KR20220157834A - 배터리 과온도 보호장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 배터리 과온도 보호장치에 관한 것으로, 리튬이온 배터리(20)의 제1 위치에서 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1 온도검출 센서(21); 리튬이온 배터리(20)의 제2 위치에서 제2의 온도(T2)를 검출하는 제2 온도검출 센서(22); 리튬이온 배터리(20)의 제3 위치에서 제3의 온도(T3)를 검출하는 제3 온도검출 센서(23); 상기 제1 온도검출 센서(21)와 직렬로 연결되며, 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 전압이 인가되는 제1 저항(31); 상기 제2 온도검출 센서(22)와 직렬로 연결되며, 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 전압이 인가되는 제2 저항(32); 및 상기 제3 온도검출 센서(23)와 직렬로 연결되며, 상기 제3 온도(T3)에 도달하면, 전압이 인가되는 제3 저항(33); 을 포함하며, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하며; 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어하며; 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제3 온도(T3)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제3 출력전력(PT3)으로 감소하며; 상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)는 슈퍼 열전도체를 통하여 상기 리튬이온 배터리(20)의 온도를 검출하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 과온도 보호장치{Battery Over-temperature Protection Apparatus}
본 발명은 제1 온도, 제2 온도, 제3 온도 등을 각각 검출하는 온도검출 센서를 기반으로 배터리의 과온도 보호를 수행하는 배터리 과온도 보호장치를 제안한다. 무엇보다 서로 다른 제1 온도, 제2 온도, 제3 온도를 하나의 센서가 아니라 각각의 독립된 센서를 통해서 검출하고, 배터리의 센서 배선의 수를 매우 효과적으로 감소시키며, 이를 바탕으로 배터리의 충전전력을 온도에 따라서 효과적으로 제어하는 배터리 과온도 보호장치에 관한 것이다.
최근 지구온난화 및 미세먼지 저감을 위해서 전기에너지의 효율적인 이용이 필수적이며, 모든 분야에서 에너지저장장치(ESS)의 필요성은 급증하고 있으며, 특히 충방전을 위한 2차전지로 리튬-이온 배터리 및 배터리 충전을 위한 충전기의 활용이 급증하고 있다. 하지만, 리튬-이온 배터리는 그 불안전성으로 인하여 항상 과충전, 과방전, 과전류, 과부하 등으로 인하여 상기 배터리 성능이 나빠지기 시작하며, 일정(一定) 이하로 성능이 떨어지면, 과온도로 인하여 리튬-이온 배터리 화재 및 폭발의 위험성이 항상 뒤따르는 문제점이 있으며, 배터리의 과온도 방지를 위한 다양한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
관련된 선행문헌으로 대한민국 등록특허공보 제10-0739463호, 공고일 2007. 07. 13.(이하 [특허문헌1]이라함)에서는, 리튬-이온 배터리의 온도가 상승하면 이를 감지하며 충전 또는 방전을 차단시켜 배터리를 보호하고 그 수명을 연장시키는 보호회로로서 배터리에 장착되는 것을 특징으로 하며, 과전류나 과충전을 방지하는 보호IC, 제1 FET, 제2 FET 및 기생 다이오드로 구성된 배터리 보호회로를 공개하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1210088호, 공고일 2012. 12. 17.(이하 [특허문헌2]라함)에서는, 서미스터를 갖는 보호회로모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로서, 인쇄회로기판, 플렉시블 필름, 상기 플렉시블 필름 상에 장착되어 베어셀의 온도를 센싱하여 상기 인쇄회로기판에 전달하기 위한 서미스터, 상기 플렉시블 필름은 상기 서미스터의 일부가 노출되도록 형성되는 보호회로모듈을 공개하였다.
또한, 대한민국 등록특허공보 제10-2046003호, 공고일 2019. 11. 18.(이하 [특허문헌3]이라함)에서는, PTC 소자를 이용한 배터리 셀 보호 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 배터리 셀 온도 측정 단계, 배터리 셀 온도 비교 판단 단계, 제1,2 전류 PTC 소자 구동 단계, 상기 PTC 소자가 제1,2 전류 값을 인가받으면, 외부 충전기로부터 배터리 셀로 전류가 공급되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 보호 시스템 및 방법을 공개하였다.
상기 [특허문헌1] 내지 [특허문헌3]은 배터리 과온도 보호를 위한 장치이지만, 배터리의 온도를 달리하여서 이에 맞게 배터리 충전 전력을 제어하는 것은 한계점이 있다.
특허문헌1 : 대한민국 등록특허공보 제10-0739463호, 공고일 2007. 07. 13. 특허문헌2 : 대한민국 등록특허공보 제10-1210088호, 공고일 2012. 12. 17. 특허문헌3 : 대한민국 등록특허공보 제10-2046003호, 공고일 2019. 11. 18.
일반적으로 리튬-이온 배터리의 온도검출 센서는 배터리의 특정(特定) 부분의 온도를 검출하는 것을 특징으로 한다. 즉 상기 리튬-이온 배터리 내부에서 서로 다른 2군데 온도검출이 필요한 경우, 총 4가닥의 온도검출 센서 배선이 필요하며, 상기 리튬-이온 배터리 내부에서 서로 다른 3군데 온도검출이 필요한 경우 총 6가닥의 온도검출 센서 배선이 필요하다. 즉, 배터리에서 n군데 온도검출이 필요한 경우, 총 n × 2 가닥의 온도검출 센서 배선이 필요한 것이 일반적이다. 또한, 일반적으로 특정(特定)한 온도 상태만 검출하는 것이 일반적이다. 하지만, 첫째, 본 발명에서는 제1 온도(예 65도), 제2 온도(예 70도), 제3 온도(예 80도), 제4 온도(예 85도) 및 제5 온도(예 90도) 등의 서로 다른 온도를 검출하는 센서를 배치하며, 둘째, 제1 온도 검출센서(21), 제2 온도 검출센서(22), 제3 온도 검출센서(23) 등의 서로 다른 온도를 검출하는 것을 특징으로 하며, 셋째, 온도를 검출하는 센서 배선이 최소로 된다.
(예1) 제1 온도를 배터리에서 n군데 온도를 검출하는 경우에도 단지 2개의 배선이 필요함.
(예2) 제1 온도를 배터리에서 n군데 온도를 검출하고, 동시에 제2 온도를 배터리에서 m군데 온도를 검출하는 경우에도 단지 3개의 배선이 필요함.
(예3) 제1 온도, 제2 온도, 제3 온도를 검출하고 각각의 온도에 대해서 배터리에서 다수 군데의 온도를 검출하는 경우에도 단지 4개의 배선이 필요함.
넷째, 각각의 온도에 따라서 배터리 충전전력을 달리하여 제어하는 것을 본 발명을 통해서 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따르는 배터리 과온도 보호장치는, 리튬이온 배터리(20)의 제1 위치에서 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1 온도검출 센서(21); 리튬이온 배터리(20)의 제2 위치에서 제2의 온도(T2)를 검출하는 제2 온도검출 센서(22); 리튬이온 배터리(20)의 제3 위치에서 제3의 온도(T3)를 검출하는 제3 온도검출 센서(23); 상기 제1 온도검출 센서(21)와 직렬로 연결되며, 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 전압이 인가되는 제1 저항(31); 상기 제2 온도검출 센서(22)와 직렬로 연결되며, 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 전압이 인가되는 제2 저항(32); 및 상기 제3 온도검출 센서(23)와 직렬로 연결되며, 상기 제3 온도(T3)에 도달하면, 전압이 인가되는 제3 저항(33); 을 포함하며, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하며; 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어하며; 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제3 온도(T3)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제3 출력전력(PT3)으로 감소하며; 상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)는 슈퍼 열전도체를 통하여 상기 리튬이온 배터리(20)의 온도를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따르는 배터리 과온도 보호장치는, 리튬이온 배터리(20)의 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1 온도검출 센서(21); 리튬이온 배터리(20)의 제2의 온도(T2)를 검출하는 제2 온도검출 센서(22); 상기 제1 온도검출 센서(21)와 직렬로 연결되며, 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 전압이 인가되는 제1 저항(31); 및 상기 제2 온도검출 센서(22)와 직렬로 연결되며, 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 전압이 인가되는 제2 저항(32); 을 포함하며, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하며; 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어하며; 상기 제1,2 온도(T1,T2)를 상기 리튬이온 배터리(20) 내부의 서로 다른 위치의 온도를 복수로 검출하며; 상기 제1,2 온도(T1,T2)를 상기 리튬이온 배터리(20)를 충전하기 위한 충전기(12)의 제어부(14)로 전달하는 배선은 단지 3개의 배선만 필요한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)는 특정(特定) 온도에 도달하는 경우, 상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)의 내부 저항 값이 절연체에서 금속으로 순간적으로 변화하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제1의 온도(T1), 상기 제2의 온도(T2) 및 상기 제3의 온도(T3)는 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1의 온도(T1)는 65도이며; 상기 제2의 온도(T2)는 70도이며; 상기 제3의 온도(T3)는 75도인 것을 특징으로 하거나,
상기 제1의 온도(T1)는 65도이며; 상기 제2의 온도(T2)는 75도이며; 상기 제3의 온도(T3)는 85도인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 슈퍼 열전도체는 폐쇄형 형상의 슈퍼 열전도체(41)인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 슈퍼 열전도체는 개방형 형상의 슈퍼 열전도체(42)인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)는 상기 슈퍼 열전도체와 서멀 페이스트(28)에 의해 접속되어 상기 슈퍼 열전도체에서 검출된 온도가 상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)에 전달되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치는 첫째, 제1 온도, 제2 온도, 제3 온도 등 서로 다른 온도를 제1 위치, 제2 위치, 제3 위치 등 서로 다른 위치에서 각각 검출할 수 있는 배터리 과온도 보호장치이며, 둘째, 기존에 열전대 서머커플러(Thermo-coupler)와 비교하여 가격이 매우 저렴하고, 셋째, 리튬-이온 배터리에서 검출된 온도를 충전기의 제어부로 전송하는데 가장 최소의 배선이 필요하며, 넷째, 배터리의 온도가 제1 온도, 제2 온도, 제3 온도 등에 따라서 배터리의 충전전력을 각각 차별적으로 제어함을 통해서 배터리의 과온도를 효과적으로 보호할 수 있는 것을 본 발명에서 상승된 효과로 한다.
한편, 본 발명의 추가적인 특징 및 장점들은 이하의 설명을 통해 더욱 명확히 될 것이다.
도 1은 금속-절연체 순간전이 현상.
도 2는 열전대 서머커플러, NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터 및 금속-절연체 순간전이 센서.
도 3은 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터의 특성곡선.
도 4는 금속-절연체 순간전이 센서의 특성곡선.
도 5는 금속-절연체 순간전이 현상이 발생하기 시작하는 온도의 변화를 기반으로 하는 금속-절연체 순간전이 센서의 특성곡선.
도 6은 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제1 실시예.
도 7은 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제2 실시예.
도 8은 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제3 실시예.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제4 실시예.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제5 실시예.
도 11은 제안된 제1,2,3 온도검출 센서에 따른 충전기 전력제어.
도 12는 리튬이온 배터리 및 제안된 금속-절연체 순간전이 센서를 배치한 사진.
본 발명은 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
하지만, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정하여 해석되어서는 안 되며, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진자에게 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 금속-절연체 순간전이(Metal-Insulator-Transition) 현상을 나타낸다. 본 발명의 온도센서로 사용되는 금속-절연체 순간전이 센서의 특성을 나타낸다. 도 1(a)는 균일한 쿨롱 에너지(U)를 가진 모트 절연체를 나타내며, 도 1(b)는 전자 1개가 빠져나가는 순간에 급격하게 절연체에서 금속으로 저항값이 순간적으로 변화되는 현상을 의미한다.
도 2는 열전대 서머커플러, NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터 및 금속-절연체 순간전이 센서를 나타낸다. 도 2(a)는 열전대 서머커플러(Thermo-coupler)를 나타내며, 도 2(b)는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터를 나타내며, 도 2(c)는 금속-절연체 순간전이(Metal-Insulator-Transition) 센서를 나타낸다. 도 2(a)의 열전대 서머커플러는 온도 검출의 정확도는 매우 우수하지만, 가격이 매우 고가라는 단점이 있으며, 도 2(b)는 NTC 서미스터의 경우, 가격이 매우 저렴하지만, 화재발생 시작온도인 70도 이상의 온도에서 저항값 변화가 완만하다는 단점이 존재한다. 하지만, 본 발명에서 사용하는 도 2(c)의 금속-절연체 순간전이 센서는 가격이 매우 저렴하고, 70도의 온도에서 금속-절연체 순간전이 현상으로 저항값의 변화가 매우 급격하게 변한다는 것이 가장 큰 기술적 특징으로 한다.
도 3은 기존의 NTP 서미스터의 온도에 따른 저항값 변화 특성을 나타낸다. 기존의 저가형 온도센서로서 가장 많이 사용하는 소자가 바로 NTP 서미스터이다. 하지만 기존의 NTC 서미스터의 경우, 화재발생 시작 온도인 약 70도 부근에서 저항값의 변화가 급격하게 변하기보다는 완만하게 변화하는 문제점이 있으며, 상기 기존의 NTP 서미스터의 특성이 서로 상이하여 화재가 발생하는 온도를 정확하게 검출하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.
도 4는 금속-절연체 순간전이 센서의 특성곡선을 나타낸다. 금속-절연체 순간전이 센서의 경우 약 70도(정확하게 67도)의 온도에서 급격하게 저항값이 감소하는 특징을 가지고 있다. 실제 측정을 해보면, 금속-절연체 순간전이 센서의 패키지에 열 전달의 시간이 필요하므로 70도에서 동작을 하며, 70도에서 372.1[kΩ]에서 75도에서 44.49[Ω]으로 저항값의 변화가 급격하게 되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명에서 사용하는 금속-절연체 순간전이 센서는 가격이 매우 저렴하고, 화재가 발생하기 시작 전의 온도인 70도의 온도에서 급격하게 저항값이 변화되는 특성을 보이는 장점을 가지고 있다.
도 5는 금속-절연체 순간전이 현상이 발생하기 시작하는 온도의 변화를 기반으로 하는 금속-절연체 순간전이 센서의 특성곡선을 나타낸다. 도 5(a)는 65도/ 도 5(b)는 70도/ 도 5(c)는 75도/ 도 5(d)는 80도/ 도 5(d)는 90도에서 각각 금속-절연체 순간전이 현상이 발생하는 것을 기술적 특징으로 한다. 본 발명에서는 금속-절연체 순간전이 센서에서 각각 차별적으로 온도가 검출되는 특성을 갖는 것을 바탕으로 배터리 과온도 보호장치를 구현하는 것을 가장 큰 특징으로 한다. 이는 금속-절연체 순간전이 센서의 제작 공정에서 산소(O2) 농도를 달리하고, 센서의 격자 구조를 달리함을 통해서 온도를 상이하게 제작하는 것을 특징으로 한다.
도 6은 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제1 실시예를 나타낸다. 배터리 과온도 보호장치는 리튬이온 배터리(20)에서 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1 온도검출 센서(21) 및 제2의 온도(T2)를 검출하는 제2 온도검출 센서(22)를 보유하고 있다. 무엇보다, 제1 온도검출 센서(21)와 직렬로 연결되며, 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 전압이 인가되는 제1 저항(31), 상기 제2 온도검출 센서(22)와 직렬로 연결되며, 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 전압이 인가되는 제2 저항(32)이 배치된다.
상기 리튬이온 배터리(20)를 충전하기 위한 충전기(12)는 교류전원(11)을 받아서 동작하며, 상기 충전기(12)를 제어하기 위한 제어부(14)가 위치한다.
상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하고, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 7은 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제2 실시예를 나타낸다. 배터리 과온도 보호장치는 리튬이온 배터리(20)에서 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1 온도검출 센서(21), 제2의 온도(T2)를 검출하는 제2 온도검출 센서(22) 및 제3의 온도(T3)를 검출하는 제3 온도검출 센서(23)를 보유하고 있다. 무엇보다, 제1 온도검출 센서(21)와 직렬로 연결되며, 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 전압이 인가되는 제1 저항(31), 상기 제2 온도검출 센서(22)와 직렬로 연결되며, 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 전압이 인가되는 제2 저항(32), 상기 제3 온도검출 센서(23)와 직렬로 연결되며, 상기 제3 온도(T3)에 도달하면, 전압이 인가되는 제3 저항(33)이 배치된다.
상기 리튬이온 배터리(20)를 충전하기 위한 충전기(12)는 교류전원(11)을 받아서 동작하며, 상기 충전기(12)를 제어하기 위한 제어부(14)가 위치한다.
상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하고, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어하며, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제3 온도(T3)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제3 출력전력(PT3)으로 감소하도록 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 8은 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제3 실시예를 나타낸다. 배터리 과온도 보호장치에 있어서, 리튬이온 배터리(20)의 제1 위치에서 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1-1 온도검출 센서(21-1), 리튬이온 배터리(20)의 제2 위치에서 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1-2 온도검출 센서(21-2), 리튬이온 배터리(20)의 제3 위치에서 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1-3 온도검출 센서(21-3)가 배치된다. 상기 제1-1, 제1-2, 제1-3 온도센서(21-1,21-2,21-3)는 모두 제1의 온도(T1)를 검출하는 것을 특징으로 한다. 또한, 리튬이온 배터리(20)의 제4 위치에서 제2의 온도(T2)를 검출하는 제2 온도검출 센서(22)가 배치되어 있다.
상기 제1-1 온도검출 센서(21-1), 제1-2 온도검출 센서(21-2) 및 제1-3 온도검출 센서(21-3)와 직렬로 연결되며, 상기 제1-1, 제1-2, 제1-3 온도검출 센서(21-1,21-2,21-3) 중에서 특정(特定) 온도센서가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 전압이 인가되는 제1 저항(31)이 배치되며, 상기 제2 온도검출 센서(22)와 직렬로 연결되며, 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 전압이 인가되는 제2 저항(32)이 배치된다.
상기 리튬이온 배터리(20)를 충전하기 위한 충전기(12) 및 상기 충전기(12)를 제어하기 위한 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하며, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 제1 온도(T1)를 상기 리튬이온 배터리(20) 내부의 서로 다른 위치의 온도를 복수로 검출하며, 상기 제2 온도(T2)를 상기 리튬이온 배터리(20) 내부의 특정(特定) 위치의 온도를 복수로 검출하며, 상기 제1,2 온도(T1,T2)를 상기 리튬이온 배터리(20)를 충전하기 위한 충전기(12)의 제어부(14)로 전달하는 배선은 단지 3개의 배선만 필요하므로 상기 리튬이온 배터리(20)의 온도를 검출하는 것에 있어서 배선의 수가 가장 적은 것을 특징으로 한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제4 실시예를 나타내며, 도 10a 및 도 10b는 본 발명에서 제안하는 배터리 과온도 보호장치 및 이를 이용한 충전기 제5 실시예를 나타낸다.
상기 도 9a 및 도 9b와 도 10a 및 도 10b에서 배터리 과온도 보호장치는 리튬이온 배터리(20)에서 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1 온도검출 센서(21) 및 제2의 온도(T2)를 검출하는 제2 온도검출 센서(22)를 보유하고 있다. 무엇보다, 제1 온도검출 센서(21)와 직렬로 연결되며, 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 전압이 인가되는 제1 저항(31), 상기 제2 온도검출 센서(22)와 직렬로 연결되며, 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 전압이 인가되는 제2 저항(32)이 배치된다.
상기 리튬이온 배터리(20)를 충전하기 위한 충전기(12)는 교류전원(11)을 받아서 동작하며, 상기 충전기(12)를 제어하기 위한 제어부(14)가 위치한다.
상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하고, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어한다.
무엇보다 상기 리튬이온 배터리(20)의 구석구석 열을 검출하기 위하여 슈퍼 열전도체를 통하여 상기 리튬이온 배터리(20)의 온도를 검출하는 것을 특징으로 하며, 상기 도 9a에서는 'ㅁ'자 모양 폐쇄형 형상의 슈퍼 열전도체(41)를 사용하고 있으며, 도 9b에서는 지그재그 모양 폐쇄형 형상의 슈퍼 열전도체(41)를 사용하고 있는 것을 특징으로 한다.
도 10a에서는 'ㄷ'자 모양 개방형 형상의 슈퍼 열전도체(42)를 사용하고 있으며, 도 10b에서는 지그재그 모양 개방형 형상의 슈퍼 열전도체(42)를 사용하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)는 상기 슈퍼 열전도체와 서멀 페이스트(28)에 의해 접속되어 상기 슈퍼 열전도체에서 검출된 온도가 상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)에 전달되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1의 온도(T1), 상기 제2의 온도(T2) 및 상기 제3의 온도(T3)는 서로 상이하며, 구체적인 실시예로서 상기 제1의 온도(T1)는 65도, 상기 제2의 온도(T2)는 70도, 제3의 온도(T3)는 75도로 설정할 수 있으며, 또 다른 실시예로서 상기 제1의 온도(T1)는 65도, 상기 제2의 온도(T2)는 75도, 상기 제3의 온도(T3)는 85도로 설정할 수 있고, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진자라면, 원하는 온도로 각각 상이하게 설정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 11은 제안된 제1,2,3 온도검출 센서에 따른 충전기 전력제어를 나타낸다. 무엇보다 제1의 온도(T1) < 제2의 온도(T2) < 제3의 온도(T3)의 관계가 있으며, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1) 이하에서는 출력전력을 최대 출력전력(Pmax)으로 충전하고, 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하고, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어하며, 상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제3 온도(T3)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제3 출력전력(PT3)으로 감소하도록 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 12는 리튬이온 배터리 및 제안된 금속-절연체 순간전이 센서를 배치한 사진을 나타낸다. 리튬이온 배터리(20)의 특정 위치에 제1의 온도(T1), 제2의 온도(T2), 제3의 온도(T3) 등의 제1 위치, 제2 위치, 제3 위치에 온도검출 센서를 배치할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자가 다양한 변형에 의하여 배터리 과온도 보호회로에 적용시킬 수 있으며, 기술적으로 용이하게 변형시키는 기술의 범주도 본 특허의 권리범위에 속하는 것으로 인정해야 할 것이다.
본 결과물(특허)은 2020년 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과물이다.
10 : 배터리 과온도 보호장치
11 : 교류전원
12 : 충전기
13 : 충전기 제어신호
14 : 제어부
20 : 리튬이온 배터리
21 : 제1 온도검출 센서
21-1 : 제1-1 온도검출 센서
21-2 : 제1-2 온도검출 센서
21-3 : 제1-3 온도검출 센서
21-4 : 제1-4 온도검출 센서
22 : 제2 온도검출 센서
23 : 제3 온도검출 센서
28 : 서멀 페이스트(Thermal Paste)
31 : 제1 저항
32 : 제2 저항
33 : 제3 저항
41 : 폐쇄형 형상의 슈퍼 열전도체
42 : 개방형 형상의 슈퍼 열전도체
PT1 : 제1 출력전력
PT2 : 제2 출력전력
PT3 : 제3 출력전력
T1 : 제1 온도
T2 : 제2 온도
T3 : 제3 온도
Vcc : 온도센서부 제어전원

Claims (9)

  1. 배터리 과온도 보호장치에 있어서,
    리튬이온 배터리(20)의 제1 위치에서 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1 온도검출 센서(21);
    리튬이온 배터리(20)의 제2 위치에서 제2의 온도(T2)를 검출하는 제2 온도검출 센서(22);
    리튬이온 배터리(20)의 제3 위치에서 제3의 온도(T3)를 검출하는 제3 온도검출 센서(23);
    상기 제1 온도검출 센서(21)와 직렬로 연결되며, 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 전압이 인가되는 제1 저항(31);
    상기 제2 온도검출 센서(22)와 직렬로 연결되며, 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 전압이 인가되는 제2 저항(32); 및
    상기 제3 온도검출 센서(23)와 직렬로 연결되며, 상기 제3 온도(T3)에 도달하면, 전압이 인가되는 제3 저항(33);
    을 포함하며,
    상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하며;
    상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어하며;
    상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제3 온도(T3)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제3 출력전력(PT3)으로 감소하며;
    상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)는 슈퍼 열전도체를 통하여 상기 리튬이온 배터리(20)의 온도를 검출하는 것을 특징으로 하는 배터리 과온도 보호장치.
  2. 배터리 과온도 보호장치에 있어서,
    리튬이온 배터리(20)의 제1의 온도(T1)를 검출하는 제1 온도검출 센서(21);
    리튬이온 배터리(20)의 제2의 온도(T2)를 검출하는 제2 온도검출 센서(22);
    상기 제1 온도검출 센서(21)와 직렬로 연결되며, 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 전압이 인가되는 제1 저항(31); 및
    상기 제2 온도검출 센서(22)와 직렬로 연결되며, 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 전압이 인가되는 제2 저항(32);
    을 포함하며,
    상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제1 온도(T1)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제1 출력전력(PT1)으로 감소하도록 제어하며;
    상기 제어부(14)는 상기 리튬이온 배터리(20)가 상기 제2 온도(T2)에 도달하면, 상기 충전기(12)의 출력전력을 제2 출력전력(PT2)으로 감소하도록 제어하며;
    상기 제1,2 온도(T1,T2)를 상기 리튬이온 배터리(20) 내부의 서로 다른 위치의 온도를 복수로 검출하며;
    상기 제1,2 온도(T1,T2)를 상기 리튬이온 배터리(20)를 충전하기 위한 충전기(12)의 제어부(14)로 전달하는 배선은 단지 3개의 배선만 필요한 것을 특징으로 하는 배터리 과온도 보호장치.
  3. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)는 특정(特定) 온도에 도달하는 경우, 상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)의 내부 저항 값이 절연체에서 금속으로 순간적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 배터리 과온도 보호장치.
  4. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 제1의 온도(T1), 상기 제2의 온도(T2) 및 상기 제3의 온도(T3)는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 배터리 과온도 보호장치.
  5. 청구항 제4항에 있어서,
    상기 제1의 온도(T1)는 65도이며;
    상기 제2의 온도(T2)는 70도이며;
    상기 제3의 온도(T3)는 75도인 것을 특징으로 하는 배터리 과온도 보호장치.
  6. 청구항 제4항에 있어서,
    상기 제1의 온도(T1)는 65도이며;
    상기 제2의 온도(T2)는 75도이며;
    상기 제3의 온도(T3)는 85도인 것을 특징으로 하는 배터리 과온도 보호장치.
  7. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 열전도체는 폐쇄형 형상의 슈퍼 열전도체(41)인 것을 특징으로 하는 배터리 과온도 보호장치.
  8. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 열전도체는 개방형 형상의 슈퍼 열전도체(42)인 것을 특징으로 하는 배터리 과온도 보호장치.
  9. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)는 상기 슈퍼 열전도체와 서멀 페이스트(28)에 의해 접속되어 상기 슈퍼 열전도체에서 검출된 온도가 상기 제1,2,3 온도검출 센서(21,22,23)에 전달되는 것을 특징으로 하는 배터리 과온도 보호장치.
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