스위치를 이용한 전기자동차용 2차 전지의 안전장치 및 보호방법 {Safety Apparatus and Protection Method of secondary Battery for Electric Vehicle Using Switch}
본 발명은 2차 전지의 방폭 안전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차용 대용량 리튬폴리머전지의 사용에 있어서, 과 충전, 단락, 역 접속 및 열노출 등의 비정상적인 사용 상태로 인해 2차 전지의 팽창{swelling}이 발생되고 상기 2차 전지의 팽창 정도가 설정 값에 도달할 경우 상기 2차 전지 외부에 부착된 스위치 또는 럽처 스위치가 작동하여 상기 2차 전지와 모터를 연결해 주는 파워 릴레이 회로를 동작시킴 으로써 비정상적인 사용조건으로 인해 발생되는 상기 2차 전지의 폭발 및 발화를 방지할 수 있는 2차 전지의 방폭 안전장치에 관한 것이다.
통상적으로 2차 전지는 재충전이 가능하고 대용량화가 가능한 것으로 대표적인 것으로 니켈카드뮴, 니켈수소 및 리튬이온전지 등이 있다. 이중에서 상기 리튬이온전지는 장 수명, 고용량 등 우수한 특성으로 인하여 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 그런데 리튬이온전지는 과충전, 단락, 역접속, 열노출 등 비 정상적인 사용 환경에 노출될 경우 전지 내부에 전기화학적인 작용으로 인한 가스가 발생하여 전지 내압이 상승된다. 전지의 내압 상승으로 인해 전지가 팽창하게 되고 특히 과 충전 등 비정상적인 사용시간이 지속되는 경우 전해액이나 활물질이 일부 분해되어 전지 내부 압력 및 온도가 급상승되어 폭발이나 화재를 야기할 위험이 있다. 위와 같은 이유로 상기 2차 전지의 안전성을 검증하기 위하여 과 충전, 과 방전, 단락, 역접속 등의 시험뿐만 아니라, 고온보관시험, 열 충격시험, 열 노출시험 등 다양한 열적 안정성 시험을 실시하게 된다. 이러한 열적 안전성 시험조건에서 전지의 폭발, 발화가 없어야 한다. 상기 2차 전지의 안전성을 개선하려는 시도가 이제까지 매우 다양하게 진행되어 오고 있으며, 전지케이스의 파열부를 통해 상기 2차 전지 내부에서 발생된 가스를 배출하거나 전지내부에 파열 디스크를 이용하여 전지 회로를 직접 차단하는 방법이 개발되어 오고 있다. 이 경우 과 충전 등의 상황에서 가스가 발생하여 내압이 설계치를 상회할 경우 밀봉부가 파열되거나 전지의 전원이 차단되는 형태로 내압해소 및 안전성을 확보하게 되나 파열시 발생된 스파크가 점화원으로 작용하여 폭발 및 발화의 원인이 되는 문제점이 있다. 도 1의 (a)는 종래의 2차 전지 안전장치의 단면도이다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 2차 전지(4)는 케이스(2)와 전극조립체(3)로 구성되어 2차 전지용 팩(1)에 의해 수납된다. 상기 2차 전지용 팩(1)의 내부에 침상형 돌출부(5)가 구비되고 상기 2차 전지(4)의 과 충전, 단락, 역 전압 등의 상황이 발생할 경우 상기 2차 전지(4) 내부 온도가 상승하여 상기 2차 전지(4) 내부의 전해액 및 활물질 등이 가스 상태로 변화되어 상기 2차 전지(4)의 팽창현상이 발생하고 상기 2차 전지(4) 가 부풀어 오르게 된다. 상기 2차 전지(4)가 설정된 값 이상으로 팽창되면 침상형 돌출부(5)에 의해 상기 2차 전지(4)의 밀봉이 파열되는 구조로 상기 2차 전지의 폭발 및 발화를 방지한다. 상기 돌출부(5)로서 상기 2차 전지(4)를 보호하는 종래기술은 추가적인 생산 공정이 요구되어 생산성이 떨어지고, 파열의 신뢰도를 보증하기가 어려운 문제점이 있다. 또한, 적층부가 밀봉성과 파열성을 동시에 가져야 하는 상반된 모순을 가지게되는 문제점이 있다. 또한, 전지의 내압에 의한 밀봉부의 파열은 유해가스를 배출시켜 부근에 설치된 전자회로의 손상 및 인체에도 유해한 영향을 주게 되는 문제점이 있다. 특히 파우치형 2차 전지의 경우 케이스가 알루미늄 등의 금속재와 폴리머수지 등의 수지재가 혼합된 유연성 박판으로 이루어지므로 종래 기술에 의한 안전장치 구성이 어려운 문제점이 있다. 도 1의 (b)는 종래의 럽처 디스크형 2차 전지 안전장치의 단면도이다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 원통형 2차 전지의 상부에 가스배출공(7)이 구비되고 럽처 디스크(9)에 의해 캡 커버(6)와 캡(8)이 격리된다. 상기 원통형 2차 전지의 내부 압력이 상승하면 상기 가스배출공(7)을 통해 상기 럽처 디스크(9)에 내부 압력이 전달되고 설정된 값 이상의 내부 압력이 전달되면 상기 럽처 디스크(9)가 파열되면서 가스가 방출되어 상기 원통형 2차 전지의 전원을 차단하는 구조로 상기 2 차 전지의 폭발 및 발화를 방지한다. 상기 럽처 디스크(9)를 이용한 종래기술은 디스크 파열 및 작동시 유해가스를 배출하고 상기 럽처 디스크(9)의 파열시 발생되는 스파크가 배출가스의 점화원으로 작용하여 화재 및 폭발을 야기하는 문제점이 있다. 또한 고전압, 대전류가 흐르는 자동차용 2차전지의 경우 직접적인 전지회로의 차단에 기술적인 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명은 전기자동차용 2차 전지의 사용시 과 충전, 단락 및 열 노출 상황에서 상기 전기자동차용 2차 전지의 내압이 상승하여 팽창현상으로 인한 파열 및 유해가스 배출로 인한 폭발, 화재를 방지할 수 있는 스위치를 이용한 전기자동차용 2차 전지의 안전장치 및 보호방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스위치를 이용한 전기자동차용 2차 전지의 방폭을 방지하기위한 안전장치 및 보호방법의 스위치 장치는 하나 이상의 2차 전지가 적층되어 구성되는 전기자동차용 2차 전지에 있어서, 제 1 2차 전지(21)의 일면에 구비되는 스위치부(23); 및 상기 스위치부(23)와 마주보는 제 2 2차 전지(22)의 일면에 구비되어 상기 스위치부(23)가 작동하도록 하는 작동유도부(24);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 스위치부(23)에는 근접 스위치(150-1)가 구비되고 상기 작동유도 부(24)에는 자석(36)이 구비되어 상기 제 1 2차 전지(21) 및 상기 제 2 2차 전지(22)의 팽창 시 상기 근접 스위치(150-1)와 상기 자석(36)이 근접하면 상기 자석(36)의 자계에 의해 상기 근접 스위치(150-1)가 off 상태로 되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 근접 스위치(150-1)는 밀봉된 구조로 이루어지며 밀봉 케이스(35)의 일면에는 접착부가 구비되며 상기 밀봉 케이스(35)의 내부에는 제 1 스위치 인출선(34)이 연결된 탄성을 가지는 제 1 연결부(31)와 제 2 스위치 인출선(33)이 연결된 탄성을 가지는 제 2 연결부(32)를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 근접 스위치(150-1)는 상기 제 1 연결부(31)와 상기 제 2 연결부(32)가 접속되어 있으면 on 상태가 되고 상기 자석(36)이 근접하면 상기 자석(36)의 자계에 의해 상기 제 1 연결부(31)와 상기 제 2 연결부(32)가 이격되어 off 상태가 되며 이격된 상기 제 1 연결부(31)와 상기 제 2 연결부(32)는 상기 자석(36)이 멀어지면 원상태로 되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 스위치부(23)에는 마이크로 스위치(160-1)가 구비되고 상기 작동유도부(24)에는 상기 제 2 2차 전지(22)가 이용되어 상기 제 1 2차 전지(21) 및 상기 제 2 2차 전지(22)의 팽창 시 상기 마이크로 스위치(160-1)는 off 되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 마이크로 스위치(160-1)는 접착부를 가지는 밀봉된 하우징(48) 내에 제 3 스위치 인출선(44)이 연결된 제 1 고정접점(41), 제 2 고정접점(42) 및 제 4 스위치 인출선(45)이 연결된 가동접점(43)으로 이루어지며 상기 가동접점(43)의 일측에 누름버튼(47)이 구비되어 상기 하우징(48) 외부로 누름버튼(47)이 돌출되고 상기 누름버튼(47)과 동일한 위치의 상기 가동접점(43) 타측에 스프링(46)이 구비되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 마이크로 스위치(160-1)는 상기 제 1 고정접점(41)과 상기 가동접점(43)이 접속되어 있으면 on 상태가 되고 상기 제 2 2차 전지(22)가 상기 누름버튼(47)을 누르게 되어 상기 가동접점(43)이 상기 제 2 고정접점(42)과 접속되어 있으면 off 상태가 되며 상기 제 1 2차 전지(21) 및 상기 제 2 2차 전지(22)가 원상태가 되면 상기 스프링(46)에 의해 원상태로 되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 본 발명의 럽처 스위치는 전기자동차용 2차 전지의 외부에 부착되며, "U"자형 금속편의 일 측에 구비되며 상기 전기자동차용 2차전지(110)에 부착 및 고정되도록 하는 고정홀(50-1, 50-2)을 가지는 제 1 고정부(50); 상기 "U"자형 금속편 타 측의 한 종단에 구비되며 상기 전기자동차용 2차전지(110)에 부착 및 고정되도록 하는 고정홀(51-1)을 가지는 제 2 고정부(51); 상기 "U"자형 금속편 타 측의 다른 종단에 구비되며 상기 전기자동차용 2차전지(110)에 부착 및 고정되도록 하는 고정홀(52-1)을 가지는 제 3 고정부(52); 상기 "U"자형 금속편의 중앙에 구비되는 파열부(60); 및 상기 제 2 고정부(51) 및 상기 제 3 고정부(52)에 부착된 제 5 스위치 인출선(70) 및 제 6 스위치 인출선(75);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 파열부(60)는 제 1 파열부(61) 및 제 2 파열부(62)로 구성되며 상기 전기자동차용 2차 전지(110)에 설정값 이상의 변위가 발생하면 파단되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 럽처 스위치(90-1)는 상기 파열부(60)의 파단 시 발생하는 전기적인 불꽃 확산현상을 방지하기 위하여 상기 럽처 스위치(90-1) 전면을 가소성을 가진 난연성 절연물로 도포되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 본 발명의 전기자동차용 2차 전지의 방폭 안전장치는 전기자동차에 전원을 공급하는 하나 이상의 2차 전지가 적층되어 구성되는 전기자동차용 2차 전지(110); 상기 전기자동차의 동력을 발생하는 구동모터(140); 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 구동모터(140)의 연결 및 상기 구동모터(140)의 전력을 제어하는 배터리제어기(80); 및 상기 배터리제어기(80)에 연결되며, 상기 전기자동차용 2차 전지(110)에 설정값 이상의 변위가 발생하면 작동 및 파열되는 전기자동차용 2차 전지의 스위치 장치 및 럽처 스위치(90-1);를 포함하되, 상기 전기자동차용 2차 전지(110)의 스위치 장치 및 상기 럽처 스위치(90-1)는 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 구동모터(140)를 연결하는 릴레이를 제어하는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 구동모터(140)를 연결하는 릴레이는 상기 전기자동차용 2차전지의 스위치 장치 및 럽처 스위치(90-1)에 연결되어 상기 배터리 제어기(80)에 의해 제어되는 배터리 릴레이 코일부(100); 및 상기 배터리 릴레이 코일부(100)에 의해 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 구동모터(140)의 연결을 제어하는 배터리 릴레이 접점부(105);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 배터리 릴레이 접점부(105)는 제 1 배터리 릴레이 접점부(106) 및 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)가 쌍으로 이루어지며 상기 배터리 릴레이 접점부(105)는 제 1 배터리 릴레이 접점부(106) 및 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)가 상기 배터리 제어기(80)의 출력부(81)에서 출력되는 제어출력 수에 따라 복수의 배터리 릴레이 코일부(100)에 의해 독립적으로 작동되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 구동 모터(140) 측에는 상기 전기자동차용 2차 전지(110)에 의해 발생되는 전력이 충전되는 충전부(120); 및 상기 구동모터(140)의 속도 및 방향을 제어하는 인버터부(130);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 배터리제어기(80)는 상기 전기자동차용 2차 전지(110)에 설정값 이상의 변위가 가해졌을 때 발생하는 상기 전기자동차용 2차 전지의 스위치 장치 및 상기 럽처 스위치(90-1)의 작동 및 파열을 감지하여 전기자동차에 경고신호를 보내는 것을 특징으로 가진다. 또한, 상기 전기자동차용 2차 전지의 스위치 장치 및 상기 럽처 스위치(90-1)는 상기 전기자동차용 2차 전지(110)를 구성하는 2차 전지의 개수에 따라 하나 이상의 상기 전기자동차용 2차 전지의 스위치 장치 및 럽처 스위치(70-1, 70-2 ~ 70-n)를 상기 2차 전지의 외부에 부착, 상기 2차 전지사이에 설치 또는 별도로 구비된 2차전지 고정구조물에 고정하여 더 구비될 수 있는 것을 특징으로 가진다. 또한, 전기자동차용 2차 전지의 스위치 장치 및 럽처 스위치를 이용한 전기자동차용 2차 전지의 방폭 보호방법에 있어서, 전기자동차의 배터리 제어기(80)에서 제어신호를 전송하여 전기자동차용 2차 전지(110)와 구동모터(140)의 연결 및 상기 구동모터(140)의 전력을 제어하는 단계;(S10) 상기 전기자동차용 2차 전지(110)에 설정값 이상의 변위가 발생하면 상기 전기자동차용 2차전지의 스위치 장치 및 상기 럽처 스위치(90-1)가 작동 및 파열되는 단계;(S20) 상기 전기자동차용 2차 전지의 스위치 장치 및 상기 럽처 스위치(90-1)의 제 1 스위치 인출선(33), 제 2 스위치 인출선(34), 제 3 스위치 인출선(44), 제 4 스위치 인출선(45), 제 5 스위치 인출선(70) 및 제 6 스위치 인출선(75)을 통해 상기 스위치 장치 및 럽처 스위치(90-1)의 작동 및 파열을 배터리 릴레이 코일부(100)가 감지하여 차단 제어신호를 출력하는 단계;(S30) 상기 배터리 릴레이 코일부(100)에서 자기적인 신호계통을 통해 상기 차단 제어신호 상기 배터리 릴레이 접점부(105)에 전달되어 상기 배터리 릴레이 접점부(105)가 제어되는 단계;(S40) 상기 배터리 릴레이 접점부(105)에 의해 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차에 동력을 전달하는 구동모터(140)를 연결하는 릴레이를 제어하는 단계(S50);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 가진다.
본 발명에 따른 스위치를 이용한 전기자동차용 2차 전지의 안전장치 및 보호방법은 2차 전지의 과 충전, 단락, 역 접속 및 열 노출로 인해 발생하는 상기 2차 전지의 방폭을 안전하게 보호하는 효과가 있다. 또한, 상기 2차 전지의 내부 압력이 상승할 경우 상기 2차 전지를 파열 시키거나 상기 2차 전지를 직접 차단시키는 방법에 비해 스위치를 이용한 간접적인 방 법으로 상기 2차 전지에 가해지는 충전전원을 근본적으로 차단하는 회로를 통해 상기 2차 전지를 보호하는 효과가 있다. 또한, 상기 2차 전지의 파열로 인해 발생하는 가스 때문에 일어나는 폭발 및 화재를 방지하는 효과가 있다. 또한, 상기 2차 전지의 파열 시 발생하는 유해가스로 인한 인체 위험을 예방하는 효과가 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 스위치를 이용한 전기자동차용 2차 전지의 안전장치 및 보호방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 도 2는 대용량 2차 전지에 적용되는 파우치형 2차 전지를 나타낸 개념도이다. 도 2-(a)는 파우치형 2차 전지의 정면도를 도시한 것이며, 도 2의 (b)는 상 기 파우치형 전지의 측면을 도시한 것이며, 도2의 (c)는 상기 파우치형 2차 전지가 과 충전, 단락, 역 접속 등 오작동으로 팽창 현상이 발생하여 상기 파우치형 2차 전지가 팽창한 상태를 도시한 것이다. 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)는 밀폐구조로 이루어진다. 상기 밀폐구조의 특성상 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)가 과 충전, 단락, 역 접속, 열노출 등의 과도한 상태에 놓이게 되면 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)의 내부에 가스가 발생하여 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)가 팽창하며 팽창이 지속되면 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)는 내부의 전해액 등 화학물질이 유출 되거나 그 정도가 심한 경우 발화 및 폭발이 발생할 수 있다. 도 3은 본 발명의 전기자동차용 2차 전지의 스위치 장치 개념도이다. 하나 이상의 2차 전지가 적층된 구조로 구성된 전기자동차용 2차 전지(110)에 있어서, 상기 2차 전지가 팽창 현상으로 인해 발화 및 폭발을 방지 하기 위해서 상기 2차 전지 사이에 스위치 장치를 구비한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 2차 전지(21)와 제 2 2차 전지(22)에 스위치 장치가 구비된다. 상기 제 1 2차 전지(21)의 일면에 스위치부(23)가 구비되고 상기 스위치부(23)와 마주보는 상기 제 2 2차 전지(22)의 일면에 상기 스위치부(23)를 작동시키기 위한 작동유도부(24)가 구비된다. 상기 제 1 2차 전지(21) 및 상기 제 2 2차 전지(22)가 팽창되면 상기 스위치부(23)와 상기 작동유도부(24)가 근접되어 상기 제 1 2차 전지(21) 및 상기 제 2 2차 전지(22)의 팽창이 더 이상 진행되지 않도록 한다. 상기 스위치부(23)에는 근접 스위치(150-1), 마이크로 스위치(160-1) 및 럽처 스위치(90-1)가 구비된다. 상기 각 스위치의 작동을 실시예를 통해 설명한다. (제 1 실시예) 도 4의 (a)는 근접 스위치의 개념도이며, 도 4의 (b)는 본 발명의 근접 스위치 on 상태를 나타내는 상태도이며, 도 4의 (c)는 본 발명의 근접 스위치 off 상태를 나타내는 상태도이며, 도 8은 본 발명의 근접 스위치가 적용된 보호 회로 및 배터리 제어 계통도와 전기자동차용 2차 전지 및 전기자동차 구동모터의 전력계통도이다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 근접 스위치(150-1)는 밀봉 케이스(35) 내부에 제 1 연결체(31) 및 제 2 연결체(32)가 구비되며 상기 제 1 연결체(31)에는 제 1 스위치 인출선(33)이 연결되고 상기 제 2 연결체(32)에는 제 2 스위치 인출선(34)이 연결된다. 상기 제 1 연결체(31)와 상기 제 2 연결체(32)를 제어하는 자석(36)이 상기 근접 스위치(150-1)와 함께 구비된다. 상기 근접 스위치(150-1)의 작동은 상기 자석(36)이 상기 근접 스위치(150-1)에 근접 시에 상기 근접 스위치(150-1)는 off 상태가 되며, 상기 자석(36)이 상기 근접 스위치(150-1)에서 멀어지면 다시 on 상태가 되는 작동 상의 특징을 가진다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 제 1 2차 전지(21)의 일면에 근접 스위치(150-1)가 on 상태로 구비되고 제 2 2차 전지(22)의 일면에 자석(36)이 구비된 다. 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 2차 전지(21) 및 상기 제 2 2차 전지(22)가 팽창되면 상기 근접 스위치(150-1)와 상기 자석(36)은 근접된다. 상기 자석(36)이 가지는 자계의 영향에 의해 접속 상태의 상기 제 1 연결체(31) 및 상기 제 2 연결체(32)는 일정 거리로 이격되어 상기 근접 스위치(150-1)는 on 상태에서 off 상태로 전환된다. 전술한 특징을 갖는 상기 근접 스위치(150-1)는 전기자동차용 2차 전지(110)에 구비되어 상기 전기자동차용 2차 전지(110)의 방폭을 보호한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 배터리제어기(80)의 출력부(81)에 하나 이상의 근접 스위치(150-1)가 구비되며 상기 근접 스위치(150-1)에 배터리 릴레이 코일부(100)가 연결된다. 전기자동차용 2차 전지(110)와 전기자동차의 구동모터(140)가 구비되며 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차의 구동모터(140)를 연결하는 배터리 릴레이 접점부(105)가 구비되고 상기 구동모터(140) 측에는 상기 전기자동차용 2차 전지(110)에서 발생하는 전력을 충전하는 충전부(120) 및 상기 구동모터(140)의 속도, 방향을 제어하는 인버터부(130)가 구비된다. 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차 구동모터(140)의 연결을 제어하는 릴레이는 상기 배터리 릴레이 코일부(100) 및 상기 배터리 릴레이 접점부(105)로 구성된다. 상기 배터리 릴레이 코일부(100)는 상기 배터리제어기(80)의 제어에 따라 상기 배터리 릴레이 접점부(105)의 제 1 배터리 릴레이 접점부(106) 및 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)를 제어하고 상기 배터리제어기(80)의 출력 형식에 따라 배터리 릴레이 코일부(100)에서 출력되는 복수의 독립적인 제어 신호를 제 1 배터리 릴레이 접점부(106) 및 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)로 보내어 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차 구동모터(140)의 연결을 제어한다. (제 2 실시예) 도 5의 (a)는 마이크로 스위치의 개념도이며, 도 5의 (b)는 본 발명의 마이크로 스위치 on 상태를 나타내는 상태도이며, 도 5의 (c)는 본 발명의 마이크로 스위치 off 상태를 나타내는 상태도이며, 도 9는 본 발명의 근접 스위치가 적용된 보호 회로 및 배터리 제어 계통도와 전기자동차용 2차 전지 및 전기자동차 구동모터의 전력계통도이다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 마이크로 스위치(160-1)는 하우징(48) 내부에 제 1 고정접점(41), 제 2 고정접점(42) 및 가동접점(43)이 구비되며 상기 가동접점(43)에는 제 3 스위치 인출선(44)이 연결되고 상기 제 1 고정접점(41)에는 제 4 스위치 인출선(45)이 연결된다. 상기 가동접점(43)의 일측으로 구비되는 누름버튼(47)은 하우징(48)의 외부에 돌출된다. 상기 가동접점(43)의 타측으로는 스프링(46)이 구비된다. 상기 마이크로 스위치(160-1)의 작동은 상기 누름버튼(47)이 눌러지면 off 상태가 되고 상기 누름버튼(47)이 원상태가 되면 상기 스프링(46)에 의해 on 상태가 되는 특징이 있다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제 1 2차 전지(21)의 일면에 마이크로 스위치(160-1)가 상기 제 1 고정접점(41)과 상기 가동접점(43)이 접속되어 있는 on 상태로 구비된다. 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 2차 전지(21) 및 상기 제 2 2차 전지(22)가 팽창되면 상기 누름버튼(47)을 상기 제 2 2차 전지(22)가 누르게 되어 상기 가동접점(43)은 상기 제 1 고정접점(41)과 이격되어 상기 제 2 고정접점(42)과 접속되어 on 상태에서 off 상태로 전환된다. 전술한 특징을 갖는 상기 마이크로 스위치(160-1)는 전기자동차용 2차 전지(110)에 구비되어 상기 전기자동차용 2차 전지(110)의 방폭을 보호한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 배터리제어기(80)의 출력부(81)에 하나 이상의 마이크로 스위치(160-1)가 구비되며 상기 마이크로 스위치(160-1)에 배터리 릴레이 코일부(100)가 연결된다. 전기자동차용 2차 전지(110)와 전기자동차의 구동모터(140)가 구비되며 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차의 구동모터(140)를 연결하는 배터리 릴레이 접점부(105)가 구비되고 상기 구동모터(140) 측에는 상기 전기자동차용 2차 전지(110)에서 발생하는 전력을 충전하는 충전부(120) 및 상기 구동모터(140)의 속도, 방향을 제어하는 인버터부(130)가 구비된다. 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차 구동모터(140)의 연결을 제어하는 릴레이는 상기 배터리 릴레이 코일부(100) 및 상기 배터리 릴레이 접점부(105)로 구성된다. 상기 배터리 릴레이 코일부(100)는 상기 배터리제어기(80)의 제어에 따라 상기 배터리 릴레이 접점부(105)의 제 1 배터리 릴레이 접점부(106) 및 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)를 제어하고 상기 배터리제어기(80)의 출력 형식에 따라 배터리 릴레이 코일부(100)에서 출력되는 복수의 독립적인 제어 신호를 제 1 배터리 릴레이 접점부(106) 및 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)로 보내어 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차 구동모터(140)의 연결을 제어한다. (제 3 실시예) 도 6의 (a)는 본 발명의 럽처 스위치의 개념도이며, 도 5의 (b)는 본 발명의 럽처 스위치를 2차 전지에 부착한 사시도이다. 럽처 스위치(90-1)는 "U"자형 금속편으로 이루어지며 상기 "U"자형 금속편의 일 측에 구비되는 제 1 고정부(50) 및 상기 "U"자형 금속편 타 측의 양 종단에 구비되는 제 2 고정부(51) 및 제 3 고정부(52)를 이용하여 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)의 일면에 부착한다. 부착된 상기 럽처 스위치(90-1)는 상기 제 1 고정부(50), 제 2 고정부(51) 및 제 3 고정부(52)에 각각 구비되어 있는 제 1 고정홀(50-1), 제 2 고정홀(50-2), 제 3 고정홀(51-1) 및 제 4 고정홀(52-1)을 이용하여 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)에 고정한다. 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)의 일면에 부착 및 고정된 상기 럽처 스위치(90-1)의 중앙부에는 제 1 파열부(61) 및 제 2 파열부(62)로 구성된 파열부(60)가 구비되어 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)가 과 충전, 단락, 역 접속, 또는 고온에 노출되어 설정 값 이상의 변위가 발생하면 상기 파열부(60)는 이를 감지하여 파단 된다. 상기 파열부(60)의 파단은 상기 럽처 스위치(90-1)의 제 2 고정부(51)에 연결된 제 5 스위치 인출선(70) 및 제 3 고정부(52)에 연결된 제 6 스위치 인출선(75)을 통해 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)의 작동을 중지시켜 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)를 안전하게 보호한다. 상기 럽처 스위치(90-1)의 파열부(60) 파단 시 발생하는 전기적인 불꽃 확산을 방지하기 위하여 상기 럽처 스위치(90-1) 전면을 가소성을 가진 난연성 절연물로 도포 하는 것이 바람직하다. 발명의 이해를 돕기 위해 상기 파우치형 리튬폴리머 2차 전지(20)를 일례로 들었지만 상기 럽처 스위치(90-1)는 통상의 2차 전지에 다양한 형태로 부착되어 사용될 수 있다. 도 7은 본 발명의 럽처 스위치가 적용된 보호회로 및 배터리 제어 계통도 및 전기자동차용 대용량 2차 전지와 전기 자동차 구동모터의 전력 계통도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리제어기(60)의 출력부(81)에 하나 이상의 럽처 스위치(90-1)가 구비되며 상기 럽처 스위치(90-1)에 배터리 릴레이 코일부(100)가 연결된다. 전기자동차용 2차 전지(110)와 전기자동차의 구동모터(140)가 구비되며 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차의 구동모터(140)를 연결하는 배터리 릴레이 접점부(105)가 구비되고 상기 구동모터(140) 측에는 상기 전기자동차용 2차 전지(110)에서 발생하는 전력을 충전하는 충전부(120) 및 상기 구동모터(140)의 속도, 방향을 제어하는 인버터부(130)가 구비된다. 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차 구동모터(140)의 연결을 제어하는 릴레이는 상기 배터리 릴레이 코일부(100) 및 상기 배터리 릴레이 접점부(105)로 구성된다. 상기 배터리 릴레이 코일부(100)는 상기 배터리제어기(80)의 제어에 따라 상기 배터리 릴레이 접점부(105)의 제 1 배터리 릴레이 접점부(106) 및 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)를 제어하고 상기 배터리제어기(80)의 출력 형식에 따라 배터리 릴레이 코일부(100)에서 출력되는 복수의 독립적인 제어 신호를 제 1 배터리 릴레이 접점부(106) 및 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)로 보내어 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차 구동모터(140)의 연결을 제어한다. 전술한 제 1 실시예, 제 2 실시예 및 제 3실시예의 근접 스위치(150-1), 마이크로 스위치(160-1) 및 럽처 스위치(90-1)를 이용한 전기자동차용 2차 전지(110)의 보호방법을 설명한다. 도 10은 본 발명의 전기자동차용 2차 전지의 방폭 보호 방법을 나타내는 순서도이다. 발명의 이해를 돕기 위해 한 개의 근접 스위치(150-1), 마이크로 스위치(160-1) 및 럽처 스위치(90-1)를 사용한 경우를 예로 들어 상기 전기자동차용 2차 전지(110)의 방폭 보호방법을 설명한다. 전기자동차의 배터리제어기(80)는 제어신호를 출력하여 전기자동차용 2차 전지(110)를 작동시키고 상기 전기자동차의 상태를 감시한다.(S10) 상기 전기자동차용 2차 전지(110)에 설정값 이상의 변위가 발생하면 상기 전 기자동차용 2차 전지(110)에는 고온 및 내압 상승 등의 물리적인 변위가 발생되면 상기 전기자동차용 2차 전지(110)의 일면에 부착된 근접 스위치(150-1) 및 마이크로 스위치(160-1)는 상기 전기자동차용 2차 전지(110)의 물리적인 변위를 감지하고 on 상태에서 off 상태로 전환되고, 상기 전기자동차용 2차 전지(110)의 일면에 부착된 상기 럽처 스위치(90-1)의 파열부(60)는 상기 전기자동차용 2차 전지(110)의 물리적인 변위를 감지하고 상기 파열부(60)는 파단되고 상기 럽처 스위치(90-1)는 파열된다.(S20) 상기 근접 스위치(150-1) 및 상기 마이크로 스위치(160-1)의 작동 중지 및 상기 럽처 스위치(90-1)(90-1)의 파열은 상기 근접 스위치(150-1), 상기 마이크로 스위치(160-1) 및 상기 럽처 스위치(90-1)(90-1)의 스위치 인출선을 통해 배터리제어기(80)에 전달된다. 상기 배터리제어기(80)는 상기 스위치 인출선을 통해 상기 근접 스위치(150-1) 및 상기 마이크로 스위치(160-1)의 작동 중지 또는 상기 럽처 스위치(90-1)의 파열을 감지하여 상기 전기자동차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차의 구동모터(140)를 차단하기 위해 배터리 릴레이 코일부(100)를 제어하여 상기 배터리 릴레이 코일부(100)에서는 차단 제어신호를 생성한다.(S30) 상기 배터리 릴레이 코일부(100)에서 생성된 상기 차단 제어신호는 상기 배터리 릴레이 코일부(100)의 자기적인 신호 계통을 통해 배터리 릴레이 접점부(105)에 전달되어 상기 배터리 릴레이 접점부를 제어한다.(S40) 상기 차단 제어신호에 따라 상기 배터리 릴레이 접점부(105)는 제 1 배터리 릴레이 접점부(106) 및 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)를 제어하여 상기 전기자동 차용 2차 전지(110)와 상기 전기자동차 구동모터(140)의 연결을 차단하여 상기 전기자동차용 2차 전지(110)를 안전하게 보호한다.(S50) 발명의 이해를 돕기 위해 한 개의 배터리 릴레이 코일부(100)를 표시하였지만 상기 배터리 릴레이는 배터리제어기(80)의 출력형태에 따라 하나 이상의 릴레이 코일을 통하여 제 1 배터리 릴레이 접점부(106)와 제 2 배터리 릴레이 접점부(107)를 독립적으로 제어할 수 있다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위해 한 개의 상기 근접 스위치(150-1), 상기 마이크로 스위치(160-1) 및 상기 럽처 스위치(90-1)를 이용한 전기자동차용 2차 전지(110)의 방폭 보호방법에 대해서 설명했지만 상기 근접 스위치(150-1), 상기 마이크로 스위치(160-1) 및 상기 럽처 스위치(90-1)는 전기자동차에 이용되는 2차 전지의 개수에 따라 더 구비될 수 있는 것이 바람직하다.
도 1의 (a)는 종래의 2차 전지 안전 장치의 단면도이며, 도 1의 (b)는 종래의 럽처 디스크형 2차 전지 안전장치의 단면도이며, 도 2는 파우치형 리튬 폴리머 2차 전지의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 스위치 장치의 개념도이며, 도 4의 (a)는 근접 스위치의 개념도이며, 도 4의 (b)는 본 발명의 근접 스위치의 on 상태를 나타내는 상태도이며, 도 4의 (c)는 본 발명의 근접 스위치의 off 상태를 나타내는 상태도이며, 도 5의 (a)는 마이크로 스위치의 개념도이며, 도 5의 (b)는 본 발명의 마이크로 스위치의 on 상태를 나타내는 상태도이며, 도 5의 (c)는 본 발명의 마이크로 스위치의 off 상태를 나타내는 상태도이며, 도 6의 (a)는 본 발명의 럽처 스위치의 개념도이며, 도 6의 (b)는 본 발명의 파우치형 리튬 폴리머 2차 전지에 부착된 럽처 스위치 개념도이며, 도 7의 (a)는 본 발명의 럽처 스위치가 적용된 보호 회로 및 배터리 제어 계통도이며, 도 7의 (b)는 본 발명의 전기 자동차용 대용량 2차 전지와 전기자동차 구동모터의 전력 계통도이며, 도 8의 (a)는 본 발명의 근접 스위치가 적용된 보호 회로 및 배터리 제어 계통도이며, 도 8의 (b)는 본 발명의 전기 자동차용 대용량 2차 전지와 전기자동차 구동모터의 전력 계통도이며, 도 9의 (a)는 본 발명의 마이크로 스위치가 적용된 보호 회로 및 배터리 제어 계통도이며, 도 9의 (b)는 본 발명의 전기 자동차용 대용량 2차 전지와 전기자동차 구동모터의 전력 계통도이며, 도 10은 본 발명의 전기 자동차용 2차 전지의 방폭 보호 방법을 나타낸 순서도이다. * 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 * 1:2차 전지용 팩 2:케이스 3:전극조립체 4:2차 전지 5:돌출부 6:캡 커버 7:가스배출공 8:캡 9:럽처 디스크 10:절연가스켓 20:파우치형 리튬폴리머 2차 전지 21:제 1 2차 전지 22:제 2 2차 전지 23:스위치부 24:작동유도부 31:제 1 연결체 32:제 2 연결체 33:제 1 스위치 인출선 34:제 2 스위치 인출선 35:밀봉 케이스 36:자석 41:제 1 고정접점 42:제 2 고정접점 43:가동접점 44:제 3 스위치 인출선 45:제 4 스위치 인출선 46:스프링 47:누름버튼 48:하우징 50:제 1 고정부 50-1:제 1 고정홀 50-2:제 2 고정홀 51-1:제 3 고정홀 52-1:제 4 고정홀 51:제 2 고정부 52:제 3 고정부 60:파열부 61:제 1 파열부 62:제 2 파열부 70:제 5 스위치 인출선 75:제 6 스위치 인출선 80:배터리제어기 81:출력부 90-1, 90-2 ~ 90-n:럽처 스위치 100:배터리 릴레이 코 일부 105:배터리 릴레이 접점부 106:제 1 배터리 릴레이 접점부 107:제 2 배터리 릴레이 접점부 110: 전기 자동차용 2차 전지 120:충전부 130:인버터부 140:구동모터 150-1, 150-2 ~ 150-n:근접 스위치 160-1, 160-2 ~ 160-n:마이크로 스위치 |
