KR102463150B1 - 물리적 안전성 및 화학적 안전성을 강화시키기 위한 배터리 모듈 및 배터리 모듈 관리 시스템 - Google Patents

물리적 안전성 및 화학적 안전성을 강화시키기 위한 배터리 모듈 및 배터리 모듈 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

다양한 실시 예에 따르면, 배터리 모듈을 관리하는 배터리 모듈 관리 시스템은 복수 개의 배터리 셀들을 포함하고, 서로 전기적으로 연결된 복수의 배터리 모듈들; 상기 복수의 배터리 모듈들 중 서로 인접한 2개의 배터리 모듈들 사이에 배치되어 상기 2개의 배터리 모듈들을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 리셉 플레이트(recept plate); 상기 배터리 모듈들을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 배터리 모듈들 각각은, 상기 배터리 셀들 각각에 대응되도록 복수 개의 개구부들을 포함하는 베이스 플레이트 및 상기 배터리 셀들 각각을 감싸는 형태의 냉각 튜브를 포함할 수 있다.

Description

물리적 안전성 및 화학적 안전성을 강화시키기 위한 배터리 모듈 및 배터리 모듈 관리 시스템{BATTERY MODULE AND BATTERY MODULE MANAGEMENT SYSTEM FOR ENHANCING PHYSICAL SAFETY AND CHEMICAL SAFETY}
본 발명은 물리적 안전성 및 화학적 안전성을 강화시키기 위한 배터리 모듈 및 배터리 모듈 관리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 발열관리 성능과 외부 충격에 강한 물리적 안전성을 강화시키 기위한 배터리 모듈 및 배터리 모듈 관리 시스템으로, 배터리 셀들을 수용하는 플레이트를 통해 구조적 안전성을 제공하고, 배터리 셀들의 온도를 최적 관리할 수 있도록 하는 냉각튜브를 통해 발열 안전성을 제공하는 배터리 모듈, 및 배터리 모듈 내부의 온도에 따라 온도를 제어하는 배터리 모듈 관리 시스템에 관한 것이다.
최근에, 전자 통신 산업 및 EV(electric vehicle) 산업의 급속한 발전에 따라 휴대용 전자기기, 전기 자동차와 같은 친환경 자동차 및 전력 사용의 효율성을 증대시키는 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)의 보급이 크게 늘어나고 있다. 일반적으로, 전기 자동차와 같은 친환경 자동차 및 전력 사용의 효율성을 증대시키는 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)에는 전력을 인가하기 위한 배터리 팩이 창작되며, 창작되는 배터리의 종류로는 재충전이 가능한 이차 전지(secondary cell)가 주로 사용되고 있다. 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지를 말하며, 휴대용 단말기, 노트북 컴퓨터, 캠코더, 전기 자동차 충방전이 필요한 전력 설비 등에 사용되고 있다. 현재 팩 형태의 전지가 이차 전지로서 널리 사용되고 있으며, 배터리 팩은 복수개의 배터리 모듈들로 이루어지고, 배터리 모듈들 각각은 복수개의 배터리 셀들로 이루어진다.
배터리 모듈은 배터리 가동에 따라 발열되게 되므로 배터리 모듈이 적정온도를 유지하도록 냉각이 필요하다. 상기 배터리 모듈을 냉각하는 방식은 일반적으로, 공랭식과 수냉식이 있다. 그러나, 최근에는 휴대용 전자기기뿐만 아니라 EV 산업 및 에너지저장장치 등 전력 설비 산업에 고용량의 배터리가 채용됨에 따라, 공랭식으로는 배터리 냉각에 한계가 있어 수냉식의 적용이 확대되어 가고 있다. 이러한 수냉식 또한, 상기 배터리가 고용량화됨에 따라 냉각 성능의 향상을 필요로 한다. 이에 따라, 고용량화가 이루어지는 배터리를 냉각하는 방법에 대한 연구개발이 필요하다.
또한, 배터리의 성능이 이차 전지 팩을 이용하는 다양한 기계 및 시설인 전기 자동차 및 플랜트 등의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 배터리 셀의 성능이 뛰어나야 할뿐만 아니라 각 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩의 전압, 전류 및 온도 등을 측정하여 각 배터리 셀의 충방전 및 배터리 모듈, 또는 배터리 팩의 열관리를 효율적으로 수행할 수 있는 진보된 배터리 관리 시스템(Battery Management System)이 강구될 필요가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 고용량화되는 배터리 모듈을 물리적으로 강화하기 위해 배터리 셀을 지지하는 베이스 플레이트를 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 배터리 셀을 감싸는 형태인 냉각 튜브를 제공함으로써 배터리의 발열을 효과적으로 감소시키는 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 배터리 모듈의 온도를 실시간으로 센싱하고, 센싱된 온도에 기반한 상황별 배터리 모듈 관리 시스템을 제공하는데 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 배터리 모듈을 관리하는 배터리 모듈 관리 시스템은 복수 개의 배터리 셀들을 포함하고, 서로 전기적으로 연결된 복수의 배터리 모듈들; 상기 복수의 배터리 모듈들 중 서로 인접한 2개의 배터리 모듈들 사이에 배치되어 상기 2개의 배터리 모듈들을 전기적, 기계적으로 연결하는 적어도 하나의 리셉 플레이트(recept plate); 상기 배터리 모듈들을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 배터리 모듈들 각각은, 상기 배터리 셀들 각각에 대응되도록 복수 개의 개구부들을 포함하는 베이스 플레이트 및 상기 배터리 셀들 각각을 감싸는 형태의 냉각 튜브를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 배터리 셀들은 원통 형태이며, 상기 베이스 플레이트 및 상기 냉각 튜브를 관통할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 복수 개의 개구부들은 정육각형의 형태로 구성되고, 상기 배터리 셀들은 상기 복수 개의 개구부들을 각각에 내접할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 복수 개의 개구부들 중에서, 제1 개구부 및 상기 제1 개구부와 인접한 제2 개구부의 형상의 각도가 다를 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 배터리 모듈들 각각은 공기 유입구 및 공기 유출구를 포함하고, 상기 공기 유입구에 제1 온도 센서 및 상기 공기 유출구에 제2 온도 센서가 배치되며, 상기 프로세서는, 상기 공기 유입구를 통해 유입되는 제1 공기의 제1 온도값을 상기 제1 온도 센서를 통해 획득하고, 상기 공기 유출구를 통해 유출되는 제2 공기의 제2 온도값을 상기 제2 온도 센서를 통해 획득하고, 상기 제1 온도값 및 상기 제2 온도값 간 온도 차이값을 결정하고, 결정된 온도 차이값에 기초하여, 상기 배터리 모듈들 각각의 관리 모드를 결정하되, 결정된 상기 온도 차이값이 제1 온도 차이값 경우, 상기 배터리 모듈들 각각의 관리 모드를 제1 모드로 결정하고, 상기 온도 차이값이 제2 온도 차이값인 경우, 상기 배터리 모듈들 각각의 관리 모드를 제2 모드로 결정할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 정육각형 형태의 상기 복수 개의 개구부들 각각의 6개의 변들 중 적어도 둘 이상에 복수 개의 온도 센서들이 배치되고, 상기 복수 개의 개구부들 중 네 개의 개구부들 사이의 영역인 허브 섹터에 냉각팬이 배치될 수 있다. 상기 프로세서는, 상기 냉각팬에 대응하는 복수 개의 온도 센서들 중 기설정된 개수 이상의 온도 센서의 감지값이 제1 감지값 이상인 경우, 및 복수 개의 온도 센서들 중 하나 이상의 센서의 감지값이 제1 감지 값보다 높은 제2 감지값 이상인 경우 중 적어도 하나의 경우, 상기 냉각팬을 작동시켜 기계적 에어컨디셔닝을 수행할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 베이스 플레이트는 상기 배터리 셀들의 상단부에 대응하는 부분에 위치한 제1 베이스 플레이트 및 상기 배터리 셀들의 하단부에 대응하는 부분에 위치한 제2 베이스 플레이트를 포함하고, 상기 제1 베이스 플레이트의 두께는 제1 두께를 가지고, 상기 제2 베이스 플레이트의 두께는 상기 제1 두께보다 두꺼운 제2 두께를 가질 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 시스템은 스파크 감지부를 더 포함하고, 상기 스파크 감지부는 스파크에 의한 광을 감지하는 광 감지부 및 상기 광 감지부에 의하여 감지된 광값을 증폭하여 상기 프로세서로 전달하는 광 전달부를 포함하고, 상기 광 감지부는 광센서, 이미지 센서, 포토다이오드, 포토 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 결정된 상기 온도 차이값이 미리 설정된 제1 임계 온도값을 초과하는 경우, 화재 주의 상태로 결정하고, 상기 배터리 모듈들 각각에 포함된 냉각수 유입구를 통해 유입되는 냉각수의 온도가 미리 설정된 기준 온도보다 낮은 온도가 되도록 제어하고, 결정된 상기 온도 차이값이 상기 제1 임계 온도값보다 높은 미리 설정된 제2 임계 온도값을 초과하는 경우, 화재 위험 단계로 결정하고, 상기 배터리 모듈들 각각의 전원 상태를 턴오프(turn-off)하고, 상기 배터리 모듈들 각각의 내부 또는 외부에서 연기가 감지되거나 스파크가 감지되거나 배터리 모듈 내부의 이산화탄소의 농도가 기준 농도보다 높아진 경우, 화재 발생 단계로 결정하고, 상기 배터리 모듈들 각각의 내부에 배치된 소화제 살포기를 통해 소화제를 살포할 수 있다. 상기 이산화탄소의 농도는 이하 설명되는 이산화탄소 농도 감지부(500)를 통해서 실시간으로 측정될 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 상기 시스템은 연기 감지부를 더 포함하고, 상기 연기 감지부는 상기 배터리 모듈들 각각의 내부에 장착된 카메라를 통해 복수개의 이미지 프레임들을 획득하고, 제1 이미지 프레임 및 상기 제1 이미지 프레임과 시간적으로 인접한 제2 이미지 프레임을 대상으로, 서로 위치가 대응하는 픽셀값끼리 차분하여 차분 이미지 프레임을 생성하고, 상기 차분 이미지 프레임을 구성하는 픽셀값들의 합산값이 미리 설정된 제1 임계값 이상이며 미리 설정된 제2 임계값 이하인 경우, 연기가 감지된 것으로 결정하며, 상기 제2 임계값은 상기 제1 임계값보다 높을 수 있다.
본 문서에 개시되는 다양한 실시 예들에 따르면, 배터리 셀들을 둘러싼 각형의 베이스 플레이트에 의하여 물리적인 충격으로부터 배터리 셀들을 보호할 수 있다.
또한, 다양한 실시 예들에 따르면, 배터리 모듈로 유입시키는 공기 및 배터리 셀들의 간격에 기초한 공기의 흐름 내지 통풍으로 인해 배터리 셀들의 발열 증상을 낮출 수 있다.
또한, 다양한 실시 예들에 따르면, 배터리 셀들을 둘러싼 냉각용 튜브를 활용함으로써, 배터리 셀들의 발열 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 다양한 실시 예들에 따르면, 배터리 모듈 내부의 온도를 센싱하여 화학적 부작용(예: 화재)으로부터 배터리 모듈을 안전하게 관리할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 냉각 기능을 포함하는 배터리 모듈 관리 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 모듈에 대한 사시도이다.
도 3은 도 2의 배터리 모듈의 일 부분에 대한 단면도이다.
도 4는 배터리 셀이 직렬적으로 증축된 경우를 모식한 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 베이스 플레이트 및 개구부의 형상을 나타낸 도 3의 A-A' 단면도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 베이스 플레이트 및 개구부의 형상을 나타낸 도 3의 A-A' 단면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 베이스 플레이트 및 개구부의 형상을 나타낸 도 3의 A-A' 단면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 냉각 튜브, 냉각수 유입구 및 냉각수 유출구를 나타낸 도 3의 B-B' 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 배터리 화재 감지 기능을 포함하는 배터리 모듈 관리 시스템을 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 온도 변화 및/또는 화재 발생에 따른 프로세서의 제어 로직을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 도 1에 따른 배터리 모듈 관리 시스템의 하드웨어 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈을 이용하여 배터리 팩을 구성한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 배터리 팩(1)은 복수 개의 배터리 모듈(100)들로 이루어지고, 하나의 배터리 모듈(100)은 복수 개의 배터리 셀(110)들로 이루어질 수 있다. 상기 배터리 셀(110)은 상기 배터리 팩(1)에 사용되는 임의 종류의 각 배터리 요소를 지칭하기 위해 이하 다르게 지칭될 수 있다.
배터리 셀(110)은 전극 조립체 및 전해액을 포함하며, 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 전극 조립체의 양극판 및 음극판은 외부로 인출되는 전극 탭을 각각 포함할 수 있다. 배터리 셀(110)에 포함되는 전극 조립체는 배터리 셀의 케이스 내부에 수납되고, 케이스의 외부로는 전극 단자가 노출될 수 있다. 전극 탭은 전극 조립체의 외부로 인출되어 전극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전해액은 리튬 이온을 포함할 수 있다. 배터리 셀(110)은 전기 차량에 사용될 수 있는 일반적으로 리튬계 배터리들을 포함하지만, 철인산염(iron phosphate), 메탈 옥사이드(metal oxide), 리튬 이온 폴리머(lithium-ion polymer), 니켈 메탈 하이브리드(nickel metal hydride), 니켈 카드뮴(nickel cadmium, 니켈 배터리(수소, 아연, 카드뮴 등)을 포함하는 다양한 화학 물질 구성 및 전기 차량과 호환 가능한 다른 배터리 종류들을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 배터리 셀(110)은 원통형 이차 전지의 형태로 이루어질 수 있으며, 각형 이차 전지로의 형태로도 이루어질 수 있다. 배터리 셀의 케이스는 원통형 이차 전지 및/또는 각형 이차 전지에 따라 원통형 및/또는 각형일 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 모듈(100)의 제1 냉각 장치(201) 및 제2 냉각 장치(202)는 다양한 종류의 기계 및 부품에 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 냉각 장치(201) 및 제2 냉각 장치(202)는 친환경 자동차의 배터리 팩, 가정 및 플랜트 설비에 적용될 수 있다. 상기 친환경 자동차는 저장된 전력을 이용하여 전적으로 동작하는 전기 차량뿐만 아니라, 연소와 저장된 전력을 모두 이용하여 동작하는 하이브리드 차량을 포함할 수 있다. 본 발명의 배터리 모듈(100)에서 발생한 직류 전류는 인버터에 의하여 교류 전류로 변환될 수 있다. 교류로 변환된 전류는 가정이나 플랜트 설비 등에 공급될 수 있으며, 잉여 에너지는 에너지 저장 시스템(ESS; energy storage system)에 저장되어 추후 활용될 수 있다.
배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)은 전자 기기의 가동에 따라 발열되게 되므로, 상기 배터리 팩(1) 및/또는 배터리 모듈(100)이 적정 온도를 유지하도록 냉각이 필요하다. 배터리 모듈 관리 시스템(10)은 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)에서 발생한 열을 제어하기 위하여 제1 냉각 장치(201) 및 제2 냉각 장치(202)를 포함할 수 있다.
상기 제1 냉각 장치(201)는 냉각기(chiller)(211), 냉각수 펌프(221), 열교환기(231), 팽창 탱크(241), 방열팬(251) 등을 포함할 수 있다. 제1 냉각 장치(201)는 일명 수냉식 냉각 장치로 지칭 내지 호칭될 수 있다. 제1 냉각 장치(201)의 구동 원리는 공지에 개시된 자명한 원리이므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 제2 냉각 장치(202)는 압축기(212), 응축기(222), 열교환기(232), 팽창 탱크(242), 방열팬(252) 및 공기 펌프(262) 등을 포함할 수 있다. 제2 냉각 장치(202)는 일명 공랭식 냉각 장치로 지칭 내지 호칭될 수 있다. 제2 냉각 장치(202)의 구동 원리는 공지에 개시된 자명한 원리이므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
배터리 모듈 관리 시스템(10)은 온도가 제어된 냉각수를 공급하기 위한 적어도 하나의 연결 장치 및 유류 채널을 포함할 수 있다. 프로세서(11)는 상기 냉각수의 온도를 제어할 수 있다. 다시 말해서, 프로세서(11)는 전기적으로 연결된 냉각기(211)의 기준 설정 온도를 높이거나 낮춰서 배터리 모듈(100)로 유입되는 냉각수의 온도를 제어할 수 있다.
상기 냉각수는 배터리 셀을 감싸고 있는 냉각 튜브 내부에서 흐를 수 있다. 냉각수는 배터리 모듈 관리 시스템(10)의 전기적으로 민감한 영역과 접촉하지 않도록 상기 유류 채널(203, 204) 및 냉각 튜브(130) 내에서만 흐를 수 있다. 상기 냉각수는 냉매를 포함할 수 있으며, 상기 냉각수는 부동액으로 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 프로필렌글리콜(propylene glycol) 일 수 있다. 다만, 이는 일 예시일뿐, 에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜에 한정되지 않으며, 상기 냉각수는 공지에 개시된 다양한 종류의 부동액을 포함할 수 있다. 상기 냉각수에 포함되는 냉매는, 할론 카본 냉매, 탄화수소냉매, 암모니아, 물, 공기, 이산화탄소, 아황산가스 등을 포함할 수 있다.
상기 유류 채널(203, 204)은, 배터리 셀(110) 및/또는 배터리 모듈(100)에서 발생한 열 에너지를 흡수한 냉각수가 유동하는 제1 유류 채널(203)과 냉각기를 통해 열 에너지를 빼앗긴 냉각수가 유동하는 제2 유류 채널(204) 등을 포함할 수 있다.
상기 유류 채널(205, 206)은, 배터리 셀(110) 및/또는 배터리 모듈(100)에서 발생한 열 에너지를 흡수한 냉각 공기가 유동하는 제3 유류 채널(205)과 냉각기를 통해 열 에너지를 빼앗긴 냉각 공기가 유동하는 제4 유류 채널(206) 등을 포함할 수 있다.
프로세서(11)는 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)에 전기적으로 및/또는 작동적으로(operatively) 연결되어, 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)의 전압 및/또는 온도를 측정하고, 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)의 충전, 방전 및/또는 셀 밸런싱 등을 제어할 수 있다. 프로세서(11)는 유선 및/또는 무선으로 배터리 팩에 전기적으로 연결될 수 있다. 프로세서(11)는 캔(CAN) 방식으로 배터리 모듈(100)과 상호간 전기적으로 연결될 수 있으며, 시리얼 통신의 일종인 RS232, RS422 또는 IEEE1394 방식으로 상호간 전기적으로 연결될 수도 있다. 다만, 이는 일 예시일뿐, 공지에 개시된 방법으로 프로세서(11)는 배터리 모듈(100)과 유선 및/또는 무선으로 연결될 수 있다.
프로세서(11)는 전류 센서로부터 획득한 전류값을 이용하여, 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)에 과전류가 입력되거나, 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)으로부터 과전류가 출력되지 않도록 제어할 수 있다. 프로세서(11)는 획득된 전류값에 기반하여 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)의 전원 상태(예: 턴온(turn-on) 또는 턴오프(turn-off) 상태)를 제어할 수 있다. 전류 센서는 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)과 인버터 사이에 전기적으로 연결되어, 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)에 입력(충전)되는 전류 및/또는 출력(방전)되는 전류를 감지할 수 있다. 전류 센서는 홀 센서, 션트 저항 및 그 등가물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 모듈에 대한 사시도이다. 도 3은 도 2의 배터리 모듈의 일 부분에 대한 단면도이다. 도 5는 일 실시 예에 따른 베이스 플레이트 및 개구부의 형상을 나타낸 도 3의 A-A' 단면도이다. 도 6은 일 실시 예에 따른 베이스 플레이트 및 개구부의 형상을 나타낸 도 3의 A-A' 단면도이다. 도 7은 일 실시 예에 따른 베이스 플레이트 및 개구부의 형상을 나타낸 도 3의 A-A' 단면도이다. 도 8은 일 실시 예에 따른 냉각 튜브, 냉각수 유입구 및 냉각수 유출구를 나타낸 도 3의 B-B' 도면이다.
복수개의 배터리 셀들이 수평 및/또는 수직으로 적층되어 배터리 모듈이 형성될 수 있다. 복수개의 배터리 셀들은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 복수개의 배터리 모듈들이 수직 및/또는 수평으로 적층되어 하나의 배터리 팩이 형성될 수 있다.
배터리 모듈(100)은 복수개의 배터리 셀들, 베이스(base) 플레이트(120), 배터리 하우징(101)을 포함할 수 있다. 상기 배터리 하우징(101)은 내부에 배터리 셀들 및 베이스 플레이트(120)가 포함되는 배터리 수용부를 형성하며, 상면, 하면, 측면을 포함하는 직육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 배터리 모듈(100)은 공기 유입구(171), 공기 유출구(172), 냉각수 유입구(131) 및/또는 냉각수 유출구(132)를 포함할 수 있다. 공기 유입구(171), 공기 유출구(172), 냉각수 유입구(131) 및/또는 냉각수 유출구(132)는 배터리 모듈(100)의 제1 면 및/또는 제2 면에 배치될 수 있다. 상기 제1 면과 제2 면은 동일한 면일 수도 있고, 서로 마주보는 면일 수도 있고, 서로 직각일 수 있다. 상기 베이스 플레이트는 지지 플레이트, 서포팅 플레이트, 리테이닝 플레이트로 지칭될 수 있다.
배터리 모듈(100)은 하우징 내에 복수개의 베이스 플레이트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(100)은 2개의 베이스 플레이트를 포함할 수 있으며, 배터리 셀(110)의 높이 기준으로, 배터리 셀(110)의 상단부에 대응하는 위치에 제1 베이스 플레이트(121), 배터리 셀(110)의 하단부에 대응하는 위치에 제2 베이스 플레이트(122)를 포함할 수 있다. 제1 베이스 플레이트(121) 및 제2 베이스 플레이트(122)는 배터리 셀(110)에 의하여 관통되도록 배치될 수 있다. 다시 말해서, 베이스 플레이트(120)는 복수 개의 배터리 셀들의 상부를 지지하는 제1 베이스 플레이트(121) 및 복수 개의 배터리 셀들의 하부를 지지하는 제2 베이스 플레이트(122)를 포함할 수 있다. 복수 개의 배터리 셀들은 복수 개의 개구부(140)들 각각과 6개의 선에서 접촉하여 안정적으로 지지되는 동시에, 복수 개의 배터리 셀들의 상부와 하부가 모두 지지됨으로써, 외력으로부터 안정적으로 저항할 수 있다.
베이스 플레이트(120)의 두께가 두꺼울수록 구조적 안정성이 높아지는 대신 제조단가가 높아지고, 두께가 얇아질수록 제조단가가 낮아지는 대신 구조적 안정성이 낮아질 수 있다. 따라서, 베이스 플레이트(120)는 특정 범위 이내의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 플레이트는 제1 두께 이상이고, 제2 두께 이하인 범위의 두께를 가질 수 있다.
제1 베이스 플레이트(121)와 제2 베이스 플레이트(122)의 두께는 다를 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(110)의 하단부에 대응하는 부분에 위치한 제2 베이스 플레이트(122)의 두께가 제1 베이스 플레이트(121)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 중력 방향으로 지면에 더 가깝게 위치한 제2 베이스 플레이트(122)의 두께가 두꺼울수록 물리적 안전성이 더 높을 수 있으므로, 제1 베이스 플레이트(121)는 제1 두께를 가지고, 제2 베이스 플레이트(122)는 제1 두께보다 더 두꺼운 제3 두께를 가질 수 있다.
베이스 플레이트(120)는 복수 개의 배터리 셀들이 관통될 수 있는 복수 개의 개구부들을 포함할 수 있다. 하나의 배터리 셀은 하나의 개구부에 관통될 수 있다. 다시 말해서, 복수 개의 배터리 셀들은 베이스 플레이트(120)에 형성된 복수 개의 개구부(140)들 각각에 하나씩 수용되어 배열될 수 있다.
상기 개구부(140)는 원형뿐만 아니라 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 상기 개구부(140)는 정육각형의 형상으로 이루어질 수 있다. 다만, 이는 일 예시일뿐, 상기 개구부(140)는 정사각형, 정오각형, 정칠각형 및/또는 정팔각형의 형상으로 이루어질 수 있다. 배터리 셀(110)의 상단에 대응하는 부분에 위치한 제1 베이스 플레이트(121)에 포함된 개구부의 형상과 배터리 셀(110)의 하단에 대응하는 부분에 위치한 제2 베이스 플레이트(122)에 포함된 개구부의 형상은 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 베이스 플레이트(121)에 포함된 개구부는 육각형의 개구부일 수 있고, 제2 베이스 플레이트(122)에 포함된 개구부는 원형의 개구부일 수 있다.
배터리 셀(110)은 개구부(140)에 내접할 수 있다. 다시 말해서, 정육각형의 형상인 개구부(140)는 개구부(140)와 대응하는 배터리 셀(110)의 여섯개의 영역들과 접할 수 있다. 배터리 모듈(100)에서는 복수개의 배터리 셀들을 컴팩트하게 배열하여 설치 공간을 축소하는 동시에, 복수개의 배터리 셀들 사이에 적정 통풍로를 형성하기 위해서, 복수 개의 개구부(140)들은 x-y 평면 상에서 상호 합동인 정육각형일 수 있으며, x축과 y축 방향을 따라 배열될 수 있으며(Matrix array), x축 방향으로 이웃하는 개구부끼리 점 접촉할 수 있고, y축 방향으로 이웃하는 개구부끼리 선 접촉할 수 있다. 다만 이는 일 예시일뿐, 이하 설명되는 것처럼 개구부의 형상 내지 방향이 다른 경우, 복수 개의 개구부(140)들은 x축 방향으로 이웃하는 개구부끼리 점 접촉할 수 있고, y축 방향으로 이웃하는 개구부끼리 점 접촉할 수도 있다. 또는, 복수 개의 개구부(140)들은 x축 방향으로 이웃하는 개구부끼리 선 접촉할 수 있고, y축 방향으로 이웃하는 개구부끼리 선 접촉할 수도 있다.
일 실시 예에서, 하나의 플레이트에 포함된 복수개의 개구부들 각각의 형상은 동일하되, 형상의 각도 내지 방향이 각각 다를 수 있다. 하나의 플레이트(예: 제1 베이스 플레이트(121) 및/또는 제2 베이스 플레이트(122))에 포함된 복수개의 개구부들 중에서, 서로 인접한 개구부들 각각의 형상의 각도 내지 방향이 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 개구부(141), 및 제1 개구부(141)와 인접한 제2 개구부(142)는 형상의 각도 및/또는 방향이 다를 수 있다. 제1 개구부(141)의 형상을 기준으로, 제2 개구부(142)의 형상은 제1 개구부(141)의 형상을 90도 회전시킨 각도 및/또는 방향으로 이루어질 수 있다.
개구부(140)는 배터리 셀(110)의 외면과 접할 수 있다. 여기서, 개구부(140)가 각진 형태로 되어있으므로, 배터리 셀(110)과 개구부(140) 사이에는 일정 수준의 공간(E)이 존재할 수 있다. 상기 공간에 의하여 유체(예: 기체)의 흐름이 발생할 수 있다. 여기서, 상기 유체(예: 기체)의 흐름은 자연적인 기체의 흐름 외에, 공기 펌프(262)를 통해서 배터리 모듈(100) 내부로 유입된 공기가 펌프의 힘에 의하여 배터리 모듈(100) 내부를 순환하다가 배터리 모듈(100) 외부로 유출되는 흐름을 의미할 수 있다. 다시 말해서, 배터리 셀(110)의 외면은 개구부(140)의 형상에 따라 배터리 셀(110)과 개구부(140)가 접촉하는 접촉 영역이 있을 수 있고, 접촉하지 않는 비접촉 영역이 있을 수 있다. 배터리 셀(110)은 베이스 플레이트(120)에 포함된 개구부에 의하여 수용될 수 있되, 비접촉 공간(E)을 갖도록 조립된 상태로 수용될 수 있다. 각진 형태의 개구부(140)를 포함하는 베이스 플레이트(120), 및 배터리 셀(110)과 개구부(140) 사이의 비접촉 공간(E)으로 미리 설정된 온도로 제어된 유체(예: 기체)가 배터리 셀들 각각에 \닿게함으로써 공랭식 냉각 효과를 가질 수 있고, 배터리 셀들 각각으로부터 발생하는 열을 즉각적으로 방출할 수 있는 유체 통로를 제공하는 효과를 가질 수 있다. 다시 말해서, 복수 개의 배터리 셀들에서, x축 내지 y축 방향으로 이웃하는 배터리 셀들 사이에는 최소의 이격 거리가 확보될 수 있으며, 배터리 셀들 사이에 형성된 최소의 이격 거리로 인해, 배터리 셀들 사이에는 통풍로(ventilation path)가 형성되며, 상기 통풍로를 통해 전기화학적 반응과정에서 발생되는 열을 배출시킴으로써, 배터리 모듈(100)의 적정 작동 온도가 유지되며 작동 효율이 증가할 수 있다.
배터리 셀(110)은 미리 설정된 온도로 제어된 유체(예: 기체)에 의해 랩핑 (lapping)될 수 있다. 온도 제어된 유체(예: 기체)와 각각의 원통형 배터리 셀의 이러한 직접적 전체 영역 접촉은, 시스템이 최적의 동작 온도 범위 내에서 활성 상태로 유지하도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의해, 배터리 모듈에서 발생된 열을 신속하게 소산시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배터리 셀 조립체의 열적 불균형을 피할 수 있다.
개구부(140)의 6개의 변 지점들 중 적어도 둘 이상에 복수 개의 온도 센서들이 배치될 수 있으며, 베이스 플레이트(120)의 복수의 허브 섹터(H)에 냉각팬이 배치될 수 있다. 다른 실시 예에서, 베이스 플레이트(120)의 허브 섹터(H)(네 개의 개구부들 사이의 영역)에 복수 개의 온도 센서들 및 냉각팬이 배치될 수 있다. 즉, 하나의 냉각팬이 복수 개의 배터리 셀들을 커버할 수 있다. 특히, 프로세서(11)는 1개의 냉각팬에 대응하는 복수 개의 온도 센서들 중 기설정된 개수 이상의 온도 센서의 감지값이 제1 감지값 이상인 경우, 및 복수 개의 온도 센서들 중 하나 이상의 센서의 감지값이 제1 감지 값보다 높은 제2 감지값 이상인 경우 중 적어도 하나의 경우, 상기 냉각팬을 작동시켜 에너지 효율적으로 기계적 에어컨디셔닝을 수행할 수 있다.
복수 개의 개구부(140)들 각각에 의해 형성된 내주면은 탄성 패드 등으로 코팅되어 있을 수 있으며, 탄성 패드 등이 복수 개의 배터리 셀들과 탄성 접촉함으로써, 외력에 의해 배터리 셀(110)에 가해지는 충격을 완화시킬 수 있다.
냉각 튜브(130)는 복수개의 배터리 셀들 각각을 둘러싸는 형태로 구성될 수 있다. 냉각 튜브는 배터리 하우징(101)에 내접하고 배터리 셀들 각각에 외접할 수 있다. 냉각 튜브(130)는 원통형(또는, 도넛형)으로 형성되어 배터리 셀들 각각의 외주면을 감싸도록 형성될 수 있다. 냉각 튜브(130)가 배터리 셀들 각각의 외주면을 전부 감싸되, 냉각 튜브(130)와 배터리 셀 사이의 공간에는 열전도성 수지가 충진될 수 있다. 냉각 튜브(130)가 배터리 셀들 각각을 감싸는 형태로 되어 있어, 방열 효과를 극대화할 수 있다.
냉각 튜브(130)는 열전도성을 가지는 금속 소재로 튜브 형태일 수 있다. 상기 금속 소재는 열전도성이 높고 결량인 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있다. 다만, 이는 일 예시일뿐, 금속 소재의 종류는 알루미늄으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 금속 소재는 구리, 금, 은 등을 포함할 수 있다. 냉각 튜브(130)의 소재는 금속 이외의 질화 알루미늄, 탄화규소 등 세라믹 물질을 포함할 수 있다.
냉각 튜브(130)는 배터리 모듈의 중앙 부분에 배치될 수 있다. 다시 말해서, 냉각 튜브(130)는 제1 베이스 플레이트(121)의 하단 방향(예: -z 방향)에 위치하고, 제2 베이스 플레이트(122)의 상단 방향(예: +z 방향)에 위치할 수 있다. 배터리 모듈(100) 내의 냉각 튜브(130)의 일 부분은 냉각수 유입구(131)와 연결되고, 냉각 튜브(130)의 다른 일 부분은 냉각수 유출구(132)와 연결될 수 있다. 냉각수 유입구(131)를 통해 공급되는 냉각수는 냉각 튜브(130)의 내부를 모두 통과하여 냉각수 유출구(132)로 토출될 수 있다. 냉각수 유입구(131)와 인접한 위치에 냉각수를 펌핑하여 압송하기 위한 펌프가 배치될 수 있으며, 냉각수 유출구(132)로 토출되는 냉각수는 냉각수 유출구(132)와 연결된 열교환기(231)로 공급될 수 있다. 열교환기(231)는 공급받은 냉각수를 미리 설정된 온도로 냉각시키고, 냉각된 냉각수를 펌프로 공급함으로써 냉각수가 적절한 온도로 순환할 수 있도록 한다.
또한, 열교환기(231)와 펌프 사이에 냉각수의 이온전도도를 일정 수준 이하로 유지하는 이온필터(De-Mineralizer, DMN)이 배치될 수도 있다. 이온필터는 냉각수의 이온전도도를 일정 수준 이하로 낮게 유지시킴으로써 냉각수를 통해 누설 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 냉각수는 에틸렌 글리콜(1,2-에탄디올), 프로필렌 글리콜(1,2-프로판디올) 중 적어도 하나를 주성분으로하여 90 내지 98 중량%로 포함할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 냉각수는, 에틸렌 글리콜과 프로필렌 글리콜 대신에 1,3-프로판디올(PD0)을 주성분으로하여 90 내지 98 중량%로 포함할 수도 있다.
냉각수는, 주성분을 제외한 나머지 중량%에 대하여 아질산염, 질산염, 인산염, 메르캅토벤조티아졸, 톨릴트리아졸, 벤질트리아졸, 규산염, 몰리브덴산염, 소포제, 및 염료 중 적어도 일부를 더 포함할 수 있다.
도 4는 배터리 셀이 직렬적으로 증축된 경우를 모식한 도면이다.
배터리 셀이 직렬적으로 증축되는 경우는 하나의 배터리 모듈 내에서 배터리 셀이 직렬적으로 배치되거나, 두개의 배터리 모듈들 간에 배터리 셀이 직렬적으로 배치되는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 증축된 두 개의 배터리 모듈들 중, 상단에 배치된 제1 배터리 모듈의 하단면과 하단에 배치된 제2 배터리 모듈의 상단면이 접하면서 두개의 배터리 모듈들 간에 배터리 셀이 직렬적으로 배치되는 경우가 있을 수 있다.
배터리 셀이 수직으로 증축된 경우에 상단에 배치된 배터리 셀이 다양한 이유로 구동이 불가한 상황이 발생할 수 있다. 상단에 배치된 배터리 셀이 구동이 불가할 때, 상단의 배터리 셀과 직렬적으로 연결된 하단의 배터리 셀이 무의미해지므로, 하나의 배터리 셀 때문에 여러 개의 배터리 셀이 무용지물이 될 수 있다.
도 4를 참고하면, 서로 직렬로 연결되고 상하로 배치된 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들이 도시된다. 예를 들어, 하단에 배치된 제2 배터리 모듈에 포함된 제1 배터리 셀(111) 및 제2 배터리 셀(112), 상단에 배치된 제1 배터리 모듈에 포함된 제3 배터리 셀(113) 및 제4 배터리 셀(114)이 도시되어 있다. 제1 배터리 셀(111)의 길이 방향(예: z 방향)으로 제3 배터리 셀(113)이 배치되고, 제2 배터리 셀(112)의 길이 방향(예: z 방향)으로 제4 배터리 셀(114)이 배치될 수 있다. 다시 말해서, 제1 배터리 셀(111)의 (+)단자에 제3 배터리 셀(113)의 (-)단자가 대응되도록 배치되고, 제2 배터리 셀(112)의 (+)단자에 제4 배터리 셀(114)의 (-)단자가 대응되도록 배치될 수 있다.
하단에 배치된 제1 배터리 셀(111) 및 제2 배터리 셀(112)과 상단에 배치된 제3 배터리 셀(113) 및 제4 배터리 셀(114) 사이에는 리셉터클(receptacle)(153)이 배치될 수 있다. 상기 리셉터클(153)은 리셉 플레이트(150)에 포함될 수 있다.
리셉 플레이트(150)는 증축된 두 개의 배터리 모듈들 중, 상단에 배치된 제1 배터리 모듈의 하단면과 하단에 배치된 제2 배터리 모듈의 상단면이 접하면서 두개의 배터리 모듈들 간에 기계적으로 고정될 수 있도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 리셉 플레이트(150)는 상하 배터리 모듈들이 결합될 수 있도록 체결부를 포함하고, 상기 체결부는 두 모듈들간 고정을 용이하게 하기 위해서 소정의 단차가 형성될 수 있으며, 단차를 통해 다수의 홈 또는 다수의 슬릿이 형성될 수 있다. 상기 다수의 홈 또는 다수의 슬릿을 통해 상하 배터리 모듈들간 인터락킹(inter-locking)될 수 있다. 또는 리셉 플레이트(150)는 상하 배터리 모듈들이 'ㄷ' 형태의 단차부에 'ㄱ', 'ㄴ', 'ㄷ' 형태의 삽입단이 삽입되는 형태의 인터락킹 구조를 포함할 수 있다. 또는, 리셉 플레이트(150)는 고정 부쉬가 끼움 결합되도록 천공된 적어도 하나의 끼움홀을 포함할 수 있다. 상기 설명된 상하 배터리 모듈들간 인터락킹되는 구조는 예시일뿐, 이에 권리가 한정되지 않으며, 공지에 개시되어 있는 일반적인 리셉 플레이트의 구조가 본 발명에 적용될 수 있음은 통상의 기술자 수준에서 자명하다.
리셉 플레이트(150)는 상하로 직렬 연결된 2개의 배터리 셀들이 물리적으로 접촉되는 다수의 리셉터클(153)을 포함할 수 있다. 리셉터클(153)의 철(凸)부(151)(또는, 리셉터클(153)의 돌출부)는 제3 배터리 셀(113) 및 제4 배터리 셀(114)에 맞닿아 있고, 리셉터클(153)의 요(凹)부(152)(또는, 리셉터클(153)의 기저부)는 제1 배터리 셀(111) 및 제2 배터리 셀(112)에 맞닿아 있을 수 있다. 다시 말해서, 제1 배터리 셀(111)의 (+)단자 및 제2 배터리 셀(112)의 (+)단자는 상기 요부(152)에 맞닿아 있으며, 제3 배터리 셀(113)의 (-)단자 및 제4 배터리 셀(114)의 (-)단자는 상기 철부(151)에 맞닿아 있을 수 있다.
제1 배터리 셀(111)은 제3 배터리 셀(113) 및 제4 배터리 셀(114)과 전기적으로 연결되며, 제2 배터리 셀(112)은 제3 배터리 셀(113) 및 제4 배터리 셀(114)과 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따라, 제3 배터리 셀(113)이 작동이 불가능하더라도, 제1 배터리 셀(111)로부터 나오는 전기 에너지가 제4 배터리 셀(114)로 유입됨으로써, 배터리 모듈(100)로서 기능을 유지할 수 있는 기술적 효과가 제공될 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 배터리 화재 감지 기능을 포함하는 배터리 모듈 관리 시스템을 도시한 도면이다. 도 10은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 온도 변화 및/또는 화재 발생에 따른 프로세서의 제어 로직을 설명하기 위한 흐름도이다.
프로세서(11)는 배터리 모듈(100)로 유입되는 공기의 온도값 및 배터리 모듈(100)로부터 유출되는 공기의 온도값을 획득하고, 상기 유입되는 공기와 상기 유출되는 공기 간 공기의 온도 차이값을 결정할 수 있다. 상기 온도값은 온도 센서를 통해 측정될 수 있다. 다시 말해서, 프로세서(11)는 배터리 모듈(100)에 포함된 공기 유입구(171)를 통해 유입되는 제1 공기의 온도값과 배터리 모듈(100)에 포함된 공기 유출구(172)를 통해 유출되는 제2 공기의 온도값 간 차이인 공기의 온도 차이값을 결정할 수 있다. 상기 공기 유입구(171) 및 상기 공기 유출구(172)에는 각각 온도 센서가 배치될 수 있다.
프로세서(11)는 상기 공기의 온도 차이값 뿐만 아니라, 냉각수의 온도 차이값을 결정할 수 있다. 프로세서(11)는 배터리 모듈(100)에 포함된 냉각수 유입구(131)를 통해 공급되는 냉각수의 온도값 및 배터리 모듈(100)에 포함된 냉각수 유출구(132)를 통해 토출되는 냉각수의 온도값을 획득하고, 상기 공급되는 냉각수와 상기 토출되는 냉각수 간 냉각수의 온도 차이값을 결정할 수 있다. 상기 냉각수 유입구(131) 및 상기 냉각수 유출구(132) 각각의 인접한 위치에 각각 온도 센서가 배치될 수 있다.
프로세서(11)는 냉각 튜브와 인접하게 설치된 압전 센서에 기초하여 상기 냉각 튜브에 대한 압력값을 획득할 수 있다. 프로세서(11)는 상기 냉각 튜브에 대한 압력값에 기초하여, 시간에 따른 냉각 튜브에 대한 압력 변화값을 결정할 수 있다.
프로세서(11)는 배터리 모듈(100) 내부의 특정 위치 또는 공기 펌프(262)와 인접하게 설치된 압전 센서에 기초하여 배터리 모듈(100) 내부 및/또는 외부의 공기 흐름에 대한 압력값을 획득할 수 있다. 프로세서(11)는 상기 공기 흐름에 대한 압력값에 기초하여, 시간에 따른 공기 흐룸에 대한 압력 변화값을 결정할 수 있다.
프로세서(11)는 상기 공기의 온도 차이값, 상기 냉각수의 온도 차이값 및 상기 압력 변화값에 기초하여, 상기 배터리 모듈(100)에 대한 제어의 기준값을 산출할 수 있다. 상기 기준값은 이하 수학식 1을 통해서 산출될 수 있다.
Figure 112022014653692-pat00001
상기 수학식 1에서, S는 상기 기준값, Ai는 상기 공기 유입구를 통해 유입되는 공기의 온도값, Ao는 상기 공기 유출구를 통해 유출되는 공기의 온도값, w는 상기 공기의 온도값에 대한 가중치, Ci는 상기 냉각수 유입구를 통해 유입되는 냉각수의 온도값, Co는 상기 냉각수 유출구를 통해 유출되는 냉각수의 온도값, v는 상기 냉각수의 온도값에 대한 가중치, Pc는 상기 압력 변화값일 수 있다. w+v는 1이고, w는 v보다 클 수 있다. 온도값의 단위는 섭씨 온도이고, 압력값의 단위는 atm일 수 있다.
도 10의 S110 및 S120을 참고하면, 프로세서(11)는 결정된 상기 공기의 온도 차이값이 미리 설정된 제1 임계 온도값을 초과하는 경우, 화재 주의 상태로 결정하고, 상기 배터리 모듈(100)에 유입되는 냉각수 및/또는 냉각 공기의 온도를 더 낮출 수 있다. 다시 말해서, 프로세서(11)는 상기 배터리 모듈(100)에 포함된 냉각수 유입구(131)를 통해 유입되는 냉각수의 온도가 미리 설정된 기준 온도보다 낮은 온도가 되도록 제어하고, 공기 유입구(171)를 통해 유입되는 냉각 공기의 온도가 미리 설정된 기준 온도보다 낮은 온도가 되도록 제어할 수 있다. 다른 실시 예에서, 프로세서(11)는 산출된 상기 기준값이 제1 임계 기준값을 초과하는 경우, 화재 주의 상태로 결정하고, 상기 배터리 모듈(100)에 유입되는 냉각수의 온도를 더 낮출 수 있다. 다시 말해서, 프로세서(11)는 상기 배터리 모듈(100)에 포함된 냉각수 유입구(131)를 통해 유입되는 냉각수의 온도가 미리 설정된 기준 온도보다 낮은 온도가 되도록 제어하고, 공기 유입구(171)를 통해 유입되는 냉각 공기의 온도가 미리 설정된 기준 온도보다 낮은 온도가 되도록 제어할 수 있다.
도 10의 S130 및 S140을 참고하면, 프로세서(11)는 결정된 상기 공기의 온도 차이값이 미리 설정된 제2 임계 온도값을 초과하는 경우, 화재 위험 단계로 결정하고, 상기 배터리 모듈(100)을 비활성화할 수 있다. 다시 말해서, 프로세서(11)는 결정된 상기 공기의 온도 차이값이 미리 설정된 제2 임계 온도값을 초과하는 경우, 상기 배터리 모듈(100)의 전원 상태를 턴오프(turn-off)할 수 있다. 상기 제2 임계 온도값은 상기 제1 임계 온도값보다 높을 수 있다. 다른 실시 예에서, 프로세서(11) 산출된 상기 기준값이 상기 제1 임계 기준값보다 높은 제2 임계 기준값을 초과하는 경우, 화재 위험 단계로 결정하고, 상기 배터리 모듈(100)을 비활성화할 수 있다. 다시 말해서, 프로세서(11)는 산출된 상기 기준값이 상기 제1 임계 기준값보다 높은 제2 임계 기준값을 초과하는 경우, 상기 배터리 모듈(100)의 전원 상태를 턴오프(turn-off)할 수 있다. 상기 제2 임계 온도값은 상기 제1 임계 온도값보다 높을 수 있다.
도 10의 S150 및 S160을 참고하면, 프로세서(11)는 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 팩(1)에서 화재가 발생한 경우, 화재 발생 단계로 결정하고, 상기 배터리 모듈(100)의 전원 상태를 턴오프(turn-off)하고, 배터리 모듈(100)의 내부에 배치된 소화제 살포기를 통해 소화제를 살포할 수 있다. 프로세서(11)는 상기 배터리 모듈(100)의 내부 또는 외부에서 연기가 감지되거나 스파크가 감지되거나 배터리 모듈(100) 내부의 이산화탄소의 농도가 기준 농도보다 높아진 경우, 화재가 발생한 것으로 결정할 수 있다. 상기 소화제는 헬륨가스, 이산화탄소 가스, 질소 가스 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다만 상기 소화제의 종류는 일 실시 예일뿐, 상기 소화제는 배터리 모듈 내부에 살포가능한 기체 및/또는 액체 형태의 소화제를 모두 포함할 수 있다.
스파크 감지부(300)는 배터리 모듈(100)의 내부 상측, 하측, 좌측, 배터리 모듈(100)의 외부 상측, 하측, 좌측, 공기 유입구(171), 공기 유출구(172), 냉각수 유입구(131), 냉각수 유출구(132) 중 적어도 어느 하나에 배치될 수 있다.
스파크 감지부(300)는 스파크에 의한 광을 감지하는 광 감지부 및 상기 광 감지부에 의하여 감지된 광값을 프로세서(11)로 전달하는 광 전달부를 포함할 수 있다. 상기 광 전달부는 상기 감지된 광값을 증폭하여 프로세서(11)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 광 감지부는 광센서, 이미지 센서, 포토다이오드, 포토 트랜지스터, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
연기 감지부(400)는 연기 유동시 광 검출량의 변화를 감지하는 감광식 연기센서, 연기 유동시 산란하는 광을 검출하는 광산란식 연기센서 및/또는 카메라를 통해 연기를 감지할 수 있다. 상기 감광식 연기센서는 발광부와 수광부로 이루어지는 광센서 사이를 연기가 유동할 때, 광센서의 광 검출량이 변하는 것을 이용하여 연기의 발생 여부를 감지하는 센서이고, 광산란식 연기센서는 발광부와 수광부로 이루어지는 광센서 사이를 연기가 유동할 때, 산란하는 광을 검출하는 것을 이용하여 연기의 발생을 감지하는 센서일 수 있다. 상기 감광식 연기센서, 상기 광산란식 연기센서 및/또는 상기 카메라는 상기 배터리 모듈(100)의 내부에 배치될 수 있다.
연기 감지부(400)는 카메라를 통해 복수개의 이미지 프레임들을 획득하고, 제1 이미지 프레임 및 제1 이미지 프레임과 시간적으로 인접한 제2 이미지 프레임을 비교할 수 있다. 다시 말해서, 연기 감지부(400)는 카메라를 통해 상기 제1 이미지 프레임 및 상기 제2 이미지 프레임을 대상으로, 서로 위치가 대응하는 픽셀값끼리 차분하여 차분 이미지 프레임을 생성하고, 차분 이미지 프레임을 구성하는 픽셀값들의 합산값이 미리 설정된 제1 임계값 이상이며 미리 설정된 제2 임계값 이하인 경우, 연기가 감지된 것으로 결정할 수 있다. 상기 제2 임계값은 상기 제1 임계값보다 높을 수 있다.
이산화탄소 농도 감지부(500)는 배터리 모듈(100) 내부 공기에 함유된 이산화탄소의 농도를 실시간으로 체크할 수 있다. 이산화탄소 농도 감지부(500)는 배터리 모듈(100) 내부 및/또는 외부의 어느 위치에든 배치될 수 있으며, 배치되는 위치는 제한되지 않는다.
도 11은 도 1에 따른 배터리 모듈 관리 시스템(10)의 하드웨어 구성을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 배터리 모듈 관리 시스템(10)은 적어도 하나의 프로세서(110) 및 상기 적어도 하나의 프로세서(11)가 적어도 하나의 동작(operation)을 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory)를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 동작은, 전술한 배터리 모듈 관리 시스템(10)의 동작이나 기능 중 적어도 일부를 포함하고 명령어들 형태로 구현되어 프로세서(11)에 의하여 수행될 수 있다.
여기서 적어도 하나의 프로세서(11)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(12) 및 저장 장치(16) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(12)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중 하나일 수 있고, 저장 장치(16)는, 플래시메모리(flash-memory), 하드디스크 드라이브(HDD), 솔리드 스테이트 드라이브(SSD), 또는 각종 메모리 카드(예를 들어, micro SD 카드) 등일 수 있다.
또한, 배터리 모듈 관리 시스템(10)은 무선 네트워크를 통해 통신을 수행하는 송수신 장치(transceiver)(13)를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 모듈 관리 시스템(10)은 입력 인터페이스 장치(14), 출력 인터페이스 장치(15), 저장 장치(16) 등을 더 포함할 수 있다. 배터리 모듈 관리 시스템(10)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(17)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다. 도 11에서는 배터리 모듈 관리 시스템(10)을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 상술한 방법 또는 장치는 그 구성이나 기능의 전부 또는 일부가 결합되어 구현되거나, 분리되어 구현될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 배터리 팩 10: 배터리 모듈 관리 시스템
11: 프로세서 100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀 120: 베이스 플레이트
130: 냉각 튜브 140: 개구부
150: 리셉 플레이트 201: 제1 냉각 장치
202: 제2 냉각 장치 300: 스파크 감지부
400: 연기 감지부 500: 이산화탄소 농도 감지부

Claims (5)

  1. 배터리 모듈을 관리하는 배터리 모듈 관리 시스템에 있어서,
    복수 개의 배터리 셀들을 포함하고, 서로 전기적으로 연결된 복수의 배터리 모듈들;
    상기 복수의 배터리 모듈들 중 서로 인접한 2개의 배터리 모듈들 사이에 배치되어 상기 2개의 배터리 모듈들을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 리셉 플레이트(recept plate);
    상기 배터리 모듈들을 제어하는 프로세서를 포함하고,
    상기 배터리 모듈들 각각은,
    상기 배터리 셀들 각각에 대응되도록 복수 개의 개구부들을 포함하는 베이스 플레이트 및 상기 배터리 셀들 각각을 감싸는 형태의 냉각 튜브를 포함하고,
    상기 배터리 모듈들 각각은 공기 유입구 및 공기 유출구를 포함하고,
    상기 공기 유입구에 제1 온도 센서 및 상기 공기 유출구에 제2 온도 센서가 배치되며,
    상기 프로세서는,
    상기 공기 유입구를 통해 유입되는 제1 공기의 제1 온도값을 상기 제1 온도 센서를 통해 획득하고, 상기 공기 유출구를 통해 유출되는 제2 공기의 제2 온도값을 상기 제2 온도 센서를 통해 획득하고,
    상기 제1 온도값 및 상기 제2 온도값 간 온도 차이값을 결정하고,
    결정된 온도 차이값에 기초하여, 상기 배터리 모듈들 각각의 관리 모드를 결정하되,
    결정된 상기 온도 차이값이 미리 설정된 제1 임계 온도값을 초과하는 경우, 상기 관리 모드를 화재 주의 상태로 결정하고,
    상기 배터리 모듈들 각각에 포함된 냉각수 유입구를 통해 유입되는 냉각수의 온도가 미리 설정된 기준 온도보다 낮은 온도가 되도록 제어하고,
    결정된 상기 온도 차이값이 상기 제1 임계 온도값보다 높은 미리 설정된 제2 임계 온도값을 초과하는 경우, 상기 관리 모드를 화재 위험 단계로 결정하고,
    상기 배터리 모듈들 각각의 전원 상태를 턴오프(turn-off)하고,
    상기 배터리 모듈들 각각의 내부 또는 외부에서 연기가 감지되거나 스파크가 감지되거나 배터리 모듈 내부의 이산화탄소의 농도가 기준 농도보다 높아진 경우, 상기 관리 모드를 화재 발생 단계로 결정하고,
    상기 배터리 모듈들 각각의 내부에 배치된 소화제 살포기를 통해 소화제를 살포하고,
    상기 배터리 모듈들 각각에 배치된 스파크 감지부는 스파크에 의한 광을 감지하는 광 감지부 및 상기 광 감지부에 의하여 감지된 광값을 증폭하여 상기 프로세서로 전달하는 광 전달부를 포함하고, 상기 광 감지부는 광센서, 이미지 센서, 포토다이오드, 포토 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 프로세서는 연기 감지부를 더 포함하고, 상기 연기 감지부는 상기 배터리 모듈들 각각의 내부에 장착된 카메라를 통해 복수개의 이미지 프레임들을 획득하고,
    제1 이미지 프레임 및 상기 제1 이미지 프레임과 시간적으로 인접한 제2 이미지 프레임을 대상으로, 서로 위치가 대응하는 픽셀값끼리 차분하여 차분 이미지 프레임을 생성하고,
    상기 차분 이미지 프레임을 구성하는 픽셀값들의 합산값이 미리 설정된 제1 임계값 이상이며 미리 설정된 제2 임계값 이하인 경우, 연기가 감지된 것으로 결정하며, 상기 제2 임계값은 상기 제1 임계값보다 높은, 배터리 모듈 관리 시스템.
  2. 청구항 1에서,
    상기 배터리 셀들은 원통 형태이며,
    상기 베이스 플레이트 및 상기 냉각 튜브를 관통하는, 배터리 모듈 관리 시스템.
  3. 청구항 1에서,
    상기 복수 개의 개구부들은 정육각형의 형태로 구성되고,
    상기 배터리 셀들은 상기 복수 개의 개구부들을 각각에 내접하는, 배터리 모듈 관리 시스템.
  4. 청구항 1에서,
    상기 복수 개의 개구부들 중에서, 제1 개구부 및 상기 제1 개구부와 인접한 제2 개구부의 형상의 각도가 다른, 배터리 모듈 관리 시스템.

  5. 삭제
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