KR20150026370A - 배터리 과충전 방지 장치 - Google Patents

배터리 과충전 방지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 배터리 과충전 방지 장치는, 일단이 배터리의 양극 탭에 연결되고 타단은 상기 배터리의 음극 탭에 연결된 전압 분배부; 및 일단이 상기 양극 탭에 연결되고 타단은 상기 음극 탭에 연결되며 상기 전압 분배부에서 분배된 전압에 따라 단락 또는 개방되는 스위칭부를 포함하며, 상기 양극 탭과 상기 음극 탭 간의 전압이 제1 전압 이상인 경우 상기 스위칭부가 단락되고 상기 배터리가 단락되어 과전류가 발생하여 상기 양극 탭이 파괴됨으로써 상기 배터리가 충전 전원으로부터 전기적으로 분리되며, 수동 소자만을 사용하여 제어부에 과충전을 방지하기 위한 기능을 추가할 필요가 없고 배터리 셀의 센싱 회로에 추가할 수 있을 정도로 구성이 간단하며, 과충전이 발생하는 경우, 배터리 모듈 내에서 배터리 셀에 인가되는 전압을 차단하여 배터리의 추가적인 안전성을 확보할 수 있고, 과전압을 감지하여 과충전을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 감지하는 배터리의 전압이 미처 예상하지 못한 상황이나 불가피한 상황으로 인하여 과전압이 발생하는 경우에도 배터리에 인가되는 전압을 차단함으로써 배터리가 위험한 상태에 이르게 되는 것을 방지할 수 있다.

Description

배터리 과충전 방지 장치{Battery overcharge protection apparatus}
본 발명은 배터리 과충전 방지 장치에 관한 것으로, 특히 배터리의 과충전을 감지하여 충전 전원을 차단해 배터리가 과충전되는 것을 방지하는 배터리 과충전 방지 장치에 관한 것이다.
일반적으로 충전가능한 배터리인 리튬이온 배터리는 일정 전압 이상으로 과충전되는 경우에, 폭발하거나 발화할 수 있다. 또한, 통상적으로 배터리 팩은 요구되는 출력을 획득하기 위하여 복수의 배터리 셀들을 포함하며, 배터리 팩에 포함된 배터리 셀들 중 하나의 셀이라도 과충전되어 폭발하거나 발화하는 경우, 과충전이 발생한 배터리 셀 뿐만 아니라 다른 배터리 셀들에도 영향을 미치게 되므로, 배터리의 과충전을 방지하는 것은 배터리의 안전성을 확보하기 위하여 필수적이다.
종래 기술로서 과충전으로 배터리 셀의 전압이 상승하는 경우 과전압을 감지하여 파워 릴레이 어셈블리(PRA: Power Relay Assembly) 내의 릴레이를 오프시켜 과충전을 차단하는 방법이 있으나, 릴레이가 붙어 버리는 경우 릴레이가 오프되지 않기 때문에 과충전을 방지할 수 없는 문제점이 있었다.
하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌은 과충전으로 배터리 셀에 스웰링이 발생하는 경우 제어부(160)가 퓨즈(300)를 융단시켜 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 것을 개시하고 있습니다. 하기의 특허문헌의 도 1을 참조하면, 배터리 셀(200)에 스웰링이 발생한 경우, 셀 외장재에 부착된 제1극판(100)과 전극 조립체에 부착된 제2극판(120)이 소정 거리를 두고 이격되며, 셀 외장재와 전극 조립체 사이에 채워져 있는 전해액에 의해 제1극판(110)과 제2극판(120)은 커패시터로서 역할을 하게 됩니다. 위상차 감지부(150)에서는 전류와 전압의 위상차를 감지하여 위상차가 약 90도인 경우, 셀(200)에 과충전으로 스웰링이 발생한 것으로 판단하여 제어부(160)가 퓨즈(300)를 융단시켜 배터리 팩의 충방전 전류를 차단하는 것을 개시하고 있습니다.
하지만, 하기의 특허문헌은, 제1극판(110), 제2극판(120), 저항부(140), 교류전원 공급부(130), 위상차 감지부(150) 및 제어부(160) 등과 같은 다수의 복잡한 구성요소를 추가해야 하므로, 구성이 복잡해지고, 제조 비용이 증가하는 문제점이 있었습니다.
따라서, 수동 소자만을 사용하여 제어부에 과충전을 방지하기 위한 기능을 추가할 필요가 없고 배터리 셀의 센싱 회로에 추가할 수 있을 정도로 구성이 간단하며, 과충전이 발생하는 경우, 배터리 모듈 내에서 배터리 셀에 인가되는 전압을 차단하여 배터리의 추가적인 안전성을 확보할 수 있는 배터리 과충전 방지 장치가 요구된다.
대한민국등록특허 등록번호 10-1262879.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수동 소자만을 사용하여 제어부에 과충전을 방지하기 위한 기능을 추가할 필요가 없고 배터리 셀의 센싱 회로에 추가할 수 있을 정도로 구성이 간단하며, 과충전이 발생하는 경우, 배터리 모듈 내에서 배터리 셀에 인가되는 전압을 차단하여 배터리의 추가적인 안전성을 확보할 수 있는 배터리 과충전 방지 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치는,
일단이 배터리의 양극 탭에 연결되고 타단은 상기 배터리의 음극 탭에 연결된 전압 분배부; 및
일단이 상기 양극 탭에 연결되고 타단은 상기 음극 탭에 연결되며 상기 전압 분배부에서 분배된 전압에 따라 단락 또는 개방되는 스위칭부를 포함하며,
상기 양극 탭과 상기 음극 탭 간의 전압이 제1 전압 이상인 경우 상기 스위칭부가 단락되고 상기 배터리가 단락되어 과전류가 발생하여 상기 양극 탭이 파괴됨으로써 상기 배터리가 충전 전원으로부터 전기적으로 분리된다.
본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 양극 탭은 상기 배터리가 단락되어 발생하는 과전류에 의한 온도 상승으로 용융되어 파괴되는 전도성 재질로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 양극 탭은 알루미늄으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 전압 분배부는 상기 양극 탭에 일단이 연결된 제1 저항; 및 일단이 상기 제1 저항의 타단에 연결되고 타단은 상기 음극 탭에 연결된 제2 저항을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 스위칭부는, 션트 레귤레이터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 션트 레귤레이터는 제어 단자를 포함하고, 상기 제어 단자에 상기 션트 레귤레이터의 기준 전압인 제2 전압 이상이 인가되는 경우 단락되고, 상기 제2 전압 미만이 인가되는 경우 개방될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 배터리는 배터리 셀을 포함하며, 상기 배터리 과충전 방지 장치는 배터리 셀의 센싱부에 장착되어 상기 배터리 셀의 상기 양극 탭과 상기 음극 탭에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 배터리는 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 포함하며, 상기 배터리 과충전 방지 장치는 상기 배터리 모듈 내의 배터리 셀들 중 한 셀의 센싱부에 장착되어 상기 배터리 셀의 양극 탭과 음극 탭에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 배터리 과충전 방지 장치는 상기 배터리 모듈 내에 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 복수 개의 배터리 셀은 직렬로 연결되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 배터리 모듈은 8개의 배터리 셀들을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 제1 전압은 4.7 볼트 내지 4.9 볼트일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치에 있어서, 상기 배터리는 리튬이온 배터리를 포함할 수 있다.
배터리 팩은 상기 배터리 과충전 방지 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 의하면, 수동 소자만을 사용하여 제어부에 과충전을 방지하기 위한 기능을 추가할 필요가 없고 배터리 셀의 센싱 회로에 추가할 수 있을 정도로 구성이 간단하며, 과충전이 발생하는 경우, 배터리 모듈 내에서 배터리 셀에 인가되는 전압을 차단하여 배터리의 추가적인 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 과전압을 감지하여 과충전을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 감지하는 배터리의 전압이 미처 예상하지 못한 상황이나 불가피한 상황으로 인하여 과전압이 발생하는 경우에도 배터리에 인가되는 전압을 차단함으로써 배터리가 위험한 상태에 이르게 되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치의 블록도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치의 블록도이다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치는, 일단이 배터리 셀(100)의 양극 탭(102)에 연결되고 타단은 상기 배터리 셀(100)의 음극 탭(104)에 연결된 전압 분배부(106) 및 일단이 상기 양극 탭(102)에 연결되고 타단은 상기 음극 탭(104)에 연결되며 상기 전압 분배부(106)에서 분배된 전압에 따라 단락 또는 개방되는 스위칭부(108)를 포함한다.
상기 스위칭부(108)는 상기 양극 탭(102)과 상기 음극 탭(104) 간의 전압, 즉 배터리 셀(100)의 전압이 제1 전압 이상인 경우 단락된다. 상기 스위칭부(108)가 단락되면 상기 배터리 셀(100)이 단락되어 과전류가 발생하여 상기 양극 탭(102)이 파괴됨으로써 상기 배터리 셀(100)이 충전 전원으로부터 전기적으로 분리된다.
상기 양극 탭(102)은 상기 배터리 셀(100)이 단락되어 발생되는 과전류에 의해 온도가 융점 온도 이상 상승하여 용융됨으로써 파괴되는 알루미늄으로 형성되어 있다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 과전류 인하여 소정 온도 이상으로 온도가 상승하면 용융되어 파괴되는 어떤 유형의 전도성 재질로 형성될 수 있다.
상기 전압 분배부(106)는 상기 양극 탭(102)에 일단이 연결된 제1 저항(R1) 및 일단이 상기 제1 저항(R1)의 타단에 연결되고 타단은 상기 음극 탭(104)에 연결된 제2 저항(R2)을 포함하고, 상기 스위칭부(108)는 션트 레귤레이터(SR)를 포함한다.
상기 션트 레귤레이터(SR)는 제어 단자(CT)를 포함하고, 상기 전압 분배부(106)에서 분배된 전압은 상기 션트 레귤레이터(SR)의 제어 단자(CT)에 인가된다. 상기 션트 레귤레이터(SR)의 제어 단자(CT)에 션트 레귤레이터(SR)의 기준 전압인 제2 전압 이상이 인가되는 경우 단락되고, 상기 제2 전압 미만이 인가되는 경우 개방된다.
상기 배터리 과충전 방지 장치는 배터리 셀(100)의 센싱부(미도시)에 장착되어 상기 배터리 셀(100)의 양극 탭(102)과 음극 탭(104)에 연결된다.
복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈로 배터리가 구성되는 경우, 상기 배터리 과충전 방지 장치는 상기 배터리 모듈 내의 배터리 셀들 중 한 셀의 센싱부에 장착되어 상기 배터리 셀(100)의 양극 탭(102)과 음극 탭(104)에 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 배터리 과충전 방지 장치는 상기 배터리 모듈 내에 포함될 수 있고, 상기 복수 개의 배터리 셀은 직렬로 연결되어 있을 수 있다. 또한, 상기 배터리 모듈은 8개의 배터리 셀들을 포함할 수 있다.
상기 제1 전압은 상기 배터리 셀(100)이 과충전되었는지를 판별하는 전압으로서 4.7 볼트 내지 4.9 볼트 범위의 전압일 수 있고, 상기 배터리 셀(100)은 리튬이온 배터리 셀을 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치의 동작을 도 1을 참조하여 하기에 설명하기로 한다.
상기 배터리 셀(100)의 양극 탭(102) 및 음극 탭(104)에 외부전원으로부터의 전력이 인가되면 상기 배터리 셀(100)은 외부전원에 의해 충전된다.
상기 배터리 셀(100)이 외부전원에 의해 충전되는 동안에 어떤 문제가 발생하여 배터리 셀(100)에 과충전이 발생하면 배터리 셀(100)의 양극 탭(102)과 음극 탭(104) 간에 걸리는 전압이 상승하게 된다.
배터리 셀의 충전 상태(SOC)가 100%인 경우를 배터리 셀의 만충전 상태라 하고, 통상적으로 만충전시 예를 들어 4.2 볼트의 전압이 배터리 셀(100) 양단 간에 걸리는 것이 정상이라고 가정하고, 배터리 셀(100)에 과충전이 발생하여 4.7 볼트 이상의 전압이 배터리 셀(100)의 양단에 걸린다고 가정하자.
상기 양극 탭(102)과 상기 음극 탭(104) 간에 걸리는 전압, 즉 배터리 셀(100)에 걸리는 전압이 4.7 볼트 이상인 경우, 전압 분배부(106)에 의해 분배된 전압도 상승하여 션트 레귤레이터(SR)의 제어 단자(CT)에는 기준 전압을 넘는 전압이 인가된다.
션트 레귤레이터(SR)는 제어 단자(CT)에 인가되는 전압에 따라 단락되거나 개방되며, 기준 전압 이상의 전압이 제어 단자(CT)에 인가되면 단락되고, 기준 전압 미만의 전압이 제어 단자(CT)에 인가되면 전기적으로 개방된다.
따라서, 배터리 셀(100)에 과충전이 발생하여 4.7 볼트를 넘는 과전압이 양극 탭(102)과 음극 탭(104) 간에 걸리는 경우, 션트 레귤레이터(SR)의 제어 단자(CT)에 기준 전압 이상의 전압이 인가되어, 션트 레귤레이터(SR)가 전기적으로 단락된다.
션트 레귤레이터(SR)가 단락되면, 배터리 셀(100)도 단락되어 매우 큰 전류인 과전류가 발생하며, 과전류로 인하여 양극 탭(102)의 온도가 알루미늄의 융점 온도인 660℃를 넘어가면 양극 탭(102)이 용융되어 파괴된다. 따라서, 양극 탭(102)을 통해 배터리 셀(100)로 인가되는 외부전원의 전력이 차단되어, 과충전이 방지됨으로써, 배터리 셀(100)의 발화 및 폭발을 방지할 수 있다.
상기 배터리 과충전 방지 회로에서, 과충전 여부를 판단하는 전압인 과전압이 다른 경우, 전압 분배부(106)를 구성하는 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 저항값을 적절하게 변경하거나 기준 전압이 다른 션트 레귤레이터(SR)를 사용함으로써 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 의한 배터리 과충전 방지 장치는 변경된 과전압에 따라 배터리의 과충전을 방지하도록 동작할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서, 과충전이 발생하는 경우 배터리 셀(100)의 단락시 흐르는 단락 전류를 고려하여 적절한 단면적을 갖는 전도성 탭을 양극 탭(102)으로서 사용할 수 있다. 이 경우 과충전시 양극 탭(102)이 과전류로 인하여 용융 온도에 도달하여 용융되고, 배터리 셀(100)이 충전 전력을 공급하는 외부전원으로부터 전기적으로 분리된다. 따라서, 배터리 셀(100)의 과충전이 방지되고 배터리 셀(100)의 발화 및 폭발을 방지할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 배터리 셀 102 : 양극 탭
104 : 음극 탭 106 : 전압 분배부
108 : 스위칭부 R1 : 제1 저항
R2 : 제2 저항 SR : 션트 레귤레이터

Claims (14)

  1. 일단이 배터리의 양극 탭에 연결되고 타단은 상기 배터리의 음극 탭에 연결된 전압 분배부; 및
    일단이 상기 양극 탭에 연결되고 타단은 상기 음극 탭에 연결되며 상기 전압 분배부에서 분배된 전압에 따라 단락 또는 개방되는 스위칭부를 포함하며,
    상기 양극 탭과 상기 음극 탭 간의 전압이 제1 전압 이상인 경우 상기 스위칭부가 단락되고 상기 배터리가 단락되어 과전류가 발생하여 상기 양극 탭이 파괴됨으로써 상기 배터리가 충전 전원으로부터 전기적으로 분리되는 배터리 과충전 방지 장치.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 양극 탭은 상기 배터리가 단락되어 발생하는 과전류에 의한 온도 상승으로 용융되어 파괴되는 전도성 재질로 형성되는 배터리 과충전 방지 장치.
  3. 청구항 2항에 있어서,
    상기 양극 탭은 알루미늄으로 형성된 배터리 과충전 방지 장치.
  4. 청구항 3항에 있어서,
    상기 전압 분배부는 상기 양극 탭에 일단이 연결된 제1 저항; 및
    일단이 상기 제1 저항의 타단에 연결되고 타단은 상기 음극 탭에 연결된 제2 저항을 포함하는 배터리 과충전 방지 장치.
  5. 청구항 4항에 있어서,
    상기 스위칭부는, 션트 레귤레이터를 포함하는 배터리 과충전 방지 장치.
  6. 청구항 5항에 있어서,
    상기 션트 레귤레이터는 제어 단자를 포함하고, 상기 제어 단자에 상기 션트 레귤레이터의 기준 전압인 제2 전압 이상이 인가되는 경우 단락되고, 상기 제2 전압 미만이 인가되는 경우 개방되는 배터리 과충전 방지 장치.
  7. 청구항 6항에 있어서,
    상기 배터리는 배터리 셀을 포함하며, 상기 배터리 과충전 방지 장치는 배터리 셀의 센싱부에 장착되어 상기 배터리 셀의 상기 양극 탭과 상기 음극 탭에 연결되는 배터리 과충전 방지 장치.
  8. 청구항 7항에 있어서,
    상기 배터리는 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 포함하며, 상기 배터리 과충전 방지 장치는 상기 배터리 모듈 내의 배터리 셀들 중 한 셀의 센싱부에 장착되어 상기 배터리 셀의 양극 탭과 음극 탭에 연결되는 배터리 과충전 방지 장치.
  9. 청구항 8항에 있어서,
    상기 배터리 과충전 방지 장치는 상기 배터리 모듈 내에 포함되는 배터리 과충전 방지 장치.
  10. 청구항 9항에 있어서,
    상기 복수 개의 배터리 셀은 직렬로 연결되어 있는 배터리 과충전 방지 장치.
  11. 청구항 10항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 8개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 과충전 방지 장치.
  12. 청구항 11항에 있어서,
    상기 제1 전압은 4.7 볼트 내지 4.9 볼트인 배터리 과충전 방지 장치.
  13. 청구항 12항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬이온 배터리를 포함하는 배터리 과충전 방지 장치.
  14. 청구항 1항에 의한 배터리 과충전 방지 장치를 포함하는 배터리 팩.
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