KR20230000660A - 배터리 셀에 대한 온도 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 적어도 하나의 배터리 셀의 적어도 일 면으로부터 이격되게 위치하고, 적어도 하나의 배터리 셀로부터 복사되는 전자기파를 집광하는 집광부, 집광된 전자기파를 수광하는 수광부 및 수광된 전자기파를 기초로 적어도 하나의 배터리 셀의 일 면의 적어도 일부 영역에 대한 온도를 측정하는 제어부를 포함하는 온도측정장치를 제공한다.

Description

배터리 셀에 대한 온도 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MEASURING TEMPERATURE OF BATTERY CELL AND METHOD THEREOF}
본 개시는 배터리 셀에 대한 배터리 온도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 자동차용 배터리에 포함된 복수의 배터리 셀들의 온도 스펙트럼을 획득하여 온도를 측정하는 온도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
전기 자동차용 배터리는 일반적으로 복수개의 배터리 셀이 배치된 구조를 갖는다. 배터리의 화재 예방 및 전기 자동차의 안전성을 담보하기 위해 복수개의 배터리 셀의 온도를 모니터링 할 필요성이 있다.
그러나, 복수개의 배터리 셀 전부에 온도 센서를 설치하여 각각의 온도를 모니터링 하는 것은 비용적으로 매우 비경제적인 문제가 있다.
또한, 복수개의 배터리 셀 중 일부에 온도 센서를 설치하여 일부의 온도를 모니터링하는 방식은 비용면에서는 효과가 있을 수 있으나, 온도가 모니터링되지 않고 있는 일부 배터리 셀에 의한 화재 위험성이 증가하는 점에서 문제점이 있다.
따라서, 효율적으로 복수개의 배터리 셀에 대한 온도를 측정해야 할 필요성이 제기되고 있다.
본 개시는 온도 측정 장치에 있어서, 적어도 하나의 배터리 셀의 적어도 일부 영역에서 발생하는 열에너지에 의해 복사되는 고유의 파장을 갖는 전자기파를 기초로 배터리 셀의 적어도 일부 영역에서의 온도의 최대치를 파악하여, 배터리 셀이 기준치 이하의 온도를 유지하고 있는지 판별할 수 있는 온도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시는 온도 측정 장치에 있어서, 적어도 하나의 배터리 셀에서 복사되는 전자기파를 집광할 수 있도록 넓은 화각을 갖는 집광 구조를 이용하여 집광함으로써, 배터리 셀의 적어도 일부 영역에서 복사되는 전자기파를 수광하기 위한 공간을 적게 차지할 수 있는 온도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 실시예에 따른 온도 측정 장치는 적어도 하나의 배터리 셀의 적어도 일 면으로부터 이격되게 위치하고, 적어도 하나의 배터리 셀로부터 복사되는 전자기파를 집광하는 집광부, 집광된 전자기파를 수광하는 수광부 및 수광된 전자기파를 기초로 적어도 하나의 배터리 셀의 일 면의 적어도 일부 영역에 대한 온도를 측정하는 제어부를 포함한다.
본 개시의 일시예에 따른 온도 측정 장치는 적어도 하나의 배터리 셀의 적어도 일부 영역에서 발생하는 열에너지에 의해 복사되는 고유의 파장을 갖는 전자기파를 기초로 배터리 셀의 적어도 일부 영역에서의 온도의 최대치를 파악하여, 배터리 셀이 기준치 이하의 온도를 유지하고 있는지 판별할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치는 적어도 하나의 배터리 셀에서 복사되는 전자기파를 집광할 수 있도록 넓은 화각을 갖는 집광 구조를 이용하여 집광함으로써 배터리 셀의 적어도 일부 영역에서 복사되는 전자기파를 수광하기 위한 공간을 적게 차지할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 집광부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 집광부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 온도측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 배치되는 온도측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 셀의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 온도 스펙트럼 정보를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 파장별 강도 정보를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 “모듈” 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 온도 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
온도 측정 장치(100)는 적어도 하나의 배터리 셀의 일 면으로부터 소정의 이격 거리에 위치하여 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 온도를 측정할 수 있다.
온도 측정 장치(100)는 적어도 하나의 배터리 셀의 일 면의 적어도 일부 영역으로부터 떨어진 소정의 이격 거리에 위치하여 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 온도를 측정할 수 있다. 한편, 이격 거리는 온도 측정 장치(100)가 적어도 하나의 배터리셀의 일면의 적어도 일부 영역의 온도를 측정할 수 있도록 전자기파(300)를 집광할 수 있도록 하는 집광부(110)의 초점 거리가 될 수 있다.
또한, 온도 측정 장치(100)는 적어도 하나의 배터리 셀의 일 면의 적어도 일부 영역으로부터 소정의 이격 거리에 위치할 수도 있다.
또한, 하나의 배터리 셀(200)이 대용량 배터리 셀로서 넓은 표면을 갖는 경우에도, 온도 측정 장치(200)는 하나의 배터리 셀(200)의 일 면으로부터 소정의 이격 저리에 위치하여 배터리 셀(200)의 온도를 측정할 수 있다.
온도 측정 장치(100)는 적어도 하나의 배터리 셀로부터 방출되는 열 에너지에 따른 고유의 파장을 갖는 전자기파(300)를 집광하는 집광부(110), 집광된 전자기파(300)를 수광하는 수광부(120) 및 수광된 전자기파를 기초로 온도 스펙트럼 정보를 획득하고 획득한 온도 스펙트럼 정보에 기초하여 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 온도를 확인하는 제어부(130)를 포함할 수 있다.
집광부(110)는 하나 이상의 배터리 셀(200)로부터 방출되는 전자기파(300)를 수광부(120)로 집광할 수 있다.
한편, 수광부(120)는 수광 센서(121)를 포함할 수 있다. 수광 센서(121)는 집광부(110)에 의해 집광된 전자기파(300)를 수광할 수 있다. 예를 들어, 집광부(110)는 입사된 전자기파(300)의 경로를 수광 센서(121)를 향하도록 변경하고, 수광 센서(121)는 변경된 경로로 이동하는 전자기파(300)를 수광할 수 있다. 한편, 수광 센서(121)는 적외선 센서 일 수 있다. 적외선 센서는 적외선을 이용해 온도 등의 물리량을 감지하여 신호처리가 가능한 전기량으로 변환할 수 있는 센서를 의미할 수 있다.
한편, 적어도 하나의 배터리 셀(200)은 전기 자동차용 배터리에 포함되는 배터리 셀일 수 있다. 배터리 셀(200)은 전기 에너지를 충전, 방전해 사용할 수 있는 리튬 이온 배터리의 기본 단위일 수 있다. 배터리 셀(200)은 사각형의 알루미늄 케이스의 형태로 양극, 음극, 분리막 및 전해액을 포함할 수 있다. 이에 한정되지 않고, 배터리 셀(200)은 원통형 케이스, 폴리머 파우치 등의 다양한 형태로 구성될 수 있다.
한편, 적어도 하나의 배터리 셀은 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 소정의 프레임에 조립되어 배터리 모듈을 구성할 수도 있다. 또한, 적어도 하나의 배터리 모듈은 배터리 관리 시스템 또는 냉각 시스템과 같은 각종 제어 및 보호 시스템에 장착되어 전기 자동차에 장착될 수 있는 배터리 팩을 구성할 수도 있다.
한편, 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 집광부를 설명하기 위한 도면이다.
집광부(110)는 배터리셀(200)로부터 방출되는 전자기파(300)를 집광할 수 있는 집광 렌즈(111)를 포함할 수 있다. 집광 렌즈(111)는 방출되는 전자기파(300)를 약 180도에 가깝게 집광할 수 있다. 예를 들어, 집광 렌즈(111)는 일반적인 렌즈가 갖는 광각(또는 시야각) 보다 더 큰 각도인 약 178도로 전자기파(300)를 집광할 수 있다.
집광 렌즈(111)는 상하부가 개구되어 관통된 원통형의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 집광 렌즈(111)의 상부가 개구되어 제1 개구(114)를 형성할 수 있으며, 하부가 개구되어 제2 개구(115)가 형성될 수 있다. 제1 개구(114) 및 제2 개구(115)는 서로 관통될 수 있다. 한편, 집광 렌즈(111)는 빛이 투과될 수 있는 물질로 구성되는 렌즈 몸체(112)를 포함할 수 있다. 집광 렌즈(111)는 외부로부터 전자기파가 집광되는 중심선상으로 내측으로 좁아지도록 경사부(113)가 형성될 수 있다. 즉, 집광 렌즈(111)는 내측에 잘린 원뿔 형상의 관통홀이 형성될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 배터리셀(200)로부터 방출되는 전자기파(300)가 관통홀을 통해 수광부(120)로 입사될 수 있다. 또한, 경사부(113)는 제1 개구(114)로부터 제2 개구(115)까지 내측으로 함몰되는 경사면을 가질 수 있다. 한편, 제1 개구(114)는 제2 개구(115)보다 직경이 더 클 수 있다.
한편, 경사부(113)에는 소정의 반사율을 갖는 도료가 표면에 형성된 코팅부(116)가 형성될 수 있다. 이 경우, 도료는 은, 알루미늄, 금, 크롬, 스테인레스, 황동, 아연, 마그네슘 합금 등과 같은 비철금속재 도료일 수 있다.
한편, 도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 집광부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 집광렌즈(111)의 A-A' 단면도이며, 적어도 하나의 배터리셀(200)로부터 방출되는 전자기파(300)가 집광되는 예를 설명하기 위한 도면이다.
집광부(100)의 집광렌즈(110)는 제2 개구(115)보다 더 큰 직경을 갖는 제1 개구(114)가 적어도 하나의 배터리 셀로(200)로 향하도록 배치될 수 있다. 한편, 제2 개구(115)측에는 수광부(120)가 위치할 수 있다. 한편, 경사부(113)의 경사각은 전자기파(300)를 수광하는 센서의 화각을 기초로 결정될 수 있다.
집광 렌즈(110)는 제1 개구(114)로 입사되는 전자기파(300)를 제2 개구(115)로 집광할 수 있다. 제1 개구(114)로 입사되는 전자기파(300)는 경사부(113) 및 코팅부(116)에 의해 제2 개구(115)로 집광될 수 있다. 제2 개구(115)측에는 수광부(120)가 배치될 수 있다. 따라서, 수광부(120)는 제2 개구(115)로 집광되는 전자기파(300)를 수광할 수 있다. 한편, 제2 개구(115)는 수광부(120)의 수광센서(121)의 렌즈 표면과 맞닿을 수 있다. 따라서, 제2 개구(115)로 집광되는 전자기파(300)가 수광 센서(121)의 렌즈로 입사될 수 있다. 수광 센서(121)의 렌즈는 입사되는 전자기파(300)를 수광 센서(121)의 센서로 향할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 집광렌즈(110)는 렌즈 몸체(111)로 입사되는 전자기파(300)를 제2 개구(115) 측으로 집광할 수 있다.
한편, 도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 온도측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참고하면, 집광부(110)의 제2 개구(115)에 배치되는 수광 센서(121)가 도시된다.
수광 센서(112)는 집광부(110)에 의해 집광되는 전자기파를 수광할 수 있다. 수광 센서(112)가 전자기파를 수광할 수 있는 수광범위의 직경(L3)은 제1 개구(114)의 직경(L1)이하이고 제2 개구(115)의 직경(L2) 이상일 수 있다.
따라서, 수광센서(112)는 제1 개구(114)로 입사되어 제2 개구(115)로 집광되는 전자기파뿐만 아니라 집광렌즈 몸체(112)로 입사되어 굴절 또는 반사되는 전자기파도 수광할 수 있는 수광범위를 가질 수 있다.
한편, 도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 셀에 배치되는 온도측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
적어도 하나의 배터리셀(200)에서 발생하는 열에너지에 의해 복사되는 고유의 파장을 갖는 전자기파(300)는 집광부(110)에 의해 수광부(120)로 집광될 수 있다. 수광부(120)는 집광된 전자기파(300)를 수광할 수 있다. 제어부(130)는 수광부(120)에 의해 수광된 전자기파를 기초로 온도 스펙트럼 정보를 획득할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 온도 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 적외선 열화상 센서 등을 이용하여 획득한 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 일 면에 대한 온도 분포 정보(601)를 나타낸다. 그러나, 열화상 센서 등이 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 도 6과 같은 온도 분포 자료를 획득하기 위해서는, 배터리 셀(200)로부터 충분한 거리가 확보가 된 위치에서 배터리 셀(300)에 대한 온도를 측정해야 하는 문제가 있다.반면, 본 개시의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 온도를 측정하는 온도 측정 장치(100)는 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 적어도 일부 영역이 특정 온도를 초과하였는지를 측정하면 되고 배터리 셀(200)의 온도 분포 정보를 획득하지 않아도 된다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 온도 스펙트럼 정보를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제어부(130)는 수광부(120)에 의해 수광된 전자기파를 기초로 온도 스펙트럼 정보(701)을 획득할 수 있다.
수광부(120)에 의해 수광된 전자기파는 적어도 하나의 배터리 셀(200)에서 방출되는 열 에너지에 따라 고유의 파장을 갖는 전자기파들을 수광한 것으로서, 제어부(130)는 수광된 전자기파의 온도 스펙트럼 정보를 획득할 수 있다.
제어부(130)는 온도 스펙트럼 정보를 기초로 적어도 하나의 배터리 셀의 일 면의 적어도 일부 영역에서의 온도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(130)는 온도 스펙트럼 정보를 기초로 파장별 강도 정보를 획득할 수 있다. 파장별 강도 정보는 적어도 하나의 배터리 셀(200)에서 발생하는 온도의 면적에 관한 온도 발생 면적 정보일 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 파장별 강도 정보를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참고하면, 제어부(130)는 수광부(120)에 의해 수광된 전자기파의 파장별 강도 정보(801)를 획득할 수 있다.
일반적으로, 물체에서 복사하는 전자기파의 파장이 짧으면 에너지가 높기 때문에 물체의 온도가 높고, 물체에서 복사하는 파장이 길면 에너지가 낮기 때문에 물체의 온도가 낮다.
제어부(130)는 파장별 강도 정보를 기초로 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 온도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(1303)는 파장별 강도 정보를 기초로 특정 온도의 파장이 발생했는지 여부를 판별하여 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 온도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(130)는 파장별 강도 정보를 기초로 기 설정된 파장 이하에서 기 설정된 강도 미만의 파장 강도가 검출되는 경우, 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 전 영역에서 기준치 미만의 온도가 발열되고 있는 것으로 판별할 수 있다.
또한, 예를 들어, 제어부(130)는 파장별 강도 정보를 기초로 기 설정된 파장 이하에서 기 설정된 강도 이상의 파장 강도가 검출되는 경우, 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 소정의 영역에서 기준치 이상의 온도가 발열되고 있는 것으로 판단할 수 있다.
따라서, 온도 측정 장치(100)는 적어도 하나의 배터리 셀(200) 각각에 대한 온도를 측정할 필요없이, 적어도 하나의 배터리 셀(200)의 소정의 영역에서 온도가 기준치 이상이 발열되고 있는지 여부를 판별할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀의 적어도 일 면으로부터 이격되게 위치하고, 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 복사되는 전자기파를 집광하는 집광부;
    상기 집광된 전자기파를 수광하는 수광부; 및
    상기 수광된 전자기파를 기초로 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일 면의 적어도 일부 영역에 대한 온도를 측정하는 제어부를 포함하는,
    온도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀은 복수개의 배터리 셀인 것을 특징으로 하는,
    온도 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수광된 전자기파를 기초로 온도 스펙트럼 정보를 획득하고, 상기 온도 스펙트럼 정보를 기초로 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일 측면의 적어도 일부 영역에 대한 온도를 측정하는,
    온도 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 집광부는,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 방출되는 전자기파를 집광하는 집광 렌즈를 포함하는,
    온도 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 집광 렌즈는,
    상부가 개구되어 형성된 제1 개구 및 하부가 개구되어 형성된 제2 개구를 포함하는 원통형의 형상인,
    온도 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 집광 렌즈는,
    상기 제1 개구로부터 상기 제2 개구까지 내측으로 함몰되는 경사면을 갖는 경사부가 형성되는,
    온도 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 경사부는,
    소정의 반사율을 갖는 도료가 표면에 형성된 코팅부를 포함하는,
    온도 측정 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 개구의 직경은 상기 제2 개구의 직경보다 크고,
    상기 제1 개구는 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 일 면을 향하도록 배치되는,
    온도 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수광부는,
    상기 집광부에 의해 집광되는 전자기파를 수광하는 수광 센서를 포함하고,
    상기 수광센서는,
    상기 제2 개구에 배치되는,
    온도 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수광 센서는,
    상기 제1 개구의 직경 이하이고 상기 제2 개구의 직경 이상의 수광범위를 갖는,
    온도 측정 장치.
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