KR102146798B1 - 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치는 전기차에 장착되는 배터리팩의 온도값이 일정 범위 내에서 유지될 수 있도록 하는 장치로서, 배터리팩과 열교환이 이뤄져 배터리팩이 냉각되도록 작동되는 쿨링모듈, 배터리팩과 열교환이 이뤄져 배터리팩이 승온되도록 작동되는 히팅모듈 및 쿨링모듈과 히팅모듈이 각기 선택적으로 배터리팩과 열교환이 수행될 수 있게 마련되는 스위치모듈이 포함되고, 쿨링모듈 및 히팅모듈은 배터리팩과 병렬로 결합될 수 있다.

Description

소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치{HEATING AND COOLING APPARATUS FOR ELECTRIC VVEHICLE BATTARY-PACK}
본 발명은 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리팩이 일정한 온도범위 내에서 유지될 수 있도록 하기 위해 배터리팩의 온도에 따라서 냉각 또는 가열이 수행될 수 있도록 한 히팅 및 쿨링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관을 이용한 차량 및 이동수단이 널리 실시되고는 있으나, 내연기관에서 소비되는 연료의 매장량이 제한적이라는 것이나 내연기관으로 인해 발생되는 대기오염과 같은 단점들은 꾸준하게 개선되어야 할 문제점으로 지적되어 왔다.
이러한 내연기관의 문제점들을 개선하기 위해서 내연기관과 전기모터를 병행하는 하이브리드 시스템이 장착되어 실시되기도 하고, 전기에너지만으로 구동이 되는 전기차에 연구 및 개발이 활발하게 이뤄지고 있다.
이 중 전기차는 전기만을 동력으로 움직이는 것으로, 전기에너지를 사용하기에 대기오염의 우려가 없는 친환경 자동차로서, 종래 내연기관에서 배출되었던 배기가스나 소음이 거의 없다는 장점을 지닌다.
전기차는 종래 내연기관에 비하여 다양한 장점을 지니고는 있으나, 전기에너지를 저장하는 배터리의 저장용량 문제, 배터리의 경량화 및 소형화 등에 대한 많은 과제들을 지니고 있다.
또한, 전기에너지를 저장하여 사용하는 배터리의 경우 외부의 온도에 따라 그 효율에 영향을 크게 받게된다.
배터리는 특정온도 이하 또는 특정온도 이상에서 그 충전이나 방전용량이 급격히 저하되는 특성을 지니고 있어, 전기차에 탑재되는 배터리팩은 항시 일정한 온도범위 내에서 유지되어야 한다는 문제점이 있었다.
따라서 위와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 전기차에 탑재되는 배터리팩이 일정한 온도범위 내에서 유지될 수 있도록, 외기와 배터리팩의 온도를 감지하여 배터리팩을 승온시키거나 냉각시킬 수 있도록 한 히팅 및 쿨링 장치를 제공하기 위함이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치는 전기차에 장착되는 배터리팩의 온도값이 일정 범위 내에서 유지될 수 있도록 하는 장치로서, 배터리팩과 열교환이 이뤄져 배터리팩이 냉각되도록 작동되는 쿨링모듈, 배터리팩과 열교환이 이뤄져 배터리팩이 승온되도록 작동되는 히팅모듈 및 쿨링모듈과 히팅모듈이 각기 선택적으로 배터리팩과 열교환이 수행될 수 있게 마련되는 스위치모듈이 포함되고, 쿨링모듈 및 히팅모듈은 각각 배터리팩과 열교환이 이뤄질 수 있는 별도의 경로상에 배치되고, 스위치모듈에 의해 쿨링모듈이 배치된 경로 및 히팅모듈이 배치된 경로가 단속될 수 있다.
그리고, 쿨링모듈은 냉매가 순환되는 경로를 지니고, 냉매가 기화되는 증발기, 기화기를 통해 기화된 냉매가 압축되는 압축기, 압축기를 거친 냉매가 액화되는 응축기 및 응축기에서 액화된 냉매가 팽창되는 팽창밸브가 포함될 수 있다.
또는, 히팅모듈 및 쿨링모듈은 스위치모듈과 열교환이 수행되고, 스위치모듈은 다수 개의 스위치에 의해 히팅모듈 또는 쿨링모듈을 통해 전달된 열에너지를 배터리팩으로 전달할 수 있다.
그리고, 외기온도가 계측되는 제1센서, 배터리팩의 온도가 계측되는 제2센서 및 다수 개의 스위치를 개방 또는 차단될 수 있도록 제어하는 제어부가 더 포함될 수 있다.
또는, 제어부는 제1센서 및 제2센서를 통해 계측된 온도정보가 입력되고, 제1센서 및 제2센서를 통해 계측된 온도정보의 차를 기 설정된 정보에 대입하여 다수 개의 스위치를 각기 제어할 수 있다.
그리고, 제어부는 제1센서를 통해 계측된 온도가 기 설정된 온도값 이하일 경우 다수 개의 스위치를 각기 제어하여 히팅모듈 및 배터리팩간의 열교환이 수행되어 배터리팩이 승온될 수 있도록 작동될 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치는 배터리팩의 온도를 감지하여 일정온도 이하일 경우 히팅모듈을 가동하여 배터리팩의 온도를 상승시키고, 일정온도 이상일 경우 쿨링모듈을 가동하여 배터리팩의 온도를 하강시켜 배터리팩이 정상작동될 수 있는 온도범위 내에서 유지될 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 쿨링모듈의 경우 전기차의 공조시설에 포함되는 냉각장치와 열교환을 수행하여 배터리팩의 냉각이 수행될 수 있어 설비를 간소화할 수 있다는 장점 또한 지니게 된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 리튬이온배터리팩의 온도에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링장치의 밸브모듈이 개폐되는 상태를 나타낸 표이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링장치의 제어부와 밸브모듈을 나타낸 개략도이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치는 하기 되는 것과 같이 실시될 수 있고, 배터리를 통해 에너지를 공급받은 전기모터에 의해 추진되는 초소형의 카트, 경형, 소형 승합차, 특수자동차, 소형의 동력운반차 등에 두루 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 리튬이온배터리팩의 온도에 따른 특성을 나타낸 그래프이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링장치의 밸브모듈이 개폐되는 상태를 나타낸 표, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링장치의 제어부와 밸브모듈을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치는 전기차에 장착되는 배터리팩(100)의 온도값이 일정 범위 내에서 유지될 수 있도록 하는 장치로서, 배터리팩(100)과 열교환이 이뤄져 배터리팩(100)이 냉각되도록 작동되는 쿨링모듈(300), 배터리팩(100)과 열교환이 이뤄져 배터리팩(100)이 히팅되도록 작동되는 히팅모듈(200) 및 쿨링모듈(300)과 히팅모듈(200)이 각기 선택적으로 배터리팩(100)과 열교환이 수행될 수 있게 마련되는 스위치모듈(400)이 포함될 수 있다.
그리고, 쿨링모듈(300)과 히팅모듈(200)은 배터리팩(100)과 병렬로 결합되고, 스위치모듈(400)을 매개로 배터리팩(100)과 열교환이 수행될 수 있다.
아래에서는 상기된 각각의 구성을 구체적으로 자세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치는 전기차에 장착되는 배터리팩(100)의 온도가 적정 범위 내에서 유지되도록 하기 위한 것이다.
배터리팩(100)은 본 발명이 적용되는 다양한 실시예에 따라서 절적한 형태로 구현될 수 있을 것이나, 본 실시예에서는 리튬이온(Li-ion) 배터리를 예로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이 리튬이온 배터리팩은 그 충전용량 및 방전용량이 원활하게 발휘될 수 있는 온도구간이 존재하고, 이러한 배터리팩의 특성은 그 온도구간만을 달리할 뿐 적절한 성능이 발휘되기 위한 온도구간이 특정될 수 있다.
리튬이온 배터리팩은 크기에 비하여 용량이 큰 특징을 지니고 있고, 배터리의 용량저하가 쉽게 일어나지 않는다는 장점을 지니고 있어 전기모터를 구동하는 전기차에 두루 사용된다.
이러한 배터리팩(100)은 일정온도 이하에서는 그 배터리의 용량이 저하되고, 충전성능이 급격하게 악화된다.
반대로 일정온도 이상으로 가열되었을 경우에도 용량저하나 충방전 성능이 제대로 발휘될 수 없고 폭발이 일어날 수 있는 위험 또한 존재하게 된다.
히팅모듈(200)은 전기히팅 방식으로 구현될 수 있다.
전류가 인가되면 전기저항에 의해 열이 발생되고, 발생된 열로 공기와 같은 열전달매체를 가열하게 된다.
히팅모듈(200)은 PTC서미스터(Positive Temperature Coefficient-thermistor)로 구현될 수 있고, 특정온도에 따라 저항값이 변화하여 기 설정된 온도가 발생된 열에의해 유지될 수 있도록 작동될 수 있다.
이는 본 발명이 적용되는 다양한 실시예에 따라서 다양한 히팅장치로 구현될 수 있을 것이다.
쿨링모듈(300)은 냉각수가 순환되며 냉각시키는 수냉 방식으로 구현될 수 있고 또는, 단면적을 넓힌 냉각핀이 다수 구비되어 냉각핀의 주변 공기와의 열교환을 통해 냉각이 수행되는 공냉식으로 구현될 수 있다.
쿨링모듈(300)은 설정된 온도 이하로 냉각을 시키기 위한 장치로서, 열매체는 공기, 냉각수, 냉매 등이 다양하게 사용될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 전기차의 공조장치에 포함되어 있는 냉각사이클로 대체되어 팽창, 응축, 압축 및 증발 과정을 거치며 열교환이 수행되는 전기차의 에어컨장치가 이용될 수도 있다.
스위치모듈(400)은 도 1에 도시된 바와 같이 배터리팩(100)과 직접적으로 열교환이 수행되는 열교환부가 포함되고, 타측에는 상술하였던 히팅모듈(200) 및 쿨링모듈(300)과 열교환이 수행될 수 있도록 구비된다.
이때, 히팅모듈(200) 및 쿨링모듈(300)이 배터리팩(100)과 병렬로 결합 되도록 스위치모듈(400)은 구비된다.
스위치모듈(400)은 제1스위치(410), 제2스위치(420) 및 제3스위치(430)가 마련되어 각각의 스위치의 개폐 조합에 따라 히팅모듈(200) 또는 쿨링모듈(300)과 열교환된 열매체가 배터리팩(100)을 승온시키거나 냉각시킬 수 있도록 작동하게 된다.
또한, 외기온도가 계측될 수 있도록 마련되는 제1센서(510) 및 배터리팩(100)의 온도가 계측될 수 있도록 마련된 제2센서(520)가 더 포함될 수 있다.
제1센서(510) 및 제2센서(520)를 통해 계측된 온도정보는 제어부로 입력되고, 제어부는 제1센서(510) 및 제2센서(520)를 통해 입력된 온도정보를 기 입력되 저장된 데이터에 적용하여 제1스위치(410), 제2스위치(420) 및 제3스위치(430)를 각기 개폐 제어하게 된다.
상세하게는 제1센서(510)를 통해 계측된 외기의 온도가 특정온도 이하이고, 제1센서(510)를 통해 계측된 외기의 온도와 제2센서(520)를 통해 계측된 배터리팩(100)의 온도차가 기 설정된 값 이하일 경우, 제1스위치(410) 내지 제3스위치(430)의 개폐 조작을 통해 히팅모듈(200)과 열교환된 열매체가 배터리팩(100)으로 인가되어 배터리팩(100)의 온도가 상승되도록 작동하게 된다.
또는, 제2센서(520)를 통해 계측되는 배터리팩(100)의 온도가 일정온도 이하일 경우 제어부를 통해 히팅모듈(200)과 배터리팩(100)이 열교환 될 수 있도록, 제2센서(520)를 통해 계측되는 배터리팩(100)의 온도가 일정온도 이상일 경우 제어부를 통해 쿨링모듈(300)과 배터리팩(100)이 열교환 될 수 있도록 작동될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 배터리팩
200: 히팅모듈
300: 쿨링모듈
400: 스위치모듈 410: 제1스위치
420: 제2스위치 430: 제3스위치
510: 제1센서 520: 제2센서

Claims (6)

  1. 소형전기차에 장착되는 리튬이온 배터리팩의 온도값이 일정 범위 내에서 유지될 수 있도록 하는 장치로서,
    상기 배터리팩과 열교환이 이뤄져 상기 배터리팩이 냉각되도록 작동되는 쿨링모듈;
    상기 배터리팩과 열교환이 이뤄져 상기 배터리팩이 승온되도록 작동되는 히팅모듈; 및
    상기 쿨링모듈 및 상기 히팅모듈이 각기 선택적으로 상기 배터리팩과 열교환이 수행될 수 있게 마련되는 스위치모듈;이 포함되고,
    상기 쿨링모듈 및 상기 히팅모듈은 각각 상기 배터리팩과 열교환이 이뤄질 수 있는 별도의 경로상에 배치되고,
    상기 스위치모듈에 의해 상기 쿨링모듈이 배치된 경로 및 상기 히팅모듈이 배치된 경로가 단속되며,
    상기 쿨링모듈은 냉매가 순환되는 경로를 지니고,
    냉매가 기화되는 증발기;
    상기 증발기를 통해 기화된 냉매가 압축되는 압축기;
    상기 압축기를 거친 냉매가 액화되는 응축기; 및
    상기 응축기에서 액화된 냉매가 팽창되는 팽창밸브;가 포함되며,
    상기 히팅모듈 및 상기 쿨링모듈은 상기 스위치모듈과 열교환이 수행되고,
    상기 스위치모듈은 다수 개의 스위치에 의해 상기 히팅모듈 또는 상기 쿨링모듈을 통해 전달된 열에너지를 상기 배터리팩으로 전달하고,
    외기온도가 계측되는 제1센서;
    상기 배터리팩의 온도가 계측되는 제2센서; 및
    상기 다수 개의 스위치를 각기 개방 또는 차단될 수 있도록 제어하는 제어부;가 더 포함되며,
    상기 제어부는,
    상기 제1센서 및 상기 제2센서를 통해 계측된 온도정보가 입력되고, 상기 제1센서 및 상기 제2센서를 통해 계측된 온도정보의 차를 기 설정된 정보에 대입하여
    상기 다수 개의 스위치를 각기 제어하고, 상기 제1센서를 통해 계측된 온도가 기 설정된 온도값 이하일 경우 상기 다수 개의 스위치를 각기 제어하여 상기 히팅모듈 및 상기 배터리팩간의 열교환이 수행되어 상기 배터리팩이 승온될 수 있도록 작동되는
    소형전기차의 배터리팩 히팅 및 쿨링 장치.
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