KR20230026640A - 플렉시블 열류 센서를 이용한 열량 측정을 통한 배터리 엔트로피 추출 시스템 - Google Patents

플렉시블 열류 센서를 이용한 열량 측정을 통한 배터리 엔트로피 추출 시스템 Download PDF

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Abstract

플렉시블 열류 센서를 이용한 열량 측정을 통한 배터리 엔트로피 추출 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀 엔트로피 추출 시스템은, 온도와 전압 정보를 기반으로 엔트로피를 계산하는 추출 시스템에 있어서, 유연한 특성을 갖도록 형성되어, 배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 마련되어, 열류 센서 역할을 수행하는 TED(Thermo electric device);를 포함한다. 이에 의해, 배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 유연한 특성을 갖도록 형성되는 열류 센서를 이용하여, 보다 정확하게 엔트로피의 값을 추출할 수 있다.

Description

플렉시블 열류 센서를 이용한 열량 측정을 통한 배터리 엔트로피 추출 시스템{Extraction method and system of battery entropy through calorimetry using flexible heat flow sensor}
본 발명은 배터리 엔트로피 추출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플렉시블 열류 센서를 이용한 열량 측정을 통한 배터리 엔트로피 추출 시스템에 관한 것이다.
엔트로피는 열역학적 상태함수(state function)의 하나로서, 열역학적 계에서 일로 전환될 수 없는, 즉 유용하지 않은 에너지를 기술할 때 이용된다.
특히, 배터리에서의 엔트로피는, 엔트로피의 변화 정도가 배터리의 용량감소 및 안전성의 지표로 활용될 수 있다.
이러한 엔트로피를 추출하기 위해서 종래에는, 다양한 방법들이 존재하나, 이 중 배터리와 배터리의 주변 환경 사이의 열 흐름을 측정하여 충/방전 시 배터리의 엔트로피 값을 추출하는 방법이 엔트로피 값의 빠르게 추출할 수 있어, 널리 이용되고 있다.
그러나 이러한 엔트로피 추출 방법은, 매우 고가의 열량계가 필요하다는 단점이 존재한다.
이를 해결하기 위해, 종래에는 고가의 열량계를 대신하여, 배터리의 표면에 장착되어, 온도 센서 역할을 수행하는 펠티어 소자(Peltier device)를 이용하여, 배터리에서 발생하는 열에 의한 온도 변화(열 흐름)를 측정하고, 이를 기반으로 엔트로피를 추출하였으나, 도 1 내지 도 2에 예시된 바와 같이 펠티어 소자가 결합되지 않은 배터리 셀의 표면에서는 열 흐름을 측정하기 어렵다는 문제가 발생하게 된다.
이는 배터리 셀이 원형 또는 곡면을 포함하거나 곡면으로 이루어진 경우에도, 동일하게 적용되어, 배터리 셀과 온도 센서 간에 밀착되지 못하는 부분(면)이 발생되어, 밀착하지 못하는 부분에서의 열 흐름을 정확하게 측정하지 못하는 문제가 발생하게 된다.
즉, 기존의 펠티어 소자를 이용하여, 엔트로피를 추출하는 방법은, 펠티어 소자가 결합되지 않은 배터리 셀의 표면의 경우, 또는 배터리 셀이 원형 또는 곡면을 포함하거나 곡면으로 이루어진 경우, 정확하게 열 흐름을 측정하지 못하는 문제가 발생하여, 이를 기반으로 엔트로피를 추출하는 경우 추출된 엔트로피의 값의 정확도가 떨어지는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 유연한 특성을 갖도록 형성되는 열류 센서를 이용하여, 보다 정확하게 엔트로피의 값을 추출할 수 있는 배터리 엔트로피 추출 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 셀 엔트로피 추출 시스템은, 온도와 전압 정보를 기반으로 엔트로피를 계산하는 추출 시스템에 있어서, 유연한 특성을 갖도록 형성되어, 배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 마련되어, 열류 센서 역할을 수행하는 TED(Thermo electric device);를 포함한다.
그리고 TED는, 배터리 셀과 배터리 셀의 주변 환경 사이의 온도 차이를 측정하고, 배터리 셀 내부의 화학 물질에 의해 생성되거나 흡수되는 열에서 엔트로피 값을 추출하여, 엔트로피 열에서 오믹 효과에 의해 생성된 열을 구별할 수 있다.
또한, 추출 시스템은, 배터리 셀의 방전/충전 모드 변경 시, 모드 변경과 상관없이 지속적으로 엔트로피 값을 추출하거나 또는 각 모드별로 각각 엔트로피 값을 추출할 수 있다.
그리고 추출 시스템은, 배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 결합된 TED의 주변 환경이, 등온 환경인 경우, 측정되는 온도를 보정하지 않고, 엔트로피를 계산하되, 배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 결합된 TED의 주변 환경이, 등온 환경이 아닌 경우, 측정되는 온도를 보정하고, 보정 결과를 기반으로 엔트로피를 계산할 수 있다.
또한, 추출 시스템은, 소정의 두께를 갖도록 형성되어, 배터리 셀의 모든 표면을 둘러싸는 TED의 표면 모두를 덮을 수 있도록 마련되는 방수층;을 더 포함할 수 있다.
그리고 추출 시스템은, 전압 정보를 획득하는 전압 측정부; 및 온도 및 전압 정보를 기반으로 엔트로피를 계산하는 프로세서;를 더 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 유연한 특성을 갖도록 형성되는 열류 센서를 이용하여, 보다 정확하게 엔트로피의 값을 추출할 수 있다.
도 1은, 배터리 셀에 평평한 형상의 형성되는 기존의 펠티에 소자가 결합된 모습이 도시된 도면,
도 2는, 상기 도 1에 도시된 펠티에 소자를 통해 열 흐름이 측정되는 부분과 측정되지 못하는 부분이 표시된 도면,
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 엔트로피 추출 시스템의 구성 설명에 제공된 도면,
도 4는, 상기 도 3에 도시된 배터리 엔트로피 추출 시스템의 TED의 설명에 제공된 도면,
도 5는, 상기 도 3에 도시된 배터리 엔트로피 추출 시스템의 TED가 배터리 셀에 결합된 모습이 도시된 도면,
도 6은, 상기 도 5에 도시된 TED를 통해 열 흐름이 측정되는 부분과 측정되지 못하는 부분이 표시된 도면, 그리고
도 7은, 상기 도 5에 도시된 TED에 방수층이 형성된 모습이 예시된 도면,
도 8은, 상기 도 5에 도시된 TED에 의해 둘러싸인 배터리 셀의 회로가 예시된 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은, 배터리 셀(10)에 평평한 형상의 형성되는 기존의 펠티에 소자가 결합된 모습이 도시된 도면이고, 도 2는, 상기 도 1에 도시된 펠티에 소자를 통해 열 흐름이 측정되는 부분과 측정되지 못하는 부분이 표시된 도면이다.
도 1의 경우, 육면체 형상으로 형성되는 배터리 셀(10)의 6면 중 가장 면적이 넓은 2개의 면에 펠티에 소자가 결합되어, 전체 배터리 셀(10)의 면적의 60~80%를 커버할 수 있다.
이 경우, 도 2에 예시된 바와 같이 전체 면적의 20~40%에 해당되는 펠티어 소자가 결합되지 않은 배터리 셀(10)의 표면들은 열 흐름을 측정하기 어렵기 때문에, 기존의 펠티에 소자는 전체 배터리 셀(10)의 면적의 60~80%만큼의 열 흐름만을 측정하게 된다.
즉, 보다 정확하게 엔트로피 값을 추출하기 위해서는, 배터리 셀(10)의 모든 표면에 펠티에 소자를 결합시켜야 하지만, 종래의 펠티에 소자는 평평한 형상의 면에만 결합될 수 있어, 베터리 셀의 형상적인 제한 조건이 많이 요구되는 실정이다.
정리하면, 전술한 바와 같이 베터리 셀의 모든 표면을 대상으로 열 흐름을 측정하지 못하는 문제는 배터리 셀(10)의 모양과 펠티에 소자 간의 기하학적 불일치에서 발생할 수 있다.
이때, 기하학적 불일치로 인하여 배터리 셀(10)의 모든 표면에 평평한 형상으로 형성되는 펠티에 소자가 결합하기 어렵기 때문이다.
도 2에 예시된 배터리 셀(10)의 작은 표면(펠티에 소자가 결합되지 않은 4면)은, 크기 또는 형상 등의 기하학적 문제로 인하여, 펠티에 소자가 전체 표면을 덮을 수 없는 것이다.
더불어, 실린더형으로 형성되는 배터리 셀(10)의 경우, 평평한 표면이 없기 때문에, 펠티에 소자를 이용하여, 열 흐름을 측정하기 어렵다는 문제점이 존재한다.
이를 해결하기 위해, 각각의 배터리 셀(10)의 형상에 맞게 펠티에 소자의 크기를 조정하는 맞춤형 펠티에 소자를 생산하는 방안이 존재하나, 이는 비용이 너무 많이 발생하는 문제점이 존재한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 엔트로피 추출 시스템의 구성 설명에 제공된 도면이고, 도 4는, 상기 도 3에 도시된 배터리 엔트로피 추출 시스템의 TED(200)의 설명에 제공된 도면이며, 도 5는, 상기 도 3에 도시된 배터리 엔트로피 추출 시스템의 TED(200)가 배터리 셀(10)에 결합된 모습이 도시된 도면이고, 도 6은, 상기 도 5에 도시된 TED(200)를 통해 열 흐름이 측정되는 부분과 측정되지 못하는 부분이 표시된 도면이며, 도 7은, 상기 도 5에 도시된 TED(200)에 방수층(210)이 형성된 모습이 예시된 도면이고, 도 8은, 상기 도 5에 도시된 TED(200)에 의해 둘러싸인 배터리 셀(10)의 회로가 예시된 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 엔트로피 추출 시스템(이하에서는 '추출 시스템'으로 총칭하기로 함)은, 배터리 셀(10)의 모든 표면을 덮을 수 있도록 유연한 특성을 갖도록 형성되는 열류 센서를 이용하여, 보다 정확하게 엔트로피의 값을 추출할 수 있다.
구체적으로, 추출 시스템은, 배터리 셀(10)에 전원을 공급하는 전원 공급부(100), 배터리의 열 흐름을 측정하는 열류 센서 역할을 수행하는 TED(200), 배터리 셀(10)의 전압을 측정하는 전압 측정부(300) 및 TED(200)와 전압 측정부(300)를 통해 획득되는 (열 흐름) 온도와 전압 정보를 기반으로 엔트로피를 계산하는 프로세서(400)를 포함할 수 있다.
여기서, 프로세서(400)는, 온도 및 전압 정보에 대한 데이터에 포함된 노이즈를 필터링하기 위한 신호 처리 과정을 수행할 수 있다.
TED(200)는, 도 4 내지 도 5에 예시된 바와 같이 유연한 특성을 갖도록 형성되어, 배터리 셀(10)의 모든 표면을 덮을 수 있도록 마련될 수 있다.
구체적으로, TED(200)는, 유연한 특성을 갖도록 형성되어, 배터리 셀(10)이 평평하게 형성되거나, 실린더형(원기둥 형상)으로 형성되는 경우에도, 베터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있다.
이때, 도 6에 도시된 바와 같이 전기 케이블을 통해 외부로 열이 유출되는 부분은, TED(200)가 표면에 최대한 결합되어, 열 손실을 최소화할 수 있다.
즉, TED(200)를 통해 열 흐름을 측정하는 경우, 전체 배터리 셀(10)의 표면 중 거의 100%에 가까운 면적을 덮을 수 있어, 기존의 평평한 형상의 펠티에 소자를 통해 열 흐름을 측정하는 경우와 비교하여 매우 큰 정확도의 차이를 확보할 수 있다.
그리고 TED(200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 내부에 배터리 셀(10)이 배치되도록 하고, 배터리 셀(10)의 외부에서 1개 또는 2개의 TED(200)를 겹쳐 열 밀봉함으로써, 배터리 셀(10)의 표면이 외부로 노출되지 않도록 할 수 있다.
이때, TED(200)는, 습도에 의해 열 흐름 측정 동작에 간섭이 발생하는 것을 방지하기 위해, 도 7에 예시된 바와 같이, 소정의 두께를 갖도록 형성되어, 배터리 셀(10)의 모든 표면을 둘러싸는(또는 배터리 셀(10)의 모든 표면을 둘러쌓아 열 밀봉된) TED(200)의 표면 모두를 덮을 수 있도록 방수층(210)이 마련될 수 있다. 여기서 방수층(210)은, 열전도성 특성과 방수 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
더불어, 추출 시스템은, 배터리 셀(10)의 방전/충전 모드 변경 시, 모드 변경과 상관없이 지속적으로 엔트로피 값을 추출하거나 또는 각 모드별로 각각 엔트로피 값을 추출할 수 있다.
이때, 배터리 충전 또는 방전 시, 전원 공급부(100)를 통해 공급되는 전원에 의해 배터리 셀(10)의 온도가 빠르게 상승할 수 있으며, 이때, 배터리 셀(10)의 온도는 주변 온도와 일치할 때까지, 열 흐름이 발생하게 된다.
그리고 발생되는 열 흐름은, 배터리 셀(10)이 주변 환경과 열 평형 상태(등온 상태)가 될 때까지, TED(200)를 통해 측정되게 된다.
엔트로피 열은 전체 측정 열에서 오믹 열을 제거하여 얻을 수 있어, TED(200)는, 배터리 셀(10)과 배터리 셀(10)의 주변 환경 사이의 온도 차이를 측정하고, 배터리 셀(10) 내부의 화학 물질에 의해 생성되거나 흡수되는 열에서 엔트로피 값을 추출하여, 엔트로피 열에서 오믹 효과에 의해 생성된 열을 구별할 수 있다.
그리고 추출 시스템은, 배터리 셀(10)의 모든 표면을 덮을 수 있도록 결합된 TED(200)의 주변 환경이, 등온 환경(열평형 상태)인 경우, 측정되는 온도를 보정하지 않고, 엔트로피를 계산하되, 배터리 셀(10)의 모든 표면을 덮을 수 있도록 결합된 TED(200)의 주변 환경이, 등온 환경이 아닌 경우, 프로세서(400)를 통해, 측정되는 온도를 보정하고, 보정 결과를 기반으로 엔트로피를 계산할 수 있다.
또한, 다른 예를 들면, 추출 시스템은, 추출된 엔트로피 값의 정확도가 기설정된 임계값 미만인 경우, 프로세서(400)를 통해, 측정되는 온도 및 전압 정보를 보정하고, 보정 결과를 기반으로 엔트로피를 계산할 수 있다.
이를 통해, 본 추출 시스템은, 보다 정확하게 엔트로피의 값을 추출할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10 : 배터리 셀
100 : 전원 공급부
200 : TED(Thermo electric device)
210 : 방수층
300 : 전압 측정부
400 : 프로세서

Claims (6)

  1. 온도와 전압 정보를 기반으로 엔트로피를 계산하는 추출 시스템에 있어서,
    추출 시스템은,
    유연한 특성을 갖도록 형성되어, 배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 마련되어, 열류 센서 역할을 수행하는 TED(Thermo electric device);를 포함하는 배터리 셀 엔트로피 추출 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    TED는,
    배터리 셀과 배터리 셀의 주변 환경 사이의 온도 차이를 측정하고, 배터리 셀 내부의 화학 물질에 의해 생성되거나 흡수되는 열에서 엔트로피 값을 추출하여, 엔트로피 열에서 오믹 효과에 의해 생성된 열을 구별하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 엔트로피 추출 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    추출 시스템은,
    배터리 셀의 방전/충전 모드 변경 시, 모드 변경과 상관없이 지속적으로 엔트로피 값을 추출하거나 또는 각 모드별로 각각 엔트로피 값을 추출하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 엔트로피 추출 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    추출 시스템은,
    배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 결합된 TED의 주변 환경이, 등온 환경인 경우, 측정되는 온도를 보정하지 않고, 엔트로피를 계산하되,
    배터리 셀의 모든 표면을 덮을 수 있도록 결합된 TED의 주변 환경이, 등온 환경이 아닌 경우, 측정되는 온도를 보정하고, 보정 결과를 기반으로 엔트로피를 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 엔트로피 추출 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    추출 시스템은,
    소정의 두께를 갖도록 형성되어, 배터리 셀의 모든 표면을 둘러싸는 TED의 외측면 모두를 덮을 수 있도록 마련되는 방수층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 엔트로피 추출 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    추출 시스템은,
    전압 정보를 획득하는 전압 측정부; 및
    온도 및 전압 정보를 기반으로 엔트로피를 계산하는 프로세서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 엔트로피 추출 시스템.
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