KR101836569B1 - 배터리 열관리 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리에 대한 열관리(냉각 또는 승온)을 매우 효율적으로 수행할 수 있는 배터리 열관리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 배터리 열관리 시스템은 쿨런트에 의해 배터리의 열관리를 수행하는 열관리부; 상기 열관리부에 연결되는 쿨런트 순환라인(coolant circulation line); 및 상기 쿨런트 순환라인의 도중에 설치되어 쿨런트를 냉각 내지 승온시키는 열교환기;를 구비한다.

Description

배터리 열관리 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR BATTERY THERMAL MANAGEMENT}
본 발명은 배터리 열관리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리의 열관리(냉각 또는 승온)를 매우 효율적으로 수행할 수 있는 배터리 열관리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동차(HEV; HYBRID ELECTRIC VEHICLE), 플러그 인 하이브리드 자동차(PHEV; PLUG-IN HYBRID ELECTRIC VEHICLE), 전기차(EV; ELECTRIC VEHICLE) 등에 적용되는 리튬배터리는 출력, 에너지 밀도 등에 있어서 기존 Ni-MH(니켈 수소 배터리)에 비해 많은 장점이 있다.
다만, 리튬배터리는 그 충전 및 방전 도중에 열이 발생하며, 혹서기와 같은 고온의 환경에서는 사용 중에 발생되는 열 및 주변 열이 더해져 리튬배터리의 수명이 감소될 수 있다. 또한, 혹한기와 같은 저온의 환경에서는 필요 이상으로 리튬배터리의 온도가 낮아져 리튬배터리의 출력이 저하될 수 있다.
이로부터 알 수 있듯이, 배터리의 수명 및 출력 저하 등을 방지하기 위해서는 배터리의 열관리(thermal management)가 매우 중요하다.
일반적으로, 고전압 배터리 시스템의 냉각을 위해서 냉각팬에 의해 배터리 측으로 강제로 송풍하는 공냉식 냉각시스템 또는 물이나 오일 등을 이용한 수냉식 냉각시스템 등이 이용되고 있다. 그리고, 극저온 환경에서는 히터코어, 면상히터 등을 이용하여 배터리를 승온시키는 배터리 승온시스템이 적용되고 있다.
특히, 높은 출력을 필요로 하는, 플러그 인 하이브리드 자동차 또는 전기차의 경우에는, 리튬배터리에서 고온의 열이 발생하기 때문에, 수냉식 냉각시스템이 적용되는 경우가 점점 늘어나고 있다.
하지만, 종래의 수냉식 냉각시스템은 우수한 냉각 성능에 비하여 그 구조가 매우 복잡하게 구성된다. 예컨대, 기존의 수냉식 냉각시스템은 차량 공조시스템 등과 연계됨에 따라 전체적인 구조가 매우 복잡해져 설계 시에 차량 공조시스템과의 연계 등을 고려한 전체적인 레이아웃 및 성능 검토가 필요한 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 단점을 극복하기 위하여 연구개발된 것으로, 배터리에 대한 냉각시스템과 승온시스템을 일원화함으로써 차량 공조시스템과 연계할 필요가 없어 전체적인 레이아웃이 매우 단순화될 수 있고, 더불어 열전소자의 펠티어 효과를 이용하여 배터리와 열교환하는 쿨런트(coolant)의 냉각 내지 승온을 효과적으로 수행함으로써 배터리의 냉각 및 승온효율을 대폭 향상시킬 수 있는 배터리 열관리 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은,
쿨런트에 의해 배터리의 열관리를 수행하는 열관리부;
상기 열관리부에 연결되는 쿨런트 순환라인(coolant circulation line); 및
상기 쿨런트 순환라인의 도중에 설치되어 쿨런트를 냉각 내지 승온시키는 열교환기;를 포함한다.
상기 열교환기는,
상기 쿨런트 순환라인의 도중에 설치되어 쿨런트와 열교환하는 열교환부;
상기 열교환부에 부착된 열전소자; 및
상기 열전소자에 부착된 히트싱크;를 포함한다.
상기 열교환부에 대해 한 쌍의 열전소자가 대칭적으로 부착되고, 이에 대응하여 한 쌍의 히트싱크가 각 열전소자에 부착됨으로써 한 쌍의 히트싱크가 상기 열교환부에 대해 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 열전소자는 상기 열교환부와 접촉하는 제1면과 상기 히트싱크와 접촉하는 제2면을 가지고, 상기 열전소자에는 극성을 전환하는 극성전환스위치가 접속되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리에 설치되어 상기 배터리의 온도를 검출하는 제1온도센서와, 상기 쿨런트 순환라인의 도중에 설치되어 상기 쿨런트의 온도를 검출하는 제2온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 히트싱크의 맞은편에 배치되는 냉각팬을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환부는 일정 간격으로 이격된 복수의 열교환 플레이트와, 상기 복수의 열교환 플레이트를 관통하는 열교환튜브를 포함하고, 상기 열교환튜브의 내부로 쿨런트가 이송되는 것을 특징한다.
상기 열교환튜브는 직선형 관체(straight tube)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환튜브의 내경면에는 복수의 내측핀(inner fin)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환부는 상기 쿨런트 순환라인의 도중에 접속되는 사형 열교환튜브(serpentine heat exchange tube)와, 상기 사형 열교환튜브의 외면을 덮도록 마련된 열교환 블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환부는 쿨런트 순환라인의 도중에 접속되는 열교환덕트를 포함하고, 상기 열교환덕트의 내부에는 복수의 격자 유로가 균일한 간격으로 형성된 격자프레임이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환덕트는 그 양단부에 쿨런트가 유입되는 입구부 및 쿨런트가 유출되는 출구부를 가지고, 상기 열교환덕트는 "U"자형으로 절곡된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환덕트의 입구부 및 출구부는 그 단면적이 열교환덕트의 단면적 보다 작게 형성되고, 상기 입구부 및 출구부는 열교환덕트의 일단 및 타단에 확관형 연결부를 매개로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 확관형 연결부 내에는 복수의 소통공이 형성된 배플이 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 열관리 시스템은,
배터리를 냉각 내지 승온시키도록 내부에 쿨런트가 유동하고, 쿨런트가 유입되는 입구 및 쿨런트가 배출되는 출구를 가진 열관리부;
상기 열관리부의 입구 및 출구를 연결하는 쿨런트 순환라인(coolant circulation line);
상기 열관리부로 쿨런트를 펌핑하는 쿨런트 순환펌프(coolant circulation pump); 및
상기 쿨런트 순환라인의 도중에 설치되어 극성전환에 의해 쿨런트를 냉각 내지 승온시키는 열전소자를 가진 열교환기;를 포함한다.
상기 배터리는 하이브리드 자동차(HEV; HYBRID ELECTRIC VEHICLE), 플러그 인 하이브리드 자동차(PHEV; PLUG-IN HYBRID ELECTRIC VEHICLE), 연료전지 자동차(FCEV; FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE), 전기차(EV; ELECTRIC VEHICLE) 중 어느 하나에 장착된 배터리인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면은 상술한 배터리 열관리 방법으로,
상기 배터리의 온도를 측정하고,
상기 배터리의 온도가 배터리의 상한임계치를 초과하면 상기 열전소자의 냉각작동을 선택적으로 수행하여 상기 쿨런트를 냉각시키며,
상기 배터리의 온도가 배터리의 하한임계치 미만이면 상기 열전소자의 승온작동을 선택적으로 수행하여 상기 쿨런트를 승온시키는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리의 온도 및 상기 쿨런트의 온도를 측정하고, 상기 배터리의 온도가 배터리의 상한임계치를 초과한 상태에서 상기 쿨런트의 온도가 상기 배터리의 온도 보다 작으면 상기 열전소자의 냉각작동에 의해 상기 쿨런트를 냉각시킴과 더불어 상기 쿨런트를 상기 열관리부로 펌핑하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리의 온도 및 상기 쿨런트의 온도를 측정하고, 상기 배터리의 온도가 상기 배터리의 상한임계치를 초과한 상태에서 상기 쿨런트의 온도가 상기 배터리의 온도 보다 크면 상기 쿨런트가 상기 열관리부로 펌핑됨을 차단하고, 상기 열전소자의 냉각작동에 의해 상기 쿨런트를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리의 온도 및 상기 쿨런트의 온도를 측정하고, 상기 배터리의 온도가 배터리의 하한임계치 미만인 상태에서 상기 쿨런트의 온도가 상기 배터리의 온도 보다 크면 상기 열전소자의 승온작동에 의해 상기 쿨런트를 승온시킴과 더불어 상기 쿨런트를 상기 열관리부로 펌핑하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리의 온도 및 상기 쿨런트의 온도를 측정하고, 상기 배터리의 온도가 상기 배터리의 하한임계치 미만인 상태에서 상기 쿨런트의 온도가 상기 배터리의 온도 보다 작으면 상기 쿨런트가 상기 열관리부로 펌핑됨을 차단하고, 상기 열전소자의 승온작동에 의해 상기 쿨런트를 승온시키는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 배터리를 적정상태로 열관리를 하는 쿨런트를 열교환기에 의해 냉각 내지 승온시킴으로써 배터리의 열관리를 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 열전소자의 펠티어 효과를 이용하여 배터리와 열교환하는 쿨런트(coolant)를 냉각 내지 승온시킴으로써 배터리에 대한 냉각 구조 및 승온 구조를 일원화할 수 있고, 이를 통해 차량 공조시스템과 연계할 필요가 없어 전체적인 레이아웃이 매우 단순화되고, 성능검사의 간소화 및 전체적인 중량 감소를 효과적으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 열전소자의 펠티어 효과를 이용하여 배터리와 열교환하는 쿨런트(coolant)의 냉각 및 승온을 효과적으로 수행함으로써 배터리의 냉각 및 승온효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고, 배터리의 온도 및 쿨런트의 온도에 따라 열전소자에 인가되는 전원의 극성만 바꾸면 배터리의 냉각 및 승온을 신속하게 전환할 수 있으므로 그 제어가 간편한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 열관리 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 배터리 열관리 시스템에 적용되는 제1실시형태에 따른 열교환기를 도시한 측면도이다.
도 3은 도2의 제1실시형태에 따른 열교환기(냉각팬 생략)를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2의 제1실시형태에 따른 열교환기의 열전소자가 극성변환에 의해 쿨런트를 냉각 내지 승온시키는 상태를 나타낸 도면으로, 도 4(a)는 열전소자에 의해 쿨런트가 냉각되는 상태를 나타내고, 도 4(b)는 열전소자에 의해 쿨런트가 승온되는 상태를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 열관리 방법에서 냉각로직을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 열관리 방법에서 승온로직을 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 배터리 열관리 시스템에 적용되는 제2실시형태에 따른 열교환기를 도시한 측면도이다.
도 8은 도 7의 제2실시형태에 따른 열교환기를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 배터리 열관리 시스템에 적용되는 제3실시형태에 따른 열교환기를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9의 제3실시형태에 따른 열교환기에서 히트싱크 및 냉각팬이 제거된 상태를 도시한 사시도이다.
도 11은 도 9의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다.
도 12는 도 9의 B-B선을 따라 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 열관리 시스템을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 배터리 열관리 시스템은 배터리(10)의 열관리를 수행하는 열관리부(20)와, 열관리부(20)에 연결되는 쿨런트 순환라인(25, coolant circulation line)와, 쿨런트 순환라인(25)의 도중에 설치되어 쿨런트를 냉각 내지 승온시키는 열교환기(30)를 포함한다.
열관리부(20)는 배터리(10)와 접촉하고, 그 내부에는 쿨런트 유동회로(미도시)를 가진다. 이에, 열관리부(20)의 쿨런트 유동회로를 유동하는 쿨런트는 배터리(10)와 열교환함에 따라 배터리(10)를 냉각시키거나 승온시켜 배터리(10)에 대한 열관리를 적절히 수행할 수 있다. 요컨대, 배터리(10)와 접촉하는 열관리부(20)는 그 내부에 쿨런트의 흐름을 수용함으로써 쿨런트가 배터리(10)와 열교환하여 배터리(10)에 대한 열관리를 수행하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 열관리부(20)는 내부에 쿨런트 유동회로를 가진 써멀자켓(thermal jacket)으로 구성될 수 있다. 이러한 쿨런트 유동회로(미도시)는 사형 유동경로(serpentine flow path) 등과 같은 구조로 구성될 수 있다.
여기서, 배터리(10)는 하이브리드 자동차(HEV; HYBRID ELECTRIC VEHICLE), 플러그 인 하이브리드 자동차(PHEV; PLUG-IN HYBRID ELECTRIC VEHICLE), 연료전지 자동차(FCEV; FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE), 전기차(EV; ELECTRIC VEHICLE) 중 어느 하나에 장착된 배터리일 수 있다.
그리고, 열관리부(20)는 쿨런트가 유입되는 입구(21) 및 쿨런트가 배출되는 출구(22)를 가지고, 이러한 입구(21) 및 출구(22)는 쿨런트 유동회로(미도시)와 소통한다.
쿨런트 순환라인(25)은 열관리부(20)의 입구(21) 및 출구(22)를 연결하고, 이러한 쿨런트 순환라인(25)을 통해 쿨런트가 열관리부(20)의 입구(21)로 유입되어 배터리(10)와 열교환한 후에 열관리부(20)의 출구(22)로 배출된다.
쿨런트 순환라인(25)에는 쿨런트를 열관리부(20)의 입구(21) 측으로 펌핑하는 쿨런트 순환펌프(26, coolant circulation pump)가 설치된다.
열교환기(30)는 쿨런트 순환라인(25)의 일측에 설치되고, 특히 열관리부(20)의 출구(22)에 인접하여 배치되거나 열관리부(20)의 출구(22) 및 입구(21) 사이의 중간부에 배치될 수 있다.
제1실시형태에 따른 열교환기(30)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 쿨런트 순환라인(25)의 도중에 설치되어 쿨런트와 열교환하는 열교환부(40)와, 열교환부(40)에 부착된 열전소자(31)와, 열전소자(31)에 부착된 히트싱크(32)와, 히트싱크(32)의 맞은편에 배치된 냉각팬(33)을 포함한다.
열교환부(40)는 일정한 미세간격으로 이격된 복수의 열교환 플레이트(41)와, 복수의 열교환 플레이트(41)를 관통하는 열교환튜브(42)를 포함한다.
복수의 열교환 플레이트(41)는 쿨런트의 이송방향을 따라 미세한 일정 간격으로 이격되게 배치된다.
열교환튜브(42)는 그 내부에 쿨런트가 이송되는 유로가 형성된다. 일 실시예에 따르면, 열교환튜브(42)는 복수의 열교환 플레이트(41)를 직선방향으로 관통한 직선형 관체(straight tube)로 이루어질 수 있다.
그리고, 열교환튜브(42)의 내경면에는 복수의 내측핀(42a, inner fin)이 형성되고, 이러한 내측핀(42a)에 의해 쿨런트가 열교환튜브(42)의 내부를 통과할 때 쿨런트의 접촉면적을 증대시켜 그 열교환효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 열교환튜브(42)는 쿨런트 순환라인(25)에 대해 별도로 제조되어 그 양단이 쿨런트 순환라인(25)에 밀봉적으로 접속되는 구조로 이루어질 수 있고, 이와 달리 열교환튜브(42)는 쿨런트 순환라인(25)과 동일체로 성형될 수도 있다.
열전소자(31)는 열교환부(40)의 일측에 부착되고, 특히 열교환부(40)의 열교환 플레이트(41)의 상단측에 부착될 수 있다.
열전소자(31)는 열교환부(40)와 직접적으로 접촉하는 제1면(34) 및 히트싱크(32)와 접촉하는 제2면(35)을 가지고, 이러한 열전소자(31)는 펠티어효과를 이용하여 열교환부(40)를 통과하는 쿨런트에 대한 냉각작동 및 승온작동을 수행하도록 구성된다.
그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 열전소자(30)에는 극성을 전환시키는 극성전환스위치(51)가 접속되어 있다. 이에 열전소자(31)는 그 극성 전환에 의해 열교환부(40)의 열을 빼앗아 쿨런트를 냉각시키거나 열교환부(40)로 열을 전달하여 쿨런트를 승온시킨다.
히트싱크(32)는 열전소자(31)의 제2면(35)에 부착되어 열전소자(31)로부터 전달되는 열을 외부로 방출(열전소자(31)의 냉각 작동)하거나 외부의 열을 열전소자(31) 측으로 전달(열전소자(31)의 승온 작동)한다.
냉각팬(33)은 히트싱크(32)의 맞은편에 배치되어 열전소자(31)의 냉각작동에 의해 클런트를 냉각시킬 때에는 히트싱크(32)로 냉각풍을 강제로 송풍하도록 작동하고, 열전소자(31)의 승온작동에 의해 클런트를 승온시킬 때에는 그 작동이 정지되도록 구성된다.
이러한 열전소자(31)의 냉각 작동 및 승온 작동을 도 4를 참조하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 열전소자(31)의 냉각 작동은 외부환경 및/또는 충방전 등을 통해 배터리(20)가 과열될 때 배터리(20)의 냉각을 보다 효과적을 수행하기 위하여 쿨런트의 온도를 냉각시키도록 이루어진다. 이를 위해 열전소자(31)의 극성이 도 4(a)와 같이 연결되면, 열전소자(31)의 제1면(34)에서는 흡열반응이 일어나고, 열전소자(31)의 제2면(35)에서는 발열반응이 일어나게 된다. 이에 따라 열교환부(40)를 통과하는 쿨런트의 열은 열전소자(31)의 제1면(34)에서 흡열된 이후에 제2면(35)에서 발열되고, 그런 다음 히트싱크(32)를 통해 방열됨으로써 열교환부(40)를 통과하는 쿨런트는 냉각되며, 이렇게 냉각된 쿨런트가 열관리부(20)로 유입되어 배터리(10)와 열교환함으로써 배터리(10)를 냉각시킬 수 있다. 특히 냉각팬(33)의 작동에 의해 그 방열효율이 더욱 높아질 수 있다.
그리고, 열전소자(31)의 승온 작동은 저온환경 등에서 배터리(20)의 승온을 보다 효과적으로 수행하기 위하여 쿨런트의 온도를 승온시키도록 이루어진다. 이를 위해 도 4(b)와 같이 열전소자(31)의 극성이 도 4(a)의 경우와 반대로 전환되면, 열전소자(31)의 제1면(34)에서는 발열반응이 일어나고, 열전소자(31)의 제2면(35)에서는 흡열반응이 일어나게 된다. 이에 따라, 외부의 열이 히트싱크(32)를 거쳐 열전소자(31)의 제2면(35)에서 흡열된 이후에 열전소자(31)의 제1면(34)에서 발열되고, 그 발열된 열이 열교환부(40)로 전달됨으로써 열교환부(40)를 통과하는 쿨런트는 승온되며, 이렇게 승온된 쿨런트가 열관리부(20)로 유입되어 배터리(10)와 열교환함으로써 배터리(10)를 승온시킬 수 있다. 이때, 냉각팬(33)의 작동은 정지된다.
한편, 극성전환스위치(51), 쿨런트 순환펌프(26), 냉각팬(33) 등의 작동을 제어하는 제어부(50)가 마련된다.
그리고, 배터리(10)에는 배터리(10)의 온도(TB)를 검출하는 제1온도센서(53)가 설치되고, 쿨런트 순환라인(25)의 도중에는 쿨런트의 온도(TC)를 검출하는 제2온도센서(54)가 설치된다.
일 실시예에 따르면, 제2온도센서(54)는 쿨런트 순환라인(25) 중에서 열관리부(20)의 입구(21)에 근접하여 설치됨으로써 배터리(10)의 온도(TB)와 쿨런트의 온도(Tc) 사이의 상관관계를 보다 정밀하게 추출해 낼 수 있고, 이를 통해 배터리(10)의 냉각 내지 승온을 보다 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
제1 및 제2 온도센서(53, 54)에는 제어부(50)가 접속되고, 제1 및 제2 온도센서(53, 54)에 의해 검출된 배터리(10)의 온도(TB) 및 쿨런트의 온도(TC)가 제어부(50)로 전송되고, 이러한 배터리(10)의 온도(TB) 및 쿨런트의 온도(TC) 등의 정보를 소정의 냉각로직 및 승온로직에 적용함으로써 제어부(50)는 열전소자(31)에 의한 쿨런트의 냉각 내지 승온을 적절히 제어할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 배터리 열관리 방법을 도시한 도면이다.
본 발명에 의한 배터리 열관리 방법은 제1 및 제2 온도센서(53, 54)에 의해 배터리(10)의 온도(TB) 및 쿨런트의 온도(TC)를 측정하고, 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 상한임계치(Tmax)를 초과하면(배터리(10)의 과열 상태) 도 5와 같이 열전소자(31)의 냉각 작동을 수행하여 열교환기(30)의 열교환부(40)를 통과하는 쿨런트를 냉각시키며, 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 하한임계치(Tmin) 미만이면(배터리(10)의 과냉상태) 도 6과 같이 열전소자(31)의 승온작동을 수행하여 열교환기(30)의 열교환부(40)를 통과하는 쿨런트를 승온시키도록 이루어진다.
요컨대, 본 발명에 의한 배터리 열관리 방법은 배터리(10)의 과열 또는 과냉 상태에 따라 열전소자(31)의 냉각 및 승온 작동을 선택적으로 전환함으로써 배터리(10)와 열교환하는 쿨런트를 냉각 내지 승온시킴으로써 배터리(10)의 냉각 내지 승온을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 배터리 냉각로직을 도시한 순서도이다.
먼저, 제1 및 제2 온도센서(53, 54)에 의해 배터리(10)의 온도(TB) 및 쿨런트의 온도(TC)를 측정하고(S1), 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 상한임계치(Tmax)를 초과하는 지를 판단한다(S2). 여기서, 상한임계치(Tmax)는 배터리(10)의 구동에 지장을 주지 않은 배터리(10)의 허용가능한 최상한값이다.
여기서, 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 상한임계치(Tmax)를 초과하면, 배터리(10)가 과열상태이므로 배터리(10)에 대한 냉각이 요구된다. 그리고, 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 상한임계치(Tmax)를 초과하지 않으면, 배터리(10)에 대한 냉각이 요구되지 않으므로 냉각팬(33), 열전소자(31), 쿨런트 순환펌프(26) 등의 작동을 정지시킨다(S5).
그리고, 상술한 S2단계에서 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 상한임계치(Tmax)를 초과한 것으로 판단되면, 쿨런트의 온도(TC)가 배터리(10)의 온도(TB) 보다 작은지를 판단한다(S3).
그 이후에 상술한 S3단계에서 쿨런트의 온도(TC)가 배터리(10)의 온도(TB) 보다 작은 것으로 판단되면, 배터리(10)의 냉각을 위하여 열전소자(31)의 냉각, 쿨런트 순환펌프(25), 냉각팬(33) 등을 작동시킨다(S4). 이에, 열전소자(31)의 냉각 작동, 냉각팬(33)의 작동 등을 통해 쿨런트가 냉각되고, 이렇게 냉각된 쿨런트는 쿨런트 순환펌프(25)의 작동에 의해 열관리부(20)로 펌핑되어 배터리(10)를 냉각시킨다.
이러한 S4단계 이후에, 다시 S1단계로 리턴되어 상술한 과정을 반복한다.
그리고, 쿨런트의 온도(TC)가 배터리(10)의 온도(TB) 보다 큰 것으로 판단되면, 쿨런트 순환펌프(25)의 작동을 정지하여 쿨런트가 열관리부(20)로 펌핑됨을 차단함과 더불어 열전소자(31)의 냉각 및 냉각팬(33)을 작동시킨다(S6). 이에, 쿨런트 순환펌프(25)의 정지로 인해 고온의 쿨런트가 열관리부(20)로 유입되지 않으면서 열전소자(31)의 냉각 작동 및 냉각팬(33)의 작동에 의해 냉각된다. 이러한 S6단계 이후에는 S3단계로 리턴된다.
도 6은 본 발명에 의한 배터리 승온방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 냉각팬(33)을 정지시킨 상태에서 제1 및 제2 온도센서(53, 54)에 의해 배터리(10)의 온도(TB) 및 쿨런트의 온도(TC)를 측정하고(T1), 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 하한임계치(Tmin) 미만인지를 판단한다(T2). 여기서, 하한임계치(Tmin)는 배터리(10)의 구동에 지장을 주지 않은 배터리(10)의 허용가능한 최하한값이다.
여기서, 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 하한임계치(Tmin) 미만인 것으로 판단되면, 배터리(10)가 과냉상태이므로 배터리(10)에 대한 승온이 요구된다. 그리고, 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 하한임계치(Tmin) 보다 큰 것으로 판단되면, 배터리(10)에 대한 승온이 필요하지 않으므로 열전소자(31), 쿨런트 순환펌프(26) 등의 작동을 정지시킨다(T5).
그리고, 상술한 T2단계에서 배터리(10)의 온도(TB)가 배터리(10)의 하한임계치(Tmin) 미만인 것으로 판단되면, 쿨런트의 온도(TC)가 배터리(10)의 온도(TB) 보다 큰지를 판단한다(T3).
그 이후에, 상술한 T3단계에서 쿨런트의 온도(TC)가 배터리(10)의 온도(TB) 보다 큰 것으로 판단되면, 배터리(10)의 승온을 위하여 쿨런트 순환펌프(25)의 작동, 열전소자(31)의 승온 작동을 실시한다(T4). 이에, 열전소자(31)의 승온 작동, 냉각팬(33)의 작동 등을 통해 쿨런트가 승온되고, 이렇게 승온된 쿨런트는 쿨런트 순환펌프(25)의 작동에 의해 열관리부(20)로 펌핑되어 배터리(10)를 승온시킨다.
이러한 T4단계 이후에, 다시 T1단계로 리턴되어 상술한 과정을 반복한다.
그리고, 상술한 T3단계에서 쿨런트의 온도(TC)가 배터리(10)의 온도(TB) 보다 작은 것으로 판단되면, 쿨런트 순환펌프(25)의 작동을 정지하여 쿨런트가 열관리부(20)의 입구(21)로 유입됨을 방지함과 더불어 열전소자(31)의 승온작동을 실시한다(T6). 이에, 쿨런트 순환펌프(25)의 정지로 인해 저온의 쿨런트가 열관리부(20)로 펌핑됨이 차단되고, 열전소자(31)의 승온 작동에 의해 승온된다. 이러한 T6단계 이후에 T3단계로 리턴된다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 배터리 열관리 시스템에 적용되는 제2실시형태에 따른 열교환기(30)를 도시한다.
제2실시형태에 따른 열교환기(30)는 쿨런트 순환라인(25)의 도중에 설치되어 쿨런트와 열교환하는 열교환부(40)와, 열교환부(40)에 부착된 열전소자(31)와, 열전소자(31)에 부착된 히트싱크(32)와, 히트싱크(32)의 맞은편에 배치된 냉각팬(33)을 포함한다.
열교환부(40)는 쿨런트 순환라인(25)의 도중에 접속되는 사형 열교환튜브(44, serpentine heat exchange tube)와, 사형 열교환튜브(44)의 외면을 덮도록 마련된 열교환 블록(43)을 포함한다.
사형 열교환튜브(44)는 여러번에 걸쳐 굴곡진 사형(serpentine)으로 성형되어 쿨런트의 접촉면적을 증대시켜 그 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
사형 열교환튜브(44)의 양단에는 쿨런트가 유입되는 입구(44a) 및 쿨런트가 유출되는 출구(44b)가 형성되고, 사형 열교환튜브(44)의 입구(44a) 및 출구(44b)는 쿨런트 순환라인(25)에 접속된다.
사형 열교환튜브(44)는 쿨런트 순환라인(25)에 대해 별도로 제조되어 그 양단이 쿨런트 순환라인(25)과 밀봉적으로 접속되는 구조로 이루어질 수 있고, 이와 달리 사형 열교환튜브(44)는 쿨런트 순환라인(25)과 동일체로 성형될 수도 있다.
또한, 사형 열교환튜브(44)의 내경면에는 내측핀(미도시)이 마련되어 쿨런트의 접촉면적을 더욱 증대시킬 수도 있다.
열교환 블록(43)은 사형 열교환튜브(44)의 외측을 감싸도록 설치되고, 특히 열교환 블록(43)은 열교환이 용이하도록 열전달율이 높은 재질로 이루어진다.
열전소자(31)는 열교환부(40)의 일측에 부착되고, 특히 열교환부(40)의 열교환 블록(43)에 부착될 수 있다.
본 발명의 제2실시형태에 따른 열교환기(30)는 한 쌍의 열전소자(31)가 열교환블록(43)의 상면 및 하면에 대칭적으로 부착되고, 이에 대응하여 한 쌍의 히트싱크(32) 및 한 쌍의 냉각팬(33)이 각 열전소자(31)에 부착됨으로써 열교환블록(43)에 대해 대칭적으로 배치된다.
이와 같이, 본 발명의 제2실시형태에 따른 열교환기(30)는 열교환부(40)의 열교환 블록(43)에 대해 한 쌍의 열전소자(31), 한 쌍의 히트싱크(32), 한 쌍의 냉각팬(33)이 대칭적으로 배치됨으로써 열전소자(31)에 의한 쿨런트의 냉각 내지 승온을 보다 효율적으로 수행할 수 있다.
그외 나머지, 작동 및 구성은 선행하는 제1실시형태와 동일 내지 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 배터리 열관리 시스템에 적용되는 제3실시형태에 따른 열교환기(30)를 도시한다.
제3실시형태에 따른 열교환기(30)는 쿨런트 순환라인(25)의 도중에 설치되어 쿨런트와 열교환하는 열교환부(40)와, 열교환부(40)에 부착된 열전소자(31)와, 열전소자(31)에 부착된 히트싱크(32)와, 히트싱크(32)의 맞은편에 배치된 냉각팬(33)을 포함한다.
열교환부(40)는 쿨런트 순환라인(25)의 도중에 접속되는 열교환덕트(45)를 포함한다.
열교환덕트(45)는 그 양단부에 쿨런트가 유입되는 입구부(45a) 및 쿨런트가 유출되는 출구부(45b)를 가지고, 열교환덕트(45)의 입구부(45a) 및 출구부(45b)는 그 단면적이 열교환덕트(45)의 단면적 보다 작게 형성된다. 특히, 입구부(45a) 및 출구부(45b)는 열교환덕트(45)의 일단 및 타단에 확관형 연결부(49)를 매개로 연결되며, 각 확관형 연결부(49)는 도 12와 같이 테이퍼진 구조로 형성된다.
열교환덕트(45)는 "U"자형으로 절곡되어 입구부(45a) 및 출구부(45b)가 동일 방향에 위치하도록 형성되고, 열교환덕트(49)의 입구부(45a) 및 출구부(45b)에는 쿨런트 순환라인(25)이 밀봉적으로 접속된다.
그리고, 도 11 및 도 10에 도시된 바와 같이, 열교환덕트(45)의 내부 유로에는 격자프레임(47)이 설치되고, 격자프레임(47)에는 복수의 격자 유로(46)가 상/하/좌/우방향으로 균일한 간격으로 형성되며, 각 격자 유로(46)는 원형 또는 사각형의 미세한 단면을 가진다. 특히, 2개의 격자프레임(47)이 열교환덕트(45)의 입구부(45a)에 인접한 내부 유로 및 열교환덕트(45)의 출구부(45b)에 인접한 내부 유로에 각각 설치된다.
이에 따라, 열교환덕트(45)의 입구부(45a)로 유입된 쿨런트는 2개의 격자 프레임(47)의 격자 유로(46)들을 통과한 후에 열교환덕트(45)의 출구부(45b)로 유출된다. 여기서, 쿨런트가 미세한 단면적의 격자 유로(46)들을 균일하게 통과함에 다라 쿨런트의 접촉면적을 증대시키는 열교환핀의 기능을 수행하고, 이를 통해 쿨런트의 열교환효율을 높일 수 있다.
또한, 확관형 연결부(49) 내에는 복수의 소통공(48a)이 형성된 배플(48)이 설치되고, 이러한 배플(48)의 소통공(48a)들은 균일한 간격으로 형성되며, 이에 따라 배플(48)의 소통공(48a)을 통해 쿨런트의 유입흐름 내지 유출흐름이 균일하게 분배될 수 있다.
열전소자(31)는 열교환덕트(45)의 상면 또는 하면에 부착되고, 특히 열교환덕트(45)의 U자형 구조에 대응하여 복수의 열전소자(31)가 열교환덕트(45)의 상면 또는 하면에 균일하게 부착될 수 있다. 이러한 복수의 열전소자(31)에 의해 열교환덕트(45)를 통과하는 쿨런트에 대한 냉각 내지 승온이 효율적으로 이루어질 수 있다.
그외 나머지 구성은 선행하는 제1 및 제2 실시형태에 따른 열교환기(30)와 유사 내지 동일하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 배터리 20: 열관리부
25: 쿨런트 순환라인(coolant circulation line)
26: 쿨런트 순환펌프(coolant circulation pump)
27: 보조 히터 30: 열교환기
31: 열전소자
32: 히트싱크 33: 송풍팬
40: 열교환부 41: 열교환 플레이트
42: 열교환튜브(heat exchange tube)
43: 열교환블록
44: 사형 열교환튜브(serpentine heat exchange tube)
44a: 입구 44b: 출구
45: 열교환덕트 45a: 입구
45b: 출구 46: 격자 유로
47: 격자프레임 48: 배플
48a: 소통공 50: 제어부
51: 극성전환스위치 53: 온도센서
54: 온도센서

Claims (21)

  1. 쿨런트에 의해 배터리에 대한 열관리를 수행하는 열관리부;
    상기 열관리부에 연결되는 쿨런트 순환라인(coolant circulation line); 및
    상기 쿨런트 순환라인의 도중에 설치되어 쿨런트와 열교환하는 열교환부와, 상기 열교환부에 부착된 열전소자와, 상기 열전소자에 부착된 히트싱크를 가진 열교환기;를 포함하고,
    상기 열교환부는 일정 간격으로 이격된 복수의 열교환 플레이트와, 상기 복수의 열교환 플레이트를 관통하는 열교환튜브를 포함하며, 상기 열교환튜브의 내부로 쿨런트가 이송되는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환부에 대해 한 쌍의 열전소자가 대칭적으로 부착되고, 이에 대응하여 한 쌍의 히트싱크가 각 열전소자에 부착됨으로써 한 쌍의 히트싱크가 상기 열교환부에 대해 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전소자는 상기 열교환부와 접촉하는 제1면과 상기 히트싱크와 접촉하는 제2면을 가지고,
    상기 열전소자에는 극성을 전환하는 극성전환스위치가 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리에 설치되어 상기 배터리의 온도를 검출하는 제1온도센서와, 상기 쿨런트 순환라인의 도중에 설치되어 상기 쿨런트의 온도를 검출하는 제2온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트싱크의 맞은편에 배치되는 냉각팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환튜브는 직선형 관체(straight tube)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환튜브의 내경면에는 복수의 내측핀(inner fin)이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  10. 삭제
  11. 쿨런트에 의해 배터리에 대한 열관리를 수행하는 열관리부;
    상기 열관리부에 연결되는 쿨런트 순환라인(coolant circulation line); 및
    상기 쿨런트 순환라인의 도중에 설치되어 쿨런트와 열교환하는 열교환부와, 상기 열교환부에 부착된 열전소자와, 상기 열전소자에 부착된 히트싱크를 가진 열교환기;를 포함하고,
    상기 열교환부는 쿨런트 순환라인의 도중에 접속되는 열교환덕트를 포함하고,
    상기 열교환덕트의 내부에는 복수의 격자 유로가 균일한 간격으로 형성된 격자프레임이 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 열교환덕트는 그 양단부에 쿨런트가 유입되는 입구부 및 쿨런트가 유출되는 출구부를 가지고,
    상기 열교환덕트는 "U"자형으로 절곡된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 열교환덕트의 입구부 및 출구부는 그 단면적이 열교환덕트의 단면적 보다 작게 형성되고, 상기 입구부 및 출구부는 열교환덕트의 일단 및 타단에 확관형 연결부를 매개로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 확관형 연결부 내에는 복수의 소통공이 형성된 배플이 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 시스템.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 청구항 제1항, 제11항 중에서 어느 한 항의 배터리 열관리 시스템을 이용한 배터리 열관리 방법으로,
    상기 배터리의 온도를 측정하고,
    상기 배터리의 온도가 배터리의 상한임계치를 초과하면 상기 열전소자의 냉각작동을 선택적으로 수행하여 상기 쿨런트를 냉각시키며,
    상기 배터리의 온도가 배터리의 하한임계치 미만이면 상기 열전소자의 승온작동을 선택적으로 수행하여 상기 쿨런트를 승온시키는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 배터리의 온도 및 상기 쿨런트의 온도를 측정하고,
    상기 배터리의 온도가 배터리의 상한임계치를 초과한 상태에서 상기 쿨런트의 온도가 상기 배터리의 온도 보다 작으면 상기 열전소자의 냉각작동에 의해 상기 쿨런트를 냉각시킴과 더불어 상기 쿨런트를 상기 열관리부로 펌핑하는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 배터리의 온도 및 상기 쿨런트의 온도를 측정하고,
    상기 배터리의 온도가 상기 배터리의 상한임계치를 초과한 상태에서 상기 쿨런트의 온도가 상기 배터리의 온도 보다 크면 상기 쿨런트가 상기 열관리부로 펌핑됨을 차단하고, 상기 열전소자의 냉각작동에 의해 상기 쿨런트를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 배터리의 온도 및 상기 쿨런트의 온도를 측정하고,
    상기 배터리의 온도가 배터리의 하한임계치 미만인 상태에서 상기 쿨런트의 온도가 상기 배터리의 온도 보다 크면 상기 열전소자의 승온작동에 의해 상기 쿨런트를 승온시킴과 더불어 상기 쿨런트를 상기 열관리부로 펌핑하는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 방법.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 배터리의 온도 및 상기 쿨런트의 온도를 측정하고,
    상기 배터리의 온도가 상기 배터리의 하한임계치 미만인 상태에서 상기 쿨런트의 온도가 상기 배터리의 온도 보다 작으면 상기 쿨런트가 상기 열관리부로 펌핑됨을 차단하고, 상기 열전소자의 승온작동에 의해 상기 쿨런트를 승온시키는 것을 특징으로 하는 배터리 열관리 방법.
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