KR101708456B1

KR101708456B1 - 압전소자를 이용한 캐패시터 충전 시스템 및 이를 포함하는 isg 시스템

Info

Publication number: KR101708456B1
Application number: KR1020130125945A
Authority: KR
Inventors: 남기민; 김종훈
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2017-02-20
Also published as: KR20150046560A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 상기 배터리 셀의 스웰링 현상에 따라 발생되는 압력을 이용하여 전력을 생산하는 적어도 하나의 압전소자; 및 상기 압전소자와 연결되어 충전전력을 공급 받는 캐패시터를 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀의 스웰링 현상을 이용하여 캐패시터를 충전함으로써 에너지 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 충전된 캐패시터를 이용하여 자동차의 ISG 스타터를 구동시킴으로써 ISG 시스템 적용에 따른 이차전지의 성능 저하나 수명 감소 등의 부작용이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

Description

압전소자를 이용한 캐패시터 충전 시스템 및 이를 포함하는 ISG 시스템{Capacitor charging system using piezoelectric element and ISG system comprising the same}

본 발명은 압전소자를 이용한 캐패시터 충전 시스템 및 이를 포함하는 ISG 시스템에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 배터리 셀의 스웰링(swelling) 현상을 통해 발생된 압력에 따라 전력을 생산하는 압전소자를 이용하여 캐패시터를 충전시키는 캐패시터 충전 시스템 및 이를 포함하는 ISG 시스템에 관한 것이다.

환경문제와 자원 고갈로 인하여 전기자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 2000년대 초부터 ISG(idle stop and go) 시스템에 리튬이온 이차전지를 적용하는 것을 시작으로 하여 현재는 EV(electric vehicle) 자동차까지 개발 영역이 확대되고 있다.

리튬이온 이차전지는 높은 에너지 밀도와 고출력 특성을 가져 ISG 시스템의 활용에 이용될 뿐만 아니라 전기 모터의 구동를 구동시킴으로써 자동차를 움직이는데 직접 이용될 수도 있다.

다만, 내연기관을 이용하는 차량에 있어서 시동을 위해서는 순간적인 고출력을 필요로 하는데, 리튬이온 이차전지의 경우 이러한 순간적인 고출력이 걸리게 되면 높은 IR 드롭(IR drop)이 일어나게 되고, 특히 ISG 시스템의 적용에 따라 반복적으로 시동을 걸어야 하는 환경에서는 배터리 셀의 성능 및 수명이 현격히 감소하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 배터리 셀의 스웰링 시에 압전소자에 가해지는 압력을 이용해 전력을 발생시키고 다시 이를 이용하여 캐패시터를 충전시킴으로써 에너지를 효율적으로 활용하고, 또한 이러한 캐패시터 충전 시스템을 ISG 시스템에 적용함으로써 배터리 셀의 성능 저하 및 수명 감소 현상이 발생되는 것을 방지하는 것을 일 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 위에서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 캐패시터 충전 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 상기 배터리 셀의 스웰링 현상에 따라 발생되는 압력을 이용하여 전력을 생산하는 적어도 하나의 압전소자; 및 상기 압전소자와 연결되어 충전되는 캐패시터를 포함한다.

상기 배터리 팩은, 서로 전기적으로 연결된 상기 복수의 배터리 셀 및 상기 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈이 복수 개 연결되어 구현될 수 있다.

상기 배터리 셀은, 리튬이온 이차전지일 수 있다.

상기 배터리 셀은, 전극 조립체; 및 상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스를 포함하는 파우치 타입의 셀에 해당할 수 있다.

상기 압전소자는, 서로 인접한 배터리 셀 사이 및 배터리 셀과 모듈 케이스 사이 중 적어도 어느 한 곳에 개재될 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제는 본 발명의 일 실시예에 따른 ISG 시스템에 의해서도 해결될 수 있는데, 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 ISG 시스템은, 본 발명에 따른 캐패시터 충전 시스템; 및 상기 캐패시터에 연결되는 ISG 스타터를 포함한다.

상기 ISG 스타터는, 상기 배터리 팩 및 캐패시터와 연결되어 상기 배터리 팩 및 캐패시터 중 적어도 어느 하나로부터 시동에 필요한 전력을 공급받을 수 있다.

또한, 상기 기술적 과제는 본 발명에 따른 ISG 시스템을 포함하는 자동차에 의해서도 해결될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 셀의 스웰링 현상을 이용하여 캐패시터를 충전함으로써 에너지 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 충전된 캐패시터를 이용하여 자동차의 ISG 스타터를 구동시키므로 ISG 시스템 적용에 따른 배터리 팩의 성능 저하나 수명 감소 등의 부작용이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템에 채용된 배터리 팩 및 압전소자를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템에 적용된 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ISG 시스템을 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템에 채용된 배터리 팩 및 압전소자를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템에 적용된 배터리 셀을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템은 배터리 팩(1), 적어도 하나의 압전 소자(2) 및 적어도 하나의 캐패시터(3)를 포함한다.

상기 캐패시터 충전 시스템에 있어서, 압전 소자(2)는 배터리 팩(1)에 설치되어 배터리 팩(1) 내부에서 발생되는 스웰링(swelling) 현상에 따른 압력을 이용하여 전력을 생산하고, 캐패시터(3)는 이러한 압전소자(2)와 연결되어 충전 전력을 공급 받는다.

도 2를 참조하면, 상기 배터리 팩(1)은 전기적으로 연결된 복수의 배터리 모듈(M)을 포함하며, 각각의 배터리 모듈(M)은 전기적으로 연결된 배터리 셀(11) 및 배터리 셀(11)을 수용하는 모듈 케이스(12)를 포함한다.

여기서, 복수의 배터리 모듈(M) 사이, 그리고 복수의 배터리 셀(11) 사이는 배터리 팩(1)에 요구되는 용량, 출력 전압 등을 고려하여 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 배터리 셀(11)은 전극 조립체(11a), 전극 조립체(11a)를 수용하는 파우치 케이스(11b), 및 전극 조립체(11a)와 연결되며 열 융착에 의해 실링된 파우치 케이스(11b)의 테두리 영역을 통해 파우치 케이스(11b)의 외부로 인출되는 한 쌍의 전극 리드(11c)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 배터리 셀(11)은 파우치 타입의 리튬이온 이차전지에 해당하는 것일 수 있다.

이러한 파우치 타입의 리튬이온 배터리 셀은, 충방전 과정에서 발생되는 내부 가스의 발생으로 인한 팽창 압력에 의해 파우치 케이스(11b)가 부풀어 오를 수 있다. 즉, 상기 파우치 케이스(11b)는 통상적으로 내측 및 외측에 위치하는 수지 층, 그리고 그 사이에 개재되는 알루미늄 등의 금속 층을 포함하는 얇은 두께의 다층 필름으로 이루어지며, 이러한 얇은 필름으로 이루어진 파우치 케이스(11b)는 내부 압력에 의해 쉽게 부풀어 오를 수 있다. 이러한 현상을 스웰링(swelling) 현상이라 한다.

다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템은 이러한 스웰링 현상을 이용하여 전력을 생산할 수 있도록 배터리 팩(1)의 내부에 압전소자(2)를 구비한다.

즉, 상기 압전소자(2)는 스웰링 현상에 따른 압력을 받을 수 있도록 인접한 배터리 셀(11) 사이 및/또는 최외곽에 위치하는 배터리 셀(11)과 모듈 케이스(12)의 내측 면 사이에 개재될 수 있다. 이러한 압전소자(2)는 필요에 따라 한 개 또는 그 이상으로 구비될 수 있다.

상기 압전소자(2)는, 배터리 셀(11)의 스웰링 현상이 발생되는 경우 화살표 방향(도 2 참조)으로 압력을 받고, 압력에 따라 전력을 생산한다. 상기 압전소자(2)는 이와 같은 과정을 통해 생산된 전력을 이용하여 캐패시터(도 1 참조)를 충전시킨다.

압전소자는, 압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자로서, 피에조 전기소자라고도 불리운다. 이러한 압전소자를 이루는 재료로는 수정, 전기석, 로셸염 등이 이용되어 왔으며, 근래에 개발된 타이타늄산바륨, 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민 등의 인공결정도 압전성이 매우 뛰어나다.

본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템에는 배터리 셀(11)의 스웰링 현상에 따른 압력을 이용하여 전력을 생산함으로써 캐패시터(3)를 충전시키는 기능을 수행할 수 있는 것이라면, 통상적으로 이용되는 상술한 압전소자들 중 어느 것이라도 제한 없이 이용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템은 파우치 타입의 리튬 이차전지가 적용된 배터리 팩(1)의 충방전 과정에서 발생되는 스웰링 현상을 이용하여 생산된 전력을 비축할 수 있도록 함으로써 에너지 효율의 향상을 가져올 수 있다.

다음은, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 ISG 시스템을 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ISG 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 ISG 시스템은 배터리 팩(1), 적어도 하나의 압전소자(2), 적어도 하나의 캐패시터(3) 및 ISG 스타터(Idle stop and go starter, 4)를 포함한다. 즉, 상기 ISG 시스템은, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 충전 시스템에 ISG 스타터(4)를 연결시킨 구성을 갖는다.

상기 ISG 스타터(4)는, 자동차가 주행을 하다가 정지했을 때 시동이 오프(off) 되고, 다시 움직이고자 하는 경우 시동이 온(on) 되는 ISG 시스템에 있어서, 스타팅 모터(srarting motor)의 역할을 하는 부품을 의미하는 것이다.

이러한 ISG 스타터(4)는 캐패시터(3)와 연결되어 캐패시터(3)에 저장된 전력을 공급 받아 동작하게 되며, 이로써 배터리 팩(1)에 걸리는 부하를 줄여줄 수 있다.

또한, 통상적으로 캐패시터(capacitor)는 리튬이온 이차전지와 비교하여 좀 더 안정적인 출력 특성을 갖는다. 따라서, ISG 스타터(4)가 캐패시터(3)로부터 구동에 필요한 전력을 공급 받는 경우 캐패시터(3)의 안정적인 출력 특성으로 인해 ISG 스타터(4)가 안정적으로 구동될 수 있는 장점이 있다.

다만, 본 발명에 있어서, 상기 ISG 스타터(S)가 반드시 캐패시터(3)에만 연결되어 있을 필요는 없다. 즉, 상기 ISG 스타터(S)는 캐패시터(3) 뿐만 아니라, 배터리 팩(1)과도 연결되어 캐패시터(3) 및/또는 배터리 팩(1)으로부터 전력을 공급받아 동작할 수도 있는 것이다.

이처럼, 상기 ISG 스타터(S)가 캐패시터(3) 및 배터리 팩(1)과 모두 연결되어 있는 경우, 캐패시터(3) 및 배터리 팩(1)의 컨디션을 고려하여 전력 공급원을 선택하거나 두 가지 전력 공급원 모두로부터 전력을 공급 받을 수 있으므로 ISG 시스템이 적용된 자동차에 있어서 원활한 시동성을 확보할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1: 배터리 팩 M: 배터리 모듈
11: 배터리 셀 11a: 전극 조립체
11b: 파우치 케이스 11c: 전극 리드
12: 모듈 케이스 2: 압전소자
3: 캐패시터 S: ISG 스타터

Claims

복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩;
상기 배터리 셀의 스웰링 현상에 따라 발생되는 압력을 이용하여 전력을 생산하는 적어도 하나의 압전소자; 및
상기 압전소자와 연결되어 충전 전력을 공급 받는 캐패시터를 포함하는 적어도 하나의 캐패시터 충전 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 팩은,
서로 전기적으로 연결된 상기 복수의 배터리 셀 및 상기 배터리 셀을 수용하는 모듈 케이스를 포함하는 배터리 모듈이 복수 개 연결되어 구현되는 것을 특징으로 하는 캐패시터 충전 시스템.
제2항에 있어서,
상기 배터리 셀은,
리튬이온 이차전지인 것을 특징으로 하는 캐패시터 충전 시스템.
제3항에 있어서,
상기 배터리 셀은,
전극 조립체; 및
상기 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐패시터 충전 시스템.
제2항에 있어서,
상기 압전소자는,
서로 인접한 배터리 셀 사이 및 배터리 셀과 모듈 케이스 사이 중 적어도 어느 한 곳에 개재되는 것을 특징으로 하는 캐패시터 충전 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 캐패시터 충전 시스템; 및
상기 캐패시터에 연결되어 구동에 필요한 전력을 공급 받는 ISG 스타터를 포함하는 ISG 시스템.
제6항에 있어서,
상기 ISG 스타터는,
상기 배터리 팩 및 캐패시터와 연결되어 상기 배터리 팩 및 캐패시터 중 적어도 어느 하나로부터 구동에 필요한 전력을 공급 받는 것을 특징으로 하는 ISG 시스템.
제6항에 따른 ISG 시스템을 포함하는 자동차.