JP2014519800A - 二次電池の過電流保護装置、保護方法、および電池パック - Google Patents

Abstract

二次電池の過電流保護装置は、主リレー、前記主リレーと並列に連結する補助リレー、前記補助リレーと直列に連結する電流制限抵抗、および過電流の検出によって前記電池モジュールを保護する制御機を含む。前記制御機は、正常状態において、前記主リレーはＯＮ、前記補助リレーはＯＦＦさせる。過電流が検出されれば、前記制御機は、前記補助リレーをＯＮさせた後に前記主リレーをＯＦＦさせ、前記電流制限抵抗を通じて制限された電流が流れるようにする。
【選択図】 図２

Description

本出願は、２０１１年８月４日に韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０−２０１１−００７７７６６号の出願日の利益を主張し、その内容すべては本明細書に含まれる。

本発明は二次電池に関し、より詳しくは、二次電池の過電流保護装置とこれを利用した保護方法、および電池パックに関する。

ビデオカメラ、携帯用電話、携帯用ＰＣなどの携帯用電気製品の使用が活性化するに伴い、その駆動電源として主に使用される二次電池に対する重要性が増加している。特に、リチウム二次電池は、既存の鉛蓄電池と、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−亜鉛電池などの他の二次電池に比べて単位重量あたりのエネルギー密度が高くて急速充電が可能であるため、使用の増加が活発に進んでいる。

通常は充電が不可能な一次電池とは異なり、充電および放電が可能な二次電池は、デジタルカメラ、セルラーフォン、ノート型パソコン、ハイブリッド自動車などの先端分野の開発として活発な研究が進められている。二次電池としては、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−メタルハイドライド電池、ニッケル−水素電池、リチウム二次電池などを挙げることができる。このうち、リチウム二次電池は、ニッケル−カドミウム電池やニッケル−メタルハイドライド電池に比べて作動電圧が高く、単位重量あたりのエネルギー密度の特性にも優れている。

リチウム二次電池は、電解質の種類に応じ、液体電解質を使用するリチウムイオン電池と、高分子固体電解質を使用するリチウムイオンポリマ電池とに区分することができる。さらに、リチウムイオンポリマ電池は、高分子固体電解質の種類に応じ、電解液がまったく含まれていない完全固体型リチウムイオンポリマ電池と、電解液を含んでいるゲル型高分子電解質を使用するリチウムイオンポリマ電池とに分けられる。

二次電池が過電圧または過電流状態になれば、安全性の保障が困難になるため、二次電池の過電流状態を感知して保護するための多様な方法が掲示されている。

韓国公開特許第２００５−００７２２７６号「端末機の過電圧および過電流防止回路」は、ダイオードと比較回路を利用して過電流を遮断する方法を掲示している。

韓国公開特許第２０１１−００５４９６５号「ワンチップバッテリー保護装置」は、ＬＤＭＯＳ（Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を利用して電源を遮断する回路を掲示している。

電気自動車に使用される二次電池は、一般的に１００Ａ〜３００Ａと大容量の提供が必要となる。したがって、大容量の二次電池に対して過電流による損傷を防ぐことができる技法が必要である。

本発明は、複数のリレーを利用した二次電池の過電流保護装置を提供する。

また、本発明は、複数のリレーを利用した二次電池の過電流保護方法を提供する。

さらに、本発明は、複数のリレーを利用した二次電池の過電流保護装置を利用した電池パックを提供する。

一様態において、二次電池の過電流保護装置は、電池モジュールと発電機の間の連結を１次的にＯＮ／ＯＦＦさせる主リレー、前記主リレーと並列に連結し、前記電池モジュールと前記発電機の間の連結を２次的にＯＮ／ＯＦＦさせる補助リレー、前記補助リレーと直列に連結する電流制限抵抗、および過電流の検出によって前記電池モジュールを保護する制御機を含む。前記制御機は、前記電池モジュールが前記発電機によって充電される正常状態において、前記主リレーはＯＮ、前記補助リレーはＯＦＦさせ、前記過電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＮさせた後に前記主リレーをＯＦＦさせ、前記電流制限抵抗を通じて制限された電流が流れるようにする。

前記制御機は、前記補助リレーがＯＮになった後、一定時間内に一定値以上の電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＦＦさせることができる。

前記電流制限抵抗は、１０Ω〜１００Ω間の抵抗値を有することができる。

前記電池モジュールは複数の二次電池セルを含み、前記電池モジュールの容量は１００Ａ〜３００Ａであることができる。

他の様態において、二次電池の過電流保護方法は、電池モジュールが発電機によって充電される正常状態において、前記電池モジュールと前記発電機の間の連結を１次的にＯＮ／ＯＦＦさせる主リレーはＯＮ、前記電池モジュールと前記発電機の間の連結を２次的にＯＮ／ＯＦＦさせる補助リレーはＯＦＦさせるステップ、前記電池モジュールと前記発電機の間に過電流を検出するステップ、および前記過電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＮさせた後に前記主リレーをＯＦＦさせ、電流制限抵抗を通じて制限された電流が流れるようにするステップを含む。

さらに他の様態において、電池パックは、複数の二次電池セルを含む電池モジュール、および前記電池モジュールの充電状態をモニタリングし、前記電池モジュールの過電流による損傷を防ぐ電池管理モジュールを含む。前記電池管理モジュールは、前記電池モジュールと発電機の間の連結を１次的にＯＮ／ＯＦＦさせる主リレー、前記主リレーと並列に連結し、前記電池モジュールと前記発電機の間の連結を２次的にＯＮ／ＯＦＦさせる補助リレー、前記補助リレーと直列に連結する電流制限抵抗、および過電流が検出されることによって前記電池モジュールを保護する制御機を含む。前記制御機は、前記電池モジュールが前記発電機によって充電される正常状態において、前記主リレーはＯＮ、前記補助リレーはＯＦＦさせ、前記過電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＮさせた後に前記主リレーをＯＦＦさせ、前記電流制限抵抗を通じて制限された電流が流れるようにする。

過電流が検出されても順に電流強度を減少させ、一時的な過電流によって電源が完全に遮断することを防ぐことができる。

本発明の実施形態に係る電気自動車を示したブロック図である。 本発明の一実施形態に係る過電流保護装置を示したブロック図である。 本発明の一実施形態に係る過電流保護方法を示したフローチャートである。

電気自動車（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）は、推進力として１つまたはそれ以上の電気モータを含む車両を意味する。電気自動車を推進するのに使用されるエネルギーは、再充電可能なバッテリーおよび／または燃料電池のような電気的ソース（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｏｕｒｃｅ）を含む。電気自動車は、内燃機関（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ）をさらに１つの動力源として使用するハイブリッド電気自動車であることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る電気自動車を示したブロック図である。

電気自動車１００は、電池パック１１０、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１２０、発電機（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１３０、およびモータ１４０を含む。

電池パック１１０は、電気自動車１００の駆動に使用される電気的蓄電ソースである。電池パック１１０は、負荷であるモータ１４０に駆動力を提供し、モータ１４０および／または内燃機関（図示せず）の駆動に応じて発電機１３０によって充電されることができる。前記電池パック１１０の容量は、１００Ａ〜３００Ａであることができる。

電池パック１１０は、複数の二次電池セルを含む電池モジュール１１２および前記電池モジュール１１２の充電状態をモニタリングする電池管理モジュール１１４を含む。電池管理モジュール１１４は、後述する電池モジュール１１２の過電流による損傷を防ぐ過電流保護装置（図２の２００）を含むことができる。

ＥＣＵ１２０は、電気自動車１００の状態を制御する電子的制御装置である。

発電機１３０は、モータ１４０および／または内燃機関（図示せず）の駆動によって電池パック１１０を充電する。

図２は、本発明の一実施形態に係る過電流保護装置を示したブロック図である。

過電流保護装置２００は、主リレー（ｍａｉｎ ｒｅｌａｙ）２１０、補助リレー（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｒｅｌａｙ）２２０、電流制限抵抗２３０、および制御機２４０を含む。

主リレー２１０は、電池モジュール１１２と発電機１３０、および／またはモータ１４０の間の連結を１次的にＯＮ／ＯＦＦさせる。補助リレー２２０は、電池モジュール１１２と発電機１３０、および／またはモータ１４０の間の連結を２次的にＯＮ／ＯＦＦさせる。ここで、「ＯＦＦ」とは該当する連結が切れることを意味し、「ＯＮ」はその反対である。
電流制限抵抗２３０は補助リレー２２０と直列に連結する。補助リレー２２０と電流制限抵抗２３０は主リレー２１０と並列に連結する。すなわち、主リレー２１０がＯＦＦになり、補助リレー２２０がＯＮになれば、補助リレー２２０と電流制限抵抗２３０を通じて電流が流れる。

電流制限抵抗２３０は、状況に応じて可変することができる。

電流制限抵抗２３０は、１０Ω〜１００Ωの間の抵抗値を有することができる。

電流センサ２９０は、電池モジュール１１２と発電機１３０、および／またはモータ１４０の間の連結に流れる電流を測定する。電流センサ２９０は電池パック１１０の一部であってもよく、または電池パック１１０の外部に配置されてもよい。

制御機２４０は、測定された電流を利用して過電流が流れているのかを検出し、過電流の検出によって電池モジュール１１２を保護する。

電池モジュール１１２が発電機１３０によって充電されたり、電池モジュール１１２によってモータ１４０が駆動したりするとき、正常な電流が流れる正常状態において、制御機２４０は、主リレー２１０はＯＮ、前記補助リレー２２０はＯＦＦさせる。

過電流が検出されれば、制御機２４０は、補助リレー２２０をＯＮさせた後に主リレー２１０をＯＦＦさせる。したがって、電流制限抵抗２３０を通じて制限された電流が流れる。電流制限抵抗２３０により、補助リレー２２０を通じて流れる電流が小さくなる。

補助リレー２２０がＯＮになった後、一定時間内に一定値以上の電流が検出されれば、補助リレー２２０もＯＦＦさせ、電池モジュール１１２に流入する電流を遮断する。

過電流が検出されれば、電流制限抵抗２３０を通じて電流強度を小さくする。

もし、一定時間の経過後にも電流強度が減らなければ、電池モジュール１１２に流入する電流を完全に遮断する。したがって、一時的に過電流が検出されても電池モジュール１１２を完全に遮断するのではなく、一定時間に減少した電流が流れるようにできる。

追加で、追加の補助リレーが使用されることができる。補助リレー２２０を第１補助リレー、電流制限抵抗２３０を第１電流制限抵抗としよう。第２補助リレーと第２電流制限抵抗を前記第１補助リレーおよび第１電流制限抵抗に並列に連結することができる。過電流が検出されれば、順に補助リレーをＯＮさせ、順に電流強度を減少させることができる。

図２の実施形態は、過電流保護装置２００が電池パック１１０の一部である例を示している。しかし、過電流保護装置２００は、電池パックの外部に独立的な装置で配置されることもできる。ＥＣＵ１２０が過電流保護装置２００の制御機２４０の機能を実行することができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る過電流保護方法を示したフローチャートである。この方法は、図２の過電流保護装置２００によって実行されることができる。

正常状態において、主リレーはＯＮ、補助リレーはＯＦＦになる（Ｓ３１０）。正常状態とは、電池モジュールが発電機によって充電されたり、電池モジュールによってモータが駆動したりするとき、正常な電流が流れる状態である。

制御機は、電池モジュールと発電機／モータの間に過電流を検出する（Ｓ３２０）。

過電流が検出されれば、制御機は補助リレーをＯＮさせた後、主リレーをＯＦＦさせる（Ｓ３３０）。電流制限抵抗を通じて制限された電流が流れる。

制御機は、補助リレーがＯＮになった後、一定時間内に一定値以上の電流が検出されるかを確認する（Ｓ３４０）。

一定値以上の電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＦＦさせる（Ｓ３５０）。もし、一定時間内に一定値以上の電流が検出されなければ、再び正常状態に復帰する。

制御機は、プロセッサ、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、他のチップセット、論理回路、および／またはデータ処理装置を含むことができる。実施形態がソフトウェアで実現されるとき、上述した技法は、上述した機能を実行するモジュール（過程、機能など）によって実現されることができる。モジュールはメモリに格納され、プロセッサによって実行されることができる。メモリはプロセッサ内部または外部に存在することができ、周知の多様な手段によってプロセッサと連結することができる。

上述した例示的なシステムにおいて、方法は一連のステップまたはブロックとしてフローチャートに基づいて説明されているが、本発明はステップの順に限定されるものではなく、あるステップは上述したものと異なるステップと異なる順序で、または同時に発生することもできる。また、当業者であれば、フローチャートに示されたステップが排他的なものではなく、他のステップが含まれたり、フローチャートの１つまたはそれ以上のステップが本発明の範囲に影響を及ぼすことなく削除されたりすることを理解できるであろう。

Claims (16)

1. 二次電池の過電流保護装置であって、
   電池モジュールと発電機の間の連結を１次的にＯＮ／ＯＦＦさせる主リレー；
   前記主リレーと並列に連結し、前記電池モジュールと前記発電機の間の連結を２次的にＯＮ／ＯＦＦさせる補助リレー；
   前記補助リレーと直列に連結する電流制限抵抗；および
   過電流の検出によって前記電池モジュールを保護する制御機；を含み、前記制御機は
   前記電池モジュールが前記発電機によって充電される正常状態において、前記主リレーはＯＮ、前記補助リレーはＯＦＦさせ、
   前記過電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＮさせた後に前記主リレーをＯＦＦさせ、前記電流制限抵抗を通じて制限された電流が流れるようにすることを特徴とする二次電池の過電流保護装置。
2. 前記制御機は、前記補助リレーがＯＮになった後、一定時間内に一定値以上の電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＦＦさせることを特徴とする、請求項１に記載の二次電池の過電流保護装置。
3. 前記電流制限抵抗の抵抗値は可変することを特徴とする、請求項１または２に記載の二次電池の過電流保護装置。
4. 前記電流制限抵抗は１０Ω〜１００Ωの間の抵抗値を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の二次電池の過電流保護装置。
5. 前記電池モジュールは複数の二次電池セルを含み、前記電池モジュールの容量は１００Ａ〜３００Ａであることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の二次電池の過電流保護装置。
6. 二次電池の過電流保護方法であって、
   電池モジュールが発電機によって充電される正常状態において、前記電池モジュールと前記発電機の間の連結を１次的にＯＮ／ＯＦＦさせる主リレーをＯＮ、前記電池モジュールと前記発電機の間の連結を２次的にＯＮ／ＯＦＦさせる補助リレーをＯＦＦさせるステップ；
   前記電池モジュールと前記発電機の間に過電流を検出するステップ；および
   前記過電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＮさせた後に前記主リレーをＯＦＦさせ、電流制限抵抗を通じて制限された電流が流れるようにするステップ；を含むことを特徴とする二次電池の過電流保護方法。
7. 前記補助リレーがＯＮになった後、一定時間内に一定値以上の電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＦＦさせるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の二次電池の過電流保護方法。
8. 前記補助リレーは前記主リレーと並列に連結し、
   前記電流制限抵抗は前記補助リレーと直列に連結することを特徴とする、請求項６または７に記載の二次電池の過電流保護方法。
9. 前記電流制限抵抗の抵抗値は可変することを特徴とする、請求項６から８のいずれか一項に記載の二次電池の過電流保護方法。
10. 前記電流制限抵抗は１０Ω〜１００Ωの間の抵抗値を有することを特徴とする、請求項６から９のいずれか一項に記載の二次電池の過電流保護方法。
11. 複数の二次電池セルを含む電池モジュール；および
    前記電池モジュールの充電状態をモニタリングし、前記電池モジュールの過電流による損傷を防ぐ電池管理モジュール；を含み、
    前記電池管理モジュールは
    前記電池モジュールと発電機の間の連結を１次的にＯＮ／ＯＦＦさせる主リレー；
    前記主リレーと並列に連結し、前記電池モジュールと前記発電機の間の連結を２次的にＯＮ／ＯＦＦさせる補助リレー；
    前記補助リレーと直列に連結する電流制限抵抗；および
    過電流の検出によって前記電池モジュールを保護する制御機；を含み、前記制御機は
    前記電池モジュールが前記発電機によって充電される正常状態において、前記主リレーはＯＮ、前記補助リレーはＯＦＦさせ、
    前記過電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＮさせた後に前記主リレーをＯＦＦさせ、前記電流制限抵抗を通じて制限された電流が流れるようにすることを特徴とする電池パック。
12. 前記制御機は、前記補助リレーがＯＮになった後、一定時間内に一定値以上の電流が検出されれば、前記補助リレーをＯＦＦさせることを特徴とする、請求項１１に記載の電池パック。
13. 前記電流制限抵抗の抵抗値は可変することを特徴とする、請求項１１または１２に記載の電池パック。
14. 前記電流制限抵抗は１０Ω〜１００Ωの間の抵抗値を有することを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の電池パック。
15. 前記電池モジュールの容量は１００Ａ〜３００Ａであることを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の電池パック。
16. 前記電池管理モジュールは、前記電池モジュールと前記発電機の間に流れる電流を測定する電流センサをさらに含むことを特徴とする、請求項１１から１５のいずれか一項に記載の電池パック。

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