KR101054764B1 - 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 케이스내에 수납된 배터리에 대한 작동온도를 항상 최적의 작동온도로 유지시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 다수의 배터리 셀이 모듈화되어 수납된 배터리케이스와; 배터리 셀의 저부에서 상부로 연통되는 구조로서, 상기 배터리케이스내의 배터리 셀들을 감싸면서 설치되는 공기입구덕트와; 상기 공기입구덕트의 말단부에 설치되는 공기블로워와; 상기 공기블로워의 출구로부터 연장되어 배터리 케이스의 배기구와 연통되는 공기출구덕트와; 상기 공기출구덕트의 말단부에 관통 형성된 순환구와; 상기 공기출구덕트내에 절환 가능하게 설치되어, 배기구 또는 순환구를 선택적으로 개폐하는 배기측 개폐도어와; 상기 배터리케이스의 소정 위치에 형성되는 외기 흡기구와; 상기 외기 흡기구에 개폐 가능하게 설치되는 흡기측 개폐도어; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치를 제공한다.

하이브리드 차량, 배터리, 작동온도, 유지, 내부공기, 순환, 개폐도어

Description

하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치{Device for controlling operating temperature of battery for HEV}

본 발명은 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리 케이스내에 수납된 배터리에 대한 작동온도를 항상 최적의 작동온도로 유지시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치에 관한 것이다.

하이브리드 차량은 엔진 뿐만 아니라 모터 구동원을 보조 동력원으로 채택하여, 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 미래형 차량으로서, 모터의 동작을 위한 에너지원인 고전압배터리가 인버터를 통해 모터와 충방전 가능하게 연결되어 있다.

하이브리드 차량에 탑재되는 배터리중 파우치 타입의 배터리는 얇은 판형의 구조로 몇 장을 셀을 하나로 묶어 모듈화시켜 사용하게 되는데, 하이브리드 차량의 사양에 따라 모듈을 직렬로 연결하여 패키지를 구성하고 있다.

이렇게 직렬로 연결된 배터리 모듈 패키지는 그 충방전시 배터리 셀에서 발열하는 현상이 발생되며, 각 배터리 셀의 온도는 냉각특성에 따라 셀 별로 다르게 나타나기도 하고, 셀의 온도에 따라 충방전 전력이 달라지지만, 배터리 셀은 25~40℃ 범위의 적정 작동온도에서 운전이 되어야 한다.

즉, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이 상기 배터리 팩의 주 운전영역의 폭은 상당히 좁은데 반하여, 실제 운행해야 할 영역에서의 배터리 팩 온도는 일정하게 제어하는데 어려운 특성을 가지고 있으며, 특히 배터리 팩의 저온 영역에서 문제를 야기시킬 수 있는데, 그 이유는 배터리의 특성상 방전시보다 충전시 전해액의 염화가 빠르게 진행되는 단점을 지니고 있기 때문이다.

따라서, 2차 전지 특성상 배터리의 온도가 낮은 경우, 충전 및 방전이 가능한 전력이 작아 시스템의 효율이 낮아지게 되므로, 동절기와 같은 저온상태에서는 배터리 온도를 가능한 빨리 25℃ 이상으로 유지되도록 운전조건을 만들어야 한다.

영하 18℃의 외기온 상태에서 블로워를 가동시켜 외부공기를 배터리케이스 내부로 유입시킨 후, 배터리 내부 온도조건을 살펴본 실험 결과, 도 4에 도시된 바와 같이 배터리 셀 최대 온도(Cell Max. Temp)는 -7.7℃, 배터리 셀 최소 온도(Cell Min. Temp)는 -13.4℃, 그 차이는 Δt = 5.8 ℃로 나타났고, 반면 영하 18℃의 외기온 상태에서 블로워를 미가동시켜 배터리 내부 온도조건을 살펴본 실험 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 배터리 셀 최대 온도(Cell Max. Temp)는 6.7℃, 배터리 셀 최소 온도(Cell Min. Temp)는 1.3℃, 그 차이는 Δt = 5.4 ℃로 나타났는 바, 이렇게 차가운 외기를 유입하여 더워진 공기를 배출하는 냉각시스템 구성으로 는 배터리 온도를 25℃ 이상으로 상승시키는데 어려운 문제점이 있다.

이에, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 배터리 셀이 모듈화된 상태로 수납된 배터리케이스의 입구덕트에 히터 등과 같은 별도의 웜-업 장치를 설치해야 하는 등의 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 배터리 작동중 배터리가 수납된 배터리케이스내의 내부공기를 밀폐시킨 상태에서 순환시켜 내부공기의 온도를 상승시키는 동시에 상승된 내부공기에 의하여 배터리의 온도가 적정의 작동온도로 상승하거나, 배터리케이스내로 외부공기를 유입시키는 동시에 고온 상태의 배터리를 냉각시켜 배터리의 온도를 적정의 작동온도로 하강시키도록 함으로써, 배터리에 대한 작동온도를 항상 최적의 작동온도로 유지시킬 수 있도록 한 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 배터리 셀이 모듈화되어 수납된 배터리케이스와; 배터리 셀의 저부에서 상부로 연통되는 구조로서, 상기 배터리케이스내의 배터리 셀들을 감싸면서 설치되는 공기입구덕트와; 상기 공기입구덕트의 말단부에 설치되는 공기블로워와; 상기 공기블로워의 출구로부터 연장되어 배터리 케이스의 배기구와 연통되는 공기출구덕트와; 상기 공기출구덕트의 말단부에 관통 형성된 순환구와; 상기 공기출구덕트내에 절환 가능하게 설치되어, 배기구 또는 순환구를 선택적으로 개폐하는 배기측 개폐도어와; 상기 배터리케이스의 소정 위치에 형성되는 외기 흡기구와; 상기 외기 흡기구에 개폐 가능하게 설치되는 흡기측 개폐도어; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치를 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 공기입구덕트는 배터리 셀들의 저부와 연통되며 감싸는 하부덕트와, 이 하부덕트의 상단에 일체로 형성되되 위로 갈수록 점차 좁아지는 단면 구조를 갖는 상부덕트로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 공기출구덕트의 순환구와 상기 공기입구덕트의 하부덕트의 입구는 별도의 연결덕트로 서로 연통 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 배터리케이스의 흡기구와 상기 공기입구덕트의 하부덕트의 입구도 별도의 연결덕트로 서로 연통 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 배터리의 온도가 기준범위 이하이면, 배터리 작동중 배터리케이스내의 내부공기를 밀폐시킨 상태에서 배터리 셀쪽으로 반복 순환시킴으로 써, 각 배터리 셀이 작동함에 따라 발생되는 열이 순환하는 내부공기 온도를 상승시키게 되고, 온도 상승된 내부공기가 배터리 셀을 반복적으로 통과하는 순환을 하여 배터리 셀의 온도를 적정 작동온도까지 상승시킬 수 있다.

또한, 배터리의 온도가 기준범위 이상이면, 배터리케이스내로 외부공기를 유입시키는 동시에 고온 상태의 배터리를 냉각시키고, 냉각된 공기를 외부로 배출시킴으로써, 배터리의 온도를 적정의 작동온도까지 하강시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치로서, 배터리 열간시 외기 작동모드를 나타내는 개략도이며, 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치로서, 배터리 냉간시 내기 작동모드를 나타내는 개략도이다.

본 발명은 배터리 셀 온도가 적정 온도범위 이하로 떨어지는 동절기시, 배터리 셀을 통과하여 온도 상승된 공기를 다시 배터리 셀로 재순환시켜 배터리 셀의 온도를 적정 작동온도까지 신속하게 상승시킬 수 있도록 한 점, 그리고 배터리 셀의 온도가 적정 온도범위 이상인 경우, 외기를 유입시켜 배터리를 적정 작동온도까지 냉각시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 다수의 배터리 셀(10)이 모듈화되어 수납된 배터리케이스(12)내 에 배터리 셀(10)을 감싸는 동시에 배터리 셀(10)의 상부 및 저부간에 연통되는 공기입구덕트(14)를 설치한다.

보다 상세하게는, 상기 공기입구덕트(14)는 배터리 셀(10)이 중앙부에 배열되게 감싼 구조이면서 배터리 셀(10)의 저부에서 상부로 연통되는 구조로서, 배터리 셀(10)들의 저부를 감싸면서 각 셀로 공기를 한꺼번에 유입시키기 위한 하부덕트(14a)와, 이 하부덕트(14a)의 상단에 일체로 형성되되 배터리 셀을 통과한 공기를 한꺼번에 한 곳으로 유도할 수 있돌고 위로 갈수록 점차 좁아지는 단면 구조를 갖는 상부덕트(14b)로 구성된다.

이때, 상기 공기입구덕트(14)의 말단부에는 배터리 셀(10)을 통과하는 공기를 흡입하는 공기블로워(16)가 설치된다.

또한, 상기 공기블로워(16)의 출구와 상기 배터리케이스(12)의 일측벽면에 형성된 배기구(18)간에는 공기출구덕트(20)가 연결되는 바, 이 공기출구덕트(20)의 말단부에는 공기를 공기입구덕트(14)의 하부덕트(14a)쪽으로 유도할 수 있는 순환구(22)가 관통 형성된다.

특히, 상기 공기출구덕트(20)의 말단부에는 외기와 연통되는 배터리케이스(12)의 배기구(18)를 개폐하거나, 또는 상기 공기출구덕트(20)의 순환구(22)를 개폐하는 배기측 개폐도어(24)가 액튜에이터 등을 이용하여 회전 가능하게 설치된다.

또한, 상기 배터리케이스(12)의 소정 위치에는 외부공기가 유입되는 외기 흡기구(26)가 형성되는 바, 이 외기 흡기구(26)에는 외부공기를 유입 또는 차단하기 위한 흡기측 개폐도어(28)가 액튜에이터 등을 이용하여 회전 가능하게 설치된다.

한편, 상기 공기출구덕트(20)의 순환구(22)와 상기 공기입구덕트(14)의 하부덕트(14a)의 입구는 배터리케이스(12)의 내부공간을 매개로 연통될 수 있지만, 별도의 연결덕트(미도시됨)로 서로 연통 가능하게 연결시킬 수 있고, 또한 상기 배터리케이스(12)의 흡기구(26)와 상기 공기입구덕트(14)의 하부덕트(14a)의 입구도 배터리케이스(12)의 내부공간을 매개로 연통될 수 있지만, 별도의 연결덕트(미도시됨)로 서로 연통 가능하게 연결시킬 수 있다.

여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 배터리의 작동온도 유지 장치의 작동모드를 설명하면 다음과 같다.

배터리 열간시 외기모드

배터리 셀에 설치된 써미스터를 통해 배터리 셀의 온도를 감지한 결과, 배터리 작동온도가 30℃ 이상으로 적정 작동온도보다 높은 배터리 열간시, 배터리 내부의 온도를 외기모드를 이용하여 낮추는 냉각이 이루어진다.

이를 위해, 제어부(BMS:Battery Management System)에서 배기측 개폐도어(24)를 구동하기 위한 액튜에이터에 전류 신호를 인가하면, 액튜에이터의 구동에 의하여 배기측 개폐도어(24)가 상기 공기출구덕트(20)의 순환구(22)를 닫아주는 작동을 하여, 외기와 연통되는 배터리케이스(12)의 배기구(18)는 개방된 상태가 되도록 한다.

또한, 제어부에서 흡기측 개폐도어(28)를 구동하기 위한 액튜에이터에 전류 신호를 인가하면, 액튜에이터의 구동에 의하여 흡기측 개폐도어(28)가 열림 방향으 로 작동을 하여, 상기 배터리케이스(12)의 외기 흡기구(26)가 개방된 상태가 되도록 한다.

또한, 상기 제어부의 작동 명령신호에 따라, 공기입구덕트(14)의 말단부에 설치된 공기블로워(16)가 구동을 시작한다.

따라서, 상기 공기블로워(16)의 구동에 따라 배터리케이스(12)의 외기 흡기구(26)를 통해 외부공기가 유입되는 바, 유입되는 외부공기는 배터리 케이스(12)의 내부공간 및 공기입구덕트(12)의 하부덕트(14a)를 통해 각 배터리 셀(10)로 공급되어, 적정 작동온도보다 높은 배터리 셀을 냉각시키게 되며, 냉각을 위해 사용된 외부공기는 온도 상승된 상태이므로, 공기출구덕트(20)를 통과하여 배터리케이스(12)의 배기구(18)로 배출되도록 한다.

물론, 배터리의 온도가 적정의 작동온도로 하강하면 공기블로워(16)의 작동은 정지되는 제어를 받게 된다.

한편, [Tcmax(배터리 셀 최고온도)-Ta(배터리 셀로 흡기되는 내부공기)≥0]와 같이 배터리 셀 최고온도가 외부공기(흡기온도)보다 높은 경우에는 공기블로워(16)의 구동을 정지시켜 자연적으로 유입되는 외부공기에 의하여 배터리 셀이 냉각되게 할 수 있다.

또한, [Tcmax(배터리 셀 최고온도)-Ta(배터리 셀로 흡기되는 내부공기)< 0]와 같이 외부공기(흡기온도)가 배터리 셀 최고온도보다 높은 경우에도 공기블로워(16)의 구동을 정지시켜 고온의 외부공기가 배터리 셀쪽으로 유입되지 않도록 한다.

배터리 냉간시 내기모드

배터리 셀에 설치된 써미스터를 통해 배터리 셀의 온도를 감지한 결과, 배터리 작동온도가 20℃ 이하로 적정 작동온도보다 낮은 배터리 냉간시, 배터리 내부의 온도를 내기모드를 이용하여 상승시키는 과정이 이루어진다.

이를 위해, 제어부에서 배기측 개폐도어(24)를 구동하기 위한 액튜에이터에 전류 신호를 인가하면, 액튜에이터의 구동에 의하여 배기측 개폐도어(24)가 외기와 연통되는 배터리케이스(12)의 배기구(18)를 닫아주는 작동을 하여, 상기 공기출구덕트(20)의 순환구(22)가 개방된 상태가 되도록 한다.

또한, 제어부에서 흡기측 개폐도어(28)를 구동하기 위한 액튜에이터에 전류 신호를 인가하면, 액튜에이터의 구동에 의하여 흡기측 개폐도어(28)가 닫힘 방향으로 작동을 하여, 상기 배터리케이스(12)의 외기 흡기구(26)가 밀폐된 상태가 되도록 한다.

이에, 상기 배터리케이스(12)내의 내부공기는 밀폐된 상태가 된다.

또한, 상기 제어부의 작동 명령신호에 따라, 공기입구덕트(14)의 말단부에 설치된 공기블로워(16)가 구동을 시작한다.

상기 공기블로워(16)의 구동에 의하여 배터리케이스(12)내의 내부공기가 공기출구덕트(20)의 순환구(22) 및 배터리케이스(12)의 내부공간, 그리고 공기입구덕트(12)의 하부덕트(14a)를 통해 각 배터리 셀(10)로 반복 순환되어, 적정 작동온도보다 낮은 배터리 셀을 가열시키게 된다.

즉, 배터리 작동중 배터리 셀은 온도는 자체 발열을 통하여 상승되는 도중이고, 이에 배터리 셀(10)을 통과하는 내부공기는 열교환을 통해 그 온도가 상승된 상태이므로, 적정 작동온도보다 낮은 배터리 셀을 용이하게 가열하게 된다.

보다 상세하게는, 내부공기가 각 배터리 셀(10)을 통과하면서 온도가 상승하게 되고, 더워진 내부공기는 배터리케이스(12)의 외부로 배출되지 않고, 다시 배터리 셀로 순환시키는 사이클을 반복하게 되면, 배터리케이스(12)의 내부공기는 배터리 셀(10)보다 온도가 상승하게 되어, 배터리 셀의 온도 상승을 돕게 된다.

한편, 내부공기의 온도가 배터리 셀의 온도에 비해 낮으면, 즉 [Tcmax(배터리 셀 최고온도)-Ta(배터리 셀로 흡기되는 내부공기)≥0]와 같이 배터리 셀 최고온도가 내부공기(흡기온도)보다 높은 경우에는 공기블로워(16)의 작동을 정지시켜 배터리 셀(10)의 온도가 자체적으로 상승되도록 방치하는 것이 바람직하며, 그 이유는 공기블로워(16)의 작동을 통한 내부공기(배터리 셀의 온도보다 낮은 온도의 내부공기)의 강제 순환이 이루어지면 배터리 셀의 온도 상승 속도가 낮아지기 때문이다.

반면에, 내부공기의 온도가 배터리 셀(10)의 온도에 비해 높으면, 공기블로워(16)를 지속적으로 작동시켜 배터리 셀(10)의 온도 상승을 가속화시킬 수 있고, 이때 공기블로워(16)의 회전 단수를 내부공기의 온도와 배터리 셀의 온도 차에 따라 조절하여, 배터리 셀의 온도 상승이 효율적으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치로서, 배터리 열간시 외기 작동모드를 나타내는 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치로서, 배터리 냉간시 내기 작동모드를 나타내는 개략도,

도 3은 영하 18℃의 외기온 상태에서 블로워를 미가동시켜 배터리 내부 온도조건을 살펴본 시험 결과 그래프,

도 4는 영하 18℃의 외기온 상태에서 블로워를 가동시켜 배터리 내부 온도조건을 살펴본 시험 결과 그래프,

도 5는 배터리케이스의 입구덕트에 히터 등과 같은 별도의 웜-업 장치를 설치한 예를 보여주는 개략도,

도 6은 하이브리드 차량의 배터리 온도에 따른 운전 특성을 설명하는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 배터리 셀 12 ; 배터리케이스

14 : 공기입구덕트 14a : 하부덕트

14b : 상부덕트 16 : 공기블로워

18 : 배기구 20 : 공기출구덕트

22 : 순환구 24 : 배기측 개폐도어

26 : 외기 흡기구 28 : 흡기측 개폐도어

Claims (4)

1. 다수의 배터리 셀(10)이 모듈화되어 수납된 배터리케이스(12)와;

   배터리 셀(10)의 저부에서 상부로 연통되는 구조로서, 상기 배터리케이스(12)내의 배터리 셀(10)들을 감싸면서 설치되는 공기입구덕트(14)와;

   상기 공기입구덕트(14)의 말단부에 설치되는 공기블로워(16)와;

   상기 공기블로워(16)의 출구로부터 연장되어 배터리케이스(12)의 배기구(18)와 연통되는 공기출구덕트(20)와;

   상기 공기출구덕트(20)의 말단부에 관통 형성된 순환구(22)와;

   상기 공기출구덕트(20)내에 절환 가능하게 설치되어 배기구(18) 또는 순환구(22)를 선택적으로 개폐하는 배기측 개폐도어(24)와;

   상기 배터리케이스(12)의 소정 위치에 형성되는 외기 흡기구(26)와;

   상기 외기 흡기구(26)에 개폐 가능하게 설치되는 흡기측 개폐도어(28);

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 공기입구덕트(14)는:

   배터리 셀(10)들의 저부를 감싸면서 통로를 형성하는 하부덕트(14a)와;

   상기 하부덕트(14a)의 상단에 일체로 형성되되 위로 갈수록 점차 좁아지는 단면 구조를 갖는 상부덕트(14b);

   로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 공기출구덕트(20)의 순환구(22)와 상기 공기입구덕트(14)의 하부덕트(14a)의 입구는 별도의 연결덕트로 서로 연통 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 배터리케이스(12)의 흡기구(26)와 상기 공기입구덕트(14)의 하부덕트(14a)의 입구도 별도의 연결덕트로 서로 연통 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 배터리의 작동온도 유지 장치.

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