KR102586104B1 - 배터리 모듈의 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 시스템 및 그 방법 - Google Patents

배터리 모듈의 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 배터리 모듈의 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 시스템, 및 모니터링 방법에 관한 것이다. 복수의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈의 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 시스템은, 각각의 서미스터가 배터리 셀에 열적으로 결합하는 복수의 서미스터를 포함하는 전기 회로망, 복수의 서미스터를 포함하는 전기 회로망의 총 저항값을 측정하도록 구성된 저항 측정 회로, 그리고 전기 회로망의 총 저항값과 기 설정된 임계 저항값을 비교한 결과에 대응하여 신호를 생성하도록 구성되는 모니터링 장치를 포함할 수 있다. 모니터링 시스템은, 전기 회로망의 총 저항값의 측정과 독립적으로 배터리 모듈의 평균 온도를 결정하도록 구성될 수 있다. 기 설정된 임계 저항값은 배터리 모듈의 평균 온도에 따라 다르게 결정될 수 있다.

Description

배터리 모듈의 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 시스템 및 그 방법{MONITORING SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING TEMPERATURE OF BATTERY MODULE}
본 개시는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 온도를 모니터링하기 위한모니터링 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
최근에, 전력을 동력원으로 사용하는 차량들이 개발되었다. 전기 차량은 전기 모터에 의해 이차 배터리들에 저장된 에너지를 사용하여 구동되는 차량이다. 전기 차량은 배터리들에 의해서만 전력을 공급받을 수 있거나, 또는 예를 들어 가솔린 발전기에 의해 동력을 공급받는 하이브리드(hybrid) 차량의 형태일 수 있다. 또한, 차량은 전기 모터와 종래의 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전기 차량용 배터리(electric vehicle battery, EVB) 또는 견인 배터리(traction battery)는 배터리 전기 차량(battery electric vehicle, BEV)의 추진력을 공급하는데 사용되는 배터리이다. 전기 차량용 배터리는, 지속되는 기간 동안 전력을 공급하도록 설계되었으므로, 시동(starting), 조명(lighting), 및 점화(ignition)용 배터리와 다르다. 이차(rechargeable 또는 secondary) 배터리는 충전과 방전을 반복적으로할 수 있다는 점에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지로 비가역적 변환만을 하는 일차 배터리(primary battery)와 다르다. 저용량의 이차 배터리는 셀룰러폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 디바이스용 전원으로서 사용되는 반면, 고용량의 이차 배터리는 하이브리드 차량 등을 위한 전원으로 사용된다.
일반적으로 이차 배터리는 양극, 음극, 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극 단자들을 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 화학적 반응을 통해 이차 배터리의 충전 및 방전이 가능하도록 하기 위해, 이차 배터리의 케이스 내부로 전해질 용액이 주입된다. 케이스의 형상은 예를 들어, 원통형, 직사각형 등으로 배터리의 용도에 따라서 달라진다. 최근 개발 중인 전기 차량들에는 랩탑(laptop) 및 가전 제품들에 널리 사용되는 것으로 알려진 리튬-이온(및 비슷한 리튬 폴리머) 배터리가 주로 적용된다.
높은 에너지 밀도를 제공하기 위해, 특히 하이브리드 차량의 모터 구동을 위해, 이차 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈로 사용될 수 있다. 즉, 배터리 모듈은 고출력의 이차 배터리를 구현하기 위해, 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 배터리 셀의 전극 단자들을 연결하여 형성된다.
배터리 팩은 여러 개의(가능한 동일한) 배터리 모듈들의 세트이다. 배터리 모듈들은 원하는 전압, 용량 또는 전력 밀도를 제공하기 위해, 직렬, 병렬 또는 두 가지의 혼합 방식으로 구성될 수 있다. 배터리 팩의 구성요소들에는 각각의 배터리 모듈들과, 이들 간의 전기 전도성을 제공하는 인터커넥트(interconnect)가 포함된다.
배터리의 전력 출력 및 충전에 대한 고정(static) 제어만으로는 배터리 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자들의 동적 전력 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. 따라서, 배터리 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에는 지속적 또는 간헐적인 정보 교환이 요구된다. 배터리 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에 교환되는 정보는, 전기 소비자의 실제/예측된 전력 수요나 잉여 전력뿐만 아니라, 배터리 시스템의 충전 상태(State of Charge, SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항을 포함한다.
배터리 시스템은 일반적으로 전술한 정보를 처리하기 위한(BMS: battery management system) 및/또는 배터리 관리 장치(BMU: battery management unit)를 포함한다. BMS/BMU는, 적절한 내부 통신 버스들, 예를 들어, CAN 또는 SPI 인터페이스를 통해 다양한 전기 소비자의 제어기들과 통신할 수 있다. BMS/BMU는 각각의 배터리 서브 모듈, 특히 각각의 배터리 서브 모듈의 셀 감시 회로(CSC: cell supervision circuit)와 추가로 통신할 수 있다. CSC는 각 배터리 서브 모듈의 배터리 셀들을 상호 연결할 수 있는 하나 이상의 배터리 서브 모듈의 셀 연결 및 감지 유닛(CCU: Cell Connection and Sensing Unit)과 연결될 수 있다.
따라서 BMS/BMU는 배터리가 안전한 작동 영역을 벗어나 작동하는 것으로부터 보호하거나, 배터리의 상태 모니터링, 보조 데이터 산출, 데이터 보고, 배터리의 환경 제어, 배터리 인증, 및/또는 배터리 밸런싱 등에 의해, 배터리 팩을 관리하도록 제공될 수 있다.
배터리 시스템의 열 제어를 제공하기 위해서는, 이차 배터리로부터 발생된 열을 효율적으로 배출(emitting), 방출(discharging) 및/또는 방산(dissipating)함으로써 배터리 모듈을 안전하게 사용하기 위한 열 관리 시스템이 필요하다. 열 배출/방출/방산이 충분히 수행되지 않으면, 각 배터리 셀 사이에 온도 편차가 발생하여 배터리 모듈이 원하는 양의 전력을 생성할 수 없게 된다. 또한, 내부의 온도 상승은 그 내부에서 비정상적인 반응을 일으킬 수 있으며, 이로 인해 이차 배터리의 충전 및 방전 성능이 저하되고 이차 배터리의 수명이 단축된다. 따라서, 셀로부터 열을 효과적으로 배출/방출/방산하기 위한 셀 냉각이 필요하다.
현재 배터리 모듈/팩 내부의 개별 셀 온도는 일반적으로 배터리 모듈/팩 내부의 몇몇 지점에서 측정된 절대 온도를 고려하는 모델을 사용하여 결정된다. 그러나, 이러한 모델은 개별 셀의 온도 이상(예를 들어, 과열)을 안정적으로 감지할 수 없으며 주변 온도에 의한 영향을 고려하기에 충분하지 않다.
실시 예들을 통해 해결하고자 하는 과제는, 복수의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈에서 온도 이상을 검출하는 검출 신뢰성을 향상시키기 위한 모니터링 시스템, 및 이를 포함하는 배터리 모듈 및 차량, 그리고 배터리 셀들의 온도를 모니터링하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 일 양태는, 복수의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈의 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 시스템에 관한 것이다. 모니터링 시스템은, 복수의 서미스터(thermistor)를 포함하고, 복수의 서미스터 각각이 배터리 셀에 열적으로 연결되는 전기 회로망, 복수의 서미스터를 포함하는 전기 회로망의 총 저항값을 측정하도록 구성된 저항 측정 회로, 그리고 전기 회로망의 총 저항값과 기 설정된 임계 저항값을 비교한 결과에 대응하여 신호를 생성하도록 구성되는 모니터링 장치를 포함하며, 모니터링 시스템은 전기 회로망의 총 저항값의 측정과는 독립적으로 배터리 모듈의 평균 온도를 결정하도록 구성되고, 전기 회로망의 총 저항 값과 비교되는 임계 저항값은 배터리 모듈의 평균 온도에 따라 결정될 수 있다.
즉, 모니터링 시스템은 온도에 민감한 저항들(서미스터들)의 회로망을 사용하여 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 온도 이상을 감지할 수 있다.
모니터링 시스템의 일 실시 예에 따르면, 전기 회로망에 포함되는 서미스터들의 개수는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 개수보다 적고, 각 배터리 셀은 최대 하나의 서미스터에 열적으로 연결되고, 각 서미스터는 하나의 배터리 셀에만 열적으로 연결될 수 있다.
모니터링 시스템의 다른 실시 예에 따르면, 전기 회로망에 포함되는 서미스터들의 개수는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 개수와 같고, 각 배터리 셀은 하나의 서미스터에 열적으로 연결되고 각 서미스터는 하나의 배터리 셀에만 열적으로 연결될 수 있다.
모니터링 시스템의 일 실시 예에 따르면, 전기 회로망은 서미스터들의 병렬 연결을 포함할 수 있다. 즉, 전기 회로망에 포함된 서미스터들은 서로 전기적으로 병렬 연결될 수 있다.
모니터링 시스템의 다른 실시 예에 따르면, 전기 회로망은 서미스터들의 직렬 연결을 포함할 수 있다. 즉, 전기 회로망에 포함된 서미스터들은 서로 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
모니터링 시스템의 또 다른 실시 예에 따르면, 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 제1 서브 세트에 장착된 서미스터들은 제1 넷(net) 저항값을 갖는 제1 회로망을 형성하고, 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 제2 서브 세트에 장착된 서미스터들은 제2 넷 저항값을 가진 제2 회로망을 형성하며, 제1 및 제2 넷 저항값은 별도로 모니터링 및 분석될 수도 있다. 즉, 전기 회로망은, 복수의 서미스터로 구성된 하나의 회로망만을 포함하도록 제한되지 않는다. 즉, 전기 회로망은 복수의 서미스터들로 구성된 회로망들을 복수 개 포함하고, 이러한 회로망들은 배터리 모듈 내에서 서로 다른 배터리 셀들의 서브 세트에 각각 장착될 수도 있다.
모니터링 시스템의 일 실시 예에서, 전기 회로망은, 나머지 서미스터들이 노출되는 온도가 일정하게 유지되는 동안 적어도 하나의 서미스터가 노출되는 온도가 증가함에 따라 서미스터들의 회로망의 총 저항값이 감소하도록 구성될 수 있다. 즉, 전기 회로망에 포함된 서미스터들 중 적어도 하나의 서미스터의 노출 온도, 즉, 대응하는 배터리 셀의 온도가 증가하면, 나머지 서미스터들의 노출 온도가 일정하더라도 전기 회로망의 총 저항값(즉, 서미스터들로 구성되 회로망의 총 저항값)이 감소하도록 구성될 수 있다. 그리고, 모니터링 장치는 전기 회로망의 총 저항값이 기 설정된 임계 저항값 아래로 떨어지는 것을 측정하는 경우, 대응하는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 이 실시 예는 배터리 모듈에서 하나 이상의 배터리 셀의 과온(열 폭주와 같은)을 검출하는데 사용될 수 있다. 그러나, 모니터링 시스템의 다른 실시 예들은 또한 적어도 하나의 배터리 셀의 저온 검출을 위해 사용될 수도 있다. 후자의 경우, 모니터링 장치는 전기 회로망의 총 저항값이 기 설정된 임계 저항값을 초과하는 것을 측정하는 경우, 대응하는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, 모니터링 시스템의 다른 실시 예들은 배터리 모듈에서 하나 이상의 배터리 셀의 과온 및 저온 모두를 검출하기 위해 사용될 수도 있다. 이 경우, 모니터링 장치는 전기 회로망의 총 저항값이 기 설정된 제1 임계 저항값 아래로 떨어지거나, 기 설정된 제2 임계 저항값을 초과하는 것을 측정하는 경우, 대응하는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
이 실시 예에서, 전기 회로망에 포함된 각각의 서미스터는 NTC(negative thermal coefficient) 서미스터일 수 있다.
모니터링 시스템의 다른 실시 예에서, 전기 회로망은 나머지 서미스터가 노출되는 온도가 일정하게 유지되는 동안 적어도 하나의 서미스터가 노출되는 온도가 증가함에 따라 서미스터들의 회로망의 총 저항값이 증가하도록 구성될 수 있다. 즉, 전기 회로망에 포함된 서미스터들 중 적어도 하나의 서미스터의 노출 온도, 즉, 대응하는 배터리 셀의 온도가 증가하면, 나머지 서미스터들의 노출 온도가 일정하더라도 전기 회로망의 총 저항값(즉, 서미스터들로 구성되 회로망의 총 저항값)이 증가하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 모니터링 장치는 전기 회로망의 총 저항값이 기 설정된 임계 저항값을 초과하는 것을 측정하는 경우, 대응하는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 이 실시 예는 배터리 모듈에서 하나 이상의 배터리 셀의 과열(열 폭주와 같은)을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 모니터링 시스템의 다른 실시 예들은 또한 배터리 모듈에서 하나 이상의 배터리 셀의 저온 검출을 위해 사용될 수도 있다. 후자의 경우, 전술한 모니터링 장치는 전기 회로망의 총 저항값이 기 설정된 임계 저항값 아래로 떨어지는 것을 측정하는 경우, 대응하는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, 모니터링 시스템의 또 다른 실시 예들은 배터리 모듈에서 하나 이상의 배터리 셀의 과온 및 저온 모두를 검출하기 위해 사용될 수도 있다. 이 경우, 모니터링 장치는 전기 회로망의 총 저항값이 기 설정된 제1 임계 저항값을 초과하거나, 기 설정된 제2 임계 저항값 아래로 떨어지는 것을 측정하는 경우, 대응하는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
이 실시 예에서, 각각의 서미스터는 PTC(positive thermal coefficient) 서미스터일 수 있다.
모니터링 시스템의 일 실시 예에서, 모니터링 시스템은 적도 하나의 추가 온도 센서를 더 포함하고, 모니터링 장치는 배터리 모듈의 평균 온도를 결정하기 위해 적어도 하나의 추가 온도 센서의 신호를 사용하도록 구성될 수 있다.
모니터링 시스템의 다른 실시 예에서, 모니터링 시스템은 전기 회로망에 포함된 서미스터들 중 적어도 하나의 저항값을 개별적으로 감지하도록 구성되며, 모니터링 장치는 개별적으로 감지된 서미스터의 저항값을 사용하여 배터리 모듈의 평균 온도를 결정하도록 구성될 수도 있다. 여기서, "적어도 하나의 서미스터의 저항값을 개별적으로 감지"한다는 것은, 전기 회로망에 포함된 서미스터들 중 적어도 하나의 저항값이 나머지 서미스터의 저항값, 또는 전기 회로망의 총 저항값과 독립적으로 감지됨을 의미한다.
본 발명의 다른 양태는 전술한 실시 예들에 따른 모니터링 시스템을 포함하며 복수의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈에 관한 것이다.
배터리 모듈의 일 실시 예에서, 모니터링 장치는 배터리 모듈의 배터리 관리 유닛(BMU: battery management unit)에 통합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 전술한 배터리 모듈을 복수 개 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 양태는 전술한 배터리 모듈, 또는 전술한 배터리 팩을 적어도 하나 포함하는 차량에 관한 것이다. 차량의 일 실시 예에서, 차량은 전술한 모니터링 시스템을 통해 적어도 하나의 배터리 셀의 과열을 감지하면, 과열된 배터리 셀의 감지된 온도 값에 따라 다음의 조치들을 수행할 수 있다. 즉, 차량은, 차량에서 요청하는 냉각 전력을 높이거나, 또는 배터리 모듈에서 허용되는 전력을 제한할 수 있다. 최악의 경우 차량은 배터리 팩의 작동을 중단시킬 수도 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 배터리 모듈의 배터리 셀들의 온도를 모니터링하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은, a) 배터리 모듈의 평균 온도를 검출하는 단계, b) 검출된 배터리 모듈의 평균 온도에 따라 임계 저항값을 결정하는 단계, c) 복수의 서미스터를 포함하는 전기 회로망의 총 (전기) 저항값을 측정하는 단계(여기서 각 서미스터는 배터리 셀에 열적으로 연결됨), 그리고 d) c) 단계에서 측정된 전기 회로망의 총 저항값과 기 설정된 임계 저항값의 비교 결과에 대응하여 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 모니터링 방법은, 온도에 민감한 저항(서미스터)들로 구성된 전기 회로망을 사용하여 배터리 모듈/배터리 팩에 있는 배터리 셀들의 온도 이상을 감지할 수 있다.
모니터링 방법의 일 실시 예에서, a) 단계 내지 d) 단계는 배터리 모듈이 모니터링될 때, 즉 배터리 모듈이 사용중일 때, 반복 수행될 수 있다. 또한, a) 단계 내지 d) 단계는 배터리 모듈이 대기 상태이거나 사용되지 않을 때도 수행될 수도 있다.
모니터링 방법의 일 실시 예에서, 전기 회로망은 서미스터들의 병렬 연결, 또는 전기 회로망은 서미스터들의 직렬 연결을 포함할 수 있다.
모니터링 방법의 일 실시 예에서, 각각의 서미스터는 NTC 서미스터이고, 단계 d)는, 단계 c)에서 측정된 전기 회로망의 총 저항값이 설정된 임계 저항값 아래로 떨어지는 것을 감지하는 경우, 대응하는 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
모니터링 방법의 다른 실시 예에서, 각각의 서미스터는 PTC 서미스터이고, 단계 d)는, 단계 c)에서 측정된 전기 회로망의 총 저항값이 설정된 임계 저항값을 초과하는 것을 감지하는 경우 신호를 생성하는 단계를 포함할 수도 있다.
실시 예들에 따르면, 저렴한 비용으로 배터리 모듈의 온도 이상을 안정적으로 감지할 수 있다.
도 1은 개별 셀로 구성된 배터리 셀 스택의 개략도이며, 각 셀에는 온도-의존 저항이 장착되고, 온도-의존 저항들은 직렬 연결을 사용하여 전기적으로 연결된다.
도 2는 온도-의존 저항들의 병렬 연결(a) 및 직렬 연결(b)을 개략적으로 도시하며, 도 2에서 온도-의존 저항을 측정하기 위한 회로는 "R"로 표시되어 있다.
도 3은 NTC 서미스터의 온도-의존 특성을 나타내는 다이어그램이다.
도 4는 24개의 서미스터들을 가지는 병렬 NTC 회로망의 총 저항값을 나타내는 다이어그램이다.
도 5a는 24개의 서미스터들을 가지는 병렬 NTC 회로망에서 과열인 단일 배터리 셀을 검출하는 일 예를 설명하기 위한 다이어그램이다.
도 5b는 24개의 서미스터들을 가지는 병렬 NTC 회로망에서 과열된 단일 배터리 셀을 검출하는 다른 예를 설명하기 위한 다이어그램이다.
도 6a는 24개의 서미스터들을 가지는 직렬 NTC 회로망에서 과열인 단일 배터리 셀을 검출하는 일 예를 설명하는 다이어그램이다.
도 6b는 24개의 서미스터들을 가지는 직렬 NTC 회로망에서 과열인 단일 배터리 셀을 검출하는 다른 예를 설명하는 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모니터링 시스템의 어셈블리를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부한 도면들을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 이하 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예들의 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 상세히 설명하며, 특별히 언급되지 않는 한, 첨부 도면 및 상세한 설명 전반에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 나타내며, 그에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 본 문서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 복수의 항목들 중 어느 하나의 항목을 포함한다. 또한, 실시 예들을 설명 시 "~할 수 있다", "~일 수 있다"를 사용하는 것은 본 발명의 하나 이상의 실시 예를 나타낸다.
특성, 영역, 고정 수, 단계, 프로세스, 요소, 소자, 부품, 성분, 및 이들의 조합을 특정하기 위한 "포함한다", "포함하는" 등의 용어들은 다른 특성, 영역, 고정 수, 프로세스, 요소, 소자, 부품, 성분, 및 그들의 조합을 배제하는 것은 아니다.
본 문서에서 하나의 구성요소 또는 층이 다른 구성요소 또는 층에 대해 "상에", "연결된", 또는 "결합된" 것으로 기재되는 경우에 있어, "상에", "연결된" 및 "결합된" 것은 직접, 또는 하나 이상의 다른 구성요소 또는 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다.
본 발명의 개념의 특징 및 이를 달성하는 방법은 이하의 실시 예들에 대한 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 용이하게 이해될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시 예들을 보다 상세하게 설명하며, 문서 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 예시된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시 예들은 본 개시가 완전하고 완벽해질 수 있도록, 그리고 본 발명의 양태들 및 특징들을 당업자에게 충분히 전달할 수 있도록 예로서 제공된다. 따라서, 본 발명의 양태들 및 특징들의 완전한 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않은 것으로 간주되는 프로세스, 요소 및 기술은 설명되지 않을 수 있다. 별도의 언급이 없는 한, 첨부된 도면들 및 기재된 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 나타내므로 그에 대한 설명은 반복되지 않을 것이다. 도면들에서 구성요소들, 층들 및 영역들의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 대한 이하의 설명에서, 본 문서에서 "제1", "제2", ??제3"등의 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이러한 용어들은 하나의 요소(element), 구성요소(component), 영역(region), 층(layer) 또는 섹션(section)을 다른 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션과 구별하는 데 사용된다. 따라서, 아래에서 설명되는 제1 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션은, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.
본 문서에서 하나의 구성요소 또는 층이 다른 구성요소 또는 층에 대해 "상에", "연결된", 또는 "결합된" 것으로 기재되는 경우에 있어, "상에", "연결된" 및 "결합된" 것은 직접, 또는 하나 이상의 다른 구성요소 또는 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, 하나의 구성요소 또는 층이 2개의 구성요소 또는 층 "사이"에 있는 것으로 기재되는 경우, 2개의 구성요소 또는 층 사이의 유일한 구성요소 또는 층이거나, 하나 이상의 개재된 다른 요소 또는 층이 존재함으로 이해되어야 한다.
본 문서에서 사용된 용어들은 특정 실시 예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다. 특성, 영역, 고정 수, 단계, 프로세스, 요소, 소자, 부품, 성분, 및 이들의 조합을 특정하기 위한 "포함한다", "포함하는" 등의 용어들은 다른 특성, 영역, 고정 수, 프로세스, 요소, 소자, 부품, 성분, 및 그들의 조합을 배제하는 것은 아니다. 본 문서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 복수의 항목들 중 어느 하나의 항목을 포함한다. 구성요소들의 목록 앞에서의 "적어도 하나"와 같은 표현은 구성 요소들의 전체 목록을 수식하고, 목록의 개별 구성요소를 수식하지 않는다
본 문서에서 사용되는 용어 "실질적으로", "약", "대략" 및 이와 유사한 용어들은 근사(approximation) 용어로 사용되고 정도(degree)를 나타내는 용어로는 사용되지 않으며, 측정 값들 또는 계산 값들에 내재된 편차를 설명하기 위한 것임을 당업자라면 이해할 것이다. "실질적으로"라는 용어가 수치를 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합되어 사용되는 경우, "실질적으로"라는 용어는 ± 5%의 범위를 나타낸다. 또한, 본 발명의 실시 예들을 설명 시 "~할 수 있다", "~일 수 있다"를 사용하는 것은 본 발명의 하나 이상의 실시 예를 나타낸다.
본 문서에 기재된 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치 또는 전기 장치, 및/또는 임의의 다른 관련 장치, 또는 구성 요소들은, 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 어플리케이션-주문형 집적 회로), 소프트웨어 또는 소프트웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(IC) 칩 또는 개별 IC 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 연성 인쇄 회로 필름, 테이프 캐리어 패키지(TCP), 인쇄 회로 기판(PCB), 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 본 문서에 기재된 전기 접속 또는 상호 접속은 와이어 또는 전도성 요소에 의해, 예를 들어, PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상에 구현될 수 있다. 전도성 요소는 금속 박막, 예를 들어, 표면 금속 박막 및/또는 핀들을 포함하거나, 전도성 중합체 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 또한, 전기 에너지는 예를 들어, 전자기 방사 및/또는 빛을 사용한 무선 접속을 통해 전송될 수도 있다. 또한, 이들 장치들의 다양한 구성 요소들은 하나 이상의 컴퓨팅 장치에 포함된 하나 이상의 프로세서에서 실행되고, 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하고, 본 문서에 설명된 다양한 기능을 수행하기 위해 다른 시스템 구성 요소와 상호 작용하는 프로세스 또는 스레드일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어는 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같이 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어 CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비휘발성 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수도 있다. 또한, 당업자라면 본 발명의 예시적인 실시 예들의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 컴퓨터 장비들의 기능이 단일 컴퓨팅 장치에 결합 또는 통합될 수 있으며, 특정 컴퓨팅 장치의 기능이 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들로 분산될 수 있음을 알 수 있다.
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.
본 명세서에서, 용어 "복수의~"는 2개 이상의 엔티티를 지칭한다. 예를 들어, "복수의 배터리 셀"은 2개 이상의 배터리 셀을 의미하고, "복수의 서미스터"는 2 개 이상의 서미스터를 의미한다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 온도 이상을 모니터링하기 위한 모니터링 시스템은, 각 배터리 셀에 열적으로 결합된 온도-의존 저항(temperature-dependent resistor)들을 포함하는 전기 회로망(electric network), 예를 들어, PTC(positive thermal coefficient) 서미스터들, 또는 NTC(negative thermal coefficient) 서미스터들을 포함하는 전기 회로망을 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 전기 회로망을 포함하는 배터리 셀 스택의 개략도이다. 즉, 도 1은 배터리 셀들(12a, 12b, 12c, ..., 12n)로 구성된 배터리 셀 스택의 개략도를 도시하며, 각 배터리 셀에는 온도-의존 저항(14a, 14b, 14c, ..., 14n)이 장착될 수 있다.
온도-의존 저항(14a, 14b, 14c, ..., 14n)은 각각 NTC 서미스터 또는 PTC 서미스터일 수 있다. 도 1을 참조하면, 온도-의존 저항(14a, 14b, 14c, ..., 14n)은 직렬 연결(16b)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다(도 2(B) 참조). 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, ..., 14n)의 직렬 연결은, 복수의 온도-의존 저항(14a, 14b, 14c, ..., 14n)이 포함된 전기 회로망을 구성할 수 있다. 그러나, 전기 회로망은 또한 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, ..., 14n)의 전기적인 병렬 연결에 의해 구성될 수도 있다(도 2(A) 참조).
전술한 바와 같이 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, ..., 14n)로 구성된 전기 회로망의 총 저항값은, 저항값을 측정하는 다양한 기술들을 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들어, 션트(미도시)를 통해 전기 회로망을 흐르는 전류를 측정하고, 전기 회로망에 대해 측정된 전압과, 션트를 통해 측정된 전류를 사용하여 전기 회로망의 총 저항값을 획득할 수 있다. 또한, 예를 들어, 자기 측정(magnetic measurement)의 적용을 통해, 전기 회로망의 총 저항값이 측정될 수도 있다. 전기 회로망의 총 저항값의 측정은, 도 1에 도시된 바와 같이, 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, ..., 14n)의 직렬 연결(16b)에 연결된 저항 측정 회로(R)에 의해 측정될 수 있다.
본 문서에서, "저항값(resistance)"은 전기 저항값(electric resistance)을 나타낼 수 있다. 또한, "전기 회로망의 총 저항값"은 전기 회로망의 총 저항값의 절대적인 값을 나타낼 수 있다.
또한, 본 문서에서 배터리 모듈/배터리 팩의 "평균 온도"는, 배터리 모듈/배터리 팩을 구성하는 배터리 셀들의 평균 온도를 나타낼 수 있으나, 배터리 모듈/배터리 팩의 임의의 지점에서 측정된 온도를 나타낼 수도 있다. 후자의 경우, 온도가 측정된 지점은 배터리 모듈/배터리 팩 전체에서 열 평형 또는 적어도 대략 열 평형에 있다고 가정되는 지점일 수 있다.
온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, ..., 14n)은 직렬 연결 및 병렬 연결이 혼합된 복잡한 연결(회로) 방식에 의해 서로 전기적으로 연결될 수도 있지만, 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, ..., 14n)의 회로(회로망)를 구축하는 일반적인 두 가지 주요 방법으로는, 직렬 연결 및 병렬 연결이 있을 수 있다. 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, ..., 14n)의 직렬 연결(16b)에 의해 형성된 전기 회로망은, 도 1을 참조하여 위에서 설명되었으며, 도 2(B)에서 배터리 셀들을 생략하고 좀 더 개략적인 방식으로 도시되어 있다. 도 2(B)와 대조적으로, 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, ..., 14n)의 병렬 연결(16a)에 의해 형성된 전기 회로망이 도 2(A)에 개략적으로 도시되어 있다. 두 경우 모두, 전기 회로망은 도 1을 참조하여 위에서 설명한 것처럼 저항 측정 회로(R)와 연결될 수 있다. 그리고, 두 경우 모두 전기 회로망이 장착된 배터리 셀 스택의 적어도 하나의 배터리 셀이 과열되면, 전기 회로망의 총(전체) 저항값을 모니터링하여 과열 상태가 감지될 수 있다.
3개 이상의 온도-의존 저항을 사용하여 전기 회로망을 구성하는 경우, 특히 각 온도-의존 저항이 PTC 유형이거나, 또는 각 온도-의존 저항이 NTC 유형인 경우, 온도-의존 저항들의 병렬 연결 및 직렬 연결의 조합도 사용할 수 있다. 그러나 다음에서는 n(n ≥ 2인 양의 정수) 개의 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, ..., 14n)의 완전한 병렬 연결 또는 완전한 직렬 연결로 구성된 전기 회로망을 예로서 설명할 것이다.
온도-의존 저항은 온도에 대해 지수 의존성(exponential dependence)을 갖는다. 예를 들어, NTC 서미스터(저항)의 저항값은 다음의 수학식 1을 사용하여 모델링할 수 있다.
[수학식 1]
즉, NTC 서미스터의 저항값(R(T)은 고정 온도 0 및 매개 변수 에서 저항 0의 값으로 매개 변수화 될 수 있다.
도 3은 온도-의존 저항(예를 들어, NTC 서미스터)의 온도에 따른 저항 변화의 일 예를 도시한 것으로서, NTC 서미스터(저항)로 Murata NCP15XH103J03RC 모델이 사용되고, 위 수학식 1의 매개 변수들이 각각 R0 = 10kΩ, T0 = 25°C, 및 B = 3380K인 경우를 예로 들어 도시한다. 즉, 도 3에서는 NTC 저항의 저항값이 온도에 대해 어떻게 변하는지가 표시된다(세로 좌표의 로그 스케일 참조).
도 3을 참조하면, 지수 의존성으로 인해 온도(T)의 작은 변화도, 온도-의존 저항(NTC 서미스터)의 저항값의 큰 변화로 이어질 수 있다.
배터리 셀에 적용된 각 온도-의존 저항의 저항값, 즉, 전기 회로망을 구성하는 각 온도-의존 저항의 저항값은, 각 배터리 셀의 온도를 개별적으로 측정하기 위해 개별적으로 측정될 수도 있다. 각 온도-의존 저항에 대해 개별적으로 측정된 저항값은, 개별 배터리 셀의 온도 모니터링에 사용될 수 있다. 그러나 통상적인 AFE(analog front end) 칩에는, 각 배터리 셀의 온도를 개별적으로 측정할 수 있는 입력 채널이 충분하지 않다.
따라서, 온도 이상을 감지하는 보다 효율적인 방법으로, 각각 서로 다른 배터리 셀에 장착되는 복수의 온도-의존 저항으로 구성된 전기 회로망의 총 저항값(Rtot)을 측정하는 방법이 사용될 수 있다. 배터리 모듈 당 또는 배터리 팩당 하나 또는 여러 개의 온도-의존 저항 회로망을 구현할 수 있다.
온도-의존 저항들을 각 배터리 셀에 장착하기 위해 플렉스프린트(FlexPrint)기술이 사용되는 경우에는, 예를 들어, 각 온도 의존 저항이 저렴한 옵션인 CCU(cell-connecting unit) 내부에 통합되도록 구현될 수 있다. 새로운 CCU(Cell-Connecting Unit) 플렉스프린트 스트라이프(flexprint stripe) 개념의 구현은, 매우 저렴한 비용(일반적인 NTC 당 가격은, 2019 년 12 월 기준으로 0.02€임)으로 모든 배터리 셀에 온도-의존 저항을 설치할 수 있도록 지원한다.
온도-의존 저항들의 회로망을 구축하는 일반적인 방법(예를 들어, 직렬 연결 및 병렬 연결)은 위에서 이미 설명되었다.
아래에서는, 도 4, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b에 표시된 다이어그램들을 참조하여, 전기 회로망에 대해 총 저항값을 결정하는 방법들에 대해 설명한다. 도 4, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b에 표시된 다이어그램들은 모두 온도-의존 저항들 중 하나가 나머지 온도-의존 저항들에 비해 온도가 상승하는 경우를 도시한다.
도 4는 병렬 연결된 NTC 서미스터들을 포함하는 전기 회로망의 총 저항값(Rtot)의 온도 특성(온도에 따른 변화)을 설명하는 다이어그램이다.
도 4의 다이어그램은, 도 3에 도시된 온도 특성을 가지는 온도-의존 저항(Murata NCP15XH103J03RC)으로 구성된 전기 회로망에 대한 것이다. 전기 회로망은 24개의 NTC 서미스터들로 구성되며, 각 서미스터는 24개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 각 배터리 셀에 열적으로 연결(결합)될 수 있다. 즉, 배터리 모듈에 포함된 각 배터리 셀에는 하나의 서미스터가 장착되어 있다. 도 4는, 이러한 배터리 모듈에서, 23개의 배터리 셀의 온도가 (평균 또는 주변) 온도 Tamb로 유지되는 상태에서, 하나의 배터리 셀의 온도 Thot의 변화에 따라 전기 회로망의 총 저항값(Rtot)이 어떻게 변화하는지에 대해 도시된다. 도 4에 표시된 상이한 곡선들은 각각 서로 다른 주변 온도 Tamb에 대응하는 것이고(다이어그램의 범례 참조), 도 4의 가로 좌표는 단일 셀의 온도 Thot의 상이한 값들이 표시된다. 결과적으로, 전기 회로망의 총 저항값(Rtot)이 다이어그램의 세로 좌표를 따라 도시된다. 도 4에서, 단일 배터리 셀의 온도 Thot가 배터리 셀들의 주변 온도 Tamb와 같은 경우(즉, Tamb = Thot인 경우), 즉 모든 배터리 셀이 동일한 온도에 있는 경우의 데이터 포인트들은 점으로 표시된다.
도 5a에 표시된 다이어그램을 사용하여 병렬 NTC 회로망에서 과열인 단일 배터리 셀을 검출하는 방법에 대해 설명한다. 도 5a는 병렬 연결된 NTC 서미스터들을 포함하는 전기 회로망에서 배터리 셀의 과열을 검출하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 다이어그램이다. 도 5a의 다이어그램은, 각 NTC 서미스터로는 도 3에 표시된 온도 특성을 가지는 Murata NCP15XH103J03RC가 사용되고, 전기 회로망은 24개의 NTC 서미스터들로 구성되며, 각각은 24개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 각 배터리 셀에 열적으로 연결된 경우(즉, 각 배터리 셀에는 하나의 서미스터가 장착됨)에 대해 도시된다.
도 5a의 다이어그램을 획득하기 위해, 첫 번째 계산에서는 각 배터리 셀이 동일한 온도 Tamb에 있는 상태에서 병렬 NTC 회로망의 총 저항값 이 계산되고, 두 번째 계산에서는 23개의 배터리 셀이 온도 Tamb에 있고, 하나의 배터리 셀의 온도가 온도 Thot에 있는 경우의 병렬 NTC 회로망의 총 저항값 이 계산된다. 그리고, 이러한 첫 번째와 두 번째 계산에서 계산된 두 개의 총 저항값(,) 간의 차이의 절대 값인 가 계산되고, 이 값이 단일 배터리 셀의 온도 Thot에 대응하여 어떻게 변화하는지가 도 5a의 다이어그램에 표시된다. 도 5a에서는, Thot > Tamb이고 표시된 값들이 양수이면, 임을 나타낼 수 있다(도 3의 온도 특성 설명 참조). 도 5a에 표시된 상이한 곡선들은 배터리 모듈의 주변 또는 평균 온도인 Tamb의 상이한 값들에 대응한다(다이어그램의 범례 참조). 도 5a의 가로 좌표에는 단일 배터리 셀의 온도 Thot의 상이한 값들이 °C 단위로 표시된다.
도 5b는 병렬 연결된 NTC 서미스터들을 포함하는 전기 회로망에서 배터리 셀의 과열을 검출하는 방법의 다른 예를 설명하기 위한 다이어그램이다. 도 5b는 도 5a와 마찬가지로 전기 회로망이 병렬 NTC 회로망이고, NTC 서미스터로 도 3에 표시된 온도 특성을 가지는 Murata NCP15XH103J03RC가 사용된 경우를 예로서 나타낸다.
도 5b에 도시된 다이어그램은 도 5a에 대한 설명에서 설명한 것과 동일한 계산들, 즉, 모든 배터리 셀들이 동일한 온도 Tamb에 있는 경우의 전기 회로망의 총 저항값 을 산출하는 첫 번째 계산과, 23개의 배터리 셀은 Tamb 온도에 있고 단일 배터리 셀이 Thot 온도에 있는 상태에서 전기 회로망의 총 저항값 를 산출하는 두 번째 계산을 기반으로 한다. 그러나 두 번째 계산과 첫 번째 계산에서 계산된 두 개의 총 저항값들 간의 차이를 산출하고, 이의 절대 값을 도시한 도 5a와 달리, 도 5b의 다이어그램에서는 첫 번째 계산과 두 번째 계산에서 계산된 총 저항값들 간의 차이 값, 즉, 으로부터 상대적인 값인 를 백분율로 산출하고, 이 값이 단일 배터리 셀의 온도 Thot에 따라서 어떻게 변화하는지가 표시된다. 도 5b에 표시된 상이한 곡선들은 배터리 셀들의 주변 온도 또는 평균 온도 Tamb의 상이한 값들에 대응한다(다이어그램의 범례 참조). 도 5b의 가로 좌표에는 단일 배터리 셀의 온도 Thot의 상이한 값들이 °C 단위로 표시된다.
도 5a 및 5b는 NTC 서미스터들의 병렬 연결(도 2(A)참조)에 의해 형성된 전기 회로망에 대한 결과를 도시하고, 다음의 도 6a 및 6b는 NTC 서미스터들의 직렬 연결(도 2(B) 참조)에 의해 형성된 전기 회로망에 대한 해당 결과를 도시하며, 여기서도 각 NTC 서미스터는 Murata NCP15XH103J03RC(도 3 참조)의 온도 특성을 가지는 것으로 가정된다.
도 6a의 다이어그램을 사용하여 직렬 NTC 회로망에서 과열인 단일 배터리 셀 감지에 대해 설명한다. 도 6a는 직렬 연결된 NTC 서미스터들을 포함하는 전기 회로망에서 배터리 셀의 과열을 검출하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 다이어그램이다. 도 6a의 다이어그램은, 전기 회로망이 24개의 NTC 서미스들을 포함하며, 각각이 24개의 배터리 셀을 가진 배터리 모듈의 각 배터리 셀에 열적으로 연결되는 것(즉, 각 배터리 셀에는 하나의 서미스터가 장착됨)을 가정하여 도시된다.
도 6a의 다이어그램을 획득하기 위해, 첫 번째 계산에서는 각 셀이 동일한 온도 Tamb에 있는 상태에서 직렬 NTC 회로망의 총 저항값 이 계산되고, 두 번째 계산에서는 23개의 배터리 셀이 온도 Tamb에 있고 하나의 배터리 셀의 온도가 Thot 온도에 있는 경우의 직렬 NTC 회로망의 총 저항값 가 계산된다. 그리고, 도 6a의 다이어그램에서는, 이러한 첫 번째와 두 번째 계산에서 계산된 두 개의 총 저항값들(,) 간의 차이의 절대값인 가, 단일 배터리 셀의 온도 Thot 에 따라 어떻게 변화하는지가 표시된다. 도 6a에 표시된 상이한 곡선들은 배터리 모듈의 주변 또는 평균 온도인 Tamb의 상이한 값들에 대응한다(다이어그램의 범례 참조). 도 6a의 가로 좌표에는 단일 배터리 셀의 온도 Thot의 상이한 값들이 표시된다.
도 6b는 직렬 연결된 NTC 서미스터들을 포함하는 전기 회로망에서 배터리 셀의 과열의 검출하는 방법의 다른 예를 설명하기 위한 다이어그램이다.
도 6b에 도시된 다이어그램은, 도 6a에 대한 설명에서 설명된 것과 동일한 계산들, 즉, 모든 배터리 셀들이 동일한 온도 Tamb에 있는 경우의 직렬 NTC 회로망의 총 저항값 을 산출하는 첫 번째 계산과, 23개의 배터리 셀이 Tamb 온도에 있고 단일 셀이 온도 Thot에 있는 상태에서 직렬 NTC 회로망의 총 저항값 을 산출하는 두 번째 계산을 기반으로 한다. 그러나, 두 번째 계산과 첫 번째 계산에서 계산된 두 개의 총 저항값들 간의 차이의 절대값을 도시한 도 6a와 달리, 도 6b는 첫 번째 계산과 두 번째 계산에서 계산된 총 저항값들 간의 차이 값, 즉, 으로부터 상대적인 값인 를 백분율로 산출하고, 이 값이 단일 배터리 셀의 온도 Thot에 따라서 어떻게 변하는지가 표시한다. 도 6b에 표시된 상이한 곡선들은 배터리 셀들의 주변 온도 또는 평균 온도 Tamb의 상이한 값들에 대응한다(다이어그램의 범례 참조). 도6의 가로 좌표에는 단일 셀의 온도 Thot의 상이한 값들이 °C 단위로 표시된다.
도 5a 내지 6b에서 알 수 있듯이 모든 배터리 셀들의 온도가 주변 온도 Tamb로 동일한 경우와, 하나의 단일 배터리 셀의 온도가 과온인 Thot에 있는 경우 간에는, 전기 회로망의 저항값들에 감지 가능한 차이가 발생한다.
온도-의존 저항들의 병렬 회로망에서는, 모든 배터리 셀들이 동일한 온도에 있는 경우와, 하나의 배터리 셀이 과열된 경우 간의 전기 회로망의 총 저항값들의 상대적 차이 훨씬 더 두드러진다(도 5b 참조). 따라서, 이러한 상대적 차이의 측정은 직렬 회로망의 경우보다 병렬 회로망의 경우 구현하기가 기술적으로 더 쉽다. 따라서, 전기 회로망을 병렬 NTC 서미스터 회로망으로 구성하고, 이 전기 회로망의 총 저항값의 상대적 차이의 측정에 기초한 실시 예가 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 전기 회로망을 직렬 NTC 서미스터 회로망(도 6b 참조)으로 구성하고, 이 전기 회로망의 총 저항값의 상대적 차이의 측정에 기초하도록 구현될 수도 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 모니터링 시스템을 포함하는 배터리 모듈(10)을 개략적으로 도시한다.
도 7을 참조하면, 배터리 모듈(10)은 복수의 배터리 셀(12a, 12b, 12c, ..., 12n)과, 이러한 배터리 셀들(12a, 12b, 12c, ..., 12n)의 온도 이상을 감지하기 위한 모니터링 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 모니터링 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 온도-의존 저항들의 직렬 연결을 포함하는 전기 회로망을 포함하며, 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c, …, 14n)은 복수의 배터리 셀(12a, 12b, 12c, ..., 12n)에 열적으로 결합될 수 있다. 모니터링 시스템은, 저항 측정 회로(R), 모니터링 장치(20) 및 하나의 추가 온도 센서(18)를 더 포함할 수 있다. 모니터링 장치(20)는 배터리 관리 유닛(BMU: battery management unit)에 통합될 수 있다. 모니터링 장치(20)는 전기적인 연결(24)을 통해 저항 측정 회로(R)에 연결되어, 저항 측정 회로(R)로부터 온도-의존 저항들(14a, 14b, 14c,…, 14n)의 저항값에 대응하는 신호를 수신할 수 있다. 또한, 모니터링 장치(20)는 전기적인 연결(22)을 통해 추가 온도 센서(18)에 연결되어, 온도 센서(18)로부터 측정된 온도에 대응하는 신호를 수신할 수 있다. 이러한 신호들은 배터리 모듈(10)의 온도 이상을 평가하기 위해 사용될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 저항 측정 회로(R)는 모니터링 장치(20)에 통합될 수도 있다. 즉, 저항 측정 회로(R)는 BMU에 통합될 수 있다.
추가 온도 센서(18)는 모니터링 장치(20)에 신호를 전달하고, 모니터링 장치(20)는 이 신호를 배터리 셀들(12a, 12b, 12c, ..., 12n)의 주변 온도 Tamb(또는 배터리 모듈(10) 내의 평균 온도)에 대응하는 것으로 식별할 수 있다. 모니터링 장치(20)는 배터리 셀들의 주변 온도 Tamb가 입력으로 제공될 때, 모니터링 장치(20)가 단일 배터리 셀의 과열을 계산할 수 있도록 구성될 수 있다. 하나의 배터리 셀만이 과열된 상태이고, 모든 온도-의존 저항(14a, 14b, 14c, ..., 14n)이 도 3의 온도 특성을 가지는 NTC 서미스터라고 가정할 때, 모니터링 장치(20)는 도 6a 또는 6b를 참조하여 설명한 계산들을 수행할 수 있다. 또한, 단일로 과열된 배터리 셀의 온도 Thot는, 주변 온도 Tamb(즉, 추가 온도 센서(18)에 의해 주어진 입력), 및 저항 측정 회로(R)에 의해 모니터링 장치(20)에 제공되는 신호를 기반으로 계산된 전기 회로망의 총 저항값의 (절대적인 또는 상대적인) 차이에 따라 평가될 수 있다. 즉, 모니터링 장치(20)는 도 6a 및 도 6b에 도시된 함수의 역함수에, 주변 온도 Tamb, 전술한 첫 번째 및 두 번째 계산에서 획득된 전기 회로망의 총 저항값들 간의 차이()(도 6a 및 6b의 다이어그램에서 세로 좌표)를 적용하여 단일 배터리 셀의 온도(Thot)(도 6a 및 6b의 다이어그램에서 가로 좌표)를 계산할 수 있다. 즉, 모니터링 장치(20)는, 배터리 모듈(10)의 주변 온도 Tamb와, 전기 회로망의 총 저항값에 기초해 과열된 단일 배터리 셀의 온도 Thot를 계산할 수 있다.
이렇게 단일 배터리 셀의 온도 Thot가 계산되면, 모니터링 장치(20)는 이를 임계 온도 Tthresh와 비교할 수 있다. 임계 값 Tthresh는 주변 온도 Tamb에 따라 달라질 수 있다.
다른 실시 예에서는, 함수들(즉, 도 6a 및 6b에 표시된 곡선)의 단조로움으로 인해 과열된 단일 셀의 온도 Thot을 계산하는 단계를 생략할 수도 있다. 이 경우, 전기 회로망의 측정된 총 저항값은, 임계 온도 Tthresh에 해당하는 저항값에 대응하는 임계 저항값 Rthresh와 직접 비교될 수 있으며, 이러한 임계 저항값 Rthresh는 주변 온도 Tamb에 따라 다르게 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이 모니터링 장치(20)를 통해 단일 배터리 셀의 과열을 검출하는 방법은, 도 2a에 도시된 바와 같이 온도-의존 저항의 병렬 연결에 의해 형성된 전기 회로망에 대해서도 적용 가능하며, 온도-의존 저항이 PTC 서미스터인 경우에도 적용될 수 있다.
전술한 바에 따르면, 본 발명의 실시 예들은 저렴한 센서 기술 즉, 온도-의존 저항들을 사용하여 배터리 모듈의 온도 이상을 안정적으로 감지할 수 있도록 한다.
배터리 모듈(10)의 온도 이상은 다양한 오류로 인해 발생할 수 있으며, 전술한 모니터링 시스템은 온도 이상을 감지함에 따라 다양한 시나리오로 대응할 수 있다. 예를 들어, 모니터링 시스템은 온도 이상이 적어도 하나의 배터리 셀의 저온 이상에 대응하는 경우, 최대 전력이 가장 차가운 배터리 셀에 적용되도록 처리할 수 있다. 배터리 셀이 과열된 경우, 모니터링 시스템은 냉각 전력을 가장 뜨거운 배터리 셀에 적용할 수도 있다. 과충전 등으로 인해 배터리 셀의 온도가 안전 작동 한계를 초과하는 경우, 모니터링 시스템은 배터리 팩의 릴레이를 오픈시킬 수도 있다. 이와 같이, 모니터링 시스템을 사용하면, 개별 배터리 셀의 임계 상태의 검출이 과충전 안전 장치(OSD: overcharge safety device)의 사용에 기초한 방법을 사용하는 것보다 저렴해질 수 있다.
도 5a 내지 도 6b를 참조하면, 전술한 실시 예들에 따른 모니터링 시스템 및 이를 사용한 배터리 모듈의 온도 이상 모니터링 방법은, 개별 배터리 셀의 온도 이상(예를 들어, 과열)을 검출하기에 적합함을 알 수 있으며, 배터리 모듈이나 배터리 팩의 몇몇 지점에 전략적으로 배치된 전용 온도 센서를 사용하는 경우에 비해, 안정적으로 개별 배터리 셀의 과열을 감지할 수 있다.
10: 배터리 모듈
12a, 12b, 12c, 12n: 배터리 셀
14a, 14b, 14c, 14n: 온도-의존 저항
16a: 온도-의존 저항의 병렬 연결
16b: 온도-의존 저항의 직렬 연결
18: 추가 온도 센서
20: 모니터링 장치
22, 24: 전기적인 연결
R: 저항 측정 회로
Rtot: 온도-의존 저항 회로망의 총 저항값
Tamb: 배터리 모듈의 주변/평균 온도
Thot: 과열된 배터리 셀의 온도

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈의 온도를 모니터링하기 위한 모니터링 시스템으로서,
    각각의 서미스터가 배터리 셀에 열적으로 결합하는 복수의 서미스터를 포함하는 전기 회로망,
    상기 복수의 서미스터를 포함하는 상기 전기 회로망의 총 저항값을 측정하도록 구성된 저항 측정 회로, 그리고
    상기 전기 회로망의 상기 총 저항값과 기 설정된 임계 저항값을 비교한 결과에 대응하여 신호를 생성하도록 구성되는 모니터링 장치를 포함하며,
    상기 모니터링 시스템은, 상기 전기 회로망의 상기 총 저항값의 측정과 독립적으로 상기 배터리 모듈의 평균 온도를 결정하도록 구성되고,
    상기 기 설정된 임계 저항값은 상기 배터리 모듈의 평균 온도에 따라 달라지는, 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 서미스터의 개수는 상기 복수의 배터리 셀의 개수 이하이고,
    상기 복수의 배터리 셀 각각은 최대 하나의 서미스터에 열적으로 연결되고, 상기 각 서미스터는 하나의 배터리 셀에만 열적으로 연결되는, 모니터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기 회로망은 상기 복수의 서미스터의 병렬 연결을 포함하거나, 또는
    상기 전기 회로망은 상기 복수의 서미스터의 직렬 연결을 포함하는, 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기 회로망은, 상기 복수의 서미스터 중 적어도 하나의 서미스터가 노출되는 온도가 증가하면, 상기 전기 회로망의 상기 총 저항값이 감소하도록 구성되고,
    상기 모니터링 장치는 상기 전기 회로망의 상기 총 저항값이 상기 기 설정된 임계 저항값 아래로 떨어지는 것을 검출하면 대응하는 신호를 생성하도록 구성되는, 모니터링 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 서미스터 각각은 NTC(negative thermal coefficient) 서미스터인, 모니터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기 회로망은 상기 복수의 서미스터 중 적어도 하나의 서미스터가 노출되는 온도가 증가하면, 상기 전기 회로망의 상기 총 저항값이 증가하도록 구성되며,
    상기 모니터링 장치는 상기 전기 회로망의 상기 총 저항값이 상기 기 설정된 임계 저항값을 초과하는 것을 측정하는 경우 신호를 생성하도록 구성되는, 모니터링 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 서미스터 각각은 PTC(positive thermal coefficient) 서미스터인, 모니터링 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 모니터링 장치는 상기 적어도 하나의 추가 온도 센서의 신호를 사용하여 상기 배터리 모듈의 상기 평균 온도를 결정하도록 구성되는, 모니터링 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링 시스템은 상기 복수의 서미스터 중 적어도 하나의 저항값을 개별적으로 검출하도록 구성되고,
    상기 모니터링 장치는 상기 배터리 모듈의 상기 평균 온도를 결정하기 위해 개별적으로 검출된 서미스터들의 저항값을 사용하도록 구성된, 모니터링 시스템.
  10. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈로서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 상기 모니터링 시스템을 포함하는 배터리 모듈.
  11. 배터리 모듈의 배터리 셀들의 온도를 모니터링하는 방법으로서,
    a) 상기 배터리 모듈의 평균 온도를 검출하는 단계,
    b) 검출된 상기 배터리 모듈의 상기 평균 온도에 따라 임계 저항값을 결정하는 단계,
    c) 각 서미스터가 배터리 셀에 열적으로 연결된 복수의 서미스터를 포함하는 전기 회로망의 총 저항값을 측정하는 단계,
    d) 측정된 상기 전기 회로망의 상기 총 저항값과 상기 임계 저항값을 비교한 결과에 대응하여 신호를 생성하는 단계를 포함하는 모니터링 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 a) 단계 내지 상기 d) 단계는, 상기 배터리 모듈의 사용 중에 반복 수행되는 모니터링 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전기 회로망은 상기 복수의 서미스터의 병렬 연결을 포함하거나,
    상기 전기 회로망은 상기 복수의 서미스터의 직렬 연결을 포함하는, 모니터링 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 각 서미스터는 NTC 서미스터이고,
    상기 d) 단계는,
    상기 c) 단계에서 측정된 상기 전기 회로망의 상기 총 저항값이 상기 임계 저항값 아래로 떨어지는 것을 검출하면, 대응하는 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 모니터링 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 각 서미스터는 PTC 서미스터이고,
    상기 d) 단계는,
    상기 c) 단계에서 측정된 상기 전기 회로망의 상기 총 저항값이 상기 임계 저항값을 초과하는 것을 검출하면 대응하는 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 모니터링 방법.
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