KR102017006B1 - 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 히터 조립체 및 배터리 시스템 - Google Patents

배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 히터 조립체 및 배터리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 히터 조립체 및 배터리 시스템에 관한 것으로, 저온 환경에 노출된 리튬 배터리가 작동할 수 있도록 리튬 배터리를 저전압으로 짧은 시간에 전체적으로 균일하게 히팅하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 배터리 히터는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성된 면상 발열체들이 전면에 균일하게 형성되되 병렬로 전기적으로 연결되며, 외측으로 돌출되게 금속 소재의 외부 접속 단자들이 형성된다. 리튬 배터리를 구성하는 배터리 모듈 사이에 배터리 히터가 개재된다. 배터리 히터들은 외부 접속 단자를 연결하는 연결 단자에 의해 직렬로 전기적으로 연결되며, 직렬로 연결된 외부 접속 단자와 연결 단자는 배터리 모듈의 외측면에 밀착되거나 근접하게 형성된다.

Description

배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 히터 조립체 및 배터리 시스템{Battery heater, battery heater assembly and battery system comprising the same}
본 발명은 배터리 히팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온환경에 노출된 리튬 배터리가 작동할 수 있도록 히팅하는 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 히터 조립체 및 배터리 시스템에 관한 것이다.
최근에 화석연료의 고갈 염려 등으로 인해 전기로 구동되는 다양한 전기 구동 장치, 예컨대 전기자동차(Electric Vehicle), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in HEV; PHEV) 등이 개발되고 있다. 전기자동차는 엔진 없이 배터리를 통한 전기에너지를 주 동력원으로 하는 차량으로서, 배출가스가 전혀 발생하지 않는다. 하이브리드 전기자동차는 엔진과 전기모터를 함께 사용하며, 엔진의 부하를 감소시켜 에너지 효율을 높일 수 있는 자동차이다. 그리고 플러그-인 하이브리드 전기자동차는 엔진과 전기모터를 함께 사용한다는 점에서 하이브리드 전기자동차에 해당되며, 배터리는 플러그-인을 통해 외부 전원으로 충전한다는 점에서 하이브리드 전기자동차와 차이가 있다.
이와 같은 전기 구동 장치는 필수적으로 전기를 공급하기 위한 배터리가 필요하다. 배터리로는 충전 및 방전이 가능한 리튬 배터리가 사용되고 있다. 리튬 배터리는 복수의 리튬이차전지 셀을 구비한다. 리튬이차전지 셀은 외부 충격, 열 또는 진동 등으로 보호하기 위해서 일정한 개수, 예컨대 10개 내외로 묶어 프레임에 넣은 배터리 모듈로 제작된다. 리튬 배터리는 이러한 배터리 모듈을 복수개로 묶어 배터리 팩 형태로 제작된다.
이러한 전기 구동 장치는 다양한 환경 조건, 예컨대 고온이나 저온에서 구동이 가능해야 한다.
그런데 전기 구동 장치에 사용되는 리튬 배터리는 온도가 감소함에 따라 출력 전압과 전류가 급격이 감소하는 특성을 가지고 있다. 이로 인해 전기 구동 장치에 사용되는 리튬 배터리는 영하 또는 낮은 온도의 외부 환경에 장시간 노출될 경우, 배터리의 효율 및 출력이 급격히 떨어지는 특성을 가지고 있다. 예컨대 리튬 배터리는 최적의 방전 온도는 30~35℃이기 때문에, 이 보다 낮은 작동 온도, 특히 영하의 온도에서는 방전 전류 및 사용한 가능한 전체 에너지가 급격히 떨어지는 특성을 가지고 있다. 그리고 ­10℃ 이하의 온도에서의 리튬 배터리의 충전은 잠재적인 위험성이 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해서, 리튬 배터리에 배터리 히터를 장착하여 저온으로 떨어진 리튬이차전지를 히팅하는 방법이 있다. 기존의 배터리 히터는 PTC 히터를 이용하여 공기 혹은 물(coolant water)을 가열하여 배터리 모듈 사이에 부착된 공조라인으로 가열된 공기 혹은 가열된 물을 순환시키는 방식으로 히팅한다.
그런데 이 경우, 공조에 의한 가열 시간이 길고, 배터리의 온도를 균일하게 조절하기가 어려운 문제점이 있다. 공조 장치가 배터리 모듈 사이에 부착됨으로써 배터리 팩의 많은 공간을 차지할 뿐만 아니라 배터리 팩의 중량을 증가시키는 요소로 작용한다.
배터리 히터로 니켈 합금 포일(foil), 구리 포일을 에칭 프로세스에 의한 가공하는 방식으로 제조한 선상 발열체를 이용하는 방안이 있다.
그런데 선상 발열체를 이용한 배터리 히터는 배터리 히팅 시, 선상 발열체 사이에 빈 공간이 많아 발열이 되지 않는 영역이 존재하며, 이로 인해서 단위면적당 출력이 낮은 문제점이 있다. 또한 선상 발열체를 이용한 배터리 히터는 균일한 발열을 유도하기 어렵기 때문에, 배터리의 히팅 속도가 느린 문제점을 안고 있다.
한국공개특허 제2011-0073117호(2011.06.29.)
이러한 문제점을 해소하기 위해서, 배터리 히터로서 필름 히터를 사용하는 방안이 시도되고 있다. 필름 히터는 리튬 배터리를 구성하는 배터리 모듈 사이에 개재되어 배터리 모듈을 균일하게 히팅할 수 있는 이점이 있다.
하지만 필름 히터는 출력이 낮아 저온 환경에서 장시간 노출된 리튬 배터리의 리튬이차전지 셀을 정상 작동 온도 범위까지 히팅하기는 어렵다.
필름 히터에 전력을 공급하기 위한 배선이 너무 많이 필요하다는 문제점이 있다. 즉 필름 히터에 배선을 이용하여 전력을 공급할 경우, 종래의 PTC 히터 및 공조에 의한 배터리 히팅 방식에 비해서 공간적인 장점을 얻을 수 없으며, 가격 경쟁력 또한 떨어진다.
그리고 기존의 필름 히터는 DC 4V 이하의 저전압에서는 발열량이 낮기 때문에, 50㎠ 이상의 대면적 발열체로는 구현할 수 없었다.
따라서 본 발명의 목적은 저온 환경에 노출된 리튬 배터리가 작동할 수 있도록 리튬 배터리를 저전압으로 짧은 시간에 대면적으로 히팅하는 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 히터 조립체 및 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 배터리 모듈 사이에 개재되는 단위 배터리 히터 간의 연결 배선을 간소화하여 배터리 히터가 설치된 리튬 배터리의 중량 및 크기 증가를 최소화할 수 있는 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 히터 조립체 및 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 리튬 배터리를 형성하는 복수의 배터리 모듈 사이에 개재되며, 외측으로 돌출되게 형성된 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 면상 발열체를 포함하고, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 필름 형태의 복수의 배터리 히터; 및 상기 복수의 배터리 히터의 외부 접속 단자를 직렬로 연결하는 복수의 연결 단자;를 포함하는 배터리 히터 조립체를 제공한다.
상기 복수의 배터리 히터는 각각, 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성되는 전극 배선부와, 상기 전극 배선부와 연결되어 상기 베이스 기판의 외측으로 돌출되게 형성된 상기 복수의 외부 접속 단자를 구비하는 금속 소재의 전극 배선 패턴; 상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성되며, 상기 전극 배선부에 의해 병렬로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및 상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 면을 덮는 덮개 필름;을 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 히터는 인가 전압의 증가에 비례해서 열밀도가 증가하는 특성을 나타낸다. 상기 복수의 배터리 히터는 DC 3V 이상의 전압 인가 시, 1 W/㎠ 이상의 열밀도(specific heat power) 특성을 나타낸다. 상기 복수의 배터리 히터는 DC 3 내지 4V의 전압 인가 시, 1 내지 2 W/㎠의 열밀도 특성을 나타낼 수 있다.
상기 복수의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더; 은 분말, 은 코팅된 니켈 분말 또는 은 코팅된 구리 분말을 더 포함하는 상기 전도성 입자; 및 유리 입자 또는 실리콘 입자를 포함하는 세라믹 입자;를 포함할 수 있다.
상기 발열체 조성물은, 발열체 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더 5 내지 30 중량부, 전도성 입자 0.7 내지 60 중량부, 및 세라믹 입자 0.5 내지 20 중량부를 포함할 수 있다.
상기 배터리 히터의 복수의 외부 접속 단자는, 상기 베이스 기판의 일측으로 돌출되게 형성되는 제1 외부 접속 단자; 및 상기 베이스 기판의 일측에 이웃하는 타측으로 돌출되게 형성되며, 이웃하는 배터리 히터의 제1 외부 접속 단자에 상기 연결 단자를 매개로 전기적으로 연결되는 제2 외부 접속 단자;를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 외부 접속 단자는 서로 연결될 제1 및 제2 외부 접속 단자가 형성된 배터리 히터를 향하여 절곡된다.
상기 복수의 배터리 히터는 최외곽에 위치하는 배터리 히터의 연결되지 않은 제1 및 제2 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받는다.
상기 복수의 연결 단자는 각각, 배터리 히터의 제1 외부 접속 단자에 접합되는 제1 접합부; 상기 제1 접합부가 접합된 배터리 히터에 이웃하는 배터리 히터의 제2 외부 접속 단자에 접합되는 제2 접합부; 및 상기 제1 및 제2 접합부를 연결하는 연결부;를 포함할 수 있다.
상기 연결 단자는 판 형태를 가지며 상기 배터리 히터의 외부 접속 단자에 레이저 용접 또는 초음파 용접으로 접합될 수 있다.
상기 외부 접속 단자는 저항이 200mΩ 이하이다.
상기 복수의 배터리 히터는, 복수의 배터리 모듈의 양쪽의 최외곽에 위치하는 배터리 모듈의 외측면에 설치되는 한 쌍의 최외곽 배터리 히터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터 조립체는, 상기 한 쌍의 최외곽 배터리 히터의 외측면에 각각 설치되는 한 쌍의 버퍼용 금속 블록;을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 리튬 배터리를 형성하는 복수의 배터리 모듈 사이에 개재되어 상기 리튬 배터리를 히팅하는 배터리 히터로서, 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성되는 전극 배선부와, 상기 전극 배선부와 연결되어 상기 베이스 기판의 외측으로 돌출되게 형성된 복수의 외부 접속 단자를 구비하는 금속 소재의 전극 배선 패턴; 상기 베이스 기판의 적어도 일면에 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선부에 의해 병렬로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 복수의 면상 발열체; 및 상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 면을 덮는 덮개 필름;을 포함하는 배터리 히터를 제공한다.
본 발명은 또한, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 리튬 배터리; 상기 리튬 배터리를 형성하는 복수의 배터리 모듈 사이에 개재되며, 외측으로 돌출되게 형성된 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 면상 발열체를 포함하고, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 필름 형태의 복수의 배터리 히터; 및 상기 복수의 배터리 히터의 외부 접속 단자를 직렬로 연결하는 복수의 연결 단자;를 포함하는 배터리 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템은, 상기 리튬 배터리의 온도를 센싱하는 온도 센서; 상기 배터리 히터에 전원을 공급하는 보조 전원부; 및 상기 온도 센서로 센싱한 온도가 제1 임계 온도 이하인 경우, 상기 보조 전원부를 통하여 상기 배터리 히터에 전원을 공급하여 상기 배터리 히터에서 발열되는 열로 상기 리튬 배터리를 히팅하고, 히팅된 리튬 배터리를 상기 온도 센서로 센싱한 온도가 제2 임계 온도 이상인 경우, 상기 보조 전원부를 통하여 상기 배터리 히터로 공급되는 전원을 차단하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 보조 전원부는 슈퍼 커패시터(super capacitor)또는 외부 전원을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하기 때문에, 저전압에서 짧은 시간에 대면적 발열이 가능하다. 따라서 전기 구동 장치의 리튬 배터리가 저온 환경에 있더라도, 본 발명에 따른 배터리 히터를 이용하여 리튬 배터리를 DC 4V 이하의 저전압에서도 대면적으로 높은 발열량을 순간적으로 발생시켜 리튬 배터리를 히팅시킬 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터는 복수의 면상 발열체가 전면에 균일하게 배열된 구조를 갖기 때문에, 배터리 히터가 인접하는 배터리 모듈을 전체적으로 균일하게 히팅할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터는 외부 접속 단자를 이용하여 서로 대응되는 배터리 히터의 외부 접속 단자에 직접 전기적으로 연결함으로써, 배터리 히터들 간의 연결 배선을 간소화하여 복수의 배터리 히터가 설치된 리튬 배터리의 중량 및 크기 증가를 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터는 병렬로 연결된 복수의 면상 발열체를 구비하고, 복수의 배터리 히터는 직렬로 연결함으로써, DC 3V 이상의 전압 인가 시, 1 W/㎠ 이상의 열밀도(specific heat power) 특성을 나타낸다. 예컨대 복수의 배터리 히터는 DC 3 내지 4V의 전압 인가 시, 1 내지 2 W/㎠의 열밀도 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은 나노크기의 전도성 입자와, 페놀계 수지, 아세탈계 수지, 이소시아네이트계 수지 또는 에폭시계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 포함하기 때문에, 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있어 고온으로 신속하게 히팅이 가능하다.
본 발명에 따른 발열체 조성물은 발열체로 탄소 입자와 금속 분말을 포함하기 때문에, 발열체로 금속 분말만을 포함하는 발열체 조성물에 비해서 에너지 효율 및 발열 속도를 높일 수 있다.
전술된 바와 같이, 발열체 조성물은 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있기 때문에, 온도에 따른 저항 변화가 작아 발열 거동 및 안정성이 높은 면상 발열체를 구비하는 배터리 히터를 제공할 수 있다.
탄소나노튜브 입자와 그라파이트 입자를 포함하는 발열체 조성물로 형성한 면상 발열체는 블랙 바디(block body)이기 때문에, 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다.
발열체 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능한 배터리 히터를 제공할 수 있다.
발열체 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤마 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 배터리 히터의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 전기자동차 이외에, 라이트박스(lightbox), 무정전공급장치의 배터리 백업(UPS battery backup), 통신기지국(telecommunication station), 재생에너지(renewal energy), 교통신호등제어기(traffic light control), 무인항공기, 드론, 잠수함, 비행기, 헬기, 수송기 등과 같은 저온 환경에 노출이 빈번한 다양한 전기 구동 장치에 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 히터를 구비하는 배터리 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 배터리 히터 조립체를 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1의 배터리 시스템의 배터리 관리 방법에 따른 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터를 보여주는 평면도이다.
도 5는 도 4의 5-5선 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터가 리튬 배터리에 설치된 구조를 보여주는 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터가 리튬 배터리에 설치된 구조를 보여주는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터의 ­20℃ 환경에서의 DC 4V 인가 시의 알루미늄 블록의 시간에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 히터를 보여주는 단면도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 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 바람직한 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 히터 조립체를 구비하는 배터리 시스템을 보여주는 블록도이다. 도 2는 도 1의 배터리 히터 조립체를 보여주는 블록도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)은 주 전원부로 리튬 배터리(11)를 사용하는 시스템으로, 리튬 배터리(11)와 배터리 히터 조립체(12)를 포함한다.
리튬 배터리(11)는 부하에 전기에너지를 공급하는 복수의 리튬이차전지 셀을 구비한다. 리튬이차전지 셀은 외부 충격, 열 또는 진동 등으로 보호하기 위해서 일정한 개수, 예컨대 10개 내외로 묶어 프레임에 넣은 배터리 모듈로 제작된다. 리튬 배터리(11)는 이러한 배터리 모듈을 복수개로 묶어 배터리 팩 형태로 제작된다.
배터리 히터 조립체(12)는 필름 형태의 복수의 배터리 히터(13) 및 복수의 연결 단자(70)를 포함하며, 한 쌍의 버퍼용 금속 블록(80)을 더 포함할 수 있다. 이때 리튬 배터리(11)는 복수의 배터리 모듈을 포함한다. 복수의 배터리 히터(13)는 리튬 배터리(11)의 복수의 배터리 모듈 사이에 개재되며, 외측으로 돌출되게 형성된 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 면상 발열체를 포함한다. 이때 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성된다.
복수의 연결 단자(70)는 복수의 배터리 히터(13)의 외부 접속 단자를 직렬로 연결한다.
이때 복수의 배터리 히터(13)는 복수의 배터리 모듈의 양쪽의 최외곽에 위치하는 배터리 모듈의 외측면에 설치되는 한 쌍의 최외곽 배터리 히터를 더 포함할 수 있다.
그리고 한 쌍의 버퍼용 금속 블록(80)은 리튬 배터리(11)의 양측에 위치하는 한 쌍의 최외곽 배터리 히터의 외측면에 각각 설치된다. 한 쌍의 버퍼용 금속 블록(80)은 최외곽 배터리 히터에서 발생되는 열이 공기 중으로 손실되는 것을 억제한다. 즉 배터리 히터(13)는 양쪽으로 열이 발생하게 된다. 배터리 모듈 사이에 개재된 배터리 히터는 양쪽으로 발생된 열이 양쪽에 위치하는 배터리 모듈로 전달된다. 하지만 최외곽 배터리 히터는 한쪽이 리튬 배터리의 최외곽에 위치하는 배터리 모듈에 접촉되지만, 다른 쪽이 외부로 노출되어 있다. 따라서 최외곽 배터리 히터의 다른 쪽에 버퍼용 금속 블록(80)을 설치하지 않는 경우, 최외곽 배터리 히터의 다른 쪽을 통하여 열 손실이 발생된다. 따라서 이러한 문제를 해소하기 위해서, 버퍼용 금속 블록(80)은 외부로 노출된 최외곽 배터리 히터의 외측면에 각각 설치된다. 이러한 버퍼용 금속 블록(80)으로는 배터리 히터(13)와 동일하거나 유사한 열용량을 갖는 금속 소재로 제조될 수 있다.
그 외 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)은 온도 센서(15), 스위치(16), 보조 전원부(17), 전원 변환부(18) 및 제어부(19)를 더 포함할 수 있다.
온도 센서(15)는 리튬 배터리(11)의 온도를 센싱하여 제어부(19)로 전달한다.
보조 전원부(17)는 제어부(19)의 제어에 따라 배터리 히터(13)로 전원을 공급한다. 보조 전원부(17)는 제어부(19)의 제어에 따른 스위치(16)의 온/오프를 통하여 리튬 배터리(11)를 통하여 전원을 충전할 수 있다. 충전 시 리튬 배터리(11)의 전원은 전원 변환부를 통하여 보조 전원부(17)에 충전 가능한 전원으로 변환된 후 보조 전원부(17)로 충전된다.
이러한 보조 전원부(17)로는 슈퍼 커패시터(super capacitor)가 사용될 수 있다. 슈퍼 커패시터로는 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC) 또는 의사 커패시터(pesudocapacitor)가 사용될 수 있다.
이때 보조 전원부(17)로 슈퍼 커패시터를 사용하는 이유는 다음과 같다. 슈퍼 커패시터는 많은 에너지를 모아두었다가 수초 또는 수십 초 동안에 높은 출력의 에너지를 발산하는 동력원으로, 기존의 콘덴서나 이차 전지가 수용하지 못하는 성능 특성 영역을 만족시킬 수 있는 유용한 부품이기 때문이다. 슈퍼 커패시터는 장시간 방전을 필요로 하는 메모리 백업용에서 방전시간이 매우 짧은 펄스 파워를 이용하는 군용 또는 전기자동차 등 용도가 다양하다. 슈퍼 커패시터는 수명이 길어서 장기간 사용이 가능하고, 재충전 배터리처럼 독성화학물질을 포함하고 있지 않아 상대적으로 안전하며, 성능의 저하가 거의 없기 때문이다.
전기 이중층 커패시터는 서로 다른 상의 계면에 형성된 전기 이중층에서 발생하는 정전하 현상을 이용한 커패시터로서, 에너지 저장 메커니즘이 산화 및 환원과정에 의존하는 배터리에 비하여 충방전 속도가 빠르고 충방전 효율이 높으며 사이클 특성이 월등하여 백업 전원에 광범위하게 사용되며, 그 외 전기자동차의 보조전원으로 사용될 수 있다.
유사 커패시터는 전극과 전기화학 산화물 반응물의 산화-환원 반응을 이용하여 화학 반응을 전기적 에너지로 전환하여 저장하는 커패시터이다. 유사 커패시터는 전기 이중층 커패시터가 전기화학 이중층형 전극 표면에 형성된 이중층에만 전하를 저장하는 데 비하여 전극 재료의 표면 근처까지 전하를 저장 할 수 있어 저장 용량이 전기 이중층 커패시터에 비하여 약 5배 정도 크다. 금속산화물 전극재료로는 RuOx, IrOx, MnOx 등이 사용되고 있다.
한편 보조 전원부(17)로 외부 전원이 사용될 수 있다. 외부 전원은 이동식 충전기 또는 충전 시스템을 포함한다.
또는 보조 전원부(17)는 슈퍼 커패시터와 외부 전원을 함께 사용할 수 있다. 예컨대 리튬 배터리(11)의 용량이 작아 리튬 배터리(11)에 적용된 배터리 히터(13)의 개수가 적은 경우, 보조 전원부(17)로 슈퍼 커패시터를 이용하여 배터리 히터(13)를 히팅할 수 있다. 반면에 리튬 배터리(11)의 용량이 커 리튬 배터리(11)에 적용된 배터리 히터(13)의 개수가 많은 경우, 보조 전원부(17)로 외부 전원을 이용하여 배터리 히터(13)를 히팅할 수 있다. 즉 보조 전원부(17)는 히팅할 수 있는 배터리 히터(13)의 개수에 따른 전체 용량에 따라서 슈퍼 커패시터 및 외부 전원 중에서 선택적으로 사용할 수 있다.
전원 변환부(18)는 제어부(19)의 제어에 따라 각 부분에 필요한 전원으로 변환하여 공급한다. 전원 변화부(18)는 DC-DC 컨버터와 배터리 충전 모듈을 포함할 수 있다. 전원 변환부(18)는 제어부(19)의 충전 제어 신호에 따라 리튬 배터리(11)의 전원을 변환하여 보조 전원부(17)에 제공할 수 있다.
배터리 히터(13)는 리튬 배터리(11)에 설치되며, 제어부(19)의 제어에 따라 리튬 배터리(11)를 히팅한다. 배터리 히터(13)는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성한 복수의 면상 발열체를 구비하며, 저전압에서 짧은 시간에 대면적 발열이 가능하다. 복수의 면상 발열체는 병렬로 전기적으로 연결된다. 이로 인해 리튬 배터리(11)가 저온 환경에 있더라도, 배터리 히터(13)는 리튬 배터리(11)를 DC 4V의 이하의 저전압에서도 대면적으로 높은 발열량을 순간적으로 발생시켜 리튬 배터리(13)를 히팅시킬 수 있다.
이러한 배터리 히터(13)는 리튬 배터리(11)를 보다 균일하게 히팅하기 위해서, 배터리 모듈들 사이에 설치된다. 그 외 배터리 히터(13)는 리튬 배터리(11)의 바닥면 또는 측면에 내장되는 형태로 설치될 수 있다.
복수의 연결 단자(70)는 복수의 배터리 히터(13)에 마련된 외부 접속 단자를 통하여 서로 연결하되, 복수의 배터리 히터(13)를 직렬로 전기적으로 연결한다.
그리고 제어부(19)는 리튬 배터리(11)를 제어하는 마이크로프로세서로서, 차량의 상태 정보(21,23)와 온도 센서(15)로부터 수신한 리튬 배터리(13)의 온도 정보를 이용하여 리튬 배터리(11)의 히팅과 보조 전원부(17)의 충전을 제어한다. 예컨대 제어부(19)는 배터리 관리 시스템(battery management system; BMS)으로, 리튬 이차전지 셀의 상태를 모니터링하고, 모니터링 결과를 토대로 냉난방을 통하여 리튬 배터리(11)의 온도 관리를 수행하고, 전기 구동 장치의 제어부와 연동하여 부하로의 전기에너지의 공급을 제어할 수 있다.
이러한 제어부(19)는 온도 센서(15)로 센싱한 리튬 배터리(11)의 온도를 기반으로 배터리 히터(13)의 구동을 제어한다. 즉 온도 센서(15)는 리튬 배터리(11)의 온도를 센싱한 온도 정보(15)를 제어부(19)로 전달한다. 온도 센서(15)로 센싱한 온도가 제1 임계 온도 이하인 경우, 제어부(19)는 히팅 제어 신호(26)로 스위치(16)를 온(ON)시켜 보조 전원부(17)를 통하여 배터리 히터(13)에 전원을 공급하고, 배터리 히터(13)에서 발열되는 열로 리튬 배터리(11)를 히팅한다. 제어부(19)는 배터리 히터(13)로 리튬 배터리(11)를 히팅한 후, 온도 센서(15)로 센싱한 리튬 배터리(11)의 온도가 제2 임계 온도 이상인 경우, 히팅 제어 신호(26)로 스위치(16)를 오프(OFF)시켜 보조 전원부(17)를 통하여 배터리 히터(13)로 공급되는 전원을 차단하여 리튬 배터리(11)의 히팅을 중단시킨다. 이때 제1 임계 온도는 리튬 배터리(11)의 콜드(cold) 상태로 인식할 수 있는 온도로 설정될 수 있다. 제2 임계 온도는 리튬 배터리(11)의 정상적인 충방전이 가능한 범위의 온도로 설정될 수 있다.
물론 리튬 배터리(11)의 히팅은 제어부(19)가 차량의 상태 정보(21)를 확인한 후 수행한다. 이때 차량의 상태 정보(21)로 이그니션 온(ignition ON), 즉 차량의 시동을 거는 상황이다.
제어부(19)는 보조 전원부(17)의 잔량을 체크(27)하여 보조 전원부(17)의 충전이 필요한 지의 여부를 확인한다. 충전이 필요한 경우, 제어부(19)는 전원 변환부(18)로 충전 제어 신호(28)를 인가하여 리튬 배터리(11)의 전원으로 보조 전원부(17)를 충전한다. 물론 제어부(19)는 차량의 상태 정보(23)를 통하여 리튬 배터리(11)로 보조 전원부(17)를 충전할 수 있는 상태인지를 확인한 후 수행한다. 보조 전원부(17)의 충전이 가능한 차량 상태(23)는 발전기가 정상적으로 구동되는 상태일 수 있다.
이와 같이 제어부(19)를 통하여 리튬 배터리(11)의 온도를 관리함으로써, 리튬 배터리(11)의 온도에 따라 작동 효율성을 향상시키고, 수명을 연장할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)의 배터리 관리 방법에 대해서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 3은 도 1의 배터리 시스템(100)의 배터리 관리 방법에 따른 흐름도이다.
배터리 시스템(100)이 전기자동차와 같은 차량에 적용된 경우의 배터리 관리 방법을 개시하였다. 배터리 관리는 차량 상태 및 배터리 상태 정보를 기반으로 한 리튬 배터리(11)의 히팅 및 보조 전원부(17)의 충전을 포함한다.
먼저 S11단계에 따른 대기 상태에서, 제어부(19)는 차량의 상태 정보(21)를 통하여 이그니션 온 여부를 S13단계에서 확인한다.
확인 결과 이그니션 온 신호가 입력되지 않은 경우, 제어부(19)는 S11단계에 따른 대기 상태를 유지한다.
확인 결과 이그니션 온 신호가 입력된 경우, S15단계에서 제어부(19)는 리튬 배터리(11)의 온도가 제1 임계 온도 이하인지의 여부를 확인한다. 즉 제어부(19)는 리튬 배터리(11)가 정상적으로 동작이 가능한 온도 인지의 여부를 확인한다.
확인 결과 제1 임계 온도 이하인 경우, S17단계에서 제어부(19)는 배터리 히터(13)를 가동시켜 리튬 배터리(11)를 히팅한다.
다음으로 S19단계에서 제어부(19)는 히팅된 리튬 배터리(11)의 온도가 제2 임계 온도 이상인지의 여부를 확인한다.
확인 결과 제2 임계 온도 미만인 경우, 제어부(19)는 S17단계를 수행한다.
확인 결과 제2 임계 온도 이상인 경우, S21단계에서 제어부(19)는 배터리 히터(19)의 가동을 중지시킨다. 히팅에 의해 리튬 배터리(11)는 안정적인 전원 공급이 가능한 상태가 되었기 때문에, 제어부(19)는 이그니션 온 신호에 따라 리튬 배터리(11)의 전원을 이용하여 시동을 걸게 된다. 예컨대 차량이 전기자동차인 경우, 제어부(19)는 전기자동차에 구비된 전기모터를 구동시킨다.
한편 S15단계의 확인 결과 제1 임계 온도를 초과하는 경우, S23단계에서 제어부(19)는 차량의 상태 정보(23)를 통하여 발전기의 구동 여부를 확인한다. 즉 제어부(19)는 리튬 배터리(11)를 통하여 보조 전원부(17)의 충전이 가능한 상태인지의 여부를 발전기의 구동 여부로 확인한다.
S23단계의 확인 결과 발전기가 구동 중인 경우, S25단계에서 제어부(19)는 전원 변환부(18)를 통한 보조 배터리(17)의 충전을 시작(ON)한다.
다음으로 S27단계에서 제어부(19)는 보조 배터리(17)의 완충 여부를 확인한다.
확인 결과 완충되지 않은 경우, 제어부(19)는 S25단계를 수행한다.
확인 결과 완충된 경우, S29단계에서 제어부(19)는 보조 배터리(17)의 충전을 종료(OFF)한다.
S21단계 또는 S29단계 이후에, S31단계에서 제어부(19)는 이그니션 오프 신가가 입력되는 지의 여부를 확인한다.
그리고 이그니션 오프 신호가 입력되는 경우, 제어부(19)는 배터리 시스템(100)의 구동을 종료한다. 이때 제어부(19)는 S11단계에 따른 대기 상태로 복귀할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)에 적용되는 배터리 히터(13,113) 및 배터리 히터 조립체(12)에 대해서 도 4 내지 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
[제1 실시예]
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)를 보여주는 평면도이다. 도 5는 도 4의 5-5선 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)는 베이스 기판(30), 금속 소재의 전극 배선 패턴(40), 복수의 면상 발열체(50) 및 덮개 필름(60)을 포함한다. 베이스 기판(30)은 전극 배선 패턴(40), 복수의 면상 발열체(50) 및 덮개 필름(60)을 형성할 수 있는 기저층이다. 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 적어도 일면에 형성되는 전극 배선부(45)와, 전극 배선부(45)와 연결되어 베이스 기판(30)의 외측으로 돌출되게 형성된 복수의 외부 접속 단자(41,43)를 구비한다. 복수의 면상 발열체(50)는 베이스 기판(30)의 적어도 일면에 형성되며, 전극 배선부(45)에 의해 병렬로 전기적으로 연결되고, 복수의 외부 접속 단자(41,43)를 통하여 전원을 인가받아 발열한다. 그리고 덮개 필름(60)은 복수의 면상 발열체(50)가 형성된 베이스 기판(30)의 면을 덮는다.
베이스 기판(30)은 하부면(31)과, 하부면(31)에 반대되는 상부면(33)을 갖는다. 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 전극 배선 패턴(40), 복수의 면상 발열체(50) 및 덮개 필름(60)이 형성된다. 이러한 베이스 기판(30)으로는 플라스틱 기판, 금속 기판 또는 세라믹 기판이 사용될 수 있다. 플라스틱 기판의 소재로는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA) 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)가 사용될 수 있으며, 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다.
베이스 기판(30)으로 사용되는 금속 기판은 금속판과, 전극 배선 패턴(40) 및 복수의 면상 발열체(50)가 형성되는 금속판의 상부면(33)에 형성된 절연층을 구비한다. 절연층의 소재로는 전술된 플라스틱 기판의 소재 중에 적어도 하나가 사용될 수 있다.
베이스 기판(30)은 배터리 히터(13)가 사용되는 응용 분야나 발열 온도에 따라서 적절히 선택될 수 있다.
전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성되며, 외부에서 인가되는 전원을 면상 발열체(50)로 공급한다. 전극 배선 패턴(40)은 전압 강하(voltage drop)를 최소화할 수 있도록 금속 소재로 형성될 수 있다. 전극 배선 패턴(40)을 형성하는 금속 소재로는 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금이 사용될 수 있다.
전극 배선 패턴(40)은 금속박을 이용한 에칭 방법 또는 금속 페이스트를 이용한 인쇄 방법으로 형성할 수 있다. 즉 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 금속박을 적층한 후 에칭 방법으로 패터닝하여 형성할 수 있다. 또는 전극 배선 패턴(40)은 금속 페이스트를 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 인쇄하여 형성할 수 있다.
이러한 전극 배선 패턴(40)은 전극 배선부(45)와 복수의 외부 접속 단자(41,43)를 포함한다. 전극 배선부(45)는 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성되는 복수의 면상 발열체(50)를 병렬로 전기적으로 연결하며, 복수의 외부 접속 단자(41,43)를 통하여 인가되는 전원을 복수의 면상 발열체(50)로 공급하여 발열시킨다. 복수의 외부 접속 단자(41,43)는 전극 배선부(45)와 연결되며, 베이스 기판(30)의 외측으로 돌출되게 형성된다.
이때 전극 배선부(45)는 베이스 기판(30)의 상부면(33) 상에 형성되며, 베이스 필름(30)의 상부면(33)을 덮는 덮개 필름(60)에 의해 봉합된다.
복수의 외부 접속 단자(41,43)는 베이스 기판(30) 및 덮개 필름(60) 밖으로 돌출되어 외부로부터 전원을 인가받는다. 복수의 외부 접속 단자(41,43)는 서로 이격되게 형성된다. 복수의 외부 접속 단자(41,43)는 연결 단자(70)의 안정적인 접합성, 전기전도성 및 IR 드랍(drop)을 억제하기 위해서 판 상으로 형성된다.
복수의 외부 접속 단자(41,45)는 끝단 저항이 200mΩ 이하이다. 이유는 복수의 배터리 히터(13)를 직렬로 연결할 때, IR 드랍을 억제하고 복수의 배터리 히터를 동시에 구동하기 위해서이다.
복수의 외부 접속 단자(41,43)는 이웃하는 배터리 히터의 외부 접속 단자와 접합 공정 시, 이웃하는 배터리 히터를 향하여 절곡될 수 있도록 유연성을 갖는다.
이러한 복수의 외부 접속 단자(41,43)는 제1 외부 접속 단자(41)와 제2 외부 접속 단자(43)를 포함한다. 제1 외부 접속 단자(41)는 베이스 기판(30)의 일측으로 돌출되게 형성된다. 제2 외부 접속 단자(43)는 베이스 기판(30)의 일측에 이웃하는 타측으로 돌출되게 형성된다. 이때 제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43)는 이웃하는 배터리 히터의 제1 및 제2 외부 접속 단자에 연결 단자를 매개로 각각 전기적으로 연결된다. 예컨대 배터리 히터(13)가 직사각판 형태를 갖는 경우, 장변에 제1 외부 접속 단자(41)가 형성되고 단변에 제2 외부 접속 단자(43)가 형성될 수 있다.
복수의 배터리 히터를 서로 연결하여 배터리 히터 조립체를 제조할 때, 제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43)는 서로 연결될 제1 및 제2 외부 접속 단자가 형성된 배터리 히터를 향하여 절곡되게 형성된다. 즉 제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43)는 배터리 히터(13)를 중심으로 서로 반대 방향으로 절곡된다.
면상 발열체(50)는 전극 배선 패턴(40)의 전극 배선부(45)에 연결하도록 형성된다. 면상 발열체(50)는 발열체 조성물을 전극 배선부(45)에 인쇄한 후, 건조 및 경화하여 형성한다. 발열체 조성물의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마 코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 건조 및 경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행될 수 있다.
면상 발열체(50)는 베이스 기판(30) 위에 배열되게 형성된다. 즉 면상 발열체(50)는 n행m렬(n, m은 2 이상의 자연수)로 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성될 수 있다. 예컨대 제1 실시예에서는 면상 발열체(50)가 3행6렬로 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 이때 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성되는 복수의 면상 발열체(50)를 병렬로 연결하도록 형성된다.
이러한 면상 발열체(50)를 형성하는 발열체 조성물은 혼합 바인더 및 전도성 입자를 포함한다. 면상 발열체(50)를 형성하기 위해서, 인쇄 공정에 투입되는 발열체 조성물은 혼합 바인더 및 전도성 입자 이외에, 유기 용매와 분산제를 더 포함한다.
발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대해서, 혼합 바인더 5 내지 30 중량부, 전도성 입자 0.7 내지 60 중량부, 유기 용매 29 내지 80 중량부, 및 분산제 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
전도성 입자는 전도성을 갖는 탄소 입자 또는 금속 분말을 포함한다. 탄소 입자로는 탄소나노튜브 입자 또는 그라파이트 입자가 사용될 수 있다. 금속 분말로는 은, 구리 또는 니켈 소재의 분말이 사용될 수 있다. 예컨대 전도성 입자는 발열 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 0.1 내지 5 중량부, 그라파이트 입자 0.1 내지 20 중량부 또는 금속 분말 10 내지 60 중량부를 포함할 수 있다.
탄소나노튜브 입자는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예컨대 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)일 수 있다. 탄소나노튜브 입자가 다중벽 탄소나노튜브일 때, 직경은 1nm 내지 20nm 일 수 있고, 길이는 1㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
그라파이트 입자는 직경이 1㎛ 내지 25㎛일 수 있고, 두께가 1nm 내지 25㎛일 수 있다.
금속 분말은 은, 구리 또는 니켈 소재의 분말을 포함한다. 은 분말의 경우, 플레이크, 구형, 다각형 판상, 막대(rod) 등의 형태를 가질 수 있다. 구리 분말로는 은이 코팅된 구리(Ag coated Cu) 분말, 니켈이 코팅된 구리(Ni coated Cu) 분말 등이 사용될 수 있다. 그리고 니켈 분말로는 은이 코팅된 니켈(Ag coated Ni) 분말이 사용될 수 있다.
탄소 입자와 금속 분말을 포함하는 발열체 조성물로 면상 발열체(50)를 형성하는 경우, 금속 분말이 주 전기적 네트워크를 형성하고, 금속 분말 사이의 공간에 탄소 입자가 채워져 3차원 랜덤 네트워크 구조를 형성한다.
이와 같이 발열체 조성물은 탄소 입자와 금속 분말을 포함함으로써, 면상 발열체(50)의 에너지 효율 및 발열 속도를 높일 수 있다. 즉 금속 분말은 흑체 복사 기능을 갖지 않는다. 하지만 발열체 조성물에 탄소 입자를 포함시킴으로써, 흑체 복사 기능을 구현할 수 있다. 탄소 입자로 인해서 면상 발열체(50)의 내열성을 높일 수 있다. 그리고 탄소 입자로 인해서, 면상 발열체(50)의 발열 속도 및 에너지 효율을 높일 수 있다.
면상 발열체(50)의 비저항은 전체 고형분 중 탄소 입자 또는 금속 분말의 함량에 의해 결정될 수 있다. 예컨대 1×10-2Ω㎝ 영역대까지는 탄소 입자만으로 비저항 조절이 가능하나, 그 이하의 영역은 금속 분말의 추가적인 도입이 필요하다. 면상 발열체(50)는 9×10-2 내지 1.1×10-3 Ω㎝의 비저항을 가질 수 있다.
혼합 바인더는 300℃ 가량의 온도에서도 내열성을 가질 수 있도록, 페놀계 수지, 아세탈계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 에폭시계 수지 중 적어도 2종을 포함한다. 예컨대 혼합 바인더는 에폭시(epoxy), 에폭시 아크릴레이트(epoxy acrylate), 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지 중 적어도 2종을 포함한다.
예컨대 혼합 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함할 수 있다. 여기서 혼합 바인더는, 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 100 내지 500 중량부를 포함할 수 있다. 페놀계 수지가 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 100 중량부 이하인 경우 내열성이 저하되고, 500 중량부를 초과하는 경우 면상 발열체(50)의 유연성이 저하되어 취성이 강해질 수 있다.
이와 같이 혼합 바인더의 내열성을 높임으로써, 면상 발열체(50)를 300℃ 가량의 고온으로 발열시키는 경우에도, 면상 발열체(50)의 저항 변화나 파손을 억제할 수 있다.
여기에서 페놀계 수지는 페놀 및 페놀 유도체를 포함하는 페놀계 화합물을 의미한다. 예컨대 페놀 유도체는 p-크레졸(p-Cresol), o-구아야콜(o-Guaiacol), 크레오졸(Creosol), 카테콜(Catechol), 3-메톡시-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), 호모카테콜(Homocatechol), 비닐구아야콜(Vinylguaiacol), 시링콜(Syringol), 이소-유제놀(Iso-eugenol), 메톡시 유제놀(Methoxyeugenol), o-크레졸(o-Cresol), 3-메틸-1,2-벤젠디올 (3-methyl-1,2-Benzenediol), (z)-2-메톡시-4-(1-프로페닐)-페놀((z)-2-methoxy-4-(1-propenyl)-Phenol), 2,6-디에톡시-4-(2-프로페닐)-페놀(2,6-dimethoxy-4-(2-propenyl)-Phenol), 3,4-디메톡시-페놀(3,4-dimethoxy-Phenol), 4-에틸-1,3-벤젠디올(4-ethyl-1,3-Benzenediol), 레졸 페놀(Resole phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-methyl-1,2-Benzenediol), 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol), 2-메톡시-6-메틸페놀(2-Methoxy-6-methylphenol), 2-메톡시-4-비닐페놀(2-Methoxy-4-vinylphenol) 또는 4-에틸-2-메톡시-페놀(4-ethyl-2-methoxy-Phenol) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기 용매는 전도성 입자 및 혼합 바인더를 분산시키기 위한 것으로, 카비톨 아세테이트(Carbitol acetate), 부틸 카비톨 아세테이트(Butyl carbotol acetate), DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올(Butanol) 및 옥탄올(Octanol) 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
한편, 분산을 위한 공정은 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있으며, 예를 들면 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 이루어질 수 있다.
그리고 분산제는 전도성 입자의 분산을 보다 원활히 위한 것으로, BYK류와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, SDS 등과 같은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다.
또한 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 실란 커플링제 0.1 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실란 커플링제는 발열체 조성물의 배합 시에 수지들 간에 접착력을 증진시키는 접착증진제 기능을 한다. 실란 커플링제는 에폭시 함유 실란 또는 머켑토 함유 실란일 수 있다. 이러한 실란 커플링제의 예로는 에폭시가 함유된 것으로 2-(3,4 에폭시 사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란이 있고, 아민기가 함유된 것으로 N-2(아미노에틸)3-아미토프로필메틸디메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-트리에톡시실리-N-(1,3-디메틸뷰틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란이 있으며, 머켑토가 함유된 것으로 3-머켑토프로필메틸디메톡시실란, 3-머켑토프로필트리에톡시실란, 이소시아네이트가 함유된 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란 등이 있으며, 이것에 한정되지 않는다.
또한 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 세라믹 입자 0.5 내지 20 중량부를 더 포함할 수 있다. 세라믹 입자는 면상 발열체(50)의 열용량을 증가시킨다. 이러한 세라믹 입자로는 유리 입자 또는 실리콘 입자가 사용될 수 있다.
또한 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 그래핀 산화물 입자 0.0001 내지 1 중량부를 더 포함할 수 있다. 그래핀 산화물 입자는 1층 내지 20층 이내의 절연성을 가지며, 부분적으로 흑연화(graphitization)된 입자이다.
그래핀 산화물 입자는 다양한 관능기를 가지고 있다. 이러한 다양한 관능기를 이용하여 그래핀 산화물 입자는 유기 바인더인 혼합 바인더와 직접적인 화학적 공유 결합을 유도할 수 있다. 이로 인해 발열 조성물은 300℃ 부근 온도에서도 안정적인 내열성을 갖는다.
그래핀 산화물 입자는 표면과 에지부에 카르복실, 아민, 이민, 하이드록실, 카로보닐, 락톤 등의 다양한 화학적 반응성이 우수한 관능기를 가지고 있다. 그래핀 산화물 입자에 포함된 관능기는 디이소시아네이트, 페놀, 에폭시에 포함된 관능기와 화학적 공유결합이 가능하다. 따라서 그래핀 산화물 입자는 혼합 바인더에 포함되는 에폭시 아크릴레이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 및 페놀계 수지와 화학적 공유 결합을 형성한다. 이러한 그래핀 산화물 입자와 혼합 바인더 간의 화학적 공유 결합은 3차원 3차원 네트워크를 형성하고, 고분자 사슬의 움직임을 억제하는 효과가 있기 때문에, 유리전이도 및 분해개시온도의 상승을 유발할 수 있다.
그리고 덮개 필름(60)은 복수의 면상 발열체(50)가 형성된 베이스 기판(30)의 상부면(33)을 덮도록 형성된다. 덮개 필름(60)은 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성된 전극 배선 패턴(40)의 전극 배선부(45)와 복수의 면상 발열체(50)를 외부 환경으로부터 보호하는 기능과, 복수의 면상 발열체(50)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 기능을 함께 수행한다. 이러한 덮개 필름(60)의 소재로는 우레탄 수지, 실리콘 수지, 이미드계 수지 또는 면상 발열체(45)와의 접촉면에 절연 접착층이 형성된 금속박이 사용될 수 있다. 절연 접착층의 소재로는 우레탄 또는 에폭시 수지가 사용될 수 있다. 예컨대 덮개 필름(60)은 핫 프레싱(hot pressing) 또는 라미네이팅(laminating) 방법으로 베이스 기판(30)에 접합될 수 있다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)는 저전력으로 구동이 가능한 복수의 면상 발열체(50)를 구비하기 때문에, 저전력으로 짧은 시간에 대면적 발열이 가능하다. 즉 배터리 히터(13)는 인가 전압의 증가에 비례해서 열밀도(specific heat power)가 증가하는 특성을 나타낸다. 예컨대 배터리 히터(13)는 DC 3V 이상의 전압 인가 시, 1 W/㎠ 이상의 열밀도 특성을 나타낸다. 배터리 히터(13)는 DC 3 내지 4V의 전압 인가 시, 1 내지 2 W/㎠의 열밀도 특성을 나타낼 수 있다.
면상 발열체(50)는 일반적인 PTC 소자와 비교할 때, 발열 면적이 크기 때문에, 열전달 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있다.
면상 발열체(50)는 인쇄 공정을 통하여 다양하게 설계가 가능하기 때문에, 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)가 사용되는 기기나 환경에서 사용 가능한 다양한 구동 전압에서 구동하도록 배터리 히터를 제조할 수 있다.
면상 발열체(50)는 전도성 입자와 혼합 바인더를 포함하는 도료 형태의 발열체 조성물로 형성하기 때문에, 비저항이 낮고 열전도율이 우수해 저전압 구동에 유리하고 승온 속도가 빠른 장점이 있다. 즉 발열체 조성물은 전도성 입자와 함께, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 또는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 포함하기 때문에, 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있다. 이로 인해 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)는 온도에 따른 저항 변화가 작아 발열 거동 및 안정성이 높은 면상 발열체(50)를 구비하는 배터리 히터를 제공할 수 있다.
탄소나노튜브 입자와 그라파이트 입자를 포함하는 발열체 조성물로 형성한 면상 발열체(50)는 블랙 바디(block body)이기 때문에, 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)는 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다.
발열체 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능한 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)를 제공할 수 있다.
그리고 발열체 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤마 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.
제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)를 포함하는 배터리 히터 조립체(12)에 대해서 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)를 포함하는 배터리 히터 조립체(12)를 보여주는 분해 사시도이다. 그리고 도 7은 도 6의 배터리 히터 조립체(12)를 보여주는 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 실시예에 따른 배터리 히터 조립체(12)는 복수의 배터리 히터(13)와, 복수의 배터리 히터(13)를 직렬로 연결하는 복수의 연결 단자(70)를 포함하고, 한 쌍의 버퍼용 금속 블록(80)을 포함할 수 있다.
복수의 배터리 히터(13)는 리튬 배터리(11)를 구성하는 복수의 배터리 모듈(11a,11b,11c,11d,11e,11f) 사이에 개재된다. 리튬 배터리(11)를 구성하는 복수의 배터리 모듈(11a,11b,11c,11d,11e,11f) 중 양쪽 끝에 위치하는 배터리 모듈(11a,11f)의 외측에도 각각 배터리 히터(13a,13g)가 설치될 수 있다. 예컨대 리튬 배터리(11)가 6개의 배터리 모듈(11a,11b,11c,11d,11e,11f)로 구성되는 경우, 배터리 히터(13)는 7개가 사용될 수 있다. 즉 리튬 배터리(11)는 제1 내지 제6 배터리 모듈(11a,11b,11c,11d,11e,11f)을 포함한다. 복수의 배터리 히터(13)는 제1 내지 제7 배터리 히터(13a,13b,13c,13d,13e,13f,13g)를 포함한다. 복수의 연결 단자(70)는 제1 내지 제6 연결 단자(70a,70b,70c,70d,70e,70f)를 포함한다.
제1 및 제7 배터리 히터(13a,13g)는 제1 및 제6 배터리 모듈(11a,11f)의 외측에 위치하는 최외곽 배터리 히터이다. 제2 내지 제6 배터리 히터(13b,13c,13d,13e,13f)는 제1 내지 제6 배터리 모듈(11a,11b,11c,11d,11e,11f) 사이에 개재된다.
복수의 배터리 히터(13)의 서로 대응되는 외부 접속 단자(41,43)를 직렬로 전기적으로 연결할 수 있도록, 제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43)는 서로 연결될 제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43)가 형성된 배터리 히터(13)를 향하여 절곡되어 있다. 배터리 히터(13)는 제1 외부 접속 단자(41)가 일측에 이웃하는 배터리 히터(13)를 향하도록 제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43) 중에 하나가 절곡되고, 제2 외부 접속 단자(43)가 타측에 이웃하는 배터리 히터(13)를 향하도록 나머지 하나의 외부 접속 단자(41,43)가 절곡된다.
제1 실시예의 경우, 제1 배터리 히터(13a)는 이웃하는 제2 배터리 히터(13b)를 향하도록 제1 외부 접속 단자(41)가 절곡된다. 제1 배터리 히터(13a)의 제2 외부 접속 단자(43)는 절곡되지 않는다.
제2 배터리 히터(13b)는 이웃하는 제3 배터리 히터(13c)를 향하도록 제1 외부 접속 단자(41)가 절곡된다. 제2 배터리 히터(13b)의 제2 외부 접속 단자(43)는 제1 배터리 히터(13a)를 향하도록 절곡된다. 이때 제2 배터리 히터(13b)의 제2 외부 접속 단자(43)는 제1 배터리 히터(13a)의 제1 외부 접속 단자(41)와 제1 연결 단자(70a)를 매개로 전기적으로 연결된다. 제2 배터리 히터(13b)의 제2 외부 접속 단자(43), 제1 배터리 히터(13a)의 제1 외부 접속 단자(41) 및 제1 연결 단자(70a)는 제1 배터리 모듈(11a)의 외곽에 위치하며, 제1 배터리 모듈(11a)의 외측면에 지지될 수 있다.
제3 배터리 히터(13c)는 이웃하는 제4 배터리 히터(13d)를 향하도록 제1 외부 접속 단자(41)가 절곡된다. 제3 배터리 히터(13c)의 제2 외부 접속 단자(43)는 제2 배터리 히터(13b)를 향하도록 절곡된다. 이때 제3 배터리 히터(13c)의 제2 외부 접속 단자(43)는 제2 배터리 히터(13b)의 제1 외부 접속 단자(41)와 제2 연결 단자(70b)를 매개로 전기적으로 연결된다. 제3 배터리 히터(13c)의 제2 외부 접속 단자(43), 제2 배터리 히터(13b)의 제1 외부 접속 단자(41) 및 제2 연결 단자(70b)는 제2 배터리 모듈(11b)의 둘레에 위치하며, 제2 배터리 모듈(11b)의 둘레면에 지지될 수 있다.
제2 및 제3 배터리 히터(13b,13c)와 같은 방식으로 제4 내지 제6 배터리 히터(13d,13e,13f)는 이웃하는 제5 내지 제8 배터리 히터(13e,13f,13g)와 제3 내지 제5 연결 단자(70c,70d,70e)를 매개로 전기적으로 연결된다.
그리고 제7 배터리 히터(13g)는 이웃하는 제6 배터리 히터(13f)를 향하도록 제2 외부 접속 단자(43)가 절곡된다. 제7 배터리 히터(13g)의 제1 외부 접속 단자(41)는 절곡되지 않는다. 이때 제7 배터리 히터(13g)의 제2 외부 접속 단자(43)는 제6 배터리 히터(13f)의 제1 외부 접속 단자(41)와 제6 연결 단자(70f)를 매개로 전기적으로 연결된다.
따라서 제1 내지 제7 배터리 히터(13a,13b,13c,13d,13e,13f,13g)는 제1 내지 제6 연결 단자(70a,70b,70c,70d,70e,70f)를 매개로 직렬로 전기적으로 연결된다. 제1 내지 제7 배터리 히터(13a,13b,13c,13d,13e,13f,13g)는 서로 직렬로 연결되기 때문에, 양쪽에 위치하는 제1 및 제7 배터리 히터(13a,13g)는 연결되지 않은 제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43) 중에 하나를 갖는다. 제1 실시예에서는 제1 배터리 히터(13a)의 제2 외부 접속 단자(43)와, 제7 배터리 히터(13g)의 제1 외부 접속 단자(41)가 이웃하는 배터리 히터와 연결되지 않고, 보조 전원부와 연결되어 전원을 공급받는다.
연결 단자(70)는 제1 접합부(71), 제2 접합부(75) 및 연결부(73)를 포함한다. 제1 접합부(71)는 배터리 히터(13)의 제1 외부 접속 단자(41)에 접합된다. 제2 접합부(75)는 제1 접합부(71)가 접합된 배터리 히터에 이웃하는 배터리 히터의 제2 외부 접속 단자(43)에 접합된다. 그리고 연결부(73)는 제1 및 제2 접합부(71,73)를 연결한다. 연결 단자(70)는 판 형태를 가지며, 배터리 히터(13)의 외부 접속 단자(41,43)에 레이저 용접 또는 초음파 용접으로 접합된다. 연결 단자(70)의 제1 및 제2 접합부(71,75)를 통하여 외부 접속 단자(41,43)에 안정적으로 접합할 수 있도록, 제1 및 제2 접합부(71,75)는 외부 접속 단자(41,43)에 대응되는 폭으로 형성될 수 있다. 연결 단자(70)의 소재로는 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금이 사용될 수 있다.
복수의 연결 단자(70)와, 복수의 연결 단자(70)를 매개로 접합된 제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43)는 복수의 배터리 히터(13) 사이에 개재된 복수의 배터리 모듈(11a,11b,11c,11d,11e,11f)의 외측면에 의해 지지될 수 있다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 배터리 히터 조립체(12)는 복수의 배터리 히터(13)가 복수의 연결 단자(70)를 매개로 직렬로 전기적으로 연결되며, 직렬로 연결된 복수의 배터리 히터(13)의 외부 접속 단자(41,43)와 복수의 연결 단자(70)는 복수의 배터리 모듈(11a,11b,11c,11d,11e,11f)의 외측면에 밀착되거나 근접하게 형성된다. 이로 인해 배터리 히터들(13) 간의 연결 배선을 간소화함으로써, 복수의 배터리 히터(13)의 설치로 인한 리튬 배터리(11)의 중량 및 크기 증가를 최소화할 수 있다.
그리고 한 쌍의 버퍼용 금속 블록(80)은 제1 배터리 히터(13a)와 제7 배터리 히터(13g)의 외측면에 설치된다.
한편 외부 접속 단자(41,43)는 전면에 유기물이 없이 금속만으로 형성된다. 이유는 외부 접속 단자(41,43)와 연결 단자(70)를 서로 접합하는 용접 공정이 고온을 수반한다. 이로 인해 외부 접속 단자(41,43)에 유기물, 예컨대 베이스 기판(30)의 소재가 잔존하는 경우 용접 공정에 의해 작용하는 고온에 의해 유기 가스 또는 열분해에 의해 외부 접속 단자(41,43)와 연결 단자(70) 간에 접합 불량이 발생될 수 있기 때문이다.
제1 실시예에서는 제1 및 제 7 배터리 히터(13a,13g)와 같이 최외곽 배터리 히터를 구비하는 예를 개시하였지만, 최외곽 배터리 히터를 구비하지 않을 수도 있다. 복수의 배터리 모듈(11a,11b,11c,11d,11e,11f) 사이에 각각 제2 내지 제6 배터리 히터(13b,13c,13d,13e,13f)가 개재된 예를 개시하였지만, 일부 배터리 모듈 사이에만 배터리 히터가 개재될 수 있다.
제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43)와 별개로 형성된 연결 단자(70)를 이용하여 서로 대응되는 제1 및 제2 외부 접속 단자(41,43)를 연결하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 제1 또는 제2 외부 접속 단자에 연결 단자를 일체로 형성할 수도 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)의 특성을 확인하기 위해서 아래와 같은 실험을 수행하였다.
먼저 발열체 조성물은 아래와 같이 제조하였다. 탄소나노튜브, 그라파이트 입자를 카비톨아세테이드 용매에 첨가하고 분산제를 첨가하여 60분간 초음파 처리를 통해 탄소나노튜브/그라파이트 분산액(Solution A)을 제조하였다. 에폭시아크릴레이트, 페놀 수지 및 폴리비닐 아세탈 수지를 혼합하고 카비톨아세테이트 용매에 첨가하여 물리적인 교반(mechanical stirring) 또는 자전공전이 가능한 기계적 혼련을 통해 마스터 배치(master batch, M/B)를 제조한다. 그리고 Solution A와 M/B를 물리적인 교반을 통해 혼련한 후, 3-롤 밀( 3-roll mill)을 이용하여 완전히 혼련함으로써 발열체 조성물을 제조하였다.
전술된 제조 방법으로 제조된 발열체 조성물을 이용하여 배터리 히터를 제조하였다.
알루미늄 박이 증착된 폴리이미드 소재의 베이스 기판을 준비하고, 사진석판술(포토리쏘그라피) 공정을 이용하여 전극 배선부와 한 쌍의 외부 접속 단자를 포함하는 전극 배선 패턴을 베이스 기판 위에 형성한다. 전술된 제조 방법으로 제조된 발열체 조성물을 전극 배선부에 연결되게 250메쉬 스크린 마스크를 이용하여 스크린 인쇄한 후 150℃에서 30분간 열처리하여 복수의 면상 발열체를 형성한다. 그리고 덮개 필름을 배선 전극부 및 복수의 면상 발열체가 형성된 베이스 기판의 일면에 핫 프레싱하고 타발한 후, 한 쌍의 외부 접속 단자 아래의 베이스 기판과 유기물을 레이저로 에칭하여 제1 실시예에 따른 배터리 히터를 제조하였다.
이와 같이 제조된 제1 실시예에 따른 배터리 히터에 대한 출력 시험을 아래와 같이 수행하였다.
1kg 중량의 직사각판 형태의 알루미늄 블록을 제1 실시예에 따른 배터리 히터의 양면에 샌드위치 구조로 접촉한 후 25℃ 환경에서 구동 전압에 따른 출력(heat power)과 열밀도(specific heat power)를 측정하였다. 그 결과는 아래의 표 1과 같다.
구동 전압(V) 2 3 3.75 4
기전류(A) 25 40 50 55
출력(W)) 50 120 187.5 220
열밀도(W/㎠) 0.46 1.10 1.71 2.01
표 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 배터리 히터는 인가 전압의 증가에 비례해서 열밀도가 증가하는 특성을 갖는다. 즉 제1 실시예에 따른 배터리 히터는 DC 3 내지 4V의 저전압에서도 1 내지 2 W/㎠의 높은 열밀도 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
다음으로 제1 실시예에 따른 배터리 히터의 ­20℃ 환경에서의 DC 4V 인가 시의 알루미늄 블록의 시간에 따른 온도 변화를 100회 측정하였고, 그 결과 도 9와 같다. 이때 전술된 바와 같이 1kg 중량의 직사각판 형태의 알루미늄 블록을 제1 실시예에 따른 배터리 히터의 양면에 샌드위치 구조로 접촉한 후 ­20℃ 환경의 냉각 챔버에서 1일간 유지한 후 DC 4V 인가 시의 알루미늄 블록의 표면 온도 변화를 시간에 따라 100회 측정하였다.
도 8dms 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터의 ­20℃ 환경에서의 DC 4V 인가 시의 알루미늄 블록의 시간에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8dmf 참조하면, 제1 실시예에 따른 배터리 히터는 알루미늄 블록을 100초 이내의 짧은 시간에 ­20℃에서 0℃ 이상의 온도로 승온시키는 것을 확인할 수 있다.
[제2 실시예]
한편 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)는 베이스 기판(30)의 일면에 복수의 면상 발열체(50)가 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 9에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(30)의 양면에 복수의 면상 발열체(50)가 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 히터(113)를 보여주는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 제2 실시예에 따른 배터리 히터(113)는 베이스 기판(30)의 양면에 복수의 면상 발열체(50)가 형성된 구조를 갖는다. 즉 배터리 히터(113)는 양면에 형성된 복수의 면상 발열체(50)를 통하여 발열할 수 있는 구조를 갖는다.
제2 실시예에 따른 배터리 히터(113)는 베이스 기판(30), 전극 배선 패턴(40), 복수의 면상 발열체(50) 및 덮개 필름(60)을 포함한다. 베이스 기판(30), 전극 배선 패턴(40), 복수의 면상 발열체(50) 및 덮개 필름(60)은 제1 실시예에 따른 배터리 히터(도 4의 13)의 설명에 기재된 소재와 동일한 소재가 사용되기 때문에, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 하부면(31)과 상부면(33)에 각각 형성된다. 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 하부면(31)에 형성되는 하부 배선 패턴(40a)과, 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성되는 상부 배선 패턴(40b)을 포함한다. 하부 배선 패턴(40a)과 상부 배선 패턴(40b)은 베이스 기판(30)을 중심으로 상하로 대칭되게 형성될 수 있다.
그리고 하부 배선 패턴(40a)과 상부 배선 패턴(40b)의 서로 대응되는 외부 접속 단자는 서로 접합된다. 도 8에서는 하부 배선 패턴(40a)과 상부 배선 패턴(40b)의 제1 외부 접속 단자(41a,41b)가 서로 접합된 상태만을 도시하였지만, 하부 배선 패턴(40a)과 상부 배선 패턴(40b)의 제2 외부 접속 단자도 서로 접합된다.
복수의 면상 발열체(50)는 베이스 기판(30)의 양면의 전극 배선 패턴(40)에 각각 연결되게 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 전극 배선 패턴(40)의 외부 접속 단자로 전원을 인가받아 발열한다. 복수의 면상 발열체(50)는 베이스 기판(30)의 하부면(31)에 형성되는 하부 면상 발열체(51)와, 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성되는 상부 면상 발열체(53)를 포함한다. 하부 면상 발열체(51)와 상부 면상 발열체(53)는 베이스 기판(30)을 중심으로 상하로 대칭되게 형성될 수 있다. 하부 면상 발열체(51)와 상부 면상 발열체(53)는 베이스 기판(30)의 양면 전체에 균일하게 형성될 수 있다.
그리고 덮개 필름(60)은 복수의 면상 발열체(50)가 형성된 베이스 기판(30)의 양면을 덮도록 형성된다. 덮개 필름(60)은 베이스 기판(30)의 양면에 형성된 전극 배선 패턴(40)과 복수의 면상 발열체(50)를 외부 환경으로부터 보호하는 기능과, 복수의 면상 발열체(50)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 기능을 함께 수행한다. 덮개 필름(60)은 베이스 기판(30)의 하부면(31)을 덮는 하부 덮개 필름(61)과, 베이스 기판(30)의 상부면(33)을 덮는 상부 덮개 필름(63)을 포함한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
11 : 리튬 배터리 11a,11b,11c,11d,11e,11f : 배터리 모듈
12 : 배터리 히터 조립체 13, 113 : 배터리 히터
15 : 온도 센서 17 : 보조 전원부
18 : 전원 변환부 19 : 제어부
30 : 베이스 기판 31 : 상부면
33 : 하부면 40 : 전극 배선 패턴
41 : 제1 외부 접속 단자 43 : 제2 외부 접속 단자
45 : 전극 배선부 50 : 면상 발열체
60 : 덮개 필름 70 : 연결 단자
71 : 제1 접합부 73 : 연결부
75 : 제2 접합부 80 : 버퍼용 금속 블록
100 : 배터리 시스템

Claims (20)

  1. 리튬 배터리를 형성하는 복수의 배터리 모듈 사이에 개재되며, 외측으로 돌출되게 형성된 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 면상 발열체를 포함하고, 상기 복수의 면상 발열체는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 필름 형태의 복수의 배터리 히터; 및
    상기 복수의 배터리 히터의 외부 접속 단자를 직렬로 연결하는 복수의 연결 단자;를 포함하고,
    상기 복수의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은,
    헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더;
    탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 탄소 입자와,
    은, 구리 또는 니켈 소재의 금속 분말을 구비하는 전도성 입자; 및
    유리 입자 또는 실리콘 입자를 포함하는 세라믹 입자;를 포함하고,
    상기 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더 5 내지 30 중량부, 탄소나노튜브 입자 0.1 내지 5 중량부, 그라파이트 입자 0.1 내지 20 중량부, 금속 분말 10 내지 60 중량부, 및 세라믹 입자 0.5 내지 20 중량부를 포함하는 배터리 히터 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 배터리 히터는 각각,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성되는 전극 배선부와, 상기 전극 배선부와 연결되어 상기 베이스 기판의 외측으로 돌출되게 형성된 상기 복수의 외부 접속 단자를 구비하는 금속 소재의 전극 배선 패턴;
    상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성되며, 상기 전극 배선부에 의해 병렬로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및
    상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 면을 덮는 덮개 필름;
    을 포함하는 배터리 히터 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 히터는 DC 3V 이상의 전압 인가 시, 1 W/㎠ 이상의 열밀도(specific heat power) 특성을 나타내는 배터리 히터 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말은 은 분말, 은 코팅된 니켈 분말 또는 은 코팅된 구리 분말을 포함하는 배터리 히터 조립체.
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서, 상기 배터리 히터의 복수의 외부 접속 단자는,
    상기 베이스 기판의 일측으로 돌출되게 형성되는 제1 외부 접속 단자; 및
    상기 베이스 기판의 일측에 이웃하는 타측으로 돌출되게 형성되며, 이웃하는 배터리 히터의 제1 외부 접속 단자에 상기 연결 단자를 매개로 전기적으로 연결되는 제2 외부 접속 단자;
    를 포함하는 배터리 히터 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 외부 접속 단자는 서로 연결될 제1 및 제2 외부 접속 단자가 형성된 배터리 히터를 향하여 절곡되어 있는 배터리 히터 조립체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 복수의 연결 단자는 각각,
    배터리 히터의 제1 외부 접속 단자에 접합되는 제1 접합부;
    상기 제1 접합부가 접합된 배터리 히터에 이웃하는 배터리 히터의 제2 외부 접속 단자에 접합되는 제2 접합부; 및
    상기 제1 및 제2 접합부를 연결하는 연결부;
    를 포함하는 배터리 히터 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연결 단자는 판 형태를 가지며 상기 배터리 히터의 외부 접속 단자에 레이저 용접 또는 초음파 용접으로 접합되는 배터리 히터 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외부 접속 단자는 저항이 200mΩ 이하인 배터리 히터 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 배터리 히터는,
    복수의 배터리 모듈의 양쪽의 최외곽에 위치하는 배터리 모듈의 외측면에 설치되는 한 쌍의 최외곽 배터리 히터;
    를 더 포함하는 배터리 히터 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 한 쌍의 최외곽 배터리 히터의 외측면에 각각 설치되는 한 쌍의 버퍼용 금속 블록;
    을 더 포함하는 배터리 히터 조립체.
  13. 리튬 배터리를 형성하는 복수의 배터리 모듈 사이에 개재되어 상기 리튬 배터리를 히팅하는 배터리 히터로서,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성되는 전극 배선부와, 상기 전극 배선부와 연결되어 상기 베이스 기판의 외측으로 돌출되게 형성된 복수의 외부 접속 단자를 구비하는 금속 소재의 전극 배선 패턴;
    상기 베이스 기판의 적어도 일면에 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선부에 의해 병렬로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 복수의 면상 발열체; 및
    상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 면을 덮는 덮개 필름;을 포함하고,
    상기 복수의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은,
    헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더;
    탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 탄소 입자와,
    은, 구리 또는 니켈 소재의 금속 분말을 구비하는 전도성 입자; 및
    유리 입자 또는 실리콘 입자를 포함하는 세라믹 입자;를 포함하고,
    상기 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더 5 내지 30 중량부, 탄소나노튜브 입자 0.1 내지 5 중량부, 그라파이트 입자 0.1 내지 20 중량부, 금속 분말 10 내지 60 중량부, 및 세라믹 입자 0.5 내지 20 중량부를 포함하는 배터리 히터.
  14. 복수의 배터리 모듈을 포함하는 리튬 배터리;
    상기 리튬 배터리를 형성하는 복수의 배터리 모듈 사이에 개재되며, 외측으로 돌출되게 형성된 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 병렬로 전기적으로 연결된 복수의 면상 발열체를 포함하고, 상기 복수의 면상 발열체는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 필름 형태의 복수의 배터리 히터; 및
    상기 복수의 배터리 히터의 외부 접속 단자를 직렬로 연결하는 복수의 연결 단자;를 포함하고,
    상기 복수의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은,
    헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더;
    탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 탄소 입자와,
    은, 구리 또는 니켈 소재의 금속 분말을 구비하는 전도성 입자; 및
    유리 입자 또는 실리콘 입자를 포함하는 세라믹 입자;를 포함하고,
    상기 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더 5 내지 30 중량부, 탄소나노튜브 입자 0.1 내지 5 중량부, 그라파이트 입자 0.1 내지 20 중량부, 금속 분말 10 내지 60 중량부, 및 세라믹 입자 0.5 내지 20 중량부를 포함하는 배터리 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 리튬 배터리의 온도를 센싱하는 온도 센서;
    상기 배터리 히터에 전원을 공급하는 보조 전원부; 및
    상기 온도 센서로 센싱한 온도가 제1 임계 온도 이하인 경우, 상기 보조 전원부를 통하여 상기 배터리 히터에 전원을 공급하여 상기 배터리 히터에서 발열되는 열로 상기 리튬 배터리를 히팅하고, 히팅된 리튬 배터리를 상기 온도 센서로 센싱한 온도가 제2 임계 온도 이상인 경우, 상기 보조 전원부를 통하여 상기 배터리 히터로 공급되는 전원을 차단하는 제어부;
    를 더 포함하는 하는 배터리 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 보조 전원부는 슈퍼 커패시터(super capacitor) 또는 외부 전원을 포함하는 배터리 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 히터는 각각,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성되는 전극 배선부와, 상기 전극 배선부와 연결되어 상기 베이스 기판의 외측으로 돌출되게 형성된 상기 복수의 외부 접속 단자를 구비하는 금속 소재의 전극 배선 패턴;
    상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성되며, 상기 전극 배선부에 의해 병렬로 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 외부 접속 단자를 통하여 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및
    상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 면을 덮는 덮개 필름;을 포함하고,
    상기 배터리 히터의 복수의 외부 접속 단자는,
    상기 베이스 기판의 일측으로 돌출되게 형성되는 제1 외부 접속 단자; 및
    상기 베이스 기판의 일측에 이웃하는 타측으로 돌출되게 형성되며, 이웃하는 배터리 히터의 제1 외부 접속 단자에 상기 연결 단자를 매개로 전기적으로 연결하는 제2 외부 접속 단자;
    를 포함하는 배터리 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 외부 접속 단자는 서로 연결될 제1 및 제2 외부 접속 단자가 형성된 배터리 히터를 향하여 절곡되어 있는 배터리 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 연결 단자와, 상기 복수의 연결 단자를 매개로 접합된 제1 및 제2 외부 접속 단자는 배터리 모듈의 외측면에 지지되는 배터리 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 히터는, 복수의 배터리 모듈의 양쪽의 최외곽에 위치하는 배터리 모듈의 외측면에 설치되는 한 쌍의 최외곽 배터리 히터;를 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 최외곽 배터리 히터의 외측면에 각각 설치되는 한 쌍의 버퍼용 금속 블록;
    을 더 포함하는 배터리 시스템.
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