KR20230019454A - 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20230019454A
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교세라 에이브이엑스 컴포넌츠 코포레이션
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Abstract

울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 복수의 전압 측정치들을 획득하는 단계를 포함한다. 복수의 전압 측정치 각각은 복수의 간격들 중 하나에서 순차적으로 획득될 수 있다. 또한, 상기 복수의 전압 측정치 각각은 상기 울트라커패시터 양단의 전압을 나타낼 수 있다. 상기 방법은 상기 복수의 전압 측정치들 중 2개의 연속적인 전압 측정치에 기초하여 상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 상기 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 실제 전압 단계가 상기 임계 전압 단계를 초과하는지 결정하는 것에 응답하여, 상기 방법은, 상기 울트라커패시터에 대한 유지 보수 작업 수행과 관련된 알림을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법
우선권 주장
본 출원은 2020년 6월 2일에 출원된 "울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법"이라는 제목의 미국 가특허 출원 일련 번호 63/033,390의 우선권을 주장하며, 이 출원은 여기에 참조로 포함된다.
전기 에너지 저장 전지는 전자, 전기 기계, 전기 화학 및 기타 유용한 장치에 전력을 공급하는 데 널리 사용된다. 예를 들어, 이중층 울트라커패시터는 액체 전해질이 함침된 탄소 입자(예: 활성탄)를 포함하는 한 쌍의 분극성 전극을 사용할 수 있다. 입자의 유효 표면적과 전극 사이의 작은 간격으로 인해 큰 정전 용량 값을 얻을 수 있다. 개별 이중층 캐패시터는 함께 결합되어 상승된 출력 전압 또는 증가된 에너지 용량을 갖는 모듈을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 양태는, 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제어 회로를 통해 복수의 전압 측정치들을 획득하는 단계를 포함한다. 복수의 전압 측정치 각각은 복수의 간격들 중 하나에서 순차적으로 획득될 수 있다. 또한, 상기 복수의 전압 측정치 각각은 상기 울트라커패시터 양단의 전압을 나타낼 수 있다. 상기 방법은 상기 복수의 전압 측정치들 중 2개의 연속적인 전압 측정치에 기초하여 상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계를, 상기 제어 회로를 통해 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 상기 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지를, 상기 제어 회로를 통해 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 실제 전압 단계가 상기 임계 전압 단계를 초과하는지 결정하는 것에 응답하여, 상기 방법은, 상기 울트라커패시터에 대한 유지 보수 작업 수행과 관련된 알림을, 상기 제어 회로를 통해 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는, 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 상기 울트라커패시터를 전원 또는 부하에 선택적으로 연결하도록 구성된 하나 이상의 스위칭 디바이스이다. 상기 시스템은 상기 하나 이상의 스위칭 디바이스에 통신 가능하게 결합된 제어 회로를 더 포함한다. 상기 제어 회로는 복수의 전압 측정치들을 획득한다. 복수의 전압 측정치 각각은 복수의 간격들 중 하나에서 순차적으로 획득될 수 있다. 또한, 상기 복수의 전압 측정치 각각은 상기 울트라커패시터 양단의 전압을 나타낼 수 있다. 상기 제어 회로는 또한 상기 복수의 전압 측정치들 중 2개의 연속적인 전압 측정치에 기초하여 상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계를 결정하도록 구성된다. 상기 제어 회로는 추가로 상기 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하도록 구성된다. 또한, 상기 실제 전압 단계가 상기 임계 전압 단계를 초과하는지 결정하는 것에 응답하여, 상기 제어 회로는 상기 울트라커패시터에 대한 유지 보수 작업 수행과 관련된 알림을 제공하도록 구성된다.
본 발명의 다른 특징들 및 양태들은 아래에서 보다 상세히 설명된다.
당업자에게 지시되는 본 발명의 최선의 형태를 포함하는 본 발명의 완전하고 가능하게 하는 개시는 특히 첨부된 도면을 참조하는 명세서의 나머지 부분에서 설명된다:
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 다른 시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 울트라커패시터와 연관된 충전-방전 곡선의 그래픽 표현을 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다.
본 명세서 및 도면에서 참조 문자들의 반복 사용은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징들 또는 요소들을 나타내기 위한 것이다.
당업자는 본 논의가 예시적인 실시예들의 설명일 뿐이며 본 발명의 더 넓은 양태들을 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해해야 하며, 더 넓은 양태들은 예시적인 구성에서 구현된다.
본 발명의 예시적인 양태들은 울트라커패시터의 하나 이상의 특성(예를 들어, 커패시턴스, 등가 직렬 저항(ESR) 등)을 모니터링하는 시스템 및 관련 방법에 관한 것이다. 시스템은 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 결정하기 위해 전압 단계(예를 들어, 시간에 대한 울트라커패시터 양단의 전압 변화)를 모니터링하도록 구성된 제어 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 울트라커패시터 양단의 전압을 나타내는 복수의 전압 측정치들을 얻도록 구성될 수 있다. 복수의 전압 측정치들 각각은 복수의 간격들 중 하나에서 순차적으로 얻어질 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 제어 회로는 약 2 밀리초마다 전압 측정치를 얻도록 구성될 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "약"은 명시된 수치의 10% 이내의 값 범위를 의미한다.
제어 회로는 2개의 연속적인 전압 측정치들에 기초하여 복수의 간격들 중 하나의 간격에 대한 울트라커패시터의 실제 전압 단계를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 제1 전압 측정치 및 제2 전압 측정치를 얻을 수 있다. 제1 전압 측정치는 제1 시간에서 울트라커패시터 양단의 전압을 나타낼 수 있다. 제2 전압 측정치는 간격에 대응하는 시간만큼 제1 시간 후에 발생하는 제2 시간에서 울트라커패시터 양단의 전압을 나타낼 수 있다. 제어 회로는 제1 전압 측정치 및 제2 전압 측정치에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라커패시터의 실제 전압 단계를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 시간 간격(예: 제1 전압 측정치와 제2 전압 측정치 사이의 경과 시간) 동안 울트라커패시터의 실제 전압 단계를 결정하기 위해 제1 전압 측정치와 제2 전압 측정치 사이의 차이를 결정하도록 구성될 수 있다.
제어 회로는 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 제어 회로는 시간 간격 동안 울트라커패시터에 제공되는 전류의 크기 및 시간 간격에 적어도 부분적으로 기초하여 임계 전압 단계를 결정하도록 구성될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 울트라커패시터의 임계 전압 단계는 적어도 부분적으로 전류를 갖는 울트라커패시터 양단의 최대 전압에 기초하여 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 전류에 따른 최대 전압 변화는 울트라커패시터의 커패시턴스 및 울트라커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 일부 구현들에서, 임계 전압 단계는 전류에 따른 울트라커패시터의 최대 전압 변화의 약 2배 또는 3배일 수 있다.
제어 회로는 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하도록 추가로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 실제 전압 단계의 크기를 임계 전압 단계의 크기와 비교하여 실제 전압 단계가 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하도록 구성될 수 있다.
울트라커패시터의 실제 전압 단계가 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과한다고 결정하는 것에 응답하여, 제어 회로는 울트라커패시터에 대한 유지보수 작업을 수행할 필요성을 나타내는 전자 통신을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서 전자 통신은 텍스트 메시지 또는 이메일일 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 전자 통신은 가청 경고 또는 통지(예를 들어, 자동 전화 통화)일 수 있다. 이러한 방식으로 통지는 사람(예를 들어 기술자)에게 울트라커패시터를 수리 또는 교체하도록 촉구할 수 있다.
일부 구현들에서, 제어 회로는 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하는 것에 응답하여 하나 이상의 스위칭 디바이스의 제어 동작과 연관된 하나 이상의 제어 신호를 제공하도록 추가로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 하나 이상의 제어 신호는 전원(예를 들어, DC 전원)으로부터 울트라커패시터를 분리하기 위해 하나 이상의 스위칭 디바이스의 제어 동작과 연관될 수 있다. 이러한 방식으로, 사람이 울트라커패시터에 대한 유지보수 조치를 수행하기 위해 도착할 때 울트라커패시터는 전원으로부터 분리될 수 있다. 추가적으로, 일부 구현들에서, 하나 이상의 제어 신호는 전기 부하로부터 전원을 분리하는 것과 연관될 수 있다. 이러한 방식으로, 사람이 울트라커패시터에 대한 유지보수 조치를 수행하기 위해 도착할 때 울트라커패시터는 전기 부하로부터 분리될 수 있다.
울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 시스템 및 관련 방법은 수많은 기술적 효과와 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 제어 회로가 이미 수신하고 있는 복수의 전압 측정치에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다. 이러한 방식으로, 추가 하드웨어 없이 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다. 더욱이, 제어 회로는 울트라커패시터가 오프라인이 될 필요 없이(예를 들어, 전원으로부터 분리됨) 울트라커패시터의 하나 이상의 조건을 결정할 수 있다. 이러한 방식으로, 울트라커패시터가 온라인 상태(예를 들어, 전원에 연결됨)인 동안에도 울트라커패시터의 하나 이상의 특성이 결정될 수 있다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 울트라커패시터(110)의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템(100)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 울트라커패시터(110)는 전원(130)(예를 들어, 직류)과 부하(132) 사이에 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 전원(130)은 울트라커패시터(110)를 충전할 수 있다. 또한, 울트라커패시터(110)는 부하(132)에 전류를 제공(예를 들어, 방전)할 수 있다.
도시된 바와 같이, 시스템(100)은 제어 회로(140)를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 제어 회로(140)는 처리 회로(미도시)를 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "프로세서" 또는 "처리 회로"라는 용어는 당업계에서 컴퓨터에 포함된 것으로 언급되는 집적 회로를 의미할 뿐만 아니라, 컨트롤러, 마이크로컨트롤러, 마이크로컴퓨터, PLC(Programmable Logic Controller), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 기타 프로그래밍 가능 회로들을 의미하기도 한다.
제어 회로(140)는 울트라커패시터(110) 양단의 전압을 나타내는 복수의 신호(150)를 얻도록 구성될 수 있다. 또한, 제어 회로(140)는 복수의 신호(150)에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라커패시터(110)의 하나 이상의 특성(예를 들어, 커패시턴스, ESR(등가 직렬 저항) 등)을 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(140)는 2개의 연속 전압 측정들 사이의 시간 경과 간격에 걸쳐 울트라커패시터(110) 양단의 전압 변화의 크기에 적어도 부분적으로 기초하여 울트라커패시터(110)의 커패시턴스가 감소하고 있다고 결정하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 제어 회로(140)는 울트라커패시터(110)의 ESR이 시간 간격에 걸쳐 울트라커패시터(110) 양단의 전압 변화의 크기에 적어도 부분적으로 기초하여 증가하고 있다고 결정하도록 구성될 수 있다. 어느 경우든, 제어 회로(140)는 사람(예를 들어, 기술자)이 울트라커패시터(110)에 대한 유지 보수 작업을 수행하도록 촉구하는 전자 통신을 제공하도록 구성될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 시스템(100)의 다른 실시예가 제공된다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 울트라커패시터(110)와 전원(130)(예를 들어, 직류(DC) 전원) 사이에 결합된 제1 스위칭 디바이스(120)를 포함할 수 있다. 제1 스위칭 디바이스(120)는 울트라커패시터(110)가 전원(130)으로부터 분리되는 제1 상태(도 1) 및 울트라커패시터(110)가 전원(130)에 결합되는 제2 상태(미도시)로 구성될 수 있다. 울트라커패시터(110)가 제1 스위칭 디바이스(120)를 통해 전원(130)에 결합될 때, 울트라커패시터(110)는 전원(130)으로부터 전력을 인출할 수 있다. 이와 같이 전원(130)은 제1 스위칭 디바이스(120)가 제1 상태일 때 울트라 커패시터(110)를 충전할 수 있다.
시스템(100)은 울트라커패시터(110)와 부하(132) 사이에 결합된 제2 스위칭 디바이스(122)를 더 포함할 수 있다. 제2 스위칭 디바이스(122)는, 울트라커패시터(110)가 부하(132)로부터 분리되는 제1 상태(도 1) 및 울트라커패시터(110)가 제2 스위칭 디바이스(122)를 통해 부하(132)에 결합되는 제2 상태(미도시)로 구성 가능할 수 있다. 제2 스위칭 디바이스(122)가 제2 상태에 있을 때, 울트라커패시터(110)는 부하(132)에 전류를 제공할 수 있다.
일부 구현들에서, 제1 스위칭 디바이스(120) 및 제2 스위칭 디바이스(122)는 트랜지스터(예를 들어, 전계 효과 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 그러나, 제1 스위칭 디바이스(120) 및 제2 스위칭 디바이스(122)는 울트라커패시터(110)를 전원(130)에 선택적으로 연결하도록 구성된 임의의 적절한 디바이스를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 전원(130)으로부터 전력을 인출하는 부하(132)는 적절한 부하를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
제어 회로(140)는 제1 스위칭 디바이스(120) 및 제2 스위칭 디바이스(122)에 통신가능하게 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 제어 회로(140)는 제1 스위칭 디바이스(120) 및 제2 스위칭 디바이스(122)에 각각 하나 이상의 제어 신호(160, 162)를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 하나 이상의 제어 신호(160, 162)는 각각 제1 스위칭 디바이스(120) 및 제2 스위칭 디바이스(122)의 제어 동작과 연관될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(140)는 울트라커패시터의 충전을 제어하기 위해 제1 스위칭 디바이스(120)를 통해 울트라커패시터(110)를 전원(130)에 연결하는 것과 관련된 하나 이상의 제어 신호(160)를 제공할 수 있다. 대안적으로, 제어 회로는 울트라커패시터(110)의 방전을 제어하기 위해 울트라커패시터(110)를 전원(130)으로부터 분리하는 것과 관련된 하나 이상의 제어 신호(160) 및/또는 울트라커패시터(110)를 부하(132)에 연결하는 것과 관련된 하나 이상의 제어 신호(162)를 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 울트라커패시터의 충전-방전 곡선(200)의 그래픽 표현을 도시한다. 보다 구체적으로, 2회의 충방전 사이클 동안 시간에 따른 울트라커패시터의 전압 변화를 나타내었다. 도시된 바와 같이, 울트라커패시터에 걸쳐 측정된 전압은 충전 사이클 동안 시간에 따라 증가한다. 반대로, 울트라커패시터에서 측정된 전압은 방전 사이클 동안 시간에 따라 감소한다. 또한, 적어도 부분적으로 울트라커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)으로 인한 전압 단계(210)는 울트라커패시터가 충전 사이클과 방전 사이클 사이에서 전환할 때마다 발생한다.
도시된 바와 같이, 충전-방전 곡선(200)은 울트라커패시터(110)(도 1 및 도 2) 양단의 전압을 나타내는 복수의 전압 측정치들(220)을 포함할 수 있다. 복수의 전압 측정치들(220)은 복수의 간격들(230) 중 하나의 간격에서 순차적으로 획득될 수 있다. 예를 들어, 복수의 전압 측정치들 각각은 균일한 시간 간격(예를 들어, 2밀리초마다)으로 순차적으로 얻어질 수 있다.
그러나, 복수의 전압 측정치들이 임의의 적절한 시간 간격으로 얻어질 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 복수의 전압 측정치들 각각은 홀수 간격으로(예를 들어, 3밀리초마다) 순차적으로 획득될 수 있다. 또한, 일부 구현들에서, 복수의 시간 간격들 각각의 기간은 동일할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 각 간격은 약 2밀리초일 수 있다. 아래에서 자세히 다루겠지만, 도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 논의된 시스템(100)의 제어 회로(140)는, 울트라커패시터(110)의 하나 이상의 특성을 결정하기 위해 간격(230) 동안 울트라커패시터(110)의 전압 단계가 간격(230) 동안 울트라커패시터(110)의 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하기 위해 복수의 전압 측정치들(220)을 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 방법(300)의 흐름도를 도시한다. 방법(300)은, 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 도 4는 설명 및 논의를 위해 특정 순서로 수행되는 단계들을 도시한다. 본 명세서에 제공된 개시내용을 사용하는 당업자는, 본 명세서에 개시된 임의의 방법의 다양한 단계들은 생략, 재배열, 동시에 수행, 확장, 수정 및/또는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다양한 방식으로 적응될 수 있음을 이해할 것이다.
302에서, 방법(300)은 제어 회로를 통해 복수의 전압 측정치들을 얻는 것을 포함할 수 있다. 특히, 복수의 전압 측정치들 각각은 복수의 시간 간격들 중 하나에서 순차적으로 얻어질 수 있다. 또한, 복수의 전압 측정치들 각각은 주어진 순간에 울트라커패시터 양단의 전압을 나타낼 수 있다.
304에서, 방법(300)은 302에서 획득된 복수의 전압 측정치들 중 2개의 연속적인 전압 측정치들에 적어도 부분적으로 기초하여 제어 회로를 통해 울트라커패시터의 실제 전압 단계를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 제어 회로는, 제1 시점에서 울트라커패시터 양단 전압을 나타내는 제1 전압 측정 및 제2 시점에서 울트라커패시터 양단 전압을 나타내는 제2 전압 측정에 적어도 부분적으로 기초한 실제 전압 단계를 결정하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 회로는 시간 간격(예를 들어, 제1 전압 측정치와 제2 전압 측정치 사이의 시간 경과) 동안 울트라커패시터의 실제 전압 단계를 결정하기 위해 제1 전압 측정치와 제2 전압 측정치 사이의 차이를 결정하도록 구성될 수 있다.
306에서, 방법(300)은 울트라커패시터의 커패시턴스 및 울트라커패시터에 제공되는 전류에 적어도 부분적으로 기초하여 제어 회로를 통해 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 임계 전압 단계는 울트라커패시터에 전류를 제공함으로써 결정될 수 있다. 그러한 구현들에서, 임계 전압 단계는 울트라커패시터의 커패시턴스 및 울트라커패시터에 제공되는 전류의 크기에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 울트라커패시터의 커패시턴스와 울트라커패시터의 ESR에 적어도 부분적으로 기초하여 전류를 공급받는 동안 울트라커패시터의 최대 전압 변화가 결정될 수 있다. 일부 구현들에서, 임계 전압 단계는 전류를 수신하는 동안 울트라커패시터의 최대 전압 변화보다 약 2배 또는 3배 더 클 수 있다.
308에서, 방법(300)은 304에서 결정된 바와 같은 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 306에서 결정된 바와 같은 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 울트라커패시터의 실제 전압 단계의 크기를 울트라커패시터에 대한 임계 전압 단계의 크기와 비교하도록 구성될 수 있다. 울트라커패시터의 실제 전압 단계의 크기가 울트라커패시터의 임계 전압 단계의 크기를 초과하면, 제어 회로는 울트라커패시터의 커패시턴스가 감소하고 있거나 울트라커패시터의 ESR이 증가하고 있다고 결정할 수 있다. 또한, 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하면 310으로 진행한다. 그렇지 않으면, 방법(300)은 302로 되돌아간다.
310에서, 방법(300)은, 308에서 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과한다는 결정에 응답하여 울트라커패시터에 대한 유지 보수 작업을 수행하는 것과 관련된 전자 통신을 하나 이상의 프로세서를 통해 제공하는 것을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 전자 통신은 시각적 알림(예를 들어, SMS 메시지, 이메일 등)을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 전자 통신은 청각적 알림(예를 들어, 청각적 경고, 자동 전화 통화 등)을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 전자 통신은 사람(예를 들어, 조작자)이 울트라커패시터에 대한 유지보수 작업을 수행하도록 촉구할 수 있다. 예를 들어, 전자 통신은 사람이 울트라커패시터를 수리하도록 촉구할 수 있다. 대안적으로, 전자 통신은 사람이 울트라커패시터를 다른 울트라커패시터로 교체(즉, 대체)하도록 촉구할 수 있다.
312에서, 방법(300)은 전원으로부터 울트라커패시터를 분리하기 위해 하나 이상의 스위칭 디바이스의 동작을 제어하는 것과 관련된 하나 이상의 제어 신호를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 사람이 울트라커패시터에 대한 유지보수 조치를 수행하기 위해 도착할 때 울트라커패시터는 전원으로부터 분리될 수 있다. 추가로, 일부 구현들에서, 하나 이상의 제어 신호는 전기 부하로부터 울트라커패시터를 분리하기 위해 하나 이상의 스위칭 디바이스의 제어 동작과 연관될 수 있다. 이러한 방식으로, 울트라커패시터에 대한 유지보수 작업을 수행하기 위해 사람이 도착하면 울트라커패시터가 전기 부하로부터 분리될 수 있다.
임의의 다양한 상이한 개별 울트라커패시터가 일반적으로 본 발명의 예시적인 양태들에 따른 모듈에서 사용될 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 울트라커패시터는 전극 조립체 및 하우징 내에 포함되고 선택적으로 밀폐 밀봉된 전해질을 포함한다. 예를 들어, 전극 조립체는 제1 집전체에 전기적으로 결합된 제1 탄소질 코팅(예를 들어, 활성탄 입자)을 포함하는 제1 전극 및 제2 집전체에 전기적으로 결합된 제2 탄소질 코팅(예를 들어, 활성탄 입자)을 포함하는 제2 전극을 포함할 수 있다. 필요하다면, 특히 울트라커패시터가 다수의 에너지 저장 셀들을 포함하는 경우 추가 집전체가 또한 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 집전체들은 동일하거나 상이한 재료들로 형성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 각 집전체는 일반적으로 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈, 은, 팔라듐 등과 같은 전도성 금속 및 이들의 합금을 포함하는 기판으로 형성된다. 알루미늄 및 알루미늄 합금이 본 발명에 사용하기에 특히 적합하다. 기판은 호일, 시트, 판, 메쉬 등의 형태일 수 있다.기판은 또한 상대적으로 작은 두께, 예를 들어, 약 200 마이크로미터 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 100 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 80 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 10 내지 약 50 마이크로미터를 가질 수 있다. 꼭 필요한 것은 아니지만, 기판의 표면은 세척, 에칭, 블라스팅 등과 같이 선택적으로 거칠게 될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 집전체 및 제2 집전체 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두는 또한 기판으로부터 외부로 돌출하는 복수의 섬유형 위스커를 포함할 수 있다. 이론에 구애됨이 없이, 이러한 위스커들은 집전체의 표면적을 효과적으로 증가시킬 수 있고 또한 대응하는 전극에 대한 집전체의 접착력을 향상시킬 수 있다고 여겨진다. 이것은 제1 전극 및/또는 제2 전극에서 상대적으로 낮은 바인더 함량의 사용을 허용할 수 있으며, 이는 전하 이동을 개선하고 계면 저항을 감소시킬 수 있으며 결과적으로 매우 낮은 ESR 값을 초래할 수 있다. 위스커는 전형적으로 탄소 및/또는 탄소와 전도성 금속의 반응 생성물을 함유하는 물질로부터 형성된다. 일 실시예에서, 예를 들어, 재료는 알루미늄 카바이드(Al4C3)와 같은 전도성 금속의 카바이드를 포함할 수 있다. 일반적으로, 복수의 위스커들은 기판으로부터 바깥쪽으로 돌출한다. 원하는 경우 위스커들은 기판 내에 내장된 시드 부분에서 선택적으로 돌출될 수 있다. 위스커들과 유사하게, 시드 부분은 또한 탄소 및/또는 탄소와 전도성 금속의 카바이드(예를 들어, 알루미늄 카바이드)와 같은 전도성 금속의 반응 생성물을 함유하는 재료로부터 형성될 수 있다.
그러한 위스커가 기판 상에 형성되는 방식은 원하는 대로 변할 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 기판의 전도성 금속은 탄화수소 화합물과 반응한다. 그러한 탄화수소 화합물의 예들은, 예를 들어, 메탄, 에탄, 프로판, n-부탄, 이소부탄, 펜탄 등의 파라핀 탄화수소 화합물; 에틸렌, 프로필렌, 부텐, 부타디엔 등의 올레핀 탄화수소 화합물; 아세틸렌 등의 아세틸렌 탄화수소 화합물; 및 전술한 것의 파생물 또는 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로 탄화수소 화합물은 반응 동안 기체 형태인 것이 바람직하다. 따라서, 가열될 때 기체 형태인 메탄, 에탄 및 프로판과 같은 탄화수소 화합물을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 반드시 필요한 것은 아니지만, 탄화수소 화합물들은 전형적으로 기판 100중량부를 기준으로 약 0.1 내지 약 50중량부, 일부 실시예에서는 약 0.5 내지 약 30중량부의 범위로 사용된다. 탄화수소와 전도성 금속과의 반응을 시작하기 위해, 기판은 일반적으로 약 300℃ 이상, 일부 실시예에서는 약 400℃ 이상, 일부 실시예에서는 약 500℃ 내지 약 850℃의 온도인 대기에서 가열된다. 가열 시간은 선택한 정확한 온도에 따라 다르지만 일반적으로 약 1시간에서 약 100시간 범위이다. 대기는 일반적으로 기판 표면에 유전체 필름의 형성을 최소화하기 위해 상대적으로 적은 양의 산소를 포함한다. 예를 들어, 대기 중의 산소 함량은 약 1 부피% 이하일 수 있다.
제1 및 제2 탄소질 코팅은 또한 각각 제1 및 제2 집전체에 전기적으로 결합된다. 동일하거나 다른 유형의 재료로 형성될 수 있으며 하나 또는 여러 층을 포함할 수 있지만, 각각의 탄소질 코팅은 일반적으로 활성화된 입자를 포함하는 적어도 하나의 층을 포함한다. 특정 실시예들에서, 예를 들어, 활성탄 층은 집전체 위에 직접 위치할 수 있고 선택적으로 탄소질 코팅의 유일한 층일 수 있다.적합한 활성탄 입자의 예는, 예를 들어, 코코넛 껍질 기반 활성탄, 석유 코크스 기반 활성탄, 피치 기반 활성탄, 폴리 염화 비닐 리덴 기반 활성탄, 페놀 수지 기반 활성탄, 폴리 아크릴로 니트릴 기반 활성탄, 석탄, 목탄 또는 기타 천연 유기 공급원과 같은 천연 자원의 활성탄을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 활성탄 입자의 특정 양태들, 예를 들어, 입자 크기 분포, 표면적 및 기공 크기 분포를 선택적으로 제어하여 특정 유형의 전해질에 대한 이온 이동성을 하나 이상의 충전-방전 사이클에 적용한 후 이온 이동성을 개선하는 데 도움을 주는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 입자의 적어도 50 부피%(D50 크기)는 약 0.01 내지 약 30 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 0.1 내지 약 20 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 0.5 내지 약 10 마이크로미터 범위의 크기를 가질 수 있다. 입자의 적어도 90 부피%(D90 크기)는 마찬가지로 약 2 내지 약 40 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 5 내지 약 30 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 6 내지 약 30 마이크로미터 범위의 크기를 가질 수 있다. BET 표면은 또한 약 900 m2/g 내지 약 3,000 m2/g, 일부 실시예에서는 약 1,000 m2/g 내지 약 2,500 m2/g, 일부 실시예에서는 약 1,100m2/g 내지 약 1,800m2/g의 범위일 수 있다.
특정 크기 및 표면적을 갖는 것 외에, 활성탄 입자는 또한 특정 크기 분포를 갖는 기공들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 크기가 약 2 나노미터 미만인 기공의 양(즉, "마이크로기공")은, 총 기공 부피의 약 50 부피% 이하, 일부 실시예에서는 약 30 부피% 이하, 일부 실시예에서는 0.1 부피% 내지 15 부피%의 기공 부피를 제공할 수 있다. 크기가 약 2 나노미터 내지 약 50 나노미터인 기공의 양(즉, "메조기공")은 마찬가지로 약 20 vol.% 내지 약 80 vol.%, 일부 실시예에서는 약 25 vol.% 내지 약 75 vol.%, 일부 실시예에서는 약 35 vol.% 내지 약 65 vol.%일 수 있다.마지막으로, 크기가 약 50나노미터보다 큰 기공(즉, "매크로기공")의 양은 약 1 부피% 내지 약 50 부피%, 일부 실시예에서는 약 5 부피% 내지 약 40 부피%, 일부 실시예에서는 약 10 부피% 내지 약 35 부피%일 수 있다. 탄소 입자의 총 기공 부피는 약 0.2 cm3/g 내지 약 1.5 cm3/g, 일부 실시예에서는 약 0.4 cm3/g 내지 약 1.0 cm3/g의 범위일 수 있고, 그리고 중앙 기공 폭은 약 8 나노미터 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 5 나노미터, 일부 실시예에서는 약 2 내지 약 4 나노미터일 수 있다. 기공 크기 및 총 기공 부피는 질소 흡착을 사용하여 측정하고 Barrett-Joyner-Halenda("BJH") 기술로 분석할 수 있다.
필요하다면, 바인더들은 제1 탄소질 코팅 및/또는 제2 탄소질 코팅에서 탄소 100부당 약 60부 이하, 일부 실시예에서는 40부 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 25부의 양으로 존재할 수 있다. 바인더들은 예를 들어 탄소질 코팅의 총 중량의 약 15 wt.% 이하, 일부 실시예에서는 약 10 wt.% 이하, 일부 실시예에서는 약 0.5 wt.% 내지 약 5 wt.%이다. 다양한 적합한 결합제들 중 임의의 것을 전극들에 사용할 수 있다. 예를 들어, 수불용성 유기 바인더들은, 스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리비닐 아세테이트 단일중합체, 비닐-아세테이트 에틸렌 공중합체, 비닐-아세테이트 아크릴 공중합체, 에틸렌-비닐 클로라이드 공중합체, 에틸렌-비닐 클로라이드-비닐 아세테이트 터폴리머, 아크릴 폴리비닐 클로라이드 폴리머, 아크릴 폴리머, 니트릴 폴리머, 플루오로폴리머, 예컨대, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리올레핀 등 및 이들의 혼합물과 같은 특정 실시예들에서 사용될 수 있다. 다당류 및 이의 유도체와 같은 수용성 유기 바인더가 또한 사용될 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 다당류는 비이온성 셀룰로오스 에테르, 예를 들어, 알킬 셀룰로스 에테르(예를 들어, 메틸 셀룰로스 및 에틸 셀룰로스); 히드록시알킬셀룰로오스 에테르류(예를 들면, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시프로필히드록시부틸셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시부틸셀룰로오스, 히드록시에틸히드록시프로필히드록시부틸셀룰로오스 등); 알킬 히드록시알킬 셀룰로오스 에테르(예를 들어, 메틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 메틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스, 에틸 히드록시프로필 셀룰로오스, 메틸 에틸 히드록시에틸 셀룰로오스 및 메틸 에틸 히드록시프로필 셀룰로오스); 카르복시알킬 셀룰로스 에테르(예를 들어, 카르복시메틸 셀룰로스); 및 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스와 같은 전술한 임의의 양성자화된 염일 수 있다.
제1 및/또는 제2 탄소질 코팅의 활성탄층 내 및/또는 제1 및/또는 제2 탄소질 코팅의 다른 층 내에 다른 물질이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 전기 전도성을 더욱 높이기 위해 전도성 촉진제가 채용될 수 있다. 예시적인 전도성 촉진제들은, 예를 들어, 카본 블랙, 흑연(천연 또는 인조), 흑연, 탄소 나노튜브, 나노와이어 또는 나노튜브, 금속 섬유, 그래핀 등 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 카본 블랙이 특히 적합하다. 이용될 때, 전도성 촉진제는 통상적으로 탄소질 코팅에서 활성탄 입자의 100부 당 약 60부 이하, 일부 실시예에서는 약 40부 이하, 일부 실시예에서는 약 1 내지 약 25부를 구성한다. 전도성 촉진은, 예를 들어, 탄소질 코팅의 총 중량의 약 15 중량%, 일부 실시예에서, 약 10 중량% 이하, 일부 실시예에서, 약 0.5 중량% 내지 약 5 중량%로 구성될 수 있다. 활성탄 입자도 마찬가지로 일반적으로 탄소질 코팅의 85 중량% 이상, 일부 실시예에서 약 90 중량% 이상, 그리고 일부 실시예에서 약 95 중량%로부터 약 99.5 중량%까지 구성될 수 있다.
집전체에 탄소질 코팅을 적용하는 구체적인 방법은 인쇄(예를 들어, 로토그라비어), 분무, 슬롯-다이 코팅, 드롭-코팅, 딥-코팅 등 다양할 수 있다. 그것이 적용되는 방식에 관계없이, 생성된 전극은 일반적으로 약 100°C 이상, 일부 실시예에서는 약 200°C 이상, 일부 실시예에서는 약 300°C 내지 약 500°C의 온도에서 코팅으로부터 수분을 제거하기 위해 건조된다. 상기 전극은 또한, 상기 울트라 커패시터의 부피 효율을 최적화하기 위해 압축(예를 들어, 캘린더링)될 수 있다. 임의의 선택적 압축 후, 각 탄소질 코팅의 두께는 일반적으로 원하는 전기적 성능 및 울트라 커패시터의 작동 범위에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 코팅의 두께는 약 20 내지 약 200 마이크로미터, 30 내지 약 150 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 40 내지 약 100 마이크로미터이다. 코팅은 집전체의 일면 또는 양면에 존재할 수 있다. 다만, 전체 전극(선택적 압축 후의 집전체 및 탄소질 코팅(들)을 포함)의 두께는 전형적으로 약 20 내지 약 350 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 30 내지 약 300 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 50 내지 약 250 마이크로미터 범위이다.
전극 조립체는 또한 통상적으로 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 분리막을 포함한다. 원하는 경우, 전극조립체에 다른 분리막이 채용될 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 분리막은, 제1 전극, 제2 전극, 또는 이들 모두 위에 위치할 수 있다. 분리막은 전기적 단락을 방지하기 위해 한 전극을 다른 전극으로부터 전기적으로 격리시킬 수 있지만, 두 전극들 사이의 이온 수송은 여전히 가능하다. 특정 실시예에서, 예를 들어, 셀룰로오스계 섬유 소재(예를 들어, 에어 레이드 페이퍼 웹, 습식 레이드 페이퍼 웹 등), 부직포(예를 들어, 폴리올레핀 부직포 웹), 직포, 필름(예를 들어, 폴리올레핀 필름) 등을 포함하는 분리막이 채용될 수 있다. 셀룰로오스계 섬유 재료는, 천연 섬유, 합성 섬유 등을 포함하는 것 등, 특히 초음파 캐패시터에 사용하기에 적합하다. 분리막에 사용하기에 적합한 셀룰로오스 섬유의 구체적인 예로는, 예를 들어, 경목 펄프 섬유, 연목 펄프 섬유, 레이온 섬유, 재생 셀룰로오스 섬유 등을 들 수 있다. 사용되는 특정 물질에 관계없이, 분리막의 두께는 일반적으로 약 5 내지 약 150 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 10 내지 약 100 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 20 내지 약 80 마이크로미터이다.
상기 전극 조립체의 컴포넌트들이 함께 결합되는 방식은 다양할 수 있다. 상기 전극과 분리막은, 예를 들어, 초기에 접히거나, 권취하거나, 적층하거나, 또는 함께 접촉하여 전극 조립체를 형성할 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 전극, 분리막 및 선택적인 전해액은 "젤리-롤" 구성의 전극조립체에 권취될 수 있다.
울트라캐패시터를 형성하기 위해, 전극과 분리막이 결합되어 전극 조립체를 형성하기 전, 전극과 분리막이 결합되는 동안 및/또는 이후에, 제1 전극 및 제2 전극과 전해액이 이온 접촉되도록 한다. 전해액은 일반적으로 비수성이므로 적어도 하나의 비수성 용매를 포함한다. 상기 울트라커패시터의 작동 온도 범위를 연장하는 데 도움이 되도록, 통상적으로 비수성 용매는 끓는 온도가 상대적으로 높은 것이 바람직한데, 예를 들어, 약 150°C 이상, 일 실시예에서는 약 200°C 이상, 일부 실시예에서는 약 220°C 내지 약 300°C이다. 특히, 적합한 고비점 용매로는 예를 들어 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트 등의 환형 카보네이트 용매를 들 수 있다. 물론, 다른 비수용매도 단독으로 또는 환형 카보네이트 용매와 조합하여 사용할 수 있다. 이러한 용매의 예로는, 예를 들어, 오픈 체인 카보네이트(예를 들어, 디메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등), 지방족 모노카르복실레이트(예를 들어, 아세트산 메틸, 프로피오네이트 등), 락톤 용매(예를 들어, 부티로락톤 발레로락톤), 니트릴(예를 들어, 아세토니트릴, 글루타니트릴, 아디포니트릴, 메톡시아세토니트릴, 3-메톡시프로피오니트릴 등), 아미드(예를 들어 N, N-디메틸포름아미드, N, N-디에틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈 등), 알칸(예를 들어 니트로메탄, 니트로에탄 등), 황 화합물(예를 들어 설포란, 디메틸옥사이드 등) 등을 포함할 수 있다.
전해질은 또한 비수성 용매에 용해되는 적어도 하나의 이온성 액체를 함유할 수 있다. 이온성 액체의 농도는 변할 수 있지만, 전형적으로 이온성 액체가 비교적 높은 농도로 존재하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이온성 액체는 전해질의 리터당 약 0.8 몰(M) 이상, 일부 실시예에서 약 1.0 M 이상, 일부 실시예에서 약 1.2 M 이상, 일부 실시예에서 약 1.3 내지 약 1.8 M의 양으로 표현될 수 있다.
이온성 액체는 일반적으로 융점이 비교적 낮은 염이며, 예컨대 약 400℃ 이하, 일부 실시예에서는 약 350℃ 이하, 일부 실시예에서는 약 1℃ 내지 약 100℃, 일부 실시예에서는 약 5℃ 내지 약 50℃이다. 염은 양이온 종과 반대 이온을 포함한다. 양이온 종은 "양이온 중심"으로서 적어도 하나의 헤테로원자(예를 들어, 질소 또는 인)를 갖는 화합물을 함유한다. 이러한 헤테로원자 화합물의 예로는, 예를 들어, 비치환 또는 치환된 유기 4급 암모늄 화합물, 예를 들어, 암모늄(예를 들어, 트리메틸암모늄, 테트라에틸암모늄 등), 피리디늄, 피리다지늄, 피라디늄, 피라지늄, 이미다졸륨,피라졸륨, 옥사졸륨, 트리아졸륨, 티아졸륨, 퀴놀리늄, 피페리디늄, 피롤리디늄, 2개 이상의 고리가 스피로 원자에 의해 함께 연결된 4차 암모늄 스피로 화합물(예: 탄소, 헤테로 원자 등), 제4급 암모늄 융합 고리 구조(예: 퀴놀리늄, 이소퀴놀리늄 등) 등을 포함한다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 양이온 종은, 예를 들어, 순환 고리를 갖는 대칭 또는 비대칭 N-스파이로바이사이클릭 화합물과 같은 N-스파이로바이사이클릭 화합물일 수 있다. 이러한 화합물의 한 예는 다음과 같은 구조를 갖는다.
Figure pct00001
여기서 m과 n은 독립적으로 3부터 7까지의 숫자이고, 일부 실시예에서 4부터 5까지의 숫자이다(예: 피롤리디늄 또는 피페리디늄).
양이온 종에 대한 적절한 대항은 마찬가지로 할로겐(예: 염화물, 브롬화물, 요오드화물 등), 황산염(예: 황산메틸, 황산에틸, 황산헥실, 황산옥틸, 황산수소, 황산메탄, 황산도데실벤젠, 황산도데실, 황산트리플루오로메탄, 황산도데실, 옥탄도데실벤젠, 황산나트륨 등), 황산염 또는 황산염미디(예: 디시아미드); 이미드(예: 비스(펜타플루오로에틸-술포닐)이미드, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 비스(트리플루오로메틸)이미드 등); 붕산염(예: 테트라플루오로보레이트, 테트라사이아노보레이트, 비스[도토]보레이트 등); 인산염(예: 헥사플루오로에틸]보레이트, 인산염(예: 헥사플루오로에틸)인산염, 트리스(펜타플루오로에틸)-트리플루오로포스페이트, 트리스(비플루오로부틸) 트리플루오로포스페이트 등, 안티몬산염(예: 헥사플루오로안티모네이트), 알루미늄산염(예: 테트라클로로알루미네이트), 지방산 카르복실레이트(예: 올레인산염, 이소스테레이트, 펜타플루오로옥타네이트 등); 시안산염, 아세테이트 등 및 전술한 모든 조합을 포함할 수 있다.
적합한 이온성 액체의 몇 가지 예는, 예를 들어, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸 암모늄 테트라플루오로보레이트, 스피로-(1,1')-비피롤리디늄 요오다이드, 트리에틸메틸 암모늄 요오다이드, 테트라에틸 암모늄 요오다이드, 메틸트리에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 헥사플루오로포스페이트 등을 포함할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 울트라커패시터는 또한 전극 조립체와 전해질이 유지되고 선택적으로 밀봉되는 하우징을 포함한다. 하우징의 특성은 원하는 대로 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 하우징은 금속 용기("캔"), 예를 들어, 탄탈, 니오븀, 알루미늄, 니켈, 하프늄, 티타늄, 구리, 은, 강철(예: 스테인리스), 이들의 합금, 이들의 합성물(예: 전기 전도성 산화물로 코팅된 금속) 등으로 형성된 것들을 포함할 수 있다. 알루미늄은 본 발명에 사용하기에 특히 적합하다. 금속 용기는 원통형, D자형 등과 같은 임의의 다양한 상이한 형상을 가질 수 있다. 원통형 용기가 특히 적합하다.
다른 실시예에서, 예를 들어 하우징은 울트라커패시터의 구성요소를 둘러싸는 유연한 패키지 형태일 수 있다. 패키지는 일반적으로 2개의 단부 사이에서 연장되고 에지를 갖는 기판을 포함하며, 여기서 단부뿐만 아니라 겹치는 양 측면의 부분은 서로에 대해 고정적으로 밀봉되게 접한다(예를 들어, 열 용접에 의해). 이러한 방식으로 전해질을 패키지 내에 보관할 수 있다. 기판은 전형적으로 약 20 마이크로미터 내지 약 1,000 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 50 마이크로미터 내지 약 800 마이크로미터, 일부 실시예에서는 약 100 마이크로미터 내지 약 600 마이크로미터 범위 내의 두께를 갖는다.
기판은 1개 이상, 일부 실시예에서는 2개 이상, 일부 실시예에서는 2 내지 4개와 같이 원하는 수준의 배리어 특성을 달성하기 위해 원하는 임의의 수의 층을 포함할 수 있다. 전형적으로, 기판는 알루미늄, 니켈, 탄탈륨, 티타늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 금속을 포함할 수 있는 차단층을 포함한다. 이러한 배리어 층은 일반적으로 전해질에 대해 불침투성이어서 그의 누출을 억제할 수 있고 또한 일반적으로 물 및 기타 오염 물질에 대해 불침투성이다. 필요하다면, 기판은 또한 패키지를 위한 보호층 역할을 하는 외부층을 포함할 수 있다. 이와 같이 배리어층은 외층과 전극조립체 사이에 위치한다. 외층은 예를 들어 폴리올레핀(예를 들어, 에틸렌 공중합체, 프로필렌 공중합체, 프로필렌 동종중합체 등), 폴리에스테르 등으로 형성된 것과 같은 중합체 필름으로 형성될 수 있다. 특히, 적합한 폴리에스테르 필름은, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 등을 포함할 수 있다.
원한다면, 기판은 또한 전극 조립체와 배리어층 사이에 위치하는 내부층을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 내층은 열봉합성 중합체를 함유할 수 있다. 적합한 열봉합성 중합체는 예를 들어 염화비닐 중합체, 이오노머 등 뿐만 아니라 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이오노머가 특히 적합하다. 일 실시예에서, 예를 들어, 이오노머는 α-올레핀 및 (메트)아크릴산 반복 단위를 포함하는 공중합체일 수 있다. 특정 α-올레핀은, 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐; 3-메틸-1-부텐; 3,3-디메틸-1-부텐; 1-펜텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환체를 갖는 1-펜텐; 1개 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환체를 갖는 1-헥센; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-헵텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-옥텐; 하나 이상의 메틸, 에틸 또는 프로필 치환기를 갖는 1-노넨; 에틸, 메틸 또는 디메틸-치환된 1-데센; 1-도데센; 및 스티렌을 포함할 수 있다. 에틸렌이 특히 적합하다. 언급된 바와 같이, 공중합체는 또한 (메트)아크릴산 반복 단위일 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "(메트)아크릴"은 아크릴 및 메타크릴 모노머뿐만 아니라 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 모노머와 같은 이의 염 또는 에스테르를 포함한다. 이러한 (메트)아크릴 모노머의 예는, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, n-프로필 아크릴레이트, i-프로필 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, s-부틸 아크릴레이트, i-부틸 아크릴레이트, t-부틸 아크릴레이트, n-아밀 아크릴레이트, i-아밀 아크릴레이트, 이소보닐 아크릴레이트, n-헥실 아크릴레이트, 2-에티부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, n-옥틸 아크릴레이트, n-데실 아크릴레이트, 메틸사이클로헥실 아크릴레이트, 사이클로펜틸 아크릴레이트, 사이클로헥실 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, n-프로필 메타크릴레이트, n-부틸 메타크릴레이트, i-프로필 메타크릴레이트, i-부틸 메타크릴레이트, n-아밀 메타크릴레이트, n-헥실메타크릴레이트, 아밀메타크릴레이트, s-부틸메타크릴레이트, t-부틸메타크릴레이트, 2-에틸부틸메타크릴레이트, 메틸사이클로헥실메타크릴레이트, 신나밀메타크릴레이트, 크로틸메타크릴레이트, 사이클로헥실메타크릴레이트, 사이클로펜틸메타크릴레이트, 2-에톡시에틸메타크릴레이트, 이소보르닐메타크릴레이트 등 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전형적으로, α-올레핀/(메트)아크릴산 공중합체는 금속 이온으로 적어도 부분적으로 중화되어 이오노머를 형성한다. 적합한 금속 이온은 예를 들어, 알칼리 금속(예: 리튬, 나트륨, 칼륨 등), 알칼리 토금속(예: 칼슘, 마그네슘 등), 전이 금속(예: 망간, 아연 등) 등 및 그 조합을 포함할 수 있다. 금속 이온은 금속 포르메이트, 아세테이트, 니트레이트, 카보네이트, 하이드로겐 카보네이트, 옥사이드, 하이드록사이드, 알콕사이드 등과 같은 이온성 화합물에 의해 제공될 수 있다.
모듈 내에서 울트라커패시터가 연결되는 방식은 다를 수 있다. 예를 들어, 울트라커패시터는 울트라커패시터의 각각의 단자에 부착되거나 연결되는 상호접속부를 사용하여 연결될 수 있다. 상호접속부는 전도성 금속과 같은 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 일 실시예에서, 상호접속부는 상대적으로 편평할 수 있거나 증가된 표면적을 갖는 것일 수 있다. 후자와 관련하여 상호접속부는 돌출부를 가질 수 있거나 와이어, 브레이드, 코일 등으로 형성될 수도 있다. 이와 관련하여, 상호접속부의 특정 치수 및 구성은 반드시 제한되지는 않는다. 그 형태에 관계없이 구리, 주석, 니켈, 알루미늄 등과 같은 다양한 전도성 재료와 합금 및/또는 코팅된 금속이 사용될 수 있다. 원하는 경우, 도전성 재료는 외장 재료로 선택적으로 절연될 수 있다.
울트라커패시터는 원하는 특정 특성에 따라 직렬 또는 병렬로 함께 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 특정 실시예에서, 울트라커패시터는 하나의 울트라커패시터의 특정 극성(예를 들어, 양)의 단자가 다른 울트라커패시터의 반대 극성(예를 들어, 음)의 단자에 연결되도록 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 양극 단자는 제1 울트라 커패시터의 상부로부터 연장될 수 있고, 음극 단자는 제2 울트라 커패시터의 하부로부터 연장될 수 있다.
울트라커패시터와 이를 포함하는 모듈을 사용하여 많은 양의 전하를 저장할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 모듈 및 울트라커패시터는 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다. 예를 들어, 풍력 터빈, 태양열 터빈, 태양열 패널 및 연료 전지를 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 에너지 응용 분야에 사용할 수 있다. 또한, 차량(예: 배터리 추진 전기 자동차, 버스를 포함한 하이브리드 전기 자동차, 엔진 시동, 동력 및 제동 회복 시스템 등), 기차 및 트램(예: 자기부상열차, 트랙 전환, 스타터 시스템 등) 및 항공우주(예: 도어용 액추에이터, 대피 슬라이드 등)을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 운송 응용 분야에서도 사용할 수 있다. 또한 자동화(예: 로봇 공학 등), 차량(예: 지게차, 크레인, 전기 카트 등)을 비롯한 다양한 산업 응용 분야가 있다. 그들은 또한 가전제품(예: 휴대용 미디어 플레이어, 핸드헬드 장치, GPS, 디지털 카메라 등), 컴퓨터(예: 랩톱 컴퓨터, PDA 등) 및 통신 시스템에서 다양한 응용 분야를 가지고 있다. 모듈과 울트라커패시터는 또한 다양한 군사 응용(예: 탱크 및 잠수함용 모터 스타트업, 위상 배열 레이더 안테나, 레이저 전원 공급 장치, 무선 통신, 항공 전자 디스플레이 및 계측, GPS 안내 등) 및 의료 응용(예: 제세동기 등)을 가질 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 수정 및 변형은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있다. 또한, 다양한 실시예의 양태는 전체적으로 또는 부분적으로 교환될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 당업자는 전술한 설명이 단지 예일 뿐이며, 첨부된 청구범위에서 추가로 설명되는 본 발명을 제한하려는 의도가 아님을 이해할 것이다.

Claims (19)

  1. 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법으로서,
    제어 회로를 통해, 복수의 전압 측정치들을 획득하는 단계 - 복수의 전압 측정치 각각은 복수의 간격들 중 하나에서 순차적으로 획득되며, 상기 복수의 전압 측정치 각각은 상기 울트라커패시터 양단의 전압을 나타냄 - 와;
    상기 제어 회로를 통해, 상기 복수의 전압 측정치들 중 2개의 연속적인 전압 측정치에 기초하여 상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계를 결정하는 단계와;
    상기 제어 회로를 통해, 상기 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하는 단계와; 그리고
    상기 실제 전압 단계가 상기 임계 전압 단계를 초과하는지 결정하는 것에 응답하여, 상기 제어 회로를 통해, 상기 울트라커패시터에 대한 유지 보수 작업 수행과 관련된 알림을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로를 통해, 상기 울트라커패시터의 커패시턴스 및 상기 울트라커패시터에 제공되는 전류의 크기에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 결정하는 단계는, 상기 제어 회로를 통해 상기 전류로 울트라커패시터 양단의 최대 전압 변화를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 임계 전압 단계는 상기 울트라커패시터 양단의 최대 전압 변화보다 약 2배 더 큰 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 간격들 각각의 지속시간은 동일한 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하면, 상기 울트라커패시터의 커패시턴스가 감소하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하면, 상기 울트라커패시터의 ESR(Equivalent Series Resistance)이 증가하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하는 단계는, 상기 제어 회로를 통해, 상기 실제 전압 단계의 크기가 상기 임계 전압 단계의 크기를 초과하는지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 통지는 전자 통신을 포함하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유지 보수 작업 수행은 상기 울트라커패시터를 교체하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지 결정하는 것에 응답하여, 상기 울트라커패시터를 전원으로부터 분리하기 위해, 상기 제어 회로를 통해, 하나 이상의 스위칭 디바이스의 동작을 제어하는 것과 관련된 하나 이상의 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하는 방법.
  12. 울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템으로서,
    상기 시스템은:
    상기 울트라커패시터를 전원 또는 부하에 선택적으로 연결하도록 구성된 하나 이상의 스위칭 디바이스; 및
    상기 하나 이상의 스위칭 디바이스에 통신 가능하게 결합된 제어 회로를 포함하고,
    상기 제어 회로는:
    복수의 전압 측정치들을 획득하고, 복수의 전압 측정치 각각은 복수의 간격들 중 하나에서 순차적으로 획득되고, 상기 복수의 전압 측정치 각각은 상기 울트라커패시터 양단의 전압을 나타내며,
    상기 복수의 전압 측정치들 중 2개의 연속적인 전압 측정치에 기초하여 상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계를 결정하고;
    상기 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하는지를 결정하며; 그리고
    상기 실제 전압 단계가 상기 임계 전압 단계를 초과하는지 결정하는 것에 응답하여, 상기 울트라커패시터에 대한 유지 보수 작업 수행과 관련된 알림을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어 회로는: 상기 울트라커패시터의 커패시턴스 및 상기 울트라커패시터에 제공되는 전류에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 임계 전압 단계를 결정하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 간격들 각각의 지속시간은 동일한 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하면, 상기 울트라커패시터의 커패시턴스가 감소하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 울트라커패시터의 실제 전압 단계가 상기 울트라커패시터의 임계 전압 단계를 초과하면, 상기 울트라커패시터의 ESR(Equivalent Series Resistance)이 증가하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 실제 전압 단계가 상기 임계 전압 단계를 초과하는지 결정하는 것에 응답하여, 상기 제어 회로는:
    상기 울트라커패시터를 전원으로부터 분리하기 위해 하나 이상의 스위칭 디바이스의 동작을 제어하는 것과 관련된 하나 이상의 제어 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 통지는 전자 통신을 포함하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 유지 보수 작업 수행은 상기 울트라커패시터를 교체하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는
    울트라커패시터의 하나 이상의 특성을 모니터링하기 위한 시스템.
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