극판과 접속되도록 상기 전극 조립체의 외부면에 부착된 제2 극판;
    상기 제1 극판과 상기 제2 극판에 연결되어 교류 전원을 인가하는 교류전원 공급부;
    상기 제1 극판 또는 상기 제2 극판과 상기 교류전원 공급부 사이에 연결된 저항부;
    상기 교류전원 공급부에 의한 전압과 전류의 위상차를 감지하는 위상차 감지부; 및
    상기 위상차 감지부에 의해 감지된 전압과 전류의 위상차가 참조값 이상인 경우, 상기 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 참조값 이상의 위상차가 일정 시간 이상 지속되는 경우 상기 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리 팩의 충방전 경로 상의 퓨즈를 융단시켜 상기 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 교류전원 공급부는, 일정 주기마다 교류 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 장치.
  5. 전극 조립체와 상기 전극 조립체를 수용하는 셀 외장재를 포함하는 배터리 셀의 스웰링 현상을 감지하여 배터리 팩을 보호하는 방법에 있어서,
    (S1) 상기 셀 외장재의 내부면에 부착된 제1 극판과 상기 제1 극판과 접속되도록 상기 전극 조립체의 외부면에 부착된 제2 극판을 제공하는 단계;
    (S2) 상기 제1 극판과 상기 제2 극판에 교류전원을 인가하는 단계;
    (S3) 상기 교류전원 인가에 의한 전압과 전류의 위상차를 감지하는 단계; 및
    (S4) 상기 감지된 전압과 전류의 위상차가 참조값 이상인 경우, 상기 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 S4 단계는, 상기 참조값 이상의 위상차가 일정 시간 이상 지속되는 경우 상기 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 S4 단계는, 상기 배터리 팩의 충방전 경로 상의 퓨즈를 융단시켜 상기 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 S2 단계는, 일정 주기마다 교류 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 보호 방법.
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