KR102299116B1 - 통합 환경 감시 장치를 이용한 배터리 보호 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 보호 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리를 포함하는 공간 내에 설치된 가스 센서를 이용하여 측정된 센서 신호값을 바탕으로 구한 EMA에 허용 민감도, 하한 한계값 등을 참고하여 가스 누출을 조기에 감지하는 알고리즘, 또한 센서의 오작동을 방지하기 위한 누적 경고 지수 알고리즘과 비교 센서를 이용한 방법과 배터리의 환경을 감시하기 위해 설치한 환경 감시 센서를 이용하여 배터리가 포함된 공간내 결로와 수분 집결지점을 예측하는 등을 포함하는 배터리 보호 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

통합 환경 감시 장치를 이용한 배터리 보호 장치{Battery protection method and apparatus using integrated environment monitoring system}
본 발명은 배터리를 감싸는 함체 또는 공간 내 운영 환경과 배터리 손상 여부를 감시하고 화재위험으로부터 배터리를 보호하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 센서로 부터 측정된 센서 신호값을 바탕으로 구한 평균값과 여러 가지 허용 임계치 등을 참고하여 가스 누출을 조기 감지하는 알고리즘 또는 가스 센서의 오작동을 방지하기 위한 다양한 알고리즘 등을 포함하여 열 폭주를 방지하는 배터리 보호 장치에 관한 것이며 열폭주가 임박할 때 발생하는 연기나 분진을 감지하여 즉각적인 소화장치를 작동하여 화재를 예방하는 배터리 보호 장치에 관한 것이다.
또한 배터리를 포함하는 함체나 공간내의 환경을 감시하여 결로나 국지적인 수분 집결현상을 예측하는 알고리즘을 포함하는 배터리 보호 장치에 관한 것이다.
일반적으로 배터리는 제품군에 따른 적용이 용이하고, 우수한 보존성 및 높은 에너지 밀도 등의 특성을 가지고 있다.
또한, 화석 연료의 사용을 감소시킬 수 있다는 일차적 장점뿐만 아니라, 에너지 사용에 따른 부산물이 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 에너지 공급원으로 주목 받고 있다.
때문에, 배터리는 휴대용 기기, 전기차량, 전력 공급 시스템등 다양한 응용 분야에 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)으로 사용되며 다양한 산업의 기반이 됨과 동시에 일상 생활에 편의성을 제공해 주고 있다.
하지만, 이러한 배터리는 운영 중 사용 환경의 부주의나, 제조상 결함, 설치시 부주의, 미흡한 보호 설계 등이 잠재적 고장 요인으로 작용하여 지속적인 스트레스를 받게 된다. 이러한 지속적인 스트레스는 예컨대 배터리가 과충전되거나 수명이 소진될 경우, 배터리 내부 전해액의 전기적, 화학적 열적 반응을 위험수준으로 유도하고 배터리의 내부 압력을 증가시키며 배터리 내부에서 발생하는 전기적, 화학적 작용으로 인하여 결국 다양한 메카니즘을 통해 기화 분해된 전해액 가스가 배터리 외부로 배출되거나 배터리의 케이스가 부풀어 오르는 스웰링현상 등이 초래된다. 이러한 현상은 배터리의 수명 단축, 용량 저하시킨다. 또한 즉각적인 대응 조치가 이루어지지 않을 때, 배터리 내 가속화된 열적 화학적 반응으로 배터리 내부 분해된 내용물이 분진과 연기의 형태로 배출되며 결국 열폭주가 발생하며 이는 화재 및 폭발과 같은 사고로 이어질 수 있다.
실제 국내뿐만 아니라 해외에서도 배터리 시스템에 화재나 폭발 사고가 이어지고 있으며 그에 따른 직접적 경제적 손실과 배터리에 대한 화재 위험성에 대한 인식으로 에너지 산업 전반에 침체를 불러 오고 있다. 하지만 배터리가 가지고 있는 여러 장점과 앞으로 도래할 4차 산업의 필수 구성 요소로써 무궁한 잠재성을 가진 배터리 산업의 올바른 성장을 위해 주의 깊은 감시와 적절한 제어를 통한 배터리의 안정적 사용 요구와 잠재적 사고 요인으로부터 배터리를 보호할 높은 수준의 안전 설계가 요구 되고 있는 실정이다.
이에 따라, 배터리의 가스 배출 현상 감지 및 배터리 보호와 관련된 다양한 연구 개발이 진행되어 왔으며, 일례로 가스 측정 수단을 이용하여 배출된 가스의 농도 변화를 감지하는 기술이 공지된 바 있다.
그러나, 이와 같은 배터리 셀의 물리적 부피 팽창은 가스 누출이 충분히 진행되어야 발생되며, 배터리로부터 가스가 배출된다는 것은 배터리 내부의 손상이 이미 충분히 진행되고 있다는 것이며 배터리의 배출 가스 현상을 초기에 감지하여 적절한 대응이 이루어지지 않으면 열폭주 현상으로 진행되어 발화가 일어날 수 있는 위험성이 크다. 또한 배터리로부터 배출되는 연기나 분진은 열 폭주가 임박한 징후로 즉각적인 소방 대응을 하지 않으면 화재로 진행될 위험성이 매우 크다.
배터리 운영 환경 미흡 같은 외부 환경 요인도 배터리 화재의 주요 요인이 되고 있으며 이를 테면 배터리를 포함하는 공간내의 주변 온도와 배터리 표면의 온도 차이로 인해 결로가 발생할 수 있으며 이러한 수분은 특히나 분진과 결합하여 절연을 약화시켜 단락을 일으켜 화재 위험성을 증가시킨다. 또한 배터리를 저장하는 공간 내 벽체 이음새 부분의 부주의한 시공이나 외벽의 불충분한 단열 시공 등 여러 요인으로 인해 배터리를 저장하는 공간 내 국지적인 지점에 수분 집결이 있을 수 있다. 이로 인해 주변에 있는 배터리나 전기 시설물의 절연을 약화시키고 안전 사고의 위험성을 증대시킨다.
한국공개특허 제2017-0031940호 한국공개특허공보 제2009-0131573호 미국등록특허 제6204769호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 최적의 운영 조건 유지로 배터리 성능/수명/안전성 향상과 외부 환경요인에 의한 화재 위험성 감소와 배터리 손상 조건으로 인한 화재 위험성을 감소하기 위한 알고리즘을 포함하는 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 가스 센서를 이용해 배터리로부터 배출되는 가스를 감지한 가스 센서값을 통해 이동 지수 평균값 (EMA)를 연산하고, EMA를 바탕으로 허용 민감도(LB1), 하한 한계값(LB2)을 결정하고 상기 측정된 가스 센서값과 상기 허용 민감도 크기를 비교함으로써 센서의 민감도나 외부환경요인으로 인한 센서의 오작동을 줄이고 또한 상기 센서값과 하한 한계값을 비교하여 검출된 가스량의 위험 수준을 신속하게 판단하고 그에 따른 일정 단계의 알람을 관리자 단말기에 전송하는 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 분진 및 연기 감지 센서를 이용해 열 폭주 전 배터리로부터 배출되는 분진과 연기를 감지하여 상기 센서와 연계된 소화설비를 자동 가동하도록 하여 특정 위치에만 (상기 연계된 감지 센서가 설치된 공간) 직접적으로 소화를 함으로써 다른 장비들을 보호하고 궁극적으로는 배터리를 화재로부터 예방하는 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 배터리를 포함하는 공간내에 설치된 환경 감시 센서를 이용하여 배터리의 운영 환경을 감시하고 측정된 환경 변수를 통해 결로가 발생할 수 있는 조건을 계산하여 결로 현상을 예측하고 일정 단계의 알람을 관리자 단말기에 전송하는 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 배터리 시스템을 포함하는 공간내 여러 지점에 배치된 환경 감시 센서를 이용하여 배터리 실내 운영 환경을 감시하고 측정된 환경 변수를 통해 국지적 수분 집결이 발생할 수 있는 곳을 예측하여 그에 따른 경보를 관리자 단말기에 전송하는 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 배터리 보호 장치를 통해 제어하는 배터리 보호 장치를 이용한 알람 방법에 있어서, 배터리를 포함하는 함체 또는 공간내에서 배터리의 손상으로 인해 새어나오는 가스 검출로 가스의 량을 판단하여 경보를 발생하는 배터리 보호 장치를 이용하는 방법에 있어서, 배터리를 포함하는 함체 또는 공간 내에 설치된 가스 센서에서 i번째 시간에 측정된 가스 센서값(yi)을 통해 현 지수 이동 평균(현 EMA)값을 계산하여 이를 기준으로 센서의 허용 민감도(LB1)와 하한 한계값(LB2)을 결정하고 상기 yi를 LB1 과 LB2 과 비교 평가한다. 상기 yi가 LB1보다 클 때, 배터리가 정상상태라고 판단하며 알람 상수를 0(=정상)으로 정하고 상기 yi가 LB1과 LB2 구간 사이 일 때, 센서의 민감도에 의한 변화인지 배터리로부터 실제로 소량의 가스가 배출되는 지를 판단하기 위해 상기 yi값이 LB1과 LB2 구간사이에 머무르는 사이 연속적으로 감소하는 횟수를 누적 계산한 현 경고누적지수를 최대누적지수 와 비교하여 현 경고누적지수가 최대누적지수보다 작을시 알람 상수를 0(=정상)으로 정하며 그렇지 않을시 1(=주의)로 정하고, 상기 yi가 LB2보다 작을 시, 배터리로부터 급격한 가스 배출로 판단하여 알람 상수를 2(=비상)으로 정한다.
본 발명은 배터리를 포함하는 공간 또는 함체 내부로 외부 공기가 유입되는 개구부가 존재하는 환경에서는 외부에 존재하는 가스가 유입되어 실내 또는 함체내부에 설치된 센서와 반응하여 경보를 발생하는 것을 방지하는 방법에 있어서, 배터리를 포함하는 실내 또는 함체 내에 배터리로부터 새어나오는 가스를 검출하는 가스 센서를 가스 감시 센서라 하고 배터리로부터 배출되는 가스로부터 영향을 적게 받는 배터리실내 또는 함체 내 개구부 근처에 설치되어 외부 유입 공기에 포함된 가스를 감지하는 가스 센서를 비교 센서라고 한다. 상기 비교 센서(Sensor X)에서 i번째 시간에 측정된 센서값(xi)으로 가스 유출이 없다고 판단될 때, 이를테면 상기 xi로 계산된 현 경고누적지수x가 0일 때, 알람교정지수(cf)를 1로 정한다. 상기 xi로 가스 유출이 판단되었을 때, 검출된 가스가 외부에서 유입된 것인지 배터리로부터 배출된 것인지 판단하기 위해 다음과 같은 추가 계산을 진행한다. 상기 xi로 구한 현 지수 이동 평균값 (현 EMAx)에서 xi를 뺀 값을 상기 현 EMAx으로 나눈 값인 신호 변화 백분율(노름 Hx)을 구하고 상기 노름 Hx에 시간 간격(dt)을 곱하여 신호 변화 백분율 면적을 구한다. 상기 비교 센서로부터 가스 검출이 판단되는 시간 동안 상기 백분율 면적을 계속 누적 합산하여 누적된 백분율(Ax)을 구한다. 이와 같은 방식으로 상기 감시 센서의 측정 센서값 (yi)과 상기 yi로 구한 현 지수 이동 평균값(현 EMAy)으로 누적 백분율(Ay)를 구한다. 상기 Ax 에서 상기 Ay를 뺀 값이 임계값보다 작을 때, 가스 유출원이 배터리라고 판단하며 상기 cf는 1로 정하고, 상기 Ax 에서 상기 Ay를 뺀 값이 임계값보다 클때, 가스원은 외부라고 판단하며 상기 cf는 0으로 결정한다. 계산된 상기 cf 값과 상기 감시 센서에서 결정한 알람 상수를 곱하여 최종 알람 상수를 재차 정의하고 관리자에게 전송한다.
본 발명은 배터리 보호 장치를 통해 가스 검출량에 따른 배터리 위험 상태를 나타내는 단계별 경고 발생을 위해, 매 측정 시간마다 샘플 데이터 구간(L, M)을 저장하고, 가장 최근 샘플된 M개의 데이터 개수로 구성된 가스 data 샘플 X와, data 샘플 X 이전에 기록된 L개의 데이터 개수로 구성된 기준 data 샘플 Y를 수집하고, 상기 가스 data 샘플과 기준 data 샘플의 평균값의 차이를 통계적 기법으로 분석하는 Two sample test를 수행(
Figure 112019118442408-pat00001
)한 후, t-통계값을 계산하여 t 분포도에 따른 p-value를 결정한다. 미리 정한 알람단계에 따른 유의수준과 계산된 p-value 값을 비교하여 알람 상수를 결정한다. 예를 들어 유의 수준을 0.05와 0.01로 정하여 p-value 값이 0.05보다 작고 0.01보다 클 때 알람 상수를 1(=주의)로 정하고 p-value 값이 0.01보다 작을 때 알람 상수를 2 (=비상)으로 정하여 전송한다.
본 발명은 배터리 보호 장치를 통해 가스 검출량에 따른 배터리 위험 상태를 나타내는 단계별 경고 발생을 위해, 매 시간마다 기록된 현 센서 신호 측정값(yi) 과 이전 센서 신호 측정값(yi-1) 의 차이를 상기 yi로 나눈 신호의 변화율(si)를 구하고 이를 가스 검출양에 따라 단계별로 미리 정의된 허용 변화율(S1 ,S2)과 비교하여 판단한다. 이를테면 배터리 보호 장치를 통해, S2 < si < S1 일 경우 알람 상수를 주의로 정하고, si < S2 일 경우 비상으로 정하여 경고를 발생하여 전송한다.
본 발명은 배터리 보호 장치를 통해 배터리의 정상 운영조건하에서 발생할 수 있는 가스 배출에 따른 배터리 열화 상태를 판단하기 위해, 충전 또는 방전시간동안 계산된 센서 신호 평균 변화율을 이용하여 운영 초기에 계산된 상기 변화율과 그 후에 계산된 변화율을 매 충/방전 싸이클이 종료되는 시점에서 비교하여 배터리의 열화 상태를 진단한다. 초기 배터리 운영 기간 동안, 즉 배터리의 열화가 거의 진행이 되지 않은 정도의 기간 동안, 기록된 평균적 센서 신호 변화율 중 가장 적은 값을 기준값이라고 정하고 그 이후로 기록된 평균 센서 신호 변화율을 기준값과 비교함으로써 배터리 초기 조건에 비해 열화 정도를 판단한다.
본 발명은 배터리 보호 장치를 통해, 분진 및 연기 감지 센서는 배터리의 열 폭주 현상이 임박했을 때 배터리로부터 배출되는 분진이나 연기를 감지하고 상기 감지 센서와 연계된 소화 설비를 이용하여 즉각적으로 소방대응을 함으로써 잠재적 화재를 조기 진압하여 배터리를 화재로부터 보호하는 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 배터리의 환경 감시를 통해 배터리를 보호하는 방법에 있어서, 환경 감시 센서에는 배터리가 설치된 공간 또는 함체내의 주변 온도와 주변 습도를 측정하는 온도 센서와 습도 센서 모듈을 포함한다. 또한 상기 공간 내에 설치된 배터리의 표면에 장착되어 배터리의 표면 온도를 측정하는 써머스터를 포함한다. 추가로 환경 감시 센서에서 공간내 분진을 측정하도록 분진 센서를 포함 할 수 있다. 측정된 온도와 습도를 이용하여 결로가 발생할 수 있는 조건 온도를 계산하고 결로 조건 온도와 배터리 표면에서 측정된 표면 온도와 비교하여 배터리 표면에서의 결로 현상을 예측한다. 즉, 상기 측정된 표면 온도가 결로 조건 온도보다 낮을 때 측정된 표면에서 결로가 발생할 수 있다고 판단한다. 따라서 표면 온도와 결로 조건 온도 차이가 허용 온도차보다 작을 때 알람 단계를 주의 또는 비상으로 정한다. 이때 분진 센서에 의해 감지된 분진의 양이 공간 내 어느 정도 이상이면 허용 온도차를 보다 크게 설정할 수 있다. 환경 감시 센서를 이용해 알람 단계를 관리자 단말기에 전송하는 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 환경 감시 센서를 통해 배터리의 운영 환경을 보호하는 방법에 있어서, 배터리가 설치된 공간 내 복수의 지점에 설치하고 설치된 지점의 주변 습도를 측정하는 환경 감시 센서 모듈을 포함한다. 상기 공간 내 각 지점에서 측정된 습도 데이터를 이용하여 상기 공간내 수분 집결 현상을 예측하고 그에 따른 경보 신호를 전송하는 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 복수의 배터리를 감싸는 모듈, 복수의 배터리 모듈을 감싸는 랙, 상기 랙 내의 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하고, 상기 랙내 상측판에 배치되는 가스 센서를 특징으로 하는 배터리 보호 장치를 포함한다.
본 발명은 배터리 모듈을 감싸는 랙, 상기 랙에 부착되는 배출팬, 상기 함체 외부 배출팬 근처 상부에 설치되어 배출팬을 통해 함체 외부로 배출되는 공기에 포함된 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서를 특징으로 하는 배터리 보호 장치를 포함한다.
본 발명은 배터리가 설치된 공간 내 배터리에서 배출되는 가스를 감지할 수 있도록 배터리 근처에 설치된 가스 감시 센서, 배터리가 설치된 공간내로 외부의 공기가 유입되는 개구부가 설치된 환경에서 외부로부터 유입되는 가스를 감시할 수 있으며 배터리로부터 배출되는 가스에 비교적 영향을 적게 받는 개구부 근처에 장착되는 비교 센서를 특징으로 하는 배터리 보호 장치를 포함한다.
본 발명은 복수의 배터리를 감싸는 모듈, 상기 모듈 내의 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하고, 상기 모듈 내 배치되는 가스 센서를 특징으로 하는 배터리 보호 장치를 포함한다.
본 발명은 복수의 배터리를 감싸는 모듈, 상기 모듈 내의 분진을 검출하고, 상기 모듈 내 배치되는 분진 및 연기 감지 센서를 장착하고, 분진 및 연기가 감지되었을 때 상기 모듈을 포함하는 공간을 자동으로 소화하는 장치;를 특징으로 하는 배터리 보호 장치를 포함한다.
본 발명은 배터리 모듈을 감싸는 랙, 상기 랙 상부에 설치되어 배터리로부터 배출되는 분진 및 연기를 감지하는 분진 및 연기 감지 센서를 장착하고, 분진 및 연기가 감지되었을 때 상기 랙 내부 또는 위부에 위치하여, 상기 랙 내부를 자동으로 소화하는 장치; 특징으로 하는 배터리 보호 장치를 포함한다.
본 발명에서 배터리를 감싸는 모듈, 상기 모듈 내에 배터리로부터 이격되어 설치된 주변 온도와 습도를 감지하는 온/습도 센서 모듈을 포함하는 환경 감시 센서와 배터리의 표면 온도를 측정하기 위해 배터리 표면에 직접 부착된 써머스터 온도 센서를 특징으로 하는 배터리 보호 장치를 포함한다.
본 발명에서 배터리를 감싸는 모듈, 상기 모듈 내에 배터리로부터 이격되어 설치된 주변 온도와 습도를 감지하는 온/습도 센서 모듈과 분진 센서를 포함하는 환경 감시 센서와 배터리의 표면 온도를 측정하기 위해 배터리 표면에 직접 부착된 써머스터 온도 센서를 특징으로 하는 배터리 보호 장치를 포함한다.
본 발명에서 가스 센서는 금속산화물, 화학저항식, 반도체식, 광이온, 및 적외선 센서를 포함한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 다양한 센서 응용과 함께 누적 경고 지수 알고리즘 또는 분석 알고리즘, 오작동 방지 알고리즘을 통해 신속 정확하게 경보를 발생하여, 배터리 사고의 위험성을 완화시키며 배터리 운용의 효율성과 안정성을 높일 수 있는 효과가 발생한다.
또한 본 발명은 여러 수준의 경보를 발생하여 양한 조건에 따라 나뉜 누적 경고지수를 통해 해당 알람을 관리자에게 통지하고 경보 수준에 따른 적절하고 차별화된 대응을 가능토록 함으로써 경보에 따른 불필요한 가동 중단 시간을 줄일 수 있고 보수 편의와 비용절감의 장점을 가진다.
도 1 a, b는 본 발명에 따른 배터리의 일례로 원통형 배터리의 외관과 기능 및 역할을 보여주는 도면이다.
도 2 a, b, c, d, e, f, g는 본 발명에 따른 배터리의 일례로 원통형 배터리를 배터리 모듈에 병렬 또는 직렬로 장착하고, 배터리 모듈을 수직으로 쌓아 전면이 투명한 보관함에 배터리 랙 내부에 장착하며, 이를 ESS 배터리 실내에 복수개 마련하고, 추가로 배터리 안전을 위해 장착한 센서와 팬 등을 보여주는 도면이다.
도 3 a, b, c는 와이어로 본드된 MEMS 기판 위의 센서와 그 사진과 통풍형 기판(302)을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 일실시예로 배터리 실내에 배치된 배터리 랙과 배터리 실에 설치된 외부 공기가 유입될 수 있는 개구부와 개구부 근처에 설치된 비교 센서와 배터리로부터 배출되는 가스를 감지하기 위해 랙 상단 배출팬 근처에 설치된 가스 감시 센서 등이 각각 배치된 배터리 보호 장치의 전체적인 모습을 보여주는 도면이다.
도 5a,도 5b, 도 5c은 가스 센서가 가스를 감지하여 감지된 가스의 농도량의 변화를 판단하여 알람단계를 결정하며 소량의 가스 검출 판단 될 때, 가스 센서의 민감도에 따른 센서의 오작동을 방지하도록 경고 누적 지수를 계산하고 이를 통해 알람 단계를 결정하는 플로우 차트이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 가스 감지시 가스 센서에서 측정된 센서 신호값 데이터로 시간에 따른 급격한 변화를 보여주고 매 측정 시간마다 계산된 센서 신호값으로 업데이트되는 지수 이동 평균값, 허용 민감도와 허용 한계값의 시간의 따른 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7, 도8, 도9는 본 발명의 일실시예에 따라 외부에서 가스가 배터리 실내로 유입될 때, 외부 가스가 유입되는 개구부 근처에 설치된 비교 가스 센서와 배터리 근처에 설치된 가스 감시 센서의 동시적 반응을 비교하여 감시 센서의 반응이 외부 가스에 의한 반응인지를 판단하는 알고리즘과 이를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 신호값으로 구성된 샘플 데이터 X, Y를 통해 가스 농도의 변화를 감지하는 알고리즘을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 실시간 센서 신호값의 변화율을 계산하여 가스 농도의 변화를 판단하는 알고리즘을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 적분기와 가스 검출기 적분 제어부를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 열화 상태를 감시하기 위해 충전 또는 방전 기간 동안 센서 신호값의 추이를 보여주는 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1 a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 일례로 원통형 배터리 셀(200)은 도 1b의 양극 단자(1)와 전해액 하우징(7)과 전해액 하우징(7)의 양단에서 쇼트를 방지하는 탑 인슐레이터(Top Insulator; 6)와 바텀 인슐레이터(Bottom Insulator; 8)를 포함하고, 상기 전해액 하우징(7) 내에는 양극/음극/세퍼레이터 권취 구성체가 함침되며, 전해액 누액 방비와 양극/음극 절연을 위한 개스킷(5)과 안전을 위해 전지 내압 상승 시 가스를 방출하는 벤트(4)와 내압 상승 시 벤트(4)에 의해 전류를 차단하는 CID(3) 등으로 구성된다.
도 2a는 배터리 셀(200)를 장착한 배터리 모듈(201)과 배터리 모듈(201)의 전단부에 서브 BMS(204)가 플레이트 형태로 부착되어 각 배터리 셀(200)의 상태를 관리한다.
도 2b는 모듈내 서브 BMS(204)와 연결된 통합 환경 감시 센서가 배치되는 지점을 표시하는 도면이다. 환경 감시 센서에는 온도센서와 습도센서를 포함하며 배터리를 감싸는 모듈 내 환경이 일정하다고 가정함으로써 측정된 온도와 습도는 공간의 주변 온도와 습도를 대표한다. 배터리의 표면 온도는 배터리에 부착된 써미스터 센서로 측정할 수 있다. 이로써 측정된 주변 온도와 습도 그리고 배터리 표면의 온도를 이용하여 배터리 표면에서의 결로현상을 예측한다.
도 2b는 서브 BMS(204)와 연결된 써미스터 온도 센서(200-2)를 표시하는 도면이다. 써미스터 온도 센서(200-2)는 볼트에 의해 배터리 단자 플레이트(200-1)와 배터리(200)가 각각 직병렬로 연결된 상태에서 배터리 단자 플레이트(200-1)의 일부 볼트 구멍에 끼워져 온도를 전달받아 측정하는 센서이다.
도 2c에서 본 발명에 따른 환경 감시 센서(200-5)의 위치는 모듈 전면부에 위치하고, 배터리 셀을 직병렬 연결하는 배터리 단자 플레이트(200-1)에 온도센서가 부착되어 여기서 측정된 온도는 배터리 표면 온도를 대표한다고 가정하였고 배터리 모듈(201) 내 습도 또한 모듈 공간 내 일정하다고 가정하여 결로 예측을 한다.
상기 환경 감시 센서(200-5)에는 배터리를 포함하는 공간 내 주변 온/습도를 감지하는 온도 습도 센서 모듈이 포함되며 배터리(200)로부터 이격되어 설치되어 가스를 감지하는 가스 센서 모듈을 포함 할 수 있고 공간 내 분진의 정도를 감지하는 분진 및 연기 감지 센서를 포함할 수 있다.
본 발명에서 환경 감시 센서는 환경 감시 센서와 연계된 BMS로 측정된 정보를 전송하고 상기 BMS는 전송받은 정보를 연산하여 경보 단계를 판단하고 이를 상위 BMS 또는 관리자에게 전송한다. 일실시예로 도 2d에 도시된 바와 같이 환경 감시 센서와 연계된 서브 BMS(204)는 환경 감시 센서의 측정값으로 연산하고 경보 여부 등을 계산 판단하며 이를 상위 BMS(203) 또는 관리자(예 : 관리자 단말기)에 전송한다.
본 발명에서 배터리 표면에서 결로 현상을 예측하기 위하여, 상기 배터리를 포함하는 공간 내 배치된 환경 감시 센서 모듈에서 측정한 주변 온도값, Ta,를 다음 수학식 1을 이용하여 포화수증기압 Psat을 구한다.
Figure 112019118442408-pat00002
그리고 포화수증기압 Psat과 상기 환경 감시 센서 모듈에서 측정된 상대습도 rh로부터 다음 수학식 2를 이용하여 현재 수증기압 Pvap를 구한다.
Figure 112019118442408-pat00003
그리고 현재 수증기압 Pvap로부터 다음 수학식 3을 이용하여 결로 온도 Td를 구한다.
Figure 112019118442408-pat00004
상기 계산된 결로 온도,Td,와 배터리 표면에 부착된 써머스터로 측정된 표면 온도, TS, 와의 차이값 (Td-TS)을 계산하여 그 차이값이 허용 온도 차이보다 작을시 결로 발생 가능으로 판단하여 1차 경고를 발생하고 그 차이값이 0과 같거나 작을시 결로가 형성된 것으로 판단하여 2차 경고를 발생하여 BMS를 통해 관리자에게 전송하도록 한다.
상기와 같은 방법으로 결로를 예측하더라도 공간내에 분진이 존재할 때, 수분과 분진의 결합으로 절연거리가 줄어 사고의 위험이 증대될 수 있다. 이러한 이유를 감안하여, 상기 환경 감시 센서에 분진 및 연기 감지 센서를 포함하고 있어서 상기 온/습도를 나타내는 공간 내의 분진의 대한 정보가 있을 때, 결로에 의한 경보를 판단하기 위해 사용한 허용 온도차를 보다 큰 값으로 정한다.
본 발명에서 배터리실내의 환경을 감시하고 배터리 운영에 최적의 환경을 제공하는 목적으로 배터리가 설치된 공간 또는 함체내 복수의 지점에 환경 감시 센서를 설치하고 설치된 지점의 주변 습도를 감시한다. 상기 공간 내 각 지점에서의 같은 시간에 측정된 습도 데이터 중 가장 큰 값과 가장 작은 값의 차이를 계산하여 공간 내 최대 습도 차이를 계산한다. 계산된 최대 습도 차이가 허용 습도차이를 넘어설 때, 가장 큰 값이 측정된 지점 인근에서 수분 집결 현상을 발생할 수 있다고 판단하여 관리자 단말기에 경보 신호를 전송한다.
도 2e는 전단부에 서브 BMS(204)를 장착한 복수개의 배터리 모듈(201-1 ~ 201-n)을 감싸는 랙(100)의 내부 상측부에 랙 BMS(203)가 위치하고, 열교환을 위해 랙 내부에서 외부로 강제 배출하는 경우, 상기 랙(100)의 상측부 중앙부 또는 전면부 중앙에 배출팬(101)이 설치된다. 도 2f는 도 2e의 랙(100) 대신 전면부가 외부로 노출된 창을 갖는 프레임을 더 설치하여, 서브 BMS(204)를 장착한 복수개의 배터리 모듈(201-1 ~ 201-n)을 외부에서 관찰할 수 있고, 상기 서브 BMS(204)의 측면이나 정면에는 내부 온도나 가스 센서 측정치 또는 알람 단계를 표시할 수 있는 디스플레이창이 더 형성될 수도 있다.
도 2g는 상기 도 2f의 랙을 복수개(100-1, 100-n) 나열한 도면으로서, 내부에 각각 배터리 모듈(201)이 설치되고 하나의 배터리 시스템 역할을 하게 된다.
랙(100) 상측판의 정 중앙에 배치되는 가스 센서를 이용하여 정확한 가스 유출을 검출할 수 있고, 랙 BMS(203)는 가스의 농도 변화를 실시간 구간 별로 판단하여 관리자에게 경보할 수 있다.
도 3a는 가스 센서(120)의 사시도와 절단면도와 시간에 따른 가스 측정치의 변화량(120-4)을 나타내는 그래프를 보여준다. 상기 가스 센서(120)는 MEMS 기판(120-3) 위에 복수개의 전극(electrode; 120-2)이 분리되어 형성되고, 상기 전극(120-2)의 중앙에는 표면에서 VOC 가스에 민감한 금속 산화물(120-1)이 상기 가스에 노출시 저항값이 변경되는 금속산화물(120-1)이 형성된다.
본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서(예 : MEMS형 VOC 가스센서; 120)의 동작 원리를 살펴보면, 금속 산화물(MEMS 기판 메탈 옥사이드, metal oxide; 120-1)가 전극(electrode; 120-2)에 본딩되어 가스를 검출한다. 상기 가스 검출이란 배터리가 운용되고 있는 공간에서 존재하는 상기 가스의 농도 변화를 말하며 센서 신호값이란 센서 감지 판이 공기와 접촉하여 변화하는 전기 신호를 말하며 전압 및 저항을 포함 한다. 예를 들면, 금속산화물 센서의 경우, 상기 가스에 민감한 금속 산화물(120-1)이 상기 가스에 노출시 금속 산화물 층의 전도도 변화를 측정하여 가스의 양을 결정한다. 측정된 센서 신호의 변화로 검출된 가스의 양을 판단하여 경보신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 센서는 금속산화물, 화학저항식, 반도체식, 광이온, 및 적외선 센서를 포함하는 모든 종류의 가스 센서를 일컫는다.
도 3b는 도 3a의 가스 센서를 자세히 보여주는 확대 사진과 내부 투과 사진이다.
상기 가스 센서(120)를 포함하는 센서 PCB 감지판(301)과 아날로그 디지털 컨버터(303)와 I2C 인터페이스(304)로 구성된다.
도 3c는 외부 공기 유입팬 배출팬(101) 상측부 또는 그 위치에 대신하여 설치되는 기판(300)으로서 관통홀(306)을 포함하는 통풍형 기판(302) 위에 상기 가스 센서(120)가 설치되는 가스감지판(301)과 상기 가스 센서(120)의 저항값을 전달받아 디지털로 변환하는 AD 컨버터(AD Converter; 303)와 I2C 인터페이스(304)가 형성된다.
본 발명에 따른 가스센서(120)는 강제 공기 흐름이 없는 경우, 주변 상온 온도에서는 배터리 이상으로 배터리로 부터 배출되는 가스는 위로 상승하는 경향이 있으므로 배터리를 감싸는 공간 내 상부에 배치하는 것이 바람직하다.
상기 가스센서(120')는 강제 공기 흐름이 있는 경우, 공기흐름 경로의 배출구에 설치하는 하며 강제 팬 근처에 설치하는 경우에는 공기 속도의 영향으로부터 영향을 덜 받도록 설치하여야 한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 배터리 실(100') 내에는 복수개의 배터리(200)를 감싸는 랙(100), 상기 배터리 실내 외부 공기 유입을 위한 개구부, 상기 개구부를 통해 유입되는 공기에 포함된 가스를 검출하는 비교 센서(120'), 상기 랙 내의 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하고, 상기 랙(100)내 상측부의 정 중앙에 배치되는 가스 감시 센서(120);를 포함한다. 상기 가스 감시 센서(120)는 상기 랙(100)의 외측 또는 내측에 배치될 수 있다.
아래 표 1을 참고하면, 본 발명은 상기 가스 센서를 이용하여 일반적으로 열 폭주 임박, 과용 조건, 정상 운용으로 나누어 경보 판단 기준을 정한다.
Figure 112019118442408-pat00005
이러한 기준은 이하에서 설명하는 알람 상수값 0에서 2까지로 분류되어 관리자에게 전송될 수 있다.
예를 들어 알람 상수 0은 정상 운용 단계, 알람 상수 1은 과용 단계, 알람 상수 2는 열 폭주 임박 단계로 분류될 수 있다.
도 5a, 도 5b, 도 5c에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예로서 (a) 측정된 가스 센서값(yi)을 통해 EMA(현 EMA)를 연산하는 단계;
(b) 상기 EMA로 LB1(허용 민감도), LB2(하한 한계값)를 계산하는 단계;
(c) 상기 yi < LB2 인지 확인하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에서 YES이면 알람을 2로 저장하는 단계;
(e) 상기 (c) 단계에서 NO이면, yi < LB1 인지 확인하는 단계;
(f) 상기 (e) 단계에서 NO이면, 상기 알람을 0으로 저장하는 단계;
(g) 상기 (e) 단계에서 YES이면 누적 경고지수(현 경고누적지수)를 계산하고 현 경고누적지수 < 최대 누적지수 인지 확인하여 YES이면 알람을 0으로 정하고 NO이면 알람을 1로 정하는 단계;
(h) 상기 알람을 관리자 단말기에 전송하는 단계;를 포함한다.
구체적으로 살펴보면, 가스 센서와 연계된 BMS를 통해 상기 알고리즘의 상수인 α, P, n을 미리 설정하고 매 시간마다 업데이트할 변수인 Alarm을 0으로 초기화하고, 측정된 y1을 현 EMA에 저장하고, 이전 EMA를 현 EMA로 정하며, 현 경고누적지수와 전 누경고누적지수를 각각 0으로 초기화하여 저장한다 (현 EMA = y1, 전 EMA=현 EMA, 현 경고누적지수=0, 전 경고누적지수=0, cf=1, i=2); 1단계).
그리고 yi(i=2)를 읽어 들이고 ((Read yi); 2단계), 현 EMA, 허용 민감도(LB1), 하한 한계값 (LB2)을 계산한다 (현 EMA = (1-α) × 전 EMA + α×yi, LB1 = 현 EMA × (1-P/100.0), LB2 = 현 EMA × (1-P × n/100.0)); 3단계), 상기 yi < LB2 인지 확인하는 5단계에서 YES이면 현 경고누적지수를 최대 누적지수로 저장하고(현 경고누적지수 = 최대 누적지수); 4-1단계), 상기 5-1단계 후에 알람을 2단계로 저장하며(Alarm = 2); 4-2단계), 5단계에서 NO이면, yi < LB1 인지 확인하고(5단계), 상기 5단계에서 NO이면, 현 경고누적지수를 0으로 저장하며(현 경고누적지수 = 0); 5-1단계), 알람을 0으로 저장하고((Alarm = 0); 5-2단계), 상기 5단계에서 YES이면(6단계), 상기 6단계 후에 현 경고누적지수를 계산하여 (7-1단계), 현 경고누적지수 < 최대 누적지수 인지 확인한다(7-2단계).
상기 7-1단계에서 현 경고누적지수를 결정하기 위해 yi < yi-1 인지를 판단하고 YES이면 현 경고누적지수는 전 경고누적지수에 1을 더하고, NO이면 전 경고누적지수 =1인지를 판단하여 YES 이면 현 누적 경고 지수를 1로 정하고 NO이면 현 누적 경고 지수는 이전 누적 경고 지수에서 1을 뺀 값으로 정한다.
상기 7-2단계에서 NO이면 알람을 0으로 저장하고((Alarm = 0); 8-1단계), 상기 7단계에서 YES이면 알람을 1로 저장하고 ((Alarm = 1); 8-2단계), 상기 알람을 관리자에게 전송하고 (9단계), 상기 9단계에서 현 시간에 저장된 데이터를 이전 데이터로 저장하고 i에 1을 증가 시키고 다음 시간으로 넘어간다(전 EMA = 현 EMA, 전 경고누적지수 = 현 경고누적지수, yi-1 = yi, i = i+1); 10단계)
일실시예로서 도 6에서 배터리 이상으로 인한 가스 검출을 나타내는 센서 신호값의 시간에 따른 변화를 보여주며 센서 신호값이 허용 민감도와 허용 한계값을 벗어난 경우 그에 따른 알람 상수를 결정하여 그에 따른 경보를 발생한다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명은 배터리가 설치된 실내나 함체에 외부 공기 유입을 위한 개구부가 장착되어 유입된 외부 공기에 포함된 가스에 의한 경보 오작동을 방지하기 위해, 상기 개구부 근처에 설치된 비교 센서 (Sensor X)에서 가스유출이 감지되면 상기 비교 센서와 배터리 가스 유출을 감지하는 감시 센서(Sensor Y)의 센서값을 비교 연산하여 알람 교정 상수(cf)를 결정한다. cf는 0 또는 1의 값을 가지며 가스 감시 센서에서 발생한 알람 값에 cf 값을 곱하여 알람값을 재차 정의한다.
상기 cf를 결정하기 위해, 비교 센서(Sensor X)에서 계산된 현 경고누적지수 > 0 인지 판단하고 (제1단계), 상기 1단계에서 NO 이면 cf = 1 정하고 (제2-1단계), YES 이면 전 경고누적지수 = 0인지 판단하여 (제2-2단계), 상기 2-2단계에서 YES이면 비교 센서 신호값을 이용하여 노름 Hx =(현 EMAx - xi)/현EMAx, Ax = 노름 Hx × dt를 계산하고 감시 센서 신호값을 이용하여 노름 Hy =(현 EMAy - yk)/현 EMAy, Ay = 노름 Hy × dt를 계산하며 (제3-1단계), 상기 2-2단계에서 NO이면 비교 센서 신호값을 이용하여 노름 Hx =(현 EMAx - xi)/현 EMAx, Ax= Ax+ 노름 Hx × dt를 계산하고 감시 센서 신호값을 이용하여 노름 Hy =(현 EMAy - yi)/현 EMAy, Ay= Ay + 노름 Hy × dt를 계산하고 (제3-2단계), Ax - Ay < 임계값을 확인하며 (제4 단계), 상기 4단계에서 NO 이면 cf =0로 저장하고 YES이면 cf=1으로 저장한다 (제 5단계)
도 8에서 도시한대로 본 발명에서 상기 cf를 이용하여 가스 감시 센서에서 발생한 알람값을 (cf × 알람)으로 재정의하고 관리자에게 전송한다. 이를 테면 cf=0 일 때, 감시 센서에서 감지한 가스는 외부에서 유입된 가스라고 판단하여 가스 감시 센서에서 발생한 알람을 0으로 재정의하며, cf=1일 때, 외부에서 유입된 가스의 영향이 없다고 판단하여 가스 감시 센서에서 계산된 알람 상수를 그대로 유지한다.
도 9에서 일례로 외부 공기 유입으로 가스가 감지되는 경우, 비교 가스 센서와 감시 센서의 시간에 따른 센서 신호값의 변화를 보여주고 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예로서 가스 센서를 이용하여 배터리에서 배출되는 가스를 검출하고 검출 가스 농도의 변화를 계산하고 그에 따른 경보를 발생하는 알고리즘은, 먼저 상기 가스 센서와 연계된 BMS를 통해 센서 신호 측정값의 이력 데이터를 두 샘플 데이터 구간으로 나누어 저장하는 것으로 시작한다.
상기 두 샘플 구간은 가장 최근 M개의 data 개수로 구성된 가스 data 샘플 X = [x1,x2, …, xM](총 M개)과, 상기 data 샘플이전에 기록된 L개의 데이터 개수로 구성된 기준 data 샘플 Y=[y1,y2, …, yL]으로 구성된다. 상기 가스 data 샘플과 기준 data 샘플을 통해 상기 가스 센서와 연계된 BMS가 가스 농도 변화량에 따른 농도의 이상 증가량을 판단하고 단계별 경고를 발생시킨다.
이를 테면 두 샘플 그룹의 평균을 비교하여 통계적 유의성을 분석하는 Two sample test를 수행(
Figure 112019118442408-pat00006
) 한다. 두 그룹의 평균값의 차이가 0이라는 가설 검정을 세우고 그에 따른 t-통계값을 계산하고 두 그룹이 이분산이라고 가정하여 자유도를 구한다. 상기 자유도에 따른 t 분포에서 p-value를 결정한다. 미리 정한 알람단계에 따른 유의수준과 상기 p-value 값을 비교하여 가설을 검증한다. 검증 결과에 따라 알람 상수를 결정한다. 즉 t-statistics 으로 두 그룹의 평균을 비교하여 가스 이상 증가 유무를 판단한다.
도 11에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예로서 가스 센서에서 측정된 센서 신호값을 바탕으로 가스 농도 변화량에 따른 단계별 경고 발생에 대한 알고리즘을 설명한다.
먼저 상기 가스 센서와 연계된 BMS를 통해 상기 가스 센서로부터 측정된 센서 신호값을 토대로 매 측정 시간마다 센서 신호 변화 백분율을 계산한다. 현 센서 신호 변화 백분율은 현 센서 신호값에서 이전 신호값을 뺀 값을 이전 센서 신호값으로 나눈 값으로 정의한다. 이를 테면, 현 시간 i일때, si = (yi - yi-1 )/ yi-1 로 구한다. 그리고 농도의 이상 증가량 판단 기준으로 미리 정의된 소량 검출 판단 기준(S1)과 급격한 가스 검출 판단 기준(S2)과 현 센서 신호 변화 백분율과 비교한다. 예를 들어 상술한 바와 같이 계산된 S1 < si < S2 일 경우 주의 경고를 발생하고, si > S2 일 경우 비상 경고를 발생한다.
도 12에 도시된 바와 같이 상기 가스 센서(120)에는 적분기가 더 부착될 수 있으며, 추가적으로 아날로그 디지털 컨버터(303)와 이를 연산하는 프로세서(305)를 통해 관리자에게 전송한다.
상기 도 12는 본 발명에 따른 적분기와 가스 검출기 적분 제어부를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 상기 센서 측정값의 변화를 측정하는 회로는 적분기(307), 비교기(308), AD 컨버터(303), 프로세서(305)로 구성되어 있다. 상기 적분기(308)는 제어전압(Vcc)를 공급받아서 가스 센서(120) 및 제1 저항(121)이 상기 제어전압(Vcc)을 분압한다. 상기 가스 센서(120)는 배터리가 정상상태일 때 600[Ω]이며 배터리가 이상 상태 인 경우에 상기 가스 센서(120)는 250[Ω]으로 순간적으로 감소하게 된다. 따라서 본 발명에서는 저항값 변화의 적분값을 검출하기 위한 적분기(307)를 기술적 특징으로 한다. 상기 적분기(307)에서는 정상적인 상태에서는 출력을 발생시키지 않지만, 일정 이상의 적분치에서는 출력을 발생시킨다. 더불어 상기 비교기(308)에서는 제1 커패시터(123) 및 제2 저항(122)이 위치한다. 상기 비교기(308)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 AD 컨버터(303)가 배치되며, 상기 AD 컨버터(303)의 출력신호를 처리하는 프로세서(305)의 신호를 바탕으로 랙 BMS(203) 또는 서브 BMS(204)를 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다. 따라서 상기 가스 검출기 적분 제어부는 가스 농도의 적분치를 바탕으로 배터리의 상태를 모니터링 하는 것을 특징으로 한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 가스 농도의 변화량을 감지하여 배터리 열화 상태를 점검하기 위해 충방전 기간 동안 가스 센서 신호값을 감시한다. 변화량란 배터리의 충전 또는 방전 기간동안 측정된 센서 신호값의 평균적 변화율을 말한다. 상기 센서 신호값에서 기준 신호값(500)을 뺀 값을 기준 신호값으로 나눈 센서 신호 변화율을 매 시간 계산하며, 기준 신호값(500)은 충전 또는 방전이 시작되는 시점에서 계산된 지수 이동 평균 센서 신호 값(501)을 말한다. 센서 신호 평균 변화율은 충전 또는 방전 기간 동안 계산된 센서 신호 변화율을 매 측정시간 더한 합계를 충전 또는 방전 시간 동안 기록한 측정 회수(N; 502)로 나눈 값을 말한다.
충방전 싸이클이 종료된 시점에서 센서 신호 평균 변화율과 초기 변화값을 관리자에게 보고하여 배터리 열화 상태를 점검한다. 상기 초기 변화값 비교 기준값이란 배터리 열화가 진행되지 않은 운용 초기동안 기록된 센서 신호 평균 변화율을 말한다. 충전 또는 방전 기간 동안 평균 변화율의 합산을 위해 도 12의 적분기를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 분진 및 연기 감지 센서는 공간 내 상기 가스 센서 (120)와 같은 곳에 배치하는 것이 바람직하다. 상기 감지 센서가 부착된 공간 또는 함체내에 설치 된 소화설비와 연계되어 분진 및 연기 감지 시 감지 신호를 소화설비에 직접 전송하여 작동하도록 한다. 또한 상기 감지 센서는 BMS와 연계를 통해 감지 신호를 관리자에게 전송하여 소화 설비가 작동 중임을 알릴 수 있다.
상기 분진 및 연기 감지 센서와 연계된 소화 설비는 랙 내부에 설치되어 직접 분사하거나 랙 외부에 설치되어 랙에 설치된 분사구를 통해 분사할 수 있도록 한다.
1 : 단자
3 : CID
4 : 벤트
5 : 개스킷
7 : 하우징
100 : 함체, 랙
100' : 배터리실
101 : 배출팬
120 : 가스 센서 또는 가스 감시 센서
120' : 비교 센서
120-1 : 금속산화물
120-2 : 전극
120-3 : MEMS 기판
120-4 : 가스 측정치의 변화량
121 : 제1 저항
122 : 제2 저항
123 : 제1 커패시터
200 : 배터리
200-1 : 배터리 단자 플레이트
200-2 : 써미스터 온도 센서
200-5 : 환경 감시 센서
201, 201-n : 배터리 모듈
203 : 랙 BMS
204 : 서브 BMS
300 : 기판
301 : 가스감지판
302 : 통풍형 기판
303 : AD 컨버터
304 : I2C 인터페이스
305 : 프로세서
306 : 관통홀
307 : 적분기
308 : 비교기
500 : 기준 신호값
501 : 이동 평균 센서 신호 값
502 : 충방전 기간 동안 신호 측정 횟수
Vcc : 제어전압
Vc : 비교기 출력전압
V1 : 비교기 입력전압
Vref : 기준전압

Claims (7)

  1. 배터리 모듈(201)을 감싸는 랙(100);
    상기 랙(100)에 부착되어 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 감시 센서(120);를 포함하며,
    상기 가스 감시 센서(120)를 이용해 측정된 가스 센서값(yi)으로 실시간 지수 이동 평균값(EMA)을 계산하고 상기 지수 이동 평균값을 바탕으로 평균값의 백분율을 사용하여 센서 민감도에 의한 측정 오차 범위를 나타내는 허용 민감도(LB1)를 결정하고 급격한 가스 농도 변화를 판단할 수 있는 최소 범위인 허용 하한 한계값(LB2)을 결정하고,
    상기 가스 감시 센서의 값이 상기 허용 민감도 보다 클 때는 알람단계를 "정상"으로 결정하고, 허용 민감도와 허용 하한 한계값 사이 일 때는 센서 민감도에 의한 오작동 방지를 위해 가스 센서값이 허용 민감도와 허용 하한 한계값 사이 연속적으로 머무르며 지속적으로 감소 시 알람단계를 "주의"로 결정하고 그렇지 않은 경우에는 알람 단계를 "정상"으로 결정하고 상기 가스 센서값이 상기 허용 하한 한계값 보다 작으면 알람단계를 "비상"으로 결정하는 것을 특징으로 하는 통합 환경 감시 장치를 이용한 배터리 보호 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈(201)내에 배치되어 습도를 감지하는 습도 센서 모듈, 온도를 감지하는 온도 센서 모듈, 분진을 감지하는 분진 및 연기 감지 센서가 포함되는 환경 감시 센서(200-5);를 더 포함하는 통합 환경 감시 장치를 이용한 배터리 보호 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 환경 감시 센서를 이용하여 매 시간 습도를 측정하고 같은 시각에 측정된 습도 값 중 가장 큰 값과 가장 작은 값의 차이를 계산하고 그 차이가 미리 설정된 허용값보다 클 때, 가장 큰 값이 측정된 곳에 수분 집결이 예상되는 것으로 판단하여 경보를 발생하는 것을 특징으로 하는 통합 환경 감시 장치를 이용한 배터리 보호 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 랙(100)를 포함하고 있는 공간 또는 실내에 외부 공기 유입을 위한 개구부 근처에 배치되는 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 비교 센서(120');
    상기 가스 감시 센서(120)와 비교 센서의 센서 저항 값 변화의 적분값을 감지하는 적분기(307);를 포함하며,
    상기 비교 센서에서 가스 검출로 판단되는 경우, 가스 검출로 판단되는 시간 동안 비교 센서의 신호 변화 백분율 면적을 (EMAx - xi)/EMAx × dt 로 구하고 이전 시간에서 기록한 면적과 누적 합산하고, 가스 감시 센서의 신호값으로 계산된 신호 변화율 면적 (EMAy - yi)/EMAy × dt 을 누적 합산하여 상기 비교 센서와 가스 감시 센서에서 각각 구한 누적된 신호 변화율 면적의 차이를 비교해 검출 가스가 외부로부터 유입된 것인지 배터리로부터 배출된 것인지 판단하는 것을 특징으로 하는 통합 환경 감시 장치를 이용한 배터리 보호 장치.
    (여기에서, EMA 는 지수 이동 평균값; x와 y는 각각 비교 센서와 감시 센서 측정값; 첨자 x와 첨자 y는 각각 비교와 감시 센서 측정값으로 계산된 값; 첨자 i 는 측정값이 측정된 시간 순서를 나타내는 수치; dt 는 매 측정 시간 차이를 의미)
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 적분기(307)에서 감지된 저항 값 변화의 적분 값을 아날로그 신호에서 디지털로 변화시키는 AD 컨버터(303);
    상기 AD 컨버터(303)를 통한 상기 가스 감시 센서(120)의 저항 값 적분값을 적분기(307)를 통하여 감지한 이후에 허용 기준값과 비교하여 기준값 이상일 경우 배터리의 상태가 이상인 것으로 판단하는 프로세서(305)를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 환경 감시 장치를 이용한 배터리 보호 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 연기 감지 센서와 연동되는 화재시 소화액을 분사하는 소화설비;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 환경 감시 장치를 이용한 배터리 보호 장치.
  7. 삭제
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