KR100828821B1 - 하이브리드 전기 차량의 통합 열관리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 전기 차량의 통합 열관리장치에 관한 것으로, 배터리와 MCU의 온도를 측정하여 측정된 각각의 온도에 따라 차량 주행 단계별로 냉각 팬의 회전을 제어하여, 항상 최적으로 배터리와 MCU에 대한 냉각 성능을 유지할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 통합 열관리 장치는 전지 셀(Cell)을 다량으로 적재해 고압을 생성하는 배터리(1)를 수용하는 배터리트레이(2)와, 상기 배터리트레이(2)로 연결되어져 외부로부터 공기를 유입하기 위한 흐름 통로를 형성하는 유입덕트(3), 상기 배터리트레이(2)로부터 뽑아내진 공기가 흐르면서 전기 모터 제어기인 MCU(6)를 냉각하는 냉각덕트(4),서로 분리되어 상기 배터리트레이(2)로 연결된 유입덕트(3)와 냉각덕트(4)를 연결하여 흐름 통로를 형성하는 연통분기덕트(8), 공기의 흐름 경로를 전환하도록 유입덕트(3)와 냉각덕트(4)에 구비되는 제1·2에어댐퍼(9,10) 및 배터리(1)의 온도와 더불어 MCU(6)의 온도에 따라 외부 공기가 배터리트레이(2)를 거쳐 냉각덕트(4)를 통해 외부로 배출되기 위한 냉각팬(7)의 회전 속도를 제어하는 컨트롤러(11)로 구성되어진다.

Description

하이브리드 전기 차량의 통합 열관리장치{Battery and MCU cooling device in hybride electric vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 통합 열관리장치에 대한 구성도

도 2내지 도 5은 배터리의 온도 별 작동도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 배터리 2 : 배터리트레이

3 : 유입덕트 4 : 냉각덕트

4a : 전환분기덕트 4b : MCU분기덕트

5 : 격리공간부 6 : MCU

7 : 냉각팬 8 : 연통분기덕트

9,10 : 제1·2에어댐퍼 11 : 컨트롤러

본 발명은 하이브리드 전기 차량에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리와 모터제어기에 대한 냉각을 수행하는 하이브리드 전기 차량의 통합 열관리장치에 관한 것이다.

일반적으로 하이브리드 전기 자동차의 동력원은 가솔린 및 디젤로 구동되는 엔진과 보조 동력원으로 모터를 구동하기 위한 전지 시스템으로 구성되는데, 이러한 전지 시스템은 보조 배터리와는 달리 전압 범위가 크며, 출력 성능 및 수명등이 우수한 전지를 선택하여 사용하기 때문에 안전성을 위해 전지 관리 시스템(BMS)을 이용하여 제어하게 됨은 물론이다.

이와 같은, 하이브리드 전기 자동차의 전지인 배터리로는 주로 니켈 메탈 하이드라이드(NI-MH) 전지나 리튬이온전지 또는 리튬이온 폴리머 전지 등이 사용되며, 이와 같은 배터리들은 온도에 따라 성능이 크게 좌우되는데 특히, 고온에서는 전해질 분해가 일어나므로 고온이 유지되면 수명이 현저하게 떨어지는 현상이 있게된다.

대표적인 예로는, 고 전압 배터리인 전지 셀(Cell)을 적재한 배터리트레이에 냉각팬을 통해 강제 유입되는 외부 공기를 흐르도록 하는 공기강제송풍방식을 이용하는데 즉, 배터리트레이의 상·하부에 공기통로를 형성시켜주고 적재된 전지중 대표적인 곳(통상 3곳 정도)에 온도 센서를 부착해, 상기 온도 센서가 감지한 온도가 일정 온도 이상이면 무조건 냉각팬을 구동해 외기를 공기통로로 유입하여 온도의 상승을 억제하게 된다.

또한, 이와 같은 배터리의 냉각은 물론 전기 모터를 동력으로 사용하는 특성상 모터제어기인 MCU에서도 작동 시 다량의 열이 발생하게 되며, 이를 위해 MCU의 작동 시 발생되는 발열도 냉각팬을 통해 외부 공기를 강제 유입시키는 공기강제송풍방식을 이용하여 냉각함은 물론이다.

그러나, 이와 같이 냉각팬을 구동해 외부로부터 공기를 유입해 배터리와 MCU주위를 통과시키는 냉각 방식은, 배터리와 MCU의 최적 냉각 효율을 위해 배터리와 MCU가 갖는 최대 발열을 고려하면서 동시에, 냉각 팬 회전 정도에 따라 유입되는 풍량이 흐르는 덕트(Duct)의 단면적도 최적으로 설계하여야 하는 등의 설계 고려 요인이 복잡하게 된다.

또한, 전기 모터를 구동하는 MCU의 특성에 따른 한계 즉, MCU 내부의 파워(Power)소자의 높은 발열로 인해 주행 시작과 함께 냉각 팬이 비교적 짧은 시간(60초 이내)내에 가장 빠른 초고속으로 회전될 수밖에 없어, 주행 초기임에도 불구하고 냉각 팬에 의한 구동 소음이 트렁크 룸을 통해서 차량 실내로 유입 될 가능성이 크게 되는 취약성이 있게 된다.

또한, 전기 모터를 구동하는 MCU의 초기 높은 발열에 따른 냉각 팬의 고속 회전으로 인하여 배터리 시스템의 온도 상승이 늦추어지는 즉, 일정 온도 범위에서 최적의 충·방전 성능을 내는 배터리 시스템의 온도 상승 속도가 느리게 진행되는 현상을 초래하게 되고 이는, 배터리 충·방전 성능 저하를 가져올 수 있어 특히, 겨울철에 배터리의 충·방전 성능저하로 인한 좋지 않은 여러 현상을 발생할 소지가 있게된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로,
전지 셀(Cell)을 다량으로 적재해 고압을 생성하는 배터리를 수용하는 배터리트레이와,
상기 배터리트레이로 연결되어져 외부로부터 공기를 유입하기 위한 흐름 통로를 형성하는 유입덕트,
상기 배터리트레이의 출구에 연결되고, 중앙에 길이방향을 따라서 격리공간부가 형성되어 공기가 MCU를 거치지 않고 배출되는 전환분기덕트와 MCU를 거쳐서 배출되는 MCU분기덕트로 이원화된 냉각덕트,
상기 유입덕트와 상기 냉각덕트의 앞부분을 연결하는 연통분기덕트,
상기 유입덕트의 연통분기덕트 분기지점에 설치된 제1에어댐퍼,
상기 냉각덕트의 전환분기덕트와 MCU분기덕트의 분기지점에 설치된 제2에어댐퍼,
상기 냉각덕트의 출구에 설치된 냉각팬 및,
배터리와 MCU의 온도에 따라 상기 냉각팬의 회전속도와 상기 제1,2에어댐퍼의 개방위치를 제어하는 컨트롤러

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로 구성되어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량의 통합 열관리장치에 대한 구성도를 도시한 것인바, 본 발명의 통합 열관리장치는 전지 셀(Cell)을 다량으로 적재해 고압을 생성하는 배터리(1)를 수용하는 배터리트레이(2)와, 상기 배터리트레이(2)로 연결되어져 외부로부터 공기를 유입하기 위한 흐름 통로를 형성하는 유입덕트(3), 상기 배터리트레이(2)로부터 뽑아내진 공기가 흐르면서 전기 모터 제어기인 MCU(6)를 냉각하는 냉각덕트(4), 상기 유입덕트(3)와 냉각덕트(4)의 앞부분을 연결하는 연통분기덕트(8), 공기의 흐름 경로를 전환하도록 유입덕트(3)와 냉각덕트(4)에 구비되는 제1·2에어댐퍼(9,10) 및 배터리(1)의 온도와 더불어 MCU(6)의 온도에 따라 외부 공기가 배터리트레이(2)를 거쳐 냉각덕트(4)를 통해 외부로 배출되기 위한 냉각팬(7)의 회전 속도 및 상기 제1,2에어댐퍼(9,10)의 개방위치를 제어하는 컨트롤러(11)를 포함한다.

상기 제1에어댐퍼(9)는 상기 유입덕트(3)의 연통분기덕트(8) 분기 지점에 설치되어 상기 컨트롤러(11)에 의해 제어됨으로써 유입덕트(3)를 통해 들어온 공기를 배터리트레이(2)쪽으로 흐르도록 하거나 또는 상기 연통분기덕트(8)를 통해 상기 냉각덕트(4)로 직접 흐르도록 한다. 그 개방위치의 조절에 따라 양쪽으로 흐르는 공기의 양을 조절할 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 냉각덕트(4)는 냉각팬(7)의 구동에 따라 배터리트레이(2) 또는 연통분기덕트(8)로부터 유입된 공기의 흐름을 이원화하는 이원구조로 이루어지는데 즉, 상기 배터리트레이(2)의 출구에서 소정 거리 이격된 위치로부터 냉각덕트(4)의 길이방향을 따라 중앙에 격리공간부(5)가 형성되어, 공기가 MCU(6)를 거치지 않고 외부로 배출되는 전환분기덕트(4a)와, MCU(6)로 공기가 지나는 MCU분기덕트(4b)가 형성된다.

이때, 상기 제2에어댐퍼(10)는 전환분기덕트(4a)와 MCU분기덕트(4b)가 분기되기 시작하는 부위 즉, 상기 격리공간부(5)의 전단부에 설치되며, 상기 컨트롤러(11)의 제어에 의해 전환분기덕트(4a)를 완전히 개방하거나 완전히 차단하는 범위내에서 개폐 조절됨으로써 전환분기덕트(4a)와 MCU분기덕트(4b)로 흐르는 공기량을 조절하게 된다.

그리고, 상기 컨트롤러(11)는 배터리(1)의 온도와 MCU(6)의 온도를 측정하는 온도센서로부터 입력된 측정값을 이용하여, 상기 측정 온도 값에 따라 냉각팬(7)의 회전수 제어와 제1·2에어댐퍼(9,10)의 전환 경로를 제어하기 위한 데이터 맵(Data Map, 온도에 따른 대응값으로 반복 실험이나 이론식에 의해 산출됨)을 이용함은 물론이다.

이하 본 발명의 작동을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명은 온도센서를 이용해 측정된 배터리(1)와 MCU(6)의 온도에 따라 최적의 효율을 갖도록 공기 흐름 통로를 형성 즉, 컨트롤러(11)가 공기를 빨아들이는 냉각팬(7)의 회전수를 제어하면서, 공기 통로를 이루는 덕트에 구비된 제1·2에어댐퍼(9,10)를 제어해, 외부와 배터리(1) 및 MCU(6) 및 냉각팬(7)사이에 형성되는 공기통로의 흐름 경로를 전환하면서 주행 상태에 따라 최적의 냉각 효율을 갖도록 작동하게 된다.

즉, 차량 주행이 시작되면 도 1에 도시된 바와 같이, 작동에 따라 배터리(1)와 MCU(6)에서 발생되는 온도를 측정한 온도센서를 통해 측정된 온도 값을 컨트롤러(11)가 입력받게 되면, 상기 컨트롤러(11)는 배터리(1)의 온도 측정값이 배터 리(1)가 갖는 적정 사용 온도 범위인지를 판단함과 더불어 MCU(6)의 온도 측정값에 따라, 냉각팬(7)과 제1·2에어댐퍼(9,10)를 작동시켜 주게 된다.

이때, 초기 주행 시에는 전기 모터의 작동에 따라 MCU(6)에서 높은 발열이 일어나면서, 배터리(1)의 온도는 최적 효율을 갖는 적정 온도이하로 되며, 이는 배터리(1)와 MCU(6)에서 측정된 온도를 입력받은 컨트롤러(11)를 통해 판단됨은 물론이다.

이와 같은 주행 초기 조건에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 공기 흐름 경로가 배터리(1)를 거치지 않고 MCU(6)쪽으로 만 흐르게 되는데 즉, 컨트롤러(11)는 배터리(1)로 이어진 유입덕트(3)에 의한 흐름 경로를 차단하여 연통분기덕트(8)쪽으로 흐르도록 제1에어댐퍼(9)를 전환시키면서, 연통분기덕트(8)쪽으로 유입된 공기 흐름이 냉각덕트(4)의 MCU분기덕트(4b)쪽으로 흐르도록 제2에어댐퍼(10)가 전환분기덕트(4a)쪽으로 전환되어진다.

이어, 공기 흐름 경로가 유입덕트(3)와 연통분기덕트(8) 및 MCU분기덕트(4b)간에 형성되면, 컨트롤러(11)는 냉각팬(7)을 구동시켜 외부 공기를 빨아들여 MCU(6)를 냉각시켜 주는데 즉, 냉각팬(7)이 구동됨에 따라 흐름 경로상에 형성되는 부압으로 인해 유입덕트(3)로 유입되는 외부 공기가 제1에어댐퍼(9)에 의해 방향을 바꿔 연통분기덕트(8)쪽으로 흐르게 되고, 상기 연통분기덕트(8)쪽으로 흐르는 공기는 다시 제2에어댐퍼(10)에 의해 방향을 바꿔 냉각덕트(4)의 MCU분기덕트(4b)쪽으로 흐르면서 MCU(6)를 냉각시킨 후 외부로 배출되어진다.

이때, 상기 냉각팬(7)은 비교적 낮은 회전수인 저속으로 구동되는데 이는, 배터리(1)의 냉각이 필요치 않고 MCU(6)만 냉각 시켜 주기 때문에 송풍 용량이 크지 않아도 되기 때문임은 물론이다.

한편, 주행 경과 후 배터리(1)의 온도가 상승되는 경우 컨트롤러(11)는 공기 흐름 경로를 다시 변경하게 되는데 이는, 배터리(1)의 적정 사용 온도 범위에 따라 다시 다수 경우로 공기 흐름 경로를 형성하게 된다.

즉, 배터리(1)의 측정온도가 적정사용온도(이는, 배터리의 용량에 따라 다르므로 수치 한정하지 않음)범위 안에서 하한 온도 값 근처인 경우는 도 3에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(11)는 외부로부터 유입되는 공기가 유입덕트(3)와 연통분기덕트(8)쪽으로 모두 흐르도록 제1에어댐퍼(9)를 열어 주면서 동시에, 제2에어댐퍼(10)는 공기 흐름이 냉각덕트(4)의 MCU분기덕트(4b)와 전환분기덕트(4a)쪽으로 모두 흐르도록 제어하게 된다.

이때, 상기 제1·2에어댐퍼(10)는 각각 유입덕트(3)와 연통분기덕트(8) 사이의 통로와 전환분기덕트(4a)의 통로를 최대 반쯤 열어주게 되는데, 이는 시시각각 변화는 배터리(1)와 MCU(6)의 온도 변화에 맞추어 컨트롤러(11)가 상기 제1·2에어댐퍼(10)를 제어하기 때문임은 물론이다.

이어, 컨트롤러(11)는 냉각팬(7)을 저속에서 중·고속으로 구동시켜 주게 되는데, 이는 MCU(6)만을 냉각할 때에 비해 배터리(1)도 함께 냉각되어야 하므로 송풍용량이 더욱 증가해야 하기 때문임은 물론이다.

이와 같이, 공기 흐름 통로가 다중으로 형성 즉, 공기 흐름 경로가 유입덕트(3)와 배터리(1)쪽으로 형성되면서 동시에, 상기 배터리(1)와 연통분기덕트(8) 및 MCU분기덕트(4b)간에 형성됨에 따라, 냉각팬(7)의 구동에 의해 빨아들여지는 외부 공기는 유입덕트(3)를 통해 배터리트레이(2)로 유입되어 배터리(1)를 냉각시킨 후 냉각덕트(4)쪽으로 배출되어진다.

이와 더불어, 상기 배터리(1)쪽에서 냉각덕트(4)쪽으로 배출되는 공기는 유입덕트(3)에서 연통분기덕트(8)를 통해 유입된 공기와 합쳐지면서, 제2에어댐퍼(10)에 의해 차단된 전환분기덕트(4a)로 일부가 흐름과 더불어 MCU분기덕트(4b)쪽으로 대부분의 공기가 흐르면서 MCU(6)를 냉각시킨 후 외부로 배출되어진다.

이때, 도 3에서 제1·2에어댐퍼(9,10)가 점선으로 표현된 것은 배터리(1)의 온도에 따라 열리는 정도가 변화됨을 의미하며 또한, 전환분기덕트(4a)쪽으로 흐르는 공기흐름의 점선표시는 실선 흐름 표시보다 상대적으로 작은 양이 흐르는 것을 의미함은 물론이다.

또한, 배터리(1)의 측정온도가 적정사용온도범위 안에서 하한과 상한 값의 중간 범위에 든 경우는 도 4에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(11)는 유입덕트(3)와 배터리(1)쪽의 공기 통로가 주로 형성되면서 연통분기덕트(8)쪽으로 일부 흐름(또는 완전차단)이 형성되도록 제1에어댐퍼(9)를 연통분기덕트(8)쪽으로 전환해 일부 흐름 통로를 형성하는 반면, 제2에어댐퍼(10)는 중립 위치로 전환시켜 공기 흐름이 냉각덕트(4)의 전환분기덕트(4a)와 MCU분기덕트(4b) 양쪽으로 흐르도록 한다.

이에 따라, 외부에서 유입된 공기는 유입덕트(3)를 통해 배터리(1)쪽으로 유입되어 배터리(1)를 냉각시킨 후, 연통분기덕트(8)를 통해 유입된 일부 공기가 배터리트레이(2)쪽에서 배출되는 공기와 냉각덕트(4)쪽에서 합쳐지고, 상기 냉각덕 트(4)에서 합쳐진 공기는 전환분기덕트(4a)를 흐르면서 MCU분기덕트(4b)의 양쪽으로 분기되면서 흘러 일부는 MCU(6)를 냉각시킨 후 외부로 배출되어진다.

이때, 냉각팬(7)은 중·고속 구동 상태를 유지시켜 주는데, 이는 배터리(1)의 온도가 적정사용온도범위 안에서 하한과 상한 값의 중간 범위이므로, 냉각팬(7)의 송풍용량을 증가시키지 않아도 되기 때문임은 물론이다.

또한, 연통분기덕트(8)쪽으로 흐르는 공기흐름의 점선표시는 실선 흐름 표시보다 상대적으로 작은 양이 흐르는 것을 의미함은 물론이다.

한편, 배터리(1)의 측정온도가 적정사용온도범위 안에서 상한 값에 근접되는 경우는 도 5에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(11)는 유입덕트(3)와 배터리(1)쪽의 공기 통로 만 형성되도록 제1에어댐퍼(9)를 연통분기덕트(8)쪽으로 전환해 완전 차단하는 반면, 제2에어댐퍼(10)는 중립 위치로 전환시켜 공기 흐름이 냉각덕트(4)의 전환분기덕트(4a)와 MCU분기덕트(4b) 양쪽으로 흐르도록 한다.

이에 따라, 외부에서 유입된 공기는 연통분기덕트(8)쪽으로의 유입이 완전 차단된 상태에서 유입덕트(3)를 통해 배터리(1)쪽으로 만 흐르게 되고, 이와 같이 배터리(1)쪽으로 유입된 공기가 배터리트레이(2)를 순환하면서 배터리(1)를 냉각시킨 후, 냉각덕트(4)쪽으로 배출되어져 전환분기덕트(4a)를 흐르면서 동시에 MCU분기덕트(4b)쪽으로 흘러 MCU(6)를 냉각시킨 후 외부로 배출되어진다.

이때, 냉각팬(7)은 고속 구동 상태를 유지시켜 주는데, 이는 배터리(1)의 온도가 적정사용온도범위 안에서 상한 값으로 높아짐에 따라 냉각팬(7)의 송풍용량을 증가시켜야 되기 때문임은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 공기흐름을 조절하는 에어댐퍼를 이용하여 배터리와 MCU에 대한 냉각을 주행 상태에 따라 집중적으로 수행하게 되므로, 냉각을 위한 공기량의 불필요한 증가를 방지해 송풍양을 결정하는 냉각팬의 구동을 최적으로 수행하여, 냉각팬의 고속구동에 따라 트렁크룸으로부터 실내로 전달되는 소음을 현저히 줄여줄 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 운전 초기와 일정 시간 경과후 배터리와 MCU의 냉각이 서로 다르게 즉, 배터리의 적정사용온도 도달 전에는 MCU만 냉각하도록 냉각 경로를 형성하므로, 배터리에 대한 불필요한 냉각으로 인한 배터리 시스템의 느린 온도 상승을 가져오지 않아 배터리 충·방전 성능을 항상 최적으로 유지할 수 있는 효과가 있음은 물론이다.

Claims (5)

1. 전지 셀(Cell)을 다량으로 적재해 고압을 생성하는 배터리(1)를 수용하는 배터리트레이(2)와,

   상기 배터리트레이(2)로 연결되어져 외부로부터 공기를 유입하기 위한 흐름 통로를 형성하는 유입덕트(3),

   상기 배터리트레이(2)의 출구에 연결되고, 중앙에 길이방향을 따라서 격리공간부(5)가 형성되어 공기가 MCU(6)를 거치지 않고 배출되는 전환분기덕트(4a)와 MCU(6)를 거쳐서 배출되는 MCU분기덕트(4b)로 이원화된 냉각덕트(4),

   상기 유입덕트(3)와 상기 냉각덕트(4)의 앞부분을 연결하는 연통분기덕트(8),

   상기 유입덕트(3)의 연통분기덕트(8) 분기지점에 설치된 제1에어댐퍼(9),

   상기 냉각덕트(4)의 전환분기덕트(4a)와 MCU분기덕트(4b)의 분기지점에 설치된 제2에어댐퍼(10),

   상기 냉각덕트(4)의 출구에 설치된 냉각팬(7) 및,

   배터리(1)와 MCU(6)의 온도에 따라 상기 냉각팬(7)의 회전속도와 상기 제1,2에어댐퍼(9,10)의 개방위치를 제어하는 컨트롤러(11)

   로 구성되어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 통합 열관리장치.
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