KR20210042485A - 미 산란을 이용한 가스 발생 감지장치를 포함하는 배터리 팩 및 이를이용한 가스 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

본원발명에 따른 배터리 팩은 미 산란을 이용하여 가스 발생을 감지함으로써, 배터리 팩의 이상을 빠르게 검출할 수 있다.
또한 가스 발생 여부 뿐 아니라 가스 발생 시간을 고려하여 전지의 이상여부를 판단함으로써 전지 이상여부를 정확하게 검출할 수 있다.

Description

미 산란을 이용한 가스 발생 감지장치를 포함하는 배터리 팩 및 이를이용한 가스 검출 방법 {Battery pack having Gas detector using Mie scattering and Method for gas leakage detection using the same}
본원발명은 미 산란을 이용한 가스 발생 감지장치를 포함하는 배터리 팩 및 이를 이용한 가스 검출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나 이상의 단위 셀을 포함하는 배터리 모듈; 하나 이상의 상기 배터리 모듈을 수납하는 랙 하우징; 상부가 개방된 형태로 내부 공간을 구비하여, 상기 내부 공간에 상기 배터리 모듈을 수용하는 하부 하우징; 상기 하부 하우징의 상부 개방부를 결합되며, 내부 공간을 구비하여 상기 배터리 모듈을 수용하는 상부 하우징; 및 상기 랙 하우징의 일면에, 미 산란(Mie scattering)을 이용해 가스를 감지하는 레이저 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북, 캠코더, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 등에 적용되고 있어, 이차 전지에 대한 개발의 필요성이 갈수록 높아지고 있는 상황이다.
전지에 대한 수요가 높아지고 고용량 전지의 필요성으로 인해, 전지 자체의 용량을 높이려는 다양한 시도가 있다. 1개의 전지 셀의 자체의 용량을 증가시켜 사용하는 경우도 있지만, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결하여 하나의 배터리로 사용하는 형태가 일반적이다. 다수개의 전지 셀을 서로 직렬 또는 병렬 형태로 전기적으로 연결한 배터리 모듈을 형성하고, 전지 케이스에 다수의 상기 배터리 모듈을 수납하여 배터리 팩의 형태로 사용하는 형태가 일반적으로 선호된다.
하지만 고용량의 전지나 상기와 같은 배터리 팩의 경우, 하나의 전지 셀에 비해 배터리 내의 열이 냉각되기 어려워, 열폭주나 화재, 폭발의 우려가 더 크다. 이러한 위험을 미리 예방하기 위해 대용량 배터리 팩 등의 고용량 에너지를 사용하는 전지에서는 위험을 미리 알려주거나 예방하는 시스템을 갖추고 있는 경우가 많다.
이와 관련하여, 도 1과 같이 전지 내의 가스 자체를 감지하는 시스템을 갖추고 있을 수 있다. 가스감지기는 일반적으로 열감지기, 연기감지기, 열연복합형 감지기, 불꽃 감지기 등으로 분류할 수 있다. 열감지기는 주위 온도가 일정 상승율 이상이 되는 경우 작동하는 것으로, 전지 작동 온도 이상의 고온이 되었을 때 작동하여 이미 열폭주가 상당부분 진행하거나, 발화가 시작한 상황만을 감지하여 알려주게 되므로 안전성 향상에 미진한 측면이 있다. 또한 연기 감지기의 경우 감지기 내부에 연기가 들어가야 하므로, 전지 셀에서 가스가 분출되고 가스가 감지되기까지 시간이 소요된다. 이러한 시간차로 인해 가스를 감지하였을 때에, 하나의 셀에서 인접한 셀로 이미 열 전달이 일어나 열 폭주가 발생하였거나 이미 발화가 진행된 상황일 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 특허문헌에서는 배터리 내에 인풋광을 수용하여 아웃풋 광을 제공하는 광섬유 센서를 두어 광학적 방법을 사용하고 있으나, 배터리 내에 유리 또는 용해된 가스의 양을 기준으로 가스 발생을 판단하고 있다. 따라서 상기 시스템은 유리 또는 용해된 가스로 인해 오차가 발생할 수 있고, 광섬유 센서를 이용하여 이를 측정하기까지 일정 시간이 필요한 단점이 있다.
따라서 전지 내의 안전성을 향상시키기 위해 전지의 위험을 짧은 시간에 정확히 알려줄 수 있는 전지의 안전성 향상 시스템이 필요하다.
일본등록특허공보 제6414501호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본원발명에서는 가스의 발생여부를 광원을 이용해 직접 빠르게 탐지하는 가스 발생 감지 장치를 포함하는 배터리 팩 및 이를 이용한 배터리 팩의 가스 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본원발명에서는 가스 발생의 오감지를 방지하기 위한 시스템을 제공하여 빠르고 정확하게 배터리 팩의 이상상태를 감지하고 알려줄 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 나아가 이로 인한 화재나 폭발을 방지할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본원발명에 따른 배터리 팩은, 하나 이상의 단위 셀을 포함하는 배터리 모듈; 하나 이상의 상기 배터리 모듈을 수납하는 랙 하우징; 상부가 개방된 형태로 내부 공간을 구비하여, 상기 내부 공간에 상기 배터리 모듈을 수용하는 하부 하우징; 상기 하부 하우징의 상부 개방부를 결합되며, 내부 공간을 구비하여 상기 배터리 모듈을 수용하는 상부 하우징; 및 상기 랙 하우징의 일면에 위치하고 미 산란(Mie scattering)을 이용하여 가스를 감지하는 레이저 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
미 산란은 빛의 파장과 입자가 같거나 더 큰 경우, 빛이 입자에 부딪혀 도 2와 같이 산란되는 현상이다. 도 2에서 볼 수 있듯 레이저에서 레이저 수신부로 보내진 광원은 가스 입자와 부딪혀 퍼지게 된다. 이러한 현상으로 인해 레이저 수신부에서 수신한 광원은 기존의 레이저에서 보낸 광원에 비해 밀도가 떨어지게 된다. 또한 광원이 가스 입자와 부딪혀 산란하게 되기 때문에, 미 산란은 파장의 길이와는 무관하고, 입자의 농도나 크기에 따라 산란도의 차이가 발생하게 된다.
이를 위해, 상기 레이저 유닛은 배터리 팩의 복수의 배터리를 수납하는 랙 하우징의 일면에 형성되어 레이저 광원을 조사하는 레이저 조사부; 상기 레이저 조사부에서 조사한 레이저 광원을 수신하며, 상기 레이저 조사부와 대면하는 랙 하우징의 타면에 형성된 레이저 수광부; 및 상기 레이저 수광부에서 수신한 상기 레이저 광원의 강도를 참조 값과 비교하여 가스 발생을 판단하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사부 및 레이저 수광부를 통해 광원을 이용하여 가스를 직접 검출하고, 수신된 광원의 강도를 비교함으로써 가스 발생을 판단할 수 있어 이전 가스 검출방법보다 시간이 단축되며, 가스 발생을 확실히 인지할 수 있다는 장점이 있다.
이 때, 상기 레이저 유닛은 단위 셀 적층면을 따라 레이저 광원을 조사할 수 있다. 상기 레이저 유닛은 각 단위 셀에서 발생한 가스를 감지할 수 있도록 광원을 조사할 수 있다. 레이저 유닛은 여러 단위 셀에서 발생한 가스를 검출할 수 있도록 배치할 수 있다.
상기 레이저 유닛은 두 개 이상의 유닛일 수 있다.
배터리 모듈이 일렬로 배열되어 있는 형태의 배터리 팩의 경우, 랙 하우징의 일면에 한 개의 레이저 유닛을 포함할 수 있다. 또한 랙 하우징의 일면에 한 개의 레이저 유닛을 포함하고, 타면에 다른 한 개의 레이저 유닛을 포함할 수 있다. 배터리 모듈이 둘 이상의 열로 배열되어 있는 배터리 팩의 경우, 배터리 모듈의 각 열 사이에 레이저 유닛을 배치할 수도 있고, 배터리 모듈의 양면에 레이저 유닛을 배치할 수도 있다.
상기와 같이 레이저 유닛이 두 개 이상일 경우, 상기 레이저 유닛들의 위치는 대칭형일수도 있고, 거울상형태일수도 있다.
레이저 유닛의 위치가 대칭형이라는 의미는, 레이저 유닛들 사이에서 레이저 조사부, 레이저 수광부의 위치가 동일하다는 것을 의미한다. 또한 거울상이라는 의미는 레이저 조사부, 레이저 수광부의 위치가 다른 것을 의미한다.
또한 다수의 레이저 유닛을 가지고 있는 경우, 레이저 유닛은 레이저 조사부, 레이저 수광부, 제어부를 각 포함한 형태일수도 있다. 또한 레이저 유닛은 레이저 조사부, 레이저 수광부를 각 가지고 있고 다수의 레이저 수광부에서 수신한 정보를 처리하는 하나의 제어부를 가지고 있는 형태일 수 있다.
상기 레이저 조사부는 상기 배터리 팩에서 발생하는 가스 입자의 크기와 파장이 같거나 작은 레이저 광원을 조사할 수 있다. 본원발명에서 사용하는 가스 입자는 연소가스를 전구체로 형성된 가스 입자를 의미한다.
이 때, 상기 가스 입자의 직경은 0.1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
또한 상기 가스 입자를 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에틸렌, 에탄, 프로필렌과 같은 연소가스를 기준으로 레이저 광원을 조사할 수 있다. 상기와 같은 연소가스 중 적어도 하나를 기준으로 레이저 광원의 크기를 결정할 수 있다. 또한, 다수의 레이저 유닛을 가지고 있는 경우, 각 레이저 광원의 파장은 서로 같을 수도 있고 서로 다를 수도 있다.
또한 상기 레이저 유닛은 알람부를 더 포함할 수 있다.
상기 알람부는 상기 제어부에서 발생한 신호를 수신하여 이를 사용자에게 알려주는 역할을 수행할 수 있다. 상기 알람부는 음향, 디스플레이 등 다양한 형태로 사용자에게 이를 알려줄 수 있다. 또한 상기 알람부는 상기 제어부와 함께 배터리 관리 시스템(BMS)의 일부분을 구성할 수도 있다.
상기 레이저 유닛은 배터리 팩의 기능을 정지시키는 배터리 관리 시스템과 연결되어 있을 수 있다. 배터리 자체에 있는 안전장치의 작동으로 배터리의 기능이 정지될 수 있다. 또는 배터리 외부에서 배터리의 기능을 정지시킬 수 있도록 할 수 있다. 또한 상기 레이저 유닛은 배터리 팩의 발화 또는 폭발을 방지하기 위한 조치를 취하도록 할 수 있다.
또한 본원발명은 1) 레이저 수광부에서 수신한 레이저 광원의 산란비율이 미리 설정한 산란비율과 비교하는 단계; 2) 상기 단계 1)에서 상기 수신한 레이저 광원의 산란비율이 미리 설정한 산란비율보다 같거나 큰 경우 신호를 발생시키는 단계; 3) 상기 제어부에서 전달된 신호에 의해 알람부에서 알람을 주는 단계;를 포함하는 배터리 팩의 가스 검출 방법일 수 있다.
상기 단계 1)의 레이저 광원의 산란비율은 수신된 레이저 광원의 세기를 참조 값으로 설정된 초기 레이저 광원의 세기로 나눈 값일 수 있다. 또한 상기 단계 1)의 미리 설정한 산란비율은 각 배터리 팩에서 검출되는 가스에 따른 광손실 값일 수 있다. 상기 광손실 값은 2% 내지 5%일 수 있다. 상기 광손실 값은 일반적인 8개의 단위 셀로 구성된 배터리 모듈을 7개 수납하고 있는 배터리 팩을 기준으로 하고 있다. 상기 광손실 값은 단위 셀의 발화시 발생할 수 있는 연소가스의 종류 및 양에 따라 달라질 수 있다. 또한 상기 광손실 값은 배터리 팩의 적층면의 길이, 즉 레이저 광원의 이동거리에 따라 달라질 수 있다. 이는 배터리 팩의 종류 및 단위 셀의 종류에 따라 다르게 설정할 수 있다.
또한 상기 제어부는 상기 단계 2)와 단계 3) 사이에
a) 상기 단계 2)에서 신호가 발생할 경우, 이전 시간 값에 측정시간 값을 더하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 단계 a)와 단계 3) 사이에,
b) 상기 단계 a)에서 얻어진 값을 미리 설정한 시간과 비교하는 단계;
c) 상기 b)단계에서 얻어진 값이 미리 설정한 시간보다 크거나 같은 경우, 신호를 발생시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이는 측정시간에 따라 배터리 팩 내의 조건이 변화할 수 있고, 상기 레이저 수광부에서 얻어진 값이 일시적인 오차가 발생하는 경우를 방지하기 위한 것이다. 상기와 같이 레이저 광원의 세기를 측정하는 시간을 측정하여 기준 값을 시간에 따라 다르게 설정할 수 있다. 또한 단계 b) 및 단계 c)와 같이 측정된 광원의 산란 비율이 일정시간 동안 유지되는 경우에만 가스가 발생하였다고 판단하여 이를 알람부에 전달할 수도 있다. 또한 배터리 팩의 기능을 정지시키도록 할 수 있다.
상기 미리 설정한 시간은 40초 내지 60초일 수 있다. 상기 미리 설정한 시간은 하나의 단위 셀과 그 인접한 단위 셀 간의 열폭주 전달 시간을 기준으로 설정되었다. 따라서 적층된 단위 셀의 종류 및 그 적층된 단위 셀의 개수에 따라 달라질 수 있다.
또한 본원발명은 상기 기재에 따른 배터리 팩의 가스 검출방법을 사용하는 전자기기 일 수 있다.
본원발명은 상기와 같은 구성들 중 상충되지 않는 구성을 하나 또는 둘 이상 택하여 조합할 수 있다.
본원발명에 따른 배터리 팩은, 단위 셀에서 발생한 가스를 광원을 통해 검출하므로 기존의 가스 감지기에 비해 더 빠르게 가스 발생을 감지할 수 있다는 이점이 있다.
또한 발생한 가스 자체를 직접 감지하고, 획득한 값의 지속여부를 판단해 오류를 줄이고 있어 다른 가스 감지기에 비해 더 정확하게 가스 발생을 감지할 수 있다.
본원발명에 따른 배터리 팩은 배터리 팩 내에서 발생한 가스를 감지하여 배터리 팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래에 적용된 가스감지기에 대한 모식도이다.
도 2는 본원발명의 미 산란에 관한 개념도이다
도 3은 본원발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 팩의 평면 단면도이다.
도 4는 본원발명의 제 2 실시예에 따른 배터리 팩의 평면 단면도이다.
도 5는 본원발명의 제 1 실시예에 따른 레이저 유닛의 배치도이다.
도 6은 본원발명의 제 3 실시예에 따른 레이저 유닛의 배치도이다.
도 7은 본원발명에 따른 배터리 팩의 가스 검출방법의 순서도이다.
도 8은 본원발명의 발화시험을 시간에 따라 나열한 사진이다.
도 9는 본원발명의 발화실험 결과에 관한 그래프이다.
본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본원발명에 따른 미 산란을 이용한 가스 발생 감지장치를 포함하는 배터리 팩 및 배터리 팩의 가스 검출 방법에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본원발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 팩의 평면 단면도이고, 도 4는 본원발명의 제 2 실시예에 따른 배터리 팩의 평면 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면서 설명하면, 본원발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 팩(100)은 하나 이상의 단위 셀을 포함하는 배터리 모듈 다수개를 배터리 팩 케이스에 수납하고 있고, 상기 배터리 팩 케이스의 랙 하우징의 일면에 레이저 조사부(200) 그 반대면에 레이저 수광부(300)를 두어 레이저 유닛이 단위 셀 적층면을 따라 레이저 광원을 조사하는 형상으로 배치되어 있다. 레이저 수광부는 제어부(400)와 연결되어 있고, 제어부(400)는 알람부(500)와 연결되어 있다. 상기 레이저 수광부에서 수신한 레이저 광원에 관한 정보를 상기 제어부(400)에서 수신하고, 상기 제어부(400)는 상기 알람부에 판단한 정보를 전달하여 알람을 발생시키도록 할 수 있다.
이 때, 레이저 조사부(200)는 한 방향으로 조사할 수 있으면 그 종류는 상관없다. 다만, 그 크기가 지나치게 클 경우 배터리의 용량을 줄일 수 있으므로, 배터리 팩의 용량을 줄이지 않도록 배터리 팩의 잉여공간의 일면에서 하나의 단위셀을 넘지 않는 크기가 선호된다. 그 예시로는 다이오드 형태의 레이저 조사부를 들 수 있다.
또한 레이저 조사부(200)에서 조사되는 레이저 광원은 적외선, 가시광선, 자외선, X선 모두 사용할 수 있으나, 배터리에서 발생하는 가스 입자의 크기를 고려하여 볼 때, 근적외선이나 가시광선, 자외선이 바람직하고, 더 바람직하게는 자외선이 바람직하다.
레이저 수광부(300)는 레이저 조사부(200)에서 나온 레이저 광원을 수신할 수 있는 부위에 위치할 수 있다. 상기 레이저 수광부는 보통 레이저 조사부와 대면하도록 배치될 수 있다. 레이저 수광부는 레이저 조사부(200)에서 나온 레이저 광원을 수신하여 이를 제어부(400)에 전달할 수 있으면 그 종류는 무관하다. 다만, 그 크기가 지나치게 클 경우 배터리의 용량을 줄일 수 있으므로, 배터리 팩의 용량을 줄이지 않도록 배터리 팩의 잉여공간의 일면에서 하나의 단위셀을 넘지 않는 크기가 선호된다. 그 예시로는 다이오드 형태의 레이저 수광부를 들 수 있다.
레이저 수광부(300)에서 수신된 레이저 광원의 강도는 전기적 신호를 통해 제어부(400)로 이동되고, 제어부는 미리 입력된 값과 수신된 값을 비교해 원하는 결과값이 나올 경우 알람부(500)에 이를 전송한다.
제어부(400) 및/또는 알람부(500)는 배터리 팩에 장착될 수도 있고, 배터리 팩 외의 장소에 장착되어 있을 수도 있다. 제어부 및/또는 알람부가 배터리 팩에 장착되어 있는 경우, 제어부 및/또는 알람부는 배터리 팩의 용량을 줄이지 않도록 배터리 팩의 잉여공간의 일면에 위치하게 된다. 또한 제어부 및/또는 알람부의 크기 또한 필요한 기능을 수행할 수 있을 정도의 작은 크기가 선호된다.
이에 반해 제어부 및/또는 알람부가 배터리 팩 외의 장소에 장착되어 있는 경우, 제어부 및/또는 알람부는 그 크기에 제한이 없고, 제어부 및/또는 알람부가 배터리 관리 시스템(BMS)의 일부분에 해당할 수도 있다.
상기 레이저 조사부(200), 레이저 수광부(300)는 도 3의 실시예 1과 같이 배터리 팩의 일측면에 위치할 수도 있고, 배터리 모듈 또는 단위 셀들이 적층되어 있는 열의 사이, 즉 도 3의 레이저 조사부와 레이저 수광부와 평행한 위치에 위치할 수 있다.
또한 본원발명에 따른 배터리 팩은 도 4의 실시예 2와 같이 레이저 조사부(200), 레이저 수광부(300), 제어부(400), 알람부(500)를 각각 두개 이상 가질 수 있다. 이 때, 레이저 조사부와 레이저 수광부의 각 위치는 서로 같은 위치에 있을 수도 있고 도 4와 같이 서로 다른 위치에 있을 수도 있다. 서로 같은 위치에 레이저 조사부와 수광부가 존재할 경우, 레이저 수광부에서 수신한 정보를 비교하여 오류를 감소시킬 수 있다. 또한 배터리 모듈이 다수인 배터리 팩에서는 레이저 수신부가 감지할 수 있는 가스의 양이 한정될 수 있기 때문에 양쪽의 방향을 달리해 이를 보완하고자 배치할 수도 있다.
이러한 배터리 팩은 레이저 조사부와 레이저 수광부가 하나의 제어부로 연결되어 있고, 제어부는 수신된 정보를 기반으로 알람부와 연결되어 있는 구조를 가질 수도 있다. 이는 하나의 레이저 유닛에 적용될 뿐 아니라 다수의 레이저 유닛에도 적용될 수 있다.
또한 본원발명에 따른 레이저 유닛은 도 6의 제 3 실시예와 같이 하나 이상의 레이저 조사부가 하나 이상의 레이저 수신부에 레이저 광원을 전달하고, 레이저 수신부에서 수신한 정보를 하나의 제어부 만을 두어 처리하도록 할 수도 있다. 제어부를 하나만 둘 경우, 다수의 정보를 한번에 처리할 수 있는 장점이 있지만 정보처리에 시간이 걸리는 단점이 있을 수 있다. 이에 반해 다수의 제어부를 둘 경우 각 정보에 대해 빠른 처리를 할 수 있으나, 다수의 정보를 비교 분석할 수 없다는 단점이 존재한다.
본원발명에 따른 배터리 팩은 도 7과 같은 가스 검출방법을 거친다.
1) 본원발명과 같은 레이저 유닛이 배터리 팩에 장착되어 정상 모니터링이 진행되는 상태(Start) 이후, 레이저 수광부에서 수신한 레이저 광원의 산란비율(ΔI/I0)이 미리 설정한 산란비율(a)과 비교해 상기 수신한 레이저 광원의 산란비율이 미리 설정한 산란비율보다 같거나 큰 경우(S01) 이를 다음 단계로 진행한다. 만약 미리 설정한 산란비율보다 수신한 레이저 광원의 산란비율이 작은 경우, 시간을 초기화 시킨 상태로 다시 모니터링 한다.
2) 1) 단계 이후, 이전 시간 값(told)에 측정시간 값(Δt)을 더해 새로운 시간 값(tnew)을 형성하는 단계;(S02)를 거친다.
3) 상기 2)단계를 거쳐 생성된 시간 값(tnew)을 미리 설정한 시간(b)과 비교해, 생성된 시간 값(tnew)이 미리 설정한 시간(b)보다 크거나 같은 경우, 신호를 형성하여 다음 단계로 진행시키는 단계;(S03)를 거친다. 이때, 생성된 시간 값(tnew)이 미리 설정한 시간(b)보다 작은 경우, 생성된 시간 값(tnew)을 이전 시간 값(told)으로 간주하여 단계 S01을 다시 시작한다.
4) 상기 3)단계를 거쳐 생성된 신호를 알람부에 전달하여 알람 신호를 주는 단계를 거쳐 가스를 검출할 수 있다.
상기 레이저 수광부에서 수신한 레이저 광원의 산란비율(ΔI/I0)은 수신된 레이저 광원의 세기를 참조 값으로 설정된 초기 레이저 광원의 세기로 나눈 값이다. 상기 미리 설정한 산란비율(a)은 각 배터리 팩에서 검출되는 가스에 따른 광손실 값이다. 이는 일반적인 배터리 팩 내부에서 발생하는 배터리 팩에서 발생하는 가스의 조성으로 예측할 수 있다.
이에 따라 LG화학에서 판매중인 JH4 배터리를 통해 발화실험을 하여 가스의 조성을 확인하였다. 구체적으로 발생하는 가스의 경우, 그 비율이 다를 수 있으나, 일반적인 조성부는 유사할 수 있다. JH4 배터리의 발화시 발생하는 가스의 조성은 하기 표 1과 같다.
하기 표 1에서, 총 C4는 i-C4(isobutane), t-C4(trans-2-butene), n-C4(n-butane), cis-C4(cis-2-butene), 1-Butene, isobutene, 1,3-butadiene을 포함한다.
Gas Measured %
H2 18.3
CO 13.9
CO2 17.1
CH4(Methane) 4.2
C2H4(Ethylene) 2.7
C2H6(Ethane) 0.46
C3H6(Propylene) 0.62
C3H8(Propane) <0.1
C3H4(Propadiene) <0.02
C4' 0.27
n- C5H12(Pentane) <0.02
상기 표 1의 연소가스 질량의 약 57.6%는 일반적으로 연소시 많이 발생하는 가스로 이루어져 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 LG화학의 JH4 전지가 탄화수소 규격을 기반으로 제작되었다는 점을 알 수 있고, 상기 주로 발생하는 가스 성분으로 대부분의 전지에 적용할 수 있다는 점을 알 수 있다. 이 때, 상기 표 1에서 측정된 연소가스 중 공기의 구성성분(질소, 수소)은 일반적인 상황에서도 검출되므로, 질소와 산소를 제외한 나머지 연소가스의 조성을 검토해 볼 필요가 있다. 하기 표 2는 질소와 산소를 제외한 연소가스의 조성을 나타낸 표이다.
하기 표 2에서, 총 C4는 i-C4(isobutane), t-C4(trans-2-butene), n-C4(n-butane), cis-C4(cis-2-butene), 1-Butene, isobutene, 1,3-butadiene을 포함한다.
Gas Measured %
H2 31.8
CO 24.2
CO2 29.7
CH4(Methane) 7.3
C2H4(Ethylene) 4.7
C2H6(Ethane) 0.80
C3H6(Propylene) 1.08
C3H8(Propane) <0.17
C3H4(Propadiene) <0.03
C4' 0.47
n- C5H12(Pentane) <0.03
질소와 산소를 제외한 나머지 가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에틸렌, 에탄, 프로필렌과 같은 연소가스 인 것을 알 수 있다. 본원발명에서 사용하는 가스 입자는 연소가스를 전구체로 형성된 가스 입자를 의미한다. 상기와 같은 조성으로 미루어 보아, 연소시에 발생하는 가스의 조성은 연무(직경 0.1㎛ 내지 10㎛)와 같은 입자 크기의 가스를 생성하는 것을 알 수 있다.
이를 파장에 따른 입자의 소산계수 혹은 소산계수에서 광경로를 곱하여 모두 더한 값을 및 미 산란 이론을 적용하여 광손실 값을 결정할 수 있다. 이 때, 하기와 같은 비어- 램버트의 법칙(beer's law)식을 사용할 수도 있다.
Figure pat00001
여기서 I 는 빛의 강도, σ는 에어로솔 소산계수, λ는 파장, z는 거리를 나타낸다. 상기 식을 빛이 매질을 통과하기 전(z=0)에서 통과한 후(z=Z)까지 적분 하면 다음과 같이 빛이 매질을 통과한 후의 빛의 강도를 계산할 수 있다.
상기의 식 및 측정된 가스 값을 기초로 광손실 값을 계산한 결과 2% 내지 5%의 광손실이 발생할 것으로 예측되므로 본원발명의 미리 설정한 산란비율(a)은 배터리 팩의 경우에 따라 달라질 수 있으나 2% 내지 5%로 설정될 수 있다.
또한 도 8의 실험예 2와 같이 8개의 단위 셀로 구성된 배터리 모듈을 7개 붙인 배터리 팩에서, 4번째 배터리 모듈과(CMA4) 5번째 배터리 모듈(CMA5)사이에 발화원을 넣고 각 모듈마다 열폭주 전파시간을 확인하였다.
도 8에서 볼 수 있듯 초기 열폭주는 39분 49초 정도의 시간이 소요되었고, 절반정도의 배터리 모듈에 열폭주가 전달되는 시간은 46초, 모든 셀이 열폭주가 되기까지는 1시간 정도의 시간이 소요되었다.
하기 표 3은 이에 대한 상세한 실험결과이다.
Time(min:second) Location of cell in thermal runaway
39:49 CMA 5
46:30 CMA 6, CMA 3
51:54 CMA 7, CMA 2
57:00 CMA 1
이는 도 9의 그래프로도 확인할 수 있다.
이를 통해 모듈 사이의 열폭주 전파시간은 CMA 5에서 CMA6나 3으로 전달된 시간인 약 400초라고 볼 때, 셀 간의 열폭주 전달시간을 50초로 추정(400초/8cell)할 수 있다. 이를 통해 열 폭주가 일어나기 전의 시간인 40초 내지 60초를 미리 설정한 시간(b)으로 설정하여 배터리의 열폭주가 일어나기 전에 알람을 발생시키거나 배터리의 기능을 정지시킬 수 있을 것이다.
이상으로 본원발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본원발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본원발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100 : 배터리 팩
200 : 레이저 조사부
300 : 레이저 수광부
400 : 제어부
500 : 알람부

Claims (15)

  1. 하나 이상의 단위 셀을 포함하는 배터리 모듈;
    하나 이상의 상기 배터리 모듈을 수납하는 랙 하우징;
    상부가 개방된 형태로 내부 공간을 구비하여, 상기 내부 공간에 상기 배터리 모듈을 수용하는 하부 하우징;
    상기 하부 하우징의 상부 개방부를 결합되며, 내부 공간을 구비하여 상기 배터리 모듈을 수용하는 상부 하우징; 및
    상기 랙 하우징의 일면에, 미 산란(Mie scattering)을 이용해 가스를 감지하는 레이저 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 유닛은 배터리 팩의 복수의 배터리를 수납하는 랙 하우징의 일면에 형성되어 레이저 광원을 조사하는 레이저 조사부;
    상기 레이저 조사부에서 조사한 레이저 광원을 수신하며, 상기 레이저 조사부와 대면하는 랙 하우징의 타면에 형성된 레이저 수광부; 및
    상기 레이저 수광부에서 수신한 상기 레이저 광원의 강도를 참조 값과 비교하여 가스 발생을 판단하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 유닛은 두 개 이상의 유닛인 것을 포함하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 레이저 유닛은 단위 셀을 사이에 두고 레이저 유닛들이 평행하게 위치해 있는 것을 포함하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 레이저 유닛은 단위 셀을 사이에 두고 레이저 유닛들이 거울상으로 위치해 있는 것을 포함하는 배터리 팩.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 유닛은 배터리 팩의 복수의 배터리를 수납하는 랙 하우징의 일면에 형성되어 레이저 광원을 조사하는 레이저 조사부;
    상기 레이저 조사부에서 조사한 레이저 광원을 수신하며, 상기 레이저 조사부와 대면하는 랙 하우징의 타면에 형성된 레이저 수광부; 및
    상기 레이저 수광부에서 수신한 상기 레이저 광원의 강도를 참조 값과 비교하여 가스 발생을 판단하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 레이저 유닛은 배터리 팩의 복수의 배터리를 수납하는 랙 하우징의 일면에 형성되어 레이저 광원을 조사하는 두 개 이상의 레이저 조사부;
    상기 레이저 조사부에서 조사한 레이저 광원을 수신하며, 상기 레이저 조사부와 대면하는 랙 하우징의 타면에 형성된 두 개 이상의 레이저 수광부;를 포함하고,
    상기 두 개 이상의 레이저 유닛은 하나의 제어부 만을 가지며,
    상기 제어부는 상기 레이저 수광부에서 수신한 상기 레이저 광원의 강도를 참조 값과 비교하여 가스 발생을 판단하고,
    상기 제어부에 상기 두 개 이상의 레이저 유닛이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 조사부는 상기 배터리 팩에서 발생하는 가스 입자의 크기와 파장이 같거나 작은 레이저 광원을 조사하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제9항에 있어서,
    상기 가스 입자의 직경은 0.1㎛ 내지 10㎛인 것을 포함하는 것을 포함하는 배터리 팩.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 유닛은 알람부를 더 포함하는 배터리 팩.
  11. 1) 레이저 수광부에서 수신한 레이저 광원의 산란비율이 미리 설정한 산란비율과 비교하는 단계;
    2) 상기 단계 1)에서 상기 수신한 레이저 광원의 산란비율이 미리 설정한 산란비율보다 같거나 큰 경우 신호를 발생시키는 단계;
    3) 상기 제어부에서 전달된 신호에 의해 알람부에서 알람을 주는 단계;를 포함하는 배터리 팩의 가스 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 광원의 산란비율은 수신된 레이저 광원의 세기를 참조 값으로 설정된 초기 레이저 광원의 세기로 나눈 값인 것을 포함하는 배터리 팩의 가스 검출 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 미리 설정한 산란비율은 각 배터리 팩에서 검출되는 가스에 따른 광손실 값인 것을 포함하는 배터리 팩의 가스 검출 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 단계 2)와 단계 3) 사이에,
    a) 상기 단계 2)에서 신호가 발생할 경우, 이전 시간 값에 측정시간 값을 더하는 단계;를 더 부가하는 것을 포함하는 배터리 팩의 가스 검출 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 단계 a)와 단계 3) 사이에,
    b) 상기 단계 a)에서 얻어진 값을 미리 설정한 시간과 비교하는 단계;
    c) 상기 b)단계에서 얻어진 값이 미리 설정한 시간보다 크거나 같은 경우, 신호를 발생시키는 단계;를 더 포함하는 배터리 팩의 가스 검출 방법.







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