KR20150053662A - 과충전 방지 배터리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀의 과충전 발생시 상승되는 셀 전압을 이용하여 퓨즈를 단락시키는 것으로서, 셀의 과충전으로 인한 셀 스웰링이 충분하지 않더라도, 과충전으로 인해 상승된 전압이 일정 전압에 도달하면 단속 스위치를 ON 작동시키고, 이로 인해 생성된 단락 전류로 퓨즈를 끊어 배터리의 전기를 차단하도록 한다.
이로 인해, 배터리 셀의 과충전으로 인한 안전 사고를 확실히 방지할 수 있으며, 본 발명의 단락 구조는 셀의 어느 위치에서나 설치 가능한바, 설계의 자유도를 높일 수 있다.

Description

과충전 방지 배터리 {PREVENTING FROM OVERCHARGING BATTERY}
본 발명은 배터리의 과충전 발생시 배터리 스택 내에 전기를 차단하여 과충전으로 인한 안전사고가 발생되는 것을 방지하기 위한 과충전 방지 배터리에 관한 것이다.
최근에는 화석 연료를 사용함에 따라 환경 오염의 발생을 해결하기 위해 전기자동차, 하이브리드자동차 등의 전기를 주 동력원으로 하는 친환경 자동차가 주목받고 있다.
친환경 자동차에서는 전기 에너지를 저장할 수 있는 배터리가 사용되는데, 차량을 구동하기 위해서는 고출력 및 대용량의 배터리가 이용되어야 하는바, 중대형의 배터리가 사용된다.
이러한 중대형의 배터리는 크기가 커짐에 따라 차량 설치에 용이하지 못하고, 중량이 증가됨에 따라 배터리의 소형화를 위한 개발이 되고 있으며, 최근에는 이를 만족할 수 있는 전지팩을 이용한 배터리 구조가 각광받고 있다.
이처럼, 전지팩을 이용한 배터리의 경우 전기 효율적으론 유리하지만, 안정성이 낮은 문제점이 있어 안정성을 확보할 수 있는 기술이 필요하다.
즉, 위의 전지팩을 이용한 배터리는 과충전시 전압이 상승되고 과열이 발생되며 내부의 가스발생 인해 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상이 발생하게 된다.
이를 방지하기 위한 종래의 배터리 안전구조는 셀 스웰링 발생시 배터리 셀을 감싸는 플레이트에 개구부를 형성하고, 셀의 팽창을 개구부로 유도하여 전극 리드가 파단되도록 하였다.
그러나, 이러한 구조는 충분한 셀 스웰링이 발생되어야만 전극 리드의 파단을 유도할 수 있는데, 셀의 열 폭주 발생전에 셀 스웰링이 충분치 않을 경우 전극 리드의 파단이 열폭주와 동시에 작동하여 전류가 차단되었다 하더라도, 셀의 폭발 및 발화가 일어날 수 있다. 만약, 이를 해소하기 위해 셀 사양이 변경될 경우 셀 팽창력의 변동으로 인하여 설계변경을 필요로 한다.
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.
대한민국특허공개공보 KR 10-2009-0063839 A (2009.06.18)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 셀에 과충전 발생시 상승되는 셀 전압을 이용하여 퓨즈를 단락시키는 것으로, 셀 스웰링이 충분하지 않더라도, 높은 셀 전압에 의해 즉각적으로 배터리의 전기를 차단함으로써 과충전으로 인한 안전 사고가 발생되는 것을 방지할 수 있는 과충전 방지 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 과충전 방지 배터리는 다수의 전극으로 이루어진 배터리 스택; 상기 배터리 스택의 전극 중 둘 이상의 전극과 단락 수단을 포함하여 전기적으로 연결되는 전기 라인; 및 상기 전기 라인 상에 설치되어 전기적인 연결을 선택적으로 단속하고, 배터리 스택에서 발생된 전압이 일정 전압 이상일 경우 ON 상태로 전환됨으로써 상기 단락 수단의 단락을 유도하여 배터리 스택의 전기를 차단하는 단속 스위치;를 포함한다.
상기 단속 스위치는 ON 상태로 전환되어 배터리 스택의 전기를 차단하고, 배터리 스택으로부터 인가되는 전압이 차단됨에 따라 OFF 상태로 전환될 수 있다.
상기 단락 수단은 퓨즈로 이루어질 수 있다.
상기 전기 라인 상에는 저항체가 더 포함되어 단속 스위치로 인가되는 전류를 감소시킬 수 있다.
상기 단속 스위치는 BMS(Battery Management System)를 통해 제어 가능하도록 구성되고, 상기 배터리 스택의 입력단에 마련된 메인 스위치의 융착시 BMS의 제어를 통해 단속 스위치가 ON 상태로 전환되도록 할 수 있다.
상기 전기 라인에서 단속 스위치의 전단에는 변압 장치를 더 포함하고, 전기 라인이 배터리 스택의 다수의 전극에 전기적으로 연결된 경우 변압 장치를 통해 각 전극에서 인가되는 전압을 조절하여 단속 스위치에 조절된 전압을 인가할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 과충전 방지 배터리는 셀의 과충전 발생시 상승되는 셀 전압을 이용하여 퓨즈를 단락시키는 것이다. 즉, 셀의 과충전으로 인한 셀 스웰링이 충분하지 않더라도, 일정 전압에 의한 단락 기구의 작동에 따라 생성된 단락전류로 퓨즈를 끊어 배터리의 전기를 차단하도록 한다.
이로 인해, 배터리 셀의 과충전으로 인한 안전 사고를 보다 확실히 방지할 수 있으며, 본 발명의 단락 구조는 셀의 어느 위치에서나 설치 가능한바, 설계의 자유도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 배터리의 구성도.
도 2 내지 5는 본 발명의 따른 과충전 방지 배터리의 작동 상태를 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 과충전 방지 배터리에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 방지 배터리의 구성도로서, 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 설명하면, 본 발명의 과충전 방지 배터리는 다수의 전극(120)으로 이루어진 배터리 스택(100); 상기 배터리 스택(100)의 전극(120) 중 둘 이상의 전극(120)과 단락 수단(140)을 포함하여 전기적으로 연결되는 전기 라인(200); 및 상기 전기 라인(200) 상에 설치되어 전기적인 연결을 선택적으로 단속하고, 배터리 스택(100)에서 발생된 전압이 일정 전압 이상일 경우 ON 상태로 전환됨으로써 상기 단락 수단(140)의 단락을 유도하여 배터리 스택(100)의 전기를 차단하는 단속 스위치(300);를 포함한다.
일반적으로, 배터리 스택(100)은 음극, 양극, 전해질을 포함하여 이루어지는 다수의 전극(120)으로 구성되고, 각각의 전극(120)은 서로 전기적으로 연결된다. 본 발명에서는 배터리 스택(100) 내부의 다수의 전극(120) 중 일부 전극(120)과 단락 수단(140)을 포함하여 전기적으로 연결되는 별도의 전기 라인(200)이 구비되고, 전기 라인(200)에는 전기적 연결을 선택적으로 단속하는 단속 스위치(300)가 마련된다. 상기 단락 수단(140)은 퓨즈로 이루어질 수 있으며, 퓨즈의 사양은 배터리 사양에 따른 적정 전압으로 단락이 이루어지도록 조정될 수 있다.
상기 단속 스위치(300)는 전압에 의해 작동되며, 일정 전압 이상일 경우 ON 상태로 전환되어 순간적인 단속 전류를 생성시킴으로써 전기 라인(200)에 마련된 단속 수단(20)을 통해 전기단락을 유도하여 배터리 스택(100) 내의 전류를 차단하도록 한다. 이렇게, 배터리 스택(100) 내의 전류의 흐름을 차단함으로써 지속적인 배터리의 충전을 방지하여 발화 및 폭발이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 과충전 방지 구조는, 종래 기술에 적용되는 배터리 전극의 과충전으로 인한 스웰링시 팽창하는 힘을 이용하여 전류의 흐름을 차단하는 구조에 대비하여, 적정 시점에서 정확한 단속이 이루어지는바, 안정성을 더욱 확보할 수 있다.
상기의 본 발명의 작동에 대해서 도면을 참조하여 설명하면, <도 2> 배터리 스택(100)의 정상 작동시에는 전기 라인(200)의 단속 스위치(300)가 OFF 상태이고, 배터리 스택(100) 내의 정상적인 전류의 흐름 및 충전이 이루어진다.
<도 3> 이러한 상태에서 배터리 스택(100)이 과충전됨에 따라 전극(120)의 전압이 상승되어 단속 스위치(300)의 작동 전압에 도달하면 단속 스위치(300)가 ON 상태로 전환된다.
<도 4> 이렇게, 단속 스위치(300)가 ON 상태로 전환됨에 따라 전기 라인(200)에는 단속 전류가 생성되어 흐르고, 단속 전류에 의해 단속 수단(20)인 퓨즈가 끊어져 배터리 스택(100) 내의 전류의 흐름을 차단되어 배터리의 충전이 이루어지지 못하도록 하는 것이다.
<도 5> 이와 더불어, 상기 단속 스위치(300)는 ON 상태로 전환되어 배터리 스택(100)의 전기를 차단한 후 배터리 스택(100)으로부터 인가되는 전압이 차단됨에 따라 다시 OFF 상태로 전환된다. 이렇게, 배터리 스택(100)으로부터 전압이 공급되지 않음에 따라 단속 스위치(300)는 다시 OFF 상태로 전환되어 전기 라인(200)에 포함된 전극(120)뿐만 아니라 나머지 전극(120)에도 전류가 공급되지 않도록 할 수 있는 것이다.
이러한 본 발명과 종래 기술과 대비하여 보면, 기존의 과충전 방지 시스템의 경우 배터리 스택 내의 전극이 과충전될 때의 팽창을 이용하여 전극의 리드(lead)와 탭(tab)부를 파단하여 전력을 차단하는 방식이다. 이러한 기존의 기술은 전극의 스웰링 발생시 팽창압이 부족할 경우 전극에 과충전이 지속되어 폭발 위험성이 더욱 증가될 수 있으며, 전극의 팽창이 어느 정도 진행된 경우이므로 작동까지 위험성이 따랐다. 이로 인해, 전극에 따라 가스 발생량이 상이하게 발생시 전극의 팽창 정도에 따라 전류의 단락이 미작동될 수 있는 문제가 있었다.
그러나, 도 2 내지 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 과충전 방지 시스템의 경우 전극(120)의 스웰링을 이용하여 전극을 차단하는 구조가 아닌, 전극 전압을 직접적으로 이용하는 단속 스위치(300)에 의해 단락이 이루어지도록 함으로써 상이한 전극 팽창으로 인해 과충전 방지 시스템이 미작동되는 우려를 해소할 수 있다. 아울러, 단락 수단(140)과 일부 전극을 포함한다면 배터리 스택(100) 내에 어느 위치에나 적용가능하여 설계의 자유도도 확보할 수 있다.
한편, 상기 전기 라인(200) 상에는 저항체(220)가 더 포함되어 단속 스위치(300)로 인가되는 전류를 감소시킬 수 있다. 본 발명에서 전기 라인(200)에는 단속 수단(20)과 일부 전극(120)을 포함하고, 전압 발생량에 따라 선택적으로 전기를 차단하여 단속 전류를 생성시키는 단속 스위치(300)가 마련된다. 이러한 전기 라인(200)에는 배터리 스택(100)의 전극(120)에서 고전압이 공급되어 흐르기 때문에, 너무 높은 전압으로 인해 단속 스위치(300)가 융착되어 올바른 단속 동작이 이루어지지 않을 수 있다.
이를 방지하기 위해, 전기 라인(200) 상에는 저항체(220)를 더 포함하여 단속 스위치(300)로 인가되는 전류를 감소시킴으로써 적정 수준의 전압이 단속 스위치(300)에 인가되도록 할 수 있다. 여기서, 저항체(220)를 추가하는 방법과 더불어 전기 라인(300)의 연결된 전극(120)의 수를 조절하여 단속 스위치(300)로 인가되는 전류량을 조정할 수 있다.
한편, 상기 단속 스위치(300)는 BMS(Battery Management System)(320)를 통해 제어 가능하도록 구성되고, 상기 배터리 스택(100)의 입력단에 마련된 메인 스위치(a)의 융착시 BMS(320)의 제어를 통해 단속 스위치(300)가 ON 상태로 전환되도록 할 수 있다.
이처럼, BMS(320) 제어를 통해 단속 스위치(300)의 ON/OFF 전환 제어가 가능하도록 구성함으로써 메인 스위치(a)의 융착으로 인한 시스템 오류 발생에 따른 배터리 스택(100)의 과열 및 과충전시 BMS(320)가 단속 스위치(300)를 ON 작동시켜 단속 수단(20)인 퓨즈를 끊어주도록 할 수 있다.
이처럼, BMS(320) 통해 단속 스위치(300)의 ON/OFF 제어에 따른 단속 전류를 이용하여 배터리 스택(100) 내에 전류를 차단함으로써 배터리 과충전으로 인한 안전사고가 발생되는 것을 방지할 수 있으며, 단속 스위치(300)의 BMS(320) 제어를 통해 메인 스위치(a)의 융착과 같이 다양한 시스템 오류에 능동적으로 대응할 수 있다.
한편, 상기 전기 라인(200)에서 단속 스위치(300)의 전단에는 변압 장치(240)가 설치될 수 있고, 전기 라인(200)이 배터리 스택(100)의 다수의 전극(120)에 전기적으로 연결된 경우 변압 장치(240)를 통해 각 전극(120)에서 인가되는 전압을 조절하여 단속 스위치(300)에 조절된 전압을 인가할 수 있다.
즉, 본 발명에서 전기 라인(200)은 일부 전극(120)과 단속 수단(20)을 포함하도록 구성되는데, 보다 정확한 배터리 스택(100) 내의 전압에 따른 단속 스위치(300)의 작동을 위해 전기 라인(200)을 다수의 전극(120)과 단속 수단(20)이 포함되도록 구성할 수 있다.
이처럼, 다수의 전극(120)에 전기적으로 연결할 경우, 그에 따라 인가되는 전압도 상승되어 높은 전압에 의해 단속 스위치(300)가 융착되는 문제가 발생될 수 있는바, 전기 라인(200)에 변압 장치(240)를 설치함으로써 단속 스위치(300)에 인가되는 전압을 조절하여 배터리 전극(120)의 전체 전압을 사용할 수 있다.
이러한 변압 장치(240)는 전기 라인(200)이 연결된 전극(120)에 따라 적정 수준으로 전압을 조정할 수 있으며, 다른 예로, 단속 스위치(300)가 설치됨에 따라 배터리의 소모되는 전력이 클 경우 이를 보정하여 전극 간의 전압 편차를 해소할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 과충전 방지 배터리는 전극의 과충전 발생시 상승되는 전극 전압을 이용하여 배터리 전류를 차단할 수 있다. 즉, 전극의 과충전으로 인한 스웰링이 충분하지 않더라도, 특정 전압에 의해 작동되는 단락 스위치에 의해 퓨즈를 끊어 배터리의 전기를 차단하는 것이다.
이로 인해, 배터리 스택 내의 전극의 과충전으로 인한 안전 사고를 확실히 방지할 수 있으며, 본 발명의 단락 구조는 셀의 어느 위치에서나 설치 가능한바, 설계의 자유도를 높일 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100:배터리 스택 120:전극
140:단락 수단 200:전기 라인
220:저항체 240:변압 장치
300:단속 스위치 320:BMS

Claims (6)

  1. 다수의 전극으로 이루어진 배터리 스택;
    상기 배터리 스택의 전극 중 둘 이상의 전극과 단락 수단을 포함하여 전기적으로 연결되는 전기 라인; 및
    상기 전기 라인 상에 설치되어 전기적인 연결을 선택적으로 단속하고, 배터리 스택에서 발생된 전압이 일정 전압 이상일 경우 ON 상태로 전환됨으로써 상기 단락 수단의 단락을 유도하여 배터리 스택의 전기를 차단하는 단속 스위치;를 포함하는 과충전 방지 배터리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단속 스위치는 ON 상태로 전환되어 배터리 스택의 전기를 차단하고, 배터리 스택으로부터 인가되는 전압이 차단됨에 따라 OFF 상태로 전환되는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 배터리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단락 수단은 퓨즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 과충전 방지 배터리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기 라인 상에는 저항체가 더 포함되어 단속 스위치로 인가되는 전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 배터리.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단속 스위치는 BMS(Battery Management System)를 통해 제어 가능하도록 구성되고, 상기 배터리 스택의 입력단에 마련된 메인 스위치의 융착시 BMS의 제어를 통해 단속 스위치가 ON 상태로 전환되는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 배터리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기 라인에는 전압을 조절하는 변압 장치가 더 포함되고, 전기 라인이 배터리 스택의 다수의 전극에 전기적으로 연결된 경우 변압 장치를 통해 각 전극에서 인가되는 전압을 조절하여 단속 스위치에 조절된 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 과충전 방지 배터리.
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