KR20220159109A - 배터리 방전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량에 탑재되며, 배터리 단위 모듈을 포함하는 배터리팩, 배터리팩에 연결된 스위칭부, 스위칭부에 연결된 방전부, 및 스위칭부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여, 차량의 충격 등에 의해 고에너지로 충전된 배터리 단위 모듈에 대해 발생되는 폭발, 화재 등을 방지할 수 있다.

Description

배터리 방전 장치{THE BATTERY DISCHARGING APPARATUS}
본 발명은 배터리 방전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 배터리 모듈 중 일부를 특정 조건에서 방전시켜 폭발 등을 방지할 수 있는 배터리 방전 장치에 관한 것이다.
전기차는 주행을 위한 에너지 충전을 위해 다수의 배터리 모듈로 구성된 배터리팩을 포함한다. 이러한 배터리 중 일부는 과충전, 과온도 등의 단계 이후에 폭발, 화재, 주변 이차전지로 화재 전이 등의 위험이 상존한다.
즉, 고에너지가 충전된 배터리 모듈의 경우, 외부 충격(관통, 눌림, 찌그러짐 등)에 의해 급격한 화학 반응이 초래된다. 급격한 화학 반응은 폭발, 화재 등을 발생시키는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시 예는, 고에너지를 저장한 배터리 단위 모듈을 이상 징후 발생 시 방전시켜 폭발, 화재 등을 예방하는 배터리 방전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 방전 장치는 차량에 탑재되며, 배터리 단위 모듈을 포함하는 배터리팩, 배터리팩에 연결된 스위칭부, 스위칭부에 연결된 방전부, 및 스위칭부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 배터리팩은 N개(N은 2이상의 자연수)의 배터리 단위 모듈을 포함하며, N개의 배터리 단위 모듈은 직렬로 연결되고, 스위칭부는 N개의 배터리 단위 모듈에 대응하여 각 배터리 단위 모듈에 연결된 N개의 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 스위칭소자는, 배터리 단위 모듈의 일 단자에 연결된 제1스위치, 및 배터리 단위 모듈의 타 단자에 연결된 제2스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 방전부는 에너지를 저장하는 커패시터 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 커패시터 모듈은, 배어셀, 배어셀을 수용하는 하우징, 배어셀과 스위칭부에 연결된 제1단자, 및 배어셀과 스위칭부에 연결된 제2단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 배어셀은, 분리막, 분리막의 일면에 배치된 제1전극, 및 분리막의 타면에 배치되어 제1전극과 마주보는 제2전극을 포함하며, 배어셀은 중심축을 기준으로 원주 방향을 따라 권취된 원기둥 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 배터리 단위 모듈의 전압을 감지하는 전압감지부를 더 포함하며, 제어부는 전압감지부에서 감지된 전압이 기 설정값 이상인 과전압인 경우 스위칭부를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 배터리 단위 모듈의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하며, 제어부는 온도감지부에서 감지된 온도가 기 설정값 이상인 과온도인 경우 스위칭부를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 차량에 탑재된 배터리가 고 에너지를 저장하고 있는 경우, 차량의 충격 등에 의해 발생되는 폭발, 화재 등을 예방할 수 있다.
또한, 복수의 배터리 단위 모듈 중 일부에 대해 방전시키므로, 방전 시간이 최소화되어 폭발, 화재뿐만 아니라 인접 배터리 단위 모듈로의 전이를 방지할 수 있다.
또한, 커패시터 모듈을 최적화할 수 있어 설치공간 및 무게를 축소할 수 있고, 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 방전 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 방전 장치의 일 회로도이다.
도 4는 도 2에 도시된 방전부의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 배어셀의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 배터리 방전 장치의 다른 실시 예이다.
도 7은 도 6에 도시된 배터리 방전 장치의 다른 실시 예이다.
도 8은 도 7에 도시된 배터리 방전 장치의 다른 실시 예이다.
이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 배터리 방전 장치(1)를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리팩(10)을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 방전 장치(1)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 배터리 방전 장치(1)의 일 회로도이며, 도 4는 도 2에 도시된 방전부(30)의 일 실시 예를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 배어셀(310)의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 1 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 방전 장치(1)는 차량에 가해지는 외부 충격에 의해 발생할 수 있는 차량에 탑재된 배터리의 폭발, 화재 등을 방지하기 위한 것이다. 이를 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 방전 장치(1)는 배터리팩(10), 스위칭부(20), 방전부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
배터리팩(10)은 차량에 탑??된다. 배터리팩(10)은 배터리 단위 모듈(100)을 포함한다. 스위칭부(20)는 배터리팩(10)에 연결된다. 방전부(30)는 스위칭부(20)에 연결된다. 스위칭부(20)는 배터리팩(10)과 방전부(30)를 단락시키거나, 차단시킬 수 있다. 이에 의해, 배터리팩(10)과 방전부(30)는 전기적으로 도통되거나, 차단될 수 있다. 방전부(30)는 배터리팩(10)에 연결되어 배터리팩(10)에 저장된 에너지를 전달받아 저장할 수 있다. 이에 의해, 배터리팩(10)에 충전된 고에너지를 적어도 일부 방출할 수 있다. 제어부(40)는 스위칭부(20)의 동작을 제어하여 회로를 단락 또는 차단시킬 수 있다.
배터리팩(10)은 N개의 배터리 단위 모듈(100)을 포함한다. 여기서, N은 2이상의 자연수이다. N개의 배터리 단위 모듈(100)은 직렬로 연결된다. 스위칭부(20)는 N개의 배터리 단위 모듈(100)에 대응하여 각 배터리 단위 모듈(100)에 연결된 N개의 스위칭소자(200)를 포함한다. 따라서, 복수의 스위칭소자(200)의 각각은 복수의 배터리 단위 모듈(100)의 각각을 개별적으로 방전시킬 수 있다. 일 실시 예로, 배터리팩(10)은 이차전지 스택일 수 있다. 특히, 배터리팩(10)은 리튬 배터리를 포함할 수 있다.
복수의 스위칭소자(200)들 각각은 제1스위치(210)와 제2스위치(220)를 포함할 수 있다. 제1스위치(210)는 배터리 단위 모듈(100)의 일 단자에 연결된다. 제2스위치(220)는 배터리 단위 모듈(100)의 타 단자에 연결된다. 예컨대, 제1스위치(210)는 배터리 단위 모듈(100)의 양의 단자에 연결될 수 있다. 또한, 제2스위치(220)는 배터리 단위 모듈(100)의 음의 단자에 연결될 수 있다. 또한, 제1스위치(210)는 방전부(30)의 양의 단자에 연결되고, 제2스위치(220)는 방전부(30)의 음의 단자에 연결될 수 있다. 제1스위치(210)와 제2스위치(220)는 동시에 동작되거나, 시간 간격을 두고 순차로 동작될 수 있다. 제1스위치(210)와 제2스위치(220)가 모두 단락(연결)될 때, 특정 배터리 단위 모듈(100)의 에너지가 방전부(30)로 방전될 수 있다.
방전부(30)는 커패시터 모듈(300)을 포함할 수 있다. 커패시터 모듈(300)은 에너지를 저장하는 것이다. 커패시터 모듈(300)은 에너지를 저장하고 있어도, 외부 충격으로 발생하는 폭발, 화재 등의 위험이 매우 낮다. 반면에, 이차전지 특히, 리튬 배터리는 고에너지를 저장하고 있는 경우 외부 충격에 의해 급격한 화학 반응이 초래되어 폭발, 화재 등이 발생될 수 있다. 즉, 커패시터 모듈(300)은 이차전지에 비해 외부 충격에 강하여 안전성이 우수하다.
일 실시 예로, 커패시터 모듈(300)은 배어셀(310), 하우징(320), 제1단자(330) 및 제2단자(340)를 포함할 수 있다. 배어셀(310)은 에너지를 저장한다. 하우징(320)은 수용홈을 가진다. 배어셀(310)은 수용홈에 배치된다. 즉, 하우징(320)은 배어셀(310)을 수용한다. 제1단자(330)는 배어셀(310)과 스위칭부(20)에 연결된다. 제2단자(340)는 배어셀(310)과 스위칭부(20)에 연결된다. 제1단자(330)와 제2단자(340)는 배어셀(310)의 양의 단자와 음의 단자에 대응될 수 있다. 따라서, 배어셀(310)은 배터리 단위 모듈(100)에 연결될 수 있다.
배어셀(310)은 분리막(311), 제1전극(312) 및 제2전극(313)을 포함할 수 있다. 제1전극(312)과 제2전극(313)은 분리막(311)을 사이에 두고 마주본다. 배어셀(310)은 제1전극(312), 분리막(311) 및 제2전극(313)을 권취하여 형성될 수 있다. 따라서, 배어셀(310)은 상면(S1), 하면(S2) 및 소정 높이를 가지는 원기둥 형상을 가질 수 있다. 배어셀(310)의 크기가 클수록, 에너지 저장 용량이 증가된다. 제1전극(312)과 제2전극(313)은 제1단자(330)와 제2단자(340)를 통해 외부회로에 연결될 수 있다.
한편, 배어셀(310)은 복수로 배치될 수 있다. 복수의 배어셀(310)은 내부터미널(350)에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 배어셀(310)은 전극리드를 포함한다. 전극리드는 제1전극(312) 또는 제2전극(313)이 배어셀(310)의 중심축(A)을 따라 인출(연장)된 것이다. 예컨대, 제1전극(312)이 배어셀(310)의 중심축(A)을 따라 인출된 것이 제1전극리드가 될 수 있다. 또한, 제2전극(313)이 배어셀(310)의 중심축(A)을 따라 인출된 것이 제2전극리드가 될 수 있다. 제1전극리드와 제2전극리드는 내부터미널(350)에 연결되거나, 제1단자(330)와 제2단자(340)에 연결될 수 있다. 여기서, 제1전극(312)과 제2전극(313)은 양의 전극과 음의 전극에 대응될 수 있다.
도 6은 도 3에 도시된 배터리 방전 장치(1)의 다른 실시 예이며, 도 7은 도 6에 도시된 배터리 방전 장치(1)의 다른 실시 예이고, 도 8은 도 7에 도시된 배터리 방전 장치(1)의 다른 실시 예이다.
도 6 내지 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 방전 장치(1)는 전압감지부(50) 및 온도감지부(60)를 더 포함할 수 있다. 전압감지부(50)는 배터리 단위 모듈(100)의 전압을 감지할 수 있다. 온도감지부(60)는 배터리 단위 모듈(100)의 온도를 감지할 수 있다.
제어부(40)는 전압감지부(50)에서 감지된 전압이 기 설정값 이상인 경우 과전압으로 판단한다. 과전압인 경우, 제어부(40)는 스위칭부(20)를 동작시켜 단락시킨다. 또한, 제어부(40)는 온도감지부(60)에서 감지된 온도가 기 설정값 이상인 경우 과온도로 판단한다. 과온도인 경우, 제어부(40)는 스위칭부(20)를 동작시켜 단락시킨다. 따라서, 차량의 충돌, 추락 사고 등 이벤트 발생으로 고에너지를 저장한 배터리 단위 모듈(100)에 급격한 화학 반응이 발생될 수 있다. 이에 의해, 배터리 단위 모듈(100)에 이상 징후로 과전압 또는 과온도 증상이 발생된 경우, 배터리 단위 모듈(100)에 저장된 에너지를 방전부(30)로 방출하여 폭발, 화재 등의 위험을 미리 예방할 수 있다.
한편, 제어부(40)는 복수의 배터리 단위 모듈(100) 중 과전압으로 판단된 배터리 단위 모듈(100)을 방전부(30)로 단락시킬 수 있다. 또한, 제어부(40)는 복수의 배터리 단위 모듈(100) 중 과온도로 판단된 배터리 단위 모듈(100)을 방전부(30)로 단락시킬 수 있다. 따라서, 배터리팩(10)에 저장된 전체 에너지를 방전하지 않고 이상 징후 발생된 배터리 단위 모듈(100)만을 방전시킬 수 있다. 이에 의해, 방전 시간이 최소화되므로 빠르게 안전을 확보할 수 있다. 또한, 커패시터 모듈(300)의 용량을 최적화할 수 있으므로, 설치공간 및 무게를 축소시키고 비용을 절감시킬 수 있다. 한편, 이상 징후 발생된 배터리 단위 모듈(100)에 대한 방전은 제1스위치(210)와 제2스위치(220)에 의해 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 방전 장치(1)는 이벤트감지부(70)를 더 포함할 수 있다. 이벤트감지부(70)는 차량의 충격 및 추락 중 적어도 하나를 감지할 수 있다. 제어부(40)는 온도감지부(60) 및 전압감지부(50) 중 적어도 하나의 신호와 이벤트감지부(70)의 신호에 따라 스위칭부(20)를 제어할 수 있다. 일 실시 예로, 제어부(40)는 이벤트감지부(70)에서 제공된 신호의 수신과 전압감지부(50)에서 제공된 신호를 기초로 과전압으로 판단한 경우, 과전압에 해당하는 배터리 단위 모듈(100)을 방전시킬 수 있다. 또한, 제어부(40)는 이벤트감지부(70)에서 제공된 신호의 수신과 온도감지부(60)에서 제공된 신호를 기초로 과온도로 판단한 경우, 과온도에 해당하는 배터리 단위 모듈(100)을 방전시킬 수 있다. 이에 의해, 폭발 및 화재 등의 위험이 있는 배터리 단위 모듈(100)에 대해 위험 방지를 위한 정밀한 제어를 수행할 수 있다. 이벤트감지부(70)는 가속도센서, 자이로센서 등을 포함할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
1 : 배터리 방전 장치
10 : 배터리팩
100 : 배터리 단위 모듈
20 : 스위칭부
200 : 스위칭소자
210 : 제1스위치
220 : 제2스위치
30 : 방전부
300 : 커패시터 모듈
310 : 배어셀
320 : 하우징
330 : 제1단자
340 : 제2단자
40 : 제어부
50 : 전압감지부
60 : 온도감지부
70 : 이벤트감지부

Claims (8)

  1. 차량에 탑재되며, 배터리 단위 모듈을 포함하는 배터리팩;
    배터리팩에 연결된 스위칭부;
    스위칭부에 연결된 방전부; 및
    스위칭부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 배터리 방전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    배터리팩은 N개(N은 2이상의 자연수)의 배터리 단위 모듈을 포함하며,
    N개의 배터리 단위 모듈은 직렬로 연결되고,
    스위칭부는 N개의 배터리 단위 모듈에 대응하여 각 배터리 단위 모듈에 연결된 N개의 스위칭소자를 포함하는 배터리 방전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    스위칭소자는,
    배터리 단위 모듈의 일 단자에 연결된 제1스위치; 및
    배터리 단위 모듈의 타 단자에 연결된 제2스위치를 포함하는 배터리 방전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    방전부는 에너지를 저장하는 커패시터 모듈을 포함하는 배터리 방전 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    커패시터 모듈은,
    배어셀;
    배어셀을 수용하는 하우징;
    배어셀과 스위칭부에 연결된 제1단자; 및
    배어셀과 스위칭부에 연결된 제2단자를 포함하는 배터리 방전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    배어셀은,
    분리막;
    분리막의 일면에 배치된 제1전극; 및
    분리막의 타면에 배치되어 제1전극과 마주보는 제2전극을 포함하며,
    배어셀은 중심축을 기준으로 원주 방향을 따라 권취된 원기둥 형상을 가지는 배터리 방전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    배터리 단위 모듈의 전압을 감지하는 전압감지부를 더 포함하며,
    제어부는 전압감지부에서 감지된 전압이 기 설정값 이상인 과전압인 경우 스위칭부를 동작시키는 배터리 방전 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    배터리 단위 모듈의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 포함하며,
    제어부는 온도감지부에서 감지된 온도가 기 설정값 이상인 과온도인 경우 스위칭부를 동작시키는 배터리 방전 장치.
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