Electrical rechargeable battery charging and discharging system for a motor vehicle using safety switch and this secondary batteries for electric vehicles

本発明は電気自動車用２次電池の安全スイッチ及びこれを用いた電気自動車用２次電池の充放電システムに関し、より詳細には、電気自動車用２次電池の使用において、過充電、熱露出、短絡及び逆接続など、２次電池の非正常的な使用状態によって２次電池が膨脹するスウェリング（swelling）現象により、前記２次電池が膨脹したり２次電池回路に過度な短絡電流が流れる場合、前記２次電池の外部に取り付けられた電気自動車用２次電池のスイッチが作動して前記２次電池と電気自動車の駆動モーターの接続を遮断することにより、２次電池を保護する技術に関する。

通常的に２次電池は再充電及び大容量化が可能なものであり、代表的なものとしてニッケルカドミウム、ニッケル水素及びリチウムイオン電池などがある。

このうち前記リチウムイオン電池は、長い寿命、高用量などの優れた特性によって次世代の動力源として注目されているが、過充電及び熱露出による非正常的な使用環境に露出される場合、電池内部に電気化学的な作用によるガスが発生して電池内圧が上昇するという問題点がある。

前記リチウムイオン電池の内圧上昇によって電池が膨脹し、特に、過充電などの非正常的な使用時間が持続する場合、電解液や活物質が一部分解されて電池内部圧力及び温度が急上昇することにより、爆発や火事を引き起こす危険がある。

また、前記リチウムイオン電池は短絡及び逆接続による非正常的な使用環境に露出される場合、前記リチウムイオン電池の主回路に過度な短絡電流が流れて、前記リチウムイオン電池内部に過度な電気化学的反応または短絡現象が発生し、前記リチウムイオン電池の爆発や火事を引き起こす危険がある。

上述の問題点を解決するために、前記２次電池の安全性を検証するための過充電、熱露出、短絡、逆接続などの多様な熱的、電気的な安全性試験を実施するようになる。

この際、前記安全性試験時に熱的及び電気的安全性試験環境で電池の発煙、発火及び爆発があってはならない。

一方、前記２次電池の安全性を改善しようとする試みが今まで非常に多様に行われており、電池ケースの破裂部を通じて前記２次電池内部で発生したガスを排出したり電池内部に破裂ディスクを用いて電池の主回路を直接遮断する方法が開発されている。

この場合、過充電などの状況でガスが発生して内圧が設計値を上回る場合、密封部が破裂したり電池の電源が遮断される形態で内圧解消及び安全性を確保するようになるが、破裂時に発生したスパークが点火源として作用し、爆発及び発火の原因となる問題点がある。

上述のような問題点を解決するためにスイッチを用いる２次電池の保護装置が台頭している。

図１は従来技術である韓国特許出願第１０−２００６−００４１５７６号（発明の名称：二次電池保護回路及びこれを備えた二次電池、出願日：２００６．０５．０９）の代表図面である。

図１に図示されたように、従来技術はバイメタルＢＭ１と抵抗Ｒ１で構成される。

前記バイメタルＢＭ１の三つの端子のうち一つは２次電池Ｖ１の正（＋）極と接続され、他の一つは未図示された外部電極の正（＋）極と接続され、残りの一つは抵抗Ｒ１の一端と接続される。

前記抵抗Ｒ１の他端は前記２次電池Ｖ１の負（−）極と接続される。 そして、前記２次電池Ｖ１及び外部電極の負（−）極は互いに接続される。

ここで、前記抵抗Ｒ１は前記バイメタルＢＭ１に直接接続されたり導線を介して接続されることができる。

上述の構成のような従来技術の動作を説明すると次の通りである。

前記バイメタルＢＭ１は常温時には前記２次電池Ｖ１の正（＋）極及び外部電極の正（＋）極を接続し、高温時には前記抵抗Ｒ１を通じて前記２次電池Ｖ１の正（＋）極及び電極の負（−）極を接続する。

次に、前記高温時には前記２次電池Ｖ１が短絡されて前記外部電極からの電流供給が遮断されると同時に、前記バイメタルＢＭ１及び抵抗Ｒ１を通じて放電がなされる。

上述のような構成及び動作を有する従来技術は、温度によってスイッチング動作を制御することにより２次電池を保護するものであるが、上述のような温度によってスイッチング動作をする高価のバイメタル素子を用いなければならないという問題点がある。

また、温度によって作動するバイメタル素子の精緻な制御が困難であり、前記高温の状態でスイッチング動作が行われなかった時は前記２次電池がそのまま危険に露出されるという問題点がある。

また、従来技術は過充電に対する２次電池の保護に対しては一部分前記２次電池を保護することができるが、短絡及び逆接続などの２次電池の誤作動及び誤使用に対する対処方案が設けられていないという問題点がある。

また、従来技術は過充電などによる電池内部の化学的変化によって引き起こされる膨脹現象と短絡による過多な短絡電流を同時に解決することができる方法が確立されていないという問題点がある。

本発明は上述のような問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明は電気自動車用２次電池の使用時に過充電及び熱露出の状況で前記電気自動車用２次電池の内圧の上昇によって発生する前記電気自動車用２次電池の膨脹現象による前記電気自動車用２次電池の破裂、有害ガスの排出による爆発及び火事を防止することができる電気自動車用２次電池の安全スイッチを提供することをその目的とする。

また、前記電気自動車用２次電池の使用時に短絡及び逆接続の状況で発生する過度な短絡電流による前記電気自動車用２次電池の破裂、有害ガス排出による爆発及び火事を防止することができる電気自動車用２次電池の安全スイッチを提供することをその目的とする。

また、前記電気自動車用２次電池の安全スイッチを用いて、電気自動車用２次電池の充放電時に前記電気自動車用２次電池が過充電、熱露出、短絡及び逆接続などの非正常的な動作によって爆発することを防止するための電気自動車用２次電池の安全スイッチを用いた電気自動車用２次電池の充放電システムを提供することをその目的とする。

上述の目的を果たすための本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチは、少なくとも二つの２次電池が電気的に接続されて構成される電気自動車用２次電池の何れか一つの２次電池１０の一面に取り付けられ、切断体１１２が備えられる切断部材１１０；及び前記切断部材１１０と向い合う他の２次電池２０の一面に取り付けられ、スウェリング現象による前記２次電池の膨脹時に前記切断部材１１０の切断体１１２が接近し、前記接近する切断体１１２によって切断されて前記２次電池の電気的接続を遮断する被切断体１２３が備えられる被切断部材１２０；を含んで構成されることを特徴とする。

ここで、前記切断部材１１０は、前記何れか一つの２次電池１０に取り付けられた切断体支持部１１１及び前記切断体支持部１１１から外側方向に突出され、端部が刃１１３からなる切断体１１２を含んで構成されることを特徴とする。

また、前記被切断部材１２０は、前記他の２次電池２０に取り付けられ、前記切断体１１２が挿入される切断体挿入溝１２２が備えられる被切断体支持部１２１及び前記被切断体支持部１２１の前面に積層されて板状の中央に前記切断体１１２によって切断部１２４が切断される被切断体１２３を含んで構成されることを特徴とする。

この際、前記被切断体１２３は前記他の２次電池２０に接続されて、短絡電流が発生すると融断されるヒューズ構造からなることを特徴とする。

また、前記被切断体１２３は切断及び融断が容易であるように複数個のホール１２５またはノッチが形成されていることを特徴とする。

一方、前記切断部材１１０及び被切断部材１２０には難燃性絶縁物が塗布されていることを特徴とする。

また、前記切断部材１１０及び被切断部材１２０は、前記被切断体１２３の融断時に発生する熱及びスパークを吸収する物質によって保護されることを特徴とする。

上述の電気自動車用２次電池の安全スイッチを用いた電気自動車用２次電池充電システムは、電気自動車に電源を供給する少なくとも二つの２次電池２０１が積層されて構成される電気自動車用２次電池２００；前記電気自動車用２次電池２００によって発生する電力が充電される充電部２２０；前記電気自動車用２次電池２００から電力の伝達を受けて動力を発生する駆動モーター２４０；前記駆動モーター２４０の速度及び方向を制御するインバーター部２３０；前記電気自動車用２次電池２００と駆動モーター２４０の接続を制御するバッテリーリレー部２１０；及び前記電気自動車用２次電池２００を構成する２次電池の間に少なくとも一つ備えられ、前記電気自動車用２次電池２００のスウェリング現象による変位によって前記２次電池の電気的接続の遮断作動を制御する電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００；を含んで構成されることを特徴とする。

ここで、前記電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００は、前記電気自動車用２次電池２００に変位が発生すると作動し、前記電気自動車用２次電池２００と前記駆動モーター２４０の回路接続を遮断することを特徴とする。

従来の２次電池安全装置の断面図である。

２次電池の膨脹現象の概念図である。

本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの切断部材を示した側面図である。

（ａ）は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの被切断部材を示した側面図であり、（ｂ）は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの被切断部材の正面図である。

本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの側面図である。

（ａ）は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの正常状態を示す状態図であり、（ｂ）は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの動作状態を示す状態図である。

本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの被切断部材が２次電池に取り付けられた状態を示す概念図である。

本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチが電気自動車用モーターと充電制御回路に接続された状態を示す概念図である。

１０ 何れか一つの２次電池２０ 他の２次電池２１ 正極２２ 負極３０ 第１接続線４０ 第２接続線１００ 電気自動車用２次電池の安全スイッチ１１０ 切断部材１１１ 切断体支持部１１２ 切断体１１３ 刃１２０ 被切断部材１２１ 被切断体支持部１２２ 切断体挿入溝１２３ 被切断体１２４ 被切断体の切断部１２５ ホール２００ 電気自動車用２次電池２０１ ２次電池２１０ バッテリーリレー部２２０ 充電部２３０ インバーター部２４０ 駆動モーター

以下、添付した図面を参照して本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチ及びこれを用いた電気自動車用２次電池の充放電システムを詳細に説明する。 次に紹介される図面は当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするために例として提供されるものである。 従って、本発明は以下提示される図面に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。 また、明細書全体における同一の参照番号は同一の構成要素を示す。

この際、用いられる技術用語及び科学用語において他の定義がなければ、この発明が属する技術分野にて通常の知識を有した者が通常的に理解している意味を有し、下記の説明及び添付図面で本発明の要旨を不必要にぼかす可能性がある公知機能及び構成に対する説明は省略する。

図２は２次電池の膨脹現象の概念図であり、図３は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの切断部材を示した側面図であり、図４の（ａ）は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの被切断部材を示した側面図であり、図４の（ｂ）は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの被切断部材の正面図であり、図５は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの側面図であり、図６の（ａ）は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの正常状態を示す状態図であり、図６の（ｂ）は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの動作状態を示す状態図であり、図７は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチの被切断部材が２次電池に取り付けられた状態を示す概念図であり、図８は本発明の電気自動車用２次電池の安全スイッチが電気自動車用モーターと充電制御回路に接続された状態を示す概念図である。

まず、図２を参照して２次電池１０の膨脹現象に対して説明すると次の通りである。

図２の（ａ）は２次電池１０の正面図を図示したものであり、図２の（ｂ）は前記２次電池１０の側面を図示したものであり、図２の（ｃ）は前記２次電池１０が過充電、短絡、逆接続などの誤作動によりスウェリング現象が発生して、前記２次電池１０が膨脹した状態を図示したものである。

前記２次電池１０は密閉構造でなされる。 前記密閉構造の特性上、前記２次電池１０が過充電、短絡、逆接続、熱露出などの過度な状態に置かれると、前記２次電池１０の内部にガスが発生して前記２次電池１０が膨脹し、膨脹が持続されると前記２次電池１０は内部の電解液など化学物質が流出されたり、その程度が深刻な場合は発火及び爆発が発生する可能性がある。

次に、上述の２次電池１０の膨脹現象を防止するための本発明による電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００に対して図３から図５を参照して説明すると次の通りである。

図３から図５に図示されたように、電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００は、切断体１１２を備える切断部材１１０及び前記切断部材１１０の切断体１１２によって切断される被切断体１２３が備えられる被切断部材１２０；を含んで構成される。

ここで、前記切断部材１１０は切断体支持部１１１及び前記切断体支持部１１１から外側方向に突出されて端部が刃１１３からなる切断体１１２を含んで構成される。

また、前記被切断部材１２０は前記他の２次電池２０に取り付けられて、前記切断体１１２が挿入される切断体挿入溝１２２が備えられる被切断体支持部１２１及び前記被切断体支持部１２１の前面に積層されて板状の中央に前記切断体１１２によって切断部１２４が切断される被切断体１２３を含んで構成される。

この際、前記被切断体１２３は、前記切断体１１２と幅が同一に備えられて、切断または融断が容易であるように複数個のホール１２５またはノッチが形成されて、前記ホール１２５は菱形の形態であることが好ましい。

また、前記被切断体１２３は融断が容易であるように融点が低い物質からなることが好ましい。

次に、上述の構成を有する電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００は、少なくとも二つの２次電池２０１が電気的に接続されて構成される電気自動車用２次電池２００の間に設けられ、電気自動車用２次電池の安全装置として用いられる。

図６から図７を参照して、前記電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００が２次電池の間に挿入された状態及び作動に対して説明する。

図６の（ａ）に図示されたように、前記電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００の切断部材１１０は、何れか一つの２次電池１０の一面に取り付けられた前記被切断部材１２０は前記切断部材１１０と向い合う他の２次電池２０の一面に取り付けられている。

この際、前記何れか一つの２次電池１０及び他の２次電池２０は、少なくとも二つの２次電池が積層される電気自動車用２次電池２００のうち二つの２次電池に適用された例に対するものである。

次に、図７に図示されたように、前記被切断部材１２０は、前記被切断体１２３の上部が前記何れか一つの２次電池２０の正極２１と第１接続線３０によって接続され、前記被切断体１２３の下部が前記他の２次電池２０の負極２２と第２接続線４０によって接続される。

次に、前記何れか一つの２次電池１０及び他の２次電池２０の過充電、熱露出、短絡及び逆接続の状況によるスウェリング現象によって膨脹が発生すると、前記電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００が作動する。

図６の（ｂ）に図示されたように、前記スウェリング現象によって膨脹される何れか一つの２次電池１０及び他の２次電池２０によって前記切断部材１１０及び被切断部材１２０は接近するようになる。

次に、前記切断部材１１０及び被切断部材１２０の接近により、前記切断部材１１０に備えられている刃１１３が備えられた切断体１１２が、前記被切断部材１２０の被切断体１２３の切断部１２４を切断し、前記切断体挿入溝１２２に挿入される。

次に、前記切断部１２４の切断により前記何れか一つの２次電池１０と他の２次電池２０は電気的な接続が遮断されて、前記電気自動車用２次電池２００は電力供給を止めるようになり、前記何れか一つの２次電池１０及び他の２次電池２０のスウェリング現象を遮断して２次電池の爆発及び発火を防止する。

一方、前記被切断体１２３は前記電気自動車用２次電池２００の充放電システム回路の接続部に短絡電流が発生するとこれを感知して融断される。

次に、前記融断に対して説明すると次の通りである。 前記短絡電流の発生により前記他の２次電池２０に異常が発生しないように、前記被切断体１２３の切断部１２４は融断されて、前記第１接続線３０及び第２接続線４０によって接続された前記他の２次電池２０の正極２１及び負極２２の接続を遮断し、前記他の２次電池２０の作動を中断させる。

また、前記切断部材１１０及び被切断部材１２０の前面は前記被切断体１２３の切断時に発生する電気的なスパーク拡散現象を防止するために、難燃性絶縁物あるいは熱とスパークを吸収する材質で塗布されることが好ましい。

また、前記被切断体１２３は切断及び融断時に発生する過熱及び融断時に発生する熱とスパークを吸収する物質で保護されることが好ましい。

ここで、前記熱とスパークを吸収する物質は、前記被切断体１２３の融断で発生する瞬間的なアーク熱を吸収して液化及び電流消弧の役割をする硅砂（ＳｉＯ _２ ）からなることが好ましい。

次に、上述の電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００を用いた電気自動車用２次電池の充放電システムに対して図８を参照して説明すると次の通りである。

図８に図示されたように、電気自動車に電源を供給する少なくとも二つの２次電池２０１が積層されて構成される電気自動車用２次電池２００；前記電気自動車用２次電池２００によって発生する電力が充電される充電部２２０；前記電気自動車用２次電池２００から電力の伝達を受けて動力を発生する駆動モーター２４０；前記駆動モーター２４０の速度及び方向を制御するインバーター部２３０；前記電気自動車用２次電池２００と駆動モーター２４０の接続を制御するバッテリーリレー部２１０；前記電気自動車用２次電池２００を構成する２次電池の間に少なくとも一つ備えられ、前記電気自動車用２次電池２００のスウェリング現象による変位によって前記２次電池の電気的接続の遮断作動を制御する電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００；を含んで構成される。

次に、前記電気自動車用２次電池２００は前記駆動モーター２４０に駆動電力を供給し、前記電気自動車用２次電池２００と前記駆動モーター２４０は回路で接続されていて、この回路の間の接続は前記バッテリーリレー部２１０によって制御される。

次に、前記バッテリーリレー部２１０は第１バッテリーリレー２１１及び第２バッテリーリレー２１２の対からなる。

次に、前記バッテリーリレー部２１０は前記駆動モーター２４０に電力を供給するように制御し、前記電気自動車用２次電池２００から発生する電力を前記充電部２２０に充電するようにする。

次に、前記駆動モーター２４０は前記充電部２２０に充電されている前記電気自動車用２次電池２００から発生した電力の伝達を受けて駆動される。

次に、前記インバーター部２３０は、前記駆動モーターの速度及び方向を制御するように４個のインバーターで構成されている。

ここで、前記インバーター部２３０は説明の理解を助けるために４個のインバーターを用いたが、前記駆動モーター２４０の作動状態及び大きさによって変形することができる。

次に、前記バッテリーリレー部２１０によって制御され、前記駆動モーター２４０に電力を供給して前記インバーター部２３０によって前記駆動モーター２４０が制御されて、前記電力が前記充電部２２０に充電される過程で過充電、逆接続、熱露出、短絡の誤作動によって前記電気自動車用２次電池２００を構成する一つ以上の２次電池２０１に設定値以上の変位が発生したり過度な短絡電流が流れると、前記電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００が作動する。

次に、前記電気自動車用２次電池の安全スイッチ１００は、スウェリング現象によって前記電気自動車用２次電池２００に設定値以上の変位が加えられると前記被切断体１２３が切断され、前記電気自動車用２次電池２００に過度な短絡電流が流れると融断されて、前記電気自動車用２次電池２００と前記駆動モーター２４０の回路接続を直接遮断する。

本発明による電気自動車用２次電池の安全スイッチ及びこれを用いた電気自動車用２次電池の充放電システムは、２次電池の過充電、短絡、逆接続及び熱露出によって発生するスウェリング現象及び短絡電流によって引き起こされる前記２次電池の発熱及び爆発を一つの装置で安全に保護する効果がある。

また、前記２次電池の内部圧力が上昇する場合、前記２次電池のスウェリング現象を感知して主回路を直接遮断する方法を通じて充電電源を根本的に遮断することにより、前記２次電池を漏電（leak）あるいは破裂なしに電池を保護する効果がある。

また、前記２次電池の破裂時に発生するガスによって起こる火事及び爆発を防止する効果がある。

また、前記２次電池の破裂時に発生する有害ガスによる人体の危険を防止する効果がある。