KR102144918B1 - 부스트 팩 및 캐패시터 팩을 포함하는 전지팩 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진 구동용 전지팩 시스템으로서, 복수의 전지셀이 각각 직렬 및 병렬 연결되어 있는 부스트 팩(boost pack)과 캐패시터 팩(capacitor pack); 엔진에 대한 부스트 팩과 캐패시터 팩의 전기적 연결을 각각 조절하는 제 1 차단기와 제 2 차단기; 및 상기 제 1 차단기와 제 2 차단기의 작동을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛(micro control unit; MCU);을 포함하고 있고, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시점에 따라, 상기 엔진과의 전기적 연결이 조절되는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템를 제공한다.

Description

부스트 팩 및 캐패시터 팩을 포함하는 전지팩 시스템 {Battery Pack System Comprising Boost Pack and Capacitor Pack}
본 발명은 부스트 팩 및 캐패시터 팩을 포함하는 전지팩 시스템에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 고갈에 의한 에너지원의 가격 상승, 환경 오염의 관심이 증폭되며, 친환경 대체 에너지원에 대한 요구가 미래생활을 위한 필수 불가결한 요인이 되고 있다. 이에 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등 다양한 전력 생산기술들에 대한 연구가 지속되고 있으며, 이렇게 생산된 에너지를 더욱 효율적으로 사용하기 위한 전력저장장치 또한 지대한 관심이 이어지고 있다.
특히, 모바일 기기를 비롯해, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그에 따라 다양한 요구에 부응할 수 있는 전지에 대한 많은 연구가 행해지고 있다.
이러한 전지는 망간, 수은, 알칼리 등으로 대표되는 일차 전지와, 니켈-카드뮴, 리튬 이온, 니켈-수소 등으로 대표되는 충전 가능한 이차 전지로 대별된다.
이러한 이차전지 중에서, 납 축전지는 가장 오래 전에 발명된 이차전지로서, 자동차, 보트, 비행기, 및 연속적인 전원장치에 널리 이용되고 있으며, 특히, 차량의 보급 및 대중화와 함께 거듭 발전하였다.
도 1에는 종래의 엔진 구동을 위한 배터리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 배터리 시스템(100)은 전원으로서, 납 축전지(110)를 포함하고 있다.
납 축전지(110)는 엔진(120)과 전기적으로 연결되어 있으며, 엔진(120)과의 전기적 연결을 조절하기 위한 차단기(130) 및 차단기(130)의 작동을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛(140)을 포함하고 있다.
엔진(120)의 구동을 시작하는 시점에서, 납 축전지(110)는 엔진(120)의 구동 시작에 소요되는 최소 전압 및 전류 이상의 값을 출력함으로써, 엔진(120)을 구동시킨다.
엔진(120)이 구동하는 과정에서, 납 축전지(110)는 엔진(120)의 구동에 따라 발생하는 전류로 인해, 이후의 구동 시작 시점에 소요되는 최소 전압 및 전류 이상으로 충전된다.
그러나, 주기적으로 빈번하게 구동되는 승용 차량 등의 일반용 동력 장치와 달리, 계절 특수성을 갖는 제설용 차량 또는 트랙터(tractor)와 같은 산업용 또는 농업용 동력 장치는 일년 중 봄부터 가을까지 주당 2시간 가량 사용되므로, 상기 일반용 동력 장치에 비해 사용 주기가 길다.
이에 따라, 상기 산업용 또는 농업용 동력 장치의 구동을 위해 사용되는 납 축전지는 긴 사용 주기 및 납 축전지의 높은 과방전 특성으로 인해, 이후에 상기 납 축전지를 사용한 산업용 또는 농업용 동력 장치의 시동 시, 납 축전지의 용량 부족 현상이 빈번하게 발생하는 문제점이 있으며, 이를 보완하기 위한 비상 시동기 등을 별도로 항시 구비해야 하는 번거로움이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 전지팩을 부스트 팩과 캐패시터 팩으로 구분하여 구성하고, 전지팩 시스템이 적용되는 엔진의 구동 시점에 따라, 상기 엔진과의 전기적 연결을 조절함으로써, 긴 구동 주기에도 불구하고, 전지팩이 방전되는 현상을 방지하는 동시에, 엔진의 구동 시, 상기 구동에 소요되는 전압 및 전류를 효과적으로 출력할 수 있으며, 이에 따라, 별도의 비상 시동기를 구비할 필요가 없으므로, 이로 인한 번거로움을 없앨 수 있고, 엔진에 대한 전기적 연결을 위한 별도의 설계 변경 없이, 납 축전지를 사용하는 종래의 전지팩 시스템을 효과적으로 대체할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩 시스템은,
엔진 구동용 전지팩 시스템으로서,
복수의 전지셀이 각각 직렬 및 병렬 연결되어 있는 부스트 팩(boost pack)과 캐패시터 팩(capacitor pack);
엔진에 대한 부스트 팩과 캐패시터 팩의 전기적 연결을 각각 조절하는 제 1 차단기와 제 2 차단기; 및
상기 제 1 차단기와 제 2 차단기의 작동을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛(micro control unit; MCU)
을 포함하고 있고,
상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시점에 따라, 상기 엔진과의 전기적 연결이 조절되는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 구분된 부스트 팩과 캐패시터 팩은 전지팩 시스템이 적용되는 엔진의 구동 시점에 따라, 상기 엔진과의 전기적 연결이 조절됨으로써, 긴 구동 주기에도 불구하고, 전지팩이 방전되는 현상을 방지하는 동시에, 엔진의 구동시, 상기 구동에 소요되는 전압 및 전류를 효과적으로 출력할 수 있으며, 이에 따라, 별도의 비상 시동기를 구비할 필요가 없으므로, 이로 인한 번거로움을 없앨 수 있고, 엔진에 대한 전기적 연결을 위한 별도의 설계 변경 없이, 납 축전지를 사용하는 종래의 전지팩 시스템을 효과적으로 대체할 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시작 시점에서, 상기 엔진에 모두 전기적으로 연결되는 구조일 수 있다.
일반적인 농업용 동력 차량의 예로서, 트랙터의 경우, 상기 트랙터의 엔진의 구동을 시작하기 위해서는 적어도 15V(volt), 400A(ampere)의 전압 및 전류가 필요하다.
이러한 경우에, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 약 3.6V 내지 4.2V, 100A 내지 120A의 전압 및 전류를 출력하는 전지셀들이 직렬 및 병렬로 연결되어 있으며, 더욱 구체적으로, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 각각 4개의 전지셀들이 직렬로 연결되어 하나의 유닛셀을 구성하고, 상기 유닛셀들 2단위가 병렬 연결됨으로써, 총 8개의 전지셀들이 직렬 및 병렬로 연결된 4S2P 구조의 단위팩이 부스트 팩 및 캐패시터 팩을 각각 구성한다. 여기서, S와 P의 용어는 각각 직렬(series) 및 병렬(parallel) 연결 구조를 의미한다.
또한, 상기 4S2P 구조의 부스트 팩과 캐패시터 팩은 각각 병렬로 연결되어 4S4P의 구조를 가질 수 있으며, 이에 따라, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 총 15V, 400A 이상의 전압 및 전류를 출력함으로써, 트랙터의 엔진 구동을 시작할 수 있다.
여기서, 4S2P 구조의 부스트 팩 및 캐패시터 팩은 각각 상기 구동 시작 이전의 구동 과정에서, 서로 상이한 전압으로 충전 및 유지되며, 더욱 구체적으로, 상기 캐패시터 팩은 부스트 팩에 비해 상대적으로 낮은 전압으로서, 상기 엔진의 구동 시작을 위해 소요되는 최소 전압인 15V 미만으로 충전 및 유지될 수 있다.
따라서, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시작 시점 또는 상기 엔진의 이전 구동 종료 시점과 상기 구동 시작 시점 사이에서, 서로 병렬 연결됨으로써, 엔진의 구동 시작을 위해 소요되는 최소 전압 및 전류 이상의 값으로, 전압 및 전류의 평형이 조성될 수 있으며, 결과적으로, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시작 시점에서, 동일한 전압 및 전류로서, 상기 엔진의 구동 시작을 위해 소요되는 최소 전압 및 전류 이상의 전압 및 전류를 출력할 수 있다.
이러한 경우에, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시작 시점에서, 엔진의 구동 시작을 위한 최소 요구 전압에 대해, 100% 내지 110%의 전압을 출력하는 구조일 수 있다.
만일, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩이 엔진의 구동 시작 시점에서, 엔진의 구동 시작을 위한 최소 요구 전압에 대해, 100% 미만의 전압 및 전류를 출력하는 경우, 상기 엔진을 구동시킬 수 없고, 110%를 초과하는 경우에는, 상기 엔진이 적용된 디바이스를 구성하는 기타 요소들의 성능에 대해, 이상을 일으키지 않는 최대 허용 전압을 초과함으로써, 상기 요소들에 손상을 유발할 수 있는 문제점이 있다.
여기서, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩이 각각 상기 구동 시작 이전의 구동 과정에서, 서로 상이한 전압으로 충전 및 유지되는 이유는 이하에서 더욱 자세히 설명한다.
한편, 상기 부스트 팩은 엔진의 구동 간, 상기 엔진에 대한 전기적 연결이 차단되는 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 캐패시터 팩은 상기 구동 시작 이전의 구동 과정에서, 상기 엔진의 구동 시작을 위해 소요되는 최소 전압 및 전류 미만으로 충전 및 유지될 수 있으며, 엔진의 구동 시작 시점에서, 상대적으로 높은 전압 및 전류로 충전 및 유지된 부스트 팩과 병렬 연결되어, 상기 전압 및 전류의 평형을 형성함으로써, 상기 엔진의 구동 시작을 위해 소요되는 최소 전압 및 전류 이상의 값을 출력할 수 있다.
다시 말해, 상기 부스트 팩은 엔진의 구동 시작 시점에서, 상기 엔진의 구동 시작을 위해 소요되는 최소 전압 및 전류 이상의 값을 출력하기 위해서만 필요한 구성으로서, 엔진의 구동 간, 상기 엔진에 대한 전기적 연결이 차단되는 구조일 수 있다.
또한, 상기 상기 엔진의 구동 간, 캐패시터 팩의 전압 및 전류는 일정한 펄스(pulse)를 갖는 소정의 오차 범위 내에서 충전 및 유지되는 구조일 수 있다.
이러한 경우에, 상기 캐패시터 팩의 전압 및 전류는 엔진의 구동에 의해 충전 및 유지되는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 엔진의 구동 간, 부스트 팩과 달리, 상기 캐패시터 팩은 엔진과 전기적 연결 상태를 유지하며, 상기 엔진의 구동에 따라 발생하는 펄스 전류로 인해, 상기 캐패시터 팩의 전압 및 전류는 일정한 펄스를 갖는 소정의 오차 범위 내에서 충전 및 유지되는 구조일 수 있다.
이와 관련하여, 종래의 납 축전지를 사용하여 구동되는 트랙터의 경우, 상기 발전 시스템은 납 축전지를 캐패시터로 가정하여 설계되므로, 엔진으로부터의 출력부에는 항상 납 축전지가 연결되어야 엔진의 구동이 정상적으로 작동된다.
이에 대해, 본 발명에 따른 전지팩 시스템은 상기 캐패시터 팩이 엔진과 전기적 연결 상태를 유지하므로, 상기 종래의 납 축전지를 대신하더라도, 엔진의 구동이 정상적으로 작동될 수 있다.
또한, 상기 엔진의 구동 간, 캐패시터 팩의 전압 및 전류가 갖는 오차 범위는, 상기 캐패시터 팩의 평균 전압 및 전류에 대해 ±1% 내지 ±10% 크기일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 캐패시터 팩의 전압 및 전류는 엔진의 구동에 따라 발생하는 펄스 전류로 인해, 일정한 펄스를 갖는 소정의 오차 범위 내에서 충전 및 유지되므로, 상기 오차 범위는 적어도 ±1% 이상일 수 있다.
그러나, 상기 오차 범위가 ±10%를 초과하는 경우에는, 캐패시터 팩의 최대 전압이 지나치게 커져, 상기 엔진이 적용된 디바이스를 구성하는 요소들의 최대 허용 전압을 초과할 수 있으며, 이에 따라, 상기 디바이스를 구성하는 요소들이 손상될 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 엔진의 구동 간, 캐패시터 팩의 최대 전압은 상기 엔진이 적용된 디바이스를 구성하는 요소들의 최대 허용 전압에 대해, 85% 내지 95% 크기일 수 있다.
만일, 상기 캐패시터 팩의 최대 전압이 상기 엔진이 적용된 디바이스를 구성하는 요소들의 최대 허용 전압에 대해, 85% 미만일 경우에는, 상기 엔진의 구동 간, 캐패시터 팩이 충전 및 유지되는 전압이 지나치게 낮아져, 엔진의 구동 시작 시점에서, 부스트 팩과 전압 및 전류의 평형을 이루더라도, 상기 엔진의 구동 시작에 소요되는 최소 전압 및 전류에 미치지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 상기 캐패시터 팩의 최대 전압이 상기 엔진이 적용된 디바이스를 구성하는 요소들의 최대 허용 전압에 대해, 95%를 초과할 경우에는, 상기 엔진의 구동 간, 캐패시터 팩이 충전 및 유지되는 전압이 지나치게 높아져, 엔진의 구동 시작 시점에서, 부스트 팩과 평형을 이루는 전압이 디바이스를 구성하는 기타 요소들의 최대 허용 전압에 비해 지나치게 높아질 수 있으며, 이에 따라, 상기 엔진의 구동 시작 시 출력되는 전압에 의해, 디바이스를 구성하는 기타 요소들이 손상될 수 있는 문제점이 있다.
한편, 상기 엔진의 구동 간, 부스트 팩은 캐패시터 팩의 평균 전압에 비해 높은 전압으로 충전되는 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 부스트 팩은 엔진의 구동 간, 상기 엔진에 대한 전기적 연결이 차단되는 구조일 수 있다.
따라서, 상기 부스트 팩은 엔진의 구동 간, 디바이스를 구성하는 기타 요소들의 최대 허용 전압을 초과하는 값으로 충전되더라도, 상기 요소들에 손상을 유발하지 않을 수 있다.
또한, 상기 부스트 팩은 엔진의 구동 간, 캐패시터 팩의 평균 전압에 비해 높은 전압으로 충전됨으로써, 이후의 엔진 구동 시작 시, 상기 엔진의 구동에 소요되는 최소 전압 및 전류에 비해 낮은 값으로 충전 및 유지된 캐패시터 팩의 전압 및 전류와 평형을 이룸으로써, 효과적으로 엔진을 구동시킬 수 있다.
이때, 상기 엔진의 구동 간, 부스트 팩은 캐패시터 팩의 평균 전압에 대해 110% 내지 120%의 전압으로 충전되는 구조일 수 있다.
만일, 상기 엔진의 구동 간, 부스트 팩이 캐패시터 팩의 평균 전압에 대해 110%의 전압으로 충전될 경우에는, 이후의 엔진 구동 시작 시, 캐패시터 팩의 전압 및 전류와 평형을 이루는 전압 및 전류의 값이 상기 엔진의 구동에 소요되는 최소 전압에 비해 낮아질 수 있어, 상기 엔진을 구동시키지 못할 수 있다.
이와 반대로, 상기 엔진의 구동 간, 부스트 팩이 캐패시터 팩의 평균 전압에 대해 120%를 초과하는 전압으로 충전될 경우에는, 이후의 엔진 구동 시작 시, 캐패시터 팩의 전압 및 전류와 평형을 이루는 전압의 값이, 디바이스를 구성하는 기타 요소들의 최대 허용 전압에 비해 높아질 수 있어, 상기 엔진의 구동을 시작하는 과정에서 출력되는 전압에 의해, 기타 요소들이 손상될 수 있는 문제점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 각각 동일한 수량의 전지셀들을 포함하는 구조일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동에 따른 각 시점에서, 미세한 전압 차이를 가지며, 이에 따라, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩을 구성하는 전지셀들의 수량이 상이할 경우, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩의 전압 차이가 지나치게 커져, 앞서 설명한 문제점들이 발생할 수 있다.
또한, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩을 구성하는 전지셀들의 수량은 전지셀들의 전압, 엔진의 구동에 소요되는 최소 전압, 상기 엔진이 적용되는 디바이스의 종류 및 용도에 따라, 조절되는 구조일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩 시스템은 종래의 납 축전지에 비해, 다양한 디바이스에 보다 용이하게 적용될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 전지셀은 그것의 종류가 특별히 한정되는 것은 아니지만, 구체적인 예로서, 높은 에너지 밀도, 방전 전압, 출력 안정성 등의 장점을 가진 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지 등과 같은 리튬 이차전지일 수 있다.
일반적으로, 리튬 이차전지는 양극, 음극, 분리막, 및 리튬염 함유 비수 전해액으로 구성되어 있다.
상기 양극은, 예를 들어, 양극 집전체 상에 양극 활물질, 도전재 및 바인더의 혼합물을 도포한 후 건조하여 제조되며, 필요에 따라서는, 상기 혼합물에 충진제를 더 첨가하기도 한다.
상기 양극 활물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나 1 또는 그 이상의 전이금속으로 치환된 화합물; 화학식 Li1+xMn2-xO4 (여기서, x 는 0 ~ 0.33 임), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물; 리튬 동 산화물(Li2CuO2); LiV3O8, LiFe3O4, V2O5, Cu2V2O7 등의 바나듐 산화물; 화학식 LiNi1-xMxO2 (여기서, M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x = 0.01 ~ 0.3 임)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물; 화학식 LiMn2-xMxO2 (여기서, M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x = 0.01 ~ 0.1 임) 또는 Li2Mn3MO8 (여기서, M = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn 임)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물; 화학식의 Li 일부가 알칼리토금속 이온으로 치환된 LiMn2O4; 디설파이드 화합물; Fe2(MoO4)3 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 도전재는 통상적으로 양극 활물질을 포함한 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 도전재는 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙 등의 카본블랙; 탄소 섬유나 금속 섬유 등의 도전성 섬유; 불화 카본, 알루미늄, 니켈 분말 등의 금속 분말; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 소재 등이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 활물질과 도전재 등의 결합과 집전체에 대한 결합에 조력하는 성분으로서, 통상적으로 양극 활물질을 포함하는 혼합물 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량%로 첨가된다. 이러한 바인더의 예로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 테르 폴리머(EPDM), 술폰화 EPDM, 스티렌 브티렌 고무, 불소 고무, 다양한 공중합체 등을 들 수 있다.
상기 충진제는 양극의 팽창을 억제하는 성분으로서 선택적으로 사용되며, 당해 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 섬유상 재료라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올리핀계 중합체; 유리섬유, 탄소섬유 등의 섬유상 물질이 사용된다.
상기 음극은 음극 집전체 상에 음극 활물질을 도포, 건조하여 제작되며, 필요에 따라, 앞서 설명한 바와 같은 성분들이 선택적으로 더 포함될 수도 있다.
상기 음극 활물질로는, 예를 들어, 난흑연화 탄소, 흑연계 탄소 등의 탄소; LixFe2O3(0≤x≤1), LixWO2(0≤x≤1), SnxMe1-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, 주기율표의 1족, 2족, 3족 원소, 할로겐; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8) 등의 금속 복합 산화물; 리튬 금속; 리튬 합금; 규소계 합금; 주석계 합금; SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4, and Bi2O5 등의 금속 산화물; 폴리아세틸렌 등의 도전성 고분자; Li-Co-Ni 계 재료 등을 사용할 수 있다.
상기 분리막 및 분리필름은 양극과 음극 사이에 개재되며, 높은 이온 투과도와 기계적 강도를 가지는 절연성의 얇은 박막이 사용된다. 분리막의 기공 직경은 일반적으로 0.01 ~ 10 ㎛이고, 두께는 일반적으로 5 ~ 130 ㎛이다. 이러한 분리막으로는, 예를 들어, 내화학성 및 소수성의 폴리프로필렌 등의 올레핀계 폴리머; 유리섬유 또는 폴리에틸렌 등으로 만들어진 시트나 부직포 등이 사용된다. 전해질로서 폴리머 등의 고체 전해질이 사용되는 경우에는 고체 전해질이 분리막을 겸할 수도 있다.
또한, 하나의 구체적인 예에서, 전지의 안전성의 향상을 위하여, 상기 분리막 및/또는 분리필름은 유/무기 복합 다공성의 SRS(Safety-Reinforcing Separators) 분리막일 수 있다.
상기 SRS 분리막은 폴리올레핀 계열 분리막 기재상에 무기물 입자와 바인더 고분자를 활성층 성분으로 사용하여 제조되며, 이때 분리막 기재 자체에 포함된 기공 구조와 더불어 활성층 성분인 무기물 입자들간의 빈 공간(interstitial volume)에 의해 형성된 균일한 기공 구조를 갖는다.
이러한 유/무기 복합 다공성 분리막을 사용하는 경우 통상적인 분리막을 사용한 경우에 비하여 화성 공정(Formation)시의 스웰링(swelling)에 따른 전지 두께의 증가를 억제할 수 있다는 장점이 있고, 바인더 고분자 성분으로 액체 전해액 함침시 겔화 가능한 고분자를 사용하는 경우 전해질로도 동시에 사용될 수 있다.
또한, 상기 유/무기 복합 다공성 분리막은 분리막 내 활성층 성분인 무기물 입자와 바인더 고분자의 함량 조절에 의해 우수한 접착력 특성을 나타낼 수 있으므로, 전지 조립 공정이 용이하게 이루어질 수 있다는 특징이 있다.
상기 무기물 입자는 전기화학적으로 안정하기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 무기물 입자는 적용되는 전지의 작동 전압 범위(예컨대, Li/Li+ 기준으로 0~5V)에서 산화 및/또는 환원 반응이 일어나지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 특히, 이온 전달 능력이 있는 무기물 입자를 사용하는경우, 전기 화학 소자 내의 이온 전도도를 높여 성능 향상을 도모할 수 있으므로, 가능한 이온 전도도가 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 무기물 입자가 높은 밀도를 갖는 경우, 코팅시 분산시키는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 전지 제조시 무게 증가의 문제점도 있으므로, 가능한 밀도가 작은 것이 바람직하다. 또한, 유전율이 높은 무기물인 경우, 액체 전해질 내 전해질 염, 예컨대 리튬염의 해리도 증가에 기여하여 전해액의 이온 전도도를 향상시킬 수 있다.
리튬염 함유 비수 전해액은, 극성 유기 전해액과 리튬염으로 이루어져 있다. 전해액으로는 비수계 액상 전해액, 유기 고체 전해질, 무기 고체 전해질 등이 사용된다.
상기 비수계 액상 전해액으로는, 예를 들어, N-메틸-2-피롤리디논, 프로필렌 카르보네이트, 에틸렌 카르보네이트, 부틸렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 감마-부틸로 락톤, 1,2-디메톡시 에탄, 테트라히드록시 프랑(franc), 2-메틸 테트라하이드로푸란, 디메틸술폭시드, 1,3-디옥소런, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 디옥소런, 아세토니트릴, 니트로메탄, 포름산 메틸, 초산메틸, 인산 트리에스테르, 트리메톡시 메탄, 디옥소런 유도체, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 프로필렌 카르보네이트 유도체, 테트라하이드로푸란 유도체, 에테르, 피로피온산 메틸, 프로피온산 에틸 등의 비양자성 유기용매가 사용될 수 있다.
상기 유기 고체 전해질로는, 예를 들어, 폴리에틸렌 유도체, 폴리에틸렌 옥사이드 유도체, 폴리프로필렌 옥사이드 유도체, 인산 에스테르 폴리머, 폴리 에지테이션 리신(agitation lysine), 폴리에스테르 술파이드, 폴리비닐 알코올, 폴리 불화 비닐리덴, 이온성 해리기를 포함하는 중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 무기 고체 전해질로는, 예를 들어, Li3N, LiI, Li5NI2, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-LiI-LiOH, Li3PO4-Li2S-SiS2 등의 Li의 질화물, 할로겐화물, 황산염 등이 사용될 수 있다.
상기 리튬염은 상기 비수계 전해질에 용해되기 좋은 물질로서, 예를 들어, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로 보란 리튬, 저급 지방족 카르본산 리튬, 4 페닐 붕산 리튬, 이미드 등이 사용될 수 있다.
또한, 비수계 전해액에는 충방전 특성, 난연성 등의 개선을 목적으로, 예를 들어, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사 인산 트리 아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올, 삼염화 알루미늄 등이 첨가될 수도 있다. 경우에 따라서는, 불연성을 부여하기 위하여, 사염화탄소, 삼불화에틸렌 등의 할로겐 함유 용매를 더 포함시킬 수도 있고, 고온 보존 특성을 향상시키기 위하여 이산화탄산 가스를 더 포함시킬 수도 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩 시스템을 이용하여 엔진을 구동시키는 방법을 제공하는 바, 상기 방법은,
a) 부스트 팩과 캐패시터 팩이 모두 엔진에 전기적으로 연결된 상태에서, 동일한 전압을 출력하여 인가하는 과정;
b) 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩으로부터 인가되는 전류를 이용해, 엔진의 구동이 시작되는 과정;
c) 상기 엔진의 구동이 시작된 이후에, 엔진에 대한 부스트 팩의 연결이 차단되는 과정;
d) 상기 캐패시터 팩이 엔진에 전기적으로 연결된 상태에서, 엔진의 구동이 유지되는 과정;
e) 상기 엔진의 구동이 종료되는 과정;
을 포함할 수 있다.
이때, 상기 d) 과정에서, 캐패시터 팩은 전압이 일정한 펄스(pulse)를 갖는 소정의 오차 범위 내에서 유지되는 구조일 수 있으며, 상세하게는, 상기 캐패시터 팩의 전압은 엔진의 구동에 의해 충전 및 유지되는 구조일 수 있다.
또한, 상기 캐패시터 팩의 전압이 갖는 오차 범위는, 상기 엔진이 적용된 디바이스를 구성하는 요소들의 최대 허용 전압을 초과함에 따라, 발생할 수 있는 디바이스 구성 요소들의 손상을 방지할 수 있도록, 상기 캐패시터 팩의 평균 전압에 대해 ±1% 내지 ±10% 크기일 수 있다.
한편, 상기 d) 과정에서, 부스트 팩은 이후의 엔진 구동 시작 시, 캐패시터 팩의 전압 및 전류와 평형을 이루어 상기 엔진의 구동에 소요되는 최소 전압 이상을 출력할 수 있도록, 캐패시터 팩의 평균 전압에 대해 110% 내지 120%의 전압으로 충전되는 구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전지팩 시스템을 포함하는 디바이스를 제공하는 바, 상기 디바이스는 긴 사용 주기를 갖는 동력 차량일 수 있으며, 상세하게는, 사용에 대한 계절 특이성을 갖는 산업용 동력 장치 또는 농업용 동력 장치일 수 있으며, 더욱 상세하게는, 제설용 차량, 이앙기, 트랙터, 또는 곡물 추수용 차량일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩 시스템은, 전지팩이 부스트 팩과 캐패시터 팩으로 구분되어 있고, 전지팩 시스템이 적용되는 엔진의 구동 시점에 따라, 상기 엔진과의 전기적 연결이 조절됨으로써, 긴 구동 주기에도 불구하고, 전지팩이 방전되는 현상을 방지하는 동시에, 엔진의 구동 시, 상기 구동에 소요되는 전압 및 전류를 효과적으로 출력할 수 있으며, 이에 따라, 별도의 비상 시동기를 구비할 필요가 없으므로, 이로 인한 번거로움을 없앨 수 있고, 엔진에 대한 전기적 연결을 위한 별도의 설계 변경 없이, 납 축전지를 사용하는 종래의 전지팩 시스템을 효과적으로 대체할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 엔진 구동을 위한 배터리 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지팩 시스템(200)은 전원으로서, 부스트 팩(210)과 캐패시터 팩(220)을 포함하고 있으며, 부스트 팩(210)과 캐패시터 팩(220)은 엔진(230)에 전기적으로 연결되어 있다.
엔진(230)에 대한 부스트 팩(210)과 캐패시터 팩(220)의 전기적 연결은 제 1 차단기(231)와 제 2 차단기(232)에 의해 각각 조절되며, 제 1 차단기(231)와 제 2 차단기(232)의 작동은 마이크로 컨트롤 유닛(240)에 의해 제어된다.
전지팩 시스템(200)은 외부로부터의 자극에 의한 이상 현상 또는 내부적 문제점 발생에 따른 이상 현상으로부터 전지팩 시스템(200)을 보호하기 위한 보호회로(250)를 포함하고 있다.
부스트 팩(210)과 제 1 차단기(231) 사이에는 부스트 팩(210)으로부터의 전압을 변압하는 역할을 하는 부스트 서킷(boost circuit; 260)이 위치해 있다.
우선, 전지팩 시스템(200)은 엔진(230)의 구동 시작 시점에서, 부스트 팩(210)과 캐패시터 팩(220)이 엔진(230)에 모두 전기적으로 연결되어, 평형을 이루는 전압 및 전류를 출력함으로써, 엔진(230)을 구동시킨다.
엔진(230)의 구동이 시작된 이후에, 엔진(230)에 대한 부스트 팩(210)의 연결이 차단되며, 캐패시터 팩(220)은 엔진(230)의 구동에 따라 발생하는 펄스 전류로 인해, 전압이 일정한 펄스를 갖는 소정의 오차 범위 내에서 충전 및 유지된다.
이때, 부스트 팩(210)은 캐패시터 팩(220)의 평균 전압에 비해 상대적으로 높은 전압으로 충전된다.
따라서, 엔진(230)의 구동이 종료되는 시점에서, 부스트 팩(210)은 캐패시터 팩(220)에 비해 상대적으로 높은 전압을 가지며, 이후의 엔진(230)의 구동 시작 시점에서, 캐패시터 팩(220)과 함께 연결되어 평형을 이룬다.
이러한 과정에서, 엔진의 구동 시점에 따른 구체적인 구성 요소들의 작동 상태에 대해, 트랙터의 엔진을 예로 들어, 하기 표 1에 나타내었다.
여기서, 트랙터의 엔진을 구동하기 위해 소요되는 최소 전압은 약 15V이고, 상기 트랙터를 구성하는 기타 요소들의 손상을 유발하지 않는 최대 허용 전압은 약 15.5V이며, 부스트 팩과 캐패시터 팩은 각 전지셀들이 4S2P 구조로서, 각각 8개의 전지셀들, 총 16개의 전지셀들을 포함하도록, 구성되어 있다.
엔진의
구동 시점		 제 1 차단기
연결상태		 제 2 차단기
연결상태		 부스트 팩
전압상태		 캐패시터 팩
전압상태
Start On On 15V 출력 15V 출력
On Off On 16.4V 충전 14~15V
충전 및 유지
Off Off Off 16.4V 유지 14.5V 유지
상기 표 1 및 도 1을 함께 참조하면, 엔진(230)의 구동이 시작되는 시점에서, 제 1 차단기(231)와 제 2 차단기(232)는 모두 "On" 상태를 유지함으로써, 서로 평형 상태를 유지하며, 동일한 15V의 전압을 출력함으로써, 트랙터의 엔진(230)을 구동시킨다.
이후에, 엔진(230)의 구동이 유지되는 과정에서, 제 1 차단기(231)가 "Off" 상태로 변경됨으로써, 엔진(230)에 대한 부스트 팩(210)의 전기적 연결을 차단한다.
캐패시터 팩(220)은 제 2 차단기(232)가 "On" 상태를 유지함으로써, 엔진(230)과의 전기적 연결 상태를 유지하며, 이에 따라, 엔진(230)의 구동에 따라 발생하는 펄스 전류로 인해, 평균 전압 14.5V, 오차 범위 ±0.5V인 14V 내지 15V의 전압으로 충전 및 유지된다.
이때, 부스트 팩(210)은 이후의 엔진(230) 구동 시작 시점에서, 상대적으로 낮은 전압을 갖는 캐패시터 팩(220)과의 평형을 맞춘 전압이 엔진(230)의 구동을 위한 15V 이상이 되도록, 16.4V로 충전된다.
이후에, 엔진(230)의 구동이 종료된 시점에서, 제 1 차단기(231) 및 제 2 차단기(232)는 모두 "Off" 상태를 유지하며, 부스트 팩(210)과 캐패시터 팩(220) 역시, 각각 약 16.4V 및 14.5V의 전압 상태를 유지한다.
따라서, 이후의 엔진(230) 구동 시작 시점에서, 부스트 팩(210)과 캐패시터 팩(220)은 다시 연결되어, 평형을 이루는 약 15V의 전압을 출력함으로써, 엔진(230)을 구동시킬 수 있다.
또한, 엔진(230)의 구동 시작 시점에서 출력되는 전압과 엔진(230)의 구동 간 충전 및 유지되는 캐패시터 팩(220)의 최대 전압은 15V로서, 트랙터를 구성하는 기타 요소들의 손상을 유발하지 않는 최대 허용 전압인 15.5V 미만의 전압 상태를 유지한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 엔진 구동용 전지팩 시스템으로서,
    복수의 전지셀이 각각 직렬 및 병렬 연결되어 있는 부스트 팩(boost pack)과 캐패시터 팩(capacitor pack);
    엔진에 대한 부스트 팩과 캐패시터 팩의 전기적 연결을 각각 조절하는 제 1 차단기와 제 2 차단기; 및
    상기 제 1 차단기와 제 2 차단기의 작동을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛(micro control unit; MCU);
    을 포함하고 있고,
    상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시점에 따라, 상기 엔진과의 전기적 연결이 조절되는 것을 특징으로 하며,
    상기 부스트 팩은 엔진의 구동 시작 후, 상기 엔진에 대한 전기적 연결이 차단되는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시작 시점에서, 상기 엔진에 모두 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시작 시점에서, 동일한 전압 및 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 엔진의 구동 시작 시점에서, 엔진의 구동 시작을 위한 최소 요구 전압 및 전류에 대해, 100% 내지 110%의 전압 및 전류를 출력하는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진의 구동 시작 후, 캐패시터 팩의 전압은 일정한 펄스(pulse)를 갖는 소정의 오차 범위 내에서 충전 및 유지되는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 캐패시터 팩의 전압은 엔진의 구동에 의해 충전 및 유지되는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 엔진의 구동 시작 후, 캐패시터 팩의 전압이 갖는 오차 범위는, 상기 캐패시터 팩의 평균 전압에 대해 ±1% 내지 ±10% 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 엔진의 구동 시작 후, 캐패시터 팩의 최대 전압은 상기 엔진이 적용된 디바이스를 구성하는 요소들의 최대 허용 전압에 대해, 85% 내지 95% 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진의 구동 시작 후, 부스트 팩은 캐패시터 팩의 평균 전압에 비해 높은 전압으로 충전되는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 엔진의 구동 시작 후, 부스트 팩은 캐패시터 팩의 평균 전압에 대해 110% 내지 120%의 전압으로 충전되는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩은 각각 동일한 수량의 전지셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩을 구성하는 전지셀들의 수량은 전지셀들의 전압, 엔진의 구동에 소요되는 최소 전압, 상기 엔진이 적용되는 디바이스의 종류 및 용도에 따라, 조절되는 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩 시스템.
  15. 제 1 항에 따른 전지팩 시스템을 이용하여 엔진을 구동시키는 방법으로서,
    f) 부스트 팩과 캐패시터 팩이 모두 엔진에 전기적으로 연결된 상태에서, 동일한 전압을 출력하여 인가하는 과정;
    g) 상기 부스트 팩과 캐패시터 팩으로부터 인가되는 전류를 이용해, 엔진의 구동이 시작되는 과정;
    h) 상기 엔진의 구동이 시작된 이후에, 엔진에 대한 부스트 팩의 연결이 차단되는 과정;
    i) 상기 캐패시터 팩이 엔진에 전기적으로 연결된 상태에서, 엔진의 구동이 유지되는 과정;
    j) 상기 엔진의 구동이 종료되는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 구동 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 h) 과정에서, 캐패시터 팩은 전압이 일정한 펄스를 갖는 소정의 오차 범위 내에서 충전 및 유지되는 것을 특징으로 하는 엔진 구동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 캐패시터 팩의 전압은 엔진의 구동에 의해 충전 및 유지되는 것을 특징으로 하는 엔진 구동 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 캐패시터 팩의 전압이 갖는 오차 범위는, 상기 캐패시터 팩의 평균 전압에 대해 ±1% 내지 ±10% 크기인 것을 특징으로 하는 엔진 구동 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 h) 과정에서, 부스트 팩은 캐패시터 팩의 평균 전압에 대해 110% 내지 120%의 전압으로 충전되는 것을 특징으로 하는 엔진 구동 방법.
  20. 제 1 항에 따른 전지팩 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 디바이스는 산업용 동력 장치 또는 농업용 동력 장치인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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