KR102051809B1 - 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특정 위치에 부착되는 가스 센서의 감지값의 연산을 통해 배터리의 이상 유무를 판단하고 조기 경보가 가능한 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 시스템내 특정 위치에 부착되는 가스 센서의 감지값의 연산을 통해 실시간 배터리의 고장 유무를 진단하여 잠재적인 치명적 배터리 사고를 예방하기 위한 조기 경보를 제공하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 관한 것이다.
일반적으로 ESS는 Energy Storage System의 약어로서 에너지저장시스템을 뜻하는 말로 에너지를 저장하였다가 필요한 시기에 사용할 수 있도록 만들어주는 장치입니다. 즉 다양한 형태의 에너지 중에서도 최근 시대에 가장 중요한 전기(전력)을 저장하는 장치인데, 전기에너지를 저장하여 필요할 때 사용함으로써 신재생에너지의 활용도를 제고하여 전력공급 시스템의 안정화를 도모할 수 있으며 전기에너지를 공급하는 여러 분야에 응용함으로써 친환경적이고 효율적인 에너지원으로 사용된다.
ESS는 주로 전력을 저장하는 배터리 시스템, 전기를 교류 또는 직류로 변환하는 전력 변환 장치 그리고 전체 시스템을 관리 제어하는 전력 관리 시스템 (Energy Monitoring System, EMS)으로 구성되어 있다.
이 중 전력을 저장하는 배터리 시스템에 채용되는 배터리 형식은 전기화학식 배터리가 주로 이용되고 있으며 고밀도 에너지를 저장하는 전기화학식 배터리의 특성상 높은 화재 위험성을 안고 있으며 화재 시 인화성 가스 방출과 연쇄 폭발의 위험성을 가지고 있다.
이러한 연유로 배터리 시스템을 안전하게 사용할 수 있도록 관리 감시하는 장치가 필수적이다.
BMS는 Battery Management System의 약어로서, 배터리 셀, 모듈, 랙 시스템을 관리하는 장치인바, 배터리 셀 용량 관리/보호, 사용이력, 수명예측, 과충전/과방전 보호, 통신 등 배터리 셀의 최대 성능을 발휘하면서 안전하게 사용될 수 있도록 관리하는 장치다.
BMS의 역할은 배터리를 관리하는 것으로, 충방전시 셀 밸런싱 역할과, 과전류 차단(규정 이상의 전류가 지나가면 차단) 쇼트시에도 셀을 보호한다. 과전압 충전은 비록 수 밀리보트라 하더라도 셀을 손상시키고 용량을 영구적으로 감소시킬 수 있으며, 거의 완전히 방전되어 저전압 상태에 있는 셀을 사전 조정 없이 충전하면 셀이 손상되어 배터리 안전에 심각하게 문제가 될 수 있다. BMS는 배터리의 과충전/과방전으로부터 배터리를 안전하게 보호하는 기능을 수행하고 전체 셀 전압 평행을 벗어난 하나의 셀이 발견되면 전체 셀 보호를 위해서 차단하고, 고열 차단 기능도 수행한다. 즉 리튬 배터리는 일정 전압 이하로 떨어지지 않게 유지해주고 일정전압 이상 충전을 막아주는 BMS에 의해 관리되어야 수명이 보장된다.
하지만 이러한 보호기능에도 불구하고 제조상의 결함, 설치 시 부주의, 환경운영 미흡, 그리고 시스템 간 통합운영의 부조화 등이 배터리에 가해지는 지속적인 스트레스 요인으로 작용하며 이로 인해 결국 배터리 셀 내부에 손상을 가져올 수 있다. 배터리가 손상이 되면 일반적으로 배터리 셀 내부 온도 상승과 함께 배터리 전해액 용매가 분해 기화되어 배터리 내부 압력이 증가하며 이러한 내부 압력이 일정 수준에 다다르면 배터리 형태에 따라 다양한 방식으로 셀 외부로 기화된 가스를 방출하게 된다.
배출된 가스는 주로 휘발성 유기 화합물(VOC) 가스로 구성되어 있으며 이는 가연성을 지니고 있어 주위에 인화성 분위기를 형성한다. 이러한 상황이 계속 진행될 때 결국 배터리 셀 내부의 급격한 온도 상승과 다량의 열에너지가 방출되어 열 폭주 현상을 겪게 된다. 원래 손상된 배터리에서 발생한 열 폭주로 인한 높은 고열은 인접한 셀로 전달/전도되며 결과적으로 열 폭주 현상이 전이되게 된다. 이는 결국 화재로 진행되어 전체 배터리 시스템의 안전에 돌이킬 수 없는 위험한 상황을 초래하게 된다.
실례로 부주의한 보호 시스템 설계와 관리미흡 등으로 2017년 이후로 국내에서만 연달아 수십 건의 화재 사고가 발생하였으며 그 피해액은 수백억에 이른다. 이에 따라 불안한 심리가 반영되어 국내 ESS 산업의 시장은 전반적인 침체로 위축되고 관련 업계의 막대한 피해는 물론 위기가 감돌고 있다. ESS산업의 질적인 성장과 산업 경쟁력 강화를 위해 화재에 대한 안전 기술 개발이 무엇보다도 시급한 실정이다.
따라서 배터리 손상으로 인해 배출된 가스를 미리 감지하여 경보를 조기에 제공함으로써 열 폭주로 진행되는 것을 예방하는 새로운 배터리 보호 장치의 개발이 필요하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 배터리를 감싸는 외부 함체의 상측판의 정 중앙 뿐만 아니라 내부의 특정 위치에 배치되는 가스 센서를 이용하여 신속하고 정확하게 가스 유출을 검출할 수 있고, BMS를 통해 가스의 농도 변화를 실시간으로 감시하고 배터리의 손상 유무를 판단하여 관리자에게 경보를 제공할 수 있는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 통풍형 기판을 사용하여 센서 주변의 공기 흐름의 영향을 최소화하여 가스를 감지할 수 있는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 가스 센서에 연결된 비교기 등을 이용하여 허용값과 비교하며 비상 경고 신호를 발생할 수 있는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 있어서, 배터리를 감싸는 함체 또는 공간; 상기 공간 내 위치하여 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서; 상기 가스 센서와 연계되어 가스 센서의 측정 신호값으로 계산된 이동 평균값을 토대로 가스의 농도 변화를 연산하고 경보 단계를 판단하는 BMS; 배터리를 제어하는 상위 관리자 시스템으로 경보단계를 BMS를 통해 전송하는 보호 장치;를 포함한다.
본 발명은 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 있어서, 배터리를 감싸는 함체 또는 공간; 상기 공간 내 위치하여 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서; 상기 가스 센서와 연계되어 가스 센서의 측정 신호값 변화를 미분기를 통해 감지한 후 기준값과 비교하여 기준값이하일 때 경보를 배터리 시스템을 제어하는 상위 관리자 감시 시스템(예를 들면, EMS)에 BMS를 통해 전송하는 시스템;을 포함한 보호 장치이다.
본 발명에서 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 있어서, 배터리를 포함한 공간 또는 함체내에서 배치된 가스 센서는 상기 공간 또는 함체의 상측판이 사각형 형태를 갖고, 상기 사각형 형태가 제1축과 인접한 제2축을 포함하여, 제1축의 정중앙점 및 제2축의 정중앙점에서 시작하여 연장 형성된 직선이 서로 교차하는 지점에 배치되거나 공간적 제약조건이 있는 경우 제1축 또는 제2축의 정중앙점에 배치되거나 또는 제1축과 제2축이 서로 교차하는 지점에 배치된다.
본 발명은 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 있어서, 배터리를 감싸는 함체 또는 공간; 상기 함체에 부착되는 배출팬; 상기 함체 내 배터리에서 배출되는 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서; 상기 가스 센서와 전기적으로 연결된 서브 BMS;를 포함한 보호 장치이다.
상기 배터리란 화학적 방법으로 전기 에너지를 저장하는 장치이다.
상기 배터리를 감싸는 공간 또는 함체는 복수의 배터리 셀을 감싸는 모듈, 복수의 모듈을 포함하는 랙, 또는 복수의 랙을 포함하는 배터리 실을 포함한다.
상기 가스 센서는, 상기 함체의 상측판이 사각형 형태를 갖고, 상기 사각형 형태가 제1축과 인접한 제2축을 포함하여, 제1축의 정중앙점 및 제2축의 정중앙점에서 시작하여 연장 형성된 직선이 서로 교차하는 지점에 배치되거나 공간적 제약조건이 있는 경우 제1축 또는 제2축의 정중앙점에 배치되거나 또는 제1축과 제2축이 서로 교차하는 지점에 배치된다.
상기 가스 센서의 배치는 배터리를 포함하는 공간의 제약이 있는 경우, 이를테면 즉 배터리 모듈내에 상기 가스 센서가 배치되는 경우에, 상기 함체의 하측 판의 제 1축의 중앙부근 및 제 2축의 중앙부근이 서로 교차하는 지점에 배치되거나, 상기 함체의 높이 중간에 위치하며 하측판과 평행을 이루는 평면에서 제1축의 중앙 부근 및 제2축의 중앙 부근이 서로 교차하는 지점에 배치되거나, 상기 함체의 제 1축과 제 2축이 서로 교차하는 지점에 배치되거나, 상기 함체의 제 1축과 제 2축이 서로 교차하는 지점에 배치되거나, 상기 함체의 높이 중간에 위치하고 하측면과 평행인 평면에서 제 1축의 중앙부근 또는 제 2축이 서로 교차하는 지점에 배치되거나, 상기 함체의 상측 판의 제 1축의 중앙 부근에 배치되거나, 상기 함체의 하측 판의 제 1축의 중앙 부근에 배치되거나, 상기 함체의 높이 중간에 위치하며 하측판과 평행을 이루는 중간 평면의 제 1축의 중앙 부근에 배치된다.
상기 가스 센서의 배치는 상기 함체에 설치된 배출팬으로부터 공기 흐름 경로에 배치하거나, 배출팬으로부터 상부 방향으로 상기 함체 외부에 어느 정도 이격을 두어 배치하거나, 배출팬으로부터 하부 방향으로 상기 함체 내부에 어느 정도 이격을 두어 배치하거나, 배출팬으로부터 좌 또는 우 방향으로 어느 정도 이격하여 상기 함체 외부 또는 내부에 배치된다.
본 발명은 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 있어서, 배터리 모듈을 감싸는 함체; 상기 함체 내에 위치하여 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서;를 포함한다.
또한 본 발명은 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 있어서, 배터리 모듈을 감싸는 함체; 상기 함체에 부착되는 배출팬; 상기 함체 내의 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서; 상기 가스 센서의 신호값 변화율을 미분기를 통해 감지한 후 기준값과 비교하여 기준값 이상일 경우 경보를 배터리 시스템을 제어하는 상위 관리자 감시 시스템(예를 들면, EMS)에 BMS를 통해 전송하는 시스템을 포함한다.
상기 가스 센서는 통풍공이 복수개 형성된 기판인 통풍형 기판 상에 설치된다.
상기 가스 센서는 금속산화물, 화학저항식, 반도체식, 광이온, 및 적외선 센서 중 하나 이상을 포함한다.
상기 통풍형 기판 상에는 배터리의 이상으로 배터리로부터 배출되거나 새어나오는 VOC가스를 검출할 수 있는 금속산화물, 화학저항식, 반도체식, 광이온, 또는 적외선 센서가 형성된다.
상기 통풍형 기판 상에는 가스 센서 PCB 기판이 부착되고, 상기 가스 센서 PCB 기판과 아날로그 디지털 변환기에서 생성되는 정보를 외부 통신망에 전달하는 12C 통신 인터페이스를 더 포함한다.
상기 배터리를 관리하는 BMS와 연계되어 배터리로부터 배출되는 가스를 감지하는 가스 감지 센서와 가스 누출 변화를 계산하는 가스 센서 모듈을 포함한다.
상기 미분기는 신호값 변화율을 각 시간당 미분하여 미분값을 생성하는 장치이다.
본 발명은 배터리로부터 배출되는 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 방법에 있어서, 상기 가스 센서의 측정 신호값으로 지수 이동 평균값을 계산하고 상기 평균값을 이용하여 정상적인 가스 농도 변화 범위를 설정하고, 측정된 센서 신호값이 정상적인 변화범위를 넘어선 경우 경보를 발생하는 단계;로 이루어진다.
본 발명은 배터리로부터 배출되는 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 방법에 있어서, 상기 가스 센서의 측정 신호값 변화율을 가스 센서에 부착된 미분기를 통해 감지한 후 미리 설정된 기준값과 비교하여 기준값 이하일 경우 경보를 발생하는 단계;로 이루어진다.
본 발명은 복수의 배터리를 감싸는 모듈과, 상기 모듈 내 위치하여 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 방법에 있어서, 상기 가스 센서의 측정 신호값을 지수 이동 평균값을 통해 신호값의 일정치 이상의 변화를 판단하고 허용값과 비교하여 정상적인 변화범위를 넘어선 경우 경보를 발생하는 단계; 상기 가스 센서의 신호값 변화율을 미분기를 통해 감지한 후 기준값과 비교하여 기준값 이하일 경우 경보를 발생하는 단계;로 이루어진다.
본 발명은 배터리 모듈을 감싸는 함체, 상기 함체 내에 위치하여 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 방법에 있어서, 상기 가스 센서의 측정 신호값을 지수 이동 평균값을 통해 신호값의 일정치 이상의 변화를 판단하고 허용값과 비교하여 정상적인 변화범위를 넘어선 경우 경보를 발생하는 단계; 상기 가스 센서의 신호값 변화율을 미분기를 통해 감지한 후 기준값과 비교하여 기준값 이하일 경우 경보를 발생하는 단계;로 이루어진다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 배터리 모듈 내에 가스 센서를 장착하여 배터리로부터 배출되는 가스를 검출하여 배터리의 손상 유무를 신속하고 정확하게 판단할 수 있다.
또한 본 발명은 배출된 가스가 상승하는 성질을 이용하거나 강제 공기 흐름을 이용하여 배터리가 위치하는 공간 내에서 가스 센서 위치를 결정하여 보다 신속하고 정확한 가스 유출을 검출할 수 있다.
또한 본 발명은 ESS 등의 사고의 위험성은 저감시키면서, 배터리 운용의 효율성을 높일 수 있는 효과가 발생한다.
또한 본 발명은 다양한 레벨의 허용 하한 임계치와 경고 횟수를 통해 센서의 민감도에 따른 오작동을 줄이며 여러 단계의 경보를 통지할 수 있어 관리자의 유지보수의 편의와 비용절감의 장점을 가진다.
도 1 a, b는 본 발명에 따른 일반적인 원통형 배터리 셀의 외관과 기능 및 역할을 보여주는 도면이다.
도 2 a, b, c, d, e는 본 발명에 따른 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 원통형 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈과, 전기적으로 연결된 복수의 배터리 모듈을 수직으로 적층하여 포함하는 배터리 함체 또는 랙과, 이를 배터리 룸 내 복수개 배치되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 3 a, b, c는 와이어에 본드된 MEMS 기판 위의 센서와 그 사진과 가스 센서 모듈이 장착된 통풍형 기판을 보여주는 도면이다.
도 4 a, b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리에서 배출되는 가스 농도에 따른 센서 신호와, 시간의 변화에 따른 센서 신호 값의 급격한 변동을 보여주는 도면이다.
도 5 a, b는 일정한 공간 내 특정 위치에 가스 센서를 부착한 후 실험한 결과를 보여주는 도면이다.
도 6 a, b, c, d, e, f는 함체의 특정 위치에 가스 센서를 부착한 실시예를 나열한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시간에 따른 센서의 측정 신호 값, 지수 이동 평균값(Exponential Moving Average, EMA), 그리고 허용 하한 임계치의 예시를 보여주는 그래프 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 측정값의 변화를 측정하는 회로도이다.
도 2 a, b, c, d, e는 본 발명에 따른 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 원통형 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈과, 전기적으로 연결된 복수의 배터리 모듈을 수직으로 적층하여 포함하는 배터리 함체 또는 랙과, 이를 배터리 룸 내 복수개 배치되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 3 a, b, c는 와이어에 본드된 MEMS 기판 위의 센서와 그 사진과 가스 센서 모듈이 장착된 통풍형 기판을 보여주는 도면이다.
도 4 a, b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리에서 배출되는 가스 농도에 따른 센서 신호와, 시간의 변화에 따른 센서 신호 값의 급격한 변동을 보여주는 도면이다.
도 5 a, b는 일정한 공간 내 특정 위치에 가스 센서를 부착한 후 실험한 결과를 보여주는 도면이다.
도 6 a, b, c, d, e, f는 함체의 특정 위치에 가스 센서를 부착한 실시예를 나열한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시간에 따른 센서의 측정 신호 값, 지수 이동 평균값(Exponential Moving Average, EMA), 그리고 허용 하한 임계치의 예시를 보여주는 그래프 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 측정값의 변화를 측정하는 회로도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명에 따른 배터리 셀(200)의 일례로 도 1 a에 도시되어 보여준다. 이러한 일례에 따르면 도 1b의 양극 단자(1)와 전해액 하우징(7)과 전해액 하우징(7)의 양단에서 쇼트를 방지하는 탑 인슐레이터(Top Insulator; 6)와 바텀 인슐레이터(Bottom Insulator; 8)를 포함하고, 상기 전해액 하우징(7) 내에는 양극/음극/세퍼레이터 권취 구성체가 함침되며, 전해액 누액 방비와 양극/음극 절연을 위한 개스킷(5)과 안전을 위해 전지 내압 상승 시 가스를 방출하는 벤트(4)와 내압 상승 시 벤트(4)에 의해 전류를 차단하는 CID(3) 등으로 구성된다.
도 2a는 배터리(200)를 장착한 배터리 모듈(201)과 배터리 모듈(201)의 전단부에 서브 BMS(204)가 플레이트 형태로 부착되어 각 배터리(200)의 상태를 관리한다.
도 2c는 모듈 내 서브 BMS(204)의 위치를 표시하는 도면이다. 모듈 별 가스 센서를 장착하는 경우, 일례로 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 서브 BMS(204)와 연결된 가스 센서의 모듈 내 위치(200-5)를 보여준다. 공간에서 가스가 확산되어 최종 센서의 위치까지 도달하여 감지되는 가스 농도는 가스 배출원으로 부터 감지 거리까지의 세제곱에 비례함으로 신속하고 정확하게 가스를 검출하기 위해 감지 공간이 작을수록 효과적이다. 예를 들어 일실시예로서 모듈 별 가스센서 장착이 가장 바람직하다.
따라서 본 발명은 모듈 별 가스 센서 장착으로 손상된 배터리의 위치를 모듈 단위로 파악할 수 있어 유지 보수나 교체 시 용의한 점이 있다.
또한 서브 BMS(204)를 장착한 복수개의 배터리 모듈(201-1 ~ 201-n)을 감싸는 함체 또는 랙(100)의 내부 상측부에 랙 BMS(203)가 위치한다.
상기 함체 또는 랙의 밀폐도에 따라 원할한 공조를 위해 상기 함체 또는 랙(100)의 상측부 중앙부에는 공냉을 위한 배출 팬(101)이 설치될 수 있다.
도 2d는 함체(100) 대신 전면부가 외부로 노출된 창을 갖는 프레임을 더 설치하여, 서브 BMS(204)를 장착한 복수개의 배터리 모듈(201-1 ~ 201-n)을 외부에서 관찰할 수 있고, 상기 서브 BMS (204) 또는 랙 BMS(203)의 전면에는 측정된 모듈 또는 랙 내부 환경 변수들을 (내부 온도나 가스 경보 표시) 표시할 수 있는 디스플레이창이 더 형성될 수도 있다.
도 2e는 상기 도 2c를 복수개(100-1, 100-n) 나열한 도면으로서, 내부에 각각 배터리 모듈(201)이 설치되어 하나의 배터리 시스템(Battery System) 역할을 하게 된다.
본 발명은 모듈 별 가스 센서를 장착 시 추가적인 복잡성이나 경제성을 고려하여 랙 별 가스센서를 배치하는 경우에는, 신속하고 정확하게 가스유출을 검출하기 위해 상기 함체 (100) 내 상측면에 가스 센서를 배치할 수 있다.
이러한 가스 센서 배치는 함체 내 강제 기류가 없을 때 더욱 효과적인 배치라 할 수 있다. 상기 가스 센서와 연결된 랙 BMS(203)는 가스의 농도 변화를 실시간 판단하여 관리자에게 경보할 수 있다.
도 3a는 가스 센서(120)의 사시도와 절단면도와 시간에 따른 가스 측정치의 변화량(120-4)을 나타내는 그래프를 보여준다.
상기 가스 센서(120)는 MEMS 기판(120-3) 위에 복수개의 전극(electrode; 120-2)이 분리되어 형성되고, 상기 전극(120-2)의 중앙에는 표면에서 VOC 가스를 흡착하여 저항값이 변경되는 금속산화물(120-1)이 형성된다.
본 발명의 일실시예에 따른 가스 센서(예 : MEMS형 VOC 가스센서; 120)의 동작 원리를 살펴보면, 금속 산화물(MEMS 기판 메탈 옥사이드, metal oxide; 120-1)가 전극(electrode; 120-2)에 본딩되어 가스를 검출한다.
상기 가스 검출이란 배터리가 운용되고 있는 공간에서 존재하는 상기 가스의 농도 변화를 말하며 센서 신호값이란 센서 감지 판이 공기와 접촉하여 변화하는 전기 신호를 말하며 전압 및 저항을 포함 한다. 측정된 센서 신호의 변화로 검출된 가스의 양을 판단하여 경보신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.
예를 들면, 금속산화물 센서의 경우, 상기 가스에 민감한 금속 산화물(120-1)이 상기 가스에 노출시 금속 산화물 층의 전도도 변화를 측정하여 가스의 양을 결정한다.
상기 가스 센서는 금속산화물, 화학저항식, 반도체식, 광이온, 및 적외선 센서를 포함하는 모든 종류의 가스 센서를 일컫는다.
도 3b는 도 3a의 가스 센서를 자세히 보여주는 확대 사진과 내부 투과 사진이다.
도 3c는 배출팬(101) 상측부 또는 그 위치에 대신하여 설치되는 기판(300)으로서 관통홀(306)을 포함하는 통풍형 기판(302) 위에 상기 가스 센서(120)가 설치되는 가스감지판(301)과 상기 가스 센서(120)의 저항값을 전달받아 디지털로 변환하는 AD 컨버터(AD Converter; 303)와 I2C 인터페이스(304)가 형성된다.
상기 가스 센서(120)를 포함하는 센서 PCB 감지판(301)과 아날로그 디지털 컨버터(303)와 I2C 인터페이스(304)로 구성된다.
도 4 a,b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 가스센서(120)의 센서 신호값(601)이란 센서에서 측정된 전기 신호를 말하며 전압 및 저항값을 포함한다.
센서 신호값 (601)의 시간에 따른 변화를 평가하며 휘발성 유기 화합물 가스 검출 유무을 결정하고 그 결과를 바탕으로 경보신호를 발생한다.
본 발명의 일실시예로서 미분기(도 8 참조)를 이용하여 구한 센서 신호값의 기울기가 허용 기울기 값보다 작을 때, 가스가 검출된 것으로 판단한다. 상기 허용 기울기 값은 센서의 민감도에 따른 잘못된 경보를 발생하는 것을 방지하기 위해 0보다 훨씬 적은 값이여야 한다.
본 발명에서 사용되는 가스센서(120)가 강제 공기 흐름이 없는 공간 내에 설치된 경우, 주변 상온 온도에서는 배터리 이상으로 배출되는 가스는 위로 상승하는 경향을 고려하여 가스센서의 위치를 결정할 수 있다. 도 5a, b에 도시된 바와 같이 일정한 정육면체 공간 내 중심에 가스를 발생시키는 가스 배출원을 놓고, 가스 배출원으로부터 각기 다른 방향으로 배치된 가스 센서(120)의 위치에 따라 가스의 감지도가 달랐으며 측정 결과 Sensor 2의 위치에서 가장 감지도가 좋았으며 다음으로는 Sensor 1 위치에서 감지도가 좋았다.
따라서 본 발명에서 상기 가스 센서의 배치는 Sensor 2의 위치에 해당하는 제1측의 정중앙점 및 제2측의 정중앙점에서 시작하여 연장 형성된 직선이 서로 교차하는 지점(도 6a 103참조)에 배치되거나 공간적 제약으로 상기 지점에 배치가 어려운 경우 상기 제1축 또는 상기 제2축의 정중앙점(도 6e 117참조)에 배치되거나 또는 상기 제1축과 상기 제2축이 서로 교차하는 지점(도 6c 114참조)에 배치하는 것이 바람직하다.
도 5a, b에 도시된 바와 같이 본 발명에서 강제 공기 흐름이 없는 경우, 주변 상온 온도에서는 배터리 이상으로 배출되는 가스는 위로 상승하는 경향이 있다.
또 다른 실시예로서 도 6 a, b, c, d, e, f에 도시된 바와 같이 본 발명은 상기 함체(100)의 하측 판(106)의 제 1축(108)의 중앙부근 및 제 2축(109)의 중앙부근이 서로 교차하는 지점(107), 상기 함체(100)의 높이 중간에 위치하며 하측판(106)과 평행을 이루는 평면에서 제1축(112)의 중앙 부근(119) 및 제2축(113)의 중앙부근이 서로 교차하는 지점(111), 상기 함체(100)의 제 1축(104)과 제 2축(105)이 서로 교차하는 지점(114), 상기 함체(100)의 제 1축(108)과 제 2축(109)이 서로 교차하는 지점(115), 상기 함체(100)의 높이 중간에 위치하고 하측면과 평행인 평면(110)에서 제 1축(112)의 중앙부근(119) 또는 제 2축(113)이 서로 교차하는 지점(116), 상기 함체(100)의 상측 판(102)의 제 1축의 중앙 부근(117), 상기 함체(100)의 하측 판(106)의 제 1축의 중앙 부근(118), 및 상기 함체(100)의 상기 함체(100)의 높이 중간에 위치하며 하측판(106)과 평행을 이룬다.
본 발명에서 사용되는 가스센서(120)가 강제 공기 흐름이 있는 공간 내에 설치된 경우, 예를 들면 함체 내에 강제 배출팬이 설치되어 있고 그 함체 내의 배터리의 이상으로 배출되는 가스 검출을 위한 가스 센서가 설치된 경우, 배출팬으로부터 외부로 배출되는 공기흐름 경로에 설치하되 강제 배출 팬 근처에 설치하는 경우에는 배출 공기 속도로 부터 영향을 덜 받도록 하며 센서 감지 표면이 공기흐름에 맞닿는 것을 피해야 한다. 따라서 본 발명에서 상기 가스센서(120)는 상기 배출팬의 상부 방향으로 함체 외부에 또는 하부방향으로 함체 내부에 어느 정도 이격하여 배치하거나, 상기 배출팬으로부터 측면 방향으로 어느 정도 이격하여 배치한다.
상기 가스센서(120)는 강제 공기 흐름이 있는 경우, 공기흐름 경로의 배출구에 설치하되 강제 배출 팬 근처에 설치하는 경우에는 공기 속도로 부터 영향을 덜 받도록 설치하여야 한다.
또 다른 실시예로서 도 6 a, b, c, d, e, f에 도시된 바와 같이 본 발명은 상기 함체(100)의 하측 판(106)의 제 1축(108)의 중앙부근 및 제 2축(109)의 중앙부근이 서로 교차하는 지점(107), 상기 함체(100)의 높이 중간에 위치하며 하측판(106)과 평행을 이루는 평면에서 제1축(112)의 중앙 부근(119) 및 제2축(113)의 중앙부근이 서로 교차하는 지점(111), 상기 함체(100)의 제 1축(104)과 제 2축(105)이 서로 교차하는 지점(114), 상기 함체(100)의 제 1축(108)과 제 2축(109)이 서로 교차하는 지점(115), 상기 함체(100)의 높이 중간에 위치하고 하측면과 평행인 평면(110)에서 제 1축(112)의 중앙부근(119) 또는 제 2축(113)이 서로 교차하는 지점(116), 상기 함체(100)의 상측 판(102)의 제 1축의 중앙 부근(117), 상기 함체(100)의 하측 판(106)의 제 1축의 중앙 부근(118), 및 상기 함체(100)의 상기 함체(100)의 높이 중간에 위치하며 하측판(106)과 평행을 이룬다.
본 발명에서 가스센서를 이용하여 가스 농도 변화를 판단하는 방법으로 도 7에 도시된 바와 같이 가스 센서로부터 측정된 센서 신호 값을 전송받은 가스 센서와 연계된 BMS는 매 시간 센서 신호 값을 이용하여 지수 이동 평균값(EMA)를 구하고, 상기 EMA로부터 미리 설정한 백분율(P%)을 이용하여 허용 하한 임계치(LB)을 다음과 같이 구한다. LB = EMA × ( 1-P/100). 이때 측정된 센서 신호값(503)과 LB(501)를 비교하여 센서 신호값이 임계치보다 작을 경우, 가스 농도의 의미있는 변화로 판단하고 비상 경고 신호를 발생하고 관리자(예 : 관리자 단말기)에 전송한다. 여기에서 의미있는 변화란 돌이킬 수 없는 배터리의 내부 손상이 시작되어 사고로 이어질 수 있는 상황을 말한다. 여기에서 상기 가스 센서 신호 값이란 센서에서 측정된 전기 신호를 말하며 전압 및 저항을 포함한다.
또한 본 발명은 일실시예로서 가스 센서와 연계된 BMS는 상위 BMS나 관리자에게 경보 신호를 전달하여 위급 시 관리자의 신속한 대응이 가능하다. 이를테면 모듈별 가스 감시하는 경우, 서브BMS(204)에서 랙BMS(203)로, 랙BMS(203)에서 관리자에게 전달되며, 랙별로 가스 감시하는 경우, 랙BMS(203)에서 관리자에게 전달되는 경로를 거쳐 최종적으로 대응 조치를 취할 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이 가스센서에서 측정된 센서 신호 값의 급격한 기울기(601-1)를 감지하기 위해 본 발명에서 가스 센서에 미분기(도 8참조)를 장착하여 기울기를 감지하고 감지된 기울기를 허용 기울기와 비교하여 센서 신호값의 시간에 따른 급격한 변화를 판단한다. 여기에서 급격한 변화란 돌이킬 수 없는 배터리의 내부 손상으로 인해 가스 배출이 시작된 상황을 말한다. 급격한 변화가 발생한 경우 이를 감지한 미분기는 A/D 컨버터(303)를 통해 디지털화된 신호를 프로세서(305)를 통해 가스 센서와 연계된 BMS를 통해 관리자(예 : 관리자 단말기)에 즉시 전송된다.
즉 도 4b의 급격한 기울기(601-1)가 발생한 경우 이를 감지한 미분기는 A/D 컨버터(303)를 통해 디지털화된 신호를 프로세서(305)에 즉시 전달할 수 있다.
또한 본 발명은 일실시예로서 미분기의 프로세서(305)를 통해 전달받은 가스 농도값이 일정 기준치를 벗어난 경우, 해당 가스 센서와 연계된 BMS는 상위 BMS나 관리자에게 경보 신호를 전달하여 위급 시 관리자의 신속한 대응이 가능하다. 즉 모듈 별로 가스를 감시하는 경우, 서브BMS(204)에서 랙BMS(203)로, 랙BMS(203)에서 관리자에게 전달되며 랙 별로 가스 감시하는 경우, 랙BMS(203)에서 관리자에게 전달되는 경로를 거쳐 최종적으로 대응 조치를 취할 수 있다.
이 때 관리자에게는 가스 센서 또는 가시광 카메라 또는 적외선 카메라 등 중에 어느 센서로 측정이 되었는지에 대한 정보도 함께 전달되어 판단을 용이하게 한다.
또한 가스 센서 또는 가시광 카메라 또는 적외선 카메라가 함체(100)의 중앙 지점에서 떨어진 거리를 측정하여 가스 발생 지점을 대략적으로 예측할 수도 있다.
이를 위해 실시예로서 상기 가스 센서(120)는 상기 함체(100)의 하측 판의 모서리에 배치되며, 하측판의 모서리란 하측판에 인접한 제 1축과 제 2축의 중앙점을 연장한 선이 서로 교차하는 지점이다.
또 다른 실시예로서 본 발명은 상기 함체(100)의 상측 판 모서리 및 하측 판 모서리 부근에 배치된 상기 가스 센서(120) 등을 포함할 수 있다.
또는 랙 BMS(203)에 미리 설정된 위험 장소(예: 일정치 이상의 가스 검출 횟수를 감지한 센서의 위치) 중에서 중요 위험 장소의 현재 현황을 관리자 이동 단말기에 디스플레이하도록 하여 직접 감독하도록 유도할 수 있다.
센서 감지 신호를 전달받아, 근로자 이동 단말기 또는 관리자 이동 단말기 또는 관리자 단말기에 직접 위험을 알리도록 제어할 수도 있다.
본 발명은 배터리의 이상으로 배터리에서 배출되는 또는 새어 나오는 VOC가스의 검출을 가스센서 신호값 영역의 변화를 기반으로 결정하는 검출 카메라를 상기 함체(100)의 상측판의 정 중앙에 배치시킬 수 있다.
상기 함체(100)의 상측판 정 중앙이란 제1축의 정 중앙 및 제2축의 정 중앙에서 출발하여 연장 형성되어 서로 교차하는 지점이다.
본 발명은 본 발명에 따른 가스 센서 대신 가시광 영상을 촬상하는 가시광 카메라 및 상기 가시광 카메라와 동일 영역의 적외선 영상을 촬상하는 적외선 카메라 등을 포함할 수 있다.
그리고 가스 감시 카메라 등을 사용하여 가스가 퍼진 영역을 직접 관찰할 수도 있다.
일실시예로서 먼저 가스 센서의 신호값 변화율이 큰 경우 관리자에게 경고 신호를 보낸 후, 가시광 영상들과 적외선 카메라들로 촬영되는 적외선 영상들을 결합하고, 결합된 적외선 영상에서 DB에 미리 저장되어 있는 특정가스의 온도값이 감지되면 가스누설지점을 추출하며, 추출된 가스누설지점을 가시광 영상에 합성하여 최종 결과 이미지를 관리자에게 전송할 수 있다.
여기에서 피드백 신호부는 상기 관리자에게 가시광 영상들과 적외선 카메라들로 촬영되는 적외선 영상들을 결합한 추가 정보를 포함하는 피드백 신호를 전송한다.
다른 실시예로서 가시광 영상들과 적외선 카메라들로 촬영되는 적외선 영상에서 열화상에 따른 온도 분포의 데이터 또는 열화상 이미지 보정부에 의하여 보정된 보정 데이터를 해당 온도에서 가스 누출이 발생되지 않을 때의 온도 분포를 가지는 기준 데이터와 비교한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 측정값의 변화를 측정하는 회로도이다. 도 8을 참조하면, 상기 센서 측정값의 변화를 측정하는 회로는 미분기(307), 비교기(308), AD 컨버터(303), 프로세서(305)로 구성되어 있다. 상기 미분기는 제어전압(Vcc)를 공급받아서 가스 센서(120) 및 제1 저항(121)이 상기 제어전압(Vcc)을 분압한다. 상기 가스 센서(120)는 배터리가 정상상태일 때 600[Ω]이며 배터리가 이상 상태 인 경우에 상기 가스 센서(120)는 250[Ω]으로 순간적으로 감소하게 된다. 따라서 본 발명에서는 이의 순간적인 변화를 검출하기 위한 미분기(307)를 기술적 특징으로 한다. 상기 미분기(307)에서는 정상적인 상태에서는 출력을 발생시지 않지만, 배터리가 이상 상태에서는 출력을 발생시킨다. 더불어 상기 비교기(308)에서는 제1 커패시터(123) 및 제2 저항(122)이 위치한다. 상기 비교기(308)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 AD 컨버터(303)가 배치되며, 상기 AD 컨버터(303)의 출력신호를 처리하는 프로세서(305)의 신호를 바탕으로 랙 BMS(203) 또는 서브 BMS(204)를 제어하는 것을 기술적 특징으로 한다.
따라서 본 발명을 이용하여 위급시 관리자의 신속한 시스템 차단으로 배터리들의 열 폭주 진행을 예방할 수 있다.
1 : 단자
3 : CID
4 : 벤트
5 : 개스킷
7 : 하우징
100, 201 : 함체
101 : 배출팬
120 : 가스 센서
120-1 : 금속산화물
120-2 : 전극
120-3 : MEMS 기판
120-4 : 가스 측정치의 변화량
121 : 제1 저항
122 : 제2 저항
123 : 제1 커패시터
200 : 배터리
200-5 : 가스 센서
201, 201-n : 배터리 모듈
203 : 랙 BMS
204 : 서브 BMS
300 : 기판
301 : 가스감지판
302 : 통풍형 기판
303 : AD 컨버터
304 : I2C 인터페이스
305 : 프로세서
306 : 관통홀
307 : 미분기
308 : 비교기
501: 허용 하한 임계치
503: 센서 신호값
Vcc : 제어전압
Vc : 비교기 출력전압
V1 : 비교기 입력전압
Vref : 기준전압
3 : CID
4 : 벤트
5 : 개스킷
7 : 하우징
100, 201 : 함체
101 : 배출팬
120 : 가스 센서
120-1 : 금속산화물
120-2 : 전극
120-3 : MEMS 기판
120-4 : 가스 측정치의 변화량
121 : 제1 저항
122 : 제2 저항
123 : 제1 커패시터
200 : 배터리
200-5 : 가스 센서
201, 201-n : 배터리 모듈
203 : 랙 BMS
204 : 서브 BMS
300 : 기판
301 : 가스감지판
302 : 통풍형 기판
303 : AD 컨버터
304 : I2C 인터페이스
305 : 프로세서
306 : 관통홀
307 : 미분기
308 : 비교기
501: 허용 하한 임계치
503: 센서 신호값
Vcc : 제어전압
Vc : 비교기 출력전압
V1 : 비교기 입력전압
Vref : 기준전압
Claims (14)
- 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 있어서,
복수의 배터리를 감싸는 외부 함체(100);
상기 외부 함체(100) 내 위치하여 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하고, 상기 외부 함체(100) 내의 상측판의 제1축과 인접한 제2축이 형성되고,
상기 제 1축의 중앙점과 제 2축의 중앙점이 서로 교차하는 지점에 배치되거나, 제1측 또는 제2축 정중앙점에 배치되거나, 제1측과 제2축이 교차하는 지점에 배치되는 가스 센서(120);
상기 가스 센서(120)의 하측(下側)에 통풍공이 복수개 형성된 통풍형 기판(302);
상기 가스 센서(120)의 센서 저항 값을 아날로그 신호에서 디지털로 변화시키는 AD 컨버터(303);
상기 배터리 보호 장치는 상기 가스 센서(120)의 센서 저항 값 변화의 기울기를 감지하는 미분기(307);
상기 가스 센서(120)의 센서 신호값으로 지수 이동 평균값(EMA)를 구하고 허용 하한 임계치(LB)를 상기 EMA로부터 미리 설정한 백분율(P%)을 이용하여 LB = EMA × ( 1-P/100) 구한 후, 상기 신호값과 LB의 비교를 통해 상기 신호값이 허용 하한 임계치를 벗어난 경우, 돌이킬 수 없는 배터리 손상으로 판단하여 경보를 발생하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치. - 제1항에 있어서,
상기 가스 센서(120)와 연계되어 상기 가스 센서에서 측정된 센서 신호값을 전송받아 연산과정을 거친 후 그 결과에 따른 경보를 발생하는 BMS;를 포함하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치. - 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치에 있어서,
복수의 배터리를 감싸는 외부 함체(100);
상기 외부 함체(100) 내 위치하여 휘발성 유기 화합물 가스를 검출하는 가스 센서(120);
상기 외부 함체(100) 내의 상측판의 제1축과 인접한 제2축이 형성되고,
상기 제 1축의 중앙점과 제 2축의 중앙점이 서로 교차하는 지점에 배치되거나, 제1측 또는 제2축 정중앙점에 배치되거나, 제1측과 제2축이 교차하는 지점에 배치된 배출팬(101);
상기 가스 센서(120)의 하측(下側)에 통풍공이 복수개 형성된 통풍형 기판(302);
상기 가스 센서(120)의 센서 저항 값을 아날로그 신호에서 디지털로 변화시키는 AD 컨버터(303);
상기 배터리 보호 장치는 상기 가스 센서(120)의 센서 저항 값 변화의 기울기를 감지하는 미분기(307);
상기 가스 센서(120)의 센서 신호값으로 지수 이동 평균값(EMA)를 구하고 허용 하한 임계치(LB)를 상기 EMA로부터 미리 설정한 백분율(P%)을 이용하여 LB = EMA × ( 1-P/100) 구한 후, 상기 신호값과 LB의 비교를 통해 상기 신호값이 허용 하한 임계치를 벗어난 경우, 돌이킬 수 없는 배터리 손상으로 판단하여 경보를 발생하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치. - 제3항에 있어서,
상기 가스 센서(120)는 상기 외부 함체(100) 상측부에 위치한 배출팬(101) 상측(上側)에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치. - 제3항에 있어서,
상기 가스 센서(120)는 상기 외부 함체(100) 상측부에 위치한 배출팬(101) 하측(下側)에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 장치. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 가스 센서는 VOC 가스를 검출할 수 있는 금속산화물, 화학저항식, 반도체식, 광이온, 및 적외선 센서 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 통풍형 기판 상에는 가스 센서 PCB 기판(301)이 부착되고, 상기 가스 센서 PCB 기판(301)과 아날로그 디지털 변환기(303)에서 생성되는 정보를 외부 통신망에 전달하는 12C 통신 인터페이스(304)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 배터리 보호 장치는 상기 가스 센서의 센서 저항 값을 이용해 지수 이동 평균값을 구하고 상기 평균값으로 하한 임계값(501)을 구하고 상기 하한 임계값과 신호값과 비교하는 것을 특징으로 하는 가스 센서를 이용한 배터리 보호 장치. - 제1항 또는 제3항의 장치를 이용한 배터리 보호 방법에 있어서,
상기 배터리 보호 장치는 상기 가스 센서의 센서 저항 값을 이용해 지수 이동 평균값을 구하고 상기 평균값으로 하한 임계값(501)을 구한고 상기 하한 임계값과 신호값과 비교하는 단계; 또는
상기 가스 센서(120)의 저항 값 변화를 미분기를 통하여 감지한 이후에 허용 기준값과 비교하여 기준값 이하일 경우 배터리로부터 가스가 이상 배출되는 것으로 판단하여 경보를 발생하는 단계;로 이루어진 가스 센서를 이용한 배터리 보호 방법. - 삭제
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