KR102503240B1 - 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 슈퍼커패시터의 이상으로 인한 케이스의 부풀어 오름 정도를 저항소자의 전기저항값 변화로 판단하여, 슈퍼커패시터의 이상 여부를 배터리관리시스템에 알린다. 이로 인해, 서로 연결된 슈퍼커패시터에서 공급되는 전압이나 전류의 이상 유무를 판단하여, 개개의 슈퍼커패시터의 이상 여부를 찾지 않고, 개개의 슈퍼커패시터의 이상 여부를 슈퍼커패시터의 케이스 팽창과 같은 물리적 현상을 통해 즉시 찾아, 관리자가 문제 있는 슈퍼커패시터만을 신속하게 교체 또는 수리할 수 있게 해준다.

Description

슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈{Supercapacitor abnormality detection sensor module}
본 발명은 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈에 관한 것이다.
슈퍼커패시터는 물리적인 이온들의 흡착·탈착 반응을 이용한 에너지저장장치다. 슈퍼커패시터는 전극 및 도전체와, 그것에 함침된 전해질 용액의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용하여, 충전/방전 동작을 반복한다. 슈퍼커패시터는, 전극 저항소자, 케이스, 전해액, 개스킷, 음극리드선, 양극리드선으로 구성된다.
리튬 이차전지의 경우 초고속 충전으로 30분 동안 80% 가량 충전이 가능하고, 5~10년 정도의 수명을 가지는 반면, 슈퍼커패시터는 충전시간을 1분내로 단축하고 충전 수명도 1만회 이상으로 27년 이상 사용할 수 있다. 또한, 리튬 이차전지의 경우 그 특성상 충전과 방전을 반복하면 에너지 용량이 줄어드는데 슈퍼커패시터는 그러한 단점이 없다.
이렇게 슈퍼커패시터는 짧은 시간에 에너지를 충전하고 방출할 수 있고 수명이 길어, 리튬 이차전지 대신에 슈퍼커패시터를 전기 자동차의 전력원으로 사용하려는 시도가 이루어지고 있다.
그러나, 슈퍼커패시터는 리튬 이차전지에 비해서 에너지 용량이 작아, 전기 자동차의 전력원으로 사용하려면, 리튬 이차전지보다 훨씬 많은 개수의 슈퍼커패시터가 필요하다. 이렇게 많은 개수의 슈퍼커패시터를 연결해 사용할 때, 서로 연결된 슈퍼커패시터에서 공급되는 전압이나 전류의 이상 유무로, 개개의 슈퍼커패시터의 이상 여부를 판단하기 어렵다.
서로 연결된 슈퍼커패시터에서 공급되는 전압이나 전류가 이상한 경우에는, 이미 연결된 어느 하나의 슈퍼커패시터 상태가 매우 심각해진 경우가 대부분이다. 대표적인 예로, 슈퍼커패시터의 과열로 인해 케이스 내 전해액이 끓어올라 가스가 발생하고, 발생된 가스는 케이스를 팽창시켜, 슈퍼커패시터를 폭발시키는 경우인데, 이러한 폭발은 연결된 다른 슈퍼커패시터의 연쇄적인 폭발로 이어진다. 이는, 슈퍼커패시터를 전기 자동차의 전력원으로 사용하는 데 있어 치명적인 약점으로 작용한다.
따라서, 서로 연결된 슈퍼커패시터에서 공급되는 전압이나 전류의 이상 유무를 판단하여, 개개의 슈퍼커패시터의 이상 여부를 찾기보다는, 개개의 슈퍼커패시터의 이상 여부를 슈퍼커패시터의 케이스 팽창과 같은 물리적 현상을 통해, 문제 있는 슈퍼커패시터만을 신속하게 찾아, 교체 또는 수리하는 것이 필요하다.
한국공개특허(10-2018-0068143)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈은,
슈퍼커패시터의 케이스를 감싸는 신축성을 가진 베이스;
상기 베이스 상에 배치되어 서로 연결되며, 상기 케이스 내 가스발생으로 인한 상기 케이스의 부풀어 오름으로 전기저항값이 달라지는, 복수 개의 신축성을 가진 저항소자; 및
상기 베이스의 일측에 설치되며, 상기 케이스의 부풀어 오름에 따라 변하는 상기 저항소자의 전기저항값을 읽어, 상기 케이스의 부풀어 오름 정도를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 슈퍼커패시터의 이상으로 인한 케이스의 부풀어 오름 정도를 저항소자의 전기저항값 변화로 판단하여, 슈퍼커패시터의 이상 여부를 배터리관리시스템에 알린다. 이로 인해, 서로 연결된 슈퍼커패시터에서 공급되는 전압이나 전류의 이상 유무를 판단하여, 개개의 슈퍼커패시터의 이상 여부를 찾지 않고, 개개의 슈퍼커패시터의 이상 여부를 슈퍼커패시터의 케이스 팽창과 같은 물리적 현상을 통해 즉시 찾아, 관리자가 문제 있는 슈퍼커패시터만을 신속하게 교체 또는 수리할 수 있게 해준다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈이, 서로 연결된 복수 개의 슈퍼커패시터 각각에 설치되어, 각각의 슈퍼커패시터의 상태를 파악하여, 배터리관리시스템에 보고하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈이 슈퍼커패시터의 케이스에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 슈퍼커패시터의 과열로 인해, 케이스 내 전해액이 끓어올라 가스가 발생되고, 발생된 가스가 케이스를 팽창시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈을 구성하는 저항소자를 나타낸 도면으로, 도 4(a)는 제1저항소자를 나타내고, 도 4(b)는 제2저항소자를 나타낸다.
도 5는 슈퍼커패시터의 이상 정도에 따라 제어부가 배터리관리시스템에 보내는 신호 주기 변화를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈을 자세히 설명한다. 본 발명이 적용될 수 있는 슈퍼커패시터는 원통형, 파우치형, 사각형 등 다양할 수 있다. 이하, 원통형 슈퍼커패시터를 예로 들어 본 발명을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈(10)은, 서로 연결된 복수 개의 슈퍼커패시터(1) 각각에 설치된다. 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈(10)은, 자신이 설치된 슈퍼커패시터(1)의 상태를 파악하여, 배터리관리시스템(BMS, battery management system)에 보고한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈(10)은, 베이스(11), 저항소자(12), 제어부(13)로 구성된다.
베이스(11)
베이스(11)는 케이스(1a)가 부풀어 오름에 따라 늘어날 수 있다.
베이스(11)는 신축성 소재를 분쇄한 후 틀에 붓고 가압 및 가열하여 만든다. 신축성 소재로 PDMS(Polydimethylsiloxane)나 TPU(Thermoplastic Polyurethane)와 같은 소재가 사용될 수 있다. 물론, 이 밖에 다양한 신축성 소재가 사용될 수 있다.
베이스(11)는 상하면이 개방되고 중공인 원통 형태를 가진다.
베이스(11)의 중공 안으로 슈퍼커패시터(1)의 케이스(1a)를 삽입한다. 베이스(11)가 신축성을 가지므로, 베이스(11)가 슈퍼커패시터(1)의 케이스(1a)를 감싼 상태로, 슈퍼커패시터(1)의 케이스(1a)에 고정된다.
베이스(11)에는 저항소자(12)와 제어부(13)를 작동하기 위한 전원을 공급받기 위해, 슈퍼커패시터(1)의 음극리드선(2a)과 양극리드선(2b) 각각에 끼워지는 2개의 단자(14)가 설치된다.
저항소자(12)
도 3에 도시된 바와 같이, 복수 개의 저항소자(12) 각각은 케이스(1a)가 부풀어 오름에 따라 늘어나고 전기저항이 변할 수 있도록, 신축성 소재에 무작위로 분포된 전도성 물질들로 구성된다. 신축성 소재는 저항소자(12)의 기재(matrix)가 된다.
이러한 저항소자(12)는 분쇄된 신축성 소재에 전도성 물질을 골고루 혼합한 후, 틀에 붓고 가압 및 가열하여 만들어진다. 신축성 소재로 PDMS(Polydimethylsiloxane)나 TPU(Thermoplastic Polyurethane)와 같은 소재가 사용될 수 있다. 물론, 이 밖에 다양한 신축성 소재가 사용될 수 있다.
전도성 물질로 탄소나노튜브, 그래핀, 활성탄 등이 사용될 수 있다. 본 실시예서는 활성탄이 사용된다.
활성탄은 큰 비표면적과 내화학성, 낮은 열팽창률, 높은 전기전도성을 가진다. 또한, 활성탄은 불규칙하게 분포된 구멍들을 가지므로, 기재의 팽창으로 인해 활성탄들이 회전 및 이동하게 되면, 연결된 활성탄들에서 서로 접촉되는 구멍의 개수 및 구멍의 위치가 급격하게 변하게 된다. 이로 인해, 저항소자(12)가 조금만 팽창하거나 수축해도 저항소자(12)의 전기저항 변화가 크게 일어날 수 있다. 따라서, 탄소나노튜브나 그래핀 보다는 활성탄을 사용하여 저항소자(12)를 만드는 것이 바람직하다.
복수 개의 저항소자(12)들은 베이스(11)에 반 경화 상태로 가열되어 부착된다. 저항소자(12)의 기재와 베이스(11)가 동일한 재질일 경우, 저항소자(12)가 베이스(11)에 잘 부착될 수 있다.
따라서, 저항소자(12)의 기재를 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 만들면 베이스(11)도 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 만들고, 저항소자(12)의 기재를 TPU(Thermoplastic Polyurethane)로 만들면 베이스(11)도 TPU(Thermoplastic Polyurethane)로 만드는 것이 바람직하다.
복수 개의 저항소자(12)는 베이스(11) 상에 배치되어 서로 연결된다. 케이스(1a) 내 가스발생으로 인한 케이스(1a)가 부풀어 오르면, 저항소자(12)가 늘어나게 되어 전기저항이 커지게 된다.
복수 개의 저항소자(12)는 도 4(a)에 도시된 활성탄(AC)의 밀도가 높은 제1저항소자(12A)들과, 도 4(b)에 도시된 활성탄(AC)의 밀도가 낮은 제2저항소자(12B)들로 구성되며, 도 2에 도시된 바와 같이 종 방향으로 번갈아 가며 배치된다. 물론, 활성탄(AC)의 밀도가 서로 다른 저항소자(12)의 개수와, 베이스(11) 상에서 밀도가 서로 다른 저항소자(12)의 배치 형태는 다양할 수 있다.
제1저항소자(12A)는 제2저항소자(12B) 보다 그 크기가 상대적으로 작아, 제조시 동일한 양의 활성탄(AC)을 넣더라도, 제1저항소자(12A)에서 활성탄(AC)의 밀도가 제2저항소자(12B)에서 활성탄(AC)의 밀도보다 높아지게 된다.
제1저항소자(12A)들은 제1저항소자(12A)들끼리 와이어(W)로 연결되고, 제2저항소자(12B)들은 제2저항소자(12B)들끼리 와이어(W)로 연결된다. 와이어(W)는 은 또는 구리로 만들어진다. 와이어(W)는 케이스(1a)가 부풀어 오를 때 끊어지지 않게, 펼쳐질 수 있는 지그재그 형태를 가진다.
제어부(13) .
제어부(13)는 연성회로기판과, 연성회로기판에 설치된 마이크로컨트롤러유닛(MCU)외 각종 전자부품들로 구성된다. 제어부(13)는 베이스(11)의 일측에 바 형태로 설치된다. 물론, 제어부(13)의 형태는 다양할 수 있다.
제어부(13)는 케이스(1a)의 부풀어 오름에 따라 변하는 저항소자(12)의 저항값 변화를 읽어, 케이스(1a)의 부풀어 오르는 정도를 판단한다. 즉, 케이스(1a)가 부풀어 오르면, 저항소자(12)가 늘어나게 되어 전기저항이 커지게 된다. 제어부(13)는 저항소자(12)의 전기저항 변화로부터, 케이스(1a)의 부풀어 오른 정도를 역으로 계산하게 된다.
도 1을 참조하면, 제어부(13)는 배터리관리시스템(BMS, battery management system)에 유선으로 연결된다.
제어부(13)는 서로 연결된 제1저항소자(12A)들로부터 케이스(1a)의 부풀어 오르는 정도를 1차로 판단한다. 제1저항소자(12A)는 활성탄(AC)의 밀도가 높아, 케이스(1a)가 조그만 부풀어 올라도 제1저항소자(12A)의 전기저항 변화가 기준치 이상으로 커진다. 이때, 제어부(13)는 배터리관리시스템(BMS, battery management system)에 “주의” 신호를 보낸다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 정상시에는 제어부(13)가 배터리관리시스템(BMS)에 주기(T1)로 신호를 보내다가, “주의” 신호를 보낼 때는 주기(T2)로 신호를 보낸다. 배터리관리시스템(BMS)은 제어부(13)로부터 오는 신호 주기(T1)가 주기(T2)로 바뀌면, 관리자에게 몇 번째 슈퍼커패시터(1)를 점검하라는 알람을 준다.
또한, 제어부(13)는 서로 연결된 제2저항소자(12B)들로부터 케이스(1a)의 부풀어 오르는 정도를 2차로 판단한다. 제2저항소자(12B)는 활성탄(AC)의 밀도가 낮아, 케이스(1a)가 많이 부풀어 올라야 비로소 제2저항소자(12B)의 전기저항 변화가 기준치 이상으로 커지게 된다. 이렇게 케이스(1a)가 많이 부풀어 오르면 조만간 슈퍼커패시터(1)가 폭발할 수 있다. 이때, 제어부(13)는 배터리관리시스템에 “경고” 신호를 보낸다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 주기(T2)로 “주의” 신호를 보내다가, 주기(T3)로 “경고” 신호를 보낸다. 배터리관리시스템(BMS)은 제어부(13)로부터 오는 신호 주기(T2)가 주기(T3)로 바뀌면, 관리자에게 몇 번째 슈퍼커패시터(1)를 신속하게 점검하라는 알람을 준다.
물론, 이 밖에 제어부(13)가 슈퍼커패시터(1) 이상 여부를 배터리관리시스템(BMS)에 알리는 방법은 다양할 수 있다.
1: 슈퍼커패시터 1a: 케이스
10: 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈
11: 베이스 12: 저항소자
12A: 제1저항소자 12B: 제2저항소자
13: 제어부 14: 단자
AC: 활성탄 W: 와이어

Claims (5)

  1. 슈퍼커패시터의 케이스를 감싸는 신축성을 가진 베이스;
    상기 베이스 상에 배치되어 서로 연결되며, 상기 케이스 내 가스발생으로 인한 상기 케이스의 부풀어 오름으로 전기저항값이 달라지는, 복수 개의 신축성을 가진 저항소자; 및
    상기 베이스의 일측에 설치되며, 상기 케이스의 부풀어 오름에 따라 변하는 상기 저항소자의 전기저항값을 읽어, 상기 케이스의 부풀어 오름 정도를 판단하는 제어부를 포함하며,
    상기 저항소자는,
    신축성 소재에 무작위로 분포된 활성탄들로 구성되되 분포된 활성탄들의 밀도가 높은 제1저항소자들과,
    신축성 소재에 무작위로 분포된 활성탄들로 구성되되 분포된 활성탄의 밀도가 낮은 제2저항소자들로 구성되며,
    상기 제1저항소자들은 상기 제1저항소자들끼리 연결되고, 상기 제2저항소자들은 상기 제2저항소자들끼리 연결된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스에는,
    상기 저항소자와 상기 제어부를 작동하기 위한 전원을 공급받기 위해, 상기 슈퍼커패시터의 음극리드선과 양극리드선 각각에 끼워지는 2개가 단자가 설치된 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이스는 PDMS(Polydimethylsiloxane)나 TPU(Thermoplastic Polyurethane)와 같은 신축성 소재로 만들어진 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터 이상 감지 센서 모듈.
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