KR20200008140A - 안전한 에너지 저장을 위한 시스템, 장치 및 방법 - Google Patents

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다니엘 에이. 패소스
조셉 디. 아그렐로
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이옥서스, 인크.
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Abstract

제1 단자 및 제2 단자에 의해 외부 디바이스에 전기적으로 연결 가능한 에너지 저장 디바이스 및 에너지 저장 디바이스와 제1 단자 및/또는 제2 단자 사이에 배치된 스위치 디바이스를 포함하는 시스템을 작동시키기 위한 시스템, 장치 및 방법이 개시되어 있는데, 스위치 디바이스를 구동시키면, 에너지 저장 디바이스로부터 외부 디바이스로 에너지를 방전하는 것 및 외부 디바이스로부터의 에너지로 에너지 저장 디바이스를 충전하는 것 중 적어도 하나를 방지하도록 에너지 저장 디바이스를 제1 단자 및/또는 제2 단자로부터 단절시키거나, 에너지 저장 디바이스로부터 외부 디바이스로 에너지를 공급하는 것 및 외부 디바이스로부터의 에너지로 에너지 저장 디바이스를 충전하는 것 중 적어도 하나를 허용하도록 에너지 저장 디바이스를 제1 단자 및 제2 단자에 연결시킨다.

Description

안전한 에너지 저장을 위한 시스템, 장치 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 5월 18일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "안전한 에너지 저장을 위한 시스템, 장치 및 방법(SYSTEMS, APPARATUS, AND METHODS FOR SAFE ENERGY STORAGE)"인 미국 출원 제62/507,998호의 35 U.S.C. 119(e) 하의 우선권 이익을 주장하며, 그 개시내용은 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함된다.
기술 분야
본 개시내용은 전반적으로 에너지 저장 디바이스의 안전성을 개선시키기 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 저장 디바이스를 전기적으로 안전하게 하는 전기 단절에 관한 것이다.
에너지 저장 디바이스를 개발하는 데에 있어서의 일반적인 추세는 사이클 수명(예를 들어, 스마트폰 배터리 수명)을 연장하고 전력 요건이 높은 용례(예를 들어, 전기 자동차)를 지원하도록 디바이스의 에너지 밀도 및 전력 밀도를 증가시키는 것이다. 에너지 및 전력 밀도의 증가는 또한 안전 문제를 제기한다. 이들 에너지 저장 디바이스의 우발적인 고장 또는 단락은 단기간 내에 대량의 에너지의 전기 폭발 또는 방전을 일으킴으로써, 에너지 저장 디바이스 뿐만 아니라 근방의 개인(예를 들어, 유지 보수 담당자) 및 자산을 위협한다. 예를 들어, 온도가 35,000 ℉(즉, 태양 표면보다 더 고온임)에 도달하거나 초과할 수 있는 전기 아크 플래시 이벤트는 상당한 손상, 화재, 상해 및 가능하게는 심지어 사망을 유발할 수 있다. 기존의 안전 조치는 번거롭고(예를 들어, 시간 소비적이며 고가이고) 비실용적(예를 들어, 에너지 및 전력 밀도 감소)이므로 이러한 안전 위험을 만족스럽게 해결하지 못하였다.
에너지 저장 디바이스와 제1 단자 및/또는 제2 단자 사이의 하우징 내에 배치된 스위치 디바이스를 갖는, 제1 단자 및 제2 단자를 통해 외부 디바이스에 전기적으로 연결 가능한 에너지 저장 디바이스를 작동시키기 위한 시스템, 장치 및 방법이 개시되어 있다. 일부 실시예에서, 스위치 디바이스를 구동시키는 것은 에너지 저장 디바이스를 제1 단자 및/또는 제2 단자로부터 단절하여 에너지 저장 디바이스로부터 외부 디바이스로 에너지를 방전하는 것 및 외부 디바이스로부터의 에너지로 에너지 저장 디바이스를 충전하는 것 중 적어도 하나를 방지한다. 일부 실시예에서, 스위치 디바이스를 구동시키는 것은 에너지 저장 디바이스를 제1 단자 및/또는 제2 단자에 연결하여 에너지 저장 디바이스로부터의 에너지를 외부 디바이스에 공급하는 것 및 외부 디바이스로부터의 에너지로 에너지 저장 디바이스를 충전하는 것 중 적어도 하나를 허용한다.
앞서 설명한 개념 및 이하에서 보다 상세하게 설명되는 추가 개념의 모든 조합(그러한 개념들이 상호 모순되지 않는다면)은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다는 점을 이해해야 한다. 특히, 본 개시내용의 말미에 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다. 또한, 참조로 통합된 임의의 개시에 나타날 수 있는 본 명세서에 명시적으로 채용된 용어는 본 명세서에 개시된 특정 개념과 가장 일치하는 의미를 부여해야 함을 이해해야 한다.
다른 시스템, 프로세스 및 특징은 하기 도면 및 상세한 설명을 검토하면 본 기술 분야의 숙련자에게 명백해질 것이다. 그러한 모든 추가 시스템, 프로세스 및 특징은 본 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 있으며, 첨부된 청구범위에 의해 보호되도록 의도된다.
숙련자는 도면이 주로 예시적인 목적이며 본 명세서에 설명된 본 발명의 범주를 제한할 의도가 없음을 이해할 것이다. 도면은 반드시 실척이 아니고; 일부 예에서, 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 다양한 양태는 상이한 특징의 이해를 용이하게 하기 위해 도면에서 과장되거나 확대되어 도시될 수 있다. 도면에서, 유사한 참조 부호는 일반적으로 유사한 특징(예를 들어, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소)을 가리킨다.
도 1은 일부 실시예에 따른 안전 스위치를 포함하는 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 2는 일부 실시예에 따른 안전 스위치 및 제어기를 포함하는 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 마이크로 제어기에 의해 제어되는 안전 스위치를 포함하는 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 4는 일부 실시예에 따른 안전 스위치 및 세류 충전 스위치를 포함하는 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
본 개시내용은 에너지 저장 디바이스의 안전성을 개선하기 위한 시스템, 장치, 및 방법, 특히 에너지 저장 디바이스의 안전 단절에 관한 것이다.
에너지 저장 디바이스의 에너지 및 전력 밀도의 증가는 또한 안전 문제를 제기한다. 예를 들어, 울트라커패시터(ultracapacitor)는 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 빠르게 충전 및 방전하는 이점이 있다. 그러나, 그러한 이점은 우발적인 단락의 경우(즉, 전류가 매우 낮은 전기 임피던스로 의도하지 않은 경로를 따라 이동하는 경우), 예를 들어 아크 플래시를 생성할 수 있는 안전 위험을 초래할 수 있다. 아크 플래시는 일반적으로 인적 오류의 결과이며, 아크 플래시의 65%는 작업자가 개폐기를 작동할 때 발생한다. 아크 플래시로부터 작업자를 보호하려는 전통적인 시도는 작업자에게 개인용 보호 장비를 갖추는 것을 포함하는데, 이는 작업자에게 번거롭고 불편할 수 있고, 작업자를 원격 작업자 및/또는 로봇으로 대체하는 것은, 비실용적이거나 너무 고가일 수 있다. 아크 플래시 위험으로부터 작업자를 보호하는 또 다른 방법은 접근 및/또는 유지 보수 중에 울트라커패시터를 탈여기(de-energize)시키는 것이다. 일부 산업 용례에서, 이 단계는 상당한 조정이 필요하거나 단순히 실현 가능하지 않다. 따라서, 에너지 저장 디바이스에 대해 보다 효율적인 안전 보호를 제공하는 것이 바람직하다.
에너지 저장 시스템에서 안전 위험을 해결하는 데 있어서의 과제에 응답하여, 본 명세서에 설명된 기술은 에너지 저장 요소(예를 들어, 울트라커패시터의 내부 전극)와 주변 환경에 노출되는 임의의 외부 단자 사이의 안전 스위치를 채용한다. 일부 실시예에서, 담당자가 에너지 저장 디바이스 부근에서 작업을 필요로 할 때, 안전 스위치는 에너지 저장 요소를 우발적인 단락으로부터 격리시키도록 수동으로 턴오프될 수 있다. 일부 실시예에서, 스위치는 전류의 서지 또는 실질적인 전압 강하와 같은 작동 파라미터의 변화에 응답하여 자동으로 턴오프되도록 구성될 수 있다. 이들 기술은 편리하고, 비용 효과적이며, 다양한 유형의 에너지 저장 디바이스에 적응 가능하다.
도 1은 일부 실시예에 따른 전기 에너지 저장과 관련된 안전 위험을 적어도 부분적으로 해결할 수 있는 시스템(100)을 예시한다. 도 1에서, 시스템(100)은 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리, 울트라커패시터 등)(110)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 디바이스(110)는 양극(112), 음극(114)(집합적으로 내부 전극(112, 114)), 양극(112)과 음극(114)에 의해 획정된 공간 내에 배치된 전해질(115)(유전체 층 또는 유전체 재료라고도 지칭됨), 및 이온은 확산시키고 전자는 확산시키지 않도록 전해질(115) 내에 배치된 세퍼레이터(116)를 포함할 수 있다. 에너지 저장 디바이스(110)에 추가하여, 시스템(100)은 안전 스위치(120) 및 한 쌍의 전극(130a 및 130b)(단자(130a 및 130b)로도 지칭됨)을 포함한다. 에너지 저장 디바이스(110)는 하우징(140) 내에 실질적으로 둘러싸이고 한 쌍의 전극(130a 및 130b)에 연결되고, 이들 전극은 하우징(140)의 외부에 있어 집합적으로 외부 전극 또는 단자(130)로 지칭된다. 단자(130)는 시스템(100)을 연결하여 (예를 들어, 방전 동안) 전기 에너지를 외부 디바이스로 전달하거나 (예를 들어, 충전 동안) 외부 디바이스로부터 전기 에너지를 수신하기 위한 인터페이스로서 작용한다. 단자(130)는 안전 스위치(120)를 통해 에너지 저장 디바이스(110)에 연결되는데, 안전 스위치는 하우징(140)의 내부 및/또는 하우징(140)의 외부에 있어 안전 스위치(120)를 제어하기 위한 작업자의 접근을 허용할 수 있다. 안전 스위치(120)를 턴오프함으로써, 작업자는 에너지 저장 디바이스(110)를 단자(130)로부터 단절함으로써 시스템(100)과 함께 또는 시스템(100) 근처에서 안전하게 작업할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(100)은 하우징(140) 내에 배치된 안전 스위치(120)를 포함하고 프로세서 또는 제어기로부터의 명령에 응답하여 자동으로 구동되거나 개시되도록 구성된다.
안전 스위치
도 1에 도시된 안전 스위치(120)를 구성하기 위해 다양한 유형의 스위치가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 안전 스위치(120)는 2개 이상의 위치 중 하나에서 각도 형성된 레버에 의해 구동되는 토글 스위치를 포함한다. 토글 스위치는 레버 위치 중 임의의 위치에 놓일 수 있거나 레버를 특정 위치로 복귀시키는 내부 스프링 메커니즘을 가질 수 있음으로써, "순간적인" 작동을 허용한다.
일부 실시예에서, 안전 스위치(120)는 푸시 버튼 스위치를 포함한다. 푸시 버튼 스위치는 가압되고 해제되는 버튼으로 구동되는 2-위치 디바이스일 수 있다. 푸시 버튼 스위치는 순간적인 작동을 위해 버튼을 특정 위치(예를 들어, "아웃" 또는 "비가압" 위치)로 복귀시키는 내부 스프링 메커니즘을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 푸시 버튼 스위치는 버튼을 누를 때마다 교대로 온 또는 오프로 래칭될 수 있다. 다른 실시예에서, 푸시 버튼 스위치는 버튼이 후퇴될 때까지 특정 위치(예를 들어, "인" 또는 "가압" 위치)에 머무른다. 일부 실시예에서, 푸시 버튼 스위치는 스위치의 우발적인 트리거링을 피하기 위해 스위치를 폐쇄하도록 유한 시간의 연속적인 홀드(즉, "가압" 위치에서)를 필요로 한다. 유한 시간은 약 1 초 내지 약 30 초(예를 들어, 약 2 초, 약 5 초, 약 10 초, 또는 약 15 초)일 수 있다.
일부 실시예에서, 안전 스위치(120)는 2개 이상의 위치 중 하나를 선택하기 위해 회전식 노브 또는 레버로 구동될 수 있는 선택 스위치를 포함한다. 선택 스위치는 그 위치들 중 임의의 위치에 놓일 수 있거나 순간적인 작동을 위한 내부 스프링 복귀 메커니즘을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 안전 스위치(120)는 1개 초과의 운동축에서 자유롭게 이동하는 레버에 의해 구동될 수 있는 조이스틱 스위치를 포함한다. 레버가 푸시되는 방식에 따라 여러 스위치 접점 메커니즘들 중 하나 이상이 구동될 수 있다. 일부 실시예에서, 레버가 어느 한 방향으로 얼마나 멀리 푸시되는 지에 따라 여러 스위치 접촉 메커니즘들 중 하나 이상이 구동된다.
일부 실시예에서, 안전 스위치는 3-단자 실리콘 디바이스인 전력 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)(MOSFET)를 포함한다. 전력 MOSFET 스위치는 소스와 드레인 사이의 전류 전도를 제어하는 신호를 게이트에 인가함으로써 기능할 수 있다. 전류 전도 능력은 최대 수십 암페어일 수 있고, 파괴 전압 등급은 약 10 V 내지 1000 V 이상이다.
일부 실시예에서, 안전 스위치는 3-단자 전력 반도체인 절연 게이트 쌍극 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor)(IGBT)를 포함한다. IGBT는 높은 효율과 적당한 스위칭 속도로 알려져 있다.
일부 실시예에서, 안전 스위치는 실리콘 카바이드(SiC) 전력 반도체를 포함하며, 이 전력 반도체는 기존 실리콘 디바이스와 비교하여 최대 약 두 자릿수까지 온 저항(on-resistance)을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 안전 스위치는 실리콘 기판의 상단에서 성장된 질화 갈륨(GaN) 디바이스를 포함한다. GaN 디바이스는 실리콘 MOSFET와 유사하게 거동할 수 있다. 일부 실시예에서, GaN 디바이스는 GaN 트랜지스터이다. 소스에 대한 게이트 상의 양의 바이어스는 디바이스가 턴온되게 한다. 바이어스가 게이트로부터 제거되면, 게이트 아래의 전자가 GaN으로 분산되어, 공핍 영역을 재생성하고, 다시 한번 디바이스에 전압을 차단하는 능력을 제공한다.
안전 스위치의 디폴트 상태는 온 또는 오프일 수 있다. 일부 실시예에서, 안전 스위치는 작업자가 안전 스위치를 확실하게 단절시키지 않으면 연결된 상태("ON" 상태)에 있는 것으로 설정된다. 예를 들어, 울트라커패시터 전지는 작업자가 개입하지 않는 한 외부 디바이스에 계속해서 전력을 공급할 수 있다. 일부 실시예에서, 안전 스위치는 작업자가 안전 스위치를 확실하게 연결하지 않는 한 단절된 상태("OFF" 상태)에 있는 것으로 설정된다.
일부 실시예에서, 안전 스위치는 에너지 저장 디바이스의 특정 작동 조건이 발생할 때 자동으로 단절된다. 예를 들어, 시스템은 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 울트라커패시터 전지)의 작동 온도를 모니터링하는 온도계를 포함할 수 있다. 온도가 임계 온도 이상으로 상승하면, 안전 스위치는 에너지 저장 디바이스 또는 외부 디바이스를 보호하도록 자동으로 단절될 수 있다. 다른 예에서, 내부 전극 및/또는 단자를 연결하는 와이어를 통해 유동하는 전류는, 전류가 임계 전류 이상으로 상승하면 안전 스위치가 자동으로 단절되도록 모니터링된다.
일부 실시예와 함께 사용될 수 있는 에너지 저장 디바이스는, 울트라커패시터(들), 울트라-커패시터(ultra-capacitor)(들), 슈퍼커패시터(들), 및 EDLC(s)(electrochemical double layer capacitors)를 포함하지만 이에 제한되지는 않고, 이들 용어 모두는 본 개시내용 내에서 상호 교환 가능하게 사용된다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 에너지 저장 디바이스는 하우징 내에 배치된 하나 이상의 울트라커패시터 전지를 포함할 수 있다.
일부 실시예와 함께 사용될 수 있는 에너지 저장 디바이스는 일차 배터리, 리튬-이온 커패시터(lithium-ion capacitor)(LiC), 리튬 이온 배터리(lithium ion battery)(LiB), 이차(충전식) 배터리, 습식 전지, 건식 전지, 갈바닉 전지, 전해질 전지, 연료 전지, 플로우 전지, 볼타 파일(voltaic pile), 생물학적 배터리, 납산 전지(leak acid cell), 다니엘 전지(Daniell cell), 초전도 자기 저장 시스템, 및/또는 커패시터를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
도 1은 단지 예시 목적만을 위해 단 하나의 울트라커패시터 전지(110)를 도시한다는 점에 주목할 만한 가치가 있다. 실제로, 울트라커패시터 시스템(100)은 다수의 울트라커패시터 전지를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 울트라커패시터 시스템(100)은, 예를 들어 직렬로 연결된 울트라커패시터 전지의 어레이를 포함한다. 일부 실시예에서, 울트라커패시터(100)는 외부 양극 단자(130a)에 연결된 모든 양극 및 외부 음극 단자(130b)에 연결된 모든 음극과 병렬로 연결된 울트라커패시터 전지의 어레이를 포함한다. 일부 실시예에서, 울트라커패시터 시스템(100)은 하이브리드 구성으로 연결된 다수의 울트라커패시터 전지를 포함하며, 여기서 전지의 일부는 직렬로 연결되고 전지의 일부는 병렬로 연결된다.
안전 스위치 및 제어기가 있는 시스템
도 2는, 일부 실시예에 따라, 양극(212), 음극(214), 양극(212)과 음극(214)에 의해 획정된 공간 내에 배치된 전해질(215), 및 이온은 확산시키고 전자는 확산시키지 않도록 전해질(215) 내에 배치된 세퍼레이터(216)를 갖는 울트라커패시터 전지(210)를 포함하는 울트라커패시터 시스템(200)의 개략도를 예시한다. 울트라커패시터 시스템(200)은 또한 울트라커패시터 전지(210)를 한 쌍의 외부 단자(230a 및 230b)(집합적으로 외부 전극(230) 또는 단자(230)로 지칭됨)에 연결하는 안전 스위치(220)를 포함한다. 울트라커패시터 전지(210) 및 안전 스위치(220)는 하우징(240) 내에 실질적으로 둘러싸여 있다. 하우징(240)의 외측에 배치되고 안전 스위치(220)에 작동 가능하게 연결된 제어기(250)는 안전 스위치(220)를 제어하는 데에 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 제어기(250)는 와이어를 통해 안전 스위치(220)에 연결된다. 일부 실시예에서, 제어기(250)는, 무선 주파수(radio frequency)(RF) 통신, WiFi, 블루투스, 3G, 4G, 적외선 통신, 인터넷, 또는 당업계에서 공지된 임의의 다른 수단을 포함하지만 이에 제한되지 않는 무선 통신을 통해 안전 스위치(220)에 연결된다. 일부 실시예에서, 안전 스위치(220)는 작업자를 잠재적인 전기 쇼크로부터 보호하도록 릴레이를 통해 제어기(250)에 의해 제어된다.
일부 실시예에서, 제어기(250)는 하우징(240)의 벽에 고정된다. 다른 실시예에서, 제어기(250)는 착탈형 및/또는 울트라커패시터 전지(210)와 별개이다. 제어기(250)는 이동형 또는 휴대용일 수 있다. 예를 들어, 작업자는 울트라커패시터 전지(210)와 별개인 제어기(250)를 제거 및/또는 소지할 수 있고, 또한 울트라커패시터 전지(210) 근처에서 작업할 때 울트라커패시터 시스템(200)을 제어하고 시스템과 상호 작용할 수 있다. 이들 예에서, 제어기(250)는 유선 또는 무선 통신을 통해 안전 스위치(220)에 연결될 수 있다.
일부 실시예에서, 안전 스위치(220)는 다음 특징 중 하나 이상을 통해 작동 동안 개선된 안전을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 안전 스위치(220)는 개방하기 위해 특정 인가가 필요할 수 있는 하우징(240) 내에 통합된다. 따라서, 안전 스위치(220)는 인가된 담당자에 의해서만 디스에이블될 수 있다. 일부 실시예에서, 안전 스위치(200)는 제어기(250)로부터의 무선 신호를 통해서만 구동될 수 있다. 이 특징은 안전 스위치(220)의 의도하지 않은 구동을 피할 수 있다. 제조 시에 안전 스위치(220)를 하우징(240) 내에 통합하면 그 후에 안전 스위치를 추가하는 것보다 더 저렴하고 더 작은 폼 팩터의 이점이 제공될 수 있다. 이 방식으로, 하우징(240)은 울트라커패시터 전지(210) 및 안전 스위치(220)를 모두 외부 환경으로부터 격리하고 밀봉한다.
일부 실시예에서, 안전 스위치(220)는 하우징 내에 실질적으로 둘러싸이고 울트라커패시터 전지(210)와 제1 단자(230a) 및 제2 단자(230b) 중 적어도 하나 사이의 전기적 연결을 단절하기 위한 외부 액추에이터를 포함하지 않는다. 달리 말하면, 하우징(240) 내에 통합된 안전 스위치(220)는 하우징(240) 외부의 기계적 또는 전기적 액추에이터에 의해 단절되거나 연결될 수 없다. 이들 실시예에서, 안전 스위치는 하우징(240) 내에 위치된 제어기(250)로 전송된 무선 신호에 의해 맞물리고 맞물림 해제될 수 있다. 이들 실시예는 무선 송신기에 접근하면 안되는 비인가된 작업자가 안전 스위치(220)를 우발적으로 또는 의도적으로 맞물림 또는 맞물림 해제하는 것을 방지한다.
일부 실시예에서, 추가 제어기(도시되지 않음)가 하우징(240) 내에 포함될 수 있고, 이 추가 제어기는 안전 스위치(220)의 작동을 제어하도록 외부 제어기(250)와 통신한다(예를 들어, 도 3 참조).
일부 실시예에서, 제어기(250)는 울트라커패시터 전지(210)의 과충전 상태에 응답하여 안전 스위치(220)를 구동하여 울트라커패시터 전지(210)를 단자(230a)로부터 단절하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 임의의 다른 내부/외부 결함은 또한 제어기(250)를 트리거하여 안전 스위치(220)를 맞물림 해제할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템(200)은 또한 울트라커패시터 전지(210) 둘레의 주변 온도를 측정하도록 제어기(250)에 작동 가능하게 연결된 센서(도시되지 않음)를 포함한다. 제어기(250)는 주변 온도가 임계값보다 큰 것에 응답하여 안전 스위치(220)를 구동시켜 울트라커패시터 전지(210)를 단자(230a)로부터 단절하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 센서는 내부 하우징 온도를 측정하도록 구성되고, 제어기(250)는 내부 하우징 온도가 임계값보다 큰 것에 응답하여 안전 스위치(220)를 구동시켜 울트라커패시터 전지(210)를 단자(230a)로부터 단절하도록 구성된다.
도 3은 일부 실시예에 따른 마이크로 제어기(360)에 의해 제어되는 안전 스위치(320)를 포함하는 울트라커패시터 시스템(300)의 개략도이다. 시스템(300)은 하우징(340)에 의해 둘러싸인 일련의 울트라커패시터(310)를 포함한다. 일련의 울트라커패시터(310)에 작동 가능하게 연결된 2개의 단자(330a 및 330b)는 하우징(340)의 외부에(예를 들어, 하우징(340)의 외부 표면 상에) 배치되고 스위치(320)를 통해 울트라커패시터(310)의 뱅크에 전기적으로 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 울트라커패시터(310)의 뱅크는 스위치(320)를 통해 양극 단자(330a)에 전기적으로 연결된 제1 측면(315a)을 갖고, 뱅크는 음극 단자(330b)에 직접 연결된 제2 측면(315b)을 갖는다.
2개의 단자(330a, 330b)에는 전력 공급원 또는 배터리(370)가 연결되어 있으며, DC-DC 컨버터(350)가 또한 하우징 내에 둘러싸여 울트라커패시터(310)와 전력 공급원 또는 배터리(370) 사이의 에너지 전달을 용이하게 한다. DC-DC 컨버터(350)는 전력 공급원 또는 배터리(370)에 전기적으로 연결되는 양극 단자(330a)에 전기적으로 연결된 입력부(352)를 가질 수 있다. DC-DC 컨버터(350)는 또한 울트라커패시터(310)의 뱅크의 제1 측면(315a)에 전기적으로 연결된 출력부(354)를 갖는다. 게다가, 음극 단자(330b), 마이크로 제어기(360), DC-DC 컨버터(350), 및 울트라커패시터(310)의 뱅크의 제2 측면(315b)은 공통 접지(380)에 연결될 수 있다. 스위치(320)는 울트라커패시터(310)와 전력 공급원 또는 배터리(370) 사이의 양방향 스위칭을 허용하는 한 쌍의 MOSFET(322a 및 322b)를 포함한다. 예를 들어, 하나의 MOSFET(MOSFET의 게이트를 소스에 연결하는, 즉 Vgs = 0)를 턴오프하면 전력 공급원 또는 배터리(370)로부터 울트라커패시터(310)로의 전류 유동을 차단할 수 있으며, 다른 MOSFET(예를 들어, 322b)를 턴오프하면 울트라커패시터(310)로부터 전력 공급원 또는 배터리(370)로의 전류 유동을 차단할 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로 제어기(360)는 무선 통신을 통해 외부 디바이스(예를 들어, 제어기) 또는 작업자에 의해 추가로 제어된다. 이들 실시예에서, 마이크로 제어기(360)는, 예를 들어 내부/외부 결함 조건에 응답하여 스위치(320)를 여전히 자동으로 단절하여 개선된 안전성을 제공할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 울트라커패시터(310), 스위치(320), DC-DC 컨버터(350), 및 마이크로 제어기(360)는 모두 하우징(340) 내에 둘러싸여 개선된 안전 특징을 갖는 통합형 에너지 모듈을 제공할 수 있다. 하우징(340)은 인가된 담당자(예를 들어, 제조업자로부터의 유지 보수 담당자)만이 하우징(340)을 개방하고 스위치(320)를 디스에이블할 수 있도록 밀봉될 수 있다. 다시 말해서, 최종 사용자는 하우징(340)을 개방하고 및/또는 스위치(320)를 디스에이블하는 옵션을 갖지 않을 수 있다.
일부 실시예에서, 마이크로 제어기(360)는 울트라커패시터(310)에 의해 전력을 공급받는다. 일부 실시예에서, 마이크로 제어기(360)는 전력 공급원 또는 배터리(370)에 의해 전력을 공급받는다. 일부 실시예에서, 마이크로 제어기(360)는, 예를 들어 무선 에너지 전달을 통해 외부 전원에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
일부 실시예에서, DC-DC 컨버터(350)는 울트라커패시터(310)를 충전하도록 전력 공급원 또는 배터리(370)로부터 에너지를 수신할 수 있다. DC-DC 컨버터(350)는 또한 충전 프로세스를 제어하도록 DC-DC 컨버터(350)에 제어 신호를 제공할 수 있는 마이크로 제어기(360)에 작동 가능하게 연결된다. 일부 실시예에서, 마이크로 제어기(360)는 울트라커패시터(310)만을 충전하고 전력 공급원 또는 배터리(370)를 충전하지 않도록(즉, 전력 공급원 또는 배터리(370)로부터 울트라커패시터(310)로의 단방향 에너지 전달) DC-DC 컨버터(350)를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로 제어기(360)는 전력 공급원 또는 배터리(370)의 상태에 기초하여 충전율을 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 마이크로 제어기(360)는 전력 공급원 또는 배터리(370)가 연결되지 않은 경우 울트라커패시터(310)가 임의의 에너지를 받아들이는 것을 방지하기 위해 스위치(320)를 턴오프하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 마이크로 제어기(360)는 결함이 검출되면 스위치(320)를 턴오프하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 결함은 과충전 상태와 같은 내부 결함을 포함한다. 일부 실시예에서, 내부 결함은 DC-DC 충전기(350) 오작동 또는 마이크로 제어기(360) 오작동을 포함한다.
일부 실시예에서, 결함은 임계값보다 높은 주변 온도와 같은 외부 결함을 포함한다. 일부 실시예에서, 외부 결함은 외부 단락에 의해 야기된 과전류 상태, 단자(330a 및 330b)에 인가된 과전압, 단자(330a 및 330b)에 인가된 역바이어스 전압, 또는 무효 제어 입력이다.
일부 실시예에서, 시스템(300)은 일련의 울트라커패시터(310)를 포함하고, 이들 각각은 정전기적으로 에너지를 저장하는 높은 비정전용량(specific capacitance)의 전기 화학 커패시터일 수 있다. 통상적인 울트라커패시터(310)는 전해질 커패시터의 약 10,000배인 정전용량 값, 종래의 배터리의 대략 10%인 에너지 밀도, 및 배터리의 최대 100배인 전력 밀도를 갖는다. 이는 종래의 배터리와 비교하여 울트라커패시터(310)에 대해 더 빠른 충전 및 방전 사이클을 허용한다. 또한, 배터리와 비교하여 울트라커패시터(310)에 매우 긴 사이클 수명을 제공할 수 있다.
각각의 울트라커패시터(310)는 미리 결정된 레벨의 전지당 전압으로 충전될 수 있다. 구체적인 예로서, 울트라커패시터(310)는 2.7 V/전지를 지원하도록 충전될 수 있다. 전지당 전압 값은 낮은 온도에 도달하는 경우(예를 들어, 0℉) 자동으로 더 높게(예를 들어, 3.0 V/전지) 시프트될 수 있고, 온도가 더욱 더 낮아진 경우(예를 들어, -20℉ 미만) 더욱 더 높은 전지당 전압(예를 들어, 3.3 V/전지)으로 자동으로 시프트될 수 있다. 일부 실시예에서, 온도는 센서(도 3에 도시되지 않음)에 의해 측정될 수 있다. 일부 실시예에서, 울트라커패시터(310)의 각각의 팩은 공장에서 전압 범위, 예를 들어 16.2 V 내지 24 V로 설정될 수 있는 DC-DC 컨버터(예를 들어, 500W DC-DC 컨버터)(350)를 사용할 수 있다. DC-DC 컨버터(350)는 부스트 또는 단일 종단형 일차 인덕터 컨버터(single-ended primary inductor converter)(SEPIC) 토포그래피를 가질 수 있다. 추가 세부 사항은 발명의 명칭이 "엔진 시작 및 배터리 지원 모듈(ENGINE START AND BATTERY SUPPORT MODULE)"인 미국 특허 공개 제2016/0243960A1호에서 확인될 수 있으며, 그 개시내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
도 4는 세류 충전, 즉 느린 속도에서의 충전 또는 자체 방전 속도와 동일한 속도에서 무부하 하의 충전을 허용하도록 제어 전자 기기(422) 및 세류 충전 스위치(424)를 포함하는 울트라커패시터 시스템(400)의 개략도이다. 시스템(400)은 하우징(440) 내에 둘러싸인 일련의 울트라커패시터(410)를 포함하고, 울트라커패시터(410)는 하우징(440)의 외부 표면 상에 배치된 2개의 단자(430a 및 430b)를 갖는다. 제어 전자 기기(422)는 안전 스위치(428) 및 세류 충전 스위치(424)를 인에이블 및 디스에이블하는 전압 제어 스위치를 포함한다. 일부 실시예에서, 안전 스위치(428)는 전자 기계적 릴레이이다. 2개의 단자(430a, 430b)에는 전력 공급원 또는 배터리(470)가 작동 가능하게 연결될 수 있다. 안전 스위치(428)는 울트라커패시터(410) 및 전력 공급원 또는 배터리(470)에 작동 가능하게 연결된다. 작동 시에, 안전 스위치(428)를 턴오프하면 울트라커패시터(410)가 단자(430b)(및 이에 따라 전력 공급원 또는 배터리(470)에 대한 작동 가능한 연결)로부터 단절되어 에너지 저장 디바이스가 전기적으로 안전하게 한다.
세류 충전 스위치(424)는 제어 전자 기기(422)에 의해 구동되어 전력 공급원 또는 배터리(470)로부터 울트라커패시터(410)의 충전을 허용하여, 전압이 미리 결정된 임계값에 있거나 동일할 때 안전 스위치(428)가 맞물려 전류 서지를 방지할 수 있다. 세류 충전 스위치(424)는 역 전압을 차단하는 다이오드(427) 및 전력 공급원(예를 들어, 배터리(470))과 울트라커패시터(410)가 모두 연결될 때 구동되는 MOSFET를 포함한다. 세류 충전은 울트라커패시터(410)와 배터리(470) 사이의 전압차가 수렴하고 안전 스위치(428)가 맞물릴 때까지 계속된다. 저항기(426)가 또한 세류 충전 동안 전류 유동을 조절하도록 울트라커패시터 시스템(400)에 포함될 수 있다.
본 개시내용은 주로 울트라커패시터와 관련하여 설명되었지만, 일부 실시예에 따른 종래의 커패시터, 전기 화학 배터리, 및 연료 전지를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 다른 유형의 에너지 저장 디바이스가 안전 스위치로부터 이익을 가질 수 있다.
종래의 커패시터는 일반적으로 절연 유전체 재료(예를 들어, 공기 또는 다른 유전체 재료)에 의해 분리된 2개의 전도성 전극(커패시터 뱅크라고도 지칭됨)을 포함한다. 커패시터에 전압이 인가되면, 한 전극의 표면 상에 양전하가 축적되고 다른 전극의 표면 상에는 음전하가 축적된다. 절연 유전체 재료는 양전하를 음전하로부터 분리시킴으로써, 커패시터가 에너지를 저장하게 하는 전기장을 생성한다.
커패시터의 정전용량(C)은 C=Q/V로 정의되며, 여기서, Q는 저장된 전하이고 V는 인가된 전압이다. 일반적으로, 정전용량이 높으면 커패시터에 인가된 동일한 전압을 감안할 때 커패시터가 더 많은 에너지를 저장하게 된다. 종래의 커패시터의 경우, 정전용량(C)은 C=ε0εrA/D로 정의될 수 있고, 여기서, A는 각 전극의 표면적이며, D는 전극들 사이의 거리이고, ε0은 자유 공간의 유전체 상수(또는 "유전율")이며, εr는 전극들 사이의 절연 재료의 유전체 상수이다.
커패시터의 에너지 저장 및 방전 능력은 에너지 밀도 및 전력 밀도를 특징으로 하며, 이는 총 에너지 또는 전력을 커패시터의 질량 또는 체적으로 나눈 것으로 계산될 수 있다. 커패시터에 저장된 총 에너지(E)는 커패시터(C)에 비례하는 E=1/2CV2로 계산될 수 있다. 커패시터의 전력(P)은 일반적으로 단위 시간당 소비되는 에너지이다. 커패시터에 대한 P를 결정하기 위해, 커패시터는 외부 "부하" 저항(R)과 직렬로 연결된 회로로 고려될 수 있다. 커패시터의 내부 구성요소(예를 들어, 집전체(current collector), 전극, 및 유전체 재료)가 또한 저항에 기여하며, 저항은 커패시터의 등가 직렬 저항(equivalent series resistance)(ESR)에 의해 집합적으로 측정될 수 있다. 정합 임피던스(R=ESR)에서 측정한 경우, 커패시터의 최대 전력(Pmax)은 Pmax=V2/(4ESR)에 의해 계산될 수 있고, ESR이 커패시터의 최대 전력(및 이에 따라 최대 전력 밀도)에 대한 제한 요인이 될 수 있음을 나타낸다.
전기 화학 배터리 및 연료 전지와 비교하여, 종래의 커패시터는 더 높은 전력 밀도를 갖지만 더 낮은 에너지 밀도를 가질 수 있다. 달리 말하면, 배터리는 더 많은 총 에너지를 저장할 수 있지만, 에너지를 전달하고 배터리를 충전하는 데에 시간이 더 걸린다. 한편, 커패시터는 단위 질량 또는 체적당 더 적은 에너지를 저장할 수 있지만, 에너지를 빠르게 방전시켜 많은 전력을 생성한다.
종래의 커패시터의 단점(낮은 에너지 밀도) 및 배터리의 단점(낮은 전력 밀도)을 해결하기 위해, 울트라커패시터는 큰 표면적(A)(예를 들어, 다공성 전극)과 커패시터 뱅크 사이의 짧은 거리(D)(예를 들어, 1 ㎛ 미만 또는 심지어는 1 nm)를 갖는 전극을 사용한다. 표면적이 크면 정전용량이 커져서 울트라커패시터의 에너지 밀도를 증가시킬 수 있지만, 커패시터 뱅크 사이의 거리가 짧으면 ESR이 낮아져 울트라커패시터의 전력 밀도를 증가시킬 수 있다. 게다가, 울트라커패시터는 보다 높은 전력 밀도, 보다 짧은 충전 시간, 및 보다 긴 사이클 수명과 보존 수명을 포함하여 전기 화학 배터리 및 연료 전지에 비해 몇 가지 다른 이점을 가질 수 있다. 그러나, 위에 소개된 바와 같이, 울트라커패시터는 또한 작업자에게 안전 위험을 증가시킬 수 있으며, 울트라커패시터가 사용될 때 실행 가능하고 효율적인 안전 조치를 제공하는 것이 바람직하다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 일부 실시예에서, 도 1에 도시된 울트라커패시터 전지(110)(또는 도 2의 울트라커패시터 전지(210))는 전기 화학 이중층 커패시터(electrochemical double-layer capacitor)(EDLC)를 포함한다. 일반적으로, EDLC는 전하를 정전기적으로 저장하고(비패러데이 저장이라고도 지칭됨), 내부 전극(112, 114)(또는 도 2의 내부 전극(212, 214))과 전해질(115)(또는 도 2의 전해질(215)) 사이에 전하 전달이 없다. 보다 구체적으로, EDLC는 에너지를 저장하기 위해 전하의 전기 화학 이중층을 이용할 수 있다. 전압이 EDLC에 인가될 때, 전해질(115)의 양이온은 세퍼레이터(116)를 가로질러 음극(114)을 향해 확산되고, 전해질(115)의 음이온 또는 음극은 양극(112)을 향해 드리프트된다. 게다가, 내부 전극(112, 114)은 전하의 재결합이 없도록 제조된다. 따라서, 각 전극에 이중층의 전하가 생성될 수 있다. 이중층의 조합, 내부 전극(112, 114)의 증가된 표면적, 및 내부 전극(112, 114) 사이의 감소된 거리는 EDLC가 종래의 커패시터에 비해 보다 높은 에너지 밀도를 달성하게 한다. 내부 전극(112, 114)에서 비패러데이 프로세스와 관련된 화학적 또는 조성 변화가 없기 때문에, EDLC에서의 전하 저장은 매우 가역적이어서, 높은 사이클링 안정성을 허용한다. 예를 들어, EDLC는 일반적으로 106 사이클만큼 안정적인 성능 특성으로 작동될 수 있다.
내부 전극(112, 114)은 다양한 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 비교적 높은 표면적, 저비용, 및 잘 알려진 제조 기술의 이점을 갖는 하나 이상의 탄소 기반 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 다공성 구조를 갖는 활성 탄소를 포함한다. 활성 탄소는 특성 직경이 약 2 nm 미만인 미세 공극(micropore)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 활성 탄소는 특성 직경이 약 50 nm 미만인 메소 공극(mesopore)을 포함한다. 다른 실시예에서, 활성 탄소는 특성 직경이 약 50 nm보다 큰 매크로 공극(macropore)을 포함한다. 활성 탄소는 미세 공극, 메소 공극, 및/또는 매크로 공극의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 공극 크기가 클수록 전력 밀도가 높아질 수 있고, 공극 크기가 작을수록 에너지 밀도가 높아질 수 있다. 따라서, 실제로, 공극 크기의 분포 및 활성 탄소 전극의 분포는 결과적인 울트라커패시터의 원하는 에너지 밀도 또는 전력 밀도에 따라 좌우될 수 있다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 탄소 에어로겔을 포함하며, 탄소 에어로겔은 메소 공극이 산재되어 있는 전도성 탄소 나노입자의 연속적인 네트워크로부터 형성될 수 있다. 집전체(도 1에 도시되지 않음)에 화학적으로 결합되는 탄소 에어로겔의 능력 및 연속적인 구조로 인해, 탄소 에어로겔은 일반적으로 적용 시에 추가적인 접착제 결합제가 필요하지 않다. 결과적으로, 탄소 에어로겔로 제조된 전극은 활성 탄소와 비교하여 보다 낮은 ESR을 가질 수 있고, 이에 따라 보다 높은 전력 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 탄소 나노튜브(carbon nanotube)(CNT)를 포함한다. 이들 예에서, 내부 전극(112, 114)은 개방되고 접근 가능한 메소 공극 네트워크를 갖는 얽힌 CNT 매트로서 성장될 수 있다. 다른 탄소 기반 전극과 달리, 탄소 나노튜브 전극의 메소 공극은 상호 연결될 수 있고, 이에 의해 내부 전극(112, 114)의 거의 모든 이용 가능한 표면적을 이용할 수 있는 연속적인 전하 분포를 허용한다. 따라서, 내부 전극(112, 114)의 유효 표면적이 더 증가되고, 이에 의해 결과적인 울트라커패시터의 정전용량을 증가시킬 수 있다. 게다가, 이온이 메소 공극 네트워크로 보다 쉽게 확산될 수 있기 때문에, 탄소 나노튜브 전극은 또한 활성 탄소에 비해 보다 낮은 ESR을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)에 사용되는 나노튜브는 단일 벽 CNT를 포함하며, 이는 비교적 높은 전기 전도성 및 잠재적으로 보다 큰 전압 안정성 윈도우를 갖는다.
일부 실시예에서, CNT는 내부 전극(112, 114)을 형성하도록 집전체 상에서 직접 성장된다. 일부 실시예에서, CNT는 콜로이드 서스펜션 박막으로 캐스팅되고, 이어서 집전체로 전달되어 내부 전극(112, 114)을 형성할 수 있다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 그래핀(graphene)을 포함한다. 그래핀은 히드라진(hydrazine)을 이용한 그래핀 옥사이드의 화학적 환원에 의해 합성될 수 있다. 그래핀은 비교적 높은 접근 가능 표면적(예를 들어, 응집 부족으로 인해 약 2600 m2/g), 높은 전도성(예를 들어, 약 100 S/m), 및 우수한 화학적 안정성을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 전도성 폴리머를 포함한다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 전이 금속 산화물을 포함하며, 전이 금속 산화물은 층상 구조를 갖고 광범위한 산화 상태를 채택할 수 있다. 산화물의 전기 화학적 거동은 매우 가역적인 표면 화학 반응 및/또는 매우 빠르고 가역적인 격자 층간삽입으로 인해 사실상 의사 용량성(pseudo-capacitive)일 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 루테늄 산화물 및/또는 망간 산화물을 포함한다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 제조 비용을 감소시키면서 성능을 유지하도록 전이 금속 산화물 및/또는 다른 전극 재료, 예를 들어 전도성 폴리머 및/또는 탄소 기반 재료의 복합체를 포함한다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)으로 전착될 수 있는 이산화루테늄을 포함한다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 전도성을 증가시키기 위해 CNT 상에 퇴적된 망간 산화물 및 폴리피롤과 같은 전도성 폴리머를 포함한다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 질화몰리브덴과 같은 질화물 및/또는 황화물을 포함한다. 일부 실시예에서, 질화물은 몰리브덴 및/또는 바나듐과 같은 다양한 산화물의 온도 프로그래밍된 질화에 의해 합성된다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 2-단계 암모니아 첨가 분해 방법(two-step ammonolysis method) 후에 패시베이션에 의해 합성된 질화바나듐(VN) 나노입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 구리 및 코발트 황화물 막을 포함한다.
울트라커패시터 전지(110)의 전해질(115)은 다양한 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전해질(115)은 황산(H2SO4) 및/또는 수산화칼륨(KOH)과 같은 수성 전해질을 포함한다. 일부 실시예에서, 전해질(115)은 아세토니트릴과 같은 유기 전해질을 포함한다. 일부 실시예에서, 전해질(115)은 아세토니트릴 중에 에트라에틸 암모늄 테트라플로우로보레이트(Et4NBF4)를 포함한다. 일부 실시예에서, 전해질(115)은 테트라메틸 암모늄 메탄설포네이트의 지지 전해질과 함께 유기산(CF3COOH) 중의 폴리아닐린 전극을 포함한다. 수성 전해질은 유기 전해질과 비교하여 보다 낮은 ESR 및 보다 낮은 최소 공극 크기 요건을 가질 수 있다. 그러나, 수성 전해질은 또한 보다 낮은 항복 전압을 가질 수 있다. 실제로, 전해질을 선택할 때 정전용량, ESR, 및 전압 사이의 트레이드오프가 고려될 수 있다.
울트라커패시터 전지(110) 내의 세퍼레이터(116)는 내부 전극(112, 114) 사이의 직접적인 방전을 피하도록 이온은 통과시키고 전자는 통과시키지 않는다. 일부 실시예에서, 세퍼레이터(116)는 소수성 테프론 Teflon™ 백본(backbone)과 측쇄 및 친수성 설폰산(-SO3H)기를 포함할 수 있는 Nafion®PFSA 멤브레인(DuPont Co.(독일 윌밍톤 소재)로부터 입수 가능함)과 같은 이온 특성(즉, 이오노머)을 갖는 합성 폴리머로 구성될 수 있는 멤브레인을 포함한다. 일부 실시예에서, 세퍼레이터(116)는 비교적 우수한 기계적 강도 및 보다 저렴한 비용을 갖는 폴리비닐 알코올을 포함한다. 일부 실시예에서, 세퍼레이터(116)는 비교적 높은 수준의 기계적 강도 및 이온 액체 보유를 갖는 라우로일 키토산을 포함한다.
일부 실시예에서, 세퍼레이터(116)는 하이브리드 폴리머 전해질 폴리비닐 알코올(PVA)(예를 들어, 약 70%) 및 인산(H3PO4)(예를 들어, 약 30%)의 결과적인 혼합물로부터 마련되어, 울트라커패시터 용례를 위해 폴리메틸 (메타크릴레이트) 및 라우로일 키토산(PLC)의 조합 용액에 침지된다. 일부 실시예에서, 세퍼레이터(116)는 폴리프로필렌으로 제조된다.
일부 실시예에서, 울트라커패시터(110)는 의사 커패시터(pseudo-capacitor)를 포함한다. 일반적으로, 의사 커패시터는 내부 전극(112, 114)과 전해질(115) 사이에서 전하의 전달을 포함하는 패러데이 프로세스를 통해 전하를 저장한다. 전하 전달은, 예를 들어 특히 전기 흡착, 환원-산화 반응, 및/또는 층간삽입 프로세스를 통해 달성될 수 있다. 이들 패러데이 프로세스는 의사 커패시터가 보다 높은 정전용량 및 에너지 밀도를 달성하게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 의사 커패시터에 사용되는 내부 전극(112, 114)은 낮은 ESR 및 비용에 추가하여 높은 정전용량 및 전도성을 가질 수 있는 전도성 폴리머를 포함한다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은, 음극(114)이 음으로 하전된(n-도핑된) 전도성 폴리머를 포함하고 양극(112)은 양으로 하전된(p-도핑된) 전도성 폴리머를 포함하는 n형/p형 폴리머 구성을 갖는다.
일부 실시예에서, 의사 커패시터의 내부 전극(112, 114)은 높은 정전용량으로 인해 루테늄 산화물과 같은 금속 산화물을 포함한다. 루테늄 산화물의 정전용량은 양자의 비정질 구조 내로의 삽입 및 제거 또는 층간삽입을 통해 달성될 수 있다. 가수 형태에서, 루테늄 산화물은 탄소 기반 및 전도성 폴리머 재료보다 큰 정전용량을 가질 수 있다. 더욱이, 가수 루테늄 산화물의 ESR은 다른 전극 재료에 비해 더 낮을 수 있다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 나노입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 메소 공극 및 결정도는 최대 의사 정전용량을 얻기 위해 나노입자 내에 유지될 수 있다. 전하 저장 용량의 개선은 외부 벽의 다공성에 따라 좌우될 수 있다. 메소 다공성 및 결과적인 나노 미립자 특성은 큰 표면 및 용이한 층간삽입을 생성할 수 있다. 동시에, 결정도는 입자 경계 및 관련된 물질 전달 효과를 감소시키기 위해 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 주형 방법에 의해 합성된 TiO2 또는 MoO3을 포함한다. 졸-겔 유도 물질과 비교하여, 주형-합성된 물질은 보다 발달되고 정렬된 공극을 가질 수 있어서, 전해질을 내부 공극 내로 쉽게 확산시키고 정전용량 및 층간삽입을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 울트라커패시터 전지(110)는 전하를 저장하기 위해 패러데이 및 비패러데이 프로세스를 모두 이용할 수 있는 하이브리드 커패시터를 포함한다. 하이브리드 커패시터는 사이클링 안정성 및 경제성을 희생시키지 않으면서 높은 에너지 및 전력 밀도를 달성할 수 있다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 하이브리드 커패시터를 형성하도록 복합 전극을 포함한다. 복합 전극은 전도성 폴리머 및/또는 금속 산화물 재료를 갖는 탄소 기반 재료를 포함할 수 있다. 탄소 기반 재료는 전하의 용량성 이중층의 형성을 용이하게 하고 퇴적된 유사 용량성 재료와 전해질(115) 사이의 접촉을 증가시키는 높은 표면적 백본을 제공할 수 있다. 의사 용량성 재료는 패러데이 반응을 통해 복합 전극의 정전용량을 추가로 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 내부 전극(112, 114)은 탄소 나노튜브 및 전도성 폴리머(예를 들어, 폴리피롤)로 구성된 복합 전극을 포함한다. 이 조합은 순수한 탄소 나노튜브 기반 전극 또는 순수한 폴리피롤 폴리머 기반 전극과 비교하여 보다 높은 정전용량을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 울트라커패시터 전지(110)는 EDLC 전극을 의사 커패시터 전극과 연결함으로써 패러데이 및 비패러데이 프로세스를 결합하는 비대칭성 구성을 포함한다. 음극(114)은 활성 탄소 전극을 포함할 수 있고, 및/또는 양극(112)은 전도성 폴리머 전극을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 울트라커패시터(110)는 단일 울트라커패시터 전지에서 2개의 상이한 유형의 전극을 연결하는 배터리형 구성을 포함한다. 배터리형 하이브리드 커패시터는 일반적으로 배터리 전극을 갖는 울트라커패시터 전극을 포함한다. 일부 실시예에서, 배터리 전극은 특히 수산화니켈, 이산화납, 및/또는 티탄산리튬(예를 들어, Li4Ti5O12)을 포함한다. 일부 실시예에서, 울트라커패시터 전극은 활성 탄소 또는 본 명세서에 설명된 임의의 다른 재료를 포함한다.
결론
본 발명의 다양한 실시예가 본 명세서에 설명되고 예시되었지만, 본 기술 분야의 숙련자는 기능을 수행하고 및/또는 결과 및/또는 본 명세서에 설명된 하나 이상의 이점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 용이하게 안출할 것이며, 그러한 변형 및/또는 수정 각각은 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 보다 일반적으로, 본 기술 분야의 숙련자는 본 명세서에 설명된 모든 파라미터, 치수, 재료, 및 구성이 예시적인 것으로 의도되며 실제 파라미터, 치수, 재료, 및/또는 구성이 본 발명의 교시가 사용되는 특정 용례 또는 용례들에 따라 좌우될 것임을 쉽게 이해할 것이다. 본 기술 분야의 숙련자는 일상적인 실험을 사용하여 본 명세서에 설명된 본 발명의 특정 실시예와 많은 균등물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 앞서 설명한 실시예는 단지 예로서 제시된 것이며 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에서, 본 발명의 실시예는 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 본 개시내용의 발명의 실시예는 본 명세서에 설명된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법에 관한 것이다. 게다가, 그러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법이 서로 일치하지 않는 경우, 그러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법 중 2개 이상의 임의의 조합이 본 개시내용의 발명의 범위 내에 포함된다.
앞서 설명한 실시예는 임의의 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서의 실시예는, 예를 들어 리튬 이온 배터리와 같은 전기 화학 디바이스를 설명하지만, 본 명세서에 설명된 시스템, 방법, 및 원리는 전기 화학적 활성 매체를 함유하는 모든 디바이스에 적용 가능하다. 적어도 활성 물질(전하 캐리어의 소스 또는 싱크), 전기 전도성 첨가제, 및 예를 들어, 배터리, 커패시터, 전기 이중층 커패시터(예를 들어, 울트라커패시터), 의사 커패시터 등과 같은 이온 전도성 매체(전해질)를 포함하는 임의의 전극 및/또는 디바이스가 본 개시내용의 범위 내에 있다. 더욱이, 실시예는 비수성 및/또는 수성 전해질 배터리 화학 물질과 함께 사용될 수 있다.
다른 예에서, 실시예는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는 단일 컴퓨터에 제공되든 다수의 컴퓨터 중에 분산되어 있든지 임의의 적절한 프로세서 또는 프로세서 컬렉션 상에서 실행될 수 있다. 또한, 컴퓨터는 랙 장착형 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 또는 태블릿 컴퓨터와 같은 다수의 형태 중 임의의 형태로 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 게다가, 컴퓨터는 일반적으로 컴퓨터로 고려되지 않지만 개인 휴대 정보 단말기(Personal Digital Assistant)(PDA), 스마트 폰 또는 임의의 다른 적절한 휴대용 또는 고정식 전자 디바이스를 포함하여 적절한 처리 능력을 갖는 디바이스에 내장될 수 있다.
또한, 컴퓨터는 하나 이상의 입력 및 출력 디바이스를 가질 수 있다. 이들 디바이스는 특히 사용자 인터페이스를 제공하도록 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스를 제공하는 데에 사용될 수 있는 출력 디바이스의 예는 출력 및 스피커의 시각적 표현을 위한 프린터 또는 디스플레이 스크린 또는 출력의 청각 표현을 위한 다른 사운드 생성 디바이스를 포함한다. 사용자 인터페이스에 사용될 수 있는 입력 디바이스의 예는 키보드, 및 마우스, 터치 패드 및 디지타이징 태블릿과 같은 포인팅 디바이스를 포함한다. 다른 예로서, 컴퓨터는 음성 인식을 통해 또는 다른 가청 포맷으로 입력 정보를 수신할 수 있다.
그러한 컴퓨터는 근거리 네트워크 또는 기업 네트워크와 같은 광역 네트워크, 및 지능형 네트워크(intelligent network)(IN) 또는 인터넷을 포함하여 임의의 적절한 형태의 하나 이상의 네트워크에 의해 상호 연결될 수 있다. 그러한 네트워크는 임의의 적절한 기술에 기초할 수 있고 임의의 적절한 프로토콜에 따라 작동할 수 있으며 무선 네트워크, 유선 네트워크 또는 광섬유 네트워크를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개설된 다양한 방법 또는 프로세스(예를 들어, 위에서 개시된 보유/전달 구조의 설계 및 제조)는 다양한 운영 체제 또는 플랫폼 중 어느 하나를 채용하는 하나 이상의 프로세서에서 실행 가능한 소프트웨어로서 코딩될 수 있다. 게다가, 그러한 소프트웨어는 다수의 적절한 프로그래밍 언어 및/또는 프로그래밍 또는 스크립팅 툴 중 임의의 것을 사용하여 기입될 수 있고, 또한 프레임워크 또는 가상 기계에서 실행되는 실행 가능한 기계 언어 코드 또는 중간 코드로서 컴파일링될 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 개념은 하나 이상의 방법으로 구현될 수 있으며, 그 중 하나의 예가 제공되었다. 방법의 일부로서 수행되는 동작은 임의의 적절한 방식의 순서로 수행될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서 순차적인 동작으로 도시되어 있더라도, 일부 동작을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과 상이한 순서로 동작이 수행되는 실시예가 구성될 수 있다.
본 명세서에서 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허 및 기타 참고 문헌은 그 전체가 참조로 포함된다.
본 명세서에 정의되고 사용된 모든 정의는 사전 정의, 참조에 의해 포함된 문헌에서의 정의, 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미를 제어하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 단수 표현은, 달리 명백하게 지시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 문구 "및/또는"은 그렇게 결합된 요소들 중 "둘 중 하나 또는 둘 모두", 즉 일부 경우에 공동으로 제공되고 다른 경우에 분리적으로 제공되는 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 나열된 다수의 요소는 동일한 방식으로, 즉 그렇게 결합된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. 구체적으로 확인된 요소와 관련이 있든 관련이 없든지, "및/또는" 절에 의해 구체적으로 확인된 요소 이외의 다른 요소가 임의로 제공될 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때 "A 및/또는 B"에 대한 언급은, 예를 들어 일 실시예에서 A만(임의로 B 이외의 요소를 포함)을; 다른 실시예에서, B만(임의로 A 이외의 요소를 포함)을; 또 다른 실시예에서, A 및 B 모두(임의로 다른 요소를 포함)를 지칭할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 앞서 정의된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉 다수의 또는 목록의 요소들 중 적어도 하나(뿐만 아니라 하나 초과를 포함), 및 임의로 나열되지 않은 추가의 항목을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "~중 단하나" 또는 "~중 정확히 하나"와 같이 반대로 명확하게 나타내는 유일한 항목, 또는 청구범위에서 사용될 때, "~이루어지는"은 다수의 또는 목록의 요소들 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 "또는"은, "~중 어느 하나", "~중 하나", "~중 단 하나", 또는 "~중 정확히 하나"와 같은 배타성 용어가 뒤따를 때, 배타적인 대체물(즉, "하나 또는 다른 하나이지만 둘 모두는 아님")을 나타내는 것으로만 해석되어야 한다. 청구범위에서 사용될 때 "~로 본질적으로 이루어지는"은 특허법의 분야에서 사용되는 일반적인 의미를 가져야 한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소들의 목록과 관련하여 문구 "적어도 하나"는, 요소들의 목록에서 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 하지만, 요소 목록에 구체적으로 나열된 각각의 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함할 필요는 없으며 요소 목록에서 요소들의 임의의 조합을 배제하지 않는다. 이 정의는 또한 구체적으로 확인된 요소와 관련이 있든 관련이 없든지, 문구 "적어도 하나"가 지칭하는 요소 목록 내에서 구체적으로 확인된 요소 이외의 요소가 임의로 존재할 수 있음을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서, 임의로 A를 1개 초과하여 포함하고 B는 존재하지 않는(그리고 임의로 B 이외의 요소를 포함) 적어도 하나; 다른 실시예에서, 임의로 B를 1개 초과하여 포함하고 A는 존재하지 않는(그리고 임의로 A 이외의 요소를 포함) 적어도 하나; 또 다른 실시예에서, 임의로 A를 1개 초과하여 포함하는 적어도 하나 및 임의로 B를 1개 초과하여 포함하는(그리고 임의로 다른 요소를 포함) 적어도 하나 등을 지칭할 수 있다.
청구범위 및 상기 명세서에서, "구비하는", "포함하는", "갖춘", "갖는", "함유하는", "수반하는", "보유하는", "구성되는" 등과 같은 모든 이행 문구는 개방형이 되는 것으로, 즉 포함하지만 이에 제한되지 않는 점을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이행 문구 "~로 이루어지는" 및 "~로 본질적으로 이루어지는"만이 각각 미국 특허청의 특허 심사 절차 매뉴얼 섹션 2111.03에 기재된 바와 같이 폐쇄형 또는 반-폐쇄형 이행 문구가 될 것이다.

Claims (36)

  1. 시스템이며,
    하우징 내에 실질적으로 둘러싸인 에너지 저장 디바이스;
    상기 에너지 저장 디바이스를 외부 디바이스와 전기적으로 연결하기 위한 제1 단자 및 제2 단자 - 상기 제1 단자 및 제2 단자는 하우징의 외부에 있음 -; 및
    상기 에너지 저장 디바이스와 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나 사이의 전기적 연결을 제어하기 위해 상기 하우징 내에 실질적으로 둘러싸인 스위치 디바이스를 포함하고, 상기 스위치 디바이스는 에너지 저장 디바이스와 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나 사이에 작동 가능하게 배치되는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장 디바이스는 슈퍼커패시터, EDLC, 및 울트라커패시터 중 하나 이상을 포함하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장 디바이스는 배터리를 포함하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스위치 디바이스는 고체 상태(solid state)인, 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스위치 디바이스는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 포함하는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하우징 내에 실질적으로 둘러싸인 스위치 디바이스는 상기 에너지 저장 디바이스와 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나 사이의 전기적 연결을 단절하기 위한 외부 액추에이터를 포함하지 않는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 디바이스를 제어하도록 스위치 디바이스에 작동 가능하게 연결된 제어기를 더 포함하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어기는 하우징 내에 실질적으로 둘러싸여 있는, 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제어기는 유선 통신 및 무선 통신 중 하나 이상을 통해 상기 스위치 디바이스에 작동 가능하게 연결되는, 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 스위치 디바이스는 오직 무선 제어 신호에 응답하여 구동되도록 구성되는, 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제어기는 블루투스 통신을 통해 스위치에 작동 가능하게 연결되는, 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 블루투스 통신을 통해 상기 에너지 저장 디바이스에 관한 상태 정보를 수신하도록 추가로 구성되는, 시스템.
  13. 제7항에 있어서, 상기 제어기는 상기 에너지 저장 디바이스의 과충전 상태에 응답하여 상기 스위치 디바이스를 구동시켜 상기 에너지 저장 디바이스를 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나로부터 단절하도록 구성되는, 시스템.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 에너지 저장 디바이스 둘레의 주변 온도를 측정하도록 상기 제어기에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 센서를 더 포함하고, 상기 제어기는 주변 온도가 임계값보다 큰 것에 응답하여 상기 스위치 디바이스를 구동시켜 상기 에너지 저장 디바이스를 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나로부터 단절하도록 구성되는, 시스템.
  15. 제7항에 있어서,
    내부 하우징 온도를 측정하도록 상기 제어기에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 센서를 더 포함하고, 상기 제어기는 내부 하우징 온도가 임계값보다 큰 것에 응답하여 상기 스위치 디바이스를 구동시켜 상기 에너지 저장 디바이스를 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나로부터 단절하도록 구성되는, 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 에너지 저장 디바이스는 울트라커패시터를 포함하고 외부 디바이스는 배터리를 포함하는, 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 울트라커패시터 및 배터리에 작동 가능하게 연결되어 배터리와 울트라커패시터 사이의 에너지 전달을 용이하게 하도록 구성된 DC-DC 컨버터를 더 포함하는, 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 스위치 디바이스는 2개 이상의 MOSFET를 포함하는, 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    스위치 디바이스를 제어하도록 스위치 디바이스에 작동 가능하게 연결된 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 스위치 디바이스를 선택적으로 구동시켜 상기 에너지 저장 디바이스를 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나로부터 단절하도록 구성되는, 시스템.
  20. 제16항에 있어서, 상기 제어기는 울트라커패시터 또는 에너지 저장 디바이스 중 적어도 하나에 의해 전력을 공급받는, 시스템.
  21. 제16항에 있어서,
    세류 충전 스위치를 더 포함하고, 상기 세류 충전 스위치는 울트라커패시터 및 배터리에 전기적으로 연결되어 울트라커패시터를 미리 결정된 임계값으로 충전하도록 구성되는, 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 세류 충전 스위치는 MOSFET를 포함하는, 시스템.
  23. 하우징을 포함하는 에너지 저장 디바이스, 에너지 저장 디바이스를 외부 디바이스와 전기적으로 연결하기 위한 제1 단자 및 제2 단자, 및 하우징 내에 실질적으로 둘러싸이고 에너지 저장 디바이스와 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나 사이에 작동 가능하게 배치된 스위치 디바이스를 포함하는 시스템을 작동시키는 방법이며, 상기 방법은 스위치 디바이스를 구동시켜,
    에너지 저장 디바이스로부터 외부 디바이스로 에너지를 제공하는 것 및 외부 디바이스로부터의 에너지로 에너지 저장 디바이스를 충전하는 것 중 하나 이상을 방지하도록 에너지 저장 디바이스를 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나로부터 단절시키는 것; 및
    에너지 저장 디바이스로부터 외부 디바이스로 에너지를 제공하는 것 및 외부 디바이스로부터의 에너지로 에너지 저장 디바이스를 충전하는 것 중 하나 이상을 인에이블하도록 에너지 저장 디바이스를 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나에 연결하는 것
    중 적어도 하나를 행하게 하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 에너지 저장 디바이스는 슈퍼커패시터, EDLC, 및 울트라커패시터 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장 디바이스는 배터리를 포함하는, 방법.
  26. 제23항에 있어서, 상기 스위치 디바이스는 고체 상태인, 방법.
  27. 제23항에 있어서, 상기 스위치 디바이스는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 포함하는, 방법.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 스위치 디바이스를 제어하도록 스위치 디바이스에 작동 가능하게 연결된 제어기를 더 포함하는, 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제어기는 하우징 내에 실질적으로 둘러싸여 있는, 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 제어기는 유선 통신 및 무선 통신 중 하나 이상을 통해 상기 스위치 디바이스에 작동 가능하게 연결되는, 방법.
  31. 제28항에 있어서, 상기 제어기는 블루투스 통신을 통해 스위치에 작동 가능하게 연결되는, 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 제어기는 블루투스 통신을 통해 상기 에너지 저장 디바이스에 관한 상태 정보를 수신하도록 추가로 구성되는, 방법.
  33. 제28항에 있어서, 상기 제어기는 상기 에너지 저장 디바이스의 과충전 상태에 응답하여 상기 스위치 디바이스를 구동시켜 상기 에너지 저장 디바이스를 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나로부터 단절하도록 구성되는, 방법.
  34. 제28항에 있어서, 상기 제어기는 주변 온도가 임계값보다 큰 것에 응답하여 상기 스위치 디바이스를 구동시켜 상기 에너지 저장 디바이스를 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나로부터 단절하도록 구성되는, 방법.
  35. 제28항에 있어서, 상기 제어기는 내부 하우징 온도가 임계값보다 큰 것에 응답하여 상기 스위치 디바이스를 구동시켜 상기 에너지 저장 디바이스를 상기 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나로부터 단절하도록 구성되는, 방법.
  36. 하우징을 포함하는 에너지 저장 디바이스, 에너지 저장 디바이스에 전기적으로 연결되도록 구성되는 제1 단자 및 제2 단자, 및 하우징 내에 실질적으로 둘러싸이고 에너지 저장 디바이스와 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나 사이에 작동 가능하게 배치된 스위치 디바이스를 포함하는 시스템을 작동시키는 방법이며, 상기 방법은,
    에너지 저장 디바이스로부터 외부 디바이스로 에너지를 제공하는 것 및 외부 디바이스로부터의 에너지로 에너지 저장 디바이스를 충전하는 것 중 적어도 하나를 행하도록 제1 단자 및 제2 단자를 외부 디바이스에 전기적으로 연결하는 단계; 및
    에너지 저장 디바이스를 전기적으로 안전하게 하도록 스위치 디바이스를 구동시켜 에너지 저장 디바이스를 제1 단자 및 제2 단자 중 적어도 하나로부터 단절시키는 단계를 포함하는, 방법.
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