KR101746068B1 - 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩을 냉각시키기 위한 다수의 냉각팬을 단일 제어보드를 사용하여 구동함에 따라 최소 배선 가닥수로 이루어진 와이어 하니스를 사용할 수 있는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템에 관한 것이다.
상기 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 배터리 팩의 측면에 설치된 하우징 내부에 간격을 두고 설치되어 송풍력을 발생시키는 복수의 냉각팬; 및 상기 냉각팬이 직접 실장되며, 냉각팬의 제어 및 전원을 공급하는 제어보드를 포함하고, 상기 제어보드는 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 모터 구동 정보에 따라 상기 복수의 냉각팬을 구동하기 위한 적어도 하나의 신호처리장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템{System for Controlling Multiple Cooling Fans for Battery Cooling}
본 발명은 배터리 팩을 냉각시키기 위한 다수의 냉각팬을 단일 제어보드를 사용하여 구동함에 따라 최소 배선 가닥수로 이루어진 와이어 하니스를 사용할 수 있는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 전기 자동차는 배기가스 대책의 일환으로 개발된 차량으로 일반적인 내연기관 장착 차량보다 소음이 적고, 배기가스가 없는 장점이 있다.
이러한 전기 자동차는 전기 에너지로 전동기를 구동하고, 이를 동력전달장치를 통해 바퀴를 회전시켜 주행하는 무공해 차량으로서, 구동력에 필요한 동력원으로 배터리가 사용된다.
전기 자동차에 사용되는 배터리(battery)는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
그런데, 상기 배터리는 내부저항을 가지고 있기 때문에, 충방전에 있어서는 발열을 수반한다. 그 때문에 배터리의 충방전이 반복됨에 따라 배터리의 온도는 상승한다.
또한, 이와 같은 배터리는 일반적으로 고온의 상태에서 계속해서 사용하면 그 수명이 짧아진다. 그 때문에 배터리를 보호하기 위하여 배터리가 고온일 때는 충방전 전류를 제한하는 제어가 이루어져 있는 것도 있다. 그러나 이 경우, 차량의 추진력이 충분히 얻어지지 않기도 하고, 하이브리드차에 있어서는 내연기관의 연비 악화를 초래하기도 한다.
이와 같은 이유로, 전기 차량 및/또는 하이브리드 차량의 배터리팩 조립체에는 BMS 모듈(Battery Management System)이 설치되어, 전지의 과충전이나 과방전, 또는 전지 사용시 온도상승 등에 따른 전지의 발화 및 폭발과 같은 안전사고를 방지하고 전지를 최적 상태로 유지하는 역할을 한다.
이러한 BMS 모듈은 각 전지의 전압 및 온도를 측정하여 전지의 이상 유무를 판단하는데, 각 전지의 전극단자에는 PCB와 온도센서가 전기적으로 연결되고 PCB에서 측정된 각 전극단자의 전압과 온도센서에 의해 측정된 각 전극단자의 온도는 BMS 모듈로 전달되며, 다수의 냉각팬을 제어하여 다수의 배터리 팩을 냉각한다.
한국 공개특허공보 제10-2003-0097103호(특허문헌 1)에는 다수개의 배터리가 각각의 설정된 영역에 배열되도록 구성되는 배터리 트레이와; 상기 다수개의 배터리 온도를 검출하는 배터리 온도 검출부와; 상기 배터리 온도 검출부를 통해 검출된 다수개의 배터리간 온도 편차를 감소시키도록 상기 각각의 설정된 영역별 배터리의 독립적인 냉각 제어를 위한 구동 제어신호를 발생하는 배터리 제어부와; 상기 배터리 트레이의 설정된 영역에 개별적으로 설치되며, 상기 배터리 제어부로부터 공급되는 구동 제어신호의 입력에 따라 구동되어 상기 설정된 영역에 배열된 배터리들을 냉각시키는 냉각팬과; 상기 배터리 제어부와 상기 냉각팬의 사이에 전기적으로 회로 연결되어 상기 배터리 제어부로부터 상기 냉각팬으로 공급되는 구동 제어신호의 흐름을 단속하는 냉각팬 구동 제어부를 포함하는 전기 차량의 배터리 냉각 제어장치가 개시되어 있다.
특허문헌 1에서는 각각의 냉각팬 구동상태가 하이(High), 미디움(Medium), 로우(Low), 오프(Off)로 구분되도록 설정된 냉각팬 제어선을 배터리 제어부(BMS)와 전기적으로 회로 연결하여, 독립적인 냉각팬 제어를 통해 배터리간의 온도 편차를 감소시켜 배터리의 성능 저하를 억제하고 있다.
그러나, 특허문헌 1에서는 냉각팬 구동상태가 4가지 상태 중 하나로 설정될 뿐 연속적인 값으로 제어가 이루어지지 못하였다.
한편, 종래에 배터리들을 냉각시키기 위한 다수의 냉각팬은 축류팬이 사용되며 가이드와 함께 모듈화하여 배터리 팩에 설치되며, 모듈화된 다수의 냉각팬은 설치용 브라켓에 의해 일체화되어 고정되고 있다.
이 경우, 각각의 냉각팬은 각각의 임펠러를 구동하는 구동모터에 한쌍의 전원선, 모터의 회전속도를 나타내는 FG 신호선, 제어선(PWM 제어용 듀티비(duty ratio)값)이 연결되어 있으며, 예를 들어, 3개의 냉각팬을 구동하기 위해서는 12개의 배선이 구비된 와이어 하니스(wire harness)를 사용하여 다수의 핀 콘넥터와 연결 조립되고 있어, 조립성 및 원가 상승 요인이 되고 있다.
또한, 종래에는 각각의 구동모터를 구동하기 위한 구동 PCB의 크기가 제한되어 있기 때문에 공간 협소로 인해 다양한 기능을 구현하기 위한 신호처리장치, 예를 들어, 마이크로프로세서(CPU)를 채용하기 어렵게 된다. 따라서, 냉각팬용 구동모터를 배터리 관리 시스템(BMS)에서 직접 제어하여야 하는 부담이 발생한다.
: 한국 공개특허공보 제10-2003-0097103호
따라서, 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 배터리 팩을 냉각시키기 위하여 모터와 모터 사이의 공간을 활용하도록 다수의 냉각팬을 커버하는 큰 사이즈를 갖는 단일 인쇄회로기판을 사용하여 제어보드를 구성함에 의해 다양한 기능을 수행할 수 있는 신호처리용 프로세서를 제어보드에 장착할 수 있는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 단일 인쇄회로기판의 제어보드에 신호처리용 프로세서를 탑재함과 동시에, 제어보드에 다수의 냉각팬을 직접 실장함에 의해 최소한의 배선으로 이루어진 와이어 하니스(wire harness)를 사용하여 배터리 관리 시스템과 연결이 이루어질 수 있는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 단일 인쇄회로기판의 제어보드에 신호처리용 프로세서를 구비하고, 배터리 관리 시스템에서 제어값을 수신하여 다수의 냉각팬의 RPM 제어를 독립적으로 운영하거나 집중 제어를 통해 시스템의 안정화를 도모할 수 있는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다수의 냉각팬 중 이상이 발생할 때 나머지 냉각팬의 풍량을 증가시킴에 의해 전체적인 풍량을 동일하게 유지할 수 있는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 본 발명은 배터리 팩의 측면에 설치되며 복수의 흡입구가 간격을 두고 배치된 제1하우징; 상기 복수의 흡입구에 대응하여 배치되며 송풍력을 발생시키는 복수의 냉각팬; 상기 제1하우징의 배면에 복수의 냉각팬을 수용하도록 결합되며 복수의 배출구를 갖는 제2하우징; 및 상기 제2하우징의 내측에 설치되어 냉각팬을 제어하고 전원을 공급하는 제어장치는 포함하고, 상기 제어장치는 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 모터 구동 정보에 따라 상기 복수의 냉각팬을 구동하기 위한 적어도 하나의 신호처리장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템을 제공한다.
상기 제어장치는 상기 제2하우징 내부에 설치되고, 복수의 냉각팬이 고정 설치되는 제어보드; 상기 제어보드에 실장되며 각각 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 모터 구동 정보에 따라 상기 복수의 냉각팬을 제어하기 위한 복수의 구동신호를 발생하는 신호처리장치; 상기 제어보드에 실장되며 상기 신호처리장치로부터 발생된 복수의 구동신호에 따라 복수의 냉각팬의 모터를 각각 구동하는 복수의 드라이버; 및 상기 배터리 관리 시스템(BMS)와 제어보드를 연결하며, 복수의 냉각팬의 모터를 구동하기 위한 전원, 모터의 구동 정보 및 모터의 상태정보를 송수신하기 위한 와이어 하니스를 포함하며, 상기 와이어 하니스를 통하여 복수의 모터를 구동하기 위한 전원과 모터의 구동 정보를 공통으로 수신할 수 있다.
또한, 상기 와이어 하니스와 신호처리장치 사이에 설치되어 모터의 구동 정보를 수신하고, 모터의 상태정보를 송신하기 위한 통신모듈을 더 포함하며, 상기 와이어 하니스는 외부전원(Vdd,Gnd)과 파워 콘트롤 신호(Power Control)를 공통으로 수신하기 위한 3개의 배선과, 통신모듈용 2개의 배선으로 이루어질 수 있다.
상기 통신모듈은 CAN(controller area network) 통신, LIN(Local Interconnect Network) 통신 및 UART(Universal asynchronous receiver/transmitter) 통신 방식 중 어느 하나일 수 있다.
상기 냉각팬은 각각 스테이터와 로터가 레이디얼 갭형으로 구성된 모터; 및
상기 로터와 함께 회전되며 흡입구의 축방향으로 공기를 흡입하여 반경방향으로 공기를 토출하는 임펠러를 포함한다. 이 경우, 상기 모터는 중앙부에 관통구멍이 형성되고 일단이 제어보드에 고정되는 베어링부싱; 내주부가 상기 베어링부싱의 외주에 고정되는 스테이터; 상기 베어링부싱의 관통구멍에 간격을 두고 설치된 한쌍의 슬리브 베어링; 상기 한쌍의 슬리브 베어링에 회전 가능하게 지지되어 있는 회전축; 및 상기 스테이터의 외주에 에어갭을 두고 배치되며, 로터 지지체의 중앙부에 회전축이 결합되고 외주부에 임펠러가 결합된 로터를 포함할 수 있다.
상기 제어보드는 흡입구가 설치된 하우징의 배면에 배치되며 상기 신호처리장치와 드라이버가 배치되는 본체; 및 상기 본체로부터 흡입구의 배면 부분을 향하여 돌출되며, 상기 모터가 지지되는 베어링부싱이 고정되는 복수의 연결부를 포함할 수 있다.
상기 신호처리장치는 상기 와이어 하니스의 통신 입력(input)을 통하여 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 모터 RPM 제어에 필요한 듀티 비 값을 수신하고, 모터의 전류, 전압, 온도 및 상태(status) 정보를 배터리 관리 시스템(BMS)에 전송할 수 있다.
또한, 상기 신호처리장치는 상기 모터에 인접 설치된 홀 센서로부터 수신된 각 모터의 로터위치신호로부터 각 모터의 현재 회전속도를 산출하여 배터리 관리 시스템(BMS)에 각 모터의 회전속도신호를 전송할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 달팽이관 구조를 가지고 상기 냉각팬에 의해 반경방향으로 토출되는 공기를 모아서 일측으로 공기 흐름을 가이드하는 복수의 가이드부; 및 상기 가이드부와 토출구 사이를 연결하는 복수의 덕트부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 배터리 팩의 측면에 설치되고 복수의 흡입구와 배출구를 갖는 하우징; 상기 하우징 내부에 복수의 흡입구에 대응하여 설치되는 복수의 임펠러와 모터를 구비한 복수의 냉각팬; 및 상기 복수의 냉각팬의 구동을 제어하여 배터리 팩을 냉각시키기 위한 제어장치를 포함하며, 상기 제어장치는 상기 하우징 내부에 설치되고, 상기 복수의 냉각팬이 고정 설치되는 제어보드; 상기 제어보드에 실장되며 각각 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 모터 구동 정보에 따라 상기 복수의 냉각팬을 제어하기 위한 복수의 구동신호를 발생하는 적어도 하나의 신호처리장치; 상기 제어보드에 실장되며 상기 신호처리장치로부터 발생된 복수의 구동신호에 따라 복수의 냉각팬의 모터를 각각 구동하는 복수의 드라이버; 및 상기 배터리 관리 시스템(BMS)와 제어보드를 연결하며, 복수의 냉각팬의 모터를 구동하기 위한 전원, 모터의 구동 정보 및 모터의 상태정보를 송수신하기 위한 와이어 하니스를 포함하며, 상기 와이어 하니스를 통하여 복수의 냉각팬의 모터를 구동하기 위한 전원과 모터의 구동 정보를 공통으로 수신하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템을 제공한다.
상기 신호처리장치는 상기 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 목표 RPM에 도달하도록 PID 제어(Proportional-Integral-Derivative Control)를 실시하여 각 모터의 RPM을 제어하며, 각 모터에 흐르는 과전류, 전압, 온도를 검출하여 미리 설정된 기준값과 비교하고, 검출된 값이 미리 설정된 기준값보다 큰 경우 모터 구동을 정지시킬 수 있다.
또한, 상기 신호처리장치는 복수의 모터 중 하나의 모터에 이상이 발생하면 이상이 발생된 모터에 대한 구동 출력을 제한하고, 나머지 모터를 정상 구동 이상으로 구동시킴에 의해 이상이 발생되기 전과 동일한 풍량이 얻어지도록 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 배터리 팩을 냉각시키기 위하여 모터와 모터 사이의 공간을 활용하도록 다수의 냉각팬을 커버하는 큰 사이즈를 갖는 단일 인쇄회로기판을 사용하여 제어보드를 구성함에 의해 다양한 기능을 수행할 수 있는 신호처리용 프로세서를 제어보드에 장착할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 단일 인쇄회로기판의 제어보드에 신호처리용 프로세서를 탑재함과 동시에, 제어보드에 다수의 냉각팬을 직접 실장함에 의해 최소한의 배선으로 이루어진 하니스를 사용하여 배터리 관리 시스템과 연결이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 다수의 냉각팬 중 이상이 발생할 때 나머지 냉각팬의 풍량을 증가시킴에 의해 전체적인 풍량을 동일하게 유지할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 다수의 냉각팬의 제어를 독립적으로 운영하거나 집중 제어를 통해 시스템의 안정화를 도모할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템을 나타내는 블록 회로도이다.
도 4 내지 도 6은 각각 제1 내지 제3 실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템의 동작을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 7은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템이 적용되는 배터리 냉각장치를 나타내는 정면 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 배터리 냉각장치의 정면도이다.
도 9는 도 8의 A-A'선 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 배터리 냉각장치의 배면에서 커버 역할을 하는 제2하우징을 제1하우징으로부터 분해한 상태를 나타내는 배면 분해 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
우선 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템을 설명하기 전에 도 7 내지 도 10을 참고하여 본 발명이 적용되는 배터리 냉각장치에 대하여 설명한다.
도 7 내지 도 10을 참고하면, 본 발명의 배터리 냉각장치는 배터리 팩(도시되지 않음)의 측면에 설치되고, 배터리 팩을 통과한 공기가 흡입되는 복수의 흡입구(32,34,36) 및 공기가 외부로 토출되는 복수의 토출구(40,42)가 구비되는 하우징(10)과, 하우징(10)에 간격을 두고 복수로 설치되어 송풍력을 발생시키는 복수의 냉각팬(20)과, 하우징(10)에 설치되고 냉각팬(20)에 전기적으로 연결되어 냉각팬(20)의 제어 및 전원을 공급하는 제어보드(50)를 포함한다.
배터리 팩은 복수의 배터리 셀이 간격을 두고 배치되어 하나의 배터리 팩을 형성하고, 배터리 팩의 일면에는 배터리 냉각장치가 설치되어, 배터리 냉각장치가 구동되면 배터리 셀 사이의 공간으로 공기가 흡입되어 배터리 셀 사이를 통과하면서 각각의 배터리 셀을 냉각한다.
그리고, 배터리 팩의 타면 즉, 냉각장치가 설치되는 일면의 반대쪽 면에는 외부의 공기가 흡입되는 흡입덕트가 별로 설치될 수 있다.
하우징(10)은 복수의 흡입구(32,34,36), 복수의 흡입구(32,34,36)에 대응하는 복수의 냉각팬(20) 및 제어보드(50)가 설치되는 제1하우징(12)과, 커버 형태로 제1하우징(12)에 결합되고 후방 또는 상방에 토출구(40,42)가 형성되는 제2하우징(14)을 포함한다.
제1하우징(12)에는 복수의 냉각팬(20: 22,24,26)이 배치되고, 냉각팬(20)은 원심형 송풍기로서 시로코 팬(sirocco fan) 구조를 갖는 임펠러(84)가 로터(82)의 회전축(74)에 연결되어 있어, 축방향으로 유입되는 공기를 반경방향으로 토출한다. 또한, 상기 임펠러(84)의 외측에는 달팽이관 구조를 가지고 있으며, 냉각팬(20)의 임펠러(84)에 의해 반경방향으로 토출되는 공기를 모아서 일측으로 공기 흐름을 가이드하는 가이드부(62)가 냉각팬(20)의 개수와 동일한 개수로 형성된다. 일 예로, 냉각팬(20: 22,24,26)이 3개일 경우 가이드부(62)는 제1하우징(12)에 3개가 형성된다.
가이드부(62)의 상단에는 냉각팬(20)의 공기가 토출되는 공기 배출부(64)가 형성되고, 상기 공기 배출구(64)는 제2하우징(14)에 형성된 덕트부(66)에 연결되며 덕트부의 출구는 제2하우징(14)의 후방 상단에 덕트부에 모아진 공기가 외부로 토출되는 토출구(40,42)로 연결된다.
토출구(40,42)는 제2하우징(14)의 상단 후방에 형성되고 하나의 토출구로 형성될 수 있고, 두 개의 토출구로 형성될 수 있으며, 냉각팬의 개수와 동일한 세 개의 토출구로 형성될 수 있다. 도시된 실시예는 2개의 토출구(40,42)를 갖고 있다.
도 10에 도시된 실시예에서 토출구(40,42)는 제2하우징(14)의 상측 후방에 형성되어 제2하우징(14)의 후방으로 공기가 토출되도록 구성될 수 있다. 그리고, 다른 실시예로서, 토출구는 제2하우징(14)의 상면에 형성되어 공기가 상측방향으로 토출될 수 있다.
따라서, 본 발명의 배터리 냉각장치는 전기 자동차 등의 배터리 팩이 설치되는 부분의 특성에 맞게 토출구의 위치를 자유롭게 변경할 수 있어, 호환성을 향상시킬 수 있다.
제2하우징(14)은 제1하우징(12)에 밀봉 가능하게 결합되고, 배터리 팩의 일면에 밀착된다. 이러한 제2하우징(14)의 그 가장자리가 배터리 팩의 가장자리에 밀착되고 그 내면에 공간부가 구비되어 배터리 셀을 통과한 공기가 공간부로 유입될 수 있도록 한다.
본 발명의 배터리 냉각장치는 복수의 냉각팬(22,24,26) 및 흡입구(32,34,36)가 구비되어 배터리 팩의 일면에 배치되기 때문에 배터리 셀의 전체면에 걸쳐 고르게 냉각된 공기 흐름이 이루어질 수 있도록 하여 배터리 셀이 국부적으로 냉각되는 것을 방지한다. 즉, 냉각팬(20)이 3개일 경우, 흡입구(32,34,36)도 3개로 구성되고 3개의 흡입구(32,34,36)가 배터리 팩의 일면에 일정 간격으로 배치되므로 배터리 팩의 전체면에 걸쳐 고르게 냉각된 공기 흐름이 분포될 수 있다.
냉각팬(20)은 제1하우징(12)에 일정 간격으로 설치되는 제1냉각팬(22), 제2냉각팬(24) 및 제3냉각팬(26)으로 구성될 수 있다. 이러한 냉각팬(20)은 배터리 팩의 사이즈에 따라 2개 또는 3개 이상으로 구성되는 것도 가능하다.
제1 내지 제3 냉각팬(22,24,26)은 각각 스테이터(80)와 로터(82)가 레이디얼 갭형으로 구성된 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)와, 상기 로터(82)의 회전축(74)에 연결된 임펠러(84)로 구성되어 있다. 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)는 각각 예를 들어, 코어형 BLDC 단상 모터로 구성될 수 있다. 상기 스테이터(80)는 중앙부에 관통구멍이 형성되고 예를 들어, 황동으로 이루어진 베어링부싱(72)의 외주에 고정되어 있고, 베어링부싱(72)의 관통구멍에는 한쌍의 슬리브 베어링(86,88)이 간격을 두고 설치되어 있으며, 한쌍의 슬리브 베어링(86,88)에 회전축(74)이 회전 가능하게 지지되어 있다.
제1하우징(12)과 제2하우징(14)에 의해 형성된 공간 내부에는 제1 내지 제3 냉각팬(22,24,26)을 구동 제어하기 위한 제어보드(50)가 배치되어 있다. 제어보드(50)는 예를 들어, 제2하우징(14)에 고정된 후 제1하우징(12)으로 눌러주는 방식의 고정 구조를 채택할 수 있다. 이 경우, 제어보드(50)는 별도의 고정 볼트나 고정장치를 사용하지 않고 제2하우징(14)에 일체로 형성된 고정 후크나 이탈방지홈에 결합되는 방식으로 조립되고, 제1하우징(12)과 제2하우징(14)이 조립될 때 제1하우징(12)으로부터 돌출된 가이드부(62)가 제어보드(50)를 눌러서 고정시킬 수 있다.
상기 베어링부싱(72)의 일단은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 제어보드(50)의 관통구멍을 통과한 후 절곡되어 제어보드(50)에 고정이 이루어진다.
상기 스테이터(80)는 베어링부싱(72)의 외주부에 결합되는 스테이터 코어(80a)와 스테이터 코어(80a)의 외주에 형성된 보빈에 권선된 스테이터 코일(80b)을 포함하고 있다. 또한, 스테이터(80)는 베어링부싱(72)을 통하여 제어보드(50)에 고정되며, 스테이터 코일(80b)의 스타트 및 엔드 단자는 각각 제어보드(50)에 고정된 터미널핀(80c)을 통하여 후술하는 드라이버와 연결된다.
상기 스테이터(80)의 외주에는 에어갭을 두고 로터(82)를 구성하는 마그넷(82a)과 백요크(82b)가 환형으로 형성되어 있으며, 로터(82)는 로터 지지체(85)를 통하여 중앙부에 회전축(74)이 일체로 형성되고, 로터 지지체(85)에는 축방향으로 공기가 흡입되고 반경방향으로 공기가 토출되는 다수의 블레이드가 일체로 형성되어 시로코 팬(sirocco fan) 구조를 갖는 임펠러(84)가 구비되어 있다.
제어보드(50)는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 제1하우징(12)의 배면 하측과 대응하여 배치되는 본체(54)와, 상기 본체(54)의 일측으로부터 돌출되어 제1냉각팬(22)에 전기적으로 연결되는 제1연결부(51)와, 상기 본체(54)의 중앙으로부터 돌출되어 제2냉각팬(24)에 전기적으로 연결되는 제2연결부(52)와, 상기 본체(54)의 타측으로부터 돌출되어 제3냉각팬(26)에 전기적으로 연결되는 제3연결부(53)를 포함하고 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 도 10에 도시된 단일의 제어보드(50)에 실장되어 구현된다.
본 발명에서는 배터리 팩을 냉각시키기 위하여 냉각팬(모터)와 냉각팬(모터) 사이의 공간을 활용하도록 다수의 냉각팬(22,24,26)을 커버하는 큰 사이즈를 갖는 단일 인쇄회로기판(PCB)을 사용하여 제어보드(50)를 구성함에 의해 다양한 기능을 수행할 수 있는 신호처리용 프로세서(CPU)를 제어보드에 장착할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 단일 제어보드(50)에 신호처리용 프로세서를 탑재함과 동시에, 제어보드(50)에 자동차 내부의 제어에 이용되는 CAN 통신부(7)를 구비함에 의해 최소한의 배선으로 이루어진 와이어 하니스(91-93)를 사용하여 배터리 관리 시스템(BMS)과 연결이 간단하게 이루어질 수 있는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템을 구성할 수 있다.
이하의 다중 냉각팬 제어 시스템 설명에서는 냉각팬이 3개인 경우를 예를 들어 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 3개의 냉각팬(22,24,26)에 대응하여 3개의 제1 내지 제3 제어유닛(CPU1-CPU3)(3-1 내지 3-3)을 사용하여 냉각팬(22,24,26)용 제1 내지 제3 모터(M1-M3)(5-1 내지 5-3)를 구동 제어한다.
제1실시예의 다중 냉각팬 제어 시스템은 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)에 각각 제1 내지 제3 드라이버(DRV1-DRV3)(4-1 내지 4-3)가 연결되고, 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)에 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)가 연결되어 있다.
제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)에는 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)에 인접 설치된 제1 내지 제3 홀 센서(Hall Sensor)(HS1-HS3)(6-1 내지 6-3)로부터 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)가 검출되어 공급되고 있다.
제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)는 바람직하게는 단상 구동방식의 BLDC 모터가 적용되며, 다른 종류를 모터를 사용하는 것도 물론 가능하다.
상기 제1 내지 제3 제어유닛(CPU1-CPU3)(3-1 내지 3-3)은 마이콤이나 마이크로프로세서와 같은 신호처리장치로 구성될 수 있으며, 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 모터 RPM 제어에 필요한 듀티 비(duty ratio) 값을 통신 입력(input)으로 수신하고, 수신된 듀티 비에 따라 펄스폭이 제어된 PWM 구동신호를 발생하여 제1 내지 제3 드라이버(DRV1-DRV3)(4-1 내지 4-3)에 인가하며, 제1 내지 제3 모터(M1-M3)(5-1 내지 5-3)에 인가되는 전류, 전압, 온도 및 상태(status) 정보를 검출하여 통신 입력(input)을 통하여 배터리 관리 시스템(BMS)에 전송한다.
또한, 상기 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)은 제1 내지 제3 홀 센서(HS1-HS3)(6-1 내지 6-3)로부터 수신된 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)로부터 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)의 현재 회전속도를 산출하여 배터리 관리 시스템(BMS)에 각 모터의 회전속도신호(PFM1 내지 PFM3)를 전송한다.
제1 내지 제3 드라이버(DRV1-DRV3)(4-1 내지 4-3)는 예를 들어, 각각 단상 전파 구동회로로서 듀얼 구조의 P채널 및 N채널 스위칭 트랜지스터로 구성될 수 있으며, 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)으로부터 인가되는 PWM 구동신호에 따라 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 구동한다. 제1 내지 제3 드라이버(DRV1-DRV3)(4-1 내지 4-3)는 전파 구동방식 또는 반파 구동방식으로 구성될 수 있으며, 구동방식에 따라 회로구성이 달라질 수 있으며, 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)와 연결되는 신호선의 수도 달라질 수 있다.
본 발명의 다중 냉각팬 제어 시스템을 구성하는 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3), 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3), 제1 내지 제3 홀 센서(Hall sensor)(6-1 내지 6-3)는 제1하우징(12)의 배면에 설치된 단일의 제어보드(50a)에 실장되어 있다.
또한, 제어보드(50a)에는 외부(배터리 팩)로부터 인가되는 DC 48V의 외부전원(Vdd,Gnd)과 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 인가된 파워 콘트롤 신호(Power Control)를 받아서 DC 12V의 모터 구동전압을 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)에 인가하는 파워콘트롤회로(1)와, 상기 파워콘트롤회로(1)의 전압을 받아서 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)을 구동하는 데 필요한 DC 5V의 구동전압을 발생하는 정전압회로(2)를 포함하고 있다.
상기 파워콘트롤회로(1)는 역전압 방지 기능을 가지고 있으며, 또한 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 인가된 파워 콘트롤 신호(Power Control)에 따라 냉각팬(22,24,26)이 동작하지 않을 경우 출력을 차단하여 대기전력을 줄이도록 전원을 차단하는 기능을 가지고 있다.
또한, 제어보드(50a)에는 7핀 콘넥터(91)가 설치되어, 콘넥터(91)에는 외부로부터 7가닥의 와이어를 포함하는 와이어 하니스(91)가 연결되며, 와이어 하니스(91)를 통하여 48V의 외부전원(Vdd,Gnd), 파워 콘트롤 신호(Power Control), 제어보드(50a)와 배터리 관리 시스템(BMS) 사이에 송수신되는 통신 입력(input), 배터리 관리 시스템(BMS)에 전송되는 모터 회전속도신호(PFM1 내지 PFM3)가 송수신되고 있다.
상기 통신 입력(input)은 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 모터 RPM 제어에 필요한 듀티 비 값을 수신하고, 모터의 전류, 전압, 온도 및 상태(status) 정보를 배터리 관리 시스템(BMS)에 전송하는 데 이용된다.
상기한 제1실시예에서는 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 와이어 하니스(91)를 통하여 3개의 냉각팬(22,24,26)을 구동하기 위한 제어신호로서, 외부전원(Vdd,Gnd), 파워 콘트롤 신호(Power Control), 통신 입력(input)을 공통으로 수신한다.
상기 제어보드(50a)와 이에 실장된 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3), 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3) 및 파워콘트롤회로(1)와 정전압회로(2)를 포함하는 전원장치는 냉각팬을 제어하기 위한 제어장치를 구성한다.
상기한 제1실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 도 4에 도시된 플로우 챠트에 따라 배터리 팩용 다중 냉각팬을 제어한다.
먼저, 제어보드(50a)에 외부전원(Vdd,Gnd)이 인가되면(S11), 파워 콘트롤 회로(1)와 정전압회로(2)로부터 각각 DC 12V의 모터 구동전압과 DC 5V의 구동전압을 발생하여 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)와 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)에 인가함에 따라 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)과 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)가 활성화된다.
그 후 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)은 각각 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 공통으로 수신된 통신 입력(input)으로부터 모터의 목표 RPM에 대응하는 PWM 구동신호의 듀티 비(Duty ratio)값을 전송 받으면(S12), 이에 기초하여 PWM 구동신호를 발생하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 구동한다(S13).
즉, 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)은 제1 내지 제3 홀 센서(HS1-HS3)(6-1 내지 6-3)로부터 수신된 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)를 참고하여 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)에 구비된 스위칭 트랜지스터를 교대로 턴온시킴에 의해 스테이터 코일에 PWM 구동신호를 인가한다. 이에 따라 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)는 PWM 구동신호를 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)에 인가하여 모터의 로터를 구동한다.
그 후, 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)은 수신된 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)에 기초하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)의 RPM을 검출하여 배터리 관리 시스템(BMS)에 모터 회전속도신호(PFM1 내지 PFM3)를 전송하며, 또한 배터리 관리 시스템(BMS)로부터 수신된 목표 RPM에 도달하도록 PID 제어(Proportional-Integral-Derivative Control)를 실시하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)의 RPM을 제어한다(S14).
이 경우, 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)은 각 모터에 흐르는 과전류, 전압, 온도를 검출하여 미리 설정된 기준값과 비교하고(S15), 만약 검출된 값이 미리 설정된 기준값보다 큰 경우 모터 구동을 정지시킨다(S16).
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)이 제어보드(50a)에 구비됨에 따라 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3) 각각에 흐르는 과전류, 전압, 온도를 검출하여 미리 설정된 기준값과 비교함에 의해 모터의 상태를 검출하여 3개 중 1개의 모터에 이상이 발생하면 이상이 발생된 모터에 대한 구동 출력을 제한하고, 나머지 2개의 모터만을 정상적으로 구동시키거나 정상 구동 이상으로 구동시킴에 의해 3개의 모터에 의해 3개의 냉각팬(22,24,26)에서 발생되는 풍량이 얻어지도록 제어하는 것이 가능하다.
상기한 바와 같이, 제1실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 한개의 통신 입력(input) 라인으로 3개 모터의 목표 RPM 제어에 필요한 PWM 구동신호의 듀티 비(Duty ratio)값을 공통으로 전송 받아서 제어보드(50a) 내부에서 동일 지령으로 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 구동한다.
본 발명에서는 사이즈가 증가된 단일의 제어보드(50a)에 3개의 냉각팬(22,24,26)의 임펠러(84)를 구동하는 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3), 즉 스테이터(80)가 직접 실장되어 고정됨에 따라 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)의 출력단자가 모터의 스테이터 코일(80b)에 직접 연결되고, 또한 각 모터의 로터위치신호를 검출하는 제1 내지 제3 홀 센서(Hall sensor)(6-1 내지 6-3)도 직접 실장될 수 있다.
또한, 제어보드(50a)에 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)이 실장됨에 따라 외부전원(Vdd,Gnd), 파워 콘트롤 신호(Power Control), 통신 입력(input)을 공통으로 수신하기 위한 4개의 배선과, 배터리 관리 시스템(BMS)에 각 모터의 모터 회전속도신호(PFM1 내지 PFM3)를 전송하는 데 필요한 3개의 배선으로 와이어 하니스(91)를 구성할 수 있게 되어, 종래와 비교하여 와이어 하니스(91)의 배선 가닥수를 크게 감소된 가닥수로 구성할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 제어보드(50a)에 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)이 실장됨에 따라 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 목표 RPM 제어신호만을 받아서 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 독립적으로 제어하는 분산 제어를 구현할 수 있게 된다.
상기한 제1실시예에서는 제어보드에 3개의 제1 내지 제3 제어유닛(3-1 내지 3-3)을 구비하고 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)의 RPM을 제어하는 것을 제안하였으나, 본 발명은 제2 및 제3 실시예와 같이 제어보드에 하나의 제어유닛(3-1)을 사용하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 제어하는 것도 가능하다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 1개의 제1제어유닛(3-1)을 사용하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 구동함에 의해 3개의 냉각팬(22,24,26)을 제어하는 방식이다.
제2실시예에 따른 다중 냉각팬 제어 시스템은 제1제어유닛(3-1)에 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)가 연결되고, 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)에 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)가 각각 연결되어 있다.
제1제어유닛(3-1)에는 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)에 인접 설치된 제1 내지 제3 홀 센서(Hall sensor)(6-1 내지 6-3)로부터 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)가 검출되어 공급되고 있다.
본 발명의 제2실시예는 하나의 제어유닛(3-1)을 사용하는 것을 제외하고 제1실시예와 유사하다. 따라서, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제2실시예는 제1제어유닛(CPU1)(3-1)이 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 제1 내지 제3 모터(M1-M3)(5-1 내지 5-3)의 RPM을 제어하기 위한 제어신호로서, 듀티 비(duty ratio) 값을 통신 입력(input)을 통하여 수신한다.
상기 제1제어유닛(CPU1)(3-1)은 제1 내지 제3 모터(M1-M3)(5-1 내지 5-3)에대한 듀티 비(duty ratio) 값을 통신 입력(input)으로 순차적으로 수신하고, 수신된 각 모터의 듀티 비에 따라 펄스폭이 제어된 PWM 구동신호를 순차적으로 발생하여 제1 내지 제3 드라이버(DRV1-DRV3)(4-1 내지 4-3)에 순차적으로 인가하며, 제1 내지 제3 모터(M1-M3)(5-1 내지 5-3)에 인가되는 전류, 전압, 온도 및 상태(status) 정보를 검출하여 통신 입력(input)을 통하여 배터리 관리 시스템(BMS)에 전송한다.
또한, 상기 제1제어유닛(3-1)은 제1 내지 제3 홀 센서(HS1-HS3)(6-1 내지 6-3)로부터 수신된 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)로부터 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)의 현재 회전속도를 산출하여 배터리 관리 시스템(BMS)에 각 모터의 회전속도신호(PFM1 내지 PFM3)를 전송한다.
상기한 제2실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 도 5에 도시된 플로우 챠트에 따라 배터리 팩용 다중 냉각팬을 제어한다.
먼저, 제어보드(50b)에 외부전원(Vdd,Gnd)이 인가되면(S21), 파워 콘트롤 회로(1)와 정전압회로(2)로부터 각각 DC 12V의 모터 구동전압과 DC 5V의 구동전압을 발생하여 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)와 제1제어유닛(3-1)에 인가함에 따라 제1제어유닛(3-1)과 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)가 활성화된다.
그 후 제1제어유닛(3-1)은 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 통신 입력(input)으로부터 3개 모터의 목표 RPM에 대응하는 PWM 구동신호의 듀티 비(Duty ratio)값을 순차적으로 전송 받으면, 이에 기초하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 구동하기 위한 PWM 구동신호를 발생한다(S22-S24).
즉, 제1제어유닛(3-1)은 제1 내지 제3 홀 센서(HS1-HS3)(6-1 내지 6-3)로부터 수신된 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)를 참고하여 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3) 각각에 구비된 스위칭 트랜지스터를 교대로 턴온시킴에 의해 스테이터 코일에 PWM 구동신호를 인가한다. 이에 따라 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)는 PWM 구동신호를 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)에 인가하여 모터의 로터를 구동한다(S25-S27).
그 후, 제1제어유닛(3-1)은 수신된 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)에 기초하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)의 RPM을 검출하여 배터리 관리 시스템(BMS)에 모터 회전속도신호(PFM1 내지 PFM3)를 전송하며, 또한 배터리 관리 시스템(BMS)로부터 수신된 목표 RPM에 도달하도록 PID 제어(Proportional-Integral-Derivative Control)를 실시하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)의 RPM을 제어한다(S28-S30).
이 경우, 제1제어유닛(3-1)은 각 모터에 흐르는 과전류, 전압, 온도를 검출하여 미리 설정된 기준값과 비교하고(S31-S33), 만약 검출된 값이 미리 설정된 기준값보다 큰 경우 해당 모터의 구동을 정지시킨다(S34-S36).
제2실시예는 상기한 제1실시예와 유사하게 제어보드(50b)에 제1제어유닛(3-1)이 실장됨에 따라 외부전원(Vdd,Gnd), 파워 콘트롤 신호(Power Control), 통신 입력(input)을 공통으로 수신하기 위한 4개의 배선과, 배터리 관리 시스템(BMS)에 각 모터의 모터 회전속도신호(PFM1 내지 PFM3)를 전송하는 데 필요한 3개의 배선으로 와이어 하니스(91)를 구성할 수 있게 되어, 종래와 비교하여 와이어 하니스(92)의 배선 가닥수를 크게 감소된 가닥수로 구성할 수 있다.
또한, 제2실시예에서는 제어보드(50b)에 제1제어유닛(3-1)이 실장됨에 따라 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 제어신호만을 받아서 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 독립적으로 제어할 수 있게 된다.
제2실시예에서는 사이즈가 증가된 단일의 제어보드(50b)에 제1제어유닛(3-1), 3개의 냉각팬(22,24,26)의 임펠러(84)를 구동하는 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3), 즉 스테이터(80)가 직접 실장되어 고정됨에 따라 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)의 출력단자가 모터의 스테이터 코일(80b)에 직접 연결되고, 또한 각 모터의 로터위치신호를 검출하는 제1 내지 제3 홀 센서(Hall sensor)(6-1 내지 6-3)도 직접 실장될 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 제2실시예와 유사하게 3개의 냉각팬(22,24,26)을 1개의 제1제어유닛(3-1)을 사용하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 구동 제어하는 방식이다.
제3실시예가 제2실시예와 다른 점은 통신모듈로서 CAN 통신부(7)를 사용하여 제어보드(50c)와 배터리 관리 시스템(BMS)과의 사이에 통신에 의해 필요한 정보를 전송 및 수신하는 점에서 차이가 있다. 따라서, 제3실시예에서 제2실시예와 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제1제어유닛(3-1)은 CAN 통신부(7)를 통하여 배터리 관리 시스템(BMS)과 네트웍으로 연결되며, 제1제어유닛(3-1)에 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)가 연결되고, 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)에 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)가 각각 연결되어 있다.
제1제어유닛(3-1)에는 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)에 인접 설치된 제1 내지 제3 홀 센서(Hall sensor)(6-1 내지 6-3)로부터 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)가 검출되어 공급되고 있다.
상기 CAN 통신부(7)는 자동차 내부의 제어에 일반적으로 이용되는 CAN(controller area network) 통신모듈로 구현될 수 있다.
CAN 통신은 2가닥 데이터 배선으로 이루어진 CAN-데이터 버스를 통하여 차량 내부의 노드(node)를 구성하는 ECU 및 각종 정보 통신 시스템과 엔터테인먼트 시스템 사이의 데이터 전송과 제어에 이용되며, 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 콘트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격으로서 마스터-슬레이브(master-slave) 방식의 데이터 통신이 이루어진다.
CAN 통신부(7)는 제어보드(50c)와 배터리 관리 시스템(BMS)과의 사이에 CAN 통신방식으로 패킷 데이터 통신을 수행하여, 상기한 모터 제어에 필요한 모터 RPM, 모터의 전류, 전압, 온도 및 상태(status) 정보를 포함하는 통신 입력(input), 각 모터의 모터 회전속도신호(PFM1 내지 PFM3)를 송수신한다.
상기 실시예 설명에서는 CAN 통신부(7)에 의해 CAN 통신방식으로 데이터 통신을 수행하는 것을 제안하고 있으나, LIN(Local Interconnect Network) 통신에 의한 마스터-슬레이브(master-slave) 방식의 데이터 통신 또는 UART(Universal asynchronous receiver/transmitter) 방식의 통신이 이루어질 수 있다.
제1제어유닛(CPU1)(3-1)은 CAN 통신부(7)를 통하여 CAN 통신방식으로 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 모터 제어에 필요한 모터 RPM을 수신하고, 모터의 전류, 전압, 온도 및 상태(status) 정보와 각 모터의 모터 회전속도신호(PFM1 내지 PFM3)를 송신한다.
상기한 제3실시예에 따른 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템은 도 6에 도시된 플로우 챠트에 따라 배터리 팩용 다중 냉각팬을 제어한다.
먼저, 제어보드(50b)에 외부전원(Vdd,Gnd)이 인가되면(S41), 파워 콘트롤 회로(1)와 정전압회로(2)로부터 각각 DC 12V의 모터 구동전압과 DC 5V의 구동전압을 발생하여 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)와 제1제어유닛(3-1)에 인가함에 따라 제1제어유닛(3-1)과 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)가 활성화된다.
그 후 제1제어유닛(3-1)은 CAN 통신부(7)를 통하여 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 패킷 데이터를 수신하여 이에 포함된 3개 모터의 목표 RPM에 대응하는 PWM 구동신호의 듀티 비(Duty ratio)값을 수신한다(S42).
그 후, 제1제어유닛(3-1)은 수신된 3개 모터의 목표 RPM에 대응하는 PWM 구동신호의 듀티 비(Duty ratio)값에 기초하여 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 구동하기 위한 PWM 구동신호를 발생한다.
즉, 제1제어유닛(3-1)은 제1 내지 제3 홀 센서(HS1-HS3)(6-1 내지 6-3)로부터 수신된 각 모터의 로터위치신호(H1-H3)를 참고하여 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3) 각각에 구비된 스위칭 트랜지스터를 교대로 턴온시킴에 의해 스테이터 코일에 PWM 구동신호를 인가한다. 이에 따라 제1 내지 제3 드라이버(4-1 내지 4-3)는 PWM 구동신호를 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)에 인가하여 모터의 로터를 구동한다(S43-S45).
그 후 후속된 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)가 목표 RPM에 도달하도록 제1제어유닛(3-1)가 각 모터를 PID 제어하고 모터의 상태를 판단하는 단계(S46-S54)는 도 5의 단계(S28-S36)와 동일하게 진행된다.
제3실시예는 상기한 제2실시예와 유사하게 제어보드(50c)에 제1제어유닛(3-1)이 실장됨에 따라 외부전원(Vdd,Gnd), 파워 콘트롤 신호(Power Control)를 공통으로 수신하기 위한 3개의 배선과, CAN 통신부(7)를 통하여 배터리 관리 시스템(BMS)와 CAN 통신에 필요한 2개의 배선으로 와이어 하니스(93)를 구성할 수 있게 되어, 종래와 비교하여 와이어 하니스(93)의 배선 가닥수를 크게 감소된 가닥수로 구성할 수 있다.
또한, 제3실시예에서는 제어보드(50c)에 제1제어유닛(3-1)이 실장됨에 따라 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 제어신호만을 받아서 제1 내지 제3 모터(5-1 내지 5-3)를 독립적으로 제어할 수 있게 된다.
본 발명은 3개의 냉각팬을 제어하는 데 제한되지 않고 필요에 따라 냉각팬 수를 증가 또는 감소시킨 경우에도 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 배터리 팩을 냉각시키기 위한 다수의 냉각팬을 단일 제어보드를 사용하여 구동함에 따라 최소 배선 가닥수로 이루어진 와이어 하니스를 사용할 수 있는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템에 적용된다.
3-1,3-2,3-3: 제어유닛 4-1,4-2,4-3: 드라이버
5-1,5-2,5-3: 모터 6-1,6-2,6-3: 홀센서
7: CAN 통신부 54: 본체
10: 하우징 12: 제1하우징
14: 제2하우징 20,22,24,26: 냉각팬
32,34,36: 흡입구 40,42: 토출구
50-50c: 제어보드 51~53: 연결부
62: 가이드부 64: 공기배출구
66: 덕트부 72: 베어링부싱
74: 회전축 80: 스테이터
82: 로터 84: 임펠러
85: 로터 지지체 86,88: 슬리브베어링
91-93: 와이어 하니스 94-96: 콘넥터

Claims (13)

  1. 배터리 팩의 측면에 설치되며 복수의 흡입구가 간격을 두고 배치된 제1하우징;
    상기 복수의 흡입구에 대응하여 배치되며 송풍력을 발생시키는 복수의 냉각팬;
    상기 제1하우징의 배면에 복수의 냉각팬을 수용하도록 결합되며 복수의 배출구를 갖는 제2하우징; 및
    상기 제2하우징의 내측에 설치되어 냉각팬을 제어하고 전원을 공급하는 제어장치를 포함하고,
    상기 제어장치는 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 모터 구동 정보에 따라 상기 복수의 냉각팬을 구동하기 위한 적어도 하나의 신호처리장치를 구비하고,
    또한, 상기 제어장치는,
    상기 제2하우징 내부에 설치되고, 복수의 냉각팬이 고정 설치되는 제어보드;
    상기 제어보드에 실장되며 각각 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 모터 구동 정보에 따라 상기 복수의 냉각팬을 제어하기 위한 복수의 구동신호를 발생하는 신호처리장치;
    상기 제어보드에 실장되며 상기 신호처리장치로부터 발생된 복수의 구동신호에 따라 복수의 냉각팬의 모터를 각각 구동하는 복수의 드라이버; 및
    상기 배터리 관리 시스템(BMS)와 제어보드를 연결하며, 복수의 냉각팬의 모터를 구동하기 위한 전원, 모터의 구동 정보 및 모터의 상태정보를 송수신하기 위한 와이어 하니스를 포함하며,
    상기 와이어 하니스를 통하여 복수의 모터를 구동하기 위한 전원과 모터의 구동 정보를 공통으로 수신하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 하니스와 신호처리장치 사이에 설치되어 모터의 구동 정보를 수신하고, 모터의 상태정보를 송신하기 위한 통신모듈을 더 포함하며,
    상기 와이어 하니스는 외부전원(Vdd,Gnd)과 파워 콘트롤 신호(Power Control)를 공통으로 수신하기 위한 3개의 배선과, 통신모듈용 2개의 배선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 통신모듈은 CAN(controller area network) 통신, LIN(Local Interconnect Network) 통신 및 UART(Universal asynchronous receiver/transmitter) 통신 방식 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각팬은 각각
    스테이터와 로터가 레이디얼 갭형으로 구성된 모터; 및
    상기 로터와 함께 회전되며 흡입구의 축방향으로 공기를 흡입하여 반경방향으로 공기를 토출하는 임펠러를 포함하며,
    상기 모터는
    중앙부에 관통구멍이 형성되고 일단이 제어보드에 고정되는 베어링부싱;
    내주부가 상기 베어링부싱의 외주에 고정되는 스테이터;
    상기 베어링부싱의 관통구멍에 간격을 두고 설치된 한쌍의 슬리브 베어링;
    상기 한쌍의 슬리브 베어링에 회전 가능하게 지지되어 있는 회전축; 및
    상기 스테이터의 외주에 에어갭을 두고 배치되며, 로터 지지체의 중앙부에 회전축이 결합되고 외주부에 임펠러가 결합된 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어보드는 흡입구가 설치된 하우징의 배면에 배치되며 상기 신호처리장치와 드라이버가 배치되는 본체; 및
    상기 본체로부터 흡입구의 배면 부분을 향하여 돌출되며, 상기 모터가 지지되는 베어링부싱이 고정되는 복수의 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리장치는 상기 와이어 하니스의 통신 입력(input)을 통하여 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 모터 RPM 제어에 필요한 듀티 비 값을 수신하고, 모터의 전류, 전압, 온도 및 상태(status) 정보를 배터리 관리 시스템(BMS)에 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 신호처리장치는 상기 모터에 인접 설치된 홀 센서로부터 수신된 각 모터의 로터위치신호로부터 각 모터의 현재 회전속도를 산출하여 배터리 관리 시스템(BMS)에 각 모터의 회전속도신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    달팽이관 구조를 가지고 상기 냉각팬에 의해 반경방향으로 토출되는 공기를 모아서 일측으로 공기 흐름을 가이드하는 복수의 가이드부; 및
    상기 가이드부와 토출구 사이를 연결하는 복수의 덕트부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  10. 배터리 팩의 측면에 설치되고 복수의 흡입구와 배출구를 갖는 하우징;
    상기 하우징 내부에 복수의 흡입구에 대응하여 설치되는 복수의 임펠러와 모터를 구비한 복수의 냉각팬; 및
    상기 복수의 냉각팬의 구동을 제어하여 배터리 팩을 냉각시키기 위한 제어장치를 포함하며,
    상기 제어장치는
    상기 하우징 내부에 설치되고, 상기 복수의 냉각팬이 고정 설치되는 제어보드;
    상기 제어보드에 실장되며 각각 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 모터 구동 정보에 따라 상기 복수의 냉각팬을 제어하기 위한 복수의 구동신호를 발생하는 적어도 하나의 신호처리장치;
    상기 제어보드에 실장되며 상기 신호처리장치로부터 발생된 복수의 구동신호에 따라 복수의 냉각팬의 모터를 각각 구동하는 복수의 드라이버; 및
    상기 배터리 관리 시스템(BMS)와 제어보드를 연결하며, 복수의 냉각팬의 모터를 구동하기 위한 전원, 모터의 구동 정보 및 모터의 상태정보를 송수신하기 위한 와이어 하니스를 포함하며,
    상기 와이어 하니스를 통하여 복수의 냉각팬의 모터를 구동하기 위한 전원과 모터의 구동 정보를 공통으로 수신하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모터는
    중앙부에 관통구멍이 형성되고 일단이 제어보드에 고정되는 베어링부싱;
    내주부가 상기 베어링부싱의 외주에 고정되는 스테이터;
    상기 베어링부싱의 관통구멍에 간격을 두고 설치된 한쌍의 슬리브 베어링;
    상기 한쌍의 슬리브 베어링에 회전 가능하게 지지되어 있는 회전축; 및
    상기 스테이터의 외주에 에어갭을 두고 배치되며, 로터 지지체의 중앙부에 회전축이 결합되고 외주부에 임펠러가 결합된 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 신호처리장치는 상기 배터리 관리 시스템(BMS)으로부터 수신된 목표 RPM에 도달하도록 PID 제어(Proportional-Integral-Derivative Control)를 실시하여 각 모터의 RPM을 제어하며,
    각 모터에 흐르는 과전류, 전압, 온도를 검출하여 미리 설정된 기준값과 비교하고, 검출된 값이 미리 설정된 기준값보다 큰 경우 모터 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 신호처리장치는 복수의 모터 중 하나의 모터에 이상이 발생하면 이상이 발생된 모터에 대한 구동 출력을 제한하고, 나머지 모터를 정상 구동 이상으로 구동시킴에 의해 이상이 발생되기 전과 동일한 풍량이 얻어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩용 다중 냉각팬 제어 시스템.
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