KR20240052546A - 고장 배터리 셀의 연결을 단선시키는 배터리 팩 - Google Patents

고장 배터리 셀의 연결을 단선시키는 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩은, 서로 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀 유닛들을 포함하는 배터리 모듈, 및 상기 배터리 모듈 내에서 상기 복수의 배터리 셀 유닛들과 전기적으로 연결되는 메인 전력 라인을 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀 유닛들 중 제1 배터리 셀 유닛은, 제1 배터리 셀, 상기 제1 배터리 셀의 양극 및 상기 제1 배터리 셀의 음극을 각각 상기 메인 전력 라인과 전기적으로 연결하도록 구성된 제1 셀 버스바, 및 상기 제1 배터리 셀과 병렬 연결되는 제1 스위치를 포함하고, 상기 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀들의 상태를 감지하는 센서부, 및 상기 센서부를 통해 감지된 상기 제1 배터리 셀의 상태에 기초하여 상기 제1 배터리 셀의 고장이 식별되면 상기 제1 셀 버스바가 단선되도록, 상기 제1 스위치를 단락(close)시키는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

고장 배터리 셀의 연결을 단선시키는 배터리 팩{BATTERY PACK FOR DISCONNECTING A FAULTY BATTERY CELL}
본 문서에 개시된 실시 예들은, 고장 배터리 셀의 연결을 단선시키는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근 이차 전지에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 여기서 이차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등과 최근의 리튬 이온 배터리를 모두 포함하는 의미이다. 이차 전지 중 리튬 이온 배터리는 종래의 Ni/Cd 배터리, Ni/MH 배터리 등에 비하여 에너지 밀도가 훨씬 높다는 장점이 있다, 또한, 리튬 이온 배터리는 소형, 경량으로 제작할 수 있어 이동 기기의 전원으로 사용되며, 최근에는 전기 자동차의 전원으로 사용 범위가 확장되어 차세대 에너지 저장 매체로 주목을 받고 있다.
전기 자동차 등 전자 기기의 전원으로 사용되는 배터리 팩은 복수의 배터리 모듈로 구성되며, 각각의 배터리 모듈은 하나 이상의 배터리 셀들로 구성될 수 있다. 배터리 셀은 반복적인 충방전이 가능하며 전기 화학 반응을 통해 전위차를 생성할 수 있는 구성요소이다. 배터리 셀은 양극과 음극, 분리막, 전해질로 구성될 수 있다.
이차 전지인 복수의 배터리 셀들이 하나의 배터리 팩을 구성하고, 복수의 배터리 팩들이 하나의 대용량 배터리를 구성한다는 점에서 일반 휴대용 전기 제품보다 배터리를 안전하게 유지하는 것이 중요하다.
현재 배터리의 안전성 확보를 위해 배터리 관리 시스템(BMS)을 이용하는 등 다양한 방법을 시도하고 있지만, 배터리의 전기화학적 비선형성 및 불안정한 특성으로 인하여 배터리의 셀 손상 및 고장에 대한 근본적인 안전성 확보기술은 현재까지 개발되지 않고 있다. 특히, 복수의 배터리 셀들로 구성된 배터리 팩은 단위 셀이 하나라도 고장 나면, 전체 배터리 팩을 교체해야 하는 치명적인 한계점을 가지고 있다.
종래에는, 배터리 셀의 고장이 진단된 경우, 메인 스위칭 장치(예: 릴레이) 또는 메인 보호 장치(예: 파이로퓨즈(pyrofuse))를 개방시킴으로써 고장 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 전력 라인을 차단시키는 방법이 사용되었다. 그러나, 전기 자동차의 경우 상기 방법에 따라 배터리 모듈의 전력 라인을 차단시키게 되면, 모터로의 전력 공급이 중단되어 차량 멈춤이 발생하는 문제가 있었다.
본 문서에 개시된 실시 예들의 일 목적은, 배터리 셀의 고장이 식별된 경우 배터리 모듈에 포함된 다른 배터리 셀에는 영향을 주지 않고 고장 배터리 셀의 연결을 끊을 수 있는 배터리 팩 및 그의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 문서에 개시된 실시 예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩은, 서로 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀 유닛들을 포함하는 배터리 모듈, 및 상기 배터리 모듈 내에서 상기 복수의 배터리 셀 유닛들과 전기적으로 연결되는 메인 전력 라인을 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀 유닛들 중 제1 배터리 셀 유닛은, 제1 배터리 셀, 상기 제1 배터리 셀의 양극 및 상기 제1 배터리 셀의 음극을 각각 상기 메인 전력 라인과 전기적으로 연결하도록 구성된 제1 셀 버스바, 및 상기 제1 배터리 셀과 병렬 연결되는 제1 스위치를 포함하고, 상기 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀들의 상태를 감지하는 센서부, 및 상기 센서부를 통해 감지된 상기 제1 배터리 셀의 상태에 기초하여 상기 제1 배터리 셀의 고장이 식별되면 상기 제1 셀 버스바가 단선되도록, 상기 제1 스위치를 단락(close)시키는 제어부를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 스위치를 단락시킨 후 지정된 시간이 지나면 상기 제1 스위치를 개방(open)시킬 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 제1 셀 버스바는, 상기 지정된 시간 동안 상기 제1 배터리 셀, 상기 제1 셀 버스바, 및 상기 제1 스위치를 통해 흐르는 단락 전류로 가해지는 열에 의해 비가역적으로 단선될 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 제1 셀 버스바는 상기 지정된 시간 동안 가해지는 상기 열에 의해 파단되는 파단부를 포함하고, 상기 파단부는 상기 제1 셀 버스바와 상기 제1 스위치가 전기적으로 연결되는 제1 지점 및 제2 지점 사이에 위치할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 유닛들 중 제2 배터리 셀 유닛은, 제2 배터리 셀, 상기 제2 배터리 셀의 양극 및 상기 제2 배터리 셀의 음극을 각각 상기 메인 전력 라인과 전기적으로 연결하도록 구성된 제2 셀 버스바, 및 상기 제2 배터리 셀과 병렬 연결되는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 센서부를 통해 감지된 상기 제2 배터리 셀의 상태에 기초하여 상기 제2 배터리 셀의 고장이 식별되면 상기 제2 셀 버스바가 단선되도록, 상기 제2 스위치를 단락시킬 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩은, 상기 복수의 배터리 셀 유닛들과 직렬로 연결되고 서로 병렬로 연결된 복수의 다른 배터리 셀 유닛들을 더 포함하고, 상기 복수의 다른 배터리 셀 유닛들 중 제3 배터리 셀 유닛은, 제3 배터리 셀, 상기 제3 배터리 셀의 양극 및 상기 제3 배터리 셀의 음극을 각각 상기 메인 전력 라인과 전기적으로 연결하도록 구성된 제3 셀 버스바, 및 상기 제3 배터리 셀과 병렬 연결되는 제3 스위치를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 센서부를 통해 감지된 상기 제3 배터리 셀의 상태에 기초하여 상기 제3 배터리 셀의 고장이 식별되면 상기 제3 셀 버스바가 단선되도록, 상기 제3 스위치를 단락시킬 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 센서부는, 상기 복수의 배터리 셀들의 전압, 전류, 임피던스, 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하고, 상기 제어부는, 상기 센서부를 통해 감지된 상기 제1 배터리 셀의 전압, 전류, 임피던스, 또는 온도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제1 배터리 셀의 고장 여부를 식별할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시 예들에 따르면, 배터리 셀의 고장이 식별되더라도 고장 배터리 셀과 연결된 버스바의 연결만을 끊음으로써 다른 배터리 셀들과 연결된 메인 전력 라인의 차단 없이 배터리 팩을 안전하게 관리할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3a는 일 실시 예에 따른 제1 배터리 셀의 고장이 식별되기 전 배터리 셀, 셀 버스바, 및 스위치의 상태를 나타내는 도면이다.
도 3b는 일 실시 예에 따른 제1 배터리 셀의 고장이 식별되어 지정된 시간 동안 제1 스위치를 단락시킨 경우 배터리 셀, 셀 버스바, 및 스위치의 상태를 나타내는 도면이다.
도 3c는 일 실시 예에 따른 제1 배터리 셀의 고장이 식별되어 지정된 시간 동안 제1 스위치를 단락시킨 후 배터리 셀, 셀 버스바, 및 스위치의 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 동작 흐름도이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째", "둘째", "A", "B", "(a)" 또는 "(b)"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다.
본 문서에서, 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 언급되거나 "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
일 실시 예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시 예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1)과 상위 시스템에 포함되어 있는 상위 제어기(2)를 포함하는 배터리 제어 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(1)은 하나 이상의 배터리 셀로 이루어지고 충방전 가능한 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 (+) 단자 측 또는 (-) 단자 측에 직렬로 연결되어 배터리 모듈(10)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(14)와, 배터리 팩(1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(20)을 포함한다. 이 때, 배터리 팩(1)에는 배터리 모듈(10), 센서(12), 스위칭부(14) 및 배터리 관리 시스템(20)이 복수 개 구비될 수 있다.
여기서, 스위칭부(14)는 복수의 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 소자로서, 예를 들면, 배터리 팩(1)의 사양에 따라서 적어도 하나의 릴레이, 마그네틱 접촉기 등이 이용될 수 있다.
배터리 관리 시스템(20)은 상술한 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받는 인터페이스로서, 복수의 단자와, 이들 단자와 연결되어 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 관리 시스템(20)은, 스위칭부(14) 예를 들어, 릴레이 또는 접촉기 등의 ON/OFF를 제어할 수도 있으며, 배터리 모듈(10)에 연결되어 배터리 모듈(10) 각각의 상태를 감시할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 관리 시스템(20)은 도 2의 셀 버스바 제어 장치(290)를 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 배터리 관리 시스템(20)은 도 2의 셀 버스바 제어 장치(290)와 상이한 다른 시스템일 수 있다. 즉, 도 2의 셀 버스바 제어 장치(290)는 배터리 팩(1)에 포함될 수도 있고, 배터리 팩(1) 외부의 다른 장치로 구성될 수도 있다.
상위 제어기(2)는 배터리 관리 시스템(20)으로 배터리 모듈(10)에 대한 제어 신호를 전송할 수 있다. 이에 따라, 배터리 관리 시스템(20)은 상위 제어기(2)로부터 인가되는 신호에 기초하여 동작이 제어될 수 있을 것이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩(1)은 배터리 모듈(200) 및 셀 버스바 제어 장치(290)를 포함할 수 있다. 실시 예에 따라서, 셀 버스바 제어 장치(290)는 도 1의 배터리 관리 시스템(20)에 포함될 수도 있고, 또는 도 1의 배터리 관리 시스템(20)과 상이한 다른 장치일 수도 있다.
배터리 모듈(200)은 메인 전력 라인(201), 복수의 배터리 셀 유닛들을 포함할 수 있다. 여기에서, 배터리 셀 유닛은 배터리 셀(210, 220, 230, 또는 240), 셀 버스바(211, 221, 231, 또는 241), 및 스위치(215, 225, 235, 또는 245)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리 셀 유닛은 제1 배터리 셀(210), 제1 셀 버스바(211), 및 제1 스위치(215)로 구성될 수 있다.
도 2에서는, 배터리 모듈(200)이 4개의 배터리 셀 유닛들을 포함하는 것으로 도시 되었으나, 이에 제한되지 않고 배터리 모듈(200)은 2개 이상의 배터리 셀 유닛들을 포함할 수 있다. 또한, 도 2에서는 2개씩 병렬로 연결된 배터리 셀 유닛들이 메인 전력 라인(201)을 통해 직렬로 연결된 것으로 도시 되었으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 메인 전력 라인(201) 사이에 병렬로 연결된 배터리 셀 유닛들의 개수에는 제한이 없을 수 있다. 단, 메인 전력 라인(201)에는 적어도 2개 이상의 배터리 셀 유닛들이 병렬로 연결되어야 한다.
메인 전력 라인(201)은 배터리 모듈(200) 내에서 배터리 모듈(200)의 양극과 음극에 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 메인 전력 라인(201)은 셀 버스바(211, 221, 231, 또는 241)를 통해 배터리 셀(210, 220, 230, 또는 240)과 전기적으로 연결될 수 있다. 메인 전력 라인(201)은 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및 240)로부터 출력되는 전력을 배터리 모듈(200) 외부로 전달하거나, 배터리 모듈(200) 외부로부터 공급된 전력을 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및 240)로 전달할 수 있다.
셀 버스바(211, 221, 231, 또는 241)는 배터리 셀(210, 220, 230, 또는 240)의 양극과 음극을 각각 메인 전력 라인(201)과 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 셀 버스바(211)는 제1 배터리 셀(210)의 양극과 음극에 전기적으로 연결되고, 메인 전력 라인(201)의 제1 지점(202) 및 제2 지점(203)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 셀 버스바(221)는 제2 배터리 셀(220)의 양극과 음극에 전기적으로 연결되고, 메인 전력 라인(201)의 제1 지점(202) 및 제2 지점(203)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 제1 배터리 셀(210) 및 제2 배터리 셀(220)은 제1 셀 버스바(211) 및 제2 셀 버스바(221)를 통해 메인 전력 라인(201)의 제1 지점(202) 및 제2 지점(203)에서 분기되어 서로 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제3 셀 버스바(231)는 제3 배터리 셀(230)의 양극과 음극에 전기적으로 연결되고, 메인 전력 라인(201)의 제3 지점(204) 및 제4 지점(205)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제4 셀 버스바(241)는 제4 배터리 셀(240)의 양극과 음극에 전기적으로 연결되고, 메인 전력 라인(201)의 제3 지점(204) 및 제4 지점(205)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 제3 배터리 셀(230) 및 제4 배터리 셀(240)은 제3 셀 버스바(231) 및 제4 셀 버스바(241)를 통해 메인 전력 라인(201)의 제3 지점(204) 및 제4 지점(205)에서 분기되어 서로 병렬로 연결될 수 있다.
스위치(215, 225, 235, 또는 245)는 셀 버스바(211, 221, 231, 또는 241) 상의 두 지점과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 스위치(215, 225, 235, 또는 245)는 제어부(292)로부터 수신된 제어 신호에 기초하여 개방(open) 또는 단락(close)되도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 스위치(215)는 제1 셀 버스바(211) 상의 제1 지점(212) 및 제2 지점(213)과 전기적으로 연결될 수 있다. 여기에서, 제1 배터리 셀(210)은 제1 셀 버스바(211) 상의 제1 지점(212) 및 제2 지점(213) 사이에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위치(215)는 제1 셀 버스바(211) 상의 제1 지점(212) 및 제2 지점(213)을 통해 제1 배터리 셀(210)과 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제2 스위치(225)는 제2 셀 버스바(221) 상의 제3 지점(222) 및 제4 지점(223)과 전기적으로 연결될 수 있다. 여기에서, 제2 배터리 셀(220)은 제2 셀 버스바(221) 상의 제3 지점(222) 및 제4 지점(223) 사이에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제2 스위치(225)는 제2 셀 버스바(221) 상의 제3 지점(222) 및 제4 지점(223)을 통해 제2 배터리 셀(220)과 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제3 스위치(235)는 제3 셀 버스바(231) 상의 제5 지점(232) 및 제6 지점(233)과 전기적으로 연결될 수 있다. 여기에서, 제3 배터리 셀(230)은 제3 셀 버스바(231) 상의 제5 지점(232) 및 제6 지점(233) 사이에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제3 스위치(235)는 제3 셀 버스바(231) 상의 제5 지점(232) 및 제6 지점(233)을 통해 제3 배터리 셀(230)과 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제4 스위치(245)는 제4 셀 버스바(241) 상의 제7 지점(242) 및 제8 지점(243)과 전기적으로 연결될 수 있다. 여기에서, 제4 배터리 셀(240)은 제4 셀 버스바(241) 상의 제7 지점(242) 및 제8 지점(243) 사이에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제4 스위치(245)는 제4 셀 버스바(241) 상의 제7 지점(242) 및 제8 지점(243)을 통해 제4 배터리 셀(240)과 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 셀 버스바(211, 221, 231, 또는 241)는 파단부(214, 224, 234, 또는 244)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 파단부(214, 224, 234, 또는 244)는 셀 버스바(211, 221, 231, 또는 241)와 스위치(215, 225, 235, 또는 245)가 전기적으로 연결되는 두 지점 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 파단부(214)는 제1 셀 버스바(211) 상의 제1 지점(212) 및 제2 지점(213) 사이에 위치할 수 있다. 여기에서, 제1 지점(212) 및 제2 지점(213)은 제1 스위치(215)가 단락된 경우 제1 배터리 셀(210), 제1 셀 버스바(211), 및 제1 스위치(215)를 통해 단락 전류가 흐를 수 있는 지점을 의미할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 파단부(214, 224, 234, 또는 244)는 스위치(215, 225, 235, 또는 245)가 지정된 시간 동안 단락됨으로써 배터리 셀(210, 220, 230, 또는 240), 셀 버스바(211, 221, 231, 또는 241), 및 스위치(215, 225, 235, 또는 245)를 통해 흐르는 단락 전류로 가해지는 열에 의해 비가역적으로 파단되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 셀 버스바(211, 221, 231, 또는 241)는 다른 지점의 두께보다 파단부(214, 224, 234, 또는 244)의 두께가 얇도록 구현될 수 있다.
셀 버스바 제어 장치(290)는 센서부(291) 및 제어부(292)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 센서부(291)는 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및 240)의 상태를 감지할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 센서부(291)는 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및 240)의 전압, 전류, 임피던스(impedance), 또는 온도 중 적어도 하나를 감지할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 센서부(291)는 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및 240)의 상태를 감지하기 위해 제어 신호를 제어부(292)로부터 수신할 수 있다. 센서부(291)는 제어부(292)로부터 제어 신호가 수신될 때마다, 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및 240)의 상태를 감지할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 센서부(291)는 감지된 상태와 관련된 데이터를 제어부(292)에 전달할 수 있다.
제어부(292)는 센서부(291)와 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 소프트웨어를 실행하여 제어부(292)에 연결된 적어도 하나의 다른 구성 요소를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 제어부(292)에 연결된 적어도 하나의 다른 구성 요소를 제어하여 셀 버스바 제어 장치(290)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 제어부(292)는 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processor), PLD(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), CPU(central processing unit), 마이크로컨트롤러(microcontrollers) 또는 마이크로프로세서(microprocessors)와 같은 처리 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 센서부(291)를 통해 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및/또는 240)의 상태를 감지할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 센서부(291)를 통해 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및/또는 240)의 전압, 전류, 임피던스, 또는 온도 중 적어도 하나를 감지할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 고장 배터리 셀이 있는지 식별할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 센서부(291)를 통해 감지된 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및/또는 240)의 상태에 기초하여 고장 배터리 셀이 있는지 식별할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 고장 배터리 셀이 있는 것으로 식별된 경우, 고장 배터리 셀과 전기적으로 연결된 셀 버스바를 단선시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 제1 배터리 셀(210)의 고장을 식별한 경우, 제1 스위치(215)를 제어함으로써 제1 셀 버스바(211)를 단선시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 제1 스위치(215)를 단락시킴으로써 제1 셀 버스바(211)를 단선시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부(292)는 제1 스위치(215)를 단락시킨 후 지정된 시간이 지나면 제1 스위치(215)를 개방시킬 수 있다. 이 경우, 제1 셀 버스바(211)는 상기 지정된 시간 동안 제1 배터리 셀(210), 제1 셀 버스바(211), 및 제1 스위치(215)를 통해 흐르는 단락 전류로 가해지는 열에 의해 비가역적으로 단선될 수 있다.
또한, 제어부(292)는 상기와 같은 방법으로 제1 배터리 셀(210) 이외의 배터리 셀들(220, 230, 및/또는 240)의 고장을 식별한 경우 그와 전기적으로 연결된 셀 버스바(221, 231, 및/또는 241)를 단선시킬 수 있다.
이하에서, 도 3a, 3b, 및 3c를 참조하여 제1 배터리 셀(210)의 고장이 식별된 경우 제1 셀 버스바(211)를 단선시키는 동작에 대해 설명한다. 도 3a, 3b, 및 3c에 도시된 구성들은 도 2의 메인 전력 라인(201), 배터리 셀들(210, 220), 셀 버스바들(211, 221), 파단부들(214, 224), 및 스위치들(215, 225)과 동일한 구성일 수 있다.
도 3a는 일 실시 예에 따른 제1 배터리 셀의 고장이 식별되기 전 배터리 셀, 셀 버스바, 및 스위치의 상태를 나타내는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 제1 스위치(215) 및 제2 스위치(225)는 개방된 상태일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제1 파단부(214)(및/또는, 제2 파단부(215))는 제1 셀 버스바(211)(및/또는, 제2 셀 버스바(221))의 다른 지점의 두께보다 얇은 두께를 갖도록 구현될 수 있다.
도 3b는 일 실시 예에 따른 제1 배터리 셀의 고장이 식별되어 지정된 시간 동안 제1 스위치를 단락시킨 경우 배터리 셀, 셀 버스바, 및 스위치의 상태를 나타내는 도면이다.
도 3b를 참조하면, 제1 스위치(215)는 제어부(292)로부터 수신된 제어 신호에 따라 지정된 시간 동안 단락될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 지정된 시간 동안 제1 배터리 셀(210), 제1 셀 버스바(211), 및 제1 스위치(215)를 통해 단락 전류(300)가 흐를 수 있다. 이 경우, 제1 셀 버스바(211)에는 단락 전류(300)에 의해 발생하는 열이 가해질 수 있다. 이 과정에서 제1 셀 버스바(211)의 다른 지점보다 상대적으로 두께가 얇은 제1 파단부(214)는 상기 열에 의해 파단될 수 있다. 이를 위해, 제1 파단부(214)는 상기 지정된 시간 동안 가해지는 상기 열에 의해 파단될 수 있는 두께로 구현될 수 있다.
도 3c는 일 실시 예에 따른 제1 배터리 셀의 고장이 식별되어 지정된 시간 동안 제1 스위치를 단락시킨 후 배터리 셀, 셀 버스바, 및 스위치의 상태를 나타내는 도면이다.
도 3c를 참조하면, 제1 스위치(215)는 제어부(292)로부터 수신된 제어 신호에 따라 다시 개방될 수 있다. 또한, 제1 파단부(214)는 단락 전류로 가해지는 열에 의해 비가역적으로 파단될 수 있다. 이에 따라, 제1 셀 버스바(211)는 비가역적으로 단선된 상태일 수 있다.
이와 같이, 본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 배터리 팩(1)은 고장 배터리 셀(예: 제1 배터리 셀(210))이 감지된 경우 고장 배터리 셀과 연결된 셀 버스바(예: 제1 셀 버스바(211))를 단선시킴으로써 메인 전력 라인(201)을 통해 전달되는 전력이 차단되지 않도록 할 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 동작 흐름도이다. 도 4는 도 2의 구성들을 이용하여 설명될 수 있다.
도 4에 도시된 실시 예는 일 실시 예일 뿐이며, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 단계의 순서는 도 4에 도시된 바와 다를 수 있고, 도 4에 도시된 일부 단계들이 생략되거나 단계들 간의 순서가 변경되거나 단계들이 병합될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 동작 405에서, 배터리 팩(1)은 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및/또는 240)의 상태를 감지할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 팩(1)은 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및/또는 240)의 전압, 전류, 임피던스, 또는 온도 중 적어도 하나를 감지할 수 있다.
동작 410에서, 배터리 팩(1)은 고장 배터리 셀이 있는지 식별할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 팩(1)은 동작 405에서 감지된 복수의 배터리 셀들(210, 220, 230, 및/또는 240)의 상태에 기초하여 고장 배터리 셀이 있는지 식별할 수 있다.
동작 410에서 고장 배터리 셀이 없는 것으로 식별된 경우('NO'), 배터리 팩(1)은 도 4에 따른 동작을 종료할 수 있다.
동작 410에서 고장 배터리 셀이 있는 것으로 식별된 경우('YES'), 동작 415에서, 배터리 팩(1)은 고장 배터리 셀과 전기적으로 연결된 셀 버스바를 단선시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 팩(1)은 제1 배터리 셀(210)의 고장을 식별한 경우, 제1 스위치(215)를 제어함으로써 제1 셀 버스바(211)를 단선시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 팩(1)은 제1 스위치(215)를 단락시킴으로써 제1 셀 버스바(211)를 단선시킬 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 배터리 팩(1)은 제1 스위치(215)를 단락시킨 후 지정된 시간이 지나면 제1 스위치(215)를 개방시킬 수 있다. 이 경우, 제1 셀 버스바(211)는 상기 지정된 시간 동안 제1 배터리 셀(210), 제1 셀 버스바(211), 및 제1 스위치(215)를 통해 흐르는 단락 전류로 가해지는 열에 의해 비가역적으로 단선될 수 있다.
또한, 배터리 팩(1)은 상기와 같은 방법으로 제1 배터리 셀(210) 이외의 배터리 셀들(220, 230, 및/또는 240)의 고장을 식별한 경우 그와 전기적으로 연결된 셀 버스바(221, 231, 및/또는 241)를 단선시킬 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소를 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 문서에 개시된 실시 예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 문서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

Claims (7)

  1. 배터리 팩에 있어서,
    서로 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀 유닛들을 포함하는 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈 내에서 상기 복수의 배터리 셀 유닛들과 전기적으로 연결되는 메인 전력 라인을 포함하고;
    상기 복수의 배터리 셀 유닛들 중 제1 배터리 셀 유닛은,
    제1 배터리 셀;
    상기 제1 배터리 셀의 양극 및 상기 제1 배터리 셀의 음극을 각각 상기 메인 전력 라인과 전기적으로 연결하도록 구성된 제1 셀 버스바; 및
    상기 제1 배터리 셀과 병렬 연결되는 제1 스위치를 포함하고;
    상기 배터리 모듈에 포함된 복수의 배터리 셀들의 상태를 감지하는 센서부; 및
    상기 센서부를 통해 감지된 상기 제1 배터리 셀의 상태에 기초하여 상기 제1 배터리 셀의 고장이 식별되면 상기 제1 셀 버스바가 단선되도록, 상기 제1 스위치를 단락(close)시키는 제어부를 포함하는, 배터리 팩.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 스위치를 단락시킨 후 지정된 시간이 지나면 상기 제1 스위치를 개방(open)시키는, 배터리 팩.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 셀 버스바는, 상기 지정된 시간 동안 상기 제1 배터리 셀, 상기 제1 셀 버스바, 및 상기 제1 스위치를 통해 흐르는 단락 전류로 가해지는 열에 의해 비가역적으로 단선되는, 배터리 팩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 셀 버스바는 상기 지정된 시간 동안 가해지는 상기 열에 의해 파단되는 파단부를 포함하고,
    상기 파단부는 상기 제1 셀 버스바와 상기 제1 스위치가 전기적으로 연결되는 제1 지점 및 제2 지점 사이에 위치하는, 배터리 팩.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 유닛들 중 제2 배터리 셀 유닛은,
    제2 배터리 셀;
    상기 제2 배터리 셀의 양극 및 상기 제2 배터리 셀의 음극을 각각 상기 메인 전력 라인과 전기적으로 연결하도록 구성된 제2 셀 버스바; 및
    상기 제2 배터리 셀과 병렬 연결되는 제2 스위치를 포함하고;
    상기 제어부는,
    상기 센서부를 통해 감지된 상기 제2 배터리 셀의 상태에 기초하여 상기 제2 배터리 셀의 고장이 식별되면 상기 제2 셀 버스바가 단선되도록, 상기 제2 스위치를 단락시키는, 배터리 팩.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 유닛들과 직렬로 연결되고 서로 병렬로 연결된 복수의 다른 배터리 셀 유닛들을 더 포함하고,
    상기 복수의 다른 배터리 셀 유닛들 중 제3 배터리 셀 유닛은,
    제3 배터리 셀;
    상기 제3 배터리 셀의 양극 및 상기 제3 배터리 셀의 음극을 각각 상기 메인 전력 라인과 전기적으로 연결하도록 구성된 제3 셀 버스바; 및
    상기 제3 배터리 셀과 병렬 연결되는 제3 스위치를 포함하고;
    상기 제어부는,
    상기 센서부를 통해 감지된 상기 제3 배터리 셀의 상태에 기초하여 상기 제3 배터리 셀의 고장이 식별되면 상기 제3 셀 버스바가 단선되도록, 상기 제3 스위치를 단락시키는, 배터리 팩.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 복수의 배터리 셀들의 전압, 전류, 임피던스, 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하고,
    상기 제어부는, 상기 센서부를 통해 감지된 상기 제1 배터리 셀의 전압, 전류, 임피던스, 또는 온도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 제1 배터리 셀의 고장을 식별하는, 배터리 팩.
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