KR20210041422A - 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치 - Google Patents

배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광섬유 케이블을 이용하여 배터리 셀의 오프 가스를 검출할 수 있는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치는 사전에 설정된 파장을 갖는 광을 제공하는 광원부, 상기 광원부의 광을 전달하며, 배터리 셀의 벤트 홀(Vent Hole)에 근접하여 배치되는 광섬유 케이블, 상기 광섬유 케이블의 변형에 의해 상기 광섬유 케이블을 통해 전달되는 반사된 해당 파장의 광의 세기에 따라 상기 배터리 셀의 오프 가스 방출 여부를 판단하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

Description

배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치{APPARATUS FOR MONITORING OFF GAS EMISSION OF BATTERY}
본 발명은 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 전기 차량 및 전력망 저장 시스템과 같은 적용 예뿐만 아니라, 전기 자전거, 무정전 배터리 시스템 및 납 축전지 대체 배터리와 같은 기타 다중-셀 배터리 적용예의 성장으로 인해, 리튬 이온 배터리와 같은 전기화학적 파워 셀에 대한 수요가 계속해서 증가하고 있다.
이러한 배터리의 배터리 셀에서는 열폭주 전에 오프 가스가 방출되어 안전성을 위해 이를 검출할 필요가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0005117호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광섬유 케이블을 이용하여 배터리 셀의 오프 가스를 검출할 수 있는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치는 사전에 설정된 파장을 갖는 광을 제공하는 광원부, 상기 광원부의 광을 전달하며, 배터리 셀의 벤트 홀(Vent Hole)에 근접하여 배치되는 광섬유 케이블, 상기 광섬유 케이블의 변형에 의해 상기 광섬유 케이블을 통해 전달되는 반사된 해당 파장의 광의 세기에 따라 상기 배터리 셀의 오프 가스 방출 여부를 판단하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리의 정확한 오프 가슬 방출 여부 판단이 가능하며, 센서를 통한 빛의 파장 비교를 통하여 모듈 단위 이하의 배터리 이상을 감시하여 유지보수성 및 화재방지의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치의 광섬유 케이블의 개략적인 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치의 광섬유 케이블을 이용하여 배터리의 오프 가스를 검출하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 모니터링 검출 장치의 광섬유 케이블의 배치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치의 활용예를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치(100)는 광원부(110), 광섬유 케이블(120) 및 신호 처리부(130)를 포함할 수 있다.
광원부(110)는 사전에 설정된 파장을 갖는 광을 상기 광섬유 케이블(120)에 입사시킬 수 있다.
광섬유 케이블(120)은 배터리 셀의 벤트 홀에 근접하여 배치되며, 벤트 홀로부터 방출되는 오프 가스의 온도 또는 압력에 의해 형태가 변형될 수 있을 정도의 근접 거리에 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치의 광섬유 케이블의 개략적인 구성도이다.
도 1과 함께, 도 2를 참조하면, 광섬유 케이블(120)은 클래딩부(121), 코어부(122) 및 광섬유격자부(123)를 포함할 수 있다.
코어부(122)는 광을 전달하는 경로이며, 클래딩부(121)는 코어부(122)를 보호할 수 있다. 광섬유격자부(123)는 코어부(122)의 일부에 형성될 수 있으며, 소정의 피치를 갖는 브라그 격자를 포함할 수 있다. 코어부(122)에 입사된 광 중 사전에 설정된 파장의 광은 광섬유격자부(123)에 의해 반사되어 신호 처리부(130)에 전달될 수 있다.
광섬유격자부(123)는 복수개(123-1, 123-2) 구비될 수 있고, 복수개의 광섬유격자부(123-1,123-2)는 배터리 셀의 벤트 홀에 인접한 위치에 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치의 광섬유 케이블을 이용하여 배터리의 오프 가스를 검출하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 1와 함께 도 3을 참조하면, 광섬유 케이블(120)는 배터리 셀의 벤트 홀에 인접하게 배치되어 벤트 홀로부터 방출되는 오프 가스의 온도 또는 압력에 의해 형태가 변형될 수 있다.
이때, 광섬유 케이블(120)의 코어부(122)에는 광섬유격자부(123)가 구성되어 있고, 광섬유격자부(123)는 복수개가 각 배터리 셀의 벤트 홀에 인접하여 구성되어, 벤트 홀로부터 방출되는 오프 가스의 온도 또는 압력에 의해 광섬유 케이블의 형태가 변형되면, 광섬유격자부(123)의 격자 간격이 가변되어 반사하는 파장의 광이 가변될 수 있다.
즉, 도 4를 참조하면, 제1 내지 제n 광섬유격자부(123-1,123-2,123-n)는 각각 제1 파장(λ1), 제2 파장(λ2), 제n 파장(λn)의 광을 반사시킬 수 있다. 이때, 해당 배터리 셀의 벤트 홀로부터 오프 가스가 방출되어 광섬유 케이블의 형태가 변형되면 해당 배터리 셀에 대응되는 광섬유격자부의 격자 간격이 가변되어 반사하는 파장의 광이 가변(λ1', λ2', λn')될 수 있다. 상기 격자 간격이 넓어지면 반사하는 파장의 광은 길어질 수 있다.
예를 들어, 제1 광섬유격자부(123-1)가 담당하는 배터리 셀의 벤트 홀로부터 오프 가스가 방출되면 제1 광섬유격자부(123-1)가 반사하는 제1 파장(λ1)의 광은 제1'파장(λ1')의 광으로 가변될 수 있다. 즉, 코어부(122)는 인덱스가 변화를 야기시고, 인덱스 변화는 제1광섬유격자부(123-1)의 반사시키는 파장을 제1'파장(λ1')으로 변화시킨다. 따라서, 제1파장의 광이 입력되는 경우, 반사되는 양의 차이가 생기고 신호처리부(130)는 이를 수광하여 해당 배터리 셀의 오프 가스 방출 여부를 확인할 수 있다. 또한 수광되는 광의 세기를 이용하여 해당 배터리 셀의 오프 가스 방출의 정도도 확인할 수 있다.
마찬가지로, 제2, 제n 광섬유격자부(123-2,123-n)이 반사시키는 제2 파장(λ2)의 광, 제n 파장의 광(λn)은 각각 제2' 파장의 광(λ2'), 제n' 파장의 광(λn')으로 가변될 수 있다.
상술한 바와 같이 제1 내지 제n 광섬유격자부(123-1,123-2,123-n)가 반사시키는 광의 파장을 서로 상이할 수 있고, 제1 내지 제n 광섬유격자부(123-1,123-2,123-n)의 격자 간격 등이 서로 상이할 수 있다.
광섬유격자부(123)의 각 격자는 담당하는 배터리 셀에 따라 각각 서로 상이할 수 있고, 배터리 셀은 복수개 구비될 수 있으며, 모듈 단위로 구비될 수도 있다. 이에 따라, 하나의 광섬유 케이블로 모듈 단위의 배터리 셀의 오프 가스 방출 여부를 모니터링할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 신호 처리부(130)는 해당 파장의 반사된 광의 세기에 따라 해당 배터리 셀의 오프 가스 방출 여부를 확인할 수 있고, 더하여 오프 가스 방출 정도를 확인할 수 있다. 또한, 신호 처리부(130)는 해당 파장의 반사된 광의 세기가 기준 이하이고, 해당 파장이 가변된 파장의 반사된 광의 세기가 기준 이상이면 해당 배터리 셀의 오프 가스 방출로 판단할 수도 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치의 광섬유 케이블의 배치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
광섬유 격자부의 격자가 수축, 팽창해(외부 압력에 의한 변형) 격자 사이의 거리가 변형이 되면 기존 격자의 반사되는 파장 대비 수축, 팽창에 따른 차이가 발생할 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 배터리 셀의 벤트 홀의 변형률 감시를 위해 전극을 따라 광섬유를 부착해 고정시킬 수 있다. 벤트 상황에서 오프 가스의 압력에 의해 벤트 홀이 변형되고 배터리 셀과 맞닿아있는 전극이 변형되는 순으로 이어지면, 전극에 부착된 광섬유케이블의 격자 변화를 야기시켜 오프 가스 방출을 모니터링할 수 있다.
배터리 셀과 전극 사이에 광섬유 케이블을 위치시키고, 전극에 광섬유 케이블을 부착시켜, 배터리 셀의 벤트 홀 개방시 오프 가스와 광섬유 케이블의 직접적인 접촉으로 온도를 측정할 수 있다. 또한 벤트 홀 개방으로 배터리 셀에 접촉하고 있는 전극의 변형이 유발되어 전극의 변형과 동시에 광섬유 케이블을 통해 변형률을 측정할 수도 있다.
예를 들어, 원통형 배터리 셀의 경우 (+) 양극 부분에 5㎜ 정도의 튀어나온 부분이 있어 이 공간을 사용하여, 광섬유 케이블을 부착할 수 있다. 즉, 광섬유 케이블의 직경은 ㎛ 부터 ㎜까지의 단위를 가지므로 배터리 셀과 전극 사이에서 전극에 부착이 가능할 수 있다. 다만 배터리 셀을 패키징하는 방식에 따라 배터리 셀의 위치 변화가 있으므로 광섬유 케이블의 위치가 변경될 수 있다. 또한 배터리 셀이 모듈 단위로 패키징이 이루어진 뒤에는 분해가 어려울 수 있으므로 배터리 셀을 모듈 단위로 패키징하는 과정에서 광섬유 케이빌 부착이 이루어져야 한다. 배터리 셀의 종류에 따라(원통형 또는 각형) 광섬유 케이블아 부착되는 전극의 위치 또는 경로는 변경될 수 있다.
온도와 변형률을 각각 측정하기 위해서 광섬유 케이블을 이중화할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치의 활용예를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6을 참조하면, 광섬유 케이블(220)은 모든 배터리 셀의 벤트 홀을 지나도록 위치할 수 있고, 또한, 배터리 랙(A, B) 간에도 연속적으로 광섬유 케이블이 사용되도록 경로를 연속해서 형성할 수 있다. 광원부(210) 및 신호 처리부(230)는 상기의 설명과 동일하므로 생략하도록 한다.
본 발명에 따르면, 배터리의 정확한 오프 가스 방출 여부 판단이 가능하며, 센서를 통한 빛의 파장 비교를 통하여 모듈 단위 이하의 배터리 이상을 감시하여 유지보수성 및 화재방지의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100, 200: 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치
110, 210: 광원부
120, 220: 광섬유 케이블
121: 클래딩부
122: 코어부
123: 광섬유 격자부
123-1, 123-2, 123-n: 제1 내지 제n 광섬유 격자부
130, 230: 신호 처리부

Claims (9)

  1. 사전에 설정된 파장을 갖는 광을 제공하는 광원부;
    상기 광원부의 광을 전달하며, 배터리 셀의 벤트 홀(Vent Hole)에 근접하여 배치되는 광섬유 케이블; 및
    상기 광섬유 케이블의 변형에 의해 상기 광섬유 케이블을 통해 전달되는 반사된 해당 파장의 광의 세기에 따라 상기 배터리 셀의 오프 가스 방출 여부를 판단하는 신호 처리부
    를 포함하는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 케이블은
    광이 전달되는 코어부;
    상기 코어부를 보호하는 클래딩부; 및
    상기 코어부에 형성되어 사전에 설정된 파장의 광을 반사하는 적어도 하나의 광섬유격자부
    를 포함하는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광섬유 격자부는 상기 광섬유 케이블의 코어부 중 상기 배터리 셀의 벤트 홀에 대응되는 위치에 형성되는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 신호처리부는 복수의 배터리 셀 각각의 오프 가스 방출 여부를 판단하고,
    상기 광섬유 케이블은 상기 복수의 배터리 셀 각각의 벤트 홀에 대응되는 위치에 형성되는 복수의 광섬유 격자부를 포함하는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 광섬유 격자부 각각은 반사시키는 광의 파장이 서로 상이한 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 신호처리부는 복수의 배터리 셀을 각각 갖는 복수의 배터리 모듈의 각 배터리 셀의 오프 가스 방출 여부를 판단하고,
    상기 광섬유 케이블은 상기 복수의 배터리 모듈의 각 배터리 셀 각각의 벤트 홀에 대응되는 위치에 형성되는 복수의 광섬유격자부를 포함하는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 케이블은 상기 배터리 셀의 전극을 따라 부착되는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 오프 가스 방출 모니터링 장치는 하나의 광섬유 케이블을 포함하는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 광섬유 케이블을 통해 전달되는 해당 파장의 반사된 광의 세기에 따라 상기 배터리 셀의 오프 가스 방출 정도를 판단하는 배터리의 오프 가스 방출 모니터링 장치.
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