KR20140028931A - 펄스 전원을 이용한 차량용 이차전지 스웰링 감지방법 및 장치 - Google Patents

펄스 전원을 이용한 차량용 이차전지 스웰링 감지방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

펄스 전원을 이용한 차량용 이차전지 스웰링 감지방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 스웰링 감지장치는, 차량용 이차전지 모듈의 제1 셀에 마련된 제1 극판과 제2 셀에 제1 극판과 마주보도록 마련된 제2 극판 간의 전압 파형을 감지하여 스웰링 정도를 파악한다. 이에 의해, 비교적 간단한 부품과 공정으로 이차전지의 스웰링 감지가 가능하며, 이차전지 시스템의 적정한 교체는 물론 탑승자와 차량의 안전을 도모할 수 있게 된다.

Description

펄스 전원을 이용한 차량용 이차전지 스웰링 감지방법 및 장치{Method for detecting swelling of vehicle rechargeable battery with pulse power supply and apparatus using the same}
본 발명은 스웰링 감지방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용 이차전지에서 발생할 수 있는 스웰링 현상을 감지하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
친환경 차량에 구동 전원으로 사용하는 리튬 이차전지는 특정 조건에서 스웰링(swelling : 배부름) 현상이 발생한다.
스웰링의 원인은, 양극활 물질, 음극활 물질, 전해액의 특성과 알루미늄 파우치의 가공조건, 건조조건, 설계시 극판 거리, 부품류의 특성 등 설계상의 문제들이다.
하지만, 설계상의 문제가 없는 정상적인 리튬 이차전지라 할지라도, 과충전과 같은 환경에서는 리튬 이차전지 내부의 가스 발생으로 스웰링 현상이 일어날 수 있다.
리튬 이차전지의 외장재에 따라 스웰링 현상이 좀 다르게 나타나는데, 캔 타입의 경우 금속캔으로 되었기 때문에 내부 압력의 영향이 적다. 반면, 알루미늄 파우치에서는 금속 캔보다는 내부 압력에 따른 스웰링 영향이 상대적으로 크다.
스웰링 현상이 발생한 리튬 이차전지는 성능 저하를 야기하는데 이에 대한 복구는 불가능하다. 때때로, 스웰링은 화재나 폭발을 일으키기도 하므로, 미리 감지하는 것이 중요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 차량용 이차전지 모듈의 셀들에 극판들을 부착시키고, 이 극판들의 출력 전압 파형으로부터 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 파악하기 위한 스웰링 감지장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 차량용 이차전지 스웰링 감지장치는, 차량용 이차전지 모듈의 제1 셀에 마련된 제1 극판; 상기 이차전지 모듈의 제2 셀에, 상기 제1 극판과 마주보도록 마련된 제2 극판; 상기 제1 극판과 상기 제2 극판의 양단에 인가될 전원을 공급하는 전원 공급부; 상기 제1 극판과 상기 제2 극판 간의 전압 파형을 감지하는 감지부; 및 상기 감지부에서 감지된 전압 파형으로부터 상기 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 파악하는 제어부;를 포함한다.
그리고, 상기 감지부에 의해 감지되는 전압 파형은, 상기 제1 극판과 상기 제2 극판 간에 커패시턴스에 의해 변경되고, 상기 제1 극판과 상기 제2 극판 간에 커패시턴스는, 상기 제1 셀과 상기 제2 셀의 스웰링 현상에 의해 변경될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 전원 공급부에 의해 인가되는 전원의 파형과 상기 감지부에서 감지된 전압 파형을 비교하여, 상기 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 이차전지 스웰링 감지장치는, 상기 제1 극판에 연결된 저항부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 전원 공급부에 의해 인가되는 전원의 파형과 상기 감지부에서 감지된 전압 파형이 유사할수록 상기 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 크게 파악할 수 있다.
그리고, 상기 전원 공급부에 의해 인가되는 전원은, 펄스 전원일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 스웰링 정도가 임계치를 초과하면, 이차전지 모듈에 의한 전원 공급을 차단하도록 BMS(Battery Management System)에 요청할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 차량용 이차전지 스웰링 감지방법은, '차량용 이차전지 모듈의 제1 셀에 마련된 제1 극판'과 '상기 이차전지 모듈의 제2 셀에, 상기 제1 극판과 마주보도록 마련된 제2 극판'의 양단에 인가될 전원을 공급하는 단계; 상기 제1 극판과 상기 제2 극판 간에 전압 파형을 감지하는 단계; 및 상기 감지단계에서 감지된 전압 파형으로부터 상기 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 파악하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 차량용 이차전지 모듈의 셀들에 극판들을 부착시키고, 이 극판들의 출력 전압 파형으로부터 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 파악할 수 있게 된다.
이에 따라, 비교적 간단한 부품과 공정으로 이차전지의 스웰링 감지가 가능하며, 이차전지 시스템의 적정한 교체는 물론 탑승자와 차량의 안전을 도모할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명이 적용가능한 친환경 차량에 이용되는 리튬 이차전지 모듈을 도시한 도면,
도 2는, 도 1의 "↓" 부분을 도시한 평면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지 스웰링 감지장치를 도시한 도면,
도 4는, 도 3에 도시된 스웰링 극판들과 저항부 및 펄스전원 공급부로 구성되는 RC 회로와 전압파형 감지부를 전기 회로로 도시한 도면, 그리고,
도 5는 펄스 파형(VIN)이 인가되는 경우, 감지되는 전압(VOUT) 파형을 커패시턴스(C)의 변화에 따라 나타낸 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
친환경 차량용 리튬 이차전지 시스템은, 다수의 셀들이 직/병렬로 연결되어 단위 모듈이 구성되고, 이 단위 모듈들이 연결되어 이차전지 시스템이 구성된다. 단위 모듈 내에는 6~8개의 셀들이 냉각을 이유로 일정 간격을 두고 위치한다.
도 1은 본 발명이 적용가능한 친환경 차량에 이용되는 리튬 이차전지 모듈을 도시한 도면이다. 도 1의 우측 부분은 좌측 부분의 점선 원형 부분을 추출하여 도시한 것으로, "↓" 부분은 리튬 이차전지 모듈 내에 마련되는 셀과 셀 사이를 지시한다.
도 2에는, 도 1의 "↓" 부분을 도시한 평면도이다. 도 2의 좌측에 도시된 바에 따르면, 본 발명이 적용가능한 친환경 차량용 리튬 이차전지 모듈 내에서는, 셀과 셀 사이에 스웰링 극판(스웰링 현상 감지에 이용할 극판)들이 부착되어 있음을 확인할 수 있다.
구체적으로, "셀 #1"의 양면 중 "셀 #2"와 마주보는 면에 '스웰링 극판-1'이 마련되고, "셀 #2"의 양면 중 "셀 #1"과 마주보는 면에 '스웰링 극판-2'가 마련된다.
도 2의 우측에 도시된 바와 같이, 스웰링 현상이 발생하면 '스웰링 극판-1'과 '스웰링 극판-2'는 서로 가까와져 접합하게 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이차전지 스웰링 감지장치를 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 이차전지 스웰링 감지장치는, 친환경 차량의 배터리 모듈 내에서 셀 간에 발생하는 스웰링 현상을 감지하기 위한 장치이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이차전지 스웰링 감지장치(100)는, 스웰링 극판-1(110), 스웰링 극판-2(120), 저항부(130), 펄스전원 공급부(140), 전압파형 감지부(150), 제어부(160) 및 PRA(Power Relay Assy) 제어부(170)를 포함한다.
스웰링 극판-1(110)과 스웰링 극판-2(120)는 도 2에 도시한 바 있는 '스웰링 극판-1'과 '스웰링 극판-2'이다. 스웰링 극판-1(110)과 스웰링 극판-2(120)는 커패시터(C)를 형성한다.
펄스전원 공급부(140)는 펄스 전원을 생성하여, '저항부(130)에 의한 저항(R)'과 '스웰링 극판-1(110)과 스웰링 극판-2(120)에 의한 커패시터(C)'로 구성되는 RC 회로에, 펄스 전원을 공급한다.
전압파형 감지부(150)는 스웰링 극판-1(110)과 스웰링 극판-2(120) 간의 전압파형을 감지한다. 즉, 전압파형 감지부(150)는 '스웰링 극판-1(110)과 스웰링 극판-2(120)에 의해 형성되는 커패시터(C)'에 걸리는 전압 파형을 감지하는 것으로 볼 수 있다.
도 4에는, 도 3에 도시된 스웰링 극판-1(110), 스웰링 극판-2(120), 저항부(130), 펄스전원 공급부(140)로 구성되는 RC 회로와 전압파형 감지부(150)를 전기 회로로 도시하였다.
도 4에 도시된 바에 따르면, 저항부(130)에 의한 저항(R)과 스웰링 극판들(110&120)에 의해 형성된 커패시터(C)에 의해 RC 회로가 형성되며, 펄스전원 공급부(140)에 의해 이 RC 회로에 펄스전원이 공급됨을 확인할 수 있다.
또한, 전압파형 감지부(150)는 스웰링 극판들(110&120)에 의해 형성된 커패시터(C)의 전압(VOUT) 파형을 감지하는데, 이 커패시터(C)의 전압(VOUT) 파형을 도 5에 도시하였다.
도 5에는 펄스전원 공급부(140)에 의해 펄스 파형(VIN)이 인가되는 경우, 전압파형 감지부(150)에서 감지되는 전압(VOUT) 파형을 커패시턴스(C)의 변화에 따라 나타내었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 펄스전원 공급부(140)에 의해 인가되는 펄스 파형(VIN)이 동일하더라도, 전압파형 감지부(150)에서 감지되는 전압(VOUT) 파형은 커패시턴스(C)에 따라 상이하게 나타난다.
한편, 커패시턴스(C)는 스웰링 정도에 따라 달라진다. 구체적으로 스웰링 현상이 심해질수록 스웰링 극판-1(110)과 스웰링 극판-2(120) 사이가 가까워지져, 커패시턴스(C)가 증가하게 된다.
따라서, 전압파형 감지부(150)에서 감지되는 전압(VOUT) 파형은 스웰링 정도를 나타내는 신호로 사용될 수 있다. 도 5에 도시된 바에 따르면,
1) 스웰링이 없는 경우, 스웰링 극판-1(110)과 스웰링 극판-2(120) 사이의 거리가 매우 멀어, 커패시턴스(C)가 매우 작아, "RC"가 작으므로, 전압파형 감지부(150)에서 감지되는 전압(VOUT) 파형은 펄스전원 공급부(140)과 거의 유사하고,
2) 스웰링 정도가 약한 경우, 스웰링 극판-1(110)과 스웰링 극판-2(120) 사이의 거리가 감소하여, 커패시턴스(C)가 증가하여, "RC"가 증가하므로, 전압파형 감지부(150)에서 감지되는 전압(VOUT) 파형은 펄스전원 공급부(140)과 상이해지며,
3) 스웰링 정도가 심한 경우, 스웰링 극판-1(110)과 스웰링 극판-2(120) 사이의 거리가 매우 감소하여, 커패시턴스(C)가 매우 증가하여, "RC"가 매우 증가하므로, 전압파형 감지부(150)에서 감지되는 전압(VOUT) 파형은 펄스전원 공급부(140)과 매우 상이해지게 된다.
다시, 도 3을 참조하여 설명한다.
전압파형 감지부(150)는 감지된 전압(VOUT) 파형을 제어부(160)로 전달하는데, 제어부(160)는 전압파형 감지부(150)로부터 전달받은 전압(VOUT) 파형으로부터 스웰링 정도를 판단한다. 판단 방법은 도 5에서 설명한 바 있다.
만약, 스웰링 정도가 심하여 임계치를 초과한 경우, 제어부(160)는 그 사실을 BMS(Battery Management System)의 PRA 제어부(170)에 통보한다. 그러면, PRA 제어부(170)는 PRA(Power relay assy)를 제어하여 해당 이차전지 모듈에서 인가되는 전원이 모터에 공급되지 않도록 차단시킨다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 이차전지 스웰링 감지장치 110, 120 : 스웰링 극판
130 : 저항부 140 : 펄스전원 공급부
150 : 전압파형 감지부 160 : 제어부
170 : PRA(Power relay assy) 제어부

Claims (7)

  1. 차량용 이차전지 모듈의 제1 셀에 마련된 제1 극판;
    상기 이차전지 모듈의 제2 셀에, 상기 제1 극판과 마주보도록 마련된 제2 극판;
    상기 제1 극판과 상기 제2 극판의 양단에 인가될 전원을 공급하는 전원 공급부;
    상기 제1 극판과 상기 제2 극판 간의 전압 파형을 감지하는 감지부; 및
    상기 감지부에서 감지된 전압 파형으로부터 상기 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 파악하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 이차전지 스웰링 감지장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감지부에 의해 감지되는 전압 파형은,
    상기 제1 극판과 상기 제2 극판 간에 커패시턴스에 의해 변경되고,
    상기 제1 극판과 상기 제2 극판 간에 커패시턴스는,
    상기 제1 셀과 상기 제2 셀의 스웰링 현상에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는 차량용 이차전지 스웰링 감지장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전원 공급부에 의해 인가되는 전원의 파형과 상기 감지부에서 감지된 전압 파형을 비교하여, 상기 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 파악하는 것을 특징으로 하는 차량용 이차전지 스웰링 감지장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 극판에 연결된 저항부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 전원 공급부에 의해 인가되는 전원의 파형과 상기 감지부에서 감지된 전압 파형이 유사할수록 상기 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 크게 파악하는 것을 특징으로 하는 차량용 이차전지 스웰링 감지장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전원 공급부에 의해 인가되는 전원은,
    펄스 전원인 것을 특징으로 하는 차량용 이차전지 스웰링 감지장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스웰링 정도가 임계치를 초과하면,
    이차전지 모듈에 의한 전원 공급을 차단하도록 BMS(Battery Management System)에 요청하는 것을 특징으로 하는 차량용 이차전지 스웰링 감지장치.
  7. '차량용 이차전지 모듈의 제1 셀에 마련된 제1 극판'과 '상기 이차전지 모듈의 제2 셀에, 상기 제1 극판과 마주보도록 마련된 제2 극판'의 양단에 인가될 전원을 공급하는 단계;
    상기 제1 극판과 상기 제2 극판 간에 전압 파형을 감지하는 단계; 및
    상기 감지단계에서 감지된 전압 파형으로부터 상기 이차전지 모듈의 스웰링 정도를 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 이차전지 스웰링 감지방법.
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