KR101426291B1

KR101426291B1 - 하이브리드 차량용 배터리 승온 장치 및 이를 이용한 승온 방법

Info

Publication number: KR101426291B1
Application number: KR1020140047598A
Authority: KR
Inventors: 이수인; 임종광; 장교근; 정상철; 이윤복
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2014-08-05

Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 배터리 승온 장치 및 방법에 관한 것으로, 엔진과 맞물려 전기에너지를 생성하는 발전기와, 상기 발전기와 고전압 라인을 통해 연결되는 배터리와, 상기 고전압 라인에서 분기되어 상기 생성된 전기에너지를 이용하여 열을 발생시키는 열에너지 발생부, 및 상기 열에너지 발생부 및 배터리에 연결되어 상기 열에너지 발생부에서 발생된 열에너지를 배터리에 공급하는 열에너지 전달부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 장치와 이를 이용한 승온 방법이 개시된다.

Description

하이브리드 차량용 배터리 승온 장치 및 이를 이용한 승온 방법{APPARATUS FOR TEMPERATURE RISING OF BATTERY IN HYBRID VEHICLE AND METHOD FOR RISING BATTERY TEMPERATURE USING THE SAME}

본 발명은 하이브리드 차량의 저온 운용 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온 충방전 특성이 떨어지는 배터리를 엔진에서 생성되는 전력을 이용하여 배터리를 빠른 시간 내에 온도를 올림으로써 하이브리드 모드 및 전기 모드(EV 모드)로의 조기 진입을 가능토록 하는 기술에 관한 것이다.

엔진과 모터를 이용한 하이브리드 차량은 도 1a와 도 1b와 같이 크게 직렬형과 병렬형으로 구분된다. 도 1a를 참조하면, 직렬형 하이브리드 자동차는 엔진(10)과 구동 모터(15)의 구동축이 물리적으로 분리되어 엔진(10)은 발전기(11)를 통해 전력만을 생산한다. 생산된 전력은 메인 배터리에 저장되거나 전장품(14) 전원 공급 및 구동 모터(15)로 전달되며 엔진이 작동하지 않는 경우에는 메인 배터리에 저장된 에너지를 구동 모터(15)에 보내어 바퀴(16)에 동력을 전달함으로써 차량을 구동하는 방식이다.

병렬형 하이브리드 자동차는 도 1b에 도시된 바와 같이, 엔진(10)과 구동/발전모터(18)의 축이 물리적으로 연결되므로 엔진(10)이 작동되어 구동/발전모터(18)를 회전시킴으로써 발전하여 배터리 충전을 함과 동시에 변속기(17)를 거쳐 차량을 움직이며, EV 모드 운행시에는 엔진은 동작하지 않고 모터만 작동되어 차량을 움직이게 된다.

이때, 도 1a 및 도 1b에 도시된 인버터/컨버터(12)는 생산된 전기를 직류 또는 교류로 변환시키는 기능을 한다.

엔진에서 소모 연료당 생성되는 출력은 회전수 및 공연비에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 등고선 형태가 되는데, 이 중 회전수에 따라 소모 연료 당 출력이 가장 높은 지점을 연결한 최적운용선도(OOL, Optium Operating Line) 및 출력이 가장 높은 지점인 최적운용점(OOP, Optimum Operating Point)에서 엔진을 운용하는 것이 연비 측면에서 효율적이다. 상기 최적운용선도는 굵게 표시하였다.

한편 화학반응을 이용하는 배터리 특성상 온도가 떨어지면 떨어질수록 이온 전도도 및 확산도 등이 떨어져 충방전 성능이 떨어지며 내부저항이 기하급수적으로 상승하게 된다. 따라서 -32℃와 같은 극저온에서의 배터리 사용은 거의 불가능하다. 따라서 현재 양산차량 등에서는 이러한 문제를 회피하고자 다음과 같은 방식을 사용하고 있다.

병렬식 하이브리드 차량의 경우 배터리 작동이 곤란한 저온에서는 엔진만 작동되며, 배터리 작동이 필요한 하이브리드 모드 및 EV 모드는 작동되지 않는다. 이후 추위를 느낀 운전자가 히터를 작동시켜 실내 온도를 올리면 팬이 작동하여 실내 공기를 빨아들임으로써 배터리 온도를 올리는 방식이 쓰이고 있으나 승온에 오랜 시간이 필요하다.

한편, 직렬식 하이브리드 차량의 경우 엔진은 단순히 발전만을 위해 존재하며 구동모터와 물리적으로 연결되어 있지 않다. 따라서 저온에서 배터리가 작동되지 않으면 운용이 거의 불가능하므로 통상적으로 배터리 히터를 별도로 설치하여 상시 히터가 작동되어 배터리 온도를 일정 수준에서 유지하는 방법이 이용되고 있다. 그러나 이와 같은 방법은 외부 전원 케이블을 연결하지 않으면 배터리가 완전히 방전되거나 충전 상태가 불량해지게 된다. 따라서 저온 환경에서 빠른 시간 내에 배터리만을 이용한 저소음 기동 등이 요구될 수 있는 군용 차량이나 대출력의 전기에너지를 외부에 공급하는 목적의 특수 차량 등에서 운용하기는 곤란한 방식이다.

배터리 작동이 불가능한 저온 환경에서는 하이브리드 및 EV 모드 등은 작동되지 않는다. 따라서 사용하지 못하는 하이브리드 부품들은 무게만 차지하게 되어, 하이브리드 차량의 장점이었던 높은 연비를 달성할 수 없다. 특히나 병렬형 하이브리드가 아닌 직렬형 하이브리드의 경우, 위와 같은 문제를 피해가기 위해 저온 환경에서 배터리 히터를 이용하여 배터리 온도를 유지하는 방식을 사용하고 있지만 상시 외부 전원을 연결해야 하거나 장기간 차량 운행이 되지 않을 경우 배터리가 완전히 방전될 가능성이 높다. 특히 작전 운용 환경이 다양한 군용 차량의 경우 극저온 환경에서 외부 전원 충전을 보장 받지 못하는 환경 속에서도 운용이 가능해야 한다. 따라서 극저온에서도 배터리 온도를 빠른 시간 내에 올려줄 수 있는 기술이 필요하다.

또한 엔진을 작동시켜 실시간으로 차량에 전원을 공급하여 차량을 구동할 수는 있으나, 전장품은 on-off 스위칭 속도가 빠르며 급격히 소요 출력이 변화하는데 반해 엔진은 출력의 증감 속도가 상대적으로 느리다. 따라서 순간적으로 엔진 출력이 부족하거나 넘칠 경우 운전자가 요구하는 움직임과는 다른 동역학적 특성을 보이거나, 장비가 정상적으로 작동하지 못하거나 고장이 발생할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 저온에서 엔진 출력을 전장품 소요 출력과 차량 구동 소요 출력보다 많은 출력을 내도록 하여 전기 에너지(유휴 에너지)를 발생시키거나, 저온에서 배터리가 받아들일 수 없는 상태에서 회생 제동을 실시하여 생성되는 전기 에너지를 배터리 승온에 이용하고자 한다.

또한, 유휴 에너지를 배터리 승온에 활용하기 위하여 전기 에너지를 열 에너지로 변환할 수 있는 열에너지 발생부를 활용하고자 하며, 이때 열에너지 발생부에는 저항, 인덕터 등의 발열체를 활용하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 엔진과 맞물려 전기에너지를 생성하는 발전기와, 상기 발전기와 고전압 라인을 통해 연결되는 배터리와, 상기 고전압 라인에서 분기되어 상기 생성된 전기에너지를 이용하여 열을 발생시키는 열에너지 발생부, 및 상기 열에너지 발생부 및 배터리에 연결되어 상기 열에너지 발생부에서 발생된 열에너지를 배터리에 공급하는 열에너지 전달부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 장치가 제공될 수 있다.

상기 열에너지 발생부는, 전기에너지를 공급받아 열에너지로 변환시키는 발열체 및 상기 발열체를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 열에너지 전달부는, 팬 또는 펌프를 포함할 수 있고, 상기 열에너지 전달부의 일측에는 상기 배터리의 승온 및 온도 편차를 줄이도록 유체의 송출량을 제어하는 배관이 형성될 수 있으며, 상기 발열체는 저항 또는 인덕터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 엔진과 연결된 발전기에 의해 전기에너지를 생성하는 단계와, 상기 생성된 전기에너지를 차량 전장품에 소모하는 단계, 및 상기 전장품에서 소모되지 않고 남은 전기에너지로 배터리를 승온시키는 단계를 포함하고, 상기 배터리 승온시키는 단계는, 상기 전장품에서 소모되지 않고 남은 전기에너지인 유휴 에너지를 열에너지 발생부에서 열에너지로 변환하는 단계, 및 상기 변환된 열에너지를 배터리로 전달하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법이 제공될 수 있다.

상기 유휴 에너지를 생성하는 단계는, 배터리 온도가 배터리 정상운용온도보다 낮은 경우에 수행될 수 있다.

상기 배터리의 온도 편차가 심하거나 국소적으로 배터리의 한계 온도에 다다른 경우에는 발열체의 출력 또는 유속을 변경할 수 있다.

상기 배터리의 온도 편차가 심하거나 국소적으로 배터리의 한계 온도에 다다른 경우에는 한계 온도에 다다른 배터리 셀로 유체가 흐르지 않도록 우회 경로로 유체를 흘리도록 할 수 있다.

그리고, 차량과 운전자가 요구하는 출력을 센서 또는 주행 패턴 등을 통해 예측하여, 엔진 출력을 조절할 수 있다.

상기 생성되는 전기에너지는, 전장품 소요 출력과 차량 구동 소요 출력보다 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 급격한 엔진 출력의 증대가 요구되는 경우, 열에너지 발생부의 입력 용량이 초과되지 않도록 엔진 출력 증대량을 제어하거나, 열에너지 발생부로 송급되는 엔진 출력을 줄이고 차량 구동에 활용되는 엔진 출력량을 늘림으로써 차량의 정상적인 구동과 배터리 승온을 지속하도록 할 수 있다.

나아가, 열에너지 전달 매질의 온도 또는 열에너지 발생부의 온도가 허용치 이상으로 상승할 경우 열에너지 발생부 중 일부 또는 전체를 끄거나, 팬 또는 펌프의 작동을 통해 열에너지를 빠른 속도로 열에너지 발생부의 외부로 방출하도록 할 수 있다.

그리고, 상기 배터리 승온시키는 단계에서 회생 제동 수행시, 열에너지 발생부의 입력 용량을 고려하여 회생 제동 양을 조절하며, 회생 제동되어 생성되는 전기 에너지를 배터리 승온에 활용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 차량용 배터리 승온 장치 및 방법에 의하면, 배터리 정상 운용이 불가능한 온도에서 운전자의 주행 패턴 및 차량의 가감속 상태와 독립적으로 엔진의 효율이 가장 좋은 영역에서 엔진을 동작시킬 수 있으며, 빠른 속도로 배터리 온도를 올림으로써 하이브리드 모드 및 EV 모드로의 조기 진입을 통해 연비 향상, 빠른 전장 운용 및 대전력 공급 등을 도모할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 배터리 승온 방법을 적용할 경우 수 분 안에 배터리를 운용 온도까지 상승시키는 것이 가능하고, 이를 위해 추가적으로 소모되는 연료량은 수십 밀리리터 수준에 불과하며, 이는 하이브리드 및 EV 모드 조기 진입을 통한 엔진 최적영역 운용을 통한 연비 향상 효과로 짧은 시간 내에 만회할 수 있다.

그리고, 군용 차량의 경우 EV 모드로의 조기 진입이 가능해므로 저소음 정찰 등의 전장 운용을 용이하게 수행할 수 있게 된다.

한편 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리를 승온시키는 경우 차량 공조장치와의 연결을 통해 차량용 히터의 역할을 겸할 수 있는데, 엔진 냉각수의 폐열을 이용하기 때문에 따뜻한 공기가 나오기까지 일정 시간이 소요되는 기존 히터와 달리 즉각적으로 히터의 역할을 수행할 있으며, 특히 디젤 엔진 차량은 통상적으로 장착되는 PTC 히터를 생략할 수 있다.

도 1은 하이브리드 차량의 구성 방식을 설명하는 개념도이다.
도 2는 통상적인 엔진의 운용 효율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 온도에 따른 배터리의 내부 저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유휴에너지를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 동작 영역들을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 승온이 가능한 하이브리드 차량의 구성을 보다 상세히 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열에너지 발생부 및 열에너지 전달부를 갖는 하이브리드 차량의 구성을 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 승온 방법을 표현한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 승온 방법에 따른 배터리의 온도 추이를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 저온에서 엔진이 동작시 배터리가 항상 작동할 수 있도록 하기 위하여, 배터리를 승온시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유휴에너지(D)를 설명하기 위한 개념도인데, 도 4를 참조하면, 전장품 소요 출력(B)과 차량 구동 소요 출력(C)보다 많은 출력을 낼 수 있는 상태로 엔진(22)을 운용하여 전장품 및 차량 구동 소요 출력(B,C)을 제외한 에너지(이하 유휴에너지(D))를 배터리(80) 승온에 이용하는 방법을 제안하고자 한다.

이를 위한 방법으로 본 발명의 일 실시예에서는 엔진(22)에서 생성되는 유휴에너지(D)를 열에너지로서 배터리(80)에 공급하는 방식이 제안된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량의 배터리(80) 승온 장치는, 엔진(22)과 맞물려 전기에너지를 생성하는 발전기/모터(21)와, 상기 발전기/모터(21)와 주요 전장품들의 전력 입출 경로인 고전압 라인(100)를 통해 연결되는 배터리(80)와, 상기 고전압 라인(100, main relay)에서 분기되어 상기 생성된 전기에너지를 이용하여 열을 발생시키는 열에너지 발생부(70), 및 상기 열에너지 발생부(70) 및 배터리(80)에 연결되어 상기 열에너지 발생부(70)에서 발생된 열에너지(75)를 배터리(80)에 공급하는 열에너지 전달부(73)를 포함하여 이루어진다.

상기 열에너지 발생부(70)는 전기에너지를 공급받아 열에너지를 발생시키는 발열체(72)와, 상기 발열체(72)를 제어하는 제어부(71)를 포함하여 이루어지며, 상기 열에너지 전달부(73)는 발생된 열에너지(75)를 배터리(80)에 전달하는 기능을 하고, 이를 위하여 팬 또는 펌프를 포함하여 이루어진다. 상기 발열체로는 저항, 인덕터 등의 전기 에너지로 발열이 가능한 모든 종류의 제품을 포함한다.

상기 유휴에너지(D)는 운동 에너지가 발전기/모터(21)를 통해 전기에너지로 일차적으로 변환된 상태로서, 열에너지로 변환하는 역할은 열에너지 발생부(70), 특히 큰 용량을 지닌 발열체(72)가 그 역할을 수행하도록 하였다. 일반적으로 발열체(72)는 비상시 또는 급격한 감속이 필요할 경우에만 작동되어 차량의 운동 에너지를 제거하는 것이지만, 본 발명에 따른 일 실시예에서는 저온에서도 발열체(72)를 작동시켜 유휴에너지(D)를 발열체(72)로 보내고 유휴에너지(D)를 열에너지로 변환하여 배터리(80) 팩의 온도를 올리도록 한다. 열에너지를 배터리(80)에 전달하는 방법으로는 다양한 방법들이 가능하나, 팬을 이용한 공랭식 또는 수냉식이 통상적으로 고려될 수 있는데, 공랭식인 경우에는 팬을 이용할 수 있고, 수냉식인 경우에는 펌프를 이용할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다. 실시예에서는 편의를 위해 직렬형 하이브리드를 기준으로 설명이 되어 있으나, 병렬형 하이브리드의 경우에도 동일한 적용이 가능하다.

본 발명의 일 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이 엔진 생성 출력(A)를 차량 구동 소요 출력(B)과 전장품 소요 출력(C)보다도 높도록 제어하여, 이로 인해 엔진 생성 출력(A)으로부터 차량 구동 소요 출력(B)과 전장품 소요 출력(C)을 제외한 에너지인 유휴에너지(D)가 존재하도록 한 후, 이를 배터리(80) 승온에 활용하는 방법에 관한 것이다.

도 1에서는 간략하게 하이브리드 차량 구성을 표현하였으나 조금 더 상세히 설명하면 도 6과 같은 하이브리드 차량으로 표현될 수 있다. 도 6을 참조하면, 엔진(22)이 작동되면 엔진(22)과 일축으로 연결되어 있는 발전기/모터(21)는 엔진 출력을 전기에너지로 변환하여 GCU(20)으로 전달한다. GCU(20)에서는 AC를 DC로 변환한 후 고전압 라인(100)를 통해 외부 전원공급 모듈인 PDU(30), 고전압 직류전원 모듈인 HDC(40), 저전압 직류전원 모듈인 LDC(50), 차량 구동용인 모터(61) 제어를 위한 모터제어 모듈인 MCU(60), 비상시 차량을 제동시키기 위한 열에너지 발생부(70), 차내에 전력을 공급하는 배터리(80)과 같은 전장품으로 전력을 내보내는 역할을 수행한다. 이때, 상기 모터(61)는 바퀴(62)를 구동시킨다.

상기 구성 요소 중 배터리(80)는 하이브리드 차량에서 빠질 수 없는 핵심 부품이지만, 화학 반응을 이용하는 특성상 배터리(80)가 정상 작동이 되지 않는 저온에서 정상 작동하지 않기 때문에 하이브리드 및 EV 모드를 이용하기 위해서는 배터리 온도를 빠른 시간 내에 올려주어야 할 필요성이 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서는 엔진(22)을 인위적으로 운전자가 요구하는 출력보다 고출력 상태를 유지하여 생성되는 유휴에너지(D)를 이용하여 빠른 시간 내에 배터리 온도를 올리는 것에 주안점이 있다. 이를 위해서 본 발명의 일 실시예에서는 발열체(72)로 저항을 활용하고자 한다.

통상 저항(72)은 비상 정지상황이 발생하였거나, 브레이크 작동을 최소화시켜 브레이크 부품의 수명을 연장시키거나, 또는 차량의 회생 제동 능력 이상의 제동이 필요한 때 작동되지만 본 발명의 일 실시예에서는 기계적, 전기적, 또는 알고리즘적으로 존재하는 제어부(71)를 통해 저온에서 저항(72) 회로가 상시 동작될 수 있도록 한다. 한편, 상기 열에너지 전달부(73)의 일측에는 상기 배터리(80)의 승온 및 온도 편차를 줄이도록 유체의 송출량을 제어하는 제2 배관(79)이 형성되어 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리(80) 승온 방법을 표현한 순서도인데, 이하에서는 도 8을 참조하여 배터리(80) 승온 방법에 대하여 설명하기로 한다.

먼저, 차량 전원이 인가된 후 배터리 온도와 배터리 정상운용온도를 비교(S10)한 후, 배터리 온도가 정상운용온도보다 낮을 경우 저온 운용 모드(S14)에 진입하게 되고, 배터리 온도가 배터리 정상운용온도보다 높은 경우에는 저온 운용 모드를 오프(S11)시킨다. 이후에는 발열체(72) 저전압 작동 모드도 오프(S12)시키고, 배터리(80)는 정상적으로 운용(S13)되게 된다. 이때, 배터리 정상운용온도는 배터리 최소 운용온도와 안전을 고려한 마진(a)의 합을 의미한다.

한편, 배터리 충전 상태와 무관하게 엔진(22)은 동작(S20)되며, 연산을 통해 공기 또는 유체가 배터리(80)의 일면을 흐르는 것이 배터리(80)의 승온 및 온도 편차를 줄이는데 유리할 경우에는 제2 배관(79)(공기 흡입 덕트 또는 유관)이 열리고 제2 배관(79)이 동작할 수 있도록 설정되며, 이 때 공기/유체 송출량 또한 제어된다. 즉, 실내 온도가 배터리 온도보다 높은 경우에는 열에너지 전달부(73)의 작동시 배터리(80) 승온이 빠르다면 배터리(80) 전용 팬 또는 펌프인 열에너지 전달부(73)를 온(S24)시키고, 실내 온도가 배터리 온도보다 낮거나 열에너지 전달부(73)의 작동시 배터리(80) 승온이 빠르지 않은 경우에는 배터리(80) 열에너지 전달부(73)를 오프(S23)시킨다.

이후 엔진 생성 출력(A)을 차량 구동 소요 출력(B), 전장품 소요출력(C), 차량 상황에 따른 소정의 여유분을 합한 값과 비교(S25)하여 엔진 생성 출력(A)이 작을 때에는 엔진 출력을 증대(S26)시키고 엔진 출력이 충분할 때에는 유지하거나 감소(S30)시키도록 제어하는 피드백을 통하여 유휴에너지(D)를 지속적으로 생성(S27)한다. 또한, 통상 발열체(72)는 고전압 하에서만 발열체(72) 회로가 개방되어 고전압이 발열체(72)를 경유하도록 설계되지만, 본 발명에 따른 실시예에서는 저온시 제어부(71)에서 저전압 작동 모드를 동작(S29)시켜 고전압이 아닌 상황에서도 발열체(72) 회로를 개방하여 유휴에너지(D)가 발열체(72)로 흘러 들어가게 된다(S31).

유휴에너지(D)에 의해 발열체(72)가 발열(S32)하여 열에너지를 발생시키게 되고, 발열체(72) 온도가 과도하게 높아지면 문제가 발생할 수 있으므로, 허용온도와 비교(S33)하여, 발열체(72)의 온도가 허용 온도보다 낮으면 엔진 출력을 유지하거나 또는 감소(S30)시킬 수 있고, 발열체(72)의 온도가 허용 온도보다 낮으면 팬/펌프와 같은 저온 가열용 열에너지 전달부(73)를 작동(S34)시켜 배터리 온도를 상승(S35)시킨다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이 발전기/모터(21)와 연결된 주 릴레이(100)와 그라운드(G) 사이에 위치한 발열체(72)를 이용하여 주 릴레이(100)와 그라운드 사이의 전위차로 인해 발열체(72)를 지나가면서 유휴에너지(D)가 열에너지(75)로 변환되며, 변환된 열에너지(75)를 팬/펌프와 같은 열에너지 전달부(73)를 이용하여 제1 배관(74)을 통해 배터리(80)로 전달하는 구조를 지닌다.

이때, 발열체(72)에서 생성되는 온도가 허용 온도를 넘을 경우에는 시스템 보호를 위하여 열에너지 전달부(73) 또는 별도의 팬/펌프(미도시)를 동작하여 유량을 증대시킴으로써 발열량 자체는 유지하고 온도를 낮추거나, 엔진 출력을 유지 또는 감소시킴으로써 발열량 자체를 낮추어 허용 온도를 유지하는 방식 등을 적용할 수 있다. 또한, 제1 배관(74)을 차량 공조장치와 연결할 경우에는 객실 히터로도 이용이 가능하다.

도 5를 참조하면, 일반 차량 및 배터리(80)가 작동하지 않는 상태에서의 하이브리드 차량은 엔진(22) 최적 운용점(X)에서 멀리 떨어진 영역(Z)에서 운전이 이루어지게 된다. 이는 엔진(22)을 최적운용영역에서 운용할 경우 차량에서 소모하는 것보다 많은 에너지가 생성되는데, 이 에너지를 받아들일 수 있는 버퍼가 없기 때문이다. 그러나 본 발명에 따른 저온 운용 모드에서는 엔진(22)에서 생성되는 유휴에너지(D)를 발열체(72)에서 즉시 열에너지로 변환하기 때문에 엔진(22)을 최적 운용 영역에서 운용하며 유휴에너지(D)만큼을 배터리 온도를 올리며, 배터리 온도가 정상 운용 온도까지 높아지게 되면 배터리(80)가 버퍼의 역할을 수행할 수 있다. 따라서 본 발명이 적용된 하이브리드 차량은 저온에서도 즉각적으로 높은 연비를 달성할 수 있다. 이때, Y는 저온 모드 운용시 엔진(22)의 동작영역을 나타낸다.

도 3은 온도에 따른 배터리의 내부 저항의 특성을 나타내는 그래프인데, 온도가 낮아짐에 따라 발열체(72)의 크기는 점점 커지는 것을 알 수 있는데, SOC는 배터리의 충전 상태(state of charge)를 의미한다.

한편, 본 발명은 에너지 제어 흐름을 조정하는 것이 중요하다. 에너지 제어를 제대로 할 경우에는 연비 향상 및 배터리 고속 승온이 가능하지만, 제어가 잘못될 경우에는 엔진 출력이 전장품 입력 용량을 초과함으로 인해 부품이 파손되는 등 차량이 오작동을 할 가능성이 있다. 따라서 아래는 이와 관련된 사항에 대하여 설명한다.

하이브리드 차량은 운행 중 운전자가 감속을 하기 위해 브레이크를 밟을 경우 모터를 통한 회생 제동을 수행할 수 있으나, 저온에서는 배터리(80)가 작동되지 않으므로 회생 제동시 발생하는 에너지를 받아들일 수 없기 때문에 회생 제동 수행이 불가능하다. 그러나 본 발명에서는 발열체(72) 등의 열에너지 발생부(70)로 회생 제동시 생성되는 에너지를 송급하여 배터리(80) 승온에 활용함으로써 낭비되는 운동 에너지를 줄일 수 있다.

이때, 차량 감속을 위해 운전자가 브레이크를 밟을 때와 같이 회생 제동을 수행할 경우에는 열에너지 발생부(70)의 입력 용량을 고려하여 회생 제동 양을 조절하며, 회생 제동되어 생성되는 전기 에너지를 배터리 승온에 활용하도록 한다.

한편, 배터리(80) 승온을 하기 위해 엔진(22)을 동작시키고 차량에서 소모되고 남는 에너지를 열에너지 발생부(70)를 통해 변환할 때는 열에너지 발생부(70)(발열체(72) 등)의 입력 용량이 초과되지 않는 것이 대단히 중요하다. 이를 초과할 경우 열에너지 발생부(70)의 이상이 초래될 뿐 아니라 기타 전장품으로 과도한 전력이 공급되어 파손 및 고장이 발생될 수 있기 때문이다. 따라서 운전자의 의도(가속 페달 깊이)와 주행 패턴 등을 분석하여 차량에서 소요되거나 소요될 출력을 산출함으로써 엔진 출력량 증감 또는 엔진 출력량은 유지하면서 열에너지 변환 장치로의 입력 출력을 조절하는 등, 엔진(22)과 열에너지 발생부(70)의 적극적인 입출력량 조절을 통해 차량의 정상적인 기동과 배터리(80) 승온을 지속할 수 있도록 한다.

또한, 열에너지 전달 매질의 온도 또는 열에너지 발생부(70)의 온도가 허용치 이상으로 상승할 경우 열에너지 발생부(70) 중 일부 또는 전체를 끄거나, 열에너지 전달부(73)의 작동을 통해 열에너지를 빠른 속도로 열에너지 발생부(70)의 외부로 방출하도록 하여 과열되는 것을 방지할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 승온 방법에 따른 배터리의 온도 추이를 시간에 따라 나타낸 그래프인데, 시간이 지남에 따라 배터리의 온도가 증가함을 알 수 있다. 이는 발열체(72)에 의해 발생된 열에너지가 공급되었기 때문이다.

이상에서는 직렬형 하이브리드에 한정하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 병렬형 하이브리드 및 혼합형 하이브리드에서도 적용이 가능하다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

엔진과 맞물려 전기에너지를 생성하는 발전기;
상기 발전기와 고전압 라인을 통해 연결되는 배터리;
상기 고전압 라인에서 분기되어 상기 생성된 전기에너지를 이용하여 열을 발생시키는 열에너지 발생부; 및
상기 열에너지 발생부 및 배터리에 연결되어 상기 열에너지 발생부에서 발생된 열에너지를 배터리에 공급하는 열에너지 전달부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 장치.
제1항에 있어서,
상기 열에너지 발생부는,
전기에너지를 공급받아 열에너지로 변환시키는 발열체; 및
상기 발열체를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 장치.
제2항에 있어서,
상기 열에너지 전달부는,
팬 또는 펌프를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 장치.
제3항에 있어서,
상기 열에너지 전달부의 일측에는 상기 배터리의 승온 및 온도 편차를 줄이도록 유체의 송출량을 제어하는 배관이 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 장치.
제2항에 있어서,
상기 발열체는 저항 또는 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 장치.
엔진과 연결된 발전기에 의해 전기에너지를 생성하는 단계;
상기 생성된 전기에너지를 차량 전장품에 소모하는 단계; 및
상기 전장품에서 소모되지 않고 남은 전기에너지로 배터리를 승온시키는 단계를 포함하고,
상기 배터리 승온시키는 단계는,
상기 전장품에서 소모되지 않고 남은 전기에너지인 유휴 에너지를 열에너지 발생부에서 열에너지로 변환하는 단계; 및
상기 변환된 열에너지를 배터리로 전달하는 단계를 포함하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법.
제6항에 있어서,
상기 유휴 에너지를 생성하는 단계는,
배터리 온도가 배터리 정상운용온도보다 낮은 경우에 수행되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법.
제7항에 있어서,
상기 배터리의 온도 편차가 심하거나 국소적으로 배터리의 한계 온도에 다다른 경우에는 발열체의 출력 또는 유속을 변경하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법.
제7항에 있어서,
상기 배터리의 온도 편차가 심하거나 국소적으로 배터리의 한계 온도에 다다른 경우에는 한계 온도에 다다른 배터리 셀로 유체가 흐르지 않도록 우회 경로로 유체를 흘리도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법.
제6항에 있어서,
차량과 운전자가 요구하는 출력을 센서 또는 주행 패턴 등을 통해 예측하여, 엔진 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법.
제6항에 있어서,
상기 생성되는 전기에너지는,
전장품 소요 출력과 차량 구동 소요 출력보다 큰 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법.
제6항에 있어서,
급격한 엔진 출력의 증대가 요구되는 경우, 열에너지 발생부의 입력 용량이 초과되지 않도록 엔진 출력 증대량을 제어하거나, 열에너지 발생부로 송급되는 엔진 출력을 줄이고 차량 구동에 활용되는 엔진 출력량을 늘림으로써 차량의 정상적인 구동과 배터리 승온을 지속하도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법.
제6항에 있어서,
열에너지 전달 매질의 온도 또는 열에너지 발생부의 온도가 허용치 이상으로 상승할 경우 열에너지 발생부 중 일부 또는 전체를 끄거나, 팬 또는 펌프의 작동을 통해 열에너지를 빠른 속도로 열에너지 발생부의 외부로 방출하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법.
제6항에 있어서,
상기 배터리 승온시키는 단계에서 회생 제동 수행시, 열에너지 발생부의 입력 용량을 고려하여 회생 제동 양을 조절하며, 회생 제동되어 생성되는 전기 에너지를 배터리 승온에 활용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 배터리 승온 방법.