KR101371740B1 - 배터리 냉난방 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

외부와 공기가 차단되도록 밀폐구조로 형성된 배터리; 상기 배터리에 마련되어 배터리의 내압을 측정하는 압력센서; 상기 배터리를 냉방 또는 난방하는 공조기; 및 상기 압력센서의 측정결과 배터리의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기의 냉방 또는 난방을 결정하고 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉방 또는 난방의 세기를 제어하는 제어기;를 포함하는 배터리 냉난방 제어시스템이 소개된다.

Description

배터리 냉난방 제어시스템 및 제어방법 {SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE OF BATTERY}
본 발명은 친환경차량 등의 배터리 출력성능 향상 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 친환경차량에서 고전압 배터리의 온도제어를 새로운 방법으로 수행하여 보다 안정되고 정밀한 온도 제어를 하기 위한 배터리 냉난방 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
배터리는 얇은 판형 구조로 된 다수의 셀(cell)을 하나의 모듈(module)로 만들어 사용하고 있으며, 차량의 성능에 따라 다수의 모듈을 직렬로 연결하여 패키지를 구성한다. 그리고 그러한 패키지를 하우징이나 커버 등으로 감싸도록 이루어져 있다.
이러한 배터리팩은 화학반응에 의한 충전과 방전 시 셀에서 열이 발생하는데, 셀의 온도에 따라 배터리의 충전 및 방전 전력이 달라진다. 따라서, 배터리의 내부온도가 예를 들어 20℃ ~ 40℃로 운전되도록 셀의 온도를 적절한 범위로 유지해야 한다.
이에 따라 전기동력 차량은 특성상 고전압배터리의 발열을 식혀주기 위한 냉각시스템과 겨울철 저온시 배터리 가열 시스템을 함께 구비하지 않으면 안된다.
그러나 종래기술들은 차량 실내의 공기를 흡입하여 그 공기로 배터리를 냉각만 시키도록 하고 있어, 겨울철 저온에서의 배터리 가열은 고려되지 못하고 있는 실정이다.
그리고, 냉각에 사용되는 차량 실내의 공기는 에어컨 작동 유무, 탑승 승객의 수, 창문/도어 개방, 외기온도, 등 여러 가지 요인에 의해 온도가 변하고 경우에 따라서는 실내 공기가 배터리를 냉각할 수 없을 정도로 높아서 배터리의 과열을 초래할 수 있다.
또한, 저온시 배터리의 저온 동작 특성에 의하면 배터리 셀의 전압이 낮아 지면서 차량 발진 및 킥다운 운전 상황에서 요구되는 전력을 제공하진 못하는 경우가 발생된다. 그리고 저온 상황에서는 배터리 충전도 원활히 이루어 지지 않는 문제가 있다. 따라서, 배터리의 성능을 확보하기 위해 가열 및 냉각을 통한 셀 온도 최적화 관리 시스템이 필수적으로 필요한 것이고, 종래와 같이 실내공기를 이용한 고조보다 좀 더 확실한 제어방법과 그에 다른 기구가 필요하였던 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, 친환경차량 등에서 고전압 배터리의 온도제어를 새로운 방법으로 수행하여 보다 안정되고 정밀한 온도 제어를 하기 위한 배터리 냉난방 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 냉난방 제어시스템은, 외부와 공기가 차단되도록 밀폐구조로 형성된 배터리; 상기 배터리에 마련되어 배터리의 내압을 측정하는 압력센서; 상기 배터리를 냉방 또는 난방하는 공조기; 및 상기 압력센서의 측정결과 배터리의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기의 냉방 또는 난방을 결정하고 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉방 또는 난방의 세기를 제어하는 제어기;를 포함한다.
상기 배터리의 내부와 연결되어 외부와 연통되도록 하는 연통관 및 연통관에 마련되어 선택적인 개폐를 수행하는 개폐밸브;를 더 포함하고, 상기 제어기는 배터리의 정압 또는 부압이 과도한 경우 개폐밸브를 개방 제어할 수 있다.
상기 연통관에는 개폐밸브의 개방시 대기압과 배터리 내압이 평형이 되도록 하는 릴리프밸브가 설치될 수 있다.
상기 제어기는 배터리 내압이 정압인 경우 냉방제어를 수행하고 부압인 경우 난방제어를 수행할 수 있다.
상기 제어기는 측정된 압력에 따라 배터리의 내압 또는 온도를 계산하고, 배터리의 내압 또는 온도가 안정범위에 속하는 경우 냉방 또는 난방제어를 종료할 수 있다.
한편, 상기 제어시스템을 이용한 배터리 냉난방 제어방법은, 배터리의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기의 냉방 또는 난방을 선택하는 선택단계; 배터리 내압의 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉방 또는 난방의 세기를 제어하는 조절단계;를 포함한다.
상기 조절단계는, 정압 또는 부압의 정도를 측정하여 배터리의 내압 또는 온도를 계산하는 계산단계; 및 배터리의 내압 또는 온도가 안정범위에 속하는 경우 냉난방을 종료하는 종료단계;를 더 포함할 수 있다.
또는, 배터리 냉난방 제어방법은, 배터리의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기의 냉방 또는 난방을 선택하는 선택단계; 냉방 제어에 있어서, 배터리의 내압이 대기압 이하가 될 경우에는 냉방의 세기를 감소시키고, 정압 또는 부압의 정도로부터 계산된 배터리의 내압 또는 온도가 일정수치 이하로 떨어질 경우에는 냉방을 종료하는 냉방단계; 및 난방 제어에 있어서, 배터리의 내압이 대기압 이상이 될 경우에는 난방의 세기를 감소시키고, 정압 또는 부압의 정도로부터 계산된 배터리의 내압 또는 온도가 일정수치 이상으로 올라갈 경우에는 난방을 종료하는 난방단계;를 포함한다.
또는, 배터리 냉난방 제어방법은, 배터리의 정압 또는 부압이 과도한 경우 개폐밸브를 개방 제어하는 개방단계; 및 배터리의 내압과 대기압이 평형이 된 경우 개폐밸브를 폐쇄 제어하는 폐쇄단계;를 포함한다.
또는, 배터리 냉난방 제어방법은, 외부와 밀폐된 배터리의 압력을 측정하고, 배터리가 정압 또는 부압인 경우 배터리를 냉각 또는 난방하며, 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉난방의 세기를 제어하고, 정압 또는 부압의 정도로부터 계산된 배터리의 내압 또는 온도가 안정범위에 속하는 경우 냉난방을 종료하도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 배터리 냉난방 제어방법에 따르면, 배터리를 밀폐시스템으로 만들어 압력을 측정하며, 압력값에 따른 냉난방 제어를 수행 하므로, 기존 각각의 배터리 셀에 설치된 온도 센서의 온도 값을 연산하는 방식 보다 소형/경량화 및 적은 비용으로 시스템의 구성이 가능하고 응답속도가 빠르다.
또한, 배터리의 온도를 정밀하게 제어함으로써 배터리 내구성이 향상되어 추후 수리비용을 줄일 수 있으며, 전기에너지의 효율적 관리를 통해 주행거리가 향상되어 상품성 가치도 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉난방 제어시스템을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 냉난방 제어시스템을 이용한 배터리 냉난방 제어방법의 순서도.
도 3은 밀폐된 배터리의 내부 압력과 온도의 관계를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 냉난방 제어시스템 및 제어방법에 대하여 살펴본다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 냉난방 제어시스템을 나타낸 도면으로서, 본 발명의 배터리 냉난방 제어시스템은 외부와 공기가 차단되도록 밀폐구조로 형성된 배터리(100); 상기 배터리(100)에 마련되어 배터리(100)의 내압을 측정하는 압력센서(200); 상기 배터리(100)를 냉방 또는 난방하는 공조기(300); 및 상기 압력센서(200)의 측정결과 배터리(100)의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기(300)의 냉방 또는 난방을 결정하고 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉방 또는 난방의 세기를 제어하는 제어기(400);를 포함한다.
본 발명의 배터리(100)는 복수의 배터리셀 및 모듈로 구성되고 그 모듈이 하우징이나 커버 등에 의해 감싸진 전체 배터리 시스템을 의미한다. 이러한 본 발명의 배터리(100)는 외부와 밀폐된 구조로서 냉난방 공조시 열효율이 상당히 높게 설계된다. 그리고 배터리(100)의 온도를 측정하기 위한 온도센서 등이 불필요하여 그에 다른 다수의 측정과 변수를 고려해야 하는 수고를 덜어 제어반응이 매우 빠른 장점이 있다.
본 발명의 배터리(100) 트레이 표면에는 압력센서를 부착하여 트레이 내부 압력을 측정한다. 그리고 측정된 압력을 대기압과 비교하여 정압(+)이면 트레이 내부 온도가 높아 압력이 상승된 것이므로 냉방 모드로 제어하고, 측정된 값이 부압(-)이면 반대로 난방 모드로 전환하여 배터리(100) 트레이 내부를 가열한다.
한편, 배터리 트레이 내부 압력이 과도한 상승 또는 저하 발생시 트레이 파손을 방지하기 위한 안전장치인 솔레노이드밸브가 개방되고, 이상 과소 저압은 부압 또는 이상 과대 압력은 릴리프밸브를 통해 압력이 해소되는 구조이다.
이를 위해 제어기(400)에서는 압력센서(200)의 측정결과 배터리(100)의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기(300)의 냉방 또는 난방을 결정하고 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉방 또는 난방의 세기를 제어하도록 한다.
본 발명의 배터리(100)는 밀폐형 구조로서 외부와 공기의 유통이 유통이 없는 구조이다. 이를 통해 비교적 작은 체적의 공기만을 냉난방 제어함으로써 빠른 공조가 가능해지는 것이다. 그리고 이를 위해서는 실내공기를 사용할 수도 있겠지만, 그보다는 별도의 펠티어소자 등의 공조기(300)를 구비하고 이를 제어기(400)에서 냉난방 제어하도록 함이 바람직하다. 그러한 배터리의 공조기(300)는 덕트 등을 이용하여 배터리와 함께 밀폐형으로 설계되거나 배터리와 함께 일체로서 밀폐되도록 설계될 수 있다.
한편, 그러한 밀폐된 배터리(100)의 압력이나 온도를 측정하기 위해서는 트레이 내부의 각 셀마다 온도센서 등을 장착하는 것도 가능할 것이나, 그러한 구성의 경우 다량의 센서가 필요하고 센서의 고장시 트레이 전체를 수리해야 하는 문제가 있어 매우 비효율적이다. 따라서, 본 발명과 같이 압력 또는 온도측정은 트레이의 간접측정방식으로 측정함이 바람직하다.
참고로, 도 3은 밀폐된 배터리(100)의 내부 압력과 온도의 관계를 나타낸 그래프로서, 밀폐된 공간에서는 온도와 압력의 변화가 일치하는 형태임을 알 수 있다. 따라서, 압력센서의 다이어프램의 절곡 정도를 통해 압력차를 알고, 그로부터 대기압을 제거하여 배터리의 압력을 도출할 수 있다. 그리고 그 압력의 세기에 따라 온도를 유추하도록 하는 것이다. 한편, 샤를의 법칙(Charles’Law)에 따르면 온도의 변화량과 압력의 변화량은 일정기울기를 갖고 비례하게 되므로 압력차로부터 바로 온도차를 도출하고, 대기의 온도를 참조하여 배터리의 온도를 얻는 것도 가능할 것이다. 즉, 배터리의 온도는 다양한 방식에 따라 주변 환경의 데이터를 참조하여 쉽게 도출 가능한 것이다.
한편, 본 발명의 배터리 냉난방 제어시스템은, 상기 배터리(100)의 내부와 연결되어 외부와 연통되도록 하는 연통관(120) 및 연통관(120)에 마련되어 선택적인 개폐를 수행하는 개폐밸브(500);를 더 포함하고, 상기 제어기(400)는 배터리(100)의 정압 또는 부압이 과도한 경우 개폐밸브(500)를 개방 제어하도록 할 수 있다.
그리고 추가적으로, 상기 연통관(120)에는 개폐밸브(500)의 개방시 대기압과 배터리(100) 내압이 평형이 되도록 하는 릴리프밸브(600)가 설치될 수 있다.
이를 통해, 배터리(100)의 정압이나 부압이 너무 과도하면 제어기(400)에서는 상기 개폐밸브(500)를 개방하고 릴리프밸브(600)에 의해 압력 평형이 맞추어져 배터리(100)의 파손을 방지할 수 있으며, 추후 압력이 평형이 된 경우에는 다시 개폐밸브(500)를 잠가 정상적인 공조를 수행할 수 있도록 한다.
또한, 상기 제어기(400)는 배터리(100) 내압이 정압인 경우 냉방제어를 수행하고 부압인 경우 난방제어를 수행하도록 하는데, 제어기(400)는 측정된 압력에 따라 배터리(100)의 내압 또는 온도를 계산하고, 배터리(100)의 내압 또는 온도가 안정범위에 속하는 경우 냉방 또는 난방제어를 종료하도록 하는 것도 가능하다.
한편, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 냉난방 제어시스템을 이용한 배터리 냉난방 제어방법의 순서도로서, 청구항 1의 제어시스템을 이용한 배터리 냉난방 제어방법은, 배터리의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기의 냉방 또는 난방을 선택하는 선택단계(S100); 배터리 내압의 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉방 또는 난방의 세기를 제어하는 조절단계(S200,S300);를 포함한다.
또한, 상기 조절단계(S200,S300)는, 정압 또는 부압의 정도를 측정하여 배터리의 내압 또는 온도를 계산하는 계산단계(S240,S340); 및 배터리의 내압 또는 온도가 안정범위에 속하는 경우 냉난방을 종료하는 종료단계(S260,S360);를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 차량용 배터리의 냉난방 제어방법은, 배터리의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기의 냉방 또는 난방을 선택하는 선택단계(S100,S210,S310); 냉방 제어에 있어서, 배터리의 내압이 대기압 이하가 될 경우에는 냉방의 세기를 감소시키고, 정압 또는 부압의 정도로부터 계산된 배터리의 내압 또는 온도가 일정수치 이하로 떨어질 경우에는 냉방을 종료하는 냉방단계(S200); 및 난방 제어에 있어서, 배터리의 내압이 대기압 이상이 될 경우에는 난방의 세기를 감소시키고, 정압 또는 부압의 정도로부터 계산된 배터리의 내압 또는 온도가 일정수치 이상으로 올라갈 경우에는 난방을 종료하는 난방단계(S300);를 포함한다.
순차적으로 설명하면, 먼저 압력센서의 다이어프램을 통하여 절곡의 정도와 방향을 측정한다(S100). 절곡된 방향이 대기압측이라면 배터리의 압력이 높은 것이기 때문에 고온으로 판정하고 냉방제어를 수행한다(S200). 또한, 절곡된 방향이 배터리측이라면 배터리의 압력이 낮기 때문에 저온이라고 판단하고 난방제어를 수행한다(S300). 제어의 수행시에는 일단 높은 냉방 또는 높은 난방으로 시작한다(S210,S310). 어느 정도 외기온에 의해 배터리가 초기 상태에서는 심한 저온이나 심한 고온일 가능성도 있기 때문이다.
한편, 냉방 제어(S200)에 있어서는, 배터리의 내부 압력이 대기압 이하가 될 경우(S220)에는 냉방의 세기를 감소시키고(S230), 다이어프램의 절곡 정도로부터 계산된 배터리의 내부 압력 또는 온도가 일정수치 이하로 떨어질 경우(S240,S250)에는 냉방을 종료하도록 한다(S260).
그리고, 난방 제어(S300)에 있어서는, 배터리의 내부 압력이 대기압 이상이 될 경우(S320)에는 난방의 세기를 감소시키고(S330), 다이어프램의 절곡 정도로부터 계산된 배터리의 내부 압력 또는 온도가 일정수치 이상으로 올라갈 경우(S340,S350)에는 난방을 종료하도록 한다(S360).
또한, 접점을 형성할 정도로 압력이 과도할 경우에는 개폐밸브와 릴리프밸브를 개방(S410)하여 어느 정도 적정 압력차로 보정하고 평형이 된 경우(S420) 밸브를 폐쇄(S430)토록 함이 센서와 배터리의 보호를 위해 효과적일 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 배터리의 냉난방 센서와 이를 이용한 냉난방 시스템 및 제어방법에 따르면, 배터리 트레이를 밀폐 시스템으로 만들어 압력을 측정하며, 압력 값에 따른 히팅 및 쿨링 제어를 수행하므로, 기존의 각각의 배터리 셀에 설치된 온도 센서의 온도 값을 연산하는 방식보다 소형/경량화 및 적은 비용으로 구성 가능하고, 응답속도가 빠르다.
또한, 배터리 온도를 정밀하게 제어함으로서 배터리 내구성이 향상되어 클레임 비용을 줄일 수 있으며, 전기에너지 효율적 관리를 통해 주행거리 향상되므로 상품성 가치도 높일 수 있다.
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 : 배터리 200 : 압력센서
300 : 공조기 400 : 제어기
500 : 개폐밸브 600 : 릴리프밸브
S200 : 냉방제어 S300 : 난방제어

Claims (10)

  1. 외부와 공기가 차단되도록 밀폐구조로 형성된 배터리(100);
    상기 배터리(100)에 마련되어 배터리(100)의 내압을 측정하는 압력센서(200);
    상기 배터리(100)를 냉방 또는 난방하는 공조기(300); 및
    상기 압력센서(200)의 측정결과 배터리(100)의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기(300)의 냉방 또는 난방을 결정하고 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉방 또는 난방의 세기를 제어하는 제어기(400);를 포함하는 배터리 냉난방 제어시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리(100)의 내부와 연결되어 외부와 연통되도록 하는 연통관(120) 및 연통관(120)에 마련되어 선택적인 개폐를 수행하는 개폐밸브(500);를 더 포함하고,
    상기 제어기(400)는 배터리(100)의 정압 또는 부압이 과도한 경우 개폐밸브(500)를 개방 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉난방 제어시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연통관(120)에는 개폐밸브(500)의 개방시 대기압과 배터리(100) 내압이 평형이 되도록 하는 릴리프밸브(600)가 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 냉난방 제어시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기(400)는 배터리(100) 내압이 정압인 경우 냉방제어를 수행하고 부압인 경우 난방제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉난방 제어시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어기(400)는 측정된 압력에 따라 배터리(100)의 내압 또는 온도를 계산하고, 배터리(100)의 내압 또는 온도가 안정범위에 속하는 경우 냉방 또는 난방제어를 종료하는 것을 특징으로 하는 배터리 냉난방 제어시스템.
  6. 청구항 1의 제어시스템을 이용한 배터리 냉난방 제어방법으로서,
    배터리의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기의 냉방 또는 난방을 선택하는 선택단계(S100);
    배터리 내압의 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉방 또는 난방의 세기를 제어하는 조절단계(S200,S300);를 포함하는 배터리 냉난방 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 조절단계(S200,S300)는,
    정압 또는 부압의 정도를 측정하여 배터리의 내압 또는 온도를 계산하는 계산단계(S240,S340); 및
    배터리의 내압 또는 온도가 안정범위에 속하는 경우 냉난방을 종료하는 종료단계(S260,S360);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 냉난방 제어방법.
  8. 청구항 1의 제어시스템을 이용한 배터리 냉난방 제어방법으로서,
    배터리의 내압이 정압 또는 부압인지에 따라 공조기의 냉방 또는 난방을 선택하는 선택단계(S100,S210,S310);
    냉방 제어에 있어서, 배터리의 내압이 대기압 이하가 될 경우에는 냉방의 세기를 감소시키고, 정압 또는 부압의 정도로부터 계산된 배터리의 내압 또는 온도가 일정수치 이하로 떨어질 경우에는 냉방을 종료하는 냉방단계(S200); 및
    난방 제어에 있어서, 배터리의 내압이 대기압 이상이 될 경우에는 난방의 세기를 감소시키고, 정압 또는 부압의 정도로부터 계산된 배터리의 내압 또는 온도가 일정수치 이상으로 올라갈 경우에는 난방을 종료하는 난방단계(S300);를 포함하는 배터리의 냉난방 제어방법.
  9. 청구항 2의 제어시스템을 이용한 배터리 냉난방 제어방법으로서,
    배터리의 정압 또는 부압이 과도한 경우 개폐밸브를 개방 제어하는 개방단계(S410); 및
    배터리의 내압과 대기압이 평형이 된 경우 개폐밸브를 폐쇄 제어하는 폐쇄단계(S430);를 포함하는 배터리 냉난방 제어방법.
  10. 외부와 밀폐된 배터리의 압력을 측정하고, 배터리가 정압 또는 부압인 경우 배터리를 냉각 또는 난방하며, 정압 또는 부압의 정도에 따라 냉난방의 세기를 제어하고, 정압 또는 부압의 정도로부터 계산된 배터리의 내압 또는 온도가 안정범위에 속하는 경우 냉난방을 종료하는 배터리 냉난방 제어방법.
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