KR20160143091A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 과충전 보호 시스템 - Google Patents

Abstract

배터리 팩 및 이를 포함하는 과충전 보호 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 충방전 장치와 상기 배터리 모듈을 연결하는 한 쌍의 충방전 단자 및 상기 충방전 단자 사이에 구비되며, 상기 배터리 모듈에 이상 상태가 발생하는 경우 방전 경로를 형성하는 접지부를 포함한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 과충전 보호 시스템{Battery Pack and Overcharge Protection System Including Thereof}

본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 과충전 보호 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 과충전으로 인한 배터리 이상 상태 발생 시 새로운 방전 경로를 형성함으로써 배터리를 과충전으로부터 보호하는 배터리 팩 및 이를 포함하는 과충전 보호 시스템에 관한 것이다.

충방전이 가능한 2차 전지는 모바일 폰, 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 이러한 2차 전지는 니켈-카드뮴 전지, 납 축전지, 니켈-수소 전지, 이튬-이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등 다양한 종류가 개발되고 있다.

이러한 2차 전지는 셀 형태로 제작된 후, 충방전 회로와 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩에 설치되는 외부 단자를 통해 외부 전원 또는 부하에 의한 충전 또는 방전이 이루어진다.

배터리 팩은 일반적으로 배터리 셀과, 충방전 회로를 포함하는 주변 회로로 이루어지며, 상기 주변 회로는 인쇄 회로 기판으로 제작된 후, 상기 배터리 셀과 결합된다. 이러한 배터리 팩의 인쇄 회로 기판에서는, 비정상적인 조건 등에 의해 특정 부품의 발화 및 발연이 발생하는 경우가 있으며, 이 경우에는 인쇄 회로 기판 상의 대부분의 패턴이 연소되어 버린다.

이러한 문제에 대비하기 위한 장치 및 방법을 개발되어 적용되고 있으며, 이러한 장치 또는 방법은 일반적으로 배터리 셀에 과충전 발생 시 충전 경로를 차단하는 구성을 취하고 있다. 위와 같은 과충전 보호 장치는 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩, 보호 회로를 포함하며 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)를 구성할 수 있다.

본 발명은 과충전으로부터 배터리를 보호할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 과충전 보호 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 충방전 장치와 상기 배터리 모듈을 연결하는 한 쌍의 충방전 단자 및 상기 충방전 단자 사이에 구비되며, 상기 배터리 모듈에 이상 상태가 발생하는 경우 방전 경로를 형성하는 접지부를 포함한다.

또한, 상기 접지부는 멤브레인(membrane)으로 형성되며, 상기 배터리 모듈에 이상 상태가 발생하는 경우 상기 배터리 팩 바깥 방향으로 팽창할 수 있다.

또한, 상기 방전 경로는 상기 배터리 셀에 의한 전류 경로와 병렬로 형성될 수 있다.

또한, 상기 방전 경로에 의한 총 저항의 크기는 상기 배터리 모듈을 포함하는 전류 경로의 총 저항의 크기보다 작을 수 있다.

또한, 상기 이상 상태는 상기 배터리 모듈의 과충전 상태일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 보호 시스템은, 배터리 팩의 과충전 보호 시스템으로서, 배터리 팩 및 충전 장치를 포함하며, 상기 배터리 팩은 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 한 쌍의 충방전 단자 및 상기 충방전 단자 사이에 구비되며, 상기 배터리 모듈에 이상 상태가 발생하는 경우 접지와 연결되어 방전 경로를 형성하는 접지부를 포함한다.

또한, 상기 접지부는 멤브레인(membrane)으로 형성되며, 상기 배터리 모듈에 이상 상태가 발생하는 경우 상기 배터리 팩 바깥 방향으로 팽창할 수 있다.

또한, 상기 방전 경로는 상기 배터리 셀에 의한 전류 경로와 병렬로 형성될 수 있다.

또한, 상기 방전 경로에 의한 총 저항의 크기는 상기 배터리 모듈을 포함하는 전류 경로의 총 저항의 크기보다 작을 수 있다.

또한, 상기 이상 상태는 상기 배터리 모듈의 과충전 상태일 수 있다.

또한, 상기 배터리 팩과 상기 충방전 장치는 상기 충방전 단자를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명은 과충전으로부터 배터리를 보호할 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 과충전 보호 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 정상 상태에서의 전류 경로를 나타내는 도면이다.
도 3은 이상 상태에서의 전류 경로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 이상 상태에서의 배터리 팩의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 보호 시스템의 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 정상 상태와 이상 상태에서의 전류 경로를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 보호 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

이제, 예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 참조로 아래에서 더욱 자세히 설명될 것이다. 그러나, 여러 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되는 실시예들로 한정되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고 완벽해지며, 예시적인 구현예들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 완전하게 전달할 수 있도록 제공되는 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 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. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 예시적인 실시예들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 더욱 완벽하게 실시예들이 설명될 것이다. 전체적으로 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 도면들에서, 동일하거나 대응하는 구성요소들에는 동일한 도면부호가 부여되고, 이에 대하여 중복하여 설명되지 않을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 배터리 모듈(1), 한 쌍의 충방전 단자(2) 및 접지부(3)를 포함한다. 배터리 모듈(10)은 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하며, 상기 배터리 셀은 다른 배터리 셀과 서로 직렬로 연결된다. 상기 배터리 셀은 충방전 가능하고, 배터리 팩(10)에 연결된 충전 장치에 의해 충전되고, 충전된 전력을 배터리 팩(10)에 연결된 부하에 공급할 수 있다.

충방전 단자(2)는 양의 단자(P+)와 음의 단자(P-)를 포함하고 배터리 모듈(1)과 충방전 장치를 연결한다. 충방전 장치는 충전기와 같은 충전 장치, 그리고 부하와 같은 방전 장치를 포함하는 것으로 이해할 수 있다. 충전 장치와 방전 장치는 상기 충방전 단자(2)를 통해 연결되며, 충전 장치는 상기 배터리 모듈에 전력을 공급하여 상기 배터리 셀을 충전하고, 방전 장치는 상기 배터리 셀로부터 전력을 공급받는다. 따라서, 상기 충방전 단자(2)는 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류, 방전 장치로 공급되는 방전 전류가 흐르는 경로가 될 수 있다.

접지부(3)는 상기 충방전 단자(2) 사이에 구비되며, 상기 배터리 모듈(1)에 이상 상태가 발생하는 경우 방전 경로를 형성한다. 접지부(3)는 상기 배터리 모듈(1)에 이상 상태가 발생하는 경우 턴-온(turn-on)되는 스위치를 포함할 수 있으며, 상기 방전 경로는 상기 충방전 단자(2)의 양의 단자(P+)와 상기 스위치를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 방전 경로는 상기 배터리 모듈(1)과 상기 충방전 단자(2)에 의해 형성되는 전류 경로와 병렬로 형성될 수 있다.

한편, 상기 배터리 모듈(1)의 이상 상태는 과충전 상태를 의미할 수 있다. 배터리의 수명을 연장하기 위해서는 배터리의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 일정하게 유지시켜주는 것이 중요하다. SOC가 너무 낮거나 높은 상태가 계속되는 경우에는 SOC를 중간 수준으로 유지할 경우에 비해서 배터리의 열화가 빠르게 진행된다.

배터리를 과방전 시키면 구성부품이 열화되어 회복 불가능한 상태가 되며, 과충전 시키면 배터리 셀이 과열되어 불가역적인 구조로 변화될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 배터리 팩을 과충전으로부터 보호하는 것을 목적으로 하며 과충전 방지 기능은 상기 방전 경로를 통한 전류 경로 변경을 통하여 수행될 수 있다.

상기 접지부(3)에 의해 상기 방전 경로가 형성되면, 배터리 팩(10)에 연결된 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류는 상기 방전 경로를 통해 흐르게 된다. 상기 접지부(3)는 접지 단자(미도시)와 연결 가능하며, 상기 접지 단자는 상기 충전 장치에 구비될 수 있다.

상기 방전 경로에 존재하는 총 저항의 크기는 상기 배터리 모듈(1)을 포함하는 전류 경로의 총 저하의 크기보다 작을 수 있으며, 이로 인하여 접지부(3)에 의해 상기 방전 경로가 형성되었을 때, 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류가 상기 방전 경로를 통해 흐를 수 있게 된다.

배터리 팩(10)은 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)(4) 및 충방전 스위치(5)를 포함할 수 있다. BMS(4)는 배터리 모듈(1)의 안전성과 신뢰성을 보증하는 역할을 하며, 배터리 셀(또는 배터리 모듈(1))의 전압, 출력 전류 및 온도를 모니터링하여 배터리 팩을 최적의 상태로 유지관리한다. 예컨대, BMS(4)는 배터리의 충전 또는 방전시 과충전 및 과방전을 막아주며 배터리 셀 간의 전압을 균일하게 하여줌으로써 에너지 효율 및 배터리의 수명을 높여준다.

여러 개의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 하나의 배터리 모듈을 형성하는 경우, 그 중 한 개의 배터리 셀이라도 고장이 나거나 열화되면, 배터리 팩 전체가 영향을 받을 수 있다. 따라서, BMS(4)는 개개의 배터리 셀에 대한 과충전, 과방전, 과열을 막고 이들을 최적화 시켜주는 기능을 할 수 있다.

충방전 스위치(5)는 BMS(4)에 의해 제어되어 스위치 온/오프(on/off) 동작함으로써, 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류를 차단하거나 배터리 셀로부터 공급되는 방전 전류를 차단하는 역할을 할 수 있다. 그리고, 도 1에 도시되는 바와 같이, 충방전 스위치(5)는 FET로 구성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

충방전 스위치(5)에 포함되는 충전 스위치는 배터리 모듈(1)이 과충전 되는 경우 BMS(4)에 의해 턴-오프(turn-off) 되어 배터리 팩(10) 전체를 과충전으로부터 보호하는 기능을 수행한다. 이러한 점에서, 충방전 스위치(5)는 본 발명에 따른 배터리 팩(10)에서 과충전시 형성되는 상기 방전 경로와 동일한 목적을 갖는 것으로 이해할 수 있다.

다만, 충방전 스위치(5)가 고장나거나 BMS(4) 고장으로 인하여 상기 충방전 스위치(5)의 스위칭 동작이 정상적으로 이루어지지 않는 경우에는 상기 방전 경로를 통해 외부 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류를 배터리 팩(10) 외부로 흘려보냄으로써 배터리 팩(10)을 과충전으로부터 보호할 수 있다.

도 2는 정상 상태에서의 전류 경로를 나타내는 도면이다.

도 2 및 이하의 도 3에는, 도 1을 참조로 하여 설명한 BMS 및 충방전 스위치가 도시되어 있지 않지만, 이는 중복되는 설명을 피하기 위한 것으로서 도 2 및 도 3에 도시되는 배터리 팩(10)의 회로도 상기 BMS 및 충방전 스위치가 포함될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다 할 것이다.

도 2는 배터리 팩(10)에 충전 장치가 연결되어 충전 전류(I)가 공급되는 것을 나타내며, 배터리 셀(또는, 배터리 모듈)이 정상 상태인 경우의 전류 경로를 도시한다.

여기서, 정상 상태란 배터리 모듈(1), 또는 배터리 모듈(1)을 구성하는 배터리 셀의 전압, 출력 전류 및 온도가 미리 설정한 정상 범위 내에 있는 경우를 의미한다. 또한, 정상 상태는 배터리 모듈(1), 또는 각각의 배터리 셀이 과충전 상태에 있거나 과방전 상태에 있지 않음을 의미한다.

정상 상태에서 접지부(3)는 방전 경로를 형성하지 않으므로 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류(I)는 도 2에 도시되는 경로를 통해 흐르게 된다.

도 3은 이상 상태에서의 전류 경로를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조로 하여 설명한 바와 같이, 이상 상태는 배터리 모듈(1) 또는, 개별 배터리 셀의 과충전 상태를 의미한다. 그리고, 도 3은 도 2와 마찬가지로 배터리 팩(10)에 충전 장치가 연결되어 충전 전류가 공급되는 것을 나타낸다.

이상 상태에서 접지부(3)는 방전 경로를 형성하며, 상기 방전 경로가 형성됨으로써 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류는 도 2를 참조로 하여 설명한 경로(Path 2)를 따라 흐르는 전류(I2)와 상기 방전 경로(Path 1)를 따라 흐르는 전류(I1)로 나누어 진다.

이때, 방전 경로(Path 1)를 따라 흐르는 전류(I1)의 크기는 상기 배터리 모듈(1)을 포함하는 경로를 따라 흐르는 전류(I2)의 크기보다 크고, 이는 방전 경로(Path 1)에 존재하는 총 저항의 크기(R1)가 상기 배터리 모듈(1)을 포함하는 경로(Path 2)에 존재하는 총 저항의 크기(R2)보다 작기 때문이다. 여기서, 상기 배터리 모듈(1)을 포함하는 경로(Path 2)에 존재하는 총 저항의 크기(R2)는 상기 경로(Path 2) 상에 존재하는 충방전 스위치의 저항을 포함할 수 있으므로 상기 방전 경로(Path 1)에 존재하는 총 저항의 크기(R1)보다 작을 수 있다.

또한, 상기 방전 경로(Path 1)에 존재하는 총 저항의 크기(R1)는 상기 배터리 모듈(1)을 포함하는 경로(Path 2)에 존재하는 총 저항의 크기(R2)에 비하여 무시할 수 있을 정도로 작을 수 있다.

따라서, 배터리 모듈(1)에 이상 상태가 발생하는 경우, 배터리 팩(10)에 연결된 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류의 대부분은 상기 방전 경로(Path 1)를 통해 흐르게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 이상 상태는 배터리 모듈(1) 또는 배터리 셀의 과충전 상태를 의미하고, 이때 배터리 팩(10)에 연결된 충전 장치로부터 충전 전류가 공급된다 하더라도, 접지부(3)에 의하여 형성된 방전 경로(Path 1)를 통해 대부분의 충전 전류가 배터리 모듈(1)로 공급되지 않고, 배터리 팩(10) 외부로 흘러나가게 되므로, 배터리 팩(10)을 과충전으로부터 보호할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 4는 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 설명한 배터리 팩(10)의 물리적인 구조를 나타내는 도면으로서, 도 4에 도시되는 배터리 팩(10) 내부에 하나 이상의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리 모듈과 BMS, 및 충방전 스위치가 구비되어 있는 것으로 이해될 수 있다.

도 4는 한 쌍의 충방전 단자(P+, P-)와 접지부(3)를 도시한다. 충방전 단자(P+, P-)는 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 설명한 충방전 단자(2)와 실질적으로 동일하며, 배터리 팩(10)와 연결되는 충전 장치(미도시) 또는 부하(미도시)는 상기 충방전 단자(P+, P-)를 통해 전기적으로 접속될 수 있다.

접지부(3)는 상기 충방전 단자 사이(P+ 단자와 P- 단자 사이)에 형성된다. 접지부(3)는 배터리 모듈(또는, 배터리 셀)이 과충전 되어 이상 상태가 발생하는 경우 스위치 온(switch on)되어 방전 경로를 형성함으로써, 배터리 팩(10)을 과충전으로 인한 문제로부터 보호하는 역할을 한다.

한편, 접지부(3)는 멤브레인(membrane)으로 형성될 수 있는데, 멤브레인은 얇은 막을 의미하며 상기 접지부(3)는 이상 상태에 방전 경로를 형성함으로써 전류가 도통되도록 할 수 있어야 하므로, 멤브레인은 전도성을 갖는 물질로 형성될 수 있다.

전도성을 갖는 멤브레인(또는, 막)은 다양한 물질로 만들어질 수 있으며, 탄소 나노 튜브(CNT) 또는 그래핀(graphene) 등이 사용 가능하나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 방전 경로의 저항이 작을수록 과충전 방지 효과가 향상될 것이므로, 저항의 크기가 작은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

도 5는 이상 상태에서의 배터리 팩의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 5에 도시되는 배터리 팩(10)은 도 4를 참조로 하여 설명한 배터리 팩(10)과 대부분 동일하나, 이상 상태에서의 접지부(3)의 형태를 구체적으로 나타낸다.

도 5를 참조하면, 배터리 모듈(또는, 배터리 셀)에 이상 상태가 발생하는 경우, 즉 과충전이 발생한 경우 접지부(3)는 배터리 팩(10) 바깥 방향으로 팽창한다.

배터리 모듈(또는, 배터리 셀)이 과충전 되는 경우 일반적으로 배터리 팩(10) 내부의 온도가 상승한다. 배터리 팩(10) 내부의 부피는 일정하므로 온도 상승으로 인해 배터리 팩(10) 내부의 압력은 증가한다. 도 4를 참조로 하여 설명한 바와 같이 접지부(3)는 멤브레인으로 이루어질 수 있으므로, 내부 압력에 의해 접지부(3)는 배터리 팩(10)의 바깥 방향으로, 즉 배터리 팩(10)의 내부에서 외부를향하여 팽창하게 된다.

팽창한 접지부(3)는 배터리 팩(10)과 연결된 충전 장치(미도시)의 접지 단자와 전기적으로 연결될 수 있으며, 전도성의 멤브레인(즉, 접지부)는 새로운 방전 경로를 형성할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 보호 시스템의 회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 보호 시스템(100)은, 배터리 팩(10) 및 충전 장치(20)를 포함한다. 배터리 팩(10)은 도 1 내지 도 5를 참조로 하여 설명한 배터리 팩과 마찬가지로 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈(11), 한 쌍의 충방전 단자(12) 및 상기 충방전 단자(12) 사이에 구비되며, 상기 배터리 모듈(11)에 이상 상태가 발생하는 경우 접지와 연결되어 방전 경로를 형성하는 접지부(13)를 포함한다.

그리고, 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(11)의 전압, 출력 전류 및/또는 온도를 모니터링하고, 충방전 스위치(15)를 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)(14) 및 상기 BMS(14)에 의해 온/오프(on/off)되어 충방전 전류의 흐름을 제어하는 충방전 스위치(15)를 포함할 수 있다.

배터리 팩(10)은 충전 장치(20)로부터 충전 전력을 공급받을 수 있고, 배터리 팩(10)과 충전 장치(20)는 충방전 단자(12)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

도 6에 도시되는 바와 같이, 정상적인 경우에는 접지부(13)가 스위치 오프(off)되어 있어, 충전 장치(20)로부터 공급되는 충전 전류는 충방전 스위치(15)를 통하여 배터리 모듈(11)로 공급된다.

그러나, 배터리 모듈(11)이 과충전 되거나, 배터리 셀 중 적어도 어느 하나에 과충전 되는 경우 접지부(13)는 스위치 온(on)되어 방전 경로를 형성한다. 이때, 형성되는 상기 방전 경로는 충전 장치(20)의 양의 단자, 충방전 단자(12) 중 양의 단자(P+), 접지부(13) 및 충전 장치(20)의 접지 단자를 포함한다.

상기 방전 경로에 존재하는 총 저항의 크기는 접지부(13)가 스위치 오프되어 있는 경우에 충전 전류가 흐르는 경로에 존재하는 총 저항의 크기보다 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서, 충전 장치(20)로부터 공급되는 충전 전류의 대부분은 상기 방전 경로를 따라 흐르게 된다.

상기 방전 경로를 통해 대부분의 충전 전류가 배터리 팩(10) 외부로 빠져나가게 되므로, 배터리 모듈(11)을 과충전으로부터 보호할 수 있다.

도 7은 정상 상태와 이상 상태에서의 전류 경로를 나타내는 도면이다.

도 7(a)는 정상 상태에서의 전류 경로를 나타내고, 도 7(b)는 이상 상태에서의 전류 경로를 나타낸다. 여기서 이상 상태는, 배터리 모듈 또는 배터리 모듈을 구성하는 하나 이상의 배터리 셀 중 적어도 어느 하나의 배터리 셀이 과충전 된 상태를 의미한다.

도 7(a)와 도 7(b)에 도시되는 스위치는 앞서 도 1 내지 도 6을 참조로 하여 설명한 접지부(13)와 실질적으로 동일하다.

먼저, 도 7(a)를 참조하면, 정상 상태에서 접지부는 스위치 오프되어 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류(I)는 충방전 단자와 배터리 모듈로 이루어지는 경로를 통해 흐르고, 배터리 모듈을 충전한다.

그리고, 도 7(b)를 참조하면, 이상 상태에서 접지부는 스위치 온되어 방전 경로를 형성한다. 방전 경로에 존재하는 총 저항의 크기는 배터리 모듈의 총 저항의 크기보다 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에, 배터리 모듈을 통해 흐르는 전류(I2)의 크기는 상기 방전 경로를 통해 흐르는 전류(I1)의 크기보다 무시할 수 있을 정도로 작을 것이다.

도 7에는 충방전 단자와 접지부, 그리고 배터리 모듈만이 도시되어 있으나, 배터리 모듈과 충방전 단자 사이에는 충방전 전류를 제어하는 충방전 스위치가 더 포함될 수 있으며, 이때 충방전 스위치의 저항 성분을 더 고려하면 배터리 모듈을 통해 흐르는 전류(I2)의 크기는 더 작아질 것이다.

한편, 배터리 모듈이 과충전 되어 이상 상태가 발생하는 경우 형성되는 방전 경로에 의해서 충전 장치로부터 공급되는 충전 전류의 대부분은 배터리 모듈로 공급되지 않기 때문에, 배터리 모듈은 물론 상기 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩 전체를 과충전으로부터 보호할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 과충전 보호 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 8은, 도 7을 참조로 하여 설명한 과충전 보호 시스템(100)의 물리적인 구성을 개략적으로 나타내는 것으로서, 배터리 팩(10)과 충전 장치(20)가 연결된 모습을 보여준다. 한편, 도 8은 배터리 팩(10)에 포함되는 배터리 모듈에 이상 상태가 발생한 경우를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 배터리 팩(10)과 충전 장치(20)는 배터리 팩(10)의 충방전 단자(P+ 및 P-)를 통해 서로 전기적으로 연결되고, 접지부(13)는 충전 장치(20)의 접지 단자(GND)와 연결된다. 그리고, 접지부(13)는 멤브레인(membrane)으로 형성될 수 있으며, 상기 멤브레인 상부에는 이상 상태에서 접지부(13)와 상기 충전 장치(20)의 접지 단자(GND)를 전기적으로 연결할 수 있는 연결 부재가 구비된다.

배터리 모듈(또는, 배터리 셀)이 과충전 되지 않은 정상 상태에서는 멤브레인이 상기 연결 부재와 접촉하지 않으며, 충전 장치(20)는 상기 충방전 단자를 통해 배터리 팩(10)에 충전 전류를 공급함으로써, 배터리 팩(10) 내부의 배터리 모듈(또는, 배터리 셀)을 충전할 수 있다.

이때, 상기 배터리 모듈(또는, 배터리 셀)이 과충전 되어 배터리 팩(10) 내부의 압력이 상승하면, 상기 멤브레인은 배터리 팩(10)의 바깥 방향으로 팽창하여 상기 연결 부재와 전기적으로 접속된다. 상기 멤브레인은 전도성을 갖는 물질로 형성되고, 상기 연결 부재와 접속됨으로써 방전 경로를 형성할 수 있다. 따라서, 충방전 단자(P+)를 통해 공급되는 충전 전류는 상기 접지부(13, 즉, 멤브레인)을 통해 접지 단자(GND)로 흐르게 된다.

따라서, 상기 과충전 보호 시스템(100)은 배터리 모듈(또는, 배터리 셀)을 과충전으로부터 보호할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한, 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 배터리 팩 1, 11: 배터리 모듈
2, 12: 충방전 단자 3, 13: 접지부
20: 충전 장치 100: 과충전 보호 시스템

Claims (11)

1. 직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
   충방전 장치와 상기 배터리 모듈을 연결하는 한 쌍의 충방전 단자; 및
   상기 충방전 단자 사이에 구비되며, 상기 배터리 모듈에 이상 상태가 발생하는 경우 방전 경로를 형성하는 접지부;
   를 포함하는 배터리 팩.
2. 제1항에 있어서,
   상기 접지부는 멤브레인(membrane)으로 형성되며, 상기 배터리 모듈에 이상 상태가 발생하는 경우 상기 배터리 팩 바깥 방향으로 팽창하는 배터리 팩.
3. 제1항에 있어서,
   상기 방전 경로는 상기 배터리 셀에 의한 전류 경로와 병렬로 형성되는 배터리 팩.
4. 제1항에 있어서,
   상기 방전 경로에 의한 총 저항의 크기는 상기 배터리 모듈을 포함하는 전류 경로의 총 저항의 크기보다 작은 배터리 팩.
5. 제1항에 있어서,
   상기 이상 상태는 상기 배터리 모듈의 과충전 상태인 배터리 팩.
6. 배터리 팩의 과충전 보호 시스템으로서,
   배터리 팩 및 충전 장치를 포함하며, 상기 배터리 팩은
   직렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
   한 쌍의 충방전 단자; 및
   상기 충방전 단자 사이에 구비되며, 상기 배터리 모듈에 이상 상태가 발생하는 경우 접지와 연결되어 방전 경로를 형성하는 접지부;
   를 포함하는 배터리 팩의 과충전 보호 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 접지부는 멤브레인(membrane)으로 형성되며, 상기 배터리 모듈에 이상 상태가 발생하는 경우 상기 배터리 팩 바깥 방향으로 팽창하는 배터리 팩의 과충전 보호 시스템.
8. 제6항에 있어서,
   상기 방전 경로는 상기 배터리 셀에 의한 전류 경로와 병렬로 형성되는 배터리 팩의 과충전 보호 시스템.
9. 제6항에 있어서,
   상기 방전 경로에 의한 총 저항의 크기는 상기 배터리 모듈을 포함하는 전류 경로의 총 저항의 크기보다 작은 배터리 팩의 과충전 보호 시스템.
10. 제6항에 있어서,
    상기 이상 상태는 상기 배터리 모듈의 과충전 상태인 배터리 팩의 과충전 보호 시스템.
11. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 팩과 상기 충전 장치는 상기 충방전 단자를 통해 전기적으로 연결되는 배터리 팩의 과충전 보호 시스템.

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