KR101340365B1 - 배터리 온도 조절 장치 - Google Patents

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한범석
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자동차부품연구원
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Abstract

본 발명은 액체 냉매의 순환을 이용하여 리튬이온 배터리 등의 배터리 냉각을 수행하고, 해당 과포화 액체 냉매의 상변태 과정에서 발생되는 흡열 반응 또는 발열 반응으로 배터리의 온도를 조절할 수 있도록 하는 배터리 온도 조절 장치를 제공한다.
이를 위해 본 발명은 배터리 팩의 온도를 감지하여 온도 감지 신호를 발생하는 적어도 하나의 온도 센서, 상기 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀의 배치 공간 사이에 연장되어 있고, 내부를 통해 과포화 액체 냉매를 순환시키는 냉매관, 상기 배터리 팩의 온도 상승시 상기 냉매관을 통해 과포화 액체 냉매를 순환시켜서 냉각 동작을 하도록 구동하는 냉매 순환 구동부 및, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터의 온도 감지 신호에 의해 상기 배터리 팩의 온도 상승이 검지되면, 상기 냉매 순환 구동부를 구동 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 온도 조절 장치{Apparatus for Regulating Temperature of Battery}
본 발명은 리튬이온 배터리 온도 조절 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과포화 액체 냉매의 상변태 과정에서 발생되는 흡열 또는 발열 반응 및 상기 과포화 액체 냉매에 의한 냉각 작용을 통해 배터리의 온도를 조절하는 배터리 온도 조절 장치에 관한 것이다.
최근, 환경보호와 공해문제가 심각해짐에 따라 이의 해결을 위해 세계적으로 대체 에너지 개발에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있고, 이러한 대체 에너지 개발의 한 분야로서 배터리 시스템의 개발이 이루어지고 있다.
통상, 대표적인 배터리 시스템으로는 리튬이온(Li-ion) 배터리가 연구 개발되어 적용되고 있는데, 리튬이온 배터리는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극 구조체에, 리튬염 및 유기용매를 포함하는 비수 전해액을 주입하여 제조하고, 리튬이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈삽입될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지를 생성한다.
이러한 리튬이온 배터리는 비수 전해액을 구성하는 유기용매로 카보네이트계 유기용매, 특히 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트 등의 알킬렌 카보네이트를 주로 사용하며, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등과 같은 전기 차량의 배터리로 사용된다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 특허공개번호 10-2012-0050799호(2012.05.21)의 '방열판이 부착된 배터리 셀 어셈블리'가 있다.
한편, 종래의 리튬이온 배터리는 전기 차량 등과 같은 이동체에 적용되는 경우에, 혹한 지역이나 혹서 지역 등의 극한 지역에서 정상적으로 배터리 전력을 공급하기 위해서는, 배터리의 자체적인 내열 유지 또는 적정 온도로의 냉각이 필요하다.
통상, 리튬이온 배터리의 냉각 방식으로는 수냉식과, 공랭식이 있는데, 수냉식의 경우에는 냉각 효율이 비교적 우수한 편이지만, 경량화가 어려울 뿐만 아니라 탈착식으로 되어 있어서 기기 교환 상의 문제점이 있다. 또한, 공랭식의 경우에는 탈착 교체성이 우수한 편이지만, 원하는 적정 온도로 냉각을 수행하기가 어렵도록 되어 있어서 열관리 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
더구나, 혹한 지역이나 혹한기에 배터리의 효율을 일정하게 유지시키기 위해서는, 별도의 열전 소자 등과 같은 예열 장치를 장착하여야 하지만, 예열 장치를 가동시키기 위한 별도의 동력이 필요하고, 탈착 교체성이 떨어질 뿐만 아니라, 중량 및 부피의 증가가 불가피하다는 문제점이 있다.
또한, 전기 차량 등과 같은 이동체에 예열 장치와 냉각 장치를 동시에 장착해야 하는 경우에는, 이동체 전체의 중량 및 부피 증가가 불가피하고, 이로 인해 에너지 효율의 저하가 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 액체 냉매의 순환을 이용하여 리튬이온 배터리 등의 배터리 냉각을 수행하고, 해당 과포화 액체 냉매의 상변태 과정에서 발생되는 흡열 또는 발열 반응으로 해당 배터리의 온도를 조절할 수 있도록 하는 배터리 온도 조절 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 혹한기, 혹한 지역 및 혹서기, 혹서 지역에서 동일 과포화 액체 냉매를 이용하여 리튬이온 배터리 등의 배터리 예열 및 냉각 기능을 모두 수행하는 것이 가능하도록 하여 배터리의 충방전 효율을 개선하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 혹한기에 리튬이온 배터리 등의 배터리 온도를 배터리의 동작에 적합한 온도 대역으로 유지하고, 배터리의 수명을 연장시키는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 온도 조절 장치는, 배터리 팩의 온도를 감지하여 온도 감지 신호를 발생하는 적어도 하나의 온도 센서, 상기 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀의 배치 공간 사이에 연장되어 있고, 내부를 통해 과포화 액체 냉매를 순환시키는 냉매관, 상기 배터리 팩의 온도 상승시 상기 냉매관을 통해 과포화 액체 냉매를 순환시켜서 냉각 동작을 하도록 구동하는 냉매 순환 구동부 및, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터의 온도 감지 신호에 의해 상기 배터리 팩의 온도 상승이 검지되면, 상기 냉매 순환 구동부를 구동 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 적어도 하나의 온도 센서는, 상기 다수의 배터리 셀에 대한 온도를 각각 대응적으로 개별 감지하도록 다수개로 배치되고, 상기 제어부는, 상기 다수개의 온도 센서로부터 각각 발생되는 다수의 온도 감지 신호에 대해 평균 온도 값을 취하고, 상기 평균 온도 값에 의해 상기 배터리 팩의 온도 상승을 검지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 냉매 순환 구동부와 상기 냉매 관 연결부의 관 입구측과 관 출구측에 각각 배치되는 입구측 및 출구측 개폐 밸브와, 상기 다수의 배터리 셀 사이의 배치 공간 사이에 연장되는 냉매관의 입구측에 각각 설치되는 다수의 개폐 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터의 온도 감지 신호에 의한 온도 값에 따라 단계적인 복수의 모드를 설정하고, 상기 복수의 모드 상태에 따라 상기 입구측 및 출구측 개폐 밸브와, 다수의 개폐 밸브를 차별적으로 개폐 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 과포화 액체 냉매는, 아세트산나트륨(CH3COONa) 용액과, 티오황산나트륨(Na3AsO3) 용액 중에서 어느 하나의 용액인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩의 온도를 감지하여 온도 감지 신호를 발생하는 적어도 하나의 온도 센서, 상기 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀의 배치 공간 사이에 연장되어 있고, 내부를 통해 과포화 액체 냉매를 순환시키는 냉매관, 상기 배터리 팩의 온도 저하시 상기 냉매관의 내부에 과포화 액체 냉매를 전달하여 상기 과포화 액체 냉매의 상변태에 의한 예열 동작을 하도록 구동하는 냉매 순환 구동부, 상기 냉매관에 전기적 충격 전압을 인가하여 정전기 발생에 의해 상기 과포화 액체 냉매가 액체상에서 고체상으로 상변태되어 열이 발생되도록 하는 전기 충격 인가부 및, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터의 온도 감지 신호에 의해 상기 배터리 팩의 온도 저하가 검지되면, 상기 냉매 순환 구동부를 구동 제어하고, 상기 전기 충격 인가부가 전기적 충격 전압을 발생하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 적어도 하나의 온도 센서는, 상기 다수의 배터리 셀에 대한 온도를 각각 대응적으로 개별 감지하도록 다수개로 배치되고, 상기 제어부는 상기 다수개의 온도 센서로부터 각각 발생되는 다수의 온도 감지 신호에 대해 평균 온도 값을 취하고, 상기 평균 온도 값에 의해 상기 배터리 팩의 온도 저하를 검지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 냉매 순환 구동부와 상기 냉매 관 연결부의 관 입구측과 관 출구측에 각각 배치되는 입구측 및 출구측 개폐 밸브와, 상기 다수의 배터리 셀 사이의 배치 공간 사이에 연장되는 냉매관의 입구측에 각각 설치되는 다수의 개폐 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터의 온도 감지 신호에 의한 온도 값에 따라 단계적인 복수의 모드를 설정하고, 상기 복수의 모드 상태에 따라 상기 입구측 및 출구측 개폐 밸브와, 다수의 개폐 밸브를 차별적으로 개폐 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 과포화 액체 냉매는, 아세트산나트륨 용액과, 티오황산나트륨 용액 중에서 어느 하나의 용액인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉매관의 내부에는 관의 연장 부위를 따라 열선이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 과포화 액체 냉매의 액체 상태에서의 냉각 작용 및 상변태 과정에서 발생되는 흡열 반응 또는 발열 반응으로 리튬이온 배터리 등의 배터리 온도를 조절할 수 있도록 함으로써, 배터리의 예열을 위한 추가적인 전기적 에너지를 필요로 하는 예열 장치가 불필요하고, 이로 인한 중량 및 부피를 크게 절감할 수 있으며, 추가적인 에너지 손실없이 자체 예열이 가능하다. 그리고, 배터리의 냉각 기능에 있어서도 종래 수냉식과 공랭식의 장점을 모두 갖출 수 있기 때문에, 배터리의 냉각 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 혹한기, 혹한 지역 및 혹서기, 혹서 지역에 관계없이 동일한 과포화 액체 냉매를 사용하여 배터리의 온도를 원하는 적정 온도로 조절하는 것이 가능하므로, 배터리의 충방전 효율을 개선함과 더불어, 이를 통해 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 온도 조절 장치가 배터리에 적용된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 온도 조절 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 온도 조절 장치에서 배터리팩 내부에 냉매관을 통한 냉매의 순환 경로가 형성된 상태를 모드 별로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 온도 조절 장치의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 온도 조절 장치가 배터리에 적용된 상태를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 배터리 온도 조절 장치는 리튬이온 배터리 뿐만 아니라 다른 다양한 종류의 배터리에도 적용 가능하며, 다만 여기서는 리튬이온 배터리를 그 일 예로서 들어 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 온도 조절 장치에는, 다수의 제1 내지 제6온도 센서(120, 122, 124, 126, 128, 130), 서비스 플러그(140), 배터리 관리 시스템 모듈(Battery Management System Module; BMS Module)(150), 냉매 펌프(160), 냉매 리저버(170), 냉매관(180) 및, 다수의 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)를 포함한다.
상기 제1 내지 제6온도 센서(120, 122, 124, 126, 128, 130)는 리튬이온 배터리 팩(100)을 구성하는 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112)에 각각 대응적으로 설치되어, 각기 담당하는 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112)의 온도를 감지하고, 그에 따른 제1 내지 제6온도 감지 신호를 각각 발생한다.
상기 냉매 펌프(160)는 상기 냉매관(180)의 관 출구와 연결되어 있고, 상기 냉매관(180)을 통해 상기 리튬이온 배터리 팩(100) 내부의 상기 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112) 사이에 과포화 액체 냉매를 순환시키기 위한 펌핑 동작을 수행한다.
상기 냉매 리저버(170)는 상기 냉매관(180)의 관 입구와 연결되어 있고, 상기 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112)의 사이에 해당 냉매관(180)을 통해 순환하는 과포화 액체 냉매를 유입받아 저장하는 역할을 수행한다.
여기서, 상기 냉매 펌프(160)와 상기 냉매 리저버(170)는 상기 냉매관(180)을 통해 과포화 액체 냉매가 순환되도록 하는 것으로서, 이를 냉매 순환 구동부로 통칭할 수 있다.
상기 냉매관(180)은 관 출구가 상기 냉매 펌프(160)와 연결되고, 관 입구가 상기 냉매 리저버(170)와 연결되어 있고, 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)를 매개로 상기 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112)의 배치 공간 사이에 각각 연장되어, 그 내부를 통해 과포화 액체 냉매가 순환되도록 한다.
한편, 상기 냉매관(180)의 내부에는 그 관 연장 부위를 따라 열선을 연장 배치하도록 하여, 혹한기에서 상기 과포화 액체 냉매의 상변태에 의한 고체상 변화로 인한 예열 동작을 보조하여 각 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112)을 예열하는데 사용할 수 있도록 한다.
여기서, 상기 과포화 액체 냉매는 통상 상태에서는 액체상을 유지하고, 전기적 충격에 의한 정전기의 자극을 받으면 액체상으로부터 고체상으로 상변태를 일으키는 물질로서, 상변태 온도가 58℃인 아세트산나트륨(Sodium Acetate)(CH3COONa) 용액과, 상변태 온도가 48℃인 티오황산나트륨(Sodium Thiosulfate)(Na3AsO3) 용액 중에서 어느 하나의 용액으로 이루어진다.
상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)는 상기 냉매관(180)을 통해 순환하는 과포화 액체 냉매의 흐름을 제어하기 위해 각각 개별적으로 개폐 동작한다.
상기 제1개폐 밸브(182)는 상기 냉매 펌프(160)와 연결된 상기 냉매관(180)의 관 출구측에 설치되어 있고, 상기 제2개폐 밸브(184)는 상기 냉매 리저버(170)와 연결된 상기 냉매관(180)의 관 입구측에 설치되어 있다.
또한, 상기 제3개폐 밸브(186)는 상기 제1리튬이온 배터리 셀(102)과 상기 제2리튬이온 배터리 셀(104) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 입구측에 설치되어 있고, 상기 제4개폐 밸브(188)는 상기 제2리튬이온 배터리 셀(104)과 상기 제3리튬이온 배터리 셀(106) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 입구측에 설치되어 있으며, 상기 제5개폐 밸브(190)는 상기 제3리튬이온 배터리 셀(106)과 상기 제4리튬이온 배터리 셀(108) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 입구측에 설치되어 있다.
상기 제6개폐 밸브(192)는 상기 제4리튬이온 배터리 셀(108)과 상기 제5리튬이온 배터리 셀(110) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 입구측에 설치되어 있고, 상기 제7개폐 밸브(194)는 상기 제5리튬이온 배터리 셀(110)과 상기 제6리튬이온 배터리 셀(112) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 입구측에 설치되어 있다.
다음에, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 온도 조절 장치에 대한 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 온도 조절 장치는, 제어부(200), 밸브 구동부(210) 및, 전기 충격 인가부(220)를 포함한다.
상기 제어부(200)는 상기 각각의 제1 내지 제6온도 센서(120, 122, 124, 126, 128, 130)로부터의 각 제1 내지 제6온도 감지 신호를 입력받아 상기 각각의 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112)에 대한 온도 변화를 검지하고, 상기 제1 내지 제6온도 감지 신호의 평균 온도 값을 취하여 배터리의 작동 효율이 저하되는 조건이면, 상기 냉매 펌프(160)를 구동 제어함과 더불어, 상기 밸브 구동부(210)를 구동 제어하여 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)가 온도 상태에 따라 개별적으로 개폐 동작하도록 함으로써, 과포화 액체 냉매가 액체상으로 순환되어 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 냉각시키거나, 상기 전기 충격 인가부(220)의 전기적 충격 전압 인가를 통해 상기 과포화 액체 냉매가 고체상으로 상변태되어 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 예열시키도록 한다.
한편, 상기 제어부(200)는 상기 제1 내지 제6온도 감지 신호의 평균 온도 값이 미리 설정된 혹한기 설정 온도 이하이면, 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 예열시키기 위해 상기 냉매 펌프(160)를 구동 제어하고, 상기 전기 충격 인가부(220)가 상기 냉매관(180) 내부의 과포화 액체 냉매에 전기적 충격 전압을 인가하도록 하되, 상기 평균 온도 값의 온도 하강 정도에 비례하여 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)를 차별적으로 개폐 제어한다.
즉, 상기 제어부(200)는 상기 평균 온도 값의 온도 하강 정도에 따라 기본 모드, 중간 모드, 최저 모드의 복수 모드로 분류하여 모드 설정을 진행하는데, 상기 평균 온도 값이 상기 혹한기 설정 온도 이하이면 우선 기본 모드를 설정하고, 상기 평균 온도 값이 혹한기 설정 온도 이하이면서 상기 기본 모드의 모드 설정 온도 미만이면 중간 모드를 설정하며, 상기 평균 온도 값이 상기 중간 모드의 모드 설정 온도 미만이면 최저 모드를 설정한다.
상기 제어부(200)는 기본 모드가 설정된 경우에, 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194) 중에서 상기 냉매 펌프(160)와 연결된 냉매관(180)의 관 출구측 제1개폐 밸브(182)와, 상기 냉매 리저버(170)와 연결된 냉매관(180)의 관 입구측 제2개폐 밸브(184)만을 개방시켜서 냉매의 순환 사이클이 상기 리튬이온 배터리 팩(100) 내부의 외곽 부위만으로 형성되도록 한다. 또한, 상기 제어부(200)는 상기 전기 충격 인가부(220)가 전기적인 충격 전압을 인가하도록 하여 과포화 액체 냉매가 액체상에서 고체상으로 상변태를 일으키면서 발열 반응에 의해 발생되는 열이 상기 리튬이온 배터리 팩(100)에 전달되어 예열되도록 한다.
상기 제어부(200)는 중간 모드가 설정된 경우에는, 도3b에 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194) 중에서 상기 냉매관(180)의 관 출구측 제1개폐 밸브(182) 및 관 입구측 제2개폐 밸브(184)를 개방시킴과 동시에, 상기 제2리튬이온 배터리 셀(104)과 제3리튬이온 배터리 셀(106) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 관 입구측 제4개폐 밸브(188)와, 상기 제4리튬이온 배터리 셀(108)과 제4리튬이온 배터리 셀(110) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 관 입구측 제6개폐 밸브(188)가 각각 개방되도록 함으로써, 상기 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112) 중에서 절반의 배터리 셀 구간에만 냉매의 순환 사이클이 형성되도록 한다. 또한, 상기 제어부(200)는 상기 전기 충격 인가부(220)가 전기적인 충격 전압을 인가하도록 하여 과포화 액체 냉매가 액체상에서 고체상으로 상변태를 일으키면서 발열 반응에 의해 발생되는 열이 상기 리튬이온 배터리 팩(100)에 전달되어 예열되도록 한다.
상기 제어부(200)는 최저 모드가 설정된 경우에는, 도 3c에 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)가 모두 개방되도록 함으로써, 상기 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112)의 모든 냉매관(180)의 연장 관을 따라 냉매의 순환 사이클이 형성되도록 한다. 또한, 상기 제어부(200)는 상기 전기 충격 인가부(220)가 전기적인 충격 전압을 인가하도록 하여 과포화 액체 냉매가 액체상에서 고체상으로 상변태를 일으키면서 발열 반응에 의해 발생되는 열이 상기 리튬이온 배터리 팩(100)에 전달되어 예열되도록 한다.
또한, 상기 제어부(200)는 상기 제1 내지 제6온도 감지 신호의 평균 온도 값이 미리 설정된 냉각 설정 온도 이상이면, 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 냉각시키기 위해 상기 냉매 펌프(160)를 구동 제어하되, 상기 평균 온도 값의 온도 상승 정도에 비례하여 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)를 차별적으로 개폐 제어한다.
즉, 상기 제어부(200)는 상기 평균 온도 값의 온도 하강 정도에 따라 기본 모드, 중간 모드, 최고 모드의 복수 모드로 분류하여 모드 설정을 진행하는데, 상기 평균 온도 값이 상기 냉각 설정 온도 이상이면 우선 기본 모드를 설정하고, 상기 평균 온도 값이 냉각 설정 온도 이상이면서 상기 기본 모드의 모드 설정 온도 초과 상태이면 중간 모드를 설정하며, 상기 평균 온도 값이 상기 중간 모드의 모드 설정 온도 초과 상태이면 최고 모드를 설정한다.
상기 제어부(200)는 기본 모드가 설정된 경우에, 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194) 중에서 상기 냉매 펌프(160)와 연결된 냉매관(180)의 관 출구측 제1개폐 밸브(182)와, 상기 냉매 리저버(170)와 연결된 냉매관(180)의 관 입구측 제2개폐 밸브(184)만을 개방시켜서 냉매의 순환 사이클이 상기 리튬이온 배터리 팩(100) 내부의 외곽 부위만으로 형성되도록 한다. 또한, 상기 제어부(200)는 상기 냉매 펌프(160)를 지속적으로 구동시켜서 상기 냉매관(180) 내부의 과포화 액체 냉매가 액체상을 유지한 상태로 순환하면서 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 냉각시키도록 한다.
상기 제어부(200)는 중간 모드가 설정된 경우에, 도3b에 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194) 중에서 상기 냉매관(180)의 관 출구측 제1개폐 밸브(182) 및 관 입구측 제2개폐 밸브(184)를 개방시킴과 동시에, 상기 제2리튬이온 배터리 셀(104)과 제3리튬이온 배터리 셀(106) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 관 입구측 제4개폐 밸브(188)와, 상기 제4리튬이온 배터리 셀(108)과 제4리튬이온 배터리 셀(110) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 관 입구측 제6개폐 밸브(188)가 각각 개방되도록 함으로써, 상기 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112) 중에서 절반의 배터리 셀 구간에만 냉매의 순환 사이클이 형성되도록 한다. 또한, 상기 제어부(200)는 상기 냉매 펌프(160)를 지속적으로 구동시켜서 상기 냉매관(180) 내부의 과포화 액체 냉매가 액체상을 유지한 상태로 순환하면서 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 냉각시키도록 한다.
상기 제어부(200)는 최고 모드가 설정된 경우에, 도 3c에 도시된 바와 같이 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)가 모두 개방되도록 함으로써, 상기 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112)의 모든 냉매관(180)의 연장 관을 따라 냉매의 순환 사이클이 형성되도록 한다. 또한, 상기 제어부(200)는 상기 냉매 펌프(160)를 지속적으로 구동시켜서 상기 냉매관(180) 내부의 과포화 액체 냉매가 액체상을 유지한 상태로 순환하면서 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 냉각시키도록 한다.
상기 밸브 구동부(210)는 상기 제어부(200)로부터의 기본 모드, 중간 모드, 최저 모드 또는 최고 모드에 따른 구동 제어에 따라, 상기 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)를 개별적으로 개폐 구동시키게 된다.
상기 전기 충격 인가부(220)는 상기 제어부(200)의 동작 활성화 제어에 따라 상기 냉매관(180)에 정전기를 발생시키기 위한 전기적 충격 전압을 인가한다.
여기서, 상기 전기 충격 인가부(220)에서 발생되는 전기적 충격 전압은, 자연 상태에서 통상적으로 발생되는 정전기와 유사한 정전기를 발생할 수 있는 정도의 전압 값이면 충분하다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 배터리 온도 조절 장치의 동작에 대해 도 4의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 온도 조절 장치의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
먼저, 리튬이온 배터리 팩(100)이 장착된 전기 차량과 같은 전력 사용 시스템이 동작하면서 배터리 전력의 사용이 개시되면(S10), 제어부(200)는 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 구성하는 제1 내지 제6리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108, 110, 112)의 온도 상태를 각 온도 센서(120, 122, 124, 126, 128, 130)를 통해 감지한다(S11).
그 상태에서, 상기 제어부(200)는 상기 제1 내지 제6온도 센서(120, 122, 124, 126, 128, 130)로부터 발생되는 온도 감지 신호를 평균 온도 값으로 환산하고, 상기 평균 온도 값이 미리 설정된 혹한기 설정 온도 이하인지를 판단한다(S12).
상기 판단 결과, 상기 평균 온도 값이 혹한기 설정 온도 이하라고 판단하게 되면, 상기 제어부(200)는 상기 평균 온도 값이 기본 모드에 따른 온도 값인지를 판단한다(S13).
상기 판단 결과, 상기 제어부(200)는 상기 평균 온도 값이 기본 모드에 따른 온도 값을 갖는다고 판단하게 되면, 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 냉매 펌프(160)와 연결된 냉매관(180)의 관 출구측 제1개폐 밸브(182)와, 상기 냉매 리저버(170)와 연결된 냉매관(180)의 관 입구측 제2개폐 밸브(184)만을 개방시켜서 냉매의 순환 사이클이 상기 리튬이온 배터리 팩(100) 내부의 외곽 부위만으로 형성되도록 하고, 냉매 펌프(160)를 구동시켜서 과포화 액체 냉매가 상기 냉매관(180)의 순환 사이클을 따라 이동하도록 한다(S14).
한편, 상기 S13 단계의 판단 결과, 상기 평균 온도 값이 기본 모드에 따른 온도 값이 아니라고 판단하게 되면, 상기 제어부(200)는 상기 평균 온도 값이 중간 모드에 따른 온도 값을 갖는지를 판단한다(S15).
상기 판단 결과, 상기 평균 온도 값이 중간 모드에 따른 온도 값을 갖는다고 판단하게 되면, 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 제어부(200)는, 상기 냉매관(180)의 관 출구측 제1개폐 밸브(182) 및 관 입구측 제2개폐 밸브(184)를 개방시킴과 동시에, 상기 제2리튬이온 배터리 셀(104)과 제3리튬이온 배터리 셀(106) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 관 입구측 제4개폐 밸브(188)와, 상기 제4리튬이온 배터리 셀(108)과 제4리튬이온 배터리 셀(110) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 관 입구측 제6개폐 밸브(188)가 각각 개방되도록 하고, 상기 냉매 펌프(160)를 구동시켜서 과포화 액체 냉매가 상기 냉매관(180)의 순환 사이클을 따라 이동하도록 한다(S16).
또한, 상기 S15 단계의 판단 결과, 상기 평균 온도 값이 중간 모드에 따른 온도 값을 갖지 않는다고 판단하게 되면, 상기 제어부(200)는 최저 모드에 따른 온도 값을 갖는다고 판단하여, 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)가 모두 개방되도록 함과 더불어, 상기 냉매 펌프(160)를 구동시켜서 과포화 액체 냉매가 상기 냉매관(180)의 순환 사이클을 따라 이동하도록 한다(S17).
그 상태에서, 상기 S14 단계나 S16 단계 또는 S17의 단계 이후에, 상기 제어부(200)는 전기 충격 인가부(220)가 정전기 발생을 위한 전기적 충격 전압을 상기 냉매관(180)에 인가하도록 함에 따라, 상기 냉매관(180) 내부에 충진된 과포화 액체 냉매가 액체상에서 고체상으로 상변태를 일으키면서 상기 리튬이온 배터리 팩(100) 내부에 상변태 결과로 발생되는 열을 전달하여 예열이 이루어지도록 한다(S18).
한편, 상기 S12 단계의 판단 과정에서, 상기 제어부(200)는 상기 평균 온도 값이 미리 설정된 혹한기 설정 온도 이하가 아니라고 판단하게 되면, 상기 평균 온도 값이 미리 설정된 냉각 설정 온도 이상인지를 판단한다(S19).
상기 판단 결과, 상기 평균 온도 값이 미리 설정된 냉각 설정 온도 이상이라고 판단하게 되면, 상기 제어부(200)는 상기 평균 온도 값이 기본 모드에 따른 온도 값인지를 판단한다(S20).
상기 판단 결과, 상기 제어부(200)는 상기 평균 온도 값이 기본 모드에 따른 온도 값을 갖는다고 판단하게 되면, 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 냉매 펌프(160)와 연결된 냉매관(180)의 관 출구측 제1개폐 밸브(182)와, 상기 냉매 리저버(170)와 연결된 냉매관(180)의 관 입구측 제2개폐 밸브(184)만을 개방시켜서 냉매의 순환 사이클이 상기 리튬이온 배터리 팩(100) 내부의 외곽 부위만으로 형성되도록 하고(S21), 상기 냉매 펌프(160)를 지속적으로 구동시켜서 과포화 액체 냉매가 상기 냉매관(180)의 순환 사이클을 따라 순환하면서 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 냉각시키도록 한다(S22).
한편, 상기 S20 단계의 판단 결과, 상기 평균 온도 값이 기본 모드에 따른 온도 값이 아니라고 판단하게 되면, 상기 제어부(200)는 상기 평균 온도 값이 중간 모드에 따른 온도 값을 갖는지를 판단한다(S23).
상기 판단 결과, 상기 평균 온도 값이 중간 모드에 따른 온도 값을 갖는다고 판단하게 되면, 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 제어부(200)는, 상기 냉매관(180)의 관 출구측 제1개폐 밸브(182) 및 관 입구측 제2개폐 밸브(184)를 개방시킴과 동시에, 상기 제2리튬이온 배터리 셀(104)과 제3리튬이온 배터리 셀(106) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 관 입구측 제4개폐 밸브(188)와, 상기 제4리튬이온 배터리 셀(108)과 제4리튬이온 배터리 셀(110) 사이에 연장되는 냉매관(180)의 관 입구측 제6개폐 밸브(188)가 각각 개방되도록 하고(S24), 상기 S22로 진행하여 상기 냉매 펌프(160)를 지속적으로 구동시켜서 과포화 액체 냉매가 상기 냉매관(180)의 순환 사이클을 따라 순환하면서 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 냉각시키도록 한다.
또한, 상기 S23 단계의 판단 결과, 상기 평균 온도 값이 중간 모드에 따른 온도 값을 갖지 않는다고 판단하게 되면, 상기 제어부(200)는 최고 모드에 따른 온도 값을 갖는다고 판단하여, 제1 내지 제7개폐 밸브(182, 184, 186, 188, 190, 192, 194)가 모두 개방되도록 하고(S25), 상기 S22 단계로 진행하여 상기 냉매 펌프(160)를 지속적으로 구동시켜서 과포화 액체 냉매가 상기 냉매관(180)의 순환 사이클을 따라 순환하면서 상기 리튬이온 배터리 팩(100)을 냉각시키도록 한다.
그 다음에, 상기 S18 단계 또는 상기 S22 단계의 진행 이후에, 상기 제어부(200)는 상기 리튬이온 배터리 팩(100)의 사용이 종료되는지를 판단한다(S26).
상기 판단 결과, 상기 리튬이온 배터리 팩(100)의 사용이 종료된다고 판단하게 되면, 상기 리튬이온 배터리 팩(100)의 예열 동작 또는 냉각 동작을 위한 모드 상태를 해제 처리하고, 배터리 사용을 종료 처리한다(S27).
반면, 상기 S26 단계의 판단 결과, 종료되지 않았다고 판단되면, 상기 S11 단계로 회귀한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
100:리튬이온 배터리 팩
102, 104, 106, 108, 110, 112:리튬이온 배터리 셀
120, 122, 124, 126, 128, 130:온도 센서 140:서비스 플러그
150:배터리 관리 시스템 모듈 160:냉매 펌프
170:냉매 리저버 180:냉매관
182, 184, 186, 188, 190, 192, 194:개폐 밸브
200:제어부 210:밸브 구동부
220:전기 충격 인가부

Claims (13)

  1. 배터리 팩의 온도를 감지하여 온도 감지 신호를 발생하는 적어도 하나의 온도 센서;
    상기 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀의 배치 공간 사이에 연장되어 있고, 내부를 통해 과포화 액체 냉매를 순환시키는 냉매관;
    상기 배터리 팩의 온도 상승시 상기 냉매관을 통해 과포화 액체 냉매를 순환시켜서 냉각 동작을 하도록 구동하는 냉매 순환 구동부; 및
    상기 적어도 하나의 온도 센서로부터의 온도 감지 신호에 의해 상기 배터리 팩의 온도 상승이 검지되면, 상기 냉매 순환 구동부를 구동 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는, 상기 다수의 배터리 셀에 대한 온도를 각각 대응적으로 개별 감지하도록 다수개로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 다수개의 온도 센서로부터 각각 발생되는 다수의 온도 감지 신호에 대해 평균 온도 값을 취하고, 상기 평균 온도 값에 의해 상기 배터리 팩의 온도 상승을 검지하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 순환 구동부와 상기 냉매 관 연결부의 관 입구측과 관 출구측에 각각 배치되는 입구측 및 출구측 개폐 밸브와, 상기 다수의 배터리 셀 사이의 배치 공간 사이에 연장되는 냉매관의 입구측에 각각 설치되는 다수의 개폐 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터의 온도 감지 신호에 의한 온도 값에 따라 단계적인 복수의 모드를 설정하고, 상기 복수의 모드 상태에 따라 상기 입구측 및 출구측 개폐 밸브와, 다수의 개폐 밸브를 차별적으로 개폐 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 과포화 액체 냉매는, 아세트산나트륨(Sodium Acetate)(CH3COONa) 용액과, 티오황산나트륨(Sodium Thiosulfate)(Na3AsO3) 용액 중에서 어느 하나의 용액인 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  7. 배터리 팩의 온도를 감지하여 온도 감지 신호를 발생하는 적어도 하나의 온도 센서;
    상기 배터리 팩에 포함된 다수의 배터리 셀의 배치 공간 사이에 연장되어 있고, 내부를 통해 과포화 액체 냉매를 순환시키는 냉매관;
    상기 배터리 팩의 온도 저하시 상기 냉매관의 내부에 과포화 액체 냉매를 전달하여 상기 과포화 액체 냉매의 상변태에 의한 예열 동작을 하도록 구동하는 냉매 순환 구동부;
    상기 냉매관에 전기적 충격 전압을 인가하여 정전기 발생에 의해 상기 과포화 액체 냉매가 액체상에서 고체상으로 상변태되어 열이 발생되도록 하는 전기 충격 인가부; 및
    상기 적어도 하나의 온도 센서로부터의 온도 감지 신호에 의해 상기 배터리 팩의 온도 저하가 검지되면, 상기 냉매 순환 구동부를 구동 제어하고, 상기 전기 충격 인가부가 전기적 충격 전압을 발생하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는, 상기 다수의 배터리 셀에 대한 온도를 각각 대응적으로 개별 감지하도록 다수개로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다수개의 온도 센서로부터 각각 발생되는 다수의 온도 감지 신호에 대해 평균 온도 값을 취하고, 상기 평균 온도 값에 의해 상기 배터리 팩의 온도 저하를 검지하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉매 순환 구동부와 상기 냉매 관 연결부의 관 입구측과 관 출구측에 각각 배치되는 입구측 및 출구측 개폐 밸브와, 상기 다수의 배터리 셀 사이의 배치 공간 사이에 연장되는 냉매관의 입구측에 각각 설치되는 다수의 개폐 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터의 온도 감지 신호에 의한 온도 값에 따라 단계적인 복수의 모드를 설정하고, 상기 복수의 모드 상태에 따라 상기 입구측 및 출구측 개폐 밸브와, 다수의 개폐 밸브를 차별적으로 개폐 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 과포화 액체 냉매는, 아세트산나트륨(Sodium Acetate)(CH3COONa) 용액과, 티오황산나트륨(Sodium Thiosulfate)(Na3AsO3) 용액 중에서 어느 하나의 용액인 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉매관의 내부에는 관의 연장 부위를 따라 열선이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 장치.

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