KR101355616B1 - 배터리 관리시스템 및 관리방법 - Google Patents

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김재웅
오만주
박재우
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기아자동차주식회사
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Abstract

라디에이터와 전력전자부품(PE부품)을 순환하는 제1냉각유로; 제1냉각유로와 병렬로 연결되며, 배터리의 과냉/과열시 배터리를 가열/냉각하는 펠티어장치를 순환하는 제2냉각유로; 각 냉각유로의 분기점에서 유로의 개폐를 제어하는 개폐밸브; 냉매의 순환을 제어하는 냉매펌프; 및 개폐밸브 및 냉매펌프의 제어를 통하여 배터리의 과냉시 냉매가 전력전자부품과 펠티어장치를 순환하도록 하고 배터리의 과열시 냉매가 라디에이터와 펠티어장치를 순환하도록 하는 제어기;를 포함하는 배터리 관리시스템 및 관리방법이 소개된다.

Description

배터리 관리시스템 및 관리방법 {SYSTEM AND METHOD FOR MANAGING BATTERY}
본 발명은 차량의 운행시 배터리의 상태에 따라 배터리 온도를 최적으로 관리함으로써 차량 성능과 배터리 내구성을 보전하는 배터리 관리시스템 및 관리방법에 관한 것이다.
하이브리드차량, 전기자동차, 연료전지차량 등의 환경차의 에너지 공급장치인 고전압 배터리는 온도가 높으면 내구 수명이 단축되며, 온도가 너무 낮으면 가용 에너지량이 급감하는 문제를 지니고 있다. 일반적으로 배터리의 작동 효율 온도는 20~30℃로 알려져 있다.
이러한 배터리의 온도를 유지하기 위한 기존의 방식은, 실내의 공조 공기를 이용함으로써 고온의 배터리를 냉각하거나 저온의 배터리를 승온시키고 있으나, 이는 실내 공조부하가 높아지는 현상과 배터리온도 제어에 한계를 지니는 문제가 있었다. 즉, 여름철인 경우에도 실내 냉방기를 작동하지 않는다면 배터리의 공조가 어려우며, 배터리를 식힐 필요가 있는데 실내의 온도가 높으면 실내공기를 이용하지 못하는 경우가 빈번히 발생 될 수 있는 것이었다. 따라서, 실내공기를 이용하여 배터리를 냉각하거나 난방하는데에는 여러 가지 기술상의 문제가 있었고, 실내공기가 아닌 전혀 다른 방식의 열원을 이용하여 배터리를 냉난방 할 필요가 있었다.
이에, 펠티어소자 등을 이용하여 직접 배터리를 냉난방 하는 시도가 이루어지고 있지만, 이 경우에는 별도의 전력을 항상 배터리로부터 공급받아 사용해야 하기 때문에 차량의 연비가 매우 저하되는 문제가 있었고 배터리의 소진시에는 배터리의 온도를 제어할 수 없는 문제가 있었던 것이다.
따라서, 배터리의 작동 효율 온도를 유지하고 관리하기 위해서는 차량의 냉각수 회로를 활용하면서 동시에 차량의 전력전자부품에서 발생되는 폐열을 활용할 수 있는 열전소자 배터리 냉난방 시스템이 개발될 필요가 있었던 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 배터리의 작동 효율 온도를 유지하고 관리하기 위해서 차량의 냉각수 회로를 활용하면서 동시에 차량의 전력전자부품에서 발생되는 폐열을 활용할 수 있는 배터리 관리시스템 및 관리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 관리시스템은, 라디에이터와 전력전자부품(PE부품)을 순환하는 제1냉각유로; 제1냉각유로와 병렬로 연결되며, 배터리의 과냉/과열시 배터리를 가열/냉각하는 펠티어장치를 순환하는 제2냉각유로; 각 냉각유로의 분기점에서 유로의 개폐를 제어하는 개폐밸브; 냉매의 순환을 제어하는 냉매펌프; 및 개폐밸브 및 냉매펌프의 제어를 통하여 배터리의 과냉시 냉매가 전력전자부품과 펠티어장치를 순환하도록 하고 배터리의 과열시 냉매가 라디에이터와 펠티어장치를 순환하도록 하는 제어기;를 포함한다.
상기 제어기는 배터리 및 전력전자부품의 과열시 냉매가 라디에이터, 전력전자부품 및 펠티어장치를 모두 순환하도록 할 수 있다.
상기 펠티어장치에는 배터리측으로 작동팬이 구비되고, 상기 제어기는 펠티어장치의 고장시 냉매펌프와 작동팬의 작동을 최대로 제어할 수 있다.
상기 라디에이터에는 쿨링팬이 구비되고, 상기 제어기는 배터리가 과열되고 동시에 펠티어장치가 고장난 경우 냉매펌프와 쿨링팬의 작동을 최대로 제어할 수 있다.
상기 제1냉각유로 또는 제2냉각유로와 병렬로 연결되며, 배터리를 충전하는 충전기를 순환하는 제3냉각유로;를 더 포함하고, 상기 제어기는 충전기의 비충전시에는 냉매가 충전기에 순환되지 않도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 배터리 관리시스템을 이용한 배터리 관리방법은, 배터리의 온도를 체크하는 체크단계; 배터리가 과냉인 경우 냉매가 전력전자부품과 펠티어장치를 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 가열단계; 및 배터리가 과열인 경우 냉매가 라디에이터와 펠티어장치를 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 냉각단계;를 포함한다.
상기 냉각단계는, 배터리 및 전력전자부품이 모두 과열인 경우 냉매가 라디에이터, 전력전자부품 및 펠티어장치를 모두 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 2차냉각단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 펠티어장치의 고장시 펠티어장치에 배터리측으로 구비된 작동팬과 냉매펌프를 최대로 제어하는 안전단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 안전단계는, 펠티어장치가 고장난 상태에서 배터리가 과열된 경우 작동팬 및 냉매펌프와 라디에이터에 구비된 쿨링팬을 최대로 제어할 수 있다.
상기 안전단계는, 펠티어장치의 고장시 펠티어장치에 배터리측으로 구비된 작동팬을 최대로 제어하고 냉매의 온도가 배터리의 온도보다 낮을 경우 냉매펌프를 최대로 제어할 수 있다.
또한 본 발명의 배터리 관리방법은, 라디에이터, 전력전자부품 및 배터리를 가열/냉각하는 펠티어장치를 각각 병렬로 연결하는 냉각유로의 유로를 제어함으로써 배터리를 관리하는 배터리 관리방법으로써, 배터리의 과냉시에는 냉매가 전력전자부품과 펠티어장치를 순환하도록 하고 배터리의 과열시에는 냉매가 라디에이터와 펠티어장치를 순환하도록 제어할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 배터리 관리시스템 및 관리방법에 따르면, 폐열 활용을 통한 배터리 히팅 능력이 향상되고, 펠티어장치 외부의 열교환을 냉각수로 수행함으로써 결로를 방지할 수 있다.
그리고, 겨울철 주행 또는 충전시 고전압배터리의 난방 및 최적 온도 유지가 가능하고, 배터리 가용 에너지의 충분한 확보로 주행거리가 증대된다.
또한, 여름철 주행 또는 충전시 고전압배터리의 냉각 및 최적 온도 유지가 가능하고, 배터리 내구 수명이 보장되며 기존의 실내 공조 공기 사용 방식에 대비하여 에너지 소모량이 매우 저감된다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리시스템의 동작을 나타낸 도면.
도 4 내지 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리시스템을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리방법의 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 관리시스템 및 관리방법에 대하여 살펴본다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리시스템의 동작을 나타낸 도면으로서, 본 발명의 배터리 관리시스템은, 라디에이터(100)와 전력전자부품(PE부품,200)을 순환하는 제1냉각유로(500); 제1냉각유로(500)와 병렬로 연결되며, 배터리(300)의 과냉/과열시 배터리(300)를 가열/냉각하는 펠티어장치(400)를 순환하는 제2냉각유로(600); 각 냉각유로(500,600)의 분기점에서 유로의 개폐를 제어하는 개폐밸브(700); 냉매의 순환을 제어하는 냉매펌프(900); 및 개폐밸브(700) 및 냉매펌프(900)의 제어를 통하여 배터리(300)의 과냉시 냉매가 전력전자부품(200)과 펠티어장치(400)를 순환하도록 하고 배터리(300)의 과열시 냉매가 라디에이터(100)와 펠티어장치(200)를 순환하도록 하는 제어기(1000);를 포함한다.
본 발명의 배터리 관리시스템은 라디에이터(100), 전력전자부품(200), 펠티어장치(400)가 병렬로 연결되어 냉각회로를 구성하고, 그 냉각회로에는 냉각수 등의 냉매가 흐르도록 구성된다. 여기서 전력전자부품(200)이란 차량의 일반적인 전자부품과 모터 등의 전자기구가 모두 포함될 수 있는 개념이다.
한편, 도 1의 실시예에서는 냉각유로의 분기점인 펠티어장치(400) 측에 3-WAY 개폐밸브(700)가 구비된다. 해당 개폐밸브(700)는 솔레노이드 등의 구성으로써 각각의 파이프를 개폐함으로써 다양한 유로를 형성할 수 있도록 한다. 그리고 펠티어장치(400)의 제2냉각유로(600) 상에는 냉매펌프(900)가 마련되어 냉매를 순환해야할 경우 작동되어 유로 상에서 냉매가 순환될 수 있도록 한다. 물론 냉매펌프(900)는 제1냉각유로(500) 상에 추가펌프(800)를 마련할 수도 있을 것이다.
구체적으로, 제어기(1000)는 개폐밸브(700) 및 냉매펌프(900)의 제어를 통하여 유로를 구성하고, 배터리(300)의 과냉시에는 펠티어장치(400)가 배터리(300)를 승온시키기 때문에 펠티어장치(400)의 반대측 면은 냉각이 되는 것이고 그 반대측 면으로 배터리(300)에 가해질 열을 공급할 필요가 있다.
이에 따라 제어기(1000)는 도 1과 같이 냉매가 전력전자부품(200)과 펠티어장치(400)를 순환하도록 함으로써 전력전자부품(200)에서 발생되는 폐열을 펠티어장치(400)를 통해 결국 배터리(300)로 공급하는 구성을 취할 수 있게 되는 것이다. 그에 따라 배터리(300)의 승온시 과도하게 배터리 전력을 사용하여 펠티어장치(400)를 구동할 필요가 없고 폐열을 이용할 수 있어 결국 에너지가 절약되고 주행거리가 증대될 수 있는 것이다.
한편, 배터리(300)의 과열시에는 배터리(300)를 냉각할 필요가 있고, 배터리(300)에서 발생된 폐열을 회수하기 위해 제어기(1000)는 개폐밸브(700)를 제어하여 도 2와 같이 냉매가 흐를 수 있도록 한다. 즉, 제어기(1000)는 냉매가 라디에이터(100)와 펠티어장치(400)를 순환하도록 함으로써 이 경우 또한 과도한 에너지를 펠티어장치(400)에 투입하지 않고도 신속하고 효과적으로 폐열을 라디에이터(100)를 통해 외부로 방출할 수 있는 것이다. 한편, 냉매는 그 자체적으로도 어느 정도의 축열기능이 있을 것이기 때문에 배터리(300)의 온도가 과도하게 높지 않은 경우에는 냉매의 순환만으로도 과열을 어느 정도 해소할 수 있을 것이고, 과열의 정도가 심한 경우에는 라디에이터(100)의 쿨링팬(120)을 가동함으로써 좀 더 효과적으로 방열을 할 수 있을 것이다.
한편, 상기 제어기(1000)는 배터리(300) 및 전력전자부품(200)이 모두 과열시에는 도 3과 같이 개폐밸브(700)를 제어함으로써 냉매가 라디에이터(100), 전력전자부품(200) 및 펠티어장치(400)를 모두 순환하도록 할 수 있으며 마찬가지로 과열의 정도가 심할 경우에는 라디에이터(100)의 쿨링팬(120)을 가동함으로써 좀 더 효과적으로 방열을 할 수 있을 것이다.
그리고 상기 펠티어장치(400)에는 배터리(300)측으로 작동팬(420)이 구비되도록 할 수 있다. 즉, 펠티어장치(400)는 일면은 배터리(300)의 내부에 노출되어 있고 타면은 배터리(300)의 외부에 노출되는 구조인데, 그 펠티어장치(400)의 일면을 통한 배터리(300) 내부의 공조시에는 공조효율을 위해 일반적으로 작동팬(420)을 구비하게 된다. 물론, 그 작동팬(420)은 펠티어장치(400)의 운용과 연동되며 배터리(300) 내부공간에서 어느 위치에나 자유롭게 설치될 수 있을 것이다.
여기서 상기 제어기(1000)는 펠티어장치(400)의 고장시에는 배터리(300)의 공조가 제대로 이루어질 수 없기 때문에 냉매펌프(900)와 작동팬(420)의 작동을 최대값으로 제어하도록 함으로써 단순한 펠티어장치(400)에 의한 열전도에 의해 냉난방이라도 수행할 수 있도록 할 것이다. 이는 바로 본 발명의 안전기능에 관한 것으로서 유사시에도 최소한의 배터리(300) 안전을 보장할 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 상기 라디에이터(100)에는 쿨링팬(120)이 구비되고, 상기 제어기(1000)는 배터리(300)가 과열되고 동시에 펠티어장치(400)가 고장난 경우 냉매펌프(900)와 쿨링팬(120)의 작동을 최대로 제어하며 동시에 작동팬(420)의 작동도 최대값으로 제어함으로써 열전도에 의한 배터리(300)의 냉방을 수행할 수 있도록 한다.
한편, 도 4 내지 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 관리시스템을 나타낸 도면으로서, 도 4에서 볼 수 있듯이, 제1냉각유로(500) 또는 제2냉각유로(600)와 병렬로 연결되며, 배터리(300)를 충전하는 충전기(220)를 순환하는 제3냉각유로(620);를 더 포함할 수 있다. 이 경우는 차량의 전력전자부품(200) 중에서 배터리의 충전을 담당하는 충전기(예를 들어 OBC, On Board Charger)를 분리하여 유로를 구성한 경우로서 충전기(220)는 충전시에만 방열을 하기 때문에 다른 일반적인 전력전자부품(200)과는 구별하여 유로를 구성할 경우 더욱 효과적인 열관리가 가능하기 때문이다.
이와 같이 구성된 경우 상기 제어기(1000)는 충전기(220)의 비충전시에는 냉매가 충전기(220)에 순환되지 않도록 제어함으로써 효과적으로 전력전자부품(200)의 폐열을 이용할 수 있으며 배터리(300)의 온도제어가 가능해진다. 이를 위해서는 도 4에 도시된 바와 같이 개폐밸브를 3-WAY밸브 두 개(700,720)로 구성하고 냉매펌프(800,900) 역시 두 개로 구성하여 가동함이 바람직할 것이다. 또는 도 5에 도시된 바와 같이 두 개의 3-WAY밸브 대신 한 개의 4-WAY밸브(740)를 이용하여 회로를 구성하는 것도 가능할 것이다. 4-WAY밸브(740)의 경우에는 내부의 회전 도어(742)를 통해 선택적으로 다양한 유로를 형성할 수 있기 때문이다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리방법의 순서도로서, 본 발명의 배터리 관리방법은, 배터리의 온도를 체크하는 체크단계(S200); 배터리가 과냉인 경우 냉매가 전력전자부품과 펠티어장치를 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 가열단계(S300); 및 배터리가 과열인 경우 냉매가 라디에이터와 펠티어장치를 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 냉각단계(S400);를 포함한다. 즉, 먼저 배터리의 온도를 체크하여 배터리가 과열인지 과냉인지를 판단하고 이는 적정온도범위를 설정하여 두고 판단하도록 할 수 있다. 그리고 배터리가 과냉인 경우에는 냉매가 전력전자부품과 펠티어장치를 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 가열단계(S300)를 수행한다. 또한, 배터리가 과열인 경우에는 냉매가 라디에이터와 펠티어장치를 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 냉각단계(S400)를 수행한다.
한편, 상기 냉각단계(S400)는, 전력전자부품도 과열인지를 판단(S430)하여 배터리 및 전력전자부품이 모두 과열인 경우 냉매가 라디에이터, 전력전자부품 및 펠티어장치를 모두 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 2차냉각단계(S500);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 펠티어장치의 고장시에는 펠티어장치에 배터리측으로 구비된 작동팬과 냉매펌프를 최대로 제어하는 안전단계(S600);를 더 포함할 수 있으며, 안전단계의 수행여부는 여러 지점(S100,S320,S420)에서 수시로 체크하도록 함이 바람직할 것이다. 상기 안전단계(S600)는, 펠티어장치가 고장난 상태에서 배터리가 과열된 경우 작동팬 및 냉매펌프와 라디에이터에 구비된 쿨링팬을 최대로 제어하도록 함이 바람직하다. 한편, 최종적으로는 배터리의 온도를 다시 체크(S700)하여 정상온도구간인 경우 관리를 종료하도록 한다.
또는 상기 안전단계(S600)는, 펠티어장치의 고장시 펠티어장치에 배터리측으로 구비된 작동팬을 최대로 제어하고 냉매의 온도가 배터리의 온도보다 낮을 경우 냉매펌프를 최대로 제어하도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 배터리 관리시스템 및 관리방법에 따르면, 폐열 활용을 통한 배터리 히팅 능력이 향상되고, 펠티어장치 외부의 열교환을 냉각수로 수행함으로써 결로를 방지할 수 있다.
그리고, 겨울철 주행 또는 충전시 고전압배터리의 난방 및 최적 온도 유지가 가능하고, 배터리 가용 에너지의 충분한 확보로 주행거리가 증대된다.
또한, 여름철 주행 또는 충전시 고전압배터리의 냉각 및 최적 온도 유지가 가능하고, 배터리 내구 수명이 보장되며 기존의 실내 공조 공기 사용 방식에 대비하여 에너지 소모량이 매우 저감된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 라디에이터 200 : 전력전자부품
220 : 충전기 300 : 배터리
400 : 펠티어장치 500 : 제1냉각유로
600 : 제2냉각유로 700 : 개폐밸브
900 : 냉매펌프 1000 : 제어기

Claims (11)

  1. 라디에이터(100)와 전력전자부품(PE부품,200)을 순환하는 제1냉각유로(500);
    제1냉각유로(500)와 병렬로 연결되며, 배터리(300)의 과냉/과열시 배터리(300)를 가열/냉각하는 펠티어장치(400)를 순환하는 제2냉각유로(600);
    각 냉각유로(500,600)의 분기점에서 유로의 개폐를 제어하는 개폐밸브(700);
    냉매의 순환을 제어하는 냉매펌프(900); 및
    개폐밸브(700) 및 냉매펌프(900)의 제어를 통하여 배터리(300)의 과냉시 냉매가 전력전자부품(200)과 펠티어장치(400)를 순환하도록 하고 배터리(300)의 과열시 냉매가 라디에이터(100)와 펠티어장치(400)를 순환하도록 하는 제어기(1000);를 포함하는 배터리 관리시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기(1000)는 배터리(300) 및 전력전자부품(200)의 과열시 냉매가 라디에이터(100), 전력전자부품(200) 및 펠티어장치(400)를 모두 순환하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 펠티어장치(400)에는 배터리(300)측으로 작동팬(420)이 구비되고, 상기 제어기(1000)는 펠티어장치(400)의 고장시 냉매펌프(900)와 작동팬(420)의 작동을 최대로 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 라디에이터(100)에는 쿨링팬(120)이 구비되고, 상기 제어기(1000)는 배터리(300)가 과열되고 동시에 펠티어장치(400)가 고장난 경우 냉매펌프(900)와 쿨링팬(120)의 작동을 최대로 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1냉각유로(500) 또는 제2냉각유로(600)와 병렬로 연결되며, 배터리(300)를 충전하는 충전기(220)를 순환하는 제3냉각유로(620);를 더 포함하고,
    상기 제어기(1000)는 충전기(220)의 비충전시에는 냉매가 충전기(220)에 순환되지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리시스템.
  6. 청구항 1의 배터리 관리시스템을 이용한 배터리 관리방법으로서,
    배터리의 온도를 체크하는 체크단계(S200);
    배터리가 과냉인 경우 냉매가 전력전자부품과 펠티어장치를 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 가열단계(S300); 및
    배터리가 과열인 경우 냉매가 라디에이터와 펠티어장치를 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 냉각단계(S400);를 포함하는 배터리 관리방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉각단계(S400)는, 배터리 및 전력전자부품이 모두 과열인 경우 냉매가 라디에이터, 전력전자부품 및 펠티어장치를 모두 순환하도록 개폐밸브를 제어하는 2차냉각단계(S500);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 펠티어장치의 고장시 펠티어장치에 배터리측으로 구비된 작동팬과 냉매펌프를 최대로 제어하는 안전단계(S600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 안전단계(S600)는, 펠티어장치가 고장난 상태에서 배터리가 과열된 경우 작동팬 및 냉매펌프와 라디에이터에 구비된 쿨링팬을 최대로 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 안전단계(S600)는, 펠티어장치의 고장시 펠티어장치에 배터리측으로 구비된 작동팬을 최대로 제어하고 냉매의 온도가 배터리의 온도보다 낮을 경우 냉매펌프를 최대로 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리방법.
  11. 라디에이터, 전력전자부품 및 배터리를 가열/냉각하는 펠티어장치를 각각 병렬로 연결하는 냉각유로의 유로를 제어함으로써 배터리를 관리하는 배터리 관리방법으로써, 배터리의 과냉시에는 냉매가 전력전자부품과 펠티어장치를 순환하도록 하고 배터리의 과열시에는 냉매가 라디에이터와 펠티어장치를 순환하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리방법.
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