KR101629755B1 - 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치는 적어도 하나의 이차 전지를 포함하고 그 내부 표면에 금속발열 소재가 장착된 이차전지 모듈; 및 상기 이차전지 모듈의 외부 온도에 따라 상기 이차전지 모듈의 내부 공간에 공기를 주입하고, 그 주입된 공기에 의해 상기 금속발열 소재를 발열 시켜 상기 이차전지 모듈의 내부에 설치된 이차 전지의 온도가 상승되도록 제어하는 제어 수단을 포함한다.

Description

이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING LOW TEMPERATURE POWER PROPERTY OF SECONDARY BATTERY AND METHOD THEREOF}

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 특히, 금속 발열 소재를 이용하여 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

일반적으로 리튬 이차 전지는 음극 활물질로 탄소 재료와 양극 활물질로 리튬 코발트 산화물이나 리튬 망간 산화물 등의 금속 산화물을 사용하며, 음극과 양극 사이에 폴리올레핀계 다공성 분리막을 넣고, LiPE6 등의 리튬염이 함유된 비수 전해액을 넣어서 제조된다. 충전 시에는 양극 활물질의 리튬이온이 방출되어 음극의 탄소층으로 삽입이 되며, 방전 시에는 반대로 탄소층의 리튬이온이 방출되어 양극 활물질로 삽입이 된다. 비수 전해액은 음극과 양극 사이에서 리튬이온을 이동시키는 매질 역할을 하며, 전지의 작동 전압 범위에서 안정해야 하고, 충분히 빠른 속도로 이온을 전달할 수 있는 성능을 가져야 한다.

그러나 이러한 리튬 이차 전지는 충전 또는 방전하는 과정이 앞서 살펴본 바와 같이 전기 화학적 반응에 의하여 이루어지므로 주변 온도 조건에 많은 영향을 받게 된다. 예를 들어, 최적 온도가 유지되지 않는 극저온 또는 극고온 등의 온도 악조건에 노출된 상태에서 충방전 과정이 진행되면, 리튬 이차 전지의 충방전 효율이 낮아지게 됨은 물론, 이와 같은 온도 악조건에 중장기적으로 리튬 이차 전지가 노출되는 경우 정상적인 구동 성능이나 수명을 보장하기 어려운 문제점이 있다.

따라서 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 이차 전지의 표면에 공기와 반응하여 발열하는 금속 발열 소재를 장착하여 그 장착된 금속 발열 소재를 이차 전지의 온도가 저온인 경우 공기와 반응하도록 하여 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치는 적어도 하나의 이차 전지를 포함하고 그 내부 표면에 금속발열 소재가 장착된 이차전지 모듈; 및 상기 이차전지 모듈의 외부 온도에 따라 상기 이차전지 모듈의 내부 공간에 공기를 주입하고, 그 주입된 공기에 의해 상기 금속발열 소재를 발열 시켜 상기 이차전지 모듈의 내부에 설치된 이차 전지의 온도가 상승되도록 제어하는 제어 수단을 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 이차전지 모듈은 상기 이차 전지가 내장 설치되는 하우징; 상기 하우징의 내부 표면에 장착되어, 공기와 반응하여 발열되는 금속 발열소재; 및 상기 하우징의 내부 공간에 장착되어, 상기 제어 수단의 제어에 따라 공기를 제공하는 공기 캡슐을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 제어 수단은 상기 이차전지 모듈의 외부 온도가 기 설정된 기준 온도 이하이면, 저온 상태라고 판단하고, 그 판단한 결과로 상기 이차전지 모듈의 내부에 장착된 상기 공기 캡슐을 구동 시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 금속 발열소재는, 상기 이차전지 모듈의 내부 표면에 장착되되, 일부 또는 전체에 장착되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 금속 발열소재는 Mg, Ti 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 금속 발열소재는 Mg, Ti 중 적어도 하나의 물질과 Si, Al 중 적어도 하나의 물질이 결합된 금속합금 소재인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 한 관점에 따른 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 방법은 적어도 하나의 이차 전지가 내장 설치된 이차전지 모듈의 외부 온도를 측정하는 단계; 측정된 상기 외부 온도와 기 설정된 기준 온도를 비교하는 단계; 및 그 비교한 결과에 따라 상기 이차전지 모듈의 내부 공간에 공기를 주입하여, 그 주입된 공기에 의해 상기 이차전지 모듈의 내부 표면에 장착된 금속발열 소재를 발열 시켜 상기 이차전지 모듈의 내부에 설치된 이차 전지의 온도가 상승되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 제어하는 단계는 상기 이차전지 모듈의 외부 온도가 기 설정된 기준 온도 이하이면, 저온 상태라고 판단하고, 그 판단한 결과로 상기 이차전지 모듈의 내부에 장착된 상기 공기 캡슐을 구동 시키는 것을 특징으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 이차 전지의 표면에 공기와 반응하여 발열하는 금속 발열 소재를 장착하여 그 장착된 금속 발열 소재를 이차 전지의 온도가 저온인 경우 공기와 반응하도록 함으로써, 이차 전지의 저온 출력 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 이차 전지의 표면에 공기와 반응하여 발열하는 금속 발열 소재를 장착하기 때문에 이차 전지의 승온에 필요한 공간적인 제약을 해결하고 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 이차 전지의 표면에 공기와 반응하여 발열하는 금속 발열 소재를 장착하기 때문에 이차 전지의 온도를 균일하게 상승 시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치 및 그 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.

특히, 본 발명에서는 이차 전지의 표면에 공기와 반응하여 발열하는 기 설정된 금속 발열 소재를 장착하여 그 장착된 금속 발열 소재를 이차 전지의 온도가 기 설정된 저온인 경우에만 공기와 반응하도록 제어하는 새로운 방안을 제안한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치는 제어 수단(100), 온도 측정기(200), 및 이차전지 모듈(300)을 포함하여 구성할 수 있다.

제어 수단(100)은 다수의 이차전지를 포함하는 이차전지 모듈의 외부 온도를 측정하고, 그 측정된 온도에 따라 이차전지 모듈 내 금속 발열소재가 발열되도록 제어할 수 있다.

예컨대, 제어 수단(100)은 이차 전지를 추진 에너지로 사용하는 시스템으로부터 시작 신호를 인가 받으면 이차전지 모듈의 외부 온도를 측정하여 그 측정된 이차전지 모듈의 외부 온도가 기 설정된 온도 이하 즉, 저온인 경우 이차전지 모듈 내 금속 발열소재가 발열되도록 제어하게 된다.

여기서, 기 설정된 온도는 이차 전지의 출력 특성이 저하되는 -10℃를 나타낼 수 있다.

온도측정기(200)는 외부 온도를 측정하여 측정된 내부 온도를 제어 수단에 제공할 수 있다.

이차전지 모듈(300)은 그 내부가 공기와 반응하는 금속발열 소재가 장착될 수 있다. 이렇게 장착된 금속발열 소재는 이차전치 모듈(300)의 내부 온도가 저온인 경우 제어 수단(100)의 제어에 따라 발열되어 이차 전지의 온도를 상승 시킬 수 있다.

리튬 이차 전지를 예를 들어 부연 설명하면, 리튬 이차 전지는 양극과 음극 사이에 비수 전해액을 두고 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생성하는데, 비수 전해액은 양극과 음극 사이에서 리튬 이온을 이동 시키는 매질 역할을 한다. 즉, 이차 전지는 리튬 이온의 이동에 의한 전기 화학적 반응에 의해 충전 또는 방전이 이루어진다.

그러나 정상적인 구동을 위한 온도보다 낮은 온도에서는 비수 전해액의 온도가 낮아지게 되어 리튬 이온의 이온 전도성이 떨어지기 때문에 이로 인해 리튬 이차 전치에서 생성되는 전기 에너지의 출력이 저하되는 문제가 발생하게 되는 것이다.

따라서 본 발명에서는 이차전지 모듈의 내부에 금속발열 소재를 장착하여 그 장착된 금속발열 소재를 발열 시켜 이로 인해 이차 전지의 온도를 상승 시키고자 한다.

이때, 금속발열 소재는 공기와 반응하여 발열할 수 있는 소재를 사용하게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 모듈의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 모듈(300)은 하우징(310), 금속 발열소재(320), 공기 캡슐(330), 이차전지(340)를 포함할 수 있다.

하우징(310)는 적어도 하나의 이차 전지(340)가 내장 설치될 수 있다. 여기서, 하우징(120)을 이루는 소재로는 알루미늄(Al), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등을 포함할 수 있다.

이때, 이러한 하우징(310)을 이루는 소재는 금속발열소재가 공기와 반응하여 생성되는 반응열 50℃을 견딜 수 있는 Al, PE, PP 뿐 아니라 이와 유사한 소재가 사용될 수 있다.

금속 발열소재(320)는 하우징(210)의 내부 표면에 장착되어, 공기와 반응하여 발열될 수 있다. 여기서, 금속 발열소재(320)는 금속 소재 또는 금속합금 소재가 사용될 수 있다.

이때, 금속 소재는 공기와 반응하여 발열하는 Mg, Ti 등의 물질일 수 있고, 금속합금 소재는 공기와 반응하여 발열하는 Mg, Ti 등의 물질과 이차 전지를 보호하기 위하여 기 설정된 온도 이하로 발열되도록 하는 Si, Al 등의 물질의 합금일 수 있다.

이러한 금속합금 소재는 하우징의 내부 표면의 일부 또는 전체에 장착될 수 있다.

공기 캡슐(330)은 하우징(310)의 내부에 장착되어, 공기 또는 산소를 공급할 수 있다. 이러한 공기는 금속 발열소재와 반응할 수 있도록 저온에서 하우징 내부에 공급된다.

이때, 공기 캡슐의 압력은 금속합금 소재가 견딜 수 있도록 0.1 ~ 1bar로 설계될 수 있다.

이차 전지(340)는 하우징 내부에 장착되어 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생성할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제어 수단은 온도 측정기를 구동 시켜 그 구동 시킨 온도 측정기로부터 측정된 이차전지 모듈의 외부 온도를 제공 받을 수 있다(S310).

제어 수단은 제공 받은 외부 온도가 기 설정된 기준 온도 이하인지를 비교할 수 있다(S320).

다음으로, 제어 수단은 그 비교한 결과로 측정된 외부 온도가 기 설정된 기준 온도 이하이면, 이차 전지의 출력이 저하되는 저온 상태라고 판단할 수 있다(S330).

다음으로, 제어 수단은 저온 상태라고 판단 되면, 이차전지 모듈의 내부 공간에 장착된 공기 캡슐을 통해 공기를 주입시켜 이차전지 모듈의 내부 표면에 장착된 금속 발열소재를 발열시킬 수 있다(S340).

즉, 제어 수단은 이차전지 모듈 내부 공간에 설치된 공기 캡슐을 구동 시켜 그 구동 시킨 공기 캡슐로부터 공기를 주입하게 되고, 그 주입된 공기가 이차전지 모듈 내부 표면에 장착된 금속 발열소재와 반응시켜 발열 되도록 함으로써, 이로 인해 이차전지의 온도를 상승시키게 된다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.

이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 제어 수단
200: 온도 측정기
300: 이차 전지 모듈
310: 하우징
320: 금속 발열소재
330: 공기 캡슐
340: 이차 전지

Claims (11)

1. 적어도 하나의 이차 전지를 포함하고 그 내부 표면에 금속발열 소재가 장착된 이차전지 모듈; 및
   상기 이차전지 모듈의 외부 온도에 따라 상기 이차전지 모듈의 내부 공간에 공기를 주입하고, 그 주입된 공기에 의해 상기 금속발열 소재를 발열 시켜 상기 이차전지 모듈의 내부에 설치된 이차 전지의 온도가 상승되도록 제어하는 제어 수단;
   을 포함하되, 상기 이차전지 모듈은
   상기 이차 전지가 내장 설치되는 하우징;
   상기 하우징의 내부 표면에 장착되어, 공기와 반응하여 발열되는 금속 발열소재; 및
   상기 하우징의 내부 공간에 장착되어, 상기 제어 수단의 제어에 따라 공기를 제공하는 공기 캡슐을 포함하고,
   상기 제어 수단은 상기 이차전지 모듈의 외부 온도가 저온 상태이면, 상기 하우징의 내부 공간에 장착된 공기 캡슐을 구동 시켜 공기를 주입하고, 주입된 상기 공기에 의해 상기 이차전지 모듈의 내부 표면에 장착된 금속 발열 소재를 발열시켜 상기 이차전지 모듈 내부에 설치된 이차전지의 온도가 상승하도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제어 수단은,
   상기 이차전지 모듈의 외부 온도가 기 설정된 기준 온도 이하이면, 저온 상태라고 판단하고,
   그 판단한 결과로 상기 이차전지 모듈의 내부에 장착된 상기 공기 캡슐을 구동 시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 금속 발열소재는, 상기 이차전지 모듈의 내부 표면에 장착되되, 일부 또는 전체에 장착되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 금속 발열소재는,
   Mg, Ti 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 금속 발열소재는,
   Mg, Ti 중 적어도 하나의 물질과 Si, Al 중 적어도 하나의 물질이 결합된 금속합금 소재인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 장치.
7. 적어도 하나의 이차 전지가 내장 설치된 이차전지 모듈의 외부 온도를 측정하는 단계;
   측정된 상기 외부 온도와 기 설정된 기준 온도를 비교하는 단계; 및
   그 비교한 결과에 따라 상기 이차전지 모듈의 내부 공간에 공기를 주입하여, 그 주입된 공기에 의해 상기 이차전지 모듈의 내부 표면에 장착된 금속발열 소재를 발열 시켜 상기 이차전지 모듈의 내부에 설치된 이차 전지의 온도가 상승되도록 제어하는 단계;
   를 포함하되, 상기 이차전지 모듈은
   상기 이차 전지가 내장 설치되는 하우징;
   상기 하우징의 내부 표면에 장착되어, 공기와 반응하여 발열되는 금속 발열소재; 및
   상기 하우징의 내부 공간에 장착되어, 상기 제어 수단의 제어에 따라 공기를 제공하는 공기 캡슐을 포함하고,
   상기 제어 수단은 상기 이차전지 모듈의 외부 온도가 저온 상태이면, 상기 하우징의 내부 공간에 장착된 공기 캡슐을 구동 시켜 공기를 주입하고, 주입된 상기 공기에 의해 상기 이차전지 모듈의 내부 표면에 장착된 금속 발열 소재를 발열시켜 상기 이차전지 모듈 내부에 설치된 이차전지의 온도가 상승하도록 하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 방법.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 제어하는 단계는,
   상기 이차전지 모듈의 외부 온도가 기 설정된 기준 온도 이하이면, 저온 상태라고 판단하고,
   그 판단한 결과로 상기 이차전지 모듈의 내부에 장착된 상기 공기 캡슐을 구동 시키는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 방법.
9. 제7 항에 있어서,
   상기 금속 발열소재는, 상기 이차전지 모듈의 내부 표면에 장착되되, 일부 또는 전체에 장착되는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 방법.
10. 제7 항에 있어서,
    상기 금속 발열소재는,
    Mg, Ti 중 적어도 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 방법.
11. 제7 항에 있어서,
    상기 금속 발열소재는,
    Mg, Ti 중 적어도 하나의 물질과 Si, Al 중 적어도 하나의 물질이 결합된 금속합금 소재인 것을 특징으로 하는 이차 전지의 저온 출력 특성을 제어하기 위한 방법.

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