KR20240047415A - 배터리 및 배터리 제어 방법 - Google Patents

배터리 및 배터리 제어 방법 Download PDF

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사만다 지므니크
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베바스토 에스이
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Abstract

본 발명은 배터리 관리 시스템을 갖는 배터리, 특히 고전압 배터리를 동작시키는 방법에 관한 것이며, 다음 단계들:
적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 결정하는 단계,
적어도 하나의 배터리 셀의 연관된 셀 팩 전압을 결정하는 단계,
메인 제어 유닛에서의 마이크로프로세서 상의 분석 프로그램에 의해 셀 전압 및 셀 팩 전압을 평가하는 단계가 수행되고, 정의된 측정 기간 내에, 셀 전압이 정의된 셀 오류 값만큼 감소하고 셀 팩 전압이 정의된 팩 오류 값만큼 감소하는 경우, 과열 경고 메시지가 트리거된다. 본 발명은 또한, 방법이 수행될 수 있는 배터리, 특히 고전압 배터리(HV 배터리)를 포함한다.

Description

배터리 및 배터리 제어 방법
본 발명은 청구항 1의 전문에 따른 배터리를 동작시키는 방법 및 청구항 10의 전문에 따른 배터리에 관한 것이다.
배터리, 특히 다수의 셀 팩들을 갖는 HV 배터리는 전기적 및 물리적 상태와 관련하여 모니터링된다. 이는 또한 열 상태를 모니터링하는 것, 특히 소위 열 파괴(열 폭주(thermal runaway))를 검출하는 것을 포함한다. 열 이벤트를 검출하기 위해, 배터리 또는 배터리 시스템의 하나 이상의 셀에서, 배터리의 내부에 존재하는 압력 또는 압력 곡선이 평가된다. 이 압력 측정은, 예를 들어 배터리 관리 시스템(BMS; battery management system)의 일부로서, 예를 들어 메인 보드 상에 배열될 수 있는 압력 센서에 의해, 수행된다. 이러한 "열 이벤트"(열 폭주)는, 예를 들어 전류 부하와 같은 어떠한 추가적인 외부 영향 없이 화학적 프로세스로 인해 독립적으로 발열이 증가하며 화학적 프로세스가 동시에 가속되는 상태이다.
이러한 모니터링 장치는 예를 들어 DE 10 2018 210 975 B4에 의해 나와 있으며, 여기서 배터리 제어 유닛의 메인 보드 상에 배열된 압력 센서에 의해 열 이벤트가 검출된다. 메인 보드 상에 압력 센서를 수용하는 것은 불리한데, 이는 이 메인 보드가 이 목적을 위해 물리적으로 더 커져야 하며, 그에 의해 배터리에 수용하는 것을 어렵게 하고, ASIL 표준에 따라 메인 보드 상의 압력 센서로부터의 데이터의 검증을 더욱 복잡하게 하기 때문이다.
대안적으로, 열 폭주를 모니터링하기 위해, 셀이 과도하게 가열된 결과로서 셀의 전해질로부터 빠져나가는 CO2가 방출되는 것을 검출하는 것이 알려져 있다. 이 솔루션의 단점은, 셀의 가열과, 적합한 센서에 의한 배터리의 내부 또는 외부의 특정 지점에서 CO2의 식별 사이의 시간적 오프셋이다.
본 발명의 목적은 열 폭주의 개선된, 그리고 특히 더 빠른 검출을 제안하는 것이다.
이 목적은 청구항 1의 특징에 따른 방법 및 청구항 10의 특징에 따른 배터리에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 유리한 구성은 각자의 연관된 종속 청구항에 명시되어 있다.
그에 따라, 메인 제어 유닛을 갖춘, 특히 메인 마이크로프로세서를 갖춘 배터리 관리 시스템(BMS)을 갖는 배터리, 특히 고전압 배터리를 동작시키는 방법에 의해 목적이 달성되며, 열 이벤트(열 폭주)에 관한 모니터링 또는 체크는 반복적인, 특히 정기적인 측정 기간에 방법에 의해 수행된다. 또한, 배터리는 적어도 하나, 특히 복수의 셀 팩을 포함한다.
본 발명에 따른 방법에서, 다음의 단계들이 여기서 수행된다:
- 적어도 하나의 (배터리) 셀의 셀 전압을 결정하는 단계,
- 적어도 하나의 배터리 셀의 연관된 셀 팩 전압을 결정하고, 마이크로프로세서 상의, 특히 메인 제어 유닛에서의, 분석 프로그램에 의해 셀 전압 및 셀 팩 전압을 평가하는 단계. 평가에 기초하여, 정의된 이벤트 시간 내에, 셀 전압이 정의된 셀 오류 값만큼 감소하고 셀 팩 전압이 마찬가지로 정의된 팩 오류 값만큼 감소하는 경우 과열 경고 메시지가 트리거된다.
여기서 과열 경고 메시지는, 예를 들어 사용 중인 차량의 운전자와 같은 배터리 사용자에게, 특히 청각적으로 또는 시각적으로 경고하며, 안전한 동작 및/또는 스위칭 오프를 초래하기 위해 배터리의 적어도 부분적인 스위칭 오프 또는 기타 조치를 트리거하는, 임의의 경고 신호 및/또는 제어 신호를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
개선된 방법 변형에서, 셀 오류 값은 측정 기간 전의 셀 전압과 비교하여 적어도 60%이고, 특히 셀 오류 값은 적어도 70%이다. 따라서, 예를 들어, 출력 셀 전압이 4V인 경우, 임계 셀 오류 값은 0.6 × 4V이다.
더욱 개선된 방법 변형은, 팩 오류 값이 셀 오류 값과 상관되고 크기가 적어도 셀 오류 값에 대응하며 +/- 10%, 이상적으로는 +/- 5%의 변동 범위를 갖는 것을 제공한다.
놀랍게도, 단락으로 인한 셀 전압의 급격한 하락이 반드시 열 폭주를 구성해야 하는 것은 아니지만, 무시할 수 있는 개별 사례를 제외하고는, 셀 전압 및 셀 팩 전압의 전술한 급격한 하락은 각각의 열 폭주에 앞서 발생한다는 것이 밝혀졌다.
개선된 방법 변형에서, 셀 오류 값 후 팩 오류 값이 수행되거나 결정되는 이벤트 시간은 3 초 미만, 주로 2 초 미만인 범위이고 특히 1.5 초 미만이다.
방법의 하나의 개선점은, 측정 기간, 즉 그의 지속기간 및/또는 빈도가 충전 모드, 동작 모드 및 유휴 모드에 대하여 상이한 길이로 설계될 수 있다는 것이다.
유리하게, 외부로부터 부과되는 높은 충전 전압으로 인해 특히 중요한 프로세스인 충전 모드에서는, 빈번한 측정 기간이 선택되어야 한다. 이는 0.5 ms 내지 2 s 범위, 유리하게는 1 ms 내지 1.5 s 범위, 이상적으로는 1.5 ms 내지 1 s 범위 내에 있어야 한다. 이 경우, "충전 모드"는, 차량이 발전기 모드에서 예를 들어 제동 프로세스에 의해 짧은 시간 동안 배터리를 충전하는 동적 충전 프로세스가 아니라, 고정식 충전 스테이션에 의한 배터리의 충전을 의미한다.
배터리의 동작 모드에서의 측정 기간은 일반적으로 안전 루틴 및 제조업체에 의한 사양에 의해 규정된다. 측정 기간은 0.5 ms 내지 1 s 범위, 유리하게는 0.5 ms 내지 500 ms 범위, 이상적으로는 0.5 ms 내지 100 ms 범위 내에 있다. 여기서 "동작 모드"는, 배터리가 모터, 차량 등을 동작시키기 위해 사용 중임을 의미하며, 즉 특히 고정 상태에서 충전 모드에 있지 않거나 스위치 오프 상태에 있지 않다.
배터리의 유휴 모드에서, 하나의 실시예는 전력을 절약하고 이에 따라 배터리의 유용성을 연장시키기 위해 측정 기간이 연장되는 것을 제공한다. 유휴 모드에서의 측정 기간은 10 ms 이상의 범위, 유리하게는 2 s 이상의 범위, 이상적으로는 5 s 이상의 범위에 있어야 한다. 여기서 "유휴 모드"는, 배터리가 고정식 충전 스테이션에서 충전되는 것도 아니고 동시에 동작 모드에 있지도 않음을 의미한다.
이 실시예는, 적어도 하나의 추가 상태 측정 값이 평가 유닛에 의해 수신되고 평가되는 것에 의해, 그리고 그의 측정 기간 및/또는 빈도가 적어도 하나의 추가 상태 측정 값에 기초하여 적응되는 것에 의해, 더욱 개선될 수 있다.
이러한 추가적인 상태 측정 값은 원칙적으로 배터리의 동작 및 안전에 영향을 미치는 모든 영향 변수일 수 있다. 다음 그룹으로부터 취한 상태 값 또는 상태 값들의 조합이 특히 영향력 있는 요인인 것으로 입증되었다:
● 배터리의 동작 모드로부터의 시간 간격 또는 배터리의 충전 모드로부터의 시간 간격, 왜냐하면 배터리의 유휴 지속기간이 경과함에 따라, 충전 모드 후에도, 치명적인 열 이벤트가 발생할 가능성이 점점 낮아지기 때문에.
● 배터리의 온도, 특히 각각의 측정 기간 동안 및 이전의 온도, 왜냐하면 잠재적으로 과열된 배터리는, 치명적인 열 이벤트의 가능성이 훨씬 적은 저온 배터리보다 초기에 더 자주 체크되어야 하기 때문에.
● 각각의 측정 기간 이전의 배터리의 온도 곡선, 특히 정의된 리드인(lead-in) 기간에, 왜냐하면 완전히 눈에 띄지 않는 사용 이력보다 종종 상당히 뜨거워질 수 있는 배터리의 이력으로부터 열 이벤트의 훨씬 더 큰 가능성이 추론될 수 있기 때문에.
● 외부 영역의 온도, 특히 또한, 국부적 조건으로 인한 예상 온도 영향, 왜냐하면 사막 지역에서 정오에 배터리의 유휴 모드의 시작 후와 비교하여, 북 위도에서 야간에 겨울철 유휴 모드에서, 배터리에 미치는 완전히 상이한 열 영향이 예상되기 때문에.
본 발명은 또한, 적어도 다음 배터리 요소를 포함하는, 특히 고전압 배터리(HV 배터리) 형태의, 배터리를 포함한다:
- 하나 이상의 셀 팩 및 연관된 (배터리) 셀, 메인 제어 유닛, 메인 프로세서 및 복수의 전자 요소들, 여기서 (셀) 팩 전압의 결정을 위한 적어도 하나의 팩 측정 유닛이 제공되고, 적어도 하나의 셀/셀 전압의 결정을 위한 적어도 하나의 셀 측정 유닛, 및 분석 프로그램에 의해 측정 데이터를 처리하는 마이크로프로세서, 여기서 마이크로프로세서 및 분석 프로그램에 의해 앞의 변형 중 하나에 따른 방법이 수행될 수 있다. 이 경우, 마이크로프로세서는 메인 프로세서와 동일할 수 있거나 또는 메인 (마이크로)프로세서와 통신할 수 있다.
본 경우, 소프트웨어에 의해 사용될 수 있는 (아날로그) 측정 값 및/또는 그로부터 직접적으로 또는 간접적으로 생성된 데이터 사이에 어떠한 구별도 이루어지지 않는다. 따라서, 측정 값 및 (측정) 데이터는 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 대체로 동의어인 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 알려진 방식으로 프로세싱 및 포워딩을 위해 가능한 요구되는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 기타 하드웨어 및 소프트웨어 요소가 당업자에 의해 제공되어야 한다.
배터리의 하나의 실시예에서, 이 배터리는 온도 센서를 포함하고/포함하거나, 데이터 전달 방식으로 이러한 온도 센서에 연결되며, 이는 특히 적어도 하나의 셀 팩에 또는 적어도 하나의 셀 팩 상에 배열된다. 온도 센서는 특히 데이터 전달 방식으로 마이크로프로세서 및/또는 메인 제어 유닛에 연결된다. 유리하게, 온도 센서는 배터리 하우징에, 배터리의 내부에 배열된다. 그러나, 이는 또한 외부 센서일 수도 있다.
배터리의 추가적인 실시예에서, 이 배터리는 적어도 하나의 압력 센서, 특히 적어도 하나의 셀 팩 상의 또는 적어도 하나의 셀 팩에서의 압력 센서를 포함하고, 압력 센서는 데이터 전달 방식으로 마이크로프로세서 및/또는 메인 제어 유닛에 직접적으로 또는 간접적으로 연결된다.
이 경우, "연결된" 또는 "연결 중"은 제한적인 의미로 이해되어서는 안되며, 전압 공급 및 전류 공급을 위한 그리고 또한 데이터 전달 통신을 위한 하나 이상의 연결을 모두 의미한다. 통신은 특히, 분리된 개별 케이블에 의해 또는 하나 이상의 전류 전달 개별 케이블 상에 변조되어, 통상적인 버스 기술 또는 직렬 인터페이스 중 하나의 형태일 수 있다.
이 솔루션의 큰 장점은, 특히 다른 센서 또는 검출 장치에 의존하지 않고서, 특정 셀 팩 또는 셀 팩 그룹에서 열 이벤트가 즉시 식별된다는 것이다.
이제, 도면에 예시된 예시적인 실시예에 기초하여 본 발명의 추가적인 세부사항 및 장점이 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 고전압 배터리의 개요를 도시한다.
도 2는 열 이벤트(열 폭주)의 시작시의 전압 곡선을 갖는 그래프를 도시한다.
도 1은 필수 컴포넌트로서 배터리 하우징(15)을 갖는 HV 배터리(1)의 개략적 설계를 도시하며, 그 내부에 메인 제어 유닛(10), 스위치 박스(20) 및 셀 구획(cell compartment)(30)이 있다. 셀 구획(30)은 점선 가로선으로 표시된 복수의 셀 팩들(31.1 ... 31.n)로 분할된다. 각각의 셀 팩(31.1 ... 31.n)은 연관된 셀 측정 보드(32.1 ... 32.n)를 갖는다. 메인 제어 유닛(10) 및 그의 메인 보드(11)는 LV 라인을 통해 데이터 및 전류 전달 방식으로 중앙 제어 및 공급 유닛(2)에 연결된다. 매우 개략적으로 나타낸 바와 같이 배터리(1)는 HV 라인을 통해 하나 이상의 부하(3)에 연결된다.
HV+ 라인은 스위치 박스(20) 내로 그리고 그곳의 접촉기(8)로 라우팅되고, HV- 라인은 접촉기(9)로 라우팅된다. 또한, 예비 충전(precharging) 접촉기로서 작용하는 접촉기(12)를 동작시키기 위해 스위치 박스(20)에서 HV+ 라인 상의 보조 전류 경로가 제공된다. 또한, 스위치 박스(20)에서 전류 센서(24)가 제공되고, 기타 퓨즈, 저항기 또는 추가 컴포넌트는 예시되지 않는다. 메인 보드(11)는 스위치 박스(20) 또는 스위치 박스(20)의 개별 컴포넌트 및 부품에 연결되며, 이는 본 경우에 상세히 구별되지 않았다. 메인 보드(11)는 복수의 마이크로전자/전자 요소들(5.1, 5.2, 5.3) 및 메인 마이크로프로세서(4)를 포함한다. 본 경우, 본질적으로 열 이벤트를 식별하고 적합한 경고 신호 및 제어 신호를 전송하는 목적을 갖는 별개의 마이크로프로세서(5)가 제공된다.
도 1은 적어도 하나의 압력 센서(6.1, 6.2)의, 즉 메인 제어 유닛(10)의 메인 보드(11) 상에 및/또는 스위치 박스(20) 내에, 추가 배열을 위한 복수의 부착 위치들을 예시한다. 선택적인 온도 센서(7.1, 7.2)를 위한 2가지 유리한 부착 위치가, 즉 셀 보드(32.2) 중 하나 상에 및/또는 셀 구획(30)의 내부에, 마찬가지로 예시되어 있다. 추가의 선택적인 CO2 센서는 유사한 위치에 배열되어야 한다.
앞서 언급한 센서의 다소 느린 응답에도 불구하고, 모니터링 루틴에 이를 포함시키는 것은 전압 강하 및 가능한 열 이벤트를 확인하는 데 매우 유용할 수 있는데, 이는 논리적 관점에서 온도의 급격한 증가는 예를 들어 항상 열 이벤트와 후속적으로 연관되기 때문이다.
도 2의 그래프 곡선에서는, 열 이벤트(열 폭주)의 경우 HV 배터리의 상태에 관하여 실험실에서 수행된 실험이 전압 곡선 및 CO2 곡선에 기초하여 예시되어 있다. 실선의 형태로 예시된 셀 전압(12)의 곡선은 C축 값에 관련되고, 점선의 형태로 예시된 셀 팩 전압(13)은 B축에 관련된다. 또한, 비교의 목적으로, 1000 ppm의 CO2 농도의 곡선이 A축과 관련된 점선 형태로 예시되어 있다. 시간 t1 = 3초에서, 셀의 단락이 발생하고, 이 때에 셀 전압은 초기 ~4.1V에서 거의 0V(셀 오류 값)로 떨어진다. 수 밀리초의 이벤트 시간에, 셀 팩 전압(13)은 초기 393V에서 약 389V(팩 오류 값)로 한 단계 떨어진다. 셀 전압(12)은 그 후에 약간 회복되어 약 0.5V의 낮은 레벨로 유지된다. CO2 농도(14)는 지연과 함께 명확하게 뒤따르며, t2= 3.3 s에서 CO2 센서가 신뢰성 있게 검출할 수 있는 대략 10,000 ppm의 값에 도달한다.
이 경우, 신뢰성 있는 식별을 위한 10,000 ppm의 언급된 값은 센서의 감도에 따라 크게 좌우된다. 대안적인 기준 변수의 경우, 통상적인 CO2 농도의 배수에 대해, 예컨대, HV 배터리 또는 차량의 동작 동안 통상적인 CO2 농도의 적어도 1.5 내지 2배의 발생 시에, 신뢰성 있는 식별이 이루어진다.
따라서 전압 곡선을 비교함으로써 과열 경고 메시지가 대략 0.3 초 더 일찍 트리거될 수 있다.
1 배터리
2 제어 및 공급 유닛
3 부하
4 메인 마이크로프로세서
5 마이크로프로세서
5.1, 5.2, 5.3 요소, (마이크로)전자
6.1, 6.2 압력 센서
7 온도 센서
8 접촉기
9 접촉기
10 메인 제어 유닛
11 메인 보드
12 접촉기
13 셀 전압의 전압 곡선 [V]
14 (셀) 팩 전압의 전압 곡선 [V]
15 CO2의 농도의 곡선 [1000 ppm]
15 배터리 하우징
20 스위치 박스
23 이차 마이크로프로세서
24 전류 센서
30 셀 구획
31 셀 팩 (31.1 ... 31.n)
32 셀 측정 보드 (32.1 ... 32.n)
35 레벨, 하위
36 레벨, 상위

Claims (12)

  1. 메인 보드(11)를 포함한 메인 제어 유닛(10)을 갖는 배터리 관리 시스템(BMS; battery management system)을 가지며 복수의 셀 팩(31.1 ... 31.n)을 포함하는 배터리(1)를 동작시키는 방법에 있어서, 열 이벤트(열 폭주)에 관련하여 정기적인 측정 기간에 체크가 수행되고,
    적어도 하나의 배터리 셀의 셀 전압을 결정하는 단계,
    상기 적어도 하나의 배터리 셀의 연관된 셀 팩 전압을 결정하는 단계,
    상기 메인 제어 유닛(10)에서의 마이크로프로세서 상의 분석 프로그램에 의해 상기 셀 전압 및 상기 셀 팩 전압을 평가하는 단계
    가 수행되는 것을 특징으로 하고,
    정의된 이벤트 시간 내에,
    a) 상기 셀 전압이 정의된 셀 오류 값만큼 감소하고
    b) 상기 셀 팩 전압이 정의된 팩 오류 값만큼 감소하는 경우,
    과열 경고 메시지가 트리거되는 것인 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀 오류 값은 상기 측정 기간 전의 셀 전압과 비교하여 적어도 60%이고, 특히 상기 셀 오류 값은 적어도 70%인 것인 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 팩 오류 값은 적어도 상기 셀 오류 값 +/- 10%, 이상적으로는 +/- 5%에 대응하는 것인 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    셀 오류 값 후 팩 오류 값이 결정되는 동안인 상기 이벤트 시간은 3초 미만, 주로 2초 미만의 범위이고, 특히 1.5초 미만인 것인 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리의 충전 모드에서의 상기 측정 기간은 0.5 밀리초 내지 2 초 범위, 유리하게는 1 밀리초 내지 1.5 초 범위, 이상적으로는 1.5 밀리초 내지 1 초 범위인 것인 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    특히 차량이 상기 배터리에 의해 구동되는, 상기 배터리의 동작 모드에서의 상기 측정 기간은, 0.5 밀리초 내지 1 초 범위, 유리하게는 0.5 밀리초 내지 500 밀리초 범위, 이상적으로는 0.5 밀리초 내지 100 밀리초 범위인 것인 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    차량이 구동되지 않고 충전 프로세스도 수행되지 않는, 상기 배터리의 유휴 모드에서의 상기 측정 기간은, 10 밀리초 이상의 범위, 유리하게는 2 초 이상의 범위, 이상적으로는 5 초 이상의 범위인 것인 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    적어도 하나의 추가 상태 측정 값이 평가 유닛에 의해 수신되고 평가되며, 그의 측정 기간 및/또는 빈도는 상기 적어도 하나의 추가 상태 측정 값에 기초하여 적응되는 것인 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    적어도 하나의 상태 값 또는 상태 값들의 조합이 다음 그룹들:
    상기 배터리의 동작 모드로부터의 시간 간격,
    상기 배터리의 충전 모드로부터의 시간 간격,
    특히 각각의 측정 기간 동안 및 이전의, 상기 배터리의 온도,
    특히 정의된 리드인 기간에서, 각각의 측정 기간 이전의 상기 배터리의 온도 곡선,
    외부 영역에서의 온도, 특히 또한 국부적 조건으로 인한 예상 온도 영향에서의 온도
    으로부터 취해지는 것인 방법.
  10. 고전압 배터리(HV 배터리) 형태의 배터리에 있어서, 적어도 다음 배터리 요소:
    복수의 셀 팩(31.1 ... 31.n) 및 연관된 셀을 갖는 셀 구획(30),
    메인 보드(11), 메인 프로세서(4) 및 복수의 전자 요소(5.1, 5.2, 5.3)를 갖는 메인 제어 유닛(10)
    을 포함하고,
    팩 전압에 대한 적어도 하나의 팩 측정 유닛이 제공되고,
    적어도 하나의 셀/셀 전압에 대한 적어도 하나의 셀 측정 유닛 및 분석 프로그램에 의해 디지털 및/또는 아날로그 측정 데이터를 처리하는 마이크로프로세서(5)를 특징으로 하며, 상기 마이크로프로세서(5) 및 상기 분석 프로그램에 의해 청구항 1 내지 청구항 9 중 한 항에 청구된 방법이 수행될 수 있는 것인 배터리.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 배터리(1)는 적어도 하나의 온도 센서(7), 특히 적어도 하나의 셀 팩(31.1 ... 31.n)에서의 또는 상의 온도 센서를 포함하고, 상기 온도 센서(7)는 데이터 전달 방식으로 상기 메인 제어 유닛(10)에 연결되는 것인 배터리(1).
  12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    적어도 하나의 압력 센서(6), 특히 적어도 하나의 셀 팩(31.1 ... 31.n)에서의 또는 상의 압력 센서를 포함하고, 상기 압력 센서(6.1, 6,2)는 데이터 전달 방식으로 상기 메인 제어 유닛(10)에 연결되는 것인 배터리(1).
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