KR20170051898A - 배터리 과충전 안전 시스템 - Google Patents

배터리 과충전 안전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제너다이오드와 중성물질을 이용하여 친환경 차량에 탑재되는 배터리 과충전을 방지할 수 있도록 한 패시브 제어 방식의 배터리 과충전 안전 시스템에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 배터리 과충전시 발열하는 제너다이오드와, 제너다이오드에서 발생된 열에 의하여 기화되는 동시에 팽창하여 과충전 방지 스위치를 작동시키는 중성물질 등을 이용하여, 친환경 차량에 탑재되는 배터리 과충전을 용이하게 방지할 수 있도록 한 패시브 제어 방식의 배터리 과충전 안전 시스템을 제공하고자 한 것이다.

Description

배터리 과충전 안전 시스템{Battery overcharge safety system}
본 발명은 배터리 과충전 안전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제너다이오드와 중성물질을 이용하여 친환경 차량에 탑재되는 배터리 과충전을 방지할 수 있도록 한 패시브 제어 방식의 배터리 과충전 안전 시스템에 관한 것이다.
전기자동차 및 하이브리드 차량 등과 같은 친환경 차량에 탑재되는 정상 상태의 배터리는 SOC(State of Charging) 100% 영역내로 관리되면서 친환경 차량의 동력성능에 관여한다.
하지만, 배터리 과충전이 발생하면, 도 1에서 보듯이 배터리 전압이 SOC 100%까지 서서히 상승하다가 그 이상이 되면 급격히 상승하는 동시에 배터리 온도도 상승을 하게 되고, 그에 따라 배터리 파우치내의 전해액이 가스화되고, 배터리 파우치의 실링부가 해제되면 전해액이 외부로 누출되는 현상이 발생하게 된다.
또한, 상기 배터리 파우치로부터 전해액이 누출되면 배터리 셀 내부의 쇼트(Short)에 의한 스파크(Spark) 또는 외부 요인에 의한 스파크 등에 의하여 배터리 발화가 일어나게 되고, 배터리 발화는 곧 차량 화재로 이어져 인명피해 등 여러가지 피해를 입히게 된다.
현재 배터리 충전량은 전압을 메인 파라미터(Main parameter)로 정하여 관리되는데, 그 관리 주체는 BMS(Battery Management System)라는 제어기가 관장하고 있다.
상기 제어기가 배터리 충전량을 능동적으로 자동 제어하는 것을 액티브 제어(Active control) 방식이라고 하며, 이러한 액티브 제어 방식을 위한 제어기가 고장이 나는 경우는 상기와 같이 과충전이 발생하여 화재가 발생할 수 있다.
반면, 상기 제어기가 고장이 나더라도 기계적 및 전기적 장치를 이용하여 과충전을 방지할 수 있는 방식을 패시브 제어(Passive control) 방식이라고 한다.
따라서, 친환경 차량의 배터리 안전 관리를 위하여 액티브 제어 방식에 패시브 제어 방식를 추가하여 배터리 과충전 방지를 도모하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 배터리 과충전시 발열하는 제너다이오드와, 제너다이오드에서 발생된 열에 의하여 기화되는 동시에 팽창하여 과충전 방지 스위치를 작동시키는 중성물질 등을 이용하여, 친환경 차량에 탑재되는 배터리 과충전을 용이하게 방지할 수 있도록 한 패시브 제어 방식의 배터리 과충전 안전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 배터리와 도전 가능하게 연결되어, 배터리 과충전시 일정 전압 이상에서 발열하는 발열수단; 상기 발열수단에 의하여 팽창하는 팽창수단; 및 상기 팽창수단의 팽창시 눌림 작동되어, 배터리 충전라인에 장착된 메인릴레이를 오프시키는 과충전 방지스위치; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 안전 시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 발열수단은 배터리와 도전 가능하게 연결되는 제너다이오드로 채택된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배터리 전압이 일정 전압 이상으로 상승되어 제너다이오드의 임계전압 이상이 되면, 배터리로부터의 전류가 제너다이오드로 통전되는 동시에 제너다이오드가 발열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 팽창수단은 일정 온도 이상에서 기화되는 중성물질과, 중성물질을 밀봉시킨 상태에서 중성물질의 기화시 팽창하여 과충전 방지스위치를 눌러주는 탄성물질로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 중성물질은 프레온 가스로 채택된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성물질은 고무주머니 형태로 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 친환경 차량의 배터리 과충전 방지를 위한 액티브 제어 방식 외에 패시브 제어 방식를 추가하여 배터리 과충전 방지 및 그에 따른 화재 발생 등을 방지할 수 있다.
즉, 제너다이오드 및 중성물질 등을 이용하여 배터리 과충전 방지 스위치를 용이하게 작동시킬 수 있도록 한 패시브 제어 방식을 적용하여, 배터리 과충전 및 화재 발생 등을 원천적으로 차단할 수 있다.
도 1은 배터리 과충전 범위를 나타낸 그래프,
도 2는 배터리 충전을 위한 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 배터리 과충전 안전 시스템을 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 배터리 과충전 안전 시스템의 작동 흐름을 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
친환경 차량에 탑재되는 배터리는 다수의 배터리 셀이 모듈 또는 팩 형태로 구성된 고전압 배터리로서, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 배터리로 통칭하기로 한다.
첨부한 도 2는 배터리 충전을 위한 구성도로서, 도면부호 10은 배터리를 지시한다.
상기 배터리(10)에는 배터리 충전라인(12)이 연결되어 있고, 배터리 충전라인(12)에는 배터리 충전을 위하여 온되고, 충전 차단을 위하여 오프되는 메인릴레이(14)가 장착되어 있다.
상기 메인릴레이(14)의 온/오프 제어는 12V 보조배터리 전원을 이용하는 BMS(Battery Management System) 제어기에서 담당한다.
또한, 상기 메인릴레이(14)에는 일정 압력 이상에서 눌림 작동되는 타입의 과충전 방지 스위치(16)가 연결되는데, 이 과충전 방지 스위치(16)는 배터리의 과충전시 메인릴레이(14)에 연결된 12V 전원를 차단하여 메인릴레이(14)를 오프 상태로 만들어주는 역할을 한다.
이때, 배터리의 과충전에 따른 전해액의 가스화 등의 이유로 배터리 파우치가 팽창하는 스웰링(Swelling) 현상이 발생되면, 이 스웰링 압력에 의하여 과충전 방지 스위치(16)가 눌림 작동될 수 있으나, 스웰링량 및 스웰링 압력이 불규칙하여 과충전 방지 스위치(16)가 원활하게 눌림 작동되지 않을 수 있다.
이에, 배터리 과충전시 과충전 방지 스위치(16)를 완전하게 눌림 작동시킬 수 있는 수단이 필요하다.
다시 말해서, 상기 배터리에 과충전이 이루어져 과충전 방지 스위치가 꼭 눌려져야 하는 상황에서 확실하게 과충전 방지 스위치를 눌림 작동시킬 수 있는 수단이 필요하다.
이를 위해, 배터리 과충전시 일정 전압 이상에서 발열하는 발열수단이 배터리와 도전 가능하게 연결되고, 발열수단의 인접 위치에는 발열수단에 의하여 팽창하면서 과충전 방지 스위치를 눌림 작동시킬 수 있는 팽창수단이 배치된다.
바람직하게는, 상기 발열수단은 배터리(10)와 도전 가능하게 연결되는 제너다이오드(18)로 채택되며, 이 제너다이오드(18)는 일정 전압에서 전류 흐름을 허용하며 발열하는 특성을 갖는다.
예를 들어, 상기 배터리 과충전시 전압이 약 5V 이상이 되기 때문에 배터리(10)와 연결된 제너다이오드(18)가 약 5V 전압에서 배터리 전류 흐름을 허용하면서 발열하게 된다.
상기 팽창수단은 일정 온도 이상에서 기화되는 중성물질(20)과, 중성물질을 밀봉시킨 상태에서 중성물질의 기화시 팽창하면서 과충전 방지스위치(16)를 눌러주는 탄성물질(22)로 구성되어, 상기 제너다이오드(18)에 인접 배치된다.
바람직하게는, 상기 중성물질(20)은 상온에서 액체상태로 있다가 약 92.8℃의 끓는점에서 기화되는 프레온 가스로 채택될 수 있고, 상기 탄성물질(22)은 액체 상태의 프레온 가스를 밀봉시킨 상태에서 프레인 가스의 기화시 팽창하는 고무주머니 형태로 구비될 수 있다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 배터리 과충전 안전 시스템의 작동 흐름을 첨부한 도 3 및 도 4를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
상기 배터리(10) 충전에 따라 배터리 전압이 점차 상승하고, 과충전시 배터리 전압이 일정 전압 이상(약 5V 이상)으로 상승한다.
이렇게 상기 배터리 전압이 일정 전압 이상으로 상승되어 제너다이오드(18)의 임계전압 이상이 되면, 배터리(10)로부터의 전류가 제너다이오드(18)로 통전되는 동시에 제너다이오드(18)가 발열하게 된다.
이때, 상기 제너다이오드(18)와 인접 배열된 팽창수단의 중성물질(20)로 제너다이오드의 열이 전달됨으로써, 중성물질(20)이 기화된다.
연이어, 상기 중성물질(20)이 기화됨으로써, 중성물질(20)을 밀봉하고 있던 탄성물질(22)이 팽창하면서 과충전 방지스위치(16)를 눌러주게 된다.
따라서, 상기 과충전 방지 스위치(16)가 눌려지면서 12V 보조배터리 전원 공급라인이 단락되고, 이에 메인릴레이(14)에 공급되던 12V 보조배터리 전원이 차단되어, 결국 메인릴레이(14)가 오프되는 상태가 됨으로써, 배터리로 흐르던 배터리 충전 전류가 차단된다.
이와 같이, 배터리 과충전시 제너다이오드 및 중성물질 등을 이용하여 배터리 과충전 방지 스위치를 완전하게 작동시킬 수 있도록 한 패시브 제어 방식을 통하여, 배터리 과충전 및 그에 따른 화재 발생 등을 원천적으로 차단할 수 있다.
10 : 배터리
12 : 배터리 충전라인
14 : 메인릴레이
16 : 과충전 방지 스위치
18 : 제너다이오드
20 : 중성물질
22 : 탄성물질

Claims (6)

  1. 배터리와 연결되어, 상기 배터리의 일정 전압 이상에서 발열하는 발열수단과;
    상기 발열수단에 의하여 팽창하는 팽창수단과;
    상기 팽창수단의 팽창시 눌림 작동되어, 배터리 충전라인에 장착된 메인릴레이를 오프시키는 과충전 방지스위치;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 안전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열수단은 배터리와 도전 가능하게 연결되는 제너다이오드로 채택된 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 안전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 전압이 일정 전압 이상으로 상승되어 제너다이오드의 임계전압 이상이 되면, 배터리로부터의 전류가 제너다이오드로 통전되는 동시에 제너다이오드가 발열되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 안전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 팽창수단은 일정 온도 이상에서 기화되는 중성물질과, 중성물질을 밀봉시킨 상태에서 중성물질의 기화시 팽창하여 과충전 방지스위치를 눌러주는 탄성물질로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 안전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 중성물질은 프레온 가스로 채택된 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 안전 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 탄성물질은 고무주머니 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 과충전 안전 시스템.
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