KR20160057206A - 배터리 보호장치 및 이를 이용한 배터리 보호 방법 - Google Patents

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Abstract

실시 예에 따른 배터리 보호장치는, 단위 셀, 도체 케이스, 양전극 및 음전극을 포함하는 배터리 모듈, 상기 양전극에 연결된 양극 전원선, 상기 음전극에 연결된 음극 전원선, 상기 케이스에 연결된 신호선, 및 상기 양극 전원선과 상기 음극 전원선을 통해 측정되는 상기 단위 셀의 충전전압을 측정하고, 상기 음극 전원선과 상기 신호선을 통해 측정되는 상기 단위 셀의 검출 전압을 측정하며, 계산된 상기 충전 전압과 상기 검출 전압의 전압 비를 이용하여 단위 셀의 충전 상태를 판단한다.

Description

배터리 보호장치 및 이를 이용한 배터리 보호 방법{PROTECTION APPARUTUS FOR RECHARGEABLE BATTERY AND PROTECTOIN METHOD FOR RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 배터리 보호장치 및 이를 이용한 배터리 보호 방법에 관한 것으로, 특히 이차전지의 과충전을 방지할 수 있는 보호 장치에 관한 것이다.
일반적으로 이차전지(rechargeable battery)는 충전 및 방전할 수 있는 전지로, 니켈-수소(Ni-MH) 전지와 리튬(Li) 이온 전지 등이 사용된다. 이차전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 기기의 종류에 따라 다양한 형태로 사용된다.
소용량의 이차전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같이 휴대가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량의 이차전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 사용될 수 있다.
이차전지는 소형 전자기기에서와 같이 단일 셀로 사용되거나, 모터 구동용에서와 같이 복수의 단위 셀을 전기적으로 연결한 모듈 상태 또는 복수의 모듈을 전기적으로 연결한 팩 상태로 사용될 수 있다.
이러한 이차전지는 비정상적으로 과충전되는 경우 이차전지 내부의 전압이 상승하여 가스가 발생하고, 발생된 가스에 의해 이차전지의 케이스 내부 압력이 상승하여 이차전지의 케이스가 팽창 및 폭발할 수 있다. 따라서, 이차전지의 비정상적인 과충전을 방지하는 보호장치가 필요하다.
실시 예에 따른 배터리 보호장치 및 이를 이용한 배터리 보호 방법은 이차전지의 셀 내부압의 과도한 증가를 검출하여, 비정상적인 압력배출(Ventig) 또는 빈번한 과충전에 의한 배터리 보호회로(BMS)의 과충전 검출력 저하를 사전에 인식/방지하기 위함이다.
또한, 전압/전류계 신호연산에 의한 과충전 상태를 판단하여 이차전지의 안전성을 사전에 확보하기 위함이다.
또한, 사전 예측정보를 제공함으로써 구동계 Fail-safe모드 천이 제어의 단순화를 가능하게 하기 위함이다.
또한, 추가로 압력배출장치(Vent)의 작동에 의한 전지 누설을 사전에 통제하여 능동적으로 전지 수명을 제어하기 위함이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 배터리 보호장치는, 단위 셀, 도체 케이스, 양전극 및 음전극을 포함하는 배터리 모듈, 상기 양전극에 연결된 양극 전원선, 상기 음전극에 연결된 음극 전원선, 상기 케이스에 연결된 신호선, 및 상기 양극 전원선과 상기 음극 전원선을 통해 측정되는 상기 단위 셀의 충전전압을 측정하고, 상기 음극 전원선과 상기 신호선을 통해 측정되는 상기 단위 셀의 검출 전압을 측정하며, 계산된 상기 충전 전압과 상기 검출 전압의 전압비를 이용하여 단위 셀의 충전 상태를 판단한다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호장치의 배터리 모듈은, 상기 케이스로부터 연장되어 형성되고, 상기 신호선에 연결된 단락 플레이트; 및 일단은 상기 양전극에 연결되고, 상기 단락 플레이트와 접촉하는 연결 점을 포함하는 연결탭을 포함하고, 상기 단락 플레이트는 상기 배터리 모듈의 내부압력에 따라 물리적으로 변형되어 상기 연결 점과 상기 단락플레이트의 접촉이 끊긴다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호장치의 단락 플레이트는, 상기 케이스 내부 압력에 의해 형상이 영구 변형되는 접점 형성체이다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호장치의 단락 플레이트는, 상기 케이스 내부 압력이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우 상기 단락 플레이트의 외형은 상기 케이스 외부 방향으로 볼록하게 영구 변형된다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호장치의 배터리 보호회로는 상기 전압 비가 0.5를 초과하는 경우 상기 단위 셀의 충전 상태를 정상상태로 판단하고, 상기 전압 비가 0.5 미만이면 상기 단위 셀의 충전 상태를 비정상 과충전 상태로 판단한다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호장치의 배터리 보호회로는 상기 전압 비가 0이면 상기 단위 셀의 충전 상태를 과충전 상태로 판단한다.
또한, 실시 예에 따른 단위 셀, 도체 케이스, 양전극 및 음전극을 포함하는 배터리 모듈, 상기 양전극에 연결된 양극 전원선, 상기 음전극에 연결된 음극 전원선, 상기 케이스에 연결된 신호선, 및 배터리 보호회로를 포함하는 배터리 장치를 이용한 배터리 보호 방법에 있어서, 상기 배터리 보호 방법은, 상기 양극 전원선과 상기 음극 전원선을 통해 측정되는 상기 단위 셀의 충전 전압을 측정하는 단계, 상기 음극 전원선과 상기 양극 전원선을 통해 측정되는 상기 단위 셀의 검출 전압을 측정하는 단계, 상기 충전 전압과 상기 검출 전압의 전압비를 계산하는 단계, 및 상기 전압비를 이용하여 상기 단위 셀의 충전 상태를 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 모듈은, 상기 케이스로부터 연장되어 형성되고, 상기 신호선에 연결된 단락 플레이트 및 일단은 상기 양전극에 연결되고, 상기 단락 플레이트와 접촉하는 연결 점을 포함하는 연결탭을 포함하고, 실시 예에 따른 배터리 보호 방법은, 상기 단락 플레이트가 상기 배터리 모듈의 내부압력에 따라 물리적으로 변형되어 상기 연결 점과 상기 단락플레이트의 접촉이 끊기는 단계를 포함한다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호 방법의 단락 플레이트는, 상기 케이스 내부 압력에 의해 형상이 영구 변형되는 접점 형성체이다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호 방법의 단락 플레이트는, 상기 케이스 내부 압력이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우 상기 단락 플레이트의 외형은 상기 케이스 외부 방향으로 볼록하게 영구 변형된다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호 방법의 충전 상태를 판단하는 단계는,
상기 전압 비가 0.5를 초과하는 경우 상기 단위 셀의 충전 상태를 정상상태로 판단하는 단계; 상기 전압 비가 0.5 미만이면 상기 단위 셀의 충전 상태를 비정상 과충전 상태로 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 보호 방법의 충전 상태를 판단하는 단계는, 상기 전압 비가 0이면 상기 단위 셀의 충전 상태를 과충전 상태로 판단하는 단계를 포함한다.
실시 예에 따른 배터리 보호장치 및 이를 이용한 배터리 보호 방법은 이차전지의 셀 내부압의 과도한 증가를 검출하여, 비정상적인 압력배출 또는 빈번한 과충전에 의한 이차전지 배터리 보호회로(BMS)의 과충전 검출력 저하를 사전에 인식/방지하는 효과가 있다.
또한, 전압/전류계 신호연산에 의한 과충전 상태를 판단하여 이차전지의 안전성을 사전에 확보하는 효과가 있다.
또한, 사전 예측정보를 제공함으로써 구동계 Fail-safe모드 천이 제어의 단순화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 압력배출장치의 작동에 의한 전지 누설을 사전에 통제하여 능동적으로 전지 수명을 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 보호장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 보호 방법을 나태내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다." 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 보호장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리팩을 나타낸 도면이다.
이하, 도 1 및 도 2를 이용하여 실시 예에 따른 배터리 보호장치에 대해서 설명한다.
도 1 및 2를 참조하면, 배터리 보호장치(1)는 배터리 팩(10) 및 배터리 보호회로(BMS)를 포함한다. 배터리 보호장치(1)는 배터리 보호회로(BMS)가 생성한 정상모드 신호, 경계모드 신호 및 보호모드 신호를 이용하여 배터리 팩(10)의 충전 상태를 파악할 수 있다. 배터리 보호장치(1)는 정상모드 신호를 이용하여 배터리 팩(10)의 충전 상태를 정상으로 판단할 수 있고, 배터리 보호장치(1)는 경계모드 신호를 이용하여 배터리 팩(10)의 내부압 증가를 검출하고, 배터리 팩(10)의 비정상적인 압력배출 또는 보호회로(BMS)의 빈번한 과충전에 의한 과충전 검출력 저하를 사전에 인식하고 방지할 수 있다. 배터리 보호장치(1)는 보호모드 신호를 이용하여 배터리 팩(10)과 부하(미도시) 및 충전기(미도시)의 연결을 차단하는 보호 동작을 수행할 수 있다.
배터리 팩(10)은 복수의 배터리 모듈(BM), 양극 전원선(110), 음극 전원선(120) 및 신호선(130)을 포함한다. 양극 전원선(110)은 배터리 모듈(100)의 양전극(111)과 보호회로(BMS)를 연결한다. 음극 전원선(120)은 배터리 모듈(100)의 음전극(121)과 보호회로(BMS)를 연결한다. 신호선(130)은 음극 배터리 모듈(100)의 케이스(140)와 보호회로(BMS)를 연결한다.
도 2를 참조하면, 배터리 모듈(BM1, BM2) 각각은 대응하는 단위 셀(C1, C2), 케이스(140), 양전극(111) 및 음전극(121)을 포함할 수 있다, 배터리 모듈(BM2)의 양전극(111)은 인접한 배터리 모듈(BM1)의 음전극(121)에 연결되어 있다.
단위 셀(C1, C2)은 니켈-수소(Ni-MH) 전지와 리튬(Li) 이온 전지 등일 수 있으나 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다. 단위 셀(C1, C2)은 과충전됨에 따라 단위 셀(C1, C2) 전압이 과도하게 상승하여 가스를 발생할 수 있다.
케이스(141, 142)는 대응되는 단위 셀(C1, C2) 및 연결 모듈(1410)의 일단 및 타단으로부터 연장된 하우징 형상으로, 구리, 알루미늄 등의 도체로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
연결 모듈(1410)은 케이스(141, 142) 상에 배치되고, 도체(1402) 연결 탭(1403), 절연체(1404, 1405) 및 단락 플레이트(1411, 1421)를 포함할 수 있다.
도체(1402)의 일단은 단락 플레이트(1411)의 타단을 파지하고 있고, 타단은 신호선(130)에 연결되어 있다.
연결 탭(1403)은 단락 플레이트(1411, 1421)에 대향 하여 배치된다. 연결 탭(1403)의 일단은 대응되는 단위 셀(C1, C2)의 양전극 및 양극 전원선(110)에 연결되어 있고 타단은 절연체(1405)에 파지 되어 있다. 연결 탭(1403)은 연결 점(1416)을 포함하고 연결 점(1416)은 단락 플레이트(1411, 1421)와 접촉하여 전기적으로 연결될 수 있다.
절연체(1404)는 단락 플레이트(1411, 1421)의 일단을 파지하고 있다. 절연체(1405)는 도체(1402)와 연결 탭(1403)사이에 위치하고 있으며, 도체(1402)와 연결 탭(1403)을 전기적으로 절연되게 할 수 있다
단락 플레이트(1411, 1421)는 일단이 절연체(1404)에 파지 되어 있고, 타단은 도체(1402)를 통해 케이스(141, 142)에 연결되어 있다. 단락 플레이트(1411, 1421)는 도체(1415)의 연결 점(1416)과 접촉되거나 일정거리 이격되어 위치할 수 있다. 단락 플레이트(1411, 1421)는 단위 셀(C1, C2)이 과충전됨에 따라 발생된 가스에 의해 상승된 케이스(140) 내부 압력 등 물리적 요인에 의하여 형상이 영구 변형될 수 있는 접점 형성체로 형성될 수 있다. 구체적으로 설명하면, 케이스(140) 내부 압력이 기 설정된 기준치일 때 때 단락 플레이트(4111)의 형상은 변형되지 않고 연결 점(1416)과 접촉하여 단위 셀(C1, C2)의 양전극을 신호선(130)과 연결할 수 있다. 또한, 케이스(140) 내부 압력이 기 설정된 기준치를 초과할 경우 단락 플레이트(1421)의 외형은 케이스(140) 외부 방향으로 볼록하게 영구 변형된다. 단락 플레이트(1421)의 형상이 변형되면 연결 점(1416)과 접촉하지 않게 되고, 단위 셀(C1, C2)의 양전극과 신호선(130)의 연결은 끊어진다.
신호선(130)은 일단은 도체(1402)와 연결되어 있고, 타단은 배터리 보호회로(BMS)에 연결되어 있다.
배터리 보호회로(BMS)는 양극 전원선(110), 음극 전원선(120) 및 신호선(130)에 연결되어 있다. 배터리 보호회로(BMS)는 양극 전원선(110)과 양극 전원선(120)을 통해 대응하는 단위 셀(C1, C2)의 충전 전압을 측정하고, 신호선(130)과 음극 전원선(120)을 통해 단위 셀(C1, C2)의 검출 전압을 측정한다. 배터리 보호회로(BMS)는 측정한 충전 전압과 검출 전압을 수학식 1에 대입하여 충전 전압과 검출 전압 간의 전압 비(검출 전압/충전 전압)를 계산한다. 배터리 보호회로(BMS)는 계산된 전압 간의 비를 이용하여 대응하는 배터리 셀(C1, C2)의 충전 상태를 판단한다.
[수학식 1]
검출 전압/충전 전압> 0.5: 정상상태
검출 전압/충전 전압 =　0: 과충전 상태
검출 전압/충전 전압 <　0.5: 비정상 과충전 상태
배터리 보호회로(BMS)는 전압 비가 0.5를 초과하는 경우 대응하는 단위 셀(C1, C2)의 충전 상태를 정상으로 판단하고 정상모드 신호를 생성한다. 배터리 보호회로(BMS)는 전압 비가 0인 경우 단위 셀(C1, C2)은 과충전 상태로 판단하고, 대응하는 단위 셀(C1, C2)의 충전 전압을 모니터링 하도록 경계 모드 신호를 생성한다. 배터리 보호회로(BMS)는 전압 비가 0.5 미만인 경우, 해당 단위 셀(C1, C2)을 비정상 과충전 상태로 판단하고, 보호 모드를 생성하여 배터리 팩(10)과 부하(미도시) 및 충전기(미도시)의 연결을 차단하는 보호 동작이 수행될 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 보호 방법을 나타내는 흐름도 이다.
S10단계에서, 배터리 보호회로(BMS)는 양극 전원선(110)과 음극 전원선(120)을 통해 대응하는 단위 셀(C1, C2)의 충전 전압을 측정한다.
S20단계에서, 배터리 보호회로(BMS)는 신호선(130)과 음극 전원선(120)을 통해 단위 셀(C1, C2)의 검출 전압을 측정한다.
S30단계에서, 배터리 보호회로(BMS)는 충전 전압과 검출 전압 간의 전압 비(검출 전압/충전 전압)를 계산한다.
S41단계에서, 배터리 보호회로(BMS)는 전압 비가 0.5 미만인지 판단하고, S51 단계에서, 전압 비가 0.5 미만인 경우 경계 모드로 판단한다.
S42단계에서, 배터리 보호회로(BMS)는 전압 비가 0.5를 초과하는지 판단하고, S52 단계에서 전압 비가 0.5를 초과하는 경우에는 정상모드로 판단한다.
S43단계에서, 배터리 보호회로(BMS)는 전압 비가 0인지 판단하고, S53 단계에서 전압 비가 0이면 보호모드로 판단한다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1: 배터리 보호장치
10: 배터리 팩
BMS: 배터리 보호회로
BM1. BM2: 배터리 모듈
110: 양극 전원선
120: 음극 전원선
130: 신호선

Claims (6)

  1. 단위 셀, 도체 케이스, 양전극 및 음전극을 포함하는 배터리 모듈,
    상기 양전극에 연결된 양극 전원선,
    상기 음전극에 연결된 음극 전원선,
    상기 케이스에 연결된 신호선, 및
    상기 양극 전원선과 상기 음극 전원선을 통해 측정되는 상기 단위 셀의 충전전압을 측정하고, 상기 음극 전원선과 상기 신호선을 통해 측정되는 상기 단위 셀의 검출 전압을 측정하며, 계산된 상기 충전 전압과 상기 검출 전압의 전압 비를 이용하여 단위 셀의 충전 상태를 판단하는 배터리 보호회로
    를 포함한 배터리 보호 장치.
  2. 제 1항에 있어서
    상기 배터리 모듈은, 상기 케이스로부터 연장되어 형성되고, 상기 신호선에 연결된 단락 플레이트; 및
    일단은 상기 양전극에 연결되고, 상기 단락 플레이트와 접촉하는 연결 점을 포함하는 연결탭을 포함하고,
    상기 단락 플레이트는 상기 배터리 모듈의 내부압력에 따라 물리적으로 변형되어 상기 연결 점과 상기 단락플레이트의 접촉이 끊기는 배터리 보호장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 단락 플레이트는, 상기 케이스 내부 압력에 의해 형상이 영구 변형되는 접점 형성체인 배터리 보호 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 단락 플레이트는, 상기 케이스 내부 압력이 기 설정된 기준치를 초과하는 경우 상기 단락 플레이트의 외형은 상기 케이스 외부 방향으로 볼록하게 영구 변형되는 배터리 보호장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 보호회로는 상기 전압 비가 0.5를 초과하는 경우 상기 단위 셀의 충전 상태를 정상상태로 판단하고, 상기 전압 비가 0.5 미만이면 상기 단위 셀의 충전 상태를 비정상 과충전 상태로 판단하는 배터리 보호 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 배터리 보호회로는 상기 전압 비가 0이면 상기 단위 셀의 충전 상태를 과충전 상태로 판단하는 배터리 보호장치.
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