KR102332444B1 - 열 폭주 검출 장치, 배터리 시스템 및 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법 - Google Patents

열 폭주 검출 장치, 배터리 시스템 및 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 폭주 검출 장치, 배터리 시스템 및 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법에 관한 것으로서, 상기 열 폭주 검출 장치는, 적어도 하나의 온도 센서를 통해 상기 복수의 셀의 온도 값을 측정하는 제1 측정모듈, 상기 배터리 시스템의 출력 전압 값을 측정하는 제2 측정모듈, 및 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터를 모니터링하여 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성을 판단하고, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성 판단 결과에 따라 상기 온도 값 또는 상기 출력 전압 값을 선택적으로 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

열 폭주 검출 장치, 배터리 시스템 및 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법 {THERMAL RUNAWAY DETECTION DEVICE, BATTERY SYSTEM AND THERMAL RUNAWAY DETECTION METHOD THEREOF}
본 발명의 실시 예는 열 폭주 검출 장치, 배터리 시스템 및 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법에 관한 것이다.
이차전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서, 화학 물질의 전기 에너지로의 비가역적 변환만을 제공하는 일차 전지와 상이하다. 저용량의 재충전 가능한 전지는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원 장치로서 사용되고, 고용량의 재충전 가능한 전지는 하이브리드 자동차 등의 전원 장치로서 사용된다.
일반적으로, 이차전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 그리고 전극 조립체와 전기적으로 연결되어 있는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극, 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 전지의 충방전을 가능하게 하기 위해, 케이스로 전해액이 주입된다. 원통형 또는 직사각형과 같은 케이스의 형상은 전지의 용도에 따라 다르다.
대표적인 이차전지인 리튬 이온 배터리는 내부 단락, 과충전, 고온 환경, 외부 충격에 의한 변형 등 비정상적인 작동 상태로 인해 열폭주 현상이 발생할 수 있다. 이러한 열 폭주 현상은 많은 양의 열이 배터리 내부에 축적되어 연쇄반응을 일으키는 것으로, 배터리의 발화를 일으켜 폭발로 이어질 수 있다. 따라서, 배터리의 열 폭주를 미리 예측하는 것은 배터리 안전성 측면에서 매우 중요한 문제이다.
배터리의 열 폭주 현상을 감지하기 위해서는, 직접적으로 배터리의 내부 온도를 측정하고, 측정한 온도의 급격한 증가를 감지하여 열 폭주를 예측하는 방식이 주로 사용된다. 그러나, 이러한 배터리 내부 온도 기반의 열 폭주 예측 방식은, 배터리 내부 온도가 측정 가능한 범위를 넘어서거나, 통신 오류로 열 폭주 알고리즘이 정상 동작할 수 없는 상황에서는 열 폭주 현상을 검출하는 것이 불가능한 문제가 있다.
본 발명의 실시 예들을 통해 해결하고자 하는 과제는, 배터리 내부 온도에 기반해 열 폭주 예측이 어려운 상황에서도 배터리의 열 폭주 현상을 검출하는 것이 가능한 열 폭주 검출 장치, 배터리 시스템 및 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 셀을 포함하는 배터리 시스템의 열 폭주 검출 장치는, 적어도 하나의 온도 센서를 통해 상기 복수의 셀의 온도 값을 측정하는 제1 측정모듈, 상기 배터리 시스템의 출력 전압 값을 측정하는 제2 측정모듈, 및 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터를 모니터링하여 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성을 판단하고, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성 판단 결과에 따라 상기 온도 값 또는 상기 출력 전압 값을 선택적으로 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 제어기를 포함할 수 있다
상기 제어기는, 상기 제1 측정모듈과 상기 제어기 사이의 통신 상태, 상기 제1 측정모듈 및 상기 온도 센서의 장애 발생여부 및 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 유효성 중 적어도 하나에 기초해, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성을 판단할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 제1 측정모듈과 상기 제어기 사이의 통신 상태가 불능 상태이면, 상기 출력 전압 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 제1 측정모듈 또는 상기 온도 센서에 장애가 발생하면, 상기 출력 전압 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출할 수 있다.
상기 제1 측정모듈은, 상기 제1 측정모듈의 성능과 상기 온도 센서에 대한 장애 발생 여부를 진단하는 진단 기능을 더 수행하며, 상기 진단 기능의 수행에 따른 진단 결과 데이터를 상기 제어기로 전달할 수 있다.
상기 제1 측정모듈은, 상기 복수의 셀 및 상기 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈의 전압 값들을 측정하며, 상기 배터리 모듈의 양단 전압을 측정하여 획득한 전압 값과 상기 복수의 셀 각각의 전압을 측정하여 획득한 전압 값들을 비교하여 상기 제1 측정모듈의 장애 발생 여부를 진단할 수 있다.
상기 제1 측정모듈은, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터 획득되는 온도 값을 모니터링하여 상기 적어도 하나의 온도 센서의 장애 발생 여부를 진단할 수도 있다.
상기 제1 측정모듈은, 상기 제어기와 송수신되는 데이터들을 모니터링하여 상기 제어기와의 통신 장애 발생 여부를 진단할 수도 있다.
상기 제어기는, 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 유효성 진단을 수행하고, 상기 유효성 진단의 결과로 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 사용이 불가한 것으로 판단되면, 상기 출력 전압 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효한 것으로 판단되면, 상기 온도 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출할 수 있다.
상기 제1 측정모듈과 상기 제2 측정모듈은 서로 분리된 통신 라인을 통해 상기 제어기와 통신할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 배터리 시스템은, 복수의 셀, 및 전술한 열 폭주 장치를 포함할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 복수의 셀을 포함하는 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법은, 적어도 하나의 온도 센서를 통해 상기 복수의 셀의 온도 값을 측정하는 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터를 모니터링하여 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성을 판단하는 단계, 및 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성 판단 결과에 따라, 상기 제1 측정모듈에 의해 측정된 상기 온도 값 또는 제2 측정모듈에 의해 측정된 상기 배터리 시스템의 출력 전압 값을 선택적으로 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 검출하는 단계는, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않은 것으로 판단되면, 상기 온도 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 판단하는 단계는, 상기 제1 측정모듈과 상기 제어기 사이의 통신 상태가 불능 상태이면, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 판단하는 단계는, 상기 제1 측정모듈에 의해 상기 제1 측정모듈 및 상기 온도 센서에 진단이 수행되는 단계, 및 상기 제1 측정모듈 또는 상기 온도 센서에 장애가 발생하면, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 진단이 수행되는 단계는, 상기 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈의 양단 전압을 측정하여 획득한 전압 값과 상기 복수의 셀 각각의 전압을 측정하여 획득한 전압 값들을 비교하여 상기 제1 측정모듈의 장애 발생 여부를 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 진단이 수행되는 단계는, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터 획득되는 온도 값을 모니터링하여 상기 적어도 하나의 온도 센서의 장애 발생 여부를 진단하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 판단하는 단계는, 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 유효성 진단을 수행하는 단계, 및 상기 유효성 진단의 결과로 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 사용이 불가한 것으로 판단되면, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 검출하는 단계는, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효한 것으로 판단되면, 상기 온도 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 배터리 내부 온도에 기반해 열 폭주 예측이 어려운 상황에서도 배터리의 열 폭주 현상을 검출하는 것이 가능하다.
도 1은 실시 예에 따른 배터리 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 실시 예에 따른 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 S10 단계에서의 진단 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 S12 단계에서의 진단 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 S14 단계에서의 진단 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 이하 첨부된 도면들을 참조하여 실시 예들의 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 상세히 설명한다. 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 그에 대한 중복되는 설명은 생략된다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시 예들은 본 개시가 철저하고 완전하게 될 수 있도록 예로서 제공되며, 통상의 기술자에게 본 발명의 양태 및 특징을 충분히 전달할 것이다.
따라서, 본 발명의 양태들 및 특징들의 완전한 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않다고 여겨지는 프로세스들, 요소들, 및 기술들은 설명되지 않을 수 있다. 도면에서, 소자들, 층들, 및 영역들의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.
본 문서에서 "및/또는"이라는 용어는 관련되어 열거된 복수의 항목들의 모든 조합 또는 임의의 조합을 포함한다. 본 발명의 실시 예들을 기술할 때 "~할 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시 예"를 의미한다. 다음의 본 발명의 실시예에 대한 설명에서, 단수 형태의 용어는 문맥에 달리 명시되지 않는 한 복수 형태를 포함 할 수 있다.
"제1" 및 "제2"의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되지만, 이들 구성요소들은 이 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
이하, 필요한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 열 폭주(thermal runaway) 검출 장치, 배터리 시스템 및 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시 예에 따른 배터리 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 배터리 시스템(1)은 배터리 모듈(10), 및 열 폭주 검출 장치(20)를 포함할 수 있다.
배터리 모듈(10)은 서로 직렬 및/또는 병렬 연결되는 적어도 하나의 이차전지 셀(cell, 이하 '셀'이라 명명하여 사용함)(11)을 포함할 수 있다. 배터리 모듈(10)은 시스템 단자들(T+, T-)을 통해 외부의 충전 장치(미도시) 또는 부하(미도시)와 연결되며, 충전 장치에 의해 충전되거나 부하에 의해 방전될 수 있다. 한편, 도 1에서는 배터리 시스템(1)이 하나의 배터리 모듈(10)을 포함하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니어서, 배터리 시스템(1)은 서로 직렬 및/또는 병렬 연결되는 복수의 배터리 모듈(10)을 포함하도록 구성될 수도 있다.
열 폭주 검출 장치(20)는 배터리 시스템(1)의 열 폭주를 검출하며, 이를 위해 적어도 하나의 온도 센서(21), 제1 측정모듈(22), 제2 측정모듈(23), 및 제어기(24)를 포함할 수 있다.
온도 센서(21)는 적어도 하나의 셀(11)에 접하거나, 인접하게 배치되며, 배터리 모듈(10)을 구성하는 복수의 셀(11)의 온도를 측정할 수 있다.
제1 측정모듈(22)은 배터리 모듈(10)에 대해 전압, 전류, 온도 등을 주기적으로 측정하여, 배터리 모듈(10)에 대한 전압 값, 전류 값, 온도 값 등을 획득할 수 있다. 예를 들어, 제1 측정모듈(22)은 적어도 하나의 온도 센서(21)와 전기적으로 연결되어, 적어도 하나의 온도 센서(21)를 통해 배터리 모듈(10)을 구성하는 셀(11)들의 온도 값들을 검출할 수 있다. 또한, 예를 들어, 제1 측정모듈(22)은 배터리 모듈(10)의 양단에 전기적으로 연결되어, 배터리 모듈(10)의 전압 값을 검출할 수도 있다. 또한, 예를 들어, 제1 측정모듈(22)은 배터리 모듈(10)을 구성하는 각 셀(11)의 양단에 전기적으로 연결되어, 셀(11)의 셀 전압 값을 검출할 수도 있다.
제1 측정모듈(22)은 자체 진단 기능을 구비하며, 진단 기능을 통해 제1 측정모듈(22) 및/또는 제1 측정모듈(22)과 연결된 센서(예를 들어, 온도 센서(21))에서의 성능 오류 즉, 장애 발생 여부를 진단할 수 있다. 예를 들어, 제1 측정모듈(22)은 배터리 모듈(10)의 양단 전압을 측정하여 획득한 전압 값과 복수의 셀(11)의 셀 전압들을 측정하여 획득한 전압 값들을 비교하여 전압 값들의 유효성을 확인함으로써 제1 측정모듈(22)의 전압 측정 기능에서의 장애 발생 여부를 진단할 수 있다. 또한, 예를 들어, 제1 측정모듈(22)은 온도 센서(21)들로부터 획득되는 온도 값들을 서로 비교하여 온도 값의 유효성을 확인함으로써, 제1 측정모듈(22)의 온도 측정 기능 또는 온도 센서(21)에서 장애가 발생했는지를 진단할 수 있다. 또한, 예를 들어, 제1 측정모듈(22)은 제어기(24)와 송수신하는 데이터들을 모니터링하여 제어기(24)와의 통신 기능에서의 장애 발생 여부를 자체적으로 진단할 수도 있다.
제1 측정모듈(22)은 아날로그 프론트 엔드(analog front end, AFE) 모듈, 또는 셀 감시 회로(cell supervision circuit, CSC)에 의해 구현될 수 있다.
제2 측정모듈(23)은 배터리 시스템(1)의 출력 전류 및 출력 전압을 지속적으로 측정하여, 배터리 시스템(1)의 출력 전류 값 및 출력 전압 값을 검출할 수 있다.
제2 측정모듈(23)은, 도 1에 도시된 바와 같이 배터리 시스템(1)이 하나의 배터리 모듈(10)만을 포함하는 경우, 배터리 모듈(10)의 양단 전압을 측정하여 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값을 획득할 수 있다. 제2 측정모듈(23)은 배터리 시스템(1)이 서로 직렬 및/또는 병렬 연결된 복수의 배터리 모듈(10)을 포함하도록 구성된 경우, 복수의 배터리 모듈(10)과 시스템 단자들(T+, T-) 사이(즉, 복수의 배터리 모듈 중 최 상위 배터리 모듈의 양극 단자와 최 하위 배터리 모듈의 음극 단자 사이)에 전기적으로 연결되어 배터리 시스템(1)의 출력 전압을 측정할 수 있다.
또한, 제2 측정모듈(23)은 배터리 모듈(10)과 시스템 단자들(T+, T-) 사이의 전류 흐름을 측정하여 배터리 시스템(1)의 출력 전류 값을 획득할 수 있다. 예를 들어, 제2 측정모듈(23)은 배터리 모듈(10)과 시스템 단자(T+, T-) 사이에 연결된 션트 저항(미도시)의 양단에 전기적으로 연결되어, 션트 저항의 양단 전압 측정을 통해 배터리 시스템(1)의 출력 전류 값을 검출할 수 있다.
제2 측정모듈(23)은 배터리 차단 유닛(battery disconnected unit, BDU), 시스템 기반 칩(system basis chip, SBC) 등에 의해 구현될 수 있다.
제어기(24)는 제1 측정모듈(22)과 통신하여 제1 측정모듈(22)로부터 배터리 모듈(10)로부터 획득한 전압 값, 전류 값, 온도 값 등을 수신할 수 있다. 또한, 제어기(24)는 제2 측정모듈(23)과 통신하여 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값, 출력 전류 값 등을 수신할 수도 있다. 여기서, 제어기(24)가 제1 측정모듈(22)과 통신하기 위한 통신 라인과 제2 측정모듈(23)과 통신하기 위한 통신 라인은 서로 분리된 통신라인들이 사용될 수 있다. 따라서, 열 폭주로 인해 제1 측정모듈(22)과 제어기(24) 사이의 통신 라인이 손상되더라도, 제2 측정모듈(23)과 정상적으로 통신할 수 있다.
제어기(24)는 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 측정 값(예를 들어, 온도 값)과 제2 측정모듈(23)로부터 수신되는 측정 값(예를 들어, 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값)들에 기초하여 배터리 시스템(1)에서의 열 폭주 발생을 검출할 수 있다. 이 때, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 데이터들을 모니터링하여, 제1 측정모듈(22)과 제어기(24) 사이의 통신 상태, 제1 측정모듈(22) 및 온도 센서(21)의 장애 발생 여부, 또는 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 데이터의 유효성을 진단하고, 이 진단 결과에 기초해 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 측정 값 기반의 열폭주 검출이 유효한지를 판단할 수 있다. 그리고, 이 유효성 판단 결과에 기초하여 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 측정 값 또는 제2 측정모듈(23)로부터 수신되는 측정 값을 선택적으로 사용하여 배터리 시스템(1)의 열 폭주 발생을 검출할 수 있다.
예를 들어, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 측정 값 기반의 열폭주 검출이 유효하다고 판단되는 경우, 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 온도 값들을 모니터링하여 열 폭주 발생을 검출할 수 있다. 제어기(24)는 적어도 하나의 셀(11)에서 급격한 온도 변화가 검출되는 경우, 즉, 적어도 하나의 온도 센서(21)에 의해 측정된 온도 값들의 단위 시간당 변화량이 임계치를 초과하면, 열 폭주 현상이 발생한 것으로 판정할 수 있다.
반면에, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 측정 값 기반의 열폭주 검출이 유효하지 않은 것으로 판단되면, 제2 측정모듈(23)로부터 수신되는 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값을 모니터링하여 열 폭주 발생을 검출할 수 있다. 이 경우, 제1 측정모듈(22)은 배터리 모듈(10)과 외부 장치 사이에 연결된 전력 스위치(미도시)에 의해 배터리 모듈(10)과 외부 장치 사이의 전기적 연결이 차단된 상태 즉 배터리 시스템(1)의 출력 전류가 흐르지 않는 상황에서 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값을 지속적으로 측정하여 제어기(24)로 전달할 수 있다. 그리고 제어기(24)는 제2 측정모듈(23)로부터 수신되는 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값을 모니터링하고, 배터리 시스템(1)의 출력 전압의 단위 시간당 변화량이 임계치를 초과하면, 열 폭주 현상이 발생한 것으로 판정할 수 있다.
배터리 시스템(1) 내 적어도 하나의 셀(11)에서 열 폭주가 발생하는 경우, 열 폭주로 인해 셀(11)의 급격한 온도 변화가 발생하는 현상과 함께 손상된 셀(11)의 전압 강하가 발생하고, 이로 인해 배터리 시스템(1)의 출력 전압 또한 급격히 강하하는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 배터리 시스템(1)에서는 제1 측정모듈(22)을 통해 획득되는 온도 값이 기반하여 열 폭주 검출이 가능한 상황에서는 제1 측정모듈(22)로부터 수신된 온도 값들에 기반하여 열 폭주 검출을 수행하고, 그렇지 않은 경우에는 별도로 마련된 제2 측정모듈(23)로부터 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값을 수신하여 열 폭주 검출을 수행함으로써 열 폭주 검출에 대한 리던던시(redundancy)를 확보할 수 있다.
제어기(24)는 배터리 관리 유닛(battery management unit, BMU), 배터리 시스템 관리자(battery system manager, BSM), 또는 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)일 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 배터리 시스템(1)의 구성은 필수적인 것은 아니어서, 배터리 시스템(1)은 도 1에 도시된 구성 요소들보다 더 많거나 더 적은 구성 요소를 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 시스템(1)은 배터리 모듈(10)과 시스템 단자들(T+, T-) 중 적어도 하나 사이에 연결되어, 배터리 모듈(10)과, 외부 부하/ 충전 장치 사이의 전기적인 연결을 차단/허용하는 적어도 하나의 전력 스위치(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
도 2는 실시 예에 따른 배터리 시스템(1)에서의 열 폭주 검출 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2의 열 폭주 검출 방법은, 도 1을 참조하여 설명한 배터리 시스템(1)의 열 폭주 검출 장치(20)에 의해 수행될 수 있다.
도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 열 폭주 검출 장치(20)의 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)과 제어기(24) 사이의 통신상태를 진단한다(S10). 그리고, 진단 결과 통신 불능 상태로 판단되면(S11), 제1 측정모듈(22)이 아닌 제2 측정모듈(23)에 의해 측정된 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값을 모니터링하여 배터리 시스템(1)의 열 폭주를 검출한다(S16).
도 3은 도 2의 S10 단계에서의 진단 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 실시 예에 따른 열 폭주 검출 장치(20)의 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)로부터 데이터 수신을 대기하고(S20), 소정 시간 이상 제1 측정모듈(22)로부터 데이터가 수신되지 않을 경우(S21), 통신 불능 상태로 판단하여 제1 측정모듈(22)을 리셋 즉, 파워 온 리셋(power on reset, POR)시킨다(S24).
제1 측정모듈(22)은 자신이 획득한 측정 값들을 주기적으로 제어기(24)로 전달한다. 따라서, 제어기(24)는 소정 시간 이상 제1 측정모듈(22)로부터 데이터 수신이 발생하지 않으면, 제어기(24)와 제1 측정모듈(22) 사이의 통신 기능이 불능 상태인 것으로 판단할 수 있다.
제어기(24)와 제1 측정모듈(22) 사이의 통신 기능이 일시적인 오류로 인해 불능 상태에 진입한 경우, 제1 측정모듈(22)의 파워 온 리셋을 통해 정상 상태로 복구될 수도 있다.
따라서, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)을 파워 온 리셋시킨 횟수가 제1 설정치 이상일 때까지(S23), 제1 측정모듈(22)로부터 데이터를 수신하지 못할 경우 제어기(24)와 제1 측정모듈(22) 사이의 통신 상태가 불능 상태인 것으로 최종 결정한다(S25). 예를 들어, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)을 1회 파워 온 리셋 시킨 이후에도 소정 시간 이상 제1 측정모듈(22)로부터 데이터를 수신하지 못할 경우, 제어기(24)와 제1 측정모듈(22) 사이의 통신 상태가 불능 상태인 것으로 판단할 수 있다.
한편, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)을 파워 온 리셋 시키기 이전 또는 제1 측정모듈(22)을 파워 온 리셋 시킨 이후라도 제1 측정모듈(22)로부터 데이터를 수신할 경우, 제어기(24)와 제1 측정모듈(22) 사이의 통신 상태가 가능 상태인 것으로 결정한다(S22).
한편, 상기 S21 단계에서 데이터 수신을 대기하는 시간이나, 상기 S23 단계에서의 제1 설정치는 배터리 시스템(1)의 요구사항이나 시간 조건에 따라서 조정이 가능하다.
다시, 도 2를 보면, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)의 자체 진단 결과에 기초하여 제1 측정모듈(22) 및 제1 측정모듈(22)과 연결된 온도 센서(21)에서의 장애 발생을 진단한다(S12). 그리고, 제1 측정모듈(22) 및/또는 온도 센서(21)의 장애가 발생한 것으로 판단되면(S13), 제1 측정모듈(22)이 아닌 제2 측정모듈(23)에 의해 측정된 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값을 모니터링하여 배터리 시스템(1)의 열 폭주를 검출한다(S16).
도 4는 도 2의 S12 단계에서의 진단 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 실시 예에 따른 열 폭주 검출 장치(20)의 제1 측정모듈(22)은 주기적으로 자체 진단 기능을 실행하여 복수의 성능 항목에서의 장애 발생 여부를 확인하고, 진단 결과를 제어기(24)로 전달한다. 예를 들어, 제1 측정모듈(22)은 배터리 모듈(10)의 양단 전압을 측정하여 획득한 전압 값과 복수의 셀(11)의 셀 전압들을 측정하여 획득한 전압 값들을 비교하여 전압 값들의 유효성을 확인함으로써 제1 측정모듈(22)의 전압 측정 성능에서의 장애 발생 여부를 진단할 수 있다. 또한, 제1 측정모듈(22)은 온도 센서(21)들로부터 획득되는 온도 값들을 서로 비교하여 온도 값의 유효성을 확인함으로써, 제1 측정모듈(22)의 온도 측정 기능 또는 온도 센서(21)에서 장애가 발생했는지를 진단할 수도 있다. 또한, 제1 측정모듈(22)은 제어기(24)와 송수신하는 데이터들을 모니터링하여 제어기(24)와의 통신 기능에서의 장애 발생 여부를 자체적으로 진단할 수도 있다.
제어기(24)는 제1 측정모듈(22)로부터 진단 결과를 수신함에 따라(S30), 이를 확인하여 제1 측정모듈(22) 및 온도 센서(21)에서의 장애 검출 여부를 확인한다 (S31). 그리고, 장애가 검출되지 않은 경우, 제1 측정모듈(22) 및 온도 센서(21)가 정상 동작 중인 것으로 결정한다(S32).
제1 측정모듈(22)은 진단 기능을 통해 어떠한 장애도 검출되지 않은 경우 진단 결과를 제어기(24)로 전달하는 것을 생략할 수도 있다. 이 경우, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)로부터 진단 결과가 수신되지 않는 동안에는 제1 측정모듈(22) 및 온도 센서(21)가 정상 동작 중인 것으로 판단할 수도 있다.
한편, 제어기(24)는 상기 S31 단계를 통해 장애 검출이 확인되면, 제1 측정모듈(22)을 리셋 즉, 파워 온 리셋 시킨다(S34).
제1 측정모듈(22) 또는 온도 센서(21)의 성능 오류가 일시적인 것이거나, 제1 측정모듈(22)에서 일시적인 진단 오류가 발생한 경우, 제1 측정모듈(22)의 진단결과는 제1 측정모듈(22)의 파워 온 리셋을 통해 정상 상태로 복구될 수도 있다.
따라서, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)을 파워 온 리셋시킨 횟수가 제2 설정치(예를 들어, 3회) 이상일 때까지(S33), 제1 측정모듈(22)의 자체 진단을 통한 장애 검출이 지속적으로 발생할 경우, 제1 측정모듈(22) 및/또는 온도 센서에 장애가 발생한 것으로 최종 결정한다(S35).
한편, 상기 S33 단계에서의 제2 설정치는 배터리 시스템(1)의 요구사항이나 시간 조건에 따라서 조정이 가능하다.
다시, 도 2를 보면, 제어기(24)는 제1 측정모듈로부터 수신된 데이터의 유효성 진단을 수행하고(S14), 이 진단 결과에 기초해 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 데이터들의 사용 가능 여부를 확인한다(S15). 그리고, 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 데이터들의 사용이 불가한 것으로 판단되면, 제1 측정모듈(22)이 아닌 제2 측정모듈(23)에 의해 측정된 배터리 시스템(1)의 출력 전압 값을 모니터링하여 배터리 시스템(1)의 열 폭주를 검출한다(S16).
도 5는 도 2의 S14 단계에서의 진단 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 실시 예에 따른 열 폭주 검출 장치(20)의 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)로부터 데이터를 수신함에 따라(S40), 수신된 데이터의 유효성 검증을 수행하여 데이터 오류 발생 여부를 확인한다(S41). 즉, 제어기(24)는 제1 측정모듈(22)로부터 데이터가 수신되면, 제1 측정모듈(22)로부터 전달 중 손실되거나, 제1 측정모듈(22)에 의해 잘못된 데이터가 전송되지 않았는지 유효성 검증을 통해 확인한다.
제어기(24)는 수신된 데이터로부터 오류가 검출되지 않으면 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 데이터들의 사용이 가능한 것으로 판단한다(S42).
반면에, 수신된 데이터로부터 오류가 검출되면, 일시적인 오류인지를 우선 확인하기 위해 동일 진단 항목에 대해 소정 횟수(예를 들어, 2번) 이상 연속 오류가 발생했는지를 확인하고(S43), 동일 항목에 대해 소정 횟수 이상 연속해서 오류가 검출된 경우, 제1 측정모듈(22)을 파워 온 리셋 시킨다(S44). 그리고, 파워 온 리셋 이후에도 동일한 항목에 대해 오류 발생이 지속되는지를 확인하고(S45), 오류 발생이 지속될 경우, 일시적인 오류가 아닌 것으로 판단하여 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 데이터들이 유효하지 않아 사용이 불가한 것으로 최종 결정한다(S46).
다시, 도 2를 보면, 제어기(24)는 상기 S10, S12, 및 S14 단계에서 모두 정상으로 판정된 경우, 즉, 상기 S10 단계를 통해 통신 상태가 정상인 것으로 판정되고, 상기 S12 단계를 통해 제1 측정모듈(22) 및 온도 센서(21)가 정상 동작 중인 것으로 판정되고, 상기 S14 단계를 통해 데이터의 유효성이 검증되면, 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 측정 값 기반의 열폭주 검출이 유효하다고 판단한다. 따라서, 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 온도 값들을 모니터링하여 배터리 시스템(1)의 열 폭주를 검출한다(S17).
한편, 도 2에서는 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효한지를 판단하는 진단 과정으로, 제1 측정모듈(22)과 제어기(24) 사이의 통신 상태에 대한 진단 과정(S10), 제1 측정모듈(22) 및 온도 센서(21)의 장애 발생 여부에 대한 진단 과정(S12), 및 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 데이터의 유효성 진단 과정(S14)이 순차적으로 이루어지는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명이 이로 인해 한정되는 것은 아니다. 다른 실시 예에서는, 제1 측정모듈(22)과 제어기(24) 사이의 통신 상태에 대한 진단 과정(S10), 제1 측정모듈(22) 및 온도 센서(21)의 장애 발생 여부에 대한 진단 과정(S12), 및 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 데이터의 유효성 진단 과정(S14)은 별도의 태스크로 구현되어 서로 독립된 스케줄에 의해 실행될 수도 있다. 또한, 또 다른 실시 예에서는, 제1 측정모듈(22)과 제어기(24) 사이의 통신 상태에 대한 진단 과정(S10), 제1 측정모듈(22) 및 온도 센서(21)의 장애 발생 여부에 대한 진단 과정(S12), 및 제1 측정모듈(22)로부터 수신되는 데이터의 유효성 진단 과정(S14) 중 적어도 하나가 생략될 수도 있다.
전술한 실시 예에 따르면, 배터리 시스템(1)은 BMS와 AFE 모듈 사이의 통신 라인이 손상되거나, AFE 모듈 또는 온도 센서의 오류로 유효한 온도 값을 획득하는 것이 불가능하거나, 배터리 시스템(1) 내부 온도가 측정 가능한 범위를 벗어나는 경우와 같이, 배터리 시스템(1) 내부의 온도 측정을 통해 열 폭주 검출이 불가능한 상황에서도 배터리 시스템(1)의 열 폭주 검출이 가능하다. 따라서, 배터리 시스템(1)의 열 폭주를 검출하는 성능이 향상되어, 배터리 시스템(1)의 안전성을 증가시킬 수 있다.
여기에 설명된 본 발명의 실시 예들에 따른 전자 또는 전기 장치 및/또는 임의의 다른 관련 장치 또는 구성 요소는 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 집적회로(application-specific integrated circuit)), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(IC) 칩 상에 또는 개별 IC 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소들은 가요성 인쇄 회로 필름(flexible printed circuit film), 테이프 캐리어 패키지(TCP: tape carrier package), 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 본 명세서에 기재된 전기적 연결 또는 상호 연결은, 예를 들어, PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상의 배선 또는 전도성 소자들에 의해 구현될 수 있다. 전도성 소자는 예를 들어 표면 금속화(surface metallizations)와 같은 금속화, 및/또는 핀(pin)들을 포함할 수 있으며, 전도성 중합체(conductive polymers) 또는 세라믹(ceramics)을 포함할 수 있다. 또한 전기 에너지는 예를 들어, 전자기 방사 또는 빛을 이용한 무선 접속을 통해 전송될 수 있다.
또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 여기에 설명된 다양한 기능을 수행하기 위해 하나 이상의 프로세서 상에서 실행되고, 하나 이상의 컴퓨팅 장치 내에서 실행되며, 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하고 다른 시스템 구성 요소와 상호 작용하는 프로세스 또는 스레드일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory)와 같은, 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어 CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다.
또한, 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 단일 컴퓨팅 장치에 결합되거나 또는 통합될 수 있거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이 본 발명의 예시적인 실시예들의 범위를 벗어나지 않으면서 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치에 걸쳐 분산될 수 있음을 인식해야 한다.
1: 배터리 시스템
10: 배터리 모듈
11: 셀
20: 열 폭주 검출 장치
21: 온도 센서
22: 제1 측정모듈
23: 제2 측정모듈
24: 제어기

Claims (20)

  1. 복수의 셀을 포함하는 배터리 시스템의 열 폭주 검출 장치로서,
    적어도 하나의 온도 센서를 통해 상기 복수의 셀의 온도 값을 측정하는 제1 측정모듈,
    상기 배터리 시스템의 출력 전압 값을 측정하는 제2 측정모듈, 및
    상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터를 모니터링하여 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성을 판단하고, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성 판단 결과에 따라 상기 온도 값 또는 상기 출력 전압 값을 선택적으로 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않으면, 상기 복수의 셀과 외부 장치 사이의 연결이 차단된 상태에서 상기 출력 전압 값의 변화를 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는, 열 폭주 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 제1 측정모듈과 상기 제어기 사이의 통신 상태, 상기 제1 측정모듈 및 상기 온도 센서의 장애 발생 여부 및 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 유효성 중 적어도 하나에 기초해, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성을 판단하고,
    상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않으면, 상기 복수의 셀과 외부 장치 사이의 연결이 차단된 상태에서 상기 출력 전압 값의 단위 시간당 변화량이 임계치를 초과하면, 상기 배터리 시스템에 열 폭주 현상이 발생한 것으로 판단하는, 열 폭주 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서
    상기 제어기는, 상기 제1 측정모듈과 상기 제어기 사이의 통신 상태가 불능 상태이면, 상기 출력 전압 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는, 열 폭주 검출 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 제1 측정모듈 또는 상기 온도 센서에 장애가 발생하면, 상기 출력 전압 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는, 열 폭주 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서
    상기 제1 측정모듈은, 상기 제1 측정모듈의 성능과 상기 온도 센서에 대한 장애 발생 여부를 진단하는 진단 기능을 더 수행하며, 상기 진단 기능의 수행에 따른 진단 결과 데이터를 상기 제어기로 전달하는, 열 폭주 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 측정모듈은, 상기 복수의 셀 및 상기 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈의 전압 값들을 측정하며, 상기 배터리 모듈의 양단 전압을 측정하여 획득한 전압 값과 상기 복수의 셀 각각의 전압을 측정하여 획득한 전압 값들을 비교하여 상기 제1 측정모듈의 장애 발생 여부를 진단하는, 열 폭주 검출 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 측정모듈은, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터 획득되는 온도 값을 모니터링하여 상기 적어도 하나의 온도 센서의 장애 발생 여부를 진단하는, 열 폭주 검출 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 측정모듈은, 상기 제어기와 송수신되는 데이터들을 모니터링하여 상기 제어기와의 통신 장애 발생 여부를 진단하는, 열 폭주 검출 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 유효성 진단을 수행하고, 상기 유효성 진단의 결과로 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 사용이 불가한 것으로 판단되면, 상기 출력 전압 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는, 열 폭주 검출 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효한 것으로 판단되면, 상기 온도 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는, 열 폭주 검출 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측정모듈과 상기 제2 측정모듈은 서로 분리된 통신 라인을 통해 상기 제어기와 통신하는, 열 폭주 검출 장치.
  12. 복수의 배터리 셀, 및
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 열 폭주 검출 장치를 포함하는, 배터리 시스템.
  13. 복수의 셀을 포함하는 배터리 시스템의 열 폭주 검출 방법으로서,
    적어도 하나의 온도 센서를 통해 상기 복수의 셀의 온도 값을 측정하는 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터를 모니터링하여 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성을 판단하는 단계, 및
    상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출의 유효성 판단 결과에 따라, 상기 제1 측정모듈에 의해 측정된 상기 온도 값 또는 제2 측정모듈에 의해 측정된 상기 배터리 시스템의 출력 전압 값을 선택적으로 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 단계를 포함하며,
    상기 검출하는 단계는,
    상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않으면, 상기 복수의 셀과 외부 장치 사이의 연결이 차단된 상태에서 상기 출력 전압 값의 변화를 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 단계를 포함하는, 열 폭주 검출 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 출력 전압 값의 변화를 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 단계는,
    상기 출력 전압 값의 단위 시간당 변화량이 임계치를 초과하면, 상기 배터리 시스템에 열 폭주 현상이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 열 폭주 검출 방법.
  15. 제14항에 있어서
    상기 판단하는 단계는,
    상기 제1 측정모듈과 제어기 사이의 통신 상태가 불능 상태이면, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 열 폭주 검출 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 제1 측정모듈에 의해 상기 제1 측정모듈 및 상기 온도 센서에 진단이 수행되는 단계, 및
    상기 제1 측정모듈 또는 상기 온도 센서에 장애가 발생하면, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 열 폭주 검출 방법.
  17. 제16항에 있어서
    상기 진단이 수행되는 단계는,
    상기 복수의 셀로 구성된 배터리 모듈의 양단 전압을 측정하여 획득한 전압 값과 상기 복수의 셀 각각의 전압을 측정하여 획득한 전압 값들을 비교하여 상기 제1 측정모듈의 장애 발생 여부를 진단하는 단계를 포함하는, 열 폭주 검출 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 진단이 수행되는 단계는,
    상기 적어도 하나의 온도 센서로부터 획득되는 온도 값을 모니터링하여 상기 적어도 하나의 온도 센서의 장애 발생 여부를 진단하는 단계를 포함하는, 열 폭주 검출 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 유효성 진단을 수행하는 단계,
    상기 유효성 진단의 결과로 상기 제1 측정모듈로부터 수신되는 데이터의 사용이 불가한 것으로 판단되면, 상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 열 폭주 검출 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 검출하는 단계는,
    상기 온도 값에 기반한 열 폭주 검출이 유효한 것으로 판단되면, 상기 온도 값을 모니터링하여 상기 배터리 시스템의 열 폭주를 검출하는 단계를 포함하는, 열 폭주 검출 방법.
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