KR20170031062A - 과충전 및/또는 심방전 방지 방식 배터리 시스템 - Google Patents
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Abstract
과충전 및/또는 심방전 방지 방식 배터리 시스템으로서, 상기 배터리 시스템은 전기 에너지 저장 장치의 제 1 전극에 전기 접속된 제 1 극, 신속 방전 유닛을 통해 상기 전기 에너지 저장 장치의 제 2 전극에 전기 접속된 제 2 극, 및 상기 전기 에너지 저장 장치의 방전을 위한 신속 방전 유닛을 구비한 적어도 하나의 전기 에너지 저장 장치를 포함하고, 상기 신속 방전 유닛은 상기 제 1 극에 전기 접속된 제 1 단자를 포함하는, 상기 배터리 시스템에 있어서, 상기 배터리 시스템은 상기 신속 방전 유닛의 트리거를 위한 전기 전도성 기계 부품을 구비한 트리거 유닛을 포함하고, 상기 기계 부품은 상기 전기 에너지 저장 장치의 전기 전도성 하우징에 의해 및/또는 전기 접속부에 의해 직접 상기 제 2 전극에 전기 접속되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 과충전 및/또는 심방전 방지 방식 배터리 시스템으로서, 상기 배터리 시스템은 전기 에너지 저장 장치의 제 1 전극에 전기 접속된 제 1 극, 상기 전기 에너지 저장 장치의 제 2 전극에 전기 접속된 제 2 극, 및 상기 전기 에너지 저장 장치의 방전을 위한 신속 방전 유닛을 구비한 적어도 하나의 전기 에너지 저장 장치를 포함하고, 상기 신속 방전 유닛은 제 1 극에 전기 접속된 제 1 단자, 및 제 2 극에 전기 접속된 제 2 단자를 포함하는, 상기 배터리 시스템에 관한 것이다.
독일 공개 공보 DE 10 2011 015 829 A1은 에너지 저장 셀의 작동을 위해 제공된 에너지 저장 셀의 적어도 하나의 전기 단자를 차단하기 위한 전류 차단 장치를 포함하는 전기 화학의 에너지 저장 셀을 개시한다. 또한, 에너지 저장 셀은 방전 장치를 포함하고, 상기 방전 장치는, 에너지 저장 셀의 작동을 위해 제공된 에너지 저장 셀의 적어도 하나의 단자가 전류 차단 장치에 의해 차단되면, 에너지 저장 셀의 완전한 또는 부분적인 방전을 가능하게 한다. 이로 인해, 에너지 저장 셀의 방전 및 그에 따라 에너지 저장 셀의 안전한 운반 및 안전한 저장이 가능해지고, 동시에 과충전에 의해 손상된 에너지 저장 셀의 추가 작동이 방지된다.
독일 공개 공보 DE 10 2012 219 082 A1은 리튬 이온 배터리의 배터리 셀 내에 배치하기 위한 안전 장치를 개시하며, 상기 안전 장치는 평면으로 형성된 적어도 하나의 금속 도체, 특히 금속 도체 보드 또는 금속 막을 포함하고, 상기 도체 상에 절연층이 도포되며, 상기 안전 장치는 배터리 셀의 하나의 극에 전기 접속을 위한 극 접촉부를 포함하며, 상기 도체는 절연층 상에 배치된 적어도 하나의 가열 저항기를 포함하고, 상기 가열 저항기는 제 1 및 제 2 접촉부를 포함하며, 상기 접촉부들에 의해 전류가 상기 가열 저항기를 통해 안내될 수 있다.
본 발명의 과제는 배터리 시스템의 전기 에너지 저장 장치가 매우 신속히 방전되어 배터리 시스템이 안전한 상태로 이행될 수 있는, 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들에 따른 배터리 시스템, 배터리 시스템의 신속 방전 유닛의 제어 방법, 및 배터리 시스템의 용도에 의해 해결된다.
독립 청구항들의 특징들을 포함하는 본 발명에 따른 조치는, 배터리 시스템이 신속 방전 유닛의 트리거를 위한 전기 전도성 기계 부품을 구비한 트리거 유닛을 포함하고, 상기 기계 부품은 전기 에너지 저장 장치의 전기 전도성 하우징에 의해 및/또는 전기 접속부에 의해 직접 제 2 극에 접속된다는 장점을 갖는다. 이로 인해, 바람직하게는 배터리 시스템의 전기 에너지 저장 장치가 매우 신속히 방전되어 배터리 시스템이 안전한 상태로 이행될 수 있다.
다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.
신속 방전 유닛은 신속 방전 회로를 포함하고, 상기 신속 방전 회로에 의해 바람직하게는 전기 에너지 저장 장치의 신속한 방전이 보장된다. 또한, 신속 방전 회로의 적합한 설계에 의해 신속 방전 유닛은 임의의 배터리 시스템에 매칭될 수 있다.
신속 방전 회로는 파워 반도체 및 하프 브릿지를 구비한 방전 회로를 포함한다. 이로 인해 전기 에너지 저장 장치가 신속히 방전되어 안전한 상태로 이행될 수 있다.
트리거 유닛의 기계 부품은 기계 부품에 작용하는 힘에 의해, 예컨대 배터리 시스템 내의 압력 상승에 의해 가역적으로 또는 비가역적으로 변형 가능하다. 가역적 변형에 의해, 정상 작동 상태로 전기 에너지 저장 장치의 복귀 후에 신속 충전 유닛의 도체와 접촉부 사이의 전기 전도성 접속이 분리됨으로써, 전기 에너지 저장 장치가 배터리 시스템에 다시 제공된다. 기계 부품이 비가역적으로 변형되면, 전기 에너지 저장 장치는 영구히 배터리 시스템으로부터 분리됨으로써, 바람직하게는 전기 에너지 저장 장치의 재접속이 방지된다.
트리거 유닛의 기계 부품은 추가 부품으로서 구현될 수 있고 및/또는 기존 부품, 예컨대 압력 릴리프 밸브에 의해 구현될 수 있다.
배터리 시스템의 방전 회로의 신속 방전 유닛를 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법은 전기 에너지 저장 장치의 방전을 위해 신속 방전 회로의 하프 브릿지 내의 파워 반도체를 스위치온시키고, 방전 회로의 다른 파워 반도체를 액티브 모드에서 제어 가능한 저항으로서 작동시킨다.
바람직하게는 본 발명에 따른 배터리 시스템이 적어도 하나의 전기 에너지 저장 장치를 구비한 차량에 사용됨으로써, 유효 안전 기준이 비교적 적은 비용으로 준수될 수 있다.
바람직하게는 전기 에너지 저장 장치가 리튬 이온 배터리, 리튬 황 배터리 및/또는 리튬 공기 배터리이다. 특히, 상기 종류의 전기 에너지 저장 장치에서는, 가능한 화학적 조치로 인해 안전한 상태로의 신속한 이행이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 시스템의 제 1 실시예.
도 2a는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 제 2 실시예.
도 2b는 전기 에너지 저장 장치의 비정상 작동 상태의 경우 본 발명에 따른 배터리 시스템의 제 2 실시예.
도 3은 신속 방전 회로의 실시예.
도 4a는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 트리거 유닛의 기계 부품의 제 1 실시예.
도 4b는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 트리거 유닛의 기계 부품의 제 2 실시예.
도 4c는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 트리거 유닛의 기계 부품의 제 3 실시예.
도 2a는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 제 2 실시예.
도 2b는 전기 에너지 저장 장치의 비정상 작동 상태의 경우 본 발명에 따른 배터리 시스템의 제 2 실시예.
도 3은 신속 방전 회로의 실시예.
도 4a는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 트리거 유닛의 기계 부품의 제 1 실시예.
도 4b는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 트리거 유닛의 기계 부품의 제 2 실시예.
도 4c는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 트리거 유닛의 기계 부품의 제 3 실시예.
모든 도면에서 동일한 도면 부호들은 동일한 장치 부품들을 나타낸다.
도 1에는 전기 에너지 저장 장치의 제 1 전극에 전기 접속된 제 1 극(12), 상기 전기 에너지 저장 장치의 제 2 전극에 전기 접속된 제 2 극(14), 상기 전기 에너지 저장 장치의 방전을 위한 신속 방전 유닛(16)을 구비한 적어도 하나의 전기 에너지 저장 장치 및 상기 전기 에너지 저장 장치의 하우징(11)을 포함하는 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 제 1 실시예가 도시되어 있다. 상기 신속 방전 유닛(16)은 제 1 극에 예컨대 전기 접속부(13)를 통해 전기 접속된 제 1 단자, 제 2 극에 예컨대 전기 접속부(15)에 의해 전기 접속된 제 2 단자, 및 신속 방전 유닛(16)의 트리거를 위한 트리거 유닛(17)을 포함한다.
트리거 유닛(17)은 추가의 부품으로서 구현될 수 있거나 또는 기존 부품, 예컨대 하드케이스 셀의 경우 압력 릴리프 밸브에 의해 구현될 수 있기 때문에 바람직하게는 부품들이 절감될 수 있다.
도 2a에는 전기 에너지 저장 장치의 정상 작동 상태 동안 본 발명에 따른 배터리 시스템(20)의 제 2 실시예가 도시되어 있다. 전기 에너지 저장 장치는, 전기 접속부(23)에 의해 신속 방전 유닛(26)의 제 1 단자(261)에 전기 접속된 제 1 극(22), 예컨대 전기 에너지 저장 장치의 마이너스 극, 및 전기 접속부(28b)에 의해 신속 방전 유닛(26)의 제 2 단자(262)에 그리고 제 2 극(24)의 하나의 전극에 전기 접속된 제 3 단자(264)에 전기 접속된 제 2 극(24), 예컨대 전기 에너지 저장 장치의 플러스 극, 그리고 트리거 유닛(27)을 포함하고, 상기 트리거 유닛(27)은 전기 전도성이며 상기 전기 에너지 저장 장치의 전기 전도성 하우징(21)을 통해 제 2 극(24)에 전기 접속된 기계 부품(29)을 포함한다. 트리거 유닛(27)의 기계 부품(29)은 예컨대 기계 부품(29)에 작용하는 힘에 의해 가역적으로 또는 비가역적으로 변형 가능하다. 신속 방전 유닛(26)은 도체(25) 및 전자 신속 방전 회로(263)를 포함하고, 상기 도체(25)는 제 1 인터페이스(261)를 통해 전기 접속부(23)에 전기 접속되며, 상기 신속 방전 회로(263)은 제 2 인터페이스(262)를 통해 전기 접속부(28b)에 전기 접속되고, 제 3 인터페이스(264)를 통해 전기 접속부(28a)에 전기 접속된다.
전기 에너지 저장 장치의 정상 작동 상태 동안, 트리거 유닛(27)의 기계 부품(29)과 신속 방전 유닛(26)의 도체(25) 간의 전기 접속은 형성되지 않는다.
도 2b에는 전기 에너지 저장 장치의 비정상 작동 상태의 경우 본 발명에 따른 배터리 시스템(20)의 제 2 실시예가 도시되어 있다. 전기 에너지 저장 장치의 비정상 작동 상태는 예컨대 상기 전기 에너지 저장 장치가 너무 큰 충전 전류에 의해 충전되는 경우에 주어지며, 이는 예컨대 전기 에너지 저장 장치의 하우징(21)의 내부에서 압력 상승을 야기한다. 압력 상승에 의해, 트리거 유닛(27)의 기계 부품(29)은 미리 설정 가능한 압력의 초과시 가역적으로 또는 비가역적으로 변형됨으로써, 트리거 유닛(27)의 기계 부품(29)과 신속 방전 유닛(26)의 도체(25) 간의 전기 접속이 형성된다. 이 전기 접속에 의해, 전류는 제 2 극(24)과 제 1 극(22) 사이에서 전기 전도성 하우징(21), 기계 부품(29), 도체(25) 및 라인(23)을 통해 흐른다. 신속 방전 유닛(26), 신속 방전 회로(263) 및/또는 배터리 관리 시스템은 예컨대 도체(25)와의 전기 접속을 통해 이들을 흐르는 전류를 검출하고, 그 결과 신속 방전 회로(263)는 전기 에너지 저장 장치를 도체(25) 및 전기 접속부(23)를 통해 및/또는 신속 방전 회로(263)와 제 1 극(22) 사이의 직접적인 전기 접속부를 통해 단락시키고 방전시킨다.
도 3은 신속 방전 회로(263)의 실시예를 도시한다. 신속 방전 유닛(26)의 모니터링 및 제어 유닛이 전기 에너지 저장 장치의 정상 작동을 전제로 전기 에너지 모듈의 과충전 위험을 제 1 전압 한계치의 초과를 근거로 검출하면, 하프 브릿지(310)의 제 1 파워 반도체(311)가 스위치오프되고, 제 2 파워 반도체(312)는 스위치온된다. 전압이 최소 한계치와 최대 한계치 내에 있기 때문에, 제 1 파워 반도체(311)의 다이오드(320)가 과충전의 위험 시에도, 예컨대 전기 에너지 저장 장치의 충전의 오작동 시에도 차단한다. 이로 인해, 전기 에너지 저장 장치의 추가 충전이 확실하게 방지될 수 있다.
신속 방전 유닛(26)의 모니터링 및 제어 유닛이 전기 에너지 저장 장치의 정상 작동을 전제로 전기 에너지 저장 장치의 심방전 위험을 제 2 전압 한계치의 초과를 근거로 검출하면, 하프 브릿지(310)의 제 1 파워 반도체(311)가 스위치오프되고, 제 2 파워 반도체(312)는 스위치온된다. 그리고 나서, 전류는 더 이상 전기 에너지 저장 장치를 통해 흐르지 않는다. 전기 에너지 저장 장치 내에서 경우에 따라 외부로 송출되는 전류는 신속 방전 회로의 파워 반도체(241)를 통해서만 흐른다.
신속 방전 유닛(26)의 모니터링 및 제어 유닛이 전기 에너지 저장 장치의 정상 작동을 전제로 예컨대 전기 에너지 저장 장치의 외부 단락의 결과로 나타날 수 있는 너무 높은 방전 전류에 의한 전기 에너지 저장 장치의 과부하 위험을 검출하면, 하프 브릿지(310)의 제 1 파워 반도체(311)가 스위치오프되고, 제 2 파워 반도체(312)는 스위치온된다. 그리고 나서, 전류는 더 이상 전기 에너지 저장 장치를 통해 흐르지 않는다. 따라서, 전기 에너지 저장 장치는 허용되지 않을 정도로 높은 방전 전류에 의한 부하로부터 보호된다.
신속 방전 유닛(26)의 모니터링 및 제어 유닛이 전기 에너지 저장 장치의 정상 작동을 전제로 예컨대 매우 낮은 온도에서 너무 높은 충전 전류에 의한 전기 에너지 저장 장치의 과부하 위험 검출하면, 상기 모니터링 및 제어 유닛에 의해 하프 브릿지(310)의 제 1 파워 반도체(311)가 스위치오프되고, 제 2 파워 반도체(312)는 스위치온된다. 그리고 나서, 전류는 더 이상 전기 에너지 저장 장치를 통해 흐르지 않는다. 따라서, 전기 에너지 저장 장치는 허용되지 않을 정도로 높은 충전 전류에 의한 부하로부터 보호된다.
예컨대 차량 내에서 본 발명에 따른 배터리 시스템의 모니터링 및 제어 유닛이 배터리 관리 시스템에 의해, 차량이 사고났다는 것을 통보받으면, 전기 에너지 저장 장치는 하프 브릿지(310)를 통해 방전될 수 있다. 이를 위해, 제 2 파워 반도체(312)는 스위치온되고 제 1 파워 반도체(311)는 소위 액티브 모드에서 제어 가능한 저항으로서 작동된다. 그리고 나서, 전기 에너지 저장 장치는 그 극(22, 24)에서 전압을 송출하지 않음에도 서서히 방전된다. 구현 가능한 방전 전류는 연속 작동 중에 제어가능한 저항으로서 작동되는 파워 반도체에 가해질 수 있는 전력 손실에 의해 제한된다. 따라서, 특히 제어 제어 가능한 저항으로서 작동되는 파워 반도체(311) 그리고 그 열 결합 및 냉각이 요구에 따라 설계된다.
신속 방전 유닛(26)은 또한 초고속 방전 회로(Ultra Fast Discharge Device, UFDD; 270) 그리고 파워 반도체(301) 및 저항(302)으로 이루어진 직렬 회로를 포함한다. 방전 회로(300)는 방전 회로(270)를 통해 흐르는 방전 전류에 의해 전기 에너지 저장 장치를 방전시키기 위해 신속 방전 유닛(26) 내에 제공된다. 배터리 시스템의 모니터링 및 제어 유닛이 배터리 관리 시스템에 의해, 차량이 사고났다는 것을 통보받으면, 전기 에너지 저장 장치는 방전 회로(300)를 통해 신속히 방전된다.
방전 회로(300)를 보조하기 위해, 전기 에너지 저장 장치는 동시에 하프 브릿지(310)를 통해서도 방전될 수 있다. 방전 회로(300)를 보조하기 위해, 모니터링 및 제어 유닛에 의해 하프 브릿지(310)의 제 2 파워 반도체(312)가 스위치온된다. 그리고 나서, 전기 에너지 저장 장치는 방전 동안 그 극들(22, 23)에서 전압을 송출하지 않는다. 방전 회로(300)는 전기 에너지 저장 장치가 단락 가까이에서 매우 큰 방전 전류로 방전될 수 있도록 설계될 수 있다. 따라서, 전기 에너지 저장 장치는 매우 신속하게 안전한 상태로 이행된다. 이 경우, 보조적으로 모니터링 및 제어 유닛에 의해 제 1 파워 반도체(311)도 액티브 모드에서 제어 가능한 저항으로서 작동될 수 있다.
도 4a에는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 트리거 유닛의 기계 부품(49a)의 제 1 실시예가 도시되어 있다. 기계 부품(49a)은 전기 에너지 저장 장치의 하우징(41)에 전기 전도 방식으로 접속된다. 도시된 트리거 유닛의 기계 부품(49a)은 가역적으로 또는 비가역적으로 변형 가능하다. 기계 부품(49a)은 도시된 실시예에서 막으로 구현되고, 재료로는 전기 전도성 금속 또는 금속 합금, 전기 전도성 코팅을 가진 지지체 재료 및/또는 전기 전도성 플라스틱이 사용된다. 기계 부품(49a)의 선택된 형상에 의해, 전기 에너지 저장 장치의 내부에서 압력 상승이 전기 에너지 저장 장치에 균일하게 작용한다. 기계 부품(49a)의 선택된 재료에 의해, 초과할 힘이 미리 정해지고, 상기 힘에서 기계 부품(49a)이 변형된다.
도 4b에는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 트리거 유닛의 기계 부품(49b)의 제 2 실시예가 도시되어 있다. 기계 부품(49b)은 전기 에너지 저장 장치의 하우징(41)에 전기 접속된다. 기계 부품(49b)의 선택된 형상에 의해, 변형 시에 기계 부품(49b)과 도체 사이에 더 낮은 저항이 달성된다.
도 4c에는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 트리거 유닛의 기계 부품(49c)의 제 3 실시예가 도시되어 있다. 기계 부품(49c)의 선택된 형상에 의해, 기계 부품(49c)과 도체 간의 큰 면적 접속이 달성된다. 또한, 전기 에너지 저장 장치의 하우징(41)의 운동들이 보상됨으로써, 기계 부품(49c)의 손상이 방지된다.
10, 20, 30;
배터리 시스템
12, 22 제 1 극
14, 24 제 2 극
16, 26, 36 신속 방전 유닛
17, 27, 37 트리거 유닛
261, 361 제 1 단자
263 신속 방전 유닛
310 하프 브릿지
12, 22 제 1 극
14, 24 제 2 극
16, 26, 36 신속 방전 유닛
17, 27, 37 트리거 유닛
261, 361 제 1 단자
263 신속 방전 유닛
310 하프 브릿지
Claims (7)
- 과충전 및/또는 심방전 방지 방식 배터리 시스템(10, 20, 30)으로서, 상기 배터리 시스템(10, 20, 30)은 전기 에너지 저장 장치의 제 1 전극에 전기 접속된 제 1 극(12, 22), 및 신속 방전 유닛(16, 26, 36)을 통해 상기 전기 에너지 저장 장치의 제 2 전극에 전기 접속된 제 2 극(14, 24)을 구비한 적어도 하나의 전기 에너지 저장 장치를 포함하고, 상기 전기 에너지 저장 장치의 방전을 위한 상기 신속 방전 유닛(16, 26, 36)은 상기 제 1 극에 전기 접속된 제 1 단자(261, 361)를 포함하는, 상기 배터리 시스템(10, 20, 30)에 있어서,
상기 배터리 시스템(10, 20, 30)은 상기 신속 방전 유닛(16, 26, 36)의 트리거를 위한 전기 전도성 기계 부품(29, 39, 49a, 49b, 49c)을 구비한 트리거 유닛(17, 27, 37)을 포함하고, 상기 기계 부품(29, 39, 49a, 49b, 49c)은 상기 전기 에너지 저장 장치의 전기 전도성 하우징(11, 21)에 의해 및/또는 전기 접속부에 의해 직접 상기 제 2 전극에 전기 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(10, 20, 30). - 제 1 항에 있어서,
상기 신속 방전 유닛(16, 26)은 신속 방전 회로(263)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(10, 20) - 제 2 항에 있어서,
상기 신속 방전 회로(263)는 방전 회로(300) 및 하프 브릿지(310)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(10, 20, 30) - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트리거 유닛(17, 27, 37)의 상기 기계 부품(29, 39, 49a, 49b, 49c)은 상기 기계 부품(29, 39, 49a, 49b, 49c)에 작용하는 힘에 의해 가역적으로 또는 비가역적으로 변형 가능한 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(10, 20, 30) - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 시스템(10, 20)의 신속 방전 유닛(263)을 제어하기 위한 방법에 있어서,
전기 에너지 저장 장치의 방전을 위해 하프 브릿지(310) 내에 하나의 파워 반도체(311)가 접속되고, 다른 파워 반도체(320)는 액티브 모드에서 제어 가능한 저항으로서 작동되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(10, 20)의 신속 방전 유유닛(263)의 제어 방법. - 적어도 하나의 전기 에너지 저장 장치를 구비한 차량에 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 시스템(10, 20)의 용도.
- 제 6 항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장 장치는 리튬 이온 배터리, 리튬 황 배터리 및/또는 리튬 공기 배터리인, 배터리 시스템(10, 20)의 용도.
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