[go: up one dir, main page]

KR20250095035A - Complex physical quantitity measuring device using optical fiber sensor for lithium-ion battery status monitoring - Google Patents

Complex physical quantitity measuring device using optical fiber sensor for lithium-ion battery status monitoring Download PDF

Info

Publication number
KR20250095035A
KR20250095035A KR1020230185669A KR20230185669A KR20250095035A KR 20250095035 A KR20250095035 A KR 20250095035A KR 1020230185669 A KR1020230185669 A KR 1020230185669A KR 20230185669 A KR20230185669 A KR 20230185669A KR 20250095035 A KR20250095035 A KR 20250095035A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical fiber
sensor
lithium
ion battery
fiber sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020230185669A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이관일
김종범
정욱진
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020230185669A priority Critical patent/KR20250095035A/en
Publication of KR20250095035A publication Critical patent/KR20250095035A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35309Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
    • G01D5/35316Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35354Sensor working in reflection
    • G01D5/35358Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
    • G01D5/35364Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity using inelastic backscattering to detect the measured quantity, e.g. using Brillouin or Raman backscattering
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/3537Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
    • G01D5/3538Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself using a particular type of fiber, e.g. fibre with several cores, PANDA fiber, fiber with an elliptic core or the like
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
    • G01L1/246Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치는, 리튬이온 배터리 셀의 외부에 부착되거나 내부에 내장되는 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating) 센서 또는 측정 광섬유가 루프 형태로 형성되는 분포형 광섬유 센서; 및 브래그 격자 센서의 일단 또는 분포형 광섬유 센서의 양단에 미리 설정된 주파수를 갖는 광파를 제공하여 반사되거나 산란되는 광파를 기초로, 리튬이온 배터리 셀의 온도 및 스트레인을 측정하는 복합물리량 측정부;를 포함한다. 이에 따라, 부피가 작고 내화학성과 전자기파의 간섭에 영향을 받지 않는 간단한 구조의 광섬유 센서를 리튬이온 배터리 상태분석에 사용할 수 있다.A complex physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium-ion battery condition analysis includes: a Bragg grating (FBG) sensor attached to the outside of or built into the inside of a lithium-ion battery cell or a distributed optical fiber sensor in which a measurement optical fiber is formed in a loop shape; and a complex physical quantity measuring unit which provides an optical wave having a preset frequency to one end of the Bragg grating sensor or both ends of the distributed optical fiber sensor and measures the temperature and strain of the lithium-ion battery cell based on the reflected or scattered optical wave. Accordingly, a simple optical fiber sensor having a small volume, chemical resistance, and a structure that is not affected by electromagnetic wave interference can be used for lithium-ion battery condition analysis.

Description

리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치{COMPLEX PHYSICAL QUANTITITY MEASURING DEVICE USING OPTICAL FIBER SENSOR FOR LITHIUM-ION BATTERY STATUS MONITORING}{COMPLEX PHYSICAL QUANTITITY MEASURING DEVICE USING OPTICAL FIBER SENSOR FOR LITHIUM-ION BATTERY STATUS MONITORING}

본 발명은 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 셀 내부 정보나 다수의 셀로 이루어진 모듈의 온도 및 스트레인을 모니터링하기 위한 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a complex physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium ion battery state analysis, and more specifically, to a technology for monitoring internal information of a battery cell or the temperature and strain of a module composed of a plurality of cells.

리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 경량, 긴 수명, 빠른 충전 속도, 기존 전기 인프라와의 호환성 및 환경 친화적 등의 특성으로 휴대용 전자기기부터, 전기 자동차, 인공위성, 에너지 저장 시스템, 의료 기기, 무인 항공기 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. Lithium-ion batteries are used in a wide range of fields, including portable electronic devices, electric vehicles, satellites, energy storage systems, medical devices, and unmanned aerial vehicles, due to their high energy density, light weight, long life, fast charging speed, compatibility with existing electrical infrastructure, and environmental friendliness.

최근 배터리 에너지 밀도가 높아지면서 배터리의 안전성이 중요한 이슈로 부각되고 있다. 급속 충전 및 방전 과정에서 발생하는 과도한 열은 영구적으로 셀의 성능을 저하시킬 수 있고, 내부 단락 및 기계적 충격은 열 폭주로 이어져 배터리 팩 내부의 인접한 셀 뿐만 아니라 전체 시스템에 손상을 입혀 치명적인 안전문제로 이어질 수 있다. 따라서, 지속적인 배터리 상태 모니터링을 통해 오랜 기간 안전하고 높은 효율을 유지하는 배터리 활동을 보장할 필요가 있다. Recently, as the energy density of batteries increases, the safety of batteries has become an important issue. Excessive heat generated during rapid charging and discharging can permanently degrade the performance of cells, and internal short circuits and mechanical shocks can lead to thermal runaway, damaging not only adjacent cells in the battery pack but also the entire system, which can lead to fatal safety issues. Therefore, it is necessary to ensure battery operation that maintains safety and high efficiency for a long period of time through continuous battery condition monitoring.

하지만, 기존의 배터리 상태 모니터링과 관리(밸런싱) 및 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)은 각각의 셀에 부착된 슬레이브와 제어를 담당하는 마스터 컨트롤러 간의 구조가 복잡하다. 특히, 셀의 성능저하를 방지하기 위해 표면에 부착되는 기존의 센서들은 열폭주와 같은 셀 내부의 급격한 온도변화를 파악하기 어려운 문제가 있다.However, the existing battery management system (BMS) that monitors and manages (balances) and controls the battery status has a complex structure between the slave attached to each cell and the master controller in charge of control. In particular, existing sensors attached to the surface to prevent cell performance degradation have the problem of having difficulty detecting rapid temperature changes inside the cell, such as thermal runaway.

따라서, 배터리 셀과 통합해도 성능저하를 유발하지 않을 만큼 부피가 작고 내화학성과 전자기파의 간섭에 영향을 받지 않는 특징을 가진 광섬유 기반 센서를 활용하여 배터리 셀 내부 정보나 다수의 셀로 이루어진 모듈의 온도, 압력 분포를 모니터링할 필요가 있다.Therefore, it is necessary to monitor the internal information of a battery cell or the temperature and pressure distribution of a module composed of multiple cells by utilizing an optical fiber-based sensor that is small enough to not cause performance degradation when integrated with a battery cell and has the characteristics of chemical resistance and immunity to electromagnetic interference.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem of the present invention is conceived from this point, and the purpose of the present invention is to provide a complex physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium ion battery state analysis.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치는, 리튬이온 배터리 셀의 외부에 부착되거나 내부에 내장되는 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating) 센서 또는 측정 광섬유가 루프 형태로 형성되는 분포형 광섬유 센서; 및 브래그 격자 센서의 일단 또는 분포형 광섬유 센서의 양단에 미리 설정된 주파수를 갖는 광파를 제공하여 반사되거나 산란되는 광파를 기초로, 리튬이온 배터리 셀의 온도 및 스트레인을 측정하는 복합물리량 측정부;를 포함한다.According to one embodiment of the present invention for realizing the purpose described above, a complex physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis includes a Bragg grating (FBG) sensor attached to the outside of a lithium-ion battery cell or built into the inside thereof, or a distributed optical fiber sensor in which a measuring optical fiber is formed in a loop shape; and a complex physical quantity measuring unit which provides an optical wave having a preset frequency to one end of the Bragg grating sensor or both ends of the distributed optical fiber sensor, and measures temperature and strain of the lithium-ion battery cell based on the reflected or scattered optical wave.

본 발명의 실시예에서, 브래그 격자 센서의 일단 및 분포형 광섬유 센서의 양단은 리튬이온 배터리 셀에서 전극이 형성된 반대편으로 이탈할 수 있다.In an embodiment of the present invention, one end of the Bragg grating sensor and both ends of the distributed optical fiber sensor can be separated from the lithium ion battery cell to opposite ends where the electrodes are formed.

본 발명의 실시예에서, 브래그 격자 센서는, 20 μm 이상 80 μm 이하의 직경을 가질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the Bragg grating sensor may have a diameter of 20 μm or more and 80 μm or less.

본 발명의 실시예에서, 브래그 격자 센서는 인장하여 직경을 축소한 테이퍼드 광섬유를 사용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the Bragg grating sensor may use a tapered optical fiber that has been tensioned to reduce its diameter.

본 발명의 실시예에서, 브래그 격자 센서는 클래딩을 에칭하여 직경을 축소한 광섬유를 사용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the Bragg grating sensor may use an optical fiber whose diameter has been reduced by etching the cladding.

본 발명의 실시예에서, 브래그 격자 센서를 사용하는 경우, 복합물리량 측정부는 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진기 및 하나 이상의 인터로게이터를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, when a Bragg grating sensor is used, the composite physical quantity measuring unit may include a Fabry-Perot resonator and one or more interrogators.

본 발명의 실시예에서, 분포형 광섬유 센서는, 온도와 스트레인에 대해 서로 다른 브릴루앙 주파수 계수를 갖는 2가닥의 측정 광섬유를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the distributed fiber optic sensor may include two measurement fibers having different Brillouin frequency coefficients for temperature and strain.

본 발명의 실시예에서, 분포형 광섬유 센서는, 다수의 브릴루앙 스펙트럼 피크를 갖는 LEAF(Large Effective Area Fiber)를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the distributed optical fiber sensor may include a Large Effective Area Fiber (LEAF) having multiple Brillouin spectral peaks.

본 발명의 실시예에서, 분포형 광섬유 센서, 두 개의 브릴루앙 스펙트럼 피크를 갖는 DBPF(Double Brillouin Peak Fiber)를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a distributed optical fiber sensor may include a Double Brillouin Peak Fiber (DBPF) having two Brillouin spectral peaks.

본 발명의 실시예에서, 분포형 광섬유 센서, 다수개의 코어를 갖는 멀티 코어 광섬유를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a distributed optical fiber sensor may include a multi-core optical fiber having a plurality of cores.

본 발명의 실시예에서, 분포형 광섬유 센서를 사용하는 경우, 복합물리량 측정부는 광 주파수 영역 분석(OFDR; Optical Frequency Domain Reflectometry) 또는 브릴루앙 광학 상관 분석(BOCDA; Brillouin Optical Correlation Domain Analysis)을 사용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, when a distributed optical fiber sensor is used, the complex physical quantity measurement unit may use optical frequency domain reflectometry (OFDR) or Brillouin optical correlation domain analysis (BOCDA).

본 발명의 실시예에서, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치는, 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)에 적용될 수 있다.In an embodiment of the present invention, a composite physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis can be applied to a battery management system (BMS).

이와 같은 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치에 따르면, 브래그 격자(FBG) 센서 또는 분포형 광섬유 센서를 배터리 모듈에 부착하거나 내장하여 측정부의 신호 처리를 통해 온도와 스트레인의 물리량을 측정할 수 있다. 본 발명에 따라 부피가 작고 내화학성과 전자기파의 간섭에 영향을 받지 않는 간단한 구조의 광섬유 센서를 이용하여 배터리 내부 상태를 상시 모니터링할 수 있다. 이에 따라, 배터리의 열폭주 전에 감지하여 배터리 셀의 동작을 차단함으로써 배터리 손상을 방지할 수 있다.According to a composite physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium-ion battery condition analysis, a Bragg grating (FBG) sensor or a distributed optical fiber sensor can be attached or built into a battery module to measure physical quantities such as temperature and strain through signal processing of a measuring unit. According to the present invention, the internal condition of a battery can be constantly monitored using an optical fiber sensor having a small volume, chemical resistance, and a simple structure that is not affected by interference from electromagnetic waves. Accordingly, it is possible to detect thermal runaway of the battery before the battery runs out and block the operation of the battery cell, thereby preventing damage to the battery.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 상태분석을 위한 브래그 격자 센서의 예시 도면이다.
도 2는 도 1의 브래그 격자 센서 중 테이퍼드 광섬유를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 브래그 격자 센서를 사용하는 경우의 온도 변화 곡선과 브래그 파장 변화 곡선이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 광섬유 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 상태분석을 위한 분포형 광섬유 센서의 예시 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 상태분석을 위한 분포형 광섬유 센서의 예시 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합물리량 측정 장치에서 광 주파수 영역 분석(OFDR)을 사용하는 경우의 예시 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합물리량 측정 장치에서 브릴루앙 광학 상관 분석(BOCDA)을 사용하는 경우의 예시 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치의 블록도이다.
FIG. 1 is an exemplary drawing of a Bragg grating sensor for lithium ion battery state analysis according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a drawing for explaining a tapered optical fiber among the Bragg grating sensors of Figure 1.
Figure 3 is a temperature change curve and a Bragg wavelength change curve when using the Bragg grating sensor of Figure 1.
FIG. 4 is a drawing for explaining an embedded optical fiber sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an exemplary drawing of a distributed optical fiber sensor for lithium ion battery condition analysis according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an exemplary drawing of a distributed optical fiber sensor for lithium ion battery condition analysis according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an exemplary diagram of a case where optical frequency domain analysis (OFDR) is used in a complex physical quantity measuring device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an exemplary diagram of a case where Brillouin optical correlation analysis (BOCDA) is used in a complex physical quantity measuring device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of a composite physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium ion battery state analysis according to one embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The detailed description of the present invention set forth below refers to the accompanying drawings which illustrate specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention, while different from one another, are not necessarily mutually exclusive. For example, specific shapes, structures, and features described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. It should also be understood that the positions or arrangements of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the following detailed description is not intended to be limiting, and the scope of the invention is defined only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if any. Like reference numerals in the drawings designate the same or similar functionality throughout the several aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명에 따른 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치(50, 도 9 참조)는 광섬유 센서(700, 도 9 참조)와 복합물리량 측정부(800, 도 9 참조)를 포함하여 배터리의 내부 상태를 상시 모니터링할 수 있다.A composite physical quantity measuring device (50, see FIG. 9) using an optical fiber sensor for lithium ion battery condition analysis according to the present invention can constantly monitor the internal condition of a battery by including an optical fiber sensor (700, see FIG. 9) and a composite physical quantity measuring unit (800, see FIG. 9).

본 발명에서 광섬유 센서(700)는 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating) 센서 또는 분포형 광섬유 센서로 구성될 수 있다. 브래그 격자 센서 또는 분포형 광섬유 센서는 리튬이온 배터리 셀의 외부에 부착되거나 내부에 내장될 수 있다.In the present invention, the optical fiber sensor (700) may be configured as a Bragg grating (FBG) sensor or a distributed optical fiber sensor. The Bragg grating sensor or the distributed optical fiber sensor may be attached to the outside of a lithium ion battery cell or built into the inside.

복합물리량 측정부(800)는 광섬유 센서(700)의 일단 또는 양단에 미리 설정된 주파수를 갖는 광파를 제공하여 광섬유 센서에서 반사되거나 산란되는 광파를 기초로, 리튬이온 배터리 셀의 온도 및 스트레인을 측정한다. The complex physical quantity measuring unit (800) provides light waves with a preset frequency to one or both ends of the optical fiber sensor (700) and measures the temperature and strain of a lithium ion battery cell based on the light waves reflected or scattered by the optical fiber sensor.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 상태분석을 위한 브래그 격자 센서의 예시 도면이다.FIG. 1 is an exemplary drawing of a Bragg grating sensor for lithium ion battery state analysis according to one embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 리튬이온 배터리 셀(10, 이하 배터리 셀)의 외부에 브래그 격자 센서(100)가 부착되어 있다. 예를 들어, 브래그 격자 센서(100)는 접착제(17)를 이용해 배터리 셀(10)에 부착될 수 있고, 브래그 격자 센서(100)의 일단은 배터리 셀(10)의 양극과 음극(11, 12)이 형성된 반대편으로 이탈할 수 있다.Referring to FIG. 1, a Bragg grating sensor (100) is attached to the outside of a lithium ion battery cell (10, hereinafter referred to as a battery cell). For example, the Bragg grating sensor (100) may be attached to the battery cell (10) using an adhesive (17), and one end of the Bragg grating sensor (100) may be detached to the opposite side where the positive and negative electrodes (11, 12) of the battery cell (10) are formed.

브래그 격자 센서(100)는 광섬유 코어에 주기적으로 생성된 굴절률 격자에 의해 좁은 범위의 특정 파장 대역(브래그 파장)의 빛은 반사되고 나머지 파장 대역은 투과되는 특징을 갖는다. A Bragg grating sensor (100) has the characteristic that light of a narrow range of specific wavelength bands (Bragg wavelengths) is reflected by a refractive index grating periodically generated in an optical fiber core, and the remaining wavelength bands are transmitted.

브래그 파장은 광섬유 코어의 굴절률과 브래그 파장의 간격에 의해 결정되기 때문에 제작 시 브래그 격자의 간격을 조절하여 선택적인 브래그 파장을 갖는 브래그 격자 센서(100)를 제작할 수 있다. 브래그 격자 센서(100)는 광섬유가 인장 및 수축할 때 격자의 간격이 변화하면서 반사되는 브래그 파장이 변화하게 되고 온도의 변화는 굴절률의 온도 의존성과 열팽창 및 수축으로 인해 브래그 파장에 영향을 준다.Since the Bragg wavelength is determined by the refractive index of the optical fiber core and the spacing of the Bragg wavelength, a Bragg grating sensor (100) having a selective Bragg wavelength can be manufactured by adjusting the spacing of the Bragg grating during manufacturing. In the Bragg grating sensor (100), the Bragg wavelength reflected changes as the spacing of the grating changes when the optical fiber is stretched and contracted, and a change in temperature affects the Bragg wavelength due to the temperature dependence of the refractive index and thermal expansion and contraction.

브래그 격자 센서(100)는 직경 약 10 μm의 코어와 직경 약 125 μm 의 클래딩으로 구성되어 있다. 소형 폼 팩터(Small Form Factor)로 인해 열 영향이 적고 수백 번의 충-방전 사이클 이후에도 용량 및 안전성이 검증되어 임베디드 센서로서 적합하다. The Bragg grating sensor (100) consists of a core with a diameter of about 10 μm and a cladding with a diameter of about 125 μm. Due to its small form factor, it has little heat influence and its capacity and safety have been verified even after hundreds of charge-discharge cycles, making it suitable as an embedded sensor.

브래그 격자 센서(100)는 온도 및 스트레인의 동시 측정이 가능하여 배터리 오작동 가능성을 예측할 수 있다. 또한, 서로 다른 브래그 파장을 갖는 다수의 브래그 격자 센서(100)를 인터로게이터에 연결하여 배터리 셀(10) 내부의 셀 각각에 대한 온도, 압력 분산 모니터링도 가능하다. The Bragg grating sensor (100) can simultaneously measure temperature and strain, thereby enabling prediction of battery malfunction. In addition, by connecting a plurality of Bragg grating sensors (100) having different Bragg wavelengths to an interrogator, it is also possible to monitor temperature and pressure distribution for each cell within the battery cell (10).

또한, 브래그 격자 센서(100)는 구성요소의 화학적 비활성으로 인해 부식성이 높은 배터리 셀(10) 내부 환경에서 우수한 안정성을 유지할 수 있다.Additionally, the Bragg grating sensor (100) can maintain excellent stability in the highly corrosive internal environment of a battery cell (10) due to the chemical inertness of the components.

브래그 격자 센서(100)는 배터리 셀(10) 내부에 장착할 수도 있고 배터리 셀(10) 외부에 부착할 수도 있다. 특히, 배터리 셀(10) 내부 장착 시에는 테이퍼드 광섬유 또는 클래딩 에칭 기반의 낮은 직경의 브래그 격자 센서(100)를 사용할 수 있다. The Bragg grating sensor (100) may be mounted inside the battery cell (10) or attached to the outside of the battery cell (10). In particular, when mounted inside the battery cell (10), a low-diameter Bragg grating sensor (100) based on tapered optical fiber or cladding etching may be used.

이 경우, 배터리 셀(10) 실링 과정에서 발생할 수 있는 전해질 리크 현상을 방지할 수 있고, 전해질 용량 감소를 최소화할 수 있다. 또한, 배터리 셀(10)에서 광섬유 코어로의 빠른 열전달로 인해 높은 반응속도로 모니터링할 수 있다.In this case, it is possible to prevent an electrolyte leak phenomenon that may occur during the battery cell (10) sealing process, and minimize a decrease in electrolyte capacity. In addition, monitoring can be performed at a high response speed due to rapid heat transfer from the battery cell (10) to the optical fiber core.

테이퍼드 광섬유 혹은 클래딩 에칭 기반의 브래그 격자 센서(100)의 코어와 클래딩을 포함한 직경은 20 μm 이상 80 μm 이하일 수 있다. 테이퍼드 광섬유는 일정길이 동안 원래 광섬유의 직경보다 줄어든 형태의 광섬유를 말한다.The diameter including the core and cladding of the tapered optical fiber or cladding etching-based Bragg grating sensor (100) may be 20 μm or more and 80 μm or less. A tapered optical fiber refers to an optical fiber that has a diameter that is reduced from the original optical fiber over a certain length.

도 2는 도 1의 브래그 격자 센서 중 테이퍼드 광섬유를 설명하기 위한 도면이다.Figure 2 is a drawing for explaining a tapered optical fiber among the Bragg grating sensors of Figure 1.

도 2를 참조하면, 광섬유를 인장하여 테이퍼드 광섬유(110)를 생성한다. 테이퍼드 광섬유(110)는 코어(111)와 코어(111)의 주위를 감싸는 클래딩(112)이 인장되어 중간 부분의 직경이 변형된다.Referring to Fig. 2, an optical fiber is tensioned to create a tapered optical fiber (110). In the tapered optical fiber (110), the core (111) and the cladding (112) surrounding the core (111) are tensioned, so that the diameter of the middle portion is changed.

코어(111)와 클래딩(112)의 직경이 변형된 부분이 테이퍼 영역이 되고, 이 중 직경이 감소되거나 증가되는 영역(A, B)를 제외하고 축소된 직경이 일정한 중간 부분(C)을 잘라내어 사용한다.The portion where the diameter of the core (111) and cladding (112) is changed becomes a tapered region, and the middle portion (C) where the reduced diameter is constant, excluding the regions (A, B) where the diameter is reduced or increased, is cut out and used.

이후 브래그 격자를 형성하여 본 발명의 브래그 격자 센서(100)로 사용할 수 있다.Afterwards, a Bragg grating can be formed and used as a Bragg grating sensor (100) of the present invention.

한편, 클래딩 에칭 기반의 브래그 격자 센서(100)는 브래그 격자가 형성된 광섬유를 에칭 용액(예를 들어, 희석된 불화수소 수용액)에 넣어 원하는 직경이 될 때까지 클래딩을 에칭하여 사용할 수 있다.Meanwhile, a Bragg grating sensor (100) based on cladding etching can be used by placing an optical fiber on which a Bragg grating is formed into an etching solution (e.g., diluted hydrogen fluoride aqueous solution) and etching the cladding until the desired diameter is achieved.

도 1의 실시예에서는 하나의 브래그 격자 센서(100)를 도시하였지만, 브래그 격자 센서(100)는 다수 개를 포함할 수 있다. 다수의 브래그 격자 센서(100)는 각각 서로 다른 배터리 셀(10)에 부착되거나 내장될 수 있고, 다수의 브래그 격자 센서(100)는 다수의 배터리 셀(10)로 이루어진 배터리 모듈 또는 배터리 팩에 부착될 수도 있다.Although the embodiment of FIG. 1 illustrates one Bragg grating sensor (100), the Bragg grating sensors (100) may include multiple ones. The multiple Bragg grating sensors (100) may each be attached to or built into different battery cells (10), and the multiple Bragg grating sensors (100) may also be attached to a battery module or battery pack composed of multiple battery cells (10).

광섬유 센서(700)로 브래그 격자 센서를 사용하는 경우, 복합물리량 측정부(800)는 예를 들어, 인터로게이터이거나 인터로게이터를 포함할 수 있다.When a Bragg grating sensor is used as an optical fiber sensor (700), the composite physical quantity measuring unit (800) may be, for example, an interrogator or may include an interrogator.

복합물리량 측정부(800)가 인터로게이터를 포함하는 경우, 한 채널에서 브래그 파장의 범위가 겹치지 않는 다수의 브래그 격자 센서(100)에 대한 브래그 파장 변화를 측정하고 분석할 수 있다. 또한, 하나의 인터로게이터에 다수의 채널을 설치할 수 있기 때문에 배터리 모듈 및 팩을 구성하는 배터리 셀(10)들에 대한 물리적 특성을 동시에 측정하고 분석하는 것도 가능하다.When the complex physical quantity measuring unit (800) includes an interrogator, it is possible to measure and analyze Bragg wavelength changes for a plurality of Bragg grating sensors (100) whose Bragg wavelength ranges do not overlap in one channel. In addition, since a plurality of channels can be installed in one interrogator, it is also possible to simultaneously measure and analyze physical characteristics for battery cells (10) constituting a battery module and pack.

복합물리량 측정부(800)는 배터리 셀(10)의 충방전시 시간에 따른 온도나 압력의 변화 곡선을 통해 배터리의 상태를 추정할 수 있다.The complex physical quantity measuring unit (800) can estimate the state of the battery through a change curve of temperature or pressure according to time during charging and discharging of the battery cell (10).

도 3은 시중에 판매되는 리튬 폴리머 배터리를 이용해 1C의 충전, 레스트, 1C의 방전 사이클 과정에서 온도와 브래그 격자 센서(100)를 배터리 셀(10)의 표면에 부착하여 획득된 온도 변화 곡선을 나타낸다. Figure 3 shows a temperature change curve obtained by attaching a temperature and Bragg grating sensor (100) to the surface of a battery cell (10) during a 1C charge, rest, and 1C discharge cycle using a commercially available lithium polymer battery.

도 3a는 충방전 사이클에서 셀의 전압(점선)과 통상적으로 쓰이는 온도계를 통해 측정되는 온도 변화(실선)를 나타낸다. 도 3b는 상온(약 23.5℃ 가량)에서 약 1546.22 nm의 브래그 파장을 갖는 브래그 격자 센서(100)를 통해 측정되는 브래그 파장 이동량을 나타낸다.Fig. 3a shows the voltage of the cell (dotted line) and the temperature change (solid line) measured by a conventional thermometer during a charge/discharge cycle. Fig. 3b shows the Bragg wavelength shift measured by a Bragg grating sensor (100) having a Bragg wavelength of about 1546.22 nm at room temperature (about 23.5° C.).

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 브래그 격자 센서(100)를 이용해 측정할 경우 온도 정밀도도 높을 뿐 아니라 충방전 과정에서 배터리 셀(10)의 체적 변화로 인한 스트레인이 동시 측정되므로, 정밀한 물리량 관측이 가능한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3a and 3b, when measuring using a Bragg grating sensor (100), not only is the temperature precision high, but strain due to volume change of the battery cell (10) during the charging and discharging process is simultaneously measured, so it can be confirmed that precise physical quantity observation is possible.

다른 실시예에서, 온도와 스트레인의 물리량을 구별하여 측정하기 위해, 브래그 격자 센서(100)와 파브리-페로(Fabry-Perot, 이하 FP) 공진기를 결합한 하이브리드 센서를 구성할 수 있다. In another embodiment, a hybrid sensor combining a Bragg grating sensor (100) and a Fabry-Perot (hereinafter referred to as FP) resonator can be configured to measure the physical quantities of temperature and strain separately.

이 경우, 브래그 격자 센서(100)의 브래그 파장의 스트레인 및 온도 민감도와 FP 공진기의 스트레인 및 온도 민감도의 차이를 이용하여 열 팽창에 의한 배터리 셀(10) 내부 스트레인 값을 추출할 수 있다.In this case, the strain value inside the battery cell (10) due to thermal expansion can be extracted by using the difference between the strain and temperature sensitivity of the Bragg wavelength of the Bragg grating sensor (100) and the strain and temperature sensitivity of the FP resonator.

한편, 브래그 격자 센서(100)를 내장형으로 형성할 경우, 전해질 누수 위험 배터리 셀(10)을 실링하는 과정에서 밀봉 불량이 발생할 수 있다. 이는 전해질 누수로 이어지거나 습기, 온도 변화에 의해 셀의 성능 저하 또는 고장을 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 배터리 셀(10)의 탭을 실링할 때 사용되는 히트 실 필름을 활용해 보이드 생성을 방지할 수 있다.Meanwhile, when the Bragg grating sensor (100) is formed as an embedded type, a sealing failure may occur during the process of sealing the battery cell (10) at risk of electrolyte leakage. This may lead to electrolyte leakage or cause a decrease in cell performance or failure due to moisture or temperature changes. To prevent this, a heat seal film used when sealing the tab of the battery cell (10) may be utilized to prevent void generation.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내장형 광섬유 센서를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 4 is a drawing for explaining an embedded optical fiber sensor according to one embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 배터리 셀(10)의 단면도로서 전해액(13) 내의 분리막(15) 양측에 형성된 양극과 음극(11, 12)이 형성되고, 본 발명의 광섬유 센서(200)는 분리막(15)과 양극 또는 음극(11, 12) 사이에 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4, a cross-sectional view of a battery cell (10) is shown, in which a positive electrode and a negative electrode (11, 12) are formed on both sides of a separator (15) in an electrolyte (13), and the optical fiber sensor (200) of the present invention can be formed between the separator (15) and the positive electrode or negative electrode (11, 12).

배터리 셀(10)의 내부에 형성되는 광섬유 센서(200)는 브래그 격자 센서(100)뿐 아니라 아래에서 설명할 분포형 광섬유 센서(300)도 가능하다.The optical fiber sensor (200) formed inside the battery cell (10) may be not only a Bragg grating sensor (100) but also a distributed optical fiber sensor (300) described below.

상기 설명한 바와 같이, 브래그 격자 센서(100)를 이용하여 배터리 셀(10) 외부에 부착하거나 내부에 삽입하는 방법은 높은 정밀도로 온도 및 스트레인을 측정할 수 있고, 상용화된 인터로게이터를 이용하여 비교적 간편하게 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)을 구성할 수 있다.As described above, the method of attaching a Bragg grating sensor (100) to the outside of a battery cell (10) or inserting it inside can measure temperature and strain with high precision, and can configure a battery management system (BMS) relatively easily using a commercialized interrogator.

하지만, 인터로게이터의 채널 개수에 한계가 있고 한 채널에 위치한 브래그 격자 센서(100)의 브래그 파장 대역이 겹치지 않게 브래그 격자 센서(100)들을 선정해야하기 때문에 거대화된 배터리 팩의 모든 셀을 모니터링하기 어려울 수 있다. However, since the number of channels of the interrogator is limited and the Bragg grating sensors (100) located in one channel must be selected so that the Bragg wavelength bands of the Bragg grating sensors (100) do not overlap, it may be difficult to monitor all cells of a large battery pack.

또한, 브래그 격자 센서(100)는 브래그 격자가 새겨진 부분만 센서로 작용하는 포인트 센서이기 때문에, 급격한 온도 상승이 발생하는 양극, 음극 또는 배터리 셀(10) 중심부에 대한 물리량 정보를 얻을 수는 있지만 배터리 셀(10) 내부 전체에 대한 물리량 분포 측정이 어려울 수 있다.In addition, since the Bragg grating sensor (100) is a point sensor that acts as a sensor only in the part where the Bragg grating is engraved, it is possible to obtain physical quantity information about the positive electrode, negative electrode, or center of the battery cell (10) where a rapid temperature rise occurs, but it may be difficult to measure the physical quantity distribution over the entire inside of the battery cell (10).

따라서, 본 발명은 통신용 단일모드 광섬유 또는 특수 광섬유로 이루어진 측정 광섬유를 이용하여 배터리 셀(10) 셀 외부에 부착하거나 내부에 삽입된 광섬유의 모든 영역에 대한 물리량 분포 측정이 가능한 분포형 광섬유 센서를 사용할 수 있다.Therefore, the present invention can use a distributed optical fiber sensor capable of measuring the distribution of physical quantities for all areas of an optical fiber attached to the outside of a battery cell (10) or inserted inside a measuring optical fiber made of a single-mode optical fiber for communication or a special optical fiber.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 상태분석을 위한 분포형 광섬유 센서의 예시 도면이다.FIG. 5 is an exemplary drawing of a distributed optical fiber sensor for lithium ion battery condition analysis according to one embodiment of the present invention.

도 5는 측정 광섬유(300)가 배터리 셀(10) 외부에 루프 형태로 부착된 실시예를 도시하였으나, 본 발명의 분포형 광섬유 센서(300)는 도 4와 같이 내장형으로 형성될 수 있다.FIG. 5 illustrates an example in which a measuring optical fiber (300) is attached in a loop shape to the outside of a battery cell (10), but the distributed optical fiber sensor (300) of the present invention can be formed as a built-in type as in FIG. 4.

또한, 측정 광섬유(300)의 양단은 배터리 셀(10)의 양극과 음극(11, 12)이 형성된 반대편으로 이탈할 수 있다.Additionally, both ends of the measuring optical fiber (300) can be separated to opposite sides where the positive and negative electrodes (11, 12) of the battery cell (10) are formed.

측정 광섬유(300)는 특수 광섬유를 이용하여 온도 및 스트레인을 구별하여 측정할 수 있다. 브릴루앙 산란 주파수는 온도와 스트레인 모두에 반응하기 때문에 구별할 수 없다. The measurement optical fiber (300) can measure temperature and strain by distinguishing them using a special optical fiber. Since the Brillouin scattering frequency responds to both temperature and strain, they cannot be distinguished.

배터리 셀(10)의 장기적인 성능 감소나 남용조건 등에서의 체적 변화는 스트레인의 변화를 가져온다. 이러한 영구적으로 변형되는 스트레인은 배터리 성능을 추정할 수 있는 지표가 될 수 있기 때문에 광섬유 센서를 배터리 내장형으로 개발하기 위해서는 온도와 스트레인의 분리가 필요하다.Long-term performance degradation of the battery cell (10) or volume change under abuse conditions causes a change in strain. Since this permanently deformed strain can be an indicator for estimating battery performance, separation of temperature and strain is necessary in order to develop an optical fiber sensor with built-in battery.

도 6은 물리량 계수가 다른 두 가닥의 광섬유 이용하는 일 실시예에 대한 도면이다.Figure 6 is a diagram of one embodiment using two optical fiber strands with different physical quantity coefficients.

일반적으로 하나의 광섬유를 이용하면 온도 변화에 의한 브릴루앙 주파수 계수 와 스트레인에 의한 브릴루앙 주파수 계수 을 개별적으로 구할 수 있지만 혼합 물리량을 측정해서 구별할 수 없다.Typically, a single optical fiber is used to determine the Brillouin frequency coefficient due to temperature changes. and Brillouin frequency coefficient due to strain can be obtained individually, but cannot be distinguished by measuring the mixed physical quantities.

따라서, 온도와 스트레인에 따른 서로 다른 브릴루앙 주파수 계수를 갖는, 즉 ()의 계수를 갖는 제1 광섬유(610)와 ()의 계수를 갖는 제2 광섬유(630)를 동시에 삽입함으로써 매트릭스 해석을 통해 온도와 스트레인을 구분할 수 있다. Therefore, we have different Brillouin frequency coefficients depending on temperature and strain, i.e. ( ) and a first optical fiber (610) having a coefficient of ( ) can be simultaneously inserted into the second optical fiber (630) having a coefficient of , thereby enabling the temperature and strain to be distinguished through matrix analysis.

브릴루앙 광 상관 영역 해석법의 특성 상 측정 포인트가 생성되는 위치를 특정할 수 있기 때문에 각 광섬유 센서에서 측정되는 물리량 계수를 분석할 수 있다. Because the location where the measurement point is generated can be specified due to the nature of the Brillouin optical correlation region analysis method, the physical quantity coefficients measured from each optical fiber sensor can be analyzed.

다른 실시예에서, 분포형 광섬유 센서(300)는 다수의 브릴루앙 스펙트럼 피크를 갖는 LEAF(Large Effective Area Fiber)로 구성된 측정 광섬유(400)를 포함할 수 있다.In another embodiment, the distributed fiber optic sensor (300) may include a measurement fiber (400) comprised of a Large Effective Area Fiber (LEAF) having multiple Brillouin spectral peaks.

LEAF는 장거리 신호 전송용으로 개발된 광섬유로서 다수의 어쿠스틱 모드로 인해 다수의 브릴루앙 피크가 발생한다. 각 피크들은 온도, 스트레인에 의한 주파수 이동 계수가 다르고 특정 피크는 물리량 변화에 따라 반치폭이 고정되고 다른 피크들은 반치폭이 물리량 변화에 의존적일 수 있어 배터리 내장형 센서로 활용해 물리량을 분리하는데 사용될 수 있다.LEAF is an optical fiber developed for long-distance signal transmission, and multiple Brillouin peaks are generated due to multiple acoustic modes. Each peak has a different frequency shift coefficient due to temperature and strain, and the half-width of certain peaks is fixed depending on the change in physical quantity, while the half-width of other peaks can be dependent on the change in physical quantity, so it can be used as a battery-integrated sensor to separate physical quantities.

다른 실시예에서, 분포형 광섬유 센서(300)는 두 개의 브릴루앙 스펙트럼 피크를 갖는 DBPF(Double Brillouin Peak Fiber)로 구성된 측정 광섬유(400)를 포함할 수 있다.In another embodiment, the distributed fiber optic sensor (300) may include a measurement fiber (400) comprised of a Double Brillouin Peak Fiber (DBPF) having two Brillouin spectral peaks.

DBPF는 기존의 광 모드에 상호작용하는 두 개의 어쿠스틱 모드를 생성하는 광섬유다. DBPF를 활용하여 브릴루앙 게인 스펙트럼을 수집하면 수백 MHz의 주파수 차이가 나는 두 개의 브릴루앙 피크를 얻을 수 있다. DBPF is an optical fiber that generates two acoustic modes that interact with the existing optical mode. When collecting a Brillouin gain spectrum using DBPF, two Brillouin peaks with a frequency difference of several hundred MHz can be obtained.

두 피크는 광 모드와 상호작용하는 어쿠스틱 모드가 다르기 때문에 온도와 스트레인 계수가 다르고 이를 이용해서 매트릭스 분석을 통해 단일 특수 광섬유로 물리량을 분리할 수 있다.The two peaks have different temperature and strain coefficients because they interact with different acoustic modes and optical modes, which can be used to separate physical quantities using matrix analysis in a single special optical fiber.

또 다른 실시예에서, 분포형 광섬유 센서(300)는 멀티 코어 광섬유로 구성된 측정 광섬유(400)를 포함할 수 있다. 멀티 코어 광섬유는 하나의 광섬유 내부에 여러 개의 코어를 가진 광섬유이다. 물리적으로 완전히 같은 수치를 가진 코어를 제작할 수 없다. 따라서, 각 코어에서 발생하는 브릴루앙 산란 주파수와 온도, 스트레인에 의한 이동 계수가 다르므로, 매트릭스 분석으로 물리량 분리가 가능하다.In another embodiment, the distributed optical fiber sensor (300) may include a measurement optical fiber (400) composed of a multi-core optical fiber. A multi-core optical fiber is an optical fiber having multiple cores within one optical fiber. It is physically impossible to manufacture cores having exactly the same number of cores. Therefore, since the Brillouin scattering frequency and the temperature and strain-induced shift coefficients occurring in each core are different, it is possible to separate physical quantities by matrix analysis.

본 발명에서 광섬유 센서가 분포형 광섬유 센서로 구성되는 경우, 복합물리량 측정부(800)는 광 주파수 영역 분석(Optical Frequency Domain Reflectometry, 이하 OFDR) 또는 브릴루앙 광학 상관 분석(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis, 이하 BOCDA)을 사용할 수 있다.In the present invention, when the optical fiber sensor is configured as a distributed optical fiber sensor, the complex physical quantity measuring unit (800) can use optical frequency domain reflectometry (OFDR) or Brillouin optical correlation domain analysis (BOCDA).

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합물리량 측정 장치에서 광 주파수 영역 분석(OFDR)을 사용하는 경우의 예시 도면이다.FIG. 7 is an exemplary diagram of a case where optical frequency domain analysis (OFDR) is used in a complex physical quantity measuring device according to one embodiment of the present invention.

OFDR 시스템은 도 7(a)와 같은 구성으로 주파수가 스윕되는 레이저를 이용한다. 또한, 도 7(b)와 같이 레퍼런스 광섬유와 측정 광섬유(400)에서 발생하는 레일레이 산란광으로부터 발생하는 맥놀이 신호를 획득 후 신호처리한다. 측정 광섬유(400) 주변의 온도나 스트레인이 변하면 레일레이 산란광의 시간정보가 달라지는 것을 이용해 맥놀이 신호의 변화를 추적한다.The OFDR system uses a frequency-swept laser with a configuration as shown in Fig. 7(a). In addition, as shown in Fig. 7(b), it acquires and then signals a beat signal generated from Rayleigh scattered light generated from a reference optical fiber and a measurement optical fiber (400). By utilizing the fact that the time information of the Rayleigh scattered light changes when the temperature or strain around the measurement optical fiber (400) changes, the change in the beat signal is tracked.

OFDR 시스템은 수 센티미터에서 수 밀리미터의 공간분해능 구현이 가능한 시스템으로 타 분포형 광섬유 센서에 비해 비교적 간단한 구성으로 셀 내부에 위치한 광섬유의 물리량을 분포 측정할 수 있다. The OFDR system is a system capable of implementing a spatial resolution of several centimeters to several millimeters, and can measure the physical quantities of optical fibers located inside a cell with a relatively simple configuration compared to other distributed optical fiber sensors.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합물리량 측정 장치에서 브릴루앙 광학 상관 분석(BOCDA)을 사용하는 경우의 예시 도면이다.FIG. 8 is an exemplary diagram of a case where Brillouin optical correlation analysis (BOCDA) is used in a complex physical quantity measuring device according to one embodiment of the present invention.

BOCDA 시스템은 브릴루앙 주파수만큼 차이가 나는 두 광원을 각각 펌프, 프로브로 사용하며 배터리 팩(30)의 서로 반대 방향에서 주입해 광섬유 내부에서의 브릴루앙 산란에 의한 이득을 측정하는 시스템이다. The BOCDA system is a system that uses two light sources with a difference in Brillouin frequency as a pump and a probe, respectively, and injects them from opposite directions into a battery pack (30) to measure the gain due to Brillouin scattering inside an optical fiber.

BOCDA 시스템은 사인파 형태로 변조된 펌프 광과 프로브 광의 맥놀이 파가 사인파의 반 파장 마다 주파수 차이가 일정한 지점(센싱점)을 생성하는 원리를 이용한다. 사인파의 주파수를 변경함에 따라 센싱점의 위치가 이동하는 분포형 광섬유 센서(500)로 OFDR 시스템과 마찬가지로 수 센티미터에서 밀리미터의 공간분해능 구현이 가능하며 브릴루앙 게인 스펙트럼의 재구현을 통해 높은 정확도로 온도, 스트레인과 같은 물리량을 측정할 수 있다.The BOCDA system uses the principle that the pulse waves of the pump and probe light modulated in the form of sinusoids generate points (sensing points) at which the frequency difference is constant for every half wavelength of the sine wave. As the frequency of the sine wave changes, the location of the sensing point moves as a distributed optical fiber sensor (500). Like the OFDR system, it is possible to implement a spatial resolution of several centimeters to millimeters, and by re-implementing the Brillouin gain spectrum, it is possible to measure physical quantities such as temperature and strain with high accuracy.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치의 블록도이다.FIG. 9 is a block diagram of a composite physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium ion battery state analysis according to one embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명의 광섬유 센서(700)와 복합물리량 측정부(800)를 포함하는 복합물리량 측정 장치(50)를 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)(1)에 적용하였다. 본 발명의 광섬유 센서(700)는 간단한 구조로 BMS와의 통합이 가능하다.Referring to Fig. 9, a composite physical quantity measuring device (50) including an optical fiber sensor (700) of the present invention and a composite physical quantity measuring unit (800) is applied to a battery management system (BMS) (1). The optical fiber sensor (700) of the present invention can be integrated with a BMS with a simple structure.

이차전지 배터리의 열 폭주 현상은 기계적 결함에 의한 양극과 음극의 단락이나 과충전, 과방전과 상태 혹은 과도한 열에너지에 의해 분리막이 녹아내려 셀의 온도가 급격하게 올라가는 현상이다. The thermal runaway phenomenon of a secondary battery is a phenomenon in which the temperature of the cell rapidly increases due to a short circuit between the positive and negative electrodes caused by mechanical defects, overcharge, overdischarge, or the separator melting due to excessive heat energy.

배터리 팩 내부의 셀 하나가 열 폭주 현상을 일으키면 물리적으로 이웃해 있는 셀들의 온도가 상승하면서 연쇄적인 열 폭주 반응을 일으키게 된다. 열 폭주 현상은 배터리가 정상 작동할 수 없는 온도인 수백 섭씨온도까지 급격하게 온도상승이 발생하고 추가적으로 유해한 가스를 방출해 금전적, 인적 피해를 초래하기 때문에 초기에 문제가 되는 셀의 반응을 차단해야 한다. If one cell in a battery pack experiences thermal runaway, the temperature of the physically adjacent cells will rise, causing a chain reaction of thermal runaway reactions. Thermal runaway causes the temperature to rapidly rise to hundreds of degrees Celsius, a temperature at which the battery cannot function properly, and additionally releases harmful gases, causing financial and human damage, so the reaction of the problematic cell must be blocked at the beginning.

열 폭주 현상이 발생하면 셀 외부 측정 온도에 비해 내부 온도가 급격하게 상승하기 때문에 조기진단을 위해서는 셀 내부에 센서가 삽입될 필요성이 있다.Since the internal temperature of the cell rises rapidly compared to the temperature measured outside the cell when a thermal runaway phenomenon occurs, it is necessary to insert a sensor inside the cell for early diagnosis.

따라서, 본 발명에 따른 분포형 광섬유 센서의 도입은 배터리 팩의 모든 셀들의 상시 모니터링과 셀 물리량의 분포 측정으로 셀 내부의 비특이적 위치에서 발생할 수 있는 열 폭주 전조 현상을 관측 후 진단을 내릴 수 있다.Therefore, the introduction of a distributed optical fiber sensor according to the present invention enables diagnosis after observation of a thermal runaway precursor phenomenon that may occur at a non-specific location within a cell by constant monitoring of all cells in a battery pack and measurement of the distribution of cell physical quantities.

다양한 분야에 적용되고 있는 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도가 높아짐에 따라 배터리의 성능 저하나 안전에 대한 관심이 많아지고 있다. 급속 충방전 상황에서 배터리의 온도 상승은 성능 저하는 물론 전체 시스템을 손상시키는 열 폭주 현상으로 이어질 수 있다. As the energy density of lithium-ion batteries, which are being applied in various fields, increases, there is increasing interest in battery performance degradation and safety. In rapid charging and discharging situations, the temperature rise of the battery can lead to thermal runaway phenomenon that not only reduces performance but also damages the entire system.

배터리의 열 폭주는 화재나 폭발로 이어지는 물리적 위험뿐 아니라 유독 가스의 방출로 화학적 위험을 야기한다. 위 현상을 조기 진단하기 위해서는 배터리 내부에 삽입 가능한 센서 시스템이 필요하며 FBG 혹은 분포형 광섬유 센서는 100 μm 정도의 작은 체적으로 셀의 성능에 영향을 주지 않고 셀에 내장할 수 있다. Thermal runaway of batteries not only causes physical hazards such as fire or explosion, but also chemical hazards such as the release of toxic gases. In order to diagnose the above phenomenon early, a sensor system that can be inserted into the battery is required, and FBG or distributed optical fiber sensors can be embedded in the cell with a small volume of about 100 μm without affecting the performance of the cell.

또한, 기존 BMS와 달리 다수의 컨트롤러가 필요하지 않기 때문에 공간 및 전력 효율적으로 운용할 수 있다. 단일 시스템으로 전기자동차의 주행 및 급속 충방전 시 발생할 수 있는 배터리 노후화 예측이나 열 폭주 전조 증상을 보이는 셀의 위치, 발생 시간 추정으로 열 폭주로 인한 화재, 폭발 사고를 사전에 예방할 수 있기 때문에 광섬유 센서는 기존 BMS와 더불어 효율적이고 강력한 BMS로 사용될 수 있다.In addition, unlike existing BMS, it does not require multiple controllers, so it can be operated space- and power-efficiently. Since it can predict battery aging that may occur during driving and rapid charging/discharging of electric vehicles with a single system, and estimate the location and occurrence time of cells showing signs of thermal runaway, it can prevent fires and explosions caused by thermal runaway in advance, so the optical fiber sensor can be used as an efficient and powerful BMS along with existing BMS.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below.

본 발명은 광섬유 센서를 셀 수준에서 모듈 및 팩 수준까지 적용을 확장할 수 있다. 자동차 및 그리드 규모 배터리 시스템에서는 대형 배터리 셀이 모듈 및 팩을 형성하므로 이러한 시스템에서 온도, 음전압 등의 다양한 매개 변수 모니터링도 가능하다. 따라서, 본 발명과 같은 첨단 광섬유 센싱을 BMS에 적용하여 배터리 안전성, 신뢰성, 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다.The present invention can extend the application of optical fiber sensors from the cell level to the module and pack level. In automotive and grid-scale battery systems, large battery cells form modules and packs, so monitoring of various parameters such as temperature and negative voltage is also possible in these systems. Therefore, advanced optical fiber sensing such as the present invention can be applied to BMS to improve battery safety, reliability, performance, and lifespan.

100: 브래그 격자 센서
300, 610, 630, 400, 500: 측정 광섬유
200, 700: 광섬유 센서
800: 복합물리량 측정부
50: 복합물리량 측정 장치
1: BMS
10: 배터리 셀
11, 12: 양극, 음극
17: 접착제
110: 테이퍼드 광섬유
111: 코어
112: 클래딩
13: 전해액
15: 분리막
810: OFDR 시스템
830: BOCDA 시스템
30: 배터리 팩
100: Bragg grating sensor
300, 610, 630, 400, 500: Measurement Fiber Optic
200, 700: Fiber Optic Sensor
800: Complex physical quantity measurement unit
50: Complex physical quantity measuring device
1: BMS
10: Battery Cell
11, 12: positive, negative
17: Adhesive
110: Tapered optical fiber
111: Core
112: Cladding
13: Electrolyte
15: Membrane
810: OFDR System
830: BOCDA System
30: Battery Pack

Claims (12)

리튬이온 배터리 셀의 외부에 부착되거나 내부에 내장되는 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating) 센서 또는 측정 광섬유가 루프 형태로 형성되는 분포형 광섬유 센서; 및
브래그 격자 센서의 일단 또는 분포형 광섬유 센서의 양단에 미리 설정된 주파수를 갖는 광파를 제공하여 반사되거나 산란되는 광파를 기초로, 리튬이온 배터리 셀의 온도 및 스트레인을 측정하는 복합물리량 측정부;를 포함하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
A distributed optical fiber sensor in which a Bragg grating (FBG) sensor or a measuring optical fiber is formed in a loop shape and is attached to the outside or built into the inside of a lithium-ion battery cell; and
A composite physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis, comprising: a composite physical quantity measuring unit for measuring temperature and strain of a lithium-ion battery cell based on reflected or scattered optical waves by providing optical waves having a preset frequency to one end of a Bragg grating sensor or both ends of a distributed optical fiber sensor;
제1항에 있어서,
브래그 격자 센서의 일단 및 분포형 광섬유 센서의 양단은 리튬이온 배터리 셀에서 전극이 형성된 반대편으로 이탈하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the first paragraph,
A composite physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium-ion battery condition analysis, wherein one end of a Bragg grating sensor and both ends of a distributed optical fiber sensor are separated from each other to opposite ends where electrodes are formed in a lithium-ion battery cell.
제1항에 있어서,
브래그 격자 센서는, 20 μm 이상 80 μm 이하의 직경을 갖는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the first paragraph,
A Bragg grating sensor is a composite physical quantity measuring device that uses an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis, having a diameter of 20 μm or more and 80 μm or less.
제3항에 있어서,
브래그 격자 센서는 인장하여 직경을 축소한 테이퍼드 광섬유를 사용하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the third paragraph,
A Bragg grating sensor is a composite physical quantity measuring device that uses an optical fiber sensor for lithium-ion battery condition analysis, using a tapered optical fiber that has been stretched and reduced in diameter.
제3항에 있어서,
브래그 격자 센서는 클래딩을 에칭하여 직경을 축소한 광섬유를 사용하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the third paragraph,
A Bragg grating sensor is a composite physical quantity measurement device that uses an optical fiber sensor for lithium-ion battery condition analysis, using an optical fiber whose diameter has been reduced by etching the cladding.
제1항에 있어서,
브래그 격자 센서를 사용하는 경우,
복합물리량 측정부는 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진기 및 하나 이상의 인터로게이터를 포함하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the first paragraph,
When using a Bragg grating sensor,
A complex physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis, wherein the complex physical quantity measuring unit includes a Fabry-Perot resonator and one or more interrogators.
제1항에 있어서,
분포형 광섬유 센서는, 온도와 스트레인에 대해 서로 다른 브릴루앙 주파수 계수를 갖는 2가닥의 측정 광섬유를 포함하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the first paragraph,
A distributed optical fiber sensor is a composite physical quantity measuring device using an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis, comprising two measuring optical fibers having different Brillouin frequency coefficients for temperature and strain.
제1항에 있어서,
분포형 광섬유 센서는, 다수의 브릴루앙 스펙트럼 피크를 갖는 LEAF(Large Effective Area Fiber)를 포함하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the first paragraph,
A distributed optical fiber sensor is a composite physical quantity measuring device that uses an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis, including a LEAF (Large Effective Area Fiber) having multiple Brillouin spectral peaks.
제1항에 있어서,
분포형 광섬유 센서는, 두 개의 브릴루앙 스펙트럼 피크를 갖는 DBPF(Double Brillouin Peak Fiber)를 포함하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the first paragraph,
A distributed optical fiber sensor is a composite physical quantity measuring device that uses an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis, including a DBPF (Double Brillouin Peak Fiber) having two Brillouin spectral peaks.
제1항에 있어서,
분포형 광섬유 센서는, 다수개의 코어를 갖는 멀티 코어 광섬유를 포함하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the first paragraph,
A distributed optical fiber sensor is a composite physical quantity measuring device that uses an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis, including a multi-core optical fiber having a plurality of cores.
제1항에 있어서,
분포형 광섬유 센서를 사용하는 경우,
복합물리량 측정부는 광 주파수 영역 분석(OFDR; Optical Frequency Domain Reflectometry) 또는 브릴루앙 광학 상관 분석(BOCDA; Brillouin Optical Correlation Domain Analysis)을 사용하는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the first paragraph,
When using distributed fiber optic sensors,
The complex physical quantity measurement unit is a complex physical quantity measurement device that uses an optical fiber sensor for lithium-ion battery state analysis using optical frequency domain reflectometry (OFDR) or Brillouin optical correlation domain analysis (BOCDA).
제1항에 있어서,
배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)에 적용되는, 리튬이온 배터리 상태분석을 위해 광섬유 센서를 이용하는 복합물리량 측정 장치.
In the first paragraph,
A complex physical quantity measuring device that uses an optical fiber sensor to analyze the state of a lithium-ion battery, applied to a battery management system (BMS).
KR1020230185669A 2023-12-19 2023-12-19 Complex physical quantitity measuring device using optical fiber sensor for lithium-ion battery status monitoring Pending KR20250095035A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230185669A KR20250095035A (en) 2023-12-19 2023-12-19 Complex physical quantitity measuring device using optical fiber sensor for lithium-ion battery status monitoring

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230185669A KR20250095035A (en) 2023-12-19 2023-12-19 Complex physical quantitity measuring device using optical fiber sensor for lithium-ion battery status monitoring

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20250095035A true KR20250095035A (en) 2025-06-26

Family

ID=96228170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230185669A Pending KR20250095035A (en) 2023-12-19 2023-12-19 Complex physical quantitity measuring device using optical fiber sensor for lithium-ion battery status monitoring

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20250095035A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nascimento et al. Internal strain and temperature discrimination with optical fiber hybrid sensors in Li-ion batteries
KR102172737B1 (en) Method for monitoring/managing electrochemical energy device by detecting intercalation stage changes
CN110838604B (en) Power battery based on fiber Bragg grating and monitoring system and method thereof
Yu et al. Distributed internal thermal monitoring of lithium ion batteries with fibre sensors
US9209494B2 (en) Monitoring/managing electrochemical energy device using detected intercalation stage changes
US10403922B2 (en) Battery with embedded fiber optic cable
WO2021209961A1 (en) Battery block comprising battery cells and a fiber-optic sensing systems for the in situ monitoring of said battery cells
EP4200934A1 (en) Methods and system for in operando battery state monitoring
CN114056186B (en) Charging monitoring device, charging system and charging method for power battery
US12031859B2 (en) Optical fiber-based sensing membrane
Li et al. Functional optical fiber sensors detecting imperceptible physical/chemical changes for smart batteries
US20250020729A1 (en) Detection method and device for energy storage devices
Vergori et al. Monitoring of Li-ion cells with distributed fibre optic sensors
CN115267562A (en) Distributed battery monitoring system based on optical fiber scattering
CN115143893A (en) Method for detecting internal strain in-situ of solid-state lithium battery through fiber grating sensor
CN114994545A (en) Hybrid monitoring battery structure health system based on optical fiber SPR and FBG sensors
Liu et al. Advanced functional optical fiber sensors for smart battery monitoring
CN118011208A (en) A lithium-ion battery monomer internal state monitoring system
Ghashghaie et al. Towards long-term monitoring of commercial lithium-ion batteries enabled by externally affixed fiber sensors and strain-based prognostic strategies
Huang et al. Real-time monitoring of internal temperature of a lithium-ion battery using embedded fiber Bragg gratings
Unterkofler et al. Measurement of the internal temperature distribution of lithium-ion pouch cells with fiber Bragg grating sensors at realistic external compressive loads
KR20250095035A (en) Complex physical quantitity measuring device using optical fiber sensor for lithium-ion battery status monitoring
Liu et al. Simultaneous measurement of temperature and pressure sensing technology based on double cavity matching in batteries
Wang et al. Large-capacity temperature points monitoring of lithium-ion battery pack via ultra-weak fiber Bragg grating array
CN219497888U (en) Battery monitoring device for hard shell battery module

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20231219

PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20231219

Comment text: Patent Application

PG1501 Laying open of application