KR102492363B1 - 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치 - Google Patents

리튬이온 이차전지용 관리모듈장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐 리튬이온 이차전지의 분석 및 방전기능을 제공하며, 이송 및 보관 시에 화재 및 폭발 위험을 방지함으로써, 환경오염 방지 및 안전성을 확보할 수 있는 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치는, 파워 서플라이가 구비된 전원유닛, 셀 단위로 폐 리튬이온 이차전지의 내전압, 절연저항, 내부저항, 충방전 테스트를 수행하는 배터리 점검 분석유닛, 아날로그 건식 방전방식으로 폐 리튬이온 이차전지의 방전을 수행하는 방전유닛, 및 내부에 완충장치 및 소화부가 구비된 보관유닛을 포함하여 구성된다. 그리고 상기 전원유닛, 배터리 점검 분석유닛, 방전유닛, 보관유닛은 하나의 케이스 내에 일체로 구성될 수 있거나, 상기한 유닛들이 조립되어 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치를 구성한다. 아울러 본 발명은 규제자유특구혁신사업(사업화지원) 특구사업자 기업지원에 대한 규제자유특구 배터리 리사이클링 사업화 지원으로 진행되는 발명이다.

Description

리튬이온 이차전지용 관리모듈장치{Management module device for lithium ion secondary battery}
본 발명은 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐 리튬이온 이차전지의 분석 및 방전기능을 제공하며, 이송 및 보관 시에 화재 및 폭발 위험을 방지하여, 환경 오염을 방지하고 안전성을 확보할 수 있는 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치에 관한 것이다.
그리고 본 발명은 규제자유특구혁신사업(사업화지원) 특구사업자 기업지원에 대한 규제자유특구 배터리 리사이클링 사업화 지원으로 진행되는 특허이다.
리튬이온 이차전지(Lithium) 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 다르게 충전 및 방전이 가능한 전지로 다양하게 사용된다. 예로, 리튬이온 이차전지는 스마트폰이나 노트북과 같은 소형의 모바일 기기부터 전기자동차, 무정전 전원공급장치 등과 같은 중대형 기기의 에너지원으로 사용되고 있다.
특히 리튬이온 이차전지는 최근에 전기 자동차(EV), 에너지 저장장치(ESS), 사물인터넷(IoT) 등 4차 산업혁명의 원동력으로 각광받고 있으며, 국가주력사업의 일환으로 국내외적으로 시장규모가 급격하게 확대되고 있어, 사용된 후 배출되는 배터리 규모가 늘어나고 있다. 따라서 이러한 폐 리튬이온 이차전지에 대한 관리가 필요하다.
그러나 아직까지 폐 리튬이온 이차전지의 회수, 재활용, 처리에 대한 시스템이 완벽하게 구축되지 않았으며, 국내에서는 폐기물관리법 상에 폐기물로 명시되지 않고 있어, 관리가 부실하다. 상기 리튬이온 이차전지는 화재 및 폭발의 위험과 고압 감전의 위험과 같은 전기적 위험성을 가지며, 또 주요 구성물질이 유독물이어서 외부노출 시 급성 독성 및 수생 환경에 유해한 환경적 위해성도 내포하고 있다. 나아가 리튬이온 이차전지는 생산 공정에서 납축전지에 비해 CO2 eq- 배출량(지구 온난화 영향도 : 64kg CO2 eq-)이 약 9배 많으며, 광화학 스모그, 오존층, 산성비, 부영향화 영향도 등은 약 5배에서 10배 정도 높은 것으로 나타나고 있다. 이러한 환경영향 부류는 주로 대기오염과 관련이 깊은 것으로서 납축전지에 비해 대기 환경 대비 더 높은 환경 부하를 야기하고 있다고 할 수 있을 것이다.
이와 같은 문제들은 성능평가를 통해 검증된 리튬이온 이차전지를 재사용함으로써 어느 정도 해결될 수 있다. 리튬이온 이차전지를 재사용함으로써 새로운 신규 리튬이온 이차전지의 생산을 최소화할 수 있어 CO2, eq- 배출량을 기존보다 약 48.8kg 이상 저감할 수 있다. 이처럼 환경문제 해결을 위해 리튬이온 이차전지를 재사용하는 것을 필수라고 할 수 있다.
또한 폐 리튬이온 이차전지를 회수 및 해체 시 화재 및 폭발의 위험성을 가지고 있는데, 이와 같은 화재 및 폭발의 위험성에 대비한 이차전지의 이송 보관기술도 절실히 필요하다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 폐 리튬이온 이차전지의 회수 및 이송, 보관을 통해 화재 및 폭발 위험성을 방지할 수 있도록 한 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 건식 방전기술을 통해 환경 오염을 방지할 수 있는 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 배터리 분석 시 탄소배출을 최소화하면서 분석 시간을 줄일 수 있는 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치를 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 파워 서플라이가 구비된 전원유닛; 셀 단위로 폐 리튬이온 이차전지의 내전압, 절연저항, 내부저항, 충방전 테스트를 수행하는 배터리 점검 분석유닛; 아날로그 건식 방전방식으로 폐 리튬이온 이차전지의 방전을 수행하는 방전유닛; 및 내부에 완충장치 및 소화부가 구비된 보관유닛을 포함하며, 상기 전원유닛, 배터리 점검 분석유닛, 방전유닛, 보관유닛은 하나의 케이스 내에 일체로 구성되거나, 상기 유닛들이 조립되어 구성되는 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치를 제공한다.
상기 방전유닛은, 폐 리튬이온 이차전지의 이송 및 보관을 위하여 잔여전압을 SOC 20% 미만으로 유지한다.
이상과 같은 본 발명의 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치에 따르면, 폐 리튬이온 이차전지의 이송 및 보관시 화재 위험 및 외부 충격으로부터 안전하게 보호할 수 있고, 반영구적인 사용이 가능하여 환경 오염을 최대한 방지하면서 폐 리튬이온 이차전지를 처리할 수 있다.
본 발명에 따르면, 폐 리튬이온 이차전지의 방전에 건식 방전기술이 사용되기 때문에 기존의 염수 방전방식에 비해 작업성이 개선되며, 또 폐 리튬이온 이차전지가 염수에 부식되는 것이 방지되어 이차전지를 재활용할 수 있으며, 방전 후 남은 전기 에너지를 사용할 수 있다. 그리고 방전시간이 단축되기 때문에 유지보수 및 관리소요시간이 단축된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치의 구성도이고,
도 2는 도 1의 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치의 예시 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 폐 리튬이온 이차전지의 회수 및 해체 단계별 안전관리 지침 및 표준화 매뉴얼(manual)을 마련하도록 폐 리튬이온 이차전지의 화재, 폭발 위험성을 대비하여 안전한 이송, 보관할 수 있도록 하는 것이다. 이를 통해 폐 리튬이온 이차전지의 재사용을 위한 성능 검사 기준 및 방법확립, 그리고 재사용 가능한 리튬이온 이차전지의 세부 분류기준을 확립하고자 한다. 나아가 재사용 가능한 리튬이온 이차전지의 잔존 가치 및 내구연한 유지, 재사용 불가한 리튬이온 이차전지의 보관기술을 제공하여 환경오염 방지 및 안전성을 확보하고자 한다.
이하에서는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 본 발명에 기재된 리튬이온 이차전지는, 폐 리튬이온 이차전지, 이차전지, 배터리, 전지, 폐 전지와 같이 다양한 용어로 혼칭하여 설명할 것이다. 즉 상기한 용어들은 모두 리튬이온 이차전지를 의미한다고 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치의 구성도이고, 도 2는 이의 예시도면이다.
도시된 바와 같이 리튬이온 이차전지용 관리 모듈장치(이하, '관리 모듈장치'라 함)(10)는, 전원유닛(100), 배터리 점검 분석유닛(200), 방전유닛(300), 보관유닛(400)을 포함한다. 도면과 같이 관리 모듈장치(10)는 소정 크기를 가지는 하우징으로 전체 외형을 형성하는 케이스(20) 모양이며, 상기한 유닛(100, 200, 300, 400)들이 상부부터 하부방향으로 배치된다. 그러나 이러한 배치순서에 한정되지는 않으며, 경우에 따라 방전유닛(300)이나 보관유닛(400)을 복수 개로 설치할 수도 있을 것이다.
그리고 관리 모듈장치(10)의 상기한 유닛(100, 200, 300, 400)들은 하나의 케이스(20) 내에 일체로 구성될 수 있거나, 각 유닛들(100, 200, 300, 400)이 조립되어 관리 모듈장치(10)를 구성할 수도 있다. 조립식의 경우에는 각 유닛들(100, 200, 300, 400)마다 결합 및 분리할 수 있는 수단이 마련되어야 할 것이다.
아울러 케이스(20) 자체가 금속재질로 만들어질 수 있고, 또는 각 유닛들(100, 200, 300, 400)이 서로 다른 재질로 만들어질 수 있다. 이 경우 보관유닛(400)은 금속재질로 제작하는 것이 바람직하다.
다음에는 각 유닛들(100, 200, 300, 400)을 구체적으로 살펴본다.
상기 전원유닛(100)은, 파워 서플라이(power supply)가 구비되며, 전로의 누설저항을 측정하는 기능을 한다.
상기 배터리 점검 분석유닛(200)은, 폐 리튬이온 이차전지(즉, 배터리)의 재사용을 위한 성능분석 기능을 수행한다. 배터리의 재사용 분석을 통하여 무분별하게 폐 리튬이온 이차전지를 해체, 재구성하는 비용을 줄일 수 있게 된다.
종래 리튬이온 이차전지의 점검시간은 대략 15 ~20시간이 소요되었다. 그래서 전기사용이 증가하고 시간 및 인력이 낭비되는 비효율적이었다. 또 앞서 설명한 바와 같이 리튬이온 이차전지의 사용이 증가함에 따라서 배출되는 폐 전지의 개수나 양도 증가하는데, 이러한 기존의 배터리 분석방법으로는 분석시간이 많이 소요될 뿐만아니라 분석시간이 길어질 수밖에 없기 때문에 많은 탄소배출을 초래할 수 있어 환경적으로 문제가 되고 있다.
그리고 종래 배터리 분석기는 모듈단위로 배터리만 분석하는 기능만 있었다. 예컨대, 중대형 기기의 경우 고출력, 대용량이 요구되기 때문에 다수의 전지 셀이 서로 전기적으로 연결된 리튬이온 전지모듈을 사용하게 되는데, 이러한 모듈타입으로 구성된 배터리만 분석할 수 있었다.
반면 본 발명에 따른 배터리 점검 분석유닛(200)은 셀 단위로 배터리 분석 기능을 제공하고 있다. 즉 배터리 점검 분석유닛(200)은 셀 단위로 전지가 장착되는 복수 개의 전지 장착부(210)가 구비되고, 그 전지 장착부(210)들은 전기적으로 연결된다. 따라서 셀 단위로 더 정밀하게 배터리를 점검할 수 있다. 또한 전지 장착부(210)가 전기적으로 연결되기 때문에, 각 전지 셀뿐만 아니라 셀들이 연결된 전지모듈의 내전압 측정, 절연저항 측정, 내부저항 측정, 충/방전 테스트도 할 수 있다.
본 발명의 관리 모듈장치(10)에 마련된 방전유닛(300)은, 폐 리튬이온 이차전지를 방전시키는 기능을 수행한다. 나아가 폐 리튬이온 이차전지에 남아있는 에너지를 다시 사용할 수 있도록 한다.
리튬이온 이차전지를 방전시키는 종래 방법은, 염수 방전 방식을 이용하였다. 염수 방전 방식은 이차전지를 염수에 담가 방전하는 방식으로 염수의 제작 및 관리가 불편하고, 방전시 수조, 호이스트, 지게차 등이 필요하여 방전 작업이 효율적이지 못했다. 또 염수 방전 방식은 방전 중 유해 가스와 폐수가 발생하며, 배터리가 염수에 의해 부식되어 방전 후 배터리의 재활용 가치가 떨어진다. 또 염수 방전 방식은 전기 분해방식으로 배터리 내 잔존하는 전기 에너지를 사용할 수 없었던 문제들이 있었다. 이러한 단점 외에도 염수 방전 방식은 배터리의 전압 등을 계측할 수 없어 방전 종료 시점을 알 수 없어서, 배터리 방전을 위해 폐기한 배터리를 최소한 8시간 이상 염수에 담그고 있어야 했다. 그만큼 시간을 효율적으로 사용할 수 없었다.
본 발명에 따른 방전유닛(300)은, 아날로그 건식 방전방식이 채택된다. 방전유닛(300)에는 배터리 모듈 장착부(310), 잔여전압 측정부(320), 온도센서(330), 습도센서(340), 셀 전압 센서(350), 팬 및 팬 속도 제어부(360), 방전속도 제어부(370) 등의 구성들이 포함된다.
배터리 모듈 장착부(310)는 동시 방전 가능한 배터리 모듈이 장착되는 것을 의미하고, 본 실시 예는 12개의 배터리 모듈이 장착되어 동시 방전이 가능하도록 구성된다. 또 건식방전을 통해 리튬이온 이차전지의 이송 및 보관을 위해 잔여전압을 SOC 20% 미만으로 유지하도록 한다. 이때 상기 잔여전압을 SOC 20% 미만으로 유지하도록 저항체(미도시)를 통해서 전기에너지를 열에너지로 변환함으로써 건식방전을 진행한다. 실시 예에 따르면 상기 SOC 20% 미만까지 도달시 소요되는 시간은 대략 3시간 정도 소요된다. 이는 종래 방전시간보다 약 50% 정도 단축되는 효과가 있다.
이러한 방전시간을 단축할 수 있어, 폐 리튬이온 이차전지의 유지 보수 및 관리 소요시간을 단축할 수 있다.
또 상기 방전유닛(300)에는 팬이 구비되어 있고, 내부 온도가 상승할 경우 팬 구동에 의해 온도를 낮춰주는 구성도 제공한다. 팬은 상기 폐 리튬이온 이차전지의 배터리 전원으로도 구동되나, 상기 저항체를 통해 얻어진 에너지를 활용할 수 있어, 배터리 전원이 모두 방전되더라도 팬 구동이 가능하다.
이와 같은 방전유닛(300)의 특징을 정리하면 다음 [표 1]과 같다.
동시 방전 가능 모듈 개수 12개
soc 20% 미만 도달소요시간 3시간 이내
일정 온도이상 감지시(70℃) 전원 오프
일정 습도이상 감지시(80%) 전원 오프
LiB 셀 전압 3.0V < a < 3.6 일 경우 전원 오프
팬 속도 일정 유지
방전속도 40A ≤a ≤47A 이내 유지
본 발명에 따른 보관유닛(400)은, 내부에 서스펜션(410)과 같은 완충장치가 제공되어 폐 리튬이온 이차전지의 보관 및 이송시 충격으로부터 손상을 최소화할 수 있다.
종래에 폐 리튬이온 이차전지를 보관하고 이송할 때 사용되는 보관함은 일회용 종이재질로 된 박스 형태였다. 일회용 종이박스이기 때문에, 환경 비친화적이고 폐기물이 발생한다. 또 화재 위험이 외부 충격이 상시 존재하였다.
반면 상기 보관유닛(400)은 열전도율이 낮은 다회용 금속재질, 예를 들면 스테인리스, 티타늄, 세라믹 등과 같은 재질로 만들기 때문에, 손상을 최소화하면서도 반 영구적으로 사용할 수 있고, 폐기물이 발생되지 않아 자연 친화적이다.
또 상기 보관유닛(400)에는 내부에 소화부(420)가 장착된다. 화재 발생시 자동으로 소화약재를 발생시켜 빠르게 화재진압이 가능하도록 한다.
이와 같이 본 발명은 폐 리튬이온 이차전지의 회수 및 해체 시 화재 및 폭발의 위험성을 대비한 이송 및 보관 기술, 폐 리튬이온 이차전지의 재사용을 위한 성능 평가, 재사용 가능 리튬이온 이차전지의 보관 기술, 재사용이 불가한 리튬이온 이차전지의 보관 기술이 적용할 있는 관리모듈장치를 제안하고 있음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치
20: 케이스
100: 전원유닛
200: 배터리 점검유닛
300: 방전유닛
310: 배터리모듈 장착부
320: 잔여전압 측정부
330: 온도 센서
340: 습도 센서
350: 셀 전압 센서
360: 팬 & 팬 속도 제어부
370: 방전속도 제어부
400: 보관 유닛
410: 서스펜션
420: 소화부

Claims (2)

  1. 파워 서플라이가 구비된 전원유닛;
    전기적으로 연결된 전지 장착부를 포함하며, 셀 단위로 폐 리튬이온 이차전지의 내전압, 절연저항, 내부저항, 충방전 테스트를 수행하는 배터리 점검 분석유닛;
    배터리 모듈 장착부, 잔여전압 측정부, 온도 센서, 습도 센서, 셀 전압 센서, 팬 및 팬 속도 제어부, 방전 속도 제어부를 포함하며, 상기 폐 리튬이온 이차전지의 이송 및 보관을 위하여 아날로그 건식 방전방식을 통해 상기 폐 리튬이온 이차전지의 잔여 전압을 SOC 20% 미만으로 유지하도록 상기 폐 리튬이온 이차전지의 방전을 수행하는 방전유닛; 및
    내부에 완충장치 및 소화부가 구비된 보관유닛을 포함하며,
    상기 전원유닛, 배터리 점검 분석유닛, 방전유닛, 보관유닛은 하나의 케이스 내에 일체로 구성되거나, 상기 유닛들이 조립되어 구성되는 것을 특징으로 하는 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 센서의 센싱 결과, 상기 방전유닛의 내부 온도가 70℃ 이상이 되면 전원을 오프시키고,
    상기 습도 센서의 센싱 결과, 상기 방전유닛의 습도가 80% 이상이 되면 전원을 오프시키고,
    상기 폐 리튬이온 이차전지의 셀 전압이 3.0V 초과, 3.6V 미만이면 전원을 오프시키는, 리튬이온 이차전지용 관리모듈장치.
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