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KR20210050462A - 자동차의 고전압 배터리 - Google Patents

자동차의 고전압 배터리 Download PDF

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KR20210050462A
KR20210050462A KR1020200136310A KR20200136310A KR20210050462A KR 20210050462 A KR20210050462 A KR 20210050462A KR 1020200136310 A KR1020200136310 A KR 1020200136310A KR 20200136310 A KR20200136310 A KR 20200136310A KR 20210050462 A KR20210050462 A KR 20210050462A
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KR
South Korea
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battery
high voltage
voltage battery
switch
battery cells
Prior art date
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KR1020200136310A
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KR102588963B1 (ko
Inventor
미르코 헤르만
Original Assignee
폭스바겐 악티엔게젤샤프트
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Publication date
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Abstract

본 발명은 양극 단자(24) 및 음극 단자(26)를 구비하는 하우징(20)을 각각 포함하는 서로 전기적으로 접촉되는 복수의 배터리 셀(18)을 구비하는 자동차(2)의 고전압 배터리(12)에 관한 것이다. 각각의 하우징(20)에는, 양극 단자(24)에 전기적으로 접촉되는 제 1 전도체(46) 및 음극 단자(26)에 전기적으로 접촉되는 제 2 전도체(48)가 배치된다. 전도체들(46, 48) 사이에는 복수의 갈바닉 요소(galvanic element)(30)가 전기적으로 직렬로 연결되며, 이 갈바닉 요소는 각각 캐소드(cathode)(34), 애노드(anode)(32) 및 이들 사이에 배치된 세퍼레이터(separator)(36)를 포함하며, 여기서 인접한 갈바닉 요소들(30)은 각각 바이폴라 플레이트(bipolar plate)(40)를 통해 서로 맞닿아 있다. 전도체(46, 48) 중 하나와 해당 단자(24, 26) 사이에는, 하우징(20)의 제어 단자(28)와 전기적으로 접촉되는 제어 입력(52)을 구비하는 원격 작동 스위치(50)가 연결된다. 본 발명은 또한 고전압 배터리(12)를 작동하기 위한 방법(60) 및 고전압 배터리(12)의 배터리 셀(18)에 관한 것이다.

Description

자동차의 고전압 배터리 {HIGH-VOLTAGE BATTERY OF A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 자동차의 고전압 배터리에 관한 것이다. 자동차는 특히 전기 차량이고, 이에 따라 전기적으로 구동된다. 여기서, 고전압 배터리는 특히 자동차의 전기 모터식 드라이브(drive)에 전력을 공급하기 위한 에너지 저장소로서 사용된다. 본 발명은 또한 자동차의 고전압 배터리를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
자동차는 예를 들어 하이브리드 자동차 또는 완전한 전기 차량과 같이 점점 더 전기적으로 설계되고 있고, 이에 따라 고전압 배터리를 포함한다. 이러한 고전압 배터리를 통해, 작동 중에 전기 모터에 전력이 공급되고, 이 전기 모터는 자동차를 구동하기 위해 사용된다. 자동차가 가속되면, 고전압 배터리로부터 비교적 많은 양의 에너지가 취출된다. 고전압 배터리와 전기 모터 사이의 전기 라인의 무게가, 비교적 높은 전류 용량에서 필요한 경우와 같이, 과도하게 증가되지 않도록 하기 위해, 일반적으로 400 V 내지 800 V인 비교적 큰 전기 직류 전압이 고전압 배터리를 통해 제공된다.
따라서, 고전압 배터리는 사전 설정된 전기 전압을 제공하기 위해 적절하게 서로 상호 연결된 특정 개수의 갈바닉 요소(galvanic element)를 포함한다. 사전 설정된 설치 공간에서 비교적 높은 에너지 밀도를 달성하기 위해, 갈바닉 요소로서 일반적으로 리튬-이온 요소가 사용된다. 고전압 배터리의 확장성 및 조립을 가능하게 하기 위해, 갈바닉 요소는 (배터리) 모듈이라고도 지칭되는 서로 구조적으로 동일한 배터리 셀로 분할되며, 각 배터리 셀은 2 개의 단자를 구비하는 폐쇄형 하우징을 각각 포함한다. 특정 전기 전압을 제공하기 위해 서로 적절하게 상호 연결되는 각각의 갈바닉 요소는 여기서 각각의 하우징 내에 배치된다. 갈바닉 요소는 또한 두 개의 단자와 전기적으로 접촉하여, 작동 중에 이들에는 갈바닉 요소를 통해 제공되는 전기 전압이 인가된다.
배터리 셀은 차례로 적절하게 서로 상호 연결되고, 여기서 고전압 배터리에 의해 제공되는 전기 전압은 이러한 상호 연결에 의해 결정된다. 고전압 배터리에 대한 비교적 높은 전력 요구가 가능하고 이 경우 과도한 가열이 방지되도록 하기 위해, 개별 배터리 셀의 상호 연결이 비교적 낮은 저항을 갖는 것이 필요하다. 이를 위해, 이들 사이에 비교적 낮은 접촉 저항이 존재하는 것이 필요하다. 이로 인해, 금속 플레이트가 일반적으로 사용되고, 이 금속 플레이트는 해당 단자에 용접된다.
갈바닉 요소 및 이에 따라 각각의 배터리 셀 중 하나에 결함이 발생하거나 또는 배터리 셀의 다른 결함이 발생하면, 우선 자동차를 정지시키고 금속 플레이트를 분리하고 결함 있는 배터리 셀을 제거하는 것이 필요하다. 따라서, 비교적 많은 노력이 있게 된다. 또한, 배터리 셀의 결함의 인식과 결함 있는 배터리 셀의 제거 사이의 기간 동안에도, 결함 있는 배터리 셀에 의해 다른 배터리 셀이 영향을 받을 수 있으며, 이는 전체 고전압 배터리의 에러 작동으로 이어질 수 있다. 이 경우, 결함 있는 배터리 셀 및 결함 있는 배터리 셀을 둘러싸는 고전압 배터리의 다른 배터리 셀에는 일반적으로 전기 에너지가 여전히 저장되어 있고, 이는 에러 작동이 발생할 경우 손상을 증가시킨다. 따라서 작동 안전성이 감소된다.
본 발명의 목적은 바람직하게는 작동 안전성을 증가시키는, 자동차의 특히 적합한 고전압 배터리 및 자동차의 고전압 배터리를 작동하기 위한 특히 적합한 방법 그리고 또한 고전압 배터리의 특히 적합한 배터리 셀을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 본 발명에 따르면 고전압 배터리와 관련하여 본원의 청구항 제 1 항의 특징에 의해, 방법과 관련하여 청구항 제 6 항의 특징에 의해, 그리고 배터리 셀과 관련하여 청구항 제 10 항의 특징에 의해 달성된다. 유리한 추가 개발예 및 개선예들은 각각의 종속 청구항들의 주제이다.
고전압 배터리는 자동차의 일부이다. 자동차는 여기서 바람직하게는 지상에 기반하고, 바람직하게는 복수의 휠들을 포함하며, 이 복수의 휠들 중 적어도 하나, 바람직하게는 복수 개 또는 전부가 드라이브에 의해 구동된다. 적절하게는, 휠들 중 하나, 바람직하게는 복수 개가 제어 가능하도록 설계된다. 따라서, 특정 도로, 예를 들어 레일 등에 독립적으로 자동차를 이동시키는 것이 가능하다. 이 경우, 유리하게는, 특히 아스팔트, 타르 또는 콘크리트로 제조된 도로에 본질적으로 원하는 대로 자동차를 위치시키는 것이 가능하다. 자동차는 예를 들어 트럭(Lkw) 또는 버스와 같은 상용 차량이다. 그러나, 자동차는 특히 바람직하게는 승용차(Pkw)이다.
자동차는 특히 드라이브를 포함하고, 이 드라이브에 의해 자동차의 이동이 이루어진다. 예를 들어, 드라이브, 특히 메인 드라이브는 적어도 부분적으로 전기적으로 설계되고, 자동차는 예를 들어 전기 차량이다. 따라서, 자동차는 추진을 위해 전기 모터를 포함한다. 전기 모터는 고전압 배터리에 의해 작동된다. 바람직하게는 고전압 배터리와 전기 모터 사이에 전기 컨버터가 배치되며, 이 전기 컨버터에 의해 전기 모터로의 전류 공급이 설정된다. 대안적으로, 드라이브는 내연 기관도 추가적으로 포함하여, 자동차는 하이브리드 자동차로서 설계된다.
고전압 배터리를 통해 유리하게는 전기 직류 전압이 제공되며, 여기서 전기 전압은 예를 들어 200 V 내지 800 V이고, 예를 들어 실질적으로 400 V이다. 고전압 배터리는 복수의 배터리 셀을 포함하는데, 즉, 2 개, 3 개 또는 그 이상의 배터리 셀을 포함하며, 이들은 유리하게는 구조적으로 서로 동일하다. 각각 배터리 모듈, 모듈 또는 셀이라고도 지칭되는 배터리 셀은 바람직하게는 셀 커넥터를 통해 서로 전기적으로 접촉되고, 여기서 셀 커넥터로서 바람직하게는 금속 플레이트가 각각 사용된다. 적절하게는 고전압 배터리는 모든 배터리 셀들이 배치되는 배터리 하우징을 포함하고, 이는 안전성을 향상시킨다. 배터리 하우징은 바람직하게는 금속, 예를 들어 스테인리스강과 같은 강철, 또는 알루미늄 및/또는 다이 캐스팅 공정으로 제조된다. 특히 배터리 하우징은 폐쇄형으로 설계된다. 유리하게는 하우징에는, 고전압 배터리의 단자를 형성하는 인터페이스가 도입된다. 인터페이스는 여기서 배터리 셀과 전기적으로 접촉되므로, 해당 플러그가 단자에 꽂혀 있는 한, 배터리 셀에 전기 에너지를 공급하고 그리고/또는 고전압 배터리 외부에서 배터리 셀로부터 전기 에너지를 취출하는 것이 가능하다. 여기서, 플러그는 바람직하게는 자동차의 전력선의 일부이다. 따라서, 고전압 배터리 및 이에 따라 또한 배터리 셀도 유리하게는 재충전 가능하도록 설계된다.
각각의 배터리 셀은 양극 단자와 음극 단자를 포함하는 하우징을 포함한다. 조립된 상태에서, 단자들에는 임의의 셀 커넥터 중 하나가 각각 전기적으로 접촉되고, 적절하게는 여기에 용접된다. 단자들은 바람직하게는 금속, 예를 들어 구리로 제조되며, 바람직하게는 비교적 낮은 비저항을 갖는다. 하우징의 나머지는 예를 들어 플라스틱 또는 특히 바람직하게는 강철, 특히 스테인리스강과 같은 금속 또는 알루미늄으로 제조된다. 바람직하게는, 제조를 위해 다이 캐스팅 공정이 사용된다. 단자들은 하우징의 다른 구성 요소에 대해 전기적으로 절연되며, 바람직하게는 플라스틱 링 등으로 둘러싸여 있다. 하우징은 유리하게는 이물질이 하우징 내로 침투하는 것을 방지하기 위해 폐쇄된다.
하우징에는 복수의 갈바닉 요소가 배치되어 있고, 여기서 갈바닉 요소 중 하나는 제 1 전도체와 전기적으로 접촉되고, 갈바닉 요소 중 다른 하나는 제 2 전도체와 전기적으로 접촉된다. 제 1 전도체는 양극 단자에 전기적으로 접촉하고, 제 2 전도체는 음극 단자에 전기적으로 접촉된다. 예를 들어, 전도체들은 각각의 갈바닉 요소와 일체형으로 형성되거나 또는 각각의 갈바닉 요소에 의해 형성된다. 이에 대안적으로, 이들은 별도의 구성 요소이거나 또는 각각의 단자 상에 성형되어 이에 따라 이들과 일체형이 된다. 각각의 갈바닉 요소는 캐소드(cathode), 애노드(anode) 및 이들 사이에 배치된 세퍼레이터(separator)를 포함한다. 또한 인접한 갈바닉 요소들은 각각 바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 통해 서로 연결되고, 이를 통해 유리하게는 서로 맞닿는다. 따라서, 캐소드, 세퍼레이터, 애노드 및 바이폴라 플레이트로 이루어진 적층 구조가 형성되고, 여기서 바이폴라 플레이트에는 다음 갈바닉 요소의 캐소드가 적용된다. 따라서, 모든 갈바닉 요소들은 전기적으로 직렬로 연결된다. 특히, 전도체는 갈바닉 요소의 상호 연결의 단부를 형성한다. 상호 연결로 인해, 각각의 갈바닉 요소에 의해 제공되는 전기 전압이 증가한다. 따라서, 각각의 배터리 셀에 의해 제공되는 전기 전압은 갈바닉 요소 중 하나에 의해 제공되는 전기 전압의 배수와 같고, 여기서 배수는 갈바닉 요소의 개수와 같다.
각각의 배터리 셀은 또한, 하우징 내부에 배치되고 전도체들 중 하나와 전도체에 할당된 단자 사이에 전기적으로 연결되는 원격 작동 스위치를 포함한다. 원격 작동 스위치는 제어 입력을 포함하고, 여기서 제어 입력에 인가되는 전위에 따라 스위치의 스위칭 상태가 설정된다. 예를 들어 스위치는 릴레이 또는 접촉기와 같은 기계식 스위치이다. 스위치는 특히 바람직하게는 MOSFET, IGBT 또는 GTO와 같은 반도체 스위치이다. 제어 입력은 하우징의 제어 단자와 전기적으로 접촉된다. 제어 입력은 유리하게는 제 1/제 2 단자와 동일한 방식으로 설계되고 그리고/또는 바람직하게는 플라스틱 링으로 둘러싸여 있으므로, 하우징의 다른 구성 요소로부터 전기적으로 절연된다. 따라서, 즉, 상응하는 전기 전압/전위가 제어 단자에 인가됨으로써, 하우징 외부로부터 원격 작동 스위치를 작동하는 것이 가능하다. 예를 들어, 제어 입력은 오직 단일 단자에 의해서만 형성되므로, 따라서 제어 단자는 오직 단일 단자만을 포함한다. 이러한 경우, 특히, 가능하게는 할당된 단자 또는 할당된 전도체에 인가되는 전위는 스위치를 제어하기 위한 기준 전위로서 사용된다. 이에 대안적으로, 제어 입력뿐만 아니라 제어 단자도 각각 2 개의 단자를 포함하고, 여기서 단자들 중 하나를 통해 각각의 기준 전위가 제공된다.
원격 작동 스위치가 존재하기 때문에, 배터리 셀 외부에서 갈바닉 요소를 각각의 단자로부터 전기적으로 분리하는 것이 가능하므로, 두 개의 단자 사이에는 더 이상 전기 전위차가 인가되지 않는다. 따라서, 배터리 셀 중 하나를 고전압 배터리의 나머지 배터리 셀로부터 분리하여, 이 배터리 셀이 더 이상 고전압 배터리를 작동하는데 사용되지 않을 수 있다. 다른 말로 하면, 배터리 셀 중 하나를 스위칭 오프하는 것이 가능하다. 여기서, 특히, 자동차가 작동 중일 때 결함 있는 배터리 셀을 다른 배터리 셀과 분리하는 것이 가능하므로, 용량은 감소되더라도, 고전압 배터리의 안전한 작동이 여전히 또한 가능하다. 하우징에서 갈바닉 요소는 전기적으로 직렬로 연결되므로, 비교적 큰 전기 전압을 스위칭하는 것이 요구된다. 그러나, 이 경우, 이하 특히 단지 스위치로도 지칭되는 원격 작동 스위치에 의해, 전달되는 전류는 비교적 낮으므로, 이를 위해 비교적 저렴한 부품이 사용될 수 있다. 스위치가 배터리 셀의 하우징 내부에도 또한 존재하기 때문에, 고전압 배터리의 다른 구성 요소는 하우징에 의해 이로부터 분리되고, 이에 따라 절연된다. 따라서, 만일 스위치가 고장 나고 그리고/또는 스위칭 동작으로 인해 아크가 퍼지는 경우, 손상이 방지될 수 있다. 또한, 스위치에 의해 셀 커넥터는 영향을 받지 않으므로, 이로 인해 인접 배터리 셀의 단자는 상대적으로 낮은 저항으로 연결될 수 있고, 이는 고전압 배터리의 효율을 높일 수 있다.
예를 들어, 제어 단자에 신호, 특히 전기 전압이 인가되지 않으면, 스위치는 폐쇄된다. 그러나, 특히 바람직하게는, 스위치는, 제어 단자에 신호, 특히 전기 전압 또는 전위가 인가되지 않으면, 개방된다. 따라서, 예를 들어 이와 연결된 전기 라인의 단선으로 인해, 제어 단자가 잘못 활성화된 경우, 각각의 배터리 셀은 고전압 배터리의 다른 배터리 셀로부터 분리되고, 이로 인해 안전성이 향상된다. 예를 들어 고전압 배터리는 오직 이러한 유형의 배터리 셀만을 포함한다. 이에 대안적으로, 고전압 배터리는 다른 배터리 셀들도 또한 포함하고, 여기서 이들 배터리 셀들은 원격 스위치를 포함하지 않는다. 특히, 고전압 배터리는 배터리 셀에 의해 형성되며, 여기서 모든 배터리 셀들은 유리하게는 각각 스위치를 포함한다. 이에 대안적으로, 고전압 배터리는 또한 배터리 관리 시스템과 같은 추가 구성 요소도 포함하고, 이 배터리 관리 시스템에 의해 개별 배터리 셀의 충전 및 방전이 설정되고 그리고/또는 모니터링된다. 여기서, 배터리 관리 시스템(BMS)이 존재한다면 가능하게는 배터리 하우징 내에 배치되는 것이 바람직하다.
갈바닉 요소는 바람직하게는 또한 전해질을 포함하고, 여기서 인접한 갈바닉 요소의 전해질은 적절하게는 각각의 바이폴라 플레이트에 의해 서로 분리된다. 예를 들어, 전해질은 액체 또는 겔 유형의 전해질이다. 적절하게는, 갈바닉 요소는 리튬-이온 어큐뮬레이터이고, 이는 사전 설정된 무게에 대해 에너지 밀도를 증가시킨다. 특히, 세퍼레이터는 폴리올레핀 막으로 제조된다. 예를 들어, 바이폴라 플레이트는 알루미늄으로 제조되고, 여기서 관련 갈바닉 요소를 향하는 측면 중 하나는 니켈로 코팅된다. 이에 대안적으로, 바이폴라 플레이트는 특히, 추가 부품에 도포되거나 또는 바이폴라 플레이트를 형성하는 니켈 포일을 포함한다. 다른 대안으로서, 바이폴라 플레이트는 순수 구리 또는 니켈로 이루어진다.
적절하게는, 각각의 갈바닉 요소는 플라스틱 프레임(plastic frame)을 포함하거나, 또는 적어도 이러한 플라스틱 프레임이 갈바닉 요소 각각에 할당된다. 플라스틱 프레임은 적절하게는 본질적으로 직사각형이며, 예를 들어 플라스틱 프레임은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리아미드(PA), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티롤 공중합체(ABS), 폴리락타이드(PLA), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리페닐렌 에테르(PPE), 폴리에테르 이미드(PEI), 폴리 에테르 에테르 케톤(PPEK), 폴리에테르 설폰(PES), 폴리벤조이미다졸(PBI), 나일론 또는 복합재로 제조된다.
예를 들어, 애노드는 플라스틱 프레임에 의해 둘러싸여 있도록 플라스틱 프레임에 의해 수용된다. 그러나, 특히 바람직하게는, 각각의 캐소드는 플라스틱 프레임에 의해 수용되고, 따라서 플라스틱 프레임은 원주 상에서 캐소드를 둘러싼다. 유리하게는 여기서 캐소드는 플라스틱 프레임 너머로 돌출되지 않으므로, 따라서 이와 같은 높이로 종료된다. 또한, 각각의 세퍼레이터는 단부 측에서 각각의 플라스틱 프레임 상에 부착된다. 따라서, 또한 캐소드의 부착 및 도입이 용이하게 된다. 적절하게는, 세퍼레이터 반대편에서 플라스틱 프레임은 바이폴라 플레이트에 의해 폐쇄되므로, 캐소드 또는 애노드가 플라스틱 프레임 내부에 단단히 유지된다. 애노드는 바람직하게는 또한 세퍼레이터에 연결된다. 따라서, 개별 갈바닉 요소를 각각의 모듈로서 제공하여, 이에 의해 조립 및 그 제조를 용이하게 하는 것이 가능하다. 적절하게는, 각각의 플라스틱 프레임은 래크(rack)에 연결되며, 예를 들어 래크의 대응하는 리셉터클 내에 그리고/또는 래크의 대응하는 리셉터클 상에 부착된다. 래크에 의해, 플라스틱 프레임 및 이에 따라 완전한 갈바닉 요소의 안정화가 이루어진다. 특히 바람직하게는, 여기서, 개별 플라스틱 프레임 사이에 그리고 래크에 의해 별도의 공간이 생성되고, 이 별도의 공간들은 각각 할당된 갈바닉 요소의 상응하는 전해질로 각각 채워진다. 특히, 여기서, 공간들은 래크 및 플라스틱 프레임을 통해 서로 단절되어, 전해질이 인접한 갈바닉 요소로 전달되는 것이 방지된다. 따라서, 작동 안전성이 향상된다.
예를 들어 스위치는 제 2 전도체와 음극 단자 사이에 도입된다. 그러나, 특히 바람직하게는, 스위치는 제 1 전도체와 양극 단자 사이에 연결되고, 이에 따라 이들 사이에 도입된다. 그 결과, 배터리 셀의 양극 전위를 고전압 배터리로부터 분리하는 것이 가능하다. 적절하게는, 여기서 음극 단자는 전기적으로 접지에 대해 안내되므로, 스위치의 상태에 관계없이, 각 배터리 셀에 대해 전기 기준 전위, 즉 접지가 계속 존재한다.
예를 들어 단자 하나의 스위치만이 존재한다. 그러나, 특히 바람직하게는, 각각의 배터리 셀은 예를 들어 원격 작동 스위치와 구조적으로 동일하거나 또는 이것과 상이한 추가 원격 작동 스위치를 포함한다. 추가 원격 작동 스위치는 적절하게는 MOSFET, IGBT 또는 GTO이며, 추가 제어 입력을 포함한다. 스위치가 양극 단자와 제 1 전도체 사이에 연결될 때, 추가 원격 작동 스위치는 음극 단자와 제 2 전도체 사이에 연결된다. 따라서, 스위치 및 추가 스위치를 작동함으로써 각 배터리 셀의 모든 갈바닉 요소들을 단자로부터 전기적으로 분리하는 것이 가능하므로, 이러한 배터리 셀의 단자에는 전기 전압이 인가되지 않거나, 또는 이것은 적어도 이러한 배터리 셀의 갈바닉 요소에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, 스위치가 개방되어 있는 배터리 셀의 모든 갈바닉 요소는 고전압 배터리 및/또는 자동차의 다른 구성 요소와 분리되고, 이로 인해 안전성이 향상된다.
예를 들어, 추가 스위치의 제어 입력은 하우징의 추가 제어 단자에 전기적으로 접촉되고, 여기서 추가 제어 단자는 바람직하게는 제어 단자와 구조적으로 동일하다. 따라서, 스위치 및 추가 스위치를 서로 분리하여 작동하는 것이 가능하다. 그러나, 특히 바람직하게는, 추가 제어 입력은 하우징의 (단일의) 제어 단자에 전기적으로 접촉된다. 따라서, 제어 단자에 신호가 인가되면, 스위치뿐만 아니라 추가 스위치도 작동되고, 이로 인해 배터리 셀의 스위칭 오프가 비교적 간단하고, 비교적 안전한 상태로 이어진다.
예를 들어, 배터리 셀은 서로 전기적으로 직렬로 연결되거나, 또는 배터리 셀 중 적어도 일부는 서로 전기적으로 직렬로 연결된다. 그러나, 특히 바람직하게는, 배터리 셀은 서로 전기적으로 병렬로 연결된다. 따라서, 스위치 중 하나가 개방되면, 오직 이 배터리 셀만이 고전압 배터리의 다른 구성 요소로부터 분리되고(스위칭 오프되고), 고전압 배터리에 인가되는 전기 전압은 영향을 받지 않는다. 배터리 셀의 용량은, 즉 스위칭 오프된 배터리 셀이 제공하는 양만큼만 감소된다. 따라서, 고전압 배터리는, 하나 이상의 배터리 셀에서 스위치가 개방되어 있는 경우에도, 작동할 수 있다. 바람직하게는, 각각의 배터리 셀에 의해 400 V 내지 800 V의 전기 직류 전압이 제공된다. 특히, 이를 위해, 각각의 배터리 셀은 전기적으로 직렬로 연결된 상응하는 개수의 갈바닉 요소를 포함한다. 이 경우, 각 배터리 셀의 모든 갈바닉 요소는 바람직하게는 서로 전기적으로 직렬로 연결된다. 따라서, 각각의 배터리 셀에 의해 비교적 큰 전기 전압이 제공되는 것이 가능하다. 이에 대안적으로, 각 배터리 셀은 복수의 스트랜드 등을 포함하고, 여기서 각각의 스트랜드에서 갈바닉 요소는 서로 전기적으로 직렬로 연결되고, 여기서 개별 스트랜드는 두 개의 전도체 사이에서 서로 전기적으로 병렬로 연결된다.
본 방법은 자동차의 고전압 배터리를 작동하는데 사용된다. 예를 들어 자동차는 지상 기반 자동차이며, 유리하게는 다중 차선용으로 설계된다. 자동차는 예를 들어 상용 차량(Nkw)이다. 그러나, 자동차는 특히 바람직하게는 승용차(Pkw)이다. 이에 대안적으로, 자동차는 예를 들어 단일 차선용이고, 예를 들어 오토바이이다. 자동차는 유리하게는 특히 컨버터를 통해, 고전압 배터리에 전기적으로 연결되는 전기 드라이브를 포함한다. 따라서, 드라이브에는 고전압 배터리를 통해 전류가 공급된다. 특히 드라이브가 발전기로 작동하는 경우, 이러한 방식으로 고전압 배터리에 에너지가 공급될 수도 있다. 드라이브는 특히 자동차의 임의의 휠에 작용한다. 예를 들어, 드라이브는 하나의 전기 모터 또는 복수의 전기 모터에 의해 형성된다. 이에 대안적으로, 드라이브는 전기 모터들 또는 전기 모터를 지원하는 내연 기관을 추가로 포함한다.
고전압 배터리는 전기적으로 서로 접촉되는 복수의 배터리 셀을 포함하고, 여기서 각각의 배터리 셀은 양극 단자 및 음극 단자를 구비하고 있는 하우징을 각각 포함한다. 각각의 하우징에는, 양극 단자에 전기적으로 접촉되는 제 1 전도체 및 음극 단자에 전기적으로 접촉되는 제 2 전도체가 배치되어 있다. 전도체들 사이에는 복수의 갈바닉 요소가 전기적으로 직렬로 연결되며, 이 갈바닉 요소는 각각 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 배치되는 세퍼레이터를 포함하고, 여기서 인접한 갈바닉 요소는 각각 바이폴라 플레이트를 통해 서로 맞닿아 있다. 전도체 중 하나와 해당 단자 사이에는, 하우징의 제어 단자와 전기적으로 접촉되는 제어 입력을 구비하는 원격 작동 스위치가 연결되어 있다.
본 방법은 조건이 존재하는지 여부가 검사되는 것을 제공한다. 조건이 존재하면, 배터리 셀의 스위치 중 하나가 개방된다. 이를 위해, 특히 대응하는 신호가 제어 단자에 인가되어, 각각의 스위치가 개방된다. 따라서, 본 방법으로 인해, 고전압 배터리의 개별 배터리 셀을 고전압 배터리 및 이에 따라 자동차의 다른 구성 요소로부터 분리하는 것이 가능하다. 그러나, 스위치가 개방되면, 적어도 고전압 배터리의 전기 전압 및/또는 그의 용량이 제한된다. 따라서, 용어 "(단절) 분리"라 함은 특히 해당 배터리 셀의 각각의 갈바닉 요소를 자동차의 다른 구성 요소로부터 단절시키는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 여기서 배터리 셀 외부에 존재하는 연결은 유리하게는 변경되지 않은 상태로 유지된다. 조건이 존재하면, 예를 들어 고전압 배터리의 하나, 복수 개 또는 모든 스위치가 작동되고, 여기서 스위치가 각각 개방되는 경우 배터리 셀 중 하나가 고전압 배터리의 다른 구성 요소로부터 각각 분리된다. 특히, 배터리 셀들은 서로 다른 그룹을 형성하도록 결합되어, 고전압 배터리의 세분화가 이루어진다. 여기서 특히 각 그룹에 별도의 조건이 각각 할당되고, 상이한 조건들의 존재 여부가 검사된다. 조건들 중 하나가 존재하면, 각각 할당된 배터리 셀의 그룹은, 그의 해당 스위치를 작동함으로써, 분리된다.
적절하게는, 고전압 배터리는 제어 유닛을 포함하고, 이 제어 유닛에 의해 본 방법은 적어도 부분적으로 수행된다. 따라서, 제어 유닛은 본 방법을 적어도 부분적으로 수행하도록 적합하고, 특히 제공되고 그리고 설정된다. 제어 유닛은 적절하게는 예를 들어 프로그래밍 가능하도록 설계된 마이크로프로세서를 포함한다. 이에 대안적으로 또는 이와 조합되어, 제어 유닛은 주문형 회로(ASIC)를 포함한다. 예를 들어, 제어 유닛을 통해 조건의 검출이 수행된다. 특히, 여기서, 자동차의 임의의 버스 시스템을 통해, 조건이 존재하는지 여부가 판독된다. 이를 위해, 고전압 배터리, 적절하게는 제어 유닛은 버스 시스템에 신호 기술적으로 연결된다.
예를 들어 조건으로서 조립의 수행이 사용된다. 다른 말로 하면, 하나 이상의 배터리 셀이 고전압 배터리를 형성하기 위해 연결되는 경우, 적어도 하나의 스위치가 개방된다. 각각의 배터리 셀이 처음으로 충전 및/또는 방전된 후에, 스위치가 폐쇄될 때 각각의 단자에 전위가 인가되며, 이 전위는 조립을 수행하는 사람에게 안전 위험을 나타낸다. 자동차의 주변 또는 다른 구성 요소가 단자들과 전기적으로 접촉하고 그리고/또는 이들을 브리징하는 것도 가능하다. 스위치의 작동, 즉 스위치의 개방으로 인해, 이러한 위험이 감소된다. 특히, 이 경우, 고전압 배터리의 모든 스위치가 개방되어, 전체 고전압 배터리에 전기 전압이 인가되지 않는다. 따라서, 배터리 셀과 셀 커넥터가 부주의하게 또는 부적절하게 배치된 경우에도, 손상이 방지된다. 또한, 더 이상 부품이 배터리 셀의 단자들 중 하나와 전기적으로 접촉하지 않도록 보장할 필요가 없기 때문에, 조립이 더 용이해진다.
대안적으로 또는 이에 조합되어, 조건으로서, 고전압 배터리의 유지 보수가 사용되는데, 즉 예를 들어 전해질이 재충전되거나 또는 배터리 셀이 손상되었는지 시각적으로 검사되는 경우에 사용된다. 예를 들어, 유지 보수 중에는, 유지 보수가 이루어지는 해당 배터리 셀의 스위치만이 개방된다. 그러나, 특히 바람직하게는, 모든 스위치가 개방되어, 모든 배터리 셀이 분리되고, 이에 따라 고전압 배터리에 의해 전기 전압이 제공되지 않는다. 배터리 셀들의 단자들 사이에 전기 전압이 인가되기 때문에, 유지 보수가 간단해진다.
이에 대안적으로, 조건으로서, 배터리 셀들 중 하나의 오작동이 사용된다. 이 경우, 본 방법은 특히 예를 들어 대응하는 센서를 통해 오작동이 우선 검출되도록 제공한다. 오작동은 예를 들어 기계적 손상 및/또는 전기적 과부하로 인해 발생한다. 오작동은 예를 들어 특히 갈바닉 요소의 내부 에러 작동으로 인한 배터리 셀의 단락일 수 있다. 대안적으로, 또한 이물질로 인해 단락이 발생한다.
예를 들어 오작동이 검출되면, 해당 배터리 셀은 스위치를 개방함으로써 고전압 배터리 및 이에 따라 자동차의 다른 구성 요소로부터 직접 단절된다. 그러나, 특히 바람직하게는, 모든 나머지 배터리 셀이 각각의 스위치를 개방함으로써 먼저 단절되어, 고전압 배터리로부터 에너지가 취출될 때 오작동을 나타내는 배터리 셀이 먼저 방전된다. 자동차가 움직이고 이를 위해 전기 모터가 사용되는 경우, 이에 따라 전기 모터는, 에러 있는 배터리 셀이 방전될 때까지, 우선 이 에러 있는 배터리 셀에 의해 전력이 공급된다. 그 후, 에러 있는 배터리 셀의 스위치는 개방되고, 나머지 배터리 셀들의 스위치는 폐쇄되어, 자동차가 간섭 없이 계속 작동할 수 있게 된다. 자동차의 후속 추가 작동에서, 에러 있는 배터리 셀의 스위치는 유리하게는 작업장에서 고전압 배터리를 검사할 때까지 개방된 상태로 유지된다. 여기서 예를 들어 에러 있는 배터리 셀은 교체된다.
자동차가 움직이지 않거나, 또는 예를 들어 전기 모터가 작동하는 동안 발전기에 의해 전기 에너지가 고전압 배터리로 다시 공급될 수 있는 경우, 적절하게는, 저장된 전기 에너지를 인출하기 위한 요청이 고전압 배터리에 의해 전송되어, 바람직하게는 자동차의 임의의 버스 시스템에 공급된다. 적절하게는, 후속적으로, 이러한 요청에 따라, 자동차의 보조 유닛이 작동되는데, 예를 들어 좌석 히터와 같은 히터 또는 앞유리 히터 또는 뒷유리 히터와 같은 유리 히터가 작동된다. 대안적으로 또는 조합되어, 전기 에어컨 시스템 또는 외부 거울이 작동된다. 따라서, 에러 있는 배터리 셀에 저장된 전기 에너지는 사용자의 요청을 충족하는데 사용되지 않는다. 그러나, 방전으로 인해, 열 장애를 유발할 수 있는 배터리 셀 및 이에 따라 고전압 배터리의 후속 과부하가 방지된다. 여기서도 또한 배터리 셀이 방전되거나 또는 그 안에 저장된 전기 에너지가 한계값 이하로 떨어지면, 스위치가 개방되고, 스위치는 작업장 등에 의한 유지 보수 또는 교체가 이루어질 때까지 유리하게는 개방된 상태로 유지된다.
예를 들어, 오작동을 나타내는 배터리 셀만이 스위치를 통해 단절되는데, 특히 배터리 셀의 방전이 이루어진 후에 단절된다. 그러나, 특히 바람직하게는, 추가적으로 또한 각각의 배터리 셀을 둘러싸고 있는 인접한 배터리 셀들도, 그들의 각각의 스위치를 개방함으로써, 단절된다. 바람직하게는 이 경우에도 이러한 배터리 셀들이 마찬가지로 먼저 방전되고, 그 후 각 스위치가 작동된다. 이에 따라, 둘러싸는 배터리 셀들에 의해, 오작동을 나타내는 배터리 셀과 고전압 배터리를 작동하는데 사용되는 다른 배터리 셀 간의 거리가 생성된다. 따라서, 아직 사용 중인 배터리 셀을 통해 그리고 그 반대로 추가로 스위칭 오프된 배터리 셀에 의해 에러 있는 배터리 셀이 가열되는 것이 방지되고, 이는 안전성을 향상시킨다.
대안적으로 또는 이에 조합되어, 조건으로서, 고전압 배터리의 온도가 한계값보다 낮은 것이 사용된다. 따라서, 본 방법을 위해 우선 고전압 배터리의 온도가 측정되고, 이를 위해 유리하게는 상응하는 센서가 사용된다. 이에 대안적으로, 자동차의 임의의 버스 시스템을 통해 고전압 배터리의 온도가 문의된다. 또 다른 대안으로서, 고전압 배터리의 온도는 주변 온도에 기초하여 도출되고, 여기서 주변 온도는 바람직하게는 버스 시스템을 통해 문의된다. 그런 다음 온도가 한계값보다 낮으면, 스위치 중 하나, 바람직하게는 고전압 배터리의 복수의 스위치가 개방되고, 여기서 스위치 중 적어도 하나는 폐쇄된 상태로 유지된다. 한계값은 예를 들어 10 ℃, 0 ℃, -5 ℃ 또는 -10 ℃이다. 특히, 예를 들어 1 시간, 2 시간, 5 시간 또는 10 시간과 같은 특정 시간 동안 자동차가 정지되어 있는 경우, 자동차의 시동 시 온도는 한계값 아래로 떨어진다. 일 대안적으로, 계절이 겨울이고 자동차가 특정 기간 동안 정지되어 있을 때, 온도가 한계값 아래로 떨어지는 것으로 가정한다.
예를 들어 여기서 모든 스위치의 1/4, 1/2 또는 3/4가 개방되어 있고, 여기서 나머지는 폐쇄된 상태로 유지되므로, 배터리 셀의 3/4, 1/2 또는 1/4로부터만 에너지의 취출이 이루어진다. 여기서 에너지가 취출된 배터리 셀은 열이 가해져서, 고전압 배터리의 온도가 상승한다. 여기서, 에너지가 취출되는 배터리 셀의 효율은 낮은 온도 및 강한 에너지 취출로 인해 비교적 낮다. 그런 다음 고전압 배터리의 온도가 한계값을 초과하면, 모든 스위치가 폐쇄되므로, 이로 인해 모든 배터리 셀로부터 에너지 취출이 이루어진다. 이제 모든 배터리 셀의 온도가 한계값보다 높기 때문에, 에너지 취출은 비교적 효율적이다. 또한, 이제 모든 배터리 셀이 에너지 취출을 위해 사용될 수 있으므로, 효율성도 증가한다.
예를 들어, 고전압 배터리의 온도가 한계값보다 낮을 때, 항상 동일한 스위치는 개방되고, 동일한 스위치는 폐쇄된 상태로 유지된다. 그러나, 특히 바람직하게는, 개방될 스위치를 선택할 때 스위치의 사전 작동이 고려된다. 여기서, 특히, 이전에 조건이 존재했을 때, 즉 온도가 이전에 한계값 아래로 떨어졌을 때 개방되었던 스위치는 개방되지 않는다. 따라서, 제 1 에너지 취출에 사용된 배터리 셀 또는 적어도, 온도가 한계값보다 낮을 때, 에너지 취출에 사용된 배터리 셀은 연속적인 변경이 이루어지므로, 이로 인해 일부 배터리 셀에서만 과도한 마모가 발생하는 것이 방지된다. 오히려, 균형 잡힌 부하가 수행되고, 이로 인해 고전압 배터리의 수명이 증가된다.
본 발명은 또한 특히 위에서 언급된 방법에 따라 작동되는 이러한 유형의 고전압 배터리를 구비하는 자동차에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이러한 유형의 고전압 배터리의 배터리 셀에 관한 것이다. 따라서, 배터리 셀은 양극 단자 및 음극 단자를 구비하는 하우징을 포함하고, 여기서 하우징 내에는, 양극 단자에 전기적으로 접촉되는 제 1 전도체, 및 음극 단자에 전기적으로 접촉되는 제 2 전도체가 배치되며, 이들 전도체들 사이에는 복수의 갈바닉 요소가 전기적으로 직렬로 연결되며, 이 갈바닉 요소들은 각각 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 배치된 세퍼레이터를 포함하고, 여기서 인접한 배터리 셀들은 바이폴라 플레이트를 통해 각각 서로 맞닿아 있고, 여기서 전도체 중 하나와 해당 단자 사이에는, 하우징의 제어 단자와 전기적으로 접촉되는 제어 입력을 구비하는 원격 작동 스위치가 연결된다. 하우징은 바람직하게는 적어도 부분적으로 금속으로 제조되며, 여기서 단자들, 따라서 또한 제어 단자는 하우징의 추가 구성 요소에 대해 전기적으로 절연된다.
고전압 배터리와 관련하여 설명된 장점들 및 추가 개발들은 유사하게 방법/자동차/셀에도 그리고 서로에 대해서도 적용될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
이하에서는, 본 발명의 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 복수의 배터리 셀을 구비하는 고전압 배터리를 포함하는 자동차를 개략적으로 단순화하여 도시한다.
도 2는 복수의 갈바닉 요소를 포함하는 배터리 셀 중 하나를 단면도로 개략적으로 도시한다.
도 3은 갈바닉 요소 중 하나를 단순화하여 사시도로 도시한다.
도 4 및 도 5는 각각 도 2에 따른 배터리 셀의 추가 실시예를 도시한다.
도 6은 고전압 배터리를 작동하기 위한 방법을 나타낸다.
도 7 내지 도 9는 각각 상이한 상태에서 고전압 배터리를 개략적으로 단순화하여 도시한다.
서로 대응하는 부분들에는 모든 도면에서 동일한 참조 기호가 제공된다.
도 1에는 승용차(Pkw) 형태의 자동차(2)가 개략적으로 단순화된 방식으로 도시되어 있다. 자동차는 전기 모터(8)를 포함하는 드라이브(6)에 의해 적어도 일부가 구동되는 복수의 휠(4)을 포함한다. 전기 모터(8)만이 존재하는 경우, 자동차(2)는 전기 차량으로서 설계된다. 더 상세하게 도시되지 않은 일 변형예에서는, 내연 기관이 추가적으로 존재하므로, 자동차(2)는 하이브리드 차량이다. 전기 모터(8)는 컨버터(10)를 통해 고전압 배터리(12)에 전기적으로 연결되어, 전기 모터(8)는 고전압 배터리(10)에 의해 공급되는 컨버터(10)를 통해 전류를 공급 받는다. 전기 모터(8)가 자동차(2)의 제동에 의해 발전기로 작동되면, 이 경우 전기 에너지는 전기 모터(8) 및 컨버터(10)에 의해 고전압 배터리(12)로 공급된다.
고전압 배터리(12)는 금속, 즉, 스테인리스강으로 제조된 배터리 하우징(14)을 포함하고, 여기서 그 일 측에는 전기 모터(8)가 연결되는 인터페이스(16)가 도입된다. 대안적으로, 배터리 하우징(14)은 아연 도금된 판금 또는 다른 아연 도금된 재료로 제조되며, 여기서 바람직하게는 아연 층에 페인트가 도포되어, 배터리 하우징(14)은 페인팅된다. 고전압 배터리(12)에 의해, 인터페이스(16)에 400 V 레벨의 전기 직류 전압이 제공된다. 고전압 배터리(10)의 배터리 하우징(14) 내부에는 서로 동일한 복수의 배터리 셀(18)이 배치된다. 배터리 셀(18)은 마찬가지로 배터리 하우징(14)에 배치되는 배터리 관리 시스템(더 자세히 도시되지 않음)에 연결된다. 인터페이스(16)에 대한 배터리 셀(18)의 전기적 연결은 배터리 관리 시스템을 통해 이루어지며, 따라서 배터리 관리 시스템은 인터페이스(16)에 전기적으로 연결된다. 배터리 셀(18)은 전기적으로 서로 병렬로 연결되고, 각각의 배터리 셀(18)에 의해, 인터페이스(16)에 인가되는 전기 전압, 즉 400 V가 제공된다. 따라서, 인터페이스(16)에 인가되는 전기 전압은 배터리 셀(18)의 개수와 무관하다. 그러나, 고전압 배터리(12)의 용량은 배터리 하우징(14)에 배치된 배터리 셀(18)의 개수에 의해 결정된다.
도 2에는, 서로 동일한 배터리 셀(18) 중 하나가 단면도로 개략적으로 단순화되어 도시되어 있다. 배터리 셀(18)은 알루미늄으로 제조된 하우징 베이스 본체(22)를 구비하는 하우징(20)을 포함한다. 여기서, 예를 들어, 견고한 하우징 베이스 본체(22)는 알루미늄으로 제조된다. 대안적으로, 이를 위해 알루미늄 복합 포일이 사용되며, 이 알루미늄 복합 포일은 하나 이상의 상이한 플라스틱이 일 측면 또는 양 측면에 코팅되어 있는 알루미늄 포일을 포함한다. 하우징 베이스 본체(22)는 예를 들어 소위 프리즘 셀 또는 "캔 셀(Can Cell)"이다. 대안적으로, 하우징 베이스 본체(22)는 파우치 셀로서 설계된다.
추가의 변형예에서, 하우징 베이스 본체(22)는 다이 캐스팅 공정으로 스테인리스강으로 제조된다.
하우징 베이스 본체(22)는 본질적으로 입방체 형상이다. 하우징(20)은 또한 양극 단자(24), 음극 단자(26) 및 제어 단자(28)를 포함하며, 이들은 구리로 제조되고, 하우징 베이스 본체(22)로 도입된다. 다른 대안에서, 양극 단자(24)는 알루미늄으로 제조되고, 음극 단자(26)는 순수 구리 또는 니켈 도금된 구리로 제조된다. 하우징 베이스 본체(22)와 단자들(24, 26, 28) 사이에는 상세하게 도시되지 않는 절연 링이 각각 배치되어, 하우징 베이스 본체(22)를 통한 단자들(24, 26, 28) 사이의 전기적 단락이 방지된다. 고전압 배터리(12)의 배터리 셀(18)의 모든 양극 단자들(24)은 조립된 상태에서 전기적 병렬 연결을 제공하기 위해 상세하게 도시되지 않는 셀 커넥터에 의해 서로 전기적으로 접촉된다. 마찬가지로, 배터리 셀(18)의 모든 음극 단자들(26)은 전기적 병렬 연결을 제공하기 위한 공통 셀 커넥터에 의해 전기적으로 연결된다. 셀 연결은 각각 금속 플레이트에 의해 제공되고, 해당 단자(24, 26)에 용접되어, 개별 배터리 셀(18) 사이에 비교적 낮은 전기적 접촉 저항이 존재한다.
하우징(20) 내부에는 복수의 갈바닉 요소(30)가 배치되고, 이들 중 5 개가 도 2에 도시되어 있다. 각각의 갈바닉 요소(30)는 리튬-이온 어큐뮬레이터이고, 대응하는 애노드(32) 및 캐소드(34)를 포함한다. 각각의 애노드(32)와 각각의 캐소드(34) 사이에는, 폴리올레핀 막에 의해 제공되는 세퍼레이터(36)가 배치된다. 또한, 각각의 갈바닉 요소(30)에는, 본질적으로 직사각형으로 구성되고 폴리에틸렌(PE)으로 제조된 플라스틱 프레임(38)이 할당되어 있다. 도 3에서 갈바닉 요소(30) 중 하나의 투명한 사시도 표현으로 도시된 바와 같이, 각각의 플라스틱 프레임(38)에 의해, 각각 할당된 캐소드(34)가 수용된다. 이 경우, 플라스틱 프레임(38)은 할당된 캐소드(34)를 원주 측에서 둘러싸고, 캐소드(34)는 플라스틱 프레임(38)을 넘어 돌출되지 않는다. 세퍼레이터(36)는 캐소드(34)가 플라스틱 프레임(38) 내에서 안정화되도록 플라스틱 프레임(38)에 부착된다. 차례로 세퍼레이터(36)에는 각각의 애노드(32)가 부착된다. 세퍼레이터(36)의 반대편에 있는 플라스틱 프레임(38)의 측면에서, 바이폴라 플레이트(40)가 플라스틱 프레임(38)에 부착된다. 바이폴라 플레이트(40)는 일 측면이 니켈로 코팅된 알루미늄 플레이트로 제조된다. 대안적으로, 바이폴라 플레이트(40)는 순수한 구리 또는 니켈로 제조된다.
각각 할당된 플라스틱 프레임(38)을 갖는 갈바닉 요소(30)는 구조적 유닛으로서 그리고 이에 따라 모듈로서 제조되고, 배터리 셀(18)을 조립하기 위해 래크(42) 내로 밀어 넣어져 여기에 부착된다. 여기서, 인접한 갈바닉 요소들(30)은 각각 할당된 바이폴라 플레이트(40)를 통해 서로 맞닿아 있다. 따라서 모든 갈바닉 요소들(30)은 전기적으로 직렬로 연결된다. 래크(42)는 플라스틱 프레임(38)과 동일한 플라스틱으로 제조되며, 래크(42)에 의해 플라스틱 프레임(38)은 원주 방향으로 완전히 둘러싸이므로, 개별 플라스틱 프레임(38) 사이에는 서로 분리된 챔버(44)가 각각 형성된다. 챔버(44)는 상세히 도시되지 않은 전해질로 채워져 있고, 여기서 플라스틱 프레임(38)에 의해 인접한 챔버들(44) 사이의 전해질의 전달이 방지된다. 여기서 플라스틱 프레임(38) 및 래크(42)는 사용된 전해질에 대해 불활성이다. 구조로 인해, 배터리 셀(18)은 특히 바이폴라 스택 셀(stack cell)로도 또한 지칭된다.
갈바닉 요소(30)의 전기적 직렬 연결의 일 단부와 제 1 전도체(46)가 전기적으로 접촉되고, 나머지 단부와는 제 2 전도체(48)가 전기적으로 접촉된다. 따라서, 2 개의 전도체(46, 48) 사이에서 갈바닉 요소들(30)은 전기적으로 직렬로 연결된다. 제 2 전도체(48)는 음극 단자(26)와 직접 전기적으로 접촉된다. 제 1 전도체(46)는, 원격 작동되고 제어 입력(52)을 포함하는 스위치(50)를 통해 양극 단자(24)와 전기적으로 접촉된다. 요약하면, 제 1 전도체(46)와 양극 단자(24) 사이에 스위치(50)가 연결된다. 스위치(50)로서, MOSFET 형태의 전력 반도체 스위치가 사용된다.
스위치(50)의 제어 입력(52)은 하우징(20)의 제어 단자(28)와 전기적으로 접촉된다. 제어 단자(28)에 인가되는 전위에 따라 스위치(50)는 작동되므로, 제 1 전도체(46)로부터 양극 단자(24)로의 전류 흐름이 설정될 수 있다. 이 경우, 스위치(50)에 의해 스위칭되는 전류 흐름은 비교적 적지만, 그러나 전기 전압은 고전압 배터리(12)에 의해 제공되는 전기 전압, 즉 400 V와 동일하다.
도 4에는, 도 2에 도시된 배터리 셀(18)의 일 변형예가 도시되어 있다. 이전 실시예와 대조적으로, 제 2 전도체(48)는 이제 더 이상 음극 단자(26)에 직접 연결되지 않고, 원격으로 작동되고 스위치(50)와 동일한 구성을 가지며 이에 따라 추가 제어 입력(56)을 포함하는 추가 스위치(54)를 통해 연결된다. 추가 제어 입력(56)은 마찬가지로 제어 단자(28)과 직접 전기적으로 접촉된다. 따라서, 대응하는 전위가 제어 단자(28)에 인가될 때, 스위치(50) 및 추가 스위치(54) 모두가 작동되고, 이에 따라 갈바닉 요소(30)의 양극 단자(24) 및 음극 단자(26)로의 전기적 연결이 차단된다.
도 5에는, 도 4에 도시된 배터리 셀(18)의 일 변형예가 도시되어 있다. 여기에서도 또한 추가 제어 입력(56)을 갖는 추가 스위치(54)가 존재한다. 그러나, 이것은 더 이상 하우징(20)의 전원 단자(28)와 전기적으로 접촉되지 않고, 전원 단자(28)와 구조적으로 동일한 하우징의 추가 제어 단자(58)와 접촉된다. 그러나, 배터리 셀(18)에는 더 이상의 변화가 없다. 따라서, 2 개의 스위치(50, 54)를 서로 독립적으로 작동하는 것이 가능하다.
도 6에는, 고전압 배터리(12)를 작동하기 위한 방법(60)이 도시되어 있다. 제 1 작업 단계(62)에서, 조건(64)이 존재하는지 여부가 검사된다. 조건(64)이 충족되면, 제 2 작업 단계(66)가 수행되고, 여기서 배터리 셀(18) 중 적어도 하나가 작동되는데, 즉, 존재하는 경우, 적어도 스위치(50) 및/또는 추가 스위치(54)가 개방된다. 따라서, 이러한 배터리 셀(18)은 인터페이스(16)로부터 단절되어, 각각의 단자(24, 26)로부터 인터페이스(16)로 더 이상 전류가 흐를 수 없게 된다. 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)의 작동은 조건(64)이 검출된 직후에 또는 추가 작업 단계가 수행된 후에만 각각의 조건(64)에 따라 발생한다.
본 발명의 일 실시예에서, 조건(64)으로서 고전압 배터리(12)의 조립 또는 유지 보수의 수행이 사용된다. 이 경우, 예를 들어, 전체의 고전압 배터리(12)가 자동차(2)로부터 제거되거나, 또는 개별 배터리 셀(18)이 교체되어야 한다. 또한, 배터리 셀(18) 중 적어도 하나에서 전해질이 각각의 챔버(44)에 재충전되는 것도 가능하다. 유지 보수 또는 조립이 시작되는 즉시, 모든 스위치(50) 및 또한 모든 추가 스위치(54)가, 존재하는 경우, 개방된다. 그 결과, 양극 단자(24) 및 음극 단자 중 어느 것에도, 각각의 갈바닉 요소(30)에 의해 제공되는 전기 전압이 인가되지 않으며, 그로 인해 작업들이 방해받지 않고 수행될 수 있다. 여기서 안전성이 향상된다. 다른 말로 하면, 방법(60)은 사람 및 작업 안전을 구현하는데 사용된다.
일 대안예에서는, 조건(64)으로서, 고전압 배터리(12)의 온도가 0 ℃인 한계값보다 낮은 것이 사용된다. 이러한 경우, 도 7에 개략적으로 도시되어 있고 이 예에서 25 개의 배터리 셀(18)을 포함하는 고전압 배터리(12)는 2 개의 그룹으로 나뉘고, 여기서 총 10 개의 배터리 셀(18)이 제 1 그룹(68)에 할당된다. 한편, 제 2 그룹(70)은 나머지 15 개의 배터리 셀(18)을 포함한다. 제 1 그룹(68)의 모든 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)는 여기서 폐쇄된 상태로 유지되고, 제 2 그룹(70)에 할당된 모든 배터리 셀(18)의 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)는 개방된다. 따라서, 인터페이스(16)를 통해 고전압 배터리(12)로부터 취출될 수 있는 전기 에너지는 오직 제 1 그룹(68)에 할당된 배터리 셀(18)에 의해서만 제공된다. 그 결과, 에너지가 고전압 배터리(12)로부터 후속적으로 취출될 때, 제 1 그룹(68)의 배터리 셀(18)이 더 강하게 가열되고, 여기서 또한 열에 의해 제 2 그룹(70)의 배터리 셀(18)이 가열된다. 이러한 방식으로 가열된 제 2 그룹(70)의 배터리 셀(18)의 온도가 한계값 또는 추가 한계값보다 높으면, 그들의 스위치(50) 및 그들의 임의의 추가 스위치(54)도 마찬가지로 폐쇄되어, 인터페이스(16)에 제공된 전기 에너지가 이제 모든 배터리 셀(18)에 의해 제공된다. 추가 개발예에서, 조건(64)은 자동차(2)가 특정 기간, 예를 들어 적어도 2 시간 동안 정지하고, 이 기간 동안 고전압 배터리(12)로부터 에너지 취출이 발생하지 않은 경우에만 내부적으로 충족된다.
고전압 배터리(12)의 온도가 후속적으로, 예를 들어 자동차(2)가 비교적 오랜 시간 동안 주차된 후 다시 한계값 미만인 경우, 방법(60)이 다시 수행되고, 조건(64)이 다시 존재한다. 여기서도, 우선 제 1 그룹(68)에 할당된 배터리 셀(18)의 스위치(50)만이 폐쇄되고, 한편 제 2 그룹(70)에 할당된 배터리 셀(18)은, 그들의 온도가 충분히 상승할 때까지, 각각의 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)를 개방함으로써 인터페이스(16)로부터 분리된다. 그러나, 방법(60)의 이전의 설계와 비교하여, 개별 배터리 셀(18)을 두 개의 그룹(68, 70)으로 분할하는 것은 도 8에 도시된 바와 같이 변경된다. 따라서, 각각의 배터리 셀(18)은 방법(60)의 상이한 통과 시에 적어도 한 번 제 1 그룹(68)에 할당된다. 그 결과, 고전압 배터리(12)의 정시 부하가 방지되고, 특정 배터리 셀(18)만의 과도한 마모가 방지된다. 이러한 맥락에서, 또한 아래에서와 같이, "(단절) 분리"라는 용어는 특히 스위치(50) 또는 추가 스위치(54)가 개방된 그러한 배터리 셀(18)의 각각의 갈바닉 요소(30)의 단절을 의미하는 것으로 이해된다.
또 다른 대안예에서는, 조건(64)으로서, 도 9에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(18) 중 하나의 오작동이 사용된다. 일 실시예에서, 본질적으로 예를 들어 갈바닉 요소(30)의 단락으로 인해 발생한 오작동이 검출된 직후, 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)의 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)는 개방되어, 이들은 인터페이스(16)로부터 분리된다. 오작동, 특히 단락은 예를 들어 대응하는 센서를 통해 검출된다. 다른 대안예에서, 오작동은 예를 들어 발생한 온도 상승을 기초로 하여 검출되는 화재에 해당한다.
추가 개발예에서, 나머지 배터리 셀(18)의 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)가 우선 개방되고, 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)의 스위치(50) 및 추가 스위치(54)만이 폐쇄된 상태로 유지된다. 따라서, 인터페이스(16)에서 인출될 수 있는 전기 에너지는 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)에 의해서만 제공되므로, 이것은, 특히 드라이브(6)가 작동되는 경우에, 비교적 빠르게 방전된다. 예를 들어 자동차(2)가 주차되어 있기 때문에 드라이브(6)가 작동되지 않는 경우, 고전압 배터리(12)에 의해 자동차(2)의 온보드 컴퓨터로, 소비 장치, 예를 들어 좌석 또는 창문 히터와 같은 히터, 또는 에어컨 시스템을 스위칭 온하도록 요청이 전송된다. 따라서 고전압 배터리(12)로부터, 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)의 에너지가 취출된다. 에너지가 취출되기 때문에 오작동을 나타내는 배터리 셀(72) 내에는 비교적 적은 전기 에너지만이 저장되고, 이것이 특히 특정 한계값보다 낮은 경우, 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)의 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)는 개방되고, 따라서 이들은 인터페이스(16)로부터 분리된다. 나머지 배터리 셀(18)의 스위치(50) 및 추가 스위치(54)는 폐쇄되어 있으므로, 이들에 의해, 인터페이스(16)에서 인출될 수 있는 전기 에너지가 제공된다. 그러나 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)의 스위치(50, 54)는 더 이상 작동되지 않으므로, 이것들, 즉 이들의 갈바닉 요소들(30)은, 적어도 작업장에 있을 때까지, 인터페이스(16)로부터 지속적으로 분리된다.
도 10에 도시된 일 변형예에서는, 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)로부터 우선 전기 에너지가 취출되고 그 후 인터페이스(16)로부터 분리된다. 뿐만 아니라, 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)을 둘러싸는 배터리 셀들(18)이 고전압 배터리(12)의 스위치(50, 54)의 대응하는 작동에 의해 우선 방전되고, 계속해서 차례로 고전압 배터리(12)의 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)의 대응하는 작동에 의해 인터페이스(16)로부터 단절된다. 반면, 모든 나머지 배터리 셀들(18)은 자동차(2)의 추가 작동을 위해 사용된다. 따라서, 자동차(2)를 작동하기 위해 여전히 사용되는 배터리 셀(18)로 인해, 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)의 추가의 열적 부하가 발생하지 않는다.
이에 대해 대안적으로, 오작동이 검출된 후, 모든 배터리 셀(18)이 동시에 또는 적어도 오작동을 나타내는 배터리 셀의 방전 후에 방전되고, 이를 위해 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)가 적절하게 작동된다. 그 후, 대응하는 모니터링 루틴에 의해, 오작동을 나타내는 배터리(72) 이외에 배터리 셀들(18) 중 어느 것이 에러 작동으로 인해 손상되었는지가 검사된다. 이들 배터리 셀들(18)에서는, 스위치(50) 및 임의의 추가 스위치(54)는 개방된 상태로 유지된다. 그러나, 나머지 배터리 셀들(18)의 경우, 스위치(50) 및 추가 스위치(54)는 폐쇄되어 있으므로,
고전압 배터리(12)가 또한 감소된 용량을 갖는 경우에도, 자동차(2)의 추가 작동이 또한 가능하게 된다.
본 발명은 위에서 설명한 예시적인 실시예들로 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명의 주제로부터 벗어나지 않고, 당업자에 의해 본 발명의 다른 변형예들이 또한 이로부터 유도될 수 있다. 특히, 개별 예시적인 실시예와 관련하여 설명된 모든 개별 특징들은 또한 본 발명의 주제에서 벗어나지 않고 다른 방식으로도 또한 서로 조합될 수 있다.
2 자동차
4 휠
6 드라이브
8 전기 모터
10 컨버터
12 고전압 배터리
14 배터리 하우징
16 인터페이스
18 배터리 셀
20 하우징
22 하우징 베이스 본체
24 양극 단자
26 음극 단자
28 제어 단자
30 갈바닉 요소
32 애노드
34 캐소드
36 세퍼레이터
38 플라스틱 프레임
40 바이폴라 플레이트
42 래크
44 챔버
46 제 1 전도체
48 제 2 전도체
50 스위치
52 제어 입력
54 추가 스위치
56 추가 제어 입력
58 추가 제어 단자
60 고전압 배터리
62 제 1 작업 단계
64 조건
66 제 2 작업 단계
68 제 1 그룹
70 제 2 그룹
72 오작동을 나타내는 배터리 셀

Claims (10)

  1. 양극 단자(24) 및 음극 단자(26)를 구비하는 하우징(20)을 각각 포함하는 서로 전기적으로 접촉되는 복수의 배터리 셀(18)을 구비하는 자동차(2)의 고전압 배터리(12)로서,
    각각의 하우징(20)에는, 상기 양극 단자(24)에 전기적으로 접촉되는 제 1 전도체(46) 및 상기 음극 단자(26)에 전기적으로 접촉되는 제 2 전도체(48)가 배치되고, 상기 전도체들 사이에는 복수의 갈바닉 요소(galvanic element)(30)가 전기적으로 직렬로 연결되며, 상기 갈바닉 요소는 각각 캐소드(cathode)(34), 애노드(anode)(32) 및 이들 사이에 배치된 세퍼레이터(separator)(36)를 포함하며, 인접한 갈바닉 요소들(30)은 각각 바이폴라 플레이트(bipolar plate)(40)를 통해 서로 맞닿아 있고, 상기 전도체(46, 48) 중 하나와 해당 단자(24, 26) 사이에는, 상기 하우징(20)의 제어 단자(28)와 전기적으로 접촉되는 제어 입력(52)을 구비하는 원격 작동 스위치(50)가 연결되는 것인, 고전압 배터리(12).
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 세퍼레이터(36)는 단부 측에서 각각의 플라스틱 프레임(plastic frame)(38)에 부착되고, 상기 플라스틱 프레임에 의해 상기 각각의 캐소드(34)가 수용되며, 상기 플라스틱 프레임(38)은 래크(rack)(42)에 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리(12).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스위치(50)는 상기 양극 단자(24)와 상기 제 1 전도체(46) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리(12).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 음극 단자(26)와 상기 제 2 전도체(48) 사이에, 상기 하우징의 상기 제어 단자(28)와 전기적으로 접촉되는 추가 제어 입력(56)을 구비하는 추가 원격 작동 스위치(54)가 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리(12).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 셀(18)은 전기적으로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리(12).
  6. 제 4 항에 따른 고전압 배터리(12)를 작동하기 위한 방법(60)으로서,
    상기 스위치(50, 54) 중 하나는, 조건(64)이 존재할 때, 개방되는 것인, 고전압 배터리(12)를 작동하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    조건(64)으로서 조립과 유지 보수 중 적어도 하나의 수행이 사용되고, 모든 스위치(50, 54)가 개방되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리(12)를 작동하기 위한 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    조건(64)으로서 상기 배터리 셀(18) 중 하나의 오작동이 사용되고, 상기 오작동을 나타내는 배터리 셀(72)의 상기 스위치(50, 54)가 사용되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리(12)를 작동하기 위한 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    조건(64)으로서, 상기 고전압 배터리(12)의 온도가 한계값보다 낮은 것이 사용되고, 상기 스위치(50, 54) 중 적어도 하나가 폐쇄된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리(12)를 작동하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 고전압 배터리(12)의 배터리 셀(18).
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