KR100535393B1 - 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이 및 그 열관리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이는, 부피를 감소시켜 차량 패키지를 용이하게 하고, 냉각 팬의 효과를 극대화하여 온도 편차를 감소시키고, 이로 인하여 전지팩의 수명을 향상시키는 것으로서; 다수의 전지 셀을 직렬로 연결하여 모듈을 형성하고, 이 모듈을 동일 평면에 다수로 배열하여 모듈층을 형성하며, 이 모듈층을 복수의 적층 구조로 형성시키는 트레이 바디(1); 이 트레이 바디의 일측 모듈의 하측에서 다른 일측 모듈의 상측으로 형성되는 공기 흐름(a, b)을 각 층에 분리 형성시키도록 각 층의 일측 상방에 내장되는 냉각 팬(3); 이 냉각 팬의 반대측 하방에 구비되는 공기 유입구(11); 및 이 냉각 팬을 제어하도록 각 모듈층에 등간격으로 구비된 더미스터(13)에 연결되는 전지 관리 시스템(5)으로 구성되어 있다.

Description

하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이 및 그 열관리 방법 {BATTERY PACK TRAY FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLES AND TEMPERATURE MANAGEMENT METHOD THEREOF}

본 발명은 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이 및 그 열관리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부피를 감소시켜 차량 패키지를 용이하게 하고, 냉각 팬의 효과를 극대화하여 온도 편차를 감소시키며, 이로 인하여 전지팩의 수명을 향상시키는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이 및 그 열관리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 전기 자동차의 동력원은 가솔린 및 디젤로 구동되는 엔진과 보조 동력원으로 모터를 구동하기 위한 전지 시스템으로 구성되어 있다. 전지 시스템은 보조 배터리와는 달리 전압 범위가 크며, 출력 성능 및 수명 등이 우수한 전지를 선택하여 사용하기 때문에 안전성을 위해 전지 관리 시스템(BMS)과 함께 퓨즈, 안전 스위치, 메인 릴레이, 프리차지 릴레이 등의 시스템 부품을 포함하고 있다. 따라서 이러한 전지 시스템은 차량의 트렁크나, 리어 시트 쪽에 장착되어 있다.

일본의 파나소닉 니켈-수소 전지 시스템은 크게 모듈 전지 부분과 전지 관리 시스템 및 부품 부분으로 분리 형성되어 있다. 이 모듈 전지는 20개의 셀이 직렬로 연결되어 있고, 각종 부품들과 전지 관리 시스템은 전지부분의 끝단부 측면에 장착되어 있다. 또한 냉각 팬은 석션 타입으로 전지팩의 외부에 장착되어 모듈 전지의 온도가 일정 이상으로 상승할 때 작동하도록 구성되어 있다.

상기 니켈-수소 전지 시스템은 하이브리드 전기 자동차의 트렁크 하단 부분에 탑재되어 있다. 이 시스템의 측면부에 모터컨트롤유닛(MCU)이 있기 때문에 트렁크 공간의 대부분은 이 전지 시스템에 의하여 점령된다. 따라서 트렁크 공간의 활용성이 저하되어 동일 사양에서 전지 시스템을 축소시킬 필요가 있다. 또한 냉각 팬은 석션 타입으로서 모듈 전지의 온도가 일정 이상으로 상승할 때 작동되어 전지 모듈을 냉각시키고 있으나, 니켈-수소 전지 특성상 전지 모듈의 냉각보다는 온도 편차를 없애주는 데 주목적을 가지고 있다. 그런데 이 니켈-수소 전지 시스템은 냉각 팬이 시스템의 중간 측면부에 장착되어 있기 때문에 냉각 효과뿐만 아니라, 전지 모듈의 온도 편차에 좋은 효과를 주지 못하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 부피를 감소시켜 차량 패키지를 용이하게 하고, 냉각 팬의 효과를 극대화하여 온도 편차를 감소시키며, 이로 인하여 전지팩의 수명을 향상시키는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이 및 그 열관리 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이는, 다수의 전지 셀을 직렬로 연결하여 모듈을 형성하고, 이 모듈을 동일 평면에 다수로 배열하여 모듈층을 형성하며, 이 모듈층을 복수의 적층 구조로 형성시키는 트레이 바디;

상기 트레이 바디의 일측 모듈의 하측에서 다른 일측 모듈의 상측으로 형성되는 공기 흐름을 각 층에 분리 형성시키도록 각 층의 일측 상방에 내장되는 냉각 팬;

상기 냉각 팬의 반대측 하방에 구비되는 공기 유입구; 및

상기 냉각 팬을 제어하도록 더미스터에 연결되는 전지 관리 시스템을 포함하고 있다.

상기 전지 셀은 직렬로 연결된 인접 전지 셀 사이에 원활한 공기 흐름을 형성하도록 그 측면에 돌기를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 공기 흐름이 원활하도록 전지 셀의 하측에 형성되는 공기 통로는 공기 유입구 측에서 냉각 팬 측으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 트레이 바디는 트레이 바디를 복층으로 구획하는 층 구획부를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 적층 구조는 2층 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 더미스터는 각 모듈층에 등간격의 다수로 배치되는 것이 바람직하다.

상기 전지 관리 시스템은 트레이 바디의 전방 외부에 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이의 열관리 방법은,

각 모듈층에 배치되는 더미스터에 의한 온도 센싱 단계;

상기 단계의 센싱 온도에 따라 전지 관리 시스템의 온도 알고리즘을 적용하는 단계; 및

상기 단계의 온도 및 그 편차에 따라 냉각 팬을 제어하는 단계를 포함한다.

상기 전지 관리 시스템의 온도 알고리즘은, 엔진 시동 후, 하드웨어 셋업 및 소프트웨어 초기화 단계;

모듈의 최대온도(Tmax) 및 변화온도(ΔT)를 체크하는 체크 단계;

더미스터의 센싱 온도로부터 ΔT가 5℃ 초과 또는 Tmax가 38℃ 초과인지를 판단하는 제1 판단단계;

상기 제1 판단단계가 만족되지 않으면 녹색 표시 후 하이브리드 컨트롤 유닛(HCU)에 정상 신호를 보내는 단계;

상기 제1 판단단계가 만족되면, 황색 표시 및 냉각 팬을 작동시킨 후 HCU에 경고 신호를 보내는 단계;

상기 경고 단계 후 ΔT가 7℃ 초과 또는 Tmax가 45℃ 초과인지를 판단하는 제2 판단단계; 및

상기 제2 판단단계가 만족되지 않으면 상기 제1 판단단계로 리턴되고, 제2 판단단계가 만족되면 적색 표시 및 냉각 팬을 작동시킨 후 HCU에 폴트 신호를 보내고 리턴 제어되는 단계를 포함하고 있다.

상기 변화온도(ΔT)는 모듈의 최대온도(Tmax)와 평균 온도의 차 또는 평균 온도와 모듈의 최소온도(Tmin)의 차로 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 이점과 장점은 이하의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명함으로서 보다 명확하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이의 개략적인 사시도로서, 트레이 바디(1)와 이의 일측에 내장된 냉각 팬(3) 그리고 전지 관리 시스템(5)을 구비하고 있다.

이 트레이 바디(1)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 전지 셀(7)들을 내장하도록 형성되어 있다. 다수의 전지 셀(7)들은 상호 직렬로 연결되어 하나의 모듈을 형성하고 있다.

도 2 및 도 3에는 10개의 전지 셀(7)로 형성되는 모듈이 예시되어 있다. 전지팩은 상기 모듈 12개로 구성되어, 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 모듈층에 의한 적층 구조를 형성하고 있으며, 공칭전압 144V, 7AH인 전지 시스템을 형성하고 있다. 동일 평면상에 형성되는 하나의 모듈층은 6개의 모듈로 형성되어 있다.

상기 전지 셀(7)은 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 그 측면에 돌기(7a, 7b)를 구비하고 있다. 이 돌기(7a, 7b)는 다수로 구비되어 인접하게 배치되어 직렬로 연결되는 인접 전지 셀(7)과의 사이에 공기 통로를 형성시킨다.

이 전지 셀(7)을 내장하는 트레이 바디(1)는 도 4에 도시된 바와 같이, 층 구획부(9)를 구비하고 있다. 이 층 구획부(9)는 트레이 바디(1)를 복층으로 구획하여 모듈을 복층의 적층 구조로 내장할 수 있게 한다. 이 층 구획부(9)는 전지 셀(7)의 크기 및 내장된 전지 셀(7)의 개수에 따라 적절한 개수로 구비될 수 있으며, 본 실시 예에서는 한 개만 구비되어 있다. 따라서 트레이 바디(1)는 2층으로 구획되어 있다. 이 트레이 바디(1)의 적층 구조는 기존의 전지팩 부피를 약 2/3 정도 줄일 수 있다.

이 트레이 바디(1)의 각 층에는 상기 냉각 팬(3)이 독립적으로 구비되어 있다. 이 냉각 팬(3)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 트레이 바디(1)에서 우측 모듈의 하측에서 좌측 모듈의 상측으로 공기 흐름(a, b)을 형성한다. 그리고 이 공기 흐름(a, b)은 각 층에서 독립적으로 형성되어, 각 모듈의 전지 셀(7)을 균일한 온도로 냉각시키게 된다.

이 냉각 팬(3)의 작동에 따라 상기와 같은 공기 흐름(a, b)이 원활하게 형성되도록 냉각 팬(3)의 반대측 하방에는 공기 유입구(11)가 형성되는 것이 바람직하다. 대체로 냉각 팬(3)은 각층의 상측에 2개로 구비되고, 공기 유입구(11)는 각층의 하측에 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 공기 흐름(a, b)이 원활하도록 전지 셀(7)의 하측에 형성되는 공기통로는 공기 유입구(11) 측에서 냉각 팬(3) 측으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 냉각 팬(3)의 구동에 의하여 냉각 공기는 공기 유입구(11) 측에서 냉각 팬(3)을 통하여 출구(12)로 자연스럽게 배출되면서 전지 셀(7)을 냉각시키게 된다.

이 냉각 팬(3)을 제어하기 위하여 더미스터(13)가 사용되고 있다. 이 더미스터(13)는 도 2에 도시된 바와 같이 다수 전지 셀(7)의 온도를 각각 감지하도록 다수로 구성되어 있다. 그리고 다수의 더미스터(13)는 각 모듈층에 등간격으로 배치되어, 각 전지 셀(7)의 온도를 감지하여 전지 셀(7) 간의 온도 편차를 최소화시킬 수 있게 한다.

이 더미스터(13)와 냉각 팬(3)은 전지 관리 시스템(5)에 전기적으로 연결되어 있다. 이 전지 관리 시스템(5)은 각 더미스터(13)의 감지 온도에 따라 이에 해당하는 각 냉각 팬(3)의 구동을 제어하도록 구성되어, 트레이 바디(1)의 전방 외부에 구비되어 있다.

상기와 같이 구성된 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이에서, 냉각 팬(13)은 도 6 및 도 7에 도시된 순서도에 의하여 제어된다.

각 더미스터(13)는 배치된 위치에 상응하는 각 전지 셀(7)의 온도를 센싱한다. 이렇게 센싱된 신호는 전지 관리 시스템(5)으로 보내진다. 전지 관리 시스템(5)은 센싱 온도에 따라 도 7에 도시된 바와 같은 온도 알고리즘을 적용한다. 이 알고리즘의 적용으로 전지 관리 시스템(5)은 전지 셀(7) 및 모듈의 온도 및 온도 편차에 따라 냉각 팬(3)을 각각 독립적으로 제어하게 된다.

즉, 전지 관리 시스템(5)은 엔진 시동 후, 하드웨어 셋업 및 소프트웨어 초기화하고, 센싱 신호로부터 모듈의 최대온도(Tmax) 및 변화온도(ΔT)를 체크한다. 이 변화온도(ΔT)는 모듈의 최대온도(Tmax)와 평균 온도의 차 또는 평균 온도와 모듈의 최소온도(Tmin)의 차에 의하여 설정된다.

전지 관리 시스템(5)은 이 더미스터(13)의 센싱 온도로부터 변화온도(ΔT)가 5℃ 초과이거나 모듈의 최대온도(Tmax)가 38℃ 초과인지를 판단하는 제1 판단단계를 수행한다. 이 제1 판단단계가 만족되지 않으면 녹색 표시 후 HCU에 정상 신호를 보내고, 이 제1 판단단계가 만족되면 황색 표시 및 냉각 팬(3)을 작동시킨 후 HCU에 경고 신호를 보낸다.

전지 관리 시스템(5)은 경고 단계 후 변화온도(ΔT)가 7℃ 초과이거나 모듈의 최대온도(Tmax)가 45℃ 초과인지를 판단하는 제2 판단단계를 수행한다. 이 제2 판단단계가 만족되지 않으면 상기 제1 판단단계로 리턴되고, 제2 판단단계가 만족되면 적색 표시 및 냉각 팬(3)을 독립적으로 작동시킨 후 HCU에 폴트 신호를 보내고 리턴 제어한다.

이 냉각 팬(3)의 구동에 따라 전지팩 내부는 공기 흐름(a, b)이 발생된다. 이 공기 흐름(a, b)은 전지 셀(7)의 격자 사이를 하측에서 상측으로 통과하면서 형성되어 공기에 의한 냉각 효과를 극대화시킨다.

이 냉각 팬(3)의 구동은 적층 구조의 트레이 바디(1) 내부의 온도 편차를 최소화시키게 된다. 따라서 전지 셀(7) 및 이의 모듈 수명이 향상된다.

이와 같이 본 발명은 전지 셀 모듈을 적층 구조로 트레이 바디에 내장함으로서 전지팩의 부피를 감소시켜 차량 패키지를 용이하게 하고, 트레이의 일측에 다수의 냉각 팬을 구비하여 각 부분의 전지 셀의 온도를 감지하여 냉각 팬을 독립적으로 구동시킴으로서 냉각 팬의 효과를 극대화하여 온도 편차를 감소시킬 수 있고, 이로 인하여 전지팩의 수명을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이의 개략적인 사시도.

도 2는 전지팩 트레이의 사시도.

도 3은 전지팩 트레이의 평면 공기 흐름도.

도 4는 전지팩 트레이의 수직 공기 흐름도.

도 5a는 전지 셀의 측면도.

도 5b는 전지 셀의 정면도.

도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이의 열관리 방법의 순서도.

도 7은 냉각 펜의 제어 순서도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 트레이 바디 3 : 냉각 팬

5 : 전지 관리 시스템 7 : 전지 셀

7a, 7b : 돌기 9 : 층 구획부

11 : 공기 유입구 113 : 더미스터

a, b : 공기 흐름

Claims (10)

1. 삭제
2. 다수의 전지 셀을 직렬로 연결하여 모듈을 형성하고, 이 모듈을 동일 평면에 다수로 배열하여 모듈층을 형성하며, 이 모듈층을 복수로 형성하는 적층 구조로 형성시키는 트레이 바디; 상기 트레이 바디의 일측 모듈의 하측에서 다른 일측 모듈의 상측으로 형성되는 공기 흐름을 각 층에 분리 형성시키도록 각 층의 일측 상방에 내장되는 냉각 팬; 상기 냉각 팬의 반대측 하방에 구비되는 공기 유입구; 및 상기 냉각 팬을 제어하도록 더미스터에 연결되는 전지 관리 시스템을 포함하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이에 있어서,

   상기 전지 셀은 직렬로 연결된 인접 전지 셀 사이에 원활한 공기 흐름을 형성하도록 그 측면에 돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 공기 흐름이 원활하도록 전지 셀의 하측에 형성되는 공기통로는 공기 유입구 측에서 냉각 팬 측으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 트레이 바디는 트레이 바디를 복층으로 구획하는 층 구획부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 적층 구조는 2층 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이.
6. 청구항 2에 있어서,

   상기 더미스터는 각 모듈층에 등간격의 다수로 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이.
7. 청구항 2에 있어서,

   상기 전지 관리 시스템은 트레이 바디의 전방 외부에 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이.
8. 삭제
9. 최상 모듈층에 배치되는 더미스터에 의한 온도 센싱 단계; 상기 단계의 센싱 온도에 따라 전지 관리 시스템의 온도 알고리즘을 적용하는 단계; 및 상기 단계의 온도 및 그 편차에 따라 냉각 팬을 제어하는 단계를 포함하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이의 열관리 방법에 있어서,

   상기 전지 관리 시스템의 온도 알고리즘은, 엔진 시동 후, 하드웨어 셋업 및 소프트웨어 초기화 단계;

   모듈의 최대온도(Tmax) 및 변화온도(ΔT)를 체크하는 체크 단계;

   더미스터의 센싱 온도로부터 ΔT가 5℃ 초과 또는 Tmax가 38℃ 초과인지를 판단하는 제1 판단단계;

   상기 제1 판단단계가 만족되지 않으면 녹색 표시 후 HCU에 정상 신호를 보내는 단계;

   상기 제1 판단단계가 만족되면, 황색 표시 및 냉각 팬을 작동시킨 후 HCU에 경고 신호를 보내는 단계;

   상기 경고 단계 후 ΔT가 7℃ 초과 또는 Tmax가 45℃ 초과인지를 판단하는 제2 판단단계;

   상기 제2 판단단계가 만족되지 않으면 상기 제1 판단단계로 리턴되고, 제2 판단단계가 만족되면 적색 표시 및 냉각 팬을 작동시킨 후 HCU에 폴트 신호를 보내고 리턴 제어되는 단계를 포함하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이의 열관리 방법.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 변화온도(ΔT)는 모듈의 최대온도(Tmax)와 평균 온도의 차 또는 평균 온도와 모듈의 최소온도(Tmin)의 차로 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 전지팩 트레이의 열관리 방법.