KR20200143929A - 배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법 및 이를 적용한 배터리 팩 - Google Patents

배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법 및 이를 적용한 배터리 팩 Download PDF

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KR20200143929A
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이현철
윤성열
김승현
김안수
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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법 및 이를 적용한 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리 셀들 각각의 온도 상승률을 바탕으로 배터리 셀의 내부 이상 여부를 진단하고, 그에 따른 조치를 취하는 것이 가능하도록 하는 배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법 및 이를 적용한 배터리 팩에 관한 것이다.

Description

배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법 및 이를 적용한 배터리 팩{A method of diagnosing an internal abnormality of a battery cell and a battery pack using the same}
본 발명은 배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법 및 이를 적용한 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리 셀의 온도 변화율을 바탕으로 배터리 셀의 내부 이상을 사전에 진단할 수 있는 방법과 이를 적용한 배터리 팩에 관한 것이다.
충전이 불가능한 일차 배터리와는 달리, 충전이 가능한 이차 배터리는 스마트 폰, 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC 등의 소형 첨단 전자기기 분야뿐만 아니라 전기 자동차, 에너지저장시스템(ESS)에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
그러나, 이차 배터리는 상기와 같이 다양한 분야에서 사용할 수 있다는 효율성과 편리성에도 불구하고, 에너지 밀도가 높은 특성으로 인해 어떠한 원인에 의해 과열되면 폭발하거나 화재를 일으킬 수 있는 위험성을 가지고 있다. 특히, 최근 배터리 폭발로 인한 화재 사고나 다수 발생하면서 이차 배터리 시장 자체에 불안함을 가중시키고 있고, 이에 따라 이차 배터리의 안전성을 확보하는 것이 가장 큰 화두로 언급되고 있다.
따라서, 이러한 이차 배터리의 안전성을 확보하기 위해서는 이차 배터리의 온도 상태를 모니터링 하여 화재 사고 등과 같은 위험 문제가 발생하기 전에 이차 배터리의 온도 상승이 지속되는 것을 방지하는 것이 중요하다.
한편, 이차 배터리가 과열되는 원인은 여러 가지가 존재할 수 있는데, 대표적으로는 충/방전에 의한 과충전이나 과방전이나 외부 쇼트 등을 포함하는 외부적인 요인으로 인해 온도가 상승할 수 있고, 이차 배터리의 내부 단락 등의 내부적인 요인에 의해서도 온도가 상승하게 된다.
이러한 이차 배터리의 온도 상태를 진단하기 위하여, 종래에는 배터리 셀들의 온도의 전체적인 경향을 반영하여, 상기 배터리 셀들의 평균 온도가 기준치 온도 이상의 상태로 일정 시간 이상 지속되면 온도 이상 상태가 발생한 것으로 판단하였다.
하지만, 이와 같은 종래 방식은 층/방전이나 외부 요인에 의한 온도 이상 상태는 검출할 수 있지만, 배터리 셀의 내부 단락 등과 같은 내부 요인으로 인한 셀의 순간적인 온도 상승을 반영한 온도 이상 상태는 검출하지 못한다는 문제점을 가지고 있다.
상기 배터리 셀의 내부 요인으로 인해 발생하는 셀의 순간적인 온도 상승은, 충/방전이나 외부 요인에 의한 온도 상승보다 배터리의 폭발이나 화재 사고로 직결되는 위험이 크기 때문에 필수적으로 검출되어야 하지만, 상기 종래 방식으로는 검출이 어렵기에, 배터리의 안전성을 확보하기 위해서는 셀의 순간적인 온도 상승을 감지하여 내부 이상을 사전에 진단할 수 있는 기술이 요구된다.
(특허문헌 1) KR10-0709866 B1
본 발명은 배터리 셀의 온도 변화율을 바탕으로 배터리 셀의 내부 이상을 진단하고, 그에 대한 조치를 취할 수 있도록 하여, 상기 배터리 셀의 내부 이상으로 발생할 수 있는 위험 문제를 사전에 방지 가능하도록 하는 배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법과 이를 적용한 배터리 팩을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법은, 소정의 시간 간격으로, 배터리 셀들 각각의 온도를 센싱하는 온도 센싱 단계; 상기 센싱된 온도 데이터를 이용하여, 상기 배터리 셀들 각각의 온도 상승률을 산출하는 온도 상승률 산출 단계; 상기 산출된 온도 상승률이 소정의 기준 상승률보다 높은 이상 온도 상승률을 보이는 경우, 그 이상 온도 상승의 원인이 해당 배터리 셀 내부 이상에 의한 것인지를 진단하는 이상 진단 단계; 상기 이상 진단 단계의 진단 결과에 따라, 상기 내부 이상에 의하여 소정의 기준 온도보다 높은 온도로 이상 온도 상승이 발생한 배터리 셀을 냉각시키는 셀 냉각 단계; 를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 이상 진단 단계는, 상기 산출된 각각의 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교하는 제1 비교 단계; 상기 제1 비교 단계의 비교 결과, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 존재하면, 해당 배터리 셀과 가장 멀리 떨어진 위치의 배터리 셀의 온도 상승률과 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률과의 차이를 산출하는 온도 상승률 편차 산출 단계; 상기 산출된 온도 상승률 편차와 소정의 제2 기준 값을 비교하는 제2 비교 단계; 상기 제2 비교 단계의 비교 결과에 따라, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의한 것인지를 판단하는 판단 단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이에, 상기 판단 단계는, 상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 이상이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의해 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
반면, 상기 판단 단계는, 상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 미만이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이 외부적인 요인에 의해 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
이에, 상기 셀 냉각 단계는, 상기 판단 단계에서 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상으로 인해 발생한 것으로 판단되면, 해당 배터리 셀에 냉각 장치를 가동시켜 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈; 소정의 시간 간격으로, 상기 배터리 셀들 각각의 온도를 센싱하는 온도 센싱부; 상기 온도 센싱부에 의해 센싱된 온도 데이터를 이용하여, 배터리 셀들 각각의 온도 상승률을 산출하는 온도 상승률 산출부; 상기 산출된 배터리 셀들의 온도 상승률을 바탕으로 하여, 소정의 기준 온도 상승률보다 높은 상승률을 보이는 이상 온도 상승률이 산출된 경우, 그 이상 온도 상승이 발생한 셀의 이상 온도 상승이 셀 내부 이상에 의한 것인지를 진단하는 이상 진단부; 상기 이상 진단부의 진단 결과에 따라, 셀 내부 이상에 의한 온도 상승이 발생한 배터리 셀을 냉각하도록 냉각부의 가동을 제어하는 냉각 제어부; 상기 냉각 제어부의 제어에 따라 해당 배터리 셀을 냉각시키는 냉각부; 를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 이상 진단부는, 상기 온도 상승률 산출부에서 산출된 배터리 셀들 각각의 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교하는 제1 비교부; 상기 제1 비교부의 비교에 따라 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀이 존재하면, 해당 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 위치의 배터리 셀의 온도 상승률과 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률과의 차이를 산출하는 온도 상승률 편차 산출부; 상기 온도 상승률 편차 산출부에서 산출된 온도 상승률 편차와 소정의 제2 기준 값을 비교하는 제2 비교부; 상기 제2 비교부의 비교 결과에 따라, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의한 것인지를 판단하는 판단부; 를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 판단부는, 상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 이상이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의해 발생한 것으로 판단하고, 이를 나타내는 제1 판단 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
반면, 상기 판단부는, 상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 미만이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 외부적인 요인에 의해 발생한 것으로 판단하고, 이를 나타내는 제2 판단 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
이에, 상기 냉각 제어부는, 상기 판단부로부터 제1 판단 신호가 출력되면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀을 냉각시키도록 상기 냉각부를 가동시키는 것을 특징으로 하고, 상기 판단부로부터 제2 판단 신호가 출력되면, 상기 냉각부를 가동시키지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배터리 셀의 온도 변화율을 이용하여 배터리 셀의 내부 이상을 사전에 진단하고, 그에 대한 조치를 취함으로써, 상기 배터리 셀의 내부 이상으로 인한 배터리 셀의 온도 상승 현상이 지속되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 상기 배터리 셀의 지속적인 온도 상승으로 인해 발생할 수 있는 배터리 폭발, 화재 등의 위험 사고를 미연에 방지하여 배터리의 안정성을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3의 (a)는 일 실시 예에 따른 온도 센싱부, (b)는 다른 실시 예에 따른 온도 센싱부를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
1. 본 발명에 따른 배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 배터리 셀의 내부 이상을 진단하는 방법에 대하여 설명한다.
1.1. 온도 센싱 단계(S100)
온도 센싱 단계는, 소정의 시간 간격으로 배터리 셀들 각각의 온도를 센싱하는 단계이다.
<실시 예 1: 배터리 셀 별로 온도 센서를 구비하는 경우>
일 실시 예로, 배터리 셀 별로 온도 센서를 구비하여 배터리 셀들 각각의 온도를 센싱할 수 있다.
<실시 예 2: 두 배터리 셀 당 하나의 온도 센서를 구비하는 경우>
다른 실시 예로, 두 개의 배터리 셀 사이마다 하나의 온도 센서를 구비하여 두 개의 배터리 셀에 대한 온도를 센싱할 수도 있다.
이러한 온도 센싱 단계는, 후술하는 온도 센싱부(200)에 의해 동작한다.
1.2. 온도 상승률 산출 단계(S200)
온도 상승률 산출 단계는, 상기 온도 센싱 단계(S100)를 통해 센싱된 온도 데이터를 이용하여 이전 시간 대비 현재 배터리 셀의 온도가 상승된 정도를 산출하는 단계로서, 즉 시간에 따른 온도 값의 기울기를 산출하는 것이다.
상기 실시 예 1의 경우, 배터리 셀들 각각에 대한 온도 상승률을 산출하여 배터리 셀 당 하나의 온도 상승률이 산출되는 것이고, 상기 실시 예 2의 경우에는 두 개의 배터리 셀에 대한 온도 상승률을 산출하는 것으로 두 배터리 셀의 온도를 반영하여 두 개의 배터리 셀(이하, 그룹 셀) 당 하나의 온도 상승률이 산출될 수 있다.
1.3. 이상 진단 단계(S300)
이상 진단 단계는, 상기 산출된 온도 상승률을 바탕으로 하여 배터리 셀에 소정의 기준 온도보다 높은 온도로 이상 온도 상승이 발생한 배터리 셀의 이상 온도 상승이 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의한 것인지의 여부를 진단하는 단계로서, 하기의 세부 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
가. 제1 비교 단계(S310)
상기 산출된 각각의 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교하는 단계이다.
상기 실시 예 1의 경우, 상기 산출된 배터리 셀들 각각의 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교할 수 있고, 상기 실시 예2 의 경우에는 상기 산출된 그룹 셀 각각의 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교할 수 있다.
도 4를 참조하면, 시간에 따라 cell(1)과 cell(2)의 온도가 상승하여 cell(1) 및 cell(2)의 그래프가 증가하는 형태를 보이는데, 이 때 기준 상승률 그래프(제1 기준 값)보다 높은 온도 상승률을 보이는 cell(1)을 이상 온도 상승이 발생한 것으로 볼 수 있다.
이는 후술하는 제1 비교부(410)에 의해 동작한다.
나. 온도 상승률 편차 산출 단계(S320)
비교 결과, 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 존재하면, 해당 배터리 셀로부터 가장 멀리 위치하는 배터리 셀의 온도 상승률과 상기 이상 온도 상승이 발생한 해당 배터리 셀의 온도 상승률(이상 온도 상승률)의 차이를 산출하는 단계이다.
예를 들어, 상기 온도 상승률이 소정의 제1 기준 값을 초과하는 배터리 셀을 제1 배터리 셀이라 하고, 상기 제1 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 위치에 해당하는 배터리 셀을 제N 배터리 셀이라 하면, 상기 제1 배터리 셀의 온도 상승률과 상기 제N 배터리 셀의 온도 상승률의 차이를 산출하는 것이다.
한편, 상기 실시 예 2의 경우도 마찬가지로, 상기 온도 상승률이 소정의 제1 기준 값을 초과하는 그룹 셀을 제1 그룹 셀이라 하고, 상기 제1 그룹 셀로부터 가장 멀리 떨어진 위치에 해당하는 그룹 셀을 제N 그룹 셀이라 하면, 상기 제1 그룹 셀의 온도 상승률과 상기 제N 그룹 셀의 온도 상승률 간의 차이를 산출할 수 있다.
여기서, 다른 배터리 셀의 온도 상승률과 구분하기 위하여, 소정의 제1 기준 값을 초과하는 온도 상승률을 이상 온도 상승률로 지칭하여 설명할 수 있다. 이러한 단계는, 후술하는 온도 상승률 편차 산출부(420)에 의해 이루어진다.
다. 제2 비교 단계(S330)
제2 비교 단계는, 상기 온도 상승률 편차 산출 단계(S320)에서 산출된 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률과 해당 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀의 온도 상승률 간의 차이와 소정의 제2 기준 값을 비교하는 단계이다.
한편, 상기 실시 예 2의 경우는, 상기 온도 상승률 편차 산출 단계(S320)에서 산출된 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률과 해당 그룹 셀로부터 가장 멀리 떨어진 그룹 셀의 온도 상승률 간의 차이와 소정의 제2 기준 값을 비교할 수 있다.
이는 후술하는 제2 비교부(430)에 의해 이루어진다.
라. 판단 단계(S340)
판단 단계는, 상기 비교 결과, 상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 이상이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상으로 인한 온도 상승인 것으로 판단할 수 있다.
반면, 상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 미만이라면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이 외부 단락이나 충/방전 이상 등을 포함하는 외부적인 요인에 의한 온도 상승인 것으로 판단할 수 있다.
이러한 원리는, 외부적인 요인에 의한 온도 상승이 발생한 경우라면, 셀 자체만의 문제가 아니기 때문에 배터리 셀들의 온도가 상승하는 정도가 전반적으로 비슷한 상태를 보일 것이다. 따라서, 어느 배터리 셀의 온도 상승률이 기준치(제1 기준 값)을 초과하였더라도, 그 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀의 온도 상승률과의 차이는 크지 않을 것이므로, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀과 그로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀의 온도 상승률 간의 차이가 소정의 제2 기준 값 미만이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀에 발생한 이상 온도 상승이, 해당 배터리 셀 자체의 내부 이상이 아닌 외부적인 요인에 의한 것으로 판단하는 것이다.
그러나, 배터리 셀의 내부 이상으로 인해 해당 배터리 셀에 이상 온도 상승이 발생한 경우라면, 해당 배터리 셀 자체에만 이상 온도 상승이 발생한 것이므로 해당 배터리 셀의 열이 그로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀에 전달되기까지는 많은 시간이 소요되기 때문에 이러한 경우 두 배터리 셀 간의 온도 상승률은 큰 차이를 가질 것이다. 따라서, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률과, 해당 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀의 온도 상승률 간의 차이가 소정의 제2 기준 값 이상이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀에 발생한 이상 온도 상승이, 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의한 것으로 판단할 수 있다.
참고로, 배터리 셀 간 절연 및 내부 간격이 멀고, 격벽이 존재하거나 또는 단열이 잘 되는 구조를 가지고 있다면, 특정 배터리 셀의 열이 그로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀에 전달되기까지의 소요 시간은 더 커질 것이다.
이와 같은 동작은, 후술하는 판단부(440)에 의해 이루어지며, 상기 배터리 셀의 내부 이상에 의한 온도 상승으로 판단되면 이를 나타내는 제1 판단 신호를 출력하고, 외부적인 요인으로 인한 온도 상승으로 판단되면 이를 나타내는 제2 판단 신호를 출력할 수 있다.
한편, 상기 실시 예 2도 동일한 원리로서, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 온도 상승률과 가장 멀리 떨어진 그룹 셀의 온도 상승률 간의 차이가 소정의 제2 기준 값을 이상이면, 해당 그룹 셀에 포함된 배터리 셀들 중 적어도 어느 하나에 배터리 셀의 내부 이상에 의한 온도 상승인 것으로 판단하고, 미만이면 외부적인 요인에 의한 온도 상승으로 판단할 수 있다.
1.4. 셀 냉각 단계(S400)
상기 판단 단계(S340)의 판단 결과, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이, 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의한 것으로 판단되면, 해당 배터리 셀에 냉각 장치를 가동시켜 냉각시키는 단계로서, 이를 통해 해당 배터리 셀에 이상 온도 상승이 지속되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 실시 예 2의 경우, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이, 해당 그룹 셀에 포함된 배터리 셀들 중 적어도 하나의 배터리 셀의 내부 이상에 의한 것으로 판단되면, 해당 그룹 셀에 포함된 배터리 셀들에 냉각 장치를 가동시켜 해당 그룹 셀의 이상 온도 상승이 지속되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 단계는, 후술하는 냉각 제어부(440)가 냉각부(450)의 냉각 동작을 제어하는 것으로 구현될 수 있다.
2. 본 발명에 따른 배터리 팩
본 발명에 따른 배터리 팩(10)은, 상술한 방법을 적용한 배터리 팩으로서 도 2에 보이는 바와 같이 하기의 구성들을 포함하여 구성될 수 있다.
2.1. 배터리 모듈(100)
배터리 모듈은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀(110)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 배터리 셀들 각각에는 해당 셀 식별번호가 부여되어 관리된다.
2.2. 온도 센싱부(200)
온도 센싱부는, 온도 센서로 구성되어 소정의 시간 간격으로 배터리 셀들 각각의 온도를 센싱할 수 있다.
실시 예 1로, 도 3의 (a)에 보이는 바와 같이 배터리 셀들 각각마다 구비되어 온도를 센싱할 수 있고, (b)에 보이는 바와 같이 실시 예 2로는 두 개의 배터리 셀 사이에 구비되어 온도를 센싱할 수도 있다.
이에 따라, 상기 실시 예 1의 경우 배터리 셀들(110a~110n) 각각의 온도 데이터가 산출되고, 상기 실시 예 2의 경우에는 두 개의 배터리 셀을 하나의 그룹 셀로 하여, 상기 그룹 셀(A~N)별로 하나의 온도 데이터가 산출될 수 있다.
상기 실시 예 1에서 산출되는 각각의 온도 데이터는 해당 배터리 셀의 셀 식별번호를 포함하고, 상기 실시 예 2에서 산출되는 그룹 셀 각각의 온도 데이터는, 해당 그룹 셀을 식별하는 그룹 식별번호 및 그룹 내에 포함된 배터리 셀들의 셀 식별번호를 포함할 수 있다.
2.3. 온도 상승률 산출부(300)
상기 온도 센싱부(200)에 의해 센싱된 온도 데이터를 이용하여, 상기 실시 예 1의 경우 배터리 셀들 각각의 온도 상승률을 산출할 수 있고, 상기 실시 예 2의 경우에는 두 개의 배터리 셀을 포함하는 그룹 셀 각각의 온도 상승률을 산출할 수 있다. 즉, 이전 시간에 대비하여 현재 배터리 셀의 온도가 상승된 정도를 산출하는 것으로, 시간에 따른 온도 값의 기울기를 의미한다.
2.4. 이상 진단부(400)
상기 산출된 배터리 셀들의 온도 상승률을 바탕으로 하여, 소정의 기준 온도보다 높은 이상 온도 상승이 발생한 배터리 셀의 온도 상승이 내부 이상에 의한 것인지 외부적인 요인에 것인지를 진단하는 구성으로서, 하기의 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
가. 제1 비교부(410)
제1 비교부는, 상기 산출된 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교하는 구성으로서, 상기 실시 예 1의 경우 배터리 셀들 각각의 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교할 수 있고, 상기 실시 예 2의 경우는 두 개의 배터리 셀을 포함하는 그룹 셀 각각의 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교할 수 있다.
도 4를 참조하면, 시간에 따라 cell(1)과 cell(2)의 온도가 상승하여 cell(1) 및 cell(2)의 그래프가 증가하는 형태를 보이는데, 이 때 기준 상승률 그래프(제1 기준 값)보다 높은 온도 상승률을 보이는 cell(1)을 이상 온도 상승이 발생한 것으로 볼 수 있다.
나. 온도 상승률 편차 산출부(420)
상기 제1 비교부(410)의 비교 결과, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 존재하면, 해당 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀의 온도 상승률과 상기 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀의 온도 상승률 간의 차이를 산출할 수 있다.
예를 들어, 상기 온도 상승률이 소정의 제1 기준 값을 초과하는 배터리 셀을 제1 배터리 셀이라 하고, 상기 제1 배터리 셀(110a)로부터 가장 멀리 떨어진 위치에 해당하는 배터리 셀을 제N 배터리 셀이라 하면, 상기 제1 배터리 셀의 온도 상승률과 상기 제N 배터리 셀(110n)의 온도 상승률의 차이를 산출하는 것이다.
한편, 상기 실시 예 2의 경우도 마찬가지로, 상기 온도 상승률이 소정의 제1 기준 값을 초과하는 그룹 셀을 제1 그룹 셀(A)이라 하고, 상기 제1 그룹 셀로부터 가장 멀리 떨어진 위치에 해당하는 그룹 셀을 제N 그룹 셀(N)이라 하면, 상기 제1 그룹 셀(A)의 온도 상승률과 상기 제N 그룹 셀(N)의 온도 상승률 간의 차이를 산출할 수 있다.
이는, 상술한 바와 같이 각각의 온도 데이터는 해당 배터리 셀을 식별해주는 식별번호를 포함하고 있기 때문에, 이를 통해 배터리 셀들의 위치를 구분할 수 있으므로, 특정 배터리 셀에서 가장 멀리 위치하는 배터리 셀을 식별할 수 있고, 이에 해당하는 온도 상승률과의 편차를 산출할 수 있다.
다. 제2 비교부(430)
제2 비교부는, 상기 온도 상승률 편차 산출부(420)에서 산출된 온도 상승률 편차와 소정의 제2 기준 값을 비교할 수 있다.
상기 실시 예 1의 경우, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률과 해당 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀의 온도 상승률 간의 차이를 소정의 제2 기준 값과 비교할 수 있다.
상기 실시 예 2의 경우는, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률과 해당 그룹 셀로부터 가장 멀리 떨어진 그룹 셀의 온도 상승률 간의 차이를 소정의 제2 기준 값과 비교하는 것일 수 있다.
라. 판단부(440)
판단부는, 상기 제2 비교부(430)의 비교 결과에 따라 해당 배터리 셀에 발생한 온도 상승이 셀 내부 이상에 의한 것인지 외부 단락이나 충/방전 이상 등을 포함하는 외부적인 요인에 의한 것인지를 판단할 수 있다.
구체적으로, 상기 비교 결과, 상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 이상이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률의 온도 상승 정도가 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의해 발생한 것으로 판단하고, 이를 나타내는 제1 판단 신호를 출력할 수 있다.
반면, 상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 미만이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률의 온도 상승 정도가 외부 단락이나 충/방전 이상 등을 포함하는 외부적인 요인에 의해 발생한 것으로 판단하고, 이를 나타내는 제2 판단 신호를 출력할 수 있다.
이러한 원리는, 외부적인 요인에 의한 온도 상승이 발생한 경우라면, 셀 자체만의 문제가 아니기 때문에 배터리 셀들의 온도가 상승하는 정도가 전반적으로 비슷한 상태를 보일 것이다. 따라서, 어느 배터리 셀의 온도 상승률이 기준치(제1 기준 값)을 초과하였더라도, 그 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀의 온도 상승률과의 차이는 크지 않을 것이므로, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀과 그로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀의 온도 상승률 간의 차이가 소정의 제2 기준 값 미만이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀에 발생한 이상 온도 상승이, 해당 배터리 셀 자체의 내부 이상이 아닌 외부적인 요인에 의한 것으로 판단하는 것이다.
그러나, 배터리 셀의 내부 이상으로 인해 해당 배터리 셀에 이상 온도 상승이 발생한 경우라면, 해당 배터리 셀 자체에만 이상 온도가 발생한 것이므로 해당 배터리 셀의 열이 그로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀에 전달되기까지는 많은 시간이 소요되기 때문에 이러한 경우 두 배터리 셀 간의 온도 상승률은 큰 차이를 가질 것이다. 따라서, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률과, 해당 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀의 온도 상승률 간의 차이가 소정의 제2 기준 값 이상이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀에 발생한 온도 상승 현상이, 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의한 것으로 판단할 수 있다.
여기서, 상기 제1, 2 판단 신호는, 상기 실시 예 1의 경우는 해당 배터리 셀을 식별하는 셀 식별번호를 포함하고, 상기 실시 예2 의 경우는 해당 그룹 셀을 식별하는 그룹 식별번호 및 그룹 내에 포함된 배터리 셀들의 셀 식별번호를 포함할 수 있다.
참고로, 상술한 바와 같이 배터리 셀 간 절연 및 내부 간격이 멀고, 격벽이 존재하거나 또는 단열이 잘 되는 구조를 가지고 있다면, 특정 배터리 셀의 열이 그로부터 가장 멀리 떨어진 배터리 셀에 전달되기까지의 소요 시간은 더 커질 것이다.
한편, 상기 실시 예 2도 동일한 원리로서, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률과 가장 멀리 떨어진 그룹 셀의 온도 상승률 간의 차이가 소정의 제2 기준 값을 이상이면, 해당 그룹 셀에 포함된 배터리 셀들 중 적어도 어느 하나에 배터리 셀의 내부 이상에 의한 온도 상승인 것으로 판단하고, 미만이면 외부적인 요인에 의한 온도 상승으로 판단할 수 있다.
2.5. 냉각 제어부(500)
냉각 제어부는, 상기 판단부(440)의 판단 결과에 따라, 후술하는 냉각부(600)의 가동을 제어하는 구성이다.
구체적으로, 상기 판단부(440)로부터 배터리 셀의 내부 이상에 의한 온도 상승으로 판단한 결과를 나타내는 제1 판단 신호가 출력되면, 해당 배터리 셀로 냉각부(600)를 가동시켜 이상 온도 상승이 지속되는 것을 방지할 수 있다.
이는 상기 제1 판단 신호에 포함된 셀 식별번호, 그룹 식별번호를 이용하여, 내부 이상에 의한 온도 상승이 발생한 배터리 셀만 냉각하도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 판단부(440)로부터 배터리 셀의 내부 이상이 아닌 외부 단락이나 충/방전 등을 포함하는 외부적인 요인에 의한 온도 상승으로 판단한 결과를 나타내는 제2 판단 신호가 출력되면, 상기 냉각부(600)를 가동시키지 않는다.
2.6. 냉각부(600)
냉각부는, 상기 냉각 제어부(500)의 제어에 따라 가동하여 내부 이상에 의한 온도 상승으로 판단된 특정 배터리 셀들을 냉각 시켜 이상 온도 상승이 지속되는 것을 방지할 수 있다.
상기 냉각부는, 예를 들어 스프링쿨러, 워터 커튼, 소화 약재 등으로 구현될 수 있다.
상기 실시 예 1의 경우, 내부 이상에 의한 온도 상승으로 판단된 배터리 셀에만 냉각 동작하고, 상기 실시 예 2의 경우에는 내부 이상에 의한 온도 상승으로 판단된 그룹 셀에 포함된 배터리 셀들에 냉각 동작할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 배터리 셀에 발생한 온도 상승 현상이 배터리 셀 자체의 내부 이상에 의한 것인지 외부적인 요인에 의한 것인지를 판단하고, 배터리의 폭발이나 화재 등에 더 위험한 원인으로 작용할 수 있는 배터리 셀 자체의 내부 이상에 의한 온도 상승인 것으로 판단 시 해당 배터리 셀을 냉각 시켜 더 이상의 온도 상승을 저지함으로써, 내부 이상에 의한 배터리 셀의 열 폭주 현상이 폭발이나 화재 사고로 전개되는 것을 방지하는 것이 가능하여 배터리의 안전성을 향상시킬 수 있다.
여기서, 본 발명에서 언급하는 배터리 셀의 내부 이상에 의해 발생한 온도 상승이라 함은, 셀 내부 단락 등을 포함하는 셀 자체 내부 이상으로 인해 발생한 온도 상승을 의미할 수 있다.
또한, 상기 외부적인 요인에 의해 발생한 온도 상승은, 외부 단락이나 충/방전 이상 등으로 인해 발생한 온도 상승을 의미할 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10: 배터리 팩
100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀
200: 온도 센싱부
300: 온도 상승률 산출부
400: 이상 진단부
410: 제1 비교부
420: 온도 상승률 편차 산출부
430: 제2 비교부
440: 판단부
500: 냉각 제어부
600: 냉각부

Claims (10)

  1. 소정의 시간 간격으로, 배터리 셀들 각각의 온도를 센싱하는 온도 센싱 단계;
    상기 센싱된 온도 데이터를 이용하여, 상기 배터리 셀들 각각의 온도 상승률을 산출하는 온도 상승률 산출 단계;
    상기 산출된 온도 상승률이 소정의 기준 상승률보다 높은 이상 온도 상승률을 보이는 경우, 그 이상 온도 상승의 원인이 해당 배터리 셀의 셀 내부 이상에 의한 것인지를 진단하는 이상 진단 단계;
    상기 이상 진단 단계의 진단 결과에 따라, 상기 내부 이상에 의하여 소정의 기준 온도보다 높은 온도로 이상 온도 상승이 발생한 배터리 셀을 냉각시키는 셀 냉각 단계;
    를 포함하여 구성되는 배터리 셀의 내부 이상 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이상 진단 단계는,
    상기 산출된 각각의 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교하는 제1 비교 단계;
    상기 제1 비교 단계의 비교 결과, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 존재하면, 해당 배터리 셀과 가장 멀리 떨어진 위치의 배터리 셀의 온도 상승률과 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률과의 차이를 산출하는 온도 상승률 편차 산출 단계;
    상기 산출된 온도 상승률 편차와 소정의 제2 기준 값을 비교하는 제2 비교 단계;
    상기 제2 비교 단계의 비교 결과에 따라, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의한 것인지를 판단하는 판단 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 내부 이상 진단 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 판단 단계는,
    상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 이상이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의해 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 내부 이상 진단 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 판단 단계는,
    상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 미만이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 이상 온도 상승률이 외부적인 요인에 의해 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 내부 이상 진단 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 셀 냉각 단계는,
    상기 판단 단계에서 상기 소정의 제1 기준 값을 초과한 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상으로 인해 발생한 것으로 판단되면, 해당 배터리 셀에 냉각 장치를 가동시켜 냉각시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀의 내부 이상 진단 방법.
  6. 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    소정의 시간 간격으로, 상기 배터리 셀들 각각의 온도를 센싱하는 온도 센싱부;
    상기 온도 센싱부에 의해 센싱된 온도 데이터를 이용하여, 배터리 셀들 각각의 온도 상승률을 산출하는 온도 상승률 산출부;
    상기 산출된 배터리 셀들의 온도 상승률을 바탕으로 하여, 소정의 기준 온도 상승률보다 높은 상승률을 보이는 이상 온도 상승률이 산출된 경우, 그 이상 온도 상승이 발생한 배터리 셀의 이상 온도 상승이 셀 내부 이상에 의한 것인지를 진단하는 이상 진단부;
    상기 이상 진단부의 진단 결과에 따라, 셀 내부 이상에 의한 온도 상승이 발생한 배터리 셀을 냉각하도록 냉각부의 가동을 제어하는 냉각 제어부;
    상기 냉각 제어부의 제어에 따라 해당 배터리 셀을 냉각시키는 냉각부;
    를 포함하여 구성되는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이상 진단부는,
    상기 온도 상승률 산출부에서 산출된 배터리 셀들 각각의 온도 상승률과 소정의 제1 기준 값을 비교하는 제1 비교부;
    상기 제1 비교부의 비교에 따라 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀이 존재하면, 해당 배터리 셀로부터 가장 멀리 떨어진 위치의 배터리 셀의 온도 상승률과 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률과의 차이를 산출하는 온도 상승률 편차 산출부;
    상기 온도 상승률 편차 산출부에서 산출된 온도 상승률 편차와 소정의 제2 기준 값을 비교하는 제2 비교부;
    상기 제2 비교부의 비교 결과에 따라, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의한 것인지를 판단하는 판단부;
    를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 이상이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 해당 배터리 셀의 내부 이상에 의해 발생한 것으로 판단하고, 이를 나타내는 제1 판단 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 온도 상승률 편차가 소정의 제2 기준 값 미만이면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률이 외부적인 요인에 의해 발생한 것으로 판단하고, 이를 나타내는 제2 판단 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각 제어부는,
    상기 판단부로부터 제1 판단 신호가 출력되면, 상기 소정의 제1 기준 값을 초과하는 이상 온도 상승률에 해당하는 배터리 셀을 냉각시키도록 상기 냉각부를 가동시키는 것을 특징으로 하고,
    상기 판단부로부터 제2 판단 신호가 출력되면, 상기 냉각부를 가동시키지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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