KR102159677B1 - 열전소자를 이용한 배터리의 온도 모니터링 및 제어 장치와 그 방법 - Google Patents

열전소자를 이용한 배터리의 온도 모니터링 및 제어 장치와 그 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 온도를 모니터링하고 제어하기 위한 장치 및 그 방법이 제공된다. 일 실시예에 따른 배터리 온도 제어 장치는 배터리의 적어도 일면에 부착된 복수의 열전모듈, 상기 열전모듈을 사이에 두고 상기 배터리에 밀착하여 배치되며 내부를 통해 냉매가 유동되는 열교환 파이프 및 상기 열전모듈과 연결되어 상호작용할 수 있는 제어부를 포함한다.

Description

열전소자를 이용한 배터리의 온도 모니터링 및 제어 장치와 그 방법 {Device and method for controlling and monitoring temperature of battery using thermoelectric element}
본 발명은 배터리의 온도를 제어하는 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 열전소자를 이용하여 전기 또는 하이브리드 자동차의 배터리 온도를 모니터링하고 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차는 원동기를 동력원으로 하여 주행하고 사람이나 화물을 운반하거나 각종 작업을 하는 기계를 말한다. 자동차는 원동기의 종류에 따라 가솔린 기관을 원동기로 하는 가솔린 자동차, 디젤 기관을 원동기로 하는 디젤 자동차, 액화 석유가스를 연료로 하는 LPG차, 가스 터빈을 원동기로 하는 가스 터빈 자동차, 모터를 원동기로 하고 배터리에 충전된 전기를 사용하는 전기자동차(EV, Electric Vehicle)로 분류할 수 있다.
가솔린, 디젤, LPG 등의 화석 연료를 사용하는 자동차의 경우 석유자원의 고갈과 배기가스에 의한 지구온난화 등의 환경오염을 일으키기 때문에, 최근에는 친환경 전기자동차와 하이브리드 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다.
전기자동차(이하 하이브리드 자동차 포함)는 배터리로부터 전기를 공급받아 동력을 얻는 구동 모터를 이용하기 때문에 가솔린이나 디젤 등의 화석연료를 이용하여 동력을 얻는 엔진에 비해 이산화탄소의 배출이 없으므로 친환경 자동차로 각광받고 있다. 최근 들어 치솟는 유가와 배기가스 규제 강화가 전기자동차 개발의 속도를 빠르게 하고 있으며, 시장 규모도 급성장 중이다.
전기자동차의 주행을 위한 배터리로는 충전과 방전을 반복할 수 있는 2차 전지가 사용되는데 통상적으로는 섭씨 40도 이상의 고온과 섭씨 0도 이하의 저온에서는 제 성능을 발휘하지 못하고, 그러한 환경에서 충전과 방전이 반복되면 배터리의 수명도 단축되는 결과로 이어진다. 전기자동차의 성능과 수명은 결국 이 배터리의 성능 및 수명 즉, SoH(State of Health)에 좌우되므로, 배터리에서 발생하는 열을 관리하여 최적의 온도로 유지시켜 주는 것이 전기자동차에 있어 중요한 과제로 부각된다.
그런데 전기자동차의 주행을 위해서는 높은 에너지가 필요하고 이에 따라 고전압의 배터리 시스템이 필수적이다. 이렇게 높은 전기 에너지를 얻기 위해서는 다수의 배터리를 직렬 또는 병렬로 연결하는데 각각의 배터리를 배터리 셀(cell)이라 하고 여러 개의 셀을 모아 고정한 것을 배터리 모듈(module)이라고 하며 모듈들을 모아 고정한 것을 배터리 팩(pack)이라 한다.
종래에는 배터리의 온도 조절을 위해 공기의 흐름을 이용하는 공랭식 시스템이나 라디에이터/에어컨 냉매 등을 사용하는 수랭식 시스템 등을 사용하였다. 그러나 공랭식의 경우 대기 온도에 따라 냉각 성능과 효율이 달라지며 공기가 주입되는 지점과 배출되는 지점의 온도 차이가 난다는 단점이 있다. 수랭식의 경우 공기에 비해 비열이 크고 온도 조절이 상대적으로 용이한 냉매를 사용하기 때문에 공랭식이 갖는 단점을 어느 정도 보완할 수 있었다.
그러나, 라디에이터를 이용한 수랭식 시스템은 냉매의 온도 조절 과정을 먼저 거쳐야 하고, 냉매의 온도 조절 효율 또한 대기 온도에 영향을 받기 때문에 배터리의 온도 변화에 대처하기 위한 반응속도가 느릴 수 밖에 없다. 최근에는 고출력을 위해 점점 배터리 셀이 많아지고 배터리 모듈 또는 팩의 부피가 커지고 있으며 다량의 전류가 흐름에 따라 배터리의 온도가 급격하게 상승하기 때문에, 수랭식 시스템만으로는 배터리 전체 시스템의 평균 온도 관리만 가능할 뿐 배터리 내 특정 위치에 대한 개별적인 온도 관리 및 대응 능력이 부족하여 배터리 내에 불균일한 온도 구배가 발생할 수 있고, 이에 따라 배터리의 성능 저하 및 수명 단축이 야기될 수 있다.
또한, 배터리의 온도 관리를 위해서는 배터리의 온도를 정확하게 측정하는 것이 중요한데, 배터리의 표면에는 전류가 흐르기 때문에 종래의 온도측정센서는 배터리에 직접 접촉시켜 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배터리의 불균일한 온도 구배가 발생할 수 있는 위치에 독립적인 제어가 가능한 열전모듈을 부착하여 해당 부위의 온도 변화에 따라 흡열 또는 발열 피드백을 개별적으로 조절함으로써, 수랭식인 냉각수 시스템을 보완하여 배터리의 균일한 온도 관리를 가능하게 하는 배터리 온도 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한, 배터리 온도를 측정하기 위한 센서로서, 배터리에 접촉하는 부분이 절연체(부도체)로 이루어져 배터리 표면에 전류가 흐르더라도 정확한 온도 측정이 가능한 열전소자센서도 제공한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 온도 제어 장치는 배터리의 적어도 일면에 부착된 복수의 열전모듈, 상기 열전모듈을 사이에 두고 상기 배터리에 밀착하여 배치되며 내부를 통해 냉매가 유동되는 열교환 파이프 및 상기 열전모듈과 연결되어 상호작용할 수 있는 제어부를 포함하는 장치로서, 각각의 상기 열전모듈은 서로 대응되는 하나 이상의 열전유닛 및 센서유닛을 포함하고, 상기 열전유닛은 상기 배터리에 접촉하는 내측 절연판, 상기 내측 절연판의 외측에 배치되어 상기 배터리에 접촉하지 않는 외측 절연판 및 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판 사이에 배치된 열전소자를 포함하여, 상기 제어부로부터 전력을 인가 받아 흡열 또는 발열이 가능하며, 상기 센서유닛은 상기 대응되는 열전유닛에 인접하여 상기 배터리에 부착되어, 상기 배터리의 해당 열전모듈이 배치된 부분의 온도에 대한 정보를 상기 제어부에 제공하고, 상기 제어부는 각각의 상기 센서유닛으로부터 제공되는 온도에 대한 정보를 기초로 상기 대응되는 열전유닛의 흡열 또는 발열을 개별적으로 조절하여, 하나 이상의 상기 열전모듈을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 제공된 온도가 소정 온도보다 높은 상기 센서유닛에 대해서는 상기 대응되는 열전유닛의 내측 절연판이 흡열하도록 전력을 인가할 수 있다.
상기 센서유닛은, 상기 배터리에 접촉하는 내측 절연판, 상기 배터리에 접촉하지 않는 외측 절연판, 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판 사이에 배치된 열전소자 및 상기 외측 절연판에 부착된 온도센서를 포함하는 열전소자센서로서, 상기 제어부는 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판의 온도 차이에 따라 발생하는 기전력 및 상기 외측 절연판의 온도를 기초로 상기 내측 절연판의 온도를 계산하여, 계산된 온도가 소정 온도보다 높을 경우 상기 대응되는 열전유닛의 내측 절연판이 흡열하도록 전력을 인가할 수 있다.
상기 센서유닛은, 상기 배터리에 접촉하는 내측 절연판, 상기 배터리에 접촉하지 않는 외측 절연판 및 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판 사이에 배치된 열전소자를 포함하되, 별도의 온도센서를 포함하지 않는 열전소자센서로서, 상기 제어부는 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판의 온도 차이에 따라 발생하는 기전력을 측정하고 상기 기전력을 기초로 열전소자의 온도에 따른 저항 변화 및/또는 지벡(Seebeck) 계수 변화를 이용하여 상기 내측 절연판의 온도를 계산하고, 계산된 온도가 소정 온도보다 높을 경우 상기 대응되는 열전유닛의 내측 절연판이 흡열하도록 전력을 인가할 수 있다.
상기 열교환 파이프는, 상기 열전모듈이 배치된 부분에 중첩되어 상기 열전모듈과 열교환하는 제1 라인 및 상기 열전모듈이 배치된 부분에 중첩되지 않아 상기 배터리와 직접 열교환하는 제2 라인을 포함하되, 상기 제1 라인과 상기 제2 라인은 독립적으로 가동하며, 상기 제어부는 상기 제1 라인을 유동하는 냉매의 온도를 측정하여 상기 센서유닛의 외측 절연판의 온도를 결정하고, 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판의 온도 차이에 따라 발생하는 기전력 및 상기 외측 절연판의 온도를 기초로 상기 내측 절연판의 온도를 계산하여, 계산된 온도가 소정 온도보다 높을 경우 상기 대응되는 열전유닛의 내측 절연판이 흡열하도록 전력을 인가할 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 온도 제어 방법은 배터리의 적어도 일면에 부착된 복수의 열전모듈 및 상기 열전모듈을 사이에 두고 상기 배터리에 밀착하여 배치되며 내부를 통해 냉매가 유동되는 열교환 파이프를 포함하고, 각각의 상기 열전모듈은 서로 대응되는 하나 이상의 열전유닛 및 센서유닛을 포함하며, 상기 열전유닛은 상기 배터리에 접촉하는 내측 절연판, 상기 내측 절연판의 외측에 배치되어 상기 배터리에 접촉하지 않는 외측 절연판 및 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판 사이에 배치된 열전소자를 포함하고, 상기 센서유닛은 상기 대응되는 열전유닛에 인접하여 상기 배터리에 부착된 배터리 온도 제어 장치에 있어서, 각각의 상기 센서유닛으로부터 온도에 대한 정보를 제공받는 단계 및 제공된 정보를 기초로 산출한 온도가 소정 온도보다 높은 센서유닛에 대해서는 상기 대응되는 열전유닛의 내측 절연판이 흡열하도록 전력을 인가하는 단계를 포함하되, 하나 이상의 상기 열전모듈을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자를 이용한 온도 측정 센서는 온도 측정 대상체에 접촉하는 내측 절연판, 상기 대상체에 접촉하지 않는 외측 절연판, 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판 사이에 배치된 열전소자 및 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판의 온도 차이에 따라 발생하는 기전력을 측정하는 제어부를 포함하되, 별도의 온도센서를 포함하지 않는 열전소자센서로서, 상기 제어부는 상기 기전력을 기초로 열전소자의 온도에 따른 저항 변화 및/또는 지벡(Seebeck) 계수 변화를 이용하여 상기 내측 절연판의 온도를 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 각각의 배터리가 복수 배열된 배터리팩에서, 상기 배터리팩의 외부면을, 열전모듈이 배치되는 제1영역과, 열전모듈이 배치되지 않는 제2영역으로 나누고, 열전모듈과 연결되어 작용하는 제어부를 포함하는 배터리 온도 제어장치로서, 각각의 상기 열전모듈은 각각의 열전유닛 및 센서유닛로 이루어지고, 상기 열전유닛은 내측 절연판, 상기 내측 절연판의 외측에 배치되어 배터리에 접촉하지 않는 외측 절연판 및 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판 사이에 배치된 열전소자를 포함하여, 상기 제어부로부터 전력을 인가 받아 흡열 또는 발열하며,상기 센서유닛은 상기 열전유닛에 인접하며, 해당 열전모듈이 배치된 부분의 온도에 대한 정보를 상기 제어부에 제공하고, 상기 제어부는 각각의 상기 센서유닛으로부터 제공되는 온도에 대한 정보를 기초로 상기 제1영역내에 배치된 열전유닛의 흡열 또는 발열을 조절하여, 상기 배터리팩이 균일한 온도를 유지하도록 하며, 상기 배터리 온도 제어장치는: 제1영역에서 배터리와 상기 열전모듈 사이에 배치되어 배터리 및 열전모듈과 동시에 열교환하는 제1 라인; 및 제2영역에서 배터리와 직접 열교환하는 제2 라인을 포함하는 열교환파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 장치를 제공한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 배터리 온도 제어 장치는 냉각수 시스템을 보완하여 배터리 내 위치 별 온도를 모니터링하고 균일하게 제어함으로써 배터리의 안정적인 성능을 유지하고 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자로 구성된 센서유닛은 표면에 전류가 흐르는 배터리에도 직접 접촉시켜 정확한 온도를 측정하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 온도 제어 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 온도 제어 장치를 제1 방향에서 바라본 정면도이다.
도 3은 도 1의 배터리 온도 제어 장치를 제2 방향에서 바라본 측면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 센서유닛 및 열전유닛의 구조와 그 작동원리를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 온도 제어 장치의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 온도 제어 장치의 측면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
공간적으로 상대적인 용어인 '위(above)', '상부(upper)', '상(on)', '아래(below)', '아래(beneath)', '하부(lower)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below 또는 beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, '및/또는'은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 나타낸다. '약' 또는 '대략'은 그 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 20% 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 온도 제어 장치(1)의 사시도이고, 도 2 및 도 3은 각각 도 1의 배터리 온도 제어 장치(1)를 제1 방향(D1)에서 바라본 정면도 및 제2 방향(D2)에서 바라본 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 배터리 온도 제어 장치(1)는 복수의 열전모듈(100), 열교환 파이프(210) 및 제어부(300)를 포함한다.
본 발명의 온도 제어 대상이 되는 배터리(5)는 차량용 배터리일 수 있고 바람직하게는 전기자동차나 하이브리드자동차를 구동하는 배터리일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 안정적인 성능 유지와 수명 단축 방지를 위해 온도의 관리가 필요한 모든 배터리가 그 대상이 될 수 있다.
전기자동차나 하이브리드자동차의 경우 그 무게 때문에 높은 에너지를 필요로 하므로 대용량, 고전압의 배터리를 갖추어야 하는데, 이를 위해 현재의 전기자동차는 복수의 배터리 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성하고, 이 배터리 모듈들을 필요한 만큼 연결하여 배터리 팩이라고 하는 배터리 시스템을 구성하여 사용한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 배터리 셀, 배터리 모듈 및 배터리 팩을 별도로 구분하지 않고 '배터리'로 통칭하나, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 배터리 온도 제어 장치(1)를 구성하는 복수의 열전모듈(100)이 하나의 배터리 셀의 일면에 부착될 수 있음은 물론, 복수의 배터리 셀 또는 모듈에 걸쳐서 부착될 수도 있음을 당연하게 이해할 것이다.
복수의 열전모듈(100)은 배터리(5)의 적어도 일면에 부착된다. 도면에는 설명의 편의를 위해 열전모듈(100)이 배터리(5)의 일면에만 부착된 경우가 도시되나, 후술하는 도 8처럼 열전모듈(100)이 배터리(5)의 후면과 하면에 부착될 수도 있는 등, 그 부착 형태는 제한되지 않는다.
복수의 열전모듈(100)은 배터리(5)의 일면이 각 열전모듈(100)이 위치하는 영역들로 구획되도록 배치될 수 있다. 열전모듈(100)의 개수가 많고 조밀할수록 정밀한 온도 제어는 용이하나 비용 측면에서는 불리할 수 있기 때문에, 최적의 효과를 나타내도록 하는 개수와 형태로 배치될 수 있다. 도면에는 열전모듈(100)이 각각 배치되는 제1 내지 제3 영역(A, B, C)과, 열전모듈(100)이 배치되지 않는 제4 영역(D)으로 구획된 경우가 도시된다.
각각의 열전모듈(100)은 하나 이상의 센서유닛(110)과 하나 이상의 열전유닛(120)으로 구성된다. 센서유닛(110)은 배터리(5)의 온도를 측정하기 위한 구성으로서, 배터리(5) 중 해당 센서유닛(110)이 부착된 부분의 온도 정보를 제어부(300)에 제공한다. 열전유닛(120)은 배터리(5)와 열교환을 하기 위한 구성으로서, 제어부(300)로부터 전력을 인가 받아 배터리(5) 중 해당 열전유닛(120)이 부착된 부분에 대해 흡열 또는 발열 기능을 수행한다. 센서유닛(110)과 열전유닛(120)에 대한 구체적인 설명은 도 4에 대한 설명에서 후술한다.
하나의 열전모듈(100a)을 이루는 센서유닛(110a)과 열전유닛(120a)은 서로 대응되어 각 열전모듈의 영역(A)을 커버하도록 인접 배치된다. 즉, 센서유닛(110a)은 대응되는 열전유닛(120a)이 배치된 영역(A)의 온도를 측정하는 유닛이고, 마찬가지로 열전유닛(120a)은 대응되는 센서유닛(110a)이 배치된 영역(A)에 흡열 또는 발열 기능을 수행하는 유닛이다.
일 열전모듈(100a) 영역의 센서유닛(110a)이 배터리(5)의 해당 영역의 온도 정보를 제어부(300)에 제공하면, 제어부(300)에서는 제공된 온도와 소정의 기준 온도를 비교하여 해당 열전모듈 영역(A)의 열전유닛(120a)에 대해 필요한 조작을 수행하는데, 제어부(300)는 각 열전모듈(100a, 100b, 100c)을 독립적으로 제어하거나 소정 구역 또는 패턴으로 그룹화된 열전모듈(100)의 각 그룹을 독립적으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 제1 영역(A) 및 제3 영역(C)의 센서유닛(110a, c)이 제어부(300)에 전달한 온도는 기준 온도보다 낮고 제2 영역(B)의 센서유닛(110b)이 제어부(300)에 전달한 온도는 기준 온도보다 높으면, 제어부(300)는 제2 영역(B)의 열전유닛(120b)에 전력을 인가하여 흡열하도록 함으로써 배터리(5)의 제2 영역(B)을 냉각시키고, 제1 영역(A)과 제3 영역(C)의 열전유닛(120a, c)에는 전력을 인가하지 않거나 발열하도록 할 수 있다.
열교환 파이프(210)는 히트 파이프(heat pipe)라고도 불리며, 라디에이터(230)에서 공급되어 펌프(220)에 의해 순환되는 글리콜(glycol), 아세톤(acetone) 등의 냉매가 내부를 통해 유동한다.
열교환 파이프(210)는 열전모듈(100)을 사이에 두고 배터리(5)에 밀착하도록 배치되어, 열전모듈(100)의 열교환 효율을 향상시키거나 배터리(5)와 직접 열교환할 수 있다. 열교환 파이프(210)를 포함하는 냉각수 시스템(200) 또한 제어부(300)와 연결되어 열전모듈(100)의 센서유닛(110)에 의해 측정된 온도나 냉매 자체의 온도에 따라 펌프(220), 밸브 등을 제어하여 냉매의 유량 등이 조절될 수 있다.
열교환 파이프(210)는 알루미늄 재질 또는 소정의 강성과 열전도율을 만족하는 다른 재질로 구성될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이 열교환 파이프(210)가 배터리(5)의 하부인 제4 영역(D)에서 냉매의 유량이 집중되고 유동 거리가 짧은 반면, 배터리(5)의 상부인 제1 내지 제3 영역(A, B, C), 특히 내측인 제2 영역(B)으로 갈수록 냉매의 유량이 적고 유동 거리가 길어지는 구조에서는, 배터리(5)의 상부, 특히 상부 내측은 냉매에 의한 냉각이 제대로 이루어지지 않아 배터리(5) 내 위치에 따른 온도 불균형이 일어날 수 있다. 따라서, 배터리(5)의 하부는 열교환 파이프(210)와 직접적인 열교환을 통해 냉각시키고, 배터리(5)의 상부는 상술한 바와 같이 열전모듈(100)들을 배치함으로써 각 영역을 온도에 따라 개별적으로 제어하되 열교환 파이프(210)와도 중첩되도록 하여 열교환 효율을 높임으로써 배터리(5)의 온도를 전체적으로 균일하게 조절할 수 있다.
제어부(300)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)을 이루는 것으로서, 상술한 바와 같이 열전모듈(100)과 전기적 및/또는 전자기적 신호를 상호교환할 수 있도록 연결되어 열전모듈(100)의 작동을 제어하며, 냉각수 시스템(200)과도 연결되어 펌프(220), 밸브 등을 제어함으로써 냉매의 유량 등을 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 배터리 온도 제어 장치(1)는 배터리(5) 내 온도 불균형이 발생하는 구조적인 문제점을 갖는 냉각수 시스템(200)을 보완하기 위해 독립적으로 제어되는 복수의 열전모듈(100)을 도입하여 배터리(5) 내 온도를 균일하게 제어함으로써, 배터리(5)의 안정적인 성능을 유지하고 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 센서유닛(110) 및 열전유닛(120)의 구조와 그 작동원리를 나타낸 개략도이다.
먼저 도 4를 참조하면, 센서유닛(110)은 일반적인 온도 측정 센서로서, 배터리(5) 중 해당 센서유닛(110)이 부착된 부분의 온도를 측정할 수 있다.
열전유닛(120)은 반도체의 pn 접합(pn injunction)을 사용하여 전류를 흘려주면 한쪽 면은 흡열이 일어나 냉각 효과가 나타나고 반대 면은 발열이 일어나는 열전 효과(Thermoelectric effect) 또는 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용한 것으로서, 이를 위해 한 쌍의 절연판(121, 123)(insulator) 및 그 사이에 배치된 열전소자(122)(Thermoelectric effect) 또는 펠티에 소자(Peltier element)를 포함한다.
열전소자(122)는 동판(copper plate) 사이에 p형 및 n형 반도체가 배치되어 pn 접합을 이루는 소자일 수 있다. 한 쌍의 절연판(121, 123)은 세라믹 소재로 이루어진 부도체일 수 있고, 구체적으로 배터리(5)에 접촉하는 내측 절연판(121)과 열전유닛(120)의 외측에 배치되어 배터리(5)에 접촉하지 않는 외측 절연판(123)으로 구분될 수 있다. 절연판(121, 123)은 발열면 또는 흡열면으로서 제어부(300)로부터 전력을 인가 받아 흡열 또는 발열이 가능하며, 전류의 방향에 따라 발열면과 흡열면을 결정할 수 있다.
열전유닛(120)은 외측 절연판(123)에 배치된 방열판(124)을 더 포함할 수 있는데, 상기 방열판(124)을 통해 외측 절연판(123)의 열 방출 또는 흡수가 보다 효율적으로 이루어질 수 있다.
제어부(300)는 수신부(310), 연산부(320), 및 구동부(330)를 포함할 수 있는데, 수신부(310)는 센서유닛(110)으로부터 배터리(5)의 온도를 수신하고 연산부(320)에서는 이를 기준 온도와 비교하여 열전유닛(120)의 작동여부를 결정하며 구동부(330)는 연산부(320)에서 결정된 값에 따라 열전유닛(120)에 전력을 인가한다.
예를 들어, 센서유닛(110)이 수신부(310)에 전달한 온도가 연산부(320)에서 기준 온도보다 높은 것으로 판단되면 구동부(330)는 열전유닛(120)의 내측 절연판(121)이 흡열하도록 전력을 인가함으로써 배터리(5)를 냉각시킬 수 있다.
다음으로 도 5를 참조하면, 도 4와 달리 센서유닛(111)은 열전유닛(120)처럼 열전소자(114)를 이용한 열전소자센서일 수 있다. 열전소자센서는 열전소자(114)의 양측간에 온도 차이가 생길 경우 기전력이 발생하는 펠티에 효과의 역현상 즉, 지벡 효과(Seebeck effect)를 이용해서 온도를 측정하는 센서이다.
구체적으로, 센서유닛(111)은 배터리(5)에 접촉하는 내측 절연판(113), 배터리(5)에 접촉하지 않는 외측 절연판(115), 내측 절연판(113)과 외측 절연판(115) 사이에 배치된 열전소자(114) 및 외측 절연판(115)에 부착된 온도센서(116)를 포함할 수 있다. 센서유닛(111)의 절연판(113, 115) 및 열전소자(114)는 열전유닛(120)에 포함된 것과 실질적으로 동일한 것을 사용할 수 있다.
센서유닛(111)이 부착된 부분의 배터리(5) 온도에 변화가 생길 경우 센서유닛(111)의 내측 절연판(113)과 외측 절연판(115)간에도 온도 차이가 발생하여 이에 따라 기전력이 발생하는데, 상기 기전력 값을 측정하면 역으로 내측 절연판(113)과 외측 절연판(115)간의 온도 차이 즉, 상대 온도를 알 수 있다. 이를 외측 절연판(115)에 부착된 온도센서(116)에서 측정된 온도에 더함으로써 내측 절연판(113) 즉, 배터리(5)의 온도를 구할 수 있다. 구체적으로, 내측 절연판(113)의 온도(Tt), 외측 절연판(115)의 온도(Tr) 및 상대 온도(ΔT)의 관계는 다음과 같다.
Tt = Tr + ΔT
이와 같이, 열전소자(114)를 이용하여 온도를 측정할 수 있는 센서유닛(111)을 구성할 수 있다. 특히, 배터리(5)와 같이 표면에 전류가 흐르는 물체일 경우 종래의 온도센서로는 측정이 어려운 반면, 본 발명의 열전소자센서는 대상체에 접촉하는 부분(절연판)이 세라믹 소재와 같은 부도체로 이루어졌기 때문에 배터리(5)와 같이 표면에 전류가 흐르는 물체에 대해서도 용이하게 온도를 측정할 수 있다.
다음으로 도 6을 참조하면, 도 5와 달리 열전소자센서인 센서유닛(112)은 외측 절연판(115)에 부착되는 별도의 온도센서(116)를 포함하지 않을 수 있다.
열전소자(114)는 그 특성상 양 절연판(113, 115)간의 평균온도에 따라 저항값과 지벡 계수가 변하기 때문에, 이를 이용하면 양 절연판(113, 115)간의 온도 차이에 따라 발생하는 기전력을 모니터링 및 측정하는 것만으로도 내측 절연판(113)의 온도를 산출할 수 있다. 즉, 기전력값으로부터 상대 온도와 저항값 및/또는 지벡 계수를 구하고 이로부터 평균 온도를 구함으로써 역으로 내측 절연판(113)의 온도를 산출할 수 있다.
따라서, 도 6과 같이 별도의 온도센서(116)를 포함하지 않고 절연판(113, 115) 및 열전소자(114)만으로 이루어진 온도 센서유닛(112)을 구성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 온도 제어 장치(2)의 사시도이다. 도 7의 배터리 온도 제어 장치(2)는 열교환 파이프(211)가 서로 독립적으로 가동되는 제1 라인(212)과 제2 라인(213)을 포함하는 점을 제외하면 도 1 내지 도 3의 배터리 온도 제어 장치(1)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이하에서는 중복되는 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 열교환 파이프(211)는 열전모듈(100)이 배치된 부분에 중첩되어 열전모듈(100)과 접촉 및 열교환할 수 있는 제1 라인(212)과 열전모듈(100)이 배치된 부분에 중첩되지 않아 배터리(5)와 접촉 및 직접 열교환하는 제2 라인(213)을 포함할 수 있는데, 이러한 제1 라인(212)과 제2 라인(213)은 냉매의 유량이나 온도 등의 제어가 서로 독립적으로 이루어지도록 가동하는 냉매 순환 라인일 수 있다.
열전모듈(100)에 대한 열교환과 배터리(5)에 대한 직접적인 열교환은 그 효율이 냉매의 유량, 온도 등의 조건에 따라 다를 수 있기 때문에, 이와 같이 열전모듈(100)과 열교환하는 라인과 배터리(5)와 직접 열교환하는 라인을 개별적으로 구성하여 배터리(5)의 냉각 효율을 최적화할 수 있다.
또한, 센서유닛(110)이 도 5 또는 도 6과 같이 열전소자센서로 구성될 경우 열전모듈(100)과 접촉하는 제1 라인(212)의 냉매 온도를 측정하면 센서유닛(110)의 외측 절연판(115)의 온도를 간접적으로 알 수 있기 때문에, 도 6과 같이 외측 절연판(115)에 부착되는 별도의 온도센서(116)를 생략할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 온도 제어 장치(3)의 측면도이다. 도 8의 배터리 온도 제어 장치(3)는 열전모듈(100)이 배터리(5)의 하면에도 부착되는 점을 제외하면 도 7의 배터리 온도 제어 장치(2)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이하에서는 중복되는 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 복수의 열전모듈(100)은 배터리(5)의 하면에도 부착될 수 있고, 구체적으로는 여러 개의 배터리 셀(6) 하면에 걸쳐 부착될 수 있다. 전기자동차 등의 배터리(5)는 다수의 배터리 셀(6)이 차량의 전장 방향으로 길게 나열되어 그 부피가 크기 때문에 전장 방향에 대한 온도 불균형이 발생할 가능성이 높다. 따라서, 본 발명의 독립적으로 제어되는 열전모듈(100)을 전장 방향(제1 방향(D1))에 대해 복수 개 배치함으로써 냉각수 시스템(200)을 보완하여 배터리(5)의 온도를 균일하게 제어할 수 있다.
또한, 도 7과 마찬가지로 열교환 파이프(211)의 열전모듈(100)과 중첩된 라인(212)과 배터리(5)에 직접 열교환하는 라인(213)이 독립적으로 가동하도록 구성함으로써 냉각 효율을 높일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 각각의 배터리가 복수 배열된 배터리팩에서, 상기 배터리팩을, 열전모듈이 배치되는 제1영역과, 열전모듈이 배치되지 않는 제2영역으로 나누고, 열전모듈과 연결되어 작용하는 제어부를 포함하는 배터리 온도 제어장치로서,
    각각의 상기 열전모듈은 각각의 열전유닛 및 센서유닛로 이루어지고,
    상기 열전유닛은 내측 절연판, 상기 내측 절연판의 외측에 배치되어 배터리에 접촉하지 않는 외측 절연판 및 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판 사이에 배치된 열전소자를 포함하여, 상기 제어부로부터 전력을 인가 받아 흡열 또는 발열하며,
    상기 센서유닛은 상기 열전유닛에 인접하며, 해당 열전모듈이 배치된 부분의 온도에 대한 정보를 상기 제어부에 제공하고,
    상기 제어부는 각각의 상기 센서유닛으로부터 제공되는 온도에 대한 정보를 기초로 상기 제1영역내에 배치된 열전유닛의 흡열 또는 발열을 조절하여, 상기 배터리팩이 균일한 온도를 유지하도록 하며,
    상기 배터리 온도 제어장치는:
    제1영역에서 배터리와 상기 열전모듈 사이에 배치되어 배터리 및 열전모듈과 동시에 열교환하는 제1 라인; 및
    제2영역에서 배터리와 직접 열교환하는 제2 라인을 포함하는 열교환파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 제공된 온도가 소정 온도보다 높은 상기 센서유닛에 대해서는 상기 대응되는 열전유닛의 내측 절연판이 흡열하도록 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판의 온도 차이에 따라 발생하는 기전력 및 상기 외측 절연판의 온도를 기초로 상기 내측 절연판의 온도를 계산하여, 계산된 온도가 소정 온도보다 높을 경우 상기 대응되는 열전유닛의 내측 절연판이 흡열하도록 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판의 온도 차이에 따라 발생하는 기전력을 측정하고 상기 기전력을 기초로 열전소자의 온도에 따른 저항 변화 및/또는 지벡(Seebeck) 계수 변화를 이용하여 상기 내측 절연판의 온도를 계산하고, 계산된 온도가 소정 온도보다 높을 경우 상기 대응되는 열전유닛의 내측 절연판이 흡열하도록 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 라인을 유동하는 냉매의 온도를 측정하여 상기 센서유닛의 외측 절연판의 온도를 결정하고, 상기 내측 절연판과 상기 외측 절연판의 온도 차이에 따라 발생하는 기전력 및 상기 외측 절연판의 온도를 기초로 상기 내측 절연판의 온도를 계산하여, 계산된 온도가 소정 온도보다 높을 경우 상기 대응되는 열전유닛의 내측 절연판이 흡열하도록 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 장치.
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