KR101943536B1 - 자동차용 배터리 온도 조절 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 자동차용 배터리 온도 조절 장치는, 복수의 배터리 셀을 다단으로 적층 배열하면서 전기적으로 연결하여 구성하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀의 온도를 감지하기 위한 적어도 하나의 온도 센서; 상기 배터리 모듈에 근접하여 설치되며, 발열을 통하여 상기 배터리 셀이 권장온도가 유지되도록 설치되는 발열체; 상기 발열체를 기준으로 상기 배터리 모듈과 반대방향에 위치하며, 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열하기 위하여 구동되는 적어도 하나의 팬; 상기 팬을 기준으로 상기 발열체와 반대방향에 위치하고, 상기 팬 방향에는 히트싱크가 구비되어 있으며, 상기 발열체 및 상기 팬에 전원을 공급하는 배터리 관리 시스템; 및 상기 온도 센서와 전기적으로 연결 접속되어 복수의 배터리 셀의 온도를 확인하고, 확인된 배터리 셀의 온도에 따라 상기 배터리 관리 시스템에서 상기 발열체 및 상기 팬에 전원를 공급 또는 차단하도록 제어하여 발열 및 냉각을 통해 상기 배터리 셀이 권장온도가 유지되도록 제어하는 배터리 열관리 시스템;를 포함하며, 상기 배터리 열관리 시스템은, 상기 배터리 셀의 온도가 저온 범위인 경우에는 상기 발열체에 전원을 공급하여 발열하도록 제어하고 상기 팬에 전원을 공급하여 상기 팬의 바람의 방향이 상기 배터리 관리 시스템에서 상기 배터리 모듈 방향이 되도록 제어하고, 상기 배터리 셀의 온도가 준저온 범위인 경우에는 상기 발열체에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고 상기 팬에 전원을 공급하여 상기 팬의 바람의 방향이 상기 배터리 관리 시스템에서 상기 배터리 모듈 방향이 되도록 제어하고, 상기 배터리 셀의 온도가 상온 범위인 경우에는 상기 발열체 및 상기 팬에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고, 상기 배터리 셀의 온도가 고온 범위인 경우에는 상기 발열체에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고 상기 팬에 전원을 공급하여 상기 팬의 바람의 방향이 상기 배터리 모듈에서 상기 배터리 관리 시스템 방향이 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차용 배터리 온도 조절 장치 {Apparatus for Regulating Temperature of Battery for Vehicle}
본 발명은 자동차에 사용되는 배터리의 온도를 조절하기 위한 자동차용 배터리 온도 조절 장치에 관한 것으로서, 자동차에 장착되는 배터리에 내설 또는 근접하도록 온도 센서를 장착하고, 온도 센서로부터 검출된 데이터에 기반하여, 방열 및 가열 기능이 구현될 수 있는 팬 및 히터를 이용한 자동차용 배터리 온도 조절 장치에 관한 것이다.
최근의 저탄소 녹색성장 기조에 따라 친환경 차량에 대한 관심이 급격하게 증대되고 있다. 또한 친환경 차량인 전기자동차를 비롯한 전기스쿠터 및 전기자전거 등의 동력전달을 위해 납축전지를 포함하여 리튬인산철염전지, 리튬이온전지 또는 리튬이온폴리머전지 등의 다양한 형태의 배터리가 사용되고 있다.
특히, 전기자전거와 전기스쿠터와 같은 경우에는 총 차체의 경량화를 위하여 리튬이온 배터리를 많이 사용하고 있다. 하지만 이들 리튬이온 배터리팩은 4계절이 뚜렷한 국내와 같은 조건에서는 영하 6℃ 정도만 되어도 배터리 충전시 저항의 증대로 완전 충전이 되지 않으며, 특히 출력 저하 현상으로 인해 50% 이하의 출력 성능 밖에 내지 못함과 동시에 전지수명도 단축되는 문제가 있다. 또한 40℃ 이상의 고온에서는 배터리의 수명이 단축되거나 안정성이 감소되는 문제가 있다. 따라서 여름 및 겨울철에 리튬이온 배터리팩의 고장, 출력 감소, 사고가 지속적으로 발생되고 있으며, 이는 친환경 이동수단의 보급에 걸림돌이 되고 있다.
이와 같은 리튬이온 배터리를 포함하는 2차 전지는 전기 차량 등과 같은 이동수단에 적용되는 경우에, 정상적으로 배터리 전력을 공급하기 위해서 배터리의 자체적인 내열 유지 또는 적정 온도로의 냉각이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 외부의 기온이 변화하여도 배터리의 충방전 효율이 감소하지 않도록 하는 배터리 온도 조절 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 자동차용 배터리 온도 조절 장치는 복수의 배터리 셀을 다단으로 적층 배열하면서 전기적으로 연결하여 구성하는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀의 온도를 감지하기 위한 적어도 하나의 온도 센서; 상기 배터리 모듈에 근접하여 설치되며, 발열을 통하여 상기 배터리 셀이 권장온도가 유지되도록 설치되는 발열체; 상기 발열체를 기준으로 상기 배터리 모듈과 반대방향에 위치하며, 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열하기 위하여 구동되는 적어도 하나의 팬; 상기 팬을 기준으로 상기 발열체와 반대방향에 위치하고, 상기 팬 방향에는 히트싱크가 구비되어 있으며, 상기 발열체 및 상기 팬에 전원을 공급하는 배터리 관리 시스템; 및 상기 온도 센서와 전기적으로 연결 접속되어 복수의 배터리 셀의 온도를 확인하고, 확인된 배터리 셀의 온도에 따라 상기 배터리 관리 시스템에서 상기 발열체 및 상기 팬에 전원를 공급 또는 차단하도록 제어하여 발열 및 냉각을 통해 상기 배터리 셀이 권장온도가 유지되도록 제어하는 배터리 열관리 시스템;를 포함하며, 상기 배터리 열관리 시스템은, 상기 배터리 셀의 온도가 저온 범위인 경우에는 상기 발열체에 전원을 공급하여 발열하도록 제어하고 상기 팬에 전원을 공급하여 상기 팬의 바람의 방향이 상기 배터리 관리 시스템에서 상기 배터리 모듈 방향이 되도록 제어하고, 상기 배터리 셀의 온도가 준저온 범위인 경우에는 상기 발열체에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고 상기 팬에 전원을 공급하여 상기 팬의 바람의 방향이 상기 배터리 관리 시스템에서 상기 배터리 모듈 방향이 되도록 제어하고, 상기 배터리 셀의 온도가 상온 범위인 경우에는 상기 발열체 및 상기 팬에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고, 상기 배터리 셀의 온도가 고온 범위인 경우에는 상기 발열체에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고 상기 팬에 전원을 공급하여 상기 팬의 바람의 방향이 상기 배터리 모듈에서 상기 배터리 관리 시스템 방향이 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 온도 센서는 복수의 배터리 셀에 각각 대응되도록 설치될 수 있다.
상기 발열체는 필름히터, 실리콘 러버히터, 및 코일히터를 포함하는 히터군으로부터 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 배터리 열관리 시스템은, 상기 온도 센서를 통해 감지된 배터리 셀의 온도를 확인하는 배터리 온도 확인부, 및 상기 발열체 및 팬의 동작을 제어하는 제어부,를 포함하는 것일 수 있다.
상기 배터리 열관리 시스템은, 상기 배터리 셀의 온도가 준저온 범위인 경우에, 상기 히트싱크의 온도가 상기 배터리 셀의 온도보다 낮은 경우에는 상기 팬에 공급되는 전원을 차단하는 것일 수 있다.
상기 배터리 셀의 온도는 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 온도를 의미하는 것일 수 있다.
상기 배터리 셀의 온도는 상기 온도 센서에서 감지된 상기 복수의 배터리 셀의 온도값의 평균을 의미하는 것일 수 있다.
상기 권장온도는 배터리 셀들이 외부전원을 통해 최적으로 충전될 수 있는 충전권장온도와, 배터리 셀들이 최대출력으로 방전될 수 있는 방전권장온도로서, 10℃ ~ 39℃ 범위의 상온인 것일 수 있다.
상기 배터리 셀의 온도 범위는 -6℃ 이하를 저온 범위로, -5℃ ~ 9℃ 를 준저온 범위로, 10℃ ~ 39℃ 를 상온 범위로, 40℃ 이상을 고온 범위로 구분하는 것일 수 있다.
본 발명의 자동차용 배터리 온도 조절 장치에 의하면, 혹한기, 혹한 지역 및 혹서기, 혹서 지역에 관계없이 배터리의 온도를 원하는 적정 온도로 조절하는 것이 가능하므로, 배터리의 충방전 효율을 개선함과 더불어, 이를 통해 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 배터리 온도 조절 장치를 설명하기 위한 기능블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 따른 BTMS의 내부 구성의 기능블록도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 배터리 온도 조절 장치의 동작을 설명하는 순서도이다.
본 발명의 실시형태에 따른 자동차용 배터리 온도 조절 장치에 관한 사항을 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 도면상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.
차량의 배터리의 온도는 배터리 수명에 가장 큰 영향을 주는 인자로서, 배터리의 온도 상승은 전해액의 감소와 더불어, 극판의 부식이 빠르게 진행하도록 하고, 그에 따라 배터리의 수명이 감소하게 한다. 또한, 외부 온도가 영하로 떨어지는 경우에는 온도 감소에 의하여 배터리의 성능 특성이 저하된다.
따라서, 배터리 셀의 권장온도는 배터리 셀들이 외부전원을 통해 최적으로 충전될 수 있는 충전권장온도와, 배터리 셀들이 최대출력으로 방전될 수 있는 방전권장온도이다. 이러한 권장온도는 배터리 용량에 따라 상이하나, 일반적으로 10℃ ~ 39℃ 범위의 상온인 것이 바람직하다. 이는 상온에서 전지의 충전 혹은 방전 특성이 최대로 유지되는 것에 기인한 것으로, 배터리 셀의 온도가 40℃ 이상인 경우인 혹서기와 외부 기온이 영하로 떨어지는 동절기의 조건에서 전력소비를 최소화하면서도 배터리의 성능 특성이 최적으로 유지되고 관리될 수 있는 온도범위를 설정한 것이다.
따라서 본 발명은 차량의 배터리 셀이 권장온도가 유지되어 배터리의 성능 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 자동차용 배터리 온도 조절 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 배터리 온도 조절 장치를 설명하기 위한 기능블록도를 나타내고, 도 2는 도 1에 따른 BTMS의 내부 구성의 기능블록도를 나타낸다.
본 실시예에 따른 자동차용 배터리 온도 조절 장치는 리튬이온 배터리 뿐만 아니라 다른 다양한 종류의 배터리에도 적용가능하며, 다만 여기서는 리튬이온 배터리를 그 일 예로서 들어 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 배터리 온도 조절 장치(1)는, 배터리 모듈(100), 온도 센서(110), 발열체(120), 팬(Fan, 130), BMS(140)(Battery Management System, 배터리 관리 시스템) 및 BTMS(150)(Battery Thermal Management System, 배터리 열관리 시스템)를 포함한다. 도 1에서는 상기 BTMS(150)를 상기 BMS(140)와 구분되도록 도시하였으나, 상기 BTMS(150)는 상기 BMS(140) 내부에 내설되어 그 기능을 수행할 수도 있다.
상기 배터리 모듈(100)은 복수의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)을 다단으로 적층 배열하면서 전기적으로 연결하여 구성된다. 도 1에서는 배터리 모듈(100)이 4개의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)을 포함하는 것으로 도시하였으나, 리튬이온 배터리 셀은 필요에 따라 다양한 수로 구성될 수 있다.
상기 온도 센서(110)는 복수의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)에 각각 대응하는 복수의 온도 센서(112, 114, 116, 118)로 이루어지며, 상기 복수의 온도 센서(112, 114, 116, 118)는 상기 복수의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도를 검출하기 위해 상기 배터리 모듈(100)의 내부에 배치될 수 있다. 그러나, 상기 복수의 온도 센서(112, 114, 116, 118)는 상기 복수의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)에 근접한 위치에서 상기 배터리 모듈(100)의 외부에 배치될 수도 있다.
구체적으로, 상기 복수의 온도 센서(112, 114, 116, 118)는 배터리 모듈(100)을 구성하며 다단으로 적층 배열된 복수의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)에 각각 대응되도록 설치되어, 각기 담당하는 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도를 감지한다.
상기 발열체(120)는 발열을 통하여 상기 배터리 모듈(100)을 권장온도로 유지시키기 위하여 설치되는 것으로, 상기 배터리 모듈(100)에 근접하여 설치된다. 이때, 상기 발열체(120)는 시트 형태 것이 바람직하며, 이 경우 배터리 모듈을 소형화로 구현하는 데 효과가 있다. 또한, 상기 발열체(120)는 PTC 등의 필름히터, 실리콘 러버히터, 및 코일히터를 포함하는 히터군으로부터 선택된 어느 하나를 적용할 수도 있다.
상기 팬(130)은 상기 발열체(120)를 기준으로 상기 배터리 모듈(100)과 반대방향에 위치하며, 상기 BTMS(150)의 제어에 의해 복수의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)을 냉각 또는 가열시키기 위해 구동한다. 상기 팬(130)은 하나로 구성될 수 있으나, 필요에 따라 복수로 구성될 수 있다.
상기 BMS(140)는 배터리 관리 시스템으로, 상기 팬(130)의 주변에 위치하며, 구체적으로 상기 팬(130)을 기준으로 상기 발열체(120)와 반대방향에 위치하고, 상기 발열체(120) 및 상기 팬(130)에 전원을 공급한다.
또한, 상기 BMS(140)의 상기 팬(130) 방향에는 BMS 히트싱크(142)가 구비되어 있으며, 상기 BMS 히트싱크(142)는 상기 BMS(140)로부터의 열을 발산한다. 상기 BMS 히트싱크(142)에는 상기 BMS 히트싱크(142)의 온도를 감지하기 위한 히트싱크 온도 센서(144)가 그 내부에 배치될 수 있다. 그러나, 상기 히트싱크 온도 센서(144)는 상기 BMS 히트싱크(142)에 근접한 위치에서 상기 BMS 히트싱크(142)의 외부에 배치될 수도 있다.
상기 BTMS(150)는 상기 온도 센서(110)와 전기적으로 연결 접속되어 복수의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도를 확인하고, 상기 확인된 복수의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도에 따라 상기 BMS(140)에서 상기 발열체(120) 및 상기 팬(130)에 전원를 공급하도록 제어하여 발열 및 냉각을 통해 배터리 셀이 권장온도가 유지되도록 제어한다.
구체적으로, 이러한 상기 BTMS(150)는 도 2에 도시되는 바와 같이, 배터리 온도 확인부(142) 및 제어부(144)를 포함한다.
상기 배터리 온도 확인부(142)는 상기 온도 센서(110)에서 감지한 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도를 확인하고 이를 상기 제어부(144)에 전달한다. 본 실시예에서는 배터리 온도 확인부(142) 및 온도 센서(110)가 구분되어 있으나, 반드시 구분되어야 하는 것은 아니고 하나로 통합될 수 있다.
상기 제어부(144)는 상기 배터리 온도 확인부(142)로부터 확인된 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)들의 온도를 바탕으로 배터리 셀의 권장온도 유지를 위한 발열체 제어 및 팬 제어를 포함하는 각종 제어신호를 출력하고 관리하는 기능을 수행한다.
즉 상기 제어부(144)는 배터리 셀의 온도를 권장온도로 유지시키기 위해 상기 BMS(140)를 제어하는 제어신호를 출력하여 상기 발열체(120)로 공급되는 전원의 온/오프를 제어하고, 팬(130)으로 공급되는 전원의 온/오프를 제어한다. 또한, 상기 제어부(144)는 상기 팬(130)의 바람의 방향을 제어한다.
이하, 본 발명에 따른 자동차용 배터리 온도 조절 장치의 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
이때, 이하에서 기술되는 리튬이온 배터리 셀의 온도는, 복수의 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도 중 어느 하나의 온도를 의미할 수 있다. 그러나, 배터리 모듈(100)을 구성하는 전체 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)에 대응하는 각각의 온도 센서(112, 114, 116, 118)에서 감지된 온도값의 평균을 리튬이온 배터리 셀의 온도로 할 수도 있다.
먼저, 외부 기온이 영하로 떨어지는 동절기에, 온도 센서(110)를 통해 감지되는 리튬이온 배터리 셀의 온도가 -6℃ 이하의 저온 범위인 경우, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하는 제어신호를 출력하여 발열체(120)에 전원을 공급하여 발열시키고, 또한 팬(130)에 전원을 공급하여 팬(130)을 가동시킨다. 이때, 상기 제어부(144)는 팬(130)의 바람의 방향이 상기 BMS(140)에서 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108) 방향으로 이동하도록 제어하거나, 상기 BMS(140)에서 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108) 방향으로 바람의 방향이 설정된 팬(130)을 가동시켜, 상기 BMS 히트싱크(142)로부터의 열이 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)로 전달되도록 한다. 따라서 상기 발열체(120)에 의한 가열 뿐만아니라 상기 BMS 히트싱크(142)로부터의 열을 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)로 전달하여 더욱 효과적으로 리튬이온 배터리 셀의 온도를 상승시킬 수 있게 된다. 따라서 본 발명의 차량용 배터리는 외부 온도가 영하로 떨어지는 동절기에도 배터리 셀의 온도를 권장온도로 유지시킬 수 있어 효과적인 배터리 특성을 나타낼 수 있게 된다.
또한, 온도 센서(110)를 통해 감지되는 배터리 셀의 온도가 -5℃ ~ 9℃ 의 준저온 범위인 경우, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하는 제어신호를 출력하여 팬(130)에 전원을 공급하여 팬(130)을 가동시킨다. 이때, 상기 제어부(144)는 팬(130)의 바람의 방향이 BMS(140)에서 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108) 방향으로 이동하도록 제어하거나, 상기 BMS(140)에서 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108) 방향으로 바람의 방향이 설정된 팬(130)을 가동시킨다. 즉 상기 BMS 히트싱크(142)로부터의 열만을 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)에 전달하여 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)을 가열하고, 상기 발열체(120)에는 전원을 공급하지 않으므로써, 상기 발열체(120)에 의한 전력손실을 방지할 수 있게 된다. 이후 상기 제어부(144)는 상기 온도센서(110)를 통해 검출되는 온도가 상온 범위인 10℃ ~ 39℃가 되면 상기 팬(130)으로 공급되는 전원을 차단한다.
이때, 상기 제어부(144)는 상기 히트싱크 온도 센서(144)에서 감지된 상기 BMS 히트싱크(142)의 온도가 현재 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도보다 낮은 경우에는 상기 BMS(140)를 제어하여 상기 팬(130)에 공급되는 전원을 차단한다.
또한, 온도 센서(110)를 통해 감지되는 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도가 10℃ ~ 39℃의 상온 범위인 경우에는 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하여 상기 발열체(120) 및 상기 팬(130)에 공급되는 전원을 차단한다.
또한, 온도 센서(110)를 통해 감지되는 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도가 40℃이상의 고온 범위인 경우에는, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하여 팬(130)에 전원을 공급하여 팬(130)을 가동시킨다. 이때, 상기 제어부(144)는 팬(130)의 바람의 방향이 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)에서 상기 BMS(140) 방향으로 이동하도록 제어하거나, 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)에서 상기 BMS(140) 방향으로 바람의 방향이 설정된 팬(130)을 가동시킨다. 이것은 상기 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)로부터의 열을 외부로 방출하기 위함이다. 상기 제어부(144)는 이와 같은 냉각에 의하여 상기 온도 센서(110)를 통해 검출되는 온도가 10℃ ~ 39℃가 되면 상기 팬(130)에 공급되는 전원을 차단한다.
이와 같이 본 발명에서는 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 온도를 감지하여 온도에 따라 발열체 및 팬을 가동하여, 리튬이온 배터리 셀이 권장온도가 유지되도록 하여, 리튬이온 배터리 셀의 충전 혹은 방전 특성이 최대로 유지되도록 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 자동차용 배터리 온도 조절 장치는 혹서기나 혹한기에 배터리의 온도를 조절하여 배터리의 성능 특성이 저하되는 것을 방지하는 데 효과적이다.
이때, 감지된 리튬이온 배터리 셀의 온도 범위에 대하여 -6℃ 이하를 저온 범위로, -5℃ ~ 9℃ 를 준저온 범위로, 10℃ ~ 39℃를 상온 범위로, 40℃ 이상을 고온 범위로 구분하였으나, 상기 온도 범위는 차량의 용량, 차량의 소모 전력 크기등에 따라 다르게 구분될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 온도 조절 장치의 동작을 설명하는 순서도이다.
먼저, 상기 BTMS(150)에는 내부 메모리에 배터리 온도에 대하여 저온의 기준온도값인 제1 설정 온도(T1), 준저온의 기준온도 값인 제2 설정 온도(T2), 및 고온의 기준온도 값인 제3 설정 온도(T3)가 등록 관리된다. 본 실시예에서는 제1 설정 온도(T1)는 -5℃, 제2 설정 온도(T2)는 10℃, 제3 설정 온도(T3)는 40℃로 설정하였다. 그러나, 상기 설정온도는 배터리의 온도 제어를 위한 설정 값으로 배터리의 종류, 용량 및 특성에 따라 상이하게 설정될 수 있다. 즉 상기 설정온도는 차량의 용량, 차량의 소모 전력 크기에 따라 정의되거나, 차량의 안전성과 내구성을 위해 실험적 근거에 의거 설정될 수 있다.
도시한 바와 같이, 배터리 모듈(100)이 장착된 전기 차량과 같은 전력 사용 시스템이 동작하면서 배터리 전력의 사용이 개시되면(S100), BTMS(150)는 온도 센서(112, 114, 116, 118)를 통해 감지한 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108) 각각의 온도를 확인한다(S110).
그 상태에서, 상기 온도 센서(112, 114, 116, 118)로부터 감지된 온도값이 설정된 제1 설정 온도(T1) 이하인지를 판단한다(S120).
상기 판단 결과, 상기 리튬이온 배터리 셀의 온도가 제1 설정 온도(T1) 이하라고 판단하게 되면, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하는 제어신호를 출력하여 발열체(120)에 전원을 공급하여 발열시키고, 팬(130)에 전원을 공급하여 팬(130)을 가동시킨다(S122). 이때, 상기 제어부(144)는 팬(130)의 바람의 방향이 BMS(140)에서 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108) 방향으로 이동하도록 제어하거나, 상기 BMS(140)에서 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108) 방향으로 바람의 방향이 설정된 팬(130)을 가동시켜, 상기 BMS 히트싱크(142)로부터의 열이 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)로 전달되도록 한다.
상기 S120 단계의 판단 결과, 상기 리튬이온 배터리 셀의 온도가 제1 설정 온도(T1) 이하가 아니라고 판단하게 되면, 상기 리튬이온 배터리 셀의 온도 값이 제2 설정 온도(T2) 이하인지를 판단한다(S130).
상기 S130 단계의 판단 결과, 상기 리튬이온 배터리 셀의 온도가 제2 설정 온도(T2) 이하라고 판단되면, 상기 리튬이온 배터리 셀의 온도 값이 상기 히트싱크 온도 센서(144)에서 감지된 현재 상기 BMS 히트싱크(142)의 온도 이하인지를 판단한다(S132).
상기 리튬이온 배터리 셀의 온도 값이 상기 BMS 히트싱크(142)의 온도 이하라고 판단되면, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하는 제어신호를 출력하여 팬(130)에 전원을 공급하여 팬(130)의 바람의 방향이 BMS(140)에서 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108) 방향으로 이동하도록 팬(130)을 가동시키거나, 상기 BMS(140)에서 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108) 방향으로 바람의 방향이 설정된 팬(130)을 가동시킨다. 또한, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하여 발열체(120)에 공급되는 전원을 차단한다(S134).
이때, 상기 리튬이온 배터리 셀의 온도 값이 상기 BMS 히트싱크(142)의 온도 이하가 아니라고 판단되면, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하는 제어신호를 출력하여 상기 팬(130) 및 상기 발열체(120)에 공급되는 전원을 차단한다(S142).
상기 S130 단계의 판단 결과, 상기 리튬이온 배터리 셀의 온도가 제2 설정 온도(T2) 이하가 아니라고 판단하게 되면, 상기 리튬이온 배터리 셀의 온도가 설정된 제3 설정 온도(T3) 이하인지를 판단한다(S140).
상기 S140 단계의 판단 결과, 상기 리튬이온 배터리 셀 중 어느 하나의 배터리 셀의 온도 값이 제3 설정 온도(T3) 이하라고 판단하게 되면, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하는 제어신호를 출력하여 상기 팬(130) 및 상기 발열체(120)에 공급되는 전원을 차단한다(S142).
상기 S140 단계의 판단 결과, 상기 리튬이온 배터리 셀의 온도가 제3 설정 온도(T3) 이하가 아니라고 판단하게 되면, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하는 제어신호를 출력하여, 팬(130)에 전원을 공급하여, 팬(130)의 바람의 방향이 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)에서 상기 BMS(140) 방향으로 이동하도록 팬(130)을 가동시키거나, 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)에서 상기 BMS(140) 방향으로 바람의 방향이 설정된 팬(130)을 가동시킨다. 또한, 상기 BTMS(150)의 상기 제어부(144)는 상기 BMS(140)를 제어하는 제어신호를 출력하여 발열체(120)에 공급되는 전원을 차단한다(S144).
이와 같은 단계는 배터리 셀의 사용이 종료 될 때까지 반복된다.
즉 상기 S122 단계, 상기 S134 단계, 상기 S142 단계 및 상기 S144 단계의 진행 이후에, 상기 제어부(144)는 상기 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 사용이 종료되는지를 판단한다(S150).
상기 판단 결과, 상기 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 사용이 종료된다고 판단하게 되면, 상기 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 가열 동작 또는 냉각 동작을 위한 모드 상태를 해제 처리, 즉 상기 발열체(120) 및 상기 팬(130)에 공급되는 전원을 차단하고, 리튬이온 배터리 셀(102, 104, 106, 108)의 사용을 완료 처리한다(S160).
이와 같이 본 발명에서 제시하는 자동차용 배터리의 온도 제어 장치는 배터리의 근접위치 또는 내설되도록 온도 센서(110)를 각 배터리 셀에 장착한 후, 온도 센서(110)로부터 측정된 온도에 따라 차량 내부의 발열체(120) 및 팬(130)을 동작 제어함으로써, 기능 부가를 위한 별도의 장비를 사용하지 않고 배터리 셀의 온도를 조절할 수 있게 된다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예에 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 적용되고 변형실시될 수 있다.
1 : 자동차용 배터리 온도 조절 장치
100 : 배터리 모듈
110 : 온도 센서
120 : 발열체
130 : 팬
140 : BMS, 배터리 관리 시스템
150 : BTMS, 배터리 열관리 시스템

Claims (8)

  1. 복수의 배터리 셀을 다단으로 적층 배열하면서 전기적으로 연결하여 구성하는 배터리 모듈;
    상기 배터리 모듈을 구성하는 복수의 배터리 셀의 온도를 감지하기 위한 적어도 하나의 온도 센서;
    상기 배터리 모듈에 근접하여 설치되며, 발열을 통하여 상기 배터리 셀이 권장온도가 유지되도록 설치되는 발열체;
    상기 발열체를 기준으로 상기 배터리 모듈과 반대방향에 위치하며, 상기 배터리 셀을 냉각 또는 가열하기 위하여 구동되는 적어도 하나의 팬;
    상기 팬을 기준으로 상기 발열체와 반대방향에 위치하고, 상기 팬 방향에는 히트싱크가 구비되어 있으며, 상기 발열체 및 상기 팬에 전원을 공급하는 배터리 관리 시스템; 및
    상기 온도 센서와 전기적으로 연결 접속되어 복수의 배터리 셀의 온도를 확인하고, 확인된 배터리 셀의 온도에 따라 상기 배터리 관리 시스템에서 상기 발열체 및 상기 팬에 전원를 공급 또는 차단하도록 제어하여 발열 및 냉각을 통해 상기 배터리 셀이 권장온도가 유지되도록 제어하는 배터리 열관리 시스템;을 포함하며,
    상기 배터리 열관리 시스템은,
    상기 배터리 셀의 온도가 저온 범위인 경우에는 상기 발열체에 전원을 공급하여 발열하도록 제어하고 상기 팬에 전원을 공급하여 상기 팬의 바람의 방향이 상기 배터리 관리 시스템에서 상기 배터리 모듈 방향이 되도록 제어하고;
    상기 배터리 셀의 온도가 준저온 범위인 경우에는, 상기 히트싱크의 온도가 상기 배터리 셀의 온도 이상이면 상기 발열체에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고 상기 팬에 전원을 공급하여 상기 팬의 바람의 방향이 상기 배터리 관리 시스템에서 상기 배터리 모듈 방향이 되도록 제어하고, 상기 히트싱크의 온도가 상기 배터리 셀의 온도보다 낮으면 상기 발열체 및 상기 팬에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고;
    상기 배터리 셀의 온도가 상온 범위인 경우에는 상기 발열체 및 상기 팬에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고;
    상기 배터리 셀의 온도가 고온 범위인 경우에는 상기 발열체에 공급되는 전원이 차단되도록 제어하고 상기 팬에 전원을 공급하여 상기 팬의 바람의 방향이 상기 배터리 모듈에서 상기 배터리 관리 시스템 방향이 되도록 제어하는 것;
    을 특징으로 하는 자동차용 배터리 온도 조절 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센서는 복수의 배터리 셀에 각각 대응되도록 설치된 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 온도 조절 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발열체는 필름히터, 실리콘 러버히터, 및 코일히터를 포함하는 히터군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 온도 조절 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 열관리 시스템은, 상기 온도 센서를 통해 감지된 배터리 셀의 온도를 확인하는 배터리 온도 확인부, 및 상기 발열체 및 팬의 동작을 제어하는 제어부,를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 온도 조절 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 온도는 상기 복수의 배터리 셀 중 어느 하나의 온도를 의미하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 온도 조절 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 온도는 상기 온도 센서에서 감지된 상기 복수의 배터리 셀의 온도값의 평균을 의미하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 온도 조절 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 권장온도는 배터리 셀들이 외부전원을 통해 최적으로 충전될 수 있는 충전권장온도와, 배터리 셀들이 최대출력으로 방전될 수 있는 방전권장온도로서, 10℃ ~ 39℃ 범위의 상온인 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리 온도 조절 장치.
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