KR101496516B1 - 배터리 온도 조절 시스템 및 이의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발열패드를 포함하는 배터리부; 상기 배터리부와 연결된 도선; 및 상기 도선을 감싸는 전류유도부를 포함하고, 상기 전류유도부는 상기 발열패드와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 배터리 온도 조절 시스템은 배터리부와 연결된 도선을 감싸는 전류유도부를 적용하여 유도전류를 발생시키고, 발열패드에 유도전류를 공급하여 배터리부의 온도를 올림으로써, 외부 전원 없이도 저온 영역에서 원하는 배터리 출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

배터리 온도 조절 시스템 및 이의 구동 방법{BATTERY THERMAL MANAGEMENT SYSTEM AND METHOD FOR DRIVING THE SAME}
본 발명은 배터리 온도 조절 시스템 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 및 전기자동차 등에 사용되는 배터리는 온도가 낮아질수록 내부 저항이 급격히 증가하고 그 용량이 감소하여 출력이 저하되며, 특히 0℃ 이하의 저온에서는 실온에 비해 절반 이상 그 용량이 감소하는 문제가 있다.
이러한 문제를 개선하기 위하여, 종래에는 배터리 자체의 전원을 사용하여 배터리를 승온시키는 방법을 사용하였다. 이는 자동차 주행 이외의 에너지 소모를 발생시켜 전체적으로 배터리의 출력을 저하시키는 결과를 초래한다. 즉, 배터리를 승온시킬 때 필요한 에너지를 배터리 자체적으로 조달하기 때문에 자동차 주행에 필요한 에너지를 추가적으로 소모하는 결과를 갖는다.
따라서, 별도의 전원 공급 없이도 배터리의 출력을 저하시키지 않고 배터리를 승온시키는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
등록실용신안 제0137986호
본 발명은 발열패드를 포함하는 배터리부; 상기 배터리부와 연결된 도선; 및 상기 도선을 감싸는 전류유도부를 포함하고, 상기 전류유도부는 상기 발열패드와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템 및 이의 구동 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 발열패드를 포함하는 배터리부; 상기 배터리부와 연결된 도선; 및 상기 도선을 감싸는 전류유도부를 포함하고, 상기 전류유도부는 상기 발열패드와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 모터부; 발열패드를 포함하는 배터리부; 상기 모터부와 상기 배터리부 사이를 연결하는 도선; 및 상기 도선을 감싸는 전류유도부를 포함하고, 상기 전류유도부는 상기 발열패드와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 발열패드를 포함하는 배터리부와 연결된 도선에 전류를 발생시켜 상기 배터리부를 충·방전시키면서 상기 도선 주위에 자기력을 형성하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 형성된 자기력을 통해 상기 도선을 감싸는 전류유도부 내 유도전류를 발생시키는 단계; 및 (c) 상기 발열패드에 상기 (b) 단계에서 발생된 유도전류를 공급하는 단계를 포함하는 배터리 온도 조절 시스템의 구동 방법을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 (a) 모터부와 발열패드를 포함하는 배터리부 사이를 연결하는 도선에 전류를 발생시켜 배터리부를 충·방전시키면서 도선 주위에 자기력을 형성하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 형성된 자기력을 통해 상기 도선을 감싸는 전류유도부 내 유도전류를 발생시키는 단계; 및 (c) 상기 발열패드에 상기 (b) 단계에서 발생된 유도전류를 공급하는 단계를 포함하는 배터리 온도 조절 시스템의 구동 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 온도 조절 시스템은 배터리부와 연결된 도선(구체적으로, 모터부와 배터리부 사이를 연결하는 도선)을 감싸는 전류유도부를 적용하여 유도전류를 발생시키고, 발열패드에 유도전류를 공급하여 배터리부의 온도를 올림으로써, 외부 전원 없이도 저온 영역에서 원하는 배터리 출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 온도 조절 시스템의 개략도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열패드를 포함하는 배터리부의 개략도를 도시한 것이다.
종래 배터리부와 연결된 도선을 감싸는 전류유도부를 적용하여 유도전류를 발생시키고, 이를 이용한 배터리 온도 조절 시스템이 적용된 예는 없었다. 이에, 본 발명자들은 배터리 온도 조절 시스템에 대하여 연구하던 중, 외부 전원 없이도 배터리의 온도를 올림으로써 저온 영역에서도 원하는 배터리 출력을 얻을 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 발열패드를 포함하는 배터리부; 상기 배터리부와 연결된 도선; 및 상기 도선을 감싸는 전류유도부를 포함하고, 상기 전류유도부는 상기 발열패드와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템을 제공한다.
구체적으로, 본 발명은 모터부; 발열패드를 포함하는 배터리부; 상기 모터부와 상기 배터리부 사이를 연결하는 도선; 및 상기 도선을 감싸는 전류유도부를 포함하고, 상기 전류유도부는 상기 발열패드와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 온도 조절 시스템의 개략도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열패드를 포함하는 배터리부의 개략도를 도시한 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 온도 조절 시스템은 모터부(100), 발열패드(210)를 포함하는 배터리부(200), 및 상기 모터부(100)와 상기 배터리부(200)의 셀(220) 사이를 연결하는 도선(300), 및 상기 도선(300)을 감싸는 전류유도부(400)를 포함하여 이루어지는 것이고, 상기 전류유도부(400)는 상기 발열패드(210)와 전기적으로 연결되어 이루어진다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 배터리부(200)는 다수의 셀(220) 및 다수의 발열패드(210)를 포함할 수 있는 것으로, 다수의 셀(220)이 전기적으로 연결되고, 각 셀(220) 사이에 위치한 발열패드(210)를 포함하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 발열패드(210)는 열선(221)을 포함할 수 있다.
상기 모터부(100)는 배터리부(200)로부터 전기에너지를 받아 역학적에너지로 바꾸는 역할을 하는 것으로, AC 모터 또는 DC 모터일 수 있다. 예를 들면, 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 등의 구동을 위한 장치일 수 있다.
상기 배터리부(200)는 모터부(100)를 구동시키기 위한 에너지를 공급하는 역할을 하는 것으로, 다수 개의 셀(220)이 전기적으로 연결되고, 각 셀(220) 사이에 위치한 발열패드(210)를 포함함으로써 일정온도를 유지할 수 있다. 이때, 상기 셀(220)은 충·방전이 가능한 이차전지인 것이 바람직하고, 리튬 이차전지인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 발열패드(210)는 전류유도부(400)와 전기적으로 연결된 것으로, 전류유도부(400)와 접합된 도선과 연결되어, 전류유도부(400)로부터 유도전류를 공급받는 것을 특징으로 한다. 발열패드(210)는 상부에 제 1발열패드가 형성되고 하부에 제 2발열패드가 형성되며 그 중간에 열선(221)이 내장되며, 제 1발열패드와 제 2발열패드 사이에 열선(221)과 도선의 접합부와 도선 구멍이 형성되어 도선과 연결되도록 형성될 수 있다. 특히, 열선(221)은 발열패드(210)에 내장된 것으로, 전류유도부(400)로부터 발생된 유도전류를 공급받아 셀(220)을 승온시키는 역할을 한다. 열선의 종류는 특별히 한정하지 않고, 일반열선, 실리콘열선, 카본열선, 특수카본열선, 무자계열선 등이 사용될 수 있다.
상기 배터리부는 파워 툴(Power Tool); 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 다양하게 이용될 수 있다.
상기 전류유도부(400)는 발열패드(210)와 전기적으로 연결된 것으로, 발열패드(210)에 유도전류를 공급하고자 모터부(100)와 배터리부(200) 사이를 연결하는 도선(300)을 감싸도록 형성될 수 있고, 일 실시예로는 도선(300)을 촘촘하고 균일하게 원통형으로 길게 감아 만든 솔레노이드(solenoid) 코일로 이루어질 수 있다.
일반적으로 전류가 흐르는 도선 주위로는 자기장이 형성되는데, 도선을 나선형으로 촘촘하고 균일하게 원통형으로 길게 감아 만들어서 전류를 흘리면 원통의 외부에서는 자기장이 거의 0이고 내부에는 비교적 균일한 크기의 자기장이 형성된다. 따라서, 상기 솔레노이드 코일은 전기에너지를 자기에너지로 바꾸므로 에너지변환장치라 할 수 있고, 전류의 세기를 조절하여 자기장의 세기를 조절할 수 있는 전자석이 될 수 있는데, 이때 발생되는 유도전류는 솔레노이드 코일을 이루는 물질 및 형태에 따라 유도 용량이 결정되며 그 값은 다음과 같다.
L=μ0n2lA
L= 유도 용량
μ0= 진공에서의 투자율
n= 단위길이당 감긴 도선의 수
l= 솔레노이드 코일의 길이
A= 솔레노이드 코일의 단면적
이때, 솔레노이드 코일은 전기전도성이 우수한 금속 또는 금속합금으로 이루어지는데, 도전율이 5.80×106 mhos/m 이상인 금속 또는 금속합금으로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이와 같이 솔레노이드 코일은 도전율이 5.80×106 mhos/m 이상인 금속 또는 금속합금이면 어느 것이나 사용할 수 있으나, 본 발명의 일 구체예에서는 구리로 이루어진 솔레노이드 코일을 사용하였다. 구리는 도전율이 5.80×107 mhos/m 인 것으로 전기전도성이 특히 우수하다.
또한, 본 발명의 배터리 온도 조절 시스템은 상기 배터리부(200)의 온도를 제어하기 위한 제어부(500)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부(500)는 배터리부(200)의 셀(220) 표면의 온도를 실시간 감지하여 기준 온도 이상이 되면 유도전류의 흐름을 차단함으로써 배터리부(200)의 셀(220)의 온도를 적정 온도로 유지시키는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 제어부(500)는 스위치부일 수 있고, 보다 구체적으로, 상기 제어부(500)은 솔리드 스테이트 계전기(Solid State Relay) 스위치부일 수 있다. 스위치부로 솔리드 스테이트 계전기를 사용함으로써 스위칭 수명을 늘릴 수 있으며, 보다 신뢰성 있는 스위칭을 할 수 있다. 이때, 배터리부(200)의 기준 온도는 20℃ 내지 30℃ 범위 내인 것이 바람직하고, 상온(25℃)인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 배터리부(200)의 온도가 기준 온도 이상으로 상승하게 되면, 배터리가 퇴화되어 오히려 부정적인 영향을 미치게 되는바 배터리부(200)의 온도를 실시간으로 감지하여 유도전류의 흐름을 차단하게 된다.
또한, 본 발명의 배터리 온도 조절 시스템은 종래의 통상적인 온도 조절 장치와 함께 부가적으로 사용될 수 있다.
일 구체예로, 본 발명의 배터리 온도 조절 시스템은 배터리부 자체의 전원을 사용하여 배터리부를 승온시키는 장치 및 별도의 전원을 사용하여 배터리부를 승온시키는 장치 중 적어도 하나를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 발열패드를 포함하는 배터리부와 연결된 도선에 전류를 발생시켜 상기 배터리부를 충·방전시키면서 상기 도선 주위에 자기력을 형성하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 형성된 자기력을 통해 상기 도선을 감싸는 전류유도부 내 유도전류를 발생시키는 단계; 및 (c) 상기 발열패드에 상기 (b) 단계에서 발생된 유도전류를 공급하는 단계를 포함하는 배터리 온도 조절 시스템의 구동 방법이 제공된다.
구체적으로, 본 발명은 (a) 모터부(100)와 발열패드(210)를 포함하는 배터리부(200) 사이를 연결하는 도선(300)에 전류를 발생시켜 배터리부(200)를 충·방전시키면서 도선(300) 주위에 자기력을 형성하는 단계; (b) 상기 형성된 자기력을 통해 상기 도선(300)을 감싸는 전류유도부(400) 내 유도전류를 발생시키는 단계; 및 (c) 상기 발열패드(210)에 상기 (b) 단계에서 발생된 유도전류를 공급하는 단계를 포함하는 배터리 온도 조절 시스템의 구동 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 배터리 온도 조절 시스템의 구동 방법은 상기 배터리부(200)의 온도가 기준 온도 이상 상승하는 경우 상기 (c) 단계에서 공급된 유도전류를 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 온도 조절 시스템의 구동 방법에서는, 배터리부의 충·방전 과정을 통해 모터부(100)와 배터리부(200) 사이를 연결하는 도선(300)에 전류를 발생시키고, 이는 암페어의 오른손 나사 법칙에 따라 도선(300)의 주위에 자기력을 형성하게 된다. 형성된 자기력을 통해 도선(300)을 감싸는 전류유도부(400) 내에서 유도전류를 발생시킨다. 발생된 유도전류는 배터리부(200)의 발열패드(210)에 공급되고, 배터리부(200)를 가열하여 온도를 올리게 된다. 이때 배터리부(200)의 온도를 실시간으로 감지하여, 기준 온도 이상으로 상승하는 경우 공급된 유도전류를 차단시켜 배터리부(200)의 온도를 조절할 수 있다.
이때, 배터리부(200)의 기준 온도는 20℃ 내지 30℃ 범위 내인 것이 바람직하고, 상온(25℃)인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 배터리부(200)의 온도가 기준 온도 이상으로 상승하게 되면, 배터리가 퇴화되어 오히려 부정적인 영향을 미치게 되는바 배터리부(200)의 온도를 실시간으로 감지하여 유도전류의 흐름을 차단하게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 온도 조절 시스템은 배터리부와 연결된 도선, 예를 들어 모터부(100)와 배터리부(200) 사이를 연결하는 도선(300)을 감싸는 전류유도부(400)를 적용하여 유도전류를 발생시키고, 발열패드(210)에 유도전류를 공급하여 배터리부(200)의 온도를 올림으로써, 외부 전원 없이도 0℃ 이하의 저온 영역에서 종래 배터리 자체의 전원을 사용하여 배터리를 승온시키는 방법에 비해 최대 20%의 배터리 출력 향상 효과를 얻을 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 모터부
200: 배터리부
300: 도선
400: 전류유도부
500: 제어부
210: 발열패드
211: 열선
220: 셀

Claims (15)

  1. 발열패드를 포함하는 배터리부;
    상기 배터리부와 연결된 도선; 및
    상기 도선을 감싸는 전류유도부를 포함하고,
    상기 전류유도부는 상기 발열패드와 전기적으로 연결되며,
    상기 배터리부의 충·방전시 도선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 도선 주위의 자기력에 의해 전류유도부에 발생하는 유도전류가 발열패드로 공급되는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도선을 통하여 상기 배터리부에 연결되는 모터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리부는 다수의 셀 및 다수의 발열패드를 포함하는 것인 배터리 온도 조절 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 셀은 리튬 이차전지인 배터리 온도 조절 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리부는 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 전기 트럭; 전기 상용차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용되는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 발열패드는 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전류유도부는 솔레노이드 코일로 이루어진 것인 배터리 온도 조절 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 솔레노이드 코일은 도전율이 5.80×106 mhos/m 이상인 금속 또는 금속합금으로 이루어진 것인 배터리 온도 조절 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리부의 온도를 제어하기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제어부는 솔리드 스테이트 계전기(Solid State Relay) 스위치부인 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리부 자체의 전원을 사용하여 상기 배터리부를 승온시키는 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    별도의 전원을 사용하여 상기 배터리부를 승온시키는 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템.
  13. (a) 배터리부의 충·방전시 배터리부와 연결된 도선에 흐르는 전류에 의해 상기 도선 주위에 자기력을 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 형성된 자기력을 통해 상기 도선을 감싸는 전류유도부 내 유도전류를 발생시키는 단계; 및
    (c) 상기 배터리부에 포함된 발열패드에 상기 (b) 단계에서 발생된 유도전류를 공급하는 단계를 포함하는 배터리 온도 조절 시스템의 구동 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    (a) 모터부와 발열패드를 포함하는 배터리부 사이를 연결하는 도선에 전류를 발생시켜 배터리부를 충·방전시키면서 도선 주위에 자기력을 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 형성된 자기력을 통해 상기 도선을 감싸는 전류유도부 내 유도전류를 발생시키는 단계; 및
    (c) 상기 발열패드에 상기 (b) 단계에서 발생된 유도전류를 공급하는 단계를 포함하는 배터리 온도 조절 시스템의 구동 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 배터리부의 온도가 기준 온도 이상 상승하는 경우 상기 (c) 단계에서 공급된 유도전류를 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 조절 시스템의 구동 방법.
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