WO2021075759A1 - 차량 배터리 화재 감지 장치 및 감지 방법 - Google Patents

차량 배터리 화재 감지 장치 및 감지 방법 Download PDF

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WO2021075759A1
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노태환
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Definitions

  • the present invention relates to a vehicle battery fire detection apparatus and detection method, and more particularly, a sensor for measuring the temperature and pressure discharged from the gas discharge portion of the battery pack is provided outside the pack case, and the measured values of these sensors are
  • the present invention relates to a vehicle battery fire detection device and a detection method capable of promptly and accurately notifying the occupant even if a fire occurs inside the battery pack case, since it is directly transmitted to the electronic control device without passing through the management system.
  • a conventional vehicle battery fire detection apparatus includes a battery pack case for accommodating a battery module 210 and a battery management system (BMS) 220 that controls the charging/discharging operation of the battery.
  • the battery pack 200 made of 230 is fixed to the vehicle structure 100.
  • the battery pack case 230 is equipped with a gas discharge unit 231 for discharging gas or pressure during a fire or thermal runaway inside the pack.
  • the electronic control device 300 when it is determined that the battery cell is in an abnormal state by sensing the temperature or voltage of the battery cell, it is transmitted to the electronic control device 300. That is, information related to the battery module 210 and the battery management system (BMS) 220 is transmitted through the first connector 110, the sixth connector 310, and the first communication means 410. It is sent to 300.
  • BMS battery management system
  • Korean Patent Application Publication No. 2013-0028023 discloses a battery pack fire suppression device capable of extinguishing a fire of a battery pack.
  • the tank for storing the fire extinguishing agent is additionally formed to reduce space utilization, and the resulting weight increase has a problem that adversely affects the fuel economy of the vehicle.
  • Korean Laid-Open Patent Publication No. 2014-0051704 discloses a battery pack protection device and a battery pack including the same.
  • the measurement IC is connected to both ends of the battery cell to measure the voltage of the battery cell to measure the magnitude of the current flowing through the power supply path, and determine whether or not the measurement IC is abnormal according to the magnitude of the measured current.
  • the measurement IC is a component that measures battery voltage, temperature, current, etc. within the BMS, and is subject to damage due to fire or thermal runaway, and there is a limit to fundamentally solving the problem.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2013-0028023
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2014-0051704
  • an object of the present invention is to provide a vehicle battery fire detection device and a fire detection method capable of reliably detecting and notifying the occupant even if a fire occurs inside a battery pack.
  • an object of the present invention is to provide a vehicle battery fire detection device and a fire detection method capable of accurately detecting a situation inside a battery pack while minimizing an increase in the load of the vehicle.
  • a vehicle battery fire detection apparatus for solving the above problems includes: a battery pack 200 mounted on a vehicle structure; Electronic control device 300; And one or more communication means, wherein the battery pack 200 transmits a battery module 210 including one or more battery cells, a signal received from the battery module 210 to the electronic control device 300
  • the senor is a first temperature sensor 232 located near the gas discharge unit 231, one side is connected to the first temperature sensor 232 and the other side is the It characterized in that it further comprises a second communication means 420 connected to the electronic control device 300 without passing through the battery management system 220.
  • the senor is a first pressure sensor 233 located near the gas discharge unit 231, one side is connected to the first pressure sensor 233, and the other side is the It characterized in that it further comprises a fourth communication means 440 connected to the electronic control device 300 without passing through the battery management system 220.
  • a second temperature sensor 234 is provided at a position spaced apart from the first temperature sensor 232 by a predetermined distance, and one side is connected to the second temperature sensor 234 The other side is characterized in that a third communication means 430 connected to the electronic control device 300 without passing through the battery management system 220 is further provided.
  • a second pressure sensor 235 is located at a position spaced apart from the first pressure sensor 233 by a predetermined distance, and one side is connected to the second pressure sensor 235 The other side is characterized in that a fifth communication means 450 connected to the electronic control device 300 without passing through the battery management system 220 is further provided.
  • the gas discharge unit 231 is characterized in that at least one of a Gore-Tex film or a rupture disk that is damaged when the pressure exceeds a predetermined pressure.
  • the vehicle battery fire detection method using the vehicle battery fire detection device includes: a first step of measuring at least one of a temperature and a voltage of a battery module; A second step of transmitting the measured value in the first step to an electronic control unit (ECU) via a battery management system; A third step of receiving a measured value from an electronic control unit (ECU) and determining whether the received measured value is within a normal range; If the measured value received from the electronic control unit (ECU) is within the normal range, the first step is performed, and if the measured value is not received or is outside the normal range, either temperature or pressure from a sensor provided outside the battery pack case A fourth step of transmitting the above measured value to an electronic control unit (ECU); And a fifth step of determining whether the measured value received in the fourth step is within a normal range, and transmitting a notification signal.
  • a first step of measuring at least one of a temperature and a voltage of a battery module includes: a second step of transmitting the measured value in the first step to an electronic control unit (E
  • the measured value in the fourth step is a first temperature and is transmitted to the ECU through a second communication means.
  • the measured value in the fourth step is a first pressure, and is transmitted to the ECU through a third communication means.
  • the measured value in the fourth step is the first temperature through the second communication means and the second temperature through the third communication means. It is characterized.
  • the vehicle battery fire detection method using the vehicle battery fire detection device it is characterized in that it is determined whether the measured value in the fifth step is within a normal range from the difference between the first temperature and the second temperature. .
  • the measured value in the fourth step is the first pressure through the fourth communication means and the second pressure through the fifth communication means. It is characterized.
  • the vehicle battery fire detection method using the vehicle battery fire detection device it is characterized in that it is determined whether the measured value in the fifth step is within a normal range from the difference between the first pressure and the second pressure. .
  • a sensor for measuring the temperature and pressure discharged from the gas discharge portion of the battery pack is provided outside the battery pack case, and the measured values of these sensors do not pass through the battery management system. It is not transmitted directly to the electronic control device, so even if the sensors or the battery management system are damaged due to a fire occurring inside the battery pack case, it is possible to quickly transmit whether or not a fire has occurred to the electronic control device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 5 is an enlarged view of a position of a pressure sensor according to a third modified embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an algorithm for explaining a detection method using the vehicle battery fire detection device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an algorithm for explaining a detection method using the vehicle battery fire detection device according to a second embodiment of the present invention.
  • 11 is an algorithm for explaining a detection method using the vehicle battery fire detection device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • the vehicle battery fire detection apparatus includes a vehicle structure 100, a battery pack 200, an electronic control device 300, and a communication means 400. Including.
  • the vehicle structure 100 is not particularly limited as long as the battery pack 200 can be fixedly mounted, and may be, for example, a body.
  • the second to fifth communication means to be described later.
  • a second connector 120 is provided through which the (420, 430, 440, 450) passes, and a detailed description of the second connector 120 will be described later.
  • the battery pack 200 includes a battery module 210, a battery management system 220, and a battery pack case 230.
  • the battery module 210 includes a cell assembly, wherein the cell assembly is a jelly-roll type cell assembly having a structure in which a separator is interposed between a long sheet-shaped positive electrode and a negative electrode, and then wound, or a rectangular positive electrode and a negative electrode are formed between the separator.
  • a stack-type cell assembly consisting of unit cells of a structure that is stacked in an interposed state, a stack-folding-type cell assembly in which the unit cells are wound by a long separation film, or the unit cells are stacked with the separation membrane interposed therebetween. It may be formed of a lamination-stack type cell assembly, etc. attached to each other, but is not limited thereto.
  • the cell assembly as described above is embedded in a case, and the case is typically made of a laminate sheet structure of an inner layer/metal layer/outer layer. Since the inner layer is in direct contact with the cell assembly, it must have insulation and electrolyte resistance, and for sealing with the outside, the sealing properties, that is, the sealing areas where the inner layers are thermally bonded to each other must have excellent thermal bonding strength.
  • the material of the inner layer may be selected from polyolefin-based resins such as polypropylene, polyethylene, polyethylene acrylic acid, and polybutylene, such as polypropylene, polyethylene, polyethylene acrylic acid, and polybutylene having excellent chemical resistance and good sealing property, polyurethane resin, and polyimide resin, but is not limited thereto. Polypropylene, which has excellent mechanical properties such as tensile strength, stiffness, surface hardness, and impact strength, and chemical resistance, is most preferred.
  • the metal layer in contact with the inner layer corresponds to a barrier layer that prevents moisture or various gases from penetrating into the battery from the outside, and an aluminum film film having a light weight and excellent formability may be used as a preferable material for such a metal layer.
  • an outer layer is provided on the other side of the metal layer, and this outer layer can use a heat-resistant polymer having excellent tensile strength, moisture permeability and air permeation prevention properties so as to secure heat resistance and chemical resistance while protecting the electrode assembly.
  • a heat-resistant polymer having excellent tensile strength, moisture permeability and air permeation prevention properties so as to secure heat resistance and chemical resistance while protecting the electrode assembly.
  • nylon or polyethylene terephthalate may be used, but the present invention is not limited thereto.
  • the leads made of the positive lead and the negative lead have a structure in which the positive and negative tabs of the cell assembly are electrically connected to each other and then exposed to the outside of the case, and the battery cells as described above correspond to commonly known configurations. A more detailed description will be omitted.
  • a third connector 211 is provided on one side of the battery module 210, and a fourth connector 221 and a fifth connector 222 are provided on both sides of the battery management system 220, and these are first communication means such as cables. It is connected to 410 and transmits the state of the battery module 210 to the electronic control device 300.
  • the battery management system 220 for controlling and managing the battery as a whole, such as charging and discharging, has already been described above, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the battery pack case 230 is for receiving and fixing the battery module 210 and the battery management system 220, and a gas discharge unit 231 and a first temperature sensor 232 are provided at a predetermined position.
  • secondary batteries are charged and discharged by repeating the process of intercalating and deintercalating lithium ions from the lithium metal oxide of the positive electrode into the graphite electrode of the negative electrode. Heat generated by the lamp and electrolyte are decomposed, resulting in high-temperature and high-pressure gas.
  • the gas discharge unit 231 is for preventing explosion by rapidly discharging high-temperature and high-pressure gas generated inside the battery pack case 230.
  • the battery module 210 when the battery module 210 operates normally, it may be a rupture disk configured to completely block the inside and the outside of the pack case 230 and rupture only in an emergency when the pressure increases above a set value, and the battery module Even if 210 operates normally, in consideration that a small amount of gas or moisture may be generated, it may be made of a Gore-Tex membrane material, which is a selective and breathable material. Of course, even if it is made of a Gore-Tex membrane material, it is obvious that if the pressure inside the battery pack case 230 is abnormally increased, it may be torn to prevent explosion.
  • the first temperature sensor 232 is located on the outer surface of the battery pack case 230 while being adjacent to the gas discharge unit 231, and the first temperature sensor 232, the second connector 120, and the electronic control device 300 A second communication means 420 for sequentially connecting them may be provided.
  • the first temperature sensor 232 mounted on the battery pack case 230 can quickly measure the temperature of the gas generated from the gas discharge unit 231 or the heat inside the battery pack case 230, It is preferable that the battery pack case 230 is provided on an outer surface of the battery pack case 230 and at a position close to the gas discharge unit 231.
  • the first temperature sensor 232 is positioned so as to be separated from the gas discharge unit 231 by 5 to 50 mm so that a significant temperature can be detected within 5 minutes. desirable.
  • one side of the second communication means 420 is connected to the first temperature sensor 232 and the other side is connected to the electronic control device 300.
  • the second communication means 420 is not particularly limited as long as it is a means capable of transmitting the measured value of the first temperature sensor 232 to the electronic control device 300, but even if a fire occurs in the battery module, it is outside the pack case. It is preferable that a first protective cover 421 made of a heat-resistant material capable of withstanding a predetermined temperature without burning for more than 5 minutes is additionally provided, and as an example, the first protective cover 421 is XLPE (Cross-Linked PolyEthyline, PVC (Polyvinyl chloride)).
  • the first protective cover 421 is in close contact with the second communication means 420 It can be completely wrapped in one state, or it can be wrapped with a slight gap.
  • the second communication means 420 connected to the first temperature sensor 232 is connected to the electronic control device 300 without passing through the battery management system. Even if a fire occurs in the sensing component or the battery management system itself, it is possible to quickly transmit the measured value to the electronic control device.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the second temperature sensor 233 and the third communication means 430 are the same as the first embodiment described with reference to FIG. 2 except that the second temperature sensor 233 and the third communication means 430 are further provided. And only the third communication means 430 will be described.
  • the second temperature sensor 233 is located at a position spaced apart from the first temperature sensor 232 by a predetermined distance.
  • one side is connected to the second temperature sensor 233, and after passing through the second connector 120, the other side is further provided with a third communication means 430 connected to the electronic control device 300.
  • a second protective cover 431 made of the same material as the first protective cover 421 may be additionally provided outside the third communication means 430.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • first pressure sensor 234 and the fourth communication means 440 are provided instead of the first temperature sensor 232 and the second communication means 420, the first embodiment described with reference to FIG. Since the same, hereinafter, only the first pressure sensor 234 and the fourth communication means 440 will be described.
  • the first pressure sensor 234 is located on the outer surface of the battery pack case 230 while being adjacent to the gas discharge unit 231, and the first pressure sensor 234, the second connector 120, and the electronic control device 300
  • a fourth communication means 440 that sequentially connects to may be provided.
  • the first pressure sensor 234 mounted on the battery pack case 230 is the outer surface of the battery pack case 230 and gas so that the pressure of the gas generated from the gas discharge unit 231 can be quickly measured. It is preferable that the location is close to the discharge part 231, specifically, to be separated from the gas discharge part 231 by about 5 to 50 mm, similar to the first temperature sensor 232.
  • the gas discharge unit 231 since one side of the fourth communication means 440 is connected to the first pressure sensor 234 and the other side is connected to the electronic control device 300, the gas discharge unit 231 without passing through the battery management system 220 ), it is possible to check the pressure of the gas discharged from it.
  • a third protective cover 441 made of the same material as the first protective cover 421 may be additionally provided outside the fourth communication means 440.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a position of a pressure sensor according to a third modified embodiment of the present invention.
  • a cradle 236 may be additionally provided so that the first pressure sensor 234 may be positioned above the gas discharge part 231.
  • the first pressure sensor 234 is seated on the cradle 236, there is an advantage in that the pressure of the gas generated from the gas discharge unit 231 can be more accurately measured.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • the second pressure sensor 235 and the fifth communication means 450 are the same as the third embodiment described with reference to FIG. 4, except that the second pressure sensor 235 and the fifth communication means 450 are further provided. And only the fifth communication means 450 will be described.
  • the second pressure sensor 235 is located at a distance spaced apart from the first pressure sensor 234 by a predetermined distance.
  • one side is connected to the second pressure sensor 235, and after passing through the second connector 120, a fifth communication means 450 to which the electronic control device 300 and the other end are connected is additionally provided.
  • a fourth protective cover 451 made of the same material as the first protective cover 421 may be additionally provided outside the fifth communication means 450.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the first pressure sensor 234 and the fourth communication means 440 are the same as the first embodiment described with reference to FIG. 2, except that the first pressure sensor 234 and the fourth communication means 440 are further provided. And only the fourth communication means 440 will be described.
  • the first pressure sensor 234 is provided together with the first temperature sensor 232.
  • a first pressure sensor 234, a second connector 120, and a fourth communication means 440 sequentially connecting to the electronic control device 300 are additionally provided.
  • the first temperature sensor 232 and the first pressure sensor 234 are the first temperature sensor 232 and the first pressure sensor 232 to quickly measure the temperature and pressure of the gas generated in the gas discharge unit 231.
  • the pressure sensors 234 are located adjacent to each other, and are installed to be close to the gas discharge unit 231.
  • the measured values of the first temperature sensor 232 and the first pressure sensor 234 are transmitted to the electronic control device 300 without passing through the battery management system, Even if a fire occurs in the sensing parts inside the battery pack case or the battery management system itself, it is possible to quickly transmit the measured values to the electronic control device.In addition, both temperature and pressure information can be transmitted, allowing a more accurate grasp of the condition of the battery pack case. have.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a vehicle battery fire detection apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the sixth embodiment of the present invention includes all the configurations of the second embodiment described with reference to FIG. 3, the fourth embodiment described with reference to FIG. 6, and the fifth embodiment described with reference to FIG. 7.
  • the battery pack case 230 includes a first temperature sensor 232 and a first pressure sensor 234 capable of simultaneously measuring both the temperature and pressure of the gas discharged from the gas discharge part 231. It is located close to 231, and a second communication means 420 and a fourth communication means 440 for transmitting these measured values to the electronic control device 300 are connected, respectively.
  • the second temperature sensor 233 and the second pressure sensor 235, and the third communication means 430 and the third 5 communication means 450 may be provided, respectively.
  • FIG. 9 is an algorithm for explaining a detection method using the vehicle battery fire detection device according to the first embodiment of the present invention.
  • the first step of measuring any one or more of the temperature and voltage of the battery cell the second step of transmitting the measured value in the first step to the ECU through the first communication means, receiving the measured value from the ECU, and The third step of determining whether the measured value is within the normal range, the fourth step of transmitting the first temperature value to the ECU through the second communication means when the third step is not applicable, and the received first temperature value is normal. It may include a fifth step of determining whether it is within the range and transmitting the notification signal.
  • the first step is a step of continuously or discontinuously measuring the temperature and voltage of the battery cells accommodated in the battery pack case.
  • the first step is a step of continuously or discontinuously measuring the temperature and voltage of the battery cells accommodated in the battery pack case.
  • the temperature and/or voltage measured in the first step is transmitted via a first communication means, that is, a first communication means directly connecting them so that information of the battery module and the BMS can be transmitted to the ECU. Step.
  • the third step is a step of determining whether the ECU properly receives the transmitted temperature and/or voltage measured values, and whether the received measured values are within a preset normal range. If the ECU normally receives the temperature and/or voltage measurement value and the received measurement value falls within the normal range, the first and second steps of continuously or discontinuously measuring the temperature and voltage of the battery cell. Is performed repeatedly.
  • the fourth step is a step of transmitting the first temperature value to the ECU through the second communication means when the ECU does not receive the temperature and/or voltage measured value, or if the measured value is out of the normal range even though it is received.
  • the reason why the ECU does not receive the temperature and/or voltage measurements properly is that the first communication means does not operate properly due to various causes such as fire or heat inside the battery pack. There is a high possibility that the above emergency situation is imminent. Therefore, the first temperature value is transmitted to the ECU through the second communication means outside the battery pack.
  • the fifth step is a step of determining the condition inside the battery pack from the first temperature value transmitted by the second communication means. If the first temperature value is within a normal range, a simple physical short circuit of the first communication means can be expected. Therefore, the vehicle's display device or the like informs the driver that inspection is necessary. On the other hand, if the first temperature value falls within the abnormal range, there is a high possibility that the battery pack is heated or ignited, so that the vehicle is notified to quickly evacuate from the vehicle.
  • FIG. 10 is an algorithm for explaining a detection method using the vehicle battery fire detection device according to a second embodiment of the present invention.
  • Steps 1 to 3 are the same as the detection method described with reference to FIG. 9 and thus are omitted, and only different configurations will be described below.
  • the third step does not correspond to the fourth step of transmitting the first temperature value and the second temperature value to the ECU through the second communication means and the third communication means, respectively, and the received first temperature value and the second temperature It may include a fifth step of comparing the values to determine whether the values are within a normal range, and transmitting a notification signal.
  • the fourth step when the ECU does not receive the temperature and/or voltage measured value, or if the measured value is out of the normal range even though it is received, the first temperature value and the third communication through the second communication means As a means, the second temperature value is transmitted to the ECU together.
  • the fifth step is a step of determining a condition inside the battery pack from the difference between the first temperature value and the second temperature value transmitted through the second communication means and the third communication means. That is, if the difference between the first temperature value and the second temperature value is within a normal range, a simple physical short circuit of the first communication means can be expected, and thus the driver is notified that the inspection is necessary through a display device of the vehicle.
  • the difference between the first temperature value located close to the gas discharge unit and the second temperature value provided at a predetermined distance apart from the gas discharge unit is an abnormal range, that is, the first temperature value is in a predetermined range than the second temperature value. If it is higher than that, the possibility of heating or ignition of the battery pack is high, so that the vehicle is notified to evacuate quickly.
  • the detection method using the vehicle battery fire detection device includes the detection method described with reference to FIG. 9 except for transmitting the first pressure value to the ECU through the fourth communication means.
  • the detection method using the vehicle battery fire detection device according to the fourth embodiment is shown in FIG. 10 except that the first pressure value and the second pressure value are transmitted to the ECU through the fourth communication means and the fifth communication means. It is omitted because it is the same as the detection method described while referring to.
  • the detection method using the vehicle battery fire detection device implements the detection methods of the first and third embodiments at the same time, and a detailed description thereof will be omitted.
  • 11 is an algorithm for explaining a detection method using the vehicle battery fire detection device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • Steps 1 to 3 are the same as the detection method described with reference to FIG. 9 and thus are omitted, and only different configurations will be described below.
  • the third step does not correspond to the fourth step of transmitting the first temperature value, the second temperature value, the first pressure value and the second pressure value to the ECU through the second communication means to the fifth communication means, respectively, and And a fifth step of comparing the difference between the received first temperature value and the second temperature value and the difference between the first pressure value and the second pressure value, determining whether each difference value is within a normal range, and transmitting a notification signal.
  • the situation inside the battery pack can be more accurately determined.
  • gas discharge unit 232 first temperature sensor
  • second temperature sensor 234 first pressure sensor
  • second pressure sensor 236 cradle
  • ECU electronic control unit

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Abstract

본 발명은 차량 배터리 화재 감지 장치 및 감지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 구조물에 장착되는 배터리 팩; 전자제어장치; 및 하나이상의 통신수단을 포함하되, 상기 배터리 팩은 1개 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 상기 배터리 모듈로부터 수신한 신호를 전자제어장치로 송신하는 배터리 매니지먼트 시스템, 및 벤팅가스가 방출되는 가스배출부가 구비된 배터리 팩 케이스를 포함하고, 상기 배터리 팩 케이스에는 온도 및 압력 중 어느 하나 이상을 측정하는 센서가 구비된 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 장치 및 감지 방법에 관한 것이다.

Description

차량 배터리 화재 감지 장치 및 감지 방법
본 출원은 2019년 10월 18일자 한국 특허 출원 제 2019-0129929 호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 차량 배터리 화재 감지 장치 및 감지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리 팩의 가스배출부에서 배출되는 온도와 압력을 측정하기 위한 센서가 팩 케이스 외측에 구비되며, 이들 센서 측정값이 배터리 매니지먼트 시스템을 경유하지 않고 바로 전자제어장치로 전달되므로, 배터리 팩 케이스 내부에서 화재가 발생하더라도 이를 신속 및 정확하게 탑승자에게 알려줄 수 있는 차량 배터리 화재 감지 장치 및 감지 방법에 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.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충, 방전이 자유롭고, 자가 방전률이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
한편, 리튬 이차전지는 충방전시 열이 발생하는 바, 이러한 열이 효과적으로 제거되지 못하고 축적되는 경우, 전지의 열화가 초래되고 안전성도 크게 훼손될 수 있다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 전 기자동차 등의 전원과 같이 고속 충방전 특성이 요구되는 전지에서는 순간적으로 고출력을 제공하는 과정에서 많은 발열과 부피 팽창이 수반된다.
도 1은 종래 기술에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 차량 배터리 화재 감지 장치는, 배터리 모듈(210)과 배터리의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 매니지먼트 시스템(BMS; Battery Management System, 220)을 수납하기 위한 배터리 팩 케이스(230)로 이루어진 배터리 팩(200)이 차량 구조물(100)에 고정되어 있다. 그리고 배터리 팩 케이스(230)에는 팩 내부에서의 화재나 열폭주 시 가스나 압력을 배출시키기 위한 가스 배출부(231)가 장착되어 있다.
상기와 같은 종래의 차량 배터리 화재 감지 장치에서는, 배터리 셀의 온도나 전압 등을 센싱하여 비정상 상태인 것으로 판단되면 이를 전자제어장치(300)로 전송한다. 즉, 배터리 모듈(210) 및 배터리 매니지먼트 시스템(BMS; Battery Management System, 220)과 관련된 정보는 제1 커넥터(110), 제6 커넥터(310) 및 제1 통신수단(410)을 통해 전자제어장치(300)로 전송되는 것이다.
하지만, 배터리 팩 내에서 화재가 발생하는 경우 온도 센서(미도시)나 전압 센서(미도시)가 손상되어 배터리의 상태를 정확하게 센싱할 수 없고, 게다가 배터리 매니지먼트 시스템과 인접하여 발화할 시에는 배터리 매니지먼트 시스템 자체가 제대로 작동하지 못하게 되므로, 탑승자를 위한 보호조치가 제대로 진행되지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래기술로서, 한국공개특허공보 제2013-0028023호에는 배터리 팩의 화재를 진압할 수 있는 배터리 팩 화재진압장치가 개시되어 있다. 하지만 상기 종래기술에서는 소화제를 보관하는 탱크가 추가로 형성되어 공간활용이 떨어지고, 그로 인한 무게 증가는 차량의 연비에 악영향을 미치는 문제점이 있다.
또 한국공개특허공보 제2014-0051704호에는 배터리 팩 보호 장치와 이를 포함하는 배터리 팩이 개시되어 있다. 상기 선행문헌에서는 측정 IC를 배터리 셀 양단에 연결하여 배터리 셀의 전압을 측정하여 전력 공급 경로에 흐르는 전류의 크기를 측정하고, 측정된 전류의 크기에 따라 측정 IC의 이상여부를 판단한다. 하지만 측정 IC는 BMS 내에서 배터리 전압, 온도, 전류 등을 측정하는 부품으로서, 화재나 열폭주로 인해 손상 받기 쉬워 근본적으로 문제를 해결하기에는 한계가 있다.
수년 내에 제정 및 강제 시행 예정인, GB 표준(전기차용 배터리 안전성 중국 표준, "20.07. 강제 시행 예상) 및 EVS-GTR(전기자동차 안전성 세계 규정)에서는 배터리의 열폭주 또는 화재로 인한 열확산으로 탑승 공간에 위험이 발생하기 5분 전에 차량이 탑승객에게 위험을 경고할 수 있도록 강제 사항으로 요구하고 있다.
하지만 전술한 바와 같이, BMS가 손상되어 기능을 상실하면 탑승객에게 위험 경고를 할 수 없기 때문에 이와 관련한 기술 개발이 시급한 상황이다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 한국공개특허공보 제2013-0028023호
(특허문헌 2) 한국공개특허공보 제2014-0051704호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 배터리 팩 내부에서 화재가 발생하더라도 이를 확실하게 감지하여 탑승자에게 알려줄 수 있는 차량 배터리 화재 감지 장치 및 화재 감지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는, 차량의 하중이 증가되는 것을 최소화하면서도 배터리 팩 내부의 상황을 정확하게 감지할 수 있는 차량 배터리 화재 감지 장치 및 화재 감지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치는, 차량 구조물에 장착되는 배터리 팩(200); 전자제어장치(300); 및 하나이상의 통신수단을 포함하되, 상기 배터리 팩(200)은, 1개 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈(210), 상기 배터리 모듈(210)로부터 수신한 신호를 전자제어장치(300)로 송신하는 배터리 매니지먼트 시스템(220), 및 벤팅가스가 방출되는 가스배출부(231)가 구비된 배터리 팩 케이스(230)를 포함하고, 상기 배터리 팩 케이스(230) 외측에는 온도 및 압력 중 어느 하나 이상을 측정하는 센서가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치에서, 상기 센서는 가스배출부(231) 인근에 위치하는 제1 온도센서(232)이며, 일측은 상기 제1 온도센서(232)와 연결되고 타측은 상기 배터리 매니지먼트 시스템(220)을 경유하지 않고 상기 전자제어장치(300)와 연결되는 제2 통신수단(420)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치에서, 상기 센서는 가스배출부(231) 인근에 위치하는 제1 압력센서(233)이고, 일측은 상기 제1 압력센서(233)와 연결되고 타측은 상기 배터리 매니지먼트 시스템(220)을 경유하지 않고 상기 전자제어장치(300)와 연결되는 제4 통신수단(440)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치에서, 상기 제1 온도센서(232)와 소정 거리 이격된 위치에 제2 온도센서(234)가 구비되며, 일측은 상기 제2 온도센서(234)와 연결되고 타측은 상기 배터리 매니지먼트 시스템(220)을 경유하지 않고 상기 전자제어장치(300)와 연결되는 제3 통신수단(430)이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치에서, 상기 제1 압력센서(233)와 소정 거리 이격된 위치에 제2 압력센서(235)가 위치하고, 일측은 상기 제2 압력센서(235)와 연결되고 타측은 상기 배터리 매니지먼트 시스템(220)을 경유하지 않고 상기 전자제어장치(300)와 연결되는 제5 통신수단(450)이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치에서, 상기 가스배출부(231)은 고어텍스막 또는 소정 압력 이상일 경우 파손되는 파열판(rupture disk) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 차량 배터리 화재 감지 방법은, 배터리 모듈의 온도 및 전압 중 어느 하나 이상을 측정하는 제1 단계; 배터리 매니지먼트 시스템을 경유하여 상기 제1 단계에서의 측정값을 전자제어장치(ECU)로 전송하는 제2 단계; 전자제어장치(ECU)에서 측정값을 수신하고, 수신한 측정값이 정상 범위 이내인지 판단하는 제3 단계; 전자제어장치(ECU)에서 수신한 측정값이 정상 범위 이내이면 제1 단계를 수행하고, 측정값을 수신하지 못하거나 정상 범위를 벗어나면 배터리 팩 케이스 외측에 구비된 센서로부터 온도 및 압력 중 어느 하나 이상의 측정값을 전자제어장치(ECU)로 전송하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계에서 수신한 측정값이 정상 범위 이내인지 판단하여 알림 신호를 송신하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 차량 배터리 화재 감지 방법에서, 상기 제4 단계에서의 측정값은 제1 온도이고, 제2 통신수단을 통해 ECU로 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 차량 배터리 화재 감지 방법에서, 상기 제4 단계에서의 측정값은 제1 압력이고, 제3 통신수단을 통해 ECU로 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 차량 배터리 화재 감지 방법에서, 상기 제4 단계에서의 측정값은 제2 통신수단을 통한 제1 온도와, 제3 통신수단을 통한 제2 온도인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 차량 배터리 화재 감지 방법에서, 상기 제1 온도와 제2 온도의 차이로부터 상기 제5 단계에서의 측정값이 정상 범위 이내인지는 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 차량 배터리 화재 감지 방법에서, 상기 제4 단계에서의 측정값은 제4 통신수단을 통한 제1 압력과, 제5 통신수단을 통한 제2 압력인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 차량 배터리 화재 감지 방법에서, 상기 제1 압력과 제2 압력의 차이로부터 상기 제5 단계에서의 측정값이 정상 범위 이내인지는 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 차량 배터리 화재 감지 장치 및 방법에 의하면, 배터리 팩의 가스배출부로부터 배출되는 온도와 압력을 측정하기 위한 센서가 배터리 팩 케이스 외측에 구비되며 또 이들 센서 측정값이 배터리 매니지먼트 시스템을 경유하지 않고 바로 전자제어장치로 전달되므로, 배터리 팩 케이스 내부에서 발생한 화재로 인해 센서류나 배터리 매니지먼트 시스템이 손상되더라도 화재 발생여부를 전자제어장치로 신속하게 전송하는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 차량 배터리 화재 감지 장치 및 방법에 의하면, 센서류와 통신수단만이 추가되기 때문에 차량의 하중 증가를 최소화하면서도 비상시 탑승자의 안전을 도모할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제3 변형실시예에 따른 압력센서의 위치를 확대한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법을 설명하기 위한 알고리즘이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법을 설명하기 위한 알고리즘이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법을 설명하기 위한 알고리즘이다.
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 경우뿐만 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, 본 발명에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치 및 감지 방법에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치는, 차량 구조물(100), 배터리 팩(200), 전자제어장치(300) 및 통신수단(400)을 포함하여 이루어진다.
차량 구조물(100)은 배터리 팩(200)이 고정 장착될 수 있다면 특별히 제한하지 않으며, 일예로 바디일 수 있다. 이러한 차량 구조물(100)에는 배터리 매니지먼트 시스템(220)과 전자제어장치(300)를 연결하는 제1 통신수단(410)이 경유하는 제1 커넥터(110) 외에도, 후술할 제2 내지 제5 통신수단(420, 430, 440, 450)이 경유하는 제2 커넥터(120)가 구비되며, 제2 커넥터(120)와 관련한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
배터리 팩(200)은 배터리 모듈(210), 배터리 매니지먼트 시스템(220), 및 배터리 팩 케이스(230)를 포함하여 이루어진다.
배터리 모듈(210)은 셀 조립체을 포함하고 있는데, 셀 조립체는 긴 시트형의 양극 및 음극 사이에 분리막이 개재된 후 권취되는 구조로 이루어지는 젤리-롤형 셀조립체, 또는 장방형의 양극 및 음극이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되는 구조의 단위셀들로 구성되는 스택형 셀조립체, 단위셀들이 긴 분리 필름에 의해 권취되는 스택-폴딩형 셀조립체, 또는 단위셀들이 분리막을 사이에 개재한 상태로 적층되어 서로 간에 부착되는 라미네이션-스택형 셀조립체 등으로 이루어질 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
상기와 같은 셀 조립체는 케이스에 내장되며, 케이스는 통상적으로 내부층/금속층/외부층의 라미네이트 시트 구조로 이루어져 있다. 내부층은 셀 조립체와 직접적으로 접촉하므로 절연성과 내전해액성을 가져야 하고, 또 외부와의 밀폐를 위하여 실링성 즉, 내부층끼리 열 접착된 실링 부위는 우수한 열접착 강도를 가져야 한다. 이러한 내부층의 재료로는 내화학성이 우수하면서도 실링성이 좋은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌아크릴산, 폴리부틸렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리우레탄수지 및 폴리이미드수지로부터 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 인장강도, 강성, 표면경도, 내충격 강도 등의 기계적 물성과 내화학성이 뛰어난 폴리프로필렌이 가장 바람직하다.
내부층과 접하고 있는 금속층은 외부로부터 수분이나 각종 가스가 전지 내부로 침투하는 것을 방지하는 배리어층에 해당되고, 이러한 금속층의 바람직한 재료로는 가벼우면서도 성형성이 우수한 알루미늄 막막을 사용할 수 있다.
그리고 금속층의 타측면에는 외부층이 구비되며, 이러한 외부층은 전극조립체를 보호하면서 내열성과 내화학성을 확보할 수 있도록 인장강도, 투습방지성 및 공기투과 방지성이 우수한 내열성 폴리머를 사용할 수 있고, 일예로 나일론 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용할 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
한편, 양극 리드와 음극 리드로 이루어지는 리드들은 셀 조립체의 양극 탭과 음극 탭이 각각 전기적으로 연결된 후 케이스 외부로 노출되는 구조로 이루어지고, 상기와 같은 전지 셀은 일반적으로 알려져 있는 구성들에 해당되므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 배터리 모듈(210)의 일측에는 제3 커넥터(211), 배터리 매니지먼트 시스템(220) 양측에는 제4 커넥터(221)와 제5 커넥터(222)가 구비되며, 이들은 케이블 등의 제1 통신수단(410)과 연결되어 배터리 모듈(210)의 상태를 전자제어장치(300)로 전송한다.
충방전 등 배터리를 전체적으로 제어 및 관리하는 배터리 매니지먼트 시스템(220)은 이미 전술한 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
배터리 팩 케이스(230)는 배터리 모듈(210)과 배터리 매니지먼트 시스템(220)을 수납 고정하기 위한 것으로, 소정 위치에는 가스배출부(231)와 제1 온도센서(232)가 구비되어 있다.
일반적으로, 이차전지는 양극의 리튬 금속 산화물로부터 리튬 이온이 음극의 흑연 전극으로 삽입(intercalation)되고 탈리(deintercalation)되는 과정을 반복하면서 충방전이 진행되지만, 외부 충격에 의한 내부 단락, 과충전, 과방전 등으로 인한 발열과 전해질이 분해되고, 그 결과 고온 고압의 가스가 발생한다.
상기 가스배출부(231)는 배터리 팩 케이스(230) 내부에서 발생한 고온 고압 가스를 신속하게 배출시켜 폭발을 방지하기 위한 것이다.
일 예로, 배터리 모듈(210)이 정상적으로 작동할 시에는 팩 케이스(230) 내부와 외부를 완전히 차단하며, 설정치 이상으로 압력이 증가하는 비상시에만 파열되도록 구성된 파열판(rupture disk)일 수 있고, 배터리 모듈(210)이 정상적으로 작동하더라도 소량의 가스나 수분이 생성될 수 있음을 고려하여 선택적 및 통기성 소재인 고어텍스 멤브레인 소재로 이루어질 수 있다. 물론 고어텍스 멤브레인 소재로 이루어져 있다 하더라도 배터리 팩 케이스(230) 내부의 압력이 비이상적으로 높아지면 폭발 방지를 위해 찢어 질 수 있음은 자명하다.
제1 온도센서(232)는 가스배출부(231)와 인근하면서 배터리 팩 케이스(230) 외측면에 위치하며, 제1 온도센서(232), 제2 커넥터(120) 및 전자제어장치(300)를 순차적으로 연결해 주는 제2 통신수단(420)이 구비될 수 있다.
구체적으로, 배터리 팩 케이스(230)에 장착되는 제1 온도센서(232)는 가스배출부(231)에서 발생하는 가스의 온도 또는 배터리 팩 케이스(230) 내부의 열기를 신속하게 측정할 수 있도록, 배터리 팩 케이스(230) 외측면이면서 가스배출부(231)와 근접한 위치에 구비되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 전술한 GB 표준과 EVS-GTR을 고려할 때, 5분 이내에 유의미한 온도를 감지할 수 있도록 제1 온도센서(232)는 가스배출부(231)로부터 5~50mm 정도 이격되도록 위치하는 것이 바람직하다.
그리고 제2 통신수단(420)의 일측은 제1 온도센서(232)와 연결되고 타측은 전자제어장치(300)와 연결된다.
여기서, 제2 통신수단(420)은 제1 온도센서(232)의 측정값을 전자제어장치(300)로 전송할 수 있는 수단이라면 특별히 제한하지 않지만, 배터리 모듈에서 화재가 발생하더라도 팩 케이스의 외부에서 5분 이상 소손 없이 소정 온도까지는 견딜 수 있는 내열성 소재의 제1 보호커버(421)가 추가적으로 구비되는 것이 바람직하고, 일예로 제1 보호커버(421)는 XLPE(Cross-Linked PolyEthyline, PVC(Polyvinyl chloride), PP(polypropylene), PA(Polyamide), PET(Polyethylene terephthalate) 등의 폴리머 류 또는 실리콘일 수 있으나, 이에 제한하지 않는다. 그리고 제1 보호커버(421)는 제2 통신수단(420)과 밀착한 상태로 완전히 감싸거나 또는 약간의 유격을 가지면서 감싸고 있어도 무방하다.
종래의 경우, 배터리 모듈에서 화재가 발생할 시 배터리 매니지먼트 시스템을 통해 전자제어장치로 신호가 전송되는 방법이었으나, 급격한 화재로 인해 배터리 매니지먼트 시스템 자체가 손상되는 경우 배터리 팩 내부의 상황을 전혀 인식하지 못하였다.
하지만 본 발명의 제1 실시예에 의하면, 제1 온도센서(232)와 연결된 제2 통신수단(420)이 배터리 매니지먼트 시스템을 경유하지 않고 전자제어장치(300)와 연결되어 있어, 배터리 팩 케이스 안의 센싱부품이나 배터리 매니지먼트 시스템 자체에 화재 발생하더라도 측정값을 전자제어장치로 신속하게 전송하는 것이 가능하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
제2 온도센서(233)와 제3 통신수단(430)이 더 구비된 것을 제외하고는 도 2를 참조하면서 설명한 제1실시예와 동일하므로, 이하에서는 추가로 구비된 제2 온도센서(233)와 제3 통신수단(430)에 관해서만 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 제2 실시예에서는, 제1 온도센서(232)와 소정 거리 이격된 위치에 제2 온도센서(233)가 위치한다. 그리고 일측은 제2 온도센서(233)와 연결되며, 제2 커넥터(120)를 경유한 후 타측이 전자제어장치(300)와 연결되는 제3 통신수단(430)이 추가로 구비되어 있다.
여기서, 제3 통신수단(430) 외측에는 제1 보호커버(421)와 동일한 재질로 이루어진 제2 보호커버(431)가 추가로 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
제1 온도센서(232)와 제2 통신수단(420) 대신에 제1 압력센서(234)와 제4 통신수단(440)이 구비된 것을 제외하고는 도 2를 참조하면서 설명한 제1실시예와 동일하므로, 이하에서는 제1 압력센서(234)와 제4 통신수단(440)에 관해서만 설명하기로 한다.
제1 압력센서(234)는 가스배출부(231)와 인근하면서 배터리 팩 케이스(230) 외측면에 위치하며, 제1 압력센서(234), 제2 커넥터(120) 및 전자제어장치(300)를 순차적으로 연결해 주는 제4 통신수단(440)이 구비될 수 있다.
구체적으로, 배터리 팩 케이스(230)에 장착되는 제1 압력센서(234)는 가스배출부(231)에서 발생하는 가스의 압력을 신속하게 측정할 수 있도록, 배터리 팩 케이스(230) 외측면이면서 가스배출부(231)와 근접한 위치, 구체적으로 제1 온도센서(232)와 유사하게 가스배출부(231)로부터 5~50mm 정도 이격되도록 위치하는 것이 바람직하다.
그리고 제4 통신수단(440)의 일측은 제1 압력센서(234)와 연결되며 타측은 전자제어장치(300)와 연결되어 있기 때문에, 배터리 매니지먼트 시스템(220)을 경유하지 않고도 가스배출부(231)에서 배출되는 가스 압력을 확인하는 것이 가능하다.
제4 통신수단(440) 외측에는 제1 보호커버(421)와 동일한 재질로 이루어진 제3 보호커버(441)가 추가로 구비될 수 있음은 자명하다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제3 변형실시예에 따른 압력센서의 위치를 확대한 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 가스배출부(231) 상부에 제1 압력센서(234)가 위치할 수 있도록 거치대(236)가 추가적으로 구비될 수 있다. 도 5에서와 같이, 제1 압력센서(234)가 거치대(236)에 안착되어 있으면, 가스배출부(231)에서 발생하는 가스의 압력을 한층 정확하게 측정할 수 있다는 이점이 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
제2 압력센서(235)와 제5 통신수단(450)이 더 구비된 것을 제외하고는 도 4를 참조하면서 설명한 제3실시예와 동일하므로, 이하에서는 추가로 구비된 제2 압력센서(235)와 제5 통신수단(450)에 관해서만 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 제4 실시예에서는, 제1 압력센서(234)와 소정 거리 이격된 거리에 제2 압력센서(235)가 위치한다. 그리고 일측은 제2 압력센서(235)와 연결되며, 제2 커넥터(120)를 경유한 후 전자제어장치(300)와 타측이 연결되는 제5 통신수단(450)이 추가로 구비되어 있다.
그리고 제5 통신수단(450) 외측에는 제1 보호커버(421)와 동일한 재질로 이루어진 제4 보호커버(451)가 추가로 구비될 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
제1 압력센서(234)와 제4 통신수단(440)이 더 구비된 것을 제외하고는 도 2를 참조하면서 설명한 제1실시예와 동일하므로, 이하에서는 추가로 구비된 제1 압력센서(234)와 제4 통신수단(440)에 관해서만 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 제5 실시예에서는, 제1 온도센서(232)와 함께 제1 압력센서(234)가 함께 구비되어 있다. 또 제1 압력센서(234), 제2 커넥터(120) 및 전자제어장치(300)와 순차적으로 연결하는 제4 통신수단(440)이 추가로 구비되어 있다.
여기서, 제1 온도센서(232)와 제1 압력센서(234)는 가스배출부(231)에서 발생하는 가스의 온도와 압력을 신속하게 측정할 수 있도록, 제1 온도센서(232)와 제1 압력센서(234)는 서로 인근하여 위치하고, 또 가스배출부(231)와 근접하도록 설치된다.
상기와 같은 본 발명의 제5 실시예에 의하면, 제1 온도센서(232)와 제1 압력센서(234)의 측정값이 배터리 매니지먼트 시스템을 경유하지 않고 전자제어장치(300)와 전달되기 때문에, 배터리 팩 케이스 안의 센싱부품이나 배터리 매니지먼트 시스템 자체에 화재 발생하더라도 측정값을 전자제어장치로 신속하게 전송하는 것이 가능하고, 게다가 온도와 압력 정보를 모두 전송할 수 있어 배터리 팩 케이스의 상태를 보다 정확하게 파악할 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치의 개략도이다.
본 발명의 제6 실시예는, 도 3을 참조하면서 설명한 제2 실시예, 도 6를 참조하면서 설명한 제4 실시예 그리고 도 7을 참조하면서 설명한 제5 실시예의 구성을 모두 포함하고 있다.
즉, 배터리 팩 케이스(230)에는, 가스배출부(231)로부터 배출되는 가스의 온도와 압력을 모두 동시에 측정할 수 있는 제1 온도센서(232)와 제1 압력센서(234)가 가스배출부(231)와 근접하게 위치하고 있으며, 이들 측정값을 전자제어장치(300)로 전송하기 위한 제2 통신수단(420)과 제4 통신수단(440)이 각각 연결되어 있다. 또 제1 온도센서(232) 및 제1 압력센서(234)와 소정 거리 이격된 위치에는 각각 제2 온도센서(233)와 제2 압력센서(235), 그리고 제3 통신수단(430)과 제5 통신수단(450)이 각각 구비될 수 있다.
이하에서는 전술한 제1 내지 제6 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법을 설명하기 위한 알고리즘이다.
먼저 배터리 셀의 온도 및 전압 중 어느 하나 이상을 측정하는 제1 단계, 제1 단계에서의 측정값이 제1 통신수단을 통하여 ECU로 전송하는 제2 단계, ECU에서 측정값을 수신하고, 수신한 측정값이 정상 범위 이내인지 판단하는 제3 단계, 제3 단계에 해당되지 않을 시에는 제2 통신수단을 통해 제1 온도값을 ECU로 전송하는 제4 단계, 및 수신한 제1 온도값이 정상 범위 이내인지 판단하여 알림 신호를 송신하는 제5 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 단계는, 배터리 팩 케이스 안에 수납되어 있는 배터리 셀의 온도와 전압을 연속 또는 비연속적으로 측정하는 단계이다. 여기서, 온도 또는 전압만을 측정하는 것도 가능하지만, 배터리 셀의 보다 정확한 상태를 파악할 수 있도록 온도와 전압을 모두 측정하는 것이 보다 바람직하다.
제2 단계는, 제1 단계에서 측정한 온도 및/또는 전압을 제1 통신수단, 즉 배터리 모듈과 BMS의 정보를 ECU로 전달할 수 있도록 이들을 직접적으로 연결하고 있는 제1 통신수단을 경유하여 전송하는 단계이다.
제3 단계는, 전송된 온도 및/또는 전압 측정값을 ECU가 제대로 수신하는지, 또 수신된 측정값이 기 설정된 정상 범위 이내인지 판단하는 단계이다. 만약 ECU가 온도 및/또는 전압 측정값을 정상적으로 수신하고, 또 수신한 측정값이 정상범위에 해당되면, 계속해서 배터리 셀의 온도와 전압을 연속 또는 비연속적으로 측정하는 제1 단계와 제2 단계가 반복적으로 수행된다.
제4 단계는, ECU가 온도 및/또는 전압 측정값을 수신하지 못하거나, 수신하더라도 측정값이 정상범위를 벗어나는 경우, 제2 통신수단을 통해 제1 온도값을 ECU로 전송하는 단계이다.
ECU가 온도 및/또는 전압 측정값을 제대로 수신하지 못하는 것은 배터리 팩 내부에서의 화재나 발열 등 각종 원인에 의해, 제1 통신수단이 제대로 작동하지 못하기 때문이며, 측정값을 수신하더라도 비정상적인 범위라면 역시 위와 같은 긴급상황에 임박했을 가능성이 높다. 따라서 배터리 팩 외부의 제2 통신수단을 통해 제1 온도값을 ECU로 전송한다.
제5 단계는, 제2 통신수단에 의해 전송된 제1 온도값으로부터 배터리 팩 내부의 상황을 판단하는 단계로서, 제1 온도값이 정상적인 범위 이내라면 제1 통신수단의 단순한 물리적 단락 등을 예상할 수 있으므로 차량의 디스플레이 장치 등으로 점검이 필요함을 운전자에게 알린다. 반면, 제1 온도값이 비정상 범위에 해당되면 배터리 팩의 가열이나 발화일 가능성이 농후하므로 신속하게 차량으로부터 대피하도록 알린다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법을 설명하기 위한 알고리즘이다.
제1 단계 내지 제3 단계는 도 9를 참조하면서 설명한 감지 방법과 동일하므로 생략하고, 이하에서는 상이한 구성에 관해서만 설명하기로 한다.
제3 단계에 해당되지 않을 시에는 제2 통신수단과 제3 통신수단을 통해 각각 제1 온도값과 제2 온도값을 ECU로 전송하는 제4 단계, 및 수신한 제1 온도값과 제2 온도값을 비교하여 정상 범위 이내인지 판단하여 알림 신호를 송신하는 제5 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
구체적으로, 제4 단계는, ECU가 온도 및/또는 전압 측정값을 수신하지 못하거나, 수신하더라도 측정값이 정상범위를 벗어나는 경우, 제2 통신수단을 통해서는 제1 온도값, 그리고 제3 통신수단으로는 제2 온도값을 함께 ECU로 전송하는 단계이다.
제5 단계는, 제2 통신수단과 제3 통신수단을 통해 전송된 제1 온도값과 제2 온도값의 차이로부터 배터리 팩 내부의 상황을 판단하는 단계이다. 즉, 제1 온도값과 제2 온도값의 차이가 정상적인 범위 이내라면 제1 통신수단의 단순한 물리적 단락 등을 예상할 수 있으므로 차량의 디스플레이 장치 등으로 점검이 필요함을 운전자에게 알린다. 반면, 가스배출부와 근접하여 위치한 제1 온도값과, 가스배출부와는 소정 거리 이격하여 구비되어 있는 제2 온도값의 차이가 비정상 범위, 즉 제2 온도값보다 제1 온도값이 소정 범위 이상으로 높은 경우라면, 배터리 팩의 가열이나 발화일 가능성이 농후하므로 신속하게 차량으로부터 대피하도록 알린다.
한편, 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법은 제4 통신수단을 통해 제1 압력값을 ECU로 전송하는 것을 제외하고는 도 9를 참조하면서 설명한 감지 방법과 동일하고, 제4 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법은 제4 통신수단과 제5 통신수단을 통해 제1 압력값과 제2 압력값을 ECU로 전송하는 것을 제외하고는 도 10을 참조하면서 설명한 감지 방법과 동일하므로 생략한다.
또 제5 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법은 제1 실시예와 제3 실시예의 감지 방법을 동시에 구현하는 것으로 구체적인 설명은 생략한다.
도 11은 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 감지 방법을 설명하기 위한 알고리즘이다.
제1 단계 내지 제3 단계는 도 9를 참조하면서 설명한 감지 방법과 동일하므로 생략하고, 이하에서는 상이한 구성에 관해서만 설명하기로 한다.
제3 단계에 해당되지 않을 시에는 제2 통신수단 내지 제5 통신수단을 통해 각각 제1 온도값, 제2 온도값, 제1 압력값 및 제2 압력값을 ECU로 전송하는 제4 단계, 및 수신한 제1 온도값과 제2 온도값 차이와, 제1 압력값과 제2 압력값 차이를 비교하여, 각 차이값들이 정상 범위 이내인지 판단하여 알림 신호를 송신하는 제5 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
특히, 제5 단계에서는 온도값들의 차이와 함께 압력값들의 차이를 함께 비교하기 때문에, 배터리 팩 내부의 상황을 한층 정확하게 판단할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
(부호의 설명)
100 : 차량 구조물
110 : 제1 커넥터
120 : 제2 커넥터
200 : 배터리 팩
210 : 배터리 모듈
211 : 제3 커넥터
220 : 배터리 매니지먼트 시스템
221 : 제4 커넥터 222 : 제5 커넥터
230 : 배터리 팩 케이스
231 : 가스배출부 232 : 제1 온도센서
233 : 제2 온도센서 234 : 제1 압력센서
235 : 제2 압력센서 236 : 거치대
300 : 전자제어장치(ECU)
310 : 제6 커넥터
400 : 통신수단
410 : 제1 통신수단
420 : 제2 통신수단
421 : 제1 보호커버
430 : 제3 통신수단
431 : 제2 보호커버
440 : 제4 통신수단
441 : 제3 보호커버
450 : 제5 통신수단
451 : 제4 보호커버

Claims (13)

  1. 차량 구조물에 장착되는 배터리 팩; 전자제어장치; 및 하나이상의 통신수단을 포함하되,
    상기 배터리 팩은, 1개 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 상기 배터리 모듈로부터 수신한 신호를 전자제어장치로 송신하는 배터리 매니지먼트 시스템, 및 벤팅가스가 방출되는 가스배출부가 구비된 배터리 팩 케이스를 포함하고,
    상기 배터리 팩 케이스에는 온도 및 압력 중 어느 하나 이상을 측정하는 센서가 구비된 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 가스배출부 인근에 위치하는 제1 온도센서이며, 일측은 상기 제1 온도센서와 연결되고 타측은 상기 배터리 매니지먼트 시스템을 경유하지 않고 상기 전자제어장치와 연결된 제2 통신수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 가스배출부 인근에 위치하는 제1 압력센서이고, 일측은 상기 제1 압력센서와 연결되고 타측은 상기 배터리 매니지먼트 시스템을 경유하지 않고 상기 전자제어장치와 연결된 제4 통신수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 온도센서와 소정 거리 이격되어 제2 온도센서가 위치하며, 일측은 상기 제2 온도센서와 연결되고 타측은 상기 배터리 매니지먼트 시스템을 경유하지 않고 상기 전자제어장치와 연결된 제3 통신수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 압력센서와 소정 거리 이격되어 제2 압력센서가 위치하고, 일측은 상기 제2 압력센서와 연결되고 타측은 상기 배터리 매니지먼트 시스템을 경유하지 않고 상기 전자제어장치와 연결된 제5 통신수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스배출부은 고어텍스막 또는 소정 압력 이상일 경우 파손되는 파열판(rupture disk) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 차량 배터리 화재 감지 장치를 이용한 차량 배터리 화재 감지 방법에 있어서,
    배터리 모듈의 온도 및 전압 중 어느 하나 이상을 측정하는 제1 단계;
    배터리 매니지먼트 시스템을 경유하여 상기 제1 단계에서의 측정값을 전자제어장치(ECU)로 전송하는 제2 단계;
    전자제어장치(ECU)에서 측정값을 수신하고, 수신한 측정값이 정상 범위 이내인지 판단하는 제3 단계;
    전자제어장치(ECU)에서 수신한 측정값이 정상 범위 이내이면 제1 단계를 수행하고, 측정값을 수신하지 못하거나 정상 범위를 벗어나면 배터리 팩 케이스에 구비된 센서로부터 온도 및 압력 중 어느 하나 이상의 측정값을 전자제어장치(ECU)로 전송하는 제4 단계; 및
    전자제어장치(ECU)가 수신한 배터리 팩 케이스의 측정값이 정상 범위 이내인지 판단하여 알림 신호를 송신하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제4 단계에서의 측정값은 제1 온도이고, 제2 통신수단을 통해 ECU로 전송하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제4 단계에서의 측정값은 제1 압력이고, 제3 통신수단을 통해 ECU로 전송하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제4 단계에서의 측정값은 제2 통신수단을 통한 제1 온도와, 제4 통신수단을 통한 제2 온도인 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 온도와 제2 온도의 차이로부터 상기 제5 단계에서의 측정값이 정상 범위 이내인지는 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제4 단계에서의 측정값은 제3 통신수단을 통한 제1 압력과, 제5 통신수단을 통한 제2 압력인 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 압력과 제2 압력의 차이로부터 상기 제5 단계에서의 측정값이 정상 범위 이내인지는 판단하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 화재 감지 방법.
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