KR20210116050A - 배터리 이상 감지 장치 및 방법, 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템 - Google Patents

배터리 이상 감지 장치 및 방법, 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템 Download PDF

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KR20210116050A
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Abstract

본 발명은 배터리 이상 감지 장치 및 방법, 이를 제공하는 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 배터리 이상 감지 장치는, 배터리의 이상 거동을 감지하는 장치로서, 배터리 모듈 내의 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 압력센서, 및 가스농도를 측정하는 가스센서 각각으로부터 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값을 지시하는 정보를 수신하는 수신부, 상기 온도 값, 상기 압력 값, 및 상기 가스농도 값을 제1 임계값, 제2 임계값, 및 제3 임계값 각각과 비교하는 비교부, 그리고 비교결과 상기 온도 값이 상기 제1 임계값을 초과한 거동에서 상기 제2 임계값을 초과한 압력 값이 상기 제2 임계값 이하로 떨어지거나 상기 가스농도 값이 상기 제3 임계값을 초과하면 상기 배터리의 이상 거동 발생으로 판단하는 감지부를 포함한다.

Description

배터리 이상 감지 장치 및 방법, 그 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템{APPARATUS AND METHOD FOR BATTERY ABNORMAL CONDITION PREDICTION, AND BATTERY MANAGEMENT SYSTEM PROVIDING THE SAME METHOD}
본 발명은 배터리의 안전성을 향상시키는 기술에 관한 것으로, 보다 자세하게는 배터리 셀 내부의 발화 폭발 현상(Thermal Runaway, 열폭주)을 사전에 감지하여 배터리의 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 이상 감지 장치 및 방법, 이를 제공하는 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
근래에는 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성, 전기 자동차 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있다. 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
또한, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차(이하, 전기 자동차)에 세간의 이목이 집중되고 있다. 이러한 전기 자동차에 있어서 가장 핵심적 부품은 차량 모터로 구동력을 부여하는 차량용 배터리이다. 전기 자동차는 배터리의 충방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 사용자들이 점차 크게 늘어나고 있는 실정이다.
한편, 배터리와 관련하여 사회적으로 가장 큰 이슈가 되고 있는 것 중 하나가 배터리의 안전성 문제이다. 노트북이나 휴대폰과 같은 소형 장치에서부터, 자동차나 전력저장시스템과 같은 중대형 장치에 이르기까지, 배터리의 폭발이나 화재는 이들이 장착된 장치의 파손을 가져올 뿐만 아니라 추가적인 화재로 연결될 수 있다는 점에서 배터리의 안전성 확보가 중요한 문제로 인식되고 있다.
특히, 전기 자동차 등에 사용되는 중대형 배터리의 경우, 일반 휴대용 전자제품 등에 사용되는 소형 배터리보다 더욱 높은 안전성이 요구된다. 이러한 중대형 배터리는 고전압을 생성하기 때문에 그 자체로 많은 열을 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 배터리의 퇴화, 과충전, 과방전, 단자 간 쇼트(short) 등 각종 이슈로 인해 발화 폭발로 진행되는 열 폭주(Thermal Runaway)가 발생할 수 있다. 열 폭주는 배터리 셀 내부에 열이 지속적으로 발생하고 가스 발생과 그로 인한 압력 증가를 동반한다. 이러한 현상이 임계점을 넘으면 제어가 불가능한 발화 폭발이 발생하는 것이다.
배터리 시스템은 BMS(Battery Management System)에서 측정된 전압, 전류, 온도를 분석하여 배터리 팩을 모니터링한다. 그러나, 단순히 이를 기초로 배터리 열 폭주를 미리 감지할 수는 없다는 한계가 있다. 즉, 종래에는, 배터리 열 폭주가 발생한 뒤 이를 진압 및 해결하는데 포커스가 맞춰져 있을 뿐, 미리 사전에 감지하여 예방하는 시스템이 구축되어 있지 못하다.
본 발명은, 배터리 모듈 내부의 온도, 가스, 및 압력을 각각 감지하는 복수의 센서의 센싱 값을 소정 임계 값들과 비교하고 그 결과를 종합하여 배터리 열 폭주(Thermal Runaway) 현상을 사전에 감지하여 알려주는 배터리 이상 감지 장치 및 방법, 이를 제공하는 배터리 관리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 특징에 따른 배터리 이상 감지 장치는, 배터리의 이상 거동을 감지하는 장치로서, 배터리 모듈 내의 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 압력센서, 및 가스농도를 측정하는 가스센서 각각으로부터 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값을 지시하는 정보를 수신하는 수신부, 상기 온도 값, 상기 압력 값, 및 상기 가스농도 값 각각을 제1 임계값, 제2 임계값, 및 제3 임계값과 비교하는 비교부, 그리고 비교결과 상기 온도 값이 상기 제1 임계값을 초과한 상태에서 상기 제2 임계값을 초과한 압력 값이 상기 제2 임계값 이하로 떨어지거나 상기 가스농도 값이 상기 제3 임계값을 초과하면 상기 배터리의 이상 거동 발생으로 판단하는 감지부를 포함한다.
본 발명의 일 특징에 따른 배터리 이상 감지 장치는, 배터리의 이상 거동을 감지하는 장치로서, 배터리 모듈 내의 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 압력센서, 및 가스농도를 측정하는 가스센서로부터 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값 각각에 대응하는 전압을 지시하는 정보를 수신하는 수신부, 상기 온도 값에 대응하는 제1 전압을 제1 임계전압과 비교하는 제1 비교기, 상기 압력 값에 대응하는 제2 전압을 제2 임계전압과 비교하는 제2 비교기, 상기 가스농도 값에 대응하는 제3 전압을 제3 임계전압과 비교하는 제3 비교기, 그리고 상기 제1 전압이 상기 제1 임계 전압 보다 클 때의 상기 제1 비교기의 출력신호 조건에서, 상기 제2 비교기의 출력신호의 레벨 변경 또는 상기 제3 비교기의 출력신호의 레벨 변경에 기초하여 상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 감지부를 포함할 수 있다.
상기 감지부는, 상기 제1 전압이 상기 제1 임계 전압 보다 클 때의 상기 제1 비교기의 출력신호 조건에서, 상기 제2 전압이 상기 제2 임계 전압 보다 작아질 때의 상기 제2 비교기의 출력신호에 따라 상기 배터리의 열 폭주 발생으로 판단할 수 있다.
상기 감지부는, 상기 제1 전압이 상기 제1 임계 전압 보다 클 때의 상기 제1 비교기의 출력신호 조건에서, 상기 제3 전압이 상기 제3 임계 전압 보다 커질 때의 상기 제3 비교기의 출력신호에 따라 상기 배터리의 열 폭주 발생으로 판단할 수 있다.
상기 감지부는, 상기 제3 전압이 상기 제3 임계 전압 보다 커질 때의 상기 제3 비교기의 출력신호에 따라 상기 배터리의 전해액 누액 발생으로 판단할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 배터리 이상 감지 방법은, 배터리의 이상 거동을 감지하는 방법으로서, 배터리 모듈 내의 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 압력센서, 및 가스농도를 측정하는 가스센서 각각으로부터 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값을 지시하는 정보를 수신하는 단계, 상기 온도 값, 상기 압력 값, 및 상기 가스농도 값 각각을 제1 임계값, 제2 임계값, 및 제3 임계값과 비교하는 단계, 그리고 비교결과 상기 온도 값이 상기 제1 임계값을 초과한 상태에서 상기 제2 임계값을 초과한 압력 값이 상기 제2 임계값 이하로 떨어지거나 상기 가스농도 값이 상기 제3 임계값을 초과하면 상기 배터리의 이상 거동 발생으로 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 배터리 이상 감지 방법은, 배터리의 이상 거동을 감지하는 방법으로서, 배터리 모듈 내의 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 압력센서, 및 가스농도를 측정하는 가스센서로부터 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값 각각에 대응하는 전압을 지시하는 정보를 수신하는 단계, 상기 온도 값에 대응하는 전압을 제1 임계전압과 비교하는 제1 비교기, 상기 압력 값에 대응하는 전압을 제2 임계전압과 비교하는 제2 비교기, 상기 가스농도 값에 대응하는 전압을 제3 임계전압과 비교하는 제3 비교기 각각이 비교 대상 전압이 소정의 임계전압보다 크면 하이 레벨의 신호를 출력하고 크지 않으면 로우 레벨의 신호를 출력하는 단계, 그리고 상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기, 상기 제3 비교기 각각의 출력신호에 기초하여 상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 단계는, 상기 제1 비교기의 출력신호가 하이 레벨이고 상기 제2 비교기의 출력신호가 하이 레벨에서 로우 레벨로 변경되면 상기 배터리의 열 폭주 발생으로 판단할 수 있다.
상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 단계는, 상기 제1 비교기의 출력신호 및 상기 제3 비교기의 출력신호가 하이 레벨이면 상기 배터리의 열 폭주 발생으로 판단할 수 있다.
상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 단계는, 상기 제3 비교기의 출력신호가 하이 레벨이면 상기 배터리의 전해액 누액 발생으로 판단할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 배터리 관리 시스템은, 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 배터리 이상 감지 방법을 제공한다.
본 발명은 배터리 케이스(파우치) 형상의 특징으로 압력 변화를 늦게 감지할 가능성이 있는 압력센서, 공기 흐름으로 인한 불확실성을 갖는 가스센서, 그리고 온도센서에서 측정되는 온도 변화만으로는 배터리 열 폭주를 감지하기 어려운 한계를 각 센서들의 출력신호에 대한 유기적인 조합으로 극복하여 신뢰도 높게 배터리의 이상 거동을 감지할 수 있는 배터리 이상 감지 장치 및 방법, 이를 제공하는 배터리 관리 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 배터리의 열 폭주가 발생하기 전에 이를 신속하고 효과적으로 감지하고 대응함으로써 화재발생으로 인한 추가적인 인명 및 재산 피해를 방지할 수 있는 배터리 이상 감지 장치 및 방법, 이를 제공하는 배터리 관리 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 이상 감지 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따라 온도전압의 입력에 따른 제1 비교기의 출력신호를 설명하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따라 압력전압의 입력에 따른 제2 비교기의 출력신호를 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따라 가스전압의 입력에 따른 제3 비교기의 출력신호를 설명하는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따라 제1 비교기 및 제2 비교기의 출력신호를 입력으로 하는 제1 판단부의 출력신호를 설명하는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따라 제1 비교기 및 제3 비교기의 출력신호를 입력으로 하는 제2 판단부의 출력신호를 설명하는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 배터리 이상 감지 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 배터리 이상 감지 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 이상 감지 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따라 온도전압의 입력에 따른 제1 비교기의 출력신호를 설명하는 도면이고, 도 3은 일 실시예에 따라 압력전압의 입력에 따른 제2 비교기의 출력신호를 설명하는 도면이고, 도 4는 일 실시예에 따라 가스전압의 입력에 따른 제3 비교기의 출력신호를 설명하는 도면이고, 도 5는 일 실시예에 따라 제1 비교기 및 제2 비교기의 출력신호를 입력으로 하는 제1 판단부의 출력신호를 설명하는 도면이고, 도 6은 일 실시예에 따라 제1 비교기 및 제3 비교기의 출력신호를 입력으로 하는 제2 판단부의 출력신호를 설명하는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 이상 감지 장치(100)는, 수신부(10), 비교부(20), 및 감지부(30)를 포함한다.
도 1에 도시된 각 구성은 배터리 이상 감지 장치(100)의 구성을 설명하기 위한 일 예로서, 적어도 두 구성이 합쳐지거나, 한 구성이 적어도 두 구성으로 분리되거나, 추가적인 구성이 부가되는 등의 변경이 가능하고, 도 1에 도시된 실시예가 발명을 제한하지 않는다.
도 7은 일 실시예에 따른 배터리 이상 감지 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참고하여 일 실시예에 따른 배터리 이상 감지 장치 및 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 수신부(10)는, 온도센서(1), 압력센서(2), 및 가스센서(3) 각각에서 측정된 배터리 모듈의 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값을 지시하는 정보를 수신한다(S10). 예를 들어, 수신부(10)는, 배터리 모듈의 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값 각각에 대응하는 온도전압(VT), 압력전압(VP) 및 가스전압(VG)을 지시하는 정보를 수신할 수 있다.
다음으로, 비교부(20)는 배터리 모듈의 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값 각각을 제1 임계값, 제2 임계값, 및 제3 임계값과 비교하고, 비교 결과를 감지부(30)에 전달할 수 있다(S20).
구체적으로, 비교부(20)는 배터리 모듈의 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값 각각에 대응하는 온도전압(VT), 압력전압(VP) 및 가스전압(VG) 각각을 소정 임계치 전압과 비교하고, 비교 결과를 디지털 신호로 출력할 수 있다. 예를 들어, 비교부(20)는 비교 대상 전압이 소정의 임계치 전압보다 크면 하이 레벨(H)의 신호를 출력하고 크지 않으면 로우 레벨(L)의 신호를 출력하는 전압 비교기(Voltage Comparator)를 포함할 수 있다.
도 1을 참고하면, 비교부(20)는 온도전압(VT)과 제1 임계전압과 비교하는 제1 비교기(21), 압력전압(VP)과 제2 임계전압과 비교하는 제2 비교기(22), 및 가스전압(VG)과 제3 임계전압과 비교하는 제3 비교기(23)를 포함할 수 있다.
도 2를 참고하면, 도 2의 (a)는 배터리 모듈의 온도 값에 대응하는 온도전압(VT)의 시간에 따른 변화를 설명하는 그래프이고, 도 2의 (b)는 온도전압(VT)을 입력으로 하는 제1 비교기(21)의 출력신호(VC1)를 표시하는 도면이다. 제1 비교기(21)는 온도전압(VT)을 실시간 입력 받고 이를 제1 임계전압(VaT)과 비교하여 하이 레벨(H)의 신호(VC1) 또는 로우 레벨(L)의 신호(VC1)를 출력한다.
시점 T1 이전에는, 온도전압(VT)이 제1 임계전압(VaT)보다 크지 않으므로, 제1 비교기(21)의 출력신호(VC1)는 로우 레벨(L)이다. 시점 T1에, 온도전압(VT)이 제1 임계전압(VaT)보다 커지므로, 제1 비교기(21)의 출력신호(VC1)는 하이 레벨(H)로 상승한다.
도 3을 참고하면, 도 3의 (a)는 배터리 모듈의 압력 값에 대응하는 압력전압(VP)의 시간에 따른 변화를 설명하는 그래프이고, 도 3의 (b)는 압력전압(VP)을 입력으로 하는 제2 비교기(22)의 출력신호(VC2)를 표시하는 도면이다. 제2 비교기(22)는 압력전압(VP)을 실시간 입력 받고 이를 제2 임계전압(VaP)과 비교하여 하이 레벨(H)의 신호(VC2) 또는 로우 레벨(L)의 신호(VC2)를 출력한다.
시점 T2 이전에는, 압력전압(VP)이 제2 임계전압(VaP)보다 크지 않으므로, 제2 비교기(22)의 출력신호(VC2)는 로우 레벨(L)이다. 시점 T2에, 압력전압(VP)이 제2 임계전압(VaP)보다 커지므로, 제2 비교기(22)의 출력신호(VC2)는 하이 레벨(H)로 상승한다. 시점 T3에, 압력전압(VP)이 제2 임계전압(VaP)보다 다시 작아지므로, 제2 비교기(22)의 출력신호(VC2)는 다시 로우 레벨(L)로 하강한다.
도 4를 참고하면, 도 4의 (a)는 배터리 모듈의 가스농도 값에 대응하는 가스전압(VG)의 시간에 따른 변화를 설명하는 그래프이고, 도 4의 (b)는 제3 비교기(23)의 출력신호(VC3)를 표시하는 도면이다. 제3 비교기(23)는 가스전압(VG)을 실시간 입력 받고 이를 제3 임계전압(VaG)과 비교하여 하이 레벨(H)의 신호(VC3) 또는 로우 레벨(L)의 신호(VC3)를 출력한다.
시점 T4 이전에는, 가스전압(VG)이 제3 임계전압(VaG)보다 크지 않으므로, 제3 비교기(23)의 출력신호(VC3)는 로우 레벨(L)이다. 시점 T4에, 가스전압(VG)이 제3 임계전압(VaG)보다 커지므로, 제3 비교기(23)의 출력신호(VC3)는 하이 레벨(H)로 상승한다.
다음으로, 감지부(30)는 배터리 모듈의 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값의 각각에 대해 제1 임계값, 제2 임계값, 및 제3 임계값과의 비교 결과를 비교부(20)로부터 수신하고, 이를 기초로 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단할 수 있다(S30).
예를 들어, 감지부(30)는 온도 값이 제1 임계값을 초과한 상태에서 제2 임계값을 초과한 압력 값이 제2 임계값 이하로 떨어지거나 가스농도 값이 제3 임계값을 초과하면 배터리의 열 폭주 발생으로 판단할 수 있다. 또한, 감지부(30)는 가스농도 값이 제3 임계값을 초과하면 전해액 누액 발생을 판단할 수 있다.
도 1을 참고하면, 감지부(30)는, 제1 판단부(31), 제2 판단부(32), 열 폭주 알림부(33), 및 전해액 누액 알림부(34)를 포함하여, 제1 비교기(21), 제2 비교기(22), 및 제3 비교기(23) 각각에서 출력되는 신호(VC1, VC2, VC3)에 기초하여 배터리의 이상 거동 발생을 판단하고 대응하는 알림 메시지를 생성할 수 있다.
배터리 모듈의 과충전, 과방전 또는 노화 등으로 인한 열 폭주(Thermal Runaway) 현상이 발생하기 전, 배터리 모듈 내부의 온도 및 가스 농도는 발화할 때까지 지속적으로 상승하는 반면, 압력은 급격히 증가하다 감소하는 경향을 보인다. 즉, 배터리 모듈 내부의 압력은 가스 발생으로 증가하다 배터리 케이스의 벤트(venting) 발생으로 가스가 배출되면 감소하는 경향을 보이게 된다. 일 실시예는, 배터리 모듈 내부의 온도 및 가스 농도 변화를 종합하여 모니터링 하거나 온도 및 압력 변화를 종합하여 모니터링하여 배터리 열 폭주의 발생 여부를 신뢰도 높게 감지할 수 있다.
다음으로, 제1 판단부(31) 및 제2 판단부(32) 각각은 제1 비교기(21), 제2 비교기(22), 및 제3 비교기(23)에서 출력되는 신호(VC1, VC2, VC3)에 기초하여 배터리 열 폭주 발생 여부를 판단한다(S31).
제1 판단부(31)는, 제1 입력으로 하는 제1 비교기(21)의 출력신호(VC1)가 하이 레벨(H)이고, 제2 입력으로 하는 제2 비교기(22)의 출력신호(VC2)가 하이 레벨(H)에서 로우 레벨(L)로 변경되면, 하이 레벨(H)의 신호(FF)를 출력한다.
예를 들어, 제1 판단부(31)는, 네거티브 에지 트리거 플립플롭(negative edge trigger flip-flop)을 포함하여, 제1 입력으로 받는 클록 펄스가 '1(하이 레벨)'이고, 제2 입력으로 받는 클록 펄스가 '1(하이 레벨)'에서 '0(로우 레벨)'로 변화할 때 하이 레벨(H)의 신호(FF)를 출력할 수 있다. 즉, 제1 판단부(31)는, 배터리 모듈 내부에서 지속적으로 상승하는 온도 변화와 급격히 증가하다 감소하는 압력 변화를 감지하여 열 폭주 발생을 감지한다.
5를 참고하면, 도 5의 (a)는 제1 비교기(21)의 출력신호(VC1)를 보여주는 도면이고, 도 5의 (b)는 제2 비교기(22)의 출력신호(VC2)를 보여주는 도면이고, 도 5의 (c)는 제1 비교기(21) 및 제2 비교기(22)의 출력신호를 입력으로 하는 제1 판단부(31)의 출력신호(FF)를 보여주는 도면이다. 시점 T3에, 제1 비교기(21)의 출력신호(VC1)가 하이 레벨(H)이고 제2 비교기(22)의 출력신호(VC2)가 하이 레벨(H)에서 로우 레벨(L)로 변경되므로, 제1 판단부(31)의 출력 신호(FF)는 하이 레벨(H)이다.
제2 판단부(32)는, 제1 입력으로 하는 제1 비교기(21)의 출력신호(VC1) 및 제2 입력으로 하는 제3 비교기(23)의 출력신호(VC3)가 모두 하이 레벨(H)이면, 하이 레벨(H)의 신호(AG)를 출력한다.
예를 들어, 제2 판단부(32)는, 앤드 게이트(AND GATE)를 포함하여 제1 입력 및 제2 입력이 모두 '1(하이 레벨)'이면 '1(하이 레벨)'의 신호를 출력하고, 나머지 경우에는 '0(로우 레벨)'의 신호(AG)를 출력할 수 있다. 즉, 제2 판단부(32)는, 배터리 모듈 내부에서 지속적으로 상승하는 온도 변화 및 가스 농도 변화를 감지하여 열 폭주 발생을 감지한다.
도 6을 참고하면, 도 6의 (a)는 제1 비교기(21)의 출력신호(VC1)를 보여주는 도면이고, 도 6의 (b)는 제3 비교기(23)의 출력신호(VC3)를 보여주는 도면이고, 도 6의 (c)는 제1 비교기(21) 및 제3 비교기(23)의 출력신호를 입력으로 하는 제2 판단부(32)의 출력신호(AG)를 보여주는 도면이다. 시점 T4에, 제1 비교기(21)의 출력신호(VC1) 및 제3 비교기(23)의 출력신호(VC3)가 모두 하이 레벨(H)이므로, 제2 판단부(32)의 출력신호(AG)는 하이 레벨(H)이다.
다음으로, 열 폭주 알림부(33)는 제1 판단부(31) 및 제2 판단부(32)의 출력신호 중 적어도 하나가 하이 레벨(H)이면 배터리의 열 폭주 발생으로 판단하고(S31, Yes), 대응하는 알림 메시지를 생성할 수 있다(S33). 이때, 전해액 누액 알림부(34)는 제3 비교기(23)의 출력신호(VC3)가 '1(하이 레벨)'에 해당하면, 열 폭주에 수반되는 전해액 누액 발생으로 판단하고 대응하는 알림 메시지를 생성할 수 있다.
예를 들어, 열 폭주 알림부(33)는 오알 게이트(OR GATE)를 포함하여 제1 판단부(31)의 출력신호(FF) 및 제2 판단부(32)의 출력신호(AG)를 입력으로 받고, 입력 받은 신호 중 적어도 하나가 '1(하이 레벨)'이면 '1(하이 레벨)'의 신호를 출력하고, 입력 받은 신호가 모두 '0(로우 레벨)'이면 '0(로우 레벨)'의 신호를 출력할 수 있다.
다음으로, 배터리의 열 폭주가 발생하지 않으면(S31, No), 전해액 누액 알림부(34)는 열 폭주 외의 이유로 인한 전해액 누액 발생여부를 추가로 판단한다(S35). 전해액 누액은 배터리 케이스 실링(sealling) 이상에 의한 소프트 벤팅(soft venting)으로도 발생할 수 있다.
전해액 누액 알림부(34)는 제3 비교기(23)의 출력신호(VC3)가 '1(하이 레벨)'에 해당하면, 전해액 누액 발생으로 판단하고(S35, Yes), 대응하는 알림 메시지를 생성할 수 있다(S37).
도 8은 일 실시예에 따른 배터리 이상 감지 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 8을 참고하면, 배터리 시스템(1000)은 온도센서(1), 압력센서(2), 가스센서(3), 배터리 모듈(4), 및 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(5)를 포함한다.
온도센서(1)는 배터리 모듈(4) 내부의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 지시하는 정보를 BMS(5)에 전송한다. 온도 센서(1)는 써미스터로 구현될 수 있고, 써미스터에 의해 측정된 값이 측정된 온도를 지시하는 정보일 수 있다. 도 8에서는 배터리 모듈(4)에 부착된 하나의 온도 센서(1)가 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않고, 열이 집중되는 셀에 대표로 부착되거나 둘 이상의 온도 센서(1)가 둘 이상의 셀에 부착될 수 있다.
온도센서(1)는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 타입의 써미스터로 구현되어, 배터리 모듈(4) 내부의 온도를 측정하고 측정된 온도 값을 대응하는 온도전압(VT)으로 변환할 수 있다. 온도센서(1)는 온도전압(VT)을 지시하는 정보를 BMS(5)에 전송할 수 있다.
압력센서(2)는 배터리 모듈(4) 내부의 압력을 측정하고, 측정된 압력을 지시하는 정보를 BMS(5)에 전송한다. 압력센서(2)는 PSR(Pressure Sensitive Resistor) 타입으로 구현되어, 배터리 모듈(4)의 케이스 표면에 인가된 압력(힘)을 측정하고 측정된 압력을 대응하는 압력전압(VP)으로 변환할 수 있다. 압력센서(2)는 압력전압(VP)을 지시하는 정보를 BMS(5)에 전송할 수 있다. 도 8에서는 배터리 모듈(4) 내부의 최 외각 셀과 배터리 모듈(4)의 케이스 사이에 부착된 압력센서(2)가 도시되어 있으나, 발명이 이에 한정되지 않고, 둘 이상의 압력센서(2)가 둘 이상의 셀 사이에 부착될 수 있다.
가스센서(3)는, 배터리 모듈(4) 내부의 가스 농도를 측정하고, 측정된 가스 농도를 지시하는 정보를 BMS(5)에 전송한다. 가스센서(3)는, CO, CO2 등 임의의 지정된 가스의 농도를 측정하고, 측정된 가스농도를 대응하는 가스전압(VG)으로 변환할 수 있다. 가스센서(3)는, 가스전압(VG)을 지시하는 정보를 BMS(5)에 전송할 수 있다.
배터리 모듈(4)은, 복수의 배터리 셀이 직렬/병렬 연결되어 필요한 전원을 공급할 수 있다. 도 8에서는, 배터리 모듈(4)이 직렬 연결되어 있는 복수의 배터리 셀을 포함하고, 배터리 시스템(1000)의 두 출력단 OUT1(+), OUT2(-) 사이에 연결되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 도 8에 도시된 구성들 및 구성들 간의 연결 관계는 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
BMS(5)는 앞서 도 1 내지 도 7에서 설명한 일 실시예에 의한 배터리 이상 감지 장치(100)를 포함한다. 배터리 이상 감지 장치(100)는 온도센서(1), 압력센서(2), 및 가스센서(3) 각각에서 측정된 배터리 모듈(4)의 온도 값, 압력 값, 및 가스농도에 기초하여 배터리 열 폭주 또는 전해액 누액 발생을 감지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 배터리의 이상 거동을 감지하는 장치로서,
    배터리 모듈 내의 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 압력센서, 및 가스농도를 측정하는 가스센서 각각으로부터 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값을 지시하는 정보를 수신하는 수신부,
    상기 온도 값, 상기 압력 값, 및 상기 가스농도 값 각각을 제1 임계값, 제2 임계값, 및 제3 임계값과 비교하는 비교부, 그리고
    비교결과 상기 온도 값이 상기 제1 임계값을 초과한 상태에서 상기 제2 임계값을 초과한 압력 값이 상기 제2 임계값 이하로 떨어지거나 상기 가스농도 값이 상기 제3 임계값을 초과하면 상기 배터리의 이상 거동 발생으로 판단하는 감지부를 포함하는,
    배터리 이상 감지 장치.
  2. 배터리의 이상 거동을 감지하는 장치로서,
    배터리 모듈 내의 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 압력센서, 및 가스농도를 측정하는 가스센서로부터 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값 각각에 대응하는 전압을 지시하는 정보를 수신하는 수신부,
    상기 온도 값에 대응하는 제1 전압을 제1 임계전압과 비교하는 제1 비교기,
    상기 압력 값에 대응하는 제2 전압을 제2 임계전압과 비교하는 제2 비교기,
    상기 가스농도 값에 대응하는 제3 전압을 제3 임계전압과 비교하는 제3 비교기, 그리고
    상기 제1 전압이 상기 제1 임계 전압 보다 클 때의 상기 제1 비교기의 출력신호 조건에서, 상기 제2 비교기의 출력신호의 레벨 변경 또는 상기 제3 비교기의 출력신호의 레벨 변경에 기초하여 상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 감지부를 포함하는,
    배터리 이상 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 제1 전압이 상기 제1 임계 전압 보다 클 때의 상기 제1 비교기의 출력신호 조건에서, 상기 제2 전압이 상기 제2 임계 전압 보다 작아질 때의 상기 제2 비교기의 출력신호에 따라 상기 배터리의 열 폭주 발생으로 판단하는,
    배터리 이상 감지 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 제1 전압이 상기 제1 임계 전압 보다 클 때의 상기 제1 비교기의 출력신호 조건에서, 상기 제3 전압이 상기 제3 임계 전압 보다 커질 때의 상기 제3 비교기의 출력신호에 따라 상기 배터리의 열 폭주 발생으로 판단하는,
    배터리 이상 감지 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 제3 전압이 상기 제3 임계 전압 보다 커질 때의 상기 제3 비교기의 출력신호에 따라 상기 배터리의 전해액 누액 발생으로 판단하는,
    배터리 이상 감지 장치.
  6. 배터리의 이상 거동을 감지하는 방법으로서,
    배터리 모듈 내의 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 압력센서, 및 가스농도를 측정하는 가스센서 각각으로부터 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값을 지시하는 정보를 수신하는 단계,
    상기 온도 값, 상기 압력 값, 및 상기 가스농도 값 각각을 제1 임계값, 제2 임계값, 및 제3 임계값과 비교하는 단계, 그리고
    비교결과 상기 온도 값이 상기 제1 임계값을 초과한 상태에서 상기 제2 임계값을 초과한 압력 값이 상기 제2 임계값 이하로 떨어지거나 상기 가스농도 값이 상기 제3 임계값을 초과하면 상기 배터리의 이상 거동 발생으로 판단하는 단계를 포함하는,
    배터리 이상 감지 방법.
  7. 배터리의 이상 거동을 감지하는 방법으로서,
    배터리 모듈 내의 온도를 측정하는 온도센서, 압력을 측정하는 압력센서, 및 가스농도를 측정하는 가스센서로부터 온도 값, 압력 값, 및 가스농도 값 각각에 대응하는 전압을 지시하는 정보를 수신하는 단계,
    상기 온도 값에 대응하는 전압을 제1 임계전압과 비교하는 제1 비교기, 상기 압력 값에 대응하는 전압을 제2 임계전압과 비교하는 제2 비교기, 상기 가스농도 값에 대응하는 전압을 제3 임계전압과 비교하는 제3 비교기 각각이 비교 대상 전압이 소정의 임계전압보다 크면 하이 레벨의 신호를 출력하고 크지 않으면 로우 레벨의 신호를 출력하는 단계, 그리고
    상기 제1 비교기, 상기 제2 비교기, 상기 제3 비교기 각각의 출력신호에 기초하여 상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 단계를 포함하는,
    배터리 이상 감지 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 단계는,
    상기 제1 비교기의 출력신호가 하이 레벨이고 상기 제2 비교기의 출력신호가 하이 레벨에서 로우 레벨로 변경되면 상기 배터리의 열 폭주 발생으로 판단하는,
    배터리 이상 감지 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 단계는,
    상기 제1 비교기의 출력신호 및 상기 제3 비교기의 출력신호가 하이 레벨이면 상기 배터리의 열 폭주 발생으로 판단하는,
    배터리 이상 감지 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 배터리의 이상 거동 발생 여부를 판단하는 단계는,
    상기 제3 비교기의 출력신호가 하이 레벨이면 상기 배터리의 전해액 누액 발생으로 판단하는,
    배터리 이상 감지 방법.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 배터리 이상 감지 방법을 제공하는 배터리 관리 시스템.

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