KR102029832B1 - 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈은 슈퍼 커패시터 셀; 슈퍼 커패시터 셀과 병렬로 연결되는 배터리 셀; 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀에 연결되어 온도를 측정하여 온도감지신호를 출력하는 온도센서; 배터리 셀의 일측에 배치되며 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀에 연결되어 열을 발생시켜 배터리 셀을 보호하는 히터; 슈퍼 커패시터 셀과 직렬로 연결되는 제1스위치; 배터리 셀과 직렬로 연결되는 제2스위치; 및 온도감지신호가 수신되면 설정범위와 비교하여 설정범위이면 제1스위치를 오프시키고 제2스위치를 온시켜 배터리 셀의 출력전압이 출력되도록 배터리 셀을 활성화하며, 설정범위 이하이거나 이상이면 히터가 발열되도록 제어하며 제1스위치를 온시키고 제2스위치를 오프시켜 슈퍼 커패시터 셀의 출력전압이 출력되도록 슈퍼 커패시터 셀을 활성화하는 마이콤을 포함한다.
Description
본 발명은 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 특히 배터리에 슈퍼 커패시터를 병렬 연결한 후 각각을 온도에 따라 출력을 제어할 수 있는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
리튬 이차 전지는 배터리로 사용되며, 배터리로 사용되는 리튬 이차 전지에 관련된 기술이 한국공개특허공보 제10-2008-0040049호(특허문헌 1)에 공개되어 있다.
한국공개특허공보 제10-2008-0040049호는 리튬전지용 음극재 및 리튬전지에 관한 것으로, 리튬전지에 사용되는 리튬전지용 음극재는 1㎡/g 이상의 비표면적을 가지는 탄소질 음극 활성물질, 스티렌-부타디엔 고무(styrene butadiene rubber)로 이루어진 바인더 및 1 내지 1000㎚의 섬유직경을 가지는 탄소섬유를 함유하며, 음극재는 0.05 내지 20wt%의 탄소섬유 및 0.1 내지 6.0wt%의 스티렌-부타디엔 고무로 이루어진 바인더를 함유하고, 카복시메틸 셀룰로오를 0.3 내지 3 wt%로 더 함유한다.
한국공개특허공보 제10-2008-0040049호에 공개된 리튬전지 즉, 배터리는 충전 시 양극으로부터 리튬이 이온으로서 탈리하여 음극으로 이동하여 흡착되며, 방전 시에는 반대로 음극으로부터 양극으로 리튬 이온이 되돌아오는 구조를 갖고 있다. 이러한 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지며, 높은 에너지 밀도는 주로 양극의 재료의 전위에 기인한다. 이와 같이 배터리는 설정 온도 즉, -20℃에서 60℃에서 동작이 가능하며, 설정 온도 이외에서 사용 시 쉽게 손상되어 성능이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배터리에 슈퍼 커패시터를 병렬 연결한 후 각각을 온도에 따라 출력을 제어할 수 있는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 배터리에 슈퍼 커패시터를 병렬 연결한 후 각각을 온도에 따라 출력을 제어함으로써 온도에 따른 성능 저하를 방지할 수 있는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈은 슈퍼 커패시터 셀; 상기 슈퍼 커패시터 셀과 병렬로 연결되는 배터리 셀; 상기 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀에 연결되어 온도를 측정하여 온도감지신호를 출력하는 온도센서; 상기 배터리 셀의 일측에 배치되며 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀에 연결되어 열을 발생시켜 배터리 셀을 보호하는 히터(heater); 상기 슈퍼 커패시터 셀과 직렬로 연결되는 제1스위치; 상기 배터리 셀과 직렬로 연결되는 제2스위치; 및 상기 온도센서, 상기 히터, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치와 각각 연결되어 온도센서로부터 온도감지신호가 수신되면 설정범위와 비교하여 설정범위이면 제1스위치를 오프(off)시키고 제2스위치를 온(on)시켜 배터리 셀의 출력전압이 출력되도록 배터리 셀을 활성화하며, 설정범위 이하이거나 이상이면 상기 히터가 발열되도록 제어하며 제1스위치를 온시키고 제2스위치를 오프시켜 슈퍼 커패시터 셀의 출력전압이 출력되도록 슈퍼 커패시터 셀을 활성화하는 마이콤을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈의 제어방법은 에너지 저장 모듈의 내측의 온도를 측정하는 단계; 상기 온도가 측정되면 측정된 온도가 설정범위 이하인지를 확인하는 단계; 상기 측정된 온도가 설정범위 이하이면 슈퍼 커패시터 셀의 활성화시키고 배터리 셀의 비활성화시킨 상태에서 히터를 발열시켜 배터리 셀을 보호하는 단계; 상기 측정된 온도가 설정범위 이하가 아니면 설정범위인지를 확인하여 측정된 온도가 설정범위이면 슈퍼 커패시터 셀과 배터리 셀을 각각 활성화시키는 단계; 상기 측정된 온도가 설정범위가 아니면 설정범위 이상인지를 확인하는 단계; 상기 측정된 온도가 설정범위 이상이면 슈퍼 커패시터 셀을 활성화시키며 배터리 셀의 출력 요구시 배터리 셀을 활성화시키는 단계를 포함하며, 상기 측정된 온도가 설정범위 이하인지를 확인하여 설정범위 이하인지 확인하는 단계에서 온도의 설정범위는 - 20 내지 45℃이고, 상기 활성화는 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀이 각각 출력전압을 출력하는 상태이며, 상기 비활성화는 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀이 각각 출력전압을 출력하지 않는 상태를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법은 배터리에 슈퍼 커패시터를 병렬 연결한 후 각각을 온도에 따라 출력을 제어함으로써 온도에 따른 성능 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈의 회로도,
도 2는 도 1에 도시된 슈퍼 커패시터의 실시예를 나타낸 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 배터리의 실시예를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈의 제어방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 도 1에 도시된 슈퍼 커패시터의 실시예를 나타낸 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 배터리의 실시예를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈의 제어방법을 나타낸 흐름도.
이하, 본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1에서와 같이 본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈은 온도센서(TH), 히터(heater)(HT), 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2), 슈퍼 커패시터 셀(10), 배터리 셀(20), 제1셀 밸런싱 회로(30), 제2셀 밸런싱 회로(40), 마이콤(50) 및 케이스(60)를 포함하여 구성된다.
슈퍼 커패시터 셀(10)은 배터리 셀(20)과 병렬로 배치되도록 단자(T1,T2)에 연결되며, 배터리 셀(20)은 슈퍼 커패시터 셀(10)과 병렬로 연결되어 단자(T1,T2)에 연결된다. 온도센서(TH)는 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)에 연결되어 온도를 측정하여 온도감지신호를 출력하며, 히터(HT)는 배터리 셀(20)의 일측에 배치되며 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)에 연결되어 열을 발생시켜 배터리 셀(20)을 보호한다. 제1스위치(SW1)는 슈퍼 커패시터 셀(10)과 직렬로 연결되며, 제2스위치(SW2)는 배터리 셀(20)과 직렬로 연결된다. 마이콤(50)은 온도센서(TH), 히터(HT), 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)와 각각 연결되어 온도센서(TH)로부터 온도감지신호가 수신되면 설정범위와 비교하여 설정범위이면 제1스위치(SW1)를 오프(off)시키고 제2스위치(SW2)를 온(on)시켜 배터리 셀(20)의 출력전압이 출력되도록 배터리 셀(20)을 활성화하며, 설정범위 이하이거나 이상이면 히터(HT)가 발열되도록 제어하며 제1스위치(SW1)를 온시키고 제2스위치(SW2)를 오프시켜 슈퍼 커패시터 셀(10)의 출력전압이 출력되도록 슈퍼 커패시터 셀(10)을 활성화시킨다.
본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
슈퍼 커패시터 셀(10)은 도 1에서와 같이 배터리 셀(20)과 병렬로 배치되도록 단자(T1,T2)에 연결되며, 전기 이중층 커패시터가 사용된다. 전기 이중층 커패시터가 사용되는 슈퍼 커패시터 셀(10)은 도 2에서와 같이 제1금속 포일(11), 제2금속 포일(12), 양극물질(13), 음극물질(14) 및 분리막(15)을 포함하여 구성된다.
제1금속 포일(11)은 일측이나 타측의 표면에 양극물질(13)이 도포되며, 제2금속 포일(12)은 제1금속 포일(11)과 이격되어 배치되며 일측이나 타측의 표면에 음극물질(14)이 도포된다. 제1금속 포일(11)이나 제2금속 포일(12)의 재질은 알루미늄이나 구리가 사용되며, 각각의 일측이나 타측의 표면에 양극물질(13)이나 음극물질(14)을 도포한다는 것은 제1금속 포일(11)이나 제2금속 포일(12)의 어느 한 면이나 양면에 양극물질(13)이나 음극물질(14)이 도포되는 것을 나타낸다. 분리막(15)은 제1금속 포일(11)과 제2금속 포일(12) 사이에 배치되어 양극물질(13)과 음극물질(14)이 서로 물리적으로 접촉되어 전기적으로 연결되는 것을 방지한다. 이와 같이 제1금속 포일(11)에 도포되는 양극물질(13)과 제2금속 포일(12)에 도포되는 음극물질(14)은 각각 활성탄이 사용되어 전기 이중층 커패시터를 구성하며, 이러한 전기 이중층 커패시터가 슈퍼 커패시터 셀(10)로 사용된다.
배터리 셀(20)은 도 1에서와 같이 슈퍼 커패시터 셀(10)과 병렬로 연결되어 단자(T1,T2)에 연결되며, 리튬 이차 배터리가 사용된다. 이러한 배터리 셀(20)은 도 3에서와 같이 제1금속 포일(21), 제2금속 포일(22), 양극물질(23), 음극물질(24) 및 분리막(25)을 포함하여 구성된다.
제1금속 포일(21)은 일측이나 타측의 표면에 양극물질(23)이 도포되며, 제2금속 포일(22)은 제2금속 포일(21)과 이격되어 배치되며 일측이나 타측의 표면에 음극물질(24)이 도포된다. 제1금속 포일(21)이나 제2금속 포일(22)의 재질은 알루미늄이나 구리가 사용되며, 각각의 일측이나 타측의 표면에 양극물질(23)이나 음극물질(24)을 도포한다는 것은 제1금속 포일(21)이나 제2금속 포일(22)의 어느 한 면이나 양면에 양극물질(23)이나 음극물질(24)이 도포되는 것을 나타낸다.
분리막(25)은 제1금속 포일(21)과 제2금속 포일(22) 사이에 배치되어 양극물질(23)과 음극물질(24)이 서로 물리적으로 접촉되어 전기적으로 연결되는 것을 방지한다. 이와 같이 제1금속 포일(21)에 도포되는 양극물질(23)과 제2금속 포일(22)에 도포되는 음극물질(24) 중 양극물질(23)은 활성탄, NMC(lithium nickel manganese cobalt), LCO(lithium cobalt oxide) 및 도전재를 혼합하여 형성되며, 음극물질(24)은 활성탄, LTO(lithium titanium oxide) 및 도전재를 혼합하여 형성된다. 여기서, 도전재는 카본 블랙(carbon black)이나 슈퍼 피(super-p) 중 하나가 사용된다.
전술한 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20)은 서로 병렬로 연결되어 에너지 밀도가 5 내지 100Ah가 되도록 구성되고, 각각의 단위 전압은 서로 동일한 것이 사용되며, 단위 전압은 1.5 내지 2.8V(volts)인 것이 사용된다. 이러한 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20)은 서로 연결되어 에너지 밀도의 합이 100％가 되도록 설정되고, 에너지 밀도의 합이 100％ 중 슈퍼 커패시터 셀(10)의 에너지 밀도는 5 내지 30％이며 배터리 셀(20)의 에너지 밀도는 70 내지 95％가 되도록 구성되며, 슈퍼 커패시터 셀(10)은 -40℃에서 80℃에서 사용되며, 배터리 셀(20)은 -20℃에서 60℃에서 사용된다.
온도센서(TH)는 도 1에서와 같이 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)에 연결되어 온도를 측정하여 온도감지신호를 발생하여 마이콤(50)으로 출력하며, 서미스터(thermistor)가 사용된다. 서미스터가 사용되는 온도센서(TH)는 케이스(60)의 내측에 배치되며, 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)과 저항(Rt)으로 연결되어 각각으로부터 전원을 공급받아 활성화되어 온도에 따라 저항을 변화시킴에 의해 발생되는 온도감지신호를 마이콤(50)으로 출력한다. 즉, 온도센서(TH)는 마이콤(슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20) 중 어느 하나로부터 출력되는 출력전압을 수신받아 주변 온도에 따른 저항을 변화시켜 온도감지신호를 발생하여 출력한다.
히터(HT)는 도 1에서와 같이 케이스(60)의 내측에서 배터리 셀(20)의 일측에 위치되도록 배치되며 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)에 FET(field effect transistor)(Q3)를 개재하여 연결되어 열을 발생시켜 배터리 셀(20)을 보호한다. 이러한 히터(HT)는 공지된 기술이 적용되며, 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20) 중 어느 하나로부터 출력되는 출력전압을 공급받아 발열되어 배터리 셀(20)을 보호한다. 즉, 히터(HT)는 배터리 셀(20)이 정상 동작이 가능한 - 20℃이하 이면 마이콤(50)의 제어에 의해 FET(Q3)가 온됨에 의해 활성화되어 발열되며, 발열되는 열에 의해 배터리 셀(20)의 온도를 높여 배터리 셀(20)을 보호하게 된다. 여기서, 히터(HT)는 설정범위 즉, - 20℃이하에서 슈퍼 커패시터 셀(10)이 출력전압이 출력되는 활성상태이며, 배터리 셀(20)이 출력전압이 출력되지 않은 비활성화 상태이면 슈퍼 커패시터 셀(10)로부터 출력되는 출력전압에 의해 구동되어 발열되며, 이 열에 의해 배터리 셀(20)을 보호하게 된다.
제1스위치(SW1)는 도 1에서와 같이 슈퍼 커패시터 셀(10)과 직렬로 연결되어 마이콤(50)의 제어에 의해 온(on)/오프(off)되어 슈퍼 커패시터 셀(10)을 활성 및 비활성화 상태를 만든다. 예를 들어 제1스위치(SW1)는 마이콤(50)의 제어에 의해 온되는 경우에 슈퍼 커패시터 셀(10)의 출력전압이 단자(T1,T2)를 통해 출력되도록 하는 활성화 상태가 되며, 오프되는 경우에 슈퍼 커패시터 셀(10)의 출력전압이 출력되지않도록 한다. 이러한 제1스위치(SW1)는 FET가 사용된다.
제2스위치(SW2)는 도 1에서와 같이 배터리 셀(20)과 직렬로 연결되어 마이콤(50)의 제어에 의해 온/오프되어 배터리 셀(20))을 활성 및 비활성화 상태를 만든다. 예를 들어 제2스위치(SW2)는 마이콤(50)의 제어에 의해 온되는 경우에 배터리 셀(20)의 출력전압이 단자(T1,T2)를 통해 출력되도록 하는 활성화 상태가 되며, 오프되는 경우에 배터리 셀(20)의 출력전압이 출력되지않도록 한다. 이러한 제1스위치(SW1)는 FET가 사용된다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 에너지 저장 모듈은 제1셀 밸런싱 회로(30), 제2셀 밸런싱 회로(40) 및 케이스(60)가 더 포함되어 구성된다.
제1셀 밸런싱 회로(30)는 도 1에서와 같이 케이스(60)의 내측에 배치되며 슈퍼 커패시터 셀(10)과 병렬로 연결되어 마이콤(50)의 제어에 의해 슈퍼 커패시터 셀(10)의 출력전압이 기준전압보다 높으면 온되어 활성화된다. 제2셀 밸런싱 회로(40)는 케이스(60)의 내측에 배치되며 배터리 셀(20)과 병렬로 연결되어 마이콤(50)의 제어에 의해 배터리 셀(20)의 출력전압이 기준전압보다 높으면 온되어 활성화된다. 여기서, 기준전압은 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20)의 각각의 단위 전압이며, 단위 전압은 1.5 내지 2.8V인 것이 사용된다.
마이콤(50)의 제어에 의해 활성화되는 제1셀 밸런싱 회로(30)와 제2셀 밸런싱 회로(40)의 상세한 구성은 각각 도 1에서와 같이 제1FET(Q1), 제2FET(Q2) 및 방전저항(Rh)을 포함하여 구성된다.
제1FET(Q1)는 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)의 각각의 일측에 연결되며, 제2FET(Q2)는 제1FET(Q1)와 병렬로 배치되어 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)의 각각 타측에 연결되어 각각 마이콤(50)에 의해 제어되어 온됨에 의해 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)의 각각의 출력전압이 제1셀 밸런싱 회로(30), 제2셀 밸런싱 회로(40)로 출력되도록 한다. 방전저항(Rh)은 제1FET(Q1)나 제2FET(Q2)에 연결되어 마이콤(50)의 제어에 의해 제1FET(Q1)나 제2FET(Q2)가 온되는 경우에 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)에서 각각 출력되는 출력전압이 방전저항(Rh)으로 출력되도록 하여 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20) 사이의 전압차를 보정하게 된다. 즉, 제1FET(Q1)나 제2FET(Q2)는 각각 마이콤(50)에 의해 온되어 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)의 각각의 출력전압이 방전저항(Rh)으로 출력되도록 하여 전압차를 보정한다. 여기서, 제1FET(Q1)나 제2FET(Q2)는 각각 마이콤(50)에 의해 제1FET(Q1)나 제2FET(Q2)가 온됨에 의해 제1셀 밸런싱 회로(30)와 제2셀 밸런싱 회로(40)가 된다. 또한, 마이콤(50)은 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20)의 각각의 출력단 즉, 각각의 일측과 타측에 연결되어 각각으로부터 출력되는 출력전압은 수신받아 미리 저장된 기준전압과 비교하여 제1FET(Q1)나 제2FET(Q2)를 각각 온/오프시킨다.
마이콤(50)은 온도센서(TH), 히터(HT), 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)와 각각 연결되어 온도센서(TH)로부터 온도감지신호가 수신되면 미리 설정되어 저장된 설정범위와 비교하여 설정범위이면 제1스위치(SW1)를 오프(off)시키고 제2스위치(SW2)를 온(on)시켜 배터리 셀(20)의 출력전압이 출력되도록 배터리 셀(20)을 활성화한다. 마이콤(50)은 온도감신호가 설정범위 이하이거나 이상이면 히터(HT)가 발열되도록 제어하며, 제1스위치(SW1)를 온시키고 제2스위치(SW2)를 오프시켜 슈퍼 커패시터 셀(10)의 출력전압이 출력되도록 슈퍼 커패시터 셀(10)을 활성화시킨다. 마이콤(50)은 또한, 슈퍼 커패시터 셀(10) 및 배터리 셀(20)에 각각 연결되어 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)의 출력전압을 각각 감지하여 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)의 출력전압이 기준전압보다 높으면 제1셀 밸런싱 회로(30)이나 제1셀 밸런싱 회로(30)를 온시켜 전압편차를 조정한다.
케이스(60)는 도 1에서와 같이 점선으로 도시 하였으며, 사각형이나 원통형 케이스가 사용되고, 내측의 일측에 슈퍼 커패시터 셀(10)이 배치되며, 내측의 타측에 슈퍼 커패시터 셀(10)과 병렬로 연결되는 배터리 셀(20)이 배치된다. 이러한 케이스(60)는 내측에 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20) 사이에 위치되도록 온도센서(TH)가 배치되고, 배터리 셀(20)과 인접되도록 히터(HT)가 배치되며 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20)에 각각 연결된 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)가 배치되며, 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)와 연결된 마이콤(50)이 배치된다.
전술한 구성을 갖는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈의 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4에서와 같이 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈의 제어방법은 먼저, 에너지 저장 모듈의 내측의 온도를 측정 즉, 온도센서(TH)를 이용해 에너지 저장 모듈의 케이스(60)의 내측의 온도를 측정한다(S10).
온도가 측정되면 측정된 온도가 설정범위 이하인지를 확인한다(S20). 예를 들어, 온도센서(TH)에서 케이스(60)의 내측의 온도를 측정하여 온도감지신호를 발생하여 출력하면 이를 마이콤(50)에서 수신받아 미리 저장된 온도범위인 설정범위와 비교한다. 마이콤(50)은 비교 결과, 측정된 온도가 설정범위 이하인지를 확인한다. 여기서, 온도의 설정범위는 - 20 내지 45℃이며 미리 설정되어 마이콤(50)에 저장된다.
측정된 온도가 설정범위 이하이면 슈퍼 커패시터 셀(10)의 활성화시키고 배터리 셀(20)의 비활성화시킨 상태에서 히터(HT)를 발열시켜 배터리 셀(20)을 보호한다(S30). 즉, 마이콤(50)은 온도감지신호에 따른 온도가 설정범위 이하이면 제1스위치(SW1)를 온시켜 슈퍼 커패시터 셀(10)의 활성화시키고 제2스위치(SW2)를 오프시켜 배터리 셀(20)의 비활성화시킨 상태에서 히터(HT)를 발열시켜 배터리 셀(20)이 정상적으로 동작할 수 있는 온도로 가열한다. 여기서, 히터(HT)는 FET(Q3)를 마이콤(50)이 온시키면 FET(Q3)를 활성화된 슈퍼 커패시터 셀(10)로부터 출력되는 출력전압에 의해 가열된다. 마이콤(50)은 FET(Q3)의 온/오프를 제어하여 히터(HT)가 적정한 온도로 가열되도록 한다. 여기서, 활성화는 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)이 각각 출력전압을 출력하는 상태이며, 비활성화는 슈퍼 커패시터 셀(10)이나 배터리 셀(20)이 각각 출력전압을 출력하지 않는 상태를 나타낸다.
측정된 온도가 설정범위 이하가 아니면 설정범위인지를 확인하여 측정된 온도가 설정범위이면 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20)을 각각 활성화시킨다(S40). 보다 구체적으로는 먼저, 측정된 온도가 설정범위 이하가 아니면 측정된 온도가 - 20 내지 45℃인지를 확인한다(S41). 측정된 온도가 - 20 내지 45℃이면 배터리 셀(20)을 활성화시키고 순간 고출력 요구시 슈퍼 커패시터 셀(10)을 활성화시킨다(S42). 측정된 온도가 - 20 내지 45℃가 아니면 측정된 온도가 45 내지 60℃인지를 확인한다(S43). 측정된 온도가 45 내지 60℃이면 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20)을 모두 활성화시킨다(S44). 즉, 마이콤(50)은 측정된 온도가 설정범위 이하가 아니면 측정된 온도가 - 20 내지 45℃인지를 확인하고, 측정된 온도가 - 20 내지 45℃이면 배터리 셀(20)을 활성화시키고 순간 고출력 요구시 슈퍼 커패시터 셀(10)을 활성화시킨다. 마이콤(50)은 또한, 측정된 온도가 - 20 내지 45℃가 아니면 측정된 온도가 45 내지 60℃인지를 확인한 후 측정된 온도가 45 내지 60℃이면 슈퍼 커패시터 셀(10)과 배터리 셀(20)을 모두 활성화시킨다.
측정된 온도가 설정범위가 아니면 설정범위 이상인지를 확인한다(S50). 측정된 온도가 설정범위 이상이면 슈퍼 커패시터 셀(10)을 활성화시키며 배터리 셀(20)의 출력 요구시 배터리 셀(20)을 활성화시킨다(S60). 즉, 마이콤(50)은 측정된 온도가 설정범위가 아니면 설정범위 이상인지를 확인한 후 측정된 온도가 설정범위 이상이면 슈퍼 커패시터 셀(10)을 활성화시키며 배터리 셀(20)의 출력 요구시 배터리 셀(20)을 활성화시킨다. 예를 들어, 마이콤(50)은 측정된 온도가 설정범위 이상이면 슈퍼 커패시터 셀(10)을 활성화시킨 상태에서 슈퍼 커패시터 셀(10)의 출력과 배터리 셀(20)의 출력이 함께 요구되는 상태이면 배터리 셀(20)을 활성화시키도록 제어하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법은 배터리에 슈퍼 커패시터를 병렬 연결한 후 각각을 온도에 따라 마이콤으로 출력을 제어함으로써 온도에 따른 성능 저하를 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법은 에너지 저장 모듈의 제조산업 분야에 적용할 수 있다.
TH: 온도센서 HT: 히터
SW1: 제1스위치 SW2: 제2스위치
10: .슈퍼 커패시터 셀 20: 배터리 셀
30: 제1셀 밸런싱 회로 40: 제2셀 밸런싱 회로
50: 마이콤 60: 케이스
SW1: 제1스위치 SW2: 제2스위치
10: .슈퍼 커패시터 셀 20: 배터리 셀
30: 제1셀 밸런싱 회로 40: 제2셀 밸런싱 회로
50: 마이콤 60: 케이스
Claims (8)
- 슈퍼 커패시터 셀;
상기 슈퍼 커패시터 셀과 병렬로 연결되는 배터리 셀;
상기 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀에 연결되어 온도를 측정하여 온도감지신호를 출력하는 온도센서;
상기 배터리 셀의 일측에 배치되며 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀에 연결되어 열을 발생시켜 배터리 셀을 보호하는 히터(heater);
상기 슈퍼 커패시터 셀과 직렬로 연결되는 제1스위치;
상기 배터리 셀과 직렬로 연결되는 제2스위치; 및
상기 온도센서, 상기 히터, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치와 각각 연결되어 온도센서로부터 온도감지신호가 수신되면 설정범위와 비교하여 설정범위이면 제1스위치를 오프(off)시키고 제2스위치를 온(on)시켜 배터리 셀의 출력전압이 출력되도록 배터리 셀을 활성화하며, 설정범위 이하이거나 이상이면 상기 히터가 발열되도록 제어하며 제1스위치를 온시키고 제2스위치를 오프시켜 슈퍼 커패시터 셀의 출력전압이 출력되도록 슈퍼 커패시터 셀을 활성화하는 마이콤을 포함하며,
상기 슈퍼 커패시터 셀과 상기 배터리 셀은 서로 연결되어 에너지 밀도의 합이 100％가 되도록 설정되고, 상기 에너지 밀도의 합이 100％ 중 슈퍼 커패시터 셀의 에너지 밀도는 5 내지 30％이며 배터리 셀의 에너지 밀도는 70 내지 95％가 되도록 구성되며, 상기 슈퍼 커패시터 셀은 -40℃~80℃에서 사용되며, 상기 배터리 셀은 -20℃~60℃에서 사용되는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 모듈은 제1셀 밸런싱 회로, 제2셀 밸런싱 회로 및 케이스가 포함되고,
상기 제1셀 밸런싱 회로는 상기 케이스의 내측에 배치되며 슈퍼 커패시터 셀과 병렬로 연결되고, 상기 제2셀 밸런싱 회로는 상기 케이스의 내측에 배치되며 배터리 셀과 병렬로 연결되며, 상기 케이스는 내측의 일측에 상기 슈퍼 커패시터 셀이 배치되고, 내측의 타측에 슈퍼 커패시터 셀과 병렬로 연결되는 상기 배터리 셀이 배치되며, 내측에 슈퍼 커패시터 셀과 배터리 셀 사이에 위치되도록 온도센서가 배치되고 배터리 셀과 인접되도록 히터가 배치되며 슈퍼 커패시터 셀과 배터리 셀에 각각 연결된 제1스위치와 제2스위치가 배치되며 상기 제1스위치와 제2스위치와 연결된 마이콤이 배치되며,
상기 마이콤은 상기 슈퍼 커패시터 셀 및 상기 배터리 셀에 각각 연결되어 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀의 출력전압을 각각 감지하여 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀의 출력전압이 기준전압보다 높으면 상기 제1셀 밸런싱 회로이나 상기 제1셀 밸런싱 회로를 온시켜 전압편차를 조정하는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈. - 제2항에 있어서,
상기 제1셀 밸런싱 회로와 상기 제2셀 밸런싱 회로는 각각 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀의 각각의 일측에 연결되는 제1FET(field effect transistor);
상기 제1FET와 병렬로 배치되어 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀의 각각 타측에 연결되는 제2FET; 및
상기 제1FET나 제2FET에 연결되어 방전저항을 포함하며,
상기 제1FET나 상기 제2FET는 각각 마이콤에 의해 온되어 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀의 각각의 출력전압이 상기 방전저항으로 출력되도록 하는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 슈퍼 커패시터 셀과 상기 배터리 셀은 서로 병렬로 연결되어 에너지 밀도가 5 내지 100Ah가 되도록 구성되고, 각각의 단위 전압은 서로 동일한 것이 사용되며, 상기 단위 전압은 1.5 내지 2.8V(volts)인 것이 사용되는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 슈퍼 커패시터 셀과 상기 배터리 셀은 각각 일측이나 타측의 표면에 양극물질이 도포된 제1금속 포일;
상기 제1금속 포일과 이격되어 배치되며 일측이나 타측의 표면에 음극물질이 도포된 제2금속 포일; 및
상기 제1금속 포일과 상기 제2금속 포일 사이에 배치되는 분리막을 포함하며,
상기 슈퍼 커패시터 셀의 제1금속 포일에 도포되는 양극물질과 제2금속 포일에 도포되는 음극물질은 각각 활성탄이 사용되며, 상기 배터리 셀의 상기 제1금속 포일에 도포되는 양극물질은 활성탄, NMC(lithium nickel manganese cobalt), LCO(lithium cobalt oxide) 및 도전재를 혼합하여 형성되며 상기 제2금속 포일에 도포되는 음극물질은 활성탄, LTO(lithium titanium oxide) 및 도전재를 혼합하여 형성되며, 상기 도전재는 카본 블랙(carbon black)이나 슈퍼 피(super-p) 중 하나가 사용되는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈. - 에너지 저장 모듈의 내측의 온도를 측정하는 단계;
상기 온도가 측정되면 측정된 온도가 설정범위 이하인지를 확인하는 단계;
상기 측정된 온도가 설정범위 이하이면 슈퍼 커패시터 셀의 활성화시키고 배터리 셀의 비활성화시킨 상태에서 히터를 발열시켜 배터리 셀을 보호하는 단계;
상기 측정된 온도가 설정범위 이하가 아니면 설정범위인지를 확인하여 측정된 온도가 설정범위이면 슈퍼 커패시터 셀과 배터리 셀을 각각 활성화시키는 단계;
상기 측정된 온도가 설정범위가 아니면 설정범위 이상인지를 확인하는 단계;
상기 측정된 온도가 설정범위 이상이면 슈퍼 커패시터 셀을 활성화시키며 배터리 셀의 출력 요구시 배터리 셀을 활성화시키는 단계를 포함하며,
상기 측정된 온도가 설정범위 이하인지를 확인하여 설정범위 이하인지 확인하는 단계에서 온도의 설정범위는 - 20 내지 45℃이고, 상기 활성화는 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀이 각각 출력전압을 출력하는 상태이며, 상기 비활성화는 슈퍼 커패시터 셀이나 배터리 셀이 각각 출력전압을 출력하지 않는 상태를 나타내는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈의 제어방법. - 제7항에 있어서,
상기 측정된 온도가 설정범위이면 슈퍼 커패시터 셀과 배터리 셀의 동작을 활성화시키는 단계는
상기 측정된 온도가 설정범위 이하가 아니면 측정된 온도가 - 20 내지 45℃인지를 확인하는 단계;
상기 측정된 온도가 - 20 내지 45℃이면 배터리 셀을 활성화시키고 순간 고출력 요구시 슈퍼 커패시터 셀을 활성화시키는 단계;
상기 측정된 온도가 - 20 내지 45℃가 아니면 측정된 온도가 45 내지 60℃인지를 확인하는 단계; 및
상기 측정된 온도가 45 내지 60℃이면 슈퍼 커패시터 셀과 배터리 셀을 모두 활성화시키는 단계를 포함하는 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈의 제어방법.
Priority Applications (1)
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| KR1020180013368A KR102029832B1 (ko) | 2018-02-02 | 2018-02-02 | 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020180013368A KR102029832B1 (ko) | 2018-02-02 | 2018-02-02 | 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법 |
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| KR1020180013368A KR102029832B1 (ko) | 2018-02-02 | 2018-02-02 | 온도에 따른 출력 제어가 가능한 에너지 저장 모듈 및 그의 제어방법 |
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