KR102271939B1 - 내부 광학적 감지 기반 배터리 관리 - Google Patents
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Abstract
배터리 관리 시스템은 전기화학적 배터리 내부에 배치되는 하나 이상의 광섬유 센서들을 포함한다. 각각의 광섬유 센서는 입력광을 수신하고 배터리 내부에 존재하는 자유 또는 용해 기체량에 기초하여 가변되는 출력광을 제공한다. 검출기는 출력광을 검출하고 출력광에 대한 응답으로 전기적 검출기 신호를 발생시킨다. 배터리 관리 회로는 적어도 부분적으로 검출기 신호에 기초하여 배터리 상태를 결정한다.
Description
본원은 포괄적으로 배터리 감시 및/또는 관리 기술에 관한 것이다. 또한 본원은 이러한 기술에 속하는 요소들, 장치들, 시스템, 및 방법에 관한 것이다.
충전-상태 (SOC) 및/또는 건강-상태 (SOH) 결정을 위하여 외부 셀 성능 파라미터들에 의존하는 배터리 관리 시스템은 수명에 따른 배터리 충전-상태 및 배터리 열화에 대한 불확실성을 관리하기 위하여 보수적 오버디자인을 초래한다. 배터리의 보수적 오버디자인에 대한 의존도는 널리 채용되고 있는 녹색 기술들 예컨대 전기 차량 및 전원 그리드 저장에 영향을 미친다.
배터리의 보수적 오버디자인은 부분적으로 배터리 상태가 외부 파라미터들만으로는 완전히 이해될 수 없기 때문에 연유한다.
본원에 개시되는 실시태양들은 배터리 관리 시스템 (BMS) 및 방법에 관한 것이다. BMS은 전기화학적 배터리 내부에 배치되는 하나 이상의 광섬유 센서들을 포함한다. 각각의 광섬유 센서는 입력광을 수신하고 배터리 내에 존재하는 자유 또는 용해 기체량에 따라 변하는 출력광을 제공하도록 구성된다. BMS은 센서들에 입력광을 제공하는 광원을 포함한다. 검출기는 출력광을 검출하도록 구성되고 배열되며 출력광에 응답하여 전기적 검출기 신호를 발생시킨다. 배터리 관리 회로는 적어도 부분적으로 검출기 신호에 따라 배터리 상태를 결정한다. 결정되는 배터리 상태는 예를들면 배터리의 충전 상태 또는 건강 상태를 포함한다.
일부 실시태양들은 전기화학적 배터리 형성을 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 배터리 케이스 내부에 배치되는 하나 이상의 광섬유 센서들을 포함한다. 각각의 광섬유 센서는 입력광을 수신하고 배터리 내에 존재하는 기체량에 따라 변하는 출력광을 제공하도록 구성된다. 광섬유 센서들에 입력광을 제공하도록 광원이 구성된다. 검출기는 센서들로부터 출력광을 검출하고 출력광에 대한 응답으로 전기적 신호를 발생시킨다. 시스템은 배터리 충전을 위한 충전 회로를 포함한다. 배터리 관리 회로는 충전 회로로 피드백 정보를 제공하여 적어도 부분적으로 검출기 신호에 기초하여 배터리 전극 형성을 제어한다.
일부 실시태양들은 배터리 관리 방법에 관한 것이고, 배터리 내부에 존재하는 자유 또는 용해 기체량을 전기화학적 배터리 내부에서 광학적으로 감지하는 단계를 포함한다. 감지 기체량에 대한 응답으로 전기적 신호가 발생된다. 배터리 상태는 적어도 부분적으로 신호에 기초하여 결정된다. 예를들면, 배터리 상태는 배터리 충전 상태 또는 건강 상태를 포함한다. 배터리 상태에 따라 다양한 선택적인 프로세스가 구현되고, 예컨대 배터리 충전 또는 방전 제어, 또는 배터리 상태, 예를들면, 정상 작동 상태, 과충전, 과방전, 기타 등의 표시가 제공된다.
도 1은 배터리 셀 작동을 보이는 그래프이다;
도 2는 Li-이온 배터리 셀에 대한 과충전 및 과방전 배터리 상태에서 CO2 및 탄화수소 기체 간의 관계를 보인다;
도 3은 본원에 기재된 방법에 의한 배터리 관리 시스템 동작을 보이는 흐름도이다:
도 4는 일부 실시태양들에 의한 배터리 관리 시스템 (BMS) 블록도이다;
도 5는 본원에 기재된 실시태양들에 의한 광섬유 케이블을 따라 전개되는 광섬유 센서들을 가지는 Li-이온 배터리 일부를 도시한 것이다;
도 6은 센서 위치에서 도 5의 배터리 일부 확대 단면도이다;
도 7은 다양한 실시태양들에 따라 광학-기반 검출기를 이용하여 배터리 셀 내부의 기체 존재를 검출하는 시스템의 블록도이다;
도 8은 다양한 실시태양들에 따라 투과 모드에서 질의되는 광학-기반 센서를 이용하여 배터리 내부의 자유 또는 용해 기체 존재를 검출하는 배터리 관리 시스템 일부를 도시한 것이다;
도 9는 다양한 실시태양들에 따라 반사 모드로 질의되는 광섬유 일단 팁 센서를 이용하여 배터리 내부의 자유 또는 용해 기체 존재를 검출하는 배터리 관리 시스템 일부를 도시한 것이다;
도 10은 다양한 실시태양들에 의한 배터리 관리 시스템에서 사용될 수 있는 대표적인 조사 광원 스펙트럼을 보인다;
도 11은 다양한 실시태양들에 따라 배터리 내부에 배치되고 배터리 내부에 존재하는 자유 또는 용해 기체를 감지하는 광섬유 센서에 사용될 수 있는 감지층의 흡수 스펙트럼을 보인다;
도 12는 도 11에 도시된 감지층의 대표적인 흡수 스펙트럼에 의해 영향을 받는 도 10에 도시된 대표적인 광원 스펙트럼을 보인다;
도 13은 다양한 실시태양들에 의한 배터리 관리 시스템과 연관되는 자유 또는 용해 기체 검출용 검출기를 도시한 것이다;
도 14는 다양한 실시태양들에 의한 배터리 관리 시스템용 검출기를 도시한 것이다;
도 15는 변경된 광원 스펙트럼의 중심 변화 결정에 파장 중심 검출기는 단지 소정의 일부 광원 스펙트럼을 이용하는 다른 예시적 감지 방식을 도시한 것이다;
도 16은 일부 실시태양들에 의한 파장 중심 검출기의감지 특성 및 대표적인 출력 신호들을 도시한 것이다;
도 17은 일부 실시태양들에 의한 광섬유들로 자체 내부 기체 농도 측정을 위한 실험적 테스트 설정을 보인다;
도 18은 배터리를 과충전 영역으로 충전할 때 배터리 셀에서의 기체 발생 결과를 보인다.
도면은 반드시 척도를 고려하지 않는다. 도면들에서 동일 도면부호들은 동일한 구성요소들을 언급한다. 그러나 하나의 도면에서 구성요소를 언급하기 위하여 도면부호를 사용하는 것은 동일 도면부호를 가지는 다른 도면에 있는 구성요소를 제한하기 위한 의도는 아니라는 것을 이해하여야 한다.
도 2는 Li-이온 배터리 셀에 대한 과충전 및 과방전 배터리 상태에서 CO2 및 탄화수소 기체 간의 관계를 보인다;
도 3은 본원에 기재된 방법에 의한 배터리 관리 시스템 동작을 보이는 흐름도이다:
도 4는 일부 실시태양들에 의한 배터리 관리 시스템 (BMS) 블록도이다;
도 5는 본원에 기재된 실시태양들에 의한 광섬유 케이블을 따라 전개되는 광섬유 센서들을 가지는 Li-이온 배터리 일부를 도시한 것이다;
도 6은 센서 위치에서 도 5의 배터리 일부 확대 단면도이다;
도 7은 다양한 실시태양들에 따라 광학-기반 검출기를 이용하여 배터리 셀 내부의 기체 존재를 검출하는 시스템의 블록도이다;
도 8은 다양한 실시태양들에 따라 투과 모드에서 질의되는 광학-기반 센서를 이용하여 배터리 내부의 자유 또는 용해 기체 존재를 검출하는 배터리 관리 시스템 일부를 도시한 것이다;
도 9는 다양한 실시태양들에 따라 반사 모드로 질의되는 광섬유 일단 팁 센서를 이용하여 배터리 내부의 자유 또는 용해 기체 존재를 검출하는 배터리 관리 시스템 일부를 도시한 것이다;
도 10은 다양한 실시태양들에 의한 배터리 관리 시스템에서 사용될 수 있는 대표적인 조사 광원 스펙트럼을 보인다;
도 11은 다양한 실시태양들에 따라 배터리 내부에 배치되고 배터리 내부에 존재하는 자유 또는 용해 기체를 감지하는 광섬유 센서에 사용될 수 있는 감지층의 흡수 스펙트럼을 보인다;
도 12는 도 11에 도시된 감지층의 대표적인 흡수 스펙트럼에 의해 영향을 받는 도 10에 도시된 대표적인 광원 스펙트럼을 보인다;
도 13은 다양한 실시태양들에 의한 배터리 관리 시스템과 연관되는 자유 또는 용해 기체 검출용 검출기를 도시한 것이다;
도 14는 다양한 실시태양들에 의한 배터리 관리 시스템용 검출기를 도시한 것이다;
도 15는 변경된 광원 스펙트럼의 중심 변화 결정에 파장 중심 검출기는 단지 소정의 일부 광원 스펙트럼을 이용하는 다른 예시적 감지 방식을 도시한 것이다;
도 16은 일부 실시태양들에 의한 파장 중심 검출기의감지 특성 및 대표적인 출력 신호들을 도시한 것이다;
도 17은 일부 실시태양들에 의한 광섬유들로 자체 내부 기체 농도 측정을 위한 실험적 테스트 설정을 보인다;
도 18은 배터리를 과충전 영역으로 충전할 때 배터리 셀에서의 기체 발생 결과를 보인다.
도면은 반드시 척도를 고려하지 않는다. 도면들에서 동일 도면부호들은 동일한 구성요소들을 언급한다. 그러나 하나의 도면에서 구성요소를 언급하기 위하여 도면부호를 사용하는 것은 동일 도면부호를 가지는 다른 도면에 있는 구성요소를 제한하기 위한 의도는 아니라는 것을 이해하여야 한다.
본원에 개시되는 실시태양들은 에너지 저장 장치 내에 구현된 광학-기반 센서들을 통하여 자체 (in situ)적으로, 실-시간으로, 화학적인 기체 감지가 가능한 배터리 관리 방법에 관한 것이다. 에너지 저장 장치 (예컨대 배터리 셀) 동작과정에서 자체적인 자유 또는 용해 기체의 광학적 감지는 다중 파라미터들 감지를 통하여 에너지 저장 장치의 안전성 및 성능에 기여할 수 있다. 광섬유 (FO) 센서들은 다양한 부식 환경에 견딜 수 있는 적합한 요소들로 제조된다. FO 케이블 (전형적인 직경이 60-500 μm)이 얇기 때문에 상당한 배터리 시스템 성능 열화 없이도 센서 요소들로 배터리 셀에 통합될 수 있다. 또한, FO 센서들은 특히 충전, 건강 상태, 및 셀 파워에 영향을 줄 수 있는 임의의 지점에서 발생되는 복잡한 가역 및 비가역, 바람직한 및 바람직하지 않은 다중 반응들로 전기화학적 에너지 저장 장치 내부의 종들을 감시하기 위한 화학적 감지에 매우 유용하다.
성능 측면에서, 본원에 개시되는 방법은 전기화학적 셀, 예를들면, Li 이온 또는 Li 폴리머 배터리 셀을, 환경, 노화 및 사용 케이스의 현재 상황에 따라 진정한 한계치로 충방전하기 위하여 유용하다. 내장 (embedded) 광섬유 센서들로 실시간으로 내부 셀 파라미터들을 감지할 수 있는 능력으로, 과충전 또는 과방전 연관된 리튬 도금 및/또는 기타 부작용에 의한 한계치와 더욱 긴밀한 차이로 셀들을 진정한 파워 한계치까지 활용할 수 있다. 전형적으로 내장된 광섬유 (FO) 센서들로 검출될 수 있는 소량의 기체 및 화학물질 발생을 동반하는 리튬 도금 발생 전구체 검출을 위한 내부 셀 센서들을 이용하여 팩의 셀들이 진정하고 안전한 한계치로 구동되는 때 Li-이온 셀의 파워 성능 및 충전 속도 개선이 가능하다.
셀 내부의 기체 종들 또는 기타 화학물질들을 감시할 수 있는 능력은 또한 외부에서 전류 및 전압을 감시하는 전기 케이블을 보강 또는 전적으로 대체할 수 있는 배터리 충전 상태 (SOC) 측정을 위한 대안 방법을 제공한다. 이를 달성하기 위한 하나의 예시적 실시예로서, 정격 작동 조건들에서 에스테르 교환 과정에서 기체의 가역적 형성 및 소모는 추적될 수 있는 관심 종들일 수 있다. 이러한 가역 반응들의 기체 조성물을 고도의 정확성으로 감시하면 직접 SOC 추정이 가능하다. 충-방전 과정에서 형성되고 또는 소모되는 pH 및/또는 기체 및/또는 기타 화학물질에 대한 모니터링이 SOC 표지로 사용될 수 있다.
안전성 측면에서 고려하면, 셀 화학은 과충전 또는 과방전 조건들 외에도, 남용 조건들 예컨대 불완전한 또는균열 셀들, 노화, 또는 기타 불량 셀들을 포함한 부정적 조건들에서 기체성 부반응 생성물을 발생시킨다. 이러한 부반응들의 생성물을 초기 낮은 농도에서 조기에 감지하면 배터리 관리 시스템은 부정적 셀 거동에 대하여 최종 사용자에게 경고할 수 있다.
또한, 배터리 셀 내부에서 기체 발생은 배터리 셀 수명 말기 (EOL)에 대한 잘 알려진 현상이다. 제안된 감지 방식을 구현하는 것은 센서이고 이는 셀 조립 과정에서 파우치 셀 내부로 통합되어 선진 배터리 관리 시스템 (BMS)에 의해 파라미터들 예를들면 충전 상태 (SOC), 건강 상태 (SOH) 및 재해적 고장, 열 폭주의 (조기) 예측, 기타 등과 관련되는 화학적 파라미터들을 자체 감시할 수 있다. 셀 외부에 배치되는 광학 센서들은 누출 결정에 사용될 수 있다.
예를들면, 전해질 분해 및 기타 부정적인 부반응들과 함께 셀이 과충전 또는 과방전 조건들로 접근할 때 Li-이온 배터리 셀에서 CO2 및/또는 CH4 기체 발생이 상당히 증가한다. 과충전 또는 과방전을 표시할 수 있는 기타 관심 화학 종들은 제한되지는 않지만 C2H6, O2, HF, CO, C3H8, 및 H2를 포함한다.
본원에 기재된 일부 실시태양들은 셀 스택 내부에서 실시간으로 기체 종들 발생을 측정하는 하나 이상의 광섬유 센서들을 포함한다. 광섬유 광학 신호는 분석되어 비정상 기체 발생 수준을 검출한다. 이러한 검출은 한계치 초과 광섬유 센서 신호, 또는 (기체 발생 속도와 상관되는) 센서 신호 변화의 비율(제1 시간-미분), 또는 이들 양자의 수학적 조합에 기초한다. 이후 배터리 관리 유닛은 이러한 감지된 비정상을 셀 내부 부반응들의 공지 마커들 (markers)과 비교하여 배터리 작동을 조절하거나 정지시킨다. 특정 실시예로서, CO2 발생은 과충전 마커로 기능할 수 있고, 내장된 CO2 센서 신호에서 검출되는 비정상은 배터리 관리 유닛에 의해 적용되어 충전 과정을 중지시킬 수 있다.
도 1은 배터리 셀 동작 그래프이다. 주요 셀 반응 과정에서 충방전 사이클로 인하여 본 실시예의 경우 셀은 정격 작동 전압 범위, 예를들면, 2.5V 내지 4.2V 내에서 작동된다. 셀이 과충전되면 셀 전압은 본 정격 범위 이상으로 상승된다. 셀이 과방전되면 셀 전압은 본 정격 범위 이하로 하강된다. 과충전 상태에서, 셀은 과량의 O2 및/또는 CO2를 생성한다. 과방전 상태에서, 셀은 하나 이상의 탄화수소 기체들, 예를들면, CH4, C2H6, C3H8, C3H6 및/또는 기타 기체들, 예를들면, CO2, CO를 생성한다.
도 2는 Li-이온 배터리 셀의 과충전 및 과방전 배터리 상태에서 CO2 및 탄화수소 기체 생성 간의 관계를 도시한 것이다. 배터리가 정격 전압 범위에서 작동될 때, 최소 CO2 기체 및 일부 탄화수소 기체, 예를들면, 본 실시예의 경우3 ml 이하가 생성된다. 셀이 정격 작동 범위로부터 과충전 상태가 되면, CO2 가 증가되고 탄화수소 기체량 또한 증가된다. 셀이 과방전될 때, CO2 기체량은 증가되고 탄화수소 기체량이 상당히 증가한다. 이러한 데이터로부터, CO2 검출로 과충전 셀 또는 상당한 과방전 셀을 표시할 수 있다는 것을 알 수 있다. 정격 작동 범위 이상의 탄화수소 기체량 증가를 동반한 CO2 검출은 과방전 상태를 표시한다. 과충전 셀, 과방전 셀, 및 심각한 과방전 셀 (단락)의 검출은 검출되는 CO2 및 탄화수소 기체량들 및 배터리 상태들을 표시하는 한계량들을 비교하여 달성된다.
도 2의 도시된 실시예에서, CO2 량이 한계치 110 이하, 예를들면, 약 3 ml이고 탄화수소 기체량이 한계치 120 이하, 예를들면, 약 6 ml인 경우 셀은 정격 작동 전압 범위에서 작동된다는 것을 의미한다. CO2 량이 한계치 110를 초과하고 탄화수소 기체량이 한계치 120 이하이면, 셀은 과충전 상태로 판단된다. 탄화수소 기체량이 한계치 120 이상이면, 셀은 과방전 상태이다. CO2 량이 한계치 130 이상이고, 예를들면 본 실시예의 경우 약 27 ml이고 탄화수소 기체량이 한계치 120 이상이면, 셀은 과방전, 단락 상태이다.
배터리 내부에 내장된 광섬유 센서들은 내부 화학적 종들 농도, 예를들면, 자유 또는 용해 기체 농도에 대한 정보를 실-시간으로 제공하고 정보는 배터리 관리 시스템 내부의 배터리 관리 유닛으로 전달된다. 센서들에서 전달되는 정보에 기초하여, 배터리 관리 유닛은 부하를 차단하거나 적합한 예정 수준으로 전류를 충전하여 발생-기체 생성물을 위험 동작 한계치 이하 및/또는 셀 노화를 가속시킬 수 있는 수준 이하로 유지시킨다. 일부 경우들에서, 본원에 기재된 방법은 과충전 또는 과방전에 대한 간접적이고 불완전한 표지인 감시 셀 단자 전압을 높이거나 대체하여 셀의 과충전 여부를 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명 방법에 의한 배터리 관리 시스템 동작 흐름도를 도시한 것이다. 전기화학적 배터리 내부에 배치되는 광학 센서들에 의해 자유 또는 용해 기체가 광학적으로 감지된다 (310). 광학 센서 출력광은 광검출기에 의해 검출되고 검출된 출력광에 대한 응답으로 전기적 신호를 발생시킨다 (320). 검출기 신호는 정보를 포함하고 이에 따라 배터리 상태가 결정된다 (330). 배터리 관리 유닛은 검출기 신호에 기초하여 배터리 상태를 결정한다. 예를들면, 배터리 관리 유닛은 배터리가 정상 상태로 동작되는지를 결정하고 현재 충전 배터리 상태를 결정하여 배터리 충전 또는 방전이 제어된다 (340). 예를들면, 배터리 관리 유닛은 배터리 충전 또는 방전을 개시, 중지및/또는 적응적으로 속도를 조정한다. 선택적으로, 배터리 관리 시스템은 배터리에 인접하게 배치되는 외부 광학적 화학적 센서들을 포함한다. 이러한 센서들은 배터리 균열들 (leak)을 검출하기 위하여 사용된다. 예를들면 Li-이온 배터리 셀에서, 셀 외부 인근에서 검출되는 탄화수소 또는 전해질 종들 (예컨대 디에틸 탄산염, 디메틸 탄산염, 및/또는 에틸렌 탄산염)은 배터리 균열을 표시한다. 배터리 관리 유닛은 비정상 배터리 상태, 예컨대 과충전 상태, 과방전 상태, 및/또는 기타 비정상 배터리 상태 예를들면 과잉 노화 셀, 균열 셀, 또는 달리 불완전한 또는 남용된 셀을 식별한다. 일부 실시태양들에서, 배터리 관리 유닛은 광학 센서들로부터의 정보가 비정상 배터리 상태, 예를들면, 과충전 배터리 상태, 과방전 배터리 상태, 균열 셀(들), 잠재적 열 폭주, 기타 등을 나타내면 경고를 보낸다 (350).
FO 센서들은 화학물질 및 기체 검출을 위한 셀 내부 및/또는 외부 센서들로 유용하다. 외부 광학 센서들은 남용 및 성능 제한이 초과되는 다양한 현상들을 검출하기 위하여 사용되어, 셀 표면 또는 밀봉부를 통한 화학물질, 예컨대 전해질 또는 기체 누출을 표시한다.
도 4는 일부 실시태양들에 의한 배터리 관리 시스템 (BMS, 400)의 블록도이다. 배터리 관리 시스템 (400)은 부하 (420)에 연결되는 배터리 (410)를 감시한다. 하나 이상의 내부 센서들 (411)이 배터리에 내장된다. 적어도 일부의 내부 센서들 (411)은 광학 센서들로서 배터리 (410)의 하나 이상의 내부 파라미터들 예컨대 온도, 응력, 변형, 가속, 이온 농도, 화학, 및/또는 기타 내부 파라미터들을 측정하다. 적어도 일부의 내부 광학 센서들 (411)은 배터리 내부의 자유 또는 용해 기체를 감시한다.
더욱 상세히 하기되는 바와 같이, 내부 광학 센서들은 광섬유 또는 도파관에 배치된다. 배터리 관리 유닛 (430)은 광원 (440)을 제어하어 입력광을 내부 센서들 (411)로 제공한다. 광원은, 예를들면, 발광다이오드 (LED), 레이저 다이오드 또는 기타 타입의 반도체 광원으로 구성된다. 일부 실시태양들에서, 모든 또는 일부 배터리 관리 유닛은 하드웨어로 구현된다. 기타 예시적 실시태양들에서, 배터리 관리 유닛은 마이크로프로세서 또는 기타 장치에서 실행되는 펌웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의 조합으로 구현된다.
각각의 광학 센서는 광학적으로 광학적 검출기와 결합되어 연결된 센서로부터 출력광을 수신한다. 센서(들) (411)과 광학적으로 연결되는 검출기(들) (450)은, 출력광을 수신하고 출력광에 따라 전기적 검출기 신호(들)을 발생시킨다. 따라서, 각각의 검출기 신호는 광학 센서에 의해 감지되는 기체량에 따라 달라진다. 검출기는 예를들면 반도체 포토다이오드 또는 기타 광검출기일 수 있다. 배터리 관리 유닛 (430)은 검출기 신호(들)을 수신하고 검출기 신호(들)에 기초하여 배터리 상태 (410)를 결정한다.
일부 구성들에서, 배터리 관리 유닛 (430)은 추가로 외부 센서(들) (460)로부터 신호(들)을 수신하고 검출기 신호들과 함께 외부 센서 신호들을 이용하여 배터리 상태를 결정한다. 내부 센서들 및 외부 센서들 모두로부터 정보를 이용하여 내부 센서들을 이용하지 않고 외부 센서들을 이용하는 경우와 비교할 때 더욱 정확한 배터리 상태를 제공한다. 또한, 본원에 기재된 바와 같이 내부 센서들을 구현함으로써 셀의 과충전 여부 결정에 있어서 셀 단자 전압 감시 실무를 보강 또는 전적으로 대체할 수 있다. 일부 실시태양들에서, 외부 센서들은 광학 센서들이고 셀 표면을 통한 기체 누출 및/또는 화학물질 누출을 감지한다.
배터리 상태에 기초하여, 배터리 관리 유닛 (430)은 배터리 충전을 위해 연결된 충전 회로 (470)를 제어한다. 배터리 관리 유닛은 충전 회로 (470)를 제어하여 배터리 충전 중지 또는 개시하거나 및/또는 적응적으로 배터리 충전 속도를 조정한다.
배터리 상태 (410)에 따라, 배터리 관리 유닛 (430)은 배터리 (410) 방전을 제어한다. 예를들면, 배터리 관리 유닛 (430)은 부하 관리 회로 (480)를 제어하여 부하 (410)를 배터리 (410)와 단속시킨다. 일부 구현예들에서, 부하 관리 회로 (480)는 부하 (420)가 가변되도록 제어되어 배터리 (410) 방전은 적응적으로 조정된다.
배터리 관리 유닛은 선택적으로 사용자 인터페이스 (490) (예컨대 디스플레이)와 통신적으로 연결되어 예를들면 배터리 상황을 사용자에게 가시적 또는 청각적으로 표시한다. 비정상 배터리 상태, 예를들면, 과충전, 과방전, 누출, 기타 등이 검출되면, 사용자 인터페이스는 비정상 조건을 사용자에게 표시한다.
배터리 관리 유닛 (430)은 여러 기술들을 이용하여 센서 신호 처리 및 비정상 검출 과정을 구현한다. 신호 처리 단계들은 사전-처리 및 특징 추출, 이어 검출 및 진단을 포함한다. 사전-처리로 노이즈 데이터가 제거된다. 일부 실시예들은 잡음제거, 필터링 및 평균화를 포함한다. 추출되는 특징들은 시간-영역, 예컨대 미분 (derivatives) 또는 통계적 순간들, 주파수 영역, 예컨대 파장 이동 또는 출력 스펙트럼 밀도, 또는 시간- 및 주파수-영역 특징들을 조합한 파형요소 영역에 있을 수 있다.
검출 및 진단 단계들은 데이터-구동 또는 모델-기반일 수 있다. 데이터-구동 검출 방식들은 실-시간 신호를 훈련 데이터로부터 구축된 검색 데이터 또는 모델과 비교한다. 이러한 알고리즘을 통상 기계 학습 방법이라고 칭한다. 일부 실시예는 회귀, 신경망 및 지지벡터기계를 포함한다. 비교에 있어서, 모델-기반 방법은 시간에 따라 센서 데이터를 추적하고 이것을 물리학-기반 모델 예측과 비교한다. 모델-기반 방법의 일부 실시예는 Kalman 필터링, 입자 필터링, 및 Hidden Markov 모델을 포함한다. 검출 및 진단 단계는 또한 데이터-구동 및 모델-기반 방법 또는 데이터-융합 프레임워크에서 이들의 임의의 서브세트를 조합함으로써 구현될 수 있다. 예를들면, 셀의 수명 말기는 입자 필터 또는 Kalman 필터-기반 방법을 이용하여 예측된다. 상기 나열된 일부 기술들은 열화 경향을 학습할 수 있는 추정 방법의 실시예이고 최신 데이터에 기초하여 계속하여 갱신되는 수명 말기에 대한 확률적 예측을 수행한다. 또한, 수명 말기에 대하여 계속하여 갱신되는 기간이 갑자기 훨씬 짧아지면 (예를들면, 수 일/사이클에서 수 분으로) 및/또는 기체 농도 신호 스파이크가 급히 및 갑자기 높게 유지되거나 및/또는 상당한 비정상을 가지면 이러한 것들은 열 폭주 표시일 수 있다.
Li-이온 배터리 제조 과저에서, 배터리 층들이 조립되고 일단 조립되면, 셀에 형성 과정이 수행되고 이는 배터리 물질을 활성시키고 배터리가 기능하도록 음극 상에 고체-전해질 인터페이스 (SEI) 층을 전개시키기 위하여 적어도 하나의 정확히 제어되는 충전 /방전 사이클을 포함한다. 형성 과정에서 제어된 충전/방전은 낮은 전압으로 개시되어 점차 진행된다. 본원에 기재된 바와 같이 내부 광학 센서들을 가지는 배터리 관리 시스템을 이용하면 SEI 층 형성 과정에 걸쳐 더욱 정밀한 피드백 제어가 가능하다.
전형적으로, 비-수용성 전해질을 가지는 Li-이온 셀은 전해질의 열역학적 안정화 구간 훨씬 밖에서 기능한다. 이에 따라 음극에서 전해질이 감소되고, Li-이온 배터리는 열역학적으로 불안정한 시스템이 된다. 다행스럽게도, 적합한 전해질에 있어서 초기 전해질-전극 반응의 분해 생성물은 음극에 소위 고체-전해질 표면 (SEI)이라는 보호막을 형성한다. 이러한 막은 “체"로 작용하여 일차로 Li+-이온들만 투과시키고 기타 전해질 성분들은 그렇지 않다. SEI는 전해질 화합물이 더욱 감소 (reduction)되는 것을 방지하고 음극 부식을 방지한다. 막 형성으로 비가역적으로 Li-이온들이 소모되므로, 형성된 셀 (즉 SEI 형성 이후)의 실제 특정 용량은 전형적으로 본래 형성되지 않은 것의 단지 80% 내지 90%이다. SEI -안정화 첨가제의 혼합물에 의하여 안정성 및 내부 저항에 있어서 SEI 막 형성은 개선될 수 있다.
사이클 개시에 초기 SEI 형성 (형성 사이클 과정에서)은 전해질 분해와 연관되고 임피던스 상승 (복합 음극 내부에서 점차적 접촉 상실) 및 음극에서의 기체 발생으로 이어진다. SEI 를 통한 하전/중성 종들의 확산에 의한 SEI 형성은 사이클 및 저장 과정에서 진행되고 기체 형성 및 LixC6 부식으로 이어진다 (및 따라서 추가 임피던스 상승, 이로 인한 파워 감소).
SEI 형성 전에 (또는 충분한 보호 SEI 층 형성 전에), 흑연으로의 용매 공동-층간 삽입 (solvent co-intercalation)은 음극 재료 박리 및 균열로 이어진다. 흑연 내부의 전해질 감소 외에도, 급격한 전극 열화가 진행된다.
SEI 층 형성 과정에서 전해질은 소모/분해된다. 전해질 소모는 기체 형성 (예를들면, CO2)이 동반된다. 형성 과정에서 CO2 농도 감시는 SEI 층 형성을 감시할 수 있는 방법을 제공한다. 셀 전개 단계에서, 적합한 SEI 층들에 이르는 소정의 충전 및 방전 (전압) 사이클이 결정된다. 이후 이러한 전압 사이클은 셀 제조 과정에서 블라인드로 사용된다. 폐쇄 루프 피드백 정보를 가지고 SEI 층 형성에 대한 적극적 감시로 피드백 없이 개방 루프로 사용되는 충전 및 방전 사이클과 비교하여 SEI 층 전개를 개선시킬 수 있다. 제조 과정에서 환경 (예를들면 습도) 및/또는 전해질/전극 재료의 조성에 약간의 변화가 발생하면 형성 프로세스를 반응 및 교정하는 것이 가능하다. SEI 층이 셀의 내부 저항에 영향을 미치므로 SEI 형성에 대한 피드백 과정으로 더욱 최적의 형성 사이클, 덜 균열된 SEI 층, 및/또는 더욱 균일한 셀들을 얻을 수 있다.
도 5는 FO 센서들 (521, 525)을 가지는 광섬유 (FO) 케이블 (510, 511)을 포함하는 Li-이온 배터리 (501) 일부를 도시한 것이고, 센서 각각은 FO 케이블 (510, 511)을 따라 배치된다. 센서들 (521, 525)은 배터리 (501) 내부 전략적 위치에 배열된다. 예를들면, 센서 (521)는 CO2를 감지하고 센서 (525)는 ph, CH4 또는 기타 탄화수소 기체를 감지할 수 있다. 배터리는 격리층 (504)에 의해 분리되는 음극 (502) 및 양극 (503)을 포함한다.
도 6은 센서 (521) 위치에서의 배터리 (501) 일부에 대한 확대 단면도이다. 양극 (503)은 전해질 지지체 (505) 내부에 배치되는 양극 재료 (503a) 및 양극 집전부 (503b)를 포함한다. 음극은 전해질 지지체 (505) 내부에 배치되는 음극 재료 (502a) 및 음극 집전부 (502b)를 포함한다. 음극 (502) 및 양극 (503)은 격리층 (504)에 의해 분리된다. 센서 (521)를 포함하는 FO 케이블 (510) 일부는 음극 (502) 내부에 매립되고, 여기에서 광학 센서 (521)는 배터리 내부에 존재하는 자유 또는 용해 기체량을 측정한다.
일부 실시태양들에서, 광학 센서들은 피감지 화학적 종들에 민감한 재료로 이루어지는 FO 일단 팁 센서를 포함하는 섬유 (단일모드 또는 다중모드)로 구성된다. FO 센서들은 배터리 셀 내에 존재하는 부식 환경에 견딜 수 있는 적합한 성분들로 제조된다. 사용 가능한 적합한 섬유 재료들은 용융 실리카, 폴리머, 기타 등을 포함한다. FO 케이블 (전형적인 직경이 60-500 μm)이 얇기 때문에 상당한 배터리 시스템 성능 열화 없이도 센서 요소들로 배터리 셀에 통합될 수 있다.
광학적 감지는 분석 기체에 대한 정보를 획득하기 위하여 광학 흡수 및 발광과 같은 광학적 변환 방법을 이용한다. 간접 및/또는 시약-개재 FO 센서들이 사용될 수 있다. 간접 감지 시스템에서, 분석물 농도는 중간 물질, 전형적으로 염료 분자의 광학적 특성들 (발광, 흡수)으로 감시된다.
분석물 검출용으로 섬유를 기능화시키기 위하여, 도파 모드 필드는 굴절 또는 분석물-특정 흡수 측정 분석물, 또는 분석물-특정 변환체 (transducer) (예를들면, 형광 또는 흡광 염료)와 직접 중첩되어야 한다. 이는 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 예를들면, 섬유 피복부를 염료 함유 고체 매트릭스로 대체하거나 또는 지시제 (형광 또는 흡광)로 도핑하여 기능화할 수 있다. 이러한 구성은 소산장 센서를 형성한다. 섬유에서 도파 모드들의 모드 필드는 분석물 감지 피복부로 누설되어, 분석물이 존재할 때 광학 특성을 변화시킨다. 피복부가 개량된 센서 구성들은 통상 투과 모드로 질의된다.
유용한 광섬유 센서의 다른 실시예는 반사-기반 측정을 포함한다. 광섬유는 섬유의 원위 일단 팁에 섬유로 도파 광에 의해 여기되는 형광 코팅물을 포함한다. 강도 또는 수명시간 측정을 위하여 발생 형광 일부는 다시 섬유와 결합되어, 질의되고 처리된다.
반사-기반 감지의 일부 실시태양들에서, 팁의 코팅물은 분석물-특정 흡수 층일 수 있다. 입력광은 팁에서 반사되고 반사광은 검출기에 의해 측정되어 입력광 및 반사된 출력광 간의 차이를 결정한다. 일부 구현예들에서, 감지층 뒤에 선택적인 거울이 부가되어 반사율을 높일 수 있다.
흡수-기반 감지에 있어서, CO2 비색 검출은 산성 CO2 기체와의 접촉으로 인한 탄산 (H2CO3) 형성 반응에서 지시제의 pH 값 변화를 측정함으로써 달성될 수 있다.
분석물에 접근할 수 있으면서도 분석물 침출을 방지할 수 있는 성능외에도 기본 반응 원리는 호스트 매트릭스에 일부 요건들을 부여한다. 식 1.2에서 보이는 바와 같이, 호스트 매트릭스는 탄산 형성에 사용되는 물을 보유한다. 또한, 호스트 매트릭스로 인하여 반응들 1.3 및 1.4에서 형성된 양성자 진입이 가능하고 지시제는 pH 값 변화로 광학 특성 변화를 보일 수 있다. 섬유 기반 광학 센서들에서, 호스트 매트릭스는 섬유 피복부 또는 팁 코팅물 형태로 인가된다.
폴리머 매트릭스가 광학적 시약 개재 센서들에 대하여 호스트 매트릭스로 사용될 수 있다. 졸-겔 매트릭스와 비교하여, 높은 온도 응용에서 더욱 적합하다. 자주 사용되는 재료는 폴리스티렌 (PS), 폴리염화비닐 (PVC), 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA), 폴리디메틸 실록산 (PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 및 셀룰로오스 유도체 예를들면 에틸 셀룰로오스를 포함한다. 특히 후자가, 더욱 친수성이므로, pH (및 따라서 CO2) 측정에 있어서 예를들면 소수성인 PMMA 및 PDMS보다 더욱 적합하다.
졸-겔 매트릭스은 기본적으로 다공성 유리 매트릭스이고 여기에 시약이 케이지-유사 구조로 포획되고 분석물이 확산된다. 용어 “졸-겔”이란 소 분자들로부터 고체 재료들을 생성하는 실제 과정을 나타낸다. 단량체는 콜로이드 용액 (졸)로 전환되고 이는 이산 입자들의 일체 망 (겔) 또는 네트워크 폴리머를 위한 전구체로 작용한다. 공정 파라미터들 예를들면 전구체 타입 및 농도, 물 함량 및 경화 온도를 사용하여 매트릭스 구조 및 따라서 센서 성능을 개선시킨다.
CO2 흡수 기반 감지에 있어서, pH 비색 감지와 동일한 지시제 염료들이 사용된다. 가장 일반적인 것들은 티몰 블루우 (졸-겔 매트릭스에서 부동화) 및 브로모티몰 블루우 (이온 액체 매트릭스에서)이다. 양 지시제의 골격 구조는 다음과 같다.
CO2 및 일반적으로 많은 기타 분석물 예컨대 pH, 암모니아, O2, 기타 등에 대한 발광 기반 감지는 본질적으로 흡수-기반 감지 방법보다 더욱 민감하다. CO2에 대한 흡수-기반 감지에서와 같이, 이산화탄소에 대한 발광 측정은 지시제 염료에 의한 pH 값 변화 검출에 기초한다. 피검출 화학물질에 대하여, 2종의 형광 프로브, 플루오레세인 및 8-히드록시피렌-1,3,6-트리술폰산 (HPTS)이 널리 쓰인다. 최근, 발광 전이 금속 착체는 플루오레세인 및 HPTS와 비교할 때 더욱 큰 스토크스 (Stokes) 이동 및 장기적 수명을 보였다. 이로써 광원 불안정성 기타 등으로 인한 강도-기반 변동성 경향이 없는 방출 수명 측정과 같은 더욱 강건한 개념 판독이 가능하다. 예를들면, 일부 루테늄(II) 착체 예를들면 Ru(dpp)3 는 매우 긴 종료되지 않은 수명, ~ 5 μs까지를 가진다. 광학적 CO2 검출을 위하여 pH 감지 지시제와 쌍을 이루면, 염료는 루테늄(II) 착체의 발광 수명시간을 다시 감소시키는 H+ 농도 증가와 함께 비-방사 에너지 전달을 일으킨다. 상기 문구들은 CO2 감지에 관한 것이지만, 유사한 개념들이 O2 및/또는 기타 기체들 감지에도 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
강도-기반 기술들 및 수명 상 측정 기반 기술들을 포함하여 광학 센서들로부터 정보를 판독하는 여러 방법이 존재한다. 상 측정을 적용한 형광 수명 획득 프로세스를 주파수 영역 방법 (FDM)이라고 칭한다. 센서는 주파수 f로 변조되는 여기원으로 조사된다. 또한 형광 방출은 정확히 동일한 주파수로 변조되지만, 형광 수명에 따라 발생될 수 있는 상 이동을 경험한다 :
tan(Φ) = 2πfτ (2) 식 중 Φ 는 상 각도이고, f 는 변조 광주파수이고 τ는 형광 수명이다. 여기 및 방출 신호들 간의상 각도를 측정함으로써, 형광 염료의 방출 수명이 계산된다. 저가의 광원 예컨대 발광다이오드 (LEDs)를 사용하여 여기 입력광을 제공할 수 있고, 저렴한 포토다이오드 검출기 및 충분히 장기 수명의 지시제 착체와 조합되어, 상대적으로 저렴한 광전자 판독 시스템을 설계할 수 있다.
수명 측정에 있어서 장기-수명 형광 염료 필요성을 극복하기 위하여, 강도-관련 정보를 주파수 영역으로 연결시키는 여러 원리들이 개발되었고, 강도-관련 정보는 상 측정을 통하여 접근될 수 있다.
하기에서, 강도-관련 정보를 파장 영역과 연결시키는 기술들이 개시된다. 기재된 판독으로 인하여 출력광의 스펙트럼 이동 (중심 이동)으로서 강도-변조 분석물 정보의 질의가 가능하다. 이러한 기술들은 배터리 내부에 배치되는 강도-변조 센서들 예를들면, 상기 비색 감지층으로부터 정보를 획득하기 위한 하나의 특정 실시예를 나타낸다. 기재된 기술들은 강도-기반 광학적 감지의 일부 실시예을 나타내지만 당업자들은 광학 센서들로부터 강도-코드화 정보를 획득하는 많은 다른 기술들이 또한 가능하고 이는 본 발명의 범위에 속한다는 것을 이해하여야 한다.
도 7은 다양한 실시태양들에 따라 광학-기반 검출기를 이용하여 배터리 셀 내부 기체 존재를 검출하는 시스템의 블록도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 시스템은 광원 (702)에서 발생된 입력광과 상호 작용하는 센서 재료 (704)를 포함한다. 센서 재료 (704)는 기체 (706)가 존재하면 입력광의 스펙트럼 분포를 비대칭적으로 변경시키도록 설계된다. 도 7에 도시된 시스템은 변경된 입력광 감지 및 변경된 입력광의 스펙트럼 분포 중심 위치에 대한 정보를 포함하는 적어도 하나의 전기적 신호를 발생시키는 검출기 (708)를 더욱 포함한다. 검출기 (708)는 스펙트럼 분포 자체를 결정하기 보다는 입력광 스펙트럼 분포 중심 대비 변경된 입력광 중심 이동을 직접 측정하도록 구성된다. 검출기 (508)는 센서 재료 (704)에 의해 감지된 외부 자극의 크기 또는 농도를 결정하도록 더욱 구성된다.
일부 실시태양들에 의하면, 센서 재료 (704)는 분석물-특정 센서 재료로 구성된다. 특정 분석물이 존재하면, 분석물-특정 센서 재료 (704)의 광학 특성이 입력광 스펙트럼의 특정 스펙트럼 범위에서 변한다. 특정 분석물 존재에서 변하는 분석물-특정 센서 재료 (704)의 대표적인 광학 특성은 특정 스펙트럼 범위에서의 흡수, 투과, 산란, 발광 또는 반사를 포함한다. 특정 분석물 존재로 인한 분석물-특정 센서 재료의 광학 특성 변경은 비대칭적으로 입력광 스펙트럼 분포를 변화시킨다. 검출기 (705)는 센서 재료 (704)에 의해 감지된 특정 분석물 존재에 대한 응답으로 입력광 스펙트럼 분포 중심과 대비한 변경된 입력광 중심 이동을 결정하도록 구성된다. 검출기 (705)는 또한 센서 재료 (704)에 의해 감지된 분석물 크기 또는 농도를 결정한다. 예를들면, 입력광 스펙트럼 분포 중심 이동은 분석물 농도 변화 또는 다른 형태의 외부 자극 크기 변화와 관련된다. 교정 및/또는 참조, 예컨대 감지층이 없는 검출기 참조 후, 검출기 (705)는 직접 분석물 농도 또는 자극 크기를 측정한다.
일부 실시태양들에 의하면, 센서 재료 (704)는 입력광과 상호 작용하도록 배열되고 특정 기체 농도 또는 기체 농도 범위 존재에 대한 응답으로 입력광 스펙트럼 분포를 비대칭적으로 변경시킨다. 이러한 실시태양들에서, 센서 재료 (704)는 CO 검출용 이핵 로듐 착체 또는 NH3 검출용 브로모크레졸퍼플을 포함하고, 특정 기체 농도는 예를들면 CO에 대하여는 50-80000 ppm (0.005% - 8% 부분압) 및 NH3에 대하여는 5-1000 ppm 이다.
도 8은 다양한 실시태양들에 따라 투과 모드에서 질의되는 광학-기반 센서 (800)를 이용하는 배터리 내부 자유 또는 용해 기체의 존재를 검출하는 배터리 관리 시스템 일부를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 실시태양에서, 시스템은 광원 (802) 및 광원 (802)으로부터 이격되는 검출기 (804)를 포함한다. 광원 (802) 및 검출기 (804)는 배터리 외부에 배치된다. 광원 (802)은 발광 장치, 예컨대 발광다이오드 (LED), 레이저 다이오드 또는 반도체 레이저를 포함한다. 광도파관 (예를들면 광섬유) (806)은 광원 (802) 및 검출기 (804) 사이에 배치되고 배터리 (도 8에서는 미도시) 내부에 배치된다. 일부 경우들에서, 하나 이상의 광커넥터 (도 8에서는 미도시)가 배터리 외부 및/또는 배터리 케이스에 배열되어 광섬유 (806)를 광원 (802) 및 검출기 (804)와 광학적으로 결합시킨다. 센서 재료 (808)는 안내광 (810)과 상호 작용하도록 광도파관 (806) 내에 놓인다. 광섬유의 경우, 전체 또는 일부 피복 재료가 분석물/자극 특정 감지 재료로 대체될 수 있다.
도 9는 다양한 실시태양들에 따라 반사 모드에서 질의되는 광섬유 일단 팁 센서 (909)를 이용하는 배터리 내부 자유 또는 용해 기체의 존재를 검출하는 배터리 관리 시스템 일부를 도시한 것이다. 도 9에 도시된 실시태양에서, 시스템은 광섬유 (806)와 광학적으로 연결되고 입력광 (911)을 광섬유에 제공하는 광원 (802)을 포함한다. 검출기 (804)는 광섬유 (806)에 광학적으로 연결되고 광섬유 (806) 일단에서 반사되는 반사광 (912)을 수신한다. 광원 (802) 및 검출기 (804)는 배터리 외부에 배치된다. 광섬유의 적어도 일단 일부는 배터리 내부에 배치된다. 센서 층 (909)은 광섬유 (806) 일단 팁에 놓이고 관심 기체를 감지한다. 센서 재료 (909)는 입력광 (911)과 상호 작용하므로 반사광 (912)은 입력광 (911)과 상이하다.
일반적으로, 광원 (802)은 감지층 (808, 909)이 비대칭적으로 스펙트럼을 변경시킬 수 있는 광대역 광원이다. 다수의 레이저 모드들을 방출하는 레이저원 역시 사용 가능하다. 비탄성 산란 (Raman 산란)의 경우, 감지층 (808, 909)에 의해 영향을 받는 스펙트럼 범위는 매우 좁고, 따라서, 광원 (예를들면, 레이저) 스펙트럼 분포 역시 그러하다. 감지 시스템의 일반적인 규칙으로, 입력광 스펙트럼 분포는 감지층 (808, 909)에 의해 영향을 받는 스펙트럼 범위보다 약 2배 정도 넓어야 한다. 이러한 경우, 감지층 (808, 909)은 가장 효과적으로 입력광 스펙트럼 분포를 비대칭적으로 변경시킨다.
광원 (802)은 발광 장치, 예컨대 발광다이오드 (LED), 레이저 다이오드 또는 반도체 레이저를 포함한다. 광도파관 (예를들면 광섬유) (806)은 광원 (802) 및 검출기 (804) 사이에 배치되고 배터리 (도 8에서는 미도시) 내부에 배치된다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 광커넥터 (도 8에서는 미도시)가 배터리 외부 및/또는 배터리 케이스에 배열되어 광섬유 (806)를 광원 (802) 및 검출기 (804)와 광학적으로 결합시킨다.
도 8 및 9에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템은 광원 (802)으로서 광섬유 (806)와 연결되는 LED를 포함하고, 광섬유는 광섬유 길이를 따라 또는 광섬유 일단 팁에 배치되는 기체-특정 코팅물 (808, 909)로 도포된다. 감지층 (808, 909)은 특정 기체 존재에서 가변되는 하나 이상의 광학 특성을 가진다. LED에서 발생되는 입력광은 바람직하게는 광대역 광으로 소정의 중심 파장 및 FWHM (반치전폭)을 가진다. 기체가 존재하면 소정의 스펙트럼 범위에서 섬유 (806)의 기체-특정 코팅물 (808, 909) 투과 특성이 변한다. 감지층 (808, 909) 특성에 따라, 일부 실시태양들에 의하면 기체 존재로 해당 스펙트럼 범위에서 흡수가 증가되거나 감소된다.
기체 존재로 LED 스펙트럼의 스펙트럼 분포 (예를들면, 스펙트럼 분포의 중심)가 변경될 수 있도록 감지층 스펙트럼 및 LED 스펙트럼이 선택된다. 일부 실시태양들에서, 검출기는 변경된 입력광의 스펙트럼 분포 중심 파장 이동 (기체-유도 LED 스펙트럼 변화) 및 기체 농도를 측정할 수 있는 파장 중심 검출기 (804)로 구성된다.
다양한 실시태양들에 의하면, 기체 존재로 감지층 (808, 909)에서 변화가 초래된다. 감지층 (808, 909)에서의 변화는, 소정의 스펙트럼 범위에서 감지층 (808, 909)과 상호작용하는 광 변화를 일으킨다. 상호작용 광은 투과, 산란, 발광 (형광) 또는 반사된다. 기체 (이하 분석물이라고도 칭함)에 의한 감지층 (808, 909) 변화는 입력광 스펙트럼 분포를 변경시켜 (감지층 (808, 909)과 상호작용되었던 광) 출력광은 광원 (802)에서 방출되는 입력광과는 상이한 스펙트럼 분포를 가진다. 기체 농도는 변경된 입력광 (출력광)의 스펙트럼 분포 중심 변화 (예를들면, 변색)에서 추론될 수 있다. 입력광 중심 파장 (예를들면, 필터된 백색광, LED 또는 RC LED, 광대역 또는 다중 파장 방출 레이저) 및 분석물-유도 강도 변화 광의 중심 파장은 동일 중심이어서는 안된다. 일부 실시태양들에서, 분석물이 입력광 스펙트럼 절반에만 영향을 준다면 더욱 큰 입력광 중심 변화가 달성된다. 이러한 실시태양들에 의하면, 감지층 (808, 909)은 입력광 스펙트럼의 절반만이 기체 존재로 영향을 받아 특정 기체 존재에 대한 응답으로 입력광 스펙트럼 분포를 비대칭적으로 변경시키도록 배열된다.
다수의 대표적인 섬유 기반 시스템의 구현예들, 예컨대 코팅된 LED 또는 LED 어레이를 가지는 시스템이 본원에서 제공된다. 본원에 개시되는 원리들은 많은 기타 유사 또는 비슷한 구현예들에서 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본원에서 제공되는 많은 대표적인 실시예들은 투과 또는 반사 스펙트럼에서 흡수 딥을 발생시킴으로써 입력광 스펙트럼 중심을 변경시킬 수 있는 감지층을 이용한다. 기타 광학 특성 (탄성 또는 비탄성 광 산란, 반사, 형광 방출, 기타 등)에서의 분석물-유도 변화를 제공할 수 있는 감지층이 사용되어 입력광 스펙트럼 분포를 변경시킬 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 실시태양들은 소정의 파장 (대역)에서 강도를 측정하는 것보다는 변경된 입력광의 파장 분포 이동을 측정하는 것이고, 이는 임의의 파장 참조를 필요로 하지 않으므로명쾌하고도 상대적으로 간단하고, 따라서 매우 저렴한 비용의 시스템 구현이 가능하다.
섬유-기반 센서 및 비-섬유-기반 센서 모두에서 강도-변조 센서의 판독은, 전형적으로 소정의 파장에서 광학적 스펙트럼 분석에 의한 또는 (분광학적으로 감지층 흡수 스펙트럼과 중첩되는) 소정 스펙트럼 범위의 광원 조사에 의한 강도 측정으로 달성되고 감지층과의 상호 작용 후의 빛의강도가 이후 기록된다. 감도를 높이기 위하여, 때로 분광학적으로 흡수 스펙트럼과 중첩되지 않는 제2 파장이 참조로 측정된다. 흡수-기반 섬유 센서들의실시예들은 소산파 흡수-기반 섬유 센서들이다. 섬유 내 안내 광의 소산장은 감지물질과 직접 또는 변환 재료 (예를들면, 코팅물, 피복부 통합 염료, 기타 등, 일반적으로 이하 “감지 재료”라 칭함)와 중첩된다. 이러한 구역을 통과하는 소산파 전파는 섬유 코어와 비교할 때 더 높은 손실로 연결된다. 또한, 소산장에 의해 감지되는 손실은 피감지물질 (agent)의 농도에 따라 변한다. 따라서, 섬유를 통과하는 투과 광의 강도는 물질 농도에 따라 달라진다.
다양한 실시태양들에 의하면, 본원에 개시되는 검출 방법은 감지층 흡수 스펙트럼 중심이 입력광원 중심과 비교할 때 상이하다는 사실을 이용한다. 즉, 감지층의 흡수 스펙트럼은 광원의 조사 스펙트럼과 비-중심적이고 따라서 단조 기준선이 관찰된다.
예시로써, 도 10은 대표적인 조사 광원 스펙트럼을 보인다. 도 10의 조사 광원은 예를들면 (분광학적으로 필터된) 텅스텐-할로겐 전구, LED, RC LED 또는 다중 파장 방출 레이저일 수 있다. 도 10에 도시된 스펙트럼은 예시적 목적이고, 상이한 광원들에 대하여는 상당히 상이하게 보일 수 있다. 도 10에 도시된 대표적인 광원 스펙트럼의 중심 파장은 λ중심,광원이다. 도 11은 감지층, 예컨대 도 8 및 9에 도시된 센서 재료의 흡수 스펙트럼을 보인다. 도 11에 도시된 대표적인 흡수 스펙트럼의 중심 파장은 λ중심,Abs이다. 도 12는 감지층의 대표적인 흡수 스펙트럼에 의해 영향을 받은 대표적인 광원 스펙트럼을 보인다. 두 스펙트럼들의 중심 파장들은 각각 λ중심,광원 및 λ중심,Abs, 로 표기된다. 양호한 성능을 위하여, 광원의 조사 스펙트럼은 흡수 스펙트럼보다 더욱 광폭으로 선택되어야 하고, 따라서 흡수 스펙트럼은 도 12에 도시된 바와 같이 조사 스펙트럼 내에서 비-중심적으로 위치할 수 있어야 한다. 따라서, 입력광 스펙트럼 중심은 감지층과 상호 작용한 후 조사 스펙트럼 중심과는 상이하다. 도 12에서, 3종의 상이한 흡수 수준의 감지층이 파단선들 1, 2, 및 3으로 표시된다.
다양한 실시태양들에 따라, 감지층 흡수 스펙트럼이 입력광원의 조사 스펙트럼 내에서 비-중심적으로 배치되는 것은 검출 방법 기능성에 있어서 중요하다. 일부 실시태양들에서, 흡수 스펙트럼은 주로 조사 스펙트럼의 '절반" (예를들면, 중심 파장에 대하여 좌 또는 우측) 내에 통합된다. 예시적 도 12에서, 감지층 흡수 스펙트럼은 주로 광원의 조사 스펙트럼 좌측 절반에 통합된다.
흡수 스펙트럼 폭에 비하여 조사 스펙트럼 경사가 급할수록, 흡수 특성 변화에 대한 검출 방식 감도가 더욱 높다는 것을 이해하여야 한다. 그러나, 일반적으로, 감지층은 상이한 분석물 농도에 따라 조사 광원 중심을 변경할 수 있어야 한다. 따라서, 흡수 스펙트럼은, 조사 광원 중심이 감지층에 의해 변경된다면, 또한 조사 스펙트럼 일측에 통합되는 것보다 조사 스펙트럼 양측에 영향을 주도록 구현될 수 있을 것이다. 또한 흡수 대역의 FWHM은 조사광의 FWHM의 폭 또는 그 이상일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 경우, 흡수 스펙트럼이 효과적으로 조사 스펙트럼의 절반을 제거할 수 있도록 두 대역들은 충분히 멀리에서 비-중심적이어야 한다는 것을 이해하여야 한다. 그러나, 이러한 구성은 감지 시스템의 감도를 낮추므로 바람직하지 않다. 이러한 경우, 감지층의 흡수 대역 일부만이 입력광과 중첩되고 스펙트럼 분포를 변경시킨다.
일부 실시태양들에서, 광대역 조사원 대신, 다중 파장 방출 레이저 (예를들면, 특정 다중 파장 (또는 광대역 레이저) 다이오드) 또는 레이저 다이오드들 조합이 사용된다. 이러한 실시태양들에서, 방출 파장 일부는 감지층의 흡수 대역에 의해 영향을 받고, 다른 부분은 영향을 받지 않는다. 방출 파장에서 강도의 상대적 변화는 방출선들 중심의 스펙트럼 이동을 측정하는 하나의 파장 중심 검출기로 측정될 수 있다.
전기된 바와 같이, 광원 및 감지층과의 상호 작용은 스펙트럼 입력광 분포 중심을 측정하는 파장 중심 검출기를 이용하여 결정된다. 이러한 목적으로 사용될 수 있는 많은 질의 (interrogation) 방법이 있다. 이러한 목적으로 특히 적합한 것은 입력광 파장 측정 작업을 위치-감지 검출기에서 광점 위치를 정확히 측정하는 것으로 효과적으로 변환하는 파장 이동 검출 방법이다. 파장 정보는 측방 가변 코팅물을 포함하는 검출기를 통해 위치 정보로 부호화된다. 예를들면, 하나의 유용한 검출기는 pm 이하의 파장 변경을 분해하는 소형의 신속한 파장 모니터이다.
일부 실시태양들에 의하면, 그리고 도 13을 참조하면, 위치 감지 장치 (1306) 및 필터 (1304) (예를들면, 선형 변수 필터)를 포함하고 입사광 파장 정보를 위치 감지 장치 (1306)에서 공간 강도 분포로 변환시키는 검출기 (1302)가 도시된다. 위치 감지 장치 (1306) 두 인접 요소들 (1308, 1310)의 차동 지시를 이용하여 분포 중심을 결정한다. 입사광 파장 변화는 분포 중심 이동으로 검출된다. 검출기 (1302)는 파장 모니터로 기능하고, 자극에 대한 응답으로 파장 이동을 발생시키는 임의의 광학 센서에 대한 판독 유닛으로 사용된다.
도 13을 더욱 참조하면, 변경된 입력광의 파장 정보는 필터 (1304)를 통하여 공간 정보로 변환된다. 상이한 필터 방법들, 예를들면 약간 상이한 특성들을 가지는 대역통과 필터 또는 전기된 바와 같이 선형 변수 필터를 사용할 수 있다. 선형 변수 필터 (1304)는 소정의 파장 광을 소정의 위치로만 전송하고, 따라서 위치-의존성 대역통과 필터로 작용한다. 예시로써, 도 13에 도시된 선형 변수 필터 (1304)에 있어서, 단 파장은 좌측으로 전달되고, 장 파장은 우측으로 전달된다. 전송된 광은 위치 감지 장치 (1306), 예컨대 포토다이오드 (PD), 일부 실시태양들에 의하면 중간에서 분할될 수 있는, 소위 분할 다이오드에 의해 검출된다. 위치 감지 장치 (1306) 분할 다이오드의 두 분리 구역 (1308, 1310)은 구역 I 및 구역 II라고도 칭하며 도 13에 도시된다. 필터 (1304) 투과 파장 스펙트럼의 절반은 위치 감지 장치 (1306)의 구역 I에서 검출되고, 파장 스펙트럼의 다른 절반은 위치 감지 장치 (1306)의 구역 II에서 검출된다.
따라서, 광 검출기 구역 (1308, 1310) 에서 형성된 (흡수 양자들에 비례하는)광전류로부터, 파장 영역에서의 광 분포 중심을, 예컨대 검출 구역 I 및 II로부터의 광전류들의 차를 구하고 차를 광전류의 합으로 나누어 결정할 수 있다. 인접 검출기 요소들 (1308, 1310)에 의해 생성된 광전류를 비교함으로써, 전달 광 중심의 실제 위치에 대한 측정치가 얻어진다. 강도 변동에 대하여 판독 신호를 안정화하기 위하여, 신호를 총 입력 강도로 정규화하고 전형적으로 차동 신호 (S_Diff) 라고 칭하고, 다음과 같이 표현된다:
도 14는 다양한 실시태양들에 따른 배터리 관리 시스템 검출기를 도시한 것이다. 도 14에 도시된 실시태양에서, 감지층 광학 센서는 감도 증가를 위하여 광원 조사 스펙트럼의 절반에 완전히 통합되는 흡수 스펙트럼을 가진다. 검출기 (1402)는 스펙트럼 전 범위가 조사 스펙트럼을 통합하도록 설계된 파장-의존성 필터 (1404) (예를들면, 선형 변수 필터 또는 LVF)를 포함한다. 따라서, 필터 (1404) 중심 파장은 광원 중심 파장과 동일하다. 일부 실시태양들에 의하면 위치 감지 장치 (1406)는 필터 (1404)와 중심이 일치되는 분할 포토다이오드 (구역 I 및 II)로서 구현되는 포토다이오드 (PD)를 포함한다. 두 대표적인 경우들이 예시적으로 도 14에서 표기된다 (곡선 1 및 2 참조). 변환 기작에 따라, 광원 스펙트럼은 반드시 기재된 방식으로 변환될 필요는 없다는 것을 이해하여야 한다. 예를들면, 거동 감소 대신 분석물 농도로 흡수가 증가될 수 있고 또는 예를들면 형광이 발생할 수 있다.
도 14에 있어서, 광원 스펙트럼은 변환 재료라고도 칭하는 감지층의 흡수 특성들에 의해 변경된다. 조사 광원은 소정의 FWHM 및 중심 파장 λ중심,광원으로 특정된다. 감지층의 흡수 특성은 소정의 FWHM 및 중심 파장 λ중심,Abs에 의해 기술된다. 전기된 바와 같이, 필터 (1404)는 선형 변수 필터 (LVF)이고 위치 감지 장치 (1406)의 포토다이오드 (PD)는 분할-다이오드이고 포토다이오드 구역 I 및 II를 가진다. 또한 두 포토다이오드 구역 I 및 II에 대한 검출 범위는 위치 감지 장치 (1406)에서 파장 축으로 연장되는 점선으로 표기되는 바와 같이 파장 축 (x 축)의 스펙트럼 플롯에 표기된다. 상이한 분석물 농도들을 가지는 두 상이한 상황들이 도 14에 도시된 스펙트럼 1 및 2에 도시된다. 상황 1에서는, 분석물이 존재하지 않는다; 따라서 흡수 딥은 가장 크고 광원 스펙트럼 중심은 우측 (λC1로 표시)에 놓인다. 분석물 농도가 증가하면, 스펙트럼 2에 표기된 바와 같이 흡수 딥은 감소된다. 따라서, 이 경우 위치 감지 장치 (1406)의 광 분포 중심은 상이한 중심 파장 λC2로 표기된 바와 같이 좌측으로 이동된다. 이러한 중심 이동으로 구역 I 및 II에서의 광전류 변화, 및 따라서 상기된 바와 같이 위치 감지 장치 출력 신호 변화 S_Diff로 이어진다. 가시적 효과를 위한 파장 중심 이동은 도 14에서 과장된다는 것을 이해하여야 한다. 실제 응용에 있어서는, 이동는 더욱 작을 것이다. 그러나 상기 위치 감지 장치 (1406)는 가장 최소한의 중심 변화에도 고도로 민감하다.
실시예 1 - 분석물 부재
분석물이 존재하지 않으면, 흡수 중심 파장 λ중심,Abs 주위에서 최대 흡수가 발생된다. 위치 감지 장치 (1406)는 포토다이오드 구역 I 및 II 에서의 강도를 비교하여스펙트럼 분포 중심을 결정한다. 상당한 흡수가 스펙트럼 좌측 (포토다이오드 I)에서 발생되면, 더 많은 양자들이 구역 II로 전달되고 (따라서 구역 II에서 더 큰 광전류가 발생되고) 따라서 변경된 광원 스펙트럼 중심은 광원 중심 파장 λ중심,광원 우측에 놓이고 λC1로 칭한다.
실시예 2 - 분석물 존재
감지층 특정 분석물이 존재하면, 감지층 흡수가 감소되고 흡수 딥은 약간 감소한다. 상기 실시예 1과 비교하여, 더 많은 양자들이 포토다이오드 I로 전달되고 변경된 광원 스펙트럼 중심 λC2 은 좌측으로 이동하지만, 여전히 광원 스펙트럼 우측 구역에 잔류한다.
도 15는 파장 중심 검출기가 변경된 광원 스펙트럼 중심 변화를 결정하기 위하여 광원 스펙트럼의 소정의 일부만을 이용하는 다른 예시적 감지 방식을 보인다. 검출기를 감지층 흡수 대역에 맞추어 설계한다면, 선형 변수 필터 투과 스펙트럼은 도 15에서 각각 구역 I 및 II로 표시된 분할 다이오드의 두 감지 구역들로 표기된 바와 같이 센서 흡수 대역보다 약간 더 넓게 설계될 수 있다. 도 15에서, 중심 파장 λ중심,Abs을 가지는 특징적 흡수 딥이 도시된다. 곡선 1은 감지물질이 없는 상황이다. 곡선 2는 감지물질이 존재하는 상황이다. 선형 변수 필터의 파장 범위는 분할 다이오드의 각각 구역 I 및 II로 표시된 두 검출 구역들에 의해 표기된다. 검출 구역 I 및 II는 각각 A11, A12, A21, 및 A22로 표기되는 곡선 1 및 2 아래 면적에 감지된다,
감지물질이 없는 상황에서는, 감지층 흡수로 생성되는 딥은 도 15에서 도시되고 곡선 1로 표시되는 투과 스펙트럼으로 관찰된다. 검출 구역 I의 전압 신호는 곡선 1 아래 면적 A11에 비례하고, 검출 구역 II의 전압 신호는 곡선 1 아래 면적 A12에 비례한다. 따라서, 광 강도 중심은 검출 구역 I 및 II에서 발생된 광전류 신호들ㅇ르 이용하여 정확하게 측정/결정될 수 있다.
감지 재료의 흡수 코팅물이 감지물질에 의해 영향을 받으면, 흡수 코팅물은 흡수 특성들을 변화시킨다. 이러한 상황은 도 15에서 곡선 2로 표기된다. 특히, 감지물질 농도가 증가하면, 흡수 딥은 점차 작아지고, 이는 도 15에서 곡선 2 및 곡선 1 비교로 보여진다. 검출 구역 I에서 발생되는 광전류는 여전히 곡선 2 아래 좌측 면적, A21에 비례한다. 동일한 방식으로, 검출 구역 II에서 광전류 신호는 여전히 곡선 2 아래 우측 면적, A21에 비례한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 조사 스펙트럼의 단조 상승/하강으로 인하여, A11 내지 A21 및 A12 내지 A22 간의 정규화 면적 변화는 동일하지 않다. 수학적으로 다음으로 표현된다.
도 16은 곡선 1로 표시되는 감지 특성 및 중심 파장 λC1 및λC2에 의한 파장 중심 검출기의 대표적인 출력 신호 S_Diff_1 및 S_Diff_2를 도시한 것이다. 도 16에 도시된 곡선 1로 표기되는 검출기 특성으로 인하여, 파장 λC 영역 중심 변화 (예를들면, λC1 에서 λC2)로 인하여 검출기 출력 신호 S_Diff 변화로 이어진다. 따라서, 감지 재료 흡수가 변화될 때 센서 신호 변화를 검출하는 것이 가능하고 따라서 개시된 감지 원리를 이용하여 높은 정확도로 강도 변조 센서 판독하는 것이 가능하다.
전기된 바와 같이, LixC6 / Li1-xCoO2 배터리 셀의 과충전 및 과방전은 전해질 분해 반응들으로 기인되는 상당한 기체 발생으로 이어진다. 과충전 및 과방전에 대하여 분해 반응들이 다르지만, 크로마토그래피 기체 분석에 의하면 두 경우 모두 검출 기체 부피 중CO2 가 가장 높은 부피를 차지한다는 것을 보였다 (> 70%).
따라서, CO2 는 상업적 Li-이온 셀들에 대한 과충전, 과-방전, 누출, 셀 남용, 셀 형성 및/또는 노화 기전을 감시하기 위하여 Li-이온 배터리 화학 내부에서 선택적인 화학적 감지에 대한 매력적인 후보물질이다. 예를들면, 2-10% (부피비) 범위의 CO2 농도는 셀 노화를 의미하고, 10% 이상은 과충전/과방전을 나타낸다. 대안 또는 장래 배터리 화학에 있어서 다른 자유 또는 용해 기체들이 더욱 양호한 지시제일 수 있다.
도 17은 내부 광섬유 감지를 이용한 자체 내부 화학적 측정, 예를들면, 자유 또는 용해 기체 농도 측정을 위한 실험적 테스트 설정을 보인다. 먼저, 섬유 센서들 (1710)이 배터리 셀 (1701)의 측면 파우치 (1702)에 구현된다. 측면 파우치는 배터리 셀 초기 형성 과정에서 기체성 부산물 회수에 사용될 수 있는 배터리 셀 표면의 잉여부이다. 이것은 형성 사이클 과정에서 셀 성능에 부정적 영향을 미칠 수 있는 셀 스택 "팽창"을 방지한다. 형성 단계 후 (및 상업적 배터리 셀을 고격에서 배송하기 전) 측면 파우치를 제거하고 셀을 재-밀봉한다.
광섬유 센서들 (1710)을 위한 입력광은 할로겐 광원 (1720)에서 제공되었다. 광섬유 센서들로부터 출력광은 분광기 (1730)로 분석되었다. 셀 (1701) 내부 온도는 서미스터 (1740)로 감지되고 측면 파우치 온도는 서미스터 (1741)로 감지되었다.
본 실험의 전체적인 목적은 잠재적 위험 조건들 및 노화 영향을 검출하기 위하여 배터리 환경에 대한 FO 화학적 감지 적용 가능성을 연구하는 것이므로, Li-이온 배터리에서 상당한 기체 발생이 알려진 비교적 공격적인 과충전 사이클을 선택하였다. 도 18은 과충전 영역으로 배터리를 사이클하는 과정에서 배터리 셀에서의 기체 발생 결과를 보인다. 곡선 (1801)은 셀 전압; 곡선 (1802)는 정규화 기체 센서 신호; 곡선 (1803)은 내부 셀 온도; 및 곡선 (1804)는 센서 위치에 인접한 측면 파우치 온도이다 .
충전 주기 동안, 셀 전압 (1801)은 ~1.9h에서 정규 최대 전압 4.4V을 초과하였다. 전압은 t ~ 2.1 h에서상당한 변동이 있었고, 점선 원 (1801a)으로 표기된다. 셀 전압 (1801)은 컷오프 전압 4.7 V 도달 전에 충전 과정에서 일시적 감소되고, 이는 셀 내부 저항 변동을 나타내고 충전 곡선에서 전압 “딥"으로 이어진다. 이러한 비정상 셀 거동은 다른 셀에서도 관찰되고 때로 상당한 셀 표면 온도 증가 ΔT = 15C가 동반된다. 과충전 조건들에서 셀 작동은 또한 연장 시간1.5 h 동안의 과충전 과정에서 CO2 센서 신호의 상당한 증가와도 상관된다.
전체적으로, 센서 신호 증가는 과충전 조건 (V > 4.4 V)에 대하여 언제나 지연된다. 임의의 특정 이론에 구속되지 않고, 이는 여러 이유들 때문일 수 있다. 먼저, 정격 상위 수준인 4.4 V 이상의 정확한 셀 전압에서 전해질 분해 효과가 개시되고 기체 발생이 시작되는지를 알 수 없다. 둘째, 본래 지점에서 배터리 셀의 측면 파우치에 있는 화학적 감지 섬유까지의 기체 확산 과정에 의한 소정의 시간 지연이 감안되어야 한다. 감지 섬유 안정성이 공격적인 셀 화학에 적응될 수 있다면 이러한 지연은 활성 물질을 더욱 가까이 구현함으로서 완화될 수 있다. 완전성을 위하여, FO 화학적 센서의 시간 상수가 고려되어야 한다. 그러나, 본 연구에서 관찰되는 신호의 상승 시간과 비교하면, 수초 내에 있는 감지 시간 상수는 무시할 수 있다.
측정된 화학적 센서 신호를 평가하여, 다중 과충전 이벤트 과정에서 기체 발생을 명백하게 검출할 수 있다. CO2외에도, 기타 기체 종들이 과충전 이벤트 과정에서 발생될 수 있지만 전해질 분해 과정에서 발생된다고 알려진 기체들과의 교차-감도는 본원에 기재된 센서들에서 예상되지 않는다.
본원에 개시되는 시스템, 장치, 또는 방법은 본원에 기재된 하나 이상의 특징들, 구조체들, 방법, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를들면, 장치 또는 방법은 본원에 기재된 하나 이상의 특징들 및/또는 과정들을 포함한다. 이러한 장치 또는 방법은 반드시 본원에 기재된 모든 특징들 및/또는 과정들을 포함할 필요는 없지만, 유용한 구조체들 및/또는 기능성을 제공하는 선택적 특징들 및/또는 과정들을 포함하도록 구현될 수 있다.
Claims (26)
- 전기화학적 배터리 내부에 배치되도록 구성되는 하나 이상의 광섬유 센서들로서, 각각의 광섬유 센서가 입력광을 수신하고, 상기 입력광 및 상기 배터리의 내부에 존재하는 자유 또는 용해 기체량에 기초하여 가변되는 출력광을 제공하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 광섬유 센서들;
상기 하나 이상의 광섬유 센서들에 상기 입력광을 제공하도록 구성되는 광원;
상기 출력광을 검출하고 상기 출력광에 응답하여 전기적 검출기 신호를 발생하도록 구성되는 검출기; 및
상기 자유 또는 용해 기체량이 제1 한계치에 있거나 또는 그 이상임을 나타내는 검출기 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리가 제1 배터리 상태에 있는 것으로 결정하고, 상기 자유 또는 용해 기체량이 상기 제1 한계치와는 다른 제2 한계치에 있거나 또는 그 이상임을 나타내는 검출기 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리가 제2 배터리 상태에 있는 것으로 결정하도록 구성되는 배터리 관리 회로를 포함하는, 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 배터리를 충전하도록 구성되는 충전 회로를 더 포함하고, 상기 배터리 관리 회로는 상기 배터리의 충전 상태를 결정하고 상기 충전 상태에 기초하여 상기 충전 회로를 제어하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 부하와 연결되는 부하 관리 회로를 더 포함하고, 상기 배터리 관리 회로는 상기 배터리의 충전 상태를 결정하고 상기 충전 상태에 기초하여 상기 배터리로부터 상기 부하의 해제, 상기 배터리와 상기 부하의 연결, 상기 부하의 감소, 및 상기 부하의 증가 중 하나 이상을 수행하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 기체는 CO2를 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 기체는 O2 및 CH4 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광섬유 센서들은 제1 광섬유 센서 및 제2 광섬유 센서를 포함하고,
상기 제1 광섬유 센서는 CO2에 민감하고,
상기 제2 광섬유 센서는 제2 기체에 민감한, 시스템. - 제6항에 있어서, 상기 제2 기체는 탄화수소 기체인, 시스템
- 제7항에 있어서, 상기 탄화수소 기체는 C3H8, C2H6, 및 CH4 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 제2 기체는 O2, HF, CO, 및 H2 중 하나 이상을 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 회로는 상기 검출기 신호와 한계값의 비교에 기초하여 비정상 기체 발생을 검출하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 회로는 상기 검출기 신호 변화 속도에 기초하여 비정상 기체 발생을 검출하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 회로는 현재 검출기 신호 값 및 검출기 신호 변화 속도의 수학적 조합에 기초하여 상기 배터리 내에서의 비정상 기체 발생을 검출하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 회로는 상기 검출기 신호에 기초하여 상기 배터리의 정상 충전 상태, 과충전 상태, 과방전 상태 중 하나 이상 간을 판별하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광섬유 센서들은 상기 배터리 내에 존재하는 다중의 기체들을 각각 감지하도록 구성된 다중의 광섬유 센서들을 포함하고;
상기 검출기는 각각의 검출기 요소가 특정 광섬유 센서로부터 출력광을 수신하는 다중의 검출기 출력 신호들을 제공하는 다중의 검출기 요소들을 포함하고;
상기 배터리 관리 회로는 상기 다중의 검출기 신호들의 값들을 비정상 반응과 연관된 한계값 세트 내의 값들에 각각 비교함으로써 상기 배터리 내의 비정상 반응을 식별하도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 회로는 상기 검출기 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 배터리 충전 및/또는 방전을 개시, 중지, 및/또는 적응적으로 속도를 조정하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 회로는 상기 배터리의 pH를 측정하도록 상기 검출기 신호를 사용하고, 상기 측정된 pH에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리의 상태를 결정하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 기체는 CO2를 포함하고;
상기 배터리 관리 회로는 상기 검출기 출력 신호를 CO2 한계값에 비교하고, 상기 검출기 출력 신호가 상기 CO2 한계값을 초과하면 상기 배터리의 충전을 중지하도록 구성되는, 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 배터리의 상태는 상기 배터리의 건강 상태를 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 외부에 배치되어, 상기 배터리로부터 누출된 외부 기체의 존재를 감지하도록 구성된 적어도 하나의 광학 센서를 더 포함하는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 회로는 상기 검출기 신호에 기초하여 배터리 고장을 예측하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 회로는 상기 검출기 신호에 기초하여 열 폭주를 예측하도록 구성되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배터리의 상태를 결정하는 것은 상기 배터리의 충전 상태를 결정하는 결정하는 것을 포함하고,
상기 시스템은 상기 충전 상태에 기초하여 상기 배터리의 충전 및 방전 중 적어도 하나를 제어하는 것을 더 포함하는, 시스템. - 전기화학적 배터리의 케이스 내부에 배치되도록 구성되는 하나 이상의 광섬유 센서들로서, 각각의 광섬유 센서가 입력광을 수신하고 상기 배터리의 내부에 존재하는 기체량에 기초하여 가변되는 출력광을 제공하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 광섬유 센서들;
상기 하나 이상의 광섬유 센서들에 상기 입력광을 제공하도록 구성되는 광원;
상기 출력광을 검출하고 상기 출력광에 응답하여 전기적 검출기 출력 신호를 발생시키도록 구성되는 검출기;
상기 배터리를 충전하도록 구성되는 충전 회로; 및
상기 기체량이 제1 한계치에 있거나 또는 그 이상임을 나타내는 검출기 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리가 제1 배터리 상태에 있는 것으로 결정하고, 상기 기체량이 상기 제1 한계치와는 다른 제2 한계치에 있거나 또는 그 이상임을 나타내는 검출기 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리가 제2 배터리 상태에 있는 것으로 결정하도록 구성되는 배터리 관리 회로로서, 피드백 정보를 상기 충전 회로에 제공하여 적어도 부분적으로 상기 검출기 신호에 기초하여 배터리 전극들의 형성을 제어하도록 구성되는, 상기 배터리 관리 회로를 포함하는, 시스템. - 제23항에 있어서, 상기 배터리 관리 회로는 상기 배터리 전극들의 SEI(solid-electrolyte interface) 층의 형성을 제어하고 및/또는 상기 배터리 전극들의 균열 형성을 회피하도록 구성되는, 시스템.
- 전기화학적 배터리 내에서 상기 배터리의 내부에 존재하는 자유 또는 용해 기체량을 광학적으로 감지하는 단계;
상기 감지된 기체량에 응답하여 전기적 출력 신호를 발생시키는 단계;
상기 자유 또는 용해 기체량이 제1 한계치에 있거나 또는 그 이상임을 나타내는 검출기 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리가 제1 배터리 상태에 있는 것으로 결정하는 단계; 및
상기 자유 또는 용해 기체량이 상기 제1 한계치와는 다른 제2 한계치에 있거나 또는 그 이상임을 나타내는 검출기 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 배터리가 제2 배터리 상태에 있는 것으로 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 전기화학적 배터리의 내부에 배치되도록 구성되는 하나 이상의 광섬유 센서들로서, 각각의 광섬유 센서가 입력광을 수신하고 상기 입력광 및 상기 배터리 내부에 존재하는 자유 또는 용해 기체량에 기초하여 가변된 출력광을 제공하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 광섬유 센서들;
상기 하나 이상의 광섬유 센서들에 상기 입력광을 제공하도록 구성되는 광원; 및
상기 출력광을 검출하고 상기 출력광에 응답하여 전기적 검출기 신호를 발생시키도록 구성되는 검출기로서, 상기 전기적 검출기 신호는 상기 자유 또는 용해 기체량이 제1 한계치에 있거나 또는 그 이상이라는 결정에 응답하여 상기 배터리가 제1 배터리 상태에 있음을 나타내거나, 또는 상기 자유 또는 용해 기체량이 상기 제1 한계치와는 다른 제2 한계치에 있거나 또는 그 이상이라는 결정에 응답하여 상기 배터리가 제2 배터리 상태에 있음을 나타내는, 상기 검출기를 포함하는, 시스템.
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