WO2017179879A1 - 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법 - Google Patents

배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2017179879A1
WO2017179879A1 PCT/KR2017/003893 KR2017003893W WO2017179879A1 WO 2017179879 A1 WO2017179879 A1 WO 2017179879A1 KR 2017003893 W KR2017003893 W KR 2017003893W WO 2017179879 A1 WO2017179879 A1 WO 2017179879A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heating element
planar heating
electrode wiring
base substrate
battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2017/003893
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김윤진
조진우
박재현
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Electronics Technology Institute
Original Assignee
Korea Electronics Technology Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020160045901A external-priority patent/KR101857007B1/ko
Priority claimed from KR1020160084030A external-priority patent/KR101826708B1/ko
Application filed by Korea Electronics Technology Institute filed Critical Korea Electronics Technology Institute
Publication of WO2017179879A1 publication Critical patent/WO2017179879A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/615—Heating or keeping warm
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/657—Means for temperature control structurally associated with the cells by electric or electromagnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/66—Heat-exchange relationships between the cells and other systems, e.g. central heating systems or fuel cells
    • H01M10/667—Heat-exchange relationships between the cells and other systems, e.g. central heating systems or fuel cells the system being an electronic component, e.g. a CPU, an inverter or a capacitor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/34—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater flexible, e.g. heating nets or webs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to battery heating technology, and more particularly, to a battery heater used for heating a lithium battery that requires a large amount of heat generation at a low voltage instantaneously, a battery system including the same, and a manufacturing method thereof.
  • An electric vehicle is a vehicle that uses electric energy through a battery without an engine and generates no emissions.
  • a hybrid electric vehicle uses an engine and an electric motor together and can increase energy efficiency by reducing an engine load.
  • the plug-in hybrid electric vehicle is a hybrid electric vehicle in that the engine and the electric motor are used together, and the battery is different from the hybrid electric vehicle in that the battery is charged with an external power source through the plug-in.
  • Such an electric drive device essentially requires a battery for supplying electricity.
  • Lithium batteries that can be charged and discharged are used as batteries.
  • Such electric drive devices must be capable of driving in various environmental conditions, such as high or low temperatures.
  • the lithium battery used in the electric drive device has a characteristic that the output voltage and current rapidly decreases as the temperature decreases.
  • a lithium battery used in an electric drive device rapidly loses its efficiency and output when exposed to sub-zero or low temperature external environments for a long time.
  • Lithium batteries for example, have the characteristic that since the optimum discharge temperature is 30-35 ° C., the discharge current and the total available energy drop sharply at lower operating temperatures, especially below zero. And charging lithium batteries at temperatures below -10 ° C is a potential hazard.
  • the existing battery heater has a linear heating element manufactured by processing nickel alloy foil by an etching process.
  • the battery heater using the linear heating element has a problem that the heating speed of the lithium battery is slow because there is a region where no heating occurs due to a large amount of empty space between the linear heating elements and the induction of uniform heat generation. .
  • the present invention is a base substrate having an insulation; Electrode wiring patterns formed on both surfaces of the base substrate; Insulating layers formed on both surfaces of the base substrate and filling the electrode wiring patterns; And a planar heating element array having a plurality of planar heating elements formed to be printed on both surfaces of the base substrate and electrically connected to the electrode wiring pattern.
  • the base substrate may be made of polyimide, polyethersulphone (PES), polyacrylate (PAR), polyetherimide (PEI), polyethylene naphthalate (polyethyelenen napthalate; PEN), polyethylene Terephthalate (polyethyeleneterepthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polyallylate, polycarbonate (PC), cellulose triacetate (CTA) or cellulose acetate propionate propinonate (CAP).
  • PES polyethersulphone
  • PAR polyacrylate
  • PEI polyetherimide
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PET polyethylene Terephthalate
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PC polycarbonate
  • CTA cellulose triacetate
  • CAP cellulose acetate propionate propinonate
  • the planar heating element array may include: a first planar heating element array formed on one side of an upper surface of the base substrate and including a plurality of first planar heating elements arranged in a line; And a second planar heating element array formed on one side of a lower surface of the base substrate spaced apart from the first planar heating element array, and having a plurality of second planar heating elements arranged in a line.
  • the first planar heating element array and the second planar heating element array are spaced apart from each other.
  • the heating element composition may include a synthetic binder including at least two kinds of phenolic resin, acetal resin, isocyanate resin, and epoxy resin, and conductive particles.
  • the heating element composition may include 5 to 30 parts by weight of the mixed binder and 0.7 to 60 parts by weight of the conductive particles based on 100 parts by weight of the heating element composition.
  • the synthetic binder may include hexamethylene diisocyanate, polyvinyl acetal and phenolic resin.
  • the conductive particles may include at least two kinds of carbon nanotube particles, graphite particles, silver powder, silver coated nickel powder, and silver coated copper powder.
  • the mixed binder may include 10 to 150 parts by weight of polyvinyl acetal resin, and 100 to 500 parts by weight of phenolic resin based on 100 parts by weight of hexamethylene diisocyanate.
  • the electrode wiring pattern may be 400 times or more of the electrical conductivity of the planar heating element.
  • the resistivity of the planar heating element may be 9 ⁇ 10 ⁇ 2 to 1.1 ⁇ 10 ⁇ 3 ⁇ m cm.
  • the electrode wiring pattern may be connected to the first planar heating element array and the second planar heating element array in parallel to apply power.
  • the electrode wiring pattern may include a first electrode wiring pattern electrically connected to the first planar heating element array; And a second electrode wiring pattern electrically connected to the second planar heating element array.
  • the first electrode wiring pattern may include a first-first electrode pad; A first-first connection wire connected to the first-first electrode pad and formed along one of the plurality of first planar heating elements on one side of the first planar heating element array; A plurality of first-first electrode terminals connected to the first-first connection wires and formed under the plurality of first planar heating elements, respectively; 1-2-2 electrode pad; First and second connection wires connected to the first and second electrode pads and formed on the other side of the first planar heating element array along the plurality of first planar heating elements; And a plurality of first and second electrode terminals connected to the first and second connection wires, respectively, formed under the plurality of first surface heating elements and spaced apart from the plurality of first and second electrode terminals. It may include.
  • the second electrode wiring pattern may include a 2-1 electrode pad; A 2-1 connecting wire connected to the 2-1 electrode pad and formed along the plurality of second planar heating elements on one side of the second planar heating element array; A plurality of second-first electrode terminals connected to the second-first connection wires and respectively formed under the plurality of second planar heating elements; A second-2 electrode pad; A second connection wire connected to the second electrode pad and formed along the plurality of second surface heating elements on the other side of the second surface heating element array; And a plurality of second-2 electrode terminals connected to the second connection wires, respectively, formed under the plurality of second surface heating elements, and spaced apart from the plurality of second-1 electrode terminals. It may include.
  • the first-first electrode pad and the second-first electrode pad may be shared.
  • the 1-2 electrode pad and the 2-2 electrode pad may be shared.
  • the material of the insulating layer may include polyimide, epoxy resin, optically clear adhesive (OCA) or optically clear resin (OCR).
  • the electrode wiring pattern may be made of aluminum and have a thickness of about 30 ⁇ m to about 70 ⁇ m.
  • the battery heater according to the present invention may further include a protective layer formed on both surfaces of the base substrate and covering the planar heating element array.
  • the plurality of planar heating elements may be uniformly formed on both surfaces of the base substrate.
  • the plurality of planar heating elements may be arranged in a matrix form on both sides of the base substrate.
  • the planar heating element array may include: a first planar heating element array having a plurality of first planar heating elements uniformly formed on the entire upper surface of the base substrate; And a second planar heating element array having a plurality of second planar heating elements uniformly formed on the entire lower surface of the base substrate.
  • the electrode wiring pattern may include a first electrode wiring pattern electrically connected to the first planar heating element array; And a second electrode wiring pattern electrically connected to the second planar heating element array.
  • the first and second electrode wiring patterns may be formed in at least one row symmetrically on both sides of the base substrate, and the electrode pads of the electrode wiring patterns positioned in the same column vertically on both sides of the base substrate may be connected to each other. have.
  • the present invention also provides a base substrate having an insulating property; Electrode wiring patterns formed on both surfaces of the base substrate; And a planar heating element array having a plurality of planar heating elements formed to be printed on both surfaces of the base substrate and electrically connected to the electrode wiring pattern.
  • the present invention also provides a base substrate having an insulating property formed on both sides of the electrode wiring pattern groove; An electrode wiring pattern filled in the electrode wiring pattern groove of the base substrate; And a planar heating element array having a plurality of planar heating elements formed to be printed on both surfaces of the base substrate and electrically connected to the electrode wiring pattern.
  • the present invention also comprises the steps of forming an electrode wiring pattern on both sides of the base substrate; Forming insulating layers on both surfaces of the base substrate to fill the gaps between the electrode wiring patterns; And forming a planar heating element array having a plurality of planar heating elements electrically connected to an electrode wiring pattern by printing a heating element composition on the insulating layer and the electrode wiring pattern.
  • the forming of the electrode wiring pattern may include forming metal layers of aluminum on both sides of the base substrate; And forming an electrode wiring pattern by patterning the metal layer by a photolithography process.
  • the forming of the insulating layer may include forming an insulating layer by applying an insulating resin between the electrode wiring patterns; Laminating insulating films on both surfaces of the base substrate to fill the gaps between the electrode wiring patterns, and then removing an insulating film portion over the electrode wiring patterns to form an insulating layer; Or laminating an insulating film having an opening formed to correspond to a region between the electrode wiring patterns to form an insulating layer.
  • the method of manufacturing a battery heater according to the present invention may further include forming a protective layer covering the planar heating element array on both sides of the base substrate.
  • the present invention is the lithium battery; And a battery heater installed in the lithium battery to heat the lithium battery.
  • the temperature sensor for sensing the temperature of the lithium battery;
  • An auxiliary power supply unit supplying power to the battery heater;
  • a battery manager configured to heat the lithium battery with heat generated by the battery heater by supplying power to the battery heater through the auxiliary power supply unit when the temperature sensed by the temperature sensor is equal to or less than a first threshold temperature.
  • the battery manager may cut off the power supplied to the battery heater through the auxiliary power supply when the temperature of the lithium battery sensed by the temperature sensor by heating the lithium battery with the battery heater is equal to or greater than a second threshold temperature.
  • the auxiliary power supply may include a super capacitor.
  • the battery heater according to the present invention includes a plurality of planar heating elements formed by printing a heating element composition, large area heat generation is possible at a short time at low voltage. Accordingly, even when the lithium battery of the electric drive device is in a low temperature environment, the lithium battery can be heated by instantaneously generating a large amount of heat even in a low voltage of 3 to 4V using the battery heater according to the present invention.
  • the battery heater according to the present invention has a planar heating element array is formed on the upper surface and the lower surface, because the surface heating element is uniformly formed on the front surface of the battery heater without overlapping each other up and down, a large area in a short time at low voltage Fever is possible. That is, by forming first and second planar heating element arrays in a row on the top and bottom surfaces of the base substrate, the length of the electrode wiring pattern for applying power to the first and second planar heating element arrays, respectively, can be minimized. As a result, the voltage drop due to the length of the electrode wiring pattern can be suppressed, so that power can be stably supplied to the first and second planar heating element arrays. Therefore, stable heat generating uniformity of the first and second planar heating element arrays can be maintained.
  • the battery heater according to the present invention forms a planar heating element array on both sides of the base substrate, by uniformly forming a planar heating element on both sides of the base substrate, it is possible to generate a large area in a short time at a low voltage.
  • the electrode wiring pattern on both sides of the base substrate by forming the electrode wiring pattern so that power can be applied together to the first and second planar heating element array arranged in the position corresponding to each other up and down, The length can be minimized.
  • the voltage drop due to the length of the electrode wiring pattern can be suppressed, so that power can be stably supplied to the first and second planar heating element arrays. Therefore, stable heat generating uniformity of the first and second planar heating element arrays can be maintained.
  • the heating element composition for forming the planar heating element of the battery heater according to the present invention includes a nano-sized conductive particle and a mixed binder containing a phenolic resin, an acetal resin, an isocyanate resin or an epoxy resin. Heat resistance can be maintained even at temperature, enabling rapid heating at high temperatures.
  • the heating element composition according to the present invention includes the carbon particles and the metal powder as the heating element, energy efficiency and the rate of heat generation can be increased as compared with the heating element composition containing only the metal powder as the heating element.
  • the heat generating composition can maintain heat resistance even at a temperature of 200 ° C. or higher, a resistance change according to temperature is small, and thus a battery heater having a planar heating element having high heat generation behavior and stability can be provided.
  • planar heating element formed of the heating element composition including carbon nanotube particles and graphite particles is a black body, additional energy efficiency may be obtained due to black body radiation.
  • the heating element composition may provide a battery heater capable of high temperature heating with low voltage and low power due to low specific resistance and easy thickness control.
  • the heating element composition is capable of screen printing, roll-to-roll gravure printing, roll-to-roll comma coating, flexo printing, and offset printing, which not only favors mass production of the battery heater according to the present invention but also eliminates restrictions on product length and area. Can be.
  • the battery heater according to the present invention is an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a plug-in electric vehicle, a lightbox, a UPS battery backup of an uninterruptible power supply, a telecommunication station, a renewable energy (renewal) energy, traffic light control, unmanned aerial vehicles, drones, submarines, transports and the like can be used in various electric drive devices that are frequently exposed to low temperature environment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a battery system having a battery heater according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a battery management method of the battery system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a plan view illustrating a battery heater according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the planar heating element array of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line 5-5 of FIG. 3.
  • 6 to 15 are diagrams illustrating respective steps according to the method of manufacturing the battery heater of FIG. 3.
  • 16 and 17 are diagrams showing simulation results of heating behavior of a battery heater in which electrical conductivity between the planar heating element and the electrode wiring pattern is 200 times different.
  • 18 is a view showing a simulation result of the heating behavior of the battery heater, the electrical conductivity between the planar heating element and the electrode wiring pattern 300 times.
  • 19 and 20 are diagrams showing simulation results of heating behavior of a battery heater having an electrical conductivity of 400 times that of the planar heating element and the electrode wiring pattern.
  • FIG. 21 is a thermal image illustrating heat generation behavior when DC 3.5V is applied to a battery heater according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a thermal image illustrating heat generation behavior when DC 4V is applied to a battery heater according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a graph showing heat generation behavior data when driving a DC 4V to a battery heater according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view illustrating a battery heater according to a second embodiment of the present invention.
  • 25 is a cross-sectional view illustrating a battery heater according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • 26 is a cross-sectional view illustrating a battery heater according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a thermal image illustrating heat generation behavior when DC 2V is applied to a battery heater according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a thermal image illustrating heat generation behavior when DC 3.5V is applied to a battery heater according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a battery system having a battery heater according to the present invention.
  • a battery system 100 is a system using a lithium battery 11 from a main power supply unit, and includes a lithium battery 11 and a battery heater 13, and a temperature sensor 15.
  • the switch 16 may further include an auxiliary power supply unit 17, a power conversion unit 18, and a control unit 19.
  • the lithium battery 11 includes a plurality of lithium secondary battery cells for supplying electrical energy to a load.
  • the lithium secondary battery cell is manufactured from a battery module that is bundled in a predetermined number, for example, 10 or more in order to protect against external shock, heat, or vibration.
  • the lithium battery 11 is manufactured in the form of a battery pack by tying a plurality of such battery modules together.
  • the temperature sensor 15 senses the temperature of the lithium battery 11 and transmits the temperature to the controller 19.
  • the auxiliary power supply unit 17 supplies power to the battery heater 13 under the control of the controller 19.
  • the auxiliary power supply unit 17 may charge power through the lithium battery 11 through on / off of the switch 16 under the control of the controller 19.
  • the power of the lithium battery 11 is converted into power that can be charged in the auxiliary power supply unit 17 through the power conversion unit, and then charged by the auxiliary power supply unit 17.
  • a super capacitor may be used as the auxiliary power supply 17.
  • An electric double layer capacitor (EDLC) or a pseudocapacitor may be used as the super capacitor.
  • a supercapacitor is a power source that gathers a lot of energy and emits high output energy in a few seconds or tens of seconds, and is a useful component that can satisfy a range of performance characteristics that a conventional capacitor or a secondary battery cannot accommodate.
  • Supercapacitors have a variety of uses, such as military or electric vehicles that use pulse power with a very short discharge time for memory backup that requires a long discharge.
  • Supercapacitors have a long lifespan and can be used for a long time. They are relatively safe because they do not contain toxic chemicals like rechargeable batteries, and they rarely degrade performance.
  • An electric double layer capacitor is a capacitor using an electrostatic charge phenomenon that occurs in an electric double layer formed at the interface of different phases, and has a faster charge / discharge rate, higher charge / discharge efficiency, and cycle characteristics than a battery whose energy storage mechanism relies on oxidation and reduction processes. It is widely used for backup power supply and can be used as an auxiliary power source for other electric vehicles.
  • a pseudo capacitor is a capacitor that converts and stores a chemical reaction into electrical energy by using a redox reaction of an electrode and an electrochemical oxide reactant.
  • the pseudocapacitor can store charge up to the surface of the electrode material as compared to the double layer formed on the surface of the electrochemical double layer electrode, so that the storage capacity is about five times larger than that of the double layer capacitor.
  • RuOx, IrOx, MnOx and the like are used as the metal oxide electrode materials.
  • the power conversion unit 18 converts and supplies the power required for each part under the control of the control unit 19.
  • the power change unit 18 may include a DC-DC converter and a battery charging module.
  • the power converter 18 may convert the power of the lithium battery 11 according to the charge control signal of the controller 19 and provide the converted power to the auxiliary power supply 17.
  • the battery heater 13 is installed in the lithium battery 11 and heats the lithium battery 11 under the control of the controller 19.
  • the battery heater 13 includes a plurality of planar heating elements formed by printing a heating element composition, and large area heat generation is possible at a short time at low voltage. As a result, even when the lithium battery 11 is in a low temperature environment, the battery heater 13 may generate a large amount of heat generated in a large area even at a low voltage of 3 to 4V, thereby heating the lithium battery 13. have.
  • the battery heater 13 may be installed in a form embedded in the bottom or side of the lithium battery 11. In order to heat the lithium battery 11 more uniformly, the battery heater 13 may be installed between the battery modules.
  • the controller 19 is a microprocessor that controls the lithium battery 11.
  • the controller 19 uses the lithium battery 11 using the state information 21 and 23 of the vehicle and the temperature information of the lithium battery 13 received from the temperature sensor 15.
  • the heating of 11) and the charging of the auxiliary power supply unit 17 are controlled.
  • the controller 19 is a battery management system (BMS) that monitors the state of the lithium secondary battery cell, performs temperature management of the lithium battery 11 through air conditioning based on the monitoring result, and the electric drive device. In conjunction with the control unit can control the supply of electrical energy to the load.
  • BMS battery management system
  • the controller 19 controls the driving of the battery heater 13 based on the temperature of the lithium battery 11 sensed by the temperature sensor 15. That is, the temperature sensor 15 transmits the temperature information 15, which senses the temperature of the lithium battery 11, to the controller 19. When the temperature sensed by the temperature sensor 15 is equal to or less than the first threshold temperature, the controller 19 turns on the switch 16 with the heating control signal 26 to turn on the battery heater 13 through the auxiliary power supply 17. ) And power the lithium battery 11 by the heat generated from the battery heater (13). The controller 19 heats the lithium battery 11 with the battery heater 13 and then, when the temperature of the lithium battery 11 sensed by the temperature sensor 15 is greater than or equal to the second threshold temperature, the heating control signal 26.
  • the furnace switch 16 is turned off to cut off the power supplied to the battery heater 13 through the auxiliary power supply unit 17 to stop the heating of the lithium battery 11.
  • the first threshold temperature may be set to a temperature that can be recognized as a cold state of the lithium battery 11.
  • the second threshold temperature may be set to a temperature within a range in which the normal charge / discharge of the lithium battery 11 is possible.
  • the heating of the lithium battery is performed after the controller 19 checks the state information 21 of the vehicle. At this time, ignition ON is performed by the state information 21 of the vehicle, that is, the vehicle is started.
  • the control unit 19 checks the remaining amount of the auxiliary power supply unit 17 to determine whether charging of the auxiliary power supply unit 17 is necessary. When charging is necessary, the controller 19 applies the charge control signal 28 to the power conversion unit 18 to charge the auxiliary power supply 17 with the power of the lithium battery 11. Of course, the controller 19 checks whether or not the auxiliary power source 17 can be charged by the lithium battery 11 through the state information 23 of the vehicle.
  • the vehicle state 23 capable of charging the auxiliary power supply 17 may be a state in which the generator is normally driven.
  • the operating efficiency can be improved and the life can be extended according to the temperature of the lithium battery 11.
  • FIGS. 1 and 2 are flowchart illustrating a battery management method of the battery system of FIG. 1.
  • Battery management includes heating of the lithium battery 11 and charging of the auxiliary power supply unit 17 based on the vehicle state and the battery state information.
  • the controller 19 checks whether the ignition is turned on through the state information 21 of the vehicle in step S13.
  • step S11 If the ignition on signal is not input as a result of the check, the controller 19 maintains the standby state according to step S11.
  • the controller 19 checks whether the temperature of the lithium battery 11 is lower than or equal to the first threshold temperature in step S15. That is, the controller 19 checks whether the lithium battery 11 is at a temperature at which it can operate normally.
  • step S17 the controller 19 operates the battery heater 13 to heat the lithium battery 11.
  • step S19 the controller 19 checks whether the temperature of the heated lithium battery 11 is equal to or greater than the second threshold temperature.
  • step S17 If the result of the check is less than the second threshold temperature, the controller 19 performs step S17.
  • the control unit 19 stops the operation of the battery heater 19 in step S21. Since the lithium battery 11 is in a state in which stable power supply is possible due to the heating, the controller 19 starts using the power of the lithium battery 11 according to the ignition on signal. For example, when the vehicle is an electric vehicle, the controller 19 drives the electric motor provided in the electric vehicle.
  • step S23 the controller 19 checks whether the generator is driven through the state information 23 of the vehicle. That is, the controller 19 checks whether the generator is driven or not whether the auxiliary power supply 17 can be charged through the lithium battery 11.
  • control unit 19 starts to charge (ON) the auxiliary battery 17 through the power conversion unit 18 in step S25.
  • step S27 the controller 19 checks whether the auxiliary battery 17 is fully charged.
  • control unit 19 performs step S25.
  • control unit 19 terminates the charging of the auxiliary battery 17 in step S29.
  • step S31 the controller 19 checks whether the ignition off new value is input.
  • the controller 19 ends the driving of the battery system 100. At this time, the controller 19 may return to the standby state according to step S11.
  • the battery heaters 913, 113, 213, and 313 applied to the battery system 100 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 28 as follows.
  • FIG. 3 is a plan view showing a battery heater 13 according to a first embodiment of the present invention.
  • 4 is a diagram illustrating the planar heating element array 80 of FIG. 3.
  • 5 is a cross-sectional view taken along line 5-5 of FIG. 3.
  • the protection layer 90 covering the planar heating element array 80 is omitted.
  • the battery heater 13 includes a base substrate 30, an electrode wiring pattern 40, an insulating layer 70, and a planar heating element array 80.
  • a protective layer 90 may be further included.
  • the base substrate 30 has insulation.
  • the electrode wiring patterns 40 are formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30.
  • the insulating layer 70 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 and fills the space between the electrode wiring patterns 40.
  • the planar heating element array 80 includes a plurality of planar heating elements 85 formed by printing the heating composition on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 to be electrically connected to the electrode wiring pattern 40.
  • the protective layer 90 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 and covers the planar heating element array 80.
  • the battery heater 13 according to the first embodiment will now be described in detail.
  • the base substrate 30 is an insulating plastic substrate and has an upper surface 31 and a lower surface 33 opposite to the upper surface 31.
  • the base substrate 30 is made of a material having insulation and heat insulation that functions to suppress the power and heat applied to the planar heating element arrays 80 formed on both surfaces 31 and 33 from leaking out.
  • the base substrate 30 may be made of polyimide, polyethersulphone (PES), polyacrylate (PAR), polyetherimide (PEI), polyethylene naphthalate (polyethyelenen napthalate); PEN), polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polyallylate, polycarbonate (PC), cellulose triacetate (CTA) or cellulose acetate propio Cellulose acetate propinonate (CAP) may be used, but is not limited to those listed.
  • the base substrate 30 may be appropriately selected depending on the application field or use temperature at which the battery heater 13 is used.
  • the planar heating element array 80 is uniformly arranged in a matrix form on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30.
  • the planar heating element array 80 may include a first planar heating element array 81 and a second planar heating element array 83.
  • the first planar heating element array 81 is formed on one side of the upper surface 31 of the base substrate 30 and includes a plurality of first planar heating elements 87 arranged in a line.
  • the second planar heating element array 83 is formed on one side of the lower surface 33 of the base substrate 30 spaced apart from the first planar heating element array 81, and the plurality of second planar heating element 89 arranged in a line. It is provided.
  • the first and second planar heating element arrays 81 and 83 are each provided with four planar heating elements 85
  • the planar heating element 85 is provided according to the area of the base substrate 30. The number and size of can vary.
  • the planar heating element array 80 when the second planar heating element array 83 is projected onto the upper surface 31 of the base substrate 30, the first planar heating element array 81 and the second planar heating element array 83 are spaced apart from each other.
  • the planar heating element array 80 is viewed from the upper surface 31 of the base substrate 30, the first planar heating element array 81 is disposed on the left side, and the second planar heating element array 83 is disposed on the right side. Has For this reason, the planar heating element array 80 has a form uniformly disposed on the base substrate 30.
  • the first and second planar heating element arrays 81 and 83 are formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 so as to include the plurality of planar heating elements 85 in a row, respectively. This is to minimize the path, i.e., the length, of the electrode wiring pattern 40 formed to apply power to 85. By minimizing the length of the electrode wiring pattern 40, a voltage drop caused by an increase in the length of the electrode wiring pattern 40 can be suppressed, and power can be stably supplied to the plurality of planar heating elements 85. Therefore, stable heat generation uniformity of the first and second planar heating element arrays 81 and 83 can be maintained.
  • the first and second planar heating element arrays can be formed on one surface of the base substrate, in this case, since the length of the electrode wiring pattern for supplying power to the first and second planar heating element arrays becomes longer, the electrode wiring pattern The voltage drop due to the increase in the length of 40 occurs. As a result, since uniform power is not supplied to the entire first and second planar heating element arrays, heat uniformity of the first and second planar heating element arrays may be lowered.
  • a method of forming a planar heating element array in one line on the entire surface of the base substrate may be considered, but in this case, since the area of the planar heating element is more than doubled, heat is generated in a short time at a low voltage of 3V to 4V. There is no way to make it.
  • the plurality of planar heating elements 85 forming the planar heating element array 80 are formed by printing and then drying and curing the heating element composition.
  • the printing method of the planar heating element 85 screen printing, gravure printing (to roll to roll gravure printing), comma coating (to roll to roll comma coating), flexo, imprinting, offset printing, or the like may be used. Drying and curing may be performed at 100 ° C to 180 ° C.
  • the heating element composition forming the planar heating element 85 includes conductive particles and a synthetic binder.
  • the heating element composition introduced into the printing process further includes an organic solvent and a dispersant in addition to the conductive particles and the synthetic binder.
  • the heating element composition may include 5 to 30 parts by weight of the mixed binder, 0.7 to 60 parts by weight of the conductive particles, 29 to 80 parts by weight of the organic solvent, and 0.5 to 5 parts by weight of the dispersant based on 100 parts by weight of the heating element composition.
  • Conductive particles include carbon particles or metal powder having conductivity.
  • carbon particles carbon nanotube particles or graphite particles may be used.
  • metal powder a powder made of silver, copper or nickel may be used.
  • the conductive particles may include 0.1 to 5 parts by weight of carbon nanotube particles, 0.1 to 20 parts by weight of graphite particles, or 10 to 60 parts by weight of metal powder based on 100 parts by weight of the exothermic composition.
  • the carbon nanotube particles may be selected from single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, or mixtures thereof.
  • the carbon nanotube particles may be multi wall carbon nanotubes.
  • the diameter may be 1 nm to 20 nm, and the length may be 1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • Graphite particles may have a diameter of 1 ⁇ m to 25 ⁇ m and a thickness of 1 nm to 25 ⁇ m.
  • Metal powders include powders of silver, copper or nickel materials. In the case of silver powder, it may have the form of flakes, spherical shapes, polygonal plates, rods and the like.
  • As the copper powder silver coated copper powder, nickel coated copper powder, or the like may be used.
  • nickel powder may be used silver coated nickel (Ag coated Ni) powder.
  • the planar heating element 85 is formed of a heating element composition including carbon particles and metal powder
  • the metal powder forms a main electrical network
  • carbon particles are filled in the space between the metal powders to form a three-dimensional random network structure.
  • the heating element composition may include carbon particles and metal powder, thereby increasing the energy efficiency and the heat generation rate of the planar heating element 85. That is, the metal powder does not have a black body radiation function, but by incorporating carbon particles in the heating element composition, the black body radiation function may be realized. Due to the carbon particles, the heat resistance of the planar heating element 85 can be increased. And carbon particles can increase the heat generation rate and energy efficiency.
  • the resistivity of the planar heating element 85 may be determined by the content of carbon particles or metal powder in the total solids. For example, 1 ⁇ 10 - 2 ⁇ cm gamut by adjusting the specific resistance can be one of only carbon particles, the area of the less is the need for additional introduction of the metal powder.
  • the planar heating element 85 according to the first embodiment may have a specific resistance of 9 ⁇ 10 ⁇ 2 to 1.1 ⁇ 10 ⁇ 3 dBm.
  • the electrode wiring pattern 40 is preferably 400 times or more the electrical conductivity of the planar heating element 85.
  • the synthetic binder contains at least two kinds of phenolic resins, acetal resins, isocyanate resins and epoxy resins so that they can have heat resistance even at a temperature of about 300 ° C.
  • the synthetic binder includes at least two of epoxy, epoxy acrylate, hexamethylene diisocyanate, polyvinyl acetal, and phenol resin.
  • the mixed binder may have a form in which hexamethylene diisocyanate, polyvinyl acetal resin, and phenolic resin are mixed.
  • a mixed binder contains 10-150 weight part of polyvinyl acetal resins, and 100-500 weight part of phenolic resins with respect to 100 weight part of hexamethylene diisocyanate.
  • phenolic resin is 100 weight part or less with respect to 100 weight part of hexamethylene diisocyanate, heat resistance falls, and when it exceeds 500 weight part, flexibility of a planar heating element falls and brittleness becomes strong.
  • the resistance change or breakage of the planar heating element 85 can be suppressed by increasing the heat resistance of the mixed binder.
  • the phenolic resin means a phenolic compound including phenol and a phenol derivative.
  • phenol derivatives include p-cresol, o-Guaiacol, Creosol, catechol, 3-methoxy-1,2-benzenediol (3- methoxy-1,2-Benzenediol), Homocatechol, Vinylguaiacol, Syringol, Iso-eugenol, Methoxyeugenol, o- O-Cresol, 3-methyl-1,2-benzenediol (3-methyl-1,2-Benzenediol), (z) -2-methoxy-4- (1-propenyl) -phenol (( z) -2-methoxy-4- (1-propenyl) -Phenol), 2,6-diethoxy-4- (2-propenyl) -phenol (2,6-dimethoxy-4- (2-propenyl)- Phenol), 3,4-dimethoxy-Phenol, 4-ethyl,
  • the organic solvent is used to disperse the conductive particles and the mixed binder.
  • the dispersion process can be applied to a variety of commonly used methods, for example through the ultra-sonication (Roll mill), bead mill (Bead mill) or ball mill (Ball mill) process Can be done.
  • Roll mill ultra-sonication
  • Bead mill bead mill
  • Ball mill ball mill
  • the dispersant is for more smoothly dispersing the conductive particles, and may be a conventional dispersant used in the art such as BYK, an amphoteric surfactant such as Triton X-100, and an ionic surfactant such as SDS. .
  • the heating element composition according to the first embodiment may further include 0.1 to 5 parts by weight of the silane coupling agent as an additive, based on 100 parts by weight of the heating element composition.
  • the silane coupling agent functions as an adhesion promoter to promote adhesion between the resins in the formulation of the heating element composition.
  • the silane coupling agent may be an epoxy containing silane or a merceto containing silane.
  • Examples of such silane coupling agents include epoxy and include 2- (3,4 epoxy cyclohexyl) -ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxytrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, containing amine groups, N-2 (aminoethyl) 3-amitopropylmethyldimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysilane , N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltri
  • the electrode wiring pattern 40 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30, and supplies power applied from the outside to the planar heating element array 80. The reason why the electrode wiring patterns 40 are formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 is to minimize the voltage drop.
  • the electrode wiring pattern 40 may be formed by stacking metal layers on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 and patterning the same using photolithography.
  • Aluminum may be used as a material of the electrode wiring pattern 40 and has a thickness of 30 ⁇ m or more.
  • the electrode wiring pattern 40 may have a thickness of 30 to 70 ⁇ m.
  • the thickness of the electrode wiring pattern 40 is less than 30 ⁇ m, when the use voltage is DC 4.5V to 2V, a voltage drop may occur.
  • the thickness of the electrode wiring pattern 40 exceeds 70 ⁇ m, etching defects such as edge-cuts occur due to the etching rate of aluminum, which causes problems in peel strength and reliability. can do. Therefore, it is preferable to form the thickness of the electrode wiring pattern 40 at least 30 micrometers or more and 70 micrometers or less.
  • the electrode wiring pattern 40 is connected to the first planar heating element array 81 and the second planar heating element array 83 in parallel to apply power.
  • the electrode wiring pattern 40 may include a first electrode wiring pattern 50 electrically connected to the first planar heating element array 81, and a second electrode wiring pattern 60 electrically connected to the second planar heating element array 83. Include.
  • the first electrode wiring pattern 50 may include the first-first electrode pad 51, the first-first connection wiring 52, the plurality of first-first electrode terminals 53, and the first-second electrode pad 54. , The 1-2 connection wire 55, and the plurality of 1-2 electrode terminals 56.
  • the first-first electrode pad 51 and the first-second electrode pad 54 are connected to the positive electrode and the negative electrode of the auxiliary power supply unit 17 of FIG. 1 to receive power.
  • the first-first electrode pad 51 and the first-second electrode pad 54 are formed to be spaced apart from each other.
  • the first-first connection wiring 52 is connected to the first-first electrode pad 51 and is formed along one of the plurality of first planar heating elements 87 on one side of the first planar heating element array 81.
  • the plurality of first-first electrode terminals 53 are connected to the first-first connection wirings 52 and are formed under the plurality of first planar heating elements 87, respectively.
  • the 1-2 connection wire 55 is connected to the 1-2 electrode pad 54 and is formed along the plurality of first planar heating elements 87 on the other side of the first planar heating element array 81.
  • the plurality of 1-2 electrode terminals 56 are connected to the 1-2 connection wires 55, respectively, and are formed under the plurality of first planar heating elements 87, and the plurality of 1-1 electrode terminals ( 53) spaced apart.
  • the first-first and first-second electrode terminals 53 and 56 may be formed in parallel with each other.
  • the plurality of first planar heating elements 87 receive power from the auxiliary power supply unit 17 of FIG. 1 through the first-first electrode terminal 53 and the first-second electrode terminal 56 to generate heat.
  • the second electrode wiring pattern 60 includes a 2-1 electrode pad 61, a 2-1 connection wiring 62, a plurality of 2-1 electrode terminals 63, and a 2-2 electrode pad 64. , The second-2 connection wirings 65, and the plurality of second-2 electrode terminals 66.
  • the 2-1 electrode pad 61 and the 2-2 electrode pad 64 are connected to the positive electrode and the negative electrode of the auxiliary power supply unit 17 of FIG. 1 to receive power.
  • the 2-1 electrode pad 61 and the 2-2 electrode pad 64 are formed to be spaced apart from each other.
  • the second-first connection wire 62 is connected to the second-first electrode pad 61 and is formed along one of the plurality of second planar heating elements 89 on one side of the second planar heating element array 83.
  • the plurality of second-first electrode terminals 63 are connected to the second-first connection wires 62 and are formed under the plurality of second planar heating elements 89, respectively.
  • the second-second connection wiring 65 is connected to the second-second electrode pad 64 and is formed along the plurality of second surface heating elements 89 on the other side of the second surface heating element array 83.
  • the plurality of 2-2 electrode terminals 66 are connected to the second connection line 65, respectively, and are formed under the plurality of second planar heating elements 89, and the plurality of 2-1 electrode terminals ( 63) spaced apart.
  • the 2-1 and 2-2 electrode terminals 63 and 66 may be formed in parallel with each other.
  • the plurality of second planar heating elements 89 receive power from the auxiliary power supply unit 17 of FIG. 1 through the 2-1 electrode terminal 63 and the 2-2 electrode terminal 66 to generate heat.
  • the first-first electrode pad 51 and the second-first electrode pad 61 may be shared, and the first-second electrode pad 56 and the second-second electrode pad 66 may be shared.
  • the electrode pads 51, 61, 56, 66 shared with each other may be formed by being bonded to each other outside the base substrate 30.
  • the electrode pads 51, 61, 56, 66 shared with each other may be formed on the base substrate 30, and may be electrically connected to each other through vias formed through the base substrate 30.
  • the insulating layer 70 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 and fills the gaps between the electrode wiring patterns 40 to reduce the terminals of the electrode wiring patterns 40 and the base substrate 30.
  • the upper surface of the insulating layer 70 may be formed at the same height as the upper surface of the electrode wiring pattern 40.
  • the insulating layer 70 may be formed by laminating insulating films on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 or by applying a liquid insulating resin.
  • the insulating layer 70 may include a first insulating layer 71 formed on the upper surface 31 of the base substrate 30 and a second insulating layer 73 formed on the lower surface 33 of the base substrate 30. Include.
  • the material of the insulating layer 70 may be polyimide, epoxy resin, optically clear adhesive (OCA) or optically clear resin (OCR), but is not limited thereto.
  • the protective layer 90 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 and covers the surface heating element array 80 to protect it from the external environment.
  • the protective layer 90 may be formed to expose the electrode pads 51, 61, 56, 66 of the electrode wiring pattern 40 to the outside.
  • the protective layer 90 is a film of an insulating plastic material as a material, polyimide, epoxy resin, OCA (optically clear adhesive) or OCR (optically clear resin) may be used, but is not limited thereto.
  • the battery heater 13 forms the planar heating element array 80 on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 by using a heating element composition, so that even at a low voltage of DC 3V to DC 4V. It has a high calorific value of 1.5 W / cm 2 .
  • FIGS. 1 to 15. 6 to 15 are views illustrating respective steps according to the method of manufacturing the battery heater 13 of FIG. 3.
  • the base substrate 30 is prepared.
  • a polyimide substrate is used as the base substrate 30.
  • 7 is a cross-sectional view taken along line 7-7 of FIG.
  • metal layers 41 and 43 are attached to both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30.
  • an aluminum metal plate having a thickness of 30 to 70 ⁇ m may be used as the metal layers 41 and 43.
  • the metal layers 41 and 43 may include a first metal layer 41 formed on the upper surface 31 of the base substrate 30 and a second metal layer 43 formed on the lower surface 33 of the base substrate 30. do.
  • the metal layers 41 and 43 are patterned by using photolithography using a photosensitive agent to form an electrode wiring pattern 40.
  • photosensitive agents are applied on the first and second metal layers 41 and 43 to form photosensitive layers 44 and 45.
  • the photosensitive layers 44 and 45 include a first photosensitive layer 44 formed on the first metal layer 41 and a second photosensitive layer 45 formed on the second metal layer 43.
  • the photosensitive layers 44 and 45 are exposed to ultraviolet rays using the masks 46 and 47.
  • Mask patterns 46a and 47a are formed in the masks 46 and 47 to correspond to the formed electrode wiring patterns.
  • the masks 46 and 47 include a first mask 46 disposed on the first photosensitive layer 44 and a second mask 47 disposed on the second photosensitive layer 45.
  • the exposed photosensitive layers 44 and 45 are developed to form the photosensitive layer patterns 48 and 49. That is, the photosensitive layer patterns 48 and 49 are formed by removing only the exposed portions of the photosensitive layers 44 and 45 with the developing solution.
  • the photosensitive layer patterns 48 and 49 include a first photosensitive layer pattern 48 formed on the first metal layer 41 and a second photosensitive layer pattern 49 formed on the second metal layer 43.
  • the first photosensitive layer pattern 48 is formed to correspond to the first electrode wiring pattern.
  • the second photosensitive layer pattern 49 is formed to correspond to the second electrode wiring pattern.
  • the metal layers 41 and 43 are etched using the photosensitive layer patterns 48 and 49 as etch masks, leaving only the metal layer portions below the photosensitive layer patterns 48 and 49.
  • the remaining metal layer portions under the photosensitive layer patterns 48 and 49 are formed as the electrode wiring patterns 50 and 60.
  • the electrode wiring patterns exposed to both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 are removed by removing the photosensitive layer patterns 48 and 49 on the electrode wiring patterns 40. 40 is formed.
  • the space between the electrode wiring patterns 40 is filled with the insulating layer 70.
  • the electrode wiring pattern 40 and the insulating layer 70 preferably form the insulating layer 70 so that the upper surface thereof is substantially positioned on the same surface.
  • the insulating layer 70 includes a first insulating layer 71 filling the first electrode wiring pattern 50 and a second insulating layer 73 filling the second electrode wiring pattern 60.
  • the insulating layer 70 may be formed as follows. First, an insulating resin may be applied between the electrode wiring patterns 40 to form the insulating layer 70. In this case, the insulating resin is formed to cover both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 including the electrode wiring patterns 40. The insulating layer 70 may be formed by polishing the insulating resin so that the electrode wiring pattern 40 is exposed to the outside.
  • the insulating film is laminated on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 to fill the gap between the electrode wiring patterns 40, and then, the insulating film portion on the electrode wiring patterns 40 is removed to remove the insulating layer 70. Can be formed.
  • the insulating layer 70 may be formed by laminating an insulating film having an open portion corresponding to a region between the electrode wiring patterns 40.
  • a plurality of planar heating elements 87 and 89 are printed on the insulating layer 70 and the electrode wiring pattern 40 to electrically connect the electrode wiring patterns 40.
  • the planar heating element array 80 is formed.
  • the plurality of planar heating elements 87 and 89 forming the planar heating element array 80 are formed by printing, heating, and curing the heating element composition. Screen printing, gravure printing (to roll-to-roll gravure printing), comma coating (to roll-to-roll comma coating), flexo, imprinting, offset printing, etc. may be used as a printing method of the planar heating elements 87 and 89. Drying and curing may be performed at 100 ° C to 180 ° C.
  • the protection layer 90 covering the planar heating element array 80 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 to thereby form the battery heater 13 according to the first embodiment.
  • the protective layer 90 includes a first protective layer 91 covering the first planar heating element array 81 and a second protective layer 93 covering the second planar heating element array 83.
  • the base substrate strip may be used to fabricate a plurality of battery heaters together.
  • a punching process of separating the individual battery heaters from the base substrate strip may be further performed.
  • 16 and 17 are diagrams showing simulation results of heating behavior of a battery heater in which electrical conductivity between the planar heating element and the electrode wiring pattern is 200 times different.
  • the battery heater generates heat at 76.9 ° C. (FIG. 16) when the DC 4V is applied, to 85.6 ° C. (FIG. 17) with time.
  • the amount of heat generated is relatively lower in the plane heating element positioned at the end of the planar heating element positioned at the beginning when power is applied. That is, when the electrode wiring pattern is 200 times higher in electrical conductivity than the planar heating element, it can be seen that the planar heating element array is unevenly generated.
  • 18 is a view showing a simulation result of the heating behavior of the battery heater, the electrical conductivity between the planar heating element and the electrode wiring pattern 300 times.
  • the battery heater generates heat at 83.6 ° C. when DC 4V is applied.
  • the amount of heat generated is relatively lower in the plane heating element positioned at the end of the planar heating element positioned at the beginning when power is applied. That is, even when the electrode wiring pattern is 300 times higher in electrical conductivity than the planar heating element, it can be confirmed that the planar heating element array is unevenly generated.
  • 19 and 20 are diagrams showing simulation results of heating behavior of a battery heater having an electrical conductivity of 400 times that of the planar heating element and the electrode wiring pattern.
  • the battery heater generates heat at 72.2 ° C. when DC 4V is applied, and moreover, the battery heater generates heat uniformly throughout the planar heating element array. That is, when the electrode wiring pattern is 400 times higher in electrical conductivity than the planar heating element, it can be confirmed that the planar heating element array is uniformly generated.
  • the battery heater generates heat at 355 ° C. when DC 4V is applied, and moreover, the battery heater generates heat uniformly throughout the planar heating element array.
  • the battery heater according to the first embodiment is preferably formed such that the electrode wiring pattern is 400 times or more higher than that of the planar heating element.
  • the driving voltage is very low, such as 4 V or less, and the heat generating area requires a large area of 15 x 5 cm 2 or more, a voltage drop of the electrode wiring pattern inevitably occurs, and the heat generation uniformity is likely to decrease. Therefore, in the first embodiment, in order to minimize the voltage drop of the electrode wiring pattern and induce uniform heat generation, half of the total heat generation area is formed on the top surface of the base substrate to generate heat, and the other half area is formed on the bottom surface of the base substrate. It is preferable to form.
  • FIG. 21 is a thermal image illustrating heat generation behavior when DC 3.5V is applied to a battery heater according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a thermal image illustrating heat generation behavior when DC 4V is applied to a battery heater according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • Sp1 to Sp8, marked with + on the thermal image, are the temperature measuring points.
  • the battery heater according to the first embodiment was manufactured to 80 ⁇ 150 mm 2.
  • the electrode wiring pattern was manufactured to have an electrical conductivity of 400 times or more as compared with the planar heating element.
  • Sp1 is 274.8 ° C
  • Sp2 is 261.8 ° C
  • Sp3 is 311.7 ° C
  • Sp4 is 283.1 ° C
  • Sp5 is 263.6 ° C
  • Sp6 is 263.4 ° C
  • Sp7 is 313.1 ° C
  • Sp8 is It was measured at 288.0 ° C.
  • Table 1 shows the electrical characteristics and the temperature attained according to the driving voltage of the battery heater.
  • FIG. 22 is a graph showing heat generation behavior data when driving a DC 4V to a battery heater according to the first embodiment of the present invention.
  • the battery heater according to the first exemplary embodiment may generate heat of 55 ° C. or higher in a region of about 4V, which is a driving voltage of a super capacitor, which is an auxiliary battery.
  • the battery heater 13 according to the first embodiment has been described an example of forming the insulating layer 70 to reduce the height variation, but is not limited thereto. That is, as shown in FIGS. 24 and 25, the insulating layer may not be formed.
  • 24 is a cross-sectional view illustrating a battery heater 113 according to a second embodiment of the present invention.
  • the battery heater 113 may include a base substrate 30, an electrode wiring pattern 40, and a planar heating element array 80, and further include a protective layer 90.
  • the base substrate 30 has insulation.
  • the electrode wiring patterns 40 are formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30.
  • the planar heating element array 80 includes a plurality of planar heating elements 87 and 89 formed by printing the heating composition on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 to be electrically connected to the electrode wiring pattern 40.
  • the protective layer 90 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 and covers the planar heating element array 80.
  • the electrode wiring patterns 40 and the planar heating element array 80 are formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30.
  • 25 is a cross-sectional view illustrating a battery heater 213 according to a third embodiment of the present invention.
  • the battery heater 213 includes a base substrate 30, an electrode wiring pattern 40, and a planar heating element array 80, and further includes a protective layer 90.
  • the base substrate 90 is insulative and electrode wiring pattern grooves 35 and 37 are formed on both surfaces 31 and 33.
  • the electrode wiring pattern 40 is formed by filling the electrode wiring pattern grooves 35 and 37 of the base substrate 30.
  • the planar heating element array 80 includes a plurality of planar heating elements 87 and 89 formed by printing the heating composition on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 to be electrically connected to the electrode wiring pattern 40.
  • the protective layer 90 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 and covers the planar heating element array 80.
  • the electrode wiring patterns 40 are formed to be filled in the electrode wiring pattern grooves 935 and 37 formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30.
  • the electrode wiring pattern 40 may be formed at the same height as both surfaces 31 and 33 of the base substrate 930. For this reason, in order to reduce the height deviation of the electrode wiring pattern 40, it is not necessary to form an insulating layer separately like the first embodiment.
  • the battery heaters according to the first to third embodiments have a planar heating element array formed on both sides of the base substrate, and the planar heating element is uniformly formed on the front surface of the battery heater without overlapping each other up and down. As shown in FIG. 2, a planar heating element array may be uniformly formed on both surfaces of the base substrate.
  • 26 is a cross-sectional view illustrating a battery heater 313 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the battery heater 313 includes a base substrate 30, an electrode wiring pattern 40, an insulating layer 70, and a planar heating element array 80. 90) may be further included.
  • the base substrate 30 has insulation.
  • the electrode wiring patterns 40 are formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30.
  • the insulating layer 70 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 and fills the space between the electrode wiring patterns 40.
  • the planar heating element array 80 includes a plurality of planar heating elements 85 formed by printing the heating composition on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 to be electrically connected to the electrode wiring pattern 40.
  • the protective layer 90 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 and covers the planar heating element array 80.
  • the planar heating element array 80 is uniformly arranged in a matrix form on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30.
  • the planar heating element array 80 includes first planar heating element arrays 81a and 81b and second planar heating element arrays 83a and 83b.
  • the first planar heating element arrays 81a and 81b are uniformly formed on the entire upper surface 31 of the base substrate 30 and include a plurality of first planar heating element.
  • the second planar heating element arrays 83a and 83b are uniformly formed on the entire lower surface 33 of the base substrate 30 and include a plurality of second planar heating elements.
  • the first planar heating element arrays 81a and 81b may be arranged in two rows, and may include the first-first planar heating element array 81a and the first-second planar heating element array 81b.
  • the second planar heating element arrays 83a and 83b are arranged in two rows to correspond to the first planar heating element arrays 81a and 81b, and the second-first planar heating element array 83a and the second-second planar heating element array 83b are arranged. It may include.
  • the first planar heating element arrays 81a and 81b and the second planar heating element arrays 83a and 83b are formed. It may be formed in the same position with each other. Alternatively, the first planar heating element arrays 81a and 81b and the second planar heating element arrays 83a and 83b are uniformly formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30, and the first and second planar heating elements are mutually equal. It may be formed in a different position.
  • the electrode wiring pattern 40 is formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30, and supplies power applied from the outside to the planar heating element array 80.
  • the electrode wiring pattern 40 is connected in parallel to the first planar heating element arrays 81a and 81b and the second planar heating element arrays 83a and 83b, respectively, to apply power.
  • the electrode wiring pattern 40 includes a first electrode wiring pattern 50 electrically connected to the first planar heating element arrays 81a and 81b, and a second electrode wiring pattern electrically connected to the second planar heating element arrays 83a and 83b. (60).
  • the first electrode wiring pattern 50 may include the first-first electrode wiring pattern 50a connecting the first-first planar heating element array 81a and the first first connecting the first-second planar heating element array 81b. It includes the two-electrode wiring pattern 50b.
  • the second electrode wiring pattern 60 may include the second-1 electrode wiring pattern 60a connecting the second-first planar heating element array 83a and the second second wiring interconnection pattern 83b connecting the second-second planar heating element array 83b.
  • the two-electrode wiring pattern 60b is included.
  • the first-first electrode wiring pattern 50a and the second-first electrode wiring pattern 60a which are positioned up and down with respect to the base substrate 30 are connected to each other.
  • the electrode pads of the first-first electrode wiring pattern 50a and the second-first electrode wiring pattern 60a may be formed to be bonded to each other outside the base substrate 30.
  • the electrode pads of the first-first electrode wiring pattern 50a and the second-first electrode wiring pattern 60a may be formed on the base substrate 30, and may be formed through vias formed through the base substrate 30. Can be electrically connected.
  • the electrode pads of the 2-1 electrode wiring pattern 50b and the 2-2 electrode wiring pattern 60b which are positioned up and down about the base substrate 30 are connected to each other.
  • the electrode pads of the 2-1 electrode wiring pattern 50b and the 2-2 electrode wiring pattern 60b may be formed by being bonded to each other on the outside of the base substrate 30.
  • the electrode pads of the 2-1 electrode wiring pattern 50b and the 2-2 electrode wiring pattern 60b are formed on the base substrate 30, respectively, and are formed through vias formed through the base substrate 30. Can be electrically connected.
  • planar heating elements are formed in two rows on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 in the fourth embodiment.
  • the planar heating elements may be formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 in one or three rows or more depending on the area of the base substrate 30.
  • a configuration in which the plurality of planar heating elements 85 are uniformly formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30 according to the fourth embodiment may be applied to the battery heaters 113 and 213 according to the second and third embodiments. Of course it can.
  • the battery heater 313 according to the fourth embodiment is uniformly formed on both surfaces 31 and 33 of the base substrate 30, the battery heater 313 is shorter than the battery heater 313 according to the first to third embodiments. Larger temperatures are possible at higher temperatures.
  • FIG. 27 is a thermal image illustrating heat generation behavior when DC 2V is applied to a battery heater according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a thermal image illustrating heat generation behavior when DC 3.5V is applied to a battery heater according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • Li1 is 143.9 to 235.7 ° C (average 198.3 ° C)
  • Li2 is 131.5 to 243.7 ° C (average 204.5 ° C)
  • Li3 is 124.0 to 254.6 ° C (average 192.4 ° C)
  • Li 4 was measured at 125.0 to 237.3 ° C (average 182.0 ° C).
  • Table 2 shows the electrical characteristics and the achieved temperature according to the driving voltage of the battery heater.
  • DC V Drive voltage
  • A Power amount (W / cm2)
  • Temperature (°C) 2 10 0.2 70-150 3.5 17.5 0.6 150-275 4 20 0.7 170-300
  • a heat generating hole of 70 ° C. or more can be uniformly provided in the entire region of about 4V, which is a driving voltage of the super capacitor, which is an auxiliary power supply.
  • DC 4V when DC 4V is applied, it can be driven up to 300 ° C and can reach 300 ° C at a very high speed within 10 seconds.
  • the battery heater according to the fourth embodiment is uniformly formed on both surfaces of the base substrate, it is determined that large area heat generation is possible at a higher temperature in a shorter time than the battery heaters according to the first to third embodiments.
  • connection wiring 63 2-1 electrode terminal
  • first insulating layer 73 second insulating layer
  • planar heating element array 81 first planar heating element array
  • protective layer 91 first protective layer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 저전압에서 대면적으로 높은 발열량을 순간적으로 필요로 하는 리튬 배터리의 히팅에 사용하기 위한 것이다. 본 발명은 절연성을 갖는 베이스 기판, 베이스 기판의 양면에 형성된 전극 배선 패턴, 베이스 기판의 양면에 형성되며 전극 배선 패턴 사이를 메우는 절연층, 및 베이스 기판의 양면에 발열체 조성물을 인쇄하여 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이를 포함하는 배터리 히터를 제공한다.

Description

배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법
본 발명은 배터리 히팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저전압에서 대면적으로 높은 발열량을 순간적으로 필요로 하는 리튬 배터리의 히팅에 사용되는 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 화석연료의 고갈 염려 등으로 인해 전기로 구동되는 다양한 전기 구동 장치, 예컨대 전기자동차(Electric Vehicle), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in HEV; PHEV) 등이 개발되고 있다. 전기자동차는 엔진 없이 배터리를 통한 전기에너지를 주 동력원으로 하는 차량으로서, 배출가스가 전혀 발생하지 않는다. 하이브리드 전기자동차는 엔진과 전기모터를 함께 사용하며, 엔진의 부하를 감소시켜 에너지 효율을 높일 수 있는 자동차이다. 그리고 플러그-인 하이브리드 전기자동차는 엔진과 전기모터를 함께 사용한다는 점에서 하이브리드 전기자동차에 해당되며, 배터리는 플러그-인을 통해 외부 전원으로 충전한다는 점에서 하이브리드 전기자동차와 차이가 있다.
이와 같은 전기 구동 장치는 필수적으로 전기를 공급하기 위한 배터리가 필요하다. 배터리로는 충전 및 방전이 가능한 리튬 배터리가 사용되고 있다.
이러한 전기 구동 장치는 다양한 환경 조건, 예컨대 고온이나 저온에서 구동이 가능해야 한다.
그런데 전기 구동 장치에 사용되는 리튬 배터리는 온도가 감소함에 따라 출력 전압과 전류가 급격이 감소하는 특성을 가지고 있다. 이로 인해 전기 구동 장치에 사용되는 리튬 배터리는 영하 또는 낮은 온도의 외부 환경에 장시간 노출될 경우, 배터리의 효율 및 출력이 급격히 떨어진다. 예컨대 리튬 배터리는 최적의 방전 온도는 30~35℃이기 때문에, 이 보다 낮은 작동 온도, 특히 영하의 온도에서는 방전 전류 및 사용한 가능한 전체 에너지가 급격히 떨어지는 특성을 가지고 있다. 그리고 -10℃ 이하의 온도에서의 리튬 배터리의 충전은 잠재적인 위험성이 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해서, 리튬 배터리에 배터리 히터를 장착하여 저온으로 떨어진 리튬 배터리를 히팅하는 방법이 있다. 기존의 배터리 히터는 니켈 합금 포일(foil)을 에칭 프로세스에 의한 가공하는 방식으로 제조한 선상 발열체를 구비한다.
그런데 선상 발열체를 이용한 배터리 히터는 배터리 히팅 시, 선상 발열체 사이에 빈공간이 많아 발열이 되지 않는 영역이 존재하고, 균일한 발열을 유도하기 어렵기 때문에, 리튬 배터리의 히팅 속도가 느린 문제점을 안고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 저전압에서 짧은 시간에 대면적 발열이 가능한 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 절연성을 갖는 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 양면에 형성된 전극 배선 패턴; 상기 베이스 기판의 양면에 형성되며 상기 전극 배선 패턴 사이를 메우는 절연층; 및 상기 베이스 기판의 양면에 발열체 조성물을 인쇄하여 상기 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이;를 포함하는 배터리 히터를 제공한다.
상기 베이스 기판의 소재는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA) 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)를 포함할 수 있다.
상기 면상 발열체 어레이는, 상기 베이스 기판의 상부면의 일측에 형성되며, 일렬로 배열된 복수의 제1 면상 발열체를 구비하는 제1 면상 발열체 어레이; 및 상기 제1 면상 발열체 어레이에서 이격된 상기 베이스 기판의 하부면의 일측에 형성되며, 일렬로 배열된 복수의 제2 면상 발열체를 구비하는 제2 면상 발열체 어레이;를 포함할 수 있다.
상기 제2 면상 발열체 어레이를 상기 베이스 기판의 상부면으로 프로젝션 했을 때, 상기 제1 면상 발열체 어레이와 상기 제2 면상 발열체 어레이는 서로 이격되어 있다.
상기 발열체 조성물은 페놀계 수지, 아세탈계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 에폭시계 수지 중 적어도 2종을 포함하는 합성 바인더와, 전도성 입자를 포함할 수 있다.
상기 발열체 조성물은, 발열체 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더 5 내지 30 중량부와, 전도성 입자 0.7 내지 60 중량부를 포함할 수 있다.
상기 합성 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함할 수 있다.
상기 전도성 입자는 탄소나노튜브 입자, 그라파이트 입자, 은 분말, 은 코팅된 니켈 분말 및 은 코팅된 구리 분말 중 적어도 2종을 포함할 수 있다.
상기 혼합 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 및 페놀계 수지 100 내지 500 중량부를 포함할 수 있다.
상기 전극 배선 패턴은 면상 발열체의 전기전도도의 400배 이상일 수 있다.
상기 면상 발열체의 비저항은 9×10-2 내지 1.1×10-3 Ω㎝ 일 수 있다.
상기 전극 배선 패턴은 상기 제1 면상 발열체 어레이 및 상기 제2 면상 발열체 어레이에 각각 병렬로 연결되어 전원을 인가할 수 있다.
상기 전극 배선 패턴은 상기 제1 면상 발열체 어레이에 전기적으로 연결된 제1 전극 배선 패턴; 및 상기 제2 면상 발열체 어레이에 전기적으로 연결된 제2 전극 배선 패턴;을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 배선 패턴은, 제1-1 전극 패드; 상기 제1-1 전극 패드와 연결되며, 상기 제1 면상 발열체 어레이의 일측에 상기 복수의 제1 면상 발열체를 따라서 형성된 제1-1 연결 배선; 상기 제1-1 연결 배선에 연결되며, 상기 복수의 제1 면상 발열체의 하부에 각각 형성되는 복수의 제1-1 전극 단자; 제1-2 전극 패드; 상기 제1-2 전극 패드와 연결되며, 상기 제1 면상 발열체 어레이의 타측에 상기 복수의 제1 면상 발열체를 따라서 형성된 제1-2 연결 배선; 및 상기 제1-2 연결 배선에 연결되며, 상기 복수의 제1 면상 발열체의 하부에 각각 형성되며, 상기 복수의 제1-1 전극 단자에 이격되게 형성되는 복수의 제1-2 전극 단자;를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극 배선 패턴은, 제2-1 전극 패드; 상기 제2-1 전극 패드와 연결되며, 상기 제2 면상 발열체 어레이의 일측에 상기 복수의 제2 면상 발열체를 따라서 형성된 제2-1 연결 배선; 상기 제2-1 연결 배선에 연결되며, 상기 복수의 제2 면상 발열체의 하부에 각각 형성되는 복수의 제2-1 전극 단자; 제2-2 전극 패드; 상기 제2-2 전극 패드와 연결되며, 상기 제2 면상 발열체 어레이의 타측에 상기 복수의 제2 면상 발열체를 따라서 형성된 제2-2 연결 배선; 및 상기 제2-2 연결 배선에 연결되며, 상기 복수의 제2 면상 발열체의 하부에 각각 형성되며, 상기 복수의 제2-1 전극 단자에 이격되게 형성되는 복수의 제2-2 전극 단자;를 포함할 수 있다.
상기 제1-1 전극 패드와 상기 제2-1 전극 패드는 공유할 수 있다.
상기 제1-2 전극 패드와 상기 제2-2 전극 패드는 공유할 수 있다.
상기 절연층의 소재는 폴리이미드, 에폭시 수지, OCA(optically clear adhesive) 또는 OCR(optically clear resin)를 포함할 수 있다.
상기 전극 배선 패턴은 소재가 알루미늄이고, 두께가 30 내지 70㎛ 일 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터는, 상기 베이스 기판의 양면에 형성되며, 상기 면상 발열체 어레이를 덮는 보호층;을 더 포함할 수 있다.
상기 면상 발열체 어레이는 상기 복수의 면상 발열체가 상기 베이스 기판의 양면 전체에 균일하게 형성될 수 있다.
상기 복수의 면상 발열체는 상기 베이스 기판의 양면에 매트릭스(matrix) 형태로 배열될 수 있다.
상기 면상 발열체 어레이는 상기 베이스 기판의 상부면 전체에 균일하게 형성된 복수의 제1 면상 발열체를 구비하는 제1 면상 발열체 어레이; 및 상기 베이스 기판의 하부면 전체에 균일하게 형성된 복수의 제2 면상 발열체를 구비하는 제2 면상 발열체 어레이;를 포함할 수 있다.
상기 전극 배선 패턴은 상기 제1 면상 발열체 어레이에 전기적으로 연결된 제1 전극 배선 패턴; 및 상기 제2 면상 발열체 어레이에 전기적으로 연결된 제2 전극 배선 패턴;을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 배선 패턴은 상기 베이스 기판을 중심으로 양면에 대칭되게 적어도 1렬로 형성되며, 상기 베이스 기판을 중심으로 양면에 상하로 동일 열에 위치하는 전극 배선 패턴의 전극 패드는 서로 연결될 수 있다.
본 발명은 또한, 절연성을 갖는 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 양면에 형성된 전극 배선 패턴; 및 상기 베이스 기판의 양면에 발열체 조성물을 인쇄하여 상기 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이;를 포함하는 배터리 히터를 제공한다.
본 발명은 또한, 양면에 전극 배선 패턴 홈이 형성된 절연성을 갖는 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 전극 배선 패턴 홈에 충전되어 형성된 전극 배선 패턴; 및 상기 베이스 기판의 양면에 발열체 조성물을 인쇄하여 상기 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이;를 포함하는 배터리 히터를 제공한다.
본 발명은 또한, 베이스 기판의 양면에 전극 배선 패턴을 형성하는 단계; 상기 베이스 기판의 양면에 상기 전극 배선 패턴 사이를 메우는 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 절연층과 상기 전극 배선 패턴 위에 발열체 조성물을 인쇄하여 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되는 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이를 형성하는 단계;를 포함하는 배터리 히터의 제조 방법을 제공한다.
상기 전극 배선 패턴을 형성하는 단계는, 상기 베이스 기판의 양면에 알루미늄 소재의 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 금속층을 사진식각공정으로 패터닝하여 전극 배선 패턴을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 절연층을 형성하는 단계는, 상기 전극 배선 패턴 사이에 절연성 수지를 도포하여 절연층을 형성하는 단계; 상기 베이스 기판의 양면에 절연성 필름을 합지하여 상기 전극 배선 패턴 사이를 메운 후, 상기 전극 배선 패턴 상부의 절연성 필름 부분을 제거하여 절연층을 형성하는 단계; 또는 상기 전극 배선 패턴 사이의 영역에 대응되게 개방부가 형성된 절연성 필름을 합지하여 절연층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터의 제조 방법은, 상기 베이스 기판의 양면에 상기 면상 발열체 어레이를 덮는 보호층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고 본 발명은 상기 리튬 배터리; 및 상기 리튬 배터리에 설치되어 상기 리튬 배터리를 히팅하는 배터리 히터;를 포함하는 배터리 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템은, 상기 리튬 배터리의 온도를 센싱하는 온도 센서; 상기 배터리 히터에 전원을 공급하는 보조 전원부; 및 상기 온도 센서로 센싱한 온도가 제1 임계 온도 이하인 경우, 상기 보조 전원부를 통하여 상기 배터리 히터에 전원을 공급하여 상기 배터리 히터에서 발열되는 열로 상기 리튬 배터리를 히팅하는 배터리 관리부;를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리부는 상기 배터리 히터로 상기 리튬 배터리를 히팅하여 상기 온도 센서로 센싱한 상기 리튬 배터리의 온도가 제2 임계 온도 이상인 경우, 상기 보조 전원부를 통하여 상기 배터리 히터로 공급되는 전원을 차단할 수 있다.
그리고 상기 보조 전원부는 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하기 때문에, 저전압에서 짧은 시간에 대면적 발열이 가능하다. 따라서 전기 구동 장치의 리튬 배터리가 저온 환경에 있더라도, 본 발명에 따른 배터리 히터를 이용하여 리튬 배터리를 3~4V의 저전압에서도 대면적으로 높은 발열량을 순간적으로 발생시켜 리튬 배터리를 히팅시킬 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터는 상부면과 하부면에 면상 발열체 어레이가 형성되되, 상하로 서로 중복되지 않으면서 배터리 히터의 전면에 균일하게 면상 발열체가 형성된 구조를 갖기 때문에, 저전압에서 짧은 시간에 대면적 발열이 가능하다. 즉 베이스 기판의 상부면과 하부면에 각각 일렬의 제1 및 제2 면상 발열체 어레이를 형성함으로써, 제1 및 제2 면상 발열체 어레이로 각각 전원을 인가하는 전극 배선 패턴의 길이를 최소화할 수 있다. 이로 인해 전극 배선 패턴의 길이로 인한 전압 강하가 발생되는 것을 억제함으로써, 제1 및 제2 면상 발열체 어레이에 전원이 안정적으로 공급할 수 있다. 따라서 제1 및 제2 면상 발열체 어레이의 안정적인 발열 균일도를 유지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배터리 히터는 베이스 기판의 양면에 면상 발열체 어레이를 형성하되, 베이스 기판의 양면에 균일하게 면상 발열체를 형성함으로써, 저전압에서 짧은 시간에 대면적 발열이 가능하다. 이때 베이스 기판의 양면에 전극 배선 패턴을 형성할 때, 상하로 서로 대응되는 위치에 배열된 제1 및 제2 면상 발열체 어레이로 함께 전원을 인가할 수 있도록 전극 배선 패턴을 형성함으로써, 전극 배선 패턴의 길이를 최소화할 수 있다. 이로 인해 전극 배선 패턴의 길이로 인한 전압 강하가 발생되는 것을 억제함으로써, 제1 및 제2 면상 발열체 어레이에 전원이 안정적으로 공급할 수 있다. 따라서 제1 및 제2 면상 발열체 어레이의 안정적인 발열 균일도를 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은 나노크기의 전도성 입자와, 페놀계 수지, 아세탈계 수지, 이소시아네이트계 수지 또는 에폭시계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 포함하기 때문에, 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있어 고온으로 신속하게 히팅이 가능하다.
본 발명에 따른 발열체 조성물은 발열체로 탄소 입자와 금속 분말을 포함하기 때문에, 발열체로 금속 분말만을 포함하는 발열체 조성물에 비해서 에너지 효율 및 발열 속도를 높일 수 있다.
전술된 바와 같이, 발열체 조성물은 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있기 때문에, 온도에 따른 저항 변화가 작아 발열 거동 및 안정성이 높은 면상 발열체를 구비하는 배터리 히터를 제공할 수 있다.
탄소나노튜브 입자와 그라파이트 입자를 포함하는 발열체 조성물로 형성한 면상 발열체는 블랙 바디(block body)이기 때문에, 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다.
발열체 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능한 배터리 히터를 제공할 수 있다.
발열체 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤마 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 배터리 히터의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 히터는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 전기자동차 이외에, 라이트박스(lightbox), 무정전공급장치의 배터리 백업(UPS battery backup), 통신기지국(telecommunication station), 재생에너지(renewal energy), 교통신호등제어기(traffic light control), 무인항공기, 드론, 잠수함, 수송기 등과 같은 저온 환경에 노출이 빈번한 다양한 전기 구동 장치에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 히터를 구비하는 배터리 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 배터리 시스템의 배터리 관리 방법에 따른 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터를 보여주는 평면도이다.
도 4는 도 3의 면상 발열체 어레이를 표시한 도면이다.
도 5는 도 3의 5-5선 단면도이다.
도 6 내지 도 15는 도 3의 배터리 히터의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
도 16 및 도 17은 면상 발열체와 전극 배선 패턴 간의 전기전도도가 200배로 차이나는 배터리 히터의 발열 거동 시뮬레이션 결과를 보여주는 그림이다.
도 18은 면상 발열체와 전극 배선 패턴 간의 전기전도도가 300배로 차이나는 배터리 히터의 발열 거동 시뮬레이션 결과를 보여주는 그림이다.
도 19 및 도 20은 면상 발열체와 전극 배선 패턴 간의 전기전도도가 400배로 차이나는 배터리 히터의 발열 거동 시뮬레이션 결과를 보여주는 그림이다.
도 21은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 3.5V를 인가한 경우의 발열 거동을 보여주는 열화상 이미지이다.
도 22는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 4V를 인가한 경우의 발열 거동을 보여주는 열화상 이미지이다.
도 23은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 4V 구동시의 발열 거동 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 24는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 히터를 보여주는 단면도이다.
도 25는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 히터를 보여주는 단면도이다.
도 26은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 히터를 보여주는 단면도이다.
도 27은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 2V를 인가한 경우의 발열 거동을 보여주는 열화상 이미지이다.
도 28은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 3.5V를 인가한 경우의 발열 거동을 보여주는 열화상 이미지이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 히터를 구비하는 배터리 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)은 주 전원부로부터 리튬 배터리(11)를 사용하는 시스템으로, 리튬 배터리(11)와 배터리 히터(13)를 포함하며, 온도 센서(15), 스위치(16), 보조 전원부(17), 전원 변환부(18) 및 제어부(19)를 더 포함할 수 있다.
리튬 배터리(11)는 부하에 전기에너지를 공급하는 복수의 리튬 이차전지 셀을 구비한다. 리튬 이차전지 셀은 외부 충격, 열 또는 진동 등으로 보호하기 위해서 일정한 개수, 예컨대 10개 내외로 묶어 프레임에 넣은 배터리 모듈로 제작된다. 리튬 배터리(11)는 이러한 배터리 모듈을 복수개로 묶어 배터리 팩 형태로 제작된다.
온도 센서(15)는 리튬 배터리(11)의 온도를 센싱하여 제어부(19)로 전달한다.
보조 전원부(17)는 제어부(19)의 제어에 따라 배터리 히터(13)로 전원을 공급한다. 보조 전원부(17)는 제어부(19)의 제어에 따른 스위치(16)의 온/오프를 통하여 리튬 배터리(11)를 통하여 전원을 충전할 수 있다. 충전 시 리튬 배터리(11)의 전원은 전원 변환부를 통하여 보조 전원부(17)에 충전 가능한 전원으로 변환된 후 보조 전원부(17)로 충전된다.
이러한 보조 전원부(17)로는 슈퍼 커패시터(super capacitor)가 사용될 수 있다. 슈퍼 커패시터로는 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC) 또는 의사 커패시터(pesudocapacitor)가 사용될 수 있다.
이때 보조 전원부(17)로 슈퍼 커패시터를 사용하는 이유는 다음과 같다. 슈퍼 커패시터는 많은 에너지를 모아두었다가 수초 또는 수십 초 동안에 높은 출력의 에너지를 발산하는 동력원으로, 기존의 콘덴서나 이차 전지가 수용하지 못하는 성능 특성 영역을 만족시킬 수 있는 유용한 부품이기 때문이다. 슈퍼 커패시터는 장시간 방전을 필요로 하는 메모리 백업용에서 방전시간이 매우 짧은 펄스 파워를 이용하는 군용 또는 전기자동차 등 용도가 다양하다. 슈퍼 커패시터는 수명이 길어서 장기간 사용이 가능하고, 재충전 배터리처럼 독성화학물질을 포함하고 있지 않아 상대적으로 안전하며, 성능의 저하가 거의 없기 때문이다.
전기 이중층 커패시터는 서로 다른 상의 계면에 형성된 전기 이중층에서 발생하는 정전하 현상을 이용한 커패시터로서, 에너지 저장 메커니즘이 산화 및 환원과정에 의존하는 배터리에 비하여 충방전 속도가 빠르고 충방전 효율이 높으며 사이클 특성이 월등하여 백업 전원에 광범위하게 사용되며, 그 외 전기자동차의 보조전원으로 사용될 수 있다.
유사 커패시터는 전극과 전기화학 산화물 반응물의 산화-환원 반응을 이용하여 화학 반응을 전기적 에너지로 전환하여 저장하는 커패시터이다. 유사 커패시터는 전기 이중층 커패시터가 전기화학 이중층형 전극 표면에 형성된 이중층에만 전하를 저장하는 데 비하여 전극 재료의 표면 근처까지 전하를 저장 할 수 있어 저장 용량이 전기 이중층 커패시터에 비하여 약 5배 정도 크다. 금속산화물 전극재료로는 RuOx, IrOx, MnOx 등이 사용되고 있다.
전원 변환부(18)는 제어부(19)의 제어에 따라 각 부분에 필요한 전원으로 변환하여 공급한다. 전원 변화부(18)는 DC-DC 컨버터와 배터리 충전 모듈을 포함할 수 있다. 전원 변환부(18)는 제어부(19)의 충전 제어 신호에 따라 리튬 배터리(11)의 전원을 변환하여 보조 전원부(17)에 제공할 수 있다.
배터리 히터(13)는 리튬 배터리(11)에 설치되며, 제어부(19)의 제어에 따라 리튬 배터리(11)를 히팅한다. 배터리 히터(13)는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성한 복수의 면상 발열체를 구비하며, 저전압에서 짧은 시간에 대면적 발열이 가능하다. 이로 인해 리튬 배터리(11)가 저온 환경에 있더라도, 배터리 히터(13)는 리튬 배터리(11)를 3~4V의 저전압에서도 대면적으로 높은 발열량을 순간적으로 발생시켜 리튬 배터리(13)를 히팅시킬 수 있다.
이러한 배터리 히터(13)는 리튬 배터리(11)의 바닥면 또는 측면에 내장되는 형태로 설치될 수 있다. 리튬 배터리(11)를 보다 균일하게 히팅하기 위해서, 배터리 히터(13)는 배터리 모듈들 사이에 설치될 수도 있다.
그리고 제어부(19)는 리튬 배터리(11)를 제어하는 마이크로프로세서로서, 차량의 상태 정보(21,23)와 온도 센서(15)로부터 수신한 리튬 배터리(13)의 온도 정보를 이용하여 리튬 배터리(11)의 히팅과 보조 전원부(17)의 충전을 제어한다. 예컨대 제어부(19)는 배터리 관리 시스템(battery management system; BMS)으로, 리튬 이차전지 셀의 상태를 모니터링하고, 모니터링 결과를 토대로 냉난방을 통하여 리튬 배터리(11)의 온도 관리를 수행하고, 전기 구동 장치의 제어부와 연동하여 부하로의 전기에너지의 공급을 제어할 수 있다.
이러한 제어부(19)는 온도 센서(15)로 센싱한 리튬 배터리(11)의 온도를 기반으로 배터리 히터(13)의 구동을 제어한다. 즉 온도 센서(15)는 리튬 배터리(11)의 온도를 센싱한 온도 정보(15)를 제어부(19)로 전달한다. 온도 센서(15)로 센싱한 온도가 제1 임계 온도 이하인 경우, 제어부(19)는 히팅 제어 신호(26)로 스위치(16)를 온(ON)시켜 보조 전원부(17)를 통하여 배터리 히터(13)에 전원을 공급하고, 배터리 히터(13)에서 발열되는 열로 리튬 배터리(11)를 히팅한다. 제어부(19)는 배터리 히터(13)로 리튬 배터리(11)를 히팅한 후, 온도 센서(15)로 센싱한 리튬 배터리(11)의 온도가 제2 임계 온도 이상인 경우, 히팅 제어 신호(26)로 스위치(16)를 오프(OFF)시켜 보조 전원부(17)를 통하여 배터리 히터(13)로 공급되는 전원을 차단하여 리튬 배터리(11)의 히팅을 중단시킨다. 이때 제1 임계 온도는 리튬 배터리(11)의 콜드(cold) 상태로 인식할 수 있는 온도로 설정될 수 있다. 제2 임계 온도는 리튬 배터리(11)의 정상적인 충방전이 가능한 범위의 온도로 설정될 수 있다.
물론 리튬 배터리의 히팅은 제어부(19)가 차량의 상태 정보(21)를 확인한 후 수행한다. 이때 차량의 상태 정보(21)로 이그니션 온(ignition ON), 즉 차량의 시동을 거는 상황이다.
제어부(19)는 보조 전원부(17)의 잔량을 체크(27)하여 보조 전원부(17)의 충전이 필요한 지의 여부를 확인한다. 충전이 필요한 경우, 제어부(19)는 전원 변환부(18)로 충전 제어 신호(28)를 인가하여 리튬 배터리(11)의 전원으로 보조 전원부(17)를 충전한다. 물론 제어부(19)는 차량의 상태 정보(23)를 통하여 리튬 배터리(11)로 보조 전원부(17)를 충전할 수 있는 상태인지를 확인한 후 수행한다. 보조 전원부(17)의 충전이 가능한 차량 상태(23)는 발전기가 정상적으로 구동되는 상태일 수 있다.
이와 같이 제어부(19)를 통하여 리튬 배터리(11)의 온도를 관리함으로써, 리튬 배터리(11)의 온도에 따라 작동 효율성을 향상시키고, 수명을 연장할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)의 배터리 관리 방법에 대해서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 배터리 시스템의 배터리 관리 방법에 따른 흐름도이다. 배터리 시스템(100)이 전기자동차와 같은 차량에 적용된 경우의 배터리 관리 방법을 개시하였다. 배터리 관리는 차량 상태 및 배터리 상태 정보를 기반으로 한 리튬 배터리(11)의 히팅 및 보조 전원부(17)의 충전을 포함한다.
먼저 S11단계에 따른 대기 상태에서, 제어부(19)는 차량의 상태 정보(21)를 통하여 이그니션 온 여부를 S13단계에서 확인한다.
확인 결과 이그니션 온 신호가 입력되지 않은 경우, 제어부(19)는 S11단계에 따른 대기 상태를 유지한다.
확인 결과 이그니션 온 신호가 입력된 경우, S15단계에서 제어부(19)는 리튬 배터리(11)의 온도가 제1 임계 온도 이하인지의 여부를 확인한다. 즉 제어부(19)는 리튬 배터리(11)가 정상적으로 동작이 가능한 온도 인지의 여부를 확인한다.
확인 결과 제1 임계 온도 이하인 경우, S17단계에서 제어부(19)는 배터리 히터(13)를 가동시켜 리튬 배터리(11)를 히팅한다.
다음으로 S19단계에서 제어부(19)는 히팅된 리튬 배터리(11)의 온도가 제2 임계 온도 이상인지의 여부를 확인한다.
확인 결과 제2 임계 온도 미만인 경우, 제어부(19)는 S17단계를 수행한다.
확인 결과 제2 임계 온도 이상인 경우, S21단계에서 제어부(19)는 배터리 히터(19)의 가동을 중지시킨다. 히팅에 의해 리튬 배터리(11)는 안정적인 전원 공급이 가능한 상태가 되었기 때문에, 제어부(19)는 이그니션 온 신호에 따라 리튬 배터리(11)의 전원을 이용하여 시동을 걸게 된다. 예컨대 차량이 전기자동차인 경우, 제어부(19)는 전기자동차에 구비된 전기모터를 구동시킨다.
한편 S15단계의 확인 결과 제1 임계 온도를 초과하는 경우, S23단계에서 제어부(19)는 차량의 상태 정보(23)를 통하여 발전기의 구동 여부를 확인한다. 즉 제어부(19)는 리튬 배터리(11)를 통하여 보조 전원부(17)의 충전이 가능한 상태인지의 여부를 발전기의 구동 여부로 확인한다.
S23단계의 확인 결과 발전기가 구동 중인 경우, S25단계에서 제어부(19)는 전원 변환부(18)를 통한 보조 배터리(17)의 충전을 시작(ON)한다.
다음으로 S27단계에서 제어부(19)는 보조 배터리(17)의 완충 여부를 확인한다.
확인 결과 완충되지 않은 경우, 제어부(19)는 S25단계를 수행한다.
확인 결과 완충된 경우, S29단계에서 제어부(19)는 보조 배터리(17)의 충전을 종료(OFF)한다.
S21단계 또는 S29단계 이후에, S31단계에서 제어부(19)는 이그니션 오프 신가가 입력되는 지의 여부를 확인한다.
그리고 이그니션 오프 신호가 입력되는 경우, 제어부(19)는 배터리 시스템(100)의 구동을 종료한다. 이때 제어부(19)는 S11단계에 따른 대기 상태로 복귀할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)에 적용되는 배터리 히터913,113,213,313)에 대해서 도 3 내지 도 28을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제1 실시예
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)를 보여주는 평면도이다. 도 4는 도 3의 면상 발열체 어레이(80)를 표시한 도면이다. 그리고 도 5는 도 3의 5-5선 단면도이다. 도 3에서는 면상 발열체 어레이(80)를 덮는 보호층(90)의 도시는 생략하였다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)는 베이스 기판(30), 전극 배선 패턴(40), 절연층(70) 및 면상 발열체 어레이(80)를 포함하며, 보호층(90)을 더 포함할 수 있다. 여기서 베이스 기판(30)은 절연성을 갖는다. 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성된다. 절연층(70)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며 전극 배선 패턴(40) 사이를 메운다. 면상 발열체 어레이(80)는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 발열체 조성물을 인쇄하여 전극 배선 패턴(40)에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체(85)를 구비한다. 그리고 보호층(90)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며, 면상 발열체 어레이(80)를 덮는다.
제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
베이스 기판(30)은 절연성을 갖는 플라스틱 소재의 기판으로, 상부면(31)과, 상부면(31)에 반대되는 하부면(33)을 갖는다. 베이스 기판(30)은 양면(31,33)에 형성되는 면상 발열체 어레이(80)에 인가되는 전원과 열이 외부로 빠져가는 것을 억제하는 기능을 하는 절연성과 단열성을 갖는 소재로 제조된다. 예컨대 베이스 기판(30)의 소재로는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA) 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)가 사용될 수 있으며, 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다. 베이스 기판(30)은 배터리 히터(13)가 사용되는 응용 분야나 사용 온도에 따라서 적절히 선택될 수 있다.
면상 발열체 어레이(80)는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 균일하게 메트릭스(matrix) 형태로 배열된다. 면상 발열체 어레이(80)는 제1 면상 발열체 어레이(81)와 제2 면상 발열체 어레이(83)를 포함할 수 있다. 제1 면상 발열체 어레이(81)는 베이스 기판(30)의 상부면(31)의 일측에 형성되며, 일렬로 배열된 복수의 제1 면상 발열체(87)를 구비한다. 제2 면상 발열체 어레이(83)는 제1 면상 발열체 어레이(81)에서 이격된 베이스 기판(30)의 하부면(33)의 일측에 형성되며, 일렬로 배열된 복수의 제2 면상 발열체(89)를 구비한다. 예컨대 제1 실시예에서는 제1 및 제2 면상 발열체 어레이(81,83)는 각각 4개의 면상 발열체(85)가 구비하는 예를 개시하였지만, 베이스 기판(30)의 면적에 따라서 면상 발열체(85)의 개수와 크기는 달라질 수 있다.
이때 제2 면상 발열체 어레이(83)를 베이스 기판(30)의 상부면(31)으로 프로젝션 했을 때, 제1 면상 발열체 어레이(81)와 제2 면상 발열체 어레이(83)는 서로 이격되어 있다. 면상 발열체 어레이(80)를 베이스 기판(30)의 상부면(31)에서 보았을 때, 왼쪽에 제1 면상 발열체 어레이(81)가 배치되고, 오른쪽에 제2 면상 발열체 어레이(83)가 배치된 형태를 갖는다. 이로 인해 면상 발열체 어레이(80)는 베이스 기판(30)에 균일하게 배치된 형태를 갖는다.
제1 및 제2 면상 발열체 어레이(81,83)는 각각 일렬로 복수의 면상 발열체(85)를 포함하도록 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성하는 이유는, 복수의 면상 발열체(85)로 전원을 인가하기 위해서 형성되는 전극 배선 패턴(40)의 경로 즉 길이를 최소화하기 위해서이다. 전극 배선 패턴(40)의 길이를 최소화함으로써, 전극 배선 패턴(40)의 길이 증가로 인한 전압 강하가 발생되는 것을 억제하여 복수의 면상 발열체(85)에 전원이 안정적으로 공급할 수 있다. 따라서 제1 및 제2 면상 발열체 어레이(81,83)의 안정적인 발열 균일도를 유지할 수 있다.
한편으로 제1 및 제2 면상 발열체 어레이를 베이스 기판의 일면에 모두 형성할 수 있지만, 이 경우 제1 및 제2 면상 발열체 어레이로 전원을 공급하는 전극 배선 패턴의 길이가 길어지기 때문에, 전극 배선 패턴(40)의 길이 증가로 인한 전압 강하가 발생된다. 이로 인해 제1 및 제2 면상 발열체 어레이 전체에 균일한 전원이 공급되지 못하기 때문에, 제1 및 제2 면상 발열체 어레이의 발열 균일도가 떨어질 수 있다.
또한 한편으로 베이스 기판의 일면 전체에 일렬로 면상 발열체 어레이를 형성하는 방안을 고려해 볼 수 있지만, 이 경우 면상 발열체의 면적이 두 배 이상으로 증가하기 때문에, DC 3V 내지 4V의 저전압에서 짧은 시간에 발열시키는 데는 무리가 있다.
면상 발열체 어레이(80)를 형성하는 복수의 면상 발열체(85)는 발열체 조성물을 인쇄한 후, 건조 및 경화하여 형성한다. 면상 발열체(85)의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마 코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 건조 및 경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행할 수 있다.
면상 발열체(85)를 형성하는 발열체 조성물은 전도성 입자와 합성 바인더를 포함한다. 면상 발열체(85)를 형성하기 위해서, 인쇄 공정에 투입되는 발열체 조성물은 전도성 입자와 합성 바인더 이외에, 유기 용매와 분산제를 더 포함한다.
발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대해서, 혼합 바인더 5 내지 30 중량부, 전도성 입자 0.7 내지 60 중량부, 유기 용매 29 내지 80 중량부, 및 분산제 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
전도성 입자는 전도성을 갖는 탄소 입자 또는 금속 분말을 포함한다. 탄소 입자로는 탄소나노튜브 입자 또는 그라파이트 입자가 사용될 수 있다. 금속 분말로는 은, 구리 또는 니켈 소재의 분말이 사용될 수 있다. 예컨대 전도성 입자는 발열 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 0.1 내지 5 중량부, 그라파이트 입자 0.1 내지 20 중량부 또는 금속 분말 10 내지 60 중량부를 포함할 수 있다.
탄소나노튜브 입자는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예컨대 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)일 수 있다. 탄소나노튜브 입자가 다중벽 탄소나노튜브일 때, 직경은 1nm 내지 20nm 일 수 있고, 길이는 1㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
그라파이트 입자는 직경이 1㎛ 내지 25㎛일 수 있고, 두께가 1nm 내지 25㎛일 수 있다.
금속 분말은 은, 구리 또는 니켈 소재의 분말을 포함한다. 은 분말의 경우, 플레이크, 구형, 다각형 판상, 막대(rod) 등의 형태를 가질 수 있다. 구리 분말로는 은이 코팅된 구리(Ag coated Cu) 분말, 니켈이 코팅된 구리(Ni coated Cu) 분말 등이 사용될 수 있다. 그리고 니켈 분말로는 은이 코팅된 니켈(Ag coated Ni) 분말이 사용될 수 있다.
탄소 입자와 금속 분말을 포함하는 발열체 조성물로 면상 발열체(85)를 형성하는 경우, 금속 분말이 주 전기적 네트워크를 형성하고, 금속 분말 사이의 공간에 탄소 입자가 채워져 3차원 랜덤 네트워크 구조를 형성한다.
이와 같이 발열체 조성물은 탄소 입자와 금속 분말을 포함함으로써, 면상 발열체(85)의 에너지 효율 및 발열 속도를 높일 수 있다. 즉 금속 분말은 흑체 복사 기능을 갖지 않지만, 발열체 조성물에 탄소 입자를 포함시킴으로써, 흑체 복사 기능을 구현할 수 있다. 탄소 입자로 인해서 면상 발열체(85)의 내열성을 높일 수 있다. 그리고 탄소 입자로 인해서 발열 속도 및 에너지 효율을 높일 수 있다.
면상 발열체(85)의 비저항은 전체 고형분 중 탄소 입자 또는 금속 분말의 함량에 의해 결정될 수 있다. 예컨대 1×10- 2Ω㎝ 영역대까지는 탄소 입자만으로 비저항 조절이 가능하나, 그 이하의 영역은 금속 분말의 추가적인 도입이 필요하다. 제1 실시예에 따른 면상 발열체(85)는 9×10-2 내지 1.1×10-3 Ω㎝의 비저항을 가질 수 있다. 후술되겠지만, 전극 배선 패턴(40)은 면상 발열체(85)의 전기전도도의 400배 이상이 바람직하다.
합성 바인더는 300℃ 가량의 온도에서도 내열성을 가질 수 있도록, 페놀계 수지, 아세탈계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 에폭시계 수지 중 적어도 2종을 포함한다. 예컨대 합성 바인더는 에폭시(epoxy), 에폭시 아크릴레이트(epoxy acrylate), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate), 폴리비닐 아세탈(polyvinyl acetal) 및 페놀계 수지(phenol resin) 중 적어도 2종을 포함한다
예컨대 혼합 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 수지 및 페놀계 수지가 혼합된 형태를 가질 수 있다. 여기서 혼합 바인더는, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 100 내지 500 중량부를 포함한다. 페놀계 수지가 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 100 중량부 이하인 경우 내열성이 저하되고, 500 중량부를 초과하는 경우 면상 발열체의 유연성이 저하되어 취성이 강해진다.
이와 같이 제1 실시예에서는 혼합 바인더의 내열성을 높임으로써, 면상 발열체(85)를 300℃ 가량의 고온으로 발열시키는 경우에도, 면상 발열체(85)의 저항 변화나 파손을 억제할 수 있다.
여기에서 페놀계 수지는 페놀 및 페놀 유도체를 포함하는 페놀계 화합물을 의미한다. 예컨대 페놀 유도체는 p-크레졸(p-Cresol), o-구아야콜(o-Guaiacol), 크레오졸(Creosol), 카테콜(Catechol), 3-메톡시-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), 호모카테콜(Homocatechol), 비닐구아야콜(Vinylguaiacol), 시링콜(Syringol), 이소-유제놀(Iso-eugenol), 메톡시 유제놀(Methoxyeugenol), o-크레졸(o-Cresol), 3-메틸-1,2-벤젠디올 (3-methyl-1,2-Benzenediol), (z)-2-메톡시-4-(1-프로페닐)-페놀((z)-2-methoxy-4-(1-propenyl)-Phenol), 2,6-디에톡시-4-(2-프로페닐)-페놀(2,6-dimethoxy-4-(2-propenyl)-Phenol), 3,4-디메톡시-페놀(3,4-dimethoxy-Phenol), 4-에틸-1,3-벤젠디올(4-ethyl-1,3-Benzenediol), 레졸 페놀(Resole phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-methyl-1,2-Benzenediol), 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol), 2-메톡시-6-메틸페놀(2-Methoxy-6-methylphenol), 2-메톡시-4-비닐페놀(2-Methoxy-4-vinylphenol) 또는 4-에틸-2-메톡시-페놀(4-ethyl-2-methoxy-Phenol) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기 용매는 전도성 입자 및 혼합 바인더를 분산시키기 위한 것으로, 카비톨 아세테이트(Carbitol acetate), 부틸 카비톨 아세테이트(Butyl carbotol acetate), DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올(Butanol) 및 옥탄올(Octanol) 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
한편, 분산을 위한 공정은 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있으며, 예를 들면 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 이루어질 수 있다.
그리고 분산제는 전도성 입자의 분산을 보다 원활하게 하기 위한 것으로, BYK류와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, SDS 등과 같은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다.
또한 제1 실시예에 따른 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 실란 커플링제 0.1 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실란 커플링제는 발열체 조성물의 배합 시에 수지들 간에 접착력을 증진시키는 접착증진제 기능을 한다. 실란 커플링제는 에폭시 함유 실란 또는 머켑토 함유 실란일 수 있다. 이러한 실란 커플링제의 예로는 에폭시가 함유된 것으로 2-(3,4 에폭시 사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란이 있고, 아민기가 함유된 것으로 N-2(아미노에틸)3-아미토프로필메틸디메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-트리에톡시실리-N-(1,3-디메틸뷰틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란이 있으며, 머켑토가 함유된 것으로 3-머켑토프로필메틸디메톡시실란, 3-머켑토프로필트리에톡시실란, 이소시아네이트가 함유된 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란 등이 있으며, 이것에 한정되지 않는다.
전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며, 외부에서 인가되는 전원을 면상 발열체 어레이(80)로 공급한다. 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 전극 배선 패턴(40)을 형성하는 이유는, 전압 강하를 최소화하기 위해서이다. 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 금속층을 적층한 후 사진식각기술을 이용한 패터닝으로 형성할 수 있다.
전극 배선 패턴(40)의 소재로는 알루미늄이 사용될 수 있으며, 30㎛ 이상의 두께를 갖는다. 바람직하게는 전극 배선 패턴(40)은 30 내지 70㎛의 두께를 가질 수 있다. 예컨대 전극 배선 패턴(40)의 두께가 30㎛ 미만인 경우, 사용전압이 DC 4.5V 내지 2V인 경우, 전압강하가 발생할 수 있다. 전극 배선 패턴(40)의 두께가 70㎛ 초과하는 경우, 알루미늄의 식각율(etching rate)로 인해서 에지-컷(edge-cut)과 같은 식각 불량이 발생되고, 이것은 박리 강도 및 신뢰성에 문제를 야기할 수 있다. 따라서 전극 배선 패턴(40)의 두께는 최소 30㎛ 이상 70㎛ 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 전극 배선 패턴(40)은 제1 면상 발열체 어레이(81) 및 제2 면상 발열체 어레이(83)에 각각 병렬로 연결되어 전원을 인가한다. 전극 배선 패턴(40)은 제1 면상 발열체 어레이(81)에 전기적으로 연결된 제1 전극 배선 패턴(50)과, 제2 면상 발열체 어레이(83)에 전기적으로 연결된 제2 전극 배선 패턴(60)을 포함한다.
제1 전극 배선 패턴(50)은 제1-1 전극 패드(51), 제1-1 연결 배선(52), 복수의 제1-1 전극 단자(53), 제1-2 전극 패드(54), 제1-2 연결 배선(55), 및 복수의 제1-2 전극 단자(56)를 포함한다.
제1-1 전극 패드(51) 및 제1-2 전극 패드(54)는 보조 전원부(도 1의 17)의 양극과 음극에 연결되어 전원을 공급받는다. 제1-1 전극 패드(51) 및 제1-2 전극 패드(54)는 서로 이격되어 형성된다.
제1-1 연결 배선(52)은 제1-1 전극 패드(51)와 연결되며, 제1 면상 발열체 어레이(81)의 일측에 복수의 제1 면상 발열체(87)를 따라서 형성된다.
복수의 제1-1 전극 단자(53)는 제1-1 연결 배선(52)에 연결되며, 복수의 제1 면상 발열체(87)의 하부에 각각 형성된다.
제1-2 연결 배선(55)은 제1-2 전극 패드(54)와 연결되며, 제1 면상 발열체 어레이(81)의 타측에 복수의 제1 면상 발열체(87)를 따라서 형성된다.
그리고 복수의 1-2 전극 단자(56)는 제1-2 연결 배선(55)에 연결되며, 복수의 제1 면상 발열체(87)의 하부에 각각 형성되며, 복수의 제1-1 전극 단자(53)에 이격되게 형성된다. 제1-1 및 제1-2 전극 단자(53,56)는 서로 평행하게 형성될 수 있다.
복수의 제1 면상 발열체(87)는 제1-1 전극 단자(53) 및 제1-2 전극 단자(56)를 통하여 보조 전원부(도 1의 17)로부터 전원을 인가받아 발열하게 된다.
제2 전극 배선 패턴(60)은 제2-1 전극 패드(61), 제2-1 연결 배선(62), 복수의 제2-1 전극 단자(63), 제2-2 전극 패드(64), 제2-2 연결 배선(65), 및 복수의 제2-2 전극 단자(66)를 포함한다.
제2-1 전극 패드(61) 및 제2-2 전극 패드(64)는 보조 전원부(도 1의 17)의 양극과 음극에 연결되어 전원을 공급받는다. 제2-1 전극 패드(61) 및 제2-2 전극 패드(64)는 서로 이격되어 형성된다.
제2-1 연결 배선(62)은 제2-1 전극 패드(61)와 연결되며, 제2 면상 발열체 어레이(83)의 일측에 복수의 제2 면상 발열체(89)를 따라서 형성된다.
복수의 제2-1 전극 단자(63)는 제2-1 연결 배선(62)에 연결되며, 복수의 제2 면상 발열체(89)의 하부에 각각 형성된다.
제2-2 연결 배선(65)은 제2-2 전극 패드(64)와 연결되며, 제2 면상 발열체 어레이(83)의 타측에 복수의 제2 면상 발열체(89)를 따라서 형성된다.
그리고 복수의 2-2 전극 단자(66)는 제2-2 연결 배선(65)에 연결되며, 복수의 제2 면상 발열체(89)의 하부에 각각 형성되며, 복수의 제2-1 전극 단자(63)에 이격되게 형성된다. 제2-1 및 제2-2 전극 단자(63,66)는 서로 평행하게 형성될 수 있다.
복수의 제2 면상 발열체(89)는 제2-1 전극 단자(63) 및 제2-2 전극 단자(66)를 통하여 보조 전원부(도 1의 17)로부터 전원을 인가받아 발열하게 된다.
제1-1 전극 패드(51)와 제2-1 전극 패드(61)는 공유하고, 제1-2 전극 패드(56)와 제2-2 전극 패드(66)는 공유할 수 있다. 서로 공유하는 전극 패드(51,61)(56,66)는 베이스 기판(30)의 외측에서 서로 접합되어 형성될 수 있다. 또는 서로 공유하는 전극 패드(51,61)(56,66)는 베이스 기판(30) 위에 형성되고, 베이스 기판(30)을 관통하여 형성된 비아를 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
절연층(70)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며, 전극 배선 패턴(40) 사이를 메워 전극 배선 패턴(40)과 베이스 기판(30)의 단자를 줄인다. 절연층(70)의 상부면은 전극 배선 패턴(40)의 상부면과 동일 높이에 오도록 형성할 수 있다. 절연층(70)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 절연성 필름을 합지하여 형성하거나, 액상의 절연성 수지를 도포하여 형성할 수 있다. 이러한 절연층(70)은 베이스 기판(30)의 상부면(31)에 형성된 제1 절연층(71)과, 베이스 기판(30)의 하부면(33)에 형성된 제2 절연층(73)을 포함한다. 절연층(70)의 소재로는 폴리이미드, 에폭시 수지, OCA(optically clear adhesive) 또는 OCR(optically clear resin)이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
그리고 보호층(90)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며, 면상 발열체 어레이(80)를 덮어 외부 환경으로부터 보호한다. 이때 보호층(90)은 전극 배선 패턴(40)의 전극 패드(51,61)(56,66)가 외부로 노출되게 형성될 수 있다. 보호층(90)은 소재로는 절연성을 갖는 플라스틱 소재의 필름으로서, 폴리이미드, 에폭시 수지, OCA(optically clear adhesive) 또는 OCR(optically clear resin)이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)는 발열체 조성물로 면상 발열체 어레이(80)를 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성함으로써, DC 3V 내지 DC 4V의 저전압에서도 0.5 내지 1.5W/cm2 의 높은 발열량을 갖는다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)의 제조 방법에 대해서 도 1 내지 도 15를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6 내지 도 15는 도 3의 배터리 히터(13)의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
먼저 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(30)을 준비한다. 제1 실시예에서는 베이스 기판(30)으로 폴리이미드 기판을 사용하였다. 여기서 도 7은 도 6의 7-7선 단면도이다.
다음으로 도 8에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 금속층(41,43)을 부착한다. 금속층(41,43)으로는 30 내지 70㎛의 두께를 갖는 알루미늄 금속판을 사용할 수 있다. 여기서 금속층(41,43)은 베이스 기판(30)의 상부면(31)에 형성된 제1 금속층(41)과, 베이스 기판(30)의 하부면(33)에 형성된 제2 금속층(43)을 포함한다.
다음으로 도 9 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 감광제를 이용한 사진식각기술을 이용하여 금속층(41,43)을 패터닝하여 전극 배선 패턴(40)으로 형성한다.
먼저 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 금속층(41,43) 위에 감광제를 도포하여 감광층(44,45)을 형성한다. 감광층(44,45)은 제1 금속층(41) 위에 형성된 제1 감광층(44)과, 제2 금속층(43) 위에 형성된 제2 감광층(45)을 포함한다.
다음으로 도 10에 도시된 바와 같이, 마스크(46,47)를 이용하여 감광층(44,45)을 자외선 노광한다. 마스크(46,47)에는 형성된 전극 배선 패턴에 대응되게 마스크 패턴(46a,47a)이 형성되어 있다. 마스크(46,47)는 제1 감광층(44) 위에 배치되는 제1 마스크(46)와, 제2 감광층(45) 위에 배치되는 제2 마스크(47)를 포함한다.
다음으로 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 노광된 감광층(44,45)을 현상하여 감광층 패턴(48,49)을 형성한다. 즉 감광층(44,45)에서 노광된 부분만 남기고 나머지 부분을 현상액으로 제거하여 감광층 패턴(48,49)을 형성한다. 감광층 패턴(48,49)은 제1 금속층(41) 위에 형성되는 제1 감광층 패턴(48)과, 제2 금속층(43) 위에 형성되는 제2 감광층 패턴(49)을 포함한다. 제1 감광층 패턴(48)은 제1 전극 배선 패턴에 대응되게 형성된다. 제2 감광층 패턴(49)은 제2 전극 배선 패턴에 대응되게 형성된다.
이어서 도 12에 도시된 바와 같이, 감광층 패턴(48,49)을 식각 마스크로 해서 금속층(41,43)을 식각하여 감광층 패턴(48,49) 아래의 금속층 부분만 남긴다. 감광층 패턴(48,49) 아래에 남은 금속층 부분이 전극 배선 패턴(50,60)으로 형성된다.
그리고 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 전극 배선 패턴(40) 상부의 감광층 패턴(48,49)을 제거함으로써, 베이스 기판(30)의 양면(31,33)으로 노출되는 전극 배선 패턴(40)을 형성한다.
다음으로 도 14에 도시된 바와 같이, 전극 배선 패턴(40) 사이의 공간을 절연층(70)으로 메운다. 이때 전극 배선 패턴(40)과 절연층(70)은 상부면이 실질적으로 동일면에 위치할 수 있도록, 절연층(70)을 형성하는 바람직하다. 절연층(70)은 제1 전극 배선 패턴(50) 사이를 메우는 제1 절연층(71)과, 제2 전극 배선 패턴(60) 사이를 메우는 제2 절연층(73)을 포함한다.
이때 절연층(70)은 다음과 같이 형성할 수 있다. 먼저 전극 배선 패턴(40) 사이에 절연성 수지를 도포하여 절연층(70)을 형성할 수 있다. 이때 절연성 수지는 전극 배선 패턴(40)을 포함한 베이스 기판(30)의 양면(31,33)을 덮도록 형성한다. 그리고 전극 배선 패턴(40)이 외부로 노출되게 절연성 수지를 연마하여 절연층(70)을 형성할 수 있다.
또는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 절연성 필름을 합지하여 전극 배선 패턴(40) 사이를 메운 후, 전극 배선 패턴(40) 상부의 절연성 필름 부분을 제거하여 절연층(70)을 형성할 수 있다.
또는 전극 배선 패턴(40) 사이의 영역에 대응되게 개방부가 형성된 절연성 필름을 합지하여 절연층(70)을 형성할 수 있다.
다음으로 도 15에 도시된 바와 같이, 절연층(70)과 전극 배선 패턴(40) 위에 발열체 조성물을 인쇄하여 전극 배선 패턴(40)에 전기적으로 연결되는 복수의 면상 발열체(87,89)를 구비하는 면상 발열체 어레이(80)를 형성한다. 이때 면상 발열체 어레이(80)를 형성하는 복수의 면상 발열체(87,89)는 발열체 조성물을 인쇄한 후, 건조 및 경화하여 형성한다. 면상 발열체(87,89)의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마 코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 건조 및 경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행할 수 있다.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 면상 발열체 어레이(80)를 덮는 보호층(90)을 형성함으로써, 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)를 제조할 수 있다. 이때 보호층(90)은 제1 면상 발열체 어레이(81)를 덮는 제1 보호층(91)과, 제2 면상 발열체 어레이(83)를 덮는 제2 보호층(93)을 포함한다.
한편 제1 실시예에서는 베이스 기판(30)에 하나의 배터리 히터(13)를 제조하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 베이스 기판 스트립을 이용하여 복수의 배터리 히터를 함께 제조할 수 있다. 이 경우, 보호층을 덮는 공정 이후에, 베이스 기판 스트립에서 개별 배터리 히터를 분리하는 타발 공정을 더 수행할 수 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 배터리 히터의 발열 특성을 확인하기 위해서, 도 16 내지 도 20에 도시된 바와 같이, 발열 거동 시뮬레이션을 수행하였다. 여기서 면상 발열체 어레이의 크기는 180×30㎟ 이고, 전극 배선 패턴의 비저항은 2.75×10-6 Ω㎝으로 가정하였다.
도 16 및 도 17은 면상 발열체와 전극 배선 패턴 간의 전기전도도가 200배로 차이나는 배터리 히터의 발열 거동 시뮬레이션 결과를 보여주는 그림이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 배터리 히터는 DC 4V 인가시 76.9℃(도 16)에서, 시간이 경과함에 따라 85.6℃(도 17)로 발열됨을 확인할 수 있다. 하지만 전원이 인가되는 초입에 위치하는 면상 발열체에 비해서 말단에 위치하는 면상 발열체는 상대적으로 발열량이 떨어짐을 알 수 있다. 즉 전극 배선 패턴이 면상 발열체에 비해서 전기전도도가 200배로 높은 경우, 면상 발열체 어레이는 불균일하게 발열되는 것을 확인할 수 있다.
도 18은 면상 발열체와 전극 배선 패턴 간의 전기전도도가 300배로 차이나는 배터리 히터의 발열 거동 시뮬레이션 결과를 보여주는 그림이다.
도 18을 참조하면, 배터리 히터는 DC 4V 인가시 83.6℃로 발열됨을 확인할 수 있다. 하지만 전원이 인가되는 초입에 위치하는 면상 발열체에 비해서 말단에 위치하는 면상 발열체는 상대적으로 발열량이 떨어짐을 알 수 있다. 즉 전극 배선 패턴이 면상 발열체에 비해서 전기전도도가 300배로 높은 경우에도, 면상 발열체 어레이가 불균일하게 발열되는 것을 확인할 수 있다.
도 19 및 도 20은 면상 발열체와 전극 배선 패턴 간의 전기전도도가 400배로 차이나는 배터리 히터의 발열 거동 시뮬레이션 결과를 보여주는 그림이다.
도 19를 참조하면, 배터리 히터는 DC 4V 인가시 72.2℃로 발열됨을 확인할 수 있으며, 더욱이 면상 발열체 어레이 전반에 걸쳐 균일하게 발열되는 것을 확인할 수 있다. 즉 전극 배선 패턴이 면상 발열체에 비해서 전기전도도가 400배로 높은 경우에는 면상 발열체 어레이가 균일하게 발열되는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 20을 참조하면, 배터리 히터는 DC 4V 인가시 355℃로 발열됨을 확인할 수 있으며, 더욱이 면상 발열체 어레이 전반에 걸쳐 균일하게 발열되는 것을 확인할 수 있다.
따라서 제1 실시예에 따른 배터리 히터는 전극 배선 패턴이 면상 발열체에 비해서 전기전도도가 400배 이상이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
그리고 구동 전압이 4V 이하로 매우 낮고, 발열 면적이 15×5㎠ 이상으로 대면적을 요구할 경우, 전극 배선 패턴의 전압 강하(voltage drop)가 필연적으로 발생하고, 발열 균일도도 저하될 가능성이 높다. 따라서 제1 실시예에서는 전극 배선 패턴의 전압 강하를 최소화하고 균일한 발열을 유도하기 위해서, 전체 발열 면적의 반은 베이스 기판의 상부면에 형성하여 발열시키고, 나머지 반의 면적은 베이스 기판의 하부면에 형성하는 것이 바람직하다.
도 21은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 3.5V를 인가한 경우의 발열 거동을 보여주는 열화상 이미지이다. 도 22는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 4V를 인가한 경우의 발열 거동을 보여주는 열화상 이미지이다. 열화상 이지에서 +로 표시된 Sp1~Sp8은 온도 측정 지점이다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 제1 실시예에 따른 배터리 히터는 80×150㎟으로 제조하였다. 전극 배선 패턴이 면상 발열체에 비해서 전기전도도가 400배 이상이 되도록 제조하였다.
제1 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 3.5V, DC 4V를 인가한 결과 전체적으로 균일하게 발열되는 것을 확인할 수 있다. 즉 도 21을 참조하면, DC 3.5V를 인가한 경우, Sp1은 201.9℃, Sp2는 197.3℃, Sp3은 235.9℃, Sp4는 201.4℃, Sp5는 198.0℃, Sp6은 194.6℃, Sp7은 231.7℃, Sp8은 214.6℃로 측정되었다. 도 22를 참조하면, DC 4V를 인가한 경우, Sp1은 274.8℃, Sp2는 261.8℃, Sp3은 311.7℃, Sp4는 283.1℃, Sp5는 263.6℃, Sp6은 263.4℃, Sp7은 313.1℃, Sp8은 288.0℃로 측정되었다.
표 1은 배터리 히터의 구동 전압에 따른 전기적 특성 및 도달 온도를 나타낸다.
구동전압(DC V) 발생전류(A) 전력량(W/㎠) 온도(℃)
3.5 2.18 0.86 195~236
4 2.90 1.45 262~313
도 22는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 4V 구동시의 발열 거동 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 22를 참조하면, 제1 실시예에 따른 배터리 히터는 보조 배터리인 슈퍼 커패시터의 구동 전압인 4V 내외의 영역에서 55℃ 이상의 발열 구동이 가능함을 알 수 있다.
DC 4V의 구동시, 300℃까지 구동이 가능하며, 10초 이내에 매우 빠른 속도로 300℃까지 도달할 수 있음을 확인할 수 있다.
제2 실시예
한편 제1 실시예에 따른 배터리 히터(13)는 높이 편차를 줄이기 위해서 절연층(70)을 형성하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 도 24 및 도 25에 도시된 바와 같이, 절연층을 형성하지 않을 수도 있다.
도 24는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 히터(113)를 보여주는 단면도이다.
도 24를 참조하면, 제2 실시예에 따른 배터리 히터(113)는 베이스 기판(30), 전극 배선 패턴(40) 및 면상 발열체 어레이(80)를 포함하며, 보호층(90)을 더 포함할 수 있다. 여기서 베이스 기판(30)은 절연성을 갖는다. 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성된다. 면상 발열체 어레이(80)는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 발열체 조성물을 인쇄하여 전극 배선 패턴(40)에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체(87,89)를 구비한다. 그리고 보호층(90)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며, 면상 발열체 어레이(80)를 덮는다.
이와 같이 제2 실시예에 따른 배터리 히터(113)는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 전극 배선 패턴(40)과 면상 발열체 어레이(80)가 형성된다.
제3 실시예
도 25는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 히터(213)를 보여주는 단면도이다.
도 25를 참조하면, 제3 실시예에 따른 배터리 히터(213)는 베이스 기판(30), 전극 배선 패턴(40) 및 면상 발열체 어레이(80)를 포함하며, 보호층(90)을 더 포함할 수 있다. 여기서 베이스 기판(90)은 절연성을 가지며, 양면(31,33)에 전극 배선 패턴 홈(35,37)이 형성되어 있다. 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 전극 배선 패턴 홈(35,37)에 충전되어 형성된다. 면상 발열체 어레이(80)는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 발열체 조성물을 인쇄하여 전극 배선 패턴(40)에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체(87,89)를 구비한다. 그리고 보호층(90)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며, 면상 발열체 어레이(80)를 덮는다.
이때 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성된 전극 배선 패턴 홈935,37)에 충전되게 형성된다. 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판930)의 양면(31,33)과 동일 높이로 형성될 수 있다. 이로 인해 전극 배선 패턴(40)의 높이 편차를 줄이기 위해서, 제1 실시예와 같이 별도로 절연층을 형성할 필요가 없다.
제4 실시예
한편 제1 내지 제3 실시예에 따른 배터리 히터는 베이스 기판의 양면에 면상 발열체 어레이가 형성되되, 상하로 서로 중복되지 않으면서 배터리 히터의 전면에 균일하게 면상 발열체가 형성된 구조를 개시하였지만, 도 26에 도시된 바와 같이, 베이스 기판의 양면 전체에 균일하게 면상 발열체 어레이를 형성할 수도 있다.
도 26은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 히터(313)를 보여주는 단면도이다.
도 26을 참조하면, 제4 실시예에 따른 배터리 히터(313)는 베이스 기판(30), 전극 배선 패턴(40), 절연층(70) 및 면상 발열체 어레이(80)를 포함하며, 보호층(90)을 더 포함할 수 있다. 여기서 베이스 기판(30)은 절연성을 갖는다. 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성된다. 절연층(70)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며 전극 배선 패턴(40) 사이를 메우다. 면상 발열체 어레이(80)는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 발열체 조성물을 인쇄하여 전극 배선 패턴(40)에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체(85)를 구비한다. 그리고 보호층(90)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며, 면상 발열체 어레이(80)를 덮는다.
면상 발열체 어레이(80)는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 균일하게 메트릭스(matrix) 형태로 배열된다. 면상 발열체 어레이(80)는 제1 면상 발열체 어레이(81a,81b)와 제2 면상 발열체 어레이(83a,83b)를 포함한다. 제1 면상 발열체 어레이(81a,81b)는 베이스 기판(30)의 상부면(31)의 전체에 균일하게 형성되며, 복수의 제1 면상 발열체를 구비한다. 제2 면상 발열체 어레이(83a,83b)는 베이스 기판(30)의 하부면(33) 전체에 균일하게 형성되며, 복수의 제2 면상 발열체를 구비한다. 예컨대 제1 면상 발열체 어레이(81a,81b)는 2렬로 배열되며, 제1-1 면상 발열체 어레이(81a)와 제1-2 면상 발열체 어레이(81b)를 포함할 수 있다. 제2 면상 발열체 어레이(83a,83b)는 제1 면상 발열체 어레이(81a,81b)에 대응되게 2렬로 배열되며, 제2-1 면상 발열체 어레이(83a)와 제2-2 면상 발열체 어레이(83b)를 포함할 수 있다.
이때 제2 면상 발열체 어레이(83a,83b)를 베이스 기판(30)의 상부면(31)으로 프로젝션 했을 때, 제1 면상 발열체 어레이(81a,81b)와 제2 면상 발열체 어레이(83a,83b)는 서로 동일한 위치에 형성될 수 있다. 또는 제1 면상 발열체 어레이(81a,81b) 및 제2 면상 발열체 어레이(83a,83b)는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 균일하게 형성되면서, 제1 및 제2 면상 발열체는 서로 상이한 위치에 형성되어도 무방하다.
전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성되며, 외부에서 인가되는 전원을 면상 발열체 어레이(80)로 공급한다.
전극 배선 패턴(40)은 제1 면상 발열체 어레이(81a,81b) 및 제2 면상 발열체 어레이(83a,83b)에 각각 병렬로 연결되어 전원을 인가한다. 전극 배선 패턴(40)은 제1 면상 발열체 어레이(81a,81b)에 전기적으로 연결된 제1 전극 배선 패턴(50)과, 제2 면상 발열체 어레이(83a,83b)에 전기적으로 연결된 제2 전극 배선 패턴(60)을 포함한다.
제1 전극 배선 패턴(50)은 제1-1 면상 발열체 어레이(81a)를 연결하는 제1-1 전극 배선 패턴(50a)과, 제1-2 면상 발열체 어레이(81b)를 연결하는 제1-2 전극 배선 패턴(50b)을 포함한다.
제2 전극 배선 패턴(60)은 제2-1 면상 발열체 어레이(83a)를 연결하는 제2-1 전극 배선 패턴(60a)과, 제2-2 면상 발열체 어레이(83b)를 연결하는 제2-2 전극 배선 패턴(60b)을 포함한다.
이때 베이스 기판(30)을 중심으로 상하로 위치하는 제1-1 전극 배선 패턴(50a)과 제2-1 전극 배선 패턴(60a)의 전극 패드가 서로 연결된다. 제1-1 전극 배선 패턴(50a)과 제2-1 전극 배선 패턴(60a)의 전극 패드는 베이스 기판(30)의 외측에서 서로 접합되어 형성될 수 있다. 또는 제1-1 전극 배선 패턴(50a)과 제2-1 전극 배선 패턴(60a)의 전극 패드는 베이스 기판(30)의 위에 각각 형성되고, 베이스 기판(30)을 관통하여 형성된 비아를 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
베이스 기판(30)을 중심으로 상하로 위치하는 제2-1 전극 배선 패턴(50b)과 제2-2 전극 배선 패턴(60b)의 전극 패드가 서로 연결된다. 제2-1 전극 배선 패턴(50b)과 제2-2 전극 배선 패턴(60b)의 전극 패드는 베이스 기판(30)의 외측에서 서로 접합되어 형성될 수 있다. 또는 제2-1 전극 배선 패턴(50b)과 제2-2 전극 배선 패턴(60b)의 전극 패드는 베이스 기판(30)의 위에 각각 형성되고, 베이스 기판(30)을 관통하여 형성된 비아를 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
한편 제4 실시예에서는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 2렬로 면상 발열체가 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 베이스 기판(30)의 면적에 따라서 1렬 또는 3렬 이상으로 면상 발열체는 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 형성할 수도 있다.
그리고 제4 실시예에 따른 베이스 기판(30)의 양면(31,33)에 균일하게 복수의 면상 발열체(85)를 형성하는 구성은 제2 및 제3 실시예에 따른 배터리 히터(113,213)에 적용될 수 있음은 물론이다.
이와 같이 제4 실시예에 따른 배터리 히터(313)는 베이스 기판(30)의 양면(31,33) 전체에 균일하게 형성되기 때문에, 제1 내지 3 실시예에 따른 배터리 히터(313)보다는 짧은 시간에 더 높은 온도로 대면적 발열이 가능하다.
도 27은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 2V를 인가한 경우의 발열 거동을 보여주는 열화상 이미지이다. 도 28은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 3.5V를 인가한 경우의 발열 거동을 보여주는 열화상 이미지이다.
도 27 및 도 28을 참조하면, 제4 실시예에 따른 배터리 히터에 DC 2V, DC 3.5V를 인가한 결과 전체적으로 균일하게 발열되는 것을 확인할 수 있다. 즉 4개의 라인(Li1,Li2,Li3,Li4)에서 온도를 측정하였다. 도 27을 참조하면, DC 2V를 인가한 경우, Li1은 81.7~142.4℃(평균 111.9℃), Li2는 82.7~153.4℃(평균 116.4℃), Li3은 98.6~154.3℃(평균 127.2℃), Li4는 88.5~151.1℃(평균 124.0℃)으로 측정되었다. 도 28을 참조하면, DC 3.5V를 인가한 경우, Li1은 143.9~235.7℃(평균 198.3℃), Li2는 131.5~243.7℃(평균 204.5℃), Li3은 124.0~254.6℃(평균 192.4℃), Li4는 125.0~237.3℃(평균 182.0℃)으로 측정되었다.
표 2는 배터리 히터의 구동 전압에 따른 전기적 특성 및 도달 온도를 나타낸다.
구동전압(DC V) 발생전류(A) 전력량(W/㎠) 온도(℃)
2 10 0.2 70~150
3.5 17.5 0.6 150~275
4 20 0.7 170~300
제4 실시예에 따른 배터리 히터는 보조 전원부인 슈퍼 커패시터의 구동 전압인 4V 내외의 영역에서 전체적으로 균일하게 70℃ 이상의 발열 구멍이 가능함을 확인할 수 있다.
특히 DC 4V의 인가 시, 300℃까지 구동이 가능하며, 10초 이내에 매우 빠른 속도로 300℃까지 도달할 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이 제4 실시예에 따른 배터리 히터는 베이스 기판의 양면 전체에 균일하게 형성되기 때문에, 제1 내지 3 실시예에 따른 배터리 히터보다는 짧은 시간에 더 높은 온도로 대면적 발열이 가능한 것으로 판단된다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
[부호의 설명]
11 : 리튬 배터리 13, 113, 213, 313 : 배터리 히터
15 : 온도 센서 17 : 보조 전원부
18 : 전원 변환부 19 : 제어부
30 : 베이스 기판 31 : 상부면
33 : 하부면 35, 37 : 전극 배선 패턴 홈
40 : 전극 배선 패턴 41, 43 : 금속층
44, 45 : 감광층 46, 47 : 마스크
48, 49 : 감광층 패턴 50 : 제1 전극 배선 패턴
51 : 제1-1 전극 패드 52 : 제1-1 연결 배선
53 : 제1-1 전극 단자 54 : 제1-2 전극 패드
55 : 제1-2 연결 배선 56 : 제1-2 전극 단자
60 : 제2 전극 배선 패턴 61 : 제2-1 전극 패드
62 : 제2-1 연결 배선 63 : 제2-1 전극 단자
64 : 제2-2 전극 패드 65 : 제2-2 연결 배선
66 : 제2-2 전극 단자 70 :절연층
71 : 제1 절연층 73 : 제2 절연층
80 : 면상 발열체 어레이 81 : 제1 면상 발열체 어레이
83 : 제2 면상 발열체 어레이 85 : 면상 발열체
87 : 제1 면상 발열체 89 : 제2 면상 발열체
90 : 보호층 91 : 제1 보호층
93 : 제2 보호층 100 : 배터리 시스템

Claims (34)

  1. 절연성을 갖는 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 양면에 형성된 전극 배선 패턴;
    상기 베이스 기판의 양면에 형성되며 상기 전극 배선 패턴 사이를 메우는 절연층; 및
    상기 베이스 기판의 양면에 발열체 조성물을 인쇄하여 상기 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이;
    를 포함하는 배터리 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 소재는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA) 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 면상 발열체 어레이는,
    상기 베이스 기판의 상부면의 일측에 형성되며, 일렬로 배열된 복수의 제1 면상 발열체를 구비하는 제1 면상 발열체 어레이; 및
    상기 제1 면상 발열체 어레이에서 이격된 상기 베이스 기판의 하부면의 일측에 형성되며, 일렬로 배열된 복수의 제2 면상 발열체를 구비하는 제2 면상 발열체 어레이;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 면상 발열체 어레이를 상기 베이스 기판의 상부면으로 프로젝션 했을 때, 상기 제1 면상 발열체 어레이와 상기 제2 면상 발열체 어레이는 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 발열체 조성물은 페놀계 수지, 아세탈계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 에폭시계 수지 중 적어도 2종을 포함하는 합성 바인더와, 전도성 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발열체 조성물은,
    발열체 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더 5 내지 30 중량부와, 전도성 입자 0.7 내지 60 중량부를 포함하는 배터리 히터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 합성 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하고,
    상기 전도성 입자는 탄소나노튜브 입자, 그라파이트 입자, 은 분말, 은 코팅된 니켈 분말 및 은 코팅된 구리 분말 중 적어도 2종을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혼합 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 100 내지 500 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전극 배선 패턴은 면상 발열체의 전기전도도의 400배 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전극 배선 패턴에 4V 인가 시 상기 면상 발열체 어레이는 10초 이내에 300℃를 발열하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 면상 발열체의 비저항은 9×10-2 내지 1.1×10-3 Ω㎝인 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 전극 배선 패턴은 상기 제1 면상 발열체 어레이 및 상기 제2 면상 발열체 어레이에 각각 병렬로 연결되어 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  13. 제3항에 있어서, 상기 전극 배선 패턴은
    상기 제1 면상 발열체 어레이에 전기적으로 연결된 제1 전극 배선 패턴; 및
    상기 제2 면상 발열체 어레이에 전기적으로 연결된 제2 전극 배선 패턴;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 전극 배선 패턴은,
    제1-1 전극 패드;
    상기 제1-1 전극 패드와 연결되며, 상기 제1 면상 발열체 어레이의 일측에 상기 복수의 제1 면상 발열체를 따라서 형성된 제1-1 연결 배선;
    상기 제1-1 연결 배선에 연결되며, 상기 복수의 제1 면상 발열체의 하부에 각각 형성되는 복수의 제1-1 전극 단자;
    제1-2 전극 패드;
    상기 제1-2 전극 패드와 연결되며, 상기 제1 면상 발열체 어레이의 타측에 상기 복수의 제1 면상 발열체를 따라서 형성된 제1-2 연결 배선; 및
    상기 제1-2 연결 배선에 연결되며, 상기 복수의 제1 면상 발열체의 하부에 각각 형성되며, 상기 복수의 제1-1 전극 단자에 이격되게 형성되는 복수의 제1-2 전극 단자;
    를 포함하는 배터리 히터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 전극 배선 패턴은,
    제2-1 전극 패드;
    상기 제2-1 전극 패드와 연결되며, 상기 제2 면상 발열체 어레이의 일측에 상기 복수의 제2 면상 발열체를 따라서 형성된 제2-1 연결 배선;
    상기 제2-1 연결 배선에 연결되며, 상기 복수의 제2 면상 발열체의 하부에 각각 형성되는 복수의 제2-1 전극 단자;
    제2-2 전극 패드;
    상기 제2-2 전극 패드와 연결되며, 상기 제2 면상 발열체 어레이의 타측에 상기 복수의 제2 면상 발열체를 따라서 형성된 제2-2 연결 배선; 및
    상기 제2-2 연결 배선에 연결되며, 상기 복수의 제2 면상 발열체의 하부에 각각 형성되며, 상기 복수의 제2-1 전극 단자에 이격되게 형성되는 복수의 제2-2 전극 단자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1-1 전극 패드와 상기 제2-1 전극 패드는 공유하고, 상기 제1-2 전극 패드와 상기 제2-2 전극 패드는 공유하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 소재는 폴리이미드, 에폭시 수지, OCA(optically clear adhesive) 또는 OCR(optically clear resin)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 전극 배선 패턴은 소재가 알루미늄이고, 두께가 30 내지 70㎛인 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 양면에 형성되며, 상기 면상 발열체 어레이를 덮는 보호층;
    을 더 포함하는 배터리 히터.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 면상 발열체는 상기 베이스 기판의 양면 전체에 균일하게 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 면상 발열체는 상기 베이스 기판의 양면에 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  22. 제21항에 있어서, 상기 면상 발열체 어레이는,
    상기 베이스 기판의 상부면 전체에 균일하게 형성된 복수의 제1 면상 발열체를 구비하는 제1 면상 발열체 어레이; 및
    상기 베이스 기판의 하부면 전체에 균일하게 형성된 복수의 제2 면상 발열체를 구비하는 제2 면상 발열체 어레이;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  23. 제22항에 있어서, 상기 전극 배선 패턴은,
    상기 제1 면상 발열체 어레이에 전기적으로 연결된 제1 전극 배선 패턴; 및
    상기 제2 면상 발열체 어레이에 전기적으로 연결된 제2 전극 배선 패턴;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극 배선 패턴은
    상기 베이스 기판을 중심으로 양면에 대칭되게 적어도 1렬로 형성되며, 상기 베이스 기판을 중심으로 양면에 상하로 동일 열에 위치하는 전극 배선 패턴의 전극 패드는 서로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 히터.
  25. 절연성을 갖는 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 양면에 형성된 전극 배선 패턴; 및
    상기 베이스 기판의 양면에 발열체 조성물을 인쇄하여 상기 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이;
    를 포함하는 배터리 히터.
  26. 양면에 전극 배선 패턴 홈이 형성된 절연성을 갖는 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 전극 배선 패턴 홈에 충전되어 형성된 전극 배선 패턴; 및
    상기 베이스 기판의 양면에 발열체 조성물을 인쇄하여 상기 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이;
    를 포함하는 배터리 히터.
  27. 베이스 기판의 양면에 전극 배선 패턴을 형성하는 단계;
    상기 베이스 기판의 양면에 상기 전극 배선 패턴 사이를 메우는 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 절연층과 상기 전극 배선 패턴 위에 발열체 조성물을 인쇄하여 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되는 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이를 형성하는 단계;
    를 포함하는 배터리 히터의 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 전극 배선 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 베이스 기판의 양면에 알루미늄 소재의 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속층을 사진식각공정으로 패터닝하여 전극 배선 패턴을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터의 제조 방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 절연층을 형성하는 단계는,
    상기 전극 배선 패턴 사이에 절연성 수지를 도포하여 절연층을 형성하는 단계;
    상기 베이스 기판의 양면에 절연성 필름을 합지하여 상기 전극 배선 패턴 사이를 메운 후, 상기 전극 배선 패턴 상부의 절연성 필름 부분을 제거하여 절연층을 형성하는 단계; 또는
    상기 전극 배선 패턴 사이의 영역에 대응되게 개방부가 형성된 절연성 필름을 합지하여 절연층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터의 제조 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 양면에 상기 면상 발열체 어레이를 덮는 보호층을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 히터의 제조 방법.
  31. 리튬 배터리; 및
    상기 리튬 배터리에 설치되어 상기 리튬 배터리를 히팅하는 배터리 히터;를 포함하며,
    상기 배터리 히터는,
    절연성을 갖는 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 양면에 형성된 전극 배선 패턴;
    상기 베이스 기판의 양면에 형성되며 상기 전극 배선 패턴 사이를 메우는 절연층; 및
    상기 베이스 기판의 양면에 발열체 조성물을 인쇄하여 상기 전극 배선 패턴에 전기적으로 연결되게 형성된 복수의 면상 발열체를 구비하는 면상 발열체 어레이;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 리튬 배터리의 온도를 센싱하는 온도 센서;
    상기 배터리 히터에 전원을 공급하는 보조 전원부; 및
    상기 온도 센서로 센싱한 온도가 제1 임계 온도 이하인 경우, 상기 보조 전원부를 통하여 상기 배터리 히터에 전원을 공급하여 상기 배터리 히터에서 발열되는 열로 상기 리튬 배터리를 히팅하는 배터리 관리부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리 히터로 상기 리튬 배터리를 히팅하여 상기 온도 센서로 센싱한 상기 리튬 배터리의 온도가 제2 임계 온도 이상인 경우, 상기 보조 전원부를 통하여 상기 배터리 히터로 공급되는 전원을 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 보조 전원부는 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
PCT/KR2017/003893 2016-04-15 2017-04-11 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법 Ceased WO2017179879A1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160045901A KR101857007B1 (ko) 2016-04-15 2016-04-15 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법
KR10-2016-0045901 2016-04-15
KR1020160084030A KR101826708B1 (ko) 2016-07-04 2016-07-04 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법
KR10-2016-0084030 2016-07-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017179879A1 true WO2017179879A1 (ko) 2017-10-19

Family

ID=60042580

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2017/003893 Ceased WO2017179879A1 (ko) 2016-04-15 2017-04-11 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2017179879A1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108040376A (zh) * 2017-12-29 2018-05-15 浙江仁丰科技有限公司 一种汽车电池加热片
CN109947154A (zh) * 2019-02-28 2019-06-28 深圳市新浦自动化设备有限公司 电池化成夹具控温装置及电池化成控温方法
CN110197937A (zh) * 2019-07-10 2019-09-03 福建省汽车工业集团云度新能源汽车股份有限公司 一种电池包用加热膜系统总成
CN110970689A (zh) * 2018-11-30 2020-04-07 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池加热系统和方法
US10644364B2 (en) * 2016-10-17 2020-05-05 David Fortenbacher Self-heating cells and self-heating batteries including the self-heating cells
CN111899256A (zh) * 2020-08-12 2020-11-06 南京工程学院 一种基于红外图像热点特征聚类分析的退役锂电池筛选方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11135243A (ja) * 1997-10-28 1999-05-21 Sharp Corp 面状発熱体
KR20070005306A (ko) * 2005-07-06 2007-01-10 썬텍 주식회사 면상 발열체 제조방법 및 그에 의하여 제조된 면상 발열체
JP2010517205A (ja) * 2007-01-22 2010-05-20 パナソニック株式会社 面状発熱体
JP2013211436A (ja) * 2012-03-30 2013-10-10 Mitsubishi Materials Corp 温度調節機能付き電池
KR101524642B1 (ko) * 2014-03-13 2015-06-04 전자부품연구원 후막 형성용 발열 페이스트 조성물 및 이를 이용한 휴대용 저전력 발열 히터

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11135243A (ja) * 1997-10-28 1999-05-21 Sharp Corp 面状発熱体
KR20070005306A (ko) * 2005-07-06 2007-01-10 썬텍 주식회사 면상 발열체 제조방법 및 그에 의하여 제조된 면상 발열체
JP2010517205A (ja) * 2007-01-22 2010-05-20 パナソニック株式会社 面状発熱体
JP2013211436A (ja) * 2012-03-30 2013-10-10 Mitsubishi Materials Corp 温度調節機能付き電池
KR101524642B1 (ko) * 2014-03-13 2015-06-04 전자부품연구원 후막 형성용 발열 페이스트 조성물 및 이를 이용한 휴대용 저전력 발열 히터

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10644364B2 (en) * 2016-10-17 2020-05-05 David Fortenbacher Self-heating cells and self-heating batteries including the self-heating cells
CN108040376A (zh) * 2017-12-29 2018-05-15 浙江仁丰科技有限公司 一种汽车电池加热片
CN110970689A (zh) * 2018-11-30 2020-04-07 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池加热系统和方法
US11394066B2 (en) 2018-11-30 2022-07-19 Contemporary Amperex Technology Co., Limited Battery heating system and method
CN109947154A (zh) * 2019-02-28 2019-06-28 深圳市新浦自动化设备有限公司 电池化成夹具控温装置及电池化成控温方法
CN109947154B (zh) * 2019-02-28 2023-05-23 深圳市新浦自动化设备有限公司 电池化成夹具控温装置及电池化成控温方法
CN110197937A (zh) * 2019-07-10 2019-09-03 福建省汽车工业集团云度新能源汽车股份有限公司 一种电池包用加热膜系统总成
CN110197937B (zh) * 2019-07-10 2022-02-22 福建省汽车工业集团云度新能源汽车股份有限公司 一种电池包用加热膜系统总成
CN111899256A (zh) * 2020-08-12 2020-11-06 南京工程学院 一种基于红外图像热点特征聚类分析的退役锂电池筛选方法
CN111899256B (zh) * 2020-08-12 2023-10-03 南京工程学院 一种基于红外图像热点特征聚类分析的退役锂电池筛选方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017179879A1 (ko) 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법
KR101857007B1 (ko) 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법
WO2020096310A1 (ko) 전기화학소자용 세퍼레이터 및 이를 포함하는 전기화학소자
WO2019245343A1 (ko) 전기화학소자용 세퍼레이터, 이를 포함하는 전기화학소자 및 세퍼레이터의 제조방법
WO2014178639A1 (ko) 연성인쇄회로기판 및 그 제조 방법
WO2013042948A2 (ko) 다공성 구조의 전극조립체 및 이를 포함하는 이차전지
WO2016052934A1 (ko) 애노드, 이를 포함하는 리튬 이차 전지, 상기 리튬 이차 전지를 포함하는 전지 모듈 및 애노드의 제조방법
WO2016013860A1 (ko) 실리콘 이차전지 유닛 및 이를 이용한 전기 자동차용 전지모듈
KR20180121723A (ko) 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 히터 조립체 및 배터리 시스템
WO2020101363A1 (ko) 리튬이차전지용 세퍼레이터 및 이의 제조방법
WO2022239934A1 (ko) 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지 팩
WO2019216622A1 (ko) 리튬 금속 이차 전지용 케이스, 이를 포함하는 리튬 금속 이차 전지 및 이의 제조 방법
WO2020197102A1 (ko) 전기화학소자용 세퍼레이터의 제조방법
WO2013176520A1 (en) Semiconductor package substrate, package system using the same and method for manufacturing thereof
WO2022005211A1 (ko) 리튬 이차 전지용 분리막 및 이의 제조방법 및 이에 의해 제조된 분리막
KR101826708B1 (ko) 배터리 히터, 그를 포함하는 배터리 시스템 및 그의 제조 방법
KR102506814B1 (ko) 비행체의 콜드 스타트용 배터리 히터 모듈 및 그를 포함하는 배터리 시스템
WO2021118330A1 (ko) 저항이 개선된 이차전지 제조방법
WO2025089866A1 (ko) 전지의 무지부 코팅용 조성물, 이를 이용하여 전지의 무지부를 코팅하는 방법 및 전지의 무지부 코팅용 조성물을 포함하는 전극
WO2021006646A1 (ko) 조성물 및 그로부터 제조된 방열 시트
WO2023243988A1 (ko) 전극조립체 및 전극조립체의 제조방법
WO2024181832A1 (ko) 내부 단락에 대한 안전성이 개선된 리튬 이차전지 및 이를 위한 리튬 이차전지 시스템
WO2022250307A1 (ko) 단위 셀 및 이를 포함하는 전지 셀
WO2022250306A1 (ko) 단위 셀 및 이를 포함하는 전지 셀
WO2021118176A1 (ko) 인쇄회로기판 모듈

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17782634

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17782634

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1