WO2022139014A1 - 하나 이상의 2차전지 셀을 포함하는 배터리 팩 또는 모듈을 위한 배터리 안전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 2차전지 셀의 안전 상태를 정밀하게 모니터링하여 안전 문제 발생을 미리 방지할 수 있는 배터리 안전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 하나 이상의 2차전지 셀이 전기적으로 연결되는 배터리 팩 또는 모듈의 안전 상태를 감시하는 배터리 안전 시스템은, 상기 하나 이상의 2차전지 셀에 대한 전압, 전류, 저항, 온도 및 부피 변화를 측정하는 측정부 및 상기 측정부로부터 측정된 데이터를 받아들이고 상기 2차전지 셀의 상태를 판단하여 문제가 발생한 문제 셀에 대해서는 외부 전원을 차단하는 제어부를 포함하고, 상기 측정부의 상기 전류, 전압 및 저항의 측정은 상기 하나 이상의 2차전지 셀 개별적으로 또는 상기 셀 들이 직렬로 연결되는 셀 군 단위로 이루어지고, 상기 온도 및 부피변화는 상기 2차전지 셀 개별적으로 이루어질 수 있다.

Description

하나 이상의 2차전지 셀을 포함하는 배터리 팩 또는 모듈을 위한 배터리 안전 시스템

본 발명은 배터리 팩 또는 모듈에 포함되는 복수의 2차전지 셀의 안전 상태를 모니터링하고 이에 대한 조치를 취할 수 있는 배터리 안전 시스템에 관한 것이다.

반복 충전을 실시할 수 있는 2차 전지는, 하이브리드 자동차나 전기 자동차 등의 주행 모터 구동 전원으로서 사용됨과 함께, 화석 연료에 의지하지 않는 태양 발전이나 풍력 발전 등의 환경 부하가 비교적 적은 에너지를 모을 수 있는 점에서 산업계나 공공 기관이나 일반 가정 등에서도 널리 이용되고 있다.

최근 전기차 또는 에너지 저장 장치에서는 고출력, 고용량이 필요하여 하나의 2차전지 셀이 아닌 다수의 셀의 집합체로 모듈을 이루고 이들 모듈이 다시 모인 팩이 배터리로서 사용된다. 이들 복수의 셀 집합체의 단위인 모듈 또는 모듈의 집합인 팩을 제어하기 위해서는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 필요하게 되는데, BMS는 충방전, 배터리 잔량을 확인하여 충방전을 제어하는 역할 뿐만 아니라 고장진단, 냉각제어, PRA(Power Relay Assembly)제어 등의 안전 관리 역할을 하게 된다. 최근에는 사용되는 셀의 수가 증가하여 전체 배터리의 용량이 커짐에 따라 이러한 안전 관리 역할에 대한 중요도가 높아지고 있다.

안전관리를 위해 종래의 BMS는 통상적으로 전압, 전류, 온도를 측정하여 이를 감시함으로써 배터리의 안전의 요소로 정하고 있는데 배터리의 안전을 확보하기에는 부족한 점이 많다. 최근 국내외에서 에너지 저장 장치와 차량용 배터리에서 화재사고가 자주 발생하고 있는데, BMS에서 조기에 문제되는 셀을 외부와 차단하는 역할을 효과적으로 하게된다면 이러한 사고를 미리 방지할 수 있게 된다.

따라서, 2차전지 개별 셀의 상태를 보다 정밀하게 분석한 후 문제가 되는 셀을 미리 외부와 차단하고 화재 등의 문제가 발생할 경우 문제가 최소화될 수 있는 종합적인 관리가 요구되고 있다.

본 발명은 복수의 2차전지 셀의 안전 상태를 정밀하게 모니터링하여 안전 문제 발생을 미리 방지할 수 있는 배터리 안전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 하나 이상의 2차전지 셀이 전기적으로 연결되는 배터리 팩 또는 모듈의 안전 상태를 감시하는 배터리 안전 시스템은, 상기 하나 이상의 2차전지 셀에 대한 전압, 전류, 저항, 온도 및 부피 변화를 측정하는 측정부 및 상기 측정부로부터 측정된 데이터를 받아들이고 상기 2차전지 셀의 상태를 판단하여 문제가 발생한 문제 셀에 대해서는 외부 전원을 차단하는 제어부를 포함하고, 상기 측정부의 상기 전류, 전압 및 저항의 측정은 상기 하나 이상의 2차전지 셀 개별적으로 또는 상기 셀 들이 직렬로 연결되는 셀 군 단위로 이루어지고, 상기 온도 및 부피변화는 상기 2차전지 셀 개별적으로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 제공되는 배터리 안전 시스템을 통해 배터리 팩 또는 모듈 내에 안전 문제를 일이킬 수 있는 문제 셀의 존재 여부를 빠르게 파악하여 이에 대한 조치를 함으로써 배터리 팩 또는 모듈 전체의 안전성을 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 측정부의 온도 센서 및 부피측정 위한 전극라인을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 측정부의 온도 센서 및 부피측정 위한 전극라인을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 안전 시스템에서 전압 및 전류를 측정하는 방법을 설명하는 회로도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 배터리 안전 시스템에서 전원 차단을 하는 방법을 설명하는 회로도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차전지 셀과 냉각 케이스의 배치를 설명하는 도면이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2차전지 셀과 냉각 케이스의 배치를 설명하는 도면이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부의 냉각 회로를 설명하는 도면이다.

이하, 실시예를 통해 발명을 상세하게 설명한다. 실시예는 이하에서 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.

2차전지 모듈이나 팩에서 안전을 확보하기 위해서는 이들 모듈이나 팩을 구성하는 2차전지 셀에 대해서 전기적인 전압, 전류, 저항 뿐만 아니라 온도, 부피와 같은 물리적 변화가 안전 허용범위 안에서 제어되고 있는지 감시, 확인 및 조치하는 것이 중요하다.

하지만, 현재 BMS상에 구비되는 배터리 안전 시스템은 통상적으로 전압, 전류, 온도 만을 안전의 요소로 정하고 있고, 개별 셀에 대한 감시와 조치가 아닌 전체 모듈 또는 팩의 전압, 전류, 온도를 측정하고 있어서 전체 배터리 모듈 또는 팩의 안전을 확보하기에는 부족한 점이 많다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 하나 이상의 2차전지 셀이 전기적으로 연결되는 배터리 팩 또는 모듈의 안전 상태를 감시하는 배터리 안전 시스템으로서, 상기 하나 이상의 2차전지 셀에 대한 전압, 전류, 저항, 온도 및 부피 변화를 측정하는 측정부 및 상기 측정부로부터 측정된 데이터를 받아들이고 상기 2차전지 셀의 상태를 판단하여 문제가 발생한 문제 셀에 대해서는 외부 전원을 차단하는 제어부를 포함하고, 상기 측정부의 상기 전류, 전압 및 저항의 측정은 상기 하나 이상의 2차전지 셀 개별적으로 또는 상기 셀 들이 직렬로 연결되는 셀 군 단위로 이루어지고, 상기 온도 및 부피변화는 상기 2차전지 셀 개별적으로 이루어질 수 있는 배터리 안전 시스템을 제공할 수 있다.

종래의 배터리 안전 시스템에서는 복수의 셀이 연결된 배터리 모듈 또는 팩전체에 대해 전기적 신호로 전압, 전류를 측정하고 물리적 신호로 온도의 변화를 측정했다. 따라서, 복수의 셀을 포함하는 배터리 팩 또는 모듈에서 문제 발생 여부를 배터리 팩 또는 모듈 전체로서 파악할 뿐 내부 어느 셀에서 문제가 발생했는지 정확히 파악이 어려웠고, 이에 따라 문제 발생 시 문제 셀을 정확하게 찾아 더 이상의 안전문제가 진행되는 것을 방지하는 것은 불가능하였다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서 제공하는 배터리 안전 시스템에서는 전류, 전압 및 저항에 대해서는 개별 셀 단위 또는 셀들이 직렬로 연결되는 셀 군 단위로 전압 및 저항을 측정하고, 개별 셀 단위로 온도와 부피변화를 상시 모니터링함으로써 2차전지 셀의 상태를 보다 세밀하게 모니터링할 수 있도록 하였다.

일반적으로 배터리 팩 또는 모듈 내에 배치되는 하나 이상의 2차전지 셀은 직렬 및/또는 병렬로 연결되는데, 하나 이상의 개별 셀들이 모두 병렬로 연결되거나 복수의 셀 중 일부의 셀들은 직렬로 연결되어 하나의 군을 형성하고 이렇게 형성된 직렬 연결 셀 군들이 다시 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 배터리 팩 또는 모듈을 이룰 수 있다. 본 발명에서 전기적 신호인 전압, 전류 및 저항의 측정은 개별 셀 또는 셀 군 단위로 이루어짐으로써 전체 배터리 팩 또는 모듈이 아닌 개별 셀 또는 셀 군 단위로 문제 발생 여부를 판단할 수 있게 된다. 또한 물리적 신호인 셀의 온도와 부피변화는 개별 셀 단위로 상시 측정하게 되는데, 이러한 전기적 신호와 물리적 신호를 지속적으로 측정함에 의해 개별 셀 단위로 문제 발생 여부를 판단할 수 있게 된다.

모니터링 중 이들 전압, 전류, 저항, 온도 및 부피변화 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 미리 설정된 수치를 넘어 비정상적인 값을 나타내면 이러한 비정상적인 값을 나타내는 셀 또는 셀 군을 문제 셀 또는 문제 셀 군으로 인식하고 이러한 문제 셀 또는 문제 셀 군으로 연결되는 외부 전원을 차단함으로써 문제 셀 또는 문제 셀 군에 대한 추가적인 충전 또는 방전을 방지하여 안전 문제가 발생하지 않도록 할 수 있고, 더 나아가 냉각장치를 가동하여 문제 발생한 셀의 발화 또는 폭발을 미리 방지할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따르는 배터리 안전 시스템은 전류는 배터리 팩 또는 모듈이 충전 및 방전 시에 흐르는 전류를 측정하고, 상기 전압 및 저항은 개방 회로 상태에서의 전압 및 전류를 측정하며, 상기 온도 및 부피변화는 상시 상태를 측정할 수 있다.

전류는 셀 또는 셀 군 단위로 배터리 팩 또는 모듈이 충전 또는 방전 시에 흐르는 전류를 측정한다. 하지만, 전압 및 저항은 개방 회로 상태에서 측정하게 되는데, 배터리 팩 또는 모듈이 포함하는 복수의 셀이 모두 병렬로 연결되는 셀들인 경우 개별 셀 단위로, 직렬로 연결되는 셀 군을 형성하고 이러한 셀 군들이 다시 직렬 및/또는 병렬로 연결되는 경우에는 셀 군 단위로 개방회로 상태에서의 전압 및 전류를 측정한다.

종래의 배터리 안전 시스템은 배터리 모듈 또는 팩 단위로 전기적 신호인 전압 및 저항을 측정하여 왔다. 측정되는 전압 및 저항은 배터리 팩 또는 모듈이 작동 중이어서 충전 또는 방전이 이루어지는 중에 측정을 하게 되는데, 이때의 전압 및 저항은 연결되는 회로의 저항이 포함된 상태의 전압 및 저항을 측정하게 된다.

따라서, 정확한 셀 자체의 전기적 신호가 되지 않는데, 특히 최근 셀의 내부 저항은 점차 낮아지고 있어서 셀의 저항보다 구성하는 회로의 저항이 더 높아지고 있어서 회로가 닫힌 상태에서 측정되는 전압 및 저항은 정확한 셀의 특성이 될 수 없게 된다.

따라서, 이러한 회로 저항에 의한 오류를 제거하기 위해 개별 셀 또는 셀 군 단위로 개방 회로 상태에서 각 셀의 전압 및 저항을 측정함으로써 정확한 2차전지 셀의 상태를 확인할 수 있게 된다.

이러한 개방 회로 상태에서 측정을 위해서 셀의 충전 또는 방전이 실시되지 않는 저장 상태에서, 예를 들면 차량용 배터리의 경우 차량이 주차된 상태에서 실시될 수 있다. 또는 배터리 팩 또는 모듈이 작동 중에 있어도 개별 셀 단위 또는 셀 군 단위로 순차적으로 전기적 신호 측정 시에만 개방 회로를 만들어 측정할 수 있다.

하지만, 물리적 신호인 온도 및 부피변화의 측정은 개별 셀이 충방전 작동 중인지 여부와 관계없이 실시간으로 개별 셀 단위로 측정하도록 함으로써 배터리 안전 시스템이 셀의 문제 여부 판단을 개별 셀 단위로 할 수 있도록 한다.

문제 셀이 확인되었을 때 문제 셀로의 추가적인 충전 또는 방전의 방지를 위한 외부 전원 차단은 하나 이상의 이차전지 셀이 전기적으로 연결되는 배터리 팩 또는 모듈에서 문제 셀 또는 문제 셀 및 문제 셀과 직렬로 연결된 셀로 이루어지는 문제 셀 군의 양단을 개방 회로로 형성하여 이루어질 수 있다.

문제 셀 또는 문제 셀 군을 이어주는 회로에서 한 쪽만 개방 회로가 될 수 있도록 스위치가 한 쪽에만 배치되고 이러한 스위치가 작동되지 않는다면 문제 셀로의 외부 전원을 차단할 수 없게 된다. 따라서, 문제 셀 또는 문제 셀 군에 연결되는 회로 양단에 스위치를 설치함으로써 어느 하나가 작동이 되지 않더라도 외부 전원으로부터 차단되도록 할 수 있다. 한편, 문제 셀 또는 문제 셀 군 단위로 회로를 차단함으로써 문제 셀이나 셀 군 이외의 다른 셀 들의 가동은 가능하게 됨으로써 배터리 팩 또는 모듈 전체의 가동 중단을 방지할 수 있게 된다.

이렇게 문제 셀 또는 문제 셀 군으로의 외부 전원을 회로의 양단에서 차단함으로써 원하지 않게 문제 셀로 전류가 인가되어 문제 셀로부터 안전 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르는 배터리 안전 시스템은 냉각부를 더 구비하여 배터리 팩 또는 모듈이 가동 중에도 효율적으로 셀을 냉각시킬 수 있고, 문제 셀이 발생하면 이에 대해서는 냉각 효율을 높임으로써 문제 셀이 화재 또는 폭발로 더 진행되는 것을 미리 방지할 수 있다.

이를 위해 본 발명에서는 하나 이상의 2차전지 셀이 전기적으로 연결되는 배터리 팩 또는 모듈의 안전 상태를 감시하는 배터리 안전 시스템에 있어서, 상기 2차전지 셀에 대한 전압, 전류, 저항, 온도 및 부피 변화를 측정하는 측정부, 상기 2차전지 셀을 냉각시키는 냉각부 및 상기 측정부로부터 측정된 데이터를 받아들이고 상기 2차전지 셀의 상태를 판단하여 문제가 발생한 문제 셀에 대해서는 외부 전원을 차단하는 제어부를 포함하고, 상기 측정부의 상기 전류, 전압 및 저항의 측정은 상기 복수의 2차전지 셀 개별적으로 또는 상기 셀 들이 직렬로 연결되는 셀 군 단위로 이루어지고 상기 온도 및 부피변화는 상기 2차전지 셀 개별적으로 이루어지고, 상기 냉각부의 냉각은 셀 표면과 냉각용액의 직접 접촉에 의해 이루어지는 배터리 안전 시스템을 제공할 수 있다.

상술한 바와 마찬가지로 상기 전류, 전압 및 저항은 상기 복수의 2차전지 셀 개별적으로 또는 상기 셀 들이 직렬로 연결되는 셀 군 단위로 측정되면서 상기 전류는 닫힌 회로 상태에서 그리고 전압 및 저항은 개방 회로 상태에서 측정되고, 상기 온도 및 부피변화는 상기 2차전지 셀 각각에 대해 측정된다.

2차전지는 작동 중 온도가 상승하게 되고 이로인해 전지 효율이 떨어질 수 있고, 안전문제 발생 가능성도 높아지게 된다. 따라서 2차전지 셀의 작동 중에는 지속적으로 온도를 제어할 필요가 있는데, 이를 위해 종래 기술에서는 셀의 표면에 열전도 필름 등을 부착하여 열을 빼내었다. 하지만 이러한 방법으로는 충분한 냉각성능이 나오지 않고, 열폭주와 같은 안전문제가 발생할 경우 제어하는 것이 불가능하였다. 본 발명에서는 냉각유체인 고유전율의 냉각용액을 직접 셀 표면과 접촉시킴으로써 열전달 효율을 높여 이러한 문제를 해결할 수 있었다.

냉각용액은 전극을 포함해서 셀 전체와 접촉될 수도 있으므로 용액에 의한 전극 간의 통전을 막기 위해 냉각용액의 비유전율은 7이하인 것이 바람직하고, 원활한 열전도를 위해 끓는점은 60℃이상인 것이 바람직하다.

상기 냉각부는 상기 냉각용액과 상기 하나 이상의 2차전지가 개별 셀 단위 또는 복수의 셀 단위로 함께 배치되는 냉각 케이스, 상기 냉각용액을 냉각시키는 칠러 및 상기 냉각용액을 순환시키기 위한 펌프를 포함하고, 상기 냉각 케이스는 상기 냉각용액이 주입되는 주입구 및 배출되는 배출구를 포함하여 상기 냉각 케이스 내의 상기 냉각용액은 순환 가능하게 될 수 있다.

2차전지 셀은 전극 단자만 케이스 밖에 배치되어 셀 표면과 냉각용액이 직접 접촉할 수도 있고 또는 셀의 전극 단자까지 모두 냉각용액 내에 잠겨서 케이스 내에 배치될 수도 있다.

냉각용액은 냉각 케이스 외부에 설치되는 펌프와 칠러를 통과하여 순환될 수 있게 함으로써 냉각용액은 지속적으로 낮은 온도를 유지할 수 있도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 안전 시스템을 통해 문제 셀이 인식되면 이러한 문제 셀을 향해 냉각용액의 흐름을 빠르게 하여 순환시킴으로써 문제 셀의 온도를 빠르게 낮춰줄 수 있게 된다. 제어부에서 문제 셀이 인식되면 즉시 문제 셀이 있는 냉각 케이스로 냉각용액 순환 속도를 빠르게 함으로써 문제 셀의 과열을 미리 방지하여 화재, 폭발과 같은 안전 문제를 미연에 차단할 수 있게 된다.

이를 위해 냉각용액의 흐름속도를 제어할 수 있는 비례제어 밸브를 냉각 케이스의 주입구에 연결하여 배치시킴으로써 제어부는 냉각용액을 문제 셀이 있는 냉각 케이스로 냉각용액 순환 속도를 높일 수 있게 된다.

본 발명에 따르는 배터리 안전 시스템에서 측정부의 온도 측정은 복수의 2차전지 셀 각각의 외부 표면에 부착되어 온도를 측정하는 온도 센서를 통해 2차전지 셀의 온도를 측정할 수 있다.

2차전지 셀 외부 표면에 부착되는 온도 센서를 통해 셀 각각의 온도를 측정하고 이러한 셀의 온도가 소정의 온도 이상이되면 제어부는 문제 셀로 인식하여 외부 전원을 차단하여 더 이상의 문제가 발생하지 않도록 조치할 수 있고, 더 나아가 문제 셀에 대해 냉각용액의 순환을 빠르게 함으로써 문제 셀을 빠르게 식혀줄 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 개별 셀의 온도의 측정은 전극 단자에 배치되는 온도 센서를 통해 이루질 수도 있다. 셀에서 문제가 발생하여 온도가 상승할 때는 셀 내부 전극에서부터 온도가 상승하기 때문에 셀 외부에서 가장 빠르게 셀의 온도 상승을 측정할 수 있는 부분은 전극 단자일 수 있다. 따라서 전극 단자에 온도 센서를 부착함으로써 빠르게 셀의 온도 변화를 감지할 수 있게 된다.

본 발명에 따르는 배터리 안전 시스템에서 측정부는 2차전지 셀 각각의 외부 표면을 감싸면서 배치되는 전극의 저항 변화를 통해 상기 2차 전지 셀의 부피 변화를 측정하여 2차전지 셀의 부피변화를 측정할 수 있다.

셀에 문제가 발생하여 내부의 전해액이 분해되거나 전극이 뒤틀리면 셀의 부피는 팽창하고 이러한 팽창이 지속되면 화제 또는 폭발을 일으킬 수 있다. 따라서, 부피변화가 있는 셀을 미리 감지하는 것은 매우 중요하다.

이러한 부피변화를 감지하기 위해서 본 발명에서는 셀 외부 표면을 감싸도록 전극을 배치시키는데, 셀 부피가 변하면 이러한 전극의 길이와 폭이 변화함에 따라 저항이 변하게 되고 이러한 저항 변화를 통해 셀의 부피변화를 감지할 수 있게 된다. 이러한 부피변화의 측정의 정밀도를 높이기 위해서는 셀 외부 표면 전체를 감싸도록 전극이 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 부피변화를 측정하기 위한 전극은 서로 평행한 2 이상의 전극 라인으로 형성될 수 있는데, 이러한 복수의 전극 라인으로부터 측정되는 저항의 평균값을 통해 부피변화를 측정함으로써 셀의 부피변화 측정의 정밀도를 높일 수 있게 된다.

아래에서는 상술한 본 발명에 따른 배터리 안전 시스템의 실시예에 대해 도면을 통해 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 전압, 저항, 전류, 온도 및 부피변화를 측정하는 배터리 안전 시스템에서 개별 배터리에 설치되는 온도 센서와 부피변화 측정을 위한 전극을 나타내고 있다.

도 1은 파우치(pouch)형 2차전지 셀의 표면에 형성되는 부피변화 측정을 위한 3개의 전극라인(210)이 전체 셀을 감싸면서 평행하게 형성된 것을 나타내고 있다. 이들 복수의 전극라인은 셀의 부피 변화에 따라 길이와 폭이 변하게 되고 이에 다른 저항의 변화가 나타나게 된다. 이렇게 저항 변화를 통해 셀의 부피변화를 측정할 수 있게 되고 이러한 부피변화가 소정의 양을 넘어가는 셀에 대해 배터리 안전 시스템은 문제 셀로 판정할 수 있게 된다.

또한, 온도 측정을 통해서도 문제 셀 여부를 판단할 수 있게 되는데, 온도 센서(221, 222)는 도 1에서와 같이 셀의 표면에 부착되거나, 전극단자에 부착될 수 있다.

도 2는 파우치형과 마찬가지로 캔(can)형 2차전지 셀의 표면에 형성되는 부피변화 측정위한 전극라인(210)과 셀 표면에 부착되는 온도센서(222) 및 전극단자에 부착되는 온도센서(221)를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 안전 시스템에서 전원의 측정을 위해 직렬로 연결되는 셀 군 단위로 개방회로를 만들어 전압, 전류 및 저항을 측정하는 것을 설명하는 도면이다. 도 3에서는 2개의 셀 단위로 직렬로 연결되는 셀 군이 형성되고 이들 셀 군들이 서로 병렬 및 직렬로 다시 연결되어 전체 배터리 팩을 형성하는 것을 나타내고 있는데, 도 3(a)는 이들 셀 군들이 연결되는 회로의 양단에서 스위치가 열려 개방회로 상태에서 전압 및 저항을 측정하는 것을 표현하고 있다. 도 3(b)는 배터리 운용 상태일 때 전압 및 저항 측정은 되지 않는 것을 나타내고, 도 3(c)는 배터리 팩 전체에 대해 전압 및 저항을 측정하는 것이 아니라 부분적으로 셀 군 단위로 개방 회로를 만들고 여기에 대해 전압 및 저항을 측정하는 것을 나타내고 있다. 이렇게 부분적으로 측정을 함으로써 배터리 팩을 운용하면서 일부 셀 군에 대해서만 개방 회로를 만들어주면서 셀 상태를 감시할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 문제 셀 또는 문제 셀 군에 대한 외부 전원 차단을 위한 회로를 설명한다.

도 4에서는 총 16개의 셀로 이루어지는 배터리 팩을 나타내는데, 두 개의 셀이 직렬로 연결된 8개의 셀 군이 있고, 이들 셀 군은 다시 둘씩 병렬로 연결되어 하나의 모듈을 형성하여 4 개의 모듈(110a~110d)을 이루고 이들 모듈이 다시 직렬 및 병렬 연결되어 배터리 팩을 이루는 것을 나타내고 있다.

도 4(a)는 이러한 배터리 팩에서 각 모듈(110a~110d)에 전원 차단을 위한 스위치(120a~120d)가 하나씩만 배치된 것을 나타낸다. 이 경우 문제 셀이 발생하면 이에 대한 외부 전원을 차단하기 위해 스위치(120a)가 작동해야 하는데 이것이 고장으로 작동하지 않을 경우에는 안전 문제가 발생할 수 있고, 추가적으로 다른 스위치(120b)를 작동시킴으로써 개방회로를 만들 수는 있지만 두 개의 모듈(110a, 110b) 전체가 차단됨으로써 배터리 팩의 작동 효율이 크게 떨어지는 문제가 있게 된다.

도 4(b)는 배터리 팩에서 각 모듈(110a~110d)에 전원 차단을 위한 스위치가 두 개씩 배치된 것을 나타내는데, 이 경우에도 모듈(110a)에서 문제 셀이 발생하고 이와 연결된 스위치(121a)가 고장나면 안전문제가 발생할 수 있고, 더 이상의 문제 발생을 방지하기 위한 추가적 조치로 스위치(121c, 121d)를 개방하여 문제 셀로의 전원을 차단할 수 있지만 이로 인해 인접한 모듈(110b)까지 작동이 중지되는 문제가 있다.

도 4(c)도 마찬가지로 문제 셀과 연결된 스위치(122a)가 고장나는 경우 문제 셀로의 전원이 인가되는 것을 방지하기 위해 인접한 모듈(110b)의 스위치(122c, 122d)를 개방하여 인접한 모듈(110b)로의 전원 또한 차단해야 한다.

이에 반해 도 4(d)와 같이 본 발명에 의한 실시예에 따른 회로에서는 셀 군의 양단에 스위치를 구비함으로써 문제 셀이 있는 셀 군에서 대해서 한 쪽의 스위치(123a)가 고장나도 다른 쪽의 스위치(123b)를 작동시켜 문제 셀 군에서만 전원이 차단되도록 할 수 있다. 이에 따라 다른 모듈(110b~c)의 셀은 문제 없이 작동이 가능하고, 문제 셀이 있는 모듈(110a)에서도 문제 셀 군을 제외하고 다른 셀 군에서는 작동이 가능하게 된다. 이를 통해 문제 셀이 발생해도 배터리 팩의 효율이 크게 떨어지지 않는 범위에서 가동이 가능하게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 냉각부를 나타내는 도면이다. 본 발명에서 셀의 냉각은 셀 표면과 냉각용액의 직접 접촉에 의해 이루어지게 된다. 이를 위해 도 5에서와 같이 냉각용액이 채워진 냉각 케이스(300) 안에 셀(200)과 냉각용액(310)을 같이 배치하고 케이스(300) 내의 냉각용액(310)은 냉각용액 주입구(320)와 배출구(330)를 통해 순환할 수 있게 된다.

도 6은 셀의 전극(220)을 제외한 부분만 냉각 케이스(300)내에 배치되고 전극은 밖에 배치되는 실시예를 나타내고 있는데, 이를 통해 냉각용액의 비유전율이 높아도 냉각용액에 의한 전극 간의 통전 문제를 제어할 수 있다.

도 7은 냉각용액이 순환하는 냉각용액 순환 회로의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 2차전지 셀 또는 모듈 별로 냉각 케이스(300)가 만들어지고 냉각용액(310)의 주입구에는 비례제어밸브(340)를 연결하여 배치함으로써 문제 셀이 발생하는 경우 문제 셀이 있는 케이스(300)로 냉각용액의 흐름을 빠르게 하여 냉각 성능을 높일 수 있다. 냉각용액(310)은 펌프(360)에 의해 냉각 케이스(300) 내에서 용액탱크(370)와 칠러(350)를 거쳐 순환되면서 냉각될 수 있다.

Claims (7)

1. 하나 이상의 2차전지 셀이 전기적으로 연결되는 배터리 팩 또는 모듈의 안전 상태를 모니터링하는 배터리 안전 시스템에 있어서,

   상기 하나 이상의 2차전지 셀에 대한 전압, 전류, 저항, 온도 및 부피 변화를 측정하는 측정부; 및

   상기 측정부로부터 측정된 데이터를 받아들이고 상기 2차전지 셀의 상태를 판단하여 문제가 발생한 문제 셀에 대해서는 외부 전원을 차단하는 제어부를 포함하고,

   상기 측정부의 상기 전류, 전압 및 저항의 측정은 상기 하나 이상의 2차전지 셀 개별적으로 또는 상기 셀 들이 직렬로 연결되는 셀 군 단위로 이루어지고, 상기 온도 및 부피변화는 상기 2차전지 셀 개별적으로 이루어지는, 배터리 안전 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 외부 전원의 차단은 상기 문제 셀 또는 문제 셀 및 문제 셀과 직렬로 연결되는 셀로 이루어지는 문제 셀 군의 양단을 개방 회로로 형성하여 이루어지는, 배터리 안전 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 측정부에서 상기 전류는 상기 배터리 팩 또는 모듈의 충전 또는 방전 시에 흐르는 전류를 측정하고, 상기 전압 및 저항은 개방 회로 상태에서의 전압 및 저항을 측정하며, 상기 온도 및 부피변화는 상시 상태를 측정하는 배터리 안전 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 측정부는 상기 2차전지 셀 각각의 외부 표면에 부착되어 온도를 측정하는 온도 센서를 통해 상기 2차전지 셀의 온도를 측정하는, 배터리 안전 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 측정부는 상기 2차전지 셀 각각의 전극 단자의 온도를 측정하는 온도 센서를 통해 상기 2차전지 셀의 온도를 측정하는, 배터리 안전 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 측정부는 상기 2차전지 셀 각각의 외부 표면을 감싸면서 배치되는 전극의 저항 변화를 통해 상기 2차전지 셀의 부피 변화를 측정하는, 배터리 안전 시스템.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 전극은 서로 평행한 2 이상의 전극 라인으로 형성되는, 배터리 안전 시스템.

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